右玉縣西窯頭水泥石灰?guī)r礦地質(zhì)特征及找礦方向

李寶中，杜素芳，劉發(fā)榮，楊風(fēng)辰

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心北京總隊，北京 100102）

1 區(qū)域地質(zhì)概況

山西省右玉縣元堡子鄉(xiāng)西窯頭水泥石灰?guī)r礦所處大地構(gòu)造位置屬山西中北部多字型構(gòu)造北端西南緣，即祁呂弧東翼與其反射弧的轉(zhuǎn)折部位。該區(qū)在漫長的地質(zhì)歷史中，受多次的構(gòu)造運動影響，生成一系列斷裂構(gòu)造和褶皺，控制著該區(qū)的沉積建造及巖漿活動。

1.1 區(qū)域地層

區(qū)域出露地層主要為太古界集寧群，為一套混合巖化深變質(zhì)巖石，主要為黑云硅線榴石鉀長片麻巖，含榴長英麻粒巖及少量透輝紫蘇斜長麻粒巖；古生界寒武系以碎屑巖、碳酸鹽巖、粘土巖為主；奧陶系主要巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r及白云巖；石炭系由砂質(zhì)頁巖、頁巖、砂巖、含礫石英砂巖及煤層組成的碎屑巖含煤建造；二疊系由粗粒石英砂巖、頁巖、雜砂巖、砂礫巖、泥巖及煤線組成的碎屑巖含煤建造；中生界侏羅系僅有中侏羅統(tǒng)，為一套河湖沼澤交互相含煤建造；白堊系主要巖性為礫巖、砂巖、泥巖；新生界第三系巖性主要為河湖相堆積物，有棕紅色砂礫層夾粗砂層，礫石層、細(xì)砂層、粘土等；第四系主要為沖、洪、坡積物。

1.2 區(qū)域構(gòu)造

區(qū)域構(gòu)造線方向總體呈北東向，隆起與凹陷相互平行，彼此斜列，以古老結(jié)晶基底發(fā)育的緊閉線狀褶皺和蓋層中廣泛分布的斷裂構(gòu)造為基本特征，基巖區(qū)呈現(xiàn)形態(tài)開闊、規(guī)模宏大的北東向向斜構(gòu)造，向北東傾伏，構(gòu)成基巖區(qū)構(gòu)造骨架主體。

區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育，西北部的丁家窯、石香爐一帶組成一系列軸線呈北東東60～75°方向展布的背斜和向斜構(gòu)造，兩翼傾角為50～82°。褶皺兩翼主要由太古界集寧群變質(zhì)巖系組成。

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，礦區(qū)附近的南東部吳家窯、洪濤山一帶發(fā)育多條斷層，主要由壓扭性相互平行斷裂組成。軸向以北東向為主，斷層規(guī)模不一，產(chǎn)狀變化大，性質(zhì)復(fù)雜。斷層走向為30～70°，傾角60～80°。

1.3 巖漿巖

區(qū)內(nèi)巖漿巖的分布有太古代、元古代、燕山期及喜山期的侵入巖和噴出巖。主要巖性有斑狀角閃二長巖、斑狀正長閃長巖巖體，脈狀侵入的輝綠巖，以及玄武巖等。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層

礦區(qū)出露地層主要有：下古生界中奧陶統(tǒng)下馬家溝組(O2x)，上古生界中石炭統(tǒng)本溪組(C2b)、上石炭統(tǒng)太原組(C3t)，新生界第四系(Q)，見下圖?，F(xiàn)由老至新分述如下：

西窯頭水泥石灰?guī)r礦區(qū)地質(zhì)圖

(1)奧陶系(O)。

中奧陶統(tǒng)下馬家溝組(O2x)主要出露于礦區(qū)南部山坡上及溝谷中。根據(jù)礦區(qū)鉆孔控制的巖性實際情況及礦層賦存特征，將下馬家溝組分為三個巖性段：

