怀化磷矿矿床地质及控矿因素

摘要：本文根据矿床地质、岩相、古地理、介质等控矿因素浅析怀化磷矿成矿机制，指导找矿。

关键词：磷矿；矿床地质；控矿因素；怀化磷矿P2O5

现阶段，我国磷矿资源P2O5平均含量为16.58%的占探明资源的80%左右，杂质含量高且复杂，除部份富矿（如怀化磷矿是湖南省一重要的磷矿基地之一，交通极为方便，其探明资源1392.8万吨，P2O5含量平均22.45%的只有514.6万吨）可直接作商品矿用，一般均需进行选矿处理。

怀化磷矿筹建于1965年7月，并在次年着重井巷基本建设，由年产2-3万吨，扩大到年产10万吨，最高峰曾达年产20多万吨，是一个有近47年开采历史的老矿山。在矿井开采实践中，累积了大量的地质资料，本文学习探讨怀化磷矿矿床地质及控矿因素，对怀化磷矿探明新增储量、寻找富矿、延续矿山服务年限，保证省内外磷肥厂生产钙镁磷肥，支援农业生产有着重要的现实的指导意义。

1　矿区地质

矿区为一复式背向斜盆地，壶天灰岩分布于盆地边缘，盆底由寒武震旦系板岩、砂质岩、白云岩组成，呈低山丘陡地形，海拔220～550米，高差330米。区内沟谷深切、悬崖陡壁。三条小溪从南东向北西流径矿区，于矿部汇合流出。其出露地层为：

1.1　震旦系

（1）下统南沱冰碛岩组（Zant）

暗灰绿色厚层状砂砾岩、含砾砂质板岩。顶部有一层含砾石英砂岩或石英砂岩的透镜体，厚度不详。

（2）上统陡山沱组（Zbd）

矿区平均厚70米左右，西南部最大厚152.85米，东北部减薄至14米左右。陡山沱组可分两个韵律5个岩性段，矿体赋存于第二韵律底部。

（3）上统灯影组（Zbdy）

下部为灰黑色的矽质岩，夹黑色炭质矽质板岩，炭质板岩，有的地段夹一层厚约1米的含炭质石英砂岩。

中部自下而上为黑色中厚层矽质岩夹黄绿色薄层板岩、浅灰色矽质岩夹矽质板岩。

上部为黑色炭质板岩夹矽质板岩。在矽质岩薄层中含钙矽质结核。

1.2　寒武系下统小烟溪组（∈1x）

下部为炭质板岩夹薄层矽质板岩，底部普遍有一层含磷钙矽质结核。

中部为炭质板岩，局部夹一层似层状石煤。

上部为炭质板岩夹灰岩透镜体及含铁板岩。

1.3　石炭系中上统壶天群（C2＋3）

底部为紫灰色钙质砂砾岩或砾岩，砾石成份、矽质岩、脉石英、石英砂岩、板岩等。滚园度及分选性差，钙、泥质胶结。东南部发育，南及西南部为含砾灰岩。

中部为厚层白云岩与白云质灰岩互层。该层的中上部为浅灰色粗晶白云岩，底部有一层厚层状灰岩。

上部为白云质灰岩夹数层黄色钙质页岩及薄层假角砾状灰岩。

1.4　二迭系下统黔阳煤组（P1q）

灰白色中厚层状细粒石英砂岩夹黑色炭质页岩，局部夹黄绿色页岩、白色、黄褐色软质粘土及劣质烟煤一层。

1.5　第四系（Q）

棕黄色粘土、砂土、粉砂土及黑色腐殖土。

2　构造

矿区由震旦系——寒武系组成背向斜构造，中上石炭统壶天群分布在矿区四周；在地貌上构成“天窗式”剥蚀构造盆地（见图1）

2.1　求雨塘——牛角溪向斜

位于矿区北部，长1900余米，宽500-900米，北翼产状平缓，倾角3-6度；南翼产状30-60度。构造线呈弧形，13线以西轴向南西西，13线以东轴向北北东。东端隐蔽于壶天灰岩之下，西部消失在9线附近，轴部矿层埋深37-150米（标高220米左右），怀化磷矿的工业储量仅限于向斜构造之中。

