肃南县水泥用石灰岩矿地质特征及成矿分析

逯 娟，刘天柱，苏巧云

（1.兰州资源环境职业技术大学 黄河流域生态环境产教融合研究院，兰州 730021；2.中国建筑材料工业地质勘查中心甘肃总队，甘肃 天水 741000）

甘肃省石灰岩矿床分布广泛，品位稳定[1-2]。肃南裕固族自治县（简称肃南县）隶属于张掖市，其所辖大河乡石灰石矿储量丰富。研究区东北部有两个露天采矿场，以往开采活动沿山坡形成较大面积的剥土，基岩裸露，对原地形地貌造成一定的破坏。前人已在该地区进行大量的地质灾害调查和地质普查研究[3-4]，但未对周边矿区进行深部钻探及系统的采样化验，对矿体深部品位的变化了解不够。此外，前人只进行路线地质调查及拣块样分析，对矿体的了解不够深入细致。鉴于此，本文通过实地踏勘，选择基岩出露较好地段进行实测剖面测量，查明研究区地层、构造等基本特征，确定填图单元，进行1∶2 000 地质测量，同时根据阶段性勘查及地质测量圈定的矿体进行勘探线剖面测量、探槽施工编录、钻探施工编录、采样等野外地质工作，对区内石灰岩矿层的赋存规律及矿石质量进行详细研究，从而为区域水泥用石灰石矿开采提供理论依据和技术指导。

1 研究区自然地理与地质特征

1.1 自然地理特征

研究区位于肃南县境内，总体地势由南西向北东倾斜，海拔为2 180～2 397 m，最大高差约为217 m。它属于浅切割低中山区，同时分布有中间沟谷微地貌[3]。研究区属高寒半干旱气候区，具有干旱少雨、蒸发强烈、日照时间长、昼夜温差较大等特点。研究区无长年地表径流，季节性河流分属石羊河、黑河、疏勒河三大水系，总流域面积为21 462.2 km2。其中，隆畅河从矿区南侧流过。植被主要为骆驼刺、茵陈、芨芨草、羊胡草及沙葱等旱生植物。天然状态下，研究区内常见陡峭的石灰岩悬崖，对高陡岩质边坡进行不同黏合剂喷播修复，未见较明显的崩塌、滑坡等现象，其稳定性较好[5]。研究区矿产分布广泛，现探明的矿产主要有煤、铜、铅及多金属矿等，石灰岩、硅石次之。研究区内人烟稀少，无固定居民点，生产力水平低下，经济极其不发达。

1.2 地质特征

研究区属祁吕贺兰山字型构造带西翼祁连山支脉榆木山区的华北地层大区祁连-北秦岭地层分区北祁连地层小区。根据1∶1 000 地质剖面测量和1∶2 000 地质测量，研究区大范围被第四系覆盖，主要地层有志留系下统肮脏沟组（S1a）、石炭系下统臭牛沟组（C1c）、石炭系上统羊虎沟组（C2y）和第四系上更新统风积层（Qp3eol）。其中，石炭系下统臭牛沟组为石灰岩矿体的赋矿层位。研究区内地层总体呈单斜产出[6-8]，仅在较为软弱的泥质粉砂岩及细晶灰岩中发育有小型的褶皱构造，但规模极小，对研究区内石灰岩矿体没有影响。区内岩石未变质或具轻度的区域变质作用，石炭系地层中泥质矿物均有轻微的绢云母化[9]。

2 成矿规律

2.1 成矿地质条件

研究区内石灰岩矿床主要成矿时期为石炭纪，矿体规模大，成分单一。成矿控制因素主要有3 个。一是地层条件。研究区地层隶属华北地层大区祁连-北秦岭地层分区的北祁连地层小区，赋矿地层为石炭系下统臭牛沟组碳酸盐岩建造，岩性为浅灰色-灰色细晶灰岩。二是构造条件。研究区大地构造属祁吕贺兰山字形构造体系西翼的一部分，有若干北西西向的褶皱轴线和断裂构造线组合而成，并伴生北北东和北西西两组断裂。三是沉积变质环境。石灰岩的形成过程漫长，主要在浅海环境中形成。随着带有钙元素的水不断流入，这些水域钙含量不断增多，它与溶于水中二氧化碳结合，形成以碳酸钙为主要成分的石灰岩类沉积岩。

