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      湖北省張家埡磷礦床磷塊巖元素地球化學(xué)特征及成因意義①

      2022-07-21 03:17:14吳穎慧李春陽(yáng)金濤李津許晉瑞張明明
      化工礦產(chǎn)地質(zhì) 2022年2期
      關(guān)鍵詞:白云質(zhì)磷塊巖磷礦

      吳穎慧 李春陽(yáng) 金濤 李津 許晉瑞 張明明

      1 中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院,北京 100101

      2 天津佳晨環(huán)境工程有限公司,天津 300111

      鄂西磷礦的礦床多數(shù)賦存于下震旦統(tǒng)的海相沉積地層中,主要位于興-神農(nóng)架磷礦成礦帶、宜昌磷礦成礦帶和荊襄磷礦成礦帶[1-2]。張家埡磷礦床位于宜昌磷礦成礦帶,研究區(qū)工作程度達(dá)到詳查,礦床的地質(zhì)、礦體特征以及對(duì)含磷地層的巖石學(xué)、礦石學(xué)均有較詳實(shí)的闡述,在礦床成因上有一定的研究[3],但對(duì)于礦床的地球化學(xué)特征方面研究較少。本文通過(guò)分析張家埡磷礦的地球化學(xué)特征,對(duì)其沉積環(huán)境以及物質(zhì)來(lái)源等成因問(wèn)題進(jìn)行研究,希望有助于該類(lèi)型礦床的進(jìn)一步找礦工作。

      1 地質(zhì)概況

      1.1 礦區(qū)地質(zhì)

      張家埡磷礦床位于湖北省遠(yuǎn)安縣西北部,與縣城直線(xiàn)距離35km,屬遠(yuǎn)安縣荷花鎮(zhèn)管轄。研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)北緣,上揚(yáng)子臺(tái)坪(Ⅱ1)鄂中褶斷區(qū)(Ⅱ12)黃陵背斜東翼。研究區(qū)地層為古元古界黃涼河組、南華系南沱組、下震旦統(tǒng)陡山沱組、上震旦統(tǒng)燈影組,下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、石牌組、天河板組、石龍洞組、覃家廟組及第四系。研究區(qū)構(gòu)造形式主要為單斜構(gòu)造,次為斷裂;單斜構(gòu)造表現(xiàn)為地層總體傾向東,傾角較緩,一般10°~15°;斷裂走向主要為北西向,個(gè)別為北東向和近東西向;傾角較陡,以正斷層為主,少數(shù)為逆斷層和張性斷層。規(guī)模均不大,僅局部對(duì)淺部地層造成破壞,均未影響到礦體。含磷層位為下震旦統(tǒng)陡山沱組(Zad),該組巖性主要為白云巖夾磷礦層。

      1.2 礦體特征

      礦體賦存于下震旦統(tǒng)陡山沱組一段(Zad1),含磷層位屬Ph1。礦體未出露地表,呈層狀產(chǎn)出,與頂?shù)装鍘r層整合接觸;形態(tài)呈單斜構(gòu)造,產(chǎn)狀較穩(wěn)定,總體走向近南北,總體傾向東,傾角較緩,一般 10°~15°;礦體頂板厚度一般 4~6m,主要巖性為含磷白云巖和硅質(zhì)白云巖,一般較完整;礦體底板,厚度一般11~13m,主要巖性為鈣質(zhì)泥巖,局部為碳質(zhì)白云巖。

      1.3 礦石特征

      礦石主要有用礦物以膠磷礦為主,次為磷灰石;脈石礦物為石英、白云石,次為粘土礦物、碳質(zhì),少量有機(jī)質(zhì)。礦石結(jié)構(gòu)主要為粒屑結(jié)構(gòu)、膠狀結(jié)構(gòu)、粉微晶結(jié)構(gòu)及泥狀結(jié)構(gòu);礦石構(gòu)造主要為條帶狀構(gòu)造,塊狀構(gòu)造。根據(jù)礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造,可將礦石自然類(lèi)型分為3種:塊狀磷塊巖、白云質(zhì)條帶磷塊巖、泥質(zhì)條帶磷塊巖[3]。

