泌陽凹陷芒硝礦的成礦地質(zhì)特征、成因及成礦預(yù)測

陳英男,陳建立,薛 燕,郭 鵬,李文濤,孫建濤

(1.桂林理工大學(xué) 廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004； 2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

泌陽凹陷是河南省重要的沉積盆地，礦產(chǎn)資源和能源資源豐富。自20世紀(jì)70年代以來相繼發(fā)現(xiàn)和評價(jià)了石油、石膏礦、芒硝礦、天然堿礦等沉積礦產(chǎn)[1-2]，安棚天然堿礦和其毗鄰的曹莊堿礦、芒硝礦，郭橋堿礦勘查取得了巨大進(jìn)展[3-4]，雖探明芒硝礦近億噸，但對芒硝礦的勘查研究明顯不足。筆者總結(jié)了前期芒硝礦的賦存層位、分布、礦石品位厚度變化及礦石質(zhì)量特征，探討礦床成因，揭示其形成演化規(guī)律，對礦體的分布進(jìn)行預(yù)測，用以指導(dǎo)整個(gè)泌陽凹陷以及其他盆地芒硝礦的勘查。

1 泌陽凹陷的地質(zhì)特征

1.1 大地構(gòu)造背景

泌陽凹陷位于東秦嶺造山帶與桐柏大別山造山帶過渡帶上的南襄盆地東緣(圖1)，凹陷東、南邊緣屬桐柏山系(圖2)，是在北西西向秦嶺造山帶褶皺造山以后，太平洋板塊向西俯沖、南北向構(gòu)造疊加在北西西向構(gòu)造之上所形成的新生代斷陷盆地。印支期由于中國大陸的南北向擠壓，形成了小型的山間盆地，此時(shí)北西向斷裂性質(zhì)為壓性和壓扭性，斷裂左旋活動(dòng)為凹陷形成奠定了基礎(chǔ)。燕山晚期，印支板塊與歐亞板塊的聚斂使內(nèi)鄉(xiāng)—桐柏?cái)嗔岩脖憩F(xiàn)為左旋活動(dòng)性質(zhì)，斷層側(cè)翼的地層受到擠壓和拉張，拉張地段形成隆起(或凸起)，唐河——栗園地段則表現(xiàn)為張剪性，同時(shí)誘導(dǎo)出北東向的栗園——泌陽張性斷裂，控制了泌陽凹陷的構(gòu)造輪廓、盆地的時(shí)空分布，且影響到成鹽作用的各個(gè)方面[5-7]。

圖1 泌陽凹陷大地構(gòu)造位置Fig.1 Geotectonic location map of Biyang Sag

1.2 凹陷構(gòu)造

北西向內(nèi)鄉(xiāng)—桐柏?cái)嗔押捅北睎|向栗園一泌陽斷裂是泌陽凹陷的控盆斷裂。唐河—栗園斷裂構(gòu)成了泌陽凹陷南部邊界斷裂、栗園—泌陽斷裂是泌陽凹陷東南部的邊界斷裂。由于左旋扭動(dòng)的北西向斷裂和右旋扭動(dòng)的北北東向斷裂所挾持的塊體做離散狀平移所形成的楔形斷陷，該斷裂從晚白堊世開始，隨著斷裂作用的加強(qiáng)，發(fā)生大幅度沉降，成為具有一定規(guī)模的南斷北超、南深北淺單斷式箕狀斷陷型凹陷。在北部斜坡帶特別是淺層發(fā)育后期斷層，向東南部的中部凹陷帶、南部陡坡帶斷層逐漸減弱[6-8]，鹽類礦產(chǎn)主要沉積于中部及深凹帶(圖2)。

