磷块岩不同形成条件对其岩石学特征的影响

潘 登 张电吉 张卫忠

(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院 湖北 武汉：430070； 2.武汉工程大学 资源与土木工程学院 湖北 武汉：430073)

磷块岩不同形成条件对其岩石学特征的影响

潘 登1,2张电吉2*张卫忠2

(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院 湖北 武汉：430070； 2.武汉工程大学 资源与土木工程学院 湖北 武汉：430073)

矿石的形成条件与其物理力学参数存在诸多内在联系。根据现场勘察采集的数据资料阐述了我国南部磷矿石埋藏的地质条件，对湖北、贵州两个地区磷矿企业所属矿石的矿床岩石学特点，沉积型磷块岩赋存状态、磷块岩结构构造和磷灰石强度的相互关系进行对比研究。得知两地磷矿于同一地质时期形成，储量大、分布面积较广，但各自矿体的有害杂质含量、高品位富矿分布、矿石细观结构及力学性质存在明显差异。

磷块岩；断层；褶皱；地层顺序；矿石组成；强度

1 研究背景

蕴藏于中国境内的磷矿主要有岩浆结晶型磷灰石矿床、沉积变质型磷灰石矿床、沉积型磷块岩矿床。位于湖北省西部宜昌、远安、兴山县境内的磷矿树崆坪矿区属于大型沉积型磷块岩矿床，含磷地层赋存于震旦系上统陡山沱组，为碎屑—粘土岩，磷块岩—泥硅质白云岩构造。矿层Ph13和Ph12是磷质工业制品的原料，平均品位24.21%。估算矿段内(Ph13+Ph12)磷矿石资源量(332+333)2.23亿吨。开磷集团位于贵阳市开阳县金中镇境内，矿区开采面积为50km2，资源丰富，探明储量4.13亿吨，P2O5平均含量为33.73%。两地区磷矿企业生产提供磷矿石、黄磷、重钙、饲料氢钙、磷酸一铵等重要工业物资。我国南部地区远古代成矿条件不同导致了现在湖北和贵州等地在磷矿蕴藏、分布、品位和开采技术等方面各具特点。当前多数学者支持远古滨海生物聚磷的成矿学说，提出磷资源在全球的产生与富集及磷块岩的力学行为等岩石学特征决定于远古有机质生物的生存环境及气候变化等因素。刘魁梧结合磷灰石所特有的岩石学特性，分析了藻类的生物成磷因素[1]；单满生分析提出藻类集聚含磷物的原理及高纯度磷酸盐形成过程[2]；高峰研究了磷酸盐形成与影响盐化的各种条件[3];梁天佑等对生物体内磷酸根和阳离子生物化学中和的可能性及细晶、微晶磷酸钙富集矿化作用进行了探讨[4]。与此相对，磷块岩的非生物成因如地质矿化作用也逐渐被当今学者提出和研究。可见对于磷矿的形成因素以上多位专家已经做了深入分析，但在各主要磷矿产区的矿石岩石学特点以及差异的比较分析方面缺乏探讨，值得进一步研究。

本文从分析掌握岩体稳定性、选择开采支护技术、提高矿石利用率等采选角度出发，在矿区地质构造及分布、力学性质与其成矿环境的关系等方面对两个地区的磷块岩进行了对比研究。

2 矿区地质对比分析

2.1 磷块岩矿区构造

湖北兴山树崆坪矿区主要分布于扬子准地台鄂中褶断区“黄陵断穹”北缘。黄陵背斜南北方向长69km，东西方向宽41km，西陡东缓。核部由新太古界至新元古界的变质岩、混合岩和岩浆岩组成；区域断裂构造较为发育，其东西走向长数十千米的中雾渡河断裂斜切“黄陵断穹”北斜核部，对“黄陵断穹”核部地层及区内磷矿分布起着重要的控制作用。以雾渡河断裂为分野，核南部侵入大量岩浆岩，核北部则以中深变质岩为主；其北部的陡山沱组沉积了质优量大的磷矿床，南部仅出现小而贫的磷矿点。区域内矿产资源丰富，在“黄陵断穹”核部分布有金矿、石墨矿橄榄石矿、石榴石及矽线石、硫铁矿、花岗石等矿床，还分布有较小的磁铁矿、铜铅锌多金属矿化点；在断穹沉积盖层区有磷矿、银钒矿、赤铁矿、硫铁矿及镍钼矿、铅锌矿、重晶石等矿床。磷矿是本区域重要矿产，区域内已发现的磷矿带有宜昌磷矿、兴—神磷矿、保康磷矿。