      礦石伴生有益組分主要為F,次為I。F平均含量1.77%,I平均含量2.10×10-6,I含量極低,無(wú)綜合利用價(jià)值;F是磷灰石和膠磷礦的成分,選礦過(guò)程中與磷灰石和膠磷礦同時(shí)富集,可綜合利用。有害組分主要為MgO,次為Al2O3,其中MgO含量為1.48%~12.12%,平均含量3.86%,白云質(zhì)條帶磷塊巖中MgO含量最高,為12.12%;Al2O3含量為0.57%~9.36%,平均含量6.58%,白云質(zhì)條帶磷塊巖中Al2O3含量最低,與塊狀磷塊巖和泥質(zhì)條帶磷塊巖相比明顯低很多;其他的有害組分為 Fe2O3、As、Cd及 Cl,F(xiàn)e2O3平均含量 1.92%,As平均含量11.50×10-6,Cl平均含量0.05%,Cd平均含量 3.50×10-6。MgO、Al2O3、Fe2O3主要是在產(chǎn)品深加工過(guò)程中影響磷肥質(zhì)量;As、Cl、Cd由于含量極低,對(duì)磷肥無(wú)影響。

      2 地球化學(xué)特征

      磷塊巖均未在地表出露,地球化學(xué)特征分析樣品來(lái)自勘查過(guò)程施工的鉆孔,分別在含磷層位采集5個(gè)不同礦石自然類(lèi)型樣品。

      2.1 主量元素特征

      磷塊巖主量化學(xué)成分主要為 CaO、P2O5及SiO2等(表1)。P2O5含量為 12.29%~27.15%,平均19.39%;CaO含量為19.65%~36.48%,平均 28.73%;SiO2含量為 7.31%~41.71%,平均27.22%,其中白云質(zhì)條帶磷塊巖中SiO2含量最低,與塊狀磷塊巖和泥質(zhì)條帶磷塊巖相比明顯低很多;CO2含量為 2.45%~32.61%,平均 9.39%,其中白云質(zhì)條帶磷塊巖中CO2含量最高,與塊狀磷塊巖和泥質(zhì)條帶磷塊巖相比明顯高很多;枸溶性P2O5含量為0.45%~6.77%,平均2.84%;其它主量組分平均含量均少于5%。

      表1 張家埡磷礦床磷塊巖主量元素含量(%)Table 1 Main elements data of phosphorite in Zhangjiaya(%)

      2.2 微量元素特征

      磷塊巖各微量元素含量詳見(jiàn)表2。張家埡磷礦磷塊巖樣品中 ω(Sr)含量為 494.8×10-6~748.6×10-6,平均 642.8×10-6,遠(yuǎn)高于克拉克值(370×10-6),表明Sr元素的含量高值可能與生物富集有關(guān)。研究人員通過(guò)對(duì)褐藻以及各類(lèi)浮游生物的研究,分析此類(lèi)生物對(duì)各類(lèi)微量元素在沉積過(guò)程中的吸附作用,發(fā)現(xiàn)此類(lèi)生物對(duì)Ba、Sr等元素有較強(qiáng)的吸附能力;同樣在磷礦形成過(guò)程中此類(lèi)生物大量繁殖,在生物體死亡降解后,Ba、Sr等元素進(jìn)入磷質(zhì)沉積物中,在含磷巖系中富集,最終成礦[4-6]。磷塊巖樣品中ω(Ba)含量變化較大,為 747.7×10-6~4244.1×10-6,平均 2252.76×10-6,遠(yuǎn)高于克拉克值(500×10-6),顯示了磷塊巖在其形成過(guò)程中有生物的活動(dòng)參與作用。其中,泥質(zhì)條帶磷塊巖中 ω(Ba)含量為 747.7×10-6~1318×10-6,明顯低于塊狀磷塊巖和白云質(zhì)條帶磷塊巖,表明微生物活動(dòng)明顯沒(méi)有塊狀磷塊巖和白云質(zhì)條帶磷塊巖那么強(qiáng)。有學(xué)者在綜合前人研究發(fā)現(xiàn),利用Sr/Ba可判別巖石的成因,發(fā)現(xiàn)Sr/Ba小于 1時(shí)一般在熱液成因的巖石中出現(xiàn),Sr/Ba大于 1時(shí)常在沉積成因的巖石中出現(xiàn)[7];張家埡磷礦床磷塊巖的Sr/Ba為0.17~0.72,比值小于1,反映在沉積過(guò)程中有熱液加入?yún)⑴c沉積。

      表2 張家埡磷礦床磷塊巖微量元素含量(×10-6)及相關(guān)參數(shù)Table 2 Trace element data and relevant parameters of phosphorite in Zhangjiaya(×10-6)

      根據(jù)表2微量元素?cái)?shù)據(jù),張家埡磷礦磷塊巖樣品ωU含量為 2.12×10-6~2.71×10-6,平均2.42×10-6;ωTh含量為 0.49×10-6~6.47×10-6,平均3.21×10-6;ωCo含量為 3.29×10-6~8.17×10-6,平均5.61×10-6;ωNi含量為 16.42×10-6~54.60×10-6,平均 35.89×10-6。Co/Ni的比值為 0.14~0.2,明顯遠(yuǎn)小于1,反映出熱水沉積作用的特征[5-6,8]。

