湘西北寒武系沉积型镍钼矿成矿物质来源

闫友谊

(中化地质矿山总局湖南地质勘查院，湖南长沙410004)

湘西北寒武系沉积型镍钼矿成矿物质来源

闫友谊

(中化地质矿山总局湖南地质勘查院，湖南长沙410004)

湘西北寒武系含矿丰富，在寒武系下统牛蹄塘组黑色岩系中赋存有磷矿、石煤、钒矿、铀矿，并有有色金属钼、镍矿及铂族元素矿物聚集。通过分析总结前人成果资料，探究镍钼矿成矿地质环境条件是在低温环境、有微生物参与及强还原环境中同生沉积，对寒武系沉积型镍钼矿成矿物质来源提出了明确的看法,即成矿物质来源于海底喷流-热水。

镍钼矿；牛蹄塘组；莓球状黄铁矿；微生物；热液硫化物；海底喷流；成矿物质来源；湖南

0 引 言

镍钼矿是重要的国家战略金属资源，工业用途广泛。镍钼矿中一般含有稀土元素、铂族元素，具有极大的经济价值并有成熟的技术可综合回收利用(陈华勇等，2001)。采用加钙氧化焙烧-低温硫酸化焙烧-水浸处理工艺,可以将镍钼矿中的镍、钼同时回收,回收率分别达到92%、96%以上，且无SO2气体污染(王明玉等，2012)。

我国钼矿资源丰富，储量位居世界第二,约占世界钼总资源储量的25%(黄凡等，2014)，已探明储量的钼矿区222处，资源储量超过840万t，资源集中于我国中东部地区，以河南省居首，约占30.1%，其次为陕西、吉林，以斑岩型钼矿资源为主，但海相沉积型钼矿资源偏少。

我国镍矿资源相对贫乏(上海期货交易所,2014)，发现镍矿床(点)339处，已查明镍矿产地约135处，基础储量约282万t，仅占世界镍总资源储量的4%。我国镍矿资源以岩浆型为主，海相沉积型较少，贵州遵义松林地区(含新土沟矿段)寒武系黑色页岩中镍钼矿(杜小全等，2011)探明的钼金属资源量约28.47万t、镍金属资源量17.32万t，预测潜在资源量钼约56.84万t、镍约27.86万t；湘西北张家界地区黑色页岩系中预测钼的潜在资源量为5 220万t、镍的潜在资源量为4 515万t。

我国镍钼矿地质成因复杂。钼矿床成因类型(杜小全等，2011)分为斑岩型、矽卡岩型、热液脉型和沉积(变质)型。斑岩型钼矿占钼总资源量的85.75%,矽卡岩型占8.83%，热液脉型占2.79%，沉积(变质)型仅占2.63%。镍矿床成因类型(孙涛等，2014)有岩浆型、海相沉积型和风化壳型3种，分别占我国镍总资源量的93%、2%、5%。研究沉积型镍钼矿床地质成因，对我国沉积型镍钼矿资源的找矿突破具有重要意义。

海相沉积型镍钼矿赋存于早寒武世牛蹄塘组底部黑色页岩系中(施春华等，2012)，该层位的黑色页岩系在全球范围内可以对比，但这种黑色页岩系中镍、钼共生、共同具有工业价值的矿床不多见。其成因观点多样有火山碎屑、海水、热水、多源，典型实例如贵州遵义新土沟镍钼矿、湘西北张家界慈利县卓家山镍钼矿、张家界永定区三岔镍钼矿等(表1)。探讨其成矿物质来源，对研究该类型镍钼矿床成因有重要价值并可指导找矿。

表1 我国镍钼矿地质成因类型及实例Table 1 Geological genetic types and examples of China′s Ni-Mo deposits

注:资料来源于叶会寿等，2006；田斌，2008；王立社等，2010；徐金祥等，2013；黄凡等，2014；李德东等，2014；孙涛等，2014；张瑞军等，2015

1 区域地质背景

湘西北镍钼矿成矿带(湖南省地质矿产局，1988)位于扬子准地台东南缘与江南(古陆)地轴结合区域的武陵过渡带。区域地层主要分布为板溪群、震旦系、寒武系下统、寒武系中上统、奥陶系。

