盧仁甫，黃 培

(貴州省煤田地質局一一三隊,貴州貴陽550008)

1 概論

在人類耐以生存的地殼里,由于自然地理和地質構造復雜,蘊藏著豐富的復雜多樣的礦產資源。但是,近年來特別是我國境內不合理的大面積開發(fā)利用,資源破壞嚴重,有的資源面臨枯竭。不但造成資源浪費,同時也給技術人員對礦床研究帶來諸多困難,為我國礦產資源合理開發(fā)利用造成諸多隱患。不同的礦產資源,形成條件不同,其形成機制大不一樣；同一種礦產資源,因其成礦背景、成礦構造的差異,其形成機制也不相同,方解石礦就如此。本文通過對貴州省岑鞏縣水尾鎮(zhèn)及其周邊地區(qū)的成礦地質背景和控礦地質因素分析,闡述岑鞏縣水尾方解石礦的形成機制,為尋找同類型礦產資源和開發(fā)利用提供參考,希望對今后的地質工作者們有所裨益和幫助。

2 方解石礦床及其分類

2.1 方解石礦床的概念及其涵義

方解石礦床是指在地殼中由成礦地質作用形成的，其所含有用礦物資源碳酸鈣CaCO3的質和量符合當前經濟和技術條件,并能被開發(fā)和利用的CaCO3集合體。它包括方解石礦體、夾石和圍巖3部分。

方解石礦床有時為一個礦體,多數(shù)情況為多個礦體組成。方解石晶體形狀多種多樣,它們的集合體可以是一簇簇的晶體,也可以是粒狀、塊狀、纖維狀、鐘乳狀、土狀等等。敲擊可變成方形碎塊,故名方解石。

2.2 方解石礦床類型

方解石礦床形成有巖漿接觸交代作用形成、巖漿期后熱液作用形成,也有火山熱液作用形成,又有風化作用和沉積作用形成,還有變質作用形成。所以,方解石礦床可分為：巖漿礦床、熱液礦床、風化礦床、沉積礦床。岑鞏縣水尾方解石礦床屬圍巖蝕變低溫熱液構造裂隙礦床。

3 礦床地質特征

3.1 圍巖特征

圍巖為奧陶系下統(tǒng)紅花園組、桐梓組、寒武系上統(tǒng)爐山組地層,巖性為中至厚層致密塊狀粗晶細晶灰?guī)r、白云質灰?guī)r、白云巖。主要成分為CaCO3和CaMg(CO3)2。巖體密度約2.2～2.9,堅硬,性脆,巖溶發(fā)育。

3.2 構造及其演化

主要區(qū)域性構造有萬山背斜。一級斷裂：銅仁斷裂、萬山斷裂、肖家灣斷裂。次級斷裂：水尾斷裂等。方解石成礦帶屬于水尾斷裂的次級斷裂。經過多次構造運動之后，礦區(qū)內無褶皺,地層走向北東3°～15°,傾角5°～12°,一般10°；礦區(qū)內有4條斷層,即逆斷層F2、F4，正斷層F3、F7。隨著不同時期發(fā)生的構造運動,都會形成不同級次構造體系。加里東運動,該地區(qū)開始臺升,出現(xiàn)水尾正斷層和儲礦斷層等；印支運動,地層出現(xiàn)不均勻沉降,整體為上升趨勢,產生一系列的擠壓構造,如萬山背斜的雛形、逆斷層萬山斷裂、龍鰲沖斷裂、肖家灣斷裂等；海西運動,地層相對平穩(wěn),但仍有一定的穩(wěn)步上升,對該地區(qū)影響不大。燕山運動,巖漿活動明顯,附近梵凈山穹隆和萬山背斜基本成型,大量擠壓構造出現(xiàn),如銅仁斷裂等；喜馬拉雅運動,梵凈山穹隆和萬山背斜完成,各斷裂帶進一步加大,風化剝蝕更加強烈。構造演化過程如圖1所示。

