湖北咸宁地区寒武纪牛蹄塘组钒矿床成因浅析

2014-04-08袁玉平刘家祥曾桂英沈晚仁胡金旺

资源环境与工程 2014年6期

袁玉平, 刘家祥, 曾桂英, 沈晚仁, 胡金旺

(湖北省地质局第四地质大队，湖北咸宁　437100)

1　概况

咸宁地区钒资源蕴藏丰富，从方山—大幕山复式背斜一带，为锑、汞、金、钒多金属成矿带。除嘉鱼外，其他五县(市、区)均分布有钒矿床(点)。已发现钒矿床(点)十余处。较具规模的钒矿床(点)自北向南分布有：泉山口钒矿、杉木章钒矿、烟竹坳钒矿、小源冲钒矿、石门钒矿、万家口钒矿、狮古尖钒矿7个矿床，矿床规模为小—中型钒矿床。除烟竹坳钒矿床为普查程度外，其他钒矿床均达到详查程度。

2　成矿地质背景

本区大地构造为扬子陆块区(Ⅰ级)下扬子陆块(Ⅱ级)幕阜山被动边缘褶冲带(Ⅲ级)[1]。由北到南共划分三个Ⅳ级构造单元——咸宁台坪褶皱带、通山台缘褶冲带、九宫山后碰撞岩浆杂岩。前南华系为基底，南华系以上为盖层。以崇阳路口—通山楠林桥—大畈—阳新富水一带为界，北部为扬子型沉积，南部为江南沉积。受印支运动的影响，区内以近东西向大幕山复式背斜为主体，核部出露前震旦系冷家溪群，两翼由南华系—三叠系组成。南部见燕山期岩浆岩侵入体，另有煌斑岩脉、辉绿岩脉(见图1)。

3　矿床地质特征

3.1　主要控矿构造

区内构造主要为方山背斜—大幕复背斜等组成，大幕复背斜由大幕山背斜、黄石洞向斜、坑口背斜组成，轴迹走向60°～80°，向东变为100°，褶皱轴面总体南倾，两背斜南翼转折端较完整，分别向东西倾伏[2]。其核部为前震旦系基底，两翼不对称分布有震旦系—志留系地层，局部倒转。南部高枧—黄洋湾背斜与黄家岭—外鲁湾向斜，呈“S”形弯曲，卷入地层为寒武系—志留系地层，两翼地层一般倾角18°～40°，局部倒转，少数达50°[3]。矿体受褶皱构造控制，主要产于褶皱倾伏端及临近转折端翼部，呈似层状、层状，与地层产状一致。矿体出露于地表，常为成矿期后北东向断裂切割并错位。

3.2　赋矿围岩特征

矿床赋矿地层为寒武纪牛蹄塘组下段黑色岩系，岩性为含结核炭质页岩、含炭泥岩、炭质页岩，局部夹硅质条带，偶夹石煤层[4]。矿体顶板为含炭页岩、含炭泥质灰岩、灰岩等，结核或硅质条带可作为顶板围岩划分标志。底板是泥灰岩、白云岩或硅质岩。含钒岩系自下而上可分为两个岩性层：

第一岩性层为灰黑色含炭页岩、含炭粉砂质页岩、炭质页岩，中下部见石煤层，局部含磷质结核。为区内含钒层。厚度13～36 m。

第二岩性层为灰黑色含炭页岩、含结核炭质页岩、含炭泥岩，顶部可见硅质条带，为区内主要含钒层。厚度8～25 m。

北部与南部含钒层及顶底板围岩因沉积环境变化而略有差异。由北向南，随着海水深度的加深，牛蹄塘组的厚度变大，含钒层厚度呈渐增趋势(见图2)。

3.3　矿床特征

矿体主要赋存于寒武纪牛蹄塘组中下部，岩性为灰黑色含炭泥岩、炭质页岩，局部含磷质、炭质结核。

3.3.1矿体空间分布

矿体产于褶皱的倾伏端及翼部，空间分布与地层较一致。在方山背斜近转折端北翼主要有烟竹坳钒矿区，南翼有小源冲、石门钒矿区；在大幕背斜转折端有泉山口钒矿；在坑口背斜北翼中段有杉木章钒矿区；在黄家岭—外鲁湾向斜近倾伏端有狮古山钒矿区，其南东翼有万家口钒矿区。主要矿床特征如下：

(1) 石门矿床钒矿体产于牛蹄塘组中段第二岩性层，矿体走向长度2 400 m，矿体呈似层状、层状顺层分布。走向20°～25°，倾向南东，一般倾角9°～29°，控制最大斜深达300 m。矿体平均厚度6.53 m，具地表厚、深部薄，南区厚、北区薄趋势；矿体平均品位0.79%，地表向深部变富，北部较南部富。地表氧化带一般厚度7～13 m，局部达32 m。

(2) 杉木章矿床主要钒矿体产于牛蹄塘组中段第二岩性层，矿体走向长度1 440 m，矿体呈似层状，在平面及剖面上呈“S”型弯曲。走向85°～95°，倾向北，一般倾角54°～78°，向深部变陡。控制最大斜深68 m。矿体平均厚度5.76 m，中间厚，东西两端薄，矿体平均品位0.76%，走向上呈中间低，两端较富，向深部品位较稳定。

