趙盛博 李曉曉

摘 要：重點討論了“海州式”磷礦的形成、演變及成礦條件。該區(qū)地處江蘇北部，位于揚子地層與華北地層接壤部位，屬秦嶺褶皺帶東延部分郯廬斷裂帶以東江蘇境內(nèi)，廣泛分布著元古界-太古界的海州群及朐山組地層，大部分被第四系地層覆蓋。磷礦床主要分布于海州群錦屏組地層中，分為上、下兩層礦床。磷礦床的形成主要經(jīng)歷了沉積、變質(zhì)、后期變化3個階段。其中，后期變化對礦體的分布和規(guī)模有較大影響。另外，連云港錦屏-洪泗地區(qū)的古構(gòu)造格架、古地理環(huán)境、古地殼運動、古氣候條件、古海水性質(zhì)，都對礦體的形成起一定的有利作用，但摻和作用對礦石的質(zhì)量有明顯影響。

關(guān)鍵詞：“海州式”磷礦；錦屏組；礦床成因；成礦條件

研究區(qū)地處江蘇北部，東鄰黃海，區(qū)內(nèi)主要城鎮(zhèn)均有公路相通，京杭大運河及運鹽河貫穿本區(qū)，并有東隴海鐵路與祖國各地相連，交通十分便利。揚子地層與華北地層接壤部位，屬秦嶺褶皺帶東延部分、郯廬斷裂帶以東江蘇境內(nèi)。江蘇省東北部是元古界海洲式沉積變質(zhì)磷礦分布的地段。連云港地區(qū)的磷礦主要分布在錦屏-泗洪地區(qū)，面積約為2萬平方千米。研究“海州式”磷礦的形成、演變及成礦條件，對以后該地區(qū)的磷礦勘查具有很重要的參考意義。

1 地質(zhì)條件

1.1 地層

錦屏-泗洪地區(qū)廣泛分布著元古界-太古界的海州群及朐山組地層，局部斷陷盆地中多有中生代白堊系和新生代新近系分布，大部分被第四系地層覆蓋。

本區(qū)基底從下往上劃分為東海群夾山組、班莊組、阿湖組、沙河組和朐山組及海州群的錦屏組、云臺組。東海群與海州群形成不整合接觸。磷礦主要分布在錦屏組地層。下面主要介紹錦屏組地層。

錦屏組地層主要由沉積變質(zhì)巖組成。各類變質(zhì)巖互相成層相間產(chǎn)出，具有明顯的沉積界面，原始沉積層層理清晰。由于巖石組成在沉積過程中形成的分選差異，變質(zhì)產(chǎn)生了比較發(fā)育的片理、片麻理、條帶、條紋等次生構(gòu)造。這些次生構(gòu)造的走向、傾向、傾角與原始沉積層理的走向、傾向、傾角一致。

錦屏組地層出露極差，僅在錦屏山一帶有零星分布。錦屏組地層是受變質(zhì)基性侵入巖破壞極其嚴重的地層，侵入體向四周呈順層及穿插進入錦屏組地層，侵入體侵吞了錦屏組地層，破壞了磷礦的連續(xù)性。

錦屏組地層由3個主要沉積旋回組成，東部地段反映韻律旋回的巖性變化明顯，在相當于海侵的初期及海退的交替時期，沉積了磷酸鹽、泥砂質(zhì)及云母石英片巖交替帶中及其附近，呈多層次、不穩(wěn)定的薄礦層出現(xiàn)。

1.2 構(gòu)造

本區(qū)長期以來，經(jīng)歷了多次構(gòu)造運動，致使區(qū)內(nèi)構(gòu)造線呈NE、NNE展布為主（見圖1）。構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為斷裂發(fā)育強烈，其對本區(qū)的地層展布、礦產(chǎn)分布起一定控制和改造作用。

