湖北省郧县何家墁钒矿成矿地质特征及控矿因素浅析

郝仁红, 胡 飞, 张 众, 艾智龙, 周 鼎, 魏四华, 黎方云

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

何家墁钒矿床位于湖北省郧县北部,2005年湖北省区域地质矿产调查所发现并初步评价,2007年湖北省地质调查院开展了普查工作,初步认为该矿床为沉积型小型钒矿床。2013年该院对矿区进行了详查工作。由于前人对郧县北部地区的区域地质构造、火山岩、侵入岩、变质岩及地球化学特征等进行了较为详细地不同程度、不同角度的研究。故本文仅对何家墁钒矿床地质特征和控矿因素进行初步探讨。

1 矿区地质背景

矿区位于南秦岭—大别山中生代造山带东段,武当—随州陆内裂谷之两郧—应山逆推构造带西北端(1)郝仁红、艾智龙、李一鸣等，湖北省郧县何家墁矿区钒矿地质详查报告,湖北省地质调查院,2015。,武当复背斜北东翼之鲍鱼岭穹隆北西翼(2)西安地质学院区域调查队，1∶5万南化塘幅地质图说明书，1995。。区域中部为武当复背斜(穹隆)核部,广泛分布南华系武当群双台组中浅变质岩系(基底),以一套中基性—酸性火山沉积建造为主,其下部为变质火山岩岩组,上部为变质沉积岩岩组。武当穹隆四周由里向外则依次分布南华系耀岭河组绿片岩相变基性火山岩系、早震旦世陡山沱组、晚震旦世灯影组碳酸盐岩、下寒武统黑色岩系、上寒武—下奥陶统碳酸盐岩等沉积地层(盖层),基底与盖层之间存在大型深层滑脱构造[1]。区内在早寒武世构造拉张背景下的陆棚或陆棚外斜坡—陆棚边缘斜坡相还原条件下的滞留盆地相,沉积了一套富含P、Ba、V、Ni、Mo、Cu、U、Se、Au、Ag等元素的黑色岩系。该区岩浆活动强烈,以前震旦纪武当群双台组酸性火山岩和耀岭河组基性火山喷溢为主。研究表明,早寒武世是中国成矿作用的一个重要时期(3)任明、张生奇、程文厚等，鄂西北下寒武统黑色岩系中的钒矿床,河南省有色金属地质矿产局第三地质大队，2012。,目前已发现的规模较大的矿产有:磷矿、重晶石矿、钒矿、石煤矿等;规模较小的矿产有镍矿、钼矿、铜矿、铀矿、硒矿、金矿、银矿、稀土及铂族元素等数十种之多。

区域断裂构造属华南北缘(南秦岭—大别)断裂系,断裂构造以北西向为主。其中发育在矿区南部的两郧断裂呈NW向展布,断裂主要活动时期为印支—燕山期,是区域内重要控岩控矿构造带[2]。何家墁钒矿区位于两郧断裂的北缘。

2 矿区地质特征

矿区地层属华南地层大区南秦岭—大别山地层区,十堰—随州地层分区两郧地层小区的北缘。区内广泛发育南华纪沉积变质岩和火山变质岩以及古生代沉积地层。由南华系武当群双台组和耀岭河组构成结晶基底,上震旦统、寒武系地层则组成沉积盖层(矿区位于盖层区)。出露的地层[3]主要是南华系耀岭河组、震旦系灯影组及寒武系杨家堡组、庄子沟组、岳家坪组及石瓮子组(图1)。

何家墁钒矿区赋矿地层主要为下寒武统庄子沟组(∈1z),根据岩性特征分为上、下两段。上段为深灰色薄层状灰岩、薄片状灰岩夹灰黄色粉砂质板岩、粉砂质板岩夹薄层灰岩透镜体或钙质板岩组成;下段为一套灰黑色—深灰色含碳硅质板岩、炭质板岩、含碳粉砂质板岩、粘土质板岩等。下部含有较多的含磷结核,其结核分布极不均匀,大小悬殊。矿区只有一个含矿层位即:庄子沟组(∈1z)下段,亦是重要的区域性含钒、钼、银矿的层位。