另有小规模钒矿体产于牛蹄塘组中段第一岩性层，矿体走向长度108～836 m，呈似层状、透镜体状产出，断续分布，矿体平均厚度3.90 m，走向上由西到东由薄变厚再变薄。矿体平均品位1.07%，走向上品位较稳定，变化小。

图1　咸宁地区寒武纪牛蹄塘组钒矿床区域地质略图Fig.1　Regional geological outline of Niutitang Formation of Cambrian,Xianning region1.第四系；2.白垩系；3.侏罗系；4.香溪群；5.三叠系；6.二叠系；7.石炭系；8.泥盆系；9.志留系；10.奥陶系；11.江南地层寒武系西阳山组；12.江南地层寒武系华严寺组、杨柳岗组并层；13.江南地层寒武系牛蹄塘组；14.扬子地层寒武系娄山关组；15.扬子地层寒武系高台组；16.扬子地层寒武系石龙洞组、天河板组石牌组、牛蹄塘组并层；17.震旦系；18.南华系；19.中元古界；20.燕山期侵入体二长花岗岩；21.钒矿床(点)；22.实测正断层；23.实测逆断层；24.实测平推断层；25.实测及推测性质、不明断层。

图2　咸宁地区寒武纪牛蹄塘组钒矿床含钒层柱状对比图Fig.2　Correlation column of containing vanadium of vanadium deposit in Xianning1.页岩；2.钙质页岩；3.粉砂质页岩；4.泥岩(粘土岩)；5.炭质页岩；6.粉砂岩；7.硅质岩；8.泥灰岩；9.灰岩；10.含藻类灰岩；11.含炭泥质灰岩；12.白云岩；13.石煤层；14.硅板岩；15.含炭硅板岩；16.千板岩；17.角岩；18.结核；19.钒矿体及厚度(m);20.整合地质界线。

(3) 泉山口矿床矿体牛蹄塘组中段第二岩性层，走向长度1 675 m，矿体形态为似层状，局部膨大。矿体走向82°～105°，倾向向北，倾角为18°～51°，平均倾角33°。控制最大斜深280 m。矿体平均厚度2.81 m，矿体走向上呈波状起伏，厚度由西向东由厚变薄，再由薄到厚交替变化，由地表向深部变薄，局部膨大。矿体品位0.53%～1.35%，该矿体平均品位0.71%。自西到东品位逐渐增高，由地表向深部变贫。地表氧化带一般厚度5～12 m，局部达20 m。

(4) 狮古尖矿床矿体牛蹄塘组中段第二岩性层主要钒矿体走向长度1 438 m，矿体形态为似层状，局部膨大，走向上呈北西向展布，舒缓波状起伏，倾向上矿体较平稳，局部呈弧形弯曲的。矿体走向150°～171°，局部受岩脉侵入影响变为285°，倾向南西，一般倾角51°～61°，局部变缓为45°，平均倾角57°。矿体控制倾向斜深50～323 m，矿体平均厚度5.27 m，矿体厚度走向上自北西到南东呈由厚到薄、由薄到厚起伏变化趋势；倾向上在北西侧+514.06 m标高以上矿体厚度较稳定，在中部于+514.06 m标高地段矿体厚度变薄。矿体平均品位0.81%，矿体品位走向上由北向南变化稳定，局部较贫，由地表向深部自北西向中部品位变化幅度小，到南东深部变低。

3.3.2矿石类型

主要矿石类型为原生的含磷质结核炭质页岩钒矿石、薄板状炭质页岩钒矿石、含炭粉砂质页岩钒矿石，硅质炭板岩钒矿石，其次在浅地表部可见次生的氧化钒矿石。

受区域变质作用影响，矿石经变质为含炭—炭质板岩钒矿石、含炭—炭质硅板岩钒矿石、含钙钒榴石黑色硅板岩钒矿石。

3.3.3矿石矿物组合

主要矿石矿物为水云母(伊利石)、钒钛矿、钒云母，脉石矿物主要有高岭石，另有少量石英、重晶石、黄铁矿、白云石、方解石、磷灰石、胶磷矿、绿帘石等。泥质、泥晶结构，层状构造、条纹状构造。次生矿物水云母(伊利石)95%以上，其他为少量石英、褐铁矿。

主要金属矿物为含钒水云母、黄铁矿、磁黄铁矿，次要金属矿物为铬钙钒榴石、钛钙钒榴石、黄铜矿、含镉闪锌矿、含钒白云母，微量矿物为变钒钙铀矿、钒钙铀矿、铜铀云母、磷钇矿、辉钼矿、针镍矿、斑铜矿、辉铜矿、铜兰、方铅矿、铬铁矿、磁铁矿、锐钛矿、黄钾铁钒矿。脉石矿物主要矿物为石英、炭质，次为绿帘石、透闪石、重晶石，微量矿物为磷灰石、电气石、透辉石、水铝石英、蛋白石、白钛石、萤石、白云母、方解石、红柱石、玉髓、钡长石、刚玉、尖晶石、榍石、石榴子石等。另有特征矿物钙钒榴石。具显微(鳞片)粒状变晶结构、隐晶结构、变余泥结构，板状构造、斑点状构造及多孔状构造。

