江西省上饶县上村钒矿成矿作用及找矿远景分析

周丁根, 王 平, 周先军, 王广友

(江西有色地质勘查一队,江西 鹰潭 33500)

1 成矿地质背景

上村钒矿床位于萍乡—广丰深断裂带北侧、怀玉山地体南缘,信江盆地东部,成矿带隶属于钦杭成矿带[1](图1)。区域地层出露较齐全,自南华系至白垩系除志留系和泥盆系地层缺失外均有出露,其中与钒矿有密切成因联系的为寒武系底—下统荷塘组地层。区内地层多以北东—南西走向展布,总体构造轮廓为震旦系和古生界地层构成的一复式向斜。该复式向斜两侧发育有一系列次级褶皱,由北向南分布有暖水—银尖关次级向斜、银尖山次级背斜、郑家坊次级向斜、樟石桥次级背斜。上村钒多金属矿即位于樟石桥次级背斜南翼。区域构造以北东向、北北东向为主,其次是北西向。区域岩浆活动多为酸性岩浆侵入,呈大小不一的岩体产出；其次为零星的基性岩呈脉状产出。时代以燕山期为主。

区域矿产丰富,其分布具有一定的规律性。与沉积作用有关的石煤、钒、金、重晶石、石灰岩、磷、白云岩等矿产主要分布在煌固—姜村—童坊一带,受地层层位控制。与花岗岩有关的萤石、钨、锡、铜、铅、锌、铌、钽、稀土等矿产,主要分布在矿区北部的怀玉山岩体及西部灵山岩体的内外接触带中。不同的矿产均受各自不同的地质构造条件所控制。

2 矿床地质特征

2.1 矿区地质

矿区出露地层由老到新依次有震旦系陡山沱组(Z1d)、灯影组(Z2d)的白云岩、灰岩等碳酸盐岩。寒武系底—下统荷塘组(∈0-1h)的炭质硅质板岩夹石煤层,杨柳岗组(∈2y)、华严寺组(∈3hy)、西阳山组(∈3x)的泥页岩夹灰岩。奥陶系印渚埠组(O1y)的杂色页岩夹薄层粉砂岩。侏罗系水北组(J1s)的杂色页岩、砂砾岩以及白垩系河口组(K2h)红层(图2),出露地层特征见表1。

其中含钒地层为寒武系底—下统荷塘组一套还原环境的陆表海盆相的含钒碳硅泥岩建造[1]。岩性为黑色薄层含碳硅质岩、炭质板岩、含碳硅质板岩及底部石煤层,钒矿体主要分布在底部石煤层中(图3)。石煤层有机质含量偏高,碳泥质的强烈吸附作用,造成钒、钼、钨、铀等金属元素相对富集。

矿区地处单斜构造的一翼,区内构造以断层为主,褶皱不发育。断层规模大小不一,多为破矿构造,切割地层和矿体。其中F1规模较大,其南段呈北东(20°～40°)走向,北段近南北走向,倾向南东,倾角34°左右,下盘为寒武系地层,上盘为奥陶系地层。F2、F3、F4规模不大,但都为破矿断层,切割含钒石煤层。

矿区内未见岩浆岩出露,仅个别钻孔在深部见辉长闪长岩体和花岗斑岩脉侵入。

图1 大地构造位置略图Fig.1 Sketch of geotectonic location

表1 上村矿区地层特征表Table 1 Stratigraphic characteristics of Shangcun mining area

地层划分系统组(地层代号)厚度/m主要岩性特征有用矿产第四系(Q)2～45河流冲积物、坡积残积物。白垩系中统河口组(K2h)200～450砖红色巨厚层状砂砾岩。侏罗系下统水北组(J1s)300～1 000杂色页岩、炭质页岩夹劣质煤,粉砂岩、砂岩,局里含砾,砂岩颗粒由上而下由细变粗。劣煤奥陶系下统印渚埠组(O1y)200～750杂色页岩夹薄层粉砂岩。寒武系上统中统底—下统西阳山组(∈3x)20～105钙质页岩夹灰岩透镜体。华严寺组(∈3hy)45～90条带状钙质页岩、灰岩。杨柳岗组(∈2y)30～130灰黑色泥质灰岩夹薄层页岩。荷塘组(∈0-1h)90～470上部为硅质岩夹薄层碳硅质板岩,中部为炭质板岩夹含碳硅质板岩,下部为含碳硅质板岩夹薄层炭质板岩,底部为含钒石煤层。钒多金属震旦系上统灯影组(Z2d)120～510上部为浅灰—灰白色白云质、泥质、硅质灰岩,下部为深灰色白云岩夹薄层炭质硅质岩。下统陡山沱组(Z1d)200～1 200深灰色—灰白色灰岩夹黑色页岩、钙质粉砂岩。

