湖北老河口水泥配料用页岩矿地球化学特征及找矿意义

敖明勇　邬宝华　张志文　李伟文　苏明月

［摘要］为满足葛洲坝老河口水泥有限公司后续生产需求，水泥厂委托中国建筑材料工业地质勘查中心湖北总队对老河口市及周边地区开展水泥配料资源地质调查工作。最后选取丹江口市疙瘩湾陡山沱组页岩矿为目标层。在该矿区布设勘查线连续取样，共选取１８个样品，分别对样品的ＳiO2、ＡL2O3、Ｆe1O3、Ｋ2Ｏ、Ｎa2Ｏ 进行测试，通过对数据进行分析，该地层符合企业对高铝高铁配料的需求。通过对化验结果数据的分析，ＳiＯ2、Ｎa2Ｏ 相关性较强，Ａl2Ｏ3、Ｋ2Ｏ 相关性较强，ＳiＯ2与Ａl2Ｏ3、Ｋ2Ｏ、Ｆe2Ｏ3负相关性较强，Ｎa2O和Ｋ2O负相关性较强。钾长石的野外辨识度较高，多呈肉红色，对钾长石含量的判定，对找矿意义较大。

［关键词］老河口；页岩；地球化学特征；找矿意义

葛洲坝老河口水泥有限公司的矿山是早奥陶世海相沉积型矿床，矿体赋存在奥陶系下统水田河组地层中。矿石类型是泥晶灰岩和亮晶砂屑灰岩、花斑状泥晶灰岩夹亮晶砂屑灰岩、硅化晶粒灰岩、硅化花斑状晶粒灰岩。该矿体拥有10个高硅矿体（fＳiＯ2＞４％），在使用时，需搭配高铝高铁低硅的水泥配料。通过勘查线连续取样的结果，探索其地球化学特征，以期指导本区同类矿床找矿。

１ 区域地质背景

1.1 区域地质

在构造区划上，本矿区位于昆仑—秦岭纬向大构造体系东秦岭南亚带，十堰—朱连山褶皱带，汉江断裂以北的朱连山一带。区域构造以褶皱构造占主导，断裂构造居其次，区域褶皱主要为一组由震旦系陡山沱组至奥陶系水田河组组成的一系列北西西—南东东向紧密褶皱—向西翘起、向东倾伏的背斜、向斜构造组成。

1.２ 区域地层

区域出露地层从老到新为：元古界下武当群组杨坪组（Ｎh1y）、双台组（Ｎh1s）。上元古界青白口系耀岭河群（Ｎh2-3y）及震旦系上统陡山沱组（Ｚ1d）和灯影组（Ｚ2∈１d），古生界寒武系下统水口沟组（∈１sg）、中统岳家坪组（∈2-3y），晚寒武世一早奥陶世石瓮子组（∈3O1s）。白垩系寺沟组（Ｋ2s）。新生界下第三系始新统玉皇顶组（Ｅ1-3y）及第四系（Ｑ）。震旦系上统至奥陶系下统主要是浅海相至滨海相碳酸盐沉积建造；白垩系和第三系属于内陆河湖相；第四系主要是冲积、洪积及坡积堆积层。其中震旦系下统陡山沱组（Ｚ１d）为含矿层位，在区域上广泛分布（图１）。

２ 矿区地质

2.1 地层

矿区出露地层主要为震旦系上统灯影组（Ｚ2∈１d），震旦系上统陡山沱组（Ｚ1d）和少量的第四系全新统残坡积物（Q），如图２实测剖面图。

震旦系上统灯影组（Ｚ2∈１d）：岩性为浅灰色厚层灰岩、白云质灰岩、白云岩。下部为绢云石英片岩夹大理岩及钙质千枚岩。

震旦系上统陡山沱组（Ｚ1d）：上部为含矿层，岩性为灰黄色绢英页岩，薄层或中厚层状，粘土矿物以水云母为主，呈鳞片状定向排列，属浅海盆地环境沉积。矿体赋存最高标高约175ｍ，最低标高约225ｍ，初步推测厚度500ｍ。

下部由变石英砂岩、钙质砂岩或绢云片岩、绢英片岩、片状云母石英岩组成，普遍夹蓝闪石片岩。

第四系全新统残坡积层（Q）：冲积、洪积砂，砾石、砂砾石、砂、亚砂土、亚粘土，与下伏地层角度不整合接触，工作区之外的南东侧大面积出露，区内零星分散于沟谷低洼处。层厚小于0.5ｍ。

2.２ 构造

区内褶皱构造比较简单，主要表现为齐家垭复式背斜南西翼的单斜构造及其次级小褶皱，其褶皱轴迹展布方向均为北西向，倾向南东，倾角多为23°～35°。地层单斜产出，走向近东西，倾向北北西或南西。倾角较陡，多为70°～75°。

２.３ 矿产

矿区内未见其它类型矿产。

３ 构造样品采集

样品取自丹江口市疙瘩湾陡山沱组页岩地层。本次工作选取一条地质出露较好线路做剖面，采用地表连续取样的方法，约20ｍ 采取一个样，共采样18件。

以常规岩石宏观描述、薄片鉴定、常规元素分析为基础，从而鉴定矿物，判断其是否为企业需要的目标层。

４ 岩石化学元素结果通过化学分析可知（表１）：SiO2 51.１4％ ～64.45％，平均57.53％；Ａl2Ｏ3  11.93％ ～16.86％，平均14.36％；Ｆe2Ｏ3 8.89％ ～13.24％，平均11.75％；Ｋ2Ｏ 0.69％ ～44.42％，平均2.49％；Ｎa2Ｏ 0.073％～3.34％，平均1.25％；硅酸率（SM）1.75％～2.91％，平均2.22％；铝氧率（ＡＭ）0.090％～1.48％，平均1.23％；（Ｋ2Ｏ＋Na2O）2.40％ ～4.49％，平均3.74％。