在圖1中：1代表郯廬斷裂；2代表響淮斷裂；3代表海韓斷裂；4代表邵桑斷裂；5代表伊蘆北斷裂；6代表灌云斷裂；7代表猴灌斷裂；8代表牛山倒轉(zhuǎn)背斜；9代表錦屏傾沒倒轉(zhuǎn)背斜；0代表大伊山、伊蘆山、張寶山褶皺；q代表揚集、泮小山倒轉(zhuǎn)褶皺；w代表沭陽凹陷盆地；e代表雙溝鎮(zhèn)—大伊山背斜；r代表泗洪—南崗向斜；t代表曹廟倒轉(zhuǎn)背斜；y代表蔣莊倒轉(zhuǎn)向斜。

1.3 巖漿巖

區(qū)內(nèi)巖漿巖在西北部地區(qū)分布較多，有元古代侵入的基性變質(zhì)榴輝巖、超基性巖及其變質(zhì)的蛇紋巖；中生代燕山晚期二長花崗巖和新生代喜馬拉雅期玄武巖。在規(guī)模上，以燕山晚期二長花崗巖規(guī)模最大，其他規(guī)模較小。東部地區(qū)，巖漿巖分布零星，僅見有規(guī)模不大的玄武巖體。

2 礦床的成因

關(guān)于海州式磷灰?guī)r的成因，早年有不同的認識。有學者認為屬“熱液交代變質(zhì)礦床”，有的認為是“沉積變質(zhì)礦床”，近年來認識比較趨向一致，認為是“前震旦系淺海相化學沉積變質(zhì)磷灰?guī)r礦床”[1]。本研究認為系“上元古代-下元古代淺海沉積磷塊巖經(jīng)變質(zhì)改造的磷灰?guī)r礦床”。海州式磷礦床的形成大致經(jīng)歷了3個階段。

2.1 沉積階段

2.1.1 沉積基底性質(zhì)

錦屏組底部普遍存在一個不整合面，其下為朐山組的一套混合巖，與錦屏組底部界線清晰，界面不規(guī)則，二者具有角底不整合接觸。

2.1.2 沉積分異問題

在沉積過程中，沉積物是按一定的次序沉積下來的。磷酸鹽在時間上是發(fā)生在氧化物沉積之后、硅酸巖和硅酸巖沉積之前（見圖2）[2]，在空間上多發(fā)生在陸棚帶（見圖3）[3]。

區(qū)內(nèi)礦體頂?shù)装宓膸r性主要是碳酸鹽類、片巖，其中也夾有這兩種的夾層。因此，磷礦的形成與此密切相關(guān)。實際上，大部分中低品位的細粒磷灰?guī)r與含磷白云質(zhì)大理巖、云母磷灰?guī)r和含磷的云母片巖并無天然界限，僅是人為地以P2O5質(zhì)量分數(shù)為5%的規(guī)定將其劃分?，F(xiàn)按原巖性質(zhì)，各礦體的沉積序列分述如下。

（1）下層礦：西山、大浦7號礦體。自下而上為：

A.西山礦體：基底→含礫泥巖→白云質(zhì)灰?guī)r→泥質(zhì)磷塊巖→白云質(zhì)灰?guī)r→磷塊巖→白云質(zhì)灰?guī)r→泥巖→白云質(zhì)灰?guī)r→泥巖。古地理條件為一開始動力條件稍強，后來變得比較弱的低能相帶。磷礦產(chǎn)在白云質(zhì)灰?guī)r內(nèi)，整體上看，是處于白云質(zhì)灰?guī)r向泥巖變化過渡地帶的白云質(zhì)灰?guī)r一側(cè)，接著是大量的泥質(zhì)沉積。

B.大浦7號礦體：基底→復礦砂巖（局部為白云質(zhì)灰?guī)r）→炭泥質(zhì)砂巖→磷塊巖→白云質(zhì)灰?guī)r→磷塊巖→白云質(zhì)灰?guī)r→磷塊巖→白云質(zhì)灰?guī)r→雜砂巖。主礦層位于白云質(zhì)灰?guī)r內(nèi)，總體上處于白云質(zhì)灰?guī)r向雜砂巖過渡的白云質(zhì)灰?guī)r一側(cè)。

