貴州甕安磷礦巖石學(xué)及沉積序列研究

密文天,范 昱

(1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059;2.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究背景

磷塊巖礦床可以理解為一種特殊的沉積相，把含磷沉積相內(nèi)的相素序列或巖性序列規(guī)律稱(chēng)為含磷巖系[1]，作為一種獨(dú)立的沉積體系或沉積物質(zhì)集合，它是成磷作用和成磷環(huán)境的物質(zhì)體現(xiàn)。對(duì)于成礦物質(zhì)來(lái)源問(wèn)題，有陸源或陸源汲取起主導(dǎo)作用的觀(guān)點(diǎn)，也有人認(rèn)為以深部熱水或火山噴發(fā)提供或吸附的磷質(zhì)為主要來(lái)源，還有的認(rèn)為由富含磷質(zhì)的海洋生物提供。在成礦作用問(wèn)題上，一般認(rèn)為，生物有機(jī)成礦、交代成礦、無(wú)機(jī)成礦和孔隙水作用，都對(duì)磷礦的形成起了作用[1]，而成礦過(guò)程由多因素共同控制，不是簡(jiǎn)單的積累和演化。此外，不同時(shí)代、不同地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景及全球的構(gòu)造、氣候條件等宏觀(guān)背景，都對(duì)磷礦的形成起控制作用?？梢?jiàn)，磷塊巖的形成涉及多種因素。震旦紀(jì)是大規(guī)模的成磷期，而甕安磷礦是其中的典型礦床。對(duì)甕安含磷巖系的巖石學(xué)特征及不同類(lèi)型磷塊巖形成的沉積環(huán)境進(jìn)行研究，詳細(xì)分析穿巖洞礦區(qū)實(shí)測(cè)剖面的沉積序列，進(jìn)而深入探討甕安磷塊巖的形成問(wèn)題。

2 礦區(qū)地質(zhì)

甕安磷礦位于貴州省甕安縣境內(nèi)，北起白巖礦區(qū)，南至高坪礦區(qū)，南北長(zhǎng)約 20km，東西寬約3 km。礦區(qū)位于川黔南北構(gòu)造帶的白巖-高坪背斜上，背斜褶皺呈近南北向展布，受新華夏應(yīng)力場(chǎng)的干擾發(fā)生偏轉(zhuǎn)。磷礦產(chǎn)于震旦系陡山沱組地層中，陡山沱組地層厚約10～75m，主要由磷塊巖、泥巖、硅質(zhì)巖和白云巖組成。

甕安磷礦區(qū)內(nèi)缺失奧陶紀(jì)、志留紀(jì)及石炭紀(jì)等地層，出露的地層有板溪群清水江組、南華系南沱組、震旦系陡山沱組和燈影組。背斜中部為斷層橫截，分為南北兩部分。陡山沱組地層上覆于南沱組冰磧礫巖或者板溪群之上，呈假整合接觸，一些地段呈角度不整合接觸[2]。據(jù)穿巖洞實(shí)測(cè)剖面觀(guān)察，自下而上分為三個(gè)巖性段：第一段為下部含磷礦層，厚5.67m，厚度相對(duì)較??；第二段為夾層段，厚約2m；第三段為上部含磷礦層，厚約20m，主要由黑色塊狀磷塊巖、 白云質(zhì)磷塊巖和白云巖組成。

3 巖石學(xué)分析

3.1 礦物組成

磷灰石礦物合成實(shí)驗(yàn)表明[3]，即使有微量的氟元素，結(jié)晶形成的磷酸鹽礦物也將以碳氟磷灰石礦物的形式產(chǎn)出，而不以純氟或純碳磷灰石的形式產(chǎn)出。因此，在震旦紀(jì)上揚(yáng)子區(qū)開(kāi)放的具有流通性的古海洋中，生成純碳或氟磷灰石這種單一礦物是不可能的。所以，甕安磷礦的海相磷酸鹽礦物為組分連續(xù)變化的碳氟磷灰石。根據(jù)形態(tài)特點(diǎn)，磷灰石分為非晶質(zhì)碳氟磷灰石(膠磷礦)、纖維狀集晶碳氟磷灰石、粒狀晶磷灰石及微晶碳氟磷灰石[1]。膠磷礦，即凝膠磷塊巖，在正交偏光下呈均質(zhì)體全消光，只有在電子顯微鏡下顯示出超微粒集合體，晶體形態(tài)多為粒狀、柱狀等，單晶直徑小于1μm，而在手標(biāo)本上為致密塊狀且看不到構(gòu)造特征；它是組成磷質(zhì)內(nèi)碎屑及磷質(zhì)膠結(jié)物的重要來(lái)源，一般通過(guò)生物化學(xué)作用形成。膠磷礦經(jīng)過(guò)重結(jié)晶作用，能形成微晶碳氟磷灰石，微晶碳氟磷灰石略顯光性，鏡下呈隱晶-微晶集合體，但輪廓模糊。

