河南袁家莊石膏礦礦床地質(zhì)特征及成因

劉 曉，劉朝陽，范天甲，張秀云,翁紅波，張 煥

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450008)

河南省袁家莊石膏礦床賦存于下寒武統(tǒng)朱砂洞組一段地層中，是首次在豫中汝州地區(qū)發(fā)現(xiàn)的石膏工業(yè)礦體[1]，這是繼20世紀(jì)80年代河南省寶豐縣辛集石膏礦詳查發(fā)現(xiàn)的特大型石膏礦床[2]之后，河南省地勘隊伍在石膏礦勘查找礦工作中的又一次重大突破。該成果的取得對豫中地區(qū)石膏找礦工作具有重要的指導(dǎo)意義。

本文闡述了汝州市袁家莊石膏礦礦床地質(zhì)特征、礦體及夾石等特征，總結(jié)了礦床成因，并歸納了主要找礦標(biāo)志，為進(jìn)一步在河南省內(nèi)尋找同類型石膏礦床指明了方向。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

袁家莊石膏礦床所處大地構(gòu)造單元位于華北陸塊區(qū)(一級構(gòu)造單元)豫皖古陸塊(二級構(gòu)造單元)內(nèi)的太華—登封新太古代巖漿弧(三級構(gòu)造單元)內(nèi)[3]，位于豫中地區(qū)華北地臺南緣，屬華北地層區(qū)的澠池—確山小區(qū)。區(qū)域上除奧陶系、志留系、泥盆系、三疊系、侏羅系地層缺失外，其余從太古界到新生界地層均有出露[4]。

區(qū)域上斷裂主要表現(xiàn)為北西—南東向和北東—南西向兩組，以北西—南東向斷裂最為主，斷裂規(guī)模大、延伸遠(yuǎn)、地貌特征明顯，為區(qū)域上主要構(gòu)造線方向，基本上控制了區(qū)內(nèi)的構(gòu)造格架。礦床周邊的構(gòu)造形式以斷裂構(gòu)造為主，褶皺構(gòu)造相對不甚發(fā)育。

區(qū)域上侵入巖不發(fā)育，中元古代熊耳群火山巖主要分布于區(qū)域外西南部，但對石膏礦床成礦無影響。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層

礦區(qū)內(nèi)出露地層由老至新有：中元古界汝陽群北大尖組，上元古界洛峪群崔莊組、三教堂組、洛峪口組，震旦系羅圈組[5]，寒武系辛集組、朱砂洞組[6-7]、饅頭組[8]、張夏組，第四系沖洪積物。賦礦層位為下寒武統(tǒng)朱砂洞組一段，分布于礦區(qū)中部及西南部，地層總體走向呈北東—南西向，傾向約135°，傾角8～13°，地層產(chǎn)狀較穩(wěn)定。

2.2 構(gòu)造

礦區(qū)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，其他構(gòu)造形跡不發(fā)育。斷裂構(gòu)造主要有三組，主要分布于礦區(qū)的中北部及東部，其中F1、F2、F7和F8為北西—南東向斷裂，F(xiàn)3、F5和F9為北東—南西向斷裂，以及F4和F6近東西向斷裂，對地層切割影響較大的斷裂有F1、F3、F4、F5、F6、F7、F8和F9共8條(圖1)，其中對礦體的保存影響較大的有F1和F5斷層。

圖1 礦區(qū)地質(zhì)簡圖

3 礦床地質(zhì)特征

3.1 含膏帶巖石組合特征

含膏巖系呈層狀賦存于下寒武統(tǒng)朱砂洞組地層中，與地層產(chǎn)狀一致，走向北東—南西向，傾向東南，傾角7～12°。區(qū)域上厚度較穩(wěn)定，厚36.93～63.69m，共含石膏2～3層，含膏層主要集中在朱砂洞組下部的一段(∈1z1)，局部朱砂洞組二段地層內(nèi)也可見薄層含膏層，但質(zhì)量達(dá)不到工業(yè)要求。朱砂洞組一段含膏巖系下部為灰黃色、黃褐色薄層—中厚層狀粉晶白云巖，中部為特征明顯的灰紅色、灰白色薄層狀含膏白云巖與灰紅、灰黃色薄層狀粉晶白云巖(含有薄燧石層)互層，上部為灰色、灰黃色含燧石團(tuán)塊白云巖層(圖2)。上覆地層為朱砂洞組二段塊狀藻灰?guī)r，下伏地層為辛集組淺灰色厚層狀細(xì)粒石英砂巖。

