新疆库尔楚石膏矿地质特征及成因分析

2022-09-06李奇林张小林李作武

中国非金属矿工业导刊 2022年4期

李奇林，张小林，李作武，张磊

(中国建筑材料工业地质勘查中心新疆总队，新疆乌鲁木齐 830000)

石膏是一种用途广泛的工业材料和建筑材料，可用于水泥缓凝剂、石膏建筑制品、模型制作、医用食品添加剂、硫酸生产、纸张填料、油漆填料等，目前，我国已是石膏消费大国，未来随着我国经济持续稳定提升，基础设施建设与房地产行业发展，在市场需求的推动下，石膏行业发展潜力巨大。

本文在收集新疆库尔勒市库尔楚石膏矿详查地质工作资料的基础上，通过对区域地质背景、矿区地质特征、矿床成因的分析，总结了成矿规律和成矿模式。在工作开展过程中发现矿体东侧存在一条逆断层，截断了石膏矿层，推测矿区以东深部存在隐伏石膏矿体。对该成矿带的石膏找矿工作具有一定的指导意义。

1 区域地质背景

库尔楚石膏矿处于东阿赖—哈尔克山(复合沟弧带)Au-Sb-Sn-RM-REE-Mn-Fe—红柱石—萤石—宝玉石—石膏—盐类矿带，该成矿带具有良好的石膏找矿前景。矿区大地构造位置属于塔里木板块北缘陆缘增生褶皱带库鲁克塔格早古生代弧前盆地，区内出露地层由老至新有：滹沱统兴地塔格岩群、下石炭统野云沟组，其中下石炭统野云沟组(C1yy)是石膏矿的主要赋存层位(图1)。

图1 库尔楚石膏矿区域地质图

区域内褶皱构造发育，形成一系列北西向的褶皱构造，地层整体受北东—南西向挤压应力影响。区域内深大断裂十分发育，北为那拉提深断裂，南为哈尔克山深断裂。区内地层受这些深大断裂影响十分明显，区内由这些深大断裂派生的次一级断裂也十分发育。这些断层各个方向都发育，形成期次也十分复杂，主要以北西向断层为主。

区域侵入岩十分发育，岩浆活动由老至新有古元古代侵入岩和石炭纪侵入岩。岩浆活动以石炭纪为主，大面积分布于区域中部及北部，古元古代侵入岩小面积分布于区域北东部，出露的岩性有石炭纪黑云母花岗岩(γβC2)，岩石具粗粒结构，斑状花岗结构，属壳源钙碱性；石炭纪二云母花岗岩(γβmC2ND)，花岗结构，块状构造，属混源钙碱性。此外北东角发育有古元古代斜长花岗岩(γoβmPt)，鳞片花岗变晶结构，片麻状构造，属幔源钙碱性。

2 矿区地质特征

2.1 地层

矿区出露地层较简单，仅见下石炭统野云沟组(C1yy)，在矿区内大面积分布，岩性以深灰色炭质板岩、灰黑色含炭质变质细砂质粉砂岩、少量灰黄色粉砂质绢云母板岩及灰白色石膏为主，为一套海相沉积的陆源碎屑岩、碳酸盐岩建造。产状50°～90°∠45°～75°，整体上地层产状由北至南有变陡的趋势。第四系沿山前及沟谷地段分布，主要以松散堆积物为主，覆盖厚度＜0.5m(图2)。

图2 矿区地质简图

2.2 构造

矿区整体受区域近东西向的应力挤压，致使矿区内及外围见多处褶曲和揉皱现象，同时在矿区东部发育一条贯穿矿区的断层，宏观上以断层陡坎、断层泥等标志显示，断层呈近南北向，矿区范围内出露长度554m，南北两端均延出矿区。断层为北北西—南南东向延伸的逆断层，断层面产状214°～291°∠53°～76°。断层上盘中部为下石炭统野云沟组石膏矿层(C1yy(Gy))，南北两端为下石炭统野云沟组变质细砂质粉砂岩夹炭质泥岩夹板岩(C1yy(st+ms+sl))，上盘岩层顺层延伸至断层面中断，断层下盘岩性为下石炭统野云沟组灰黑色变质细中粒岩屑石英砂岩夹炭质泥岩(C1yy(ss+ms))。断裂带岩石挤压破碎特征明显(图3)，深部钻孔中见构造角砾岩(图4)和断层泥，成分复杂，多见石英、石膏、岩屑石英砂岩碎块。断层对矿体整体形态影响较大，完全控制了矿体的东界，南部使矿层变陡，深部截断矿体。

