滇東昆陽磷礦成礦物質(zhì)來源及其沉積環(huán)境

陳瑞紅，趙 鍇

(1. 云南磷化集團工程建設(shè)有限公司，昆明 云南 650600；2. 桂林理工大學(xué) 廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室，桂林 廣西 541006)

0 引言

磷被廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本物質(zhì)之一。世界磷礦資源主要分布在摩洛哥、美國和中國，占世界磷礦資源總量的70%以上[1]。我國的磷礦資源豐富，主要分布在云南、貴州、湖北、湖南、四川五省，其成礦時代以震旦紀和寒武紀為主，其次是泥盆紀，成礦類型以海相沉積磷塊巖礦床為主，約占85%，巖漿巖型磷灰石礦床和變質(zhì)巖型磷灰石礦床約占14.6%[2]，少數(shù)風化型[3]。云南昆陽磷礦床是我國最大的海相沉積層狀磷塊巖礦床之一，也是滇東地區(qū)最重要的磷礦床之一。昆陽磷礦床位于揚子地塊西南緣，下寒武統(tǒng)成磷帶南端。前人對礦區(qū)地層、礦物巖石學(xué)、巖相古地理、礦產(chǎn)的富集機理與開發(fā)利用等方面作了較為系統(tǒng)的研究[4-7]。然而，對昆陽磷礦成礦物質(zhì)來源和沉積環(huán)境的研究仍相對欠缺，不利于正確認識本區(qū)磷礦的成礦規(guī)律和控礦因素。本文對第一作者所在公司提交的《云南省晉寧縣昆陽磷礦資源儲量核實報告(2012)》中有關(guān)礦石化學(xué)成分的數(shù)據(jù)進行了綜合分析，并結(jié)合礦石的巖相學(xué)特征，討論了昆陽磷礦的沉積物源和沉積環(huán)境，為區(qū)域找礦工作提供了新資料。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

云南省分布有豐富的磷礦，是我國磷礦資源大省之一，占全國總儲量的22%。區(qū)內(nèi)磷礦帶屬于早寒武世川滇成礦帶的一部分，該磷礦帶南起云南省華寧，經(jīng)昆陽、海口、尖山、安寧、會澤、雷波、馬邊、峨眉、綿竹一直延伸到陜西寧強一帶，向東延至貴州省全縣的打麻廠，全長約1300 km[8]。昆陽磷礦位于昆明市西南72 km，構(gòu)造位置上處于揚子地塊西部，川滇臺背斜與滇東臺褶帶的交匯處。

1.1 礦區(qū)地層

礦區(qū)出露地層由老至新依次為震旦系燈影組(Z2dy)、下寒武統(tǒng)漁戶村組(∈1y)、中誼村組(∈1z)、筇竹寺組(∈1q)。礦區(qū)南部零星分布有中泥盆統(tǒng)?？诮M(D2h)、下石炭統(tǒng)大塘組(C1d)和第四系(Q)。昆陽磷礦主要產(chǎn)于下寒武統(tǒng)中(圖1)，其巖性特征由下至上依次如下。

下寒武統(tǒng)漁戶村組由下至上可分為3個巖性段，下段為紫紅色—暗綠色含海綠石砂頁巖與泥質(zhì)白云巖互層，底部為礫巖，該段與下伏燈影組呈假整合接觸，厚約4 m；中段為灰色—灰白色薄層—中厚層條紋狀粉晶白云巖，夾數(shù)層薄層狀粉砂質(zhì)頁巖，風化后成條紋狀，可見藻類等化石，厚約118.4 m；上段為灰色—灰白色中厚層石英砂屑粉晶白云巖，局部夾黑色硅質(zhì)條帶或團塊，可見腕足類、軟舌螺、單板類等化石，厚約45.7 m。

中誼村組根據(jù)巖性、巖相的變化，由下到上可分為磷塊巖段和白云巖段，其中磷塊巖段下礦層與下伏漁戶村組呈假整合接觸，其頂部為白云質(zhì)硅質(zhì)條帶磷塊巖，中、下部為粒屑磷塊巖或礫狀磷塊巖，可見小殼動物化石，如Kunyangothecasp.，TurcuthecaLubricaQian等，厚0～8.0 m；中間夾層為灰白色—灰黃色凝灰質(zhì)黏土巖，主要由黏土礦物伊利石、蒙脫石-伊利石混層及石英、長石組成，可見小殼動物化石，厚0.5～4.0 m；上礦層中下部為粒屑磷塊巖，底部為白云質(zhì)、硅質(zhì)條帶磷塊巖，上部為白云質(zhì)磷塊巖，可見小殼動物化石，厚6～13.4 m。本組白云巖段為灰色—灰白色含磷砂質(zhì)白云巖，夾硅質(zhì)團塊，白云巖風化后常呈黃褐色砂質(zhì)黏土，局部含磷品位>8%，可見齒形殼、軟舌螺等化石，厚1～4 m。

