王 濤，劉燕海，薛曙斌

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊(duì)，太原 030031)

硅藻土是在地質(zhì)時(shí)期形成的生物成因的硅質(zhì)沉積巖，主要化學(xué)成分為SiO2，礦物成分為蛋白石及其變種[1]，大小以微米級(jí)的植物硅藻鏈結(jié)形成的多種形態(tài)的群體，混雜黏土和石英等礦物固結(jié)成巖，經(jīng)地質(zhì)作用形成的不可再生非金屬礦產(chǎn)資源[2]。利用其多孔、質(zhì)輕、滲透性強(qiáng)、吸水性、吸附性等物理性能[1]，在環(huán)保、化工和建材過(guò)濾等方面具有廣泛應(yīng)用[3]。李文樸等[4]將硅藻土與納米分子進(jìn)行復(fù)配，對(duì)污水中氨氮的去除效果明顯提升；沈巖柏等[5]對(duì)硅藻土改性用于醫(yī)藥廢水處理，對(duì)其中的有害菌有很好的去除吸附效果；吳大清等[6]對(duì)硅藻土的成分、結(jié)構(gòu)、表面酸性、羥基結(jié)構(gòu)、界面反應(yīng)性，以及提純處理進(jìn)行研究,使硅藻土的應(yīng)用有了更具有經(jīng)濟(jì)意義的利用。研究表明硅藻土是一種重要的非金屬原料礦產(chǎn)[7-9]。

Avramenko等[10]對(duì)三個(gè)遠(yuǎn)東硅藻土礦床進(jìn)行研究，根據(jù)普扎諾夫礦床硅藻殼的元素組成和硅藻古群落的生態(tài)結(jié)構(gòu)，重建了硅藻形成硅藻土的湖泊環(huán)境，結(jié)果表明其硅藻殼中氧含量高，硅含量低，說(shuō)明硅藻是大型深水淡水湖浮游生物群落的一部分。與此相反，捷列霍夫卡硅藻殼中硅的顯著濃度表明硅藻發(fā)生在淺水湖泊的底棲生態(tài)群落中[10]。Sáez等[11]對(duì)北智力地區(qū)硅藻土和火山作用相關(guān)聯(lián)，對(duì)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化作出科學(xué)的解釋。中國(guó)硅藻土礦資源相對(duì)豐富，保有資源儲(chǔ)量4.32億t[12]，但優(yōu)質(zhì)礦較少[1]。在吉林長(zhǎng)白山和云南騰沖的局部蘊(yùn)藏優(yōu)質(zhì)硅藻土資源[10]，在化德、嶸州和米易等其他硅藻土礦產(chǎn)區(qū)，床體內(nèi)均富含有機(jī)質(zhì)或黏土。王磊等[13]對(duì)位于馬鞍山-錯(cuò)草頂子構(gòu)造盆地中的南崗硅藻土礦進(jìn)行了分析歸納，對(duì)賦存于四個(gè)馬鞍山村組硅藻土礦層規(guī)模、形態(tài)、產(chǎn)狀特征做出總結(jié)，得出硅藻土礦的產(chǎn)出嚴(yán)格受盆地及其相對(duì)沉積基底的形態(tài)控制；印萬(wàn)忠[14]、楊智榮[15]及王繼梅[16]對(duì)中國(guó)硅藻土礦床特征進(jìn)行了分析研究，對(duì)中國(guó)硅藻土可持續(xù)發(fā)展做出論述，指出中國(guó)硅藻土發(fā)展中存在的問(wèn)題。長(zhǎng)治盆地張村組硅藻土為山西省境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的唯一一處硅藻土礦床，分析其礦床成因和找礦思路對(duì)此類環(huán)保非金屬材料礦產(chǎn)勘查具有重要的意義。為此，結(jié)合張村組硅藻土礦床的野外地質(zhì)特征與微觀特征，淺述礦床成因及找礦前景。

圖1 沁水盆地構(gòu)造綱要圖[17]Fig.1 Tectonic outline map of Qinshui Basin[17]

