湖北省宜城市牛心寨磷礦深部礦體特征及找礦方向

肖應(yīng)祖, 謝家濤, 馮久林, 王 鼎, 張慶陽, 丁宏偉

(湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊,湖北 襄陽 441002)

牛心寨深部磷礦位于湖北省宜城市孔灣鎮(zhèn),上世紀(jì)70年代,曾在牛心寨一帶淺部發(fā)現(xiàn)偏頭山、黑凹和焦坡3個小磷礦體,礦床規(guī)模為小型。2012-2016年,在湖北省地質(zhì)勘查基金的資助下,湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊對牛心寨地區(qū)開展了深部找礦工作,勘查程度達(dá)到普查級別,使牛心寨磷礦的資源儲量擴(kuò)大數(shù)倍,礦床規(guī)模為中型,接近大型。受勘查經(jīng)費(fèi)限制,普查工作未對礦區(qū)周邊深部礦體做進(jìn)一步追索,本文旨在對下步找礦方向展開分析。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

礦區(qū)大地構(gòu)造位置屬揚(yáng)子陸塊區(qū)(Ⅰ級)北緣上揚(yáng)子陸塊(Ⅱ級)、上揚(yáng)子陸塊褶皺帶(Ⅲ級)之樂鄉(xiāng)關(guān)斷隆(Ⅳ級)中部。

1.1 礦區(qū)地層

地表出露地層有中元古界崆嶺群、震旦系下統(tǒng)陡山沱組和上統(tǒng)燈影組、寒武系及奧陶系。崆嶺群主要為花崗片麻巖;陡山沱組為一套海相碳酸巖夾磷酸巖組合,局部見碎屑巖;燈影組為一套厚層白云巖及硅質(zhì)條帶白云巖;寒武系地層為一套淺海相薄—中厚層白云巖、砂質(zhì)白云巖;奧陶系底部為厚層白云巖,中上部為薄—中層泥質(zhì)灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r,局部夾頁巖的巖石組合(圖1)。

陡山沱組為磷礦賦礦層位,主要分布于礦區(qū)的東部。

圖1 宜城市牛心寨深部磷礦地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of deep phosphate rock in Niuxinzhai,Yicheng city1.中元古界崆嶺群;2.震旦系下統(tǒng)陡山沱組下段;3.震旦系下統(tǒng)陡山沱組上段;4.震旦系上統(tǒng)—寒武系下統(tǒng)燈影組下段;5.震旦系上統(tǒng)—寒武系下統(tǒng)燈影組上段;6.寒武系下統(tǒng);7.寒武系中統(tǒng)覃家廟組;8.寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)組;9.奧陶系;10.第四系;11.正斷層;12.逆斷層;13.走滑斷層;14.地層產(chǎn)狀;15.磷礦體;16.Ph1礦體平面投影。

1.2 礦區(qū)構(gòu)造

礦區(qū)構(gòu)造較簡單,為一單斜構(gòu)造,礦區(qū)西側(cè)受區(qū)域性逆沖斷層F13的影響,使燈影組地層逆掩于奧陶系地層之上,形成一種似向斜構(gòu)造的錯覺。地層產(chǎn)狀較穩(wěn)定,總體傾向約為240°,傾角25°～35°。斷層主要有兩組:一組為近南北向縱斷層,如F13;另一組為近北東向橫斷層。北東向橫斷層常切斷磷礦層,破壞礦體的連續(xù)性,如F30、F35等(圖2)。

2 礦體地質(zhì)特征

2.1 含磷巖系

含磷巖系陡山沱組共有4個磷塊巖相對富集的層位,由下至上依次編為Ph1、Ph2、Ph3、Ph4(表1)。其中,Ph1、Ph2磷礦層形成了工業(yè)礦體,Ph3僅在局部形成透鏡狀礦體,無工業(yè)價值,Ph4為含磷白云巖,僅具層位意義,是標(biāo)志層之一。