根据行业标准，石灰岩、水泥用粘土质和硅质原料矿产地质勘查规范（DZ／Ｔ 0213—2020），水泥用粘土质原料矿石化学成分一般要求：硅酸率（SM）：２～３，（Ｋ2Ｏ＋Ｎa2Ｏ）≤４。

分析结果表明，除了Ｈ16硅酸率（SM）值略低一些，但不影响整体质量，平均为2.22（2～3）且较稳定；（K2O＋Ｎa2Ｏ）值有8个超过指标，但平均3.74（＜４％）且稳定。总体上矿石品质属于Ⅱ 类，矿石质量较好。

５ 矿区岩石地球化学特征

对表１氧化物进行Ｒ 型聚类分析见图３。

從图中可以看出，矿区内５ 种氧化物，除了Ｆe2Ｏ3以外，主要分为SiO2—Ｎa2Ｏ、Ｋ2Ｏ—Ａl2O3两个组合相关性较强。根据氧化物特征判别矿区化合物演化特征明显。

岩石样品地球化学数据相关系列矩阵（表2），从表中可以看出ＳiO2与Ｎa2O、Al2O3与K2O正相关性较强。SiＯ2跟Al2O3、Fe2Ｏ3、K2Ｏ 负相关性较强。Ｋ2Ｏ 跟Ｎa2O负相关性较强。

据此推测陡山沱组（Ｚ1d）页岩的物质基础可能来自不同的源岩。ＳiO2与Ｎa2Ｏ、Ａl2Ｏ3与Ｋ2Ｏ分别来自不同的陆源因子，Ｆe2O来自热源因子。

６ 页岩矿物的成因类型与主要组成矿物

进入震旦纪，鄂北（南华纪）裂谷活动停止，转入扬子陆块北缘盖层稳定碳酸盐岩台地沉积，形成一套台地陆棚相碳酸盐岩与陆源碎屑岩沉积建造。

作为细粒碎屑岩，从成因上来讲，页岩组成矿物的成因类型可分为５类，各成因类型的主要矿物名称、形成阶段与赋存状态如表３所示。

同一页岩样品中，一种矿物可以有两种或三种成因。同一矿物的多种成因是页岩组成矿物的共同特点。从矿物晶体化学种类上来看，页岩中有氧化物，硫化物，硅酸盐矿物、碳酸盐矿物、磷酸盐矿物、黏土矿物、非晶质矿物，矿物成分比较复杂。

疙瘩湾陡山沱组页岩，源岩物质初步推测，ＳiO2跟Ｎa2Ｏ，Ａl2Ｏ3跟Ｋ2O分别来自不同的陆源，Ｆe2O3来自后期浅埋环境热源物质。

７ 讨论

黏土质辅料包括：黏土、黄土、红土、泥岩、页岩、炭质页岩（煤矸石）、粉砂岩、板岩、千枚岩和片岩。目前已限制使用黏土，要求尽可能使用黏土岩类。

老河口地区合适的目标层位较少，只有隔壁城市丹江口市的陡山沱组（Ｚ1d）页岩满足企业生产的需要。

对于陡山沱组（Ｚ1d）页岩文献较少，收集的资料有限。对于页岩也多倾向于油气相关的讨论。且对于页岩成分的认识，多倾向于室内化验。对于地质工作者的野外找矿，特别是对于高铝的特殊高品位需求，需要尽可能地在野外进行初步判定。通过此次采取的样品化验后，分析其相关性，总结一定的规律。

ＳiＯ2、Ｎa2Ｏ相关性较强，Ａl２O3、Ｋ2Ｏ相关性较强，ＳiO2与Ａl2O3、Ｋ2Ｏ、Ｆe2Ｏ3負相关性较强，Ｎa2Ｏ 和Ｋ2Ｏ 负相关性较强。在野外对于Ｋ2Ｏ 以经过肉眼初步判定其含量的多少（钾长石多呈浅肉红色）。如果在野外陡山沱组（Ｚ1d）页岩钾长石偏高则初步认为铝含量较高，相对应Ｎa2Ｏ含量较低则ＳiＯ2含量随之较低，反之钾长石偏低则初步认为铝含量较低，相对应Ｎa2Ｏ含量较高则ＳiＯ2含量随之较高。

８ 结论

通过对丹江口市疙瘩湾陡山沱组页岩矿的岩石学特征与地球化学特征研究表明：

（１）老江口周边的陡山沱组页岩可作为水泥配料用黏土岩，且矿层较厚，品质较好。

（２）陡山沱组（Z1d）页岩的物质基础可能来自不同的源岩。SiO2跟Ｎa2Ｏ，Ａl2Ｏ3跟Ｋ2O分别来自不同的陆源因子，Ｆe2Ｏ3来自热源因子。

（３）陡山沱组（Z1d）页岩SiＯ2、Ｎa2Ｏ 相关性较强，Ａl2Ｏ3、Ｋ2Ｏ 相关性较强，ＳiＯ2与Ａl2Ｏ3、K2Ｏ、Fe2Ｏ3负相关性较强，Ｎa2Ｏ 和Ｋ2Ｏ 负相关性较强。

（４）通过初步判定陡山沱组（Z1d）页岩中K2O含量的多少，可初步推测Al2O3、ＳiO2等含量的多少。当Ｋ2Ｏ 含量的多时，可初步认为页岩中铝含量较高，相对应Na2O含量较低则SiO2含量随之较低，反之钾长石偏低则初步认为铝含量较低，相对应Na2O含量较高则SiO2含量随之较高。