2.2　山羊头——鹰咀岩背斜

位于矿区南部，长1800米，宽500米。轴向呈反“S”形，东部隐蔽于壶天灰岩之下，向南南西逐渐消失。背斜南翼产状12-30度，轴部出露地层为南沱冰碛岩组。

矿区内次一级小褶皱很发育，且在不同的岩层中有着不同的表现形式：如燧石层中常见较紧的不协调褶皱，波高30余米。

3　矿床地质

3.1　含磷岩系

陡山沱组——含磷岩系，可划分5个岩性，自老而新为：

（1）灰白色厚层状中一细粒白云岩，含团块状、星点状黄铁矿，该层常有一些石英细脉穿插。向斜在13线以东本层相变为褐红色含铁板岩夹次生淋滤的褐铁矿。厚度东薄2.33-6.90米西厚到3.29-18.38米，背斜南翼一般厚1.05-4.65米。

（2）板岩：下部为深灰、灰白相间的条带状薄层钙泥质板岩，夹少量白云岩透镜体及丝状、星点状黄铁矿。上部为灰白色钙质板岩与黑色炭质板岩互层。单层厚0.5-2.0厘米，钙质板岩自下而上层次减少，厚度变薄，而炭质板岩则与之相反。炭质板岩中常见丝状、星点状黄铁矿，而且愈靠上部普通只有丝状，透镜状黄铁矿，而且愈靠上部普通只有丝状、透镜状磷块岩。3线以东矿层底板P2O5平均含量12.22%，3线以西矿层底板P2O5平均含量8.03%。

（3）磷矿层：厚1.08-9.37米，P2O5含量为8-24%，磷块岩与含磷白云岩（或泥质板岩）常构成典型的条带状构造。

（4）含磷白云岩：3线以西矿层顶板深灰色，细至隐晶质，中厚层含磷白云岩、常见星点状、团块状黄铁矿，并有石英至方解石细脉及磷灰石细脉穿插，细脉厚1-5厘米。含磷白云岩厚2.03-18.37米；含P2O55-12%，矿层直接顶板含P2O5平均6.76%。

3线以东：为浅灰绿色隐晶质；泥质含磷白云岩，常见丝状（1-2毫米）、星点状、团块状黄铁矿，含磷白云岩厚1.71-8.81米，矿层直接顶板P2O5平均含量6.73%。

（5）黑色薄层炭质板岩含碳矽质板岩组成。背斜南翼0.94-3.88米，3线以东厚5.68-8.50米，3线以西厚2.54-11.42米。

总的来看，含磷岩系是一种以钙质为主的多组分沉积物，介于碎屑沉积与化学沉积之间的过渡类型。从含矿岩性可见矿区东北向西南依次出现板岩、板岩夹碳质板岩、碳质板岩夹板岩、板岩夹白云岩、板岩夹灰岩。

3.2　磷矿层特征

（1）矿体呈层状，顶板为含磷白云岩为标志层。矿层由黑色、暗灰色薄层条带状胶磷块岩、白云岩和板岩夹层组成。矿石条带厚2-7厘米，由数个条带组成一个单层，单层厚4-20厘米不等。3线以东矿石条带密集，夹石少而薄；3线以西则相反，矿层中含磷白云岩条带增多、增厚。矿层中微型褶皱、断裂、裂隙十分发育，但造成的破坏作用甚少。

（2）矿石的物质成份和结构构造

①　矿石的物质成份（见表一）

胶磷矿：占矿物含量的30-80%，一般为50-65%，3　线以东胶磷矿岩中胶磷矿的含量70-80%，3　线以西占40-60%，胶磷矿多为隐晶质块状、条带状、褐色、灰褐色，一般具均质性。

