黄家坪地区麦地坪组磷矿沉积环境演变分析*

2022-09-29苏毅卢君勇唐茂林李佐强阳开龙张芹贵祝建华江永富

采矿技术 2022年5期

苏毅 , 卢君勇唐茂林李佐强阳开龙张芹贵祝建华江永富

(1.四川发展天瑞矿业有限公司，四川乐山市 614000；2.四川省地质矿产勘查开发局二零七地质队，四川乐山市 614000)

0 引言

扬子地块是我国重要的产磷区，陡山沱与梅树村两大成磷期磷块岩储量占全国磷矿储量的85%，马边-雷波聚磷盆地是西南地区重要的磷矿资源基地，纳入四川省矿产资源总体规划，区内进行资源勘查、开发利用超过30 a，在岩石矿物、构造、沉积相、沉积模式等方面取得了丰硕的成果，如区域上早寒武世梅树村阶成矿规律研究[1-2]、马边老河坝地区沉积构造研究[3-5]、雷波-金阳地区沉积相及成矿模式研究[6-10]。但对早寒武世含磷地层麦地坪组的地球化学特征、古环境、古气候等却鲜有研究，仅张玙等[11]对老河坝磷矿铜厂埂地区地表磷矿地球化学特征开展了部分研究工作，认为磷在沉积成矿过程中伴随着稀土元素（REE）的富集，其富集以胶磷矿的吸附作用占主导地位，且REE配分模式表明在沉积成矿过程中的 REE来自海水。本次研究通过在黄家坪地区深部钻探，系统收集了含磷地层麦地坪组的碳酸盐岩样品，进行了岩石矿物及地球化学分析，以明确该地区早寒武世梅树村阶含磷地层的古环境变化特征，以及黄家坪地区位于马边-雷波聚磷盆地沉积相变过渡带。本次研究结果有望在区域上填补相关的地质基础数据，完善马边-雷波聚磷盆地及川滇磷矿带梅树村阶磷矿成矿模式及成矿规律。

1 区域地质背景

黄家坪地区（见图1）位于川滇磷矿带北部马边聚磷盆地，大地构造位置分区属上扬子陆块西缘四川前陆盆地叙永-筠连叠加褶皱带区域，主要出露地层为晚震旦世灯影组-白垩纪地层。受主体构造线南北向构造影响，褶皱发育有老河坝背斜、暴风坪向斜等。断层主要发育南北向叠瓦状构造峨边-金阳断层、老河坝断层、高卓营断层等，其中峨边-金阳大断裂形成于燕山期后，具有多期活动特征，经历了以由西向东逆冲运动为主断裂的3期构造活动，并具有一定的活动性[4]。

图1 区域地质背景

2 矿床地质特征

2.1 岩石地层特征

黄家坪位于老河坝磷矿区以南，主要出露地层为上震旦统灯影组、下寒武统麦地坪组、筇竹寺组、中寒武统沧浪铺组、上寒武统西王庙组等。磷矿赋存于下寒武统麦地坪组，按照岩石组合特征可将麦地坪组分为以下两段。

麦地坪组二段（Є1m2）：厚约23.65～50.95 m。下部为浅灰色厚层状粉晶白云岩，含磷质、硅质及少许白云质砾屑，具波状层理及递变韵律层理，为矿层顶板，其层位、岩性稳定。上部为灰色中层状瘤状灰岩（见图2（a）），瘤体内含较多生物碎屑及磷质砾屑，瘤体边缘有明显的溶蚀痕迹，基质为泥质成分，局部夹薄层状砂屑白云岩，具瘤状构造，白云岩具砂屑结构，薄层状构造，与上覆筇竹寺组炭质泥岩呈平行不整合接触（见图2（a））。

