貴州磷礦成礦規律研究進展與展望

陳國勇,陳 仁,杜遠生,劉建中,王澤鵬,陳 群,任厚州

(1.貴州省地礦局,貴州 貴陽 550008;2.貴州省地質調查院,貴州 貴陽 550005;3.中國地質大學,湖北 武漢 430074;4.貴州省地礦局105地質大隊,貴州 貴陽 550018;5.貴州省地礦局115地質大隊,貴州 清鎮 551499;6.貴州省地礦局104地質大隊,貴州 都勻 558000)

1 引言

2017年貴州省啟動了《中國礦產地質志·貴州卷·磷》(以下簡稱《貴州卷·磷》)研編。按照《中國礦產地質志省級礦產地質志研編技術要求》(中國礦產地質志項目辦公室、中國地質科學院礦產資源研究所.2016),全面收集全省磷礦勘查、開發與研究資料,對貴州磷礦成礦規律進行了較為系統研究和總結。

2 以往研究概況

貴州磷礦研究始于新中國成立后。1954年貴州省工業廳地勘處羅繩武編著《關于寒武紀底部的磷礦》,對寒武紀底部磷礦作了系統研究。1955—1960年貴州省工業廳、貴州省地質局、貴州省化工局、中國科學院地質研究所等單位對貴州磷礦資源、分布等進行了研究;1983年和1989年貴州省地礦局115隊分別編著《貴州揚子地區晚震旦世陡山沱期磷塊巖成礦遠景區劃》《貴州甕福磷礦地質特征和成礦規律研究報告》等,系統總結貴州“下磷礦”成礦規律,對陡山沱期磷塊巖特征、巖相古地理、礦床成因、成磷條件、成礦規律等進行研究;《貴州磷塊巖》(吳祥和等,1999),系統論述貴州磷礦產出構造環境、含磷巖系、磷塊巖礦物組成、礦石類型、典型磷礦床、巖相古地理等特征,闡明聚磷盆地演化、海平面變化、成磷作用與磷礦產出關系,提出海相碳酸鹽循環模式。

2000年后對磷礦開展了系列研究。2006—2012年有《貴州織金磷塊巖稀土元素地球化學特征研究》(施春華等,2006)、《貴州省磷(稀土)礦產資源潛力評價報告》(貴州省地質調查院,2010)、《中國磷礦成礦規律》(韓豫川等,2012)等成果;2016年以后,在《貴州開陽地區富磷礦整裝勘查專項填圖與技術應用示范成果報告》(貴州省地礦局105隊,中國地質大學(武漢),2016)和《貴州省震旦系磷礦成礦地質條件和成礦作用研究》(陳國勇等,2017)的基礎上,出版了《貴州省震旦紀陡山沱組磷礦沉積地質學》(杜遠生等,2017),提出了初始成礦作用、簸選成礦作用和淋濾成礦作用三階段成礦理論。

3 主要研究進展

3.1 成礦背景與成礦時代

早震旦世貴州位于上揚子臺地東南緣《中國南方巖相古地理及沉積、層控礦產遠景預測》(中國南方巖相古地理系列叢書編委會,1991),成礦的構造背景為拉伸紀晚期(下江時期)及震旦紀—早寒武世大陸地殼離散構造;沉積背景是在構造應力和地殼熱力聯合作用下,發生張性斷裂和快速沉降形成的陸內裂陷盆地;成礦的氣候背景為成冰紀(南華紀)全球大陸冰川冷凍氣候及早震旦世開始之后的溫暖氣候;成礦的生物背景為冰期過后,氣候變暖,藻、菌類生物及小殼動物大量繁殖?！顿F州卷·磷》)研編認為成磷重大事件有伸展斷裂、隆起與凹陷、氣候變暖、上翻洋流等,“黔中古陸”的產生是與成磷作用密切聯系的重要事件,圍繞“黔中古陸”形成初始碳酸鹽(磷酸鹽)臺地(以下簡稱“臺地”)沉積,多種成磷作用疊加,并控制主要磷礦的分布,遠離“黔中古陸”形成緩坡—盆地相沉積,成礦作用單一。

