岑鞏縣水尾方解石礦床的形成機(jī)制

盧仁甫，黃 培

(貴州省煤田地質(zhì)局一一三隊(duì),貴州貴陽(yáng)550008)

1 概論

在人類(lèi)耐以生存的地殼里,由于自然地理和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,蘊(yùn)藏著豐富的復(fù)雜多樣的礦產(chǎn)資源。但是,近年來(lái)特別是我國(guó)境內(nèi)不合理的大面積開(kāi)發(fā)利用,資源破壞嚴(yán)重,有的資源面臨枯竭。不但造成資源浪費(fèi),同時(shí)也給技術(shù)人員對(duì)礦床研究帶來(lái)諸多困難,為我國(guó)礦產(chǎn)資源合理開(kāi)發(fā)利用造成諸多隱患。不同的礦產(chǎn)資源,形成條件不同,其形成機(jī)制大不一樣；同一種礦產(chǎn)資源,因其成礦背景、成礦構(gòu)造的差異,其形成機(jī)制也不相同,方解石礦就如此。本文通過(guò)對(duì)貴州省岑鞏縣水尾鎮(zhèn)及其周邊地區(qū)的成礦地質(zhì)背景和控礦地質(zhì)因素分析,闡述岑鞏縣水尾方解石礦的形成機(jī)制,為尋找同類(lèi)型礦產(chǎn)資源和開(kāi)發(fā)利用提供參考,希望對(duì)今后的地質(zhì)工作者們有所裨益和幫助。

2 方解石礦床及其分類(lèi)

2.1 方解石礦床的概念及其涵義

方解石礦床是指在地殼中由成礦地質(zhì)作用形成的，其所含有用礦物資源碳酸鈣CaCO3的質(zhì)和量符合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件,并能被開(kāi)發(fā)和利用的CaCO3集合體。它包括方解石礦體、夾石和圍巖3部分。

方解石礦床有時(shí)為一個(gè)礦體,多數(shù)情況為多個(gè)礦體組成。方解石晶體形狀多種多樣,它們的集合體可以是一簇簇的晶體,也可以是粒狀、塊狀、纖維狀、鐘乳狀、土狀等等。敲擊可變成方形碎塊,故名方解石。

2.2 方解石礦床類(lèi)型

方解石礦床形成有巖漿接觸交代作用形成、巖漿期后熱液作用形成,也有火山熱液作用形成,又有風(fēng)化作用和沉積作用形成,還有變質(zhì)作用形成。所以,方解石礦床可分為：巖漿礦床、熱液礦床、風(fēng)化礦床、沉積礦床。岑鞏縣水尾方解石礦床屬?lài)鷰r蝕變低溫?zé)嵋簶?gòu)造裂隙礦床。

3 礦床地質(zhì)特征

3.1 圍巖特征

圍巖為奧陶系下統(tǒng)紅花園組、桐梓組、寒武系上統(tǒng)爐山組地層,巖性為中至厚層致密塊狀粗晶細(xì)晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖。主要成分為CaCO3和CaMg(CO3)2。巖體密度約2.2～2.9,堅(jiān)硬,性脆,巖溶發(fā)育。