2.2 矿体特征

矿区内共圈定钒矿体6条,矿床规模达中型以上。矿体长度140～4 100 m,厚度1.01～13.50 m,最大控制延深500 m,深部未见尖灭。以V1、V2矿体为主,V2分布于V1矿体上部,相距5 m左右,相互平行产出,其他矿体规模不大(详见图4),钒矿体总体呈层状、似层状平行产出[2],走向上被断层错成数段,沿倾向延伸稳定。矿体产状与地层产状一致,走向北东—南北向,倾向南东—东西向,倾角13°～53°,矿体主要赋存在寒武系底—下统荷塘组(∈0-1h)底部石煤层中,下伏地层为震旦系灯影组白云质灰岩。矿体与围岩之间无明显划分界限,均为荷塘组石煤、含碳硅质岩、含碳硅质板岩及炭质板岩等,具碳酸盐化、黄铁矿化及硅化,局部可见黄铜矿、铜蓝,区内钒品位0.575%～1.167%,伴生元素有钨、钼、锌等。

图2 上村矿区地质图Fig.2 Geological map of Shangcun mining area1.第四系；2.白垩系河口组；3.侏罗系水北组；4.奥陶系印渚埠组；5.寒武系西阳山组；6.寒武系华严寺组；7.寒武系杨柳岗组；8.寒武系底—下统荷塘组；9.震旦系灯影组；10.震旦系陡山沱组；11.断层及编号；12.地质界线；13.不整合接触界线；14.钒矿体及编号；15.矿区范围。

图3 含钒碳硅泥岩建造Fig.3 Schematic diagram of vanadium-bearing carbon-silica mudstone formation

2.3 矿石特征

矿石自然类型较简单,以原生矿石为主,依据矿石成分不同可分为含钒石煤矿石、含钒硅质岩矿石、含钒碳(硅)质板岩矿石三种类型。含钒石煤矿石:呈灰黑—黑色,显微鳞片结构,层理、板状构造。主要矿物成分为泥质(80%～90%)。泥质主要由水云母组成,炭质呈微粒状,含量6%～17%。石英粉砂呈他形粒状,含量1%～5%,白云母碎片约1%左右。钒主要赋存云母类矿物中。含钒硅质岩矿石:呈灰白色,致密坚硬,隐晶—微晶结构,碎裂构造,层状及石英条带状构造。主要矿物成分为硅质(石英)占90%～95%。少量的泥质(水云母)、炭质粉末、白云母碎片、褐铁矿、次生方解石等,钒主要赋存于水云母中。含钒碳(硅)质板岩矿石:呈灰黑色,胶状结构、变余鳞片结构,碎裂构造、块状构造,主要矿物为硅质,呈胶状、隐晶及微晶结构,含量占70%左右,炭质约10%,有少量泥质,次生方解石和石英常见。钒主要赋存在云母类矿物中。上述三种矿石中钒主要赋存在云母类矿物中,云母类矿物钒占70%～85%,其次泥质高岭土占5%～20%。

矿石主要有用金属元素为V2O5,矿石伴生金属元素为Mo、WO3、Zn,有害组分有S、P。

据钒的物相分析显示,钒元素主要赋存于与炭质共生的含钒水云母、钒云母中,大多以类质同象形式存在于钒系云母的晶格当中,少部分被粘土矿物、炭质所吸附。其它有益组分赋存以硫化物形式,或呈吸附状态存在于炭质和泥质物中。

3 成矿作用与成因模式探讨

3.1 成矿作用

3.1.1同生沉积作用

矿体无一例外地赋存于寒武系底—下统荷塘组底部的含钒石煤层中,荷塘组含钒建造形成于早寒武世陆棚的强还原滞流及海盆缓慢沉降环境,盆地沉积物相对滞留聚集,水体稳定、封闭性好,形成滞留缺氧的还原条件,适逢冰期后气候变暖,藻类、海绵生物及细菌等大量繁殖,这些有机生物死亡后与细碎屑物质、泥质、硅质等一同堆积沉淀下来,由于炭泥质的强烈吸附作用,造成钒钼等金属元素相对富集。形成了区内含钒、钼等金属元素的黑色炭质泥页岩层(石煤层)。

