新疆庫(kù)爾楚石膏礦地質(zhì)特征及成因分析

李奇林，張小林，李作武，張 磊

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心新疆總隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830000)

石膏是一種用途廣泛的工業(yè)材料和建筑材料，可用于水泥緩凝劑、石膏建筑制品、模型制作、醫(yī)用食品添加劑、硫酸生產(chǎn)、紙張?zhí)盍?、油漆填料等，目前，我?guó)已是石膏消費(fèi)大國(guó)，未來隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定提升，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與房地產(chǎn)行業(yè)發(fā)展，在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，石膏行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

本文在收集新疆庫(kù)爾勒市庫(kù)爾楚石膏礦詳查地質(zhì)工作資料的基礎(chǔ)上，通過對(duì)區(qū)域地質(zhì)背景、礦區(qū)地質(zhì)特征、礦床成因的分析，總結(jié)了成礦規(guī)律和成礦模式。在工作開展過程中發(fā)現(xiàn)礦體東側(cè)存在一條逆斷層，截?cái)嗔耸嗟V層，推測(cè)礦區(qū)以東深部存在隱伏石膏礦體。對(duì)該成礦帶的石膏找礦工作具有一定的指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

庫(kù)爾楚石膏礦處于東阿賴—哈爾克山(復(fù)合溝弧帶)Au-Sb-Sn-RM-REE-Mn-Fe—紅柱石—螢石—寶玉石—石膏—鹽類礦帶，該成礦帶具有良好的石膏找礦前景。礦區(qū)大地構(gòu)造位置屬于塔里木板塊北緣陸緣增生褶皺帶庫(kù)魯克塔格早古生代弧前盆地，區(qū)內(nèi)出露地層由老至新有：滹沱統(tǒng)興地塔格巖群、下石炭統(tǒng)野云溝組，其中下石炭統(tǒng)野云溝組(C1yy)是石膏礦的主要賦存層位(圖1)。

圖1 庫(kù)爾楚石膏礦區(qū)域地質(zhì)圖

區(qū)域內(nèi)褶皺構(gòu)造發(fā)育，形成一系列北西向的褶皺構(gòu)造，地層整體受北東—南西向擠壓應(yīng)力影響。區(qū)域內(nèi)深大斷裂十分發(fā)育，北為那拉提深斷裂，南為哈爾克山深斷裂。區(qū)內(nèi)地層受這些深大斷裂影響十分明顯，區(qū)內(nèi)由這些深大斷裂派生的次一級(jí)斷裂也十分發(fā)育。這些斷層各個(gè)方向都發(fā)育，形成期次也十分復(fù)雜，主要以北西向斷層為主。

區(qū)域侵入巖十分發(fā)育，巖漿活動(dòng)由老至新有古元古代侵入巖和石炭紀(jì)侵入巖。巖漿活動(dòng)以石炭紀(jì)為主，大面積分布于區(qū)域中部及北部，古元古代侵入巖小面積分布于區(qū)域北東部，出露的巖性有石炭紀(jì)黑云母花崗巖(γβC2)，巖石具粗粒結(jié)構(gòu)，斑狀花崗結(jié)構(gòu)，屬殼源鈣堿性；石炭紀(jì)二云母花崗巖(γβmC2ND)，花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，屬混源鈣堿性。此外北東角發(fā)育有古元古代斜長(zhǎng)花崗巖(γoβmPt)，鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，屬幔源鈣堿性。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層

礦區(qū)出露地層較簡(jiǎn)單，僅見下石炭統(tǒng)野云溝組(C1yy)，在礦區(qū)內(nèi)大面積分布，巖性以深灰色炭質(zhì)板巖、灰黑色含炭質(zhì)變質(zhì)細(xì)砂質(zhì)粉砂巖、少量灰黃色粉砂質(zhì)絹云母板巖及灰白色石膏為主，為一套海相沉積的陸源碎屑巖、碳酸鹽巖建造。產(chǎn)狀50°～90°∠45°～75°，整體上地層產(chǎn)狀由北至南有變陡的趨勢(shì)。第四系沿山前及溝谷地段分布，主要以松散堆積物為主，覆蓋厚度＜0.5m(圖2)。