上述兩個礦體的共同特點是：磷礦產(chǎn)于沉積物由細變粗的過渡帶偏細一側(cè)，反映水動力條件從弱變強的弱帶一側(cè)，也就是海侵海退交替時期[4]。

（2）上層礦：東山和陶灣地區(qū)。

A.東山礦體：泥巖（夾砂巖透鏡體）→磷塊巖→白云質(zhì)灰?guī)r→磷塊巖→白云質(zhì)灰?guī)r→鈣質(zhì)泥巖→砂巖。主礦層主要產(chǎn)于泥巖內(nèi)，磷塊巖與灰?guī)r互層，反映水動力條件總體上比下層礦稍強。

B.陶灣地區(qū)：上、下層礦均存在，而且發(fā)育程度也差不多。礦層主要產(chǎn)于鈣質(zhì)泥巖或泥質(zhì)砂巖和白云質(zhì)灰?guī)r的過渡帶，但整體上仍反映出由細變粗序列偏細的一側(cè)。

歸納上述，本區(qū)磷礦的主要礦體均產(chǎn)于泥巖、白云質(zhì)灰?guī)r沉積物中或兩者過渡帶，水動力條件由弱變強的淺海低能環(huán)境。

2.1.3 磷質(zhì)沉積的可能方式

毫無疑問，本區(qū)磷礦是海水中的磷質(zhì)從冷水的海流流向淺海區(qū)，由于變暖，磷質(zhì)溶解度降低，在地殼頻繁微弱震動下，以凝膠化學聚集-正淀積的方式進行沉淀的。磷質(zhì)沉積后，經(jīng)成巖作用對礦體進行壓實、陳化龜裂等作用，形成層狀、似層狀或透鏡狀產(chǎn)出的各種磷灰石。

2.2 變質(zhì)階段

海洲群地層沉積后，在晉寧期曾發(fā)生強烈的地殼運動和廣泛的區(qū)域變質(zhì)作用，對該區(qū)磷礦的改造產(chǎn)生很大影響，使其面貌發(fā)生了巨大的改變：礦層顏色變淺、結(jié)構(gòu)構(gòu)造改變、礦物組成成分轉(zhuǎn)化，即膠質(zhì)磷塊巖變?yōu)榫з|(zhì)磷灰?guī)r，磷灰石重結(jié)晶作用加強，顆粒變大，進一步陳化龜裂；伴生的其他組分也發(fā)生相應的改變，即石灰質(zhì)變成方解石、白云質(zhì)變成石英等一系列礦物重新組合。由于變質(zhì)分異作用，某些礦物被溶蝕和交代。磷灰石陳化龜裂除在成巖過程中已有表現(xiàn)外，變質(zhì)階段使其更明顯和復雜。目前所了解的礦體圍巖為從礦體圍巖（大理石、片巖、片麻巖）經(jīng)中等變質(zhì)形成的區(qū)域變質(zhì)巖，完全說明磷礦層同樣要經(jīng)歷這一中等程度的區(qū)域變質(zhì)作用，可能還不止一次。

2.3 后期變化階段

2.3.1 構(gòu)造變動對礦體的改造

晉寧運動使含磷構(gòu)造發(fā)生褶皺、斷裂，將含磷組地層抬起。后期的部分構(gòu)造中，有的礦體沿走向或傾向產(chǎn)生波狀彎曲，局部產(chǎn)生小褶皺、小揉皺現(xiàn)象；有的礦體遭到破壞，產(chǎn)生變薄、變厚、中斷現(xiàn)象。

