泌阳凹陷芒硝矿的成矿地质特征、成因及成矿预测

陈英男,陈建立,薛 燕,郭 鹏,李文涛,孙建涛

(1.桂林理工大学 广西隐伏金属矿产勘查重点实验室，广西 桂林 541004； 2.河南省地质矿产勘查开发局 第一地质勘查院，河南 郑州 450001)

泌阳凹陷是河南省重要的沉积盆地，矿产资源和能源资源丰富。自20世纪70年代以来相继发现和评价了石油、石膏矿、芒硝矿、天然碱矿等沉积矿产[1-2]，安棚天然碱矿和其毗邻的曹庄碱矿、芒硝矿，郭桥碱矿勘查取得了巨大进展[3-4]，虽探明芒硝矿近亿吨，但对芒硝矿的勘查研究明显不足。笔者总结了前期芒硝矿的赋存层位、分布、矿石品位厚度变化及矿石质量特征，探讨矿床成因，揭示其形成演化规律，对矿体的分布进行预测，用以指导整个泌阳凹陷以及其他盆地芒硝矿的勘查。

1 泌阳凹陷的地质特征

1.1 大地构造背景

泌阳凹陷位于东秦岭造山带与桐柏大别山造山带过渡带上的南襄盆地东缘(图1)，凹陷东、南边缘属桐柏山系(图2)，是在北西西向秦岭造山带褶皱造山以后，太平洋板块向西俯冲、南北向构造叠加在北西西向构造之上所形成的新生代断陷盆地。印支期由于中国大陆的南北向挤压，形成了小型的山间盆地，此时北西向断裂性质为压性和压扭性，断裂左旋活动为凹陷形成奠定了基础。燕山晚期，印支板块与欧亚板块的聚敛使内乡—桐柏断裂也表现为左旋活动性质，断层侧翼的地层受到挤压和拉张，拉张地段形成隆起(或凸起)，唐河——栗园地段则表现为张剪性，同时诱导出北东向的栗园——泌阳张性断裂，控制了泌阳凹陷的构造轮廓、盆地的时空分布，且影响到成盐作用的各个方面[5-7]。

图1 泌阳凹陷大地构造位置Fig.1 Geotectonic location map of Biyang Sag

1.2 凹陷构造

北西向内乡—桐柏断裂和北北东向栗园一泌阳断裂是泌阳凹陷的控盆断裂。唐河—栗园断裂构成了泌阳凹陷南部边界断裂、栗园—泌阳断裂是泌阳凹陷东南部的边界断裂。由于左旋扭动的北西向断裂和右旋扭动的北北东向断裂所挟持的块体做离散状平移所形成的楔形断陷，该断裂从晚白垩世开始，随着断裂作用的加强，发生大幅度沉降，成为具有一定规模的南断北超、南深北浅单断式箕状断陷型凹陷。在北部斜坡带特别是浅层发育后期断层，向东南部的中部凹陷带、南部陡坡带断层逐渐减弱[6-8]，盐类矿产主要沉积于中部及深凹带(图2)。

图2 泌阳凹陷综合剖面Fig.2 Comprehensive sectional drawing in Biyang Sag

1.3 凹陷地层特征

1.3.1 凹陷周缘及基底地层

凹陷的周缘地层主要分布于凹陷东部、南部，基底在凹陷的深部和周缘有一定出露[9-10]。主要岩性为太古界桐柏山群混合岩；古元古界秦岭岩群石槽沟岩组(Pt1sh)黑云斜长片麻岩、斜长角闪片麻岩夹透镜状大理岩，雁岭沟岩组(Pt1y)大理岩夹斜长角闪片岩、黑云斜长片麻岩，中元古界龟山岩组(Pt2g)斜长角闪片岩、二云石英片岩、变粒岩、石榴兰晶白云石英岩，中元古界大河组变粒岩、斜长角闪片岩等；下古生界二郎坪群刘山岩组(Pz1l)斜长角闪片岩夹角闪斜长变粒岩，斜长角闪片岩(细碧岩)、角闪斜长变粒岩、黑云二长变粒岩、斜长角闪片岩夹大理岩透镜体，张家大庄组(Pz1z) 细碧岩、石英角斑岩，斜长角闪片岩、斜长角闪变粒岩，白云(二云)斜长变粒岩，夹有斜长角闪片岩及大理岩的透镜体，大栗树组(Pz1d) 斜长角闪片岩、角闪绿帘变粒岩、角闪更长变粒岩等。