筇竹寺組據(jù)其巖性、巖相變化特征，由下至上可分為黑色粉砂巖段、白云質(zhì)粉砂巖段、雜色頁巖段和暗綠色頁巖段4個巖性段。其中，黑色粉砂巖段主要由黑色薄層—微層粉砂巖組成，夾多層粉砂質(zhì)微晶白云巖及其零散狀同生結(jié)核體，底部可見1～2層厚約0.2 m的含海綠石瘤狀、姜狀磷塊巖，本段產(chǎn)腕足類、軟舌螺、似軟舌螺等化石，厚約45.2 m，與下伏中誼村組假整合接觸。白云質(zhì)粉砂巖段上部為深灰色—灰白色薄層—中厚層白云質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)隱晶白云巖，下部為灰色中厚層含云母泥質(zhì)—白云質(zhì)粉砂巖夾黑色薄層粉砂巖和粉砂質(zhì)頁巖，底部局部可見厚0.1～0.2 m礫巖或黃鐵礦結(jié)核，本段球狀風化明顯，可見海綿骨針等化石，厚約31.9 m。雜色頁巖段主要為粉砂質(zhì)頁巖，黑色，風化后呈雜色(紫、白、灰)，上部可見薄層—中厚層微晶白云巖，底部可見0.2～0.3 m含海綠石砂質(zhì)角礫狀磷塊巖，產(chǎn)三葉蟲、古介形類，厚約24.7 m。暗綠色頁巖段主要為頁巖，黃綠色—暗綠色，頂部可見沖刷面及波痕，底部夾數(shù)層厚約0.2 m礫巖，局部夾紫紅色頁巖，產(chǎn)三葉蟲、昆陽云南頭蟲等，厚約46.3 m。

1.2 礦區(qū)構(gòu)造

本區(qū)構(gòu)造形態(tài)主要受近SN向的普渡河—滇池斷裂和羅次—易門斷裂兩條深大斷裂控制(圖2)；其次為近EW向構(gòu)造，如香條沖背斜、龍?zhí)督直承薄矊幭蛐焙腿掖鍞鄬?。昆陽磷礦位于香條沖背斜南翼東段，總體上構(gòu)成一單斜構(gòu)造，地層傾向為160°～200°，略呈舒緩波狀變化，傾角多為14°～16°，其中，東部傾角緩，為10°～12°，西部變陡，約20°。次級褶皺不發(fā)育，主要分布在斷裂周緣，褶皺軸跡主要呈EW向，其次為NE或NW向，規(guī)模普遍較小，一般幾十米到近百米長，為寬緩的短軸褶皺。礦區(qū)內(nèi)斷裂主要由一系列近EW向、近SN向和NE向或NW向斷裂組成。其中，近EW向斷裂為一系列與香條沖背斜軸跡近于平行的高角度逆沖斷層，部分為次級正斷層，兩者共同組成疊瓦式及地塹式斷裂組合；近SN向斷裂為一組與EW向斷裂直交或斜交的正斷層，常切割EW向斷裂，不等距分布；NE向或NW向斷裂為一組共軛剪性斷裂，規(guī)模較小，為SN向斷裂或EW向斷裂的分支旁側(cè)斷裂。

圖2 昆陽磷礦及其周緣地區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.2 Tectonic outline map of Kunyang phosphate deposit and its surrounding area1—斷層/推測斷層 2—正斷層 3—逆斷層 4—背斜 5—向斜6—昆陽磷礦(研究區(qū))

2 礦床特征

2.1 礦體(層)特征

昆陽磷礦一至四采區(qū)為海相沉積的大型磷塊巖礦床，厚度較大，品位較高，層位穩(wěn)定。含礦巖系賦存于下寒武統(tǒng)中誼村組，具有工業(yè)價值的礦體(層)為上礦層和下礦層，上下礦層間夾有灰黃色黏土巖層。其中，上礦層的頂板為硅質(zhì)白云巖，下礦層的底板為白云巖夾硅質(zhì)條帶，兩者層序清楚，頂、底板界線及標志明顯。