湘西北镍钼矿成矿带分布的区域构造位于近北东向的古丈复背斜的中段及北东段倾伏端，张家界—溪口—慈利北东向区域深大断裂(澧南断裂)的南东侧(图1)。

次一级构造位置为天门山向斜、卓家山背斜，在天门山向斜的南北两翼及南西、北东扬起端，发现有后坪、大坪、三岔等矿区(点)。湘西北镍、钼矿产地未发现岩浆活动。

图1 湘西北镍钼矿成矿带区域地质略图1-白垩系上统；2-奥陶系；3-寒武系下统；4-寒武系中、上统；5-志留系；6-板溪群；7-逆断层；8-逆掩断层Fig.1 Regional geological sketch map of the Ni-Mo metallogical belt in northwestern Hunan Province

2 矿区地质条件

2.1 地层

矿区出露地层主要有板溪群五强溪组(Pt3Bw)紫红色粉砂质板岩、变质砂岩，震旦系下统南沱组(Z1n)冰碛砾泥岩、冰碛砾砂岩，上统陡山沱组(Z2d)炭泥质灰岩、白云岩、白云质硅质磷块岩、灯影组(Z2dn)灰岩、白云岩，寒武系下统牛蹄塘组(木昌组)(C-1n)、杷榔组(C-1p)钙质泥质页岩、清虚洞组(C-1q)灰岩、泥晶灰岩、泥质白云岩，寒武系中、上统(C-2+3)灰岩、泥质灰岩、白云岩及第四系坡积冲积物。

与本次研究紧密相关的含矿层牛蹄塘组(C-1n)详述如下(湖南省地质矿产勘查开发局405队，2001；中化地质矿山总局湖南地质勘查院，2008)。

寒武系下统牛蹄塘组(木昌组)(C-1n)地层为镍钼钒的含矿层。

该组底部是0～0.5 m厚的深灰色-黑色薄层硅质磷块岩、含硅质结核和磷结核炭质页岩或硅质岩，P2O5质量分数为8%～28%，与下伏地层灯影组呈整合关系。

下部为黑色板状炭质页岩与黑色鳞片状炭质页岩(镍钼矿主矿层)，呈鳞片状特征，富含磷质、硅质、黄铁矿等结核，层理明显，鳞片呈沥青光泽，疏松易碎成粉砂或粉末状，局部见白云石细脉。黑色页岩中普遍含镍钼矿和星点状粗细粒黄铁矿。

中部为薄层状黑色板状炭质页岩，呈薄层状或板状构造，层理清晰，岩性硬，与下伏鳞片状黑色炭质页岩界线明晰，主要含有镍钼矿、黄铁矿。其中晶粒状黄铁矿呈集合体或细线状断续分布于黑色页岩。该层炭质含量高，俗称为“石煤层”，层厚1～2 m，为镍钼矿的贫矿层。石煤层往上页岩中炭质呈降低趋势。该组厚度55～305 m，与上伏地层杷榔组钙质泥质页岩呈整合关系。

2.2 构造

镍钼矿矿区位于古丈复背斜次一级褶皱中，构造轴线方向近北东。矿区内以褶皱构造为主，卓家山背斜轴向北北东，核部地层为板溪群，两翼地层依次为震旦系和寒武系。天门山向斜轴向北东35°～45°,核部地层为寒武系中统，两翼地层依次为寒武系下统、震旦系。

矿区内断裂构造不发育，有几条走向近北东—北东东的小规模压扭性断裂分布在各矿区，对震旦系、寒武系地层和含矿层有切割错位及挤压破碎作用，但与成矿作用无关。

2.3 岩浆活动与变质作用

矿区未发现岩浆活动，出露板溪群地层属轻度变质岩石，与研究区镍钼矿没有直接联系。

2.4 区内矿产

震旦系陡山沱组赋存磷块岩矿床，寒武系下统牛蹄塘组黑色岩系中赋存有Mo、Ni、Cu、Co、铂族等多种元素矿物聚集以及磷矿、石煤、煤矿、石灰岩、钒、铀矿等。其中，V2O5质量分数一般为0.010%～0.70%，U质量分数一般为0.014%～0.34%。

3 矿床地质条件

3.1 矿体赋存形态、厚度、产状

镍钼矿矿层产于寒武系下统牛蹄塘组(木昌组)底部，含矿层上覆岩层为该组下部黑色板状炭质页岩，即矿层顶板；含矿层下伏岩层为灯影组薄—中厚层白云岩，即矿层底板(图2、表2)。镍钼矿矿体呈较薄的似层状或扁豆状、透镜状产出，矿体不连续，时有尖灭，其产状与顶底板产状一致。