图1 何家墁钒矿地形地质图Fig.1 Topographic and geological map of Hejiaman vanadium mine1.冲积层:砾石,浅棕色亚砂土;2.残积层:棕色、暗棕色亚粘土、亚砂土;3.寒武系上统—奥陶系下统石瓮子组上段;4.寒武系上统—奥陶系下统石瓮子组下段;5.寒武系中统岳家坪组上段;6.寒武系中统岳家坪组中段;7.寒武系中统岳家坪组下段;8.寒武系下统庄子沟组上段;9.寒武系下统庄子沟组下段;10.寒武系下统杨家堡组;11.震旦系上统灯影组;12.南华系耀岭河组;13.中—上元古界武当山群;14.变基性岩脉;15.实测地质界线;16.断层;17.压扭性断层;18.正常产状;19.倒转产状;20.片理产状;21.钒矿体及编号;22.地层剖面及编号;23.勘查许可证范围;24.详查范围。

矿区处于武当复背斜北东翼之鲍鱼岭穹隆北西翼,荆紫关—师岗复向斜南西翼,滔河倒转复式背斜两翼。

区内褶皱构造主要为复式背、向斜,受鲍鱼岭穹隆构造影响,背、向斜轴向总体呈北东向,矿体形态受褶皱控制。区域性北东向滑覆断裂的多次活动对矿(化)体的连续性起到较大的破坏作用(图2)。

3 矿体地质特征

3.1 含钒岩系特征

矿区内庄子沟组下段为含钒地层,岩性组合主要为:含碳硅质板岩、含碳硅质板岩夹绢(钒)云母页岩—炭质板岩、含硅质粘土质板岩、含硅质碳质板岩夹薄层硅质板岩—杂色粘土质板岩、含碳粉砂质板岩—含碳粘土质板岩夹薄层硅质岩—杂色粉砂质板岩、含碳粘土质板岩。钒矿层位于庄子沟组下段底部,厚度为1.46～36.51 m。矿层结构由上至下为:

⑤ 杂色粉砂质板岩、含碳粘土质板岩:厚度为7.64～21.84 m,品位(V2O5)一般0.50%～1.04%。该含矿层厚度、品位均较稳定,品位与炭质含量成正比。

④ 含碳粘土质板岩夹薄层硅质岩:厚度为1.32～4.43 m,品位(V2O5)一般0.50%～1.21%。该含矿层厚度出露较稳定,品位主要与硅质含量呈正相关。

③ 杂色粘土质板岩、含碳粉砂质板岩:厚度为2.9～13.16 m,品位(V2O5)一般0.50%～1.28%。该含矿层厚度出露极不稳定,品位与炭质含量呈正相关,含碳岩性品位相对较好,但不稳定,单纯的粉砂质板岩含矿性相对较差。

② 炭质板岩、含硅质粘土质板岩、含硅质碳质板岩夹薄层硅质板岩:厚度为0.46～8.69 m,品位(V2O5)一般0.62%～1.32%,最高达2.50%。该层底部普遍见有粒径不等、数量不一的含磷结核,含磷结核的板岩品位相对较高,该含矿层不稳定。

图2 何家墁—黄家台子信手剖面图Fig.2 Profile of Hejiaman-Huangjiataizi1.寒武系上统—奥陶系下统石瓮子组上段;2.寒武系下统庄子沟组;3.寒武系上统—奥陶系下统石瓮子组下段;4.寒武系下统杨家堡组;5.寒武系中统岳家坪组上段;6.震旦系上统灯影组;7.寒武系中统岳家坪组中段;8.南华系耀岭河组;9.寒武系中统岳家坪组下段;10.中—上元古界武当山群。

上述含矿岩性组合与成矿关系密切。含矿岩性自下而上:硅质板岩厚度逐渐减小,所夹绢(钒)云母板岩亦逐渐减少直至消失,含泥质板岩厚度逐渐增大,含磷结核之上的粉砂质、粘土质板岩逐渐由薄层变为厚层,其所夹薄层含碳硅质板岩逐渐减少至消失。含矿层品位(V2O5)随着硅质、绢(钒)云母、炭质的逐渐减少,粘土质、粉砂质成分的逐渐增加而降低。随着硅质、炭质的减少,钒的矿化逐渐减少消失。这与含钒矿物:钒云母(含钒水云母、含钒绢云母)、钙钒榴石主要产于硅、炭、泥质岩性组合中是一致的。