下馬家溝組一至二段(O2x1-2)：下部為黃灰色薄層狀泥灰?guī)r、含白云質(zhì)灰?guī)r；上部由灰黃、黃灰色薄層狀泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r及角礫狀泥灰?guī)r組成。鉆孔控制最大厚度75.26m左右。

下馬家溝組三段下部(O2x3-1)：巖性主要由灰色中至厚層狀致密灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、花斑灰?guī)r組成。本層為含礦層位。鉆孔控制厚度0.94～17.00m。

下馬家溝組三段上部(O2x3-2)：由灰色中至厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r夾少量白云巖組成。鉆孔控制厚度3.25～15.86m，礦體上部平均厚度7.16m。

(2)石炭系(C)。

石炭系地層在礦區(qū)分為中碳統(tǒng)本溪組(C2b)、上石炭統(tǒng)太原組(C3t)兩個組。根據(jù)礦區(qū)控制的地層情況，中石炭統(tǒng)本溪組主要出露于礦區(qū)中部小山頂上，出露面積小。上石炭統(tǒng)太原組地層零星出露于礦區(qū)外圍的北部地段。

中石炭統(tǒng)本溪組(C2b)：下部為紫紅、灰色泥巖、粘土巖及頁巖，底部粘土巖中夾少量山西式鐵礦。中部由1～2層海相灰?guī)r或頁巖及砂巖組成。上部為黃色、黃綠色頁巖及粉砂巖、硬質(zhì)石英砂巖。鉆孔控制厚度2.93～20.36m。

上石炭統(tǒng)太原組(C3t)：該組僅在礦區(qū)外圍的北部出露下部地層，以硬質(zhì)石英砂巖、硬砂巖、砂質(zhì)頁巖組成。鉆孔控制厚度5.80～12.53m。

(3)第四系(Q)。

大面積分布于礦區(qū)，巖性主要為亞粘土、黃土狀亞砂土、粉砂土,殘坡積物及少量沖、洪積物。 鉆孔控制厚度0.5～52.60m。

2.2 構(gòu)造

礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，地層基本呈單斜巖層產(chǎn)出，總體產(chǎn)狀：傾向北，傾角5°左右。

礦區(qū)內(nèi)地層連續(xù)性較好。根據(jù)對地表基巖調(diào)查、工程控制資料分析，未發(fā)現(xiàn)明顯的成規(guī)模的斷層、斷層破碎帶和褶皺現(xiàn)象。

2.3 巖溶

根據(jù)鉆孔巖心觀察，礦區(qū)石灰?guī)r受地下水和地表水的作用，溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，主要形成一些小溶洞和裂隙。巖溶規(guī)模一般不大，但分布較廣，大都以裂隙形式出現(xiàn)，規(guī)模絕大部分1m左右，未發(fā)現(xiàn)大的溶洞。

裂隙主要分布在礦區(qū)西部K2、K3線各鉆孔中，地下延深至1430m標(biāo)高以下。 裂隙中充填物為溶蝕的灰?guī)r碎塊、灰?guī)r細(xì)砂及次生碳酸鹽沉積物。這顯然是碳酸鹽物質(zhì)淋濾后重結(jié)晶的結(jié)果。

2.4 礦體特征

本礦床賦存于下馬家溝組第三段(O2x3)下部石灰?guī)r中。礦石主要由深灰色、灰色致密灰?guī)r、少量花斑灰?guī)r組成，微晶結(jié)構(gòu)、花斑結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

礦體產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致，總體走向東西，傾向北，傾角5～10°。礦體呈單斜層狀構(gòu)造，其形態(tài)大致呈板狀產(chǎn)出，連續(xù)分布。

礦體控制范圍由西部K1線至東部K6勘探線之間，東西寬約650m，南北長約1000m。沿傾向控制在礦區(qū)最低開采標(biāo)高1430m。

根據(jù)鉆孔控制及取樣結(jié)果分析，礦區(qū)見礦的各鉆孔控制的礦體厚度變化在0.94～17.00m之間，礦體平均厚度10.49m，變化系數(shù)21%。

