貴州二疊紀(jì)龍?zhí)镀诹蜩F礦沉積環(huán)境及成礦模式

魏澤權(quán)，譙文浪，劉永坤

(貴州省地礦局一○二地質(zhì)大隊，貴州 遵義 563003)

0 引言

硫鐵礦是提取硫、制造硫酸的主要礦物原料，包括黃鐵礦和白鐵礦。黃鐵礦和白鐵礦的成分均為FeS2，為同質(zhì)多象變體，白鐵礦在自然界的分布較黃鐵礦少，工業(yè)上一般將黃鐵礦稱為硫鐵礦。在川、黔、滇邊界的數(shù)萬平方公里范圍內(nèi)的二疊系龍?zhí)督M底部，廣泛發(fā)育一層含黃鐵礦的淺灰色高嶺石黏土巖沉積，該層層位穩(wěn)定，以四川瀘州敘永境內(nèi)發(fā)育最好，儲量最為豐富，也稱為“敘永式”硫鐵礦。在貴州境內(nèi)，該層硫鐵礦分布最廣，資源量最豐富，利用價值最大。主要在黔北地區(qū)桐梓、習(xí)水、綏陽、湄潭、播州、仁懷，黔西北地區(qū)金沙、黔西、大方、織金、畢節(jié)、納雍一帶分布較為集中，其余地區(qū)有少量分布。據(jù)統(tǒng)計，目前累計查明的礦石總資源儲量已達6.3億噸[1]，礦床規(guī)模均以大中型為主，小型礦床較少。

前人對貴州硫鐵礦的研究，主要選擇從地質(zhì)特征、成因機理、成礦作用等方面進行[2-3]，而本文是對貴州全境二疊紀(jì)龍?zhí)镀诹蜩F礦沉積環(huán)境及成礦模式系統(tǒng)進行研究，助推該類型硫鐵礦成礦規(guī)律與找礦預(yù)測，具有較強的現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

貴州大地構(gòu)造位置處于羌塘-揚子-華南板塊(Ⅰ級分區(qū))揚子陸塊(Ⅱ級分區(qū))上揚子地塊和江南復(fù)合造山帶(Ⅲ級分區(qū))。依據(jù)控盆控相斷裂，結(jié)合深部隱伏斷裂帶和地表地層出露、變形特點劃分出8個三級構(gòu)造單元區(qū)，按地表構(gòu)造形跡的方向和變形組合樣式，結(jié)合深部隱伏斷裂帶的發(fā)育情況劃分出13個五級構(gòu)造變形區(qū)[4](圖1)。

貴州地層發(fā)育齊全，以沉積巖為主，自新元古界至第四系均有出露。特別是震旦紀(jì)至三疊紀(jì)海相地層層序連續(xù)，多為整合接觸，巖漿巖分布較少，出露面積相對較廣的為二疊紀(jì)陽新世—樂平世大陸溢流玄武巖，其余類型巖漿巖分布較為零星。

圖1 貴州大地構(gòu)造位置單元分區(qū)及玄武巖分布圖(據(jù)中國地質(zhì)志·貴州志，修編，2017)Fig.1 The geotectonic map and basalt distribution in Guizhou(From China Geology Record - Guizhou Volume，2017，revised)1—Ⅲ級分區(qū)界線 2—Ⅳ級分區(qū)界線 3—Ⅴ級分區(qū)界線 4—峨眉山玄武巖分布區(qū) Ⅳ-4-1-上揚子地塊 Ⅳ-4-2-上揚子地塊 Ⅴ-3-1-華夏地塊 Ⅳ-4-1-1-威寧隆起區(qū) Ⅳ-4-1-2-六盤水裂陷槽 Ⅳ-4-1-3(1)-織金穹盆構(gòu)造變形區(qū) Ⅳ-4-1-3(2)-畢節(jié)弧形褶皺帶 Ⅳ-4-1-3(3)-鳳岡SN向褶皺變形區(qū) Ⅳ-4-1-4-赤水克拉通盆地區(qū) Ⅳ-4-2-1-興義隆起區(qū) Ⅳ-4-2-2(1)-冊亨EW向褶皺變形區(qū)Ⅳ-4-2-2(2)-望謨NW向褶皺帶 Ⅳ-4-2-3(1)-都勻SN向褶皺變形區(qū) Ⅳ-4-2-3(2)-銅仁復(fù)式褶皺變形區(qū) Ⅳ-4-2-4(1)-榕江開闊復(fù)式褶皺變形區(qū) Ⅳ-4-2-4(2)-黎平緊閉復(fù)式褶皺變形區(qū)