3.2 構(gòu)造及其演化

主要區(qū)域性構(gòu)造有萬(wàn)山背斜。一級(jí)斷裂：銅仁斷裂、萬(wàn)山斷裂、肖家灣斷裂。次級(jí)斷裂：水尾斷裂等。方解石成礦帶屬于水尾斷裂的次級(jí)斷裂。經(jīng)過(guò)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)之后，礦區(qū)內(nèi)無(wú)褶皺,地層走向北東3°～15°,傾角5°～12°,一般10°；礦區(qū)內(nèi)有4條斷層,即逆斷層F2、F4，正斷層F3、F7。隨著不同時(shí)期發(fā)生的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),都會(huì)形成不同級(jí)次構(gòu)造體系。加里東運(yùn)動(dòng),該地區(qū)開(kāi)始臺(tái)升,出現(xiàn)水尾正斷層和儲(chǔ)礦斷層等；印支運(yùn)動(dòng),地層出現(xiàn)不均勻沉降,整體為上升趨勢(shì),產(chǎn)生一系列的擠壓構(gòu)造,如萬(wàn)山背斜的雛形、逆斷層萬(wàn)山斷裂、龍?chǎng)棝_斷裂、肖家灣斷裂等；海西運(yùn)動(dòng),地層相對(duì)平穩(wěn),但仍有一定的穩(wěn)步上升,對(duì)該地區(qū)影響不大。燕山運(yùn)動(dòng),巖漿活動(dòng)明顯,附近梵凈山穹隆和萬(wàn)山背斜基本成型,大量擠壓構(gòu)造出現(xiàn),如銅仁斷裂等；喜馬拉雅運(yùn)動(dòng),梵凈山穹隆和萬(wàn)山背斜完成,各斷裂帶進(jìn)一步加大,風(fēng)化剝蝕更加強(qiáng)烈。構(gòu)造演化過(guò)程如圖1所示。

3.3 巖相古地理

巖相分海(深海、淺海、濱海)相、海陸過(guò)渡(瀉湖、海灣等)相、陸(河流、湖泊等)相3大類(lèi)。從區(qū)域地層的顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、古生物化石等進(jìn)行分析:元古界為淺海變余砂巖,變質(zhì)砂巖相；震旦系為淺海砂、泥巖相；寒武系為淺海砂泥巖、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r相；奧陶系為淺?；?guī)r相。巖相古地理變化過(guò)程如圖1所示。

3.4 礦體特征

礦體發(fā)育于一條小斷裂帶內(nèi),斷距20m,與斷裂帶產(chǎn)狀一致,呈似層狀,走向近南北向,地表呈條帶狀,延走向長(zhǎng)5.43km；傾向83°,傾角陡,一般80°,向下延深100多米,后逐漸尖滅,與構(gòu)造延深基本一致。礦體地表平均厚度4.56m,夾石剔除厚度為2.00m。礦體內(nèi)局部出現(xiàn)巖溶現(xiàn)象,礦體傾向與圍巖傾向有一定交角,為38°左右。夾石為灰、淺灰色石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r碎塊。局部有開(kāi)采痕跡,露天開(kāi)采為主。

3.5 礦石特征

（1）物理特征：白色,風(fēng)化呈淺黃色,條痕色白色,無(wú)味、無(wú)臭,玻璃光澤,硬度3,視密度2.71t/m3,抗壓強(qiáng)度為27.04MPa,呈晶族，致密塊狀,大部分晶體呈平行六面體,少部分呈塊狀、角礫狀,白度89.16%。

（2）化學(xué)特征：礦石遇稀鹽酸、硫酸劇烈起泡。主要化學(xué)成分：CaO=55.14%,SiO2=0.18%,Fe2O3=0.036%,CaCO3=98.51%,MgO=0.63%,Pb=40.0×10-6,As=5.08×10-6,Ba=36.0×10-6,TS=0.011%。

（3）結(jié)構(gòu)：主要為粗晶結(jié)構(gòu),少量為細(xì)晶結(jié)構(gòu),夾石為灰色、淺灰色角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。

（4）構(gòu)造：塊狀、角礫狀構(gòu)造,內(nèi)、外生節(jié)理、裂隙發(fā)育,含灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r包裹體。

3.6 成礦期次與階段

（1）加里東期：該地區(qū)上升為陸,沒(méi)有沉積。早期,該地區(qū)不斷抬升,重力作用,局部巖層隆起出現(xiàn)拉申斷裂(正斷層),如水尾正斷裂及其伴生斷裂就在此時(shí)形成。此類(lèi)斷裂的形成為礦床的形成提供了導(dǎo)礦通道和儲(chǔ)礦空間。