2.5 礦石化學(xué)成分特征

在礦區(qū)17個見礦孔中采集了175件基本分析樣品，根據(jù)塊段品位與體積加權(quán)平均統(tǒng)計，礦層中礦石化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍：CaO 51.96%～53.01%，平均52.45%；MgO 1.09%～2.22%，平均為1.59%。礦石化學(xué)成分變化小，質(zhì)量穩(wěn)定，符合DZ/T 0213-2002中水泥原料的品位要求，為優(yōu)質(zhì)水泥用石灰?guī)r礦石。

(1)Cl-成分分析。

在礦區(qū)鉆孔工程中按不同的礦石類型采集樣品16件進行Cl-成分分析，各工程中Cl-成分平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

表1 各工程中Cl-成分平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

從分析結(jié)果看，Cl-成分變化范圍在0.005%～0.012%之間，平均含量為0.0084%，Cl-成分低于工業(yè)指標(biāo)，符合質(zhì)量要求。

(2)其他元素分析。

本礦區(qū)利用組合樣分析結(jié)果，對礦體中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、SO3、LOI等進行分析和評價，本次工作在鉆孔中采取了16件樣品進行了分析，元素分析結(jié)果平均含量見表2。

結(jié)果表明：SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、 Na2O、SO3等質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在規(guī)定范圍內(nèi)，符合質(zhì)量要求。

表2 礦區(qū)其他元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

2.6 礦石類型

根據(jù)礦區(qū)巖性和礦石化學(xué)成分特征，將礦石劃分為兩種自然類型。

(1)致密狀灰?guī)r礦石類型。

深灰色、灰色中厚層狀致密灰?guī)r礦石，發(fā)育方解石細(xì)脈和團塊，主要由泥晶方解石組成,具貝殼狀斷口。泥晶結(jié)構(gòu)、微晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。礦石礦物主要為方解石95%，白云石3%，少量鐵、石英及泥質(zhì)等。

方解石主要為泥晶方解石，呈等軸粒狀，粒徑0.01mm左右。白云石為等軸粒徑，粒徑0.01～0.03mm，分布在方解石晶體之間。

致密狀灰?guī)r礦石平均化學(xué)成分CaO＞51%，MgO＜2.5%，礦石品級為Ⅰ級品礦石，為優(yōu)質(zhì)水泥用灰?guī)r礦石，該類型礦石占全部礦石的90%以上。

(2)花斑狀石灰?guī)r礦石類型。

灰色、灰黃色中厚層狀花斑灰?guī)r，花斑狀結(jié)構(gòu)、似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造、花斑構(gòu)造。

花斑灰?guī)r呈斑團狀、或各種不規(guī)則的形狀產(chǎn)出。花斑為黃褐色、灰色等，花斑大小一般0.50～1.5cm。斑的成分為淺黃色者，多數(shù)為含鐵泥質(zhì)。

礦物成分：方解石90%以上，白云石少量。方解石呈等軸粒狀，粒徑0.01～0.02mm。白云石呈半自形—自形晶，粒徑0.03～0.1mm。

礦層中的花斑狀灰?guī)r一般呈雜亂狀分布于礦體上部，但與致密灰?guī)r無明顯分層規(guī)律，主要區(qū)別在于CaO、MgO的含量?；瘜W(xué)成分CaO大于50%，MgO 3%左右，礦石質(zhì)量符合水泥用要求，該類型礦石在礦區(qū)比例極少。