麦地坪组一段（Є1m1）：厚约15.09～28.10 m。为区域主要的含磷层位。矿层结构按空间位置关系可分为以下几层。

上分层：位于矿层上部，厚度为4.69～7.14 m，平均为6.01 m；品位为15.50%～18.85%，平均为16.97%。灰黑色致密块状磷块岩，夹条纹条带状砂砾屑磷块岩（见图2（c）、图2（d）、图3（a）、图3（c）），条纹条带状磷块岩具波状层理发育有多期冲刷面、正粒序层理组成的沉积序列。砂屑多呈圆形、椭圆形及不规则状，填隙物多为泥晶不规则状胶磷矿及亮晶白云石。并见含磷硅质白云岩，发育微波状层理，夹硅质透镜体（见图2（e）、图2（f））。

图2 下寒武统麦地坪组钻井岩芯沉积特征

图3 下寒武统麦地坪组显微照片特征

夹矸：位于矿层中部，上下分层之间，厚度为0.46～1.12 m，平均为 0.84 m；品位为 4.16%～10.72%，平均为7.87%。土黄色薄层状黏土岩、含磷水云母黏土岩（见图2（g）、图3（e）），具泥质结构，黏土多呈隐晶-细小鳞片状集合体薄层状构造，具水平层理。

下分层：位于矿层下部，厚度为8.37～16.01 m，平均为12.69 m；品位为17.28%～29.76%，平均为23.26%。黑色致密状凝胶砂屑磷块岩（见图3（b）），其特征为致密块状及豆荚状构造，发育磷质面粒结构，磷质颗粒周缘发育磷质环边包壳、磷质或白云质胶结，长轴方向具有一定定向性。夹稀疏白云质条纹、含磷屑砾屑白云岩（见图2（b）、图2（i）、图3（d）），砾屑无分选、无磨圆，可见棒状砾屑起直立分布。含少量白云石颗粒，箭头砾屑具有定向性，为区内原生富磷矿层。

底板：主要岩性为细-粉晶白云岩和含磷屑细-粉晶白云岩，部分胶磷矿砾屑包裹细小白云石、石英等颗粒。前者发育顺层排列的鸟眼构造，后者发育齿状石膏溶孔，见含磷质砾屑粉-细晶白云岩，砾屑杂乱分布（见图2（j）、图2（k）、图2（l）、图3（f））。

2.2 沉积演化

麦地坪组早期沉积具条带状（含磷）泥质白云岩、粉晶-细晶白云岩，沉积环境为潮下带—瀉湖沉积，水体能量较低。中期沉积环境以潮下云坪为主，发育高品位的砂屑磷块岩、磷块岩，为间歇高能环境，可见砾屑磷块岩、砾屑白云岩，以潮汐水道为主，磷块岩之间夹矸主体为黏土岩、硅质白云岩、泥质白云岩沉积，沉积环境为泥质瀉湖沉积。晚期海平面相对下降，初期以潮间带沉积为主，沉积（含磷）砂屑白云岩、（含磷）粉晶白云岩，后转变为潮下带沉积，主要发育潮下灰坪，岩性由（含磷）瘤状灰岩和（含磷）微晶灰岩组成[3]。

3 分析测试方法及测试结果

本次研究样品采自马边黄家坪磷矿区钻孔岩心（位置见图1），根据岩石组合特征、组构、沉积相变化特点等，采集了麦地坪组一段含磷白云岩、致密块状磷块岩、条纹条带状磷块岩等新鲜样品共计5件进行主微量元素测试。采集样品ω（Mn）/ω（Sr）小于2，则指示样品代表性很好[12]。采集样品磨挑选无蚀变的样品进行主量、微量、稀土元素；碳氧同位素分析测试，分析测试数据见表1。

表1 四川马边黄家坪磷矿岩矿石地球化学数据

4 讨论

4.1 主微量元素

SiO2含量为8.41%～21.45%，平均值为13.17%；Al2O3含量为0.67%～8.78%，平均值为2.58%；Fe2O3含量为0.01%～1.17%，平均值为0.53%；陆源元素∑（SiO2+Al2O3+Fe2O3）含量为9.21%～31.33%，平均值为16.29%。从底板至夹矸逐渐增加，夹矸达到最大值后逐渐减小。

寒武系 Na元素碳酸盐岩矿物背景值介于100～5000 μg/g[13]，Na2O含量为0.08%～0.5%，平均值为0.22%；Na元素含量为593.5～3710 μg/g，平均值为1602.58 μg/g；K2O含量为0.29%～3.31%，平均值为0.99%。变化范围较小，属于稳定变化。