图3 断层特征

图4 钻孔中构造角砾岩

2.3 岩浆岩

矿区侵入岩不发育，仅在矿区北东角见小面积的花岗岩体出露，花岗岩体侵入矿体顶板下石炭统野云沟组灰黑色变质细中粒岩屑石英砂岩中，野外特征显示岩体的侵位使得下石炭统野云沟组各类岩石均受到北东—南西向挤压变形。

脉岩仅在石膏矿体北部外围见2条近东西向分布的石英脉，对石膏矿体无影响。

3 矿体特征

3.1 矿体形态规模产状

矿体位于矿区中部，赋存于下石炭统野云沟组(C1yy)上部，呈南北宽、中部略窄的纺锤状产出，矿层为白色中粒石膏层，呈北北西—南南东向展布，倾向北东东，东界受逆断层严格控制，矿体长552m，宽70m，地表平均厚度45.8m，钻孔控制平均厚度21.4m，矿体北部产状较稳定，产状50°～65°∠45°～55°，南部受构造影响，产状明显变陡，局部近直立，产状65°～95°∠65°～85°。矿层向深部产状有逐渐变陡的趋势，延伸至逆断层处，断层倾角72°～81°，倾向与矿层倾向相反，因此在深部完全截断了矿层，石膏矿体位于该逆断层的上盘(图5)。

图5 库尔楚石膏矿2-2´剖面图

矿体顶板为深灰色变质细中粒岩屑石英砂岩夹炭质泥岩，底板为灰黑色炭质板岩夹炭质泥岩、含炭质变质细砂质粉砂岩、粉砂质绢云母板岩。

矿体夹层主要分布在矿体中部，岩性为黄褐色粉砂质绢云母板岩及灰色微晶灰岩，夹层整体呈近南北向分布的透镜体状产出，较小者长35m，宽3m，相对较大者长92m，宽2～3m，整体看来对矿体完整性影响不大。

3.2 矿石质量

(1)矿石类型。

区内矿石自然类型单一，为白色中粒雪花石膏[1]，矿石工业类型为层状中粒石膏、硬石膏矿[2]。根据X射线衍射分析结果(表1)，矿石中石膏含量≥97.3%，半水石膏≤1%，蒙脱石、石英、绿泥石等其他矿物均≤1%。

表1 石膏矿石X射线衍射物相分析成果表 (单位：%)

(2)矿物成分和化学成分。

矿石具中粒结构，块状构造，岩石由石膏、粉砂和少量杂基组成：粉砂含量≤10%，主要为石英，次为长石，少量岩屑，磨圆中等，次棱角状—次圆状，粒径以＜0.06mm的粉砂为主，长石为斜长石，石英为单晶石英，岩屑主要有千枚岩、云母碎片等。杂基：少量，变质重结晶为隐晶状长英质、显微鳞片状绢云母及碳酸盐集合体，鳞片状矿物平行定向排列，分布于粉砂之间。石膏含量≥90%，片状，片径0.1～1.2mm，无色，具一级灰白、淡黄干涉色，低负突起，杂乱不均匀分布(图6、图7)。

图6 矿石手标本

图7 偏光显微镜下照片

矿石中CaSO4·2H2O平均含量79.87%，CaSO4平均含量7.45%，两者含量在56.89%～99.37%之间，CaSO4·2H2O+CaSO4含量加权平均值为87.32%，H2O+含量加权平均值为16.30%。通过详查工作，在矿区范围内1 482～1 732m标高之间，查明石膏矿石资源量210.36万t。

3.3 矿石及围岩蚀变特征

石膏矿石未发生蚀变，围岩中的炭质板岩局部绢云母化蚀变特征明显。含炭质变质细砂质粉砂岩见绢云母化、绿泥石化蚀变特征，岩石中的杂基和部分碎屑变质重结晶成隐晶状长英质、显微鳞片状绢云母、绿泥石及炭质碎片集合体，鳞片状绢云母、绿泥石，片径＜0.04mm，平行定向排列。

