楊家堡礦區莊子溝組底部黑色巖系中釩礦成因探討

徐志濤, 羅 勇, 胡 明, 楊 瀟, 馮久林

(湖北省地質局 第八地質大隊,湖北 襄陽 441002)

楊家堡釩礦區位于湖北省丹江口市北西部。大地構造位置位于秦嶺—大別造山帶(Ⅰ),秦嶺弧盆系(Ⅰ1),武當—隨南逆推帶(Ⅰ1-1),武當陸內裂谷(Ⅰ1-1-1)。礦區內褶皺和斷裂構造發育,釩礦體展布主要受控于寒武系下統莊子溝組[1]。

1 礦區地質

礦區出露地層以新元古界震旦系燈影組(Z2∈1dn),早古生界寒武系下統楊家堡組(∈1y)、莊子溝組(∈1z),中統岳家坪組(∈1-2y),上統孟川組(∈3m)為主。

燈影組為碳酸鹽巖,巖性為白色—淺灰色白云巖。楊家堡組巖性以灰黑色中層硅質巖夾薄層硅質巖及薄層粉砂質板巖為主。莊子溝組下段為含釩礦巖系,上段依次為硅質板巖夾黑色含碳泥灰巖、黑色薄層含碳粉砂質板巖、灰黑色紫紅色泥質板巖和黑色含碳粉砂質板巖。岳家坪組為碳酸鹽巖,巖性為從下向上依次為灰黑色中層灰巖、灰黃色薄層泥質灰巖、灰黑色薄層細晶灰巖夾泥質條帶灰巖。孟川組為碳酸鹽巖,巖性為灰色中層泥質條帶狀灰巖(圖1)。

礦區位于楊家堡—唐家山倒轉向斜西段,軸面傾向南,向斜軸線近東西。向斜核部為寒武系中、上統,兩翼為寒武系下統和震旦系上統地層。南翼地層倒轉,巖層傾角一般50°,最大80°。北翼地層出露正常,巖層傾角一般12°～51°,含礦巖系出露完整。斷裂構造主要發育于主體向斜的兩翼及邊緣,走向主要有EW向和NW向兩組,多為脆性斷裂。礦區楊家堡附近還發育有一組走向近東西的次級箱狀背向斜,嚴格控制著莊子溝—楊家堡礦段釩礦體的展布。

圖1 丹江口楊家堡釩礦礦區地質略圖(據湖北省丹江口市楊家堡礦區石煤釩礦勘查報告,1996,簡化)Fig.1 Geological sketch map of Yangjiabao vanadium ore district1.第四系全新統;2.早古生界寒武系上統孟川組;3.早古生界寒武系中統岳家坪組;4.早古生界寒武系下統莊子溝組;5.早古生界寒武系下統楊家堡組;6.新元古界震旦系上統燈影組;7.平行不整合界線;8.滑塌界線;9.斷層;10.正斷層;11.勘探線剖面;12.釩礦體。

2 礦床地質[2]

2.1 礦床特征

莊子溝組下段賦礦巖系可分出3個次級賦礦層,從下向上可圈出Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3等7個礦體,其中Ⅰ2、Ⅱ2、Ⅲ2為較穩定的礦體,Ⅱ2為主要礦體,Ⅰ1、Ⅱ1、Ⅲ1、Ⅲ3等為厚度變化極大、延伸極度不穩定的小礦體。第一含礦層以薄層硅質巖夾粉砂質板巖及少量石煤,含少量磷結核,賦存Ⅰ1、Ⅰ2兩個礦體,含礦層厚度4.6～6.2 m。第二含礦層中上部主要為石煤,夾少量薄層硅質巖,含大量磷結核,夾數層透閃石灰巖。下部主要是薄層硅質巖夾石煤、砂質板巖,含少量磷結核,賦存Ⅱ1、Ⅱ2兩個礦體,其中Ⅱ2為礦區主礦體,含礦層厚度7.0～32.9 m。第三含礦層上部以炭質板巖為主,下部炭質粉砂質板巖夾石煤及數層透閃石灰巖,石煤中含少量磷結核,賦存Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3等3個礦體,含礦層厚度7.7～20.9 m。

