湖北省宜昌仓屋垭磷矿床基本特征

廖宗明, 余立新, 李方会, 刘圣德, 姚　燕

(1.湖北省宜昌地质勘探大队,湖北 宜昌　443100; 2.湖北省地质科学研究所,湖北 武汉　430034)

0　引言

磷矿是湖北省最重要的优势矿种,省内主要有兴神保磷矿集中分布区、宜昌磷矿集中分布区、荆襄磷矿集中分布区、鹤峰走马岭磷矿集中分布区、大悟磷矿集中分布区等。宜昌磷矿集中分布区近十几年来在找矿评价方面有重大进展,宜昌仓屋垭磷矿床就是其中之一[1]。

1　区域地质概况

研究区位于黄陵断穹北缘。黄陵断穹轴向北东16°,南北长70 km、东西宽40 km以上,为东翼平缓、西翼较陡的二元短轴断穹构造。断穹核部由晚元古代—晚太古代中深变质岩、混合岩及岩浆岩组成基底构造层。翼部由震旦系—三叠系地层(缺失下泥盆统和下石炭统)组成沉积盖层构造层,主要岩性为碳酸盐岩或碎屑岩,由老至新围绕断穹核部依次展布,它们之间大都呈整合或假整合接触,仅震旦系陡山沱组或南沱组与下伏地层呈角度不整合接触。与区域磷矿有关的地层为震旦系上统陡山沱组(Z1d),岩石组合为一套含硅锰质白云岩—黑色云质泥岩—磷块岩—白云岩。

雾渡河断裂走向北西,长数十千米,对黄陵断穹地质景观起着重要的控制作用,以其为分野,核南部侵入大量岩浆岩,核北部则以中深变质岩为主。同时,它也从总体上控制了宜昌磷矿的分布,该断裂以北的陡山沱组沉积了质优量大的磷矿床,而南盘则仅出现小而贫的磷矿点。

黄陵断穹北部及周缘在本世纪以前发现13个地表有磷矿层出露的磷矿区,自南向北依次为：晓峰、盐池河、殷家沟、桃坪河、丁家河、樟村坪、店子坪、殷家坪、树崆坪、白果园、栗西、灰石垭、杉树垭磷矿区。本世纪以来,在以上矿区以北经勘查发现了多个新的磷矿区,宜昌仓屋垭磷矿即为其中之一。

仓屋垭磷矿位于宜昌市夷陵区北西340°方向直距72 km处,磷矿行政区划隶属于宜昌市夷陵区樟村坪镇董家河村所辖(图1)。

2　含磷层位

含磷岩系陡山沱组(Z1d)含有工业磷矿层共三层(Ph22、Ph21、Ph13),分别赋存于陡山沱组胡集段(Z1d2)和樟村坪段(Z1d1)。最底部的下含磷层(Ph13)距中元古界神农架群与震旦系不整合面18～30 m。矿区内陡山沱组地层发育齐全,岩石类型稳定,旋回结构清楚,划分岩性段及区域对比标志层明显,可划分为四段(Z1d1、Z1d2、Z1d3、Z1d4)。与区域含磷岩系完全可以对比,由两个沉积旋回组成,自下而上分别为：

第一含矿层底砾岩—硅质白云岩—黑色云质泥岩—磷块岩(Ph13)—白云岩建造,属开阔浅海台地潮坪(亚)相—半泻湖(亚)相—潮坪鲕滩(亚)相。其中：含钾页岩局部相变为浅灰绿色云质泥岩或消失,含磷性变差,Ph13矿层变薄—消失。

第二含矿层磷块岩(Ph21)—厚层粒屑云岩—粒屑磷块岩(Ph22)—薄层云岩、硅质扁豆体云岩建造,属开阔浅海台地内潮坪鲕滩(亚)相—潮间泥坪(亚)相,本旋回在矿区最为发育,矿区西部新出现一层薄层粒屑云岩及工业磷矿层(Ph21),Ph22广泛发育,递变为主矿层。