图4　咸宁地区寒武纪牛蹄塘组沉积期岩相古地理沉积模式图Fig.4　Sedimentary model of lithofacies paleogeography during deposition of Niutitang formation

钙钒榴石矿物手标本观察为暗绿色，显微镜下观察为翠绿色，常见为圆形及椭圆形切面，由于放射状炭质构成车轮状外形，糙面显著多裂纹，均质体，N≈1.85，具弱电磁性，性脆，硬度6.5±，比重为3.68(显微比重法实测)。新鲜翠绿色钙钒榴石矿物在常温下两小时后可渐变为淡黄色—灰白色。其矿石矿物特征(见照片1)。

照片1　钙钒榴石在标本中产出特征(d=2～3 mm)Photo 1　Characteristics of production of goldmanite

3.4　矿床类型

狮古尖钒矿床含矿岩系为含炭硅板岩，变质作用有利于钒矿富集，矿床成因类型为受变质沉积型矿床。

其他矿床(点)受控于寒武纪牛蹄塘组中下部炭质页岩、含炭粉砂质页岩地层中，与石煤层伴生，矿床成因类型为沉积型钒矿床。其中泉山口钒矿床，因浅地表次生作用，地表氧化矿比深部原生矿厚度大，品位高，对钒的富集作用明显，该矿床成因类型又是具有次生富集特点的沉积型矿床。

上述各类矿床，因其发热量一般为2.80～5.47 MJ/kg，灼失量13.43%～20.92%，工业类型定为石煤型钒矿床。

4　岩相古地理

区内寒武纪牛蹄塘组沉积期主要处于海侵阶段，南北区岩相古地理略有差异。总的特征为浅水—半深水环境沉积(图3)[5]。

图3　咸宁地区寒武纪牛蹄塘组沉积期岩相古地理图Fig.3　Sedimentary model of lithofacies paleogeography during deposition of Niutitang formation in Cambrian1.灰岩；2.泥灰岩；3.白云岩；4.页岩；5.含炭页岩；6.粉砂岩；7.寒武系下统牛蹄塘组；8.钒矿床(点)；9.台地边缘；10.盆地边缘；11.扬子台地碳酸盐岩沉积；12.扬子台地碎屑岩沉积；13.斜坡带碎屑岩沉积；14.江南盆地碎屑岩沉积；15.咸宁地区行政区范围。

北部扬子台地以碳酸盐沉积为主，古地理为浅海环境，以灰泥质碳酸盐岩建造为主，另有含炭页岩建造。

南部江南盆地则以页岩为主，属泥质岩沉积，古地理为浅海陆棚过渡到半深水环境沉积。为含炭泥页岩建造。

在扬子台地与江南盆地之间有一个斜坡带，为台地前缘斜坡，为含炭页岩—粉砂质页岩建造。

由图4反映，从扬子区到江南区表现为台盆格局，其间为一缓坡，区内自北向南由碳酸盐岩建造变为粉砂质页岩—含炭泥页岩建造，其岩层中含钒特征江南区优于扬子区。

5　成矿机制

在前震旦纪间冰期，古陆早震旦世及前震旦纪的基底发生风化剥蚀作用，提供了钒物质来源。早寒武世海侵时，在台地边缘的高能条件下发生沉积，形成大量结核黑色页岩可见少量海绵骨针。在海侵到海退的沉积过程中，寒武纪沉积属富氧水底环境，见藻类及大量浮游生物。随着海平面上升减慢到相对静止，水动力由强变弱，沉积环境由水下隆起向陆岸一侧转变，晚寒武世海水继续变浅，以碳酸盐岩沉积为主，表现为钙质型陆棚内源相沉积。沉积、成岩作用发生在炎热、干旱气候，但海水含盐度比较正常，比较高的硫、炭含量显示为还原作用强烈的半闭塞的滨海—浅海海湾环境，即由浅海—半深水沉积向陆棚—滨海过渡，转为半封闭海湾相对平静环境，形成的含钒岩系广泛分布于江南盆地台缘相区与扬子台地相区，其形成环境以半封闭海盆环境对成矿最为有利。

钒矿床由沉积成矿作用而形成，其成岩成矿时代基本一致，即是同生沉积的产物，因此赋矿地层的时代就是成矿时代。成矿作用主要是沉积成矿，但后期印支运动发生褶皱，在褶皱倾伏端及临近转折端的翼部发生层间滑动，产生虚脱构造，有利于热力或热流导入，使含钒岩系发生低温热液蚀变，普遍重晶石化，易使钒富集。

成矿期后受区域变质作用的影响，在变质作用过程中含钒岩系产生了变晶钒矿物，使钒活化而富集。变质成矿作用对沉积型钒矿床进行了后期的叠加改造。

裸露浅地表的含钒岩系，发生次生富集成矿作用，产生大量高岭石，有利于钒的富集，一般可提高钒含量0.02%～0.24%。