3個賦礦層依據巖性組合可分為5個沉積韻律,韻律以較純的含碳粉砂質板巖開始,向上過渡為有機質及粘土質石煤,再向上有機質及粘土質逐漸減少形成成分較純的粉砂質板巖終止,而后再進入下一個沉積韻律。第一含礦層處于第一韻律,主要礦體Ⅰ2形成于韻律的中部。第二含礦層處于第二、三、四韻律中,主要礦體Ⅱ2形成于第二韻律上部和第三韻律下部。第三含礦層處于第五韻律中,主要礦體Ⅲ2形成于韻律的中部(圖2)。

2.2 主要礦體特征

Ⅰ2礦體下距Ⅰ1礦體1.74～8.10 m,平均3.83 m。礦體厚度、品位沿走向和傾向變化大,呈7個透鏡體狀斷續分布。透鏡狀礦體長度88.5～835 m,厚度0.70～6.55 m、平均3.14 m。V2O50.50%～0.93%,平均0.818%。礦體厚度變化系數78.75%,品位變化系數17.33%。Ⅰ2礦體屬厚度不穩定型,品位屬均勻型。礦體受向斜構造控制傾向南東或南西,傾角15°～69°。工程控制最低標高240～550 m,控制礦體傾向延伸120～650 m。

圖2 礦區莊子溝組下段賦礦巖系及沉積韻律示意圖Fig.2 Sketch map of the lower part of the Zhuangzigou formation in the mining area and sedimentary rhythm

Ⅱ2礦體呈層狀,下距Ⅱ1礦體1.55～5.05 m,平均3.25 m。礦體長度3 635 m,厚度1.30～24.76 m、平均9.3 m,總體上有東薄(4 m)西厚(6 m),傾向延伸上較地表厚(深部厚度10 m以上)。V2O50.68%～1.27%,平均0.876%。礦體厚度變化系數60.94%,品位變化系數16.30%。Ⅱ2礦體屬厚度較穩定—不穩定型,品位屬均勻型。礦體受向斜構造控制傾向南東或南西,中東部受次級褶皺構造影響,傾角在7°～55°變化,西部地表傾角在26°～36°,深部變緩,一般<23°。工程控制最低標高181 m,控制礦體傾向延伸1 575 m。

Ⅲ2礦體下距Ⅱ2礦體3.70～19.48 m,平均5.41 m。礦體長度3 635 m,厚度1.15～14.69 m、平均3.37 m。V2O50.56%～1.05%,平均0.804%。礦體厚度變化系數68.25%,品位變化系數15.19%。Ⅲ2礦體屬厚度較穩定型,品位屬均勻型。礦體受向斜構造控制傾向南東或南西,西部地表傾角26°～36°,中部>40°,深部<23°。工程控制最低標高239 m,控制礦體傾向延伸1 430 m。

礦區主要礦體空間位置關系見圖3。

圖3 楊家堡礦區A-B地質剖面圖Fig.3 A-B geological profile of Yangjiabao ore district1.早古生界寒武系上統孟川組;2.早古生界寒武系中統岳家坪組;3.早古生界寒武系下統莊子溝組;4.早古生界寒武系下統楊家堡組;5.新元古界震旦系上統燈影組;6.第四系全新統松散堆積物;7.構造角礫巖;8.硅質條帶泥質灰巖;9.含硅質條帶灰巖;10.炭質粉砂質板巖;11.炭質板巖;12.硅質巖;13.白云巖;14.釩礦體及編號;15.角度不整合界線;16.平行不整合界線;17.逆推斷層;18.鉆孔及編號。