图1　区域地质构造略图

3　矿层划分与对比

根据矿区内含磷岩系的岩石组合、标志层、层间距及矿层结构特征,结合区域磷矿层划分、命名和对比标志,兹将本矿区磷矿层由下而上划分为：

(1) 下含磷层第三矿层(Ph13)区内呈透镜状零星分布。基本岩石组合为页岩—磷块岩—云岩。顶板为厚层状白云岩(习称“上白云岩”标志层)(Z1d13),厚度0.60～22.92 m,一般厚7～15 m,分布较稳定;底板为灰黄色云质泥岩及黑色泥质云岩(标志层),偶夹磷块岩条带,岩性标志明显,厚度2.33～29.71 m,一般厚8～20 m。其中的Ph12、Ph11磷矿层在本区不发育。

(2) 中含磷层第一矿层(Ph21)可采矿层分布于矿区北中部阴湾一带。顶板为厚层状粉晶云岩(Z1d21-1),含黑色豆粒及砾屑,粒径一般2～5 mm,含少量磷块岩砂砾屑或条带,厚度1.23～28.06 m,缺失Ph21矿层时则该层与底板难以区分。底板为厚层状白云岩(习称“上白云岩”标志层)(Z1d13),厚度0.60～22.92 m。

(3) 中含磷层第二矿层(Ph22)层位稳定,广泛发育。顶板为中厚层状泥晶云岩夹薄层泥质云岩(Z1d21-2),厚度0.40～7.60 m,一般厚3～6 m,其上为连续沉积的灰黑色含燧石扁豆体粉晶云岩(Z1d22),为区域性辅助标志层(图2-图4)。

4　工业磷矿层

矿区内赋存中含磷层第二矿层(Ph22)、第一矿层(Ph21)及下含磷层第三矿层(Ph13),共三个工业磷矿层。

Ph22是本矿区主要工业磷矿层,分布于胡集段下亚段上分层(Z1d21-2)底部,呈层状产出,全区广泛分布(见图5)。顶板为胡集段下亚段上分层(Z1d21-2)浅灰色中厚层状泥晶云岩,层间夹灰—深灰色云质泥岩薄层,底板为胡集段下亚段下分层(Z1d21-1)浅灰色厚层状含硅质团块砂砾屑粉晶云岩,多含灰黑色云质豆粒。Ph21矿层缺失则底板为樟村坪段上亚段(Z1d13)浅灰色厚层状含硅质团块粉晶云岩。矿层厚度0.00(ZK0301)～9.98(ZK101) m,算术平均厚度3.26 m,P2O5品位0%～35.23%(QZ0201),算术平均品位24.96%。矿层总体产状倾向北东35°～55°,倾角1°～13°,一般4°～8°。

Ph21属次要工业磷矿层,赋存在胡集段下亚段下分层(Z1d21-1)底部,呈层状产出,分布于矿区北部阴湾一带,本区仅小范围分布,向北至江家墩矿区分布范围扩大。顶板为胡集段下亚段下分层(Z1d21-1)浅灰色厚层状含硅质团块砂砾屑粉晶云岩,底板为樟村坪段上亚段(Z1d13)浅灰色厚层状含硅质团块粉晶云岩。厚度为0.70～3.92 m,平均厚度2.75 m,P2O517.21%～24.03%,平均品位22.68%。

图2　湖北宜昌磷矿厂屋垭矿区地质略图

图3　宜昌磷矿仓屋垭矿区地质剖面图

图4　仓屋垭矿区矿层柱状对比图

Ph13属次要工业磷矿层,赋存在樟村坪段中亚段(Z1d12)上部,呈透镜状,矿区内零星分布,本次详查共圈定11个矿体。顶板为樟村坪段上亚段(Z1d13)浅灰色厚层状含硅质团块粉晶云岩,底板为中亚段(Z1d12)暗灰绿色云质泥岩或黑色含钾页岩。矿层倾向北东,倾角5°左右,工业矿体平均厚度2.17 m,P2O5平均品位21.24%。

