贵州省紫江冲硫铁矿地质特征及成因浅析

2022-01-11黄凯

化工矿产地质 2021年4期

黄凯

中化地质矿山总局贵州地质勘查院，贵州贵阳 550002

在川、黔、滇地区常见二叠系龙潭组出露，在其底部广泛发育一层含黄铁矿的浅灰色高岭石黏土岩，该层层位稳定。在贵州境内，该层硫铁矿分布广、资源储量丰富、利用价值较大。在20世纪70～80年代，贵州省地质局区域调查大队、中国人民解放军00939部队等单位对该地区进行了 1∶20万的区域地质调查[1]，初步了解了区内地质及构造情况，此外，该区未作过其它系统的地质工作，总体上来说地质研究程度较低。近些年，有部分学者对贵州全境二叠纪龙潭期硫铁矿沉积环境及成矿模式进行了研究[1-4]，本文在充分收集、分析研究和利用已有地质资料基础上，主要以修文县紫江冲硫铁矿的成矿地质条件和矿床地质特征为出发点，对其含矿岩系、矿体特征及矿石质量等进行阐述，以期为该区硫铁矿的成因类型和找矿远景提供一定的参考价值。

1 位置及交通

紫江冲硫铁矿位于贵州省修文县城北东方向约17km处，隶属贵阳市修文县扎佐镇，面积约2.68km2。矿区地处云贵高原中部，为高原侵蚀、溶蚀型低中山山地地貌类型[1]。矿区内仅在南西一带有两条季节性的小溪沟，地表水系并不发育，属中亚热带季风气候，主要受到南北气流和高原地貌这两个因素控制，季节交替不分明，气温变化不大。但区内雨量较为充沛，大部分集中在6～8月。

2 区域地质概况

2.1 地层

该地区出露的地层由老至新分别有震旦系（Z）、寒武系（Є）、二叠系（P）、三叠系（T）、白垩系（K）及第四系（Q）。其间有一定的沉积间断，缺失奥陶系（O）、志留系（S）、泥盆系（D）、石炭系（C）、侏罗系（J）等地层（表1）。其中，紫江冲硫铁矿及共生煤层都赋存于上二叠统龙潭组（P3l）中[2-3]，矿区范围内出露地层可见第四系（Q）、下三叠统夜郎组（T1y）、上二叠统长兴组（P3c）、上二叠统龙潭组（P3l）、中二叠统茅口组(P2m)、中二叠统栖霞组（P2q）。

表1 区域地层简表Table 1 Brief table of regional strata

第四系沉积物主要由残积物和坡积物组成，成分为砂土、亚砂土、黏土、亚黏土等，常见颜色为黄色、褐色、褐黄色等[4]，多见于地势相对较低或缓坡地带，与下伏沉积地层呈角度不整合接触关系。厚0～20m。

下三叠统夜郎组（T1y）多见于矿区西南部，该组按岩性特征由上而下分为三个岩性段：①九级滩段（T1y3）常见紫红色、灰绿色、紫灰色、浅黄灰色中厚层状泥岩、粉砂质泥岩、钙质泥岩，泥质粉砂岩等碎屑岩呈互层状产出，其中部可见夹少量灰岩，如中厚层状灰岩、泥灰岩、泥质灰岩及生物碎屑灰岩等，沉积构造以水平层理、斜层理、交错层理以及波状层理等为主。厚度大于30m。②黄村坝段（T1y2）岩层顶部是鲕粒状灰岩，较为稳定，厚1～2m；上部为灰色、灰白色中厚-厚层状细晶灰岩、生物碎屑灰岩；下部为灰色、浅灰色薄-中厚层状泥灰岩、泥质灰岩，夹少量深灰色、灰绿色页岩。厚209.20～255.30m。③沙堡湾段（T1y1）较为发育水平层理，岩性以浅黄、灰紫色、灰黄、灰绿色薄层状泥岩、钙质泥岩及粉砂质泥岩为主。厚10～20.05m。