圖2 朱砂洞組一段含膏巖系剖面圖

礦區(qū)內(nèi)含膏巖系一般含膏2層，局部3層，沿走向、傾向的延伸比較穩(wěn)定。朱砂洞組二段中僅局部見薄的含膏層(厚度約40～50cm)。朱砂洞組一段含膏巖系地表淺部厚度50.32～63.69m；深部厚度35.93～51.02m，鉆孔揭露原生石膏礦層5層，自上而下圈定了5個礦體，礦體間的夾石為含石膏細(xì)脈泥晶白云巖，但其石膏含量達(dá)不到規(guī)范要求的邊界品位。見礦鉆孔所在勘探線沿傾向向西北追索至含膏層地表露頭處，共見有三層已風(fēng)化淋慮的含膏白云巖層，這三層含膏白云巖層與鉆孔揭露的三層礦體之間沒有對應(yīng)關(guān)系，地表含膏白云巖之間為灰紅色不含石膏的泥質(zhì)白云巖夾層，二者有清楚的分界面，而鉆孔中揭露的礦體與夾石之間為漸變過渡關(guān)系。

含膏巖系經(jīng)歷長期的地質(zhì)演變，溶蝕作用強(qiáng)烈，地下水循環(huán)帶內(nèi)含膏層遭到破壞，殘存的礦體為埋深較大的盲礦體。地表和淺部只有含膏層的次生殘積物—巖溶角礫巖和次生石灰?guī)r；深部為原始膏鹽層，主要由薄層狀、層狀及塊狀石膏、白云質(zhì)石膏、石膏質(zhì)白云巖及灰質(zhì)白云巖等組成；風(fēng)化淋慮帶與深部原生石膏層之間為過渡帶，主要由淋濾后富集穿插層理的脈狀石膏。

通過剖面測制及鉆孔揭露發(fā)現(xiàn)含膏層直接頂板為朱砂洞組一段灰色厚層狀含燧石團(tuán)塊泥晶白云巖，直接底板為朱砂洞組一段灰黃色中厚層狀泥晶白云巖，向下為辛集組含磷砂巖。

鉆孔中最上部的Ⅰ號礦體頂板圍巖為泥晶白云巖，石膏含量僅3.31%；6號礦體底板圍巖為含少量石膏的泥晶白云巖，石膏含量6.36%。

3.2 礦體特征

礦體呈層狀、似層狀賦存于含膏巖系內(nèi)，地表無露頭，為隱伏礦體。石膏礦層單層厚度1.79～9.10m，單工程累計厚度17.51m，礦體平均厚度3.50m。單層礦體品位 49.71% ～ 57.43%，礦體平均品位51.83%。含膏層由礦層和夾石組成，按石膏總含量分為工業(yè)礦和低品位礦，礦石類型穩(wěn)定，均為石膏礦，硬石膏含量較少。礦層之間的夾石層也含有一定量的石膏，但品位達(dá)不到工業(yè)要求。礦石層與夾石層為漸變關(guān)系。

