四川省什邡式磷矿地质特征及其成矿模式❶

贺天全

四川省化工地质勘查院，四川 成都 611930

四川省什邡式磷矿分布于四川省绵竹市、什邡市、绵阳市安州区，是中国重要的磷矿类型[1]。据现有资料分析，大宝古陆北缘的大水闸复背斜“彭灌杂岩”古老基底型断裂(F1)和北川-映秀深断裂带（F2）断块范围内，北西翼山高坡陡，交通闭塞，地质工作程度较差；南东翼地质工作程度相对较高，磷矿开采单位较多，地表矿大部分已经查明，但深部有因褶皱、断裂影响而埋藏的盲矿床，因此，断块范围内资源潜力大，是寻找磷块岩富集地段的远景区[2]。四川省化工地质勘查院、中化地质矿山总局地质研究院等单位在断块范围内开展了大量勘查工作，前人针对磷矿床的基本特征、成矿时代、成因及成矿规律作了许多研究[3-7]。笔者在前人勘查、研究的基础上，借鉴和利用区域研究成果[8]，探讨什邡式磷矿区域成矿模式，为制定合理的矿产勘查工作方案、科学找矿和提高经济效益提供地质依据。

1 成矿地质背景

四川省什邡式磷矿大地构造位置处于上扬子陆块（Ⅱ级）之下龙门山基底逆推带（Ⅲ级）龙门后山基底逆推带构造单元，磷矿床沿Ⅱ、Ⅲ级构造单元上的区域性断裂、褶皱构造呈带状或线状展布，其展布方向与区域构造线方向一致。龙门后山基底逆推带基底大片暴露，盖层分布于东西两侧，以大水闸复式背斜为主的基底构造和“彭灌杂岩”古老基底型断裂(F1)、北川-映秀深断裂带（F2）控制了龙门山陷褶断束不同地质历史时期的沉积建造、地层厚度和岩相变化及分布[9]，形成了“什邡式”磷矿严格受控于F1、F2断层之间的构造格局（图1）。

图1 龙门山构造略图 Fig 1 Sketch of Longmenshan tectonics

区内除缺失志留系和奥陶系外，自新元古界至新生界地层均有出露。基底为前震旦系黄水河群（Pthn）杂岩。本区以区域性断裂F2为界，平行分布着两套含磷地层：被断裂围限的地块内，上震旦统灯影组地层的古岩溶侵蚀面之上分布着上泥盆统沙窝子组含磷地层（“什邡式”磷矿），并被上泥盆统沙窝子组白云岩覆盖；被断裂围限的地块外围、灯影组地层之上分布有下寒武统筇竹寺组含磷地层（“清平式”磷矿），并被中泥盆统观雾山组超覆。

龙门后山基底逆推带是印支至喜玛拉雅旋回使龙门山隆起后形成的山前凹陷，大水闸复式背斜几乎占据整个地段，总体构造线呈北东-南西向。组成复式背斜的次级褶皱多为较紧闭的倒转褶皱，F1及F2为本区极为重要的断裂构造，分布于大水闸复式背斜核部“彭灌杂岩”两侧。F1为古老基底型断裂，南东盘相对抬升，暴露了古老基底，而北西盘相对下降，接受古生代及其以后的沉积。F2断裂两侧的地层层序、接触关系及沉积建造等有显著差异，对两侧沉积相有较大的控制作用。此外，多条次级断裂分开、敛合与主断裂构成断裂带。大水闸复式背斜和F1、F2断裂构造构成龙门山中段区域构造的基本格架。

