肅南縣水泥用石灰?guī)r礦地質(zhì)特征及成礦分析

逯 娟，劉天柱，蘇巧云

（1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué) 黃河流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)教融合研究院，蘭州 730021；2.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心甘肅總隊(duì)，甘肅 天水 741000）

甘肅省石灰?guī)r礦床分布廣泛，品位穩(wěn)定[1-2]。肅南裕固族自治縣（簡(jiǎn)稱肅南縣）隸屬于張掖市，其所轄大河鄉(xiāng)石灰石礦儲(chǔ)量豐富。研究區(qū)東北部有兩個(gè)露天采礦場(chǎng)，以往開(kāi)采活動(dòng)沿山坡形成較大面積的剝土，基巖裸露，對(duì)原地形地貌造成一定的破壞。前人已在該地區(qū)進(jìn)行大量的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和地質(zhì)普查研究[3-4]，但未對(duì)周邊礦區(qū)進(jìn)行深部鉆探及系統(tǒng)的采樣化驗(yàn)，對(duì)礦體深部品位的變化了解不夠。此外，前人只進(jìn)行路線地質(zhì)調(diào)查及揀塊樣分析，對(duì)礦體的了解不夠深入細(xì)致。鑒于此，本文通過(guò)實(shí)地踏勘，選擇基巖出露較好地段進(jìn)行實(shí)測(cè)剖面測(cè)量，查明研究區(qū)地層、構(gòu)造等基本特征，確定填圖單元，進(jìn)行1∶2 000 地質(zhì)測(cè)量，同時(shí)根據(jù)階段性勘查及地質(zhì)測(cè)量圈定的礦體進(jìn)行勘探線剖面測(cè)量、探槽施工編錄、鉆探施工編錄、采樣等野外地質(zhì)工作，對(duì)區(qū)內(nèi)石灰?guī)r礦層的賦存規(guī)律及礦石質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)研究，從而為區(qū)域水泥用石灰石礦開(kāi)采提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)自然地理與地質(zhì)特征

1.1 自然地理特征

研究區(qū)位于肅南縣境內(nèi)，總體地勢(shì)由南西向北東傾斜，海拔為2 180～2 397 m，最大高差約為217 m。它屬于淺切割低中山區(qū)，同時(shí)分布有中間溝谷微地貌[3]。研究區(qū)屬高寒半干旱氣候區(qū)，具有干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈、日照時(shí)間長(zhǎng)、晝夜溫差較大等特點(diǎn)。研究區(qū)無(wú)長(zhǎng)年地表徑流，季節(jié)性河流分屬石羊河、黑河、疏勒河三大水系，總流域面積為21 462.2 km2。其中，隆暢河從礦區(qū)南側(cè)流過(guò)。植被主要為駱駝刺、茵陳、芨芨草、羊胡草及沙蔥等旱生植物。天然狀態(tài)下，研究區(qū)內(nèi)常見(jiàn)陡峭的石灰?guī)r懸崖，對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡進(jìn)行不同黏合劑噴播修復(fù)，未見(jiàn)較明顯的崩塌、滑坡等現(xiàn)象，其穩(wěn)定性較好[5]。研究區(qū)礦產(chǎn)分布廣泛，現(xiàn)探明的礦產(chǎn)主要有煤、銅、鉛及多金屬礦等，石灰?guī)r、硅石次之。研究區(qū)內(nèi)人煙稀少，無(wú)固定居民點(diǎn)，生產(chǎn)力水平低下，經(jīng)濟(jì)極其不發(fā)達(dá)。

1.2 地質(zhì)特征

研究區(qū)屬祁呂賀蘭山字型構(gòu)造帶西翼祁連山支脈榆木山區(qū)的華北地層大區(qū)祁連-北秦嶺地層分區(qū)北祁連地層小區(qū)。根據(jù)1∶1 000 地質(zhì)剖面測(cè)量和1∶2 000 地質(zhì)測(cè)量，研究區(qū)大范圍被第四系覆蓋，主要地層有志留系下統(tǒng)骯臟溝組（S1a）、石炭系下統(tǒng)臭牛溝組（C1c）、石炭系上統(tǒng)羊虎溝組（C2y）和第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層（Qp3eol）。其中，石炭系下統(tǒng)臭牛溝組為石灰?guī)r礦體的賦礦層位。研究區(qū)內(nèi)地層總體呈單斜產(chǎn)出[6-8]，僅在較為軟弱的泥質(zhì)粉砂巖及細(xì)晶灰?guī)r中發(fā)育有小型的褶皺構(gòu)造，但規(guī)模極小，對(duì)研究區(qū)內(nèi)石灰?guī)r礦體沒(méi)有影響。區(qū)內(nèi)巖石未變質(zhì)或具輕度的區(qū)域變質(zhì)作用，石炭系地層中泥質(zhì)礦物均有輕微的絹云母化[9]。

