山東大汶口盆地魯能石膏礦地質(zhì)特征及成因分析

張念朋

(山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000)

我國石膏礦產(chǎn)資源儲量豐富，截至2018年底，保有儲量為824.86億t[1]，居世界首位，分布于23個省、市、自治區(qū)，其中山東省儲量最大，約占全國儲量的65%。山東省石膏礦產(chǎn)出于寒武紀、奧陶紀和古近紀地層中，其中古近紀石膏礦石質(zhì)量最好、礦床規(guī)模大，目前已開發(fā)利用的石膏礦均分布在古近紀含膏盆地，即汶口—汶東含膏盆地、泗水含膏盆地、平邑含膏盆地、底閣含膏盆地[2-3]。魯能石膏礦位于汶口—汶東含膏盆地西半部分的大汶口盆地內(nèi)，為一大型—超大型石膏礦床，累計查明資源儲量2.42 億 t，CaSO4·2H2O+CaSO4平均含量 73.18%。

1 成礦地質(zhì)背景

大汶口盆地位于華北板塊(I)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)的中偏西部，東與汶東凹陷(Ⅴ)、蒙陰凹陷(Ⅴ)、泰來凹陷(Ⅴ)相通，南與泗水凹陷(Ⅴ)、平邑凹陷(Ⅴ)被蒙山凸起(Ⅴ)分隔，為一北斷南超箕型盆地[4]。

區(qū)域地層由老至新主要發(fā)育有新太古代泰山巖群雁翎關(guān)組、古生代寒武紀長清群、寒武紀—奧陶紀九龍群、奧陶紀馬家溝群、石炭—二疊紀月門溝群和中生—新生代白堊—古近紀官莊群、新近紀黃驊群及第四紀臨沂組(圖1)。古生代沉積蓋層呈單斜狀產(chǎn)出，傾向NNW—NNE，傾角10°左右。前寒武紀結(jié)晶基底發(fā)育NW向韌性剪切帶，局部發(fā)育塑性流動產(chǎn)生的揉皺構(gòu)造。斷裂構(gòu)造以盆地北、東部邊緣斷裂規(guī)模較大，不均衡活動，相互改造控制著盆地的生成和發(fā)展，盆地南側(cè)邊緣發(fā)育NNE向、近EW向斷裂。區(qū)域巖漿巖主要為出露于盆地周圍凸起之上的前寒武紀阜平期、五臺期、呂梁期中—深成侵入巖，零星發(fā)育燕山期、喜山期淺成侵入巖。

圖1 大汶口盆地地質(zhì)構(gòu)造示意圖(據(jù)文獻[2]修改)

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層

礦區(qū)位于大汶口盆地西南部邊緣臨汶洼地內(nèi)。根據(jù)鉆孔揭露，礦區(qū)地層有奧陶紀馬家溝群、古近紀官莊群大汶口組、新近紀黃驊群明化鎮(zhèn)組及第四紀臨沂組、沂河組。其中，官莊群大汶口組二段為賦礦層位，總厚度大于403m，巖層產(chǎn)狀343°∠5～9°，據(jù)巖性組合特征分為三個巖性帶。

(1)膏下泥灰?guī)r帶(E2d3)：厚度大于70m，巖性主要為泥灰?guī)r、含膏泥灰?guī)r。泥灰?guī)r深灰色，泥晶、微晶結(jié)構(gòu)，薄層一中厚層狀。偶夾薄層狀，其內(nèi)偶見自然硫結(jié)核，并有局部集中現(xiàn)象。反映沉積環(huán)境為濕潤偶有短暫干旱氣候，湖水較深，陸源粗碎屑供應(yīng)偏少的特征。

(2)含膏巖帶一石膏礦帶(E2d2)：礦床內(nèi)最大揭露厚度約200m。巖礦層組合以石膏礦層為主，與含膏泥灰?guī)r、泥灰?guī)r互層狀產(chǎn)出。礦床自上而下圈出礦層11層，主要礦層集中于本帶頂部。巖礦層產(chǎn)狀343°∠5～11°，傾角南陡北緩。

(3)膏上泥灰?guī)r帶(E2d1)：巖性主要為泥灰?guī)r、泥巖，厚度5.94～26.96m，礦床內(nèi)由南向北逐漸增厚。

2.2 構(gòu)造

礦區(qū)內(nèi)發(fā)育6條斷裂構(gòu)造，編號hF1～hF6，其中hF1、hF2斷層發(fā)育于礦床的東北部邊緣，為二維地震、電測深物探資料推測斷層；hF3、hF4、hF5、hF6斷層發(fā)育于礦床東南部邊緣，為巷道和探水鉆控制斷層。其中hF6斷層規(guī)模最大，斷層總體走向78°，延展長度1 200m，斷裂帶寬度17m，傾向SE，傾角50～75°，斷層性質(zhì)為正斷層，兩盤落差0～30m，對礦層有一定破壞作用。