圖2 泌陽凹陷綜合剖面Fig.2 Comprehensive sectional drawing in Biyang Sag

1.3 凹陷地層特征

1.3.1 凹陷周緣及基底地層

凹陷的周緣地層主要分布于凹陷東部、南部，基底在凹陷的深部和周緣有一定出露[9-10]。主要巖性為太古界桐柏山群混合巖；古元古界秦嶺巖群石槽溝巖組(Pt1sh)黑云斜長片麻巖、斜長角閃片麻巖夾透鏡狀大理巖，雁嶺溝巖組(Pt1y)大理巖夾斜長角閃片巖、黑云斜長片麻巖，中元古界龜山巖組(Pt2g)斜長角閃片巖、二云石英片巖、變粒巖、石榴蘭晶白云石英巖，中元古界大河組變粒巖、斜長角閃片巖等；下古生界二郎坪群劉山巖組(Pz1l)斜長角閃片巖夾角閃斜長變粒巖，斜長角閃片巖(細(xì)碧巖)、角閃斜長變粒巖、黑云二長變粒巖、斜長角閃片巖夾大理巖透鏡體，張家大莊組(Pz1z) 細(xì)碧巖、石英角斑巖，斜長角閃片巖、斜長角閃變粒巖，白云(二云)斜長變粒巖，夾有斜長角閃片巖及大理巖的透鏡體，大栗樹組(Pz1d) 斜長角閃片巖、角閃綠簾變粒巖、角閃更長變粒巖等。

1.3.2 泌陽凹陷沉積主體

構(gòu)成泌陽凹陷的沉積主體自下往上為古近系玉皇頂組—大倉房組、中部的核桃園組和上部的廖莊組。天然堿礦主要賦存于核桃園組一段、二段中，芒硝礦主要賦存于核桃園組三段核上部，廖莊組是石膏礦的主要賦礦層位(圖2、圖3)。

圖3 泌陽凹陷區(qū)域地質(zhì)簡圖Fig.3 Regional geological map of Biyang Sag

2 芒硝礦礦層地質(zhì)特征

2.1 芒硝礦分布特征

2.1.1 芒硝礦層平面分布

工作區(qū)芒硝礦賦存于凹陷東南部(圖4)，共圈出芒硝礦層4個(gè)，自上而下分別為1、2、21、3芒硝層，其中1、2芒硝層為區(qū)內(nèi)主要礦層。目前勘查的芒硝礦層長軸為近南北向展布，單礦層分布面積最小0.35 km2，最大2.90 km2，各礦層垂向疊合面積約為3.50 km2，埋深1 003.66～1 397.58 m,含礦段厚度最大約為394 m。

2.1.2 芒硝礦垂向分布

芒硝礦與其深部的天然堿礦遵循著從碳酸鹽到硫酸鹽成礦的一般規(guī)律，呈現(xiàn)出既相互聯(lián)系(礦床成因)又相對獨(dú)立(礦層賦存層位)的特征。平面分布上兩礦種相互重疊，垂向分布上嚴(yán)格受層位控制，芒硝礦主要賦存在核三段上部，賦存標(biāo)高-822.75～-1 237.73 m，剖面上兩礦層最近相隔約250 m[3](圖3、圖4)。

圖4 芒硝礦區(qū)第4勘探線剖面及礦層分布推測Fig.4 No.4 exploration line profile map containing prediction of distribution of ore beds in mirabilite mine

2.2 芒硝含礦段礦層特征

2.2.1 含礦層位

芒硝礦含礦段集中分布于古近系核桃園組核三段上部，礦層頂界距核三段與廖莊組界面距離一般4～40 m，最大60.38 m(圖4)。由于所處的構(gòu)造部位不同，礦層發(fā)育也不相同，其埋深和層數(shù)也有很大差別，在凹陷沉積中心礦層多，邊部礦層逐漸減少。

2.2.2 厚度及變化特征

(1)芒硝礦礦層厚度一般5.68～11.86 m，平均厚度8.93 m，由北西向南東形成的凹陷沉積中心(ZK05—ZKM02)厚度逐漸加大，向沉積中心次級凹陷的邊部減薄尖滅。