Sr含量为 116～442 μg/g，平均值为 288.4 μg/g；Rb 含量为 5.87～52 μg/g，平均值为 17.22 μg/g；Ba含量为 120～629 μg/g，平均值为 275.6 μg/g。研究区白云石Sr元素含量与现代海洋中原生白云石Sr元素含量相当[14]，并略偏低。

4.2 稀土元素

稀土元素数据采用后太古代页岩进行标准化[15]，计算结果见图4。

图4 研究区岩/矿石REE的PAAS标准化配分

样品∑REE+Y大多小于100 μg/g。夹矸受陆源碎屑影响，碳酸盐的∑REE+Y含量增加，大于100 μg/g[16]，垂向上呈现出升-降的趋势。轻稀土元素（LREE）/重稀土元素（HREE）值比较稳定，介于0.89～1.84之间，平均值为1.50，显示出轻重稀土相对富集、亏损曲线，分馏作用不明显。而δEu值为0.49～0.96，平均值为 0.78，显示负异常，指示大地构造背景和成岩成矿环境均为氧化环境；δCe值为0.40～0.84，平均值为0.58，显示一定程度的负异常；两值说明研究区样品总体受到一定的热液影响，和区域梅树村阶麦地坪组含铅锌相匹配[17-18]。

研究区梅树村阶稀土元素配分模式曲线均呈现出左倾-平坦的趋势（见图4），表明此阶段碳酸盐岩具有相似的轻重稀土分馏特征，没有显示明显的元素异常，Ce元素显示微弱负异常，δCe比值与邻区铜厂埂磷矿[11]、云南昆阳磷矿[19-20]、贵州织金磷矿[21]、瓮安磷矿床[22]相似，指示区域沉积成矿过程中氧化-次氧化的底层水域孔隙水条件。

4.3 碳氧同位素组成的变化

利用四川烟峰-上田坝矿产地质调查项目在马边县二坝剖面所采集样品对研究区区域碳氧同位素进行分析，分析结果如图5所示。图5结果表明，碳氧同位素显示灯影组与麦地坪组的界线附近存在显著的δ13C值负漂移现象，漂移值可达-5.1，其后麦地坪组δ13C值具有一个短暂的快速回升过程[23-25]。表明该时期海洋环境在短时间内发生了巨大的变化，生物生产率出现了快速的下降，生物大量死亡。其后麦地坪组δ13C值具有一个快速回升的过程，表明经历了突发性的生物灭绝事件之后，寒武纪早期生物具有一个快速反弹繁殖的过程。

图5 Є1m-Z2dn地层δ13C，δ18O变化曲线

4.4 古气候与古水深

研究碳酸盐岩元素地球化学特征有助于恢复古气候演化，其中Mg/CaO值显示海水中碳酸钙溶解度随温度变化情况，研究区梅树村阶Mg/CaO值为0.25～0.56，平均值为0.39，表明该地区环境变化波动不大，与垂向上采集的样品主要集中在胶磷矿成矿前后有一定关系，客观上反映了在梅树村阶磷矿成矿前后经历的环境为相对潮湿环境[26]。另一指标Rb/Sr值为0.013～0.138，平均值为0.061，较低的Rb/Sr值同时证明成矿期间为相对潮湿的古气候环境[27]。

判断古水体深度有两个地化指标：Sr/Ba值和1000×Sr/Ca值。梅树村阶区域 Sr/Ba值为 0.60～1.75，平均值为1.25，区内底板和夹矸Sr/Ba＜1，为海相沉积物和淡水沉积物混合，与其潮间带的沉积环境相吻合，而成矿期间Sr/Ba＞1，为海相沉积，与潮下高能带沉积相匹配[28]。研究区 1000×Sr/Ca值为 0.28～0.95，平均值为 0.64，表明碳酸盐岩1000×Sr/Ca值具有从浅滩向陆棚方向随水体加深而逐渐增加的特征，显示研究区沉积水体经历浅-深-浅的变化过程[29]。