2.3 礦層特征

礦層賦存于官莊群大汶口組二段中部，呈單斜層狀，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致，總體340～350°∠5～11°，自上而下劃分礦層11層，編號1-11(圖2)。礦層埋深70.59～384.15m，賦存標高16.01～298.85m，最大長度2 940m，最大斜深1 360m，單層平均厚度1.38～17.74m，厚度變化系數(shù)30.1%～64.4%。厚度穩(wěn)定型礦層4層，較穩(wěn)定型礦層7層。單礦層平均品位60.04%～76.10%，品位變化系數(shù)5.7%～12.6%，均屬品位變化均勻型。第2、3礦層為主礦層。各礦層特征見表1。

圖2 4勘查線剖面簡圖(部分)

表1 礦層基本特征一覽表

2.4 礦石質(zhì)量

2.4.1 礦石礦物成分

礦石礦物主要為石膏，少量硬石膏，脈石礦物主要為方解石、泥質(zhì)，少量自然硫、鐵質(zhì)、石英、有機質(zhì)等。

石膏：含量1.85%～96.27%，平均68.48，灰白色、白色、棕灰色，具玻璃光澤、絲絹光澤。多呈粒狀、板狀，粒徑0.01～3.0mm，比重2.32，摩氏硬度2.1。硬石膏：含量0～71.25%，平均5.60%。灰白色、藍灰色，半自形—他形，短柱狀；粒徑0.01～1mm，比重2.95，摩氏硬度3.52，與石膏共生。石膏+硬石膏：含量1.85%～98.39%，平均 72.26%。

2.4.2 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造

礦石結(jié)構(gòu)主要為半自形—他形粒狀、板狀結(jié)構(gòu)，纖狀—鱗片狀變晶結(jié)構(gòu)，交代殘余結(jié)構(gòu)等。

礦石構(gòu)造主要為塊狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造、紋層狀構(gòu)造、角礫狀構(gòu)造，其次為梳狀構(gòu)造。

2.4.3 礦石化學(xué)成分

礦石化學(xué)成分主要為CaO、SO3、H2O+，其他為MgO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、K2O、Na2O、SrO、H2O-、CO2、Cl-、S 等。

CaO、SO3、H2O+為礦石礦物石膏、硬石膏的組分。CaO含量30.11%～38.98%，平均34.43%；SO3含量 27.56% ～ 41.06%，平均 33.61%；H2O+含量12.52%～18.71%，平均15.03%。礦石品位與SO3、H2O+含量變化呈正相關(guān)，與CaO含量變化規(guī)律不明顯。

自然硫是礦石伴生的主要有害組分，一般含量0.012% ～ 0.98%，平均 0.29%。

2.4.4 礦石類型、品級

礦石自然類型分為：塊狀石膏、粗晶石膏、透明石膏、條帶狀石膏、紋層狀石膏、纖維狀石膏6種類型。其中，塊狀石膏、粗晶石膏、透明石膏多分布在礦層中上部，條帶狀石膏、紋層狀石膏分布在礦層頂?shù)撞?，纖維狀石膏多分布于礦帶下部裂隙中。

礦石品級根據(jù)CaSO4·2H2O+CaSO4含量分為：特級品(≥95%)、一級品(95%～85%)、二級品(85%～75%)、三級品(75%～65%)、四級品(65%～55%)共5級。以二、三級品為主，一、四級品次之。

3 礦床成因分析

3.1 成礦物質(zhì)來源

根據(jù)大汶口盆地蒸發(fā)巖沉積建造研究及古生物化石鑒定，從宏觀上認定大汶口盆地為內(nèi)陸斷陷盆地湖泊相沉積。根據(jù)大汶口盆地鉀鹽樣品K-Na-Mg-Cl-SO42-的五元素體系圖，其原始成分點位于無水芒硝區(qū)，遠離大洋水成分點位置，而與潛江拗陷相類似，反映了陸相鹽類沉積的特征[5]。另外據(jù)計算單位體積海水蒸發(fā)后，所晶出石膏、石鹽、鈉鎂硫酸鹽的比值為0.7057∶11.98∶1，而大汶口盆地三者的比例為216∶38∶09∶1，石膏所占比例超出海水蒸發(fā)的305倍，也表明大汶口盆地古鹵水成分與海水有很大差異。上述兩點從微觀上確認了大汶口盆地為內(nèi)陸湖泊沉積。由此可知，大汶口盆地成礦物質(zhì)并非來自海洋，其來源如下。