      2.3 稀土元素特征

      根據(jù)稀土元素分析數(shù)據(jù)(表3),塊狀磷塊巖中稀土元素總量∑REE 為 90.61×10-6~111.29×10-6,平均為 100.95×10-6;白云質(zhì)條帶磷塊巖稀土元素總量∑REE為25.60×10-6;泥質(zhì)條帶磷塊巖中稀土元素總量∑REE為 131.18×10-6~138.67×10-6,平均為 134.93×10-6。塊狀磷塊巖、泥質(zhì)條帶磷塊巖中稀土元素總量比白云質(zhì)條帶磷塊巖中的高很多。各類(lèi)磷塊巖樣品中Y的含量范圍在 6.08×10-6~23.95×10-6,塊狀磷塊巖、泥質(zhì)條帶磷塊巖中Y明顯富集。LREE/HREE大小能顯示REE的分異程度,大于1時(shí)表明輕稀土富集,數(shù)值越大說(shuō)明越富集[5,9-10]。張家埡磷礦床磷塊巖的 LREE/HREE范圍為 2.20~3.39,具有顯著的輕稀土富集,重稀土虧損的特征。LaN/YbN為0.877~1.494,反映了稀土分異程度一般;LaN/SmN為0.659~1.146,反映了輕稀土無(wú)分異;GdN/YbN為 1.246~1.518,反映了重稀土分異程度一般。

      表3 張家埡磷礦床磷塊巖稀土元素含量(×10-6)及相關(guān)參數(shù)Table 3 REEs data and relevant parameter of phosphorite in Zhangjiaya(×10-6)

      3 討論

      3.1 磷塊巖形成與熱水作用相關(guān)

      有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),多數(shù)情況下,Th的含量在沉積巖與其他地質(zhì)體中均高于U的含量;然而熱水沉積有較高的沉積速率,常常相對(duì)富含U,故熱水沉積巖中 U/Th大于 1,而非熱水沉積巖中U/Th小于1[4-5,11]。研究區(qū)塊狀磷塊巖、泥質(zhì)條帶磷塊巖U/Th為1.40~4.33,大于1,表明沉積環(huán)境受熱液活動(dòng)影響明顯,說(shuō)明兩種磷塊巖礦層有熱水沉積物的特征;白云質(zhì)條帶磷塊巖 U/Th為0.4,該類(lèi)磷塊巖具有非熱水沉積巖的特征,反映研究區(qū)內(nèi)磷塊巖的沉積過(guò)程具有熱水沉積與非熱水沉積的交替性。

      Eu以Eu2+形式出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致熱流體Eu正異常,反之則出現(xiàn) Eu的負(fù)異常[12]。張家埡磷礦床磷塊巖中稀土總量高,δEu為1.001~1.178,Eu呈明顯的正異常,且輕稀土元素和重稀土元素分異程度一般,表明磷塊巖形成于被動(dòng)大陸邊緣的熱水沉積作用。

      3.2 磷塊巖沉積于陸緣海且為氧化環(huán)境

      Wright等定義鈰異常(Ce_anom)為Ce與相鄰的 La和 Nb的相對(duì)變化,其公式為:Ce_anom=log[3CeN/(2LaN+NbN)],將稀土元素以北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化時(shí),Ce_anom的還原邊界定為-0.01,Ce_anom<-0.01時(shí)反映氧化條件,Ce_anom>-0.01時(shí)反映厭氧條件[13-14]。張家埡磷礦床磷塊巖中各類(lèi)磷塊巖樣Ce_anom為-0.14~-0.17,顯示該磷塊巖沉積時(shí)的氧化環(huán)境。

      Ilyin的研究表明:磷塊巖可形成于陸緣海和陸表海兩種沉積盆地中,前者多呈明顯的 Ce負(fù)異常,且 Ce異常程度與海水深度呈正比,而后者多呈 Ce正異?;驘o(wú)異常[15]。其原因在于前者與大洋直接相連,其中沉積的磷塊巖繼承了大洋中海水的REE組成特點(diǎn),而后者與大洋相對(duì)隔絕,沉積的磷塊巖的物質(zhì)來(lái)源主要為周?chē)箨?,由此判斷張家埡磷礦床磷塊巖屬于在陸緣海的沉積盆地中形成,且塊狀磷塊巖、泥質(zhì)條帶磷塊巖 Ce虧損更加明顯(圖1),判斷塊狀磷塊巖、泥質(zhì)條帶磷塊巖的沉積水深應(yīng)大于白云質(zhì)條帶磷塊巖的沉積水深。