铂和钯有强烈的亲硫性(梁有彬等，1995)，镍钼矿层也是铂和钯的矿层，镍钼矿石中铂和钯质量分数最高，其顶底板中硫、铂钯含量低。其矿体形态、产状与镍钼矿体一致。

卓家山矿区矿层厚度较薄，为0.20～1.60 m，厚度变化大；大浒矿区(湖南省地质矿产勘查开发局403队，2010)矿层厚度较薄，一般为0.16～1.57 m，厚度变化较大；三岔矿区矿层厚度0.10～1.25 m；天门山大坪矿区矿层厚度0.30～1.17 m，变化也较大。

3.2 矿石矿物成分

主要矿石矿物是MoS2集合体及黄铁矿、二硫镍矿、辉镍矿，次要矿石矿物为针镍矿、辉砷镍矿、砷黝铜矿、黄铜矿、闪锌矿、辉铜矿、黝铜矿、方铅矿、铜蓝等。潘家永等(2005)对湘西北三岔镍钼富集层中的镍钼矿石进行了电子探针研究，镍主要以上述含镍独立矿物及细粒胶状黄铁矿存在，钼以“碳硫钼矿”的集合体形式存在。

图2 卓家山镍钼矿区3线地质剖面图1-寒武系下统木昌组；2-震旦系上统灯影组；3-炭质页岩；4-白云岩；5-镍钼矿体；6-采样位置及编号；7-产状；8-Mo品位(%)、Ni品位(%)/厚度(m)Fig.2 Geological cross-section along the prospecting line No.3 in the Zhuojiashan Ni-Mo mine

样品编号 采样位置/m起止样长/m厚度/m质量分数/%Mo Ni V2O5 P2O5 TC⁃11⁃H10．700．800．200．190．300．070TC⁃H20．801．101．000．940．250．010TC⁃H34．654．950．650．610．0100．010ZK301⁃H147．9248．030．110．100．0100．0100．01017．53ZK301⁃H247．4247．920．500．470．500．520．22ZK301⁃H346．4047．421．020．960．0100．0100．040ZK301⁃H445．4046．401．000．940．0100．0100．040ZK301⁃H544．4045．401．000．940．0100．0100．040

黄铁矿 (FeS2)：细粒状和粗粒状立方晶形，呈星点状分布于矿石中，质量分数<1%。镜下发现草莓球状黄铁矿和管状生物化石，其部分壳管内充填黄铁矿，对沉积环境具有指示意义。

硫钼矿(MoS2)：矿石中主要矿物为钼矿物，铁灰色，胶状结构，性脆，硫钼矿与黄铁矿紧密共生，混杂有沥青质，呈碎屑状或条带状形态。

二硫镍矿(NiS2)：呈球粒、球柱集合体，与黄铁矿连生。部分呈他形晶粒，粒度细小，一般在0.05 mm以下。

辉镍矿(Ni3S4)：银白色，球粒状或他形晶粒状，但大多数与细粒黄铁矿混生在一起，呈现黄白色胶状。

脉石矿物：主要有黏土矿物及水云母、胶磷矿、白云石，其次为方解石、石英、玉髓、重晶石、沥青、磷灰石、绿泥石、萤石、褐铁矿等。

3.3 矿石化学成分

卓家山和三岔矿区鳞片状页岩型、板状页岩型镍钼矿石主要化学成分见表3，显示SiO2质量分数较高,镍钼矿品位见表4(贺令邦等，2011)。

表3 研究区镍钼矿石主要化学成分Table 3 Main chemical composition of the Ni-Mo ores in the study area

表4 慈利—张家界镍钼矿各矿区矿石品位Table 4 Ore grade variations of Ni-Mo deposits in Cili-Zhangjiajie

矿区内镍、钼矿石品位变化较大，不均匀；自东往西(慈利—张家界)品位有增加趋势。

3.4 矿石自然类型

卓家山矿区矿石类型主要有5种。

(1) 鳞片状炭质页岩型矿石：黑色，泥质结构，鳞片状或页片状构造，主要为硫化镍矿物(1%～2%)，钼集合体(1%～2%)，其他为炭泥质、黏土矿物、石英等，是区内的主要矿石类型。

(2) 金属硫化物型矿石：灰黄、铅灰色，薄板状或条带状构造。矿物成分主要为钼集合体(1%～5%)，硫化镍矿物(1%～2%)和胶状黄铁矿(15%～25%)，含磷质-硅质结核(50%左右)、黏土矿物(20%～30%)等。金属矿物多呈粒状嵌布，常呈厚约1 cm的条带分布于鳞片状炭质页岩中，构成工业矿体，是矿区富矿石。

