贵州磷矿成矿规律研究进展与展望

陈国勇,陈 仁,杜远生,刘建中,王泽鹏,陈 群,任厚州

(1.贵州省地矿局,贵州 贵阳 550008;2.贵州省地质调查院,贵州 贵阳 550005;3.中国地质大学,湖北 武汉 430074;4.贵州省地矿局105地质大队,贵州 贵阳 550018;5.贵州省地矿局115地质大队,贵州 清镇 551499;6.贵州省地矿局104地质大队,贵州 都匀 558000)

1 引言

2017年贵州省启动了《中国矿产地质志·贵州卷·磷》(以下简称《贵州卷·磷》)研编。按照《中国矿产地质志省级矿产地质志研编技术要求》(中国矿产地质志项目办公室、中国地质科学院矿产资源研究所.2016),全面收集全省磷矿勘查、开发与研究资料,对贵州磷矿成矿规律进行了较为系统研究和总结。

2 以往研究概况

贵州磷矿研究始于新中国成立后。1954年贵州省工业厅地勘处罗绳武编著《关于寒武纪底部的磷矿》,对寒武纪底部磷矿作了系统研究。1955—1960年贵州省工业厅、贵州省地质局、贵州省化工局、中国科学院地质研究所等单位对贵州磷矿资源、分布等进行了研究;1983年和1989年贵州省地矿局115队分别编著《贵州扬子地区晚震旦世陡山沱期磷块岩成矿远景区划》《贵州瓮福磷矿地质特征和成矿规律研究报告》等,系统总结贵州“下磷矿”成矿规律,对陡山沱期磷块岩特征、岩相古地理、矿床成因、成磷条件、成矿规律等进行研究;《贵州磷块岩》(吴祥和等,1999),系统论述贵州磷矿产出构造环境、含磷岩系、磷块岩矿物组成、矿石类型、典型磷矿床、岩相古地理等特征,阐明聚磷盆地演化、海平面变化、成磷作用与磷矿产出关系,提出海相碳酸盐循环模式。

2000年后对磷矿开展了系列研究。2006—2012年有《贵州织金磷块岩稀土元素地球化学特征研究》(施春华等,2006)、《贵州省磷(稀土)矿产资源潜力评价报告》(贵州省地质调查院,2010)、《中国磷矿成矿规律》(韩豫川等,2012)等成果;2016年以后,在《贵州开阳地区富磷矿整装勘查专项填图与技术应用示范成果报告》(贵州省地矿局105队,中国地质大学(武汉),2016)和《贵州省震旦系磷矿成矿地质条件和成矿作用研究》(陈国勇等,2017)的基础上,出版了《贵州省震旦纪陡山沱组磷矿沉积地质学》(杜远生等,2017),提出了初始成矿作用、簸选成矿作用和淋滤成矿作用三阶段成矿理论。

3 主要研究进展

3.1 成矿背景与成矿时代

早震旦世贵州位于上扬子台地东南缘《中国南方岩相古地理及沉积、层控矿产远景预测》(中国南方岩相古地理系列丛书编委会,1991),成矿的构造背景为拉伸纪晚期(下江时期)及震旦纪—早寒武世大陆地壳离散构造;沉积背景是在构造应力和地壳热力联合作用下,发生张性断裂和快速沉降形成的陆内裂陷盆地;成矿的气候背景为成冰纪(南华纪)全球大陆冰川冷冻气候及早震旦世开始之后的温暖气候;成矿的生物背景为冰期过后,气候变暖,藻、菌类生物及小壳动物大量繁殖。《贵州卷·磷》)研编认为成磷重大事件有伸展断裂、隆起与凹陷、气候变暖、上翻洋流等,“黔中古陆”的产生是与成磷作用密切联系的重要事件,围绕“黔中古陆”形成初始碳酸盐(磷酸盐)台地(以下简称“台地”)沉积,多种成磷作用叠加,并控制主要磷矿的分布,远离“黔中古陆”形成缓坡—盆地相沉积,成矿作用单一。