2 什邡式磷矿成矿地质特征

2.1 什邡式磷矿总体地质特征

什邡式磷矿赋存在沙窝子组底部，上下地层接触关系清楚；以往工作表明，绵竹、什邡、安州地区什邡式磷矿床共计有21处，其中大型1处（为马家坪矿段），中型13处（岳家山、马槽滩、河西、兰家坪、英雄崖、邓家火地、燕子岩、桃花坪、南天门、石笋西、黄土坑、三星岩、长河坝），小型7处（丝瓜架、罗茨梁子、黑沟、芍药沟、红绸、杨家沟、石笋梁子）。沙窝子组广泛分布于龙门山地区，为一套浅灰色中层-块状白云岩、白云质灰岩夹少量灰岩，但含磷段仅分布于龙门山地区的中段，该组地层近于对称地分布于九顶山小区南部、大水闸复背斜的北西翼和南东翼，呈一巨大的马蹄形（图2）。

图2 什邡式磷矿区域地质图 Fig 2 Geological map of Shifang-Type phosphate mine area

沙窝子组上段（D3s2）为纹层状白云岩-泥质白云岩建造，底部为暗灰色白云岩夹石英砂岩小透镜体。沙窝子组下段（D3s1）为磷质岩-水云母粘土岩-硅质岩建造，化石罕见；由下至上岩性分别为黑色角砾状磷块岩、灰略带肉红色硫磷铝锶矿、灰色含磷粘土岩、黑色含磷碳质水云母粘土岩。岳家山一带碳质水云母粘土岩中含几丁虫碎片和孢粉化石；硫磷铝锶矿所夹生物碎屑磷块岩透镜体中有鱼类Bothriolepissp.（沟鳞鱼未定种）；岳家山砾屑磷块岩中有藻类Myxococcoides giganteussp.nov.，Eomycetopsis robusta，Palaeovolvoxsp.等；岳家山磷块岩砾屑中发现有早寒武世软舌螺化石。区域内沙窝子组下段厚度为0～78m，一般0～23m。

2.2 代表性矿床特征

兰家坪是四川省最近一个完成详细勘探的什邡式磷矿床，最终查明的矿床资源储量规模属中型，与什邡式磷矿以中型为主是一致的，具有代表性。矿段内为沉积岩区，主要出露三叠系、二叠系、泥盆系，震旦系及磷矿层隐藏于地下，兰家坪矿段属隐伏磷矿床[10]。

2.2.1 赋矿地层特征

含磷层赋存于上泥盆统沙窝子组下段（D3s1），它以其沉积序列的多样性和控矿的独特性区别于国内外其它磷块岩矿床。含磷层假整合于上震旦统灯影组“花斑”状白云岩古岩溶侵蚀面上，伏于上泥盆统沙窝子组白云岩段（D3s2）之下。矿段未见含磷层露头，仅在毗邻的河东矿段三道沟两侧有所出露，长度分别为：正层矿215m，反层矿280m。含磷层向东延入矿段后，由于F107断层切割下降而深埋地下，埋藏最高标高为1350m。含磷层作为兰家坪倒转背斜的包络面，其形态、产状严格受其制约，并随其变化，与上下围岩同步。含磷层呈单斜展布。在矿段内沿走向延长超1600m。西段和中段呈北东东（80°左右）向展布，东段向正北方向急剧偏转。沿倾向由于所处标高不同，正、反两翼有所差异：正翼延伸600～1400m，总的倾向北西，倾角15°～30°，局部大于40°，东部由于次级“鼻状”隆起，两侧拗陷，致使形态复杂化，东西两侧分别倾向正东和正西，倾角最大达73°；反翼沿倾向已控制440～610m，倾向北西，倾角30°～40°，东段局部大于55°（图3）。

图3 绵竹市马槽滩磷矿区兰家坪矿段地质图 Fig 3 Geological map of LanJiaping mine part of Machaotan phosphorus mine area, Mianzhu city

含磷层厚0.02～36.78m，平均8.2m。厚度小于1m的薄化点两处，薄化区三处（最大者在反翼，长350m，宽120～140m）。含磷层具有明显的分层性和分层的多样性，自下而上为磷块岩、硫磷铝锶矿、含磷粘土岩、含磷炭质水云母粘土岩、含磷石英砂岩，构成了一个较为完整的含磷岩矿系列，加之局部出现的硅质岩-硅质磷块岩系列，完全具备“什邡式”磷矿的典型特征。由于受古岩溶侵蚀面起伏的制约，厚度变化大，常出现岩性分层不全或部分分层缺失现象，但各分层层位固定，沉积序列正常，与区域上“什邡式”磷矿对比完全具有同一性。