礦體(層)總體為一向南緩慢傾斜的EW向單斜構(gòu)造，平均傾角約16°，其產(chǎn)狀與圍巖產(chǎn)狀一致，并隨圍巖產(chǎn)狀的變化而變化，一般邊部較中深部略陡，西部較東部略陡。礦體(層)沿走向由西向東傾伏，傾伏角3°～4°，斷裂經(jīng)過地段，礦體(層)空間形態(tài)較復(fù)雜。礦體(層)傾向與坡向基本一致，受地形切割，礦體(層)形態(tài)較復(fù)雜，溝谷中礦體(層)順坡向突出，山脊上礦體(層)則反坡向延伸。礦區(qū)溝谷一般為SN向，礦體(層)平面形態(tài)上成雞足狀—半島狀。剖面上，除被斷層破壞的礦體(層)發(fā)生位移外，上、下礦體(層)均成穩(wěn)定的層狀，同時，在重力的作用，礦體(層)常順坡向發(fā)生牽引滑動，略具波狀起伏，或者邊部變薄，中深部加厚成為楔狀。礦體(層)長約5.0 km，寬0.6～1.2 km，礦區(qū)南部工程未控制地段還繼續(xù)向深部延伸[9]。

2.2 磷礦石特征

本區(qū)磷塊巖礦石的主要礦物成分為膠磷礦、其次為微晶—細晶磷灰石，脈石礦物主要為白云石及少量陸源碎屑。其中，膠磷礦主要呈粒屑狀或礫狀，渾圓形，一般沿層面定向排列；少數(shù)呈鮞狀，鮞粒密集，圈1～2層，個別多層，局部為復(fù)鮞、扁心鮞和變形鮞，可見重結(jié)晶形成微晶—細晶磷灰石。白云石多呈粉晶凝粒狀或微粒狀嵌于膠磷礦粒屑間，粒徑0.1～0.3 mm，局部被包圍在膠磷礦粒屑內(nèi)部。另外有許多微晶白云石圍繞膠磷礦顆粒邊緣，成為膠結(jié)物，不規(guī)則充填于膠磷礦間。陸源碎屑物以石英為主，其次為長石、白云母和黏土礦物，碎屑呈次圓狀—棱狀，含量為3～5%，零星分布在膠磷礦和白云石顆粒之間。

礦石的結(jié)構(gòu)可分為礫狀結(jié)構(gòu)、粒屑結(jié)構(gòu)、鮞狀結(jié)構(gòu)、生物碎屑結(jié)構(gòu)和凝膠狀結(jié)構(gòu)五大類，其結(jié)構(gòu)特征由下至上為礫屑結(jié)構(gòu)、粒屑—鮞狀結(jié)構(gòu)、粒屑—粉晶結(jié)構(gòu)(圖3a)，反映了磷塊巖沉積時水動力條件由高能向低能過渡。

礦石構(gòu)造主要有塊狀、條帶(紋)狀和層紋狀三種(圖3b、3c)。具有塊狀構(gòu)造的礦石堅硬致密，粒屑狀、鮞狀結(jié)構(gòu)，膠磷礦占80%以上，脈石礦物零星充填于顆粒間，膠結(jié)物以膠磷礦為主，白云石、綠泥石、玉髓次之，膠結(jié)物多為泥晶，有時為微晶，多呈中厚層或厚層，柱狀節(jié)理發(fā)育。條帶(紋)狀構(gòu)造礦石可分為兩種，一種具有塊狀構(gòu)造的磷塊巖中夾雜3～6條硅質(zhì)或白云石條帶，條帶寬多為1～2 mm，個別達5 mm；二是白云質(zhì)條帶與膠磷礦條帶相間排列，條帶寬0.1～1 mm。前者分布在上礦層的底部和下礦層的頂部，其厚0.2～0.5 m；后者主要分布在上礦層的中上部，向上與白云質(zhì)磷塊巖過渡，向下與粒狀磷塊巖呈漸變接觸。層紋狀構(gòu)造礦石多呈薄層—微層狀，局部可見白云石紋層，凝膠狀結(jié)構(gòu)，微晶膠磷礦或脈石礦物碎屑零星分布在凝膠狀膠磷礦中，該類型礦石常與塊狀構(gòu)造礦石共生。