Ph13与Ph21矿层之间的间距为1.63～22.55 m,Ph21与Ph22矿层之间的间距为0.60～22.92 m。无Ph21矿层地段,Ph13与Ph22矿层之间的间距为2.69～20.95 m。

区内北西向断层发育,断层规模较大的有F1、F9、F5、F4,其中F1、F4断层分别构成区内矿层的西、东部边界,而余下断层将矿层分三块,其中F9断层以西Ph22矿层厚度、品位稳定,控制程度高,埋藏浅,Ph21矿层不发育,Ph13矿层呈7个透镜状零星分布;F9与F5断层之间Ph22矿层厚度、品位亦较稳定,从空间上看矿层下降,埋藏较深,控制程度亦相对较低,Ph21矿层呈似层状分布,Ph13矿层见有2个透镜状矿体;F5断层以东矿层基本为无矿段,Ph22及Ph13矿层分别见及一个透镜状矿体,Ph21矿层不发育。

5　矿石自然类型

根据磷块岩矿石中磷酸盐矿物和脉石矿物组分、含量及矿石结构、构造特征,本矿区矿石自然类型大致划分为三类,分述如下：

(1) 白云岩条带状磷块岩白云岩条带或透镜状白云岩与磷块岩条带互层组成,磷块岩条带占比40%～70%,白云岩条带宽度1～10 cm不等,磷块岩条带2～30 cm,两者相间分布,组成条带状构造,磷块岩具泥晶、砂屑等结构。此种矿石自然类型广泛分布于Ph2矿层中,与工业类型中的碳酸盐类型(选矿、加工级)相对应。

(2) 致密条带状磷块岩由砂屑磷块岩、泥晶磷块岩、泥晶砂屑磷块岩叠置组成密集的层纹状—微薄层状构造,习称“致密条带状磷块岩”,偶含少量白云岩细条带,宽度0.05～2 cm,磷块岩占比80%～90%,是本矿区Ph22富矿的主要矿石类型。Ph13矿层中少见,且不稳定,矿石工业类型为碳酸盐型。

(3) 云质泥岩条带状磷块岩云质泥岩条带与磷块岩条带互层组成,磷块岩条带占比35%～60%,云质泥岩条带宽2～10 cm,磷块岩条带宽2～20 cm,两者组成条带状构造,磷块岩具砂屑、鲕屑、假鲕粒结构,此种矿石类型见于Ph13矿层中,矿石工业类型属硅质及硅酸岩型。

图5　Ph22矿层结构柱状图

6　矿石物质组成

本矿区磷块岩主要矿物成份为胶磷矿、白云石,次要矿物为玉髓、水云母、黄(褐)铁矿,微量矿物有钾长石、重晶石、有机质、海绿石、岩屑等。因矿石自然类型的不同,各矿物成份的含量发生变化,例如在白云质条带磷块岩中白云石处在主要矿物地位,水云母处在次要矿物地位,钾长石属微量矿物;泥质条带磷块岩中白云石则降为次要矿物,水云母则升为主要矿物,钾长石为次要矿物。黄(褐)铁矿分布较稳定,不论在哪种矿石类型中都处在次要矿物地位。

各类矿物特征如下：

胶磷矿按晶化程度可分为均质胶磷矿、隐晶质胶磷矿、纤维状胶磷矿。后者晶化程度较高,但含量甚微。前两种常常组成微粒状集合体颗粒,颗粒轮廓不清晰,这种集合体颗粒粒径<0.01 mm。

白云石为白云质磷块岩中主要脉石矿物,常以三种形式出现：组成白云岩非矿条带，在磷块岩条带中以胶结物形式出现，以杂质形式存在于磷块岩中间。前两种为主要存在方式,占总量95%以上,后种形式较少。组成非矿条带白云石呈0.02～0.2 mm大小的粉、细晶状集合体产出。呈胶结物的白云石常具粉晶状嵌布于胶磷矿团粒之间。杂质形式为细小白云质碎屑颗粒混杂于胶磷矿为主的磷条带中间。

