哈薩克斯坦小卡拉套盆地某磷礦床地質(zhì)特征及成因探討

王傲雷，夏 強

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊，江蘇 南京 210000)

磷礦主要應(yīng)用于磷肥工業(yè)，聯(lián)合國糧農(nóng)組織預(yù)測未來幾年磷肥需求量年增長率達(dá)2.19%。目前哈薩克斯坦是中亞地區(qū)最大的礦業(yè)國，磷礦資源的開發(fā)利用是哈薩克斯坦化學(xué)工業(yè)重點之一，截至2017年，小卡拉套盆地磷礦資源探明儲量為22×108t，占哈薩克斯坦磷礦總儲量的80%，豐富的磷礦資源為哈薩克斯坦發(fā)展磷礦業(yè)奠定了基礎(chǔ)[1]。本文總結(jié)了磷礦床地質(zhì)特征，探討了礦床成因，提出了找礦標(biāo)志，為周邊地區(qū)磷礦找礦工作提供參考。

1 地質(zhì)背景

小卡拉套盆地大地構(gòu)造位置為北天山加里東晚期褶皺帶之塔拉斯—小卡拉套冒地槽帶[2]，盆地內(nèi)磷礦點(床)分布較為密集[3]，多達(dá)45處，礦床規(guī)模大，礦層厚度穩(wěn)定，含磷巖系賦存于下寒武統(tǒng)楚拉圖組。

礦區(qū)位于小卡拉套盆地西北部之科克蘇—烏奇巴斯背斜褶皺西北翼。區(qū)域出露地層由老至新依次為：新元古界文德系小卡羅伊巖群(V)，巖性為砂巖、粉砂巖和千枚巖等；下寒武統(tǒng)楚拉圖組(∈1cht)，巖性為磷塊巖、磷酸鹽化硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖、白云質(zhì)灰?guī)r，為區(qū)域含磷層位；中寒武統(tǒng)沙巴金組阿姆加段和馬亞段未分(∈2am+m)，巖性為灰白色白云質(zhì)灰?guī)r和深灰色條帶狀泥質(zhì)灰?guī)r；上寒武統(tǒng)(∈3)，巖性為深灰色及灰白色白云質(zhì)灰?guī)r和大理巖化灰?guī)r；下奧陶統(tǒng)(O1)，巖性為淺灰色及灰白色白云質(zhì)灰?guī)r和大理巖化灰?guī)r；上奧陶統(tǒng)蘭維恩組(O2e)，巖性為深灰色大理巖化灰?guī)r、白云巖、白云石化灰?guī)r；上奧陶統(tǒng)蘭代洛組(O2ee)，巖性為淺灰色大理巖化灰?guī)r和白云巖；上二疊統(tǒng)(P2)，巖性為礫巖、長石砂巖。地層受構(gòu)造影響，產(chǎn)狀、傾角局部變化，整體為一復(fù)式倒轉(zhuǎn)背斜。區(qū)域構(gòu)造形跡以斷裂為主，多呈北西—南東向展布，順層產(chǎn)出。區(qū)域未見巖漿巖出露。變質(zhì)作用主要表現(xiàn)為區(qū)域變質(zhì)、動力變質(zhì)兩種，區(qū)域變質(zhì)作用多見于奧陶紀(jì)及其以前形成的地層，表現(xiàn)為弱千枚理，動力變質(zhì)與斷層有關(guān)。

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 地層

礦區(qū)出露的地層由老至新依次為：文德系小卡羅伊巖組(V)、下寒武統(tǒng)楚拉圖組(∈1cht)、中寒武統(tǒng)沙巴金組阿姆格段(∈2am)、中寒武統(tǒng)沙巴金組阿姆格段和馬亞段未分(∈2am+m)，地層傾向多為15～30°，傾角集中在40～60°，呈單斜層狀展布。

