湖北省崇阳县石门钒矿地质特征及钒的赋存状态分析

钟 温, 尹 近, 霍东婵, 赵 帆

(湖北省地质局 第四地质大队,湖北 咸宁 437100)

石门钒矿区位于湖北省东南部崇阳县,距崇阳县城约31 km,属崇阳县石城区双港乡管辖。地理坐标:东经113°49′33″,北纬29°27′20″。矿区面积1.47 km2。1987年湖北省第四地质大队对该矿进行了详查地质工作,估算V2O5资源量35 762.43 t,属小型规模矿床。近年来钒矿价格持续走高，钒矿的开采逐渐活跃，通过对钒矿地质特征及赋存状态的了解，钒赋存于寒武系牛蹄塘组炭质页岩中的伊利石矿物，此有助于钒矿开采过程中技术的改进，同时节约成本，提高效益。

1 区域地质概况

矿区大地构造位置属于扬子陆块区(Ⅰ级)下扬子陆块(Ⅱ级),幕阜山被动边缘褶冲带(Ⅲ级),咸宁台坪褶皱带(Ⅳ级)[1]。矿区地处方山倾伏背斜南东翼[2],区内断裂构造较为发育,主要为北北东向和北西向断裂。

出露地层主要为震旦系、寒武系地层。矿区为一单斜构造,地层总体走向北北东。 其中寒武系下统牛蹄塘组二段(∈1n2)为区内的含钒矿层。岩层产状总体倾向南东。

2 矿床地质特征

2.1 地层

矿区范围内出露地层为震旦系下统陡山沱组、上统灯影组,寒武系下统牛蹄塘组、上统石牌组。(各组均为整合接触),局部被第四系掩盖,现由老到新叙述如下(见图1):

图1 石门钒矿地质图Fig.1 Geological map of Shimen vanadium deposit1.第四系;2.石牌组;3.牛蹄塘组四段;4.牛蹄塘组三段;5.牛蹄塘组二段;6.牛蹄塘组一段;7.灯影组;8.陡山沱组;9.地质界线;10.破碎带。

陡山沱组(Z1d) 云质灰岩,灰—深灰。泥晶—粉晶结构,厚—中厚层状构造,主要成分以方解石为主,含少量白云石、隐晶石英、粘士矿物。厚约88 m。

灯影组(Z2∈1d) 硅质岩,硅质页岩段。 硅质岩为深灰—灰色,具粉晶、隐晶结构,薄层状构造。矿物成分大量为石英,少量白云石、泥质物和黄铁矿等。硅质页岩呈灰黑色,泥质结构。薄板状页理构造,主要成分为粘土类矿物,次为石英,含少量白云石、炭质物、黄铁矿等。厚80 m。

牛蹄塘组(∈1n) 分为四个岩性段。

第一段(∈1n1) 白云岩夹炭质页岩段,白云岩为深灰色,微晶、粉晶结构,中厚层状构造。岩石镜下见有较多的不规则状凝块石。球粒形岩屑及藻斑、藻迹,直径约0.2 mm。炭质页岩为黑色,泥质结构,薄板状页理构造。主要为泥质物,次为钙镁质。厚20～34 m。

第二段(∈1n2) 含结核炭质页岩夹薄层硅质岩。岩石新鲜面为黑色,风化后呈浅灰色、灰白色。具鳞片状显微层状页理构造。矿物成分以伊利石、高岭石、水云母为主。硅质岩为灰黑色,隐晶结构,微薄层状构造,单层厚1 cm左右。厚16.8～25.6 m。

第三段(∈1n3) 炭质粘土岩。新鲜面为灰黑色,风化后为浅黄色,泥质结构,薄层状构造。主要成分以粘士类矿物为主,含少量隐晶石英、方解石。厚23 m。

第四段(∈1n4) 含碳灰岩夹含碳页岩。含碳灰岩为灰黑色,泥晶结构。薄—中厚层状构造。主要成分为方解石,次为粘土类矿物,少量白云石等。含碳页岩为黑色,泥质结构,薄板状页理构造,矿物成分以粘土类为主。厚35 m。