水云母水云母为泥质条带磷块岩中主要脉石矿物,其存在形式主要与钾长石一道组成粉砂质泥岩非矿条带及混杂在磷块岩条带中间。水云母矿物呈鳞片状产出,粒径0.01～0.03 mm,常具定向排列。

玉髓是白云质磷块岩、致密条带磷块岩中硅质团块的主要成分,主要为胶状结构。常可残留鲕状、砂屑状结构外貌,属于后期交代产物。

钾长石主要分布于泥质条带磷块岩中间,常以粉砂状形式产出,其粒径<0.01 mm,具破碎搬运特点,属陆源碎屑产物。

黄铁矿常呈星点状或细晶集合而成的条带状、团块状产出,不论哪种类型磷矿石中都可见到(以泥质条带磷块岩、致密条带磷块岩两种多见)。黄铁矿条带、团块多与磷矿石中微层理展布方向不协调,属成岩阶段或稍后产物。黄铁矿含量多时可达5%。黄铁矿因地下水作用可氧化成褐铁矿。

微量矿物有机质、重晶石、海绿石、岩屑等含量甚微,有机质呈不规则团块状产出在泥质条带之中。重晶石、岩屑多与泥质条带相亲和,海绿石则主要分布在白云岩条带内。

7　矿石结构构造

7.1　矿石结构

Ph2矿层的磷块岩以泥晶结构、砂屑鲕粒结构、泥晶砂屑结构、砂屑结构及砾屑(角砾)结构常见。Ph13矿层以泥晶结构、砂屑泥晶结构、砂屑鲕粒结构、假鲕粒结构及砾屑结构为主。

比较多见的几种结构特征为：

(1) 砂屑结构磷块岩呈灰—深灰色,主要成份为胶磷矿,含少量石英、长石、岩屑等杂质。胶磷矿组成内碎屑,呈次棱角状、次圆状,粒间由胶磷矿、石英、白云质接触胶结。

(2) 假鲕粒结构矿石呈深灰—灰黑色,主要由假鲕状胶磷矿组成,颗粒呈浑圆状、椭圆及不规则状,其中心常有长石、石英及岩屑分布,鲕粒周边形似薄壳,但圈层不明显。粒间多为隐晶质胶磷矿及微晶磷灰石充填胶结。

(3) 砾屑(角砾)结构磷块岩呈暗灰色,角砾由内碎屑泥晶磷块岩、泥晶砂屑磷块岩和白云岩组成,形态不规则,呈扁—次圆状,砾径相差悬殊,直径2～20 mm,最大者可达10 mm×30 mm。角砾间由胶磷矿、白云质胶结,混有少量硅质、长石、石英及岩屑。胶结类型呈接触式或孔隙式。

(4) 泥晶结构磷块岩呈灰黑—黑色,主要由隐晶质胶磷矿、纤维状微晶磷灰石组成。宏观上呈致密状,常见胶磷矿组成假鲕粒及砂屑聚集成微薄层沉积韵律,二者紧密叠加构成致密条带状磷块岩。

7.2　矿石构造

致密条带状构造和条带状构造是本矿区矿石的主要构造类型,次为致密块状构造。

致密条带状构造由致密块状磷块岩与砂屑假鲕粒磷块岩相互迭置组成,由于二者结构及颜色上存在一定差异,其外貌呈现条带状特征。此类矿石品位较高,是Ⅰ级品矿石的主要构造类型。

条带状构造是Ph2及Ph13中贫矿石最常见的构造类型,由白云质或云质泥岩条带与磷块岩条带相间而成。

致密块状构造由泥晶胶磷矿和纤维状磷灰石组成,含量90%以上,分布均匀。矿石外貌致密,无明显沉积纹理,此类矿石品位较高。

8　磷矿成因分析

陡山沱期磷块岩主要沉积于次一级褶皱隆起的浅海盆地,濒广海、傍海口、浅水、藻类茂盛的浅海台地波浪和潮汐作用带[2]。

根据天津地矿所在宜昌田家园子陡山沱组采样,测得古纬度为9.6°N;湖北省第八地质大队在钟祥大峪口陡山沱组一磷矿层采样,测得古纬度为13.9°N;在钟祥县放马山陡山沱组第三磷矿层采样,测得古纬度为22.4°N。可以认为湖北秭归—荆门一线(今北纬31°N左右),在晚震旦世陡山沱期是处于9.6°～22.4°N的热带气候环境。故鄂西地区当时处于北半球的热带—温带气候环境。