二疊紀(jì)龍?zhí)对缙诤S鐵礦的淺灰色黏土巖，主要集中分布于上揚子地塊的鄂湘渝黔前陸褶皺沖斷帶內(nèi)。二疊紀(jì)龍?zhí)镀诔练e，在貴州省域各地沉積環(huán)境各異(圖2)：在威寧—盤縣一帶形成了泛濫平原的陸相沉積(宣威組)，在遵義—貴陽—興義一帶形成了潮坪-潟湖相海陸交互相沉積(龍?zhí)督M)，在務(wù)川—余慶—荔波一帶，形成了半局限臺地相沉積(合山組)，紫云、冊亨一帶形成了臺地邊緣礁灘相沉積(吳家坪組)，羅甸—望謨一帶為臺緣斜坡-深水盆地相沉積(領(lǐng)薅組)[5]。

1.2 礦床地質(zhì)特征

1.2.1 含礦系特征

西南地區(qū)龍?zhí)镀诹蜩F礦體產(chǎn)于其底部的高嶺石黏土巖中，在茅口組灰?guī)r侵蝕間斷面上，與美國東部泥盆系海相沉積硫鐵礦類似，均有明顯的沉積間斷[6]。該侵蝕面呈凹凸不平的波狀起伏，礦層界限清楚，含黃鐵礦高嶺石黏土巖層頂界平直、明顯。含礦層形態(tài)及規(guī)模受下伏茅口組古巖溶面的控制，一般是凹處礦厚，凸起部位礦薄。含礦層巖性主要為高嶺石化基性凝灰?guī)r、高嶺石黏土巖等，另外在煤層中局部有黃鐵礦發(fā)育，與四川瀘州“敘永式”硫鐵礦巖性相近[7]。

貴州省二疊紀(jì)龍?zhí)镀诹蜩F礦，在陸相(宣威組)、臺緣斜坡及深水盆地相沒有產(chǎn)出；在海陸交互相與陸相接合附近(“大龍?zhí)督M”)、半局限臺地相(合山組)產(chǎn)出較少，品位較低；在海陸交互相的中部(“小龍?zhí)督M”)產(chǎn)出較多，是其主要產(chǎn)區(qū)，該區(qū)硫鐵礦層厚度較穩(wěn)定，品位為10%～20%。主要產(chǎn)于黔北、黔西北地區(qū)，含礦系的巖性組合具有一定規(guī)律：① 黔北地區(qū)含礦系由西向東依次為含凝灰質(zhì)泥巖-泥巖-硫鐵礦-煤層組合；泥巖-炭質(zhì)泥巖-煤層及硫鐵礦(上部為黑礦，下部為白礦)組合；② 黔西北地區(qū)含礦系主要由沉凝灰?guī)r、凝灰?guī)r、玄武質(zhì)火山角礫巖組成，一般由上而下分為灰白色含菱鐵礦鮞?；?guī)r、灰白色角礫狀凝灰?guī)r、紫紅色玄武質(zhì)凝灰?guī)r、淺灰色玄武質(zhì)火山角礫巖、淺灰色豆?fàn)畛聊規(guī)r，各巖石多被黏土巖化。

圖2 貴州省二疊紀(jì)龍?zhí)镀诘貙蛹傲蜩F礦層柱狀對比圖Fig.2 ColumncomparisonofstratainLongtanstageofPermianandsulfidebedsinGuizhouProvince

1.2.2 礦體特征

礦體主要呈層狀、似層狀產(chǎn)于晚二疊統(tǒng)煤系地層底部，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致，與下伏中二疊統(tǒng)茅口組灰?guī)r呈巖溶不整合接觸關(guān)系。礦層厚度一般為0～6 m，局部大于8 m。礦石品位為7%～20%。礦層厚度與礦石品位呈正相關(guān)關(guān)系。

