蓮花山礦段磷礦石P2O5與F的相關(guān)性研究

徐少康 王磊 王宇 劉辰炯

中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101

蓮花山磷礦位于湖北省鐘祥市胡集鎮(zhèn)西南方向7.5km 處，礦區(qū)面積11.9km2，屬大型生物化學(xué)沉積型磷礦，伴生一定量的氟。徐少康等（2012～2018）對鄰區(qū)同類型王集磷礦礦石類型及地球化學(xué)特征、蓮花山礦段磷礦體、礦物成分、礦石品位與密度的相關(guān)性等進(jìn)行了研究[1-6]，劉力生等（2017）對蓮花山礦段含磷巖系稀土元素特征進(jìn)行了論述[7]。本文在以往研究基礎(chǔ)上，通過對化學(xué)分析、X 光粉晶衍射以及能譜分析數(shù)據(jù)的綜合處理，對磷礦石P2O5與F 的相關(guān)性及原因進(jìn)行了專項(xiàng)研究分析，對同類型礦床成因研究、地質(zhì)找礦及氟資源量估算有重要意義。

1 礦床概況

本區(qū)為生物化學(xué)沉積型磷礦聚集區(qū)，簡稱荊襄磷礦，主要發(fā)育有胡集和朱堡埠兩個磷礦床。胡集磷礦規(guī)模為大型，延伸約27km，分為7 個礦段，自北向南為：牛心寨礦段，王集礦段，龍會山礦段，大峪口礦段，放馬山礦段，熊家灣礦段及蓮花山礦段。蓮花山礦段位于放馬山礦段和熊家灣礦段的南西側(cè)，是二礦段的深部延伸部分（圖1）。

圖1蓮花山礦段交通及大地構(gòu)造位置簡圖 Fig.1 Simplified map of traffic and tectonic location of Lianhuashan ore block

1.1 礦區(qū)地層

礦區(qū)發(fā)育地層最老的為中元古界崆嶺群（Pt2k），最新的為第四系（Q）。

中元古界崆嶺群（Pt2k），厚度大于500m，為本區(qū)沉積巖系的基底，主要巖性組合為：黑云（綠泥）斜長片麻巖，黑云（綠泥）花崗片麻巖，局部見石英巖。

下震旦統(tǒng)陡山沱組（Z1d），平均厚度136m左右，主要巖性組合為：白云巖，硅質(zhì)白云巖，含磷白云巖以及磷塊巖等。根據(jù)接觸關(guān)系，進(jìn)一步分為上、下兩段，兩段之間為平行不整合接觸；據(jù)巖性組合及沉積旋回特征，下段進(jìn)一步分為五個亞段，上段進(jìn)一步分為六個亞段[3]。

上震旦統(tǒng)燈影組（Z2dn），平均厚度401m 左右，主要巖性組合為：白云巖，燧石條帶白云巖，花紋狀白云巖，（假）鮞狀白云巖，含磷白云巖等。據(jù)沉積旋回及巖性組合特征進(jìn)一步分為上、下兩段，下段進(jìn)一步分為兩個亞段，上段進(jìn)一步分為五個亞段[3]。

寒武系和奧陶系（?-O），平均厚度668m 左右，主要為白云巖，次為灰?guī)r和泥巖等。

第四系（Q），厚度一般幾十厘米至十余米，主要為松散的砂礫石粘土沉積。

1.2 礦區(qū)構(gòu)造

礦區(qū)構(gòu)造形式主要為褶皺和斷裂。

褶皺主要有兩條褶皺：滴水崖背斜和張家沖向斜，兩條褶皺軸線平行，均呈北北西-南南東向，均為正常褶皺，兩翼傾角一般13°～45°[3]。

斷裂有兩個期次。第一期次斷裂破碎帶已固結(jié)為斷層角礫巖，第二期次斷裂破碎帶未固結(jié)[3]。

1.3 含磷層位

陡山沱組含磷層位有4 個，簡稱為Ph1、Ph2、Ph3和Ph4。Ph1和Ph3是主要含磷層位、形成了主要工業(yè)礦體和低品位礦體，Ph2僅局部形成小規(guī)模礦體，其它含磷層位僅有礦化、未形成礦體[3]。

1.4 礦體及礦石質(zhì)量特征

礦區(qū)存在15 個礦體，其中6 個工業(yè)礦體，6個低品位礦體，3 個小規(guī)模礦體。主要工業(yè)礦體，沿走向延伸1409～1964m，沿傾向延伸1468～2099m，平均厚度3.82～6.42m[3]。

礦石類型主要為條帶狀磷塊巖和薄層狀磷塊巖，局部見塊狀磷塊巖。Ph1礦石，礦物成分主要為膠磷礦和磷灰石，次為白云石，少量石英、方解石、金紅石、粘土礦物、長石、白云母及有機(jī)質(zhì)。Ph3礦石，礦物成分主要為磷灰石和膠磷礦，次為白云石、石英和有機(jī)質(zhì)，少量方解石、鋯石、粘土礦物、長石、白云母及黃鐵礦。Ph2礦石，礦物成分主要為磷灰石和膠磷礦，次為白云石，少量方解石、石英、蛋白石、金紅石及有機(jī)質(zhì)。除上述共生礦物外，三個層位的礦石，均含微量陸源碎屑礦物，有機(jī)質(zhì)量不高但普遍存在。Ph1和Ph3礦石局部可見后期細(xì)脈狀礦物[4]。