2.3.2 巖體侵入對礦體的影響

基性火成巖的侵入主要是呈順層或斜交于錦屏組地層中，其對礦層起一定的改造作用—破壞礦體的連續(xù)性。

2.3.3 風化、剝蝕、淋濾作用

從礦區(qū)地層分布可知，自揚子旋回開始至今，本區(qū)一直處于上升隆起，故缺失大部分顯生宇地層，磷遭受長期風化剝蝕作用，很多小礦體已形成楔形向下尖滅，表明大部分已被風化剝蝕掉了。

在長期的物理、化學作用下，地表水和地下水長期活動，淺部礦體中的CO2、鹵化物不斷流失；Fe，Me，Si，Ca等氧化物相對富集，造成礦體淺部往往出現(xiàn)“棺材板”磷礦、錳磷礦乃至錳土。受次生作用的影響，礦石變得疏松、密度小，P2O5相對富集；很多礦體淺深部富集，次生作用往往沿淺部層面裂隙處發(fā)育。當然，由于原巖性質(zhì)的不同，次生作用的表現(xiàn)也不完全一致。

2.4 礦床成因

根據(jù)礦石物質(zhì)組成、分布規(guī)律及磷在沉積、變成、后期3個階段的特征分析，認為本區(qū)磷礦床的成因系新元古代-古元古代淺海沉積磷塊巖經(jīng)變質(zhì)改造的磷灰?guī)r礦床。

3 成礦條件淺析

該類礦床形成條件受多種因素綜合作用及相互制約和轉(zhuǎn)化所控制，主要包括對礦床的建造和改造起重要作用的有利和不利兩種因素。

3.1 有利條件

古構(gòu)造格架-古陸邊緣下傾部分控礦：該區(qū)西北部為東海群地層分布區(qū)，含磷巖系不整合覆蓋其上。膠南群地層分部區(qū)可能反映了接近古陸的邊緣，磷礦床往往沿古陸邊緣下傾的淺海區(qū)不規(guī)則的分部，礦體賦存于侵蝕面上不遠的地層里，也不是古陸邊緣所有下傾部位都成礦，還要受其他因素控制。

3.1.1 古地理環(huán)境

由于五臺運動，東海群地層遭受了褶皺隆起，處于區(qū)域變質(zhì)和混合巖化作用階段，裸露區(qū)遭受風化剝蝕。隨著地殼下沉和海侵，陸邊緣廣布，開始沉積一系列的淺海相沉積物，磷質(zhì)同時由海底帶到淺海區(qū)聚沉下來。

從區(qū)域地層對比和區(qū)域構(gòu)造分析，江蘇、安徽、湖北3個省磷礦帶的分布恢復到構(gòu)造破壞之前的展布方向為近東西向。另從本區(qū)和宿松一帶的磷體呈近東西向側(cè)伏延伸且上下圍巖巖性沿東西向比沿南北向穩(wěn)定等特點分析，這一成礦帶是平行揚子地槽北部邊界或中朝準地臺初皺的南側(cè)邊界分布的。

從各區(qū)含磷地層中的白云質(zhì)大理巖與斜長變粒巖經(jīng)常突然變化以及磷礦體不穩(wěn)定的特點分析，本區(qū)在五臺運動后的海侵初期，基底面極不平，出現(xiàn)高低起伏之地形，在海中形成水中高地和海灣。磷質(zhì)在水中高地或海灣向海流一側(cè)的有利地段沉積下來。

3.1.2 古地殼運動—頻繁而不劇烈的震蕩運動

根據(jù)地面頂部板出現(xiàn)的原巖性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在礦體沉積前后的地殼振蕩運動是比較頻繁的，表現(xiàn)為海侵、海退反復出現(xiàn)，而且振蕩的幅度不大。在這種多變的環(huán)境中，磷質(zhì)容易聚沉，相反，在地殼運動比較持久、振蕩幅度大的階段，對磷質(zhì)聚沉不利。有學者認為，有利于磷酸鈣沉積的沉積環(huán)境延續(xù)的時間越長越有利于成礦。