其中，黔北地區(qū)硫鐵礦一般產(chǎn)于中二疊統(tǒng)茅口組第三段灰?guī)r喀斯特不整合面上，局部整合產(chǎn)于茅口組第二段炭硅質(zhì)灰?guī)r或錳礦層之上[8]，黃鐵礦以團塊狀、結(jié)核狀、扁豆?fàn)?、聚晶團塊狀產(chǎn)出于灰色—深灰色黏土巖及褐黑色炭質(zhì)頁巖中，部分地區(qū)分為上下礦層，下部為a礦層，為淺灰—灰白色黏土巖硫鐵礦(俗稱“白礦”)，厚0.8～4.6 m，平均厚2.04 m，礦層厚度變化系數(shù)為48.76%。上部b礦層，為灰黑、褐黑色結(jié)核狀炭質(zhì)頁巖硫鐵礦(俗稱"黑礦")，厚0.62～3.59 m，平均厚1.61 m，礦層厚度變化系數(shù)47.35%。礦石品位隨礦層厚度變化而變化，總體呈厚富薄貧趨勢[9]。礦石成分主要為黃鐵礦，次為白鐵礦，少量膠硫鐵礦。脈石成分主要為高嶺石黏土礦物及少量玄武巖屑、方解石、石英、綠泥石、蒙脫石、水鋁石、白云石、碳質(zhì)及有機質(zhì)等。

黔西北地區(qū)硫鐵礦位于龍?zhí)督M底部，茅口組不整合侵蝕面之上，局部地區(qū)分布于峨眉山玄武巖之上(“大龍?zhí)督M”)。含礦系主要由沉凝灰?guī)r、凝灰?guī)r、玄武質(zhì)火山角礫巖組成，一般由上而下可分為灰白色含菱鐵礦鮞粒灰?guī)r、灰白色角礫狀凝灰?guī)r、紫紅色玄武質(zhì)凝灰?guī)r、淺灰色玄武質(zhì)火山角礫巖、淺灰色豆?fàn)畛聊規(guī)r。上述巖石多被黏土巖化。硫鐵礦分散產(chǎn)于整個含礦系中，以底部最為富集。礦體呈層狀、似層狀、囊狀、雞窩狀等；礦體(層)厚度受地板古巖溶面控制，古巖溶面凹陷處礦層厚，凸起處厚度小，乃至尖滅。礦石成分主要為硫鐵礦，偶見白鐵礦、菱鐵礦及黃鐵礦、閃鋅礦等。脈石主要為火山碎屑巖蝕變黏土類礦物高嶺石、水綠泥石、水云母等，其次為陸源碎屑物及泥質(zhì)、有機質(zhì)等。

1.2.3 礦層厚度、品位分布規(guī)律

貴州省二疊紀(jì)龍?zhí)镀诹蜩F礦由于受基底喀斯特界面影響，局部厚度變化較大，在畢節(jié)王家壩礦區(qū)，礦層厚1.18～5.49 m，平均厚3.61 m；遵義三岔河礦區(qū)，礦層厚1.12～7.64 m，平均厚3.47 m；綏陽清源礦區(qū)，礦層厚0.63～2.31m，平均厚1.50 m。總體厚度變化規(guī)律：當(dāng)含礦系為龍?zhí)督M時，厚度一般大于3 m；當(dāng)含礦系為合山組時，礦層厚度在1～2 m之間；當(dāng)含礦系為吳家坪組時，一般不產(chǎn)硫鐵礦或硫鐵礦層厚度小于0.5 m。

礦石品位受礦層厚度影響較大。在畢節(jié)王家壩礦區(qū)：TS(全硫)單個工程品位最高達16.69%，最低為10.45%，礦區(qū)平均品位為13.70%。遵義三岔河礦區(qū)：黏土泥巖型硫鐵礦(a礦層)TS平均為13.36%，變化系數(shù)為14.66%；炭質(zhì)頁巖硫鐵礦(b礦層)TS平均為13.52%，變化系數(shù)為28.86%。綏陽清源礦區(qū)：TS平均品位為14.32%?？傮w來說，貴州省二疊紀(jì)龍?zhí)镀诹蜩F礦TS品位大多在10%～20%之間，礦石品級一般為三級。礦石中TS及其他化學(xué)元素組分含量見表1。