1.3.2 泌阳凹陷沉积主体

构成泌阳凹陷的沉积主体自下往上为古近系玉皇顶组—大仓房组、中部的核桃园组和上部的廖庄组。天然碱矿主要赋存于核桃园组一段、二段中，芒硝矿主要赋存于核桃园组三段核上部，廖庄组是石膏矿的主要赋矿层位(图2、图3)。

图3 泌阳凹陷区域地质简图Fig.3 Regional geological map of Biyang Sag

2 芒硝矿矿层地质特征

2.1 芒硝矿分布特征

2.1.1 芒硝矿层平面分布

工作区芒硝矿赋存于凹陷东南部(图4)，共圈出芒硝矿层4个，自上而下分别为1、2、21、3芒硝层，其中1、2芒硝层为区内主要矿层。目前勘查的芒硝矿层长轴为近南北向展布，单矿层分布面积最小0.35 km2，最大2.90 km2，各矿层垂向叠合面积约为3.50 km2，埋深1 003.66～1 397.58 m,含矿段厚度最大约为394 m。

2.1.2 芒硝矿垂向分布

芒硝矿与其深部的天然碱矿遵循着从碳酸盐到硫酸盐成矿的一般规律，呈现出既相互联系(矿床成因)又相对独立(矿层赋存层位)的特征。平面分布上两矿种相互重叠，垂向分布上严格受层位控制，芒硝矿主要赋存在核三段上部，赋存标高-822.75～-1 237.73 m，剖面上两矿层最近相隔约250 m[3](图3、图4)。

图4 芒硝矿区第4勘探线剖面及矿层分布推测Fig.4 No.4 exploration line profile map containing prediction of distribution of ore beds in mirabilite mine

2.2 芒硝含矿段矿层特征

2.2.1 含矿层位

芒硝矿含矿段集中分布于古近系核桃园组核三段上部，矿层顶界距核三段与廖庄组界面距离一般4～40 m，最大60.38 m(图4)。由于所处的构造部位不同，矿层发育也不相同，其埋深和层数也有很大差别，在凹陷沉积中心矿层多，边部矿层逐渐减少。

2.2.2 厚度及变化特征

(1)芒硝矿矿层厚度一般5.68～11.86 m，平均厚度8.93 m，由北西向南东形成的凹陷沉积中心(ZK05—ZKM02)厚度逐渐加大，向沉积中心次级凹陷的边部减薄尖灭。

(2)钻孔控制的矿层倾向东南，倾角较缓，大部分10°以内，靠近东部倾角15°左右；推测向东南部凹陷中心产状变陡，过中心后逐渐抬起，呈箕形(图4)。

2.3 含矿层岩性

芒硝矿的赋矿层位核桃园组三段主要岩性有白云岩类、泥岩、芒硝岩、细—粉砂岩以及少量的薄层油页岩、碱岩。

(1)芒硝岩：主要是无水芒硝岩，灰白、浅黄、黄棕、灰、灰褐、深褐色，结晶粒状结构，块状构造、层状构造。加稀盐酸不反应，易溶于水。

(2)白云岩：主要岩性为砂质泥晶白云岩、泥晶白云岩、含泥质泥晶白云岩、泥质白云岩、砂质白云岩及含沸石白云岩。颜色为浅灰、灰、深灰、灰褐色。自下而上白云岩逐渐减少，逐渐过渡为泥岩、泥砂岩，具微薄层理构造、块状构造。层理厚0.04～7 mm，多为水平层理，交错及递变纹层。局部见到鸟眼、溶孔、溶洞和泥裂构造以及缝合线构造。白云岩类的显微结构为晶粒结构和粒屑结构。