文德系小卡羅伊巖組(V)：巖性為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)頁巖、長石石英砂巖，厚240～270m。下寒武統(tǒng)楚拉圖組(∈1cht)：巖性為磷塊巖、磷酸鹽化灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及硅質(zhì)巖，厚度約105m，與下伏文德系小卡羅伊巖組(V)呈整合接觸關(guān)系。中寒武統(tǒng)沙巴金組阿姆格段(∈2am)：巖性為條帶狀白云質(zhì)、泥質(zhì)灰?guī)r，厚度約180m，與下伏下寒武統(tǒng)楚拉圖組(∈1cht)地層呈整合接觸關(guān)系。中寒武統(tǒng)沙巴金組阿姆格段和馬亞段未分(∈2am+m)，為不同顏色、粒度、結(jié)構(gòu)的白云質(zhì)灰?guī)r與灰?guī)r交替產(chǎn)出，與下伏中寒武統(tǒng)沙巴金組阿姆格段(∈2am)地層呈整合接觸關(guān)系，厚度大于390m，區(qū)內(nèi)未見上覆地層，局部被第四系覆蓋。

2.2 構(gòu)造

礦區(qū)位于褶皺一翼，主要構(gòu)造形跡表現(xiàn)為斷裂。根據(jù)斷層與地層的空間關(guān)系，可分為順層斷層、橫向斷層和反傾斷層。

順層斷層走向近平行于地層，推測為區(qū)內(nèi)第一期斷裂構(gòu)造，一般沿走向延伸較大，對地層連續(xù)性破壞較小。橫向斷層走向多與地層走向斜交，推測為區(qū)內(nèi)第二期斷裂構(gòu)造，性質(zhì)多為右行走滑斷層，規(guī)模較小，對區(qū)內(nèi)地層在近垂直走向方向上有一定的錯動。反傾斷層位于礦區(qū)中東部，多沿北西西—南東東向的陡峭山坡前沿展布，地表延伸大于2km，為區(qū)內(nèi)第三期斷裂構(gòu)造，斷層面傾向南南西，傾角43～52°，性質(zhì)為正斷層，斷距一般為15～30m，對礦層有明顯錯斷。

2.3 礦層特征

2.3.1 含磷巖系特征

含磷巖系位于下寒武統(tǒng)楚拉圖組(∈1cht)中上部，巖性組合為磷塊巖夾磷酸鹽化頁巖、磷酸鹽化白云質(zhì)灰?guī)r或白云巖，厚度在30～60m，走向延伸大于11km，呈層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀2～30°∠40～60°。頂板為中寒武統(tǒng)沙巴金組阿姆格段(∈2am)條帶狀泥質(zhì)灰?guī)r，底板為下寒武統(tǒng)楚拉圖組(∈1cht)白云質(zhì)灰?guī)r。

根據(jù)化學(xué)分析結(jié)果和空間連接對比條件等，從含磷巖系中圈定出K1、K2兩個磷礦層。K1位于上部，K2位于下部，兩者中間為磷酸鹽化白云質(zhì)灰?guī)r、磷酸鹽化頁巖(圖2)。

圖2 礦區(qū)局部地質(zhì)簡圖

2.3.2 礦層特征

K1礦層巖性主要為磷塊巖，呈致密塊狀、紋層狀，以致密塊狀為主，見磷酸鹽化灰?guī)r、磷酸鹽化頁巖。礦層呈層狀產(chǎn)出，受近東西向展布的第三期正斷層影響，局部地段礦層被錯斷，斷距在15～30m。礦層頂板巖性為條帶狀泥質(zhì)灰?guī)r，底板巖性為磷酸鹽化白云質(zhì)灰?guī)r、頁巖，產(chǎn)狀與圍巖產(chǎn)狀相同，呈整合接觸關(guān)系。礦層工程控制長度8 161.10m，單工程控制真厚度1.72～25.12m，平均真厚度12.04m，局部呈膨大狹縮狀，整體而言，具有地表薄、深部厚，西部薄、東部厚的特點，厚度變化系數(shù)49.13%，P2O5含量15.22%～26.18%，平均含量20.58%，變化系數(shù)13.51%(圖3)。