上二叠统和下二叠统岩性各分为两组，共四种：①上二叠统长兴组（P3c）常见于矿区西南一带，其岩性主要为灰色、深灰色薄-中厚层含遂石团块灰岩，底部夹深灰色中厚层泥质灰岩及少量钙质页岩，厚约 10m，与下伏地层分界，上部灰岩中含燧石团块。厚28.60～42.40m。②上二叠统龙潭组（P3l）岩性以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、泥质灰岩为主，夹少量灰白色黏土（泥）岩，自上而下发育有4～6层煤，绝大部分煤层不可采，仅K1煤层全区大部分可采，底部为灰白色黏土岩型硫铁矿，其中主要是黄铁矿，以星散状、聚晶团块状和结核状等形式赋存于矿层中，厚0.32～3.10m。龙潭组分布于矿区中部，与下伏茅口组地层呈假整合接触关系，厚 160～215m。③下二叠统茅口组(P2m)分布于矿区中部-东北部，其岩性上部为浅灰、灰色厚层块状灰岩；中部为灰、深灰色中厚-厚层块状细晶灰岩；下部为浅灰、深灰色中厚-厚层状燧石团块灰岩、生物碎屑灰岩以及透镜状灰岩。厚200～250m。④下二叠统栖霞组(P2q)分布于矿区东北角，其岩性为灰、深灰色中厚-厚层块状细晶灰岩。未见底，厚度大于100m。

2.2 构造

矿区大地构造位置处于扬子准地台黔北台隆一带，其间断裂构造不发育[5-7]。总体来说，地层为向南西向倾斜的单斜构造，岩（矿）层产状为：倾向 210°～250°，倾角 10°～25°，平均倾角 15°，矿区内构造简单。

2.3 二叠纪岩相古地理概况

在二叠纪早期阶段，矿区由于气候湿热便逐步形成有较多湖泊、沼泽分布的准平原，因此在梁山期阶段沉积了一套湖泊-沼泽相的黏土岩、泥质粉砂岩及铝土质岩。而在梁山末期则开始出现海侵现象，海水自北向南不断扩大和加深，水体动荡程度减弱，使得该地区处于相对稳定的沉积环境之中，于是形成了栖霞组、茅口组的巨厚碳酸盐沉积物。后经东吴运动影响，该地区由海升为陆，造就了古喀斯特地貌。至二叠纪龙潭期，贵州古地理条件已由早二叠世的南北分异状况经东吴运动改造成了东西分异的格局。本区位于海陆交替沉积过渡带，海水时进时退，形成了4～6层煤（不可采）以及部分泥质灰岩、粉砂岩和泥岩沉积物[8]。龙潭早期，矿区处于还原条件下的闭塞海湾环境，因而有利于H2S的聚积并形成一定规模的硫铁矿。长兴时期，贵州境内海侵范围扩大，因此东西分异格局也发生了变化。黔北、黔中联成一片较为平坦的浅海区域，从而沉积了一套含燧石结核灰岩。直至进入三叠纪早期，矿区重新处于海侵阶段，开始一个新的沉积进程。

3 矿床地质特征

紫江冲硫铁矿属于中型煤系沉积型硫铁矿床，主要赋存于上二叠统龙潭组底部，为黏土岩型硫铁矿，矿石多以黄铁矿为主（图1）。

图1 紫江冲硫铁矿地质简图Fig.1 Geological sketch map of Zijingchong pyrite mine

3.1 矿层特征

该区硫铁矿主要赋存于上二叠统龙潭组底部，矿层内部无夹石，含矿性较好[9]。含矿岩系上部为灰-深灰色中-厚层块状泥质灰岩（表2），厚2.81～16.05m；下部为厚0.50～1.60m的深灰色薄层状含云母泥岩（K1煤层见煤标志），其与煤层之间还夹有灰-深灰色中-厚层块状泥质灰岩，厚约 0～7.79m，下伏为本区伴生煤矿K1煤层，是矿层的直接顶板，厚 0.57～1.78m。硫铁矿层厚 0.33～3.15m，为本文的研究对象，主要呈星散状、聚晶团块状和结核状硫铁矿存在。矿层的底板是灰-灰褐色薄层状黏土岩，厚0.32～5.04m。最底层为灰-灰白色中-厚层块状细晶灰岩，厚度大于10m。