贵州开磷集团瓮安用沙坝矿矿区矿体中主要构造为断层与褶皱。查明较大的断层有20条，其中水平断距大于10m的有6条，影响最大的是F14断层，其地表出露于W11～W13勘探线，走向SN段呈近向展布，往南变为近NW～SE向，整个走向呈波状起伏，向西倾，倾角21°～31°为一平推正断层，从北向南从浅部到深部，断层断距逐渐加大，断层派生构造发育，形态复杂，断距是一个变值，在1230m标高以上，局部地段上下盘矿重复，在1230m标高以下上下盘矿体完全错开，断距明显。由于该断层影响，在断层附近，上盘矿呈南厚北薄的趋势，下盘矿倾角变陡，甚至于倒转，在剖面上呈“S”形。褶皱主要为龙井湾向斜，该向斜北起龙井湾，南至W13线附近，轴部地层为灯影组白云岩,轴向NE～SW，东翼地层倾角为18°～27°，西翼地层倾角48°～56°,为不对称向斜，轴向向南倾伏,倾伏角10°～20°。二者主要地质参数见表1。

表1 贵州与湖北矿区主要地质参数对比

从表1分析得知，两地矿区地质作用明显，都以断层与褶皱为主要构造类型，而且都蕴藏多种矿产，矿层分布受断层影响。两地海拔受地质作用都在1200m以上，高差都在400～600m间。矿层埋深湖北地区是贵州地区的4～5倍，矿层上部岩体自重应力远大于贵州磷矿，所以在勘探资料显示湖北磷矿岩化程度高，岩体完整性更好。贵州矿区为向斜构造，断层数量较多，断距和倾角均远大于湖北矿区，且局部矿层存在反转现象，地质构造情况更加复杂，说明震旦纪贵州成矿地区较湖北地区地质活动强烈发育。

2.2 含磷地层比较

宜昌磷矿树崆坪地层顺序如下：

震旦系上统灯影组(Z2dn)：第三段(Z2dn3)：在矿段大面积分布。岩性为浅灰色、灰色中薄层夹厚层粉晶白云岩，孔洞状构造较发育；第二段(Z2dn2)：仅分布于矿段西部近边界一带。深灰色、灰色薄层状细晶白云质灰岩，具纹层状构造，层理发育，底部为灰黑色炭质泥岩，见0.15m致密块状磷块岩(Ph5)。第一段(Z2dn1)：仅在矿段西部近边界地带零星出露。浅灰色厚层夹中薄层状微晶～细晶白云岩。灯影组全层厚度459.43～547.40m，平均厚499.95m。与下伏地层呈整合接触。