2 成礦規(guī)律

2.1 成礦地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)石灰?guī)r礦床主要成礦時(shí)期為石炭紀(jì)，礦體規(guī)模大，成分單一。成礦控制因素主要有3 個(gè)。一是地層條件。研究區(qū)地層隸屬華北地層大區(qū)祁連-北秦嶺地層分區(qū)的北祁連地層小區(qū)，賦礦地層為石炭系下統(tǒng)臭牛溝組碳酸鹽巖建造，巖性為淺灰色-灰色細(xì)晶灰?guī)r。二是構(gòu)造條件。研究區(qū)大地構(gòu)造屬祁呂賀蘭山字形構(gòu)造體系西翼的一部分，有若干北西西向的褶皺軸線和斷裂構(gòu)造線組合而成，并伴生北北東和北西西兩組斷裂。三是沉積變質(zhì)環(huán)境。石灰?guī)r的形成過(guò)程漫長(zhǎng)，主要在淺海環(huán)境中形成。隨著帶有鈣元素的水不斷流入，這些水域鈣含量不斷增多，它與溶于水中二氧化碳結(jié)合，形成以碳酸鈣為主要成分的石灰?guī)r類沉積巖。

2.2 礦床成因

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及礦床地質(zhì)特征，研究區(qū)石灰?guī)r礦主要賦存于石炭系下統(tǒng)臭牛溝組，巖石組合類型為灰色-深灰色薄層-中厚層石灰?guī)r，局部夾灰黑色薄層粉砂質(zhì)泥巖和石英砂巖夾層。礦體延伸較長(zhǎng)，礦石質(zhì)量較穩(wěn)定，因此，推斷該礦床的成因類型為海相化學(xué)沉積型礦床。

2.3 找礦標(biāo)志

一是地層標(biāo)志。研究區(qū)內(nèi)石灰?guī)r礦主要賦存于石炭系下統(tǒng)臭牛溝組第三巖性段（C1c3），因此區(qū)內(nèi)主要找礦地層標(biāo)志為石炭系下統(tǒng)臭牛溝組碳酸鹽巖建造。研究區(qū)內(nèi)粉砂質(zhì)泥巖礦（Ⅱ）主要賦存于石炭系上統(tǒng)羊虎溝組第一巖性段（C2y1），覆蓋于石灰?guī)r礦體上層。二是地貌標(biāo)志。受石灰?guī)r礦石質(zhì)量特征影響，石灰?guī)r多出露在山體較陡峭地段，構(gòu)成山脊或山勢(shì)陡峭的懸崖、陡壁。因此，研究區(qū)內(nèi)山脊及較陡峭地段更易發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r出露。三是巖石標(biāo)志。研究區(qū)內(nèi)石灰?guī)r礦體賦礦層厚度較小，控制區(qū)域頂板為粉砂質(zhì)泥巖，底板為泥質(zhì)粉砂巖，石灰?guī)r礦顏色主要為淺灰-深灰色，巖石較易與非礦巖層分異。

3 礦石特征

3.1 礦石結(jié)構(gòu)

根據(jù)巖礦鑒定成果，礦石結(jié)構(gòu)主要有2 種。一是細(xì)晶結(jié)構(gòu)，即細(xì)晶石灰?guī)r。礦石中主要礦物方解石粒徑多介于0.1～1.0 mm，泥晶最小粒徑小于0.004 mm，相互不均勻混雜，大多較大的顆粒具解理或聚片雙晶，有些較大的顆粒明顯拉長(zhǎng)，并沿長(zhǎng)軸方向局部聚集，呈不規(guī)則小團(tuán)狀，似角礫；部分礦石中有粒度略粗的方解石，呈團(tuán)、帶、脈分布與穿插。二是變余粉砂結(jié)構(gòu)，即粉砂質(zhì)泥巖。礦石中主要礦物為粒徑小于0.004 mm 的泥晶石英粉砂，還含有少量的絹云母和方解石，相互不均勻混雜，絹云母呈鱗片狀分布。