3.2 矿床式及特征

《贵州卷·磷》全面收集、整理贵州磷矿勘查、开发和研究资料,按矿床的定义结合历史沿革,将贵州省磷矿归并和拆分,合理划分为49个矿床(超大型矿床6个,大型矿床2个,中型矿床13个,小型矿床28个),总结了地层、构造、矿体、矿石、控矿因素、成因及找矿标志等。

按照成矿时间基本相近、成矿作用和过程基本相似、成矿基底基本相同、矿床分布空间相对集中的原则,将全省磷矿床归并为5个矿床式,分别代表早震旦世无障壁初始台地沉积型磷块岩矿床、有障壁初始台地沉积型磷块岩矿床、缓坡—盆地沉积磷块岩矿床,寒武纪晋宁期台地生物滩沉积磷块岩矿床、台缘缓坡—盆地沉积磷块岩矿床,其特征见表1。

表1 贵州省磷矿床分类表

3.3 成磷地质条件与成矿作用

3.3.1 成磷地质条件

包括控制磷矿形成的构造、沉积、物理化学、古气候与古生物条件和矿床形成后的保存、改造与破坏条件。师宗—弥勒断裂产生于震旦纪前,震旦纪后仍有活动(贵州省地质调查院,2017),产于早震旦世地层中的磷矿受师宗—弥勒及其分枝古断裂的控制,主要磷矿床分布于断裂附近,断裂北西盘抬升,形成断隆,成矿水体浅,对成矿有利,形成的磷块岩矿层厚度大,品位高。断裂南东盘成矿水体较深,形成的磷块岩厚度薄、品位低;“黔中古陆”边缘总体控制大型磷矿床的分布,在初始台地生物滩(礁)和局限台地潮间—潮下带是成磷的有利环境(图1、2);水体稍深的透光带有利于化学、生物—化学沉积,形成胶磷矿,水动力较强的潮下带上部和潮间带有利于磷块岩形成后簸选和再沉积。

图1 贵州省早震旦世晚期岩相古地理图(据中国南方岩相古地理系列丛书编委会1991,贵州省地质调查院,2017.修改)

图2 贵州省早震旦世晚期岩相剖面图

寒武纪晋宁期的磷矿受台地生物滩的控制,通过化学、生物—化学、机械沉积作用形成新华式磷矿。这一时期由于海平面持续上升,碳酸盐岩沉积环境迅速向北西迁移,碳酸盐岩颗粒产出率低,偶尔有少量陆源碎屑补给,时而出现饥饿沉积状态,沉积速率低,沉积厚度薄,但在织金—金沙存在北东向狭长隆起地带,环境独特,适宜藻类及小壳动物生存繁衍,生物活动参与形成磷块岩沉积,之后由于海平面频繁升降(隆起未露出地表),经海水簸选后再次沉积,形成新华式磷矿床(图3、图4)。

图3 贵州省寒武纪晋宁期岩相古地理图(据中国南方岩相古地理系列丛书编委会1991;贵州省地质调查院 2017.修改)

图4 贵州省寒武纪纽芬兰世晋宁—梅树村早期岩相古地理图

在台缘缓坡—盆地相区,沉积物补给少,以化学沉积作用为主,形成呈透镜状硅质岩、硅质磷块岩、胶磷矿等沉积,形成松林式磷矿。

磷矿层形成后上覆地层覆盖是磷矿保存的重要条件,褶皱、断裂是破坏磷矿床的不利条件。

3.3.2 成矿作用

开阳式磷矿经历了初始的化学、生物—化学沉积、机械沉积、风化淋滤等阶段成矿作用过程。早期化学和生物—化学沉积成矿作用、中期机械沉积成矿作用和晚期风化淋滤成矿作用。三阶段成矿作用依次进行并反复发生,机械分选和风化淋滤作用是形成高品位磷矿石的主要原因。