（2）海西期：整個(gè)地殼比較穩(wěn)定,早期(泥盆紀(jì)至石炭紀(jì))只有升降運(yùn)動(dòng),形成許多陷落盆地。后半期(石炭紀(jì)末到二疊紀(jì)),發(fā)生褶皺運(yùn)動(dòng),將俄羅斯地塊和西伯利亞地塊連接起來(lái),形成亞歐大陸的雛形。由于礦區(qū)處于亞歐大陸南部邊緣,海西運(yùn)動(dòng)對(duì)該地區(qū)影響不大。上覆地層繼續(xù)風(fēng)化剝蝕,山、谷繼續(xù)剝蝕加深。

（3）印支期：改變了中國(guó)“南海北陸”的局面。海水退至新疆南部、西藏和滇西一帶,仍屬特提斯型海域；長(zhǎng)江中下游和華南地區(qū)大部分已由淺海轉(zhuǎn)為陸地。從此中國(guó)南北陸地連為一體。該地區(qū)出現(xiàn)一系列擠壓構(gòu)造(為成礦提供熱液,加快了圍巖蝕變)。繼續(xù)接受風(fēng)化剝蝕,山變得更陡,出現(xiàn)陡崖,谷變得更深,中晚奧陶紀(jì)的地層已經(jīng)被剝蝕。

（4）燕山期：形成了大量褶皺斷裂山地和小型斷陷盆地。該地區(qū)繼續(xù)臺(tái)升和接受風(fēng)化剝蝕。早期，早奧陶紀(jì)的地層大灣組部分被剝蝕,礦體部分也被剝蝕出露地表；中后期,紅花園組、桐梓組部分被剝蝕,大灣組、爐山組大部分被剝蝕,同時(shí)大部分礦體也被剝蝕。

（5）喜馬拉雅期：礦區(qū)附近梵凈山穹窿突現(xiàn),該地區(qū)繼續(xù)臺(tái)升和接受風(fēng)化剝蝕,大灣組、紅花園組、桐梓組絕大部分被剝蝕,礦體絕大部分也被剝蝕；清水江組部分被剝蝕,爐山組大部分被剝蝕,同時(shí)礦體絕大部分也被剝蝕,最后殘留現(xiàn)存的極少部分礦體,即今天的水尾方解石礦床。

4 水尾方解石礦床的形成機(jī)制4.1 地質(zhì)條件

（1）地層：地層為后期礦產(chǎn)的形成提供主要物質(zhì)來(lái)源。形成方解石礦床的地層必須滿(mǎn)足2個(gè)條件：首先,必須含有大量的Ca2+、CO32-離子；其次,該地層有利于圍巖蝕變。水尾方解石礦床的圍巖為灰色中至厚層狀粗晶或細(xì)晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖,富含Ca2+、CO32-離子,保證了礦床Ca2+、CO32-離子的充足來(lái)源。這些地層均能滿(mǎn)足上述要求。

（2）構(gòu)造：構(gòu)造可為后期礦產(chǎn)的形成提供低溫?zé)嵩?、?chǔ)礦空間和導(dǎo)礦空間。主要控礦構(gòu)造有銅仁斷裂、肖家灣斷裂、水尾斷裂。

（3）巖漿活動(dòng)：區(qū)內(nèi)地表未見(jiàn)巖漿巖,但深部應(yīng)該有巖漿巖的存在,因?yàn)闃?gòu)造運(yùn)動(dòng)往往與巖漿活動(dòng)有關(guān)。

4.2 物質(zhì)來(lái)源

水尾方解石礦的物質(zhì)來(lái)源主要源于圍巖熱解蝕變；其次,海水的滲透提供了少量的物質(zhì)來(lái)源。

圍巖中富含CaCO3。洋殼中CaO含量為11.3×10-6,Ca含量為8.08×10-6。常溫下CaO遇水生成Ca(OH)2,Ca(OH)2與CO反應(yīng)生成CaCO3,CaCO3在一定條件下與水反應(yīng)生成Ca(HCO3)2,Ca(HCO3)2被搬運(yùn)到一定環(huán)境中又分離出CaCO3并釋放出H2,因此,自然界中的鈣和碳往往以CaO、CaCO3和CO2氣體的形式存在。圍巖和海水提供了豐富的物質(zhì)來(lái)源。