3.2 礦床式及特征

《貴州卷·磷》全面收集、整理貴州磷礦勘查、開發和研究資料,按礦床的定義結合歷史沿革,將貴州省磷礦歸并和拆分,合理劃分為49個礦床(超大型礦床6個,大型礦床2個,中型礦床13個,小型礦床28個),總結了地層、構造、礦體、礦石、控礦因素、成因及找礦標志等。

按照成礦時間基本相近、成礦作用和過程基本相似、成礦基底基本相同、礦床分布空間相對集中的原則,將全省磷礦床歸并為5個礦床式,分別代表早震旦世無障壁初始臺地沉積型磷塊巖礦床、有障壁初始臺地沉積型磷塊巖礦床、緩坡—盆地沉積磷塊巖礦床,寒武紀晉寧期臺地生物灘沉積磷塊巖礦床、臺緣緩坡—盆地沉積磷塊巖礦床,其特征見表1。

表1 貴州省磷礦床分類表

3.3 成磷地質條件與成礦作用

3.3.1 成磷地質條件

包括控制磷礦形成的構造、沉積、物理化學、古氣候與古生物條件和礦床形成后的保存、改造與破壞條件。師宗—彌勒斷裂產生于震旦紀前,震旦紀后仍有活動(貴州省地質調查院,2017),產于早震旦世地層中的磷礦受師宗—彌勒及其分枝古斷裂的控制,主要磷礦床分布于斷裂附近,斷裂北西盤抬升,形成斷隆,成礦水體淺,對成礦有利,形成的磷塊巖礦層厚度大,品位高。斷裂南東盤成礦水體較深,形成的磷塊巖厚度薄、品位低;“黔中古陸”邊緣總體控制大型磷礦床的分布,在初始臺地生物灘(礁)和局限臺地潮間—潮下帶是成磷的有利環境(圖1、2);水體稍深的透光帶有利于化學、生物—化學沉積,形成膠磷礦,水動力較強的潮下帶上部和潮間帶有利于磷塊巖形成后簸選和再沉積。

圖1 貴州省早震旦世晚期巖相古地理圖(據中國南方巖相古地理系列叢書編委會1991,貴州省地質調查院,2017.修改)

圖2 貴州省早震旦世晚期巖相剖面圖

寒武紀晉寧期的磷礦受臺地生物灘的控制,通過化學、生物—化學、機械沉積作用形成新華式磷礦。這一時期由于海平面持續上升,碳酸鹽巖沉積環境迅速向北西遷移,碳酸鹽巖顆粒產出率低,偶爾有少量陸源碎屑補給,時而出現饑餓沉積狀態,沉積速率低,沉積厚度薄,但在織金—金沙存在北東向狹長隆起地帶,環境獨特,適宜藻類及小殼動物生存繁衍,生物活動參與形成磷塊巖沉積,之后由于海平面頻繁升降(隆起未露出地表),經海水簸選后再次沉積,形成新華式磷礦床(圖3、圖4)。

圖3 貴州省寒武紀晉寧期巖相古地理圖(據中國南方巖相古地理系列叢書編委會1991;貴州省地質調查院 2017.修改)

圖4 貴州省寒武紀紐芬蘭世晉寧—梅樹村早期巖相古地理圖

在臺緣緩坡—盆地相區,沉積物補給少,以化學沉積作用為主,形成呈透鏡狀硅質巖、硅質磷塊巖、膠磷礦等沉積,形成松林式磷礦。

磷礦層形成后上覆地層覆蓋是磷礦保存的重要條件,褶皺、斷裂是破壞磷礦床的不利條件。

3.3.2 成礦作用

開陽式磷礦經歷了初始的化學、生物—化學沉積、機械沉積、風化淋濾等階段成礦作用過程。早期化學和生物—化學沉積成礦作用、中期機械沉積成礦作用和晚期風化淋濾成礦作用。三階段成礦作用依次進行并反復發生,機械分選和風化淋濾作用是形成高品位磷礦石的主要原因。