3.3 巖相古地理

巖相分海(深海、淺海、濱海)相、海陸過渡(瀉湖、海灣等)相、陸(河流、湖泊等)相3大類。從區(qū)域地層的顏色、結構、構造、古生物化石等進行分析:元古界為淺海變余砂巖,變質砂巖相；震旦系為淺海砂、泥巖相；寒武系為淺海砂泥巖、白云巖、白云質灰?guī)r相；奧陶系為淺海灰?guī)r相。巖相古地理變化過程如圖1所示。

3.4 礦體特征

礦體發(fā)育于一條小斷裂帶內,斷距20m,與斷裂帶產狀一致,呈似層狀,走向近南北向,地表呈條帶狀,延走向長5.43km；傾向83°,傾角陡,一般80°,向下延深100多米,后逐漸尖滅,與構造延深基本一致。礦體地表平均厚度4.56m,夾石剔除厚度為2.00m。礦體內局部出現(xiàn)巖溶現(xiàn)象,礦體傾向與圍巖傾向有一定交角,為38°左右。夾石為灰、淺灰色石灰?guī)r、白云質灰?guī)r碎塊。局部有開采痕跡,露天開采為主。

3.5 礦石特征

（1）物理特征：白色,風化呈淺黃色,條痕色白色,無味、無臭,玻璃光澤,硬度3,視密度2.71t/m3,抗壓強度為27.04MPa,呈晶族，致密塊狀,大部分晶體呈平行六面體,少部分呈塊狀、角礫狀,白度89.16%。

（2）化學特征：礦石遇稀鹽酸、硫酸劇烈起泡。主要化學成分：CaO=55.14%,SiO2=0.18%,Fe2O3=0.036%,CaCO3=98.51%,MgO=0.63%,Pb=40.0×10-6,As=5.08×10-6,Ba=36.0×10-6,TS=0.011%。

（3）結構：主要為粗晶結構,少量為細晶結構,夾石為灰色、淺灰色角礫狀灰?guī)r、白云質灰?guī)r。

（4）構造：塊狀、角礫狀構造,內、外生節(jié)理、裂隙發(fā)育,含灰?guī)r、白云質灰?guī)r包裹體。

3.6 成礦期次與階段

（1）加里東期：該地區(qū)上升為陸,沒有沉積。早期,該地區(qū)不斷抬升,重力作用,局部巖層隆起出現(xiàn)拉申斷裂(正斷層),如水尾正斷裂及其伴生斷裂就在此時形成。此類斷裂的形成為礦床的形成提供了導礦通道和儲礦空間。

（2）海西期：整個地殼比較穩(wěn)定,早期(泥盆紀至石炭紀)只有升降運動,形成許多陷落盆地。后半期(石炭紀末到二疊紀),發(fā)生褶皺運動,將俄羅斯地塊和西伯利亞地塊連接起來,形成亞歐大陸的雛形。由于礦區(qū)處于亞歐大陸南部邊緣,海西運動對該地區(qū)影響不大。上覆地層繼續(xù)風化剝蝕,山、谷繼續(xù)剝蝕加深。

（3）印支期：改變了中國“南海北陸”的局面。海水退至新疆南部、西藏和滇西一帶,仍屬特提斯型海域；長江中下游和華南地區(qū)大部分已由淺海轉為陸地。從此中國南北陸地連為一體。該地區(qū)出現(xiàn)一系列擠壓構造(為成礦提供熱液,加快了圍巖蝕變)。繼續(xù)接受風化剝蝕,山變得更陡,出現(xiàn)陡崖,谷變得更深,中晚奧陶紀的地層已經被剝蝕。

（4）燕山期：形成了大量褶皺斷裂山地和小型斷陷盆地。該地區(qū)繼續(xù)臺升和接受風化剝蝕。早期，早奧陶紀的地層大灣組部分被剝蝕,礦體部分也被剝蝕出露地表；中后期,紅花園組、桐梓組部分被剝蝕,大灣組、爐山組大部分被剝蝕,同時大部分礦體也被剝蝕。

（5）喜馬拉雅期：礦區(qū)附近梵凈山穹窿突現(xiàn),該地區(qū)繼續(xù)臺升和接受風化剝蝕,大灣組、紅花園組、桐梓組絕大部分被剝蝕,礦體絕大部分也被剝蝕；清水江組部分被剝蝕,爐山組大部分被剝蝕,同時礦體絕大部分也被剝蝕,最后殘留現(xiàn)存的極少部分礦體,即今天的水尾方解石礦床。

