豫北王家窑矿区灰岩矿地质特征及矿床成因研究

2023-08-24李军旗鲍金红李普轩

现代矿业 2023年7期

李军旗鲍金红李普轩

（1.河南省有色金属地质矿产局第一地质大队；2.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心）

王家窑矿区位于河南省安林地区，本区是重要的非金属矿集聚区，主要矿产有煤、熔剂用灰岩、水泥用灰岩、霞石正长岩、冶金用白云岩等［1-2］。近年来，根据国家有关政策和地方政府在露天开采的非金属矿的有关限制和规定，寻求可供地方政府能够综合利用和合理开发的开采地非常重要。本文在分析矿床地质特征的基础上，分析和总结矿床成因，为下一步工作和在豫北地区寻找该类型的矿床提供参考。

1 区域地质背景

本区大地构造位于中朝准地台南部山西台隆西侧的太行山拱断束（图1）。地层区划属华北地层区山西分区太行山小区［3］。区域地层有寒武系、奥陶系、二叠系、古近系、新近系、第四系，局部有石炭系出露。构造以NNE 向断裂构造为主，次为NW 向断裂［4］。

石灰岩在冶金、建材、化工、轻工、建筑、农业及其他特殊工业部门都是重要的工业原料。石灰岩根据用途可分为电石用、制碱用、化肥用、熔剂用、玻璃用、水泥用、建筑石料用、制灰用及饰面用［1］。豫北地区为河南省主要的能源、冶金、建材矿产原料基地之一，本区中奥陶统上、下马家沟组和峰峰组的灰岩矿最多，且质量好、规模大［2］，已探明的灰岩矿主要矿产地有李珍水泥用灰岩、清峪熔剂用灰岩、东下洹水泥用灰岩矿、鹿山白云岩等非金属矿床。王家窑矿区是近几年地方财政投入开展的勘查项目之一，不仅取得了找矿突破，并对拉动地方经济起到了非常大的作用。

2 研究区地质特征

2.1 地层

矿区内出露地层为奥陶系中统马家沟组第四岩性段（O2m4）、第五岩性段（O2m5）、第六岩性段（O2m6）及第四系（Q）。矿区内地层呈现单斜构造，断裂不发育［5］。矿区西北角出露一个燕山期中性小岩体，主要岩性为闪长岩、闪长斑岩（图2）。

矿区地层呈单斜产出，地层产状倾向110°～160°，总体倾向135°，倾角28°～45°，平均35°。区内地层主要为第四系、奥陶系中统。矿区自西北向东南依次分布奥陶系中统马家沟组第四岩性段（O2m4）、第五岩性段（O2m5）、第六岩性段（O2m6）、第四系（Q）。

（1）第四岩性段（O2m4）在矿区边界少量出露，顶部为泥质白云质灰岩，中部为厚层灰质白云岩、白云质灰岩，底部为角砾状、疙瘩状含膏白云质灰岩。矿区范围内仅出露第四岩性段（O2m4）顶部泥质白云质灰岩。

（2）第五岩性段（O2m5）在矿区大面积出露，上部为厚层状纯灰岩夹薄层白云质灰岩；石灰岩为灰色、深灰色，泥晶结构，致密块状构造，贝壳状断口；白云质灰岩为黄灰色、浅灰色，易风化，薄层状。中部为厚层状石灰岩；下部为深灰色纯灰岩，泥晶结构，致密块状构造，性脆，局部为花斑状灰岩，花斑多呈不规则状斑块状或长条状斑状，淡黄色，泥质白云质含量高，风化后呈灰白色，含有角石类化石。该段为本次工作的主要对象，出露广泛，岩性稳定，构造简单，该段在矿区可分为以下4 层：第一层O2m5-1厚约123 m，岩性为云灰岩、纯灰岩、花斑灰岩；第二层O2m5-2厚约42 m，岩性为花斑状云灰岩，灰色，顺层面排列有密集的花斑，而成斑矿物结晶颗粒细小，呈淡黄色，泥质、白云质含量较高；第三层O2m5-3厚约71 m，岩性分为生物碎屑灰岩和白云质灰岩；第四层O2m5-4厚约43 m，岩性为白云质灰岩。

（3）第六岩性段（O2m6）厚约92 m，岩性为角砾状白云质灰岩。

（4）第四系（Q）广泛分布在河沟及低洼地区。主要为耕植土、黄土、砂土等。厚约0～5 m。

2.2 构造

矿区区域构造位于中朝准地台南部山西台隆西侧的太行山拱断束［6］，即太行山东麓低山与丘陵接壤地带。矿区的构造形态为一南东向倾斜的单斜构造，地层走向近于南西向，倾角一般28°～45°，断层不发育。

2.3 岩浆岩

本区西北及东南出露有燕山晚期的闪长岩，主要岩石种类为闪长岩、石英闪长岩等，呈灰绿色，块状构造，半自形及自形粒状似斑状结构，中性斜长石含量60%～70%，角闪石含量约30%。次要矿物成分辉石含量局部达10%～30%，石英含量约10%，微量矿物有榍石、磷灰石及铁质。次生矿物有绿帘石、绿泥石、绢云母及高岭土等。

