安徽龟山寒武系张夏组大型熔剂用白云岩矿床地质特征及成因

莫福成, 方 繁, 冯书文, 李桂生

(1.中国建筑材料工业地质勘查中心安徽总队,安徽 合肥 230088;2.青阳县自然资源和规划局,安徽 青阳 242800)

0 引言

华北地区广泛出露的震旦系—寒武系—奥陶系中产有冶镁、熔剂用白云岩,并以奥陶系三山子组为优势层位,其开发利用较为成熟,公开发表的文章较多[1-5]。除此之外,产有冶金用白云岩的其他层位还有震旦系的张渠组(如江苏贾汪地区[6])以及寒武系的张夏组(如河南鹤壁地区[7]),但相关报道较少。

安徽省宿州市以北约40 km的龟山矿区近些年新勘探发现的优质熔剂用白云岩矿,属于寒武系张夏组上段。矿床储量超过6500万吨,为大型规模,矿石质量好,可作为优质熔剂用白云岩矿[8],矿床具备良好的开发利用前景。

本文依据矿区勘查资料,在总结矿床地质特征的基础上,分析了熔剂用白云岩矿体厚度和矿石质量沿走向、倾向和厚度方向变化规律,以及各组分含量变化特征,进而探讨矿床成因。研究成果对丰富华北地区寒武系张夏组上段冶金用白云岩矿资料以及本地区找矿具有一定的参考意义。

1 区域地质背景

本区域构造单元分区属华北陆块徐淮地块淮北断褶带。区内地层出露不全,褶皱断裂发育[9-10]。

区域地层属华北地层大区晋冀鲁豫地层区徐淮地层分区淮北地层小区。出露地层有震旦系、寒武系、奥陶系、第四系等,地层总厚度大于1954.20 m。其中以碳酸盐岩为主的寒武系、奥陶系分布最广,多隐伏于第四系之下[10-11]。

矿区位于徐州-时村镇复背斜的西翼,是徐淮弧形推覆—褶皱带中段重要组成部分[12]。地表所见震旦纪—二叠纪的沉积地层均被卷入强烈的褶皱变形。褶皱体由一系列轴向NNE的背向斜所组成,这些褶皱均与断层关系密切。空间上和台阶状逆断层紧密共生,剖面上据断层和相关褶皱特征,其形成与发展受推复断裂控制[10-11]。

按力学性质和平面展布方位,区内断裂构造大致分为4个断裂组,即NNE—NE向逆冲断裂组、近EW向引张断裂组、NW向左旋剪切断裂组和NE向右旋剪切断裂组。区内构造格架中NNE—NE向逆冲断层是最基本和最重要的断裂构造。NW向左旋剪切断层也较发育[10-11]。

区域内岩浆岩不发育,分布零散,主要为闪长玢岩脉,规模较小,长100～300 m,主要发育于背斜核部的震旦系中。为中生代岩浆活动的产物。

此前,区内已有宿州黄金冶金用白云岩矿、宿州打鼓山冶金用白云岩矿发现,但规模较小,未能形成大规模利用。

2 矿区地质特征

2.1 地层

矿区出露地层由老至新依次为下震旦统倪园组(Z1n)、九顶山组(Z1jd)、张渠组(Z1),寒武系猴家山组(∈1h)、馒头组(∈1-2m)、张夏组(∈2z)、崮山组(∈3g),详见表1。

2.2 构造

矿区受到一系列平行叠瓦状堆叠的推覆岩片构造,受控于顶底板断层。矿区总体呈单斜层状产出,主要由震旦系—寒武系组成。总体走向为16°～46°,总体倾向为106°～136°,地层倾角30°～72°,矿区地质构造简图见图1。

图1 矿区地质构造简图

矿区内主要有F1、F2、F3、F4四条断层,是一组NE向—近SN方向的逆断层,走向NE 9°～41°,倾向SE—SEE,总体倾角55°～75°。在性质上都是顺层逆冲断层,空间上呈顺层或局部切层延伸,造成地层不连续,老地层盖在新地层之上,造成同一地层的重复出现(图1、图2)。

图2 矿区14线剖面示意图

2.3 岩浆岩

矿区岩浆活动弱,零星有辉绿岩脉出露,呈脉状顺层分布于矿体围岩中,规模较小,对矿体无影响,对矿石质量也无影响。

3 矿体特征

3.1 矿体形态及规模

矿体赋矿层位为中寒武统张夏组上段(∈2z2),岩性主要为灰、深黄、浅灰色鲕状白云岩、细晶白云岩。矿体构造简单,呈单斜层状产出,平面形态似条带状。

矿体南北平均长2034 m,EW向出露最大宽度为152.50 m,最小宽度为69.57 m,平均宽106.43 m。矿体控制最大厚度104.54 m,最小厚度59.67 m,平均厚度80.11 m,赋存高程 +50～+227 m。矿体NE—NNE向延伸,呈长条状分布,矿体产状为106°～123°∠38°～54°。

经统计分析,熔剂用白云岩矿体地表厚度沿走向变化范围在59.67～81.24 m之间,平均厚度71.72 m,厚度变化系数7.45%,厚度变化稳定。深部厚度沿走向变化范围在80.47 m～104.54 m之间,平均厚度88.50 m,厚度变化系数11.10%,厚度变化稳定。见表2。

