湖北省崇陽縣石門釩礦地質(zhì)特征及釩的賦存狀態(tài)分析

鐘 溫, 尹 近, 霍東嬋, 趙 帆

(湖北省地質(zhì)局 第四地質(zhì)大隊,湖北 咸寧 437100)

石門釩礦區(qū)位于湖北省東南部崇陽縣,距崇陽縣城約31 km,屬崇陽縣石城區(qū)雙港鄉(xiāng)管轄。地理坐標:東經(jīng)113°49′33″,北緯29°27′20″。礦區(qū)面積1.47 km2。1987年湖北省第四地質(zhì)大隊對該礦進行了詳查地質(zhì)工作,估算V2O5資源量35 762.43 t,屬小型規(guī)模礦床。近年來釩礦價格持續(xù)走高，釩礦的開采逐漸活躍，通過對釩礦地質(zhì)特征及賦存狀態(tài)的了解，釩賦存于寒武系牛蹄塘組炭質(zhì)頁巖中的伊利石礦物，此有助于釩礦開采過程中技術(shù)的改進，同時節(jié)約成本，提高效益。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

礦區(qū)大地構(gòu)造位置屬于揚子陸塊區(qū)(Ⅰ級)下?lián)P子陸塊(Ⅱ級),幕阜山被動邊緣褶沖帶(Ⅲ級),咸寧臺坪褶皺帶(Ⅳ級)[1]。礦區(qū)地處方山傾伏背斜南東翼[2],區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育,主要為北北東向和北西向斷裂。

出露地層主要為震旦系、寒武系地層。礦區(qū)為一單斜構(gòu)造,地層總體走向北北東。 其中寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組二段(∈1n2)為區(qū)內(nèi)的含釩礦層。巖層產(chǎn)狀總體傾向南東。

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 地層

礦區(qū)范圍內(nèi)出露地層為震旦系下統(tǒng)陡山沱組、上統(tǒng)燈影組,寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組、上統(tǒng)石牌組。(各組均為整合接觸),局部被第四系掩蓋,現(xiàn)由老到新敘述如下(見圖1):

圖1 石門釩礦地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Shimen vanadium deposit1.第四系;2.石牌組;3.牛蹄塘組四段;4.牛蹄塘組三段;5.牛蹄塘組二段;6.牛蹄塘組一段;7.燈影組;8.陡山沱組;9.地質(zhì)界線;10.破碎帶。

陡山沱組(Z1d) 云質(zhì)灰?guī)r,灰—深灰。泥晶—粉晶結(jié)構(gòu),厚—中厚層狀構(gòu)造,主要成分以方解石為主,含少量白云石、隱晶石英、粘士礦物。厚約88 m。

燈影組(Z2∈1d) 硅質(zhì)巖,硅質(zhì)頁巖段。 硅質(zhì)巖為深灰—灰色,具粉晶、隱晶結(jié)構(gòu),薄層狀構(gòu)造。礦物成分大量為石英,少量白云石、泥質(zhì)物和黃鐵礦等。硅質(zhì)頁巖呈灰黑色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。薄板狀頁理構(gòu)造,主要成分為粘土類礦物,次為石英,含少量白云石、炭質(zhì)物、黃鐵礦等。厚80 m。

牛蹄塘組(∈1n) 分為四個巖性段。

第一段(∈1n1) 白云巖夾炭質(zhì)頁巖段,白云巖為深灰色,微晶、粉晶結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造。巖石鏡下見有較多的不規(guī)則狀凝塊石。球粒形巖屑及藻斑、藻跡,直徑約0.2 mm。炭質(zhì)頁巖為黑色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄板狀頁理構(gòu)造。主要為泥質(zhì)物,次為鈣鎂質(zhì)。厚20～34 m。

第二段(∈1n2) 含結(jié)核炭質(zhì)頁巖夾薄層硅質(zhì)巖。巖石新鮮面為黑色,風化后呈淺灰色、灰白色。具鱗片狀顯微層狀頁理構(gòu)造。礦物成分以伊利石、高嶺石、水云母為主。硅質(zhì)巖為灰黑色,隱晶結(jié)構(gòu),微薄層狀構(gòu)造,單層厚1 cm左右。厚16.8～25.6 m。

第三段(∈1n3) 炭質(zhì)粘土巖。新鮮面為灰黑色,風化后為淺黃色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄層狀構(gòu)造。主要成分以粘士類礦物為主,含少量隱晶石英、方解石。厚23 m。

第四段(∈1n4) 含碳灰?guī)r夾含碳頁巖。含碳灰?guī)r為灰黑色,泥晶結(jié)構(gòu)。薄—中厚層狀構(gòu)造。主要成分為方解石,次為粘土類礦物,少量白云石等。含碳頁巖為黑色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄板狀頁理構(gòu)造,礦物成分以粘土類為主。厚35 m。