K2礦層巖性主要為磷塊巖，呈條帶狀、致密塊狀，以條帶狀為主，見磷酸鹽化灰?guī)r。礦層頂板巖性為磷酸鹽化白云質(zhì)灰?guī)r、頁巖，底板巖性為白云質(zhì)灰?guī)r，產(chǎn)狀與圍巖產(chǎn)狀相同，呈整合接觸關(guān)系。礦層工程控制長度8 161.10m，單工程控制真厚度3.36～26.53m，平均真厚度11.83m，呈層狀產(chǎn)出，具有西部薄、東部厚的特點，局部呈膨大狹縮狀，在7～12勘查線之間，礦層厚度由地表至深部有減薄的趨勢，厚度變化系數(shù)59.77%；P2O5含量15.00%～26.55%，平均含量19.36%，變化系數(shù)18.32%(圖3)。

圖3 礦區(qū)7勘查線剖面圖

2.4 礦石質(zhì)量特征

2.4.1 礦物組成及結(jié)構(gòu)構(gòu)造

磷塊巖呈深灰色、灰黑色、藍(lán)黑色，橢圓狀、鮞粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部為條帶狀、紋層狀(圖4)。礦石礦物為膠磷礦，占比可達(dá)85%左右，脈石礦物主要為石英、長石等陸源碎屑及少量褐鐵礦，占比10%左右，其余為膠結(jié)物，主要為硅質(zhì)及鈣質(zhì)。

膠磷礦為非晶質(zhì)集合體，多呈橢圓狀、少量呈鮞粒狀，粒徑0.1～0.4mm，顯均質(zhì)，部分可見十字消光現(xiàn)象，不均勻分布，鏡下呈褐色、黃色(圖5)。陸源碎屑呈次圓狀，粒徑0.2～0.4mm，主要由石英組成，偶見長石巖屑，雜亂分布。褐鐵礦呈粒狀，粒徑小于0.01mm，雜亂分布。膠結(jié)物主要為硅質(zhì)及少量鈣質(zhì)，粒徑小于0.05mm，膠結(jié)碎屑。

圖5 磷塊巖微觀特征(單偏光)

2.4.2 礦石類型

礦區(qū)內(nèi)磷礦石自然類型為沉積型磷塊巖。全礦區(qū)平均P2O5含量為20.03%、酸不溶物含量為34.06%、CaO/P2O5比值為1.61，結(jié)合礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特征，初步認(rèn)為磷礦石工業(yè)類型為鈣硅質(zhì)混合型。

2.4.3 礦石化學(xué)成分

通過取樣分析，并對剖面上單工程控制的單礦層分別進(jìn)行品位厚度加權(quán)平均，對剖面間各塊段體積進(jìn)行加權(quán)平均，求得各礦層化學(xué)組分平均含量(表1)。礦石中P2O5為有益組分，平均含量滿足一般工業(yè)指標(biāo)P2O5≥15%的品位要求。有害組分為R2O3、MgO、CaO、CO2。伴生元素I的全礦區(qū)平均含量為8.07×10-6，F(xiàn)e2O3、FeO的全礦區(qū)平均含量為2.27%，兩者在磷礦加工時，均無法綜合回收。

表1 各礦層化學(xué)組分平均含量一覽表

3 礦床成因

3.1 古地理環(huán)境

小卡拉套盆地含磷巖系產(chǎn)出于下寒武統(tǒng)楚拉圖組中上部，其頂板巖性為條帶狀泥質(zhì)灰?guī)r，底板巖性為白云質(zhì)灰?guī)r，走向延伸較長、厚度較大，沉積范圍較廣、巖性及巖相比較穩(wěn)定，地層成層有序，磷礦成礦受古構(gòu)造、古地理環(huán)境及正常海水的化學(xué)成分的制約[4-5]。