2.3 小礦體特征

礦區小礦體長度普遍<100 m,沿走向和傾向厚度很快變薄直至尖滅,分布極不穩定。小礦體其他特征詳見表1。

表1 楊家堡礦區其他小礦體特征一覽表Table 1 List of characteristics of other small ore bodies in Yangjiabao ore district

礦區釩礦的形成與有機質石煤礦具有緊密的相關關系,與有機質的關系首先表現在海生生物從海洋中初步吸收釩元素和死亡后軀體內釩的初步堆集,再次表現在生物有機殘骸的腐解造成海底富含H2S的強還原背景,促進了釩(陽離子)的進一步被陰離子吸附沉淀富集。有機質參與了釩元素富集成礦的進程,富含有機質石煤的成礦地質背景同時也是釩成礦的有利環境,石煤的形成原因和釩的富集成礦有密切的內在聯系。礦區一般情況是煤發育的部位釩礦也發育,二者呈正相關關系。

礦區石煤、釩礦和石煤釩礦三者之間在空間展布范圍上和品位變化幅度上基本保持一致,釩礦體可賦存在石煤之中構成石煤釩礦,也可賦存在石煤層的頂底板巖層中。含釩石煤和釩兩礦種之間為緊密共生加伴生的關系,且普遍規律是石煤厚度大、品質好的地段釩礦體一定是厚度大和品位高。

2.4 礦石特征

礦石按巖性組合及結構構造劃分為炭質板巖型、石煤型和硅質巖—粉砂巖型三個自然類型(表2)。

2.5 主要礦體圍巖及夾石

Ⅰ2礦體底板為薄層硅質巖、粉砂質板巖及少量石煤,平均厚度3.83 m。頂板為炭質板巖,厚度1.79～8.48 m,平均4.48 m。在地表見1層厚度0.7～1.3 m粉砂質板巖夾硅質板巖夾層,鉆孔中見2層厚度0.84～2.75 m含碳硅質板巖及硅質板巖夾層。

Ⅱ2礦體底板為炭質板巖、粉砂質板巖及少量透閃石灰巖,厚度1.55～5.05 m,平均3.57 m。頂板為炭質板巖、含碳粉砂質板巖,少量石煤及透閃石灰巖,厚度2.2～14.98 m,平均8.28 m。在地表見有1層厚度0.3～1.3 m含碳粉砂質板巖、炭質板巖夾層,平硐中見1層1.55 m含碳粉砂質板巖及含碳硅質板巖夾層,鉆孔中見有3層厚度0.22～2.74 m,夾層巖性為粘土質板巖夾硅質板巖、薄層硅質板巖夾石煤、薄層硅質巖、薄層硅質巖夾粉砂質板巖、薄層硅質板巖夾粘土質板巖、粉砂質板巖、石煤。

表2 楊家堡釩礦礦石自然類型及特征一覽表Table 2 List of natural types and characteristics of list of natural types and characteristics of Yangjiabao vanadium ore

Ⅲ2礦體底板為炭質板巖、含碳硅質板巖、含碳粉砂質板巖及少量石煤,厚度1.5～4.5 m,平均2.54 m。頂板為炭質板巖、粉砂質板巖,少量石煤及透閃石灰巖,厚度1.1～4.29 m,平均2.86 m。夾石少見,地表局部見有1層厚度0.68 m粘土質板巖,在鉆孔中見有2層夾層,厚度0.4～1.0 m,夾層巖性為粘土質板巖、炭質板巖、薄層硅質板巖。

