貴州甕安磷礦巖石學及沉積序列研究

密文天,范 昱

(1.成都理工大學沉積地質研究院，四川 成都 610059;2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究背景

磷塊巖礦床可以理解為一種特殊的沉積相，把含磷沉積相內的相素序列或巖性序列規律稱為含磷巖系[1]，作為一種獨立的沉積體系或沉積物質集合，它是成磷作用和成磷環境的物質體現。對于成礦物質來源問題，有陸源或陸源汲取起主導作用的觀點，也有人認為以深部熱水或火山噴發提供或吸附的磷質為主要來源，還有的認為由富含磷質的海洋生物提供。在成礦作用問題上，一般認為，生物有機成礦、交代成礦、無機成礦和孔隙水作用，都對磷礦的形成起了作用[1]，而成礦過程由多因素共同控制，不是簡單的積累和演化。此外，不同時代、不同地區的地質構造背景及全球的構造、氣候條件等宏觀背景，都對磷礦的形成起控制作用。可見，磷塊巖的形成涉及多種因素。震旦紀是大規模的成磷期，而甕安磷礦是其中的典型礦床。對甕安含磷巖系的巖石學特征及不同類型磷塊巖形成的沉積環境進行研究，詳細分析穿巖洞礦區實測剖面的沉積序列，進而深入探討甕安磷塊巖的形成問題。

2 礦區地質

甕安磷礦位于貴州省甕安縣境內，北起白巖礦區，南至高坪礦區，南北長約 20km，東西寬約3 km。礦區位于川黔南北構造帶的白巖-高坪背斜上，背斜褶皺呈近南北向展布，受新華夏應力場的干擾發生偏轉。磷礦產于震旦系陡山沱組地層中，陡山沱組地層厚約10～75m，主要由磷塊巖、泥巖、硅質巖和白云巖組成。

甕安磷礦區內缺失奧陶紀、志留紀及石炭紀等地層，出露的地層有板溪群清水江組、南華系南沱組、震旦系陡山沱組和燈影組。背斜中部為斷層橫截，分為南北兩部分。陡山沱組地層上覆于南沱組冰磧礫巖或者板溪群之上，呈假整合接觸，一些地段呈角度不整合接觸[2]。據穿巖洞實測剖面觀察，自下而上分為三個巖性段：第一段為下部含磷礦層，厚5.67m，厚度相對較小；第二段為夾層段，厚約2m；第三段為上部含磷礦層，厚約20m，主要由黑色塊狀磷塊巖、 白云質磷塊巖和白云巖組成。

3 巖石學分析

3.1 礦物組成

磷灰石礦物合成實驗表明[3]，即使有微量的氟元素，結晶形成的磷酸鹽礦物也將以碳氟磷灰石礦物的形式產出，而不以純氟或純碳磷灰石的形式產出。因此，在震旦紀上揚子區開放的具有流通性的古海洋中，生成純碳或氟磷灰石這種單一礦物是不可能的。所以，甕安磷礦的海相磷酸鹽礦物為組分連續變化的碳氟磷灰石。根據形態特點，磷灰石分為非晶質碳氟磷灰石(膠磷礦)、纖維狀集晶碳氟磷灰石、粒狀晶磷灰石及微晶碳氟磷灰石[1]。膠磷礦，即凝膠磷塊巖，在正交偏光下呈均質體全消光，只有在電子顯微鏡下顯示出超微粒集合體，晶體形態多為粒狀、柱狀等，單晶直徑小于1μm，而在手標本上為致密塊狀且看不到構造特征；它是組成磷質內碎屑及磷質膠結物的重要來源，一般通過生物化學作用形成。膠磷礦經過重結晶作用，能形成微晶碳氟磷灰石，微晶碳氟磷灰石略顯光性，鏡下呈隱晶-微晶集合體，但輪廓模糊。

纖維狀集晶碳氟磷灰石在鏡下一般以放射狀、纖維狀集合體環繞于磷質顆粒外垂直生長，或填充于顆粒間隙間。它一般潔凈透明，很少有雜質，與顆粒之間有明顯的界限，并能顯示多世代的特征。一般認為，它是成巖階段在富磷孔隙溶液的化學淀積下結晶而成[1,4]，重結晶磷塊巖中也有此類磷灰石的發現。也有觀點認為，它是微生物作用的結果，常構成磷質核形石和鮞粒的圈層。粒狀晶磷灰石以粒狀及短柱狀為主，晶形完美，粒徑為0.005～1mm之間[1,4]，單偏光下無色透明，分布于磷質顆粒間隙之中，可能比纖維狀集晶碳氟磷灰石形成還晚，代表了成巖晚期生成的特點。