2.2.2 矿体特征

磷矿层总体呈单斜层状分布，其中磷块岩为层状-似层状；硫磷铝锶为似层状-透镜状。形态受控于兰家坪倒转背斜，产状严格受其制约并随其变化，与上下围岩同步。矿层总体倾向北西。正层矿部和西部倾角平缓，一般15°～30°。东部出现的次级“鼻状”隆起，呈南北向延伸，沿倾向延长达1320m，隆起两侧拗陷，西侧高差100～340m，倾向南西西或正西，倾角40°～50°，东侧高差200～420m，倾向北东东或正东，倾角50°～73°。“鼻状”隆起枢纽起伏，形成南段倾向北北西，北段倾向南南西的“正鞍”格架，使正层矿形态更趋复杂。反层矿倾向从西向东，由北北西渐变为北西西，具西缓东陡的变化，即由西段的30°～40°向东渐变为55°。

磷块岩工业矿层平均厚度6.14m，其中正层矿6.07m，反层矿6.28m。厚度变化系数为82.75%，其中正层矿为87.42%，反层矿为73.05%，表明磷块岩厚度变化较大，属不稳定型。磷块岩层属微间断型，厚度变化较大，具有厚薄相间、尖灭再现、厚中有薄、薄中有厚的变化规律。特厚点的出现预示周围可能出现薄化-尖灭点，或厚度在一定范围内相对稳定。

2.2.3 矿石特征

（1）矿石矿物组分

磷块岩主要磷矿物为碳氟磷灰石，含量25%～95%，胶磷矿含量10%～90%，显微晶质碳氟磷灰石含量10%～85%，细晶碳氟磷灰石较少，一般5%～10%。胶磷矿常呈均质集合体，显微隐晶结构、粒状结构、团粒结构、角砾状结构，矿物颗粒极细，成岩晚期及成岩后，胶磷矿不断重结晶，部分为晶质碳氟磷灰石替代。晶质碳氟磷灰石呈柱状自形晶，微-细晶，常沿胶磷矿砾屑表面及边缘或裂隙呈星点状、环带状、放射状、似菊花状、梳状、细脉状产出。主要脉石矿物有高岭石、水云母、黄铁矿、白云石、有机质。

（2）化学组分

矿石化学组分主要为P2O5、CaO、Al2O3、Fe2O3、SiO2、MgO、CO2、F、S，其总量在90%以上。工业矿层P2O5含量加权平均为29.37%（组合分析P2O5为28.84%），品位变化系数为17.87%，其中正层矿29.34%，变化系数19.65%，反层矿29.43%，变化系数为14.01%，属含量均匀的组分。磷块岩中有害组分有Fe2O3、A12O3、MgO、CO2等，Fe2O3含量0.24%～7.15%，平均2.79%，变化系数77.42%，属不均匀组分。A12O3含量1.52%～11.96%，平均5.53%，变化系数41.05%，属较均匀组分。MgO含量0.06%～4.10%，平均0.70%，变化系数122.80%，为很不均匀组分。CO2含量0.62%～8.08%，平均2.40%，变化系数67.50%，属不均匀组分。本矿段磷块岩主要伴生有益组分为碘、氟，均具有综合利用价值。

