湖北省安陆市烟棵冲钒矿床地质特征及其成因分析

龙桃成,尤静静,邹院兵,陈松,宋威方,许欢

(1.湖北省地质局第六地质大队,湖北 孝感 432000;2.资源与生态环境地质湖北省重点实验室(孝感),湖北 孝感 432000)

0 引言

钒是一种重要的战略性金属资源,在当今社会经济发展中需求量很大且应用广泛,如钢铁、合金、化工以及航天等领域[1-3];钒还是许多工业国家重点关注和争夺的资源,已被部分国家列为关键金属[4-5]。

湖北省的钒矿类型较为单一,主要为沉积型,主要赋矿层位为下寒武统牛蹄塘组、庄子沟组“黑色岩系”[3,6-7]。烟棵冲钒矿位于鄂东北地区安陆市王义贞镇境内,该矿于1970年在开展煤矿普查地质工作时发现,2010年鄂东北地质大队对其进行了为期2年的普查工作,找矿勘查中发现该矿赋存于区内的下寒武统杨家堡组及庄子沟组下段中,与黑色岩系关系密切。但是,烟棵冲矿区整体工作程度还较低。本文基于前人开展钒矿找矿勘探工作的成果,并结合对该矿区的野外地质调查工作,力图总结烟棵冲钒矿床地质特征及成因类型、找矿标志,以期为鄂东北地区乃至湖北省内钒矿勘查寻找同类矿床提供借鉴。

1 成矿地质背景

烟棵冲钒矿区大地构造位置属于秦岭—大别造山带(I)秦岭弧盆地(I1)武当—随南逆冲带(I1-1)随南陆缘裂谷(I1-1-3)的南缘部位。区内主要出露地层有震旦系、寒武系、奥陶-志留系及白垩系(图1)。其中,下寒武统发育一套黑色岩系,该岩系由硅质岩、硅质板岩、含磷结核硅质板岩、泥质板岩、泥质粉砂质板岩层组成,属于盆地相陆棚碎屑岩亚相的产物;该层位具有很大的钒(钼)矿资源找矿潜力[8]。

图1 烟棵冲钒矿区区域地质简图Fig.1 Regional geological sketch of Yankechong V deposit1.第四系;2.上白垩统;3.下白垩统;4.泥盆系;5.奥陶系-志留系;6.中上寒武统;7.下寒武统;8.上震旦统灯影组;9.上震旦统陡山沱组上段;10.上震旦统陡山沱组下段;11.元古界柳林组;12.变玄武玢岩;13.变正长斑岩;14.地质界线;15.不整合界限;16.断层;17.倒转岩层产状;18.岩层产状;19.片理产状;20.烟棵冲钒矿区

区域构造发育,以紧密的线型褶皱为主,其次为断裂构造。褶皱构造主要有大狼山-陈家凹褶皱带、白林寨倒转向斜、三门河背斜、云林寺复式褶皱及回龙店背斜等,其中云林寺复式褶皱中的烟棵冲倒转向斜为矿区的控矿构造。

区域上岩浆岩活动较为频繁,种类及生成时代、环境各不相同,其中以火山岩为主,与钒、钼成矿作用关系不明显。

2 矿床地质特征

矿区出露地层主要有新元古界上震旦上统陡山沱组、灯影组,下寒武统杨家堡组、庄子沟组、双尖山组,中上寒武统立秋湾组及第四系。受襄樊-广济断裂北东边缘的云林寺复式褶皱的影响,矿区地层褶皱变形强烈,总体构造线方向与襄樊-广济断裂、云林寺复式褶皱带构造线方向一致,表现为轴面走向NW-SE向的紧密线性褶皱,伴随褶皱形成一系列断面向NE、SW倾的走向断层(正断层)和小规模的NE-SW向的平推断层。矿区内岩浆岩不发育,未见有火山岩及明显的脉岩。

2.1 含矿层特征

经野外地质调查和综合研究认为,烟棵冲钒矿区具有两个较明显的含矿层,即寒武系杨家堡组(Ⅰ号)和庄子沟组(Ⅱ号)。根据含矿层在地表的分布,以烟棵冲向斜及叶家湾背斜的轴线为界将本区划分为3个矿段,即白果树湾矿段、林场矿段和杨家湾矿段,地表在平面上呈不规则反“Z”字形排列(图2)。3个矿段的地质特征基本一致,含矿地层呈带状分布,矿化体长度大于2200 m,矿化强度较好,含矿层的厚度由于受古地理及褶皱构造的影响沿走向及倾向均有较大的变化。

