滇東北石英砂巖硅礦帶地質(zhì)特征及開發(fā)遠景

鄭賢章，孫玉海，陸繼軍，段 鵬

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

當前，新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革蓄勢待發(fā)，全球新能源、新材料產(chǎn)業(yè)競爭格局正在因為高純度石英產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用而發(fā)生重大調(diào)整，石英資源也因此成為了戰(zhàn)略性非金屬礦產(chǎn)資源。我國石英資源豐富，全國各地均有分布。優(yōu)質(zhì)的石英資源主要分布在云南、四川、貴州、廣西、江西、山東、寧夏等地。礦石類型主要有石英巖、石英砂巖、天然石英砂、脈石英及偉晶巖[1-2]。

彝良、大關(guān)、鹽津是滇東北石英砂巖硅礦主要出露區(qū)域，地處云南省東北部的云、貴、川三省結(jié)合部的烏蒙山區(qū)，地形南高北低，大部分地區(qū)被河流切割成侵蝕峽谷，分布有大量因石英砂巖垂向風化而形成的陡崖。區(qū)內(nèi)硅礦資源豐富，預(yù)估儲量>60億t，主要分布在彝良奎香—寸田—克布、彝良小草壩—鹽津紅碧、大關(guān)天星北洛澤河沿岸—彝良鐘鳴三大礦集區(qū)，三大礦集區(qū)呈倒“品”字型分布(圖1)。目前，彝良奎香、大關(guān)天星和鐘鳴均進行著不同程度的開采，但開采規(guī)模較小，產(chǎn)量較低，年生產(chǎn)規(guī)模大部分<10萬t，且區(qū)內(nèi)無配套性下游產(chǎn)業(yè)鏈，礦石開采后多銷往外地，導(dǎo)致石英砂巖的開發(fā)對當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展貢獻較低。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

滇東北石英砂巖硅礦帶位于揚子準地臺西南緣之康滇隆起與滇東褶皺帶的過渡地帶，即滇東北坳褶帶，呈環(huán)帶分布于昭通海灣東北部灣頂，經(jīng)過多期地質(zhì)運動，沉積了從震旦系、古生界、中生界、新生界的厚達近萬米的巨厚巖層。區(qū)內(nèi)發(fā)育有一系列的SN向、NE向、NW向及EW向斷裂與褶皺構(gòu)造，構(gòu)造多期次明顯，體系復(fù)雜，次級構(gòu)造發(fā)育，為后期的地表風化剝蝕提供很大便利，為石英砂巖的大范圍出露創(chuàng)造了條件(圖1)。

1.1 地 層

研究區(qū)出露地層較為簡單，各層界線明顯(圖1)，地層自上而下分別為泥盆系中統(tǒng)紅崖坡組(D2h)白云質(zhì)灰?guī)r夾紫紅色頁巖，底部為白云巖或泥質(zhì)灰?guī)r，分布于鐘鳴—小草壩—紅碧烏蒙山范圍內(nèi)；泥盆系中統(tǒng)曲靖組(D2q)砂巖、粉砂質(zhì)頁巖，分布于小草壩東北側(cè)；泥盆系中統(tǒng)縮頭山組(D2s)泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、砂巖、石英砂巖，該地層為石英砂巖硅礦賦礦地層，根據(jù)地層巖性和沉積相關(guān)系自下而上可以劃分為3段:一段為中—厚層狀石英砂巖夾少量中—薄層狀泥巖、泥質(zhì)粉砂巖;二段為石英砂巖和泥巖、泥質(zhì)粉砂巖互層;三段為石英砂巖夾少量薄層狀泥質(zhì)粉砂巖、泥巖；箐門組(D2qn)頁巖、粉砂巖夾灰?guī)r，呈帶狀分布于鐘鳴、紅碧一帶。礦區(qū)內(nèi)無巖漿巖出露，變質(zhì)作用不明顯。

1.2 構(gòu) 造

研究區(qū)的構(gòu)造主要發(fā)育有大關(guān)—彝良和彝良龍?！}津廟壩SN向斷裂、昭通—彝良—彝良小草壩和彝良—海子?xùn)|部NE向斷裂及一系列次級構(gòu)造，局部發(fā)育有小型隆起?？傮w來說，工作區(qū)構(gòu)造不發(fā)育，但局部構(gòu)造使礦體抬升與錯斷，對礦體的出露、產(chǎn)狀及礦石質(zhì)量都有著深遠的影響。