成礦時期分析：所有礦體均形成于海侵←→海退旋回交替階段，即兩個下層礦體形成于第一主旋回的礦體，主要形成于海侵后期、海退早期的交替階段，即兩個下層礦體形成于第一主旋回的中期。其他一些次要礦體形成于海退早期和海侵初期。

3.1.3 古氣候—溫暖干燥亞熱帶

溫度對沉積作用的影響極大，對礦物的溶解度、介質(zhì)中CO2的分壓力、生物發(fā)育情況等都有影響。根據(jù)地質(zhì)學和礦物學方法，對區(qū)內(nèi)成磷前后的古氣候作推斷。

（1）白云質(zhì)大理巖、白云石大理巖的普遍出現(xiàn)，說明成礦時氣候干燥，蒸發(fā)作用強。（2）在礦層上部往往出現(xiàn)重結(jié)晶白云石大理巖、硬石膏大理巖、石鹽假晶洞等現(xiàn)象，同樣說明當時水溫高，蒸發(fā)作用強烈。干熱的氣候使磷酸巖的溶解度較小，磷質(zhì)聚沉，這是成礦很重要的因素之一。

3.1.4 古海水性質(zhì)

化學成分Ca、P、F超載。磷在海洋中的分布是不均勻的。在不同的深度、不同洋域含量是不同的，顯示一定的分帶性[5]。然而，有國外學者認為：“前寒武紀海水的成分與現(xiàn)代海水的成分相比是不同的，前者含有相當少的NaCl，另一方面，F(xiàn)e、Ca和Mg的重碳酸鹽含量比后者高，這是前武紀大氣圈CO2壓力高的結(jié)果”，本區(qū)礦石中Ca、P、F含量經(jīng)常高于克拉克值的幾十倍至上百倍，表明當時海水中這些成分的含量也是相當高的，而且過量，在淺海處，CO2逸出，形成碳酸鹽沉積，接著由于磷酸鹽的溶解度大大減小，就在淺海帶形成碳酸鹽堆積。

3.1.5 鹽度較大（3.5%～20.0%）

海水的鹽度對磷質(zhì)的聚沉起很重要的制約作用。國外學者指出：“超鹽度的水對磷及其一些伴生元素的溶解能力大，而且由于其中多種離子的相互絡合及其觸媒作用，更可以促進磷的溶解。超鹽度的孔隙水進入海底水后，由于鹽度被稀釋，即可沉淀出磷”。根據(jù)區(qū)內(nèi)礦體與圍巖經(jīng)常出現(xiàn)白云石-硬石膏-石鹽假晶這一鹽度逐漸增加的序列，而磷礦與白云石共生，關(guān)系密切；黏土礦物中K2O，MgO的含量也隨之增加而增加，說明成磷時的巖度比較高，在成礦之后曾出現(xiàn)超鹽度>200%的環(huán)境。

pH在7.0～8.0（中-弱堿性）。pH是影響元素遷移和沉積的最重要因素之一。由于海水介質(zhì)中有其他離子存在，對磷質(zhì)沉淀所需pH會有影響，但磷質(zhì)聚沉受一定的pH制約，在中-弱堿性條件下與碳酸鹽相銜沉積。pH變化的原因較復雜，一方面取決于有機質(zhì)的含量，另一方面取決于使水堿化的CaCO3和MgCO3的含量。碳酸鹽的溶解和沉淀都對pH有較大的影響。

不同學者對成磷時pH的大小有不一致的認識，在pH為7.0～8.0的中性-弱堿環(huán)境里，均會有磷酸鹽沉淀[6]。本研究認為該意見與本區(qū)的情況相符合，因為本區(qū)礦石的礦物組合中磷酸鹽均出現(xiàn)在中性線（pH=7.0）的右側(cè)。如圖4所示。