（3）矿石结构构造

磷块岩的结构主要为角砾状结构、砂屑砾屑结构、显微晶质结构、磷块岩的后生结构。磷块岩层理不明显，主要为块状构造、角砾-团块状构造，偶见显微层状构造。

（4）矿石类型

矿石类型主要为角砾状磷块岩、致密状磷块岩。矿石工业类型为磷块岩矿类钙硅质磷矿亚类或混合型亚类。

3 成矿条件分析

3.1 控制成矿的古构造条件

什邡式磷矿位于扬子准地台龙门山-大巴台缘拗陷龙门山陷褶断束九顶山台穹北缘，大水闸复背斜南东翼边缘断陷带的南东段。区域地质发展史表明，晋宁及澄江运动形成了统一的扬子准地台基底。晚震旦世遭受海侵，接受了上震旦统浅海碳酸盐沉积（局部有磷块岩矿点）。早寒武世初，由于加里东运动的影响，F2断裂东西两侧断块形成明显的差异上升：东部断块上升幅度不大，仍处于海平面以下，形成了生物化学型磷块岩，末期，海水退去，遭受风化侵蚀，直到中泥盆世晚期再次海侵时才有观雾山组的超覆；西部大幅度上升成为大宝古陆，遭受长期风化剥蚀和溶蚀作用，形成了古喀斯特地貌景观，直到晚泥盆世早期，受海西运动影响，开始沉降，大宝古陆成为半岛，海水由西向东侵入，淹没半岛北东段大水闸一带，经长期风化剥蚀和溶蚀形成台地，半岛构成蚀源区，提供丰富的陆源物质，沉积于有利聚磷的古构造场所。

3.2 岩相古地理

岩相古地理因素决定含矿岩系纵向上形成自下而上的磷块岩、硫磷铝锶矿、含磷高岭石粘土岩、含磷碳质水云母粘土岩、含磷石英砂岩5个独立的岩相及其组合。横向上，岩溶洼地与古地貌等沉积环境因素决定了磷块岩、硫磷铝锶矿的厚度变化、无矿天窗的出现、矿体硅化交代后变贫乃至相变为硅质岩。由于龙门山晚泥盆世海侵范围扩大，沙窝子组白云岩段沉积在含磷段之上，使矿床定位、保存于沙窝子组底部。

磷块岩相：深灰-灰黑色，以角砾状、砂状、砾屑状结构为主，块状构造，见底砾岩。角砾及砾屑磨圆度差，大小混杂、无粒序、排列无方向，角砾相互重叠，互为镶嵌，互相包容，颗粒支撑，磷质胶结。反映了剥蚀区与堆积区相距不远，二者呈陡坎或呈台地海岸接触，以重力流堆积为主的特征。

硫磷铝锶矿相：灰色、紫红色，以豆状、团絮状、粉屑砂屑状、砾屑状结构为主，颗粒排列具一定方向性，基底式胶结，块状-微层状构造。砂屑以硫磷铝锶矿和胶磷矿为主，其次为粘土矿物，陆源碎屑少，磨圆度好，为泻湖至潮坪相的产物。

含磷高岭石粘土岩相：灰色，粉砂-泥状结构，层状构造。含少量硫磷铝锶矿和胶磷矿砂屑、砾屑及陆源碎屑。砾石磨圆度好，大小较均匀，排列有方向，显示了浅海潮上带的岩相特征。

含磷炭质水云母粘土岩相：黑色，鳞片状结构，页状构造。含微量陆源碎屑，偶夹含磷高岭石粘土岩小透镜体或硫磷铝锶矿、磷块岩砾屑。为海水进一步变浅的泻湖-沼泽相产物。

含磷石英砂岩相：深灰色，粉砂-细粒砂状结构，透镜状构造。以石英碎屑为主，胶结物为泥质及均质碳氟磷灰石，孔隙式胶结。它是海滩相的产物，虽然本区不发育，但在剖面上表现为海退层序，代表了整个含磷建造到此宣告结束。

以上表明龙门山中段晚泥盆世早期，由于边缘深大断裂活动，在大宝山半岛北部（什邡与绵竹间）形成一个不大的海湾。由于F2断裂的活动，海湾东西两侧古地理环境各异：东部海湾基本上属正常浅海；西部与大水闸断陷边界（F1断裂）呈陡坎或台地接触，成为F1与F2所夹的带状断陷湖盆，构成了泻湖-沼泽-海滩的古地理环境。