(2)鉆孔控制的礦層傾向東南，傾角較緩，大部分10°以內(nèi)，靠近東部傾角15°左右；推測向東南部凹陷中心產(chǎn)狀變陡，過中心后逐漸抬起，呈箕形(圖4)。

2.3 含礦層巖性

芒硝礦的賦礦層位核桃園組三段主要巖性有白云巖類、泥巖、芒硝巖、細(xì)—粉砂巖以及少量的薄層油頁巖、堿巖。

(1)芒硝巖：主要是無水芒硝巖，灰白、淺黃、黃棕、灰、灰褐、深褐色，結(jié)晶粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造、層狀構(gòu)造。加稀鹽酸不反應(yīng)，易溶于水。

(2)白云巖：主要巖性為砂質(zhì)泥晶白云巖、泥晶白云巖、含泥質(zhì)泥晶白云巖、泥質(zhì)白云巖、砂質(zhì)白云巖及含沸石白云巖。顏色為淺灰、灰、深灰、灰褐色。自下而上白云巖逐漸減少，逐漸過渡為泥巖、泥砂巖，具微薄層理構(gòu)造、塊狀構(gòu)造。層理厚0.04～7 mm，多為水平層理，交錯(cuò)及遞變紋層。局部見到鳥眼、溶孔、溶洞和泥裂構(gòu)造以及縫合線構(gòu)造。白云巖類的顯微結(jié)構(gòu)為晶粒結(jié)構(gòu)和粒屑結(jié)構(gòu)。

(3)泥巖：多分布在芒硝礦層上、下部或以夾層出現(xiàn)。呈灰、深灰、褐灰色，巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和白云質(zhì)泥巖，單層厚度3～10 m。泥巖普遍含沸石礦物。據(jù)中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)分析結(jié)果，沸石含量一般1%～5%，少數(shù)高達(dá)25%～26%。

2.4 礦石質(zhì)量特征

本芒硝礦床為品位穩(wěn)定、成分簡單的可溶性礦床。有用組分Na2SO4，其他元素含量均很低，暫不能利用[1-3]。

2.4.1 礦石的礦物成分

(1)芒硝礦礦物組合：礦物組合簡單，為無水芒硝+鈣芒硝+少量石鹽。

(2)主要礦物：無水芒硝，伴生礦物主要是鈣芒硝，少量石鹽，局部少量重碳?xì)溻c鹽礦物，雜質(zhì)礦物以黏土礦物、白云石為主，可溶雜質(zhì)含量甚微。主要礦物特征如下：①無水芒硝(Na2SO4)：斜方晶系，晶體呈短柱狀或針狀。黃棕色，玻璃、油脂光澤，硬度2.5～3.0，易溶于水，解理完全—中等，味清涼略苦咸，極易潮解。在空氣中易漸變?yōu)榘咨勰畹拿⑾?，在其表面形成一層白色或灰白色薄膜。鏡下無色透明，Ng=1.485，Nm=1.474，Np=1.464。二軸晶(+)，2V=85°，負(fù)突起中度，長柱狀，粒徑0.1 mm×0.5 mm～0.4 mm×4.4 mm， 平行消光，二級鮮艷干涉色，定向排列。無水芒硝常構(gòu)成單礦物巖。呈層狀、透鏡狀產(chǎn)出，在泥巖中呈團(tuán)塊狀、結(jié)核狀產(chǎn)出。②鈣芒硝(Na2SO4·CaSO4)：呈自形的菱形板狀和短柱狀以及半自形粒狀。灰色，透明，玻璃光澤，條痕白色，貝殼狀斷口。{001}解理完全，{110}解理不完全。密度2.68 t/m3，硬度2.5～3.0，性脆，味微咸，緩慢溶于水。粒徑0.1 mm×0.2 mm～1.2 mm×4.4 mm，二級鮮艷干涉色，二軸晶。鈣芒硝一般呈紋層狀分布于泥質(zhì)白云巖中，或與白云石組成白云石鈣芒硝，含量約為10%～80%。③陸源碎屑礦物：主要有長石、石英、黑云母、白云母還有石榴石、角閃石、電氣石、簾石、綠泥石、磷灰石、透閃石、金紅石、榍石、鋯石、曲晶石、藍(lán)晶石、磁鐵礦、鈦鐵礦、菱鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、磁褐鐵礦、磁赤鐵礦、赤褐鐵礦、黃鉀鐵釩、白鈦石、白鎢礦、白鉛礦、銳鈦礦、自然鉛、自然鋅、自然銅、孔雀石、剛玉、石墨等。

