长治盆地东南部硅藻土矿床地质特征及成矿分析

王 涛，刘燕海，薛曙斌

(中国建筑材料工业地质勘查中心山西总队，太原 030031)

硅藻土是在地质时期形成的生物成因的硅质沉积岩，主要化学成分为SiO2，矿物成分为蛋白石及其变种[1]，大小以微米级的植物硅藻链结形成的多种形态的群体，混杂黏土和石英等矿物固结成岩，经地质作用形成的不可再生非金属矿产资源[2]。利用其多孔、质轻、渗透性强、吸水性、吸附性等物理性能[1]，在环保、化工和建材过滤等方面具有广泛应用[3]。李文朴等[4]将硅藻土与纳米分子进行复配，对污水中氨氮的去除效果明显提升；沈岩柏等[5]对硅藻土改性用于医药废水处理，对其中的有害菌有很好的去除吸附效果；吴大清等[6]对硅藻土的成分、结构、表面酸性、羟基结构、界面反应性，以及提纯处理进行研究,使硅藻土的应用有了更具有经济意义的利用。研究表明硅藻土是一种重要的非金属原料矿产[7-9]。

Avramenko等[10]对三个远东硅藻土矿床进行研究，根据普扎诺夫矿床硅藻壳的元素组成和硅藻古群落的生态结构，重建了硅藻形成硅藻土的湖泊环境，结果表明其硅藻壳中氧含量高，硅含量低，说明硅藻是大型深水淡水湖浮游生物群落的一部分。与此相反，捷列霍夫卡硅藻壳中硅的显著浓度表明硅藻发生在浅水湖泊的底栖生态群落中[10]。Sáez等[11]对北智力地区硅藻土和火山作用相关联，对区域地质构造演化作出科学的解释。中国硅藻土矿资源相对丰富，保有资源储量4.32亿t[12]，但优质矿较少[1]。在吉林长白山和云南腾冲的局部蕴藏优质硅藻土资源[10]，在化德、嵘州和米易等其他硅藻土矿产区，床体内均富含有机质或黏土。王磊等[13]对位于马鞍山-错草顶子构造盆地中的南岗硅藻土矿进行了分析归纳，对赋存于四个马鞍山村组硅藻土矿层规模、形态、产状特征做出总结，得出硅藻土矿的产出严格受盆地及其相对沉积基底的形态控制；印万忠[14]、杨智荣[15]及王继梅[16]对中国硅藻土矿床特征进行了分析研究，对中国硅藻土可持续发展做出论述，指出中国硅藻土发展中存在的问题。长治盆地张村组硅藻土为山西省境内发现的唯一一处硅藻土矿床，分析其矿床成因和找矿思路对此类环保非金属材料矿产勘查具有重要的意义。为此，结合张村组硅藻土矿床的野外地质特征与微观特征，浅述矿床成因及找矿前景。

图1 沁水盆地构造纲要图[17]Fig.1 Tectonic outline map of Qinshui Basin[17]

1 区域地质特征

研究区大地构造位置位于沁水盆地东南部，长治盆地东部，区内地层呈北西向单斜构造，以南北向断裂发育为特征[17]。曹代勇等[18]认为沁水盆地主要经历了中生代时期的SEE-NWW向水平挤压、古近纪和新近纪NNE-SSW向挤压以及四纪的NEE向挤压三个主要阶段。取样位置位于武乡县张村，张村组上部为硅藻土矿床产出层位[17](图1)，上覆被楼则峪组角度不整合覆盖。

1.1 地层

研究区出露地层由老到新为三迭系二马营组、张村组、新近系任家垴组(图2)、楼则峪组及第四系黄土(图3)。其中硅藻土含矿层位位于张村组上部，岩性为白色-灰白色黏土岩，呈层状或灰白色和浅灰绿色薄层互层状，厚度约10.75 m(图2)。