2.2 構(gòu)造

2.2.1 褶皺

礦區(qū)位于方山背斜南東翼,總體為單斜構(gòu)造。地層走向北東20°～25°,傾向南東。傾角平緩,為8°～28°。區(qū)內(nèi)次級褶曲比較發(fā)育,牛蹄塘組第二段、第三段地層及含釩層局部出現(xiàn)重復(fù)。

2.2.2 斷裂

礦區(qū)斷裂依其展布方向主要有三組:北北東向斷裂、北西向斷裂、北東向斷裂?，F(xiàn)將其主要斷層F2簡述如下:

北北東向斷裂(F2) 為礦區(qū)主要斷裂,平行地層縱向分布。長10 km以上,主要發(fā)育在牛蹄塘組第一段地層中,部分延伸到第二段地層的下部。斷面多平行地層層面或小角度斜交。走向北東10°～25°,傾向南東東。傾角20°左右,與地層產(chǎn)狀基本一致。斷面呈舒緩波狀,其力學性質(zhì)表現(xiàn)為先擠壓后扭張。斷裂破碎帶一般寬數(shù)米—十余米,以碎裂巖為主,少量角礫巖、壓碎巖組成。裂隙中充填有較多的石英方解石細脈。

該斷裂旁側(cè)次級平行小斷裂(傾向相反)和羽狀裂隙比較發(fā)育,巖層揉皺破碎強烈。致使地層和含釩層局部出現(xiàn)重復(fù)或缺失,巖石含釩量下降。

2.3 含礦巖系特征

寒武系牛蹄塘組是區(qū)內(nèi)主要含釩巖系,按巖性特征和巖石組合,劃分為四個巖性段,第二段(∈1n2)為主要含釩層,按巖性特征詳細劃分為三層(見圖2)。

圖2 石門釩礦區(qū)5勘探線剖面圖Fig.2 Profile map of No.5 exploration line in Shimen vanadium mining area1.牛蹄塘組三段;2.牛蹄塘組二段上層;3.牛蹄塘組二段中層;4.牛蹄塘組二段下層;5.牛蹄塘組一段;6.破碎帶;7.釩礦體。

第一層(∈1n2-1):含釩、含結(jié)核炭質(zhì)頁巖層。巖石含有較多的砂質(zhì)(硅質(zhì))結(jié)核、磷質(zhì)結(jié)核,呈卵圓狀、扁圓狀。直徑5～10 cm居多。一般順層分布,巖石中結(jié)核率不等,約5%～15%,本層炭質(zhì)頁巖含釩較高。厚10～16 m。

第二層(∈1n2-2):含釩炭質(zhì)頁巖夾薄層硅質(zhì)巖層,該層巖石含釩中等偏高,層位穩(wěn)定,厚度變化小,局部由于小褶曲影響,造成厚度增大的假象。巖石抗風化能力較強,地表容易識別。因此本層為牛蹄塘組第二巖性段中部的標志層。厚0.8～1.6 m。

第三層(∈1n2-3):含釩炭質(zhì)頁巖層,本層巖石含釩較高,而且較穩(wěn)定。厚6～8 m。

2.4 礦體規(guī)模、形態(tài)及產(chǎn)狀特征

礦區(qū)具工業(yè)價值的釩礦體主要賦存于牛蹄塘組第二段含釩炭質(zhì)頁巖中,與礦區(qū)主要含釩層基本吻合[3]。礦體底板為牛蹄塘組第一段白云巖、硅化白云巖、“硅質(zhì)巖”,頂板為第三段含鈣炭質(zhì)粘土巖及炭質(zhì)頁巖。主要含釩層上下界線比較清楚,釩礦體界線則按V2O5品位確定,部分界線為過渡。

礦區(qū)目前控制主要工業(yè)礦體,從9線至12線基本是連續(xù)的。長2 400 m,真厚3.05～24.21 m,總平均真厚8.67 m。其中地表(探槽)平均真厚9.49 m,4線以北為8.19 m,以南為13.11 m;深部(鉆孔)平均真厚6.53 m,4線以北為5.07 m,以南為8.21 m。斜深一般為50～190 m,5線處最大斜深達300 m。

礦體呈似層狀,一般地表較厚、深部較薄;南區(qū)較厚,北區(qū)較薄,礦體產(chǎn)狀隨地層有波狀起伏。走向20°～25°,傾向南東,傾角較緩,一般為9°～29°。局部地段產(chǎn)狀幾乎水平。

上述特征說明礦區(qū)釩礦體形態(tài)規(guī)則,產(chǎn)狀和厚度變化比較穩(wěn)定。經(jīng)統(tǒng)計計算礦體厚度變化系數(shù)為53%。