4 矿床成因与成矿模式

本矿床形成环境为早石炭世蒸发台地沉积相，是成盐盆地中的含盐水体经强烈蒸发沉积而成，因此矿床成因类型为蒸发沉积型[3]。

4.1 沉积盆地岩相变化

沉积盆地位于塔里木板块北缘，奥陶纪以浅海盆地相沉积为主，奥陶纪末曾一度露出水面，遭受剥蚀，志留纪期间海域逐步缩小，为陆棚外缘的浅海盆地相沉积，至晚泥盆世上升为陆地，进入石炭世随着新疆各板块的基本对接，塔里木板块北缘进入残留海发展阶段，沉积盆地在早石炭世为浅海、滨海相正常碎屑岩和碳酸盐岩沉积，也是库尔楚石膏矿的成矿期，在此期间海水深度及物质来源的变化使得成矿盆地内依次沉积灰岩—粉砂岩与炭质泥岩互层—石膏—砂岩与炭质泥岩互层，泥岩中的炭质成分为盆地周围及盆地内生物死亡后腐烂转变的有机质，同时矿区北部为河流补给入口(图8)，带来成矿物质的同时也含有较多杂质，在矿区北部形成较多粉砂质泥岩小夹层，南部则形成相对稳定的厚大石膏矿层。中、晚期为广阔浅海的碳酸盐岩及碎屑沉积，具有由泻湖—广海—泻湖相的海进—海退旋回，反映其沉积环境的稳定性[4]。

图8 早石炭世岩相古地理图

4.2 气候地理条件

在早石炭世成矿期，气候持续炎热干燥，海水强烈蒸发[5]，使水的矿化度不断增高，石膏与钙泥质岩石组成的条纹条带状构造，岩石的颜色由棕褐色→灰色→灰白色相间的岩系变化(图9)，反映了气候变化特征，即由干燥→湿润的交替变化。气候湿润时，水量丰富，带来大量成矿物质；气候干燥时，海水蒸发浓缩，当水体中的蒸发量大于降水量和地表水流量时，盆地中的水体经强烈蒸发，成矿物质沉淀。

图9 矿石颜色变化照片

4.3 成矿物质来源

关于成矿盆地中卤水内盐类物质来源，有以下几种可能：①盆地上游蚀源区长期遭受风化剥蚀，使大量的盐类成矿物质随地表循环水体源源不断地汇集到盆地中[6]；②在早石炭世的火山活动中，伴随着中基性火山岩的喷发，大量硫和硫化合物[7]聚集于成矿盆地，同时大量硫蒸气从火山口喷出，在大气中形成酸雨降于盆地内；③盆地周围大量植物死亡后，随季节性流水进入沉积盆地，同时水体中浮游生物、藻类等死亡后也沉入水底，这些有机物腐烂后，在还原环境下形成大量H2S气体[8]，H2S气体在氧化条件下形成SO42-，最后与Ca2+结合成矿[9]；④早期的碳酸盐岩(灰岩)被后期岩体带来的硫的化合物交代[10]，断层为流体的运移提供通道，流体沿层间流动、交代，矿体东部板岩起隔离层的作用，致使流体不能向西运移。

4.4 物理化学条件

成矿盆地处于封闭[11]或半封闭的环境，盆地内含盐水体及上游注入水体所携带泥沙发生化学和物理交替沉积而形成滨—浅海相的粉砂质与膏层的相互交替的组合特征。影响石膏、硬石膏形成和转化的物理化学条件有温度、压力、盐度、水体的pH值，Eh值、氧逸度[12]、水逸度等。

4.5 成矿模式探讨

塔里木盆地在形成过程中经历了晋宁运动、加里东运动等大的构造运动，至海西期形成了以塔里木盆地为主的大盆地又发育一系列次级小盆地的古地貌格局[13]，其中库尔楚石膏矿位于塔里木北缘的一个凹陷盆地内。成矿盆地是成矿的重要外部条件，为矿床的形成提供有力的自然地理条件，在早石炭世成矿期由于成矿物质的富集，伴随着强烈的蒸发作用，湖盆水体中含盐度不断升高，当水体中CaSO4的含量高于其溶解度时，就会以CaSO4·2H2O的形式析出，形成含水石膏晶体颗粒，于湖盆底部沉积成岩。原生沉积后，在盆地下沉、埋深增大、温度升高的物理化学条件下，含水石膏脱水转变为硬石膏[14]，反之，硬石膏又可水化为石膏，形成含水石膏与硬石膏共生的石膏矿层。在早石炭世成矿期后，受区域挤压应力的影响，原生石膏矿层被一逆断层挫断，上盘石膏矿层经抬升出露于地表，即形成库尔楚石膏矿体，断层下盘石膏矿层埋深加大，形成隐伏石膏矿层。

因此，本矿床形成环境为早石炭世蒸发台地沉积相，属成盐盆地中的含盐水体经强烈蒸发沉积成因类型。