甕安磷塊巖中的伴生礦物，根據來源可分為自生礦物、外屑礦物。自生礦物為沉積期及期后形成的產物，其中黏土礦物十分常見，主要為水云母類，它或作為磷塊巖夾層，或在水動力條件較差背景下進入顆粒磷塊巖中成為填隙物。甕安磷礦中的黑色碳質磷塊巖中，就有大量的黏土類礦物，其有機質含量很高并吸附了大量的微量元素。

甕安磷塊巖伴生的最主要礦物是碳酸鹽巖礦物白云石，它是磷質顆粒的填隙物或膠結物，也能自成夾層及條帶。一種為沉積的原生白云石，常成為白云質磷塊巖的基質，另一種經次生白云石化而形成。微晶白云巖一般顯示低能和富有機質的水體環境，表面較為渾濁；而亮晶白云石晶形較好，常成為顆粒磷塊巖的膠結物。白云石在成巖作用中常被磷灰石所交代。在甕安磷礦上礦層中，常可見粉晶白云巖與磷塊巖呈韻律產出。

甕安磷塊巖中的石英多為自生礦物，陸源輸入的石英砂粒很少。自生石英及玉髓多產出于甕安磷礦上下磷礦層之間的沉積間斷面的硅質磷塊巖之中，為沉積期后硅化作用而形成。石英等可以對磷酸鹽礦物進行交代，如微晶石英交代磷灰石時，表面常呈淡黃色調；對于晶粒較小的玉髓，常作為磷塊巖的基質或膠結物，它形成于水動力較弱的深水環境；細晶質石英多呈短柱狀自形晶，常見于晚期成巖作用及次生石英脈中。

黃鐵礦多出現在甕安陡山沱組底層白云質泥巖及下礦層的砂屑磷塊巖中，以凝塊狀或團塊狀產出，形成于成巖早期，反映了還原的沉積環境；在甕安陡山沱組底部的白云巖，有重晶石化的現象。由于位于淺水臺地內部，黔中甕安聚磷區的外屑礦物十分單一且含量較低。

3.2 磷塊巖結構類型

在結構類型方面，前人將磷塊巖分為微粒磷塊巖、顆粒磷塊巖和殼粒磷塊巖三大類型，分別對應凝結作用、粒化作用、敷淀作用三種沉積作用[5]。甕安磷礦中產出的膠磷礦，即屬于微粒磷塊巖，結構致密，鏡下可見收縮裂紋，屬于靜水環境下凝結而成，波浪、水流等后期改造作用并沒用對其進行破壞。甕安磷塊巖中的顆粒磷塊巖，可以分為粒屑磷塊巖及團粒、鮞粒磷塊巖。粒屑磷塊巖主要是指弱固結或已固結的膠磷礦被外力破碎形成“內碎屑”后重新沉積的磷塊巖[5]，與水動力條件下的機械作用有關。甕安磷礦的顆粒磷塊巖，按大小可分為礫屑磷塊巖、砂屑磷塊巖及粉屑磷塊巖；由于水動力的作用，其原生沉積構造可見板狀交錯層理，或以橫向搬運和垂向飄落方式沉積，顆粒磨圓度好并呈定向排列，多形成于潮間帶的高能環境。團粒狀磷塊巖主要由磷酸鹽超微顆粒凝聚形成，形態近似球狀，圓度很高，由于密度不同而顯示出不同的準同心層[5]，其形成的水動力條件相對較弱，形成于弱-中等能量的環境中。

Richard A D等認為，粗礫能被搬運的深度很小，而細泥能被搬運的深度較大[6]。所以，粒度較大的粒屑磷塊巖一般產于淺水帶，通過顆粒結構類型能很好地指示沉積環境[7]，粒度遞變反映了水動力條件的遞變，從礫屑磷塊巖到泥晶磷塊巖是一個完整的粒度遞變的結構序列，它是在不同的能量條件下經過沖刷、破碎、搬運及簸選后再沉積而成，是機械物理作用的結果。從穿巖洞剖面上的顆粒磷塊巖粒度特征及沉積構造上，可以反映不同的沉積環境。

4 甕安磷塊巖序列

受南沱冰期時古地理地形控制，甕安陡山沱組磷塊巖沉積于黔中古隆起的邊緣，含磷巖系的沉積基底凹凸不平，因此，甕安磷礦北部的大塘礦區與南部的穿巖洞礦區的沉積組合有所差異，穿巖洞礦區南沱組為冰磧砂泥礫巖，陡山沱組缺失地板段，直接沉積下磷礦層。可以分為6個向上變淺的沉積序列。