震旦系下统陡山沱组(Z1d)：磷矿层顺序由新到老如下：

Ph6:赋存于寒武系下统水井沱组底部(∈1s)；

Ph5:赋存于震旦系上统灯影组第二段底部(Z2dn2)；

Ph4:赋存于震旦系下统陡山沱组第四段顶部(Z1d4)；

Ph3:赋存于震旦系下统陡山沱组第三段底部(Z1d3)；

Ph2:赋存于震旦系下统陡山沱组第二段底部(Z1d2)；

Ph1:赋存于震旦系下统陡山沱组第一段上部(Z1d1)。

这其中Ph2、Ph1磷矿品位稳定，层厚达到工业开采价值，是现在的工业矿层，是该地区找矿和矿区评价的主要对象[5-6]。其中Ph13矿层为主要工业矿层，厚度1.30～5.68m，平均厚度3.76m，矿层品位16.76%～30.12%，矿层稳定。矿层直接顶板是厚0～2.01m的稳定的乳白色硅质白云岩，但厚度变化较大，其上为灰白色气孔状白云岩，岩层连续性、完整性好，岩性坚硬、强度高。节理裂隙不太发育，仅有的裂隙中多被方解石脉所充填，从马家湾矿段开采情况看，坑道内一般不需支护。矿层直接底板为黑色粉砂质泥岩，薄层状构造，单层厚1～10cm，抗压强度相对较高，该岩组中泥质含量较高，遇水后强度降低，但未见泥化现象，节理裂隙基本闭合或被方解石脉所充填，相邻矿段施工的坑道内未见底鼓现象。

贵州瓮安用沙坝矿磷矿床属浅海～滨海相大沉积磷块岩矿床，矿体呈较稳定层状，主要地层顺序与岩性信息如下：

灯影组：该地层厚约100m，其中下部为灰、浅灰色中厚层细晶白云岩和浅灰色硅化鲕状白云岩，厚0.35～1.9m，且岩层稳定，是见矿标志层。浅灰、灰白色带蔷薇红色中厚层状含锰白云岩，局部为黄褐色、棕色，厚0.0～2.0m，作为矿体直接顶板。

陡山沱组上部为浅灰色、灰黑色，中厚层状致密块状、条带状磷块岩，厚5.0～8.5m，局部地方可见灰白色磷块岩。下部为灰绿色薄至中厚层状细砂岩，厚8.0～20.0m，靠近磷块石的直接底板为灰白、浅黄色薄层硅质页岩，厚0.0～0.1m。磷矿层主要蕴藏于该地层，从新到老循序分为四种不同岩层：第一层：厚度在16～18m间，以粒状-碎屑桩白色为主的白云质磷块岩组成的上部磷矿层，其中发现有生物群遗迹及部分动物胚胎化石；第二层：厚度在2～2.5m间，有古岩溶作用痕迹的灰黑色含磷夹层；第三层：厚度在13～20m间，上部由黑色球形白云质磷块岩逐步转变为含磷硅酸盐，下部为灰黑色泥晶质块状磷块岩；第四层：厚度在1.35～17m间，灰绿色细至中粒石英砂岩，普遍含星散状黄铁矿自形晶颗粒，中下部见厚1m左右的砾岩。下部沉积型灰色泥岩。

南沱组为紫红色、紫色砂质页岩、泥岩，其间夹有浅灰色薄层砂岩，泥页岩中时夹有砂质团块，顶部有2～5.0m厚的灰绿色页岩。矿体直接底板为灰白色、浅黄色薄层硅质页岩，只在南段一些地方矿体直接与灰绿色中厚层状细砂岩接触。

对比后得知，两地区地质相同之处在于磷矿层都赋存于震旦系陡山沱组地层中，距今6～8亿年，都缺失相同年代地层，均为背斜构造，矿体直接顶板均为白色硅质白云岩，直接底板均为硅质页岩。说明均形成于同一地质时期，为同一类型的聚磷事件的产物。不同之处是，湖北地区磷矿层层数较多，厚度较薄，条带型矿层构造更加显著，矿石种类比较单一，推测成矿环境更具规律性；贵州矿区矿层厚度较大，品位更高，说明震旦纪贵州地区地质地貌条件更加适合含磷生物的生长和集聚。但其上下矿石构造类型相差巨大，新旧矿层成矿环境存在显著差异。

3 磷块岩矿石特征

3.1 矿石结构、构造比较

根据现场勘探记录,湖北树崆坪矿区和贵州瓮安用沙坝矿区矿石构造、结构对比分析见表2。

表2 湖北树崆坪矿区和贵州瓮安用沙坝矿区矿石构造、结构

两地区矿石构造特征均具备沉积型层理特征，区别在于湖北树崆坪矿区矿石中没有碎屑状构造。碎屑状和角砾岩状构造，且矿物与脉石条带成分单一，界限清晰，条带构造规模较大，现场测量结果显示厚度为27.77m的磷块岩中各类条带达到了4786条。而贵州开阳地区的磷灰石总体上存在层理分布，但多呈多种矿物不同粒径碎屑状混杂，说明贵州地区在成矿时期及后期存在剧烈外力机械作用，严重破坏了磷块岩的沉积型特征[7]。矿石中的生物、隐藻结构说明磷块岩生物沉积属性，但细晶微晶、泥晶结构的普遍存在说明湖北矿区远古生物生存及成矿环境更加稳定。