2.2 礦體特征

Ph1層圈出1個礦體,是本礦區(qū)的主礦體。礦體呈似層狀、紡錘狀,礦層底板為厚層不等粒白云巖,頂板為薄層含磷條帶白云巖。礦體長約3 600 m,礦體寬度變化較大,中間寬而兩端窄,中部最寬處>1 200 m;厚度也同樣表現(xiàn)為中間厚兩端薄,厚度1.12～9.22 m,平均厚度為3.87 m。P2O5品位一般16.94%～27.12%,平均品位為21.82%。礦體賦存標(biāo)高為+150～-378.8 m,礦體傾向230°～250°,傾角25°～32°。

Ph2為次要磷礦層,分布不穩(wěn)定,變化大,可圈出兩個礦體。其中Ⅰ號礦體規(guī)模較大,長約2 250 m,一般寬約350 m,最大寬度約890 m,礦體厚1.23～7.22 m,平均厚2.73 m。賦存標(biāo)高為173～-171.7 m,礦體產(chǎn)狀為240°～270°∠28°～35°左右。

圖2 宜城市牛心寨深部磷礦W321線剖面圖Fig.2 W321 line profile of deep phosphate rock in Niuxinzhai,Yicheng city1.中元古界崆嶺群;2.震旦系下統(tǒng)陡山沱組下段;3.震旦系下統(tǒng)陡山沱組上段;4.震旦系上統(tǒng)—寒武系下統(tǒng)燈影組下段;5.震旦系上統(tǒng)—寒武系下統(tǒng)燈影組上段;6.第一磷礦層(工業(yè)礦);7.白云巖;8.含磷白云巖;9.花紋狀白云巖;10.硅質(zhì)(燧石)條帶白云巖;11.底礫巖;12.花崗片麻巖;13.逆沖斷層;14.鉆孔;15.角度不整合界線。

表1 陡山沱組地層柱狀簡表Table 1 Columnar simple table of Doushantuo formation

分段代號主體巖性接觸關(guān)系層厚/m含礦性上段Z1d2-6薄層白云巖夾頁巖整合21．2～47．5Z1d2-5含硅磷結(jié)核白云巖整合2．3～11．4Ph4礦化層Z1d2-4薄層含磷條帶白云巖整合9．3～37．6Z1d2-3薄層含磷白云巖整合1．4～6．4Ph3礦化層Z1d2-2薄層含磷條帶白云巖整合7．8～25．4Z1d2-1磷塊巖假整合0～9．0Ph2次磷礦層下段Z1d1-4厚層不等粒白云巖整合17．6～68Z1d1-3磷塊巖整合0～12．1Ph1主磷礦層Z1d1-2含錳白云巖整合3．8～13．2Z1d1-1角礫巖不整合1．8～14．6

3 礦石特征

3.1 礦物成分

礦石的礦物成分主要為磷酸鹽礦物、碳酸鹽礦物及硅酸鹽礦物,三類礦物總量占礦石中礦物總量的95%以上,其他微量礦物為黃鐵礦、褐鐵礦、鈦鐵礦、炭質(zhì)等散布在磷灰石粒屑間。

磷酸鹽礦物主要為微晶磷灰石,磷灰石鏡下呈膠狀集合體混以微量的粘土礦物、泥晶碳酸鹽礦物、鐵質(zhì)氧化物和炭質(zhì)物等雜質(zhì)。單偏光鏡下呈灰褐色、灰黑色,正偏光下顯均質(zhì)性弱非均質(zhì)性。

碳酸鹽礦物以白云石為主,是主要的脈石礦物,另含少量方解石。白云石鏡下觀察為微晶—粉晶結(jié)構(gòu),少量細(xì)晶結(jié)構(gòu),微晶粒徑0.01～0.03 mm,粉晶在0.03～0.06 mm,細(xì)晶在0.06～0.15 mm,以膠結(jié)物的形式充填于磷質(zhì)砂屑孔隙中。

硅酸鹽礦物主要為石英、玉髓、粘土礦物,玉髓、石英常呈隱晶質(zhì)或微晶集合體呈條帶狀與白云巖互層;石英呈微晶粒狀,粒徑0.01～0.02 mm左右,散布于磷塊巖中,局部呈不等粒鑲嵌結(jié)構(gòu),粒徑0.2～0.5 mm。粘土礦物常呈細(xì)分散狀分布于磷質(zhì)砂屑表面或砂屑間,也常呈隱晶質(zhì)、顯微磷片狀相對集中成條帶狀與磷質(zhì)條帶互層分布。