圖2 礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2.2 構(gòu)造

礦區(qū)整體受區(qū)域近東西向的應(yīng)力擠壓，致使礦區(qū)內(nèi)及外圍見多處褶曲和揉皺現(xiàn)象，同時(shí)在礦區(qū)東部發(fā)育一條貫穿礦區(qū)的斷層，宏觀上以斷層陡坎、斷層泥等標(biāo)志顯示，斷層呈近南北向，礦區(qū)范圍內(nèi)出露長(zhǎng)度554m，南北兩端均延出礦區(qū)。斷層為北北西—南南東向延伸的逆斷層，斷層面產(chǎn)狀214°～291°∠53°～76°。斷層上盤中部為下石炭統(tǒng)野云溝組石膏礦層(C1yy(Gy))，南北兩端為下石炭統(tǒng)野云溝組變質(zhì)細(xì)砂質(zhì)粉砂巖夾炭質(zhì)泥巖夾板巖(C1yy(st+ms+sl))，上盤巖層順層延伸至斷層面中斷，斷層下盤巖性為下石炭統(tǒng)野云溝組灰黑色變質(zhì)細(xì)中粒巖屑石英砂巖夾炭質(zhì)泥巖(C1yy(ss+ms))。斷裂帶巖石擠壓破碎特征明顯(圖3)，深部鉆孔中見構(gòu)造角礫巖(圖4)和斷層泥，成分復(fù)雜，多見石英、石膏、巖屑石英砂巖碎塊。斷層對(duì)礦體整體形態(tài)影響較大，完全控制了礦體的東界，南部使礦層變陡，深部截?cái)嗟V體。

圖3 斷層特征

圖4 鉆孔中構(gòu)造角礫巖

2.3 巖漿巖

礦區(qū)侵入巖不發(fā)育，僅在礦區(qū)北東角見小面積的花崗巖體出露，花崗巖體侵入礦體頂板下石炭統(tǒng)野云溝組灰黑色變質(zhì)細(xì)中粒巖屑石英砂巖中，野外特征顯示巖體的侵位使得下石炭統(tǒng)野云溝組各類巖石均受到北東—南西向擠壓變形。

脈巖僅在石膏礦體北部外圍見2條近東西向分布的石英脈，對(duì)石膏礦體無影響。

3 礦體特征

3.1 礦體形態(tài)規(guī)模產(chǎn)狀

礦體位于礦區(qū)中部，賦存于下石炭統(tǒng)野云溝組(C1yy)上部，呈南北寬、中部略窄的紡錘狀產(chǎn)出，礦層為白色中粒石膏層，呈北北西—南南東向展布，傾向北東東，東界受逆斷層嚴(yán)格控制，礦體長(zhǎng)552m，寬70m，地表平均厚度45.8m，鉆孔控制平均厚度21.4m，礦體北部產(chǎn)狀較穩(wěn)定，產(chǎn)狀50°～65°∠45°～55°，南部受構(gòu)造影響，產(chǎn)狀明顯變陡，局部近直立，產(chǎn)狀65°～95°∠65°～85°。礦層向深部產(chǎn)狀有逐漸變陡的趨勢(shì)，延伸至逆斷層處，斷層傾角72°～81°，傾向與礦層傾向相反，因此在深部完全截?cái)嗔说V層，石膏礦體位于該逆斷層的上盤(圖5)。

圖5 庫(kù)爾楚石膏礦2-2′剖面圖

礦體頂板為深灰色變質(zhì)細(xì)中粒巖屑石英砂巖夾炭質(zhì)泥巖，底板為灰黑色炭質(zhì)板巖夾炭質(zhì)泥巖、含炭質(zhì)變質(zhì)細(xì)砂質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)絹云母板巖。

礦體夾層主要分布在礦體中部，巖性為黃褐色粉砂質(zhì)絹云母板巖及灰色微晶灰?guī)r，夾層整體呈近南北向分布的透鏡體狀產(chǎn)出，較小者長(zhǎng)35m，寬3m，相對(duì)較大者長(zhǎng)92m，寬2～3m，整體看來對(duì)礦體完整性影響不大。

3.2 礦石質(zhì)量

(1)礦石類型。

區(qū)內(nèi)礦石自然類型單一，為白色中粒雪花石膏[1]，礦石工業(yè)類型為層狀中粒石膏、硬石膏礦[2]。根據(jù)X射線衍射分析結(jié)果(表1)，礦石中石膏含量≥97.3%，半水石膏≤1%，蒙脫石、石英、綠泥石等其他礦物均≤1%。

表1 石膏礦石X射線衍射物相分析成果表 (單位：%)

(2)礦物成分和化學(xué)成分。

礦石具中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石由石膏、粉砂和少量雜基組成：粉砂含量≤10%，主要為石英，次為長(zhǎng)石，少量巖屑，磨圓中等，次棱角狀—次圓狀，粒徑以＜0.06mm的粉砂為主，長(zhǎng)石為斜長(zhǎng)石，石英為單晶石英，巖屑主要有千枚巖、云母碎片等。雜基：少量，變質(zhì)重結(jié)晶為隱晶狀長(zhǎng)英質(zhì)、顯微鱗片狀絹云母及碳酸鹽集合體，鱗片狀礦物平行定向排列，分布于粉砂之間。石膏含量≥90%，片狀，片徑0.1～1.2mm，無色，具一級(jí)灰白、淡黃干涉色，低負(fù)突起，雜亂不均勻分布(圖6、圖7)。