4 水尾方解石礦床的形成機制4.1 地質條件

（1）地層：地層為后期礦產的形成提供主要物質來源。形成方解石礦床的地層必須滿足2個條件：首先,必須含有大量的Ca2+、CO32-離子；其次,該地層有利于圍巖蝕變。水尾方解石礦床的圍巖為灰色中至厚層狀粗晶或細晶灰?guī)r、白云質灰?guī)r、白云巖,富含Ca2+、CO32-離子,保證了礦床Ca2+、CO32-離子的充足來源。這些地層均能滿足上述要求。

（2）構造：構造可為后期礦產的形成提供低溫熱源、儲礦空間和導礦空間。主要控礦構造有銅仁斷裂、肖家灣斷裂、水尾斷裂。

（3）巖漿活動：區(qū)內地表未見巖漿巖,但深部應該有巖漿巖的存在,因為構造運動往往與巖漿活動有關。

4.2 物質來源

水尾方解石礦的物質來源主要源于圍巖熱解蝕變；其次,海水的滲透提供了少量的物質來源。

圍巖中富含CaCO3。洋殼中CaO含量為11.3×10-6,Ca含量為8.08×10-6。常溫下CaO遇水生成Ca(OH)2,Ca(OH)2與CO反應生成CaCO3,CaCO3在一定條件下與水反應生成Ca(HCO3)2,Ca(HCO3)2被搬運到一定環(huán)境中又分離出CaCO3并釋放出H2,因此,自然界中的鈣和碳往往以CaO、CaCO3和CO2氣體的形式存在。圍巖和海水提供了豐富的物質來源。

4.3 流體來源

由于拉伸構造提供了儲礦空間和導礦通道,因此,流體來源主要靠海水滲透,擠壓構造使大量海水進入空間、通道,提供了熱液,加快了圍巖蝕變,還補充了大量的有利于方解石合成的Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-粒子和H2O，為礦石的合成提供了部分CO2物質。

4.4 形成溫度

常壓下,0℃～100℃范圍內,可通過Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、H2O這些物質合成CaCO3的2種變體方解石和文石。0°～25°時,文石棒狀單晶以集合體的形式存在。也可以采用附晶生長法,在50℃～90℃范圍內定向合成文石和方解石,并且,隨溫度的增高,合成速率越快。通常,海水的溫度都在20℃以上,100℃以下。

4.5 形成過程

（1）圍巖的形成及其后期變化：水尾方解石礦的圍巖形成于早奧陶紀和晚寒武紀,距今約5億年,為深海相沉積。物質主要為CaCO3,靜海環(huán)境中形成。其形成過程經歷沉積、成巖、后生3個地質作用階段。

①沉積階段：在寒武紀以前,直到寒武紀中期,這里已經變成深海。大陸中的巖石風化后,大量的Ca2+離子、Mg2+等被搬運到海洋,同時,海水的主要成份為：陽離子Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Sr+五種；陰離子Cl-、SO42-、Br-、HCO3-、CO32-、F-五種,還有以分子形式存在的H3BO3,其總和占海水鹽分的99.9%。而其中的Ca2+、Mg2+、HCO31-、CO32-在一定條件下合成Ca(HCO3)2、CaCO3、Mg(HCO3)2、MgCO3。由于 CaCO3、MgCO3不溶于水,固沉淀下來。而Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2不穩(wěn)定,在一定條件分解成CaCO3、MgCO3并釋放出H2。形成大量的CaCO3、MgCO3堆積體,為石灰?guī)r、白云巖的形成奠定了基礎。到了奧陶紀早期末,大灣組、紅花園組、桐梓組,爐山組的沉積物已經堆積,但有的沉積物結構仍然非常疏松。

②成巖階段：沉積階段形成的CaCO3或CaCO3、MgCO3堆積體,結構疏松,在溫度、壓力、重結晶等成巖作用條件下,使其壓實固結成致密堅硬的巖石——石灰?guī)r、白云巖的整個過程叫成巖作用。其成分主要還是碳酸鈣CaCO3、碳酸鎂MgCO3。到了奧陶紀早期末,紅花園組、桐梓組,寒武系上統(tǒng)爐山組已經基本固結成巖；奧陶紀中晚期,大灣組基本固結成巖。此時,圍巖的形成宣告結束。

