山东泗水丑村矿区石灰岩矿床地质特征及成因分析

李海宾，苏迎春，李 翔，从相军

(中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250100)

随着国家基础设施的加强和改造、玻纤改性塑料、运动器材、航空航天等方面对玻纤的需求不断增长以及玻纤的应用又扩展到风电市场，使得国家对玻纤量需求日益增大。高纯度的石灰石作为制造玻纤的原料之一，需求量与日俱增，因此有必要加强对高纯度石灰岩的调查与成因研究。经初步调查及采样分析，发现济宁市泗水县丑村矿区石灰岩能满足玻纤原料的技术要求。本矿区距济宁市90km，西南距泗水县11km，交通便利，区域位置优越。

1 成矿地质背景

矿区大地构造位置位于华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)尼山—平邑断隆(Ⅳ)泗水凹陷(Ⅴ)的东南部[1-2](图1)。

区内出露地层[3]由下而上为古生代寒武纪长清群馒头组(∈2-3m)泥质灰岩、页岩、长石石英砂岩，九龙群张夏组(∈3z)豹皮灰岩、鲕粒灰岩，奥陶纪马家沟群阁庄组(O2g)黄绿色中厚层白云岩夹泥质白云岩，八陡组(O2-3b)中厚层灰岩、白云质灰岩，石炭纪月门沟群本溪组(C2b)紫红色铝质泥岩；新生代古近纪官庄群常路组(K2E1c)紫红色泥质粉砂岩，朱家沟组(E2z)灰褐色砾岩，第四纪大站组(Qpd)含砾砂质粘土，临沂组(Qhl)粘土质粉砂、含砾中粗砂，沂河组(Qhy)含砾混粒砂、砂砾、砾石。

区域内断裂构造十分发育，主要发育北东向、北西向二组断裂，这二组断裂总体上控制了地层的产出格局，破坏了地层的连续性，使得地层被切割成一块块较为独立的块体。

区域内岩浆岩主要为新太古代晚期峄山序列龟蒙顶单元(Ar3γδYg)片麻状中粒含黑云花岗闪长岩，傲徕山序列望母山单元(Ar3ηγAw)斑状中粒二长花岗岩、松山单元(Ar3ηγAs)中粒二长花岗岩。岩浆岩均分布在区域北部，对地层的连续性起到一定的破坏作用。

图1 丑村矿区区域地质略图

2 矿区地质

2.1 地层

矿区内出露地层主要为古生代奥陶纪马家沟群阁庄组(O2g)、八陡组(O2-3b)，石炭纪月门沟群本溪组(C2b)；新生代古近纪官庄群常路组(K2E1c)，山坡低洼处覆盖有第四系(Q)残坡积物。

(1)奥陶纪马家沟群阁庄组(O2g)。

该层主要分布于矿区南部山坡底部，另外在中西部有少量分布。岩性以厚层白云岩为主，夹中厚层灰质白云岩。白云岩呈土黄色，泥晶结构，厚层状构造，矿物成分主要为白云石、方解石及少量粘土质。岩层总体产状36°∠38～41°，该层未见底，出露厚度＞80m。

(2)奥陶纪马家沟群八陡组(O2-3b)。

该层在矿区中部分布，为赋矿层位，岩性以青灰色厚层状灰岩为主，夹白云质灰岩及白云岩。灰岩呈青灰色，泥晶结构，厚层状构造，矿物成分主要为方解石、白云石及少量泥质。岩层总体产状为36°∠27～41°，厚度78.00～88.16m。本层与下伏阁庄组呈整合接触。

(3)石炭纪月门沟群本溪组(C2b)。

该层分布于矿区东北部，出露主要岩性为一套紫红色、杂色铁铝质泥岩、铝土岩及粉、细砂岩组合，岩层总体产状为36°∠38°，厚度29.1m。本层与下伏八陡组呈平行不整合接触。