表2 矿体厚度沿走向变化情况

经统计分析,由地表至深部,表现为递增趋势,其中厚度变化系数最大为38.64%,变化系数最小为0.67%,平均变化系数为13.83%,厚度变化稳定。见表3。

表3 矿体厚度沿倾向变化情况

3.2 矿石质量

矿石成分简单,主要为白云石,其次为少量方解石。颜色为浅黄色、浅红色、灰黄色等。细晶—微晶结构,中厚层—厚层构造。

根据213件白云岩矿石样品组合分析结果,其主要化学成分平均质量分数:w(CaO)=30.77%,w(MgO)=20.69%。其中52件样品组合分析结果:白云岩w(SiO2)=0.83%,w(Al2O3)=0.33%,w(Fe2O3)=0.52%,w(Mn3O4)=0.012%,w(S)=0.267%,w(P)=0.009%,烧失量45.84%。白云岩矿石中主要有用组分w(MgO)为11.23%～22.04%,平均20.69%;w(CaO)为16.04%～40.86%,平均30.77%。见表4。

表4 白云岩矿石质量统计

矿体CaO、MgO含量沿走向变化范围均很小,w(CaO)为29.85～31.14%,平均30.75%,变化系数为1.23%;w(MgO)为20.32%～20.87%,平均20.61%,变化系数为1.27%,总体上均呈波状起伏,变化稳定,见表5。

表5 矿体主要化学成分沿走向变化情况

矿体CaO、MgO含量沿倾向变化范围均很小。自南向北CaO含量沿倾向上的变化系数分别为1.01%、0.30%、0.28%,全矿体沿倾向变化系数为0.04%,变化稳定。自南向北MgO含量沿倾向上的变化系数分别为1.79%、0.35%、0.63%,全矿体沿倾向变化系数为1.01%,可见其变化稳定。见表6。

表6 矿体主要化学成分沿倾向变化情况

根据分析结果,以矿区内TC10为例来分析主要成分波动情况,白云岩矿石中MgO含量高,w(MgO)波动范围在18.16%～21.36%之间,平均20.73%,总体上呈水平轻微起伏,单样间变化幅度相对较小,局部略有波动变化。CaO含量适中,w(CaO)波动范围在29.94%～33.86%之间,平均31.08%,总体基本平稳略有轻微波动,单样间变动相对较小(图3)。

图3 矿区TC10样品MgO与CaO含量变化

矿石自然类型主要为为鲕状白云岩、细晶白云岩两种。

鲕状白云岩:浅红色、灰黄色细晶鲕状结构,中厚层构造。颗粒成分以鲕粒为主,约占85%,鲕粒相对均一,粒径在2～3 mm之间变化,颗粒呈同心圆状,少数为椭圆状,部分鲕粒内被微晶或泥晶方解石充填,有放射状方解石围绕鲕粒,发育有少量脉体,脉体宽度约为0.05 mm。基质为方解石与白云石,白云石微晶约占10%,无色,呈菱形状,颗粒大小为0.03～0.05 mm,具有闪突起;方解石微晶约占5%,无色透明,呈菱形状,颗粒大小为0.01～0.03 mm,闪突起显著,干涉色为高级白。

细晶白云岩:浅红色、灰黄色细晶结构,中薄层构造。颗粒成分以白云石为主,约占85%,粒径在0.02～0.06 mm之间变化,无色,呈菱形状,颗粒大小为0.03～0.05 mm,具有闪突起,发育有少量脉体,脉体宽度约为0.05 mm。方解石微晶约占15%,无色透明,呈菱形状,颗粒大小为0.01～0.03 mm,闪突起显著,干涉色为高级白。

4 矿床成因分析

矿区地层为陆内碎屑-碳酸盐岩的沉积建造。反映了陆相—潮坪相—局限台地—开阔台地—局限台地相的沉积韵律旋回。

舒良树等[11]研究认为,寒武系早期,华北地台开始下降,接受海水入浸,形成泥坪、灰泥坪、局限台地交替沉积,成为潮上带低能沉积环境。从岩性组合上看,为寒武系馒头组一段紫红色页岩、粉砂岩夹透镜状灰岩沉积。馒头组第二段岩性复杂多变,由页岩、粉砂岩、不同类型灰岩交替频繁沉积。馒头组第三段为粉砂岩、砂岩与灰岩互层、或夹层,沉积复杂。

舒良树等[11,13-14]研究认为,寒武纪中期,地台继续下降,海水入浸加速,并最终达到最大海浸,形成开阔台地、台地边缘浅滩、台地边缘生物礁、局限台地相沉积,沉积环境为高能浅水动荡型。从岩性组合上分析,张夏组广泛发育鲕粒灰岩、核形石灰岩、鲕粒白云岩、藻灰岩等。这个时期形成的灰岩、白云岩岩主要为生物诱导的钙化作用形成,李新站等[15]认为鲕粒属于生物成因,梅冥相[16]等研究认为,以葛万菌为代表的蓝细菌主导了鲕粒的形成。

舒良树等[11]研究认为,寒武纪晚期,地台逐渐由下降转为局部抬升过程,形成台地边缘浅滩、开阔台地、台地浅滩、灰泥坪相沉积,逐渐变为高能沉积环境。崮山组岩性组合由鲕粒灰岩、微晶灰岩、豹皮状灰岩,局部夹薄层竹叶状灰岩等。

因此,矿床为局限台地相—开阔台地相沉积型碳酸盐岩矿床。

5 结论

(1)龟山矿区熔剂用白云岩矿赋存于中寒武统张夏组上段。白云岩矿体形态简单,总体呈单斜层状产出,矿体走向NE—NNE,矿体南北长约2 km,储量超过6500万吨,规模为大型。

(2)矿体厚度变化稳定,矿石类型主要为鲕状白云岩和细晶白云岩。矿石中MgO含量高,主要成分MgO和CaO波动范围小。

(3)矿床成因类型为局限台地相—开阔台地相沉积型碳酸盐岩矿床。