1 區(qū)域地質(zhì)特征

研究區(qū)大地構(gòu)造位置位于沁水盆地東南部，長(zhǎng)治盆地東部，區(qū)內(nèi)地層呈北西向單斜構(gòu)造，以南北向斷裂發(fā)育為特征[17]。曹代勇等[18]認(rèn)為沁水盆地主要經(jīng)歷了中生代時(shí)期的SEE-NWW向水平擠壓、古近紀(jì)和新近紀(jì)NNE-SSW向擠壓以及四紀(jì)的NEE向擠壓三個(gè)主要階段。取樣位置位于武鄉(xiāng)縣張村，張村組上部為硅藻土礦床產(chǎn)出層位[17](圖1)，上覆被樓則峪組角度不整合覆蓋。

1.1 地層

研究區(qū)出露地層由老到新為三迭系二馬營(yíng)組、張村組、新近系任家垴組(圖2)、樓則峪組及第四系黃土(圖3)。其中硅藻土含礦層位位于張村組上部，巖性為白色-灰白色黏土巖，呈層狀或灰白色和淺灰綠色薄層互層狀，厚度約10.75 m(圖2)。

1.2 構(gòu)造

新生代以來(lái)，研究區(qū)總體是在伸展構(gòu)造背景下發(fā)生隆升、裂陷，伴隨古近紀(jì)末和新近紀(jì)末兩次擠壓作用，以地殼間隙性抬升和繼承性斷裂活動(dòng)為主導(dǎo)形式運(yùn)動(dòng)。

在漸新世末褶皺隆起的基礎(chǔ)上，上地幔進(jìn)一步上隆，晉中盆地邊界斷裂活動(dòng)加劇，以盆地下陷向箕形發(fā)展、山體隆升和鄰近地區(qū)形成山間盆地為特征。

區(qū)域內(nèi)構(gòu)造以三疊系斷裂構(gòu)造為主，一組為北東35°，傾角較陡峭，另外一組為近東西向，傾角80°，受北東向斷裂控制。

圖2 野外調(diào)查及施工圖Fig.2 Field photographs showing features of the diatomite deposits

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 礦體地質(zhì)特征

張村硅藻土礦層主要賦存于張村組上段，屬湖相沉積，礦體呈層狀，層位穩(wěn)定，產(chǎn)狀平緩，一般為北西傾向，傾角4°～8°。

經(jīng)區(qū)域地質(zhì)填圖及探槽工程揭露表明，礦層以層狀和似層狀產(chǎn)(圖4)，根據(jù)刻槽取樣(垂向每20 cm一個(gè)樣品)，對(duì)樣品進(jìn)行巖礦鑒定[圖5(a)]、掃描電鏡分析[圖5(b)～圖5(d)]和基本分析(表1)，結(jié)果表明：張村組含礦層最下部礦體厚度為4.4～5.4 m，其上部其余礦體厚度均為0.65～0.85 m，礦層形態(tài)較簡(jiǎn)單，連續(xù)完整。

2.2 礦石特征

掃描電鏡測(cè)試由山西高碳能源低碳化利用研究設(shè)計(jì)院承擔(dān)，將樣品取平整斷面呈1 mm厚薄片，為增大其導(dǎo)電性進(jìn)行氬離子拋光和噴金處理，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡測(cè)試(型號(hào)JSM-7610F)測(cè)試，工作電壓5～15 kV，觀測(cè)距離為8～10 mm，分辨率1 nm。礦石主要由硅藻和黏土質(zhì)成分伊利水云母組成。伊利石顯微鱗片狀分散部分于其中；硅藻可見(jiàn)直鏈藻、中心綱小環(huán)藻、舟型藻以及羽紋藻等，硅藻大小為1～50 μm，環(huán)形藻型似圓篩，周邊呈同心圓放射狀，舟型藻呈紡錘形，但多為殘缺，僅剩中部硅質(zhì)較厚區(qū)域(圖5)；含少量粉砂長(zhǎng)石，石英，呈棱角狀，大小為0.01～0.03 mm；微量有機(jī)質(zhì)，褐黑色，球粒狀，大小為0.01 mm，條紋狀分布；部分樣中可見(jiàn)泥微晶狀方解石，大小為0.001～0.007 mm。主要礦物晶體細(xì)小，呈微紋層狀平行分布，巖石多具鱗片結(jié)構(gòu)，頁(yè)理、紋層狀構(gòu)造。