3.2 矿体特征

矿区划分为何家墁—黄寺沟口和黄家台2个矿段,其中在何家墁—黄寺沟口矿段圈定了Ⅴ-1、Ⅴ-2、Ⅵ-1、Ⅵ-2 共4个钒矿体;在黄家台矿段圈定了Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅱ、Ⅲ、Ⅲ1共6个钒矿体(图3)(4)李钧、陈少君、余建国等,湖北省大冶市铜山口区铜矿床矿产资源储量结算地质报告,湖北省鄂东南地质大队,2006。。其中Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3号矿体为同一含矿带;Ⅱ矿体应为黄家台子复向斜的西翼,经深部钻孔控制,黄家台子复向斜东、西两翼的矿体在矿体东部的区域性滑覆断层F1的影响下,成为两个独立的同斜矿体(图4);Ⅲ号钒矿体由于靠近区域性滑覆断裂带F1,受其拖拽导致Ⅲ号钒矿体在东侧发生弯曲,出露地表形成Ⅲ号钒矿体东翼。这样Ⅲ号钒矿体就形成了Ⅲ号西钒矿体与Ⅲ号东钒矿体两条。Ⅲ1号钒矿体位于Ⅲ号西钒矿体南端,属Ⅲ号西钒矿体所在含矿带的南延部分,由于其与Ⅲ号西钒矿体为同一个连续的含矿带,故编号Ⅲ1。各矿体特征详见表1。

图3 何家墁钒矿区黄家台子矿段地质略图Fig.3 Geological sketch of Huangjiataizi sectionin Hejiaman vanadium mining area1.第四系;2.寒武系中—下统岳家坪组;3.寒武系下统庄子沟组上段;4.寒武系下统庄子沟组下段;5.寒武系下统杨家堡组;6.震旦系上统灯影组;7.南华系耀岭河组;8.矿体;9.正常地层产状;10.倒转地层产状;11.鲍鱼沟压扭性断层。

表1 何家墁钒矿区矿体特征一览表Table 1 Characteristic list of ore bodies in Hejiaman vanadium mining area

3.3 矿体形态

矿区寒武系底部钒矿的产出位置和空间形态完全受地层控制,呈陡倾斜层状、似层状产出,产状与围岩一致,矿体与围岩为渐变关系,经取样化验分析才能确定矿体边界。矿区内一般为一层矿体,偶尔含有夹层(图5),根据岩性及其组合特征,在相邻工程之间各矿体地层岩性柱状图上进行对比连接,具有明显的沉积矿床特征。

总体来看,何家墁矿区各单矿体形态较简单,品位稳定,但连续性较差,在区域性断裂、褶皱构造的强烈影响下矿体破坏程度较大,导致矿区内同一含矿层反复多次出露,形成了规模不等、形态不一的多个矿体。

3.4 矿石类型

依据矿石矿物成分、结构、构造特征,钒矿石的自然类型为硅质—含钒粉砂质板岩型钒矿。

3.5 矿石特征

3.5.1矿物成分

经X衍射分析、显微镜下鉴定和电子探针分析,矿石中含钒矿物为钒云母(含钒水云母、含钒绢云母)、含钒粘土岩(含钒高岭石、蒙托石)、钙钒榴石等。脉石矿物为水云母(不含钒)、石英、绢云母及少量高岭石、伊利石、炭质、白云母、方解石等。此外还见极少量磷灰石、磷钇石、石墨、蒙脱石、磁铁矿、褐铁矿等。

钒云母是矿区内最主要的钒矿物,淡绿色为主、鳞片状,少量呈片状,鳞片大小一般0.001 mm×0.003 mm～0.002 mm×0.004 mm,解理极完全,与绢(钒)云母、硅质紧密共生,共同形成板状构造。较大片的钒云母与次生石英常共同组成细脉状,形成定向板理。

图4 何家墁钒矿区W0勘探线剖面图Fig.4 Profile of W0 exploration line in Hejiaman vanadium mining area1.第四系;2.寒武系岳家坪组;3.寒武系庄子沟组下段;4.寒武系庄子沟组上段;5.寒武系杨家堡组;6.震旦系灯影组;7.南华系耀岭河组;8.断层及编号;9.矿体及编号。

钙钒榴石多为不规则粒状,翠绿色,玻璃光泽,透明—半透明,无解理,常聚集成宽窄不一的细脉充填于炭质集合体的空隙间,并伴生少量次生石英,可见二者应为同时期形成,且晚于炭质板理的生成期。