(4) 古近纪官庄群常路组(K2E1c)。

该层出露于矿区东南部，岩性为灰红色—紫红色中—厚层砂质泥岩、泥质细—粉砂岩互层。本层出露厚度大于60m。本层与马家沟群地层呈断层接触。

(5)第四系(Q)。

岩性主要为含砾砂质粘土，土黄色，上部结构松散，下部结构致密。砾石成分为灰岩，多呈棱角状，砾径1～2cm，含量10%～20%不等。主要分布在沟谷及地势低洼处，厚度0.5～1m。

2.2 构造

矿区内的构造主要为断裂构造。矿区内发育2条断层，编号为F1、F2，其中F1断层造成地层重复。

F1断层：该断层位于矿区西北部，切割勘查线01、05线。出露长度642.3m，总体走向99°，倾向189°，倾角68°，为正断层，断距80m。地表形成断续的角砾岩带，宽一般0.4m。角砾岩呈青灰色，角砾状构造，成分为青灰色灰岩，胶结物为钙质，砾径1～3cm，棱角状。该断层北盘上升，造成地层重复，使得矿层在01、05线北半部重复出露。

F2断层：该断层位于矿区东南部，切割勘查线02、04的南端。出露长度564.40m，总体走向136°，倾向226°，倾角71°，为正断层，断距大于100m。地表形成断续的角砾岩带，宽一般0.3m。角砾岩呈青灰色，角砾状构造，成分为青灰色灰岩，胶结物为钙质，砾径1～5cm，棱角状。

2.3 岩浆岩

本矿区内未见岩浆岩。

3 矿床地质特征

3.1 矿层特征

本矿床为海相化学及生物化学沉积作用形成的石灰岩矿床[4]，赋存于八陡组地层内。矿床为近东南—西北向的山体，裸露地表，呈中间高四周低趋势，矿层赋存最高标高+144.20m，最低标高+100m，相对高差44.20m。走向长1 102m，倾向宽220m，厚度78.00～ 88.16m。

根据矿石质量以及夹层分布特征，本矿床划分2个矿层，自下而上编号为KC01、KC02。各矿层特征分述如下：

(1)KC01矿层特征。

位于矿床下部。矿石自然类型主要为青灰色泥晶灰岩，矿层呈层状，总体走向126°，倾向NE，倾角27～41°。矿层沿走向控制长1 102m，沿倾向控制宽 57.10m，赋存标高 +143.41～ +100.00m。厚度26.76～36.91m，平均厚30.70m，厚度变化系数15.61%，厚度稳定。矿层化学成分平均值CaO 54.59%、MgO 0.46%。

(2)KC02矿层特征。

位于矿床上部。矿石自然类型主要为青灰色泥晶灰岩，矿层呈层状，总体走向126°，倾向NE，倾角27～41°。矿层沿走向控制长1102m，沿倾向控制宽 82.78m，赋存标高 +144.20～ +100.00m。厚度30.43～46.27m，平均厚39.15m，厚度变化系数19.04%，厚度变化均匀。矿层化学成分平均值CaO54.78%、MgO0.37%。

3.2 矿石质量

3.2.1 矿石矿物组成

矿物成分主要为方解石，含量一般为90%～96%，次为白云石，含量一般为2%～8%。白云石呈泥晶状分散在方解石结晶颗粒中，二者没有明显界限，成分互相包容，二者都被后期方解石脉贯穿。

方解石：无色透明，他形粒状，粒径＜0.005mm，方解石晶粒间紧密接触，在方解石晶粒间及晶粒表面含有粘土。白云石：自形晶，菱面体发育，闪突起显著，高级白干涉色。粘土：褐色，隐晶质，分布于粒状矿物的表面、边缘及晶粒间，含量3%。褐铁矿：褐黑色，不透明，他形粒状，不等粒，呈星点状分布。

3.2.2 矿石化学成分

经取样分析全矿区矿石平均化学组分加权平均值 为：CaO 54.70%、MgO 0.41%、Fe2O30.12%、Al2O30.23%、R2O30.35%(表 1)。影响矿石质量变化的主要原因是矿石中白云石的含量，当矿石中白云石含量高时，MgO含量随之升高。

表1 各矿层主要化学成分 (单位：%)