(1)初始成磷作用階段。上升洋流攜帶富磷海水上涌至淺水透光層,為生命活動提供物質來源,”黔中古陸”周邊海水藻類生物迅速繁殖,生物降解、釋放磷質進一步增加了海水磷酸鹽濃度,微生物的繁盛與海水中的磷質含量形成正反饋,”黔中古陸”周緣淺水地區磷酸鹽濃度急劇上升,最終形成磷塊巖沉積。

(2)中期機械成礦作用階段。原生沉積的磷塊巖在沒有完全固結、硬化之前,即遭受到岸流、波浪、底流或潮汐作用的剝蝕、沖刷和簸選,成為大小不等的角礫碎屑,然后就地或者經短距離搬運而堆積,沉積物中硅泥質、有機質等微、細粒成分,由于比重輕,受水流沖刷、搬運而分離。由于海平面變化頻繁,淺水濱岸帶水動力較強,沖刷破碎、堆積、膠結作用反復發生,機械作用使磷質進一步簸選富集。

(3)后期風化淋濾成礦作用階段。由于礦石類型多為含碳酸鹽巖類磷塊巖,其他礦物為白云石和少量方解石。受海平面下降影響,黔中開陽地區處于離古陸較近的無障壁濱岸緩坡環境,在風化、淋濾帶或地表、地下滲透帶,碳酸鹽礦物溶解能力強,易溶組分被帶走,使磷質進一步得到富集。

甕福式磷礦成礦作用與開陽式磷礦相似,但處障壁海岸,機械簸選帶出組分少,形成的磷礦少暴露,淋濾成礦作用弱;松林式磷礦處于斜坡—盆地環境,以化學成礦作用方式成礦。

寒武紀晉寧期新華式磷礦的成礦作用,受生物、生物—化學和機械沉積成礦作用的控制,壩黃式磷礦主要受化學沉積成礦作用的控制。新華式磷礦被構造抬升出露地表,經風化作用,碳酸鹽組分易帶出,磷礦層在表淺部出現磷質異常富集。

3.4 磷質來源及礦床成因

將貴州磷塊巖礦床分為兩大類型,即海相沉積型磷塊巖礦床和陸相表生沉積磷塊巖礦床(表1)。

早震旦世海相沉積磷塊巖礦床產出于初始臺地生物灘(礁)、碳(磷)酸鹽顆粒灘、局限臺地、碳酸鹽緩坡環境;寒武紀晉寧期海相沉積磷塊巖礦床產于局限—半局限臺地、臺緣緩坡和盆地環境。與成磷作用最密切的是初始臺地生物灘(礁)、碳(磷)酸鹽顆粒灘、初始局限臺地和生物灘環境(表1)。第四紀陸相表生磷塊巖礦床為風化淋濾型礦床,僅有普安縣保沖和冊亨縣板其兩個磷礦床分布,與第四紀喜馬拉雅面型隆升背景和早期高含磷巖石有關,分布零星,礦床規模小,僅有成因類型研究意義,工業價值不大。

3.5 成礦區帶與區域成礦模式

將貴州震旦紀磷礦劃屬揚子成礦省(Ⅱ1)和華南成礦省(Ⅱ2),分為4個三級成礦帶。其中揚子成礦省(Ⅱ1)之黔中成礦帶(Ⅲ1)又分為開陽成礦亞帶(Ⅳ1)和甕福成礦亞帶(Ⅳ2),華南成礦省(Ⅱ2)之貴陽—福泉成礦帶(Ⅲ3)分為福泉成礦亞帶(Ⅳ3)和都勻成礦亞帶(Ⅳ4)。以開陽成礦亞帶(Ⅳ1)和甕福成礦亞帶(Ⅳ2)最為重要(表2)。