2 礦體特征

石英砂巖硅礦體賦存于泥盆系中統(tǒng)縮頭山組(D2s)地層中，礦體呈中—厚層狀產(chǎn)出，除大關(guān)青杠、鹽津紅碧等局部區(qū)域受構(gòu)造作用而造成不同程度的改變外，產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，傾向多為南東—南西向，傾角10～20°(圖2)。礦體總厚度46～110 m，在彝良地區(qū)厚度較大，而在大關(guān)—鹽津地區(qū)略薄[3]。經(jīng)對大關(guān)天星、鹽津紅碧及彝良小草壩、奎香、鐘鳴等較好出露區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，賦礦地層縮頭山組出露厚度多為80～120 m ，底部一段和頂部三段具有較厚的石英砂巖連續(xù)沉積層，為石英砂巖硅礦石主要附存層位，總厚度60～80 m。

3 礦石特征

整個滇東北縮頭山組石英砂巖礦石特征無太大差異，顏色為灰白—深灰色，局部含較多鐵質(zhì)礦物,呈淺肉紅色，細—中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分為石英，含少量粘土、長石、鋯石、電氣石和鐵質(zhì)礦物，石英粒徑為0.1～1.0 mm，分選性良好，磨圓度中等，多為次圓—次棱角狀，顆粒支撐，接觸式膠結(jié)，線接觸為主，膠結(jié)物主要為硅質(zhì)，重結(jié)晶作用及次生作用明顯，石英顆粒鑲嵌緊密。大關(guān)天星青杠鉆孔揭露的頂部石英砂巖呈白色，膠結(jié)性較差，靠近地表的部分受風化作用質(zhì)地疏松，發(fā)育少量節(jié)理裂隙，往深部粒度變細，膠結(jié)性加強，顏色呈淺灰白—淺灰色，裂隙增多，裂隙有鐵質(zhì)浸染。彝良鐘鳴、小草壩石英砂巖呈淺灰白色，以細粒為主，少部分呈中粒，硅質(zhì)膠結(jié)明顯，中—底部裂隙增多，鐵染加強。鹽津紅碧鉆孔揭露了兩層石英砂巖，上層頂部和中部呈灰白色，局部裂隙發(fā)育，受鐵質(zhì)浸染形成磚紅色或淺肉紅色，細粒結(jié)構(gòu)，見平行層理和交錯層理，局部有鐵銹析出，上層底部和下層呈淺灰白、淺灰、深灰色，細粒結(jié)構(gòu)，含較多泥質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)等雜質(zhì)。

3.1 礦石化學(xué)成分

礦石主要化學(xué)成分為SiO2，另外含少量Fe2O3、Al2O3、CaO、P2O5、B2O3、TiO2等雜質(zhì)。在硅工業(yè)應(yīng)用中SiO2為有益成分， Fe2O3、Al2O3、CaO、P2O5、B2O3、TiO2等礦物為有害成分，其中Fe2O3含量的要求尤為苛刻，研究區(qū)鐵質(zhì)多以填隙物形式填充于石英顆粒之間，選礦時較易除去，經(jīng)洗選加工后其質(zhì)量可滿足工業(yè)硅原料需求[4]。經(jīng)過對彝良小草壩、彝良奎鄉(xiāng)、鹽津紅碧、彝良鐘鳴、大關(guān)青杠5個地方的石英砂巖進行取樣分析，得到SiO2質(zhì)量分數(shù)為97.17%～99.69%,平均質(zhì)量分數(shù)為99.08%；Fe2O3質(zhì)量分數(shù)0.20‰～11.18‰，平均質(zhì)量分數(shù)約2.18‰；Al2O3質(zhì)量分數(shù)0.63‰～20.84‰，平均質(zhì)量分數(shù)2.88‰；CaO質(zhì)量分數(shù)0.03‰～0.56‰，平均質(zhì)量分數(shù)0.08‰；P2O5質(zhì)量分數(shù)0.05‰～0.18‰，平均質(zhì)量分數(shù)0.09‰；B2O3質(zhì)量分數(shù) 0.000 7‰～0.110 0‰，平均質(zhì)量分數(shù)0.02‰；TiO2質(zhì)量分數(shù)0.10‰～3.64‰，平均質(zhì)量分數(shù)0.37‰(表1)。