此外,在礦區(qū)主要工業(yè)礦體內(nèi),按工程礦體品位(V2O5)≥0.83%,又圈出兩處富礦體:

① 分布在4線以南,長900 m,真厚度3.05～15.49 m,平均真厚度7.58 m,其中地表(探槽)平均真厚8.56 m,深部(鉆孔)平均真厚6.20 m,斜深50～100 m。

② 分布在5～7線間,長200 m,平均真厚度6.90 m,斜深約50 m。

3 礦石類型與礦石質(zhì)量

3.1 礦石類型

礦石類型主要有四種,即含結(jié)核炭質(zhì)頁巖釩礦石、薄板狀炭質(zhì)頁巖釩礦石、硅炭質(zhì)頁巖釩礦石和脫炭頁巖釩礦石。前兩種釩礦石統(tǒng)稱為石煤,后兩種釩礦石分別稱為硅炭板巖和脫炭泥板巖,兩者礦石特征基本類似。

3.1.1 含結(jié)核炭質(zhì)頁巖釩礦石

主要分布在∈1n2-1中,少數(shù)在∈1n2-3內(nèi)。此種礦石以含較多的砂質(zhì)結(jié)核和磷質(zhì)結(jié)核為重要特征,具鱗片頁理構(gòu)造。礦石品位(V2O5)一般為0.71%～1.34%,最高1.70%～1.94%,最低0.50%～0.66%,礦石品位高、質(zhì)量好,是礦區(qū)主要類型之一。

3.1.2 薄板狀炭質(zhì)頁巖釩礦石

即具薄板狀平直頁理的炭質(zhì)頁巖,亦為礦區(qū)主要類型之一,主要分布于∈1n2-3中。在∈1n3的小釩礦體中亦屬此類。礦石品位一般為0.65%～1.14%,最高1.28%～1.67%,最低0.50%～0.65%。礦石質(zhì)量較好,品位變化穩(wěn)定。

3.1.3 硅炭質(zhì)頁巖釩礦石

該礦石中夾有數(shù)量不等的微薄層硅質(zhì)巖,或細硅質(zhì)條紋,具平直頁理構(gòu)造,礦石品位一般為0.50%～0.91%,最高0.98%～1.04%,最低0.24%～0.45%,屬貧礦石,但所占比例很小,為礦區(qū)次要類型。

3.1.4 脫炭頁巖釩礦石

在地表和淺部經(jīng)風化淋濾脫炭后所形成的一種次生礦石類型。此種礦石品位一般較原礦石增高(V2O5)0.02%～0.24%。

3.2 礦石質(zhì)量

工業(yè)礦體的礦石總平均品位(V2O5)為0.79%,其中富礦體的礦石總平均品位為0.89%。工業(yè)礦體礦石在地表(探糟)平均品位為0.80%,深部(鉆孔)平均品位為0.78%。其中4線以北,地表平均品位為0.79%,深部平均品位為0.74%;4線以南,地表和深部平均品位均為0.81%。礦石最高品位,地表為1.85%～1.94%,深部為1.47%～1.70%,最低品位,地表和深部均為0.24%～0.50%。經(jīng)統(tǒng)計計算,礦石品位變化系數(shù)為7%,屬均勻類。

該區(qū)工業(yè)礦體、礦石品位屬中等偏高類型,品位變化穩(wěn)定,各種礦石品位出現(xiàn)差異的主要原因是由礦石本身組分含量所決定的,地表和淺部有一定富化,主要與礦石適量的脫水、脫炭和大量硫、鈣、鎂的流失有關(guān)。

3.3 礦體的產(chǎn)出特征

(1) 寒武系牛蹄塘組第二、三段的黑色炭質(zhì)頁巖均有較好的釩礦化,此二段地層可視為含釩巖系。主要含釩層為牛蹄塘組第二段地層,巖石V2O5含量一般為0.4%～1.08%,最高1.94%,全段地層含釩量較高,層位穩(wěn)定,可構(gòu)成規(guī)模較大的工業(yè)釩礦體。次要含釩層位為牛蹄塘組笫三段炭質(zhì)頁巖單層,巖石V2O5含量一般為0.3%～0.93%,最高1.13%,單層含釩量較高,但層位不很穩(wěn)定,只能形成小釩礦體。

(2) 礦體呈層狀、似層狀產(chǎn)出,嚴格受地層層位控制,一般地表較厚、深部較薄,南段厚、北段薄,往深部延伸有分叉現(xiàn)象。

(3) 含釩礦石主要為炭質(zhì)頁巖,具鱗片結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造的特點[4]。

4 礦石物質(zhì)組分及釩的賦存狀態(tài)