查明磷礦石資源量8700×104t，伴生氟資源量280×104t，礦床規(guī)模屬大型，氟具有重要綜合利用價值。

2 礦石P2O5 與F 的相關(guān)性

2.1 樣品的選取

選取樣品160 件，均采自鉆探工程巖心，新鮮未風(fēng)化。其中，Ph1礦石100 件，Ph3礦石52 件，Ph2礦石8 件。P2O5含量12.52%～35.63%，平均21.17%；F 含量0.78%～2.96%，平均1.81%（表1）。樣品具良好代表性。

表1 蓮花山礦段磷礦石P2O5 和F 含量數(shù)據(jù) Table 1Content data of P2O5 and F of phosphorus ores in Lianhuashan ore block

續(xù)表1

2.2 礦石P2O5 與F 含量的相關(guān)性

2.2.1 礦石P2O5與F 呈明顯正相關(guān)性

以表1 中P2O5和F 含量數(shù)據(jù)為座標(biāo)，在直角座標(biāo)系中所投點(diǎn)的分布狀況見圖2。

圖2 蓮花山礦段磷礦石P2O5 與F 含量相關(guān)性圖 Fig.2Relation of P2O5 and F Content of Phosphorus Ore in Lianhuashan ore block

所投的點(diǎn)集中分布，分布區(qū)形態(tài)具明顯線性特征，P2O5和F 含量的相關(guān)系數(shù)為0.92，表明二者明顯正相關(guān)。用最小二乘法擬合的數(shù)學(xué)模型為[8]：

式中，y 為F 含量%，x 為P2O5含量%。

在0.01 顯著性水平下，相關(guān)系數(shù)的臨界值小于0.254[8]。P2O5與F 含量的相關(guān)系數(shù)為0.92，遠(yuǎn)大于臨界值0.254，表明P2O5與F 含量正相關(guān)十分顯著。

2.2.2 礦石P2O5與F 相關(guān)性原因分析

礦石礦物主要為膠磷礦和磷灰石，次為白云石和石英，其它礦物少量（表2）。膠磷礦是粒度極細(xì)的磷灰石，化學(xué)成分顯示磷灰石氟含量較高（表3），實(shí)質(zhì)為氟磷灰石，有機(jī)質(zhì)局部含少量F（表4），其它礦物中不含氟[4]。以氟磷灰石為主的礦物組合特征是P2O5與F呈顯著正相關(guān)性的原因。蓮花山磷礦屬生物化學(xué)沉積型磷礦，成礦過程大致為：成礦介質(zhì)為源于秦嶺海槽深部富磷硅的熱水，溫差驅(qū)動使其從海底上升到海面，又被后期的海侵洋流推向大陸邊緣；溫度降低導(dǎo)致成礦介質(zhì)密度升高，使其就位于水下盆地中。成礦介質(zhì)運(yùn)移過程中，受到海水的混染，海水中的鈣、鎂、碳及氟進(jìn)入其中。壓力降低導(dǎo)致CO2溢出，微生物作用使部分碳形成有機(jī)質(zhì)，從而使成礦介質(zhì)中的活性碳離子大幅度減少，失去碳酸鹽礦物形成的物質(zhì)條件，導(dǎo)致磷酸鹽飽和、磷灰石快速結(jié)晶析出成礦。在上述過程中，成礦介質(zhì)中的氟僅有少量進(jìn)入有機(jī)質(zhì)中，多數(shù)進(jìn)入磷灰石晶格，成礦過程中磷與氟是同步富集的。

表2 蓮花山礦段磷礦石X 光粉晶衍射測試礦物含量 Table 2X-ray powder diffraction determination of mineral content of phosphate ores in Lianhuashan ore block

表3蓮花山礦段磷礦石膠磷礦和磷灰石化學(xué)成分 Table 3Chemical compositions of collophane and apatite of phosphate ores in Lianhuashan ore block

表4蓮花山礦段磷礦石有機(jī)質(zhì)化學(xué)成分 Table 4Chemical composition of organic matter in phosphate ores in Lianhuashan ore block

3 結(jié)論及意義

通過對蓮花山礦段磷礦石P2O5和F含量數(shù)據(jù)的處理，并結(jié)合X 光粉晶衍射和能譜分析數(shù)據(jù)等資料的綜合分析，表明了蓮花山礦段磷礦石P2O5與F 含量呈顯著的正相關(guān)特征，其相關(guān)性數(shù)學(xué)模型為y=0.09x-0.17。據(jù)此分析得出F 主要賦存于磷灰石中的結(jié)論。這一結(jié)論的意義在于：

(1)為地質(zhì)找礦提供了新手段。在地質(zhì)找礦工作中，如果出現(xiàn)氟異常，則預(yù)示可能存在磷礦層。

(2)提供了氟資源量估算的新思路。在估算氟資源量時，應(yīng)考慮不同礦體P2O5品位，以使估算結(jié)果盡可能接近實(shí)際情況。

(3)對氟的綜合利用提供了重要依據(jù)。氟主要用于制造氫氟酸，具有重要工業(yè)利用和經(jīng)濟(jì)價值。與磷礦伴生的氟是我國氟資源的重要類型之一，由于技術(shù)等原因，我國磷塊巖礦床中伴生的氟資源尚未完全回收利用，在礦石加工過程中大量流失。氟在磷礦石加工過程中進(jìn)入氣相，其流失不但浪費(fèi)資源、更存在環(huán)境污染風(fēng)險，綜合回收利用勢在必行。查明氟的賦存狀態(tài)及其與磷的關(guān)系，是綜合回收氟的必要前提，因此，研究結(jié)論為磷礦石加工過程中氟的綜合回收提供了重要依據(jù)。

(4)據(jù)P2O5與F 關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，在P2O5與F 之間可以進(jìn)行快速計算，及時為有關(guān)工作提供依據(jù)。

(5)同類型礦床有重要的借鑒意義。