礦區(qū)5個原生石膏礦體，自上而下依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，礦體呈上下疊置關(guān)系，整體呈層狀產(chǎn)出。Ⅰ號礦體走向長約800m，傾向延伸約541m，礦體厚1.79m，石膏+硬石膏平均品位49.71%，礦體最大埋深約263m，最小埋深193m。Ⅱ號礦體位于Ⅰ號礦體3.44m之下，與Ⅰ號礦體平行產(chǎn)出，推斷礦體走向長約800m，傾向延伸約550m，礦體厚9.10m，石膏+硬石膏平均品位56.19%，礦體最大埋深277.43m，最小埋深198.4m。Ⅲ號礦體位于Ⅱ號礦體約2.00m之下，與Ⅱ號礦體平行產(chǎn)出，推斷礦體走向長約800m，傾向延伸約552m，礦體厚1.97m，石膏+硬石膏平均品位49.96%，礦體最大埋深282.06m，最小埋深209.70m。Ⅳ號礦體位于Ⅲ號礦體約4.00m之下，與Ⅲ號礦體平行產(chǎn)出，推斷礦體走向長約800m，傾向延伸約554m，礦體厚度1.97m，石膏+硬石膏平均品位52.72%，礦體最大埋深288.82m，最小埋深215.75m。Ⅴ號礦體位于Ⅳ號礦體約2.00m之下，與Ⅳ號礦體平行產(chǎn)出，推斷礦體走向長約800m，傾向延伸約555m，礦體厚度2.68m，石膏+硬石膏平均品位57.43%，礦體最大埋深294.58m，最小埋深219.74m。

礦區(qū)內(nèi)F1、F4和F9斷層對石膏礦層的影響較大，F(xiàn)1和F4斷層主要控制了賦礦層位朱砂洞組一段的出露范圍，斷層F9對礦體的形態(tài)影響很大。在靠近斷層F9附近由于斷層牽引效應(yīng)，礦體形態(tài)發(fā)生褶曲，形成一個不對稱背斜。以背斜樞紐為界，北西翼靠近F9主斷裂面，傾角稍陡，產(chǎn)狀318°∠22°；南東翼距離主斷面較遠(yuǎn)，礦層傾角稍緩，產(chǎn)狀為138°∠10°。

3.3 礦石特征

3.3.1 礦石結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

石膏礦石一般呈灰白色或無色，油脂光澤，具粉晶結(jié)構(gòu)、隱晶質(zhì)—細(xì)粒結(jié)構(gòu)，主要有薄層狀構(gòu)造、脈狀構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造、變形構(gòu)造等。常見的是層狀構(gòu)造，其次為脈狀構(gòu)造，主要表現(xiàn)為石膏呈無色透明、半透明不規(guī)則脈狀充填于薄層狀石膏礦層或白云質(zhì)灰?guī)r圍巖中[9]。浸染狀構(gòu)造礦石主要見于深部，石膏礦物與白云石礦物混生，粒度小于0.1mm，含量約25%(圖3)。巖心中可見石膏脈寬度差距懸殊，小者1～3mm之間，大者可達(dá)35mm；石膏脈分兩類，一類與巖石中的紋理平行產(chǎn)出，另一類則切穿巖層紋理[10-11](圖4)。

鏡下觀察，石膏脈體中靠近圍巖的晶體多為板片狀，而側(cè)邊的常為彎曲片狀，有時為近乎垂直的網(wǎng)脈(圖5)，脈體中心的石膏常呈板狀，自形程度較好。較細(xì)的石膏脈則多以梳狀結(jié)構(gòu)的形式產(chǎn)出(圖6)。

在脈狀石膏礦層的下部，石膏礦以薄層狀形態(tài)產(chǎn)于白云質(zhì)灰?guī)r或灰質(zhì)白云巖夾層中，產(chǎn)狀與圍巖一致，這部分石膏與原生石膏或硬石膏水化后轉(zhuǎn)變成的脈狀石膏不同，本次將該類型石膏礦歸屬為薄層狀石膏礦(圖7)，在巖心中可見部分薄層狀石膏與圍巖共同發(fā)生彎曲的現(xiàn)象(圖8)，這是膏層中常見的次生變形。