4.3 流體來(lái)源

由于拉伸構(gòu)造提供了儲(chǔ)礦空間和導(dǎo)礦通道,因此,流體來(lái)源主要靠海水滲透,擠壓構(gòu)造使大量海水進(jìn)入空間、通道,提供了熱液,加快了圍巖蝕變,還補(bǔ)充了大量的有利于方解石合成的Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-粒子和H2O，為礦石的合成提供了部分CO2物質(zhì)。

4.4 形成溫度

常壓下,0℃～100℃范圍內(nèi),可通過(guò)Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、H2O這些物質(zhì)合成CaCO3的2種變體方解石和文石。0°～25°時(shí),文石棒狀單晶以集合體的形式存在。也可以采用附晶生長(zhǎng)法,在50℃～90℃范圍內(nèi)定向合成文石和方解石,并且,隨溫度的增高,合成速率越快。通常,海水的溫度都在20℃以上,100℃以下。

4.5 形成過(guò)程

（1）圍巖的形成及其后期變化：水尾方解石礦的圍巖形成于早奧陶紀(jì)和晚寒武紀(jì),距今約5億年,為深海相沉積。物質(zhì)主要為CaCO3,靜海環(huán)境中形成。其形成過(guò)程經(jīng)歷沉積、成巖、后生3個(gè)地質(zhì)作用階段。

①沉積階段：在寒武紀(jì)以前,直到寒武紀(jì)中期,這里已經(jīng)變成深海。大陸中的巖石風(fēng)化后,大量的Ca2+離子、Mg2+等被搬運(yùn)到海洋,同時(shí),海水的主要成份為：陽(yáng)離子Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Sr+五種；陰離子Cl-、SO42-、Br-、HCO3-、CO32-、F-五種,還有以分子形式存在的H3BO3,其總和占海水鹽分的99.9%。而其中的Ca2+、Mg2+、HCO31-、CO32-在一定條件下合成Ca(HCO3)2、CaCO3、Mg(HCO3)2、MgCO3。由于 CaCO3、MgCO3不溶于水,固沉淀下來(lái)。而Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2不穩(wěn)定,在一定條件分解成CaCO3、MgCO3并釋放出H2。形成大量的CaCO3、MgCO3堆積體,為石灰?guī)r、白云巖的形成奠定了基礎(chǔ)。到了奧陶紀(jì)早期末,大灣組、紅花園組、桐梓組,爐山組的沉積物已經(jīng)堆積,但有的沉積物結(jié)構(gòu)仍然非常疏松。

②成巖階段：沉積階段形成的CaCO3或CaCO3、MgCO3堆積體,結(jié)構(gòu)疏松,在溫度、壓力、重結(jié)晶等成巖作用條件下,使其壓實(shí)固結(jié)成致密堅(jiān)硬的巖石——石灰?guī)r、白云巖的整個(gè)過(guò)程叫成巖作用。其成分主要還是碳酸鈣CaCO3、碳酸鎂MgCO3。到了奧陶紀(jì)早期末,紅花園組、桐梓組,寒武系上統(tǒng)爐山組已經(jīng)基本固結(jié)成巖；奧陶紀(jì)中晚期,大灣組基本固結(jié)成巖。此時(shí),圍巖的形成宣告結(jié)束。

③后生階段：后生作用指沉積巖形成后在沒(méi)有造山壓力或巖漿熱力的影響下,所遭受的全部的物理的及化學(xué)的變化(不包括變質(zhì)作用與風(fēng)化作用)。如由于溫度的升高、上覆巖層壓力的加大及地下水的活動(dòng),使巖石進(jìn)行重結(jié)晶、產(chǎn)生新礦物和形成結(jié)核等。后生階段主要指成巖后的各種地質(zhì)作用影響階段。如巖漿活動(dòng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、各種風(fēng)化作用、變質(zhì)作用等階段。此時(shí),使石灰?guī)r受熱變質(zhì),構(gòu)造斷裂,各種風(fēng)化、變質(zhì)等。各種后生礦產(chǎn)就是在這段時(shí)期形成。

