新疆庫爾楚石膏礦地質特征及成因分析

李奇林，張小林，李作武，張 磊

(中國建筑材料工業地質勘查中心新疆總隊，新疆 烏魯木齊 830000)

石膏是一種用途廣泛的工業材料和建筑材料，可用于水泥緩凝劑、石膏建筑制品、模型制作、醫用食品添加劑、硫酸生產、紙張填料、油漆填料等，目前，我國已是石膏消費大國，未來隨著我國經濟持續穩定提升，基礎設施建設與房地產行業發展，在市場需求的推動下，石膏行業發展潛力巨大。

本文在收集新疆庫爾勒市庫爾楚石膏礦詳查地質工作資料的基礎上，通過對區域地質背景、礦區地質特征、礦床成因的分析，總結了成礦規律和成礦模式。在工作開展過程中發現礦體東側存在一條逆斷層，截斷了石膏礦層，推測礦區以東深部存在隱伏石膏礦體。對該成礦帶的石膏找礦工作具有一定的指導意義。

1 區域地質背景

庫爾楚石膏礦處于東阿賴—哈爾克山(復合溝弧帶)Au-Sb-Sn-RM-REE-Mn-Fe—紅柱石—螢石—寶玉石—石膏—鹽類礦帶，該成礦帶具有良好的石膏找礦前景。礦區大地構造位置屬于塔里木板塊北緣陸緣增生褶皺帶庫魯克塔格早古生代弧前盆地，區內出露地層由老至新有：滹沱統興地塔格巖群、下石炭統野云溝組，其中下石炭統野云溝組(C1yy)是石膏礦的主要賦存層位(圖1)。

圖1 庫爾楚石膏礦區域地質圖

區域內褶皺構造發育，形成一系列北西向的褶皺構造，地層整體受北東—南西向擠壓應力影響。區域內深大斷裂十分發育，北為那拉提深斷裂，南為哈爾克山深斷裂。區內地層受這些深大斷裂影響十分明顯，區內由這些深大斷裂派生的次一級斷裂也十分發育。這些斷層各個方向都發育，形成期次也十分復雜，主要以北西向斷層為主。

區域侵入巖十分發育，巖漿活動由老至新有古元古代侵入巖和石炭紀侵入巖。巖漿活動以石炭紀為主，大面積分布于區域中部及北部，古元古代侵入巖小面積分布于區域北東部，出露的巖性有石炭紀黑云母花崗巖(γβC2)，巖石具粗粒結構，斑狀花崗結構，屬殼源鈣堿性；石炭紀二云母花崗巖(γβmC2ND)，花崗結構，塊狀構造，屬混源鈣堿性。此外北東角發育有古元古代斜長花崗巖(γoβmPt)，鱗片花崗變晶結構，片麻狀構造，屬幔源鈣堿性。

2 礦區地質特征

2.1 地層

礦區出露地層較簡單，僅見下石炭統野云溝組(C1yy)，在礦區內大面積分布，巖性以深灰色炭質板巖、灰黑色含炭質變質細砂質粉砂巖、少量灰黃色粉砂質絹云母板巖及灰白色石膏為主，為一套海相沉積的陸源碎屑巖、碳酸鹽巖建造。產狀50°～90°∠45°～75°，整體上地層產狀由北至南有變陡的趨勢。第四系沿山前及溝谷地段分布，主要以松散堆積物為主，覆蓋厚度＜0.5m(圖2)。

圖2 礦區地質簡圖

2.2 構造

礦區整體受區域近東西向的應力擠壓，致使礦區內及外圍見多處褶曲和揉皺現象，同時在礦區東部發育一條貫穿礦區的斷層，宏觀上以斷層陡坎、斷層泥等標志顯示，斷層呈近南北向，礦區范圍內出露長度554m，南北兩端均延出礦區。斷層為北北西—南南東向延伸的逆斷層，斷層面產狀214°～291°∠53°～76°。斷層上盤中部為下石炭統野云溝組石膏礦層(C1yy(Gy))，南北兩端為下石炭統野云溝組變質細砂質粉砂巖夾炭質泥巖夾板巖(C1yy(st+ms+sl))，上盤巖層順層延伸至斷層面中斷，斷層下盤巖性為下石炭統野云溝組灰黑色變質細中粒巖屑石英砂巖夾炭質泥巖(C1yy(ss+ms))。斷裂帶巖石擠壓破碎特征明顯(圖3)，深部鉆孔中見構造角礫巖(圖4)和斷層泥，成分復雜，多見石英、石膏、巖屑石英砂巖碎塊。斷層對礦體整體形態影響較大，完全控制了礦體的東界，南部使礦層變陡，深部截斷礦體。

圖3 斷層特征

圖4 鉆孔中構造角礫巖

2.3 巖漿巖

礦區侵入巖不發育，僅在礦區北東角見小面積的花崗巖體出露，花崗巖體侵入礦體頂板下石炭統野云溝組灰黑色變質細中粒巖屑石英砂巖中，野外特征顯示巖體的侵位使得下石炭統野云溝組各類巖石均受到北東—南西向擠壓變形。