4.1 第1～2序列

第1～2兩個沉積序列屬于下磷礦層和夾層，厚度較小。Marinoan冰期時，甕安穿巖洞礦區地形相對較高，因此沉積了一套冰磧砂泥礫巖而非黑色粉砂質泥巖。在第1序列內，在冰水沉積物基底上發育有黏土質磷塊巖，存在水平層理，代表最初的陡山沱期海侵作用的磷質沉積。其上依次為泥質磷塊巖或磷質粉砂巖、薄層狀磷塊巖等，最上部白云巖化作用明顯，為灰白色厚層的白云質砂屑磷塊巖，反映了從潮下低能帶-潮間帶沉積，構成了首個向上變淺的潮坪旋回沉積體系。

第2序列內，下部沉積物組成變化明顯，下部為黑色含泥的膠磷礦層，向上白云質逐漸增多，形成砂屑磷塊巖與白云巖的韻律互層，有平行層理及波狀層理發育；上部沉積有硅質砂屑磷塊巖、似層狀白色硅質團塊、硅質條帶及白云巖，向上磷質含量明顯減少，反映了從潮下帶-潮間帶沉積演化。

4.2 第3～6序列

此四個序列皆為碳酸鹽巖與磷酸鹽巖的韻律沉積，潮汐韻律層理發育明顯，構成了以潮下帶-潮間帶沉積為主的向上變淺的沉積序列，沉積的磷礦層相對于下磷礦層要厚很多。隨著海侵范圍擴大，上升洋流攜帶富磷海水的涌入，為磷塊巖沉積提供了物質條件，含磷沉積物旋回反映了海平面的波動頻繁，這就為磷塊巖的沉積不斷補充了成磷物質，形成了充分、持續的物源供給。

第3序列內，下部為黑色膠磷礦層，含黃鐵礦，其中碳質磷塊巖有機質含量很高；中部為薄層狀粉砂質泥巖與碳質磷塊巖互層，普遍含瀝青質，反映了深潮下帶-盆地的沉積環境；上部為深色砂屑磷塊巖，多為平行層理構造，最上部為白云質砂屑磷塊巖，為潮汐水道充填構造，發育有波狀層理，為潮間帶沉積環境。第4序列內，下部為黑色薄板狀碳質磷塊巖，上部為灰白色硅質砂屑磷塊巖，硅質含量較高，該序列厚度較小。

第5序列內，下部為中層硅質磷塊巖，并含少量泥質，向上含磷組分逐漸增高，出現厚層狀礫屑及砂屑磷塊巖，發育大量充填構造；隨著海水的加深，出現了硅泥質沉積物，屬于沉積速率較慢時期。上部為灰白色白云質砂屑磷塊巖及磷質砂屑白云巖，白云質組分逐漸升高，乃至頂部出現灰白色厚層磷質白云巖沉積，顯示了海水逐漸變淺的趨勢，從潮下帶逐漸過渡到潮上帶，水動力的改造作用趨于明顯。

第6序列內，下部為薄-中層含泥硅質磷塊巖，具有水平層理構造，磷質多為凝膠狀，含有一定的硅質條帶，暗示磷塊巖形成于深水的潮下帶沉積環境中。上部依次為白云質砂屑磷塊巖、磷質白云巖，磷質含量逐漸減少，內部僅有磷質條帶及條紋。總體為潮下帶-潮間帶的沉積環境。

5 結論

從礦物、巖石學及沉積環境等方面，對甕安磷礦穿巖洞剖面進行研究，得出以下認識：

1)在磷塊巖礦石的化學組成方面，磷塊巖富集層主要是以P2O5與CaO構成的磷酸鹽礦物為主，不同類型的磷酸鹽礦物均屬于碳氟磷灰石類質同象系列。根據其結晶形態可分為非晶質的膠磷礦及晶質的各種碳氟磷灰石兩類；其他礦物以黏土礦物、碳酸鹽礦物及石英為主。

2)甕安陡山沱組磷塊巖類型多樣，主要有凝膠狀結構和顆粒結構兩種結構類型，每種結構特征與組分對應著不同的沉積環境。通過對甕安磷礦穿巖洞剖面進行沉積環境分析，將陡山沱組地層劃分為6個向上變淺的沉積序列，每個沉積序列都代表了一個成磷旋回。隨著海水升降變化，上升洋流攜帶大量富磷海水進入甕安地區的淺水環境，在有利的成磷場所下形成了磷塊巖沉積。

[1] 葉連俊,陳其英,趙東旭,等.中國磷塊巖[M].北京:科學出版社，1989.

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[4] 盛章琪,周茂基.中國南方震旦紀磷塊巖的巖石學[C].國際地質對比計劃中國委員會.第五屆國際磷塊巖討論會論文集(1)[M].北京:地質出版社,1984：229-240.

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[6] Richard A D.Coastal sedimentary environments[M].New York: Springer-Verlag,1978.

[7] 劉魁梧.貴州甕安磷礦磷酸鹽礦物與巖石學研究[C]//國際地質對比計劃中國委員會.第五屆國際磷塊巖討論會論文集(1)[M].北京:地質出版社,1984：319-334.