4.1 礦石礦物成分

根據(jù)巖礦鑒定資料和選礦試驗樣分析成果,本區(qū)礦石礦物有20余種。主要為伊利石(高嶺石、水云母)、石英、玉髓,少量—微量炭質(zhì)物。蛋白石、方解石、白云石、重晶、石膏、黃鐵礦、針鐵礦、磁鐵礦、簾石、膠磷礦、磷灰石及釩鈦礦、釩云母等。礦石以富含伊利石、炭質(zhì)物和少—微量黃鐵礦、重晶石、膠磷礦為其特征(見表1)。

表1 選礦樣礦石礦物組成表Table 1 Mineral composition of ore dressing samples

4.2 礦石化學成分

本次詳查共挑選了26個樣品(1987年采集)作礦石多項分析,得出以下結(jié)果:

(1) 礦石含Ba高,說明重晶石化普遍,并有一定強度。

(2) 深部(鉆孔)樣品含S較高,Cu、Zn含量亦較高,說明新鮮礦石含有少量黃鐵礦及金屬硫化物,而淺部礦石多已風化流失。

(3) 礦石中出現(xiàn)Ag、P、Mo、Y異常,屬于含多種有益組分的礦石。

4.3 礦石伴生組分

礦石除含釩、碳外,值得注意的伴生組分有磷、鉬、銀、鈾、釔、硫、鎳等。這些組分利用得宜,可增加經(jīng)濟效益,否則,隨著礦山開采將污染環(huán)境。

4.4 釩的賦存狀態(tài)

從選礦試驗樣中,發(fā)現(xiàn)唯一釩礦物——釩鈦礦,含釩量占礦石釩總量的10%左右;查明含釩礦物為伊利石,占礦石釩總量的70%～80%,其余10%～15%的釩呈分散或可溶性物質(zhì)狀態(tài)(見表2)。

4.4.1 釩鈦礦

鏡下呈灰色,半金屬光澤,內(nèi)反射棕紅色,不透明—微透明,具弱磁性,比重4.6～4.8,呈粒狀、膠結(jié)物狀,或者與重晶石構(gòu)成細脈。

表2 伊利石掃描電鏡能譜定量分析結(jié)果表(%)Table 2 Quantitative analysis of illite by SEM and EDS

釩鈦礦為一種含量少、分布廣的礦物,通過掃描電鏡微區(qū)能譜分析及掃描電鏡微區(qū)x射線元素,查明釩鈦礦含Ti40%～50%,V12%～15%,O40%～41%,Si0.98%～3.16%,Pb、Fe均在1%以下。換算后,V2O522.63%,TiO270.23%,其分子比V2O5∶TiO2=0.151∶0.878=1∶5.81。故其分子式為V2O3、6TiO2或V2Ti6O15。

4.4.2 伊利石

經(jīng)原礦徑粒度分析,發(fā)現(xiàn)釩明顯富集于<0.002 mm的粘土粒級中,并發(fā)現(xiàn)各粒級中釩含量與釩鋁含量升降規(guī)律基本一致(即釩與鉀、鋁含量呈正相關(guān))。通過對含鉀、鋁礦物掃描電鏡能譜圖及定量分析結(jié)果,確定為伊利石。

伊利石為無色透明細鱗片狀、片狀集合體,廣泛分布于各類巖石及礦石中,或局部沿構(gòu)造帶定向富集。伊利石在泥炭板巖中含量最多,在硅炭板巖和石煤中含量依次降低。其單礦物分析結(jié)果見表1-表2。 在選礦試驗中,將<0.002 mm的伊利石置于20當量硫酸溶液中,發(fā)現(xiàn)Al2O3溶出速率大于K2O,這是由于鋁氧八面體不如硅氧四面體穩(wěn)定,而K+是固定于兩個相鄰硅氧四面體層之間的,其次各試樣釩的浸出率曲線與鋁的浸出率曲線非常一致,說明伊利石中釩處于鋁氧八面體結(jié)構(gòu)中,但在部分混有石煤試樣中,釩的浸出率較鋁的浸出率高20%,說明石煤中部分釩可能以可溶性釩酸鹽、釩鈦礦,或呈吸附分散狀態(tài)存在于石英、水鋁石英、伊利石、褐鐵礦、磁鐵礦的晶體缺陷內(nèi)。 此外,在礦石裂隙和層面上有時可見次生的釩云母。

5 結(jié)論

石門釩礦層位于寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組二段(∈1n2)黑色炭質(zhì)頁巖中,產(chǎn)狀與圍巖地層產(chǎn)狀一致,為層控型沉積礦床,其中釩在該礦床中10%賦存于含釩礦物釩鈦礦、70%～80%賦存于含釩礦物伊利石中,僅僅10%～15%的釩呈分散或可溶性物質(zhì)狀態(tài)。在今后尋找類似沉積型釩礦床的過程中，伊利石為重要的找礦方向。