圖3 昆陽磷礦礦石野外照片F(xiàn)ig.3 Field photo of the ores in Kunyang phosphate deposit

2.3 磷礦石化學(xué)成分

礦區(qū)磷礦石的w(P2O5)平均值為26.16%，其中上礦層的w(P2O5)平均值為25.10%，下礦層的w(P2O5)平均值為28.37%；酸不溶物(AI)平均值為13.98%，其中上礦層的AI平均值為13.72%，下礦層的AI平均值為14.66%(表1)。地表氧化礦石w(P2O5)較高(>30%)，有害雜質(zhì)含量較少，這是因為氟磷灰石是密度較大的難溶礦物，在風化過程中易溶碳酸鹽組分和密度較小的輕礦物易被淋濾流失，導(dǎo)致氟磷灰石殘積富集；而深部原生礦石w(P2O5)相對較低(20%～28%)。礦石的CaO含量較穩(wěn)定，w(CaO)平均值為37.51%；A12O3和Fe2O3的含量變化一般不大，w(A12O3)與w(Fe2O3)平均值分別為3.49%和1.01%；MgO和CO2含量不穩(wěn)定，w(MgO)與w(CO2)平均值分別為4.03%和9.56%(表2)?？傮w看來，沿傾向由地表向地下深部P2O5含量逐漸降低，沿走向礦區(qū)東部上礦層w(P2O5)一般比西部高5%～10%，在垂直剖面上，礦區(qū)中部w(P2O5)較高(20%～35%)，上部和下部P2O5含量有所降低；由地表到深部，酸不溶物平均含量有所增加。

表1 昆陽磷礦工業(yè)礦體(層)P2O5、酸不溶物(AI)含量統(tǒng)計Table 1 Contents of P2O5 and acid-insoluble substance (AI) of the industrial orebody in Kunyang phosphate deposit

表2 昆陽磷礦巖礦石化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of rocks and ores in Kunyang phosphate deposit

巖礦石中有害雜質(zhì)主要為MgO、Fe2O3、Al2O3和CO2等，雖然對礦石質(zhì)量有一定影響，但風化礦石質(zhì)量達到可滿足酸法加工磷肥、電法制磷及鈣鎂磷肥的要求，原生礦石質(zhì)量則可達到滿足電法制磷及鈣鎂磷肥的要求。

3 成礦物質(zhì)來源

揚子地塊是我國磷礦分布的重要區(qū)域，全國80%以上的磷礦資源分布于此。昆陽磷礦位于揚子地塊西緣，昆陽磷礦磷塊巖常富含菌藻類生物遺跡，磷礦層與富含有機質(zhì)的硅質(zhì)或泥質(zhì)建造密切共生，均位于淺海陸源碎屑沉積與造海碳酸巖建造的過渡帶上。此外，本區(qū)磷塊巖還常與膠磷礦硬地或其沖刷再沉積后的產(chǎn)物滯后膠磷礦角礫巖共生，與其共生或作為其同位異相的暗色泥巖中往往可見泥晶膠磷礦結(jié)核或團粒以及被磷酸鹽交代了的碳酸巖顆粒。

前人通過同位素地球化學(xué)和海洋化學(xué)的研究表明，海水中的磷是不飽和的，濃度非常低的，一般不超過700×10-6，從而無法從海水中以無機的方式直接沉淀出來[7，9]。常溫地下水的 P、Si、Al 濃度亦相當?shù)蚚10]，昆陽磷礦石整體上具有較高的w(P2O5)(平均值23.26%)、w(SiO2)(平均值17.36%)和w(Al2O3)(平均值3.50%)(表2)，因此，昆陽磷礦的成礦物質(zhì)不是直接來源于海水和常溫地下水。較高的SiO2含量可能與低溫環(huán)境下上升洋流帶來的大量水溶性SiO2有關(guān)，因為高含量SiO2一般是在低壓、低溫、中酸性和富含Si4+飽和溶液等條件下形成[11-12]。晚震旦世到早寒武世是我國磷礦床成礦的最主要時期，這一時期還沒有出現(xiàn)高等生物，而是以微生物為主，是細菌、低等藻類生殖繁衍的主要時期，這一時期在揚子地塊形成了幾米甚至幾十米厚的具有工業(yè)價值的磷塊巖，反映了生物作用對磷礦床的形成起了重要作用；昆陽磷礦床的礦石中發(fā)現(xiàn)的大量多種形態(tài)的磷質(zhì)微生物化石也說明了這一點。昆陽磷礦石較高的w(Al2O3)(平均值3.50%)和w(CaO)(平均值37.51%)(表2)，表明陸源碎屑物是成礦物質(zhì)的重要來源。因此，可以推斷，本區(qū)磷礦床磷的初始物質(zhì)來源是富磷的陸源碎屑物和富磷質(zhì)的海洋生物，這些富磷質(zhì)的碎屑物或生物尸體與含磷陸源碎屑共同形成了海底淤泥，這些淤泥在成巖過程中形成富磷的孔隙水和底水，是凝膠狀磷礦沉積的物質(zhì)來源。