纖維狀集晶碳氟磷灰石在鏡下一般以放射狀、纖維狀集合體環(huán)繞于磷質(zhì)顆粒外垂直生長(zhǎng)，或填充于顆粒間隙間。它一般潔凈透明，很少有雜質(zhì)，與顆粒之間有明顯的界限，并能顯示多世代的特征。一般認(rèn)為，它是成巖階段在富磷孔隙溶液的化學(xué)淀積下結(jié)晶而成[1,4]，重結(jié)晶磷塊巖中也有此類(lèi)磷灰石的發(fā)現(xiàn)。也有觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，它是微生物作用的結(jié)果，常構(gòu)成磷質(zhì)核形石和鮞粒的圈層。粒狀晶磷灰石以粒狀及短柱狀為主，晶形完美，粒徑為0.005～1mm之間[1,4]，單偏光下無(wú)色透明，分布于磷質(zhì)顆粒間隙之中，可能比纖維狀集晶碳氟磷灰石形成還晚，代表了成巖晚期生成的特點(diǎn)。

甕安磷塊巖中的伴生礦物，根據(jù)來(lái)源可分為自生礦物、外屑礦物。自生礦物為沉積期及期后形成的產(chǎn)物，其中黏土礦物十分常見(jiàn)，主要為水云母類(lèi)，它或作為磷塊巖夾層，或在水動(dòng)力條件較差背景下進(jìn)入顆粒磷塊巖中成為填隙物。甕安磷礦中的黑色碳質(zhì)磷塊巖中，就有大量的黏土類(lèi)礦物，其有機(jī)質(zhì)含量很高并吸附了大量的微量元素。

甕安磷塊巖伴生的最主要礦物是碳酸鹽巖礦物白云石，它是磷質(zhì)顆粒的填隙物或膠結(jié)物，也能自成夾層及條帶。一種為沉積的原生白云石，常成為白云質(zhì)磷塊巖的基質(zhì)，另一種經(jīng)次生白云石化而形成。微晶白云巖一般顯示低能和富有機(jī)質(zhì)的水體環(huán)境，表面較為渾濁；而亮晶白云石晶形較好，常成為顆粒磷塊巖的膠結(jié)物。白云石在成巖作用中常被磷灰石所交代。在甕安磷礦上礦層中，?？梢?jiàn)粉晶白云巖與磷塊巖呈韻律產(chǎn)出。

甕安磷塊巖中的石英多為自生礦物，陸源輸入的石英砂粒很少。自生石英及玉髓多產(chǎn)出于甕安磷礦上下磷礦層之間的沉積間斷面的硅質(zhì)磷塊巖之中，為沉積期后硅化作用而形成。石英等可以對(duì)磷酸鹽礦物進(jìn)行交代，如微晶石英交代磷灰石時(shí)，表面常呈淡黃色調(diào)；對(duì)于晶粒較小的玉髓，常作為磷塊巖的基質(zhì)或膠結(jié)物，它形成于水動(dòng)力較弱的深水環(huán)境；細(xì)晶質(zhì)石英多呈短柱狀自形晶，常見(jiàn)于晚期成巖作用及次生石英脈中。

黃鐵礦多出現(xiàn)在甕安陡山沱組底層白云質(zhì)泥巖及下礦層的砂屑磷塊巖中，以凝塊狀或團(tuán)塊狀產(chǎn)出，形成于成巖早期，反映了還原的沉積環(huán)境；在甕安陡山沱組底部的白云巖，有重晶石化的現(xiàn)象。由于位于淺水臺(tái)地內(nèi)部，黔中甕安聚磷區(qū)的外屑礦物十分單一且含量較低。

3.2 磷塊巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型

在結(jié)構(gòu)類(lèi)型方面，前人將磷塊巖分為微粒磷塊巖、顆粒磷塊巖和殼粒磷塊巖三大類(lèi)型，分別對(duì)應(yīng)凝結(jié)作用、?；饔谩⒎蟮碜饔萌N沉積作用[5]。甕安磷礦中產(chǎn)出的膠磷礦，即屬于微粒磷塊巖，結(jié)構(gòu)致密，鏡下可見(jiàn)收縮裂紋，屬于靜水環(huán)境下凝結(jié)而成，波浪、水流等后期改造作用并沒(méi)用對(duì)其進(jìn)行破壞。甕安磷塊巖中的顆粒磷塊巖，可以分為粒屑磷塊巖及團(tuán)粒、鮞粒磷塊巖。粒屑磷塊巖主要是指弱固結(jié)或已固結(jié)的膠磷礦被外力破碎形成“內(nèi)碎屑”后重新沉積的磷塊巖[5]，與水動(dòng)力條件下的機(jī)械作用有關(guān)。甕安磷礦的顆粒磷塊巖，按大小可分為礫屑磷塊巖、砂屑磷塊巖及粉屑磷塊巖；由于水動(dòng)力的作用，其原生沉積構(gòu)造可見(jiàn)板狀交錯(cuò)層理，或以橫向搬運(yùn)和垂向飄落方式沉積，顆粒磨圓度好并呈定向排列，多形成于潮間帶的高能環(huán)境。團(tuán)粒狀磷塊巖主要由磷酸鹽超微顆粒凝聚形成，形態(tài)近似球狀，圓度很高，由于密度不同而顯示出不同的準(zhǔn)同心層[5]，其形成的水動(dòng)力條件相對(duì)較弱，形成于弱-中等能量的環(huán)境中。