3.5.2矿石结构构造

主要为隐晶—微晶结构、泥质结构、变余泥砂质结构等结构类型。

主要构造类型有:页理构造、板状构造、变余层状构造、条带状构造等。

3.6 矿石化学成分

通过对钒矿体中的原矿采取化学样品进行多项分析,原矿主要成分为硅,主要可利用元素为钒。其试验样品化学多项分析结果列于表2。

图5 何家墁钒矿区黄家台子矿段Ⅱ矿体地表、深部地层岩性柱状图Fig.5 Lithologic column map of surface and deep strata of No.2 ore body in Huangjiataizi section of Hejiaman vanadium mining area1.残坡积;2.含砾亚粘土;3.灰岩;4.含泥质灰岩;5.白云质灰岩;6.条带状灰岩;7.泥质条带灰岩;8.条带状白云质灰岩;9.碎裂白云质灰岩;10.白云岩;11.含泥质白云岩;12.泥质白云岩;13.灰质白云岩;14.硅质白云岩;15.碎裂状白云岩;16.碎裂状硅质白云岩;17.硅质岩;18.板岩;19.钙质板岩;20.泥质钙质板岩;21.硅质板岩;22.泥质板岩;23.粉砂质板岩;24.粘土质、粉砂质板岩;25.砂质板岩;26.砂质泥质板岩;27.泥质硅质板岩;28.硅质钙质板岩;29.砂质钙质板岩;30.炭质板岩;31.铝土质板岩;32.钙质铝土质板岩;33.白云质板岩;34.大理岩;35.矿层对比线;36.地层对比线;37.矿层及代号;38.探槽编号;39.钻孔编号;40.地层代号。

表2 原矿化学多项分析结果Table 2 Multivariate analysis of raw ore chemistry

分析项目V2O5SiO2Al2O3CaOMgOTiO2K2ONa2OP2O5Fe2O3烧失含量/%1.2385.115.220.620.730.281.540.030.462.242.44

3.7 有用组分及伴生有益、有害组分

矿石中主要有用组分为V2O5。

与钒伴生元素种类较多,主要有Mo、Cu,Pb、Zn,Ti、Ag等,根据光谱全分析、组合分析及矿石多项分析结果可知,元素含量均低于伴生有益组分评价指标。

根据组合分析结果,有害组分P2O5平均<0.50%,有害组分影响甚微。

3.8 矿化及蚀变特征

矿区矿层中仅见钒矿化一种。钒矿化分布于整个寒武系庄子沟组下段,不同的岩性其矿化程度不同,通过施工探矿工程系统取样结果统计,含磷结核含碳硅质板岩夹绢(钒)云母页岩最强,V2O5平均含量一般>1.20%以上,最高可达2.56%;其次为含硅质碳质板岩夹薄层硅质板岩,V2O5含量一般在0.62%～1.32%;而杂色粘土质板岩、含碳泥质板岩矿化相对较弱,V2O5含量一般<1.0%。

主要蚀变有:绢(钒)云母化、钒云母化、弱硅化及碳酸盐化等。与钒矿化关系密切的蚀变为钒云母化。其中绢(钒)云母主要为含钒高岭石蜕变而来。

4 矿床成因和矿床控矿因素

4.1 矿床成因

何家墁钒矿床属华南板块北缘南秦岭印支褶皱带内,寒武纪早期海侵时,地壳持续缓慢沉降,形成较稳定的沉积环境,从而保证本区地下水位波动小,具有较充分的时间在封闭—半封闭的系统内循环,有利于成矿物质的溶解—饱和—沉淀作用的持续进行,形成了一套厚度不大的斜坡—盆地体系的滞留盆地相含钒、磷的硅质、泥质、有机质到钙镁质碳酸盐岩沉积。根据地层沉积旋回、古生物及岩相特征等,矿区成矿环境为静水还原条件下,气候温湿,生物繁茂时期形成。

在硅质岩内,钒呈吸附状态赋存于粘土矿物中或呈离子状态吸附在硅氧中;粘土岩内钒主要赋存于粘士矿物中,呈含钒高岭石、蒙托石等粘土矿物出现,据此认为钒的生成是和硅质岩、粘土岩或炭质粘土岩同时沉积而成。寒武系下统地层中凡有硅质岩和粘土岩的存在,即有钒矿的赋存。可能由于蚀源区岩石中除钒外,其它有用元素含量较低,故导致钒矿石中共生或伴生有用元素含量亦低。