3.2 矿石矿物组分与化学成分

根据现场勘探记录湖北兴山树崆坪矿区和贵州瓮安用沙坝矿区矿石矿物组分与化学成分及其变化对比分析见表3。

矿石矿物组分方面两地区主要矿石矿物为炭氟磷灰石胶磷矿，主要的脉石矿物有白云石、石英等进一步说明了两地聚磷事件具有共性。而贵州矿体内P2O5含量平均值已经达到优质矿标准，矿区含更多伴生矿物，说明其距地质活动点更近。从湖北地区含磷矿层的脉石矿物含量的变化，说明了含磷生物的萌生、繁衍与消亡的全过程。作为含磷矿层底板泥质条带磷块岩高含量SiO2(28.33%)、Fe2O3(2.56%)、Al2O3(7.12%)为生物产生繁杂提供了必要的矿物质基础，而作为含磷矿层顶板高含量MgO(7.81%)、CO2(17.97%)是生物死亡沉积后体内有机质分解的结果。贵州瓮安用沙坝矿集中了全国78%的优质磷矿石，是世界少有、目前国内唯一不经选矿便可直接生产高浓度磷肥的优质原料产地。其矿石有害杂质含量低，某些重金属元素如镉、汞等含量几乎为零，说明该地区早期滨海环境更加适合小型含磷生物的生长与聚集；但各个矿段的磷矿石性能呈多样性，在生产不同的磷化工产品方面分别有各自的优势，从另一方面说明贵州磷块岩具有显著外力机械搬运、重力分选特征，如早期滨海区域风暴潮对浅滩沉积物的剧烈扰动。

3.3 显微观测

磷块岩在长期矿化的作用过程中形成了各种晶体构造，其细微观结构对于矿石的乃至岩体力学性质作用于影响至关重要，两地区磷块岩的微观形貌见图1。

表3 湖北树崆坪矿区和贵州瓮安用沙坝矿区矿石矿物组分与化学成分

图1 磷块岩微观形貌

图1可以看出两地区矿石细观构造明显不同，图1a图为湖北白云质条带磷块岩，具有清晰稳定的沉积型水平向层理面，代表了其内海-泻湖较为平静的沉积环境。图1a中上层为灰色含磷细晶白云石(D)，下部为黑色隐晶质胶凝状磷灰石(Ph)。除斜向白色岩溶物质(B)密实填塞的裂纹外，该类岩石外观致密，节理面较少；而图1b图是典型的贵州白云质磷块岩，显示粉砂级白云石(D)集合体中包裹黑色褐铁矿以及粉砂级胶磷矿，富磷带中胶磷矿(Ph)胶结磷质砂屑以及磷质生物介壳碎屑(S)，并包裹细～粉砂级石英(Q)以及黑色褐铁矿，矿石中成分复杂，不同矿物颗粒接触面多，细小节理面成空间网状布满整个岩体，具备明显成矿后期外力侵蚀搬运再沉积的构造特征[8]。其岩体在荷载作用下，裂尖会沿网状颗粒结合面迅速扩展，所以贵州地区力学性质更差，承载力更低。

3.4 抗压及粉碎粒径试验

在抗压承载力试验中，分别选取两地区具有代表性的磷块岩矿块各20个样品，加工成直径50mm，高度100mm圆柱型试件，分别进行单轴抗压强度测试，加载方式为应变控制，加载速率定为0.2mm/min，试验结果见表4。

表4 单轴抗压强度试压结果

表4测试数据反映出湖北地区磷块岩力学强度明显高于贵州磷矿，同时由于原生弱面和裂纹等岩石各向异性的影响，试件强度存在一定的分散性，但从湖北磷块岩试件的单轴抗压强度在120MPa-180MPa之间达到12个，集中度为60%，相比而言，贵州磷矿力学性能分散性更强，存在两个峰值区间。单轴抗压试验结果有力证明了上述微观检测的分析结论。