Richard A D等認(rèn)為，粗礫能被搬運(yùn)的深度很小，而細(xì)泥能被搬運(yùn)的深度較大[6]。所以，粒度較大的粒屑磷塊巖一般產(chǎn)于淺水帶，通過(guò)顆粒結(jié)構(gòu)類(lèi)型能很好地指示沉積環(huán)境[7]，粒度遞變反映了水動(dòng)力條件的遞變，從礫屑磷塊巖到泥晶磷塊巖是一個(gè)完整的粒度遞變的結(jié)構(gòu)序列，它是在不同的能量條件下經(jīng)過(guò)沖刷、破碎、搬運(yùn)及簸選后再沉積而成，是機(jī)械物理作用的結(jié)果。從穿巖洞剖面上的顆粒磷塊巖粒度特征及沉積構(gòu)造上，可以反映不同的沉積環(huán)境。

4 甕安磷塊巖序列

受南沱冰期時(shí)古地理地形控制，甕安陡山沱組磷塊巖沉積于黔中古隆起的邊緣，含磷巖系的沉積基底凹凸不平，因此，甕安磷礦北部的大塘礦區(qū)與南部的穿巖洞礦區(qū)的沉積組合有所差異，穿巖洞礦區(qū)南沱組為冰磧砂泥礫巖，陡山沱組缺失地板段，直接沉積下磷礦層?？梢苑譃?個(gè)向上變淺的沉積序列。

4.1 第1～2序列

第1～2兩個(gè)沉積序列屬于下磷礦層和夾層，厚度較小。Marinoan冰期時(shí)，甕安穿巖洞礦區(qū)地形相對(duì)較高，因此沉積了一套冰磧砂泥礫巖而非黑色粉砂質(zhì)泥巖。在第1序列內(nèi)，在冰水沉積物基底上發(fā)育有黏土質(zhì)磷塊巖，存在水平層理，代表最初的陡山沱期海侵作用的磷質(zhì)沉積。其上依次為泥質(zhì)磷塊巖或磷質(zhì)粉砂巖、薄層狀磷塊巖等，最上部白云巖化作用明顯，為灰白色厚層的白云質(zhì)砂屑磷塊巖，反映了從潮下低能帶-潮間帶沉積，構(gòu)成了首個(gè)向上變淺的潮坪旋回沉積體系。

第2序列內(nèi)，下部沉積物組成變化明顯，下部為黑色含泥的膠磷礦層，向上白云質(zhì)逐漸增多，形成砂屑磷塊巖與白云巖的韻律互層，有平行層理及波狀層理發(fā)育；上部沉積有硅質(zhì)砂屑磷塊巖、似層狀白色硅質(zhì)團(tuán)塊、硅質(zhì)條帶及白云巖，向上磷質(zhì)含量明顯減少，反映了從潮下帶-潮間帶沉積演化。

4.2 第3～6序列

此四個(gè)序列皆為碳酸鹽巖與磷酸鹽巖的韻律沉積，潮汐韻律層理發(fā)育明顯，構(gòu)成了以潮下帶-潮間帶沉積為主的向上變淺的沉積序列，沉積的磷礦層相對(duì)于下磷礦層要厚很多。隨著海侵范圍擴(kuò)大，上升洋流攜帶富磷海水的涌入，為磷塊巖沉積提供了物質(zhì)條件，含磷沉積物旋回反映了海平面的波動(dòng)頻繁，這就為磷塊巖的沉積不斷補(bǔ)充了成磷物質(zhì)，形成了充分、持續(xù)的物源供給。