图2 烟棵冲矿区含矿层分布平面图Fig.2 Distribution plan of ore-hosting horizon of Yankechong property1.含钒钼矿层;2.含钒矿层;3.断层;4.矿段界线

Ⅰ号含矿层。位于下寒武统杨家堡组(∈1y)的中上部,为钒钼矿层。该段地层岩性自老→新为灰黑色厚层状硅质岩(10～25 m)→碎裂状深灰色硅质(板)岩(3～5 m)→灰黑色中层状硅质岩(5～12 m)。钒钼矿化主要赋存于碎裂状深灰色硅质(板)岩中,该岩层裂隙较为发育,具一定程度的碳酸盐化,局部见黄铁矿化。经钻孔采样测试表明,w(V2O5)平均=0.34%,最高可达0.96%;w(Mo)平均=0.025%,最高达0.096%;且岩石光谱样显示该层铜、锌、镍普遍含量较高。综合地质信息研判认为,该岩层含矿性较好,钒、钼的含量呈正相关关系,局部的钒、钼已达到一般工业指标要求。

Ⅱ号含矿层。赋存于下寒武统庄子沟组的下段中-上部(∈1zh1),以钒矿层为主。该段地层岩性从老→新总体为(含碳)硅质板岩(3～7 m)→含磷结核硅质板岩(1～3 m)→硅质板岩与泥质板岩互层(1～4 m)。在烟棵冲向斜的南西翼,以上部含矿亚层(Ⅱ2)为主体,下矿亚层(Ⅱ1)次之;在烟棵冲向斜的北东翼,则以下钒矿层(Ⅱ1)为主。

表1为本次工作野外采集岩(矿)石样品含矿性测试数据。结果表明,(含碳)硅质板岩、含磷结核硅质板岩中地表与钻孔w(V2O5)和w(Ag)变化不大,而w(Mo)向深部矿化明显增强;(含碳)硅质板岩样品中,w(V2O5)平均=0.219%,最高达1.409%;含磷结核硅质板岩样品w(V2O5)平均=0.443%,最高2.549%,其33%样品可达工业品位要求;硅质板岩夹泥质板岩(含泥质硅质板岩、硅质泥质板岩)样品w(V2O5)平均=0.298%,最高可达1.674%。总的来说,整个含矿层均具不同程度的钒矿化,其中含磷结核硅质板岩含矿性较好,次为硅质板岩夹泥质板岩层。

表1 烟棵冲钒矿床各类岩(矿)石的含矿性测试数据Table 1 Test results of all kinds of rock (ore) in Yankechong V deposit

2.2 矿体特征

烟棵冲钒矿床目前按矿体空间分布特征,矿区内共圈出13个矿体,其中杨家堡组含矿层中圈出3个钒钼矿体,即Ⅴ、Ⅵ、Ⅺ号矿体,均为隐伏钒钼矿体;在庄子沟组含矿层中圈定10个钒矿体,即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅻ、ⅩⅢ号矿体。矿体呈层状、似层状产出,少量呈透镜状,其产状与地层产状基本一致,在地层中沿走向V2O5矿化较连续,含矿层位稳定。其中规模较大的矿体为Ⅶ号矿体,次为Ⅷ、Ⅰ、Ⅺ。表2为烟棵冲钒矿床主要矿体特征数据。下面以Ⅶ号矿体为例,对矿体特征进行论述。

表2 烟棵冲钒矿床主要矿体特征数据Table 2 Characteristic data of main ore bodies in Yankechong V deposit

Ⅶ号钒矿体位于白果树湾矿段的北段,分布在烟棵冲倒转向斜南西翼,产于庄子沟组下段的上部,与Ⅷ号矿体平行分布。矿体呈层状、似层状产出,产状与地层产状一致,总体走向310°,倾向NE,倾角65°～80°,上部矿体倾角较陡,向下变缓,平均倾角70°左右。赋矿岩石为含磷结核硅质板岩、硅质板岩及泥质板岩,泥质板岩呈薄的互层状与硅质板岩一同产出,矿体与围岩呈过渡关系。