2.2 构造

2.2.1 褶皱

矿区位于方山背斜南东翼,总体为单斜构造。地层走向北东20°～25°,倾向南东。倾角平缓,为8°～28°。区内次级褶曲比较发育,牛蹄塘组第二段、第三段地层及含钒层局部出现重复。

2.2.2 断裂

矿区断裂依其展布方向主要有三组:北北东向断裂、北西向断裂、北东向断裂。现将其主要断层F2简述如下:

北北东向断裂(F2) 为矿区主要断裂,平行地层纵向分布。长10 km以上,主要发育在牛蹄塘组第一段地层中,部分延伸到第二段地层的下部。断面多平行地层层面或小角度斜交。走向北东10°～25°,倾向南东东。倾角20°左右,与地层产状基本一致。断面呈舒缓波状,其力学性质表现为先挤压后扭张。断裂破碎带一般宽数米—十余米,以碎裂岩为主,少量角砾岩、压碎岩组成。裂隙中充填有较多的石英方解石细脉。

该断裂旁侧次级平行小断裂(倾向相反)和羽状裂隙比较发育,岩层揉皱破碎强烈。致使地层和含钒层局部出现重复或缺失,岩石含钒量下降。

2.3 含矿岩系特征

寒武系牛蹄塘组是区内主要含钒岩系,按岩性特征和岩石组合,划分为四个岩性段,第二段(∈1n2)为主要含钒层,按岩性特征详细划分为三层(见图2)。

图2 石门钒矿区5勘探线剖面图Fig.2 Profile map of No.5 exploration line in Shimen vanadium mining area1.牛蹄塘组三段;2.牛蹄塘组二段上层;3.牛蹄塘组二段中层;4.牛蹄塘组二段下层;5.牛蹄塘组一段;6.破碎带;7.钒矿体。

第一层(∈1n2-1):含钒、含结核炭质页岩层。岩石含有较多的砂质(硅质)结核、磷质结核,呈卵圆状、扁圆状。直径5～10 cm居多。一般顺层分布,岩石中结核率不等,约5%～15%,本层炭质页岩含钒较高。厚10～16 m。

第二层(∈1n2-2):含钒炭质页岩夹薄层硅质岩层,该层岩石含钒中等偏高,层位稳定,厚度变化小,局部由于小褶曲影响,造成厚度增大的假象。岩石抗风化能力较强,地表容易识别。因此本层为牛蹄塘组第二岩性段中部的标志层。厚0.8～1.6 m。

第三层(∈1n2-3):含钒炭质页岩层,本层岩石含钒较高,而且较稳定。厚6～8 m。

2.4 矿体规模、形态及产状特征

矿区具工业价值的钒矿体主要赋存于牛蹄塘组第二段含钒炭质页岩中,与矿区主要含钒层基本吻合[3]。矿体底板为牛蹄塘组第一段白云岩、硅化白云岩、“硅质岩”,顶板为第三段含钙炭质粘土岩及炭质页岩。主要含钒层上下界线比较清楚,钒矿体界线则按V2O5品位确定,部分界线为过渡。

矿区目前控制主要工业矿体,从9线至12线基本是连续的。长2 400 m,真厚3.05～24.21 m,总平均真厚8.67 m。其中地表(探槽)平均真厚9.49 m,4线以北为8.19 m,以南为13.11 m;深部(钻孔)平均真厚6.53 m,4线以北为5.07 m,以南为8.21 m。斜深一般为50～190 m,5线处最大斜深达300 m。

矿体呈似层状,一般地表较厚、深部较薄;南区较厚,北区较薄,矿体产状随地层有波状起伏。走向20°～25°,倾向南东,倾角较缓,一般为9°～29°。局部地段产状几乎水平。

上述特征说明矿区钒矿体形态规则,产状和厚度变化比较稳定。经统计计算矿体厚度变化系数为53%。

此外,在矿区主要工业矿体内,按工程矿体品位(V2O5)≥0.83%,又圈出两处富矿体:

① 分布在4线以南,长900 m,真厚度3.05～15.49 m,平均真厚度7.58 m,其中地表(探槽)平均真厚8.56 m,深部(钻孔)平均真厚6.20 m,斜深50～100 m。

② 分布在5～7线间,长200 m,平均真厚度6.90 m,斜深约50 m。

3 矿石类型与矿石质量

3.1 矿石类型

矿石类型主要有四种,即含结核炭质页岩钒矿石、薄板状炭质页岩钒矿石、硅炭质页岩钒矿石和脱炭页岩钒矿石。前两种钒矿石统称为石煤,后两种钒矿石分别称为硅炭板岩和脱炭泥板岩,两者矿石特征基本类似。

3.1.1 含结核炭质页岩钒矿石

主要分布在∈1n2-1中,少数在∈1n2-3内。此种矿石以含较多的砂质结核和磷质结核为重要特征,具鳞片页理构造。矿石品位(V2O5)一般为0.71%～1.34%,最高1.70%～1.94%,最低0.50%～0.66%,矿石品位高、质量好,是矿区主要类型之一。

3.1.2 薄板状炭质页岩钒矿石

即具薄板状平直页理的炭质页岩,亦为矿区主要类型之一,主要分布于∈1n2-3中。在∈1n3的小钒矿体中亦属此类。矿石品位一般为0.65%～1.14%,最高1.28%～1.67%,最低0.50%～0.65%。矿石质量较好,品位变化稳定。

3.1.3 硅炭质页岩钒矿石

该矿石中夹有数量不等的微薄层硅质岩,或细硅质条纹,具平直页理构造,矿石品位一般为0.50%～0.91%,最高0.98%～1.04%,最低0.24%～0.45%,属贫矿石,但所占比例很小,为矿区次要类型。

3.1.4 脱炭页岩钒矿石

在地表和浅部经风化淋滤脱炭后所形成的一种次生矿石类型。此种矿石品位一般较原矿石增高(V2O5)0.02%～0.24%。

3.2 矿石质量

工业矿体的矿石总平均品位(V2O5)为0.79%,其中富矿体的矿石总平均品位为0.89%。工业矿体矿石在地表(探糟)平均品位为0.80%,深部(钻孔)平均品位为0.78%。其中4线以北,地表平均品位为0.79%,深部平均品位为0.74%;4线以南,地表和深部平均品位均为0.81%。矿石最高品位,地表为1.85%～1.94%,深部为1.47%～1.70%,最低品位,地表和深部均为0.24%～0.50%。经统计计算,矿石品位变化系数为7%,属均匀类。

该区工业矿体、矿石品位属中等偏高类型,品位变化稳定,各种矿石品位出现差异的主要原因是由矿石本身组分含量所决定的,地表和浅部有一定富化,主要与矿石适量的脱水、脱炭和大量硫、钙、镁的流失有关。

3.3 矿体的产出特征

(1) 寒武系牛蹄塘组第二、三段的黑色炭质页岩均有较好的钒矿化,此二段地层可视为含钒岩系。主要含钒层为牛蹄塘组第二段地层,岩石V2O5含量一般为0.4%～1.08%,最高1.94%,全段地层含钒量较高,层位稳定,可构成规模较大的工业钒矿体。次要含钒层位为牛蹄塘组笫三段炭质页岩单层,岩石V2O5含量一般为0.3%～0.93%,最高1.13%,单层含钒量较高,但层位不很稳定,只能形成小钒矿体。

(2) 矿体呈层状、似层状产出,严格受地层层位控制,一般地表较厚、深部较薄,南段厚、北段薄,往深部延伸有分叉现象。

(3) 含钒矿石主要为炭质页岩,具鳞片结构、块状构造的特点[4]。

4 矿石物质组分及钒的赋存状态

4.1 矿石矿物成分

根据岩矿鉴定资料和选矿试验样分析成果,本区矿石矿物有20余种。主要为伊利石(高岭石、水云母)、石英、玉髓,少量—微量炭质物。蛋白石、方解石、白云石、重晶、石膏、黄铁矿、针铁矿、磁铁矿、帘石、胶磷矿、磷灰石及钒钛矿、钒云母等。矿石以富含伊利石、炭质物和少—微量黄铁矿、重晶石、胶磷矿为其特征(见表1)。