(3) 板状炭质页岩型矿石：黑色，泥质结构，板状构造。主要由炭泥质(88%～95%)、硫化镍矿物(<1%)、钼集合体(<1%)和黄铁矿(5%～10%)组成，属贫矿石。

(4) 磷块岩型矿石：胶状结构，块状或条带状构造，主要由胶磷矿及白云石、黏土矿物、石英、绿泥石、褐铁矿等组成，部分含少量的镍钼硫化矿物，含Mo 0.010%～0.11%、Ni 0.010%～0.13%、V2O50.010%～0.70%，个别样品含V2O5达1.79%。

(5) 褐铁矿型矿石：属不发育的氧化带次生淋滤矿石，仅局部偶见。褐红色，胶状结构，多孔状构造。

天门山三岔矿区的矿石自然类型(贺令邦等，2011)与卓家山矿区类似：(1) 炭质页岩型镍钼矿石：黑色含炭质高，偶有鳞片状，见星散状黄铁矿，少量磷结核；(2) 白云质炭质页岩型镍钼矿石：黑色，层纹平直，含断线状黄铁矿、泥质白云岩，可见镍钼矿条带、块状构造，含少量磷结核；(3) 含磷结核炭质页岩型镍钼矿石：黑色，松散鳞片状、易碎，含磷结核较多；金属硫化矿呈斑点状、星散状，该类型是主要矿石；(4) 炭质硅质磷块岩型镍钼矿石：黑色，块状，较硬，多为贫矿石。

4 岩相古地理环境

从矿区地层层序和岩性组合来看，早寒武世早期(牛蹄塘期)木昌期，底部夹黑色薄层硅质岩、硅质磷块岩，往上沉积了炭质页岩与黑色鳞片状炭质页岩、局地有镍钼等多种硫化物矿物聚集，黑色板状炭质页岩往上炭质含量愈来愈低，上部为灰绿色页岩夹钙质页岩及泥灰岩；至早寒武世杷榔期为灰色中厚层状泥灰岩或泥质灰岩，指示早期海水深而宁静，为深水陆棚，后期为浅水陆棚。黑色炭质页岩普遍含斑点状或星散状黄铁矿，脉石矿物中发现沥青斑点，显示海水温度较低及海洋缺氧还原环境。沉积介质经历了弱碱性—酸性、还原性—强还原性的变化过程(有机质含量从磷块岩到镍钼矿层增加了10倍)。研究张家界天门山大坪、后坪、三岔矿区剖面(郑世雯，2014)，发现牛蹄塘组存在海绵骨针化石、管状化石、藻类化石组合及微小的细菌结构，部分管状化石中管内有黄铁矿充填，藻类化石多以团粒和微细粒黄铁矿形成草莓球状黄铁矿。

早寒武世早期，随着南沱期气候变暖，冰山消融，海平面上升，扬子海向南东方向海侵，湘西北武陵山过渡带属于陆棚前缘斜坡相区，在相对滞流的深水区域形成了缺氧还原环境(图3)，也为厌氧低等生物的大量繁殖和金属硫化物的形成提供了场所。

图3 湘西北武陵过渡带岩相古地理略图1-大陆地壳；2-地幔；3-盆地炭硅质沉积；4-地台碳酸盐岩沉积；5-远岸泥质沉积；6-镍、钼、钒矿Fig.3 Lithofacies palaeogeographic sketch of the Wuling transitional zone in northwestern Hunan Province

5 成矿物质来源

湘西北早寒武世镍钼矿体呈似层状或扁豆状、透镜状，产状与地层一致，产出严格受含矿层位牛蹄塘组(木昌组)地层控制，构造以褶皱为主，断裂构造对镍钼矿矿床无后期改造作用，区内无岩浆热液活动，矿石物质成分和结构构造具沉积矿床地质特征，镍钼矿床属沉积成因。

含矿层中的石煤是由低等生物(藻类、菌类、海绵骨针等)的遗骸在深水还原条件下腐烂成泥、缓慢下沉堆积而成岩；磷矿是黏土矿物和C元素吸附海水中的磷质在还原环境中沉积成；Mo、Ni、V、Cu和铂族等多种元素则以硫化物、硫砷化合物等形式在有微生物参与的情况下及强还原环境中同生沉积而成。