3.3 沉积环境

磷块岩砾屑主要由胶磷矿组成，含藻类及软舌螺化石，是磷块岩早期成矿的生物化学沉积证据[11]。

磷块岩角砾、砂屑、砾屑岩相的广泛存在以及砾屑结构的复杂性、特殊性反映了后期再造成矿经历风化破碎、淋滤、搬运、再堆积多次反复的沉积环境变化过程。磷块岩相中混入的陆源矿物碎屑反映了陆源区与成矿区相距不远，而陆源碎屑较少且无碳酸盐矿物及岩石碎屑存在，表明碳酸盐岩层容易被风化淋滤、溶蚀，进入海盆的部分也被海解，来不及和磷块岩砾屑混合堆积成矿。

大水闸断陷湖盆属半封闭至全封闭的淡化泻湖沼泽盆地，由于水动力微弱，水介质为弱酸性至弱碱性还原环境，由酸性变为碱性，由氧化变为还原的环境。磷块岩就是在由弱酸性变为弱碱性的还原环境下，经过化学分异形成的。此外，断陷湖盆与广海处于隔绝或半隔绝状态，致使水动力不强，构成了比较安静的沉积环境，保护了沉积物免被水动力破坏。

4 成矿要素与成矿模式分析

4.1 成矿要素

什邡式磷矿成矿过程较长，按2004年公布的国际地层表，早寒武世末至晚泥盆世初，时间跨度达128Ma。从成矿作用分析，此类矿床形成是以渐进、渐变形式，类似稳定大陆边缘的沉积砂矿和炎热潮湿气候下的风化壳矿床，是在比较稳定的环境和漫长的时间内生成的。含磷段沉积后，受海侵沉积盖层白云岩，使磷矿层得以保存。什邡式磷矿根据磷矿床含矿层位、沉积环境、矿床特征、构造背景等确定的成矿要素参见表1，并归纳如下。

表1 什邡式磷矿成矿要素一览表 Table 1 List of mineral-forming essential factor of Shifang-type phosphate mine

必要的成矿条件：含矿地层沙窝子组，其下部为磷质岩与水云母粘土岩和硅质岩建造；沙窝子组含磷段沉积相特征属残积亚相-泻湖亚相的组合；灯影组白云岩之上存在古岩溶侵蚀面（古风化壳）；磷矿石具有胶磷矿、硫磷铝锶矿、高岭石、水云母、黄铁矿、白云石等矿物组合特征。

重要的成矿条件：构造背景为处于上扬子龙门山古陆大宝山半岛北东侧F1、F2断陷盆地内；层位岩性组合为磷块岩、硫磷铝锶矿、含磷粘土岩、含磷碳质水云母粘土岩，有较好磷块岩矿体产出；成矿时代为晚泥盆世（D3），成矿作用主要发生在沉积间断的风化剥蚀期长期遭受风化剥蚀的含磷古陆边缘的沉积岩相带。

4.2 区域成矿模式

什邡式磷块岩成矿过程较为复杂，成矿过程经历了早期成矿阶段、大陆成矿作用（风化剥蚀、淋滤）阶段和海进沉积再造成矿三个阶段[2]，具有多期成矿、叠加成矿特征。风化淋滤-沉积再造矿床成因模式可以较好地解释本类磷矿矿石质量优、硫磷铝锶矿形成、矿石高铁铝低硅镁等特征。

早期成矿阶段：区域地质背景表明，本区在晚震旦世和早寒武世发生海侵活动，依次沉积了上震旦统列古六组碎屑岩建造；观音崖组碎屑岩、含磷硅质岩、磷块岩建造；灯影组藻白云岩建造；筇竹寺组含磷硅质灰岩，含磷灰岩、磷块岩碎屑岩建造（图4）。