表2 貴州震旦紀磷礦成礦區帶劃分表

將寒武紀磷礦成礦區帶劃分2個Ⅱ級成礦帶,5個Ⅲ級成礦帶,與當時局限—半局限臺地、生物灘、臺緣緩坡、斜坡、盆地沉積環境大致對應(表3)。

表3 貴州省寒武紀磷礦成礦區帶劃分表

建立了冰期過后,早震旦世海平面上升中晚期,垂向上由老到新,平面上由東向西,成礦作用依次推進的臺地邊緣和生物碎屑灘控礦的區域成礦模式(圖5)。

圖5 黔中地區震旦系磷礦區域沉積模式圖(據陳國勇,杜遠生等,2015修改)

圖6 貴州寒武紀新華式磷礦區域成礦模式

隨著海水由南東向北西侵入,晉寧期臺緣礁(灘)向西退縮、遷移至織金—金沙—習水一帶,上升含磷洋流帶來的磷質在織金—金沙—習水生物灘相環境成礦,形成新華磷礦等超大型磷塊巖礦床;而在這一線南東的臺緣緩坡—斜坡—盆地區,形成礦層薄、變化大的壩黃式磷礦。

3.6 時空分布規律及找礦方向

從震旦紀到寒武紀紐芬蘭世,海水總體由東向西侵入,含磷巖系由老到新分布,礦床由東向西展布。

4 問題與討論

4.1 關于磷質來源與成礦背景

磷礦是洋流將深部磷質帶到古陸邊緣,由于物理化學條件的變化,導致沉積成礦的結果,但這僅是成礦的中間過程,物質來源的爭議集中在陸源還是幔源。施春華、李勝榮等認為生物或有機質參與磷塊巖形成作用,戈仲伍組磷礦具有正常海相沉積并伴有海相熱水沉積混合成因特征(施春華等,2006,李勝榮,1995);施春華(2008)等還認為磷礦的形成可能與幔源物質的加入密切相關;王敏等認為磷可能主要來自陸緣海周圍的花崗質陸殼,部分來自堿性玄武巖的風化淋濾(王敏等,2004)。筆者認為磷質的來源應該與地球的演化相關聯,在平面和剖面上,磷礦與錳礦、重晶石等內生外成礦產時間相距不遠,空間上具有一定關聯性,磷礦集中產出于震旦—早寒武世時期,南華裂谷的發生、發展和演化,可能是磷質來源的途徑,但值得進一步探索。

4.2 關于“黔中古陸”

有的學者認為“黔中隆起”是南華紀—早古生代期間與南華裂谷造就的湘黔桂盆地演化有關的盆緣隆起,對陡山沱組磷礦、石炭系九架爐組含鋁巖系等形成分布、黔中地區后期巖漿活動及構造變形都產生著巨大影響(何熙琦等.2005),1∶5萬養龍司幅、馮三幅、1∶5萬開陽幅礦產調查證實下震旦統洋水組存在缺失,說明“黔中古陸存在”(中國地質調查局發展研究中心、貴州省地質礦產勘查開發局105地質大隊,2019)。但是“黔中古陸”能否稱為“古陸”值得商榷,或許稱為“黔中多島隆起”更適合一些。需進一步說明,上升洋流帶來的磷質相對于沉積地點是異源的,磷礦沉積地點的“黔中古陸”,并非提供磷質來源的古陸,而是提供磷礦沉積的古陸周緣有利環境。

4.3 關于沉積海岸類型

不同的海岸類型決定不同的沉積類型,形成不同的沉積相,進而控制磷礦層分布。成冰紀(南華紀)全球大陸冰川的冷凍氣候及其冰川刨蝕作用和冰川堆(沉)積作用形成的地形(地貌)極其復雜。由于含磷巖系之上巨厚地層覆蓋,可視地段有限,巖相古地理編圖,其海岸類型在隱伏區多為推斷。早震旦世的海岸,并非是長期夷平作用形成的與準平原化陸地相連的開闊平緩海岸,而是地形極其復雜的海岸,近年來勘查發現福泉市大灣磷礦等,進一步證實黔中古陸周邊海岸類型復雜,“黔中古陸”可能會解體,沉積環境可能是多島型隆起邊緣海岸,島與島之間為障壁沉積環境,局部為開闊的濱岸環境。