磷灰石：分布不均匀，占矿物含量的1-20%，多为粒状，一般粗大石英脉附近的胶磷矿及石英脉有零星的不规则磷灰石分布。

白云石：占矿物含量的0-20%，是胶磷矿的主要脉石矿物，以脉状、碎屑状及碎屑集合体的形式分布在胶磷矿中。

炭泥质：含量占5-20%，以泥质为主，多呈细分散状不均匀的分布在胶磷矿中。

石英：含量占5-20%，常与白云石组成混合矿脉，也有少量石英碎屑稀疏分布在胶磷矿中。

磷灰石——方解石——石英细脉；少量常穿插在胶磷块岩中。

黄铁矿：含量不多，但较常见，一般呈立方体，大小不等。

②矿石的结构构造

矿石呈隐晶质结构和自形晶结构，胶磷矿组成石基底，重结晶的磷灰石呈自形晶稀疏分布或密集嵌结其中，粒状白云石和炭泥质亦渗集其间。矿石多呈均质块状构造、条带状构造，有时可见结核状构造，假角砾状构造，搅动构造，矿石中有时可见假鲕状结构。

③　矿石的物理性质

胶磷矿为褐-黑褐色，微密坚硬、介壳状断口，层间常夹炭质、泥质薄层，地表矿石的自生自形晶黄铁矿氧化成假像褐铁矿或残留空间，此外，在磷块岩的裂隙中发育着磷铝石。

3.3　矿层的厚度、品位变化

整个向斜深部矿层平均厚度2.17米，深部平均品位P2O520.16%。地表矿层平均厚度1.85米，平均品位22.18%。3线以东矿层（深部）厚0.87-3.49米，平均厚1.91米；P2O512.48-26.36%，平均品位22.28%；3线以西矿层厚0.48-3.82米，平均厚2.42米；P2O5品位12.75-24.54%，平均品位18.03%。背斜南翼地表矿层厚0.89-3.37米，平均厚1.80米；P2O5品位16.11-26.43%，平均品位20.60%，深部P2O5含量8-12%。

3.4　有益有害组分及其与P2O5的变化关系

（1）CO2、MgO、CaO与P2O5的关系

CO2的含量与P2O5的含量为反消长关系，CO2含量20%；

MgO的含量与P2O5也为反消长关系，MgO　含量20%；3线以西P2O5含量15-18%的地段，MgO平均含量7.67%。

CaO含量变化为25-35%，与P2O5无明显规律可循。

CO2与MgO为同步消长关系：3线以东MgO平均含量0.7%，CO2平均含量2.85%；3线以西MgO含量7.48-8.61%，CO2高达18.19-21.63%。

（2）SlO2、Al2O3、Fe2O3与P2O5的关系

SlO2、Al2O3、Fe2O3与P2O5的依存关系明显：SlO2含量达20-25%时，P2O5含量大于20%；Al2O3含量达3-5%时，P2O5含量往往大于20%。Fe2O3与P2O5之间规动性不强，但3线以东矿层稳定地段，Fe2O3等位线比较规则，含量变化为6-10%。

（3）炭、硫

矿区3线以东深部矿石含硫、炭均高，具有自燃性，燃烧时虽污染空气，但燃烧后能提高商品品位。

（4）氟：磷矿层中含氟较高，其含量变化范围0.92-2.37%，氟与P2O5的比值大约为1：14的关系。

（5）铀：矿区虽有个别高点，但由于铀以次生淋滤的方式富集，故延展有限，厚度0-0.5米，长度2-20米不等，3线以西平均含量为0.000%，3线以东铀平均含量为0.001%，背斜南翼平均含铀0.001%无开采价值。