（2）礦床的形成及其后期變化：

①?lài)鷰r蝕變：圍巖蝕變是在熱液成礦過(guò)程中,近礦圍巖與熱液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的一系列物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的變化。擠壓構(gòu)造產(chǎn)生的熱能通過(guò)張性裂隙(導(dǎo)礦通道)以熱液的形式傳輸,地溫通過(guò)構(gòu)造裂隙傳輸?shù)絿鷰r,加快了圍巖蝕變的速度,經(jīng)過(guò)一定時(shí)期的物理、化學(xué)變化,圍巖中破碎地帶不斷溶蝕,使CaCO3與熱液中HCO3-反應(yīng)生成Ca(HCO3)2而流失,在圍巖中形成大量的溶隙和溶洞。其化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下：

CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2

圍巖蝕變是一個(gè)長(zhǎng)期性的復(fù)雜過(guò)程,它也許經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)年乃至上千萬(wàn)年。

②礦床的形成：圍巖蝕變后,圍巖蝕變中溶蝕的Ca2+、HCO3-與熱液中的Ca2+、HCO3-、CO32-充分發(fā)生交代作用、區(qū)域變質(zhì)或接觸變質(zhì)等成礦作用下重結(jié)晶,形成良好的白色或無(wú)色的方解石(CaCO3)晶體而沉積下來(lái)，成為有工業(yè)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義的礦產(chǎn),并與圍巖、夾石組合成能被開(kāi)采利用的方解石(CaCO3)礦床,礦石結(jié)構(gòu)為顯晶(粗晶、細(xì)晶)結(jié)構(gòu)。其化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下：

Ca2++CO32-=CaCO3↓

Ca(HCO3)2? CaCO3↓+H2↑

方解石晶體(CaCO3)的重結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)漫長(zhǎng)的復(fù)雜過(guò)程,經(jīng)歷了數(shù)百萬(wàn)年乃至千萬(wàn)年。

③礦床的后期變化：水尾方解石礦形成后,經(jīng)歷了燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的剝蝕。特別是喜馬拉雅期間,該地區(qū)完全上升為陸地,由于大氣降雨,對(duì)礦床的風(fēng)化剝蝕比較嚴(yán)重。最后,形成現(xiàn)在殘留的礦床。水尾斷裂帶尚未發(fā)現(xiàn)有方解石礦體,只在它的伴生斷裂中有所發(fā)現(xiàn),還有待下一步勘查與研究。

5 結(jié)論

綜上所述,通過(guò)對(duì)岑鞏縣水尾方解石礦的地質(zhì)、礦床、礦體、礦石特征、形成條件、構(gòu)造演化等分析總結(jié),得出該礦床為低溫?zé)嵋簶?gòu)造礦床。其形成過(guò)程與母巖的成分、環(huán)境溫度、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是分不開(kāi)的。母巖的形成及其礦物成分為礦床的形成打下了豐富的物質(zhì)來(lái)源基礎(chǔ)；海水提供了豐富的流體來(lái)源；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)破壞了圍巖的完整性,打造了礦床的儲(chǔ)礦空間和導(dǎo)礦通道,為礦床的形成提供了熱源,促進(jìn)圍巖蝕變；圍巖蝕變使方解石循環(huán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),為礦床的形成提供了礦源,同時(shí)也加大了礦床的儲(chǔ)礦空間,礦床的形成為人類(lèi)未來(lái)對(duì)礦產(chǎn)的開(kāi)發(fā)利用提供了具有經(jīng)濟(jì)意義的礦產(chǎn)；礦床的后期變化因受不同時(shí)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,礦床也不同程度遭到破壞,礦產(chǎn)也遭到破壞,甚至,主要礦床已經(jīng)消失,能被人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用的部分少之又少,以至于人們不得不去改變工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此,通過(guò)對(duì)岑鞏縣水尾方解石礦礦床的分析研究,也許能為地質(zhì)工作者未來(lái)找礦提供借鑒和幫助。

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