综上所述,本区钒矿属滞留盆地相沉积型矿床。

4.2 控矿因素

在何家墁钒矿区内,庄子沟组地层虽经受了轻微的变质作用,根据现有资料,变质作用与矿化富集之间并无必然联系,成矿主要与沉积环境有关,其空间分布则与后期构造作用有关[4]。根据矿床地质特征,何家墁钒矿床控矿因素主要有以下几点。

4.2.1地层控矿

矿区成矿时间为寒武纪早期,空间分布严格受寒武系下统庄子沟组下段含碳硅质板岩、含碳杂色粘土岩层控制,具明显的层控特点。根据相关的研究成果,早古生代早期矿区所在的南秦岭区,海域活动性加强,形成早古生代陆缘裂谷,在陆块边缘裂解及海侵背景下,形成一套深水滞流盆地相硅质碳质碎屑岩沉积(∈1z),故早寒武纪地层沉积环境为板块扩张背景下的斜坡—盆地体系的滞留盆地相,区域上该时代沉积岩石类型以含碳黑色岩系为特征,普遍具有较高的V、Mo、Ag等亲生物元素与超基性、基性岩有关的元素组合特征[5]。因此,认为钒主要来源于前寒武纪地层,尤其是其内的超基性或基性等含钒火山岩,在震旦纪末期,早期裂陷槽渐变抬升,地壳隆升后这些岩石经受了较长期风化剥蚀,随后搬运到海槽中形成钒矿体。

在矿区内,含钒地层虽经受了轻微的变质作用而形成一套板岩,但变质作用与矿化富集间并无必然联系,成矿主要与沉积环境有关,地层(寒武系下统庄子沟组下段)控矿特征明显,其空间分布主要与后期构造作用有关。

4.2.2岩性控矿

在矿区内,含矿层位于寒武系庄子沟组下段,主要岩石类型为含碳硅质板岩、杂色含碳泥岩和板岩,并且在空间上多为互层状或似层状交替出现,在平面上具有一定的稳定性,矿体主要产出于硅质板岩与泥质板岩中,说明钒元素的富集与两种岩性的关系十分密切。而从矿体内不同岩性含矿性对比中可以看出,元素V的富集成矿与含碳硅质板岩和含碳泥质板岩紧密相关,在上述两种岩石中有更高的富集程度。

4.2.3岩相古地理控矿

下寒武统庄子沟组下段黑色岩系控制着矿区钒矿床的分布,表明庄子沟组下段地层是钒矿床形成的基本条件。早寒武世早期广海陆棚或陆棚外斜坡—陆棚边缘斜坡区还原滞流及海盆缓慢沉降环境,是钒矿床发生沉积成矿作用的古地理环境和古构造条件。黑色岩系中特定的含碳、磷、硅的岩性组合序列是钒矿床形成的必须具备的岩相条件,其厚度越大,岩性序列发育越完整,所形成的矿床规模相应越大。

4.2.4热液控矿

根据前人对邻近同类矿山中含矿岩性的岩石化学和微量元素综合分析,表明V在沉积成矿时并非完全处于正常的外生条件下的沉积环境,而是一个与内生作用及其产物密切相关的非正常沉积环境—海底热水(喷流)沉积成矿作用所代表的环境[6]。在何家墁矿区外围西部早寒武系庄子沟组地层中见到火山沉积夹层[7],矿区邻近的郭沟钒矿区内,局部含钒碳质页岩中有不稳定的似层状重晶石脉等均说明了这一点。显示出喷流热水沉积矿床的特点。可见钒矿床的形成一定程度上受到了海底热水活动控制。

4.2.5构造控矿

断裂破碎带既可以成为成矿热液运移通道,亦可为成矿物质的富集、沉淀空间。由于本矿区钒矿以沉积成矿为主,矿区内北东向的断裂破碎带为成矿期后断裂,对矿体完整性起破坏作用,但构造造成矿体重复,抬升,有利于现阶段勘探。

5 结语

何家墁钒矿成矿主要与沉积环境有关,其空间分布则与后期构造作用有关。其矿床控矿因素主要为地层控矿,岩性控矿、岩相古地理控矿,其次为热液控矿,断裂破碎带为成矿期后断裂,断裂控矿表现为与矿区钒矿体的产出形态与空间分布有关,主要对矿体完整性起破坏作用。