2.4.2 芒硝礦的化學(xué)成分

(2)稀有元素含量甚微，I-含量在0.002%～0.005%，B203為0.007%～0.036%；K+為0.027%～0.089%,Sr2+為0.001%～0.050%。

(3)有害組分主要為Fe2O3、Cl-、Mg2+、 Ca2+。其含量甚微，低于工業(yè)要求規(guī)定的允許含量，對工業(yè)生產(chǎn)和食用沒有影響。1芒硝層Ca2+和2、3芒硝層Cl-含量超過規(guī)范允許有害組分最大含量。

(4)有害重金屬元素Zn、Cr、Mn、Fe、Cu、M、Co、Mo、Pb含量甚微；放射性元素U、Th、Ra含量較低。

2.5 圍巖和夾石

芒硝礦層的圍巖和夾石均為為泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)泥巖。夾石與礦層界面清晰，呈層狀、似層狀分布于礦層中間。夾層一般厚1～3 m，最厚17.96 m。

3 芒硝礦成礦地質(zhì)條件及成因探討

3.1 芒硝礦形成的地質(zhì)條件

3.1.1 豐富的物質(zhì)來源

3.1.2 “高山深盆”的古地勢

“高山深盆”成鹽模式是袁見齊提出的[14]。泌陽凹陷在其控盆斷裂的作用下使上升盤一側(cè)地勢高峻，下降盤一側(cè)形成深凹陷，呈現(xiàn)南斷北超的單斷箕狀形態(tài)(圖2)，其周圍被山嶺環(huán)繞，南部和東部、東北部山勢高峻，北部低緩，西部則以一個(gè)低隆超與南陽凹陷相隔，呈一封閉較好的內(nèi)陸盆地，呈現(xiàn)“高山深盆”的古地勢。

3.1.3 炎熱干旱的古氣候環(huán)境

含微體古生物化石表明古近紀(jì)始新世～漸新世時(shí)期高山深盆的地貌景觀和炎熱干旱的古氣候環(huán)境。

(1)核桃園組—廖莊組安3井的介形蟲化石主要有：四方爬星介(Herpetocypris quatrata)、近圓球金星介(Cypris subglobosa)、三角真星介(Euypris tribulosus)、呆板美星介(Cyprinotus nefandus)

(2)核桃園組—廖莊組安3井的輪藻：潛江扁球輪藻(Gyrona qianjiangica)、拉氏輪藻( Raskyaechara sp.)

(3)核桃園組—廖莊組安3井的孢粉組合:裸子植物花粉占絕對優(yōu)勢，高達(dá)96.6%，被子植物花粉3.5%，蕨類植物孢子為0.8%。裸子植物花粉中以單束松粉屬(Abietineaepollenites)69.4%、雙束松粉屬(Pinuspollenites)12.1%，麻黃粉屬(ephedripites)6.3%，為主，還有一定數(shù)量的雪松粉屬(Cedripites)3.6%，云杉粉屬(Piceaepollentes)1.6%、杉粉屬(Taxodieceaepollenites)1%；此外還有少量的油杉粉屬(Keteleeris)、落葉松粉屬(Laricoidites)、無口器粉屬(Inaperturopollenites)等。被子植物花粉主要有三溝粉屬(Tcicolpites)2.6%，少量的蕓香粉屬(Rutaceoipollenites)、櫟粉屬(Quercoidites)、百合粉屬(Liliacidites)、眼子菜粉屬(Potamogetoniaeaepites)等。蕨類植物孢子主要為鳳尾蕨孢屬(Pterisisporites)0.4%，還有少量的瘤紋四孢屬(Verruteraspora)等。