4.4 關于早震旦世沉積臺地

早震旦世磷礦與白云巖緊密共生,晚震旦世存在臺地相白云巖沉積,結合晚震旦世臺地發生發展過程,以及“黔中古陸”周邊洋水組具有臺地相沉積的特征,“黔中古陸”是存在的?！顿F州卷·磷》將“黔中古陸”周邊早震旦世沉積稱為“初始臺地”沉積,是否妥當需要以后持續研究。

4.5 關于含磷巖系地層劃分

《貴州卷·磷》將“富磷礦層+含磷砂巖”或“磷礦層(A、B)+碎屑巖+白云巖”稱為“洋水組”,主要是基于成磷事件考濾。有的學者認為,富磷礦層與含磷砂巖之間存在沉積間斷,將富磷礦層底界作為洋水組的底界,但是勘查發現,沉積間斷面與短暫的暴露面有時是難以劃分的。近來筆者查閱資料發現:金沙地區磷礦勘查鉆孔揭示,原劃為“澄江組”的紅、紫紅色粘土巖和灰色灰綠色粉砂質粘土巖組合之下,還存在灰綠、紫紅色冰磧礫巖。開陽地區新寨磷礦床原劃為澄江組“紫紅色中厚層粘土質粉砂巖+淺灰、灰綠色薄層粘土巖、砂巖”之下存在“灰色中厚層狀灰巖夾石英砂巖”組合。薛耀松等(薛耀松等,1995)在青灰色巖屑石英砂巖和“紫色頁巖段”上部的巖屑石英砂巖夾層的薄片中,發現磷酸鹽化和硅化的球形綠藻化石Protosphearidium sp.A,P.sp.B和Eozygion s.。這些事實將質疑以往劃分的“澄江組”(或馬路坪組)是否存在?如果該套巖石劃歸早震旦世,或許是南沱組沉積之后復雜古地形(地貌)條件下的沉積響應,因此開陽片區洋水組的劃分及與甕福片區洋水組的對比需要進一步研究。

5 勘查建議與展望

(1)提高磷礦勘查工作程度和資源儲量級別

貴州控制、探明的磷礦資源量比例低,有勘查工程控制的預測資源量達49.35×108t,找礦潛力巨大。震旦紀開陽成礦亞帶、甕福成礦亞帶具有較好找礦前景,建議今后開展提級增儲勘查。

(2)開展物質來源、裂陷作用與成礦關系研究

磷質總體來源于陸源,但是再向前溯源,則與地球特定階段演化相關,上升洋流只是成礦動力及成礦搬運的載體。鑒于雪峰運動后,南華紀有短暫裂陷活動,并控制黔東錳、重晶石、沉積噴流型鉛鋅等礦產分布,裂陷活動是否影響到早寒武世,是否與成磷作用有關?開陽式、甕福式磷礦富集F和I,新華式磷礦床富集稀土,這些伴生組分反映什么樣成礦信息?值得深入研究。

(3)加強生物成礦機理與成礦環境研究

成冰紀后,全球氣候變暖,生命出現了大爆發,并伴隨全球大規模成磷作用,氣候、環境和早震旦世成磷作用如何相互影響?進一步研究不僅有利于找礦,還將解決與磷相關的環境某些問題。

6 結論

(1)全面系統總結貴州5個主要礦床式的一般特征,為今后找礦提供了借鑒。

(3)磷礦形成是多種成礦作用耦合的結果?；瘜W和生物—化學沉積是主要的成礦作用,機械沉積作用是磷礦富集的主要成礦作用,古風化淋濾成礦作用促進開陽式磷礦進一步富集,現代風化淋濾作用促進表淺部磷礦富集。

(4)磷礦物質來源于陸源,上升洋流僅是物質搬運的動力。

(5)總結了成礦規律,建立了開陽式、甕福式磷礦和新華式磷礦區域成礦模式,提出“黔中古陸”周邊有較好找礦前景,織金—金沙生物灘的北西側有發現“新華式”或“昆陽式”磷礦的可能。