圖3 石膏礦石（灰白色）的浸染狀構(gòu)造

圖4 半透明脈狀石膏切穿巖層層理

圖5 石膏礦石的網(wǎng)脈狀構(gòu)造

圖6 石膏晶體在脈體中呈梳狀構(gòu)造

3.3.2 礦石礦物組成

主要礦石礦物成分為石膏，少量硬石膏，石膏總量49.71%～64.52%，平均54.63%。石膏呈粒狀或柱粒狀緊密鑲嵌分布，局部聚集成不規(guī)則條帶。硬石膏呈粒狀點鑲嵌與石膏及白云石顆粒間。石膏在鏡下多呈片狀、板狀，干涉色一級灰白，可見明顯的解理，極低的硬度，指甲可劃動。較粗的石膏脈體中，可見自脈體中心到圍巖邊界處石膏晶體依次為板狀、彎曲片狀和板片狀的形式產(chǎn)出。白云石呈松散狀分布于石膏顆粒之間，有時也聚集成不規(guī)則條帶或團(tuán)塊狀緊密鑲嵌。

圖7 薄層狀石膏與灰質(zhì)白云巖互層

圖8 石膏礦石的變形構(gòu)造

脈石礦物主要有白云石、海綠石、長石、膠磷礦、黑云母等碎屑，少量石英，局部見少量次生方解石、鋯石及粘土礦物等。

3.3.3 礦石化學(xué)成分

礦石的化學(xué)成分 (%)為：SO323.24～ 30.16，CaO 24.52 ～ 28.43，H2O+2.53 ～ 13.25，H2O-0.15 ～ 0.26，MgO 5.47 ～ 8.34，SiO23 ～ 6，Al2O30.50 ～ 1.10，F(xiàn)e2O30.25 ～ 0.35，TiO20.05～0.13，K2O 0.15～0.30，Na2O 0.04～0.07，P2O50.016 ～ 0.026，SrO 0.03 ～ 0.06，LOSS 13～23，酸不溶物4～8。

主要有害組分MgO含量5.47%～8.34%，其變化與白云石礦物多寡有關(guān)，與礦石品位呈反比，品位45%～55%時MgO含量6.75%～9.46%，品位55%～65%時MgO含量5.47%～6.85%。

3.4 礦石類型和品級

石膏礦石自然類型為沉積型石膏礦。依據(jù)DZ/T0325-2018《石膏、天青石、硅藻土礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》，根據(jù)石膏和硬石膏礦物的相對含量可將石膏礦劃分為石膏和硬石膏兩種工業(yè)類型。礦區(qū)內(nèi)石膏(CaSO4·2H2O)與石膏總含量(CaSO4·2H2O+CaSO4)的比值遠(yuǎn)大于75%，硬石膏的含量則普遍較低，一般0.66%～5.28%，故僅存在一種石膏工業(yè)類型[12]。本次工作Ⅱ和Ⅴ兩個礦體石膏總含量分別為56.19%和57.43%，結(jié)晶水含量9.87%～13.25%，石膏產(chǎn)品質(zhì)量等級為4～5級，主要用于水泥緩凝劑組分、農(nóng)用或含硫肥料等。

3.5 夾石

夾石層厚度一般不大，厚1.97～3.94m，主要巖石類型為含石膏的白云巖或灰質(zhì)白云巖，巖性特征與礦石基本相似，只是有用組分含量略低，SO3多 在 25% 以 下，H2O+2.07% ～ 8.83%，CaO20.64%～27.66%，與工業(yè)礦層呈過渡關(guān)系，僅在上部的脈狀石膏礦段與圍巖界線較清楚。