(3)泥岩：多分布在芒硝矿层上、下部或以夹层出现。呈灰、深灰、褐灰色，岩性主要为泥岩、砂质泥岩和白云质泥岩，单层厚度3～10 m。泥岩普遍含沸石矿物。据中国地质大学(武汉)分析结果，沸石含量一般1%～5%，少数高达25%～26%。

2.4 矿石质量特征

本芒硝矿床为品位稳定、成分简单的可溶性矿床。有用组分Na2SO4，其他元素含量均很低，暂不能利用[1-3]。

2.4.1 矿石的矿物成分

(1)芒硝矿矿物组合：矿物组合简单，为无水芒硝+钙芒硝+少量石盐。

(2)主要矿物：无水芒硝，伴生矿物主要是钙芒硝，少量石盐，局部少量重碳氢钠盐矿物，杂质矿物以黏土矿物、白云石为主，可溶杂质含量甚微。主要矿物特征如下：①无水芒硝(Na2SO4)：斜方晶系，晶体呈短柱状或针状。黄棕色，玻璃、油脂光泽，硬度2.5～3.0，易溶于水，解理完全—中等，味清凉略苦咸，极易潮解。在空气中易渐变为白色粉末状的芒硝，在其表面形成一层白色或灰白色薄膜。镜下无色透明，Ng=1.485，Nm=1.474，Np=1.464。二轴晶(+)，2V=85°，负突起中度，长柱状，粒径0.1 mm×0.5 mm～0.4 mm×4.4 mm， 平行消光，二级鲜艳干涉色，定向排列。无水芒硝常构成单矿物岩。呈层状、透镜状产出，在泥岩中呈团块状、结核状产出。②钙芒硝(Na2SO4·CaSO4)：呈自形的菱形板状和短柱状以及半自形粒状。灰色，透明，玻璃光泽，条痕白色，贝壳状断口。{001}解理完全，{110}解理不完全。密度2.68 t/m3，硬度2.5～3.0，性脆，味微咸，缓慢溶于水。粒径0.1 mm×0.2 mm～1.2 mm×4.4 mm，二级鲜艳干涉色，二轴晶。钙芒硝一般呈纹层状分布于泥质白云岩中，或与白云石组成白云石钙芒硝，含量约为10%～80%。③陆源碎屑矿物：主要有长石、石英、黑云母、白云母还有石榴石、角闪石、电气石、帘石、绿泥石、磷灰石、透闪石、金红石、榍石、锆石、曲晶石、蓝晶石、磁铁矿、钛铁矿、菱铁矿、赤铁矿、褐铁矿、磁褐铁矿、磁赤铁矿、赤褐铁矿、黄钾铁钒、白钛石、白钨矿、白铅矿、锐钛矿、自然铅、自然锌、自然铜、孔雀石、刚玉、石墨等。

2.4.2 芒硝矿的化学成分

(2)稀有元素含量甚微，I-含量在0.002%～0.005%，B203为0.007%～0.036%；K+为0.027%～0.089%,Sr2+为0.001%～0.050%。

(3)有害组分主要为Fe2O3、Cl-、Mg2+、 Ca2+。其含量甚微，低于工业要求规定的允许含量，对工业生产和食用没有影响。1芒硝层Ca2+和2、3芒硝层Cl-含量超过规范允许有害组分最大含量。

(4)有害重金属元素Zn、Cr、Mn、Fe、Cu、M、Co、Mo、Pb含量甚微；放射性元素U、Th、Ra含量较低。

2.5 围岩和夹石

芒硝矿层的围岩和夹石均为为泥质白云岩和白云质泥岩。夹石与矿层界面清晰，呈层状、似层状分布于矿层中间。夹层一般厚1～3 m，最厚17.96 m。

3 芒硝矿成矿地质条件及成因探讨

3.1 芒硝矿形成的地质条件

3.1.1 丰富的物质来源

3.1.2 “高山深盆”的古地势

“高山深盆”成盐模式是袁见齐提出的[14]。泌阳凹陷在其控盆断裂的作用下使上升盘一侧地势高峻，下降盘一侧形成深凹陷，呈现南断北超的单断箕状形态(图2)，其周围被山岭环绕，南部和东部、东北部山势高峻，北部低缓，西部则以一个低隆超与南阳凹陷相隔，呈一封闭较好的内陆盆地，呈现“高山深盆”的古地势。