(1)初始成磷作用阶段。上升洋流携带富磷海水上涌至浅水透光层,为生命活动提供物质来源,”黔中古陆”周边海水藻类生物迅速繁殖,生物降解、释放磷质进一步增加了海水磷酸盐浓度,微生物的繁盛与海水中的磷质含量形成正反馈,”黔中古陆”周缘浅水地区磷酸盐浓度急剧上升,最终形成磷块岩沉积。

(2)中期机械成矿作用阶段。原生沉积的磷块岩在没有完全固结、硬化之前,即遭受到岸流、波浪、底流或潮汐作用的剥蚀、冲刷和簸选,成为大小不等的角砾碎屑,然后就地或者经短距离搬运而堆积,沉积物中硅泥质、有机质等微、细粒成分,由于比重轻,受水流冲刷、搬运而分离。由于海平面变化频繁,浅水滨岸带水动力较强,冲刷破碎、堆积、胶结作用反复发生,机械作用使磷质进一步簸选富集。

(3)后期风化淋滤成矿作用阶段。由于矿石类型多为含碳酸盐岩类磷块岩,其他矿物为白云石和少量方解石。受海平面下降影响,黔中开阳地区处于离古陆较近的无障壁滨岸缓坡环境,在风化、淋滤带或地表、地下渗透带,碳酸盐矿物溶解能力强,易溶组分被带走,使磷质进一步得到富集。

瓮福式磷矿成矿作用与开阳式磷矿相似,但处障壁海岸,机械簸选带出组分少,形成的磷矿少暴露,淋滤成矿作用弱;松林式磷矿处于斜坡—盆地环境,以化学成矿作用方式成矿。

寒武纪晋宁期新华式磷矿的成矿作用,受生物、生物—化学和机械沉积成矿作用的控制,坝黄式磷矿主要受化学沉积成矿作用的控制。新华式磷矿被构造抬升出露地表,经风化作用,碳酸盐组分易带出,磷矿层在表浅部出现磷质异常富集。

3.4 磷质来源及矿床成因

将贵州磷块岩矿床分为两大类型,即海相沉积型磷块岩矿床和陆相表生沉积磷块岩矿床(表1)。

早震旦世海相沉积磷块岩矿床产出于初始台地生物滩(礁)、碳(磷)酸盐颗粒滩、局限台地、碳酸盐缓坡环境;寒武纪晋宁期海相沉积磷块岩矿床产于局限—半局限台地、台缘缓坡和盆地环境。与成磷作用最密切的是初始台地生物滩(礁)、碳(磷)酸盐颗粒滩、初始局限台地和生物滩环境(表1)。第四纪陆相表生磷块岩矿床为风化淋滤型矿床,仅有普安县保冲和册亨县板其两个磷矿床分布,与第四纪喜马拉雅面型隆升背景和早期高含磷岩石有关,分布零星,矿床规模小,仅有成因类型研究意义,工业价值不大。

3.5 成矿区带与区域成矿模式

将贵州震旦纪磷矿划属扬子成矿省(Ⅱ1)和华南成矿省(Ⅱ2),分为4个三级成矿带。其中扬子成矿省(Ⅱ1)之黔中成矿带(Ⅲ1)又分为开阳成矿亚带(Ⅳ1)和瓮福成矿亚带(Ⅳ2),华南成矿省(Ⅱ2)之贵阳—福泉成矿带(Ⅲ3)分为福泉成矿亚带(Ⅳ3)和都匀成矿亚带(Ⅳ4)。以开阳成矿亚带(Ⅳ1)和瓮福成矿亚带(Ⅳ2)最为重要(表2)。