2.2 矿床成因

根据区域地质资料及矿床地质特征，研究区石灰岩矿主要赋存于石炭系下统臭牛沟组，岩石组合类型为灰色-深灰色薄层-中厚层石灰岩，局部夹灰黑色薄层粉砂质泥岩和石英砂岩夹层。矿体延伸较长，矿石质量较稳定，因此，推断该矿床的成因类型为海相化学沉积型矿床。

2.3 找矿标志

一是地层标志。研究区内石灰岩矿主要赋存于石炭系下统臭牛沟组第三岩性段（C1c3），因此区内主要找矿地层标志为石炭系下统臭牛沟组碳酸盐岩建造。研究区内粉砂质泥岩矿（Ⅱ）主要赋存于石炭系上统羊虎沟组第一岩性段（C2y1），覆盖于石灰岩矿体上层。二是地貌标志。受石灰岩矿石质量特征影响，石灰岩多出露在山体较陡峭地段，构成山脊或山势陡峭的悬崖、陡壁。因此，研究区内山脊及较陡峭地段更易发现石灰岩出露。三是岩石标志。研究区内石灰岩矿体赋矿层厚度较小，控制区域顶板为粉砂质泥岩，底板为泥质粉砂岩，石灰岩矿颜色主要为浅灰-深灰色，岩石较易与非矿岩层分异。

3 矿石特征

3.1 矿石结构

根据岩矿鉴定成果，矿石结构主要有2 种。一是细晶结构，即细晶石灰岩。矿石中主要矿物方解石粒径多介于0.1～1.0 mm，泥晶最小粒径小于0.004 mm，相互不均匀混杂，大多较大的颗粒具解理或聚片双晶，有些较大的颗粒明显拉长，并沿长轴方向局部聚集，呈不规则小团状，似角砾；部分矿石中有粒度略粗的方解石，呈团、带、脉分布与穿插。二是变余粉砂结构，即粉砂质泥岩。矿石中主要矿物为粒径小于0.004 mm 的泥晶石英粉砂，还含有少量的绢云母和方解石，相互不均匀混杂，绢云母呈鳞片状分布。

3.2 矿石构造

矿石构造根据沉积层理厚度划分为2类。一是薄层状构造。岩层层理厚度在0.01～0.10 m，一般为0.02 m。主要为粉砂质泥岩矿石，分布在石炭系上统羊虎沟组第一岩性段地层中。二是中厚层状构造。岩层层理厚度在0.1～1.0 m，一般为0.5 m。主要为石灰岩矿石，分布在石炭系下统臭牛沟组第三岩性段。

3.3 矿石化学成分

对8 件样品进行化学全分析，具体化学成分含量及变化系数如表1所示。样品分析结果显示，矿石中有用组分CaO 含量介于47.18%～52.54%，平均值为50.82%，变化系数为3.66%，含量较高，变化小，分布均匀；有害组分MgO 含量介于0.47%～0.70%，平均值为0.60%，变化系数为14.56%，含量小，变化小，分布均匀。其他组分含量变化较稳定，分布均匀，说明矿体质量变化较稳定。

表1 水泥用石灰岩矿化学分析

对本研究中详查采集的160 件基本分析样进行分析结果合并、统计整理，共计92 件石灰岩样品参与资源量估算。对主要组分CaO、MgO、K2O、Na2O 和K2O+Na2O 进行统计分析，分析结果如表2所示。经主要组分分析，各样品中有用组分CaO 含量介于45.21%～53.61%，平均值为50.63%，变化系数为4.29%，变化率小，分布均匀；MgO 含量介于0.24%～1.52%，平均值为0.54%，变化系数为43.05%，变化率较大，分布较均匀；K2O+Na2O 含量介于0.03%～0.29%，平均值为0.10%，变化系数为44.05%，变化率较大，分布较均匀。