脈巖僅在石膏礦體北部外圍見2條近東西向分布的石英脈，對石膏礦體無影響。

3 礦體特征

3.1 礦體形態規模產狀

礦體位于礦區中部，賦存于下石炭統野云溝組(C1yy)上部，呈南北寬、中部略窄的紡錘狀產出，礦層為白色中粒石膏層，呈北北西—南南東向展布，傾向北東東，東界受逆斷層嚴格控制，礦體長552m，寬70m，地表平均厚度45.8m，鉆孔控制平均厚度21.4m，礦體北部產狀較穩定，產狀50°～65°∠45°～55°，南部受構造影響，產狀明顯變陡，局部近直立，產狀65°～95°∠65°～85°。礦層向深部產狀有逐漸變陡的趨勢，延伸至逆斷層處，斷層傾角72°～81°，傾向與礦層傾向相反，因此在深部完全截斷了礦層，石膏礦體位于該逆斷層的上盤(圖5)。

圖5 庫爾楚石膏礦2-2′剖面圖

礦體頂板為深灰色變質細中粒巖屑石英砂巖夾炭質泥巖，底板為灰黑色炭質板巖夾炭質泥巖、含炭質變質細砂質粉砂巖、粉砂質絹云母板巖。

礦體夾層主要分布在礦體中部，巖性為黃褐色粉砂質絹云母板巖及灰色微晶灰巖，夾層整體呈近南北向分布的透鏡體狀產出，較小者長35m，寬3m，相對較大者長92m，寬2～3m，整體看來對礦體完整性影響不大。

3.2 礦石質量

(1)礦石類型。

區內礦石自然類型單一，為白色中粒雪花石膏[1]，礦石工業類型為層狀中粒石膏、硬石膏礦[2]。根據X射線衍射分析結果(表1)，礦石中石膏含量≥97.3%，半水石膏≤1%，蒙脫石、石英、綠泥石等其他礦物均≤1%。

表1 石膏礦石X射線衍射物相分析成果表 (單位：%)

(2)礦物成分和化學成分。

礦石具中粒結構，塊狀構造，巖石由石膏、粉砂和少量雜基組成：粉砂含量≤10%，主要為石英，次為長石，少量巖屑，磨圓中等，次棱角狀—次圓狀，粒徑以＜0.06mm的粉砂為主，長石為斜長石，石英為單晶石英，巖屑主要有千枚巖、云母碎片等。雜基：少量，變質重結晶為隱晶狀長英質、顯微鱗片狀絹云母及碳酸鹽集合體，鱗片狀礦物平行定向排列，分布于粉砂之間。石膏含量≥90%，片狀，片徑0.1～1.2mm，無色，具一級灰白、淡黃干涉色，低負突起，雜亂不均勻分布(圖6、圖7)。

圖6 礦石手標本

圖7 偏光顯微鏡下照片

礦石中CaSO4·2H2O平均含量79.87%，CaSO4平均含量7.45%，兩者含量在56.89%～99.37%之 間，CaSO4·2H2O+CaSO4含 量 加 權 平 均 值 為87.32%，H2O+含量加權平均值為16.30%。通過詳查工作，在礦區范圍內1 482～1 732m標高之間，查明石膏礦石資源量210.36萬t。

3.3 礦石及圍巖蝕變特征

石膏礦石未發生蝕變，圍巖中的炭質板巖局部絹云母化蝕變特征明顯。含炭質變質細砂質粉砂巖見絹云母化、綠泥石化蝕變特征，巖石中的雜基和部分碎屑變質重結晶成隱晶狀長英質、顯微鱗片狀絹云母、綠泥石及炭質碎片集合體，鱗片狀絹云母、綠泥石，片徑＜0.04mm，平行定向排列。

4 礦床成因與成礦模式

本礦床形成環境為早石炭世蒸發臺地沉積相，是成鹽盆地中的含鹽水體經強烈蒸發沉積而成，因此礦床成因類型為蒸發沉積型[3]。

4.1 沉積盆地巖相變化

沉積盆地位于塔里木板塊北緣，奧陶紀以淺海盆地相沉積為主，奧陶紀末曾一度露出水面，遭受剝蝕，志留紀期間海域逐步縮小，為陸棚外緣的淺海盆地相沉積，至晚泥盆世上升為陸地，進入石炭世隨著新疆各板塊的基本對接，塔里木板塊北緣進入殘留海發展階段，沉積盆地在早石炭世為淺海、濱海相正常碎屑巖和碳酸鹽巖沉積，也是庫爾楚石膏礦的成礦期，在此期間海水深度及物質來源的變化使得成礦盆地內依次沉積灰巖—粉砂巖與炭質泥巖互層—石膏—砂巖與炭質泥巖互層，泥巖中的炭質成分為盆地周圍及盆地內生物死亡后腐爛轉變的有機質，同時礦區北部為河流補給入口(圖8)，帶來成礦物質的同時也含有較多雜質，在礦區北部形成較多粉砂質泥巖小夾層，南部則形成相對穩定的厚大石膏礦層。中、晚期為廣闊淺海的碳酸鹽巖及碎屑沉積，具有由瀉湖—廣海—瀉湖相的海進—海退旋回，反映其沉積環境的穩定性[4]。