核桃園組孢粉組合反映的植被主要為落葉松屬、雪松屬、杉屬、云杉屬、麻黃屬等，而闊葉植物胡桃屬、百合屬、櫟屬、楝屬、蕓香屬及蕨類植物孢子鳳尾蕨孢屬、水龍骨孢屬等僅個(gè)別出現(xiàn)，水生植物偶見眼子菜屬、黑三棱屬，但十分稀少。

(4)分析其形成的植物認(rèn)為：當(dāng)時(shí)凹陷周圍遠(yuǎn)處為高山，針葉樹林非常繁茂，山下平原地帶稀疏地生長著一些被子植物，湖泊周圍荒漠鹽堿地帶生長著大量的麻黃植物，水邊或水中生著稀少的水生植物，呈現(xiàn)“高山深盆”地貌景觀。

(5)對安3井孢粉組合分析表明泌陽凹陷在古近紀(jì)始新世～漸新世時(shí)期為亞熱干旱—半干旱氣候；巖石組合特征顯示為干旱為主，交替出現(xiàn)的相對濕潤的氣候環(huán)境，是鹽類礦產(chǎn)形成的有利氣候條件。

3.1.4 物源方向及古水系

泌陽凹陷古湖盆為高山和隆起所環(huán)抱，它們?yōu)榕璧爻练e提供了豐富的物質(zhì)來源，經(jīng)由常年性河流或季節(jié)性洪水的攜帶注入湖盆(圖5)。

圖5 泌陽凹陷核三段沉積巖相及物源水系分布Fig.5 Distribution map of sedimentary lithofacies,material source and water system

供給湖盆沉積物質(zhì)的常年性古河流在南部主要為平氏河，北部有來自西北方向經(jīng)古城、張廠流入和來自東北泌陽方向經(jīng)侯莊、王集流入的兩條河流。另外，南部由季節(jié)性洪水形成的山地河流也是供給湖盆沉積物質(zhì)的主要水道。它們?yōu)榕韬畈繋碡S富的形成芒硝礦的物質(zhì)組分，同時(shí)也在盆地邊緣形成大小不等的扇形三角洲粗碎屑沉積體，從而指示了物源來源和方向。

3.1.5 新近系蓋層保護(hù)及構(gòu)造破壞

(1)泌陽凹陷在古近系晚期形成芒硝礦后，氣候干旱，湖盆萎縮消失，快速沉積了厚達(dá)約720 m的廖莊組和第四系地層(圖3、圖5)，有效的在其成礦后形成有一定厚度的密不透水的保護(hù)蓋層,以有效阻擋和避免淡水對鹽層的溶解流失。

(2)廖莊組底面構(gòu)造顯示在凹陷的南部湖盆沉積中心區(qū)斷層不發(fā)育，對已形成的芒硝礦沒有進(jìn)行破壞(圖6)。

3.2 礦床成因分析

4 芒硝礦成鹽機(jī)理、分布規(guī)律及預(yù)測

4.1 芒硝礦的成鹽機(jī)理

(1)干旱的氣候條件和持續(xù)蒸發(fā)的環(huán)境，必然導(dǎo)致水體的逐漸濃縮和鹽類物質(zhì)按溶解度大小進(jìn)行沉淀、分異。其分異方式和分異特征則因盆地基底和盆地所處的構(gòu)造環(huán)境、構(gòu)造格局而有所不同。

