滇東昆陽磷礦成礦物質來源及其沉積環境

陳瑞紅，趙 鍇

(1. 云南磷化集團工程建設有限公司，昆明 云南 650600；2. 桂林理工大學 廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室，桂林 廣西 541006)

0 引言

磷被廣泛用于農業生產，是農業生產的基本物質之一。世界磷礦資源主要分布在摩洛哥、美國和中國，占世界磷礦資源總量的70%以上[1]。我國的磷礦資源豐富，主要分布在云南、貴州、湖北、湖南、四川五省，其成礦時代以震旦紀和寒武紀為主，其次是泥盆紀，成礦類型以海相沉積磷塊巖礦床為主，約占85%，巖漿巖型磷灰石礦床和變質巖型磷灰石礦床約占14.6%[2]，少數風化型[3]。云南昆陽磷礦床是我國最大的海相沉積層狀磷塊巖礦床之一，也是滇東地區最重要的磷礦床之一。昆陽磷礦床位于揚子地塊西南緣，下寒武統成磷帶南端。前人對礦區地層、礦物巖石學、巖相古地理、礦產的富集機理與開發利用等方面作了較為系統的研究[4-7]。然而，對昆陽磷礦成礦物質來源和沉積環境的研究仍相對欠缺，不利于正確認識本區磷礦的成礦規律和控礦因素。本文對第一作者所在公司提交的《云南省晉寧縣昆陽磷礦資源儲量核實報告(2012)》中有關礦石化學成分的數據進行了綜合分析，并結合礦石的巖相學特征，討論了昆陽磷礦的沉積物源和沉積環境，為區域找礦工作提供了新資料。

1 區域地質背景

云南省分布有豐富的磷礦，是我國磷礦資源大省之一，占全國總儲量的22%。區內磷礦帶屬于早寒武世川滇成礦帶的一部分，該磷礦帶南起云南省華寧，經昆陽、?？?、尖山、安寧、會澤、雷波、馬邊、峨眉、綿竹一直延伸到陜西寧強一帶，向東延至貴州省全縣的打麻廠，全長約1300 km[8]。昆陽磷礦位于昆明市西南72 km，構造位置上處于揚子地塊西部，川滇臺背斜與滇東臺褶帶的交匯處。

1.1 礦區地層

礦區出露地層由老至新依次為震旦系燈影組(Z2dy)、下寒武統漁戶村組(∈1y)、中誼村組(∈1z)、筇竹寺組(∈1q)。礦區南部零星分布有中泥盆統?？诮M(D2h)、下石炭統大塘組(C1d)和第四系(Q)。昆陽磷礦主要產于下寒武統中(圖1)，其巖性特征由下至上依次如下。

下寒武統漁戶村組由下至上可分為3個巖性段，下段為紫紅色—暗綠色含海綠石砂頁巖與泥質白云巖互層，底部為礫巖，該段與下伏燈影組呈假整合接觸，厚約4 m；中段為灰色—灰白色薄層—中厚層條紋狀粉晶白云巖，夾數層薄層狀粉砂質頁巖，風化后成條紋狀，可見藻類等化石，厚約118.4 m；上段為灰色—灰白色中厚層石英砂屑粉晶白云巖，局部夾黑色硅質條帶或團塊，可見腕足類、軟舌螺、單板類等化石，厚約45.7 m。

中誼村組根據巖性、巖相的變化，由下到上可分為磷塊巖段和白云巖段，其中磷塊巖段下礦層與下伏漁戶村組呈假整合接觸，其頂部為白云質硅質條帶磷塊巖，中、下部為粒屑磷塊巖或礫狀磷塊巖，可見小殼動物化石，如Kunyangothecasp.，TurcuthecaLubricaQian等，厚0～8.0 m；中間夾層為灰白色—灰黃色凝灰質黏土巖，主要由黏土礦物伊利石、蒙脫石-伊利石混層及石英、長石組成，可見小殼動物化石，厚0.5～4.0 m；上礦層中下部為粒屑磷塊巖，底部為白云質、硅質條帶磷塊巖，上部為白云質磷塊巖，可見小殼動物化石，厚6～13.4 m。本組白云巖段為灰色—灰白色含磷砂質白云巖，夾硅質團塊，白云巖風化后常呈黃褐色砂質黏土，局部含磷品位>8%，可見齒形殼、軟舌螺等化石，厚1～4 m。