表2 水泥用石灰岩矿主要组分

3.4 矿石类型

研究区内石灰岩矿石自然类型单一，结构以细晶结构为主，少量为不等晶结构，构造以中厚-厚层状构造为主，薄层状次之。按照岩矿鉴定成果，矿石自然类型大致可以分为两类。一是细晶石灰岩。它是研究区内水泥用石灰岩矿的主要矿石类型，矿石呈细晶结构，为中厚层状构造。矿石呈浅灰-暗灰色，矿物成分主要为细晶方解石（85%），少量为生物碎屑（10%）、石英（3%）及碳质（2%）等，副矿物有黄铁矿等。生物碎屑主要为腕足类、海百合茎和䗴类等[10]。二是粉砂质泥岩。它是水泥配料用黏土矿的矿石类型。该类矿石多呈薄层状构造，为粉砂结构。矿石中主要矿物成分为石英（64%），其他成分有泥质（23%）、黑云母（5%）、斜长石（3%）、绢云母（3%）及碳质（2%）等。副矿物有黄铁矿、磁铁矿、钛铁矿等，该类矿石广泛分布于矿体中。

3.5 矿石品级

一是细晶石灰岩。根据《矿产地质勘查规范 石灰岩、水泥配料类》（DZ/T 0213—2020），细晶石灰岩划分为两个品级，即Ⅰ级品和Ⅱ级品，如表3所示。参与资源量估算的石灰岩样品共计92 件，其中，Ⅰ级品有80 件，占全部样品的86.96%，Ⅱ级品有12 件，占全部样品的13.04%。根据石灰岩矿石的基本分析结果，石灰岩矿体厚度较小，Ⅰ级品与Ⅱ级品分布无规律，无法单独圈定，故本研究中资源量估算块段均没有按品级划分，全部当Ⅰ级品处理。二是粉砂质泥岩。根据《矿产地质勘查规范 石灰岩、水泥配料类》（DZ/T 0213—2020），粉砂质泥岩划分为两个类别，即一类和二类，水泥配料类矿石化学成分一般要求如表4所示[11]。硅酸率表示熟料硅酸盐矿物（SiO2）与熔剂矿物（Al2O3+Fe2O3）的质量分数之比，铝氧率表示生、熟料中氧化铝和氧化铁的质量分数之比。一类黏土质原料硅酸率为3～4，铝氧率为1.5～3.0；二类黏土质原料硅酸率为2～3，铝氧率不限。硅铝质原料中，Cl-含量为0.02%，P2O5含量为0.80%。本研究中，粉砂质泥岩矿石均按二类进行资源量估算。

表3 石灰质原料矿石化学成分一般要求

表4 水泥配料类矿石化学成分一般要求

3.6 矿体围岩

研究区内矿体赋存于石炭系下统臭牛沟组第三岩性段。其中，矿体底板围岩主要为石炭系下统臭牛沟组第二岩性段（C1c2）粉砂岩夹石英砂岩。根据基本分析，底板围岩的CaO 平均含量为15.03%，其属低钙岩石，因此在开采过程中应多加注意区分，以免降低矿石品位；矿体顶板围岩主要为石炭系上统羊虎沟组第一岩性段粉砂质泥岩，其硅酸率基本能够满足水泥配料用黏土矿的要求，顶板处围岩主要为石英砂岩夹层，因此在开采过程中应注意剥离，防止矿石品级下降。

4 结论

经水工环地质调查，研究区内水泥用石灰岩矿开采技术条件属中等类型。根据《矿产地质勘查规范 石灰岩、水泥配料类》（DZ/T 0213—2020）对石灰岩矿床勘查类型的划分依据，本矿床勘查确定为简单类型。根据区域地质资料及矿床地质特征，研究区石灰岩矿主要赋存于石炭系下统臭牛沟组，岩石组合类型为灰色-深灰色薄层-中厚层石灰岩，局部夹灰黑色薄层粉砂质泥岩和石英砂岩夹层，矿体延伸较长，矿石质量较稳定，因此推断该矿床的成因类型为海相化学沉积型矿床。通过地表探槽控制和深部钻孔验证，对矿区样品进行化学全分析试验。结果表明，矿体主要有用组分CaO 含量介于45.21%～53.61%，平均值为50.63%，变化系数为4.29%，变化率小，分布均匀；MgO 含量介于0.24%～1.52%，平均值为0.54%，变化系数为43.05%，变化率较大，分布较均匀；K2O+Na2O 含量介于0.03%～0.29%，平均值为0.10%，变化系数为44.05%，变化率较大，分布较均匀，满足水泥用石灰质原料矿Ⅰ级品要求。总体来看，该矿各有用组分含量变化基本平稳，分布均匀，矿体质量变化稳定。