表2 贵州震旦纪磷矿成矿区带划分表

将寒武纪磷矿成矿区带划分2个Ⅱ级成矿带,5个Ⅲ级成矿带,与当时局限—半局限台地、生物滩、台缘缓坡、斜坡、盆地沉积环境大致对应(表3)。

表3 贵州省寒武纪磷矿成矿区带划分表

建立了冰期过后,早震旦世海平面上升中晚期,垂向上由老到新,平面上由东向西,成矿作用依次推进的台地边缘和生物碎屑滩控矿的区域成矿模式(图5)。

图5 黔中地区震旦系磷矿区域沉积模式图(据陈国勇,杜远生等,2015修改)

图6 贵州寒武纪新华式磷矿区域成矿模式

随着海水由南东向北西侵入,晋宁期台缘礁(滩)向西退缩、迁移至织金—金沙—习水一带,上升含磷洋流带来的磷质在织金—金沙—习水生物滩相环境成矿,形成新华磷矿等超大型磷块岩矿床;而在这一线南东的台缘缓坡—斜坡—盆地区,形成矿层薄、变化大的坝黄式磷矿。

3.6 时空分布规律及找矿方向

从震旦纪到寒武纪纽芬兰世,海水总体由东向西侵入,含磷岩系由老到新分布,矿床由东向西展布。

4 问题与讨论

4.1 关于磷质来源与成矿背景

磷矿是洋流将深部磷质带到古陆边缘,由于物理化学条件的变化,导致沉积成矿的结果,但这仅是成矿的中间过程,物质来源的争议集中在陆源还是幔源。施春华、李胜荣等认为生物或有机质参与磷块岩形成作用,戈仲伍组磷矿具有正常海相沉积并伴有海相热水沉积混合成因特征(施春华等,2006,李胜荣,1995);施春华(2008)等还认为磷矿的形成可能与幔源物质的加入密切相关;王敏等认为磷可能主要来自陆缘海周围的花岗质陆壳,部分来自碱性玄武岩的风化淋滤(王敏等,2004)。笔者认为磷质的来源应该与地球的演化相关联,在平面和剖面上,磷矿与锰矿、重晶石等内生外成矿产时间相距不远,空间上具有一定关联性,磷矿集中产出于震旦—早寒武世时期,南华裂谷的发生、发展和演化,可能是磷质来源的途径,但值得进一步探索。

4.2 关于“黔中古陆”

有的学者认为“黔中隆起”是南华纪—早古生代期间与南华裂谷造就的湘黔桂盆地演化有关的盆缘隆起,对陡山沱组磷矿、石炭系九架炉组含铝岩系等形成分布、黔中地区后期岩浆活动及构造变形都产生着巨大影响(何熙琦等.2005),1∶5万养龙司幅、冯三幅、1∶5万开阳幅矿产调查证实下震旦统洋水组存在缺失,说明“黔中古陆存在”(中国地质调查局发展研究中心、贵州省地质矿产勘查开发局105地质大队,2019)。但是“黔中古陆”能否称为“古陆”值得商榷,或许称为“黔中多岛隆起”更适合一些。需进一步说明,上升洋流带来的磷质相对于沉积地点是异源的,磷矿沉积地点的“黔中古陆”,并非提供磷质来源的古陆,而是提供磷矿沉积的古陆周缘有利环境。

4.3 关于沉积海岸类型

不同的海岸类型决定不同的沉积类型,形成不同的沉积相,进而控制磷矿层分布。成冰纪(南华纪)全球大陆冰川的冷冻气候及其冰川刨蚀作用和冰川堆(沉)积作用形成的地形(地貌)极其复杂。由于含磷岩系之上巨厚地层覆盖,可视地段有限,岩相古地理编图,其海岸类型在隐伏区多为推断。早震旦世的海岸,并非是长期夷平作用形成的与准平原化陆地相连的开阔平缓海岸,而是地形极其复杂的海岸,近年来勘查发现福泉市大湾磷矿等,进一步证实黔中古陆周边海岸类型复杂,“黔中古陆”可能会解体,沉积环境可能是多岛型隆起边缘海岸,岛与岛之间为障壁沉积环境,局部为开阔的滨岸环境。