3.2 礦石類型

礦區(qū)磷塊巖主要有以下:

3.2.1 致密狀磷塊巖

產(chǎn)于Ph1和Ph2礦層中,呈灰黑色或紫醬色,具膠狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。礦石主要由微晶磷灰石組成,膠磷礦呈纖維狀或球粒狀,其含量80%～95%,其次有少量的白云石、方解石及微量的石英、玉髓、水云母、鐵質(zhì)等。

3.2.2 白云質(zhì)條帶磷塊巖

產(chǎn)于Ph1和Ph2礦層中,呈淺灰色,由致密狀磷塊巖礦條帶和含磷白云巖條帶相間排列而組成,條帶寬2～5 mm,密集連續(xù),或者是致密狀磷塊巖與含磷白云巖均呈薄層狀,二者呈互層產(chǎn)出。礦石中微晶磷灰石含量約40%～60%,白云石含量約30%～40%,另含少量的方解石及石英、玉髓、褐鐵礦等。

3.2.3 泥質(zhì)條帶磷塊巖

產(chǎn)于Ph1礦層中,呈土黃色,由致密狀磷塊巖礦條和泥質(zhì)條帶相間密集排列而成,條帶寬一般2～4 mm,密集連續(xù),礦石中微晶磷灰石含量約40%～80%,粘土礦物含量約10%～30%,另含少量的白云石、方解石等。

3.2.4 角礫狀磷塊巖

分布于Ph2礦層中,礦石常呈灰、淺灰色,角礫的成分主要為致密狀磷塊巖,膠結(jié)物主要為白云石,角礫大小不一,磨圓度差,大角礫直徑可達(dá)20 cm左右。礦石中微晶磷礦石含量約30%～60%,白云石含量約30%～40%,另含少量的玉髓、石英等。

3.2.5 砂巖狀磷塊巖

分布于Ph2礦層上部,常呈深灰—灰黑色,由微晶磷灰石砂屑與白云石、石英混生而形成的一種磷塊巖,礦石中微晶磷灰石含量約30%～50%,白云石含量約20%～40%,石英含量約20%～30%。

3.3 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造

礦石結(jié)構(gòu)主要為膠狀結(jié)構(gòu)和粒屑結(jié)構(gòu)。

膠狀結(jié)構(gòu):也稱膠狀泥晶結(jié)構(gòu),由磷酸鹽膠體沉積形成的一種質(zhì)地均一結(jié)構(gòu),偏光顯微鏡下顯均質(zhì)性或弱非均質(zhì)性,其礦物成分主要由泥晶磷灰石組成,集合體形態(tài)呈凝膠狀,該結(jié)構(gòu)反映了泥晶磷塊巖的組構(gòu)特征,由于混入物的加入使泥晶磷灰石顯得渾濁,貌似泥質(zhì),形成膠狀泥晶結(jié)構(gòu)。

粒屑結(jié)構(gòu):泥晶磷灰石以粒屑形式存在,粒屑主要為砂屑,其次為團(tuán)粒、生物屑等。鏡下觀察,砂屑直徑一般0.2～0.4 mm,砂屑中還分布有環(huán)狀石英、玉髓,砂屑周圍分布有重結(jié)晶作用而形成的磷灰石晶粒。粒屑的膠結(jié)物有硅質(zhì)和白云質(zhì)兩種,膠結(jié)方式均為基底式膠結(jié)。

礦石構(gòu)造主要為條帶(條紋)狀構(gòu)造和塊狀構(gòu)造。

條帶(條紋)狀構(gòu)造:礦石礦物膠狀磷灰石集合體與脈石礦物集合體各自相對集中,形成寬2～5 mm的條帶,沿大致平行層理面交替重復(fù)出現(xiàn);或者薄層狀磷塊巖與薄層狀含磷白云巖(硅質(zhì)巖)互層。根據(jù)脈石礦物條帶成分,可分為白云質(zhì)條帶、泥質(zhì)條帶和硅質(zhì)條帶,它們是劃分礦物自然類型的重要依據(jù)。