粉碎试验：通过磷块岩破碎后各组成矿物的粒度分布，推测矿物晶体间结合力强度等级。取200g平均粒径为1cm磷块岩试样，分别放入高速万能粉碎机进行粉碎，粉碎时间30s，将粉碎后磷块岩粉末过0.074mm分析筛筛分，试验前后分别对原矿和筛上物矿物组分含量分析。造岩矿物在同等破碎能力的做功下，因为分子见结合力的不同，而产生相应的解离效果。粉碎试验结果见表5。

由表5可以看出，含量占比明显升高的矿物组分为P2O5，而含量占比明显降低的为MgO、CaO和SiO2，说明同等时间，同等破碎耗能条件下，磷酸盐矿物比硅酸盐矿物更难破碎，其晶体间结合力更大，磷灰石强度高。

表5 磷矿不同粒级成分含量(wt%)

然后取湖北、贵州地区P2O5含量为32%的优质矿石各100g(平均粒径为1cm)进行30秒粉碎粒径分析，结果如表6所示。

表6 30秒粉碎筛分粒径累积分级

表6显示，每级累积粒径贵州地区矿石均高于湖北地区，且较大差值集中在0.15～1.25mm的小粒径区，说明相同等级的粉碎破坏，相同的粉碎时间，贵州地区磷块岩粉碎程度明显高于湖北磷块岩，也就是说要达到相同粉碎粒径级别，湖北矿区磷块岩耗能多，湖北地区磷块岩强度更高，完整性更好。

4 结论

(1)现场勘察的地质资料显示，位于贵州地区的磷矿矿床上覆岩层厚度平均为210m，而湖北地区磷矿层垂直埋深为520m，局部达到985m，仅当前时期作用于湖北地区磷块岩的上部岩体自重产生的固结压力是贵州的3-4倍，最高达30MPa，导致同样的沉积时间里，湖北地区磷块岩固结岩化更加完全。

(2)贵州地区含磷矿区的断层、褶皱等地质构造作用导致出露点较多，矿层倾角偏大；震旦纪滨海风暴潮冲刷、搬运作用，导致该地区磷块岩风化程度严重。所以同一时期在不同地理环境中形成的磷块岩在工业品，矿物组成、力学性质等岩石学特征存在明显的不同。

(3)粉碎试验结果显示，磷灰石颗粒晶间结合力强于白云石和硅质砂岩颗粒，但决定磷块岩强度的因素还有很多。从工业矿物品位来说，贵州地区磷块岩的P2O5含量高于湖北地区，但达到同等粉碎粒径耗能总体低于湖北磷块岩，且力学性质随矿石种类不同而各异。

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PetrologicFeatureofPhosphoriteundertheDifferentFormationCondition

Pan deng1,2Zhang dianji2Zhang weizhong2

(1.Civil Engineering and Architecture Institute， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070, Hubei; 2.Resources and Civil Engineering Institute， Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430070, Hubei)

There are many inner link between the formation condition of the mineral and its physical and mechanics parameters. This paper expounds phosphate rock buried geological conditions in the south according to the data from the field. Many aspects of the phosphate rock regions in Guizhou and Hubei have been carried on the comparative study such as petrological characteristics of ore deposit, depositional phosphate rock occurrence state and the inter relations between phosphate rock structure and their strength. Know that both phosphate rock formed in the same geological period, large reserves, has a wide distribution area, but the harmful impurity content, high grade of the ore bodies distribution of rich ore, ore mesoscopic structure and mechanical properties exist obvious difference.

bedding fault; fold; bed succession；ore composition；strength

P588.24+4

A

1671-3524(2017)03-0020-05

2017-06-15

2017-08-20

国家自然科学基金资助项目(51474159，51504167)

潘 登(1978～)，男，博士生，实验师.*

张电吉(1963～)，男，教授.E-mail：dianjizhang@wit.edu.cn

(责任编辑：李文英)