礦區(qū)位于小卡拉套盆地西北部之科克蘇—烏奇巴斯背斜褶皺西北翼，含磷巖系與區(qū)域磷礦產(chǎn)出特征基本相同。K1礦層位于含磷巖系上部，磷塊巖構(gòu)造為致密塊狀，偶見紋層狀，反應(yīng)成礦作用以生物化學(xué)沉積為主；K2礦層位于含磷巖系下部，磷塊巖構(gòu)造為條帶狀、致密塊狀，以條帶狀為主，反應(yīng)成礦作用以化學(xué)沉積為主[6]。含磷巖系沉積結(jié)構(gòu)分為碎屑巖系、碳酸鹽巖與黑色巖系兩類，具有黑色硅質(zhì)巖—白云質(zhì)灰?guī)r—磷塊巖—碳酸鹽巖(頁巖)—磷塊巖的特征[7]，反應(yīng)的沉積環(huán)境為大陸邊緣淺海相之淺海—潮下半封閉環(huán)境相互交替。

3.2 成礦物質(zhì)來源

從全球范圍而言，前寒武紀(jì)—寒武紀(jì)過渡期的生命大爆發(fā)，是地球演化進(jìn)程中海水的磷酸鹽濃度不斷增高累積的結(jié)果，當(dāng)海水中溶解的磷酸鹽濃度超過臨界值時，全球范圍發(fā)生大規(guī)模的海相磷塊巖沉積[8-9]。前人曾對小卡拉套盆地磷塊巖礦石中的磷酸鹽球粒成因進(jìn)行研究，認(rèn)為文德—寒武紀(jì)時期小卡拉套古地理環(huán)境為相對低能的淺水環(huán)境，即為氧—硫化氫界面的含氧水，其有利于細(xì)菌—藻類大量繁殖及磷的積累，當(dāng)環(huán)境變?yōu)榻兜母谎跛w時，死亡的細(xì)菌—藻類釋放出原先溶解的磷，為磷酸鹽的富集累積提供了條件[10]。

3.3 礦床成因

礦區(qū)在寒武紀(jì)相對低能的淺水古地理環(huán)境下，大量繁殖的細(xì)菌—藻類積累了豐富的磷，隨著環(huán)境的變化，原先溶解的磷從死亡的細(xì)菌—藻類中釋放，海水中磷酸鹽濃度不斷積累增高，當(dāng)磷酸鹽達(dá)到過飽和狀態(tài)時，在有利地段磷質(zhì)富集[11]，受海水?dāng)_動，圍繞磷質(zhì)形成鮞粒、團(tuán)粒狀沉淀而形成礦床。磷礦成因類型為大陸邊緣淺海相沉積磷塊巖礦床。

3.4 找礦標(biāo)志

下寒武統(tǒng)楚拉圖組(∈1cht)為直接找礦標(biāo)志；含磷巖系的底板巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖，巖石相對而言抗風(fēng)化能力較強，散布于北西西—南東東向陡峭山坡的灰黑色、藍(lán)黑色磷塊巖轉(zhuǎn)石為區(qū)內(nèi)找礦的間接標(biāo)志。

4 結(jié)論

(1)礦區(qū)含磷巖系與小卡拉套盆地含磷巖系特征基本相同，沉積結(jié)構(gòu)具有黑色硅質(zhì)巖—白云質(zhì)灰?guī)r—磷塊巖—碳酸鹽巖(頁巖)—磷塊巖的特征，屬下寒武統(tǒng)楚拉圖組。

(2)磷礦石自然類型為沉積型磷塊巖，主要礦物為膠磷礦，工業(yè)類型為鈣硅質(zhì)混合型。礦層厚度、延伸規(guī)模大，蘊藏的資源量大，磷礦平均P2O5含量為20.03%、酸不溶物含量為34.06%、Fe2O3＜3%，基本滿足制作黃磷、磷酸的要求。

(3)礦床成因類型為大陸邊緣淺海相沉積磷塊巖礦床，成礦物質(zhì)來源與前寒武紀(jì)—寒武紀(jì)過渡期的生命大爆發(fā)有直接關(guān)系。