表1 选矿样矿石矿物组成表Table 1 Mineral composition of ore dressing samples

4.2 矿石化学成分

本次详查共挑选了26个样品(1987年采集)作矿石多项分析,得出以下结果:

(1) 矿石含Ba高,说明重晶石化普遍,并有一定强度。

(2) 深部(钻孔)样品含S较高,Cu、Zn含量亦较高,说明新鲜矿石含有少量黄铁矿及金属硫化物,而浅部矿石多已风化流失。

(3) 矿石中出现Ag、P、Mo、Y异常,属于含多种有益组分的矿石。

4.3 矿石伴生组分

矿石除含钒、碳外,值得注意的伴生组分有磷、钼、银、铀、钇、硫、镍等。这些组分利用得宜,可增加经济效益,否则,随着矿山开采将污染环境。

4.4 钒的赋存状态

从选矿试验样中,发现唯一钒矿物——钒钛矿,含钒量占矿石钒总量的10%左右;查明含钒矿物为伊利石,占矿石钒总量的70%～80%,其余10%～15%的钒呈分散或可溶性物质状态(见表2)。

4.4.1 钒钛矿

镜下呈灰色,半金属光泽,内反射棕红色,不透明—微透明,具弱磁性,比重4.6～4.8,呈粒状、胶结物状,或者与重晶石构成细脉。

表2 伊利石扫描电镜能谱定量分析结果表(%)Table 2 Quantitative analysis of illite by SEM and EDS

钒钛矿为一种含量少、分布广的矿物,通过扫描电镜微区能谱分析及扫描电镜微区x射线元素,查明钒钛矿含Ti40%～50%,V12%～15%,O40%～41%,Si0.98%～3.16%,Pb、Fe均在1%以下。换算后,V2O522.63%,TiO270.23%,其分子比V2O5∶TiO2=0.151∶0.878=1∶5.81。故其分子式为V2O3、6TiO2或V2Ti6O15。

4.4.2 伊利石

经原矿径粒度分析,发现钒明显富集于<0.002 mm的粘土粒级中,并发现各粒级中钒含量与钒铝含量升降规律基本一致(即钒与钾、铝含量呈正相关)。通过对含钾、铝矿物扫描电镜能谱图及定量分析结果,确定为伊利石。

伊利石为无色透明细鳞片状、片状集合体,广泛分布于各类岩石及矿石中,或局部沿构造带定向富集。伊利石在泥炭板岩中含量最多,在硅炭板岩和石煤中含量依次降低。其单矿物分析结果见表1-表2。 在选矿试验中,将<0.002 mm的伊利石置于20当量硫酸溶液中,发现Al2O3溶出速率大于K2O,这是由于铝氧八面体不如硅氧四面体稳定,而K+是固定于两个相邻硅氧四面体层之间的,其次各试样钒的浸出率曲线与铝的浸出率曲线非常一致,说明伊利石中钒处于铝氧八面体结构中,但在部分混有石煤试样中,钒的浸出率较铝的浸出率高20%,说明石煤中部分钒可能以可溶性钒酸盐、钒钛矿,或呈吸附分散状态存在于石英、水铝石英、伊利石、褐铁矿、磁铁矿的晶体缺陷内。 此外,在矿石裂隙和层面上有时可见次生的钒云母。

5 结论

石门钒矿层位于寒武系下统牛蹄塘组二段(∈1n2)黑色炭质页岩中,产状与围岩地层产状一致,为层控型沉积矿床,其中钒在该矿床中10%赋存于含钒矿物钒钛矿、70%～80%赋存于含钒矿物伊利石中,仅仅10%～15%的钒呈分散或可溶性物质状态。在今后寻找类似沉积型钒矿床的过程中，伊利石为重要的找矿方向。