镍钼矿同生沉积有黄铁矿，粗粒硫化物阶段是沉积早期由海水和热水中的HS-与Fe结合，在适宜温度、过饱和度 (硫逸度高) 大的条件下形成；细粒硫化物阶段细粒状或莓球状黄铁矿(扫描电镜下细粒黄铁矿间可见莓球状核心20 μm)主要形成于海水及其沉积物中，是在微生物或细菌参与下对有机质球粒的充填、交代而成，莓球状黄铁矿多被认为是生物和热水成因，其集合体周围主要由黏土矿物(伊利石、绿泥石等)及细粒金属硫化物和有机质附着，莓球体黄铁矿又显示在胶体溶液中生成的特点。海侵时期海水的间歇性注入、滞流的海水和一定范围内热卤水的介入为黄铁矿的形成提供了介质液体(江永宏等，2010)。

湘西北镍-钼-钒多金属矿床在有机质(生物地球化学)参与下形成，有机质为多金属元素的载体，发生了有机成矿作用(罗卫等，2007)。早寒武世早期富含微生物的盐类海水注入沉积盆地(可能还伴有海底喷流作用)，浮游藻类等微生物不断繁殖并造硫聚矿。对镍钼矿成矿物质来源认识局限于海水，海底喷流热水不是主导。

按照海底喷流热水双扩散对流循环模式(图4)，喷口之下发生了以充填和交代为主的成矿作用，喷口之上发生了以混合和沉积为主的成矿作用(赵静等，2015)。海底喷流作用使富含矿物质元素的热水溶液沿断裂通道上涌，造成海底喷流口附近有大量微生物存在，以热液硫化物为“食”，生命活动造成流体中某些物质的迁移、富集和沉淀。

图4 海底喷流热水作用双扩散对流循环模式Fig.4 Double-diffusive convection model of submarine exhalation hydrothermal fluids

海底喷流作用具有突发性、间歇性特点，湘西北寒武系牛蹄塘组(木昌组)镍钼矿矿层厚度不稳定、不连续，矿石品位变化较大，矿石矿物普遍存在同生沉积的黄铁矿及生物成因的莓球状黄铁矿，成矿温度一般为100～240 ℃低温。而湘西北早寒武世牛蹄塘(木昌)期属陆棚前缘的深水缺氧还原沉积环境，矿石矿物中还含有细菌及微生物化石，次要矿物中含砷黝铜矿、黄铜矿、辉铜矿、黝铜矿、铜蓝，指示海底喷流口热水温度较低，并富有Cu元素和存在以热液硫化物为食的微生物信息。对湘黔早寒武世的硅质岩生成环境进行研究发现(江永宏等，2005)，湖南三岔硅质岩的氧同位素不仅与美国阿拉斯加德龙山海底喷流沉积的氧同位素组成接近,与湘西北慈利的层状硅岩变化区间(18.12‰～22.55‰)和中国秦岭凤太硅岩变化区间(18.74‰～22.05‰)亦吻合,硅质岩与镍钼矿沉积时期相近的硅质岩来源于喷流热水。

6 结 论

(1) 湘西北寒武系下统牛蹄塘组(木昌组)沉积型镍钼矿成矿物质来源不是来源于陆源碎屑、海底火山碎屑、盐类海水。

(2) 湘西镍钼矿成矿地质特征与海底喷流热水沉积的基本特征相符，成矿物质来源于富含Ni-Mo-V等多金属元素的海底基底深大断裂中喷出的喷流-热水。

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Ore-forming materials source of the Cambrian sedimentary nickel-molybdenum deposits in northwestern Hunan Province

YAN Youyi

(Hunan Geological Exploration Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau, Changsha 410004, Hunan, China)

The Cambrian strata contain abundant ore resources, of which the Lower Cambrian Niutitang Formation black rock series hosts a large number of phosphate ores, stone coal, vanadium and uranium ores and also contains nonferrous metals of Mo, Ni and platinum group minerals. With the analysis of the previous data, this work considered that the metallogenic geological environment of these Ni-Mo deposits was low-temperature, involving microorganism and strong reducing environment. We also put forward a clear view of the ore-forming materials source of the Cambrian sedimentary Ni-Mo deposits, namely derived from submarine exhalation hydrothermal fluids.

Ni-Mo ore; Niutitang Formation; framboidal pyrite; microorganism; hydrothermal sulfide; submarine exhalation; source of ore-forming materials; Hunan Province

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.560

2016-06-29；

2016-07-10；编辑：陆李萍

中化地质矿山总局矿产资源补偿费地质勘查项目“湖南省慈利县卓家山矿区镍钼矿普查”(中化地矿地发200780号)

闫友谊(1965— ),男,高级工程师,地质调查与勘探专业,从事矿产地质普查与勘探工作,E-mail: yyy1095@163.com

P611.2+2； P618.6

A

1674-3636(2016)04-0560-07