塊狀構(gòu)造:由微晶磷灰石(膠磷礦)與少量的脈石礦物均勻混生而構(gòu)成,無各自相對集中的現(xiàn)象。礦石中膠磷礦含量為80%～95%,脈石礦物為少量的白云石、玉髓和微量的方解石、水云母、鐵質(zhì)等。

3.4 礦石質(zhì)量

礦石的主要化學(xué)成分見表2。礦石中有用組分主要為P2O5,含量為12.91%～26.28%,一般為20%左右。

伴生有用組分為F,含量為1.38%～3.94%,一般為2%左右。

表2 牛心寨礦段深部礦床礦石化學(xué)成分表(%)Table 2 The chemical composition table of deep phosphorus mine of Niuxinzhai

有害組分有MgO、Al2O3、Fe2O3和SiO2,MgO含量為2.21%～10.24%,平均為7.27%;Al2O3含量為1.03%～2.32%,平均為1.70%;Fe2O3含量為0.19%～1.09%,一般為1.0%左右;SiO2含量為2.74%～15.88%,平均為9.37%,在不同自然類型的礦石中含量差別較大。

對環(huán)境影響較明顯的有毒元素Cd、As含量均較低。

4 礦床成因

牛心寨深部磷礦床屬沉積型磷塊巖礦床,發(fā)育于海侵巖系底部侵蝕基準(zhǔn)面附近,含礦巖系為淺海陸棚—臺地相含磷碳酸鹽巖建造,成礦時期的古地理環(huán)境為淺海臺地—陸棚相,磷礦床產(chǎn)出于臺地前緣的臺緣斜坡、斜坡前緣及臺坪凹地等微環(huán)境。

Ph1礦層的成礦作用可分為兩期:早期以膠體凝聚作用為主,形成分布相對穩(wěn)定的泥質(zhì)條帶磷塊巖,為臺緣斜坡或臺坪凹地,屬潮下帶環(huán)境,能量較低;晚期以生物化學(xué)沉積作用為主,形成了白云質(zhì)條帶磷塊巖和致密狀磷塊巖(藻磷塊巖),變化較大,微環(huán)境為臺坪或臺坪前緣,屬潮間帶環(huán)境,能量相對較高[1]。

Ph2礦層的形成也可分為兩期:早期為臺緣斜坡附近,微環(huán)境為藻丘或生物礁,成礦作用主要為生物化學(xué)沉積作用,形成了致密狀磷塊巖、白云質(zhì)條帶磷塊巖、角礫狀磷塊巖,可見明顯的疊層石,屬中—高能沉積環(huán)境。然后,海水下降,其間曾短暫地受到剝蝕,沉積環(huán)境逐步演變?yōu)榕_坪淺灘,并沉積了砂巖狀磷塊巖,這種砂巖狀磷塊巖是早期所形成的磷塊巖在高能環(huán)境下被沖刷、破碎并粒化后再沉積而成。這一時期的臺坪淺灘分布較局限,因此,Ph2礦層上部的砂巖狀磷塊巖分布不穩(wěn)定,僅局部可見到。

5 控礦因素

控礦因素主要是成礦期的巖相古地理條件,后期的構(gòu)造作用對礦床的改造作用較微弱。巖相古地理條件對礦床的控制主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

5.1 古地形對Ph1礦層穩(wěn)定性的控制作用

古地形對Ph1礦層穩(wěn)定程度的控制表現(xiàn)在,如果沉積地形比較低凹,則有利于較長時間地接受沉積,所形成的磷礦層厚度大且較穩(wěn)定;而當(dāng)?shù)匦屋^高呈凸起臺地時,則接受沉積的時間較短,所形成的磷塊巖厚度較小,且變化較大;如果沉積地形過高,則難以形成連續(xù)的磷礦層。