圖8 早石炭世巖相古地理圖

4.2 氣候地理條件

在早石炭世成礦期，氣候持續炎熱干燥，海水強烈蒸發[5]，使水的礦化度不斷增高，石膏與鈣泥質巖石組成的條紋條帶狀構造，巖石的顏色由棕褐色→灰色→灰白色相間的巖系變化(圖9)，反映了氣候變化特征，即由干燥→濕潤的交替變化。氣候濕潤時，水量豐富，帶來大量成礦物質；氣候干燥時，海水蒸發濃縮，當水體中的蒸發量大于降水量和地表水流量時，盆地中的水體經強烈蒸發，成礦物質沉淀。

圖9 礦石顏色變化照片

4.3 成礦物質來源

關于成礦盆地中鹵水內鹽類物質來源，有以下幾種可能：①盆地上游蝕源區長期遭受風化剝蝕，使大量的鹽類成礦物質隨地表循環水體源源不斷地匯集到盆地中[6]；②在早石炭世的火山活動中，伴隨著中基性火山巖的噴發，大量硫和硫化合物[7]聚集于成礦盆地，同時大量硫蒸氣從火山口噴出，在大氣中形成酸雨降于盆地內；③盆地周圍大量植物死亡后，隨季節性流水進入沉積盆地，同時水體中浮游生物、藻類等死亡后也沉入水底，這些有機物腐爛后，在還原環境下形成大量H2S氣體[8]，H2S氣體在氧化條件下形成SO42-，最后與Ca2+結合成礦[9]；④早期的碳酸鹽巖(灰巖)被后期巖體帶來的硫的化合物交代[10]，斷層為流體的運移提供通道，流體沿層間流動、交代，礦體東部板巖起隔離層的作用，致使流體不能向西運移。

4.4 物理化學條件

成礦盆地處于封閉[11]或半封閉的環境，盆地內含鹽水體及上游注入水體所攜帶泥沙發生化學和物理交替沉積而形成濱—淺海相的粉砂質與膏層的相互交替的組合特征。影響石膏、硬石膏形成和轉化的物理化學條件有溫度、壓力、鹽度、水體的pH值，Eh值、氧逸度[12]、水逸度等。

4.5 成礦模式探討

塔里木盆地在形成過程中經歷了晉寧運動、加里東運動等大的構造運動，至海西期形成了以塔里木盆地為主的大盆地又發育一系列次級小盆地的古地貌格局[13]，其中庫爾楚石膏礦位于塔里木北緣的一個凹陷盆地內。成礦盆地是成礦的重要外部條件，為礦床的形成提供有力的自然地理條件，在早石炭世成礦期由于成礦物質的富集，伴隨著強烈的蒸發作用，湖盆水體中含鹽度不斷升高，當水體中CaSO4的含量高于其溶解度時，就會以CaSO4·2H2O的形式析出，形成含水石膏晶體顆粒，于湖盆底部沉積成巖。原生沉積后，在盆地下沉、埋深增大、溫度升高的物理化學條件下，含水石膏脫水轉變為硬石膏[14]，反之，硬石膏又可水化為石膏，形成含水石膏與硬石膏共生的石膏礦層。在早石炭世成礦期后，受區域擠壓應力的影響，原生石膏礦層被一逆斷層挫斷，上盤石膏礦層經抬升出露于地表，即形成庫爾楚石膏礦體，斷層下盤石膏礦層埋深加大，形成隱伏石膏礦層。

因此，本礦床形成環境為早石炭世蒸發臺地沉積相，屬成鹽盆地中的含鹽水體經強烈蒸發沉積成因類型。

5 結論

(1)庫爾楚石膏礦賦存于下石炭統野云溝組(C1yy)地層中，呈南北寬、中部略窄的紡錘狀產出，礦體長552m，寬度70m，產狀50°～95°∠45°～85°，區內查明石膏礦石資源量 210.36 萬 t。

(2)區內礦石自然類型單一，為白色中粒雪花石膏，礦石工業類型為層狀中粒石膏、硬石膏礦，礦石中CaSO4·2H2O平均含量79.87%，CaSO4平均含量7.45%，兩者含量在56.89%～99.37%之間，CaSO4·2H2O+CaSO4含量加權平均值為87.32%。

(3)本礦床形成環境為早石炭世蒸發臺地沉積相，是成鹽盆地中的含鹽水體經強烈蒸發沉積而成，礦床成因類型為蒸發沉積型。

(4)礦區內發育的逆斷層截斷了石膏層，地表出露的石膏礦體為斷層上盤膏層，推測礦區東部存在隱伏膏層，具有一定隱伏礦找礦前景。但該逆斷層斷距暫未查清，建議在斷層附近適當位置布設鉆孔以查清斷距后進一步確定找礦可行性。

(5)由于目前研究工作的欠缺，導致此礦床成礦物質來源無法確定，建議后期補做硫同位素失蹤分析確定礦石中硫的物質來源，進一步深化礦床成因。