表2 含矿岩系特征一览表Table 2 List of characteristics of ore-bearing rock series

矿区矿层露头分布于白岩坝、冲冲头、黑土田一带，总体走向为北西-南东向。矿体连续（面积含矿系数0.99），矿层控制走向长约2100m，倾向宽约1400m，以层状-似层状为主，矿层产状与地层产状基本保持一致，呈缓倾斜产出，倾向210°～250°，倾角 10°～25°。矿层厚度极值 0.32～3.10m，平均 1.14m，厚度变化系数 58.53%，其变化受茅口灰岩顶部凹凸不平的古地貌制约，与地形成正相关。在地势低凹处沉积层较厚，矿层同样较厚，在相对凸起处沉积层较薄，所形成的矿层同样较薄。

3.2 矿石质量特征

该区硫铁矿矿石以黄铁矿为主，其晶粒为浅黄铜色，风化后变成红褐色、褐色。矿石的品位在16.57%～20.22%之间，变化稳定，工业品级属Ⅲ级品。

矿石结构比较单一，以结晶粒状结构为主，少数为针柱状结构。结晶粒状结构为矿石的主要结构类型，由自形、半自形、他形黄铁矿晶粒组合而成，自形晶粒黄铁矿一般以正方体、五角十二面体形态产出，较少量为八面体和菱面体等，粒径为 0.02～10.00mm；针柱状结构为少量白铁矿晶体，呈半自形针柱状分布于黏土岩基质中，晶粒细小，发育不完整；鲕状结构多见于矿层顶部，鲕体为黄铁矿或黄铁矿与黏土质混合而成，常呈椭圆形、圆形产出，鲕粒粒径0.25～3.00mm不等。

矿石构造分为三类，有星散状、团块状以及结核状。星散状构造中黄铁矿呈现出自形、半自形晶粒状，以星点状不规则的分布于黏土岩基质中；团块状构造中黄铁矿以自形、半自形晶粒集合体聚集成形状不规则的团块分布在黏土岩基质中，边缘不规则，有明显的界线；结核状构造中由微细粒黄铁矿组成，呈圆形、椭圆形集合体嵌布于黏土岩基质中，核径 1～3cm不等，与基质界线清楚，多见于矿层下部。

据分析，矿区矿石工业类型为低品位黏土岩型硫铁矿，并可根据矿石颜色、结构、构造特征将矿石由上而下划分为3种自然类型，即星散状硫铁矿、聚晶团块状硫铁矿和结核状硫铁矿[10]。星散状硫铁矿分布于矿层上部，含硫量15.26%～20.31%，平均17.78%，厚0.32～1.72m，平均0.75m，分布稳定；团块状硫铁矿分布于矿层中下部，含硫量16.78%～23.25%，平均19.81%，厚0～0.79m，平均 0.42m，分布较稳定；结核状硫铁矿仅少量分布于矿层底部，含硫量18.75%，厚0.59m，分布不稳定。

3.3 氧化带深度及影响因素

据探矿工程揭露，矿区氧化带沿矿层倾斜最浅为15.18m，最深至31.25m，一般在15～30m之间。氧化带深度是氧化还原作用强弱的具体表现，氧化带深度受下列因素的影响：①地表水及地下水活动强度，氧化深度与其成正相关，活动强度越大，氧化带越深，反之则深度较小；②矿层盖层的厚度与矿层的氧化深度关系密切，厚度大，矿层不易氧化，氧化深度浅，反之氧化深度大。