图4 Ⅰ11—Ⅰ3线联合剖面图Fig.4 Combined profile of Line Ⅰ11-Line Ⅰ31.奥陶系印渚埠组；2.寒武系杨柳岗组；3.寒武系底—下统荷塘组；4.震旦系灯影组；5.地层分界线；6.断层；7.钒工业矿体及编号；8.钒低品位矿；9.民采区；10.钻线及编号；11.勘探线方位。

也就是说,成矿元素大部分为沉积作用时期聚集沉淀的,在沉积成岩过程中,成矿元素以有机碳质、泥质吸附状态,或以有机微生物结合形式,或进入金属硫化物晶格内以类质同象形式,或溶解于建造封存水中等方式沉积下来,并富集成矿。

3.1.2生物及生物化学作用

钒的富集与菌、藻类生物作用有着直接的关系,在其生命活动过程中,菌、藻类不断地从介质中选择性地吸收、吸附V、U、Au、Ag、Mo、W等元素,一方面在生物体内聚集,另一方面,某些生物体还具有胶体特征,吸附各种成矿物质使之迁移和富集[3](研究表明,钒元素在藻类和细菌组成的海洋生物群中的富集系数达到1 000倍,远超海水中的富集浓度)。菌藻类生物的代谢活动,可以使沉积环境的物理化学条件(Eh值、pH值)发生变化,从而影响古海水中成矿物质的稳定性,使其沉淀富集。生物死亡后,金属元素伴随遗体沉积于海底。生物遗体在下降沉积过程中部分发生分解,形成带负电的有机质,由于有机质的带电性(负电荷)和吸附性,能够选择性地吸附海水中的V、U、Au、Ag、Mo、W等元素,并结合成较稳定的含钒等金属有机络合物,在一定的条件下迁移并富集沉积下来。此外,在地史演化和成岩作用中,一方面因温度、压力和酸碱度的变化,含钒等金属有机络合物和化合物发生离解,放出金属元素和形成金属硫化物沉淀下来,从而使钒及其伴生元素进一步富集;另一方面,含钒的有机质经过细菌降解、转化、并与粘土矿物结合,成为主要含钒矿物即含钒水云母。

3.1.3海底热水喷流沉积作用

上村钒矿通过岩矿鉴定,矿石矿物成分中的硅质矿物以隐晶质石英和玉髓为主,具喷流热水沉积岩石组合特点。矿石除V2O5外,伴有Mo、W、Zn、Cu、P等,显示出喷流热水沉积矿床成矿物质复杂和深源、多源的特点。矿石中发育大量石英、方解石脉也说明了热液活动的存在。岩石化学及微量元素地球化学特征说明,本区钒在沉积成矿时处于一个与内生作用及其产物密切相关的非正常沉积环境——海底热水(喷流)沉积成矿作用所代表的环境。

海底喷流热液活动带来了大量的硅质,对已形成的含矿层进行叠加改造,同时,海底热水喷流沉积作用带来了大量成矿物质,即深部及构造通道岩系中的V、Mo、W、Ni、Cu、Zn等成矿元素随热液一同带出[4]。在强还原缺氧、大量有机质和粘土质堆积的海底,成矿元素发生沉淀富集。海底热水喷流沉积作用既丰富了成矿元素种类,又使矿体进一步富集。

3.2 成因模式

上村钒矿的成矿主要发生在早寒武世陆棚的强还原滞流及海盆缓慢沉降环境,在菌、藻类等微生物迁移、富集作用下聚集沉淀,形成含钒的碳硅泥岩建造。沉积成岩过程中,海底热液活动既带来了丰富的成矿物质,也使钒矿进一步富集。钒矿层的成岩和成矿是同时进行的,属同生沉积成因,同时叠加了生物作用和海底喷流热液作用,矿床成因类型可归为海相生物作用形成的并有喷流热液参与的同生沉积矿床。区内成矿物质来源有陆源风化剥蚀区、海盆内源沉积(包括海底水下基底隆起与海水流体中的来源)、海底热液沉积、生物遗体堆积及生物化学沉积等。通过对区内地层、岩性、岩相古地理及成矿作用的分析研究,建立了钒矿成因模式图(见图5)。

图5 矿床成因模式图Fig.5 Pattern diagram of genesis of the deposit1.含钒的碳硅泥岩层(石煤层)；2.微生物遗体和细碎屑堆积沉淀区及沉积方向；3.菌、藻类等微生物活动区；4.断裂及热液运移通道；5.含矿热液运移及扩散方向。