3.1.3 炎热干旱的古气候环境

含微体古生物化石表明古近纪始新世～渐新世时期高山深盆的地貌景观和炎热干旱的古气候环境。

(1)核桃园组—廖庄组安3井的介形虫化石主要有：四方爬星介(Herpetocypris quatrata)、近圆球金星介(Cypris subglobosa)、三角真星介(Euypris tribulosus)、呆板美星介(Cyprinotus nefandus)

(2)核桃园组—廖庄组安3井的轮藻：潜江扁球轮藻(Gyrona qianjiangica)、拉氏轮藻( Raskyaechara sp.)

(3)核桃园组—廖庄组安3井的孢粉组合:裸子植物花粉占绝对优势，高达96.6%，被子植物花粉3.5%，蕨类植物孢子为0.8%。裸子植物花粉中以单束松粉属(Abietineaepollenites)69.4%、双束松粉属(Pinuspollenites)12.1%，麻黄粉属(ephedripites)6.3%，为主，还有一定数量的雪松粉属(Cedripites)3.6%，云杉粉属(Piceaepollentes)1.6%、杉粉属(Taxodieceaepollenites)1%；此外还有少量的油杉粉属(Keteleeris)、落叶松粉属(Laricoidites)、无口器粉属(Inaperturopollenites)等。被子植物花粉主要有三沟粉属(Tcicolpites)2.6%，少量的芸香粉属(Rutaceoipollenites)、栎粉属(Quercoidites)、百合粉属(Liliacidites)、眼子菜粉属(Potamogetoniaeaepites)等。蕨类植物孢子主要为凤尾蕨孢属(Pterisisporites)0.4%，还有少量的瘤纹四孢属(Verruteraspora)等。

核桃园组孢粉组合反映的植被主要为落叶松属、雪松属、杉属、云杉属、麻黄属等，而阔叶植物胡桃属、百合属、栎属、楝属、芸香属及蕨类植物孢子凤尾蕨孢属、水龙骨孢属等仅个别出现，水生植物偶见眼子菜属、黑三棱属，但十分稀少。

(4)分析其形成的植物认为：当时凹陷周围远处为高山，针叶树林非常繁茂，山下平原地带稀疏地生长着一些被子植物，湖泊周围荒漠盐碱地带生长着大量的麻黄植物，水边或水中生着稀少的水生植物，呈现“高山深盆”地貌景观。

(5)对安3井孢粉组合分析表明泌阳凹陷在古近纪始新世～渐新世时期为亚热干旱—半干旱气候；岩石组合特征显示为干旱为主，交替出现的相对湿润的气候环境，是盐类矿产形成的有利气候条件。

3.1.4 物源方向及古水系

泌阳凹陷古湖盆为高山和隆起所环抱，它们为盆地沉积提供了丰富的物质来源，经由常年性河流或季节性洪水的携带注入湖盆(图5)。

图5 泌阳凹陷核三段沉积岩相及物源水系分布Fig.5 Distribution map of sedimentary lithofacies,material source and water system

供给湖盆沉积物质的常年性古河流在南部主要为平氏河，北部有来自西北方向经古城、张厂流入和来自东北泌阳方向经侯庄、王集流入的两条河流。另外，南部由季节性洪水形成的山地河流也是供给湖盆沉积物质的主要水道。它们为盆湖深部带来丰富的形成芒硝矿的物质组分，同时也在盆地边缘形成大小不等的扇形三角洲粗碎屑沉积体，从而指示了物源来源和方向。

3.1.5 新近系盖层保护及构造破坏

(1)泌阳凹陷在古近系晚期形成芒硝矿后，气候干旱，湖盆萎缩消失，快速沉积了厚达约720 m的廖庄组和第四系地层(图3、图5)，有效的在其成矿后形成有一定厚度的密不透水的保护盖层,以有效阻挡和避免淡水对盐层的溶解流失。