图4 早期成矿阶段 Fig 4 Early mineralization stage

大陆成矿作用（风化剥蚀、淋滤）阶段：早寒武世，由于古构造控制以及加里东和海西运动的影响，引起F2断裂两侧差异上升，断裂以东上升不大，连续沉积筇竹寺组清平式磷矿，断裂以西上升隆起使大宝山半岛及其大水闸一带经历了中寒武世-中泥盆世的长期风化剥蚀，使早期形成的磷块岩遭受机械和化学作用的破坏，经过长期破碎、风化淋滤、胶结，达到一定的富集程度，并就近搬运堆积于已岩溶化台地的岩溶洼地、溶洞、溶沟、溶隙中，形成绕半岛环形分布的什邡式磷矿底部陆相砾屑磷块岩层。在岩溶洼地中由于磷酸盐溶液迁移、交代和富集，形成泥晶（胶）磷块岩赋存于砾屑磷块岩层中，为再造成矿提供了丰富的矿源（图5）。

图5 大陆成矿作用阶段 Fig 5 Continental mineralization stage

海进沉积再造成矿阶段：晚泥盆世早期海水由西向东入侵，大宝山半岛转入泻湖盆地环境，岩溶化合物淹没于水下，为磷块岩的再造提供了有利的古地理环境和场所。早期经过风化淋滤、剥蚀的磷质以碎屑形式，一部分被海解，一部分继续堆积。由于水动力微弱，水介质为弱酸性至弱碱性还原环境，形成粘土质磷块岩、微层状磷块岩和含磷灰石角砾的硫磷锶矿。经过多次的破碎、风化淋滤、筛选，加上含矿地下水溶液的迭加，使非磷酸盐基质淋失，残存的磷块岩富集形成高品位的矿石，堆积于水下台地的岩溶洼地、溶洞、溶沟、溶隙中，形成复杂的襄状、透镜状矿体。由于海西运动，在海水东侵的同时，台缘断裂F1、F2再次活动，大水闸断陷盆地下沉，海水侵入，磷块岩转入沉积再造阶段[12]。此时，一方面大宝古岩溶化台地上堆积的磷块岩、粘土质及陆源碎屑在重力作用下沿着水下斜坡或陡坎以滚动、滑动等重力方式向大水闸断陷盆地快速搬运堆积成矿，同时也带来磷酸盐、Fe、Al、氢氧化物、Sr、SiO2的胶体和溶液。另一方面断陷盆地内本身已经形成的矿体继续接受以重力方式搬运来的矿源，同时又不断地从海水中摄取成矿元素，并在淡化泻湖弱碱性还原条件下，产生以化学沉积为主的沉积作用，并对大陆成矿阶段形成的角砾状磷块岩进一步成岩分异和改造。由此产生两种效应，叠加磷质为主则发生矿体富化的正效应，进一步提高磷块岩矿石质量；叠加二氧化硅溶液的交代作用，则发生磷块岩矿石贫化的负效应，形成硅化磷块岩矿石或含磷硅质岩。含磷段沉积后，受海侵沉积盖层白云岩，使磷矿层得以保存，最后成为磷块岩矿床（图6）。

图6 海进沉积再造成矿阶段 Fig 6 re-sedimentation stage in marine transgression

5 结论

什邡式磷矿的形成，是在特定的大地构造单元内，特定的古构造格局控制下，经历了较长的地质发展历史，在有利的古地理条件和沉积环境中形成的。晚震旦世及早寒武世形成的含磷地层，经长期的风化剥蚀，为该类磷矿的形成，提供了丰富的物质来源。而长时间剥蚀、淋滤所形成的古岩溶地貌，创造了矿质富集和储存的有利环境，为磷质的再次富集提供了必备条件。晚泥盆世早期，古陆边缘断裂（F1）的活动，使古陆两侧F1与F2间的断陷盆地沦为半封闭-全封闭的淡化泻湖盆地，为磷质的搬运、堆积和再造成矿提供了良好的场所，最终形成了什邡式磷矿。