矿层主要化学成分的变化规律：①KC01沿走向CaO含量变化均匀，MgO在00线含量较高，其他线含量较低，Fe2O3、R2O3的含量在矿区中东部略高，西部略低，CaO和MgO呈现较明显的负相关关系；②KC02沿走向CaO含量变化均匀，MgO在00线含量较高，其他线含量较低，Fe2O3、R2O3的含量矿区东部略高，西部略低，CaO和MgO呈现较明显的负相关关系。

3.2.3 矿石结构、构造

(1)矿石结构。

泥晶结构：矿石结构为泥晶结构，方解石粒径大多＜0.005mm，含量＞50%，少部分重结晶达0.15～0.36mm，结晶颗粒轮廓不清晰[5]。

(2)矿石构造。

厚层状构造：矿石构造为厚层构造，结晶的粒状方解石、泥晶方解石均匀地分布于岩石中，岩石均一致密，岩层单层厚2m左右。

3.2.4 矿石类型

自然类型为青灰色泥晶厚层灰岩，泥晶结构，厚层构造。主要矿物成分为方解石，次为白云石及少量藻生物。方解石含量为90%～95%，白云石含量为2%～8%，藻生物含量为2%[6]。

3.3 围岩和夹石特征

(1)矿床底板。

矿层底板为奥陶纪马家沟群阁庄组(O2g)，该组地层主要分布于矿区南部山坡底部，另外在中西部有少量分布。岩性以厚层白云岩为主，夹中厚层灰质白云岩。中厚层白云岩呈灰黄色，泥晶结构，厚层构造，主要矿物成分为方解石、白云石，次为粘土矿物。中厚层灰质白云岩呈灰黄色、浅褐色，泥晶结构，厚层构造，主要矿物成分为方解石，次为泥质物。经取样分析主要化学成分为：CaO 39.82%、MgO 9.57%、Fe2O30.84%、Al2O31.43%、R2O32.27%。

(2)矿床顶板。

矿层顶板为石炭纪月门沟群本溪组(C2b)，该组地层分布于矿区东北部，岩性主要为紫红色铝质泥岩，厚度29.1m。经取样分析主要化学成分为：CaO 0.83%、MgO 0.35%、Fe2O316.09%、Al2O333.97%、R2O350.06%。

(3)夹石。

经取样分析矿区内夹层主要为白云质灰岩、灰质白云岩为主，有害组分MgO含量过高，基本上不能搭配使用，因此本矿区的夹石综合利用性能较差，在开采时需全部剥离，可在建筑石料方面综合利用。

4 矿床成因

4.1 矿床成因

从八陡组地层的岩石自然类型、组合特征、沉积韵律分析，本矿床是在海进较为稳定的环境中沉积形成的，为滨海沉积成因[3-4]。

八陡组厚层灰岩是由接近饱和或过饱和状态下的海水在化学作用或生物作用下形成的。矿石中所含白云石是由先期的碳酸盐矿物经后期白云岩化作用形成的。八陡组沉积时期处于中奥陶世达瑞威尔期，该时期为开阔台地浅潮下带沉积环境，由于沉淀环境稳定，物质来源丰富，年代长久，形成了规模较大的碳酸岩盐。后经地壳运动，浅海变化为陆地，形成高纯石灰岩矿床。

4.2 找矿标志

区内高纯灰岩赋矿层位为马家沟群八陡组地层，所以八陡组为直接找矿标志。通过对比区内矿层矿石特征，厚层白云岩及紫红色铝质泥岩即为间接找矿标志。

5 结论

该矿床划分两个矿层(KC01、KC02)，矿层赋存于马家沟群八陡组，呈层状，裸露地表。矿石自然类型为青灰色泥晶厚层灰岩，主要有泥晶结构、微晶结构，厚层状构造。矿石矿物成分主要为方解石，其次为白云石等，矿床内夹层主要为白云岩、白云质灰岩。

该矿床为海相化学及生物化学沉积成因，形成环境为滨海—浅海区域，以碳酸盐岩台地及中缓坡沉积环境为主，后经大地构造运动抬升及风化剥蚀，形成灰岩矿床。