2.3 礦石化學(xué)成分

硅藻土主量元素的測(cè)定在中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊(duì)化驗(yàn)室進(jìn)行，將硅藻土用瑪瑙缽研碎至200目以下，使用分光儀進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(SiO2)為27.47%～62.68%，平均41.12%；w(Fe2O3)為2.82%～6.07%，平均4.09%，表明硅藻土形成于富養(yǎng)環(huán)境下；w(Al2O3)為3.24%～12.22%，平均7.29%，原巖為長(zhǎng)石等礦物風(fēng)化，Al元素多賦存于伊利石和白云母等礦物中；w(CaO)為4.31%～30.90%，水中Ca+較多，薄片觀察顯示在巖石裂隙中常見(jiàn)到方解石晶體，暗示成巖后水體CaCO3相對(duì)富集，且成巖后期水體呈弱堿性狀態(tài)。根據(jù)《石膏、天青石、硅藻土礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0325—2018)[19]，研究區(qū)內(nèi)含礦層w(SiO2)指標(biāo)略低于一般工業(yè)指標(biāo)(≥60%)，w(Fe2O3)和w(Al2O3)均滿足一般工業(yè)指標(biāo)Ⅲ級(jí)，巖石中氧化鈣含量超過(guò)工業(yè)指標(biāo)最低標(biāo)準(zhǔn)，為高鈣型硅藻土。

表1 硅藻土主量元素特征Table 1 Major element data of the diatomite

圖3 研究區(qū)綜合地層柱狀圖Fig.3 Generalized stratigraphic section of research area

圖4 硅藻土工程平面圖及礦層對(duì)比圖Fig.4 Engineering plan and seam comparison map of diatomite

圖5 硅藻土鏡下照片F(xiàn)ig.5 Microscope pictures of diatomite

3 礦床成因

3.1 成礦地質(zhì)條件

王京虎[20]通過(guò)對(duì)地表沉積物研究以及斷裂的展布情況及次序得出長(zhǎng)治盆地形成于上新世初，自上新世始，由于剝蝕作用及太行山塊隆與沁水塊坳的分異，北起榆社、南至長(zhǎng)治逐漸開(kāi)始沉積，上新世中后期，華北斷塊以裂開(kāi)-引張為主導(dǎo)方式，地塊的垂直升降運(yùn)動(dòng)加劇，長(zhǎng)治斷層出現(xiàn)，形成了呈箕形的長(zhǎng)治盆地，隨著盆地的下沉，積水逐漸增多，形成了長(zhǎng)治湖，沉積了以綠色相為主的湖泊-河流沉積，張村組在此期間沉積。

3.2 成礦物質(zhì)來(lái)源

硅藻土礦床的形成，水體中可溶性SiO2和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給充分是必不可少的，除此之外，穩(wěn)定的水體和含有極少量的毒性組分也非常重要。木士春[21-22]根據(jù)地洼成礦理論，劃分為玄武巖建造沉積型礦床、陸相含煤碎屑巖-玄武巖建造沉積型礦床、陸相含煤碎屑巖建造沉積型礦床和河湖相碎屑巖建造沉積型四類。由此可見(jiàn)，成礦物質(zhì)來(lái)源和SiO2豐富程度的是形成礦產(chǎn)的主要原因，巖漿活動(dòng)提供豐富的硅質(zhì)，對(duì)硅藻土的成礦相對(duì)有利。

中新近紀(jì)以來(lái)，中國(guó)東部大陸邊緣次噴發(fā)以玄武巖為主的火山巖[23]。王登紅等[24]認(rèn)為世界上的硅藻土絕大多數(shù)都和火山巖共生，火山灰物質(zhì)飄落在長(zhǎng)治盆地水體中溶解為硅藻等生物提供物源，其次盆地圍巖為三疊系互層狀長(zhǎng)石砂泥巖，砂泥巖經(jīng)風(fēng)化和破碎搬運(yùn)到長(zhǎng)治湖，供給藻類生物必需的游離態(tài)SiO2。因此長(zhǎng)治盆地的演化過(guò)程對(duì)硅藻生長(zhǎng)發(fā)育在物源上具有一定的限制性，故張村硅藻土礦床屬于河湖相硅藻礦床。