陡山沱组碳酸盐岩(占75%～95%)和磷块岩(占3%～30%)组合及含磷岩系见有天青石、石膏矿物,说明当时海水含盐度较高,气候干燥。含磷岩系碎屑岩占3%～20%,表明淡水流入量很少。

陡山沱组磷块岩常与粉砂质页岩、硅质岩、碳酸盐岩共生,并处于同一个沉积相带中,说明沉积环境由酸性向碱性的演化过程。由酸性向碱性过渡的条件下,形成磷块岩、白云岩的互层结构。反之,形成泥质岩、磷块岩互层结构。pH值过高或过低,都不利于磷块岩沉积。

陡山沱组磷块岩主要沉积于潮间—潮下高能带或潮间高能带，或潮间间歇高能带,磷质富集度较高的部位,多是交错层理等滨岸构造发育，浅水、潮汐作用较强,磷质碎屑颗粒强搅动的环境。

陡山沱组磷块岩中,普遍含较多的微体海藻和叠层藻,这对磷质的聚沉、富集和保护已沉磷质免遭浪击和海流的冲蚀都是很重要的。

陡山沱期磷块岩的岩石组合具“上升洋流岩石组合”特征。磷质沉积是在上升洋流的作用下,化学和机械作用一个长期分异过程,多期性成磷旋回表现明显。有工业意义的磷块岩,特别是量大质优的磷块岩,多是各种成磷作用的反复叠加、长期聚集而成,特别是磷酸盐凝胶或先期沉积的磷块岩,因同期或准同期的介质扰动和沉积搬运等机械作用而形成的盆内磷质颗粒的再沉积及藻类的捕陷粘结作用,为磷质的进一步富集提供了有利环境,而扬子地台的相对稳定性,则有利于形成厚而稳定的磷矿层。

陡山沱期磷质的直接来源,一般认为是上升洋流由南向北补给的富磷海水,这可从陡山沱组含磷岩系为“洋流上升岩组”,且具有海流沉积结构和构造等特征得到印证。间接来源有陆源(海解)和火山喷发供磷作用。据鄂西队资料,南沱冰碛砾岩基质含P2O50.1%以上,间冰期沉积物含P2O50.2%～0.52%,聚磷区同期或稍前期地层中见基性火山岩,含P2O50.15%～0.5%。当然,形成陡山沱组这样巨厚的磷块岩,仅靠区内及周围供磷是不可能的,因此,磷质主要来源于远海。

9　结论

仓屋垭磷矿位于宜昌黄陵背斜北部,赋存于陡山沱组胡集段(Z1d2)和樟村坪段(Z1d1),含有工业磷矿层共三层(Ph22、Ph21、Ph13),查明了矿区的地质构造基本特征,地层层序、岩性、厚度和陡山沱组含磷岩系的岩石组合、赋矿层位、层数、分布及变化;了解了矿区内矿石的自然类型、物质组成、结构、构造等特征,分析和探讨了磷矿成因,这些成果对黄陵背斜北部深部找矿具有一定的借鉴和指导作用。

参考文献：

[1]廖宗明,刘圣德,邹时勇,等.湖北省宜昌磷矿仓屋垭矿区详查报告[R].宜昌：湖北省宜昌地质勘探大队,2012.

[2]宋银桥,冉瑞生,聂开红,等.湖北省宜昌市夷陵区杉树垭磷矿区东部矿段勘探报告[R].宜昌：湖北省宜昌地质勘探大队,2007.