圖6 礦石手標(biāo)本

圖7 偏光顯微鏡下照片

礦石中CaSO4·2H2O平均含量79.87%，CaSO4平均含量7.45%，兩者含量在56.89%～99.37%之 間，CaSO4·2H2O+CaSO4含 量 加 權(quán) 平 均 值 為87.32%，H2O+含量加權(quán)平均值為16.30%。通過詳查工作，在礦區(qū)范圍內(nèi)1 482～1 732m標(biāo)高之間，查明石膏礦石資源量210.36萬t。

3.3 礦石及圍巖蝕變特征

石膏礦石未發(fā)生蝕變，圍巖中的炭質(zhì)板巖局部絹云母化蝕變特征明顯。含炭質(zhì)變質(zhì)細(xì)砂質(zhì)粉砂巖見絹云母化、綠泥石化蝕變特征，巖石中的雜基和部分碎屑變質(zhì)重結(jié)晶成隱晶狀長(zhǎng)英質(zhì)、顯微鱗片狀絹云母、綠泥石及炭質(zhì)碎片集合體，鱗片狀絹云母、綠泥石，片徑＜0.04mm，平行定向排列。

4 礦床成因與成礦模式

本礦床形成環(huán)境為早石炭世蒸發(fā)臺(tái)地沉積相，是成鹽盆地中的含鹽水體經(jīng)強(qiáng)烈蒸發(fā)沉積而成，因此礦床成因類型為蒸發(fā)沉積型[3]。

4.1 沉積盆地巖相變化

沉積盆地位于塔里木板塊北緣，奧陶紀(jì)以淺海盆地相沉積為主，奧陶紀(jì)末曾一度露出水面，遭受剝蝕，志留紀(jì)期間海域逐步縮小，為陸棚外緣的淺海盆地相沉積，至晚泥盆世上升為陸地，進(jìn)入石炭世隨著新疆各板塊的基本對(duì)接，塔里木板塊北緣進(jìn)入殘留海發(fā)展階段，沉積盆地在早石炭世為淺海、濱海相正常碎屑巖和碳酸鹽巖沉積，也是庫(kù)爾楚石膏礦的成礦期，在此期間海水深度及物質(zhì)來源的變化使得成礦盆地內(nèi)依次沉積灰?guī)r—粉砂巖與炭質(zhì)泥巖互層—石膏—砂巖與炭質(zhì)泥巖互層，泥巖中的炭質(zhì)成分為盆地周圍及盆地內(nèi)生物死亡后腐爛轉(zhuǎn)變的有機(jī)質(zhì)，同時(shí)礦區(qū)北部為河流補(bǔ)給入口(圖8)，帶來成礦物質(zhì)的同時(shí)也含有較多雜質(zhì)，在礦區(qū)北部形成較多粉砂質(zhì)泥巖小夾層，南部則形成相對(duì)穩(wěn)定的厚大石膏礦層。中、晚期為廣闊淺海的碳酸鹽巖及碎屑沉積，具有由瀉湖—廣?！獮a湖相的海進(jìn)—海退旋回，反映其沉積環(huán)境的穩(wěn)定性[4]。

圖8 早石炭世巖相古地理圖

4.2 氣候地理?xiàng)l件

在早石炭世成礦期，氣候持續(xù)炎熱干燥，海水強(qiáng)烈蒸發(fā)[5]，使水的礦化度不斷增高，石膏與鈣泥質(zhì)巖石組成的條紋條帶狀構(gòu)造，巖石的顏色由棕褐色→灰色→灰白色相間的巖系變化(圖9)，反映了氣候變化特征，即由干燥→濕潤(rùn)的交替變化。氣候濕潤(rùn)時(shí)，水量豐富，帶來大量成礦物質(zhì)；氣候干燥時(shí)，海水蒸發(fā)濃縮，當(dāng)水體中的蒸發(fā)量大于降水量和地表水流量時(shí)，盆地中的水體經(jīng)強(qiáng)烈蒸發(fā)，成礦物質(zhì)沉淀。