3.3 成礦作用過(guò)程

中新世以來(lái)，長(zhǎng)治盆地外圍鋁硅酸鹽巖化學(xué)、物理風(fēng)化加強(qiáng)，更多的SiO2以膠體或質(zhì)點(diǎn)狀隨水流帶入到長(zhǎng)治盆地中，硅藻從水體中吸收SiO2供自身營(yíng)養(yǎng)。Liu等[25]、Qin等[26]以及Zhao等[27]對(duì)研究區(qū)植被和孢粉組合進(jìn)行了詳細(xì)研究，認(rèn)為當(dāng)時(shí)區(qū)域內(nèi)陽(yáng)光充足，氣候溫暖濕潤(rùn)，有利于硅藻群體的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖。死后殼體被掩埋，軟體有機(jī)質(zhì)部分被分解，硬體骨骼殘核保存下來(lái)形成含硅藻淤泥，后期經(jīng)初步成巖過(guò)程，形成較松散的硅藻土層。值得一提的是被風(fēng)化的礦源為富含長(zhǎng)石、云母等一系列富Ca元素原巖，經(jīng)風(fēng)化剝蝕帶入水體中時(shí)，硅藻土礦層中CaO成分的持續(xù)存在使得水體呈現(xiàn)弱堿性狀態(tài)，硅藻殼壁在堿性環(huán)境下逐漸被分解，掃描電鏡可見(jiàn)硅藻只剩下殼面中軸區(qū)硅質(zhì)增厚的部分，少數(shù)硅藻整體被溶蝕，多數(shù)可見(jiàn)殘缺型硅藻形態(tài)，如圖5(b)、圖5(d)所示。

4 找礦標(biāo)志

4.1 地層和時(shí)代標(biāo)志

山西省硅藻土的含礦層形成于新近紀(jì)中新世和上新世，故找礦首先把中、上新世作為找礦靶區(qū)。研究區(qū)硅藻土礦層賦存于張村組中，因此張村組是直接找礦標(biāo)志。

4.2 巖性巖相標(biāo)志

硅藻土礦大多與淡水淺湖-深湖泥巖相有相關(guān)[28-29]。因此淡水湖盆發(fā)育的淺色沉積巖是較重要的找礦標(biāo)志。此外張村組下覆任家垴組(馬會(huì)組)為一層非常特征、辨識(shí)度非常高的礫、砂石巖層，亦可以作為典型的找礦標(biāo)志。此外，榆社群是盛名在外的產(chǎn)化石群，大量的脊椎動(dòng)物化石外，昆蟲、軟體、植物及微體化石均較豐富，因此化石層也可作為找礦標(biāo)志。

5 結(jié)論

(1)山西省武鄉(xiāng)張村組硅藻土發(fā)育于張村組上部，層狀，厚度為5.05～6.25 m，硅藻類型為中心綱小環(huán)藻、直鏈藻以及舟行藻等。

(2)中新近紀(jì)以來(lái)，中國(guó)東部大陸邊緣火山活動(dòng)加強(qiáng)，火山灰物質(zhì)飄落于長(zhǎng)治盆地水體中為硅藻提供物源，其次盆地周圍巖石風(fēng)化為硅藻生物提供生長(zhǎng)所必需的游離SiO2，受盆地演化控制，屬于河湖相高鈣型硅藻土礦床。

(3)硅藻群體死后殼體被掩埋，軟體有機(jī)質(zhì)發(fā)生分解，硬體骨骼殘核保存下來(lái)形成含硅藻淤泥，經(jīng)初步成巖過(guò)程，形成較松散的硅藻土層。掃描電鏡佐證只剩殼面中軸區(qū)硅質(zhì)增厚的部分，少數(shù)硅藻整體被溶蝕，多數(shù)可見(jiàn)殘缺型硅藻形態(tài)，這是因?yàn)楸伙L(fēng)化的礦源為富含長(zhǎng)石、云母等一系列富Ca元素原巖，經(jīng)風(fēng)化剝蝕帶入水體中時(shí)，硅藻土礦層中CaO成分的持續(xù)存在并增加使得水體呈現(xiàn)弱堿性狀態(tài)，硅藻殼壁在堿性環(huán)境下逐漸被分解。

(4)硅藻土礦床多數(shù)形成于新近紀(jì)之后，故優(yōu)先將中、上新世列為找礦靶向。硅藻土礦大多與淡水淺湖-深湖泥巖相關(guān)，具有淡水湖相的淺色沉積巖是較重要的找礦標(biāo)志。任家垴的礫、砂石巖層，以及榆社群可以作為典型的找礦標(biāo)志,對(duì)于填補(bǔ)區(qū)域硅藻土礦床研究空白具有一定意義。