（6）K2O矿区3线以东地表平均含量为1.74%，地下K2O平均含量1.41%；3线以西K2O平均含量为0.7%。

（7）有效磷（P2O5），3　线以东深部平均为3.65%，地表平均为4.83%；3线以西较低为2.01%。

（8）SO"4二号主井地下水中开采初期含SO"44665毫升/升，平均达2406毫克/升。

（9）其他伴生元素（SrO、V2O5、Ni、Y2O3、C2O2、La2O3、C1、1、TiO2）含量不高，无利用价值。

总之，矿区地表矿石和3线以东矿石与3线以西比较，P2O5较高，有效磷、Fe2O3增高，　CaO、MgO显著降低。

3.5　矿石类型

（1）自然类型：按矿石结构、构造、矿物成分及夹石特征划分为：上部为条带状磷块岩矿石夹含磷白云岩，下部矿石为炭质板岩夹带状、透镜状胶磷块岩。

（2）工业类型：按照矿石的化学成分可将矿区划分为如下几个工业类型（见图2）：3　线以东主要是混合磷酸盐类、钙铝型，该类型矿石占矿区整个资源的43.58%；3　线以西多为镁钙磷酸盐类、钙磷酸盐型矿石，矿石中的P2O5平均含量低于3线以东，该类型矿石占矿区整个资源的56.42%。

4　控矿因素

4.1　含磷层位

怀化磷矿位于杨子准地台的二级构造单元——江南地轴的北西侧，　属于我国南方震旦系的扬子型，其类型震旦系广泛分布于包括康滇地轴以东的云南东部、四川、贵州省大部分和湖北、湖南西部以及长江下游的沿岸地区，即晋宁运动后形成的扬子地台区。

对于含磷层位是寻找磷块岩矿床最主要的找矿地质前提。怀化磷矿含磷层位是震旦系陡山沱组，而陡山沱组是我国南方的主要含磷层位。

4.2　岩相条件

（1）岩石组合

上震旦系陡山沱组沉积时，怀化磷矿矿区中部向北、东、南三面含磷岩系厚变至小于20米，向南西变至153.70米。碳酸盐相由南向北，由西南向东北逐渐尖灭，而板岩相，特别是碳质板岩相则从北向南或北东向南西变薄至尖灭（见图3、图4）。

说明陡山沱期矿区之北、东、南三面水体较浅，为水下相对隆起区，南西水体较深，为海湾出口，沉积物主要从北东带入盆地。磷矿分布在板岩相与白云岩、灰岩-灰岩的过渡带上，受其过渡相-板岩、白云岩、灰岩相所控制。其中富矿则分布在板岩与白云岩-板岩相的过渡带上。

（2）磷块岩层在含磷岩系中的分布

磷酸盐的物理化学性质表明，它在酸性介质中溶解，在碱性介质中发生沉淀，根据中国科学院所做的CaO—P2O5—水相平衡实验，磷酸钙在pH=8左右时大部分沉淀完全。由于磷酸钙较白云石的溶解度小，因此，它的沉积早于白云岩，这种性质决定了，在地史中磷酸盐很可能出现于磷酸性介质中沉积的黑色页岩到白云岩，表明介质的pH逐浙增高。

因此，我们在找磷矿时，要特别注意以黑色页岩，炭质板岩为主的沉积层向以白云岩为主的镁质碳酸盐层过渡的层位。在这两套岩系的接触带中寻找磷矿层。

（3）古地理条件

矿区含磷岩系厚度由东向西增厚，岩相夹少量泥质白云岩的泥质白云岩-铁质、灰质-钙质板岩相而变为夹较多的白云岩的白云岩-灰质、钙质板岩相，显示东部地形较高，海水较低，为半封闭状态“海湾”或“盆地”的海底高地。而富矿亦分布在海底高地的附近。