總體說來區(qū)內(nèi)石英砂巖SiO2平均質(zhì)量分數(shù)普遍高于99%，且變化系數(shù)低，基本上都能滿足工業(yè)要求；有害組分Al2O3、CaO、P2O5、B2O3、TiO2質(zhì)量分數(shù)較低且均衡，普遍達到工業(yè)指標；有害組分Fe2O3質(zhì)量分數(shù)多大于工業(yè)指標要求 0.1%，變化系數(shù)普遍>50%，平均質(zhì)量分數(shù)在5.0‰以上，說明Fe2O3的質(zhì)量分數(shù)是制約區(qū)內(nèi)石英砂巖硅礦開發(fā)利用的關(guān)鍵因素，特別鹽津地區(qū)由于靠近海灣北部上楊子隆起陸緣，受陸緣沉積物和水動力減弱的影響，其石英砂巖沉積厚度變薄的同時鐵質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增加。大關(guān)青杠受彝良—大關(guān)斷裂及次生構(gòu)造作用造成地層錯斷及沉降，上部礦體呈灰白色高純度石英砂巖，礦體中部及沿傾向往低處延伸到廣東壩水庫附近礦石鐵質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增高，礦石呈淺肉紅色，說明構(gòu)造、節(jié)理裂隙及礦體產(chǎn)狀等因素都會對硅石品質(zhì)造成影響。

表1 SiO2和Fe2O3化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)特征

3.2 圍巖及夾石

礦體頂板為泥盆系中統(tǒng)縮頭山組三段(D2s3)頂部灰綠色粉砂質(zhì)頁巖和深灰色泥質(zhì)粉砂巖，厚度1～5 m，厚度變化大，局部尖滅導(dǎo)致泥盆系中統(tǒng)紅崖坡組(D2h)灰—深灰色灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r與縮頭山組石英砂巖呈不整合接觸；底板為泥盆系中統(tǒng)箐門組(D2qn)頁巖、粉砂巖夾薄層狀灰?guī)r。多期次的濱海相沉積作用造成了礦體呈多層狀產(chǎn)出，石英砂巖層中見少量灰黑色中—薄層狀、透鏡狀泥巖及泥質(zhì)粉砂巖與石英砂巖互層，根據(jù)大關(guān)青杠和鹽津紅碧鉆探施工揭露情況，夾層厚度1～10 m 不等，夾石周圍石英砂巖鐵質(zhì)含量較高，且石英顆粒間填充有泥砂雜質(zhì)。

圖3 滇東北地區(qū)泥盆系中統(tǒng)構(gòu)造—古地理 框架(據(jù)曾允孚等修改)Fig.3 Middle Devonian tectonic-palaeogeographic framework in northeast Yunnan (Modified according to ZENG Yunfu et al.)

4 礦床成因

硅礦床屬典型的沉積型礦床，呈環(huán)帶狀分布于康滇隆起東側(cè)和上揚子隆起西南側(cè)的昭通海灣前濱區(qū)[5]。昭通海灣是個“U”型海灣(圖3)，在長期的波浪和潮汐的作用下，海灣兩側(cè)碎屑物向灣頂遷移；南部開口處江底隆起和牛首山隆起形成的海島，使得海灣開口進一步變窄，在海灣內(nèi)部形成一個較為封閉的環(huán)境，波浪和潮汐能量由開口到灣頂逐漸降低，從而在灣頂形成一個持續(xù)時間長、水動力穩(wěn)定的沉積環(huán)境，在前濱帶堆積了大量的石英砂，石英顆粒在沉積過程中經(jīng)歷了充分的分選和改造，祛除了大量的雜質(zhì)，經(jīng)壓實后形成中—厚層狀高品位的石英砂巖硅礦石。隨著海平面上升，水動力減弱，石英砂巖沉積區(qū)接受外賓帶泥質(zhì)粉砂巖、泥巖沉積，反復(fù)的海進和海退導(dǎo)致礦層中部出現(xiàn)較多泥質(zhì)粉砂巖夾層，夾層周圍的石英砂巖含較多泥砂雜質(zhì)及鐵質(zhì)。

5 開采技術(shù)條件

5.1 水文地質(zhì)

滇東北地區(qū)屬高原溫暖帶季風氣候區(qū)，全年降雨量大。主要水系有洛澤河及分布廣泛的山間支流，地下水補、徑、排主要受大氣降水、地形地貌、巖性等控制，地表水由山間支流匯入洛澤河，最終匯入金沙江。受各巖性層差異風化的影響，石英砂巖出露地勢較高，礦床開采主要受大氣降水匯流的影響，現(xiàn)有的礦點大多分布在山頂、山脊和鞍部，大部分采用露天開采，可以自流排水。區(qū)內(nèi)含水層有：第四系孔隙水含水層、紅崖坡組碳酸巖巖溶裂隙水含水層、曲靖組和縮頭山組碎屑巖孔隙水含水層?，F(xiàn)有礦點上覆蓋層較薄，各含水層對礦床開采影響較小。

5.2 工程地質(zhì)