3.2 礦石構(gòu)造

礦石構(gòu)造根據(jù)沉積層理厚度劃分為2類。一是薄層狀構(gòu)造。巖層層理厚度在0.01～0.10 m，一般為0.02 m。主要為粉砂質(zhì)泥巖礦石，分布在石炭系上統(tǒng)羊虎溝組第一巖性段地層中。二是中厚層狀構(gòu)造。巖層層理厚度在0.1～1.0 m，一般為0.5 m。主要為石灰?guī)r礦石，分布在石炭系下統(tǒng)臭牛溝組第三巖性段。

3.3 礦石化學(xué)成分

對(duì)8 件樣品進(jìn)行化學(xué)全分析，具體化學(xué)成分含量及變化系數(shù)如表1所示。樣品分析結(jié)果顯示，礦石中有用組分CaO 含量介于47.18%～52.54%，平均值為50.82%，變化系數(shù)為3.66%，含量較高，變化小，分布均勻；有害組分MgO 含量介于0.47%～0.70%，平均值為0.60%，變化系數(shù)為14.56%，含量小，變化小，分布均勻。其他組分含量變化較穩(wěn)定，分布均勻，說(shuō)明礦體質(zhì)量變化較穩(wěn)定。

表1 水泥用石灰?guī)r礦化學(xué)分析

對(duì)本研究中詳查采集的160 件基本分析樣進(jìn)行分析結(jié)果合并、統(tǒng)計(jì)整理，共計(jì)92 件石灰?guī)r樣品參與資源量估算。對(duì)主要組分CaO、MgO、K2O、Na2O 和K2O+Na2O 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如表2所示。經(jīng)主要組分分析，各樣品中有用組分CaO 含量介于45.21%～53.61%，平均值為50.63%，變化系數(shù)為4.29%，變化率小，分布均勻；MgO 含量介于0.24%～1.52%，平均值為0.54%，變化系數(shù)為43.05%，變化率較大，分布較均勻；K2O+Na2O 含量介于0.03%～0.29%，平均值為0.10%，變化系數(shù)為44.05%，變化率較大，分布較均勻。

表2 水泥用石灰?guī)r礦主要組分

3.4 礦石類型

研究區(qū)內(nèi)石灰?guī)r礦石自然類型單一，結(jié)構(gòu)以細(xì)晶結(jié)構(gòu)為主，少量為不等晶結(jié)構(gòu)，構(gòu)造以中厚-厚層狀構(gòu)造為主，薄層狀次之。按照巖礦鑒定成果，礦石自然類型大致可以分為兩類。一是細(xì)晶石灰?guī)r。它是研究區(qū)內(nèi)水泥用石灰?guī)r礦的主要礦石類型，礦石呈細(xì)晶結(jié)構(gòu)，為中厚層狀構(gòu)造。礦石呈淺灰-暗灰色，礦物成分主要為細(xì)晶方解石（85%），少量為生物碎屑（10%）、石英（3%）及碳質(zhì)（2%）等，副礦物有黃鐵礦等。生物碎屑主要為腕足類、海百合莖和?類等[10]。二是粉砂質(zhì)泥巖。它是水泥配料用黏土礦的礦石類型。該類礦石多呈薄層狀構(gòu)造，為粉砂結(jié)構(gòu)。礦石中主要礦物成分為石英（64%），其他成分有泥質(zhì)（23%）、黑云母（5%）、斜長(zhǎng)石（3%）、絹云母（3%）及碳質(zhì)（2%）等。副礦物有黃鐵礦、磁鐵礦、鈦鐵礦等，該類礦石廣泛分布于礦體中。

3.5 礦石品級(jí)