5.2 沉積環(huán)境對Ph1礦層礦石自然類型的控制作用

Ph1礦層沉積時,地形較低凹,底板頁巖發(fā)育,有利于形成泥質(zhì)條帶磷塊巖,并形成較厚大礦體,如牛心寨深部W321勘查線深部一帶;當(dāng)?shù)匦屋^高時,底板僅發(fā)育含錳白云巖,不發(fā)育頁巖,礦層中發(fā)育白云質(zhì)條帶磷塊巖、致密狀磷塊巖,礦體也常呈透鏡狀,連續(xù)性較差,如礦床的淺表一帶。

5.3 沉積環(huán)境對Ph2礦層發(fā)育程度的控制作用

牛心寨深部磷礦床一帶的Ph2礦層具兩層結(jié)構(gòu):早期屬藻丘或生物礁環(huán)境,當(dāng)藻類發(fā)育繁茂時,能形成較好的磷塊巖,而藻類發(fā)育不好時,只能形成含膠磷礦條帶、團(tuán)塊的白云巖;晚期,沉積環(huán)境發(fā)生變化,演化為砂灘環(huán)境,當(dāng)砂灘發(fā)育較好、能量較高,可形成品位較高的磷塊巖,而當(dāng)砂灘發(fā)育不好、能量較低,則無法將膠磷礦砂屑與白云巖微粒分離,只能形成含磷白云巖。

圖3 牛心寨深部磷礦Ph1分布圖Fig.3 Ph1 distribution diagram of deep phosphate rock in Niuxinzhai1.Ph1礦體地表露頭;2.工程點(diǎn)及Ph1礦體厚度數(shù)據(jù);3.礦體厚度1～5 m區(qū)域;4.礦體厚度>5 m區(qū)域;5.找礦靶區(qū);6.勘查線。

6 找礦方向

前人將牛心寨一帶磷礦劃分為荊襄磷礦田北部邊緣的Ph1磷礦層分布極不穩(wěn)定區(qū),認(rèn)為這一帶磷礦體形態(tài)復(fù)雜,變化大,且分布零星,多數(shù)地段地表露頭礦體厚度<1 m或尖滅。

但在近年來湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊開展的普查工作中,于深部發(fā)現(xiàn)有較大規(guī)模的磷礦體,且分布較為穩(wěn)定,礦石類型由淺部的以白云質(zhì)條帶磷塊巖相變?yōu)橐阅噘|(zhì)條帶磷塊巖為主,呈現(xiàn)良好的找礦前景。

筆者認(rèn)為,牛心寨一帶的磷礦找礦有以下兩個方向(圖3):

(1) 礦區(qū)西部胡爾—張家灣一帶,這一帶所分布的Ph1磷礦層厚度大,分布穩(wěn)定,且產(chǎn)狀平緩,已有工程控制深度不大,再向西控制,可進(jìn)一步擴(kuò)大礦床規(guī)模。

(2) 礦區(qū)北部黃山一帶,在淺部發(fā)現(xiàn)有透鏡狀的Ph1礦層露頭,厚度較大,且發(fā)育較好的泥質(zhì)條帶磷塊巖,根據(jù)目前掌握的規(guī)律,深部有望找到具一定規(guī)模的磷礦體。

7 結(jié)論

(1) 牛心寨深部磷礦為賦存于陡山沱組地層中的沉積型磷塊巖礦床,礦區(qū)構(gòu)造簡單,呈一單斜;礦區(qū)發(fā)育有Ph1和Ph2兩個礦層,其中以Ph1礦層規(guī)模較大;礦層產(chǎn)狀與地層一致,總體為240°∠28°左右。礦石自然類型主要有致密狀、泥質(zhì)條帶、白云質(zhì)條帶磷塊巖。

(2) 控礦因素主要為成礦期的巖相古地理條件,臺地下的低凹地段有利于磷塊巖的沉積和形成。

(3) 有利的找礦靶區(qū)主要有兩處:第一處為北側(cè)的黃山附近;第二處為中部的胡爾—張家灣一帶。

[1] 林因明,余吉祥,張萬玉,等.湖北省荊襄磷礦地質(zhì)特征及成礦規(guī)律[R].襄樊:湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局第八地質(zhì)大隊,1986.