(2)廖庄组底面构造显示在凹陷的南部湖盆沉积中心区断层不发育，对已形成的芒硝矿没有进行破坏(图6)。

3.2 矿床成因分析

4 芒硝矿成盐机理、分布规律及预测

4.1 芒硝矿的成盐机理

(1)干旱的气候条件和持续蒸发的环境，必然导致水体的逐渐浓缩和盐类物质按溶解度大小进行沉淀、分异。其分异方式和分异特征则因盆地基底和盆地所处的构造环境、构造格局而有所不同。

(2)泌阳凹陷沉积盆地属碎屑岩型盐类沉积盆地，其周围为山、盆地与外界隔离、形成较为孤立的自生自长的成岩盆地。由于基底分异不明显，次级凹陷不发育，盐类沉积在一个统一的水体中进行，其深部形成了碳酸盐碱矿，尔后形成了芒硝矿，属单一式展布形式，见泌阳凹陷核三段沉积岩相图(图5)。

(3)泌阳凹陷芒硝矿的沉积相是周边到中心为粗碎屑岩—细碎屑岩—泥岩—泥质白云岩、白云岩。碎屑沉积和化学沉积在同一盆中交替进行，形成了多层芒硝矿层。

4.2 芒硝矿的分布规律及预测

4.2.1 芒硝矿分布范围预测

(1)凹陷中心的偏移：从形成碱矿的核一段至核二段的底面构造图和核三段的底面构造图可以看出，深部盆地面积远大于浅部，且向南东偏移，这与正常的凹陷沉积变化消亡原理是一致的，芒硝矿的沉积相对碱矿的沉积应该向南东偏移，平面投影面积范围在南东方向要超出核二段和核一段碱矿的投影范围。

(2)廖庄组底面构造(图6)显示：在核三段结束廖庄组开始的沉积中心廖庄—胡湾的两个次凹呈北东走线、与栗园断裂方向一致，平面投影位置与早期的形成碱矿的核二段、核一段相比向南东偏移。

(3)岩相古地理证据：从核三段形成芒硝矿的岩相图(图5)中白云岩的分布与碱矿的分布图[7]对比可以看出，形成芒硝矿的白云岩相范围变小且向南东偏移，可以想象，芒硝矿必然向南东偏移。

4.2.2 芒硝矿厚度变化预测

(1)平面显示向南东加深。芒硝矿赋存的凹陷中心沉积区域南东为北东向控盆断裂栗园—泌阳断裂，凹陷沉积中心轮廓呈北东向、北西浅，南东深，沉积中心在廖庄—胡湾一带(图6、表1)。

图6 泌阳凹陷廖庄组底面构造及芒硝矿分布预测Fig.6 Structure map of Liaozhuang formation′s bottom surface containing prediction of mirabilite mine in Biyang Sag

表1 芒硝矿第4勘探线厚度变化趋势Tab.1 Thickness trend in No.4 exploration line profile of mirabilite mine

(2)从剖面(图4)可以表明矿层向南东向逐渐变厚的规律。芒硝矿层从沉积凹陷的边部厚度较薄，向沉积中心增厚并趋稳定(表1)，至南东边部断裂，矿层迅速尖灭(图4)。

5 结论

(1)凹陷的芒硝矿湖湘蒸发沉积成因，产出的沉积相为白云岩，还原环境使形成的岩石由于有机质含量较多呈灰绿色、暗灰及黑色，形成了地下水质类型为硫酸盐型，这是典型的找矿标志。

(2)根据凹陷自白垩纪—古近世的演变，沉积中心逐渐向盆地南东偏移，同时芒硝矿的沉积面积位置也向南东偏移至廖庄组底面构造图显示的廖庄—湖湾一带。

(3)泌阳凹陷目前发现的芒硝矿分布区域并非它们全部分布范围芒硝矿的分布面积，是现控制面积的4倍，在矿层稳定的情况下，泌阳凹陷的芒硝矿资源量是现在的4倍(达4亿t)。