一是細(xì)晶石灰?guī)r。根據(jù)《礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范 石灰?guī)r、水泥配料類》（DZ/T 0213—2020），細(xì)晶石灰?guī)r劃分為兩個(gè)品級(jí)，即Ⅰ級(jí)品和Ⅱ級(jí)品，如表3所示。參與資源量估算的石灰?guī)r樣品共計(jì)92 件，其中，Ⅰ級(jí)品有80 件，占全部樣品的86.96%，Ⅱ級(jí)品有12 件，占全部樣品的13.04%。根據(jù)石灰?guī)r礦石的基本分析結(jié)果，石灰?guī)r礦體厚度較小，Ⅰ級(jí)品與Ⅱ級(jí)品分布無(wú)規(guī)律，無(wú)法單獨(dú)圈定，故本研究中資源量估算塊段均沒(méi)有按品級(jí)劃分，全部當(dāng)Ⅰ級(jí)品處理。二是粉砂質(zhì)泥巖。根據(jù)《礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范 石灰?guī)r、水泥配料類》（DZ/T 0213—2020），粉砂質(zhì)泥巖劃分為兩個(gè)類別，即一類和二類，水泥配料類礦石化學(xué)成分一般要求如表4所示[11]。硅酸率表示熟料硅酸鹽礦物（SiO2）與熔劑礦物（Al2O3+Fe2O3）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比，鋁氧率表示生、熟料中氧化鋁和氧化鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比。一類黏土質(zhì)原料硅酸率為3～4，鋁氧率為1.5～3.0；二類黏土質(zhì)原料硅酸率為2～3，鋁氧率不限。硅鋁質(zhì)原料中，Cl-含量為0.02%，P2O5含量為0.80%。本研究中，粉砂質(zhì)泥巖礦石均按二類進(jìn)行資源量估算。

表3 石灰質(zhì)原料礦石化學(xué)成分一般要求

表4 水泥配料類礦石化學(xué)成分一般要求

3.6 礦體圍巖

研究區(qū)內(nèi)礦體賦存于石炭系下統(tǒng)臭牛溝組第三巖性段。其中，礦體底板圍巖主要為石炭系下統(tǒng)臭牛溝組第二巖性段（C1c2）粉砂巖夾石英砂巖。根據(jù)基本分析，底板圍巖的CaO 平均含量為15.03%，其屬低鈣巖石，因此在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)多加注意區(qū)分，以免降低礦石品位；礦體頂板圍巖主要為石炭系上統(tǒng)羊虎溝組第一巖性段粉砂質(zhì)泥巖，其硅酸率基本能夠滿足水泥配料用黏土礦的要求，頂板處圍巖主要為石英砂巖夾層，因此在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)注意剝離，防止礦石品級(jí)下降。

4 結(jié)論

經(jīng)水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)水泥用石灰?guī)r礦開(kāi)采技術(shù)條件屬中等類型。根據(jù)《礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范 石灰?guī)r、水泥配料類》（DZ/T 0213—2020）對(duì)石灰?guī)r礦床勘查類型的劃分依據(jù)，本礦床勘查確定為簡(jiǎn)單類型。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及礦床地質(zhì)特征，研究區(qū)石灰?guī)r礦主要賦存于石炭系下統(tǒng)臭牛溝組，巖石組合類型為灰色-深灰色薄層-中厚層石灰?guī)r，局部夾灰黑色薄層粉砂質(zhì)泥巖和石英砂巖夾層，礦體延伸較長(zhǎng)，礦石質(zhì)量較穩(wěn)定，因此推斷該礦床的成因類型為海相化學(xué)沉積型礦床。通過(guò)地表探槽控制和深部鉆孔驗(yàn)證，對(duì)礦區(qū)樣品進(jìn)行化學(xué)全分析試驗(yàn)。結(jié)果表明，礦體主要有用組分CaO 含量介于45.21%～53.61%，平均值為50.63%，變化系數(shù)為4.29%，變化率小，分布均勻；MgO 含量介于0.24%～1.52%，平均值為0.54%，變化系數(shù)為43.05%，變化率較大，分布較均勻；K2O+Na2O 含量介于0.03%～0.29%，平均值為0.10%，變化系數(shù)為44.05%，變化率較大，分布較均勻，滿足水泥用石灰質(zhì)原料礦Ⅰ級(jí)品要求?？傮w來(lái)看，該礦各有用組分含量變化基本平穩(wěn)，分布均勻，礦體質(zhì)量變化穩(wěn)定。