经6个深部钻探工程和9个地表槽探工程揭露显示:目前已控制矿体地表长度大于2100 m,地表出露最大标高为357.8 m,最低标高为208.73 m;钻孔控制最深标高为-51.38 m,控制的最大宽度为1550 m,最大斜深为289 m,矿体平均厚度3.98 m,其厚度变化系数为80.17%,属厚度较稳定型矿体。矿体品位w(V2O5)平均=0.798%,其品位变化系数为29.06%,属较均匀型矿体;伴生w(Mo)平均=0.014%。

总的来说,Ⅶ矿体沿走向上北西段矿体较厚,南东段较薄;矿体在剖面上呈透镜状(图3),钒钼矿化往深部具有明显延伸趋势。

2.3 矿石类型和组构特征

基于赋矿原岩性质及含矿层分析,可将该矿床矿石类型划分为:硅质(板)岩型钒钼矿石、(含碳)硅质板岩型钒矿石、含磷结核硅质板岩型钒矿石、泥质板岩型钒矿石。硅质板岩型钒钼矿石中物质组分主要有硅质(>85%)、泥质(10%)、碳质(<3%);(含碳)硅质板岩型钒矿石中物质组分主要有硅质(75%)、泥质(15%)、碳质(3%～10%)及少量粉砂质等;含磷结核硅质板岩型钒矿石中基质成分以硅质为主,含有泥质、粉砂质及少量碳质;泥质板岩型钒矿石中物质组分主要为泥质(>75%)、粉砂质(10%)、碳质(3%～5%)及硅质。总体而言,矿石V2O5品位最好的为含磷结核硅质板岩型,泥质板岩型钒矿石次之。

矿石结构主要为隐晶-微晶结构、变余砂泥质结构、胶状结构,次为碎裂结构。矿石构造以板状构造、条带状构造、变余层状构造为主,局部为角砾状构造。

2.4 矿石成分特征

(1)矿石的矿物成分

矿石主要矿物有含钒水云母、钒钼铅矿、钒磁铁矿、辉钼矿等,经野外观察及岩矿鉴定结果表明,含钒水云母为主要的含钒矿物,钒磁铁矿次之。含钒水云母呈鳞片状,粒度小于0.1 mm,占含钒矿物总量60%～80%,其含量依不同矿石类型而定。

脉石矿物有硅质隐晶质-微晶石英、水云母、绢云母、绿泥石、粉砂质矿物等,局部地方含少量玉髓、蛋白石及碳酸盐矿物。

(2)矿石的化学成分

表3为矿石化学成分测试数据。矿石中的硅质成分较高,w(SiO2)=75.73%～94.26%,平均为82.94%;矿石w(V2O5)=0.849%～1.242%,含量最高的为含磷结核硅质板岩型钒矿石。区内各类型矿石中总体具有较低的w(CaO)、w(MgO)、w(Al2O3)、w(MnO)及铁氧化物,V2O5、Mo总体与地壳中各元素的丰度(克拉克值)相比含量较高,而有害物质SO3、P2O5也偏高,反映了V、Mo为本区高背景元素,P、S有害杂质含量偏高。

表3 矿石化学成分测试数据Table 3 Chemical analysis of ore

2.5 围岩及夹石特征

本区矿体的直接顶、底板围岩与矿体一样,同属于寒武系杨家堡组和庄子沟组的硅质板岩、泥质板岩、含磷结核硅质板岩及硅质岩,两者成渐变过渡关系,其边界仅依据通过野外取样、化验分析等工作详细而定。

夹石的存在通常是由于成岩过程中沉积环境或钒物质来源的变化而使钒的含量或分布存在差异[9]而形成。在本矿区中,夹石通常不均匀分布在较为厚大的矿体内,夹石的矿物成分和化学成分与矿体相一致,也具一定程度的钒矿化现象,但没有达到边界品位,剔除厚度为1.02～4.64 m。

3 矿床成因及找矿标志

3.1 矿床成因

根据以往区内地质工作可知,湖北省安陆境内钒的赋存层位为下寒武统庄子沟组、杨家堡组,均与黑色岩系、特别是有机质岩石有不可分割的关系[10];