圖9 礦石顏色變化照片

4.3 成礦物質(zhì)來源

關(guān)于成礦盆地中鹵水內(nèi)鹽類物質(zhì)來源，有以下幾種可能：①盆地上游蝕源區(qū)長(zhǎng)期遭受風(fēng)化剝蝕，使大量的鹽類成礦物質(zhì)隨地表循環(huán)水體源源不斷地匯集到盆地中[6]；②在早石炭世的火山活動(dòng)中，伴隨著中基性火山巖的噴發(fā)，大量硫和硫化合物[7]聚集于成礦盆地，同時(shí)大量硫蒸氣從火山口噴出，在大氣中形成酸雨降于盆地內(nèi)；③盆地周圍大量植物死亡后，隨季節(jié)性流水進(jìn)入沉積盆地，同時(shí)水體中浮游生物、藻類等死亡后也沉入水底，這些有機(jī)物腐爛后，在還原環(huán)境下形成大量H2S氣體[8]，H2S氣體在氧化條件下形成SO42-，最后與Ca2+結(jié)合成礦[9]；④早期的碳酸鹽巖(灰?guī)r)被后期巖體帶來的硫的化合物交代[10]，斷層為流體的運(yùn)移提供通道，流體沿層間流動(dòng)、交代，礦體東部板巖起隔離層的作用，致使流體不能向西運(yùn)移。

4.4 物理化學(xué)條件

成礦盆地處于封閉[11]或半封閉的環(huán)境，盆地內(nèi)含鹽水體及上游注入水體所攜帶泥沙發(fā)生化學(xué)和物理交替沉積而形成濱—淺海相的粉砂質(zhì)與膏層的相互交替的組合特征。影響石膏、硬石膏形成和轉(zhuǎn)化的物理化學(xué)條件有溫度、壓力、鹽度、水體的pH值，Eh值、氧逸度[12]、水逸度等。

4.5 成礦模式探討

塔里木盆地在形成過程中經(jīng)歷了晉寧運(yùn)動(dòng)、加里東運(yùn)動(dòng)等大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，至海西期形成了以塔里木盆地為主的大盆地又發(fā)育一系列次級(jí)小盆地的古地貌格局[13]，其中庫(kù)爾楚石膏礦位于塔里木北緣的一個(gè)凹陷盆地內(nèi)。成礦盆地是成礦的重要外部條件，為礦床的形成提供有力的自然地理?xiàng)l件，在早石炭世成礦期由于成礦物質(zhì)的富集，伴隨著強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，湖盆水體中含鹽度不斷升高，當(dāng)水體中CaSO4的含量高于其溶解度時(shí)，就會(huì)以CaSO4·2H2O的形式析出，形成含水石膏晶體顆粒，于湖盆底部沉積成巖。原生沉積后，在盆地下沉、埋深增大、溫度升高的物理化學(xué)條件下，含水石膏脫水轉(zhuǎn)變?yōu)橛彩郲14]，反之，硬石膏又可水化為石膏，形成含水石膏與硬石膏共生的石膏礦層。在早石炭世成礦期后，受區(qū)域擠壓應(yīng)力的影響，原生石膏礦層被一逆斷層挫斷，上盤石膏礦層經(jīng)抬升出露于地表，即形成庫(kù)爾楚石膏礦體，斷層下盤石膏礦層埋深加大，形成隱伏石膏礦層。

因此，本礦床形成環(huán)境為早石炭世蒸發(fā)臺(tái)地沉積相，屬成鹽盆地中的含鹽水體經(jīng)強(qiáng)烈蒸發(fā)沉積成因類型。

5 結(jié)論

(1)庫(kù)爾楚石膏礦賦存于下石炭統(tǒng)野云溝組(C1yy)地層中，呈南北寬、中部略窄的紡錘狀產(chǎn)出，礦體長(zhǎng)552m，寬度70m，產(chǎn)狀50°～95°∠45°～85°，區(qū)內(nèi)查明石膏礦石資源量 210.36 萬 t。

(2)區(qū)內(nèi)礦石自然類型單一，為白色中粒雪花石膏，礦石工業(yè)類型為層狀中粒石膏、硬石膏礦，礦石中CaSO4·2H2O平均含量79.87%，CaSO4平均含量7.45%，兩者含量在56.89%～99.37%之間，CaSO4·2H2O+CaSO4含量加權(quán)平均值為87.32%。

(3)本礦床形成環(huán)境為早石炭世蒸發(fā)臺(tái)地沉積相，是成鹽盆地中的含鹽水體經(jīng)強(qiáng)烈蒸發(fā)沉積而成，礦床成因類型為蒸發(fā)沉積型。

(4)礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的逆斷層截?cái)嗔耸鄬樱乇沓雎兜氖嗟V體為斷層上盤膏層，推測(cè)礦區(qū)東部存在隱伏膏層，具有一定隱伏礦找礦前景。但該逆斷層斷距暫未查清，建議在斷層附近適當(dāng)位置布設(shè)鉆孔以查清斷距后進(jìn)一步確定找礦可行性。

(5)由于目前研究工作的欠缺，導(dǎo)致此礦床成礦物質(zhì)來源無法確定，建議后期補(bǔ)做硫同位素失蹤分析確定礦石中硫的物質(zhì)來源，進(jìn)一步深化礦床成因。