(1)預(yù)備盆地較濃縮鹵水的補給。大汶口盆地與其東部的汶東盆地、蒙陰盆地、泰萊盆地相通，各盆地巖相不同，具有明顯的分帶性，表明自東向西有沉積分異遷移現(xiàn)象。流經(jīng)蒙陰盆地、汶東盆地的柴汶河與流經(jīng)泰萊盆地的牟汶河匯聚成大汶河流入大汶口盆地，也說明了鹵水自東向西補給[6]。因此，汶東盆地、蒙陰盆地、泰萊盆地是大汶口盆地石膏巖鹽礦床形成的預(yù)備盆地，對成礦物質(zhì)進行了前期的匯集濃縮，并向西補給給了大汶口盆地。

(2)外圍古老巖石風(fēng)化補給。大汶口盆地東臨布山凸起、新甫山凸起，南鄰蒙山凸起，上述隆起區(qū)基底早前寒武紀花崗質(zhì)巖石中K+、Na+、Ca2+含量豐富，副礦物黃鐵礦中賦存有硫元素，寒武—奧陶紀碳酸鹽巖蓋層中 Ca2+、Mg2+、CO32-含量甚豐，另外，植物受細菌作用分解出硫元素，硫元素經(jīng)氧化形成硫酸根。上述這些離子以真溶液形式進入盆地，成為石膏巖鹽物質(zhì)組成的一部分。

3.2 古氣候、古地理環(huán)境

石膏、巖鹽等蒸發(fā)巖礦床，是含礦鹵水經(jīng)強烈的蒸發(fā)沉積而成，說明成礦時古氣候處于炎熱干旱狀態(tài)。干旱氣候持續(xù)階段愈長，石膏沉積愈厚。礦層頂部礦石為條帶狀石膏和層紋石膏，說明當時氣候為干旱氣候與短時相對濕潤氣候頻繁交替出現(xiàn)。

大汶口盆地為拉伸構(gòu)造形成的湖盆，盆地邊緣為斷層，形成淺水深盆。盆地內(nèi)次一級生長斷層把盆地分割為幾個小的凹地和凸起。盆地地形起伏會影響鹵水對流。

3.3 石膏沉積的物理化學(xué)過程

(1)石膏的化學(xué)沉積。

成礦物質(zhì)聚集在湖盆中，呈離子狀態(tài)分布在湖水中，在干旱氣候條件下，湖水蒸發(fā)離子濃度逐漸增高，首先水中的Ca2+與CO32-結(jié)合形成微晶方解石，微晶方解石與懸浮在湖水中的粘土混雜堆積形成泥灰?guī)r。泥灰?guī)r沉積后，湖水中CO32-濃度已相當?shù)?，此時湖水已成為鹵水，主要離子為Ca2+、Na+、K+、Mg2+、SO42-、Cl-，在干旱氣候下繼續(xù)蒸發(fā)，依次出現(xiàn)石膏、巖鹽絮狀沉淀。

(2)石膏沉積時的物理過程。

石膏絮狀沉淀不像CaCO3那樣易堆積在一起，而呈懸浮狀態(tài)分布在鹵水層中下部。鹵水表層接受日光曝曬，與下層鹵水形成溫差，產(chǎn)生上下對流，至使不斷生成石膏細粒，石膏細粒呈動態(tài)在鹵水中沉積。石膏沉積的同時，仍有粘土質(zhì)沉積，正是由于鹵水的對流，才出現(xiàn)同一石膏礦層中，透明石膏與普通石膏共存的現(xiàn)象。

(3)成巖期及成巖期后石膏的轉(zhuǎn)化。

沉淀的石膏顆粒細小，結(jié)晶程度差，與水的結(jié)晶能力很小，成巖過程中，易失去水分變成纖狀、鱗片狀硬石膏。硬石膏經(jīng)水化重結(jié)晶后，再形成石膏，此時石膏晶體粒徑增大，自形程度提高。

4 結(jié)論

(1)魯能石膏礦賦礦地層為古近紀官莊群大汶口組二段，巖性以石膏礦層為主，與含膏泥灰?guī)r、泥灰?guī)r互層狀產(chǎn)出，最大厚度約200m。巖礦層產(chǎn)狀343°∠5～11°，傾角南陡北緩。

(2)礦床自上而下劃分礦層11層，礦層最大長度2 940m，最大斜深1 360m，平均厚度1.38～17.74m，平均品位60.04%～76.10%。

(3)礦石自然類型有塊狀石膏、粗晶石膏、透明石膏、條帶狀石膏、紋層狀石膏、纖維狀石膏6種。礦石品級以二、三級品為主。

(4)成礦物質(zhì)來自預(yù)備盆地較濃縮鹵水的補給和外圍古老巖石風(fēng)化補給。

(5)成礦時大汶口盆地為干旱炎熱氣候，石膏的形成經(jīng)過化學(xué)沉積、物理沉積及成巖轉(zhuǎn)化過程。