4.4 关于早震旦世沉积台地

早震旦世磷矿与白云岩紧密共生,晚震旦世存在台地相白云岩沉积,结合晚震旦世台地发生发展过程,以及“黔中古陆”周边洋水组具有台地相沉积的特征,“黔中古陆”是存在的。《贵州卷·磷》将“黔中古陆”周边早震旦世沉积称为“初始台地”沉积,是否妥当需要以后持续研究。

4.5 关于含磷岩系地层划分

《贵州卷·磷》将“富磷矿层+含磷砂岩”或“磷矿层(A、B)+碎屑岩+白云岩”称为“洋水组”,主要是基于成磷事件考滤。有的学者认为,富磷矿层与含磷砂岩之间存在沉积间断,将富磷矿层底界作为洋水组的底界,但是勘查发现,沉积间断面与短暂的暴露面有时是难以划分的。近来笔者查阅资料发现:金沙地区磷矿勘查钻孔揭示,原划为“澄江组”的红、紫红色粘土岩和灰色灰绿色粉砂质粘土岩组合之下,还存在灰绿、紫红色冰碛砾岩。开阳地区新寨磷矿床原划为澄江组“紫红色中厚层粘土质粉砂岩+浅灰、灰绿色薄层粘土岩、砂岩”之下存在“灰色中厚层状灰岩夹石英砂岩”组合。薛耀松等(薛耀松等,1995)在青灰色岩屑石英砂岩和“紫色页岩段”上部的岩屑石英砂岩夹层的薄片中,发现磷酸盐化和硅化的球形绿藻化石Protosphearidium sp.A,P.sp.B和Eozygion s.。这些事实将质疑以往划分的“澄江组”(或马路坪组)是否存在?如果该套岩石划归早震旦世,或许是南沱组沉积之后复杂古地形(地貌)条件下的沉积响应,因此开阳片区洋水组的划分及与瓮福片区洋水组的对比需要进一步研究。

5 勘查建议与展望

(1)提高磷矿勘查工作程度和资源储量级别

贵州控制、探明的磷矿资源量比例低,有勘查工程控制的预测资源量达49.35×108t,找矿潜力巨大。震旦纪开阳成矿亚带、瓮福成矿亚带具有较好找矿前景,建议今后开展提级增储勘查。

(2)开展物质来源、裂陷作用与成矿关系研究

磷质总体来源于陆源,但是再向前溯源,则与地球特定阶段演化相关,上升洋流只是成矿动力及成矿搬运的载体。鉴于雪峰运动后,南华纪有短暂裂陷活动,并控制黔东锰、重晶石、沉积喷流型铅锌等矿产分布,裂陷活动是否影响到早寒武世,是否与成磷作用有关?开阳式、瓮福式磷矿富集F和I,新华式磷矿床富集稀土,这些伴生组分反映什么样成矿信息?值得深入研究。

(3)加强生物成矿机理与成矿环境研究

成冰纪后,全球气候变暖,生命出现了大爆发,并伴随全球大规模成磷作用,气候、环境和早震旦世成磷作用如何相互影响?进一步研究不仅有利于找矿,还将解决与磷相关的环境某些问题。

6 结论

(1)全面系统总结贵州5个主要矿床式的一般特征,为今后找矿提供了借鉴。

(3)磷矿形成是多种成矿作用耦合的结果。化学和生物—化学沉积是主要的成矿作用,机械沉积作用是磷矿富集的主要成矿作用,古风化淋滤成矿作用促进开阳式磷矿进一步富集,现代风化淋滤作用促进表浅部磷矿富集。

(4)磷矿物质来源于陆源,上升洋流仅是物质搬运的动力。

(5)总结了成矿规律,建立了开阳式、瓮福式磷矿和新华式磷矿区域成矿模式,提出“黔中古陆”周边有较好找矿前景,织金—金沙生物滩的北西侧有发现“新华式”或“昆阳式”磷矿的可能。