1.2 构造

新生代以来，研究区总体是在伸展构造背景下发生隆升、裂陷，伴随古近纪末和新近纪末两次挤压作用，以地壳间隙性抬升和继承性断裂活动为主导形式运动。

在渐新世末褶皱隆起的基础上，上地幔进一步上隆，晋中盆地边界断裂活动加剧，以盆地下陷向箕形发展、山体隆升和邻近地区形成山间盆地为特征。

区域内构造以三叠系断裂构造为主，一组为北东35°，倾角较陡峭，另外一组为近东西向，倾角80°，受北东向断裂控制。

图2 野外调查及施工图Fig.2 Field photographs showing features of the diatomite deposits

2 矿床地质特征

2.1 矿体地质特征

张村硅藻土矿层主要赋存于张村组上段，属湖相沉积，矿体呈层状，层位稳定，产状平缓，一般为北西倾向，倾角4°～8°。

经区域地质填图及探槽工程揭露表明，矿层以层状和似层状产(图4)，根据刻槽取样(垂向每20 cm一个样品)，对样品进行岩矿鉴定[图5(a)]、扫描电镜分析[图5(b)～图5(d)]和基本分析(表1)，结果表明：张村组含矿层最下部矿体厚度为4.4～5.4 m，其上部其余矿体厚度均为0.65～0.85 m，矿层形态较简单，连续完整。

2.2 矿石特征

扫描电镜测试由山西高碳能源低碳化利用研究设计院承担，将样品取平整断面呈1 mm厚薄片，为增大其导电性进行氩离子抛光和喷金处理，利用场发射扫描电镜测试(型号JSM-7610F)测试，工作电压5～15 kV，观测距离为8～10 mm，分辨率1 nm。矿石主要由硅藻和黏土质成分伊利水云母组成。伊利石显微鳞片状分散部分于其中；硅藻可见直链藻、中心纲小环藻、舟型藻以及羽纹藻等，硅藻大小为1～50 μm，环形藻型似圆筛，周边呈同心圆放射状，舟型藻呈纺锤形，但多为残缺，仅剩中部硅质较厚区域(图5)；含少量粉砂长石，石英，呈棱角状，大小为0.01～0.03 mm；微量有机质，褐黑色，球粒状，大小为0.01 mm，条纹状分布；部分样中可见泥微晶状方解石，大小为0.001～0.007 mm。主要矿物晶体细小，呈微纹层状平行分布，岩石多具鳞片结构，页理、纹层状构造。

2.3 矿石化学成分

硅藻土主量元素的测定在中国建筑材料工业地质勘查中心山西总队化验室进行，将硅藻土用玛瑙钵研碎至200目以下，使用分光仪进行测定，结果如表1所示。

由表1可知，硅藻土质量分数w(SiO2)为27.47%～62.68%，平均41.12%；w(Fe2O3)为2.82%～6.07%，平均4.09%，表明硅藻土形成于富养环境下；w(Al2O3)为3.24%～12.22%，平均7.29%，原岩为长石等矿物风化，Al元素多赋存于伊利石和白云母等矿物中；w(CaO)为4.31%～30.90%，水中Ca+较多，薄片观察显示在岩石裂隙中常见到方解石晶体，暗示成岩后水体CaCO3相对富集，且成岩后期水体呈弱碱性状态。根据《石膏、天青石、硅藻土矿产地质勘查规范》(DZ/T 0325—2018)[19]，研究区内含矿层w(SiO2)指标略低于一般工业指标(≥60%)，w(Fe2O3)和w(Al2O3)均满足一般工业指标Ⅲ级，岩石中氧化钙含量超过工业指标最低标准，为高钙型硅藻土。

表1 硅藻土主量元素特征Table 1 Major element data of the diatomite

图3 研究区综合地层柱状图Fig.3 Generalized stratigraphic section of research area

图4 硅藻土工程平面图及矿层对比图Fig.4 Engineering plan and seam comparison map of diatomite

图5 硅藻土镜下照片Fig.5 Microscope pictures of diatomite

3 矿床成因

3.1 成矿地质条件

王京虎[20]通过对地表沉积物研究以及断裂的展布情况及次序得出长治盆地形成于上新世初，自上新世始，由于剥蚀作用及太行山块隆与沁水块坳的分异，北起榆社、南至长治逐渐开始沉积，上新世中后期，华北断块以裂开-引张为主导方式，地块的垂直升降运动加剧，长治断层出现，形成了呈箕形的长治盆地，随着盆地的下沉，积水逐渐增多，形成了长治湖，沉积了以绿色相为主的湖泊-河流沉积，张村组在此期间沉积。