与黑色岩系有关的钒矿普遍认为是在海相缺氧、还原的沉积环境中形成的[11-13],发育于广海陆棚、被动大陆边缘斜坡的沉积盆地中[14-16];此外有学者统计认为,已发现的黑色岩系沉积环境共同特点就是生物、微生物的大量死亡和堆积[17],物源与热水沉积、陆源碎屑、生物沉积密切相关。

区内钒矿的成矿期,正是早寒武世“成磷期”,丰富的磷质表明当时气候温暖,水体营养度高,有大量低等生物出现,所以本区钒及钒钼矿的成矿环境可能为低能、缺氧还原的浅水台地边缘沉积环境。

震旦纪至寒武纪时期,研究区地理位置属于扬子地块北缘的被动大陆边缘,扬子陆块与华北陆块处于强烈的拉伸阶段[18],逐渐形成北高南低的地理格局,在扬子浅海盆地与华北陆块接触地带,频繁的海底火山运动所派生的热水沉积为硅质岩的沉积提供了充足的矿物质,对钒的形成提供了物质基础,矿区含矿层中(含碳)硅质-含磷结核硅质-硅、泥质岩性组合局部夹有沉积成因的薄层或透镜体状重晶石,也显示其具热水喷流沉积成因特征。此外在邻区该层位已现大型柳林重晶石矿床、大型白兆山钒矿床、老虎沟大型重稀土矿床等,显示出喷流热水沉积矿床的成矿物质复杂、深源、多源的特点。需要指出的是,虽然本区黑色岩系钒矿床物质来源具有多样性,但是钒矿层在空间上往往与含碳层共存、与含磷结核层共生,指示钒矿床的形成和生物沉积密切相关。

综上所述,从本区沉积环境、矿物来源、共生组合等特征分析,认为烟棵冲钒矿区成因类型应属于海相热水(喷气)和生物化学沉积相互作用沉积型层控矿床。

3.2 找矿标志

通过野外的找矿勘查和综合研究工作,认为该类钒矿床的找矿标志主要有以下四个方面:

(1)钒(钼)矿体严格受控于下寒武统杨家堡组与庄子沟组,早寒武系黑色岩系分布地段是重要的宏观找矿标志。

(2)碎裂状硅质(板)岩、磷结核硅质板岩及硅质板岩夹泥质板岩分布较多的地段往往是含矿性较好的地段,是寻找钒矿的直接找矿标志。

(3)钒矿的富集与泥质、含磷结核、碳质的含量关系密切,一般来说含磷结核、泥、碳质增多,钒含量也相应增高。因此,泥、碳质含量高的地段也是寻找钒矿床的生物学找矿标志。

(4)V、Mo、Ag、Pb等多金属元素的化探异常与铅族、雄黄矿物重砂异常相吻合的地区,是该类型钒(钼)矿床的找矿有利地段。

4 结语

(1)钒钼矿(化)体赋存于下寒武统杨家堡组黑色硅质岩中,钒矿(化)体主要赋存于下寒武统庄子沟组黑色岩系中,表现为矿床与黑色岩系的空间相关性。

(2)矿区钒(钼)矿呈层状、似层状和透镜状产出,产状与围岩一致,受层位控制明显,主要矿体在走向上V2O5矿化较连续,含矿层位稳定。

(3)通过岩石的含矿性测试分析认为,在杨家堡组中其碎裂状硅质(板)岩含矿性较好,在庄子沟组下段磷结核硅质板岩为重要的含钒岩类,次为硅质板岩夹泥质板岩。

(4)钒(钼)矿主要分布于扬子地块北缘的被动大陆边缘斜坡区,为低能、缺氧还原的浅水台地边缘环境,成因为海相热水(喷气)和生物化学的沉积相互作用的沉积型层控矿床。

致谢：本文野外工作期间安陆市烟棵冲详查项目组成员给予了很多的支持,湖北省地质局第六地质大队领导、首席专家刘兴平、区划负责人周新琪、中国地质大学(武汉)专家教授给予了野外地质调查过程中对钒矿找矿勘查工作的耐心指导和帮助,在此一并表示衷心的感谢!