（4）古气候条件

现已证明磷酸盐主要形成于南北42度的热带和亚热带的范围内，在此范围内潮湿和干燥的气候条件下均可形成磷块岩。但在干燥气候条件下磷酸盐的　积强度要大于潮湿带的堆积。一些大型的磷块岩矿床多形成于干燥气候条件下。含磷岩系中大量白云岩的出现，以及部分红色和石膏、岩盐假晶　层的出现也反映了这种气候环境。

（5）古生物

很多含磷岩系或磷块岩层本身都含有多种生物化石，从低等的藻类化石一直到高等的脊椎动物化石都有。因此，磷块岩与古生物之间的关系在很多矿床中明显的表现出来，并且成为寻找磷矿的一个重要标志。

（6）地球化学持征

1.锰

在海相沉积中，磷往往沉积于铁矿和锰矿之间，三者关系密切，并构成由盆地边缘向内部过渡的成因系列。因此，有的鲕状铁矿中也含磷，磷矿石中也含锰。锰矿与磷矿在一个海侵剖面中垂直距离不远，磷矿的位置较低。在含磷岩系中常含有锰质碳酸盐，怀化磷矿磷锰矿呈透镜状，呈黑褐色、钢灰色，致密坚硬，比重大，含锰高达45.64%，因此，锰质沉积是寻找磷矿的一个重要标志。

2.铀与钍

铀在一般磷块中含量都比较高，其中一部分是以吸附的形式赋存于胶磷矿中，一部分是以类质同像交代Ca2+。在怀化磷矿1号井γ值很高。因此，在怀化磷矿区域寻找磷矿，可用放射性测量法。

3.钒、镍、铜、银及稀土元素

黑色页岩及炭质页岩中除了含铀、钍等放射性元素还常含有钒、镍、铜、银、稀土等多种金属元素。

4.钾

怀化磷矿磷矿中含钾化较高。

综上述特征矿物，怀化磷矿、锰、铀等局部形成了富矿。

（7）介质条件及富集机理浅析

磷矿形成受制于半封闭状态“海湾”或“盆地”。矿石中含丰富的有机质，常含有颇多的黄铁矿，常与黑色碳质页岩共生。矿石为胶状结构，假鲕状、条带状，层状构造、水平原理发育。矿石矿物组合为胶磷矿、磷灰石、炭泥质，白云石、黄铁矿、重晶石、炭泥质，黄铁矿含量较高。说明磷矿形成时介质为温暖湿润安静的弱碱-碱性的还原环境，磷矿富集以化学作用为主。

半封闭状态“海湾”或“盆地”的各个部位的PH值是不一致的，其中的正向形（海底高地及附近），海水较浅，PH值较高，负向地形，海水较深，PH值较低。自海盆深处的富含P2O5和碳酸盐上升洋流，进入“海湾”或“盆地”以后，负向地形PH值适宜碳酸盐沉积。碳酸盐沉积迅速，故形以碳酸为主，厚度大，品位低的含镁钙型、钙型贫矿。正向地形（海底高地及其附近）PH值适宜于P2O5沉积，在泥质、硅质，有机质的吸附作用下，P2O5缓慢沉积，故形成以磷酸盐为主，品位较高但厚度较薄的硅型，钙铝型富矿（见图5）。由于上升洋流的活动是周期性的，因而形成互层状，条带状韵律构造。

震旦系陡山沱组地层在怀化磷矿区域广泛发育，从1976年9月湖南省革命委员会地质局407队提交的《湖南省怀化县花桥矿区补勘探报告》，其交储量1392.8万吨，其中探明B级储量190.21万吨，C1级储量812.9万吨。工业储量B+C1级1003.2万吨。这些数字足以证明说明怀化磷矿不管从矿床地质或岩相或古地理及介质特别是成矿时代和地层指含磷层位是寻找磷矿床最主要的找矿地质前提，予以以重视，是今后找磷矿的指南，对一个老矿山扩大矿区找矿是十分重要。作者在此班门弄斧，不到之处，请批评指正。

参考文献：

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