③后生階段：后生作用指沉積巖形成后在沒有造山壓力或巖漿熱力的影響下,所遭受的全部的物理的及化學的變化(不包括變質作用與風化作用)。如由于溫度的升高、上覆巖層壓力的加大及地下水的活動,使巖石進行重結晶、產生新礦物和形成結核等。后生階段主要指成巖后的各種地質作用影響階段。如巖漿活動、構造運動、各種風化作用、變質作用等階段。此時,使石灰?guī)r受熱變質,構造斷裂,各種風化、變質等。各種后生礦產就是在這段時期形成。

（2）礦床的形成及其后期變化：

①圍巖蝕變：圍巖蝕變是在熱液成礦過程中,近礦圍巖與熱液發(fā)生化學反應而產生的一系列物質成分和結構、構造的變化。擠壓構造產生的熱能通過張性裂隙(導礦通道)以熱液的形式傳輸,地溫通過構造裂隙傳輸?shù)絿鷰r,加快了圍巖蝕變的速度,經過一定時期的物理、化學變化,圍巖中破碎地帶不斷溶蝕,使CaCO3與熱液中HCO3-反應生成Ca(HCO3)2而流失,在圍巖中形成大量的溶隙和溶洞。其化學反應過程如下：

CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2

圍巖蝕變是一個長期性的復雜過程,它也許經歷數(shù)百萬年乃至上千萬年。

②礦床的形成：圍巖蝕變后,圍巖蝕變中溶蝕的Ca2+、HCO3-與熱液中的Ca2+、HCO3-、CO32-充分發(fā)生交代作用、區(qū)域變質或接觸變質等成礦作用下重結晶,形成良好的白色或無色的方解石(CaCO3)晶體而沉積下來，成為有工業(yè)價值和經濟意義的礦產,并與圍巖、夾石組合成能被開采利用的方解石(CaCO3)礦床,礦石結構為顯晶(粗晶、細晶)結構。其化學反應過程如下：

Ca2++CO32-=CaCO3↓

Ca(HCO3)2? CaCO3↓+H2↑

方解石晶體(CaCO3)的重結晶過程是一個漫長的復雜過程,經歷了數(shù)百萬年乃至千萬年。

③礦床的后期變化：水尾方解石礦形成后,經歷了燕山運動和喜馬拉雅運動的剝蝕。特別是喜馬拉雅期間,該地區(qū)完全上升為陸地,由于大氣降雨,對礦床的風化剝蝕比較嚴重。最后,形成現(xiàn)在殘留的礦床。水尾斷裂帶尚未發(fā)現(xiàn)有方解石礦體,只在它的伴生斷裂中有所發(fā)現(xiàn),還有待下一步勘查與研究。

5 結論

綜上所述,通過對岑鞏縣水尾方解石礦的地質、礦床、礦體、礦石特征、形成條件、構造演化等分析總結,得出該礦床為低溫熱液構造礦床。其形成過程與母巖的成分、環(huán)境溫度、構造運動是分不開的。母巖的形成及其礦物成分為礦床的形成打下了豐富的物質來源基礎；海水提供了豐富的流體來源；構造運動破壞了圍巖的完整性,打造了礦床的儲礦空間和導礦通道,為礦床的形成提供了熱源,促進圍巖蝕變；圍巖蝕變使方解石循環(huán)發(fā)生化學反應,為礦床的形成提供了礦源,同時也加大了礦床的儲礦空間,礦床的形成為人類未來對礦產的開發(fā)利用提供了具有經濟意義的礦產；礦床的后期變化因受不同時期構造運動的影響,礦床也不同程度遭到破壞,礦產也遭到破壞,甚至,主要礦床已經消失,能被人類開發(fā)利用的部分少之又少,以至于人們不得不去改變工業(yè)標準。因此,通過對岑鞏縣水尾方解石礦礦床的分析研究,也許能為地質工作者未來找礦提供借鑒和幫助。

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