筇竹寺組據其巖性、巖相變化特征，由下至上可分為黑色粉砂巖段、白云質粉砂巖段、雜色頁巖段和暗綠色頁巖段4個巖性段。其中，黑色粉砂巖段主要由黑色薄層—微層粉砂巖組成，夾多層粉砂質微晶白云巖及其零散狀同生結核體，底部可見1～2層厚約0.2 m的含海綠石瘤狀、姜狀磷塊巖，本段產腕足類、軟舌螺、似軟舌螺等化石，厚約45.2 m，與下伏中誼村組假整合接觸。白云質粉砂巖段上部為深灰色—灰白色薄層—中厚層白云質粉砂巖夾粉砂質隱晶白云巖，下部為灰色中厚層含云母泥質—白云質粉砂巖夾黑色薄層粉砂巖和粉砂質頁巖，底部局部可見厚0.1～0.2 m礫巖或黃鐵礦結核，本段球狀風化明顯，可見海綿骨針等化石，厚約31.9 m。雜色頁巖段主要為粉砂質頁巖，黑色，風化后呈雜色(紫、白、灰)，上部可見薄層—中厚層微晶白云巖，底部可見0.2～0.3 m含海綠石砂質角礫狀磷塊巖，產三葉蟲、古介形類，厚約24.7 m。暗綠色頁巖段主要為頁巖，黃綠色—暗綠色，頂部可見沖刷面及波痕，底部夾數層厚約0.2 m礫巖，局部夾紫紅色頁巖，產三葉蟲、昆陽云南頭蟲等，厚約46.3 m。

1.2 礦區構造

本區構造形態主要受近SN向的普渡河—滇池斷裂和羅次—易門斷裂兩條深大斷裂控制(圖2)；其次為近EW向構造，如香條沖背斜、龍潭街背斜、安寧向斜和三家村斷層。昆陽磷礦位于香條沖背斜南翼東段，總體上構成一單斜構造，地層傾向為160°～200°，略呈舒緩波狀變化，傾角多為14°～16°，其中，東部傾角緩，為10°～12°，西部變陡，約20°。次級褶皺不發育，主要分布在斷裂周緣，褶皺軸跡主要呈EW向，其次為NE或NW向，規模普遍較小，一般幾十米到近百米長，為寬緩的短軸褶皺。礦區內斷裂主要由一系列近EW向、近SN向和NE向或NW向斷裂組成。其中，近EW向斷裂為一系列與香條沖背斜軸跡近于平行的高角度逆沖斷層，部分為次級正斷層，兩者共同組成疊瓦式及地塹式斷裂組合；近SN向斷裂為一組與EW向斷裂直交或斜交的正斷層，常切割EW向斷裂，不等距分布；NE向或NW向斷裂為一組共軛剪性斷裂，規模較小，為SN向斷裂或EW向斷裂的分支旁側斷裂。

圖2 昆陽磷礦及其周緣地區構造綱要圖Fig.2 Tectonic outline map of Kunyang phosphate deposit and its surrounding area1—斷層/推測斷層 2—正斷層 3—逆斷層 4—背斜 5—向斜6—昆陽磷礦(研究區)

2 礦床特征

2.1 礦體(層)特征

昆陽磷礦一至四采區為海相沉積的大型磷塊巖礦床，厚度較大，品位較高，層位穩定。含礦巖系賦存于下寒武統中誼村組，具有工業價值的礦體(層)為上礦層和下礦層，上下礦層間夾有灰黃色黏土巖層。其中，上礦層的頂板為硅質白云巖，下礦層的底板為白云巖夾硅質條帶，兩者層序清楚，頂、底板界線及標志明顯。

礦體(層)總體為一向南緩慢傾斜的EW向單斜構造，平均傾角約16°，其產狀與圍巖產狀一致，并隨圍巖產狀的變化而變化，一般邊部較中深部略陡，西部較東部略陡。礦體(層)沿走向由西向東傾伏，傾伏角3°～4°，斷裂經過地段，礦體(層)空間形態較復雜。礦體(層)傾向與坡向基本一致，受地形切割，礦體(層)形態較復雜，溝谷中礦體(層)順坡向突出，山脊上礦體(層)則反坡向延伸。礦區溝谷一般為SN向，礦體(層)平面形態上成雞足狀—半島狀。剖面上，除被斷層破壞的礦體(層)發生位移外，上、下礦體(層)均成穩定的層狀，同時，在重力的作用，礦體(層)常順坡向發生牽引滑動，略具波狀起伏，或者邊部變薄，中深部加厚成為楔狀。礦體(層)長約5.0 km，寬0.6～1.2 km，礦區南部工程未控制地段還繼續向深部延伸[9]。