4 矿床成因类型及找矿远景

4.1 成因类型

4.1.1 沉积环境

根据地质特征分析，矿层形成于泻湖-沼泽相沉积环境。茅口早期由于华南一带大规模的海侵运动，形成的最大海泛面发育了华南最为广泛的碳酸盐岩沉积[11]。到茅口中晚期阶段，东吴运动使得矿区地壳出现大面积抬升，由西向东南方向发生海退现象，因此该地区受构造运动影响由海相沉积转变为泻湖-沼泽相，为紫江冲硫铁矿及伴生煤矿（K1）的形成提供了良好的氧化还原条件和沉积环境。而茅口期沉积形成的灰岩则因地壳抬升而暴露地表，受到大范围的风化剥蚀，形成了古喀斯特沉积间断界面，直至二叠纪龙潭早期，新一轮的大地构造运动发生，随着地壳缓慢下降，海水开始自南向北西方向蔓延，该区又开始了新的沉积。

4.1.2 物质来源分析

中二叠世末期至晚二叠世早期，由于东吴运动使地壳发生抬升，贵州大部分地区都经历了一定时期的沉积间断，矿区自西向东南方向发生海退。在贵州西部，由于峨眉山地幔柱的活动导致大规模玄武岩喷溢至地表，火山喷发产生的大量富 Fe物质在玄武岩溢流周边区域因大气降水或地表水的搬运作用下进入龙潭早期海进阶段形成的水动力环境相对稳定的泻湖中沉淀，形成了大量含 Fe的沼泥沉积物[12]。与此同时，地幔柱喷发导致的环境变化使动植物发生大规模死亡，形成的有机质也被储存在泻湖的沼泥之中，为同期共生煤矿提供了物质基础。在如此气候变化和海陆交替频繁的环境中，泻湖水体中的氧化还原条件（Eh）及酸碱度（Ph）也随之发生变化，相对缺氧的还原条件使有机质分解出 H2S，与沼泥中的Fe元素发生化学反应，初步形成了硫铁矿[13]。并且，由于峨眉地幔柱的喷发，火山喷气中富含的S元素溶于海水中且通过生物和化学作用形成硫酸盐，再经硫细菌的还原作用与Fe元素反应进而形成硫铁矿（图2）。

图2 二叠纪龙潭期紫江冲硫铁矿成矿模式图[4]Fig.2 Metallogenic model of Zijiangchong pyrite in Longtan Period of Permian

4.1.3 矿床成因

硫铁矿床的矿物形成于沉积阶段，而矿物重结晶富集则形成于成岩-后生阶段。综上所述，矿床成因为滨海-泻湖-沼泽相的生物化学及胶体化学同生成矿，经后生富集的煤系沉积型硫铁矿矿床。

4.2 找矿标志

（1）地形。矿层赋存于龙潭组底部，龙潭组上下地层岩性均为灰岩，矿区内稳定，以泥岩、煤、砂质泥岩、泥质灰岩、粉砂岩、黏土泥岩等相对软弱的地层岩性组合为主[14]，因此抗风化能力较弱，常形成缓坡，指示矿层存在的大致位置。

（2）铁帽。接近地表的矿层受风化和剥蚀作用影响，硫大部分被氧化成硫酸盐经地表水搬运流失，铁矿粘土质相对富集形成的铁帽可直接指示矿层露头位置。

（3）老窑。硫铁矿赋存于K1煤层之下，K1煤层为硫铁矿直接顶板，矿区内民采 K1煤层的老窑可直接指示矿层露头位置。

（4）矿层的稳定底部灰岩。茅口组灰岩分布广，颜色浅，有利于分辨，可指示矿层露头的大致位置。

4.3 找矿远景

矿区南东部出现古岩溶面凸起地段，矿层变薄，但总体矿层厚度及品位较稳定，加之矿层顶板共生有一层煤层（K1），K1煤层属中磷、中-中高灰、高硫、高热值贫煤，煤层大部分可采[15]，有一定的综合利用价值。在紫江冲矿区内，硫铁矿矿层层位稳定，主要呈层状、似层状产出，受地层控制明显，矿层倾角与地层倾角基本一致，厚度、品位均较稳定，深部找矿潜力较大。因此，矿区深部和外围均为找矿远景方向，下步勘查工作值得进一步开展。