此類礦石大部分能達Ⅰ級品要求，只有局部為Ⅱ級品。

3 礦床成因

本礦床為古生界碳酸鹽巖類石灰?guī)r地層，由淺?！獮I海相機械沉積、化學(xué)沉積和生物化學(xué)沉積的共同作用下形成的沉積型石灰?guī)r礦床。

中奧陶世開始，區(qū)內(nèi)大面積被海水覆蓋，陸表處于淺海環(huán)境。海水的反復(fù)進退的演化規(guī)律是在每個大沉積旋回期，區(qū)內(nèi)廣泛處于潮上帶的碳酸鹽臺坪環(huán)境和陸海棚環(huán)境。在早馬家溝晚期階段，區(qū)內(nèi)潮上帶臺坪環(huán)境相和陸海棚環(huán)境相多次交替中，又一新的海進階段的潮上帶的碳酸鹽臺坪環(huán)境沉積泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖；陸海棚環(huán)境沉積的巖石組合主要為中厚層石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖。

該區(qū)中奧陶統(tǒng)的各地層單位，包括上、下馬家溝組均由相似的碳酸鹽巖沉積旋回組成，各地層單位的巖石組合由下至上一般為灰黃色白云質(zhì)泥灰?guī)r、泥灰質(zhì)白云巖；厚層、中厚層石灰?guī)r，并含蠕蟲狀或豹皮狀構(gòu)造；中厚層石灰?guī)r夾泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥灰?guī)r。各地層單位的沉積相相應(yīng)為：由潮上瀉湖和潮上鹽坪相到潮下陸棚相，到潮下陸棚與潮上瀉湖和潮上鹽坪相交替。經(jīng)過每個大沉積旋回，在海水進退的后期，該區(qū)發(fā)生了地殼變動，區(qū)域上升起為陸地，并且一直受到侵蝕和剝蝕而未接受沉積。

礦床在成巖—后生作用階段有一定的重結(jié)晶作用及輕微的白云巖化作用。根據(jù)野外觀察和前人研究成果，石灰?guī)r重結(jié)晶現(xiàn)象比較普遍，但多處于早期階段，重結(jié)晶方解石個體微小，由多個微晶方解石組成呈團粒狀或蠕蟲狀的粉晶團。重結(jié)晶結(jié)構(gòu)多在原泥晶結(jié)構(gòu)或含砂屑泥晶結(jié)構(gòu)的灰?guī)r基礎(chǔ)上演變而來。灰?guī)r的基體部分為泥晶結(jié)構(gòu)或含砂屑結(jié)構(gòu)，礦物成分與重結(jié)晶前的灰?guī)r基本一致。

根據(jù)資料分析認(rèn)為，屬于原生或重結(jié)晶成因的花斑狀灰?guī)r的化學(xué)成分CaO一般＞50%左右，MgO為1%左右。交代成因的花斑狀灰?guī)rCaO較低，為45%～50%，MgO較高，為2%～5%，其核心部分含泥灰質(zhì)白云巖的CaO只有40%～45%，MgO為5%～12%?；ò郀罨?guī)r中的K2O+Na2O在0.2%以下。

礦區(qū)內(nèi)發(fā)育少量花斑狀灰?guī)r，通過分析研究，認(rèn)為斑的成因其原巖為泥晶灰?guī)r，是原生含鐵質(zhì)、泥質(zhì)的斑，或重結(jié)晶的斑，多為泥晶方解石重結(jié)晶所致，但巖石中泥晶方解石仍可達到60%～80%，后生的白云石含量10%～30%；在沉積后期成巖階段的白云石花斑，局部交代了方解石，形成了淺色的斑團。

本區(qū)陸海棚環(huán)境沉積的石灰?guī)r是山西北部地區(qū)重要的水泥用石灰?guī)r工業(yè)礦床之一。

4 找礦方向

該礦床是右玉縣發(fā)現(xiàn)的具有典型沉積特征和成礦模式的中奧陶統(tǒng)下馬家溝組優(yōu)質(zhì)水泥用石灰?guī)r礦床，通過對該礦床區(qū)域地質(zhì)特征及礦床成因分析，為在山西北部尋找類似礦床提供了找礦借鑒。