2.2 磷礦石特征

本區磷塊巖礦石的主要礦物成分為膠磷礦、其次為微晶—細晶磷灰石，脈石礦物主要為白云石及少量陸源碎屑。其中，膠磷礦主要呈粒屑狀或礫狀，渾圓形，一般沿層面定向排列；少數呈鮞狀，鮞粒密集，圈1～2層，個別多層，局部為復鮞、扁心鮞和變形鮞，可見重結晶形成微晶—細晶磷灰石。白云石多呈粉晶凝粒狀或微粒狀嵌于膠磷礦粒屑間，粒徑0.1～0.3 mm，局部被包圍在膠磷礦粒屑內部。另外有許多微晶白云石圍繞膠磷礦顆粒邊緣，成為膠結物，不規則充填于膠磷礦間。陸源碎屑物以石英為主，其次為長石、白云母和黏土礦物，碎屑呈次圓狀—棱狀，含量為3～5%，零星分布在膠磷礦和白云石顆粒之間。

礦石的結構可分為礫狀結構、粒屑結構、鮞狀結構、生物碎屑結構和凝膠狀結構五大類，其結構特征由下至上為礫屑結構、粒屑—鮞狀結構、粒屑—粉晶結構(圖3a)，反映了磷塊巖沉積時水動力條件由高能向低能過渡。

礦石構造主要有塊狀、條帶(紋)狀和層紋狀三種(圖3b、3c)。具有塊狀構造的礦石堅硬致密，粒屑狀、鮞狀結構，膠磷礦占80%以上，脈石礦物零星充填于顆粒間，膠結物以膠磷礦為主，白云石、綠泥石、玉髓次之，膠結物多為泥晶，有時為微晶，多呈中厚層或厚層，柱狀節理發育。條帶(紋)狀構造礦石可分為兩種，一種具有塊狀構造的磷塊巖中夾雜3～6條硅質或白云石條帶，條帶寬多為1～2 mm，個別達5 mm；二是白云質條帶與膠磷礦條帶相間排列，條帶寬0.1～1 mm。前者分布在上礦層的底部和下礦層的頂部，其厚0.2～0.5 m；后者主要分布在上礦層的中上部，向上與白云質磷塊巖過渡，向下與粒狀磷塊巖呈漸變接觸。層紋狀構造礦石多呈薄層—微層狀，局部可見白云石紋層，凝膠狀結構，微晶膠磷礦或脈石礦物碎屑零星分布在凝膠狀膠磷礦中，該類型礦石常與塊狀構造礦石共生。

圖3 昆陽磷礦礦石野外照片Fig.3 Field photo of the ores in Kunyang phosphate deposit

2.3 磷礦石化學成分

礦區磷礦石的w(P2O5)平均值為26.16%，其中上礦層的w(P2O5)平均值為25.10%，下礦層的w(P2O5)平均值為28.37%；酸不溶物(AI)平均值為13.98%，其中上礦層的AI平均值為13.72%，下礦層的AI平均值為14.66%(表1)。地表氧化礦石w(P2O5)較高(>30%)，有害雜質含量較少，這是因為氟磷灰石是密度較大的難溶礦物，在風化過程中易溶碳酸鹽組分和密度較小的輕礦物易被淋濾流失，導致氟磷灰石殘積富集；而深部原生礦石w(P2O5)相對較低(20%～28%)。礦石的CaO含量較穩定，w(CaO)平均值為37.51%；A12O3和Fe2O3的含量變化一般不大，w(A12O3)與w(Fe2O3)平均值分別為3.49%和1.01%；MgO和CO2含量不穩定，w(MgO)與w(CO2)平均值分別為4.03%和9.56%(表2)?？傮w看來，沿傾向由地表向地下深部P2O5含量逐漸降低，沿走向礦區東部上礦層w(P2O5)一般比西部高5%～10%，在垂直剖面上，礦區中部w(P2O5)較高(20%～35%)，上部和下部P2O5含量有所降低；由地表到深部，酸不溶物平均含量有所增加。

表1 昆陽磷礦工業礦體(層)P2O5、酸不溶物(AI)含量統計Table 1 Contents of P2O5 and acid-insoluble substance (AI) of the industrial orebody in Kunyang phosphate deposit

表2 昆陽磷礦巖礦石化學成分Table 2 Chemical composition of rocks and ores in Kunyang phosphate deposit

巖礦石中有害雜質主要為MgO、Fe2O3、Al2O3和CO2等，雖然對礦石質量有一定影響，但風化礦石質量達到可滿足酸法加工磷肥、電法制磷及鈣鎂磷肥的要求，原生礦石質量則可達到滿足電法制磷及鈣鎂磷肥的要求。

3 成礦物質來源

揚子地塊是我國磷礦分布的重要區域，全國80%以上的磷礦資源分布于此。昆陽磷礦位于揚子地塊西緣，昆陽磷礦磷塊巖常富含菌藻類生物遺跡，磷礦層與富含有機質的硅質或泥質建造密切共生，均位于淺海陸源碎屑沉積與造海碳酸巖建造的過渡帶上。此外，本區磷塊巖還常與膠磷礦硬地或其沖刷再沉積后的產物滯后膠磷礦角礫巖共生，與其共生或作為其同位異相的暗色泥巖中往往可見泥晶膠磷礦結核或團粒以及被磷酸鹽交代了的碳酸巖顆粒。