3.2 成矿物质来源

硅藻土矿床的形成，水体中可溶性SiO2和营养物质供给充分是必不可少的，除此之外，稳定的水体和含有极少量的毒性组分也非常重要。木士春[21-22]根据地洼成矿理论，划分为玄武岩建造沉积型矿床、陆相含煤碎屑岩-玄武岩建造沉积型矿床、陆相含煤碎屑岩建造沉积型矿床和河湖相碎屑岩建造沉积型四类。由此可见，成矿物质来源和SiO2丰富程度的是形成矿产的主要原因，岩浆活动提供丰富的硅质，对硅藻土的成矿相对有利。

中新近纪以来，中国东部大陆边缘次喷发以玄武岩为主的火山岩[23]。王登红等[24]认为世界上的硅藻土绝大多数都和火山岩共生，火山灰物质飘落在长治盆地水体中溶解为硅藻等生物提供物源，其次盆地围岩为三叠系互层状长石砂泥岩，砂泥岩经风化和破碎搬运到长治湖，供给藻类生物必需的游离态SiO2。因此长治盆地的演化过程对硅藻生长发育在物源上具有一定的限制性，故张村硅藻土矿床属于河湖相硅藻矿床。

3.3 成矿作用过程

中新世以来，长治盆地外围铝硅酸盐岩化学、物理风化加强，更多的SiO2以胶体或质点状随水流带入到长治盆地中，硅藻从水体中吸收SiO2供自身营养。Liu等[25]、Qin等[26]以及Zhao等[27]对研究区植被和孢粉组合进行了详细研究，认为当时区域内阳光充足，气候温暖湿润，有利于硅藻群体的生长发育和繁殖。死后壳体被掩埋，软体有机质部分被分解，硬体骨骼残核保存下来形成含硅藻淤泥，后期经初步成岩过程，形成较松散的硅藻土层。值得一提的是被风化的矿源为富含长石、云母等一系列富Ca元素原岩，经风化剥蚀带入水体中时，硅藻土矿层中CaO成分的持续存在使得水体呈现弱碱性状态，硅藻壳壁在碱性环境下逐渐被分解，扫描电镜可见硅藻只剩下壳面中轴区硅质增厚的部分，少数硅藻整体被溶蚀，多数可见残缺型硅藻形态，如图5(b)、图5(d)所示。

4 找矿标志

4.1 地层和时代标志

山西省硅藻土的含矿层形成于新近纪中新世和上新世，故找矿首先把中、上新世作为找矿靶区。研究区硅藻土矿层赋存于张村组中，因此张村组是直接找矿标志。

4.2 岩性岩相标志

硅藻土矿大多与淡水浅湖-深湖泥岩相有相关[28-29]。因此淡水湖盆发育的浅色沉积岩是较重要的找矿标志。此外张村组下覆任家垴组(马会组)为一层非常特征、辨识度非常高的砾、砂石岩层，亦可以作为典型的找矿标志。此外，榆社群是盛名在外的产化石群，大量的脊椎动物化石外，昆虫、软体、植物及微体化石均较丰富，因此化石层也可作为找矿标志。

5 结论

(1)山西省武乡张村组硅藻土发育于张村组上部，层状，厚度为5.05～6.25 m，硅藻类型为中心纲小环藻、直链藻以及舟行藻等。

(2)中新近纪以来，中国东部大陆边缘火山活动加强，火山灰物质飘落于长治盆地水体中为硅藻提供物源，其次盆地周围岩石风化为硅藻生物提供生长所必需的游离SiO2，受盆地演化控制，属于河湖相高钙型硅藻土矿床。

(3)硅藻群体死后壳体被掩埋，软体有机质发生分解，硬体骨骼残核保存下来形成含硅藻淤泥，经初步成岩过程，形成较松散的硅藻土层。扫描电镜佐证只剩壳面中轴区硅质增厚的部分，少数硅藻整体被溶蚀，多数可见残缺型硅藻形态，这是因为被风化的矿源为富含长石、云母等一系列富Ca元素原岩，经风化剥蚀带入水体中时，硅藻土矿层中CaO成分的持续存在并增加使得水体呈现弱碱性状态，硅藻壳壁在碱性环境下逐渐被分解。

(4)硅藻土矿床多数形成于新近纪之后，故优先将中、上新世列为找矿靶向。硅藻土矿大多与淡水浅湖-深湖泥岩相关，具有淡水湖相的浅色沉积岩是较重要的找矿标志。任家垴的砾、砂石岩层，以及榆社群可以作为典型的找矿标志,对于填补区域硅藻土矿床研究空白具有一定意义。