3 礦床成因

楊家堡釩礦目前認為是海底熱水(噴流)沉積礦床[3]成因。

海底熱水(噴流)沉積成礦的主要依據是區域上寒武系莊子溝組中已經發現有釩、鉬、重晶石等規模大、品位高的礦床,礦體及礦體底板中伴有磷、鎳、鈷、銅、鈾、金、銀等多元素的富集,這一多元素礦化現象與黑色巖系非補償性沉積特征是相矛盾的(黑色巖系形成階段是陸源碎屑供應不足或沉積物供應處于饑餓狀態)。噴流沉積成因認為地層建造中硅質巖是海底熱水噴流的沉積記錄,大量硅質是海底火山從地球深部帶出的。莊子溝組下部賦存的釩礦體與下伏楊家堡組硅質巖密切的時空展布關系為礦物質來源及供應等提供了理想的解釋。海底深源熱(鹵)水噴流沉積主導了“黑色頁巖型”礦床的成礦作用,成礦物質與硅質同源,均來源于熱水噴流沉積,泥巖的吸附作用是釩富集成礦的主要因素。

4 楊家堡礦床形成推測

寒武紀早世筇竹寺期,礦區處于古揚子被動大陸北緣裂陷帶部位,在拉張—離散構造應力場下營造了鄂北外陸棚深水盆地斜坡帶的沉積環境(圖4)。隨著盆地的發展演化,形成以硅碳泥質為主要成分的含釩黑色層建造。當時海水中大量硅質、釩及伴生元素是以海底高角度同生地塹式斷裂作通道將深源含礦熱鹵水導出的結果,從而改變了海水的溫度、營養鹽濃度、酸堿度和氧逸度。適宜的溫度和豐富的營養,促進海洋生物爆發式繁殖生長,以釩為主的元素在生物機體中初步富集。以海底同生斷裂為通道的周期性噴流又導致周期性物、化條件變化,使生物在海底形成富含炭質的生物機體堆積,由于厭氧生物分解機體,產生CO2、CH4、NH3、H2S,從而降低海水的Eh值,形成成礦作用地球化學障,引起硫化物、碳酸鹽及釩等元素的沉淀。又因外陸棚深水盆地遠離古陸剝蝕區,導致陸源碎屑物補償不足,進一步導致碎屑物中釩等元素的富集成礦。推測礦床成因模式見圖5。

5 找礦方向

通過對楊家堡釩礦床勘查成果進行總結,筆者認為今后類似礦床的找礦方向應重視巖相古地理環境對成礦的控制作用,烏龍寺盆內深水斜坡帶控制區,即鄂西北地區丹江口市—鄖縣—鄖西縣一線以北、鄖縣南化塘鎮—梅鋪鎮以南莊子溝組展布范圍是該類礦床今后的主要找礦方向。

圖4 區域早寒武世筇竹寺期巖相古地理圖Fig.4 Lithofacies palaeogeographic map of Early Cambrian period during Qiongzhusian Age1.含釩地層建造等厚線及等厚值;2.推測含釩地層建造等厚線及等厚值;3.巖性組合區界線;4.砂頁巖組合;5.炭質頁巖—硅質頁巖(含釩)組合;6.硅質巖—泥質頁巖(含釩)組合。

6 結論

(1) 楊家堡組硅質巖是海底熱水噴流形成的巖性記錄。

圖5 楊家堡釩礦成因模式圖Fig.5 Genetic pattern diagram of Yangjiabao vanadium ore

(2) 楊家堡釩礦成因是海底熱水(噴流)沉積形成的礦床。

(3) 巖相古地理環境—深水斜坡帶是控制礦床的重要成礦環境。

(4) 硅質巖與黑色巖系組合是重要的賦礦地層格架。

[1] 郭子福,劉瑜,徐志揚,等.湖北均縣楊家堡釩礦詳查報告[R].丹江口:湖北省第五地質大隊,1975.

[2] 孫三才,楊軍,奉欣,等.湖北省丹江口市楊家堡礦區石煤釩礦勘查報告[R].襄樊:湖北省鄂西北地質勘查調查所,1996.

[3] 呂向志,渠婧,王宗合,等.1∶100000湖北省礦產資源潛力評價成果報告之湖北省鄖縣—丹江口地區楊家堡式釩礦區域預測工作區(4231101001)[R].襄陽:湖北省鄂西北地質勘查調查所,2012.