3.1.6 海水水動力條件—相對穩(wěn)定、低能

現(xiàn)僅據(jù)本區(qū)礦石中保留的原生結(jié)構(gòu)構(gòu)造—塊狀、條紋、條帶和礦物的組合特征，初步判斷成磷時海水動力條件是以相對穩(wěn)定、低能的淺水環(huán)境為主。塊狀構(gòu)造、細粒結(jié)構(gòu)顯然原來是凝膠結(jié)構(gòu)，是濱外沉淀磷塊巖的主要結(jié)構(gòu)，但也見于濱線沉積的低能帶；條紋、條帶狀結(jié)構(gòu)反映水動力條件稍有增強，水體較淺。一般認為黃鐵礦（本區(qū)普遍出現(xiàn)）的形成反映介質(zhì)滯流，當為靜水環(huán)境；泥晶灰?guī)r（相當于本區(qū)云母大理巖）與頁巖（相當于本區(qū)云母片巖）都表示靜水環(huán)境，或為波基面以下的較深靜水帶，或為受屏蔽的極淺水環(huán)境。

有的磷灰石呈磨蝕礫狀或呈復合顆粒；地區(qū)礦層的紋層褶皺發(fā)育。這些現(xiàn)象表明，在磷礦形成過程中，這些地區(qū)的某一礦階段是接近波基面的，海水有一定的擾動性，水體較淺，能量稍大。

3.1.7 海水深度—淺海

淺海波浪的影響是沒有或很微弱的。海流作用有一定影響。巨大的磷酸鹽堆積形成于大陸架邊緣50～200 m深的淺海帶。但有人認為直至500 m，即包括大陸波折下半深海的一部分[7-8]。本區(qū)不同礦體的不同礦石類型形成的沉積是不同的，但主要是在波基面以下，部分接近這個面。

3.2 不利因素

現(xiàn)在看來，成磷是受一定條件控制的，是有利和不利兩種因素制約的結(jié)果。除上述有利成礦條件外，還必須考慮到不利的成礦因素，主要是摻合作用[9]。磷質(zhì)聚沉是在含有多種成分的海水中完成的，所以，其往往與碳酸鹽、Mn、Fe炭質(zhì)等共沉。這些摻合組分的含量明顯影響礦石的質(zhì)量，當多達一定量時，則不能成礦，往往產(chǎn)生相變。

陸源碎屑物質(zhì)的摻合是不容忽視的，除少數(shù)較純凈的磷酸鹽外，其他礦體中均不同程度地摻合了陸緣碎屑物，如石英、長石等，尤以云母磷灰?guī)r中含量更高。當這些陸緣碎屑物含量繼續(xù)增多，礦石即相交為云母片巖、白云斜長片麻巖等巖石。

4 結(jié)語

在前人做過大量地質(zhì)工作的基礎(chǔ)上，通過資料對比、分析研究，從已知礦區(qū)到外圍地區(qū)開展了大量研究及區(qū)域?qū)Ρ鹊鹊刭|(zhì)工作，探討磷礦床的形成、演變及成礦條件，取得一些新的進展?，F(xiàn)將成果總結(jié)如下：

磷礦床的形成主要是在海侵、海退時期，在淺海低能的環(huán)境中，海水由冷海流區(qū)流向淺海暖流區(qū)，磷質(zhì)溶解度降低，以凝膠化學聚集沉淀的。先后經(jīng)歷了沉積、變質(zhì)、后期變化3個階段，最終形成磷礦床。其中，后期變化對礦體的分布和規(guī)模有較大影響。另外，連云港錦屏-洪泗地區(qū)的古構(gòu)造格架、古地理環(huán)境、古地殼運動、古氣候條件、古海水性質(zhì)，都對礦體的形成起到一定的積極作用，但摻合組分的含量對礦石的質(zhì)量有十分明顯的影響，達到一定量時則不能成礦，往往產(chǎn)生相變。

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