      3.3 磷塊巖沉積過(guò)程有海相熱水流參與

      磷塊巖稀土元素北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化模式圖中,曲線(xiàn)表現(xiàn)水平狀,Ce元素負(fù)異常明顯(圖1),為較典型的海相熱水沉積物稀土配分模式[16-17],反映在正常的海相沉積過(guò)程中有海相熱水流的加入。

      圖1 張家埡磷礦床磷塊巖稀土元素北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化分配模式圖Fig.1 REEs distribution of the phosphorite in Zhangjiaya

      在 lgω(U)-lgω(Th)的關(guān)系圖上,熱水沉積物與正常遠(yuǎn)洋沉積物都有各自的集中區(qū)[18](圖2)。將張家埡磷礦樣品中 lgω(U)和 lgω(Th)的數(shù)值進(jìn)行投點(diǎn),點(diǎn)位落在正常遠(yuǎn)洋沉積與古熱水噴溢沉積之間,表明本區(qū)磷塊巖在正常沉積的過(guò)程中可能有海相熱水流的加入。

      圖2 張家埡磷礦床磷塊巖lgω(U)-lgω(Th)的關(guān)系圖Fig.2 LgωU-lgωThcorrelativity diagram of the phosphorite in Zhangjiaya

      3.4 磷塊巖沉積物質(zhì)來(lái)源于陸緣海周?chē)男鋷r

      在LaN/YbN-REE圖解[5]中,張家埡磷礦床磷塊巖樣品結(jié)果主要落在大洋拉斑玄武巖區(qū)域(圖3),表明可能為海底與玄武巖有關(guān)的海底熱液作用;僅白云質(zhì)條帶磷塊巖樣品落在玄武巖區(qū)域附近,可能為陸緣海周?chē)男鋷r風(fēng)化淋濾。

      圖3 張家埡磷礦床磷塊巖LaN/YbN-REE圖解Fig.3 LaN/YbN-REE diagram of the phosphorite in Zhangjiaya

      3.5 相關(guān)性判定

      學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),Ce異??赡苁艿匠蓭r作用的影響,但成巖作用往往同時(shí)形成Ce異常和Eu異常的正相關(guān)關(guān)系,以及 Ce異常與總稀土含量之間的正相關(guān)關(guān)系[11,19-20]。張家埡磷塊巖樣品的δEu與δCe的相關(guān)系數(shù)R2=0.0545,無(wú)明顯相關(guān)性(圖4);∑REE與δCe的相關(guān)系數(shù)R2=0.0256,也無(wú)明顯相關(guān)性(圖5)。表明成巖作用對(duì)張家埡磷塊巖稀土配分模式的影響較小。

      圖4 張家埡磷礦床磷塊巖δEu與δCe的相關(guān)性Fig.4 Correlation of ΔEu and δCe of phosphorite in Zhangjiaya

      圖5 張家埡磷礦床磷塊巖∑REE與δCe的相關(guān)性Fig.5 Correlation of ∑REE and δCe of phosphorite in Zhangjiaya

      4 結(jié)論

      本區(qū)磷塊巖形成與熱水作用相關(guān),沉積形成于陸緣海且為氧化環(huán)境,磷塊巖沉積過(guò)程有海相熱水流參與,磷塊巖沉積物質(zhì)來(lái)源于陸緣海周?chē)男鋷r,可能為海底與玄武巖有關(guān)的海底熱液。樣品中 ω(Sr)和ω(Ba)含量均大于克拉克值,與生物富集有關(guān);Sr/Ba為0.17~0.72,反映在沉積過(guò)程中熱液加入?yún)⑴c。Co/Ni明顯小于 1,U/Th大于 1,表明有熱水沉積作用,沉積環(huán)境受熱液活動(dòng)影響明顯;在 lgω(U)-lgω(Th)的關(guān)系圖中,樣品落在古熱水噴溢沉積、正常遠(yuǎn)洋沉積與古熱水噴溢沉積之間,表明本磷塊巖在正常沉積的過(guò)程中可能有海相熱水流的加入。磷塊巖稀土元素北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化模式圖中,曲線(xiàn)表現(xiàn)水平狀,Ce元素負(fù)異常明顯,為較典型的海相熱水沉積物稀土配分模式,反映在正常的海相沉積過(guò)程中有海相熱水流的加入;各類(lèi)磷塊巖樣 Ce_anom為-0.14~-0.17,顯示該磷塊巖沉積時(shí)為氧化環(huán)境。通過(guò)對(duì)樣品的δEu和δCe以及∑REE和δCe相關(guān)系數(shù)的計(jì)算,其數(shù)值均較小且無(wú)相關(guān)性,表明成巖作用對(duì)張家埡磷礦床磷塊巖稀土配分模式的影響較小。

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