(2)泌陽凹陷沉積盆地屬碎屑巖型鹽類沉積盆地，其周圍為山、盆地與外界隔離、形成較為孤立的自生自長的成巖盆地。由于基底分異不明顯，次級凹陷不發(fā)育，鹽類沉積在一個(gè)統(tǒng)一的水體中進(jìn)行，其深部形成了碳酸鹽堿礦，爾后形成了芒硝礦，屬單一式展布形式，見泌陽凹陷核三段沉積巖相圖(圖5)。

(3)泌陽凹陷芒硝礦的沉積相是周邊到中心為粗碎屑巖—細(xì)碎屑巖—泥巖—泥質(zhì)白云巖、白云巖。碎屑沉積和化學(xué)沉積在同一盆中交替進(jìn)行，形成了多層芒硝礦層。

4.2 芒硝礦的分布規(guī)律及預(yù)測

4.2.1 芒硝礦分布范圍預(yù)測

(1)凹陷中心的偏移：從形成堿礦的核一段至核二段的底面構(gòu)造圖和核三段的底面構(gòu)造圖可以看出，深部盆地面積遠(yuǎn)大于淺部，且向南東偏移，這與正常的凹陷沉積變化消亡原理是一致的，芒硝礦的沉積相對堿礦的沉積應(yīng)該向南東偏移，平面投影面積范圍在南東方向要超出核二段和核一段堿礦的投影范圍。

(2)廖莊組底面構(gòu)造(圖6)顯示：在核三段結(jié)束廖莊組開始的沉積中心廖莊—胡灣的兩個(gè)次凹呈北東走線、與栗園斷裂方向一致，平面投影位置與早期的形成堿礦的核二段、核一段相比向南東偏移。

(3)巖相古地理證據(jù)：從核三段形成芒硝礦的巖相圖(圖5)中白云巖的分布與堿礦的分布圖[7]對比可以看出，形成芒硝礦的白云巖相范圍變小且向南東偏移，可以想象，芒硝礦必然向南東偏移。

4.2.2 芒硝礦厚度變化預(yù)測

(1)平面顯示向南東加深。芒硝礦賦存的凹陷中心沉積區(qū)域南東為北東向控盆斷裂栗園—泌陽斷裂，凹陷沉積中心輪廓呈北東向、北西淺，南東深，沉積中心在廖莊—胡灣一帶(圖6、表1)。

圖6 泌陽凹陷廖莊組底面構(gòu)造及芒硝礦分布預(yù)測Fig.6 Structure map of Liaozhuang formation′s bottom surface containing prediction of mirabilite mine in Biyang Sag

表1 芒硝礦第4勘探線厚度變化趨勢Tab.1 Thickness trend in No.4 exploration line profile of mirabilite mine

(2)從剖面(圖4)可以表明礦層向南東向逐漸變厚的規(guī)律。芒硝礦層從沉積凹陷的邊部厚度較薄，向沉積中心增厚并趨穩(wěn)定(表1)，至南東邊部斷裂，礦層迅速尖滅(圖4)。

5 結(jié)論

(1)凹陷的芒硝礦湖湘蒸發(fā)沉積成因，產(chǎn)出的沉積相為白云巖，還原環(huán)境使形成的巖石由于有機(jī)質(zhì)含量較多呈灰綠色、暗灰及黑色，形成了地下水質(zhì)類型為硫酸鹽型，這是典型的找礦標(biāo)志。

(2)根據(jù)凹陷自白堊紀(jì)—古近世的演變，沉積中心逐漸向盆地南東偏移，同時(shí)芒硝礦的沉積面積位置也向南東偏移至廖莊組底面構(gòu)造圖顯示的廖莊—湖灣一帶。

(3)泌陽凹陷目前發(fā)現(xiàn)的芒硝礦分布區(qū)域并非它們?nèi)糠植挤秶⑾醯V的分布面積，是現(xiàn)控制面積的4倍，在礦層穩(wěn)定的情況下，泌陽凹陷的芒硝礦資源量是現(xiàn)在的4倍(達(dá)4億t)。