前人通過同位素地球化學和海洋化學的研究表明，海水中的磷是不飽和的，濃度非常低的，一般不超過700×10-6，從而無法從海水中以無機的方式直接沉淀出來[7，9]。常溫地下水的 P、Si、Al 濃度亦相當低[10]，昆陽磷礦石整體上具有較高的w(P2O5)(平均值23.26%)、w(SiO2)(平均值17.36%)和w(Al2O3)(平均值3.50%)(表2)，因此，昆陽磷礦的成礦物質不是直接來源于海水和常溫地下水。較高的SiO2含量可能與低溫環境下上升洋流帶來的大量水溶性SiO2有關，因為高含量SiO2一般是在低壓、低溫、中酸性和富含Si4+飽和溶液等條件下形成[11-12]。晚震旦世到早寒武世是我國磷礦床成礦的最主要時期，這一時期還沒有出現高等生物，而是以微生物為主，是細菌、低等藻類生殖繁衍的主要時期，這一時期在揚子地塊形成了幾米甚至幾十米厚的具有工業價值的磷塊巖，反映了生物作用對磷礦床的形成起了重要作用；昆陽磷礦床的礦石中發現的大量多種形態的磷質微生物化石也說明了這一點。昆陽磷礦石較高的w(Al2O3)(平均值3.50%)和w(CaO)(平均值37.51%)(表2)，表明陸源碎屑物是成礦物質的重要來源。因此，可以推斷，本區磷礦床磷的初始物質來源是富磷的陸源碎屑物和富磷質的海洋生物，這些富磷質的碎屑物或生物尸體與含磷陸源碎屑共同形成了海底淤泥，這些淤泥在成巖過程中形成富磷的孔隙水和底水，是凝膠狀磷礦沉積的物質來源。

4 沉積環境

昆陽磷礦礦區一帶，筇竹寺組和梅樹村組中包含4個海水震蕩形成的沉積旋回。每個震蕩旋回由海進開始，直至海進頂峰，此過程中，海面相對穩定，沉積速度逐漸變慢，形成膠磷礦硬地，這些膠磷礦硬地在海退過程中被沖刷破壞，隨后又在下一個震蕩旋回中被簸選和再沉積，導致形成的礦層具有顆粒結構，底部往往可見具礫屑結構的礦石，且由下至上，顆粒由粗到細變化(圖3a)。本區含磷巖系下寒武統中誼村組與底板下寒武統小歪頭山組具有明顯的沖刷面，表明含磷巖系形成于強烈構造運動后的沉降初期；含磷巖系頂板下寒武統筇竹寺組底部可見含海綠石姜狀/瘤狀磷塊巖具有明顯的沖刷面，暗示為一新的海進旋回。礦區的部分顆粒磷塊巖中還發育粒序層理、潮汐層理、扭曲層理、交錯層理、火焰狀構造和沉砂構造等沉積構造；在礦區八道灣段礦層的上覆巖層中還發育有風暴巖；王家灣礦區磷塊巖層可見“地震脈”沉積構造。這些特征說明本區顆粒磷塊巖是在強海流、強風浪的沖刷簸選過程中形成，在此過程中，較輕的非磷酸鹽顆粒和細粒懸浮組分被簸選走，相對較重的磷酸鹽顆粒則沉淀下來，富集成礦。昆陽磷礦石具有較高的Fe2O3/FeO比值(平均值為6.47)(表2)，反映其沉積環境整體處于氧化條件。值得注意的是，被強海流簸選沖刷的膠磷礦顆粒要沉積成富礦層，還需要有水流速度的突然減緩，水流速度的變緩有利于膠磷礦顆粒的沉積，結合磷礦沉積巖中可見透鏡狀潮汐層理、波痕和干裂構造，礦石礦物的成分主要為非晶質膠磷礦，呈球粒狀/鮞狀結構等特征，表明含磷巖系主要形成于淺海浪基面以上的陸源坻、臺地、淺海盆地等環境(圖4)。

5 主要結論

昆陽磷礦磷塊巖礦石的結構由下至上為礫屑結構、粒屑-鮞狀結構、粒屑-粉晶結構，表現出明顯的下粗上細的結構特征，反映了磷塊巖沉積時水動力條件由高能向低能過渡。礦石整體上表現出較高的P2O5、SiO2、Al2O3和CaO含量，表明磷的初始物質來源是富磷的陸源碎屑物和富磷質的海洋生物，含磷巖系主要形成于淺海浪基面以上的陸源坻、臺地、淺海盆地等環境。

致謝：中化地質礦山總局云南地質勘查院的同志提供了熱情幫助，審稿專家提出了寶貴意見，在此一并感謝。