4 沉積環(huán)境

昆陽磷礦礦區(qū)一帶，筇竹寺組和梅樹村組中包含4個海水震蕩形成的沉積旋回。每個震蕩旋回由海進開始，直至海進頂峰，此過程中，海面相對穩(wěn)定，沉積速度逐漸變慢，形成膠磷礦硬地，這些膠磷礦硬地在海退過程中被沖刷破壞，隨后又在下一個震蕩旋回中被簸選和再沉積，導(dǎo)致形成的礦層具有顆粒結(jié)構(gòu)，底部往往可見具礫屑結(jié)構(gòu)的礦石，且由下至上，顆粒由粗到細變化(圖3a)。本區(qū)含磷巖系下寒武統(tǒng)中誼村組與底板下寒武統(tǒng)小歪頭山組具有明顯的沖刷面，表明含磷巖系形成于強烈構(gòu)造運動后的沉降初期；含磷巖系頂板下寒武統(tǒng)筇竹寺組底部可見含海綠石姜狀/瘤狀磷塊巖具有明顯的沖刷面，暗示為一新的海進旋回。礦區(qū)的部分顆粒磷塊巖中還發(fā)育粒序?qū)永?、潮汐層理、扭曲層理、交錯層理、火焰狀構(gòu)造和沉砂構(gòu)造等沉積構(gòu)造；在礦區(qū)八道灣段礦層的上覆巖層中還發(fā)育有風暴巖；王家灣礦區(qū)磷塊巖層可見“地震脈”沉積構(gòu)造。這些特征說明本區(qū)顆粒磷塊巖是在強海流、強風浪的沖刷簸選過程中形成，在此過程中，較輕的非磷酸鹽顆粒和細粒懸浮組分被簸選走，相對較重的磷酸鹽顆粒則沉淀下來，富集成礦。昆陽磷礦石具有較高的Fe2O3/FeO比值(平均值為6.47)(表2)，反映其沉積環(huán)境整體處于氧化條件。值得注意的是，被強海流簸選沖刷的膠磷礦顆粒要沉積成富礦層，還需要有水流速度的突然減緩，水流速度的變緩有利于膠磷礦顆粒的沉積，結(jié)合磷礦沉積巖中可見透鏡狀潮汐層理、波痕和干裂構(gòu)造，礦石礦物的成分主要為非晶質(zhì)膠磷礦，呈球粒狀/鮞狀結(jié)構(gòu)等特征，表明含磷巖系主要形成于淺海浪基面以上的陸源坻、臺地、淺海盆地等環(huán)境(圖4)。

5 主要結(jié)論

昆陽磷礦磷塊巖礦石的結(jié)構(gòu)由下至上為礫屑結(jié)構(gòu)、粒屑-鮞狀結(jié)構(gòu)、粒屑-粉晶結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出明顯的下粗上細的結(jié)構(gòu)特征，反映了磷塊巖沉積時水動力條件由高能向低能過渡。礦石整體上表現(xiàn)出較高的P2O5、SiO2、Al2O3和CaO含量，表明磷的初始物質(zhì)來源是富磷的陸源碎屑物和富磷質(zhì)的海洋生物，含磷巖系主要形成于淺海浪基面以上的陸源坻、臺地、淺海盆地等環(huán)境。

致謝：中化地質(zhì)礦山總局云南地質(zhì)勘查院的同志提供了熱情幫助，審稿專家提出了寶貴意見，在此一并感謝。