3 矿层地质特征

矿区内的矿层为奥陶系中统马家沟组第五段。依据各岩性层化学成分差异，圈出2 层水泥用灰岩矿。矿层总体赋存标高+525～+300 m。

3.1 矿层特征

（1）Ⅰ号矿体。该水泥用灰岩矿层为奥陶系中统马家沟组第五岩性段中第一层（O2m5-1）纯灰岩，呈单斜薄层状产出，倾向110°～150°，平均倾向130°，倾角30°～45°，平均倾角35°。矿层沿走向长约1 800 m，倾向宽约20 m，厚度10～25 m，平均厚度10 m，CaO 平均含量54.09%，MgO 平均含量0.62%，矿体沿走向及倾向延伸稳定。矿层赋存标高+448～+300 m，埋深0～148m，矿层沿走向及倾向延伸稳定。

（2）Ⅱ号矿体。该水泥用灰岩矿层为奥陶系中统马家沟组第五岩性段中第三层（O2m5-3）生物灰岩，呈单斜薄层状产出，倾向110°～150°，平均135°。倾角30°～50°，平均倾角35°。矿层沿走向长约2 200 m，倾向宽约20 m，厚度11～28 m，平均厚度13 m，CaO 含量54.00%，MgO含量0.64%。矿体沿走向及倾向延伸稳定。矿层赋存标高+520～+300 m，埋深0～220 m，矿层沿走向及倾向延伸稳定。

3.2 矿石质量特征

3.2.1 矿石岩性特征

本区矿石主要矿石矿物为方解石，一般含量在9%～65%，脉石矿物主要是自形、半自形的白云石，含量5%左右。矿区内主要岩石类型化学成分特征见表1。

注：数据由河南省有色金属地质矿产局第一地质大队化验室检测。

3.2.2 矿石物性特征

经采样测试（见表2），对矿区灰岩矿石硫酸盐及硫化物含量0.06%～0.09%，平均0.076%，坚固性2.6%～3.4%，平均2.99%。岩石抗压强度52.7～57.6 MPa，平均54.94 MPa，碎石压碎指标9.4%～11.7%，平均10.58%，碱集料反应0.05%～0.08%，平均0.068%。

注：数据由开封市黄河土木工程实验中心检测。

矿石结构以微晶结构、粉晶结构、隐晶质致密结构为主；矿石构造以块状、花斑状为主，还有角砾状和条带状。根据各项测试结果，结合一般工业指标，矿石的工业类型属高钙、低镁的水泥原料石灰岩矿石。

矿层大部分直接出露地表，部分被第四系黄土及残坡积物覆盖，盖层厚度约0.5 m；矿层底板为奥陶系中统马家沟组第四岩性段（O2m4）顶部的泥质白云质灰岩。顶板为第六岩性段（O2m6）的角砾状白云质灰岩，顶底板围岩的颜色、岩性特征与矿层有明显区别，也是区分矿体的明显标志。

水泥灰岩矿体结构简单，全区有3 层夹石，均达到建筑石料用灰岩矿工业指标要求，故圈定为建筑石料用灰岩矿体，与主矿体进行综合开发利用。

4 矿床成因

河南省奥陶系发育欠佳，分布不广［2］，但在华北、秦岭两地层区均有出露。本区属于华北地层区，地台型沉积，主要为碳酸盐岩建造。在中奥陶世晚期，华北地壳整体抬升，全区缺失上奥陶统，中奥陶统直接被中石炭统平行不整合覆盖，本次研究区即为奥陶系中统沉积形成，矿层赋存层位为奥陶系中统上马家沟组第五段。

奥陶系中统的沉积环境演化与华北地壳升降运动引起的海进、海退时间密切相关［7］。奥陶系马家沟组沉积时期海水由深变浅，再由浅变深，共进行了6次海平面升降旋回［8］。经对照分析区域上以往研究资料可知，本区的沉积演化过程可推断为上马家沟组第五段—第六段为潮坪沉积环境即潮下带（浪基面至平均低潮线之间）环境—潮间带（低潮线附近）动荡环境—潮上带（平均高潮线以上）环境。

（1）潮下带环境位于浪基面以下的低能带，除有海流作用外很少受到扰动。由于水浅蒸发量大，海水经常处于过饱和状态，在气候温暖，有海风影响下，从陆地及大陆架带来丰富的饵料，有大量鱼类、虾及蟹、珊瑚、苔藓动物、棘皮动物、海绵类、腕足类及软体动物等，行光合作用的钙藻也大量繁殖。在此环境下形成了大量的生物碎屑灰岩。

（2）潮间带环境位于低潮线附近为潮坪环境中的高能带，波浪及潮汐活跃、阳光充足、氧气充分，使得各种底栖生物、造礁生物和藻类生物等大量发育，生物成因的碳酸盐生产率高，波浪及水流对沉积物的筛选作用往往形成具有交错层理的、分选良好的各种颗粒灰岩。在本区表现为生物灰岩。

（3）潮上带环境海水很浅，海底坡度很小，宽度可达数百公里，致使水的循环作用受到很大限制，波浪作用不发育，在干热气候条件下，蒸发作用强，含盐度较高，在沉积物表面常产生白云石、石膏、盐等蒸发物。在本区主要产出岩性为白云岩。

综上所述，可得知本区岩层厚度由厚变薄，粒度由粗变细，岩性从较纯的厚层状生物碎屑灰岩—生物扰动灰岩—白云岩，表明第五段—第六段为退积型地层结构。另外，根据本矿床地层岩性特征，结构构造及其变化，说明本区以浅海—滨海沉积环境为主，向潮间带沉积过渡的海退式沉积碳酸盐岩相矿床。