4 成矿规律与找矿远景分析

4.1 成矿规律

通过对矿床形成的岩相古地理、古气候、古构造条件分析,及对含矿地层、岩性、钒的富集规律及地球化学特征等方面的研究,发现上村石煤型钒矿床具有其独特的成矿环境和特定的成矿规律,主要表现为以下几方面:

(1) 空间上,石煤层与钒矿化主要分布于较深水、富硅质、有机质(石煤)的浅海陆棚、边缘海斜坡及次深海盆地,呈与盆地延长方向一致的带状分布。

(2) 含钒的石煤层都形成于相对滞留缺氧的还原环境,当时气候湿热,水体稳定,大量藻类、菌类迅速繁殖,并吸收、吸附海水中的钒等金属元素,死亡后随细碎屑物、泥质、硅质一同沉积,在缺氧环境中有机质得到较好的保存,形成了最初的含矿建造。

(3) 具有非常明显的时控性和层控性,即受寒武系特定层位和沉积相带控制,层位十分稳定,分布广泛,钒矿体多呈层状、似层状产出,沿走向和倾向均有较大延伸,厚度较稳定。国内发现的该类钒矿床主要集中于下寒武统底部的一套黑色炭质泥页岩夹硅质岩含矿建造中[4-7]；在江西、贵州、湖南、湖北、广西、陕西等省均有分布。

(4) 具有相似的岩性组合,岩石组合类型以碳硅泥质岩类为主,硅泥质岩类次之。含矿岩石主要有炭质泥页岩型(石煤层)、碳硅质岩与炭质泥岩互层型、碳硅质岩型。矿石主要为隐晶—微晶结构；显微平行—纹层状、互层状(条带状)构造。有用组分分布均匀,矿体与围岩的界线不明显,主要依据样品分析结果确定。

(5) 钒的赋存形式基本相同:主要有三种,最主要是富集在炭质泥页岩或硅质岩的粘土矿物水云母中,形成钒云母等；其次是富集在有机质中(主要为结构胶质体和腐泥基质体),以胶体状态存在；或以独立的钒矿物形式存在(只出现于含钒建造与火成岩接触的热变质带内或穿层热液脉中),如钛钒石榴石、铬钒石榴石、砷硫钒铜矿、含钒锗石、钙钒石榴石、钒铁矿、钒钛矿等。

(6) 矿床为同生沉积,成岩和成矿同时进行。在矿床形成过程中,生物及生物化学作用对成矿元素的迁移和富集起了十分重要的作用；同时,海底热水活动,对矿床的富集成矿也起到一定的作用。

4.2 找矿远景分析

(1) 从完工钻孔见矿情况看,区内主要矿体沿倾向均有较大延伸,V1矿体最大控制深度达500 m,V2矿体最大控制深度达400 m,矿体仍未尖灭,且矿石品位、矿体厚度沿倾向变化不大,含矿层分布面积大且稳定,矿体深部仍具较大找矿潜力。随着勘查工作的继续进行,本区钒矿资源量有望得到进一步扩大。

(2) 目前勘查程度为预查,多数勘探线仅施工一个钻孔,沿倾向控制不深,多在200～400 m,估算的V2O5资源量达中型规模。通过对本区钒矿体地质特征的分析,若沿倾向追加钻孔,矿床规模将达大型以上。

(3) 钒矿体产在寒武系底—下统荷塘组底部的石煤层中,该含钒建造广泛分布于赣东北地区,含矿层层位稳定、钒矿体沿走向和倾向均有稳定延伸,厚度变化小,品位较均匀稳定。矿区外围大面积出露的荷塘组地层也具有巨大找矿远景。

5 结语

综上所述,上村钒矿具有其独特的成矿地质条件和典型的矿床特征,钒矿体赋存于寒武系底—下统荷塘组底部的黑色碳硅泥岩建造中；含矿层位具有非常明显的时控性和层控性。矿体多呈层状、似层状产出,沿走向和倾向均有较大延伸、厚度变化稳定。矿石类型有炭质泥页岩型(石煤层)、碳硅质岩与炭质泥岩互层型、碳硅质岩型。矿床的形成受到同生沉积、生物及生物地球化学及海底热水喷流沉积的共同作用,成因类型属海相生物作用形成的并有喷流热液参与的同生沉积矿床。当地层同时具备:①形成时代为寒武系;②岩相古地理条件为缺氧的浅海陆棚、边缘海相还原环境;③存在碳硅泥岩建造,往往可作为寻找该类钒矿的首选区域。通过对矿床地质特征及成矿规律研究,本矿区深部及外围大面积出露的寒武系底—下统荷塘组地层都具有良好的找矿远景,找矿潜力巨大。