4 礦床成因及找礦標(biāo)志

4.1 礦床成因

據(jù)河南省早寒武世海陸分布，本區(qū)位于寶臨海灣西南部。繼震旦紀(jì)羅圈期山岳冰川后，早寒武世豫西出現(xiàn)廣泛的海侵，在寶臨海灣南緣分布有較多的瀉湖盆地和潮坪，受明顯的周期性潮汐作用影響，這些高低不平的淺灘潮坪在海水上漲時淹沒了一般的海岸平原和較低的海岸潮坪。在低潮線附近及其下，能量較高，形成了以砂質(zhì)沉積為主的砂坪。早寒武世初期(辛集期)古氣候溫暖潮濕，形成了磷礫巖和具交錯層理、干裂、泥皮構(gòu)造以及夾有層間礫石的含磷砂巖。辛集組上端出現(xiàn)紅砂巖，說明古氣候由溫濕向干熱變化。到朱砂洞期早期，已變得干燥炎熱。當(dāng)較高的海岸潮坪受到高潮或特大潮汐作用時將其淹沒，而海潮退時留下的一部分海水，受蒸發(fā)濃縮，沉積形成白云巖和具雞籠鐵絲網(wǎng)狀、瘤狀和鳥眼構(gòu)造的硬石膏層。周期性潮汐作用反復(fù)多次，就形成多層狀膏鹽層(朱砂洞組含膏巖系)。到朱砂洞期中期，新的海侵發(fā)生，結(jié)束了膏鹽層沉積，正常淺海相碳酸鹽巖蓋層形成。膏層形成以后，經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代演化，由于地下水的溶蝕作用，淺部膏層流失，深部得以保存硬石膏水化和重結(jié)晶，形成了淋濾帶與原生石膏層過渡地帶的脈狀充填型石膏。根據(jù)工作成果，結(jié)合以往及鄰區(qū)成果資料，初步認(rèn)為本區(qū)石膏礦成因類型為海相蒸發(fā)瀉湖相碳酸鹽巖硫酸鹽巖沉積型石膏礦床。

4.2 找礦標(biāo)志

通過本次工作及以往資料的綜合研究，總結(jié)豫西地區(qū)該類型石膏礦床的找礦標(biāo)志如下。

(1)含膏巖系中的鹽溶角礫巖—次生石灰?guī)r，常分布在地下水循環(huán)帶內(nèi)，是深部膏鹽層的地表露頭，發(fā)育深度不等，向下與原生石膏層呈漸變過渡關(guān)系，具有一定層位和區(qū)域上的穩(wěn)定性，受膏鹽層控制，是較可靠的地表直接找礦標(biāo)志。

(2)朱砂洞組一段內(nèi)部含膏層淋濾使上部巖層崩塌，在朱砂洞組二段豹皮灰?guī)r層上部發(fā)育巖溶角礫巖，可作為含膏層上部的標(biāo)志層之一。

(3)區(qū)域上分布的震旦系羅圈組礫巖作為辛集組含磷砂巖層位的底板，砂質(zhì)磷塊巖和膏鹽層，其成因有著機(jī)理上的聯(lián)系，區(qū)域上平行相伴產(chǎn)出，又有一定的垂向間距，其特征明顯，易于辨識，故辛集組含磷砂巖，可視為膏鹽層存在的間接找礦標(biāo)志。

(4)含膏巖系地表露頭中，伴有“脆變”及“塑變”現(xiàn)象，含膏白云巖層常伴有塑性變形及層間撓曲等現(xiàn)象，露頭的泥晶白云巖中的石鹽假晶或假晶模、空洞，以及蜂窩狀溶蝕洞發(fā)育等現(xiàn)象，指示著深部可能有原始石膏層的存在。

4.3 礦床遠(yuǎn)景評價

袁家莊石膏礦雖為小型規(guī)模，但受限于勘查范圍以及斷裂構(gòu)造的影響，礦體沿走向及傾向均未封閉，尚有擴(kuò)大遠(yuǎn)景的可能。區(qū)域上辛集組至張夏組地層出露完整，地表可見風(fēng)化淋慮后形成的灰白色殘余次生石灰?guī)r及膏溶角礫巖帶，指示其深部可能有原生石膏礦層的存在，今后應(yīng)加強(qiáng)在該區(qū)域的石膏礦找礦工作，有望發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的石膏礦床。