第3序列內(nèi)，下部為黑色膠磷礦層，含黃鐵礦，其中碳質(zhì)磷塊巖有機(jī)質(zhì)含量很高；中部為薄層狀粉砂質(zhì)泥巖與碳質(zhì)磷塊巖互層，普遍含瀝青質(zhì)，反映了深潮下帶-盆地的沉積環(huán)境；上部為深色砂屑磷塊巖，多為平行層理構(gòu)造，最上部為白云質(zhì)砂屑磷塊巖，為潮汐水道充填構(gòu)造，發(fā)育有波狀層理，為潮間帶沉積環(huán)境。第4序列內(nèi)，下部為黑色薄板狀碳質(zhì)磷塊巖，上部為灰白色硅質(zhì)砂屑磷塊巖，硅質(zhì)含量較高，該序列厚度較小。

第5序列內(nèi)，下部為中層硅質(zhì)磷塊巖，并含少量泥質(zhì)，向上含磷組分逐漸增高，出現(xiàn)厚層狀礫屑及砂屑磷塊巖，發(fā)育大量充填構(gòu)造；隨著海水的加深，出現(xiàn)了硅泥質(zhì)沉積物，屬于沉積速率較慢時(shí)期。上部為灰白色白云質(zhì)砂屑磷塊巖及磷質(zhì)砂屑白云巖，白云質(zhì)組分逐漸升高，乃至頂部出現(xiàn)灰白色厚層磷質(zhì)白云巖沉積，顯示了海水逐漸變淺的趨勢(shì)，從潮下帶逐漸過(guò)渡到潮上帶，水動(dòng)力的改造作用趨于明顯。

第6序列內(nèi)，下部為薄-中層含泥硅質(zhì)磷塊巖，具有水平層理構(gòu)造，磷質(zhì)多為凝膠狀，含有一定的硅質(zhì)條帶，暗示磷塊巖形成于深水的潮下帶沉積環(huán)境中。上部依次為白云質(zhì)砂屑磷塊巖、磷質(zhì)白云巖，磷質(zhì)含量逐漸減少，內(nèi)部?jī)H有磷質(zhì)條帶及條紋?？傮w為潮下帶-潮間帶的沉積環(huán)境。

5 結(jié)論

從礦物、巖石學(xué)及沉積環(huán)境等方面，對(duì)甕安磷礦穿巖洞剖面進(jìn)行研究，得出以下認(rèn)識(shí)：

1)在磷塊巖礦石的化學(xué)組成方面，磷塊巖富集層主要是以P2O5與CaO構(gòu)成的磷酸鹽礦物為主，不同類(lèi)型的磷酸鹽礦物均屬于碳氟磷灰石類(lèi)質(zhì)同象系列。根據(jù)其結(jié)晶形態(tài)可分為非晶質(zhì)的膠磷礦及晶質(zhì)的各種碳氟磷灰石兩類(lèi)；其他礦物以黏土礦物、碳酸鹽礦物及石英為主。

2)甕安陡山沱組磷塊巖類(lèi)型多樣，主要有凝膠狀結(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，每種結(jié)構(gòu)特征與組分對(duì)應(yīng)著不同的沉積環(huán)境。通過(guò)對(duì)甕安磷礦穿巖洞剖面進(jìn)行沉積環(huán)境分析，將陡山沱組地層劃分為6個(gè)向上變淺的沉積序列，每個(gè)沉積序列都代表了一個(gè)成磷旋回。隨著海水升降變化，上升洋流攜帶大量富磷海水進(jìn)入甕安地區(qū)的淺水環(huán)境，在有利的成磷場(chǎng)所下形成了磷塊巖沉積。

[1] 葉連俊,陳其英,趙東旭,等.中國(guó)磷塊巖[M].北京:科學(xué)出版社，1989.

[2] 周傳明,薛耀松,張俊明.貴州甕安磷礦上震旦統(tǒng)陡山沱組地層和沉積環(huán)境[J].地層學(xué)雜志,1998，22(4):308-314.

[4] 盛章琪,周茂基.中國(guó)南方震旦紀(jì)磷塊巖的巖石學(xué)[C].國(guó)際地質(zhì)對(duì)比計(jì)劃中國(guó)委員會(huì).第五屆國(guó)際磷塊巖討論會(huì)論文集(1)[M].北京:地質(zhì)出版社,1984：229-240.

[5] 東野脈興，周宜忍，黃守英，等.揚(yáng)子盆地磷塊巖巖石學(xué)及磷塊巖序列[C].國(guó)際地質(zhì)對(duì)比計(jì)劃中國(guó)委員會(huì).第五屆國(guó)際磷塊巖討論會(huì)論文集(1)[M].北京:地質(zhì)出版社,1984：283-299.

[6] Richard A D.Coastal sedimentary environments[M].New York: Springer-Verlag,1978.

[7] 劉魁梧.貴州甕安磷礦磷酸鹽礦物與巖石學(xué)研究[C]//國(guó)際地質(zhì)對(duì)比計(jì)劃中國(guó)委員會(huì).第五屆國(guó)際磷塊巖討論會(huì)論文集(1)[M].北京:地質(zhì)出版社,1984：319-334.