根據(jù)巖性特征和巖層工程地質(zhì)特征，研究區(qū)內(nèi)與硅礦石開采有關(guān)的地層可分為4個工程地質(zhì)巖組，分別是：1)以第四系地表殘坡積層為主的松散巖類軟弱巖組；2)以曲靖組和縮頭山組泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、砂巖等為主的層狀結(jié)構(gòu)碎屑巖類軟弱巖組；3)紅崖坡組白云質(zhì)灰?guī)r堅硬碳酸鹽巖巖組；4)縮頭山組石英砂巖層狀結(jié)構(gòu)碎屑巖類堅硬巖組?，F(xiàn)有礦點的地質(zhì)巖組較為簡單，主要有：石英砂巖堅硬巖礦石夾極少量薄層狀軟弱巖夾石，巖層致密堅硬，力學(xué)強度較高，穩(wěn)固性良好，但由于裂隙發(fā)育易形成落石；第四系松散巖類軟弱巖和層狀結(jié)構(gòu)軟弱巖上覆蓋層，該類巖層在露天開采過程中容易垮塌，特別在雨季容易產(chǎn)生坍塌和滑坡；鹽津紅碧和彝良小草壩局部上覆蓋層含堅硬碳酸鹽巖巖層，該層完整性和工程穩(wěn)定性一般，開采時需要注意邊坡穩(wěn)定及落石。

5.3 環(huán)境地質(zhì)

各礦點地貌單一，基本無滑坡、崩塌、泥石流等自然災(zāi)害產(chǎn)生的條件和跡象。彝良小草壩、大關(guān)青杠和彝良奎香等部分礦點靠近居民區(qū)，礦石開采和運輸所造成的粉塵、震動、噪音、污水和垃圾易對礦點附近居民造成不利影響。彝良鐘鳴和小草壩、鹽津紅碧有水系流經(jīng)礦點，采礦污水和生活污水易對礦點附近水系造成污染。礦石的開采大部分采用露天開采，對硅礦石質(zhì)量要求較高易產(chǎn)生大量廢石，對地表植被和環(huán)境破壞較大。

6 資源開發(fā)現(xiàn)狀及遠景

針對區(qū)內(nèi)石英砂巖硅礦的地質(zhì)研究進行得較少，只有鹽津縣和彝良縣分別于2008和2015年的礦產(chǎn)資源規(guī)劃進行了附帶性研究。彝良小草壩、鹽津紅碧、大關(guān)羅漢壩石英砂巖出露面積廣，礦石質(zhì)量高，交通便利，具有較好開發(fā)遠景，但大部分地區(qū)至今仍屬于空白區(qū)。

6.1 開發(fā)現(xiàn)狀

近幾年隨著工業(yè)硅需求量的快速增長，區(qū)內(nèi)彝良奎香、鐘鳴、龍海、小草壩、角奎和大關(guān)天星幸福洞及鹽津黃桷槽等地進行了不同程度的開采，共設(shè)置礦業(yè)權(quán)17個，其中大型2個,中型1個,小型14個[1]，總體開采規(guī)模小，市場占有率低，硅礦開采后多是原礦直接外銷四川、保山等地。區(qū)內(nèi)硅工業(yè)起步較晚，僅有少量碳硅廠和硅鐵廠，設(shè)備老舊，產(chǎn)能低，沒有市場競爭力，如今大部分已經(jīng)停產(chǎn)或者倒閉。近幾年，為了擺脫硅工業(yè)的落后現(xiàn)狀，充分發(fā)揮硅礦產(chǎn)地優(yōu)勢，打造硅材料產(chǎn)業(yè)鏈加工一體化基地，當?shù)卣M行了大規(guī)模的招商引資，這無疑會促進整個滇東北石英砂巖硅礦的開發(fā)利用。

6.2 開發(fā)遠景

區(qū)內(nèi)大部分石英砂巖出露區(qū)受限于國家生態(tài)紅線、保護區(qū)、基本農(nóng)田設(shè)置情況及水利設(shè)施、電力運輸設(shè)施等因素，無法開采利用；部分由于埋藏較深、運輸困難、礦石質(zhì)量不滿足工藝水平等原因現(xiàn)階段不具備開采價值?？傮w說來該區(qū)域硅礦資源儲量大，具有較好的開發(fā)遠景，但現(xiàn)階段可利用率低，可采區(qū)域過于局限。未來隨著硅礦選冶技術(shù)的發(fā)展，區(qū)內(nèi)大部分石英砂巖將滿足工業(yè)硅的質(zhì)量要求，規(guī)模龐大的石英砂巖將發(fā)揮出巨大的經(jīng)濟價值。