表1 龍?zhí)镀诹蜩F礦石元素組分含量Table 1 Element composition of pyrite ores in Longtan stage

2 硫鐵礦沉積環(huán)境

貴州省二疊紀(jì)龍?zhí)镀诹蜩F礦均為沉積型硫鐵礦，沉積環(huán)境是影響硫鐵礦發(fā)育最重要的因素。二疊紀(jì)是全球重要的發(fā)展時期，在全球范圍內(nèi)發(fā)生了廣泛的地質(zhì)事件，二疊紀(jì)期間，華南板塊地處聯(lián)合大陸和古特提斯洋的東部，赤道低緯度地區(qū)。華南地區(qū)在中二疊世發(fā)生了兩起重要的地質(zhì)事件，在早—中二疊世，岡瓦納大陸冰川大規(guī)模消融，導(dǎo)致了高頻率、大振幅的冰川型海平面變化和廣泛分布的旋回沉積，造成晚古生代以來華南地區(qū)最大規(guī)模的海侵，在中二疊世茅口早期形成最大海泛面，發(fā)育了華南最為廣泛的碳酸鹽巖沉積[10]。茅口中晚期，東吳運動使得地殼區(qū)域性上升，研究區(qū)海水自西向東南迅速退出，同時貴州西部玄武巖噴溢地表，大量火山灰物質(zhì)在玄武巖噴溢區(qū)周邊區(qū)域沉淀，而茅口期沉積形成的灰?guī)r大面積暴露地表遭受剝蝕，形成古喀斯特沉積間斷界面。二疊紀(jì)龍?zhí)镀陂_始，玄武巖噴溢停止，隨著地殼緩慢下降，海水開始自南向北西入侵，開始了龍?zhí)对缙诘某练e(圖3)。

圖3 貴州省二疊紀(jì)龍?zhí)镀趲r相古地理及硫鐵礦床分布圖(據(jù)中國區(qū)域地質(zhì)志·貴州志，修編，2017)Fig.3 Distribution map of pyrite deposits and paleogeography at Longtan stage of Permian in Guizhou Province(From China Geology Record - Guizhou Volume，2017，revised)1—泥巖夾砂巖組合 2—砂巖夾泥巖組合 3—泥巖夾灰?guī)r組合 4—灰?guī)r夾泥巖組合 5—灰?guī)r組合 6—灰?guī)r夾硅質(zhì)巖組合 7—礁灰?guī)r-藻屑灰?guī)r組合 8—灰?guī)r-礫屑灰?guī)r組合 9—泥巖-砂巖-火山碎屑巖組合 10—海陸界線 11—巖相界線 12—巖組界線 13—海侵方向 14—陸源碎屑搬運方向 15—硫鐵礦床 FP—泛濫平原相 TF-Lg—潮坪-潟湖相 HP—半局限臺地相 PE—臺地邊緣礁灘相 PS—臺地前緣斜坡相 DB—深水盆地相

1)在冊亨、望謨、羅甸、紫云一帶，由于與玄武巖噴發(fā)區(qū)相鄰，大量的火山灰物質(zhì)隨大氣及地表水帶入，形成了泥巖-砂巖-火山碎屑巖組合(領(lǐng)薅組)。

2)在紫云—惠水—凱里一線以南，形成以臺地相邊緣的半深水灰?guī)r夾硅質(zhì)巖組合沉積，底部僅沉積了小于1 m的黏土巖，其間幾乎不含或僅含少量粉晶黃鐵礦(吳家坪組)，而在務(wù)川—福泉一線以東，凱里—三穗一線以北地區(qū)，則以淺海臺地相的灰?guī)r組合沉積為主，底部沉積1～2 m黏土巖，其間含少量粉晶及黃鐵礦晶體顆粒(合山組)。而在務(wù)川—福泉—惠水一線以西，正安—綏陽—湄潭—貴陽—關(guān)嶺一線以東地區(qū)形成半局限海沉積相的礁灰?guī)r-藻屑灰?guī)r組合，底部沉積1～3 m淺灰色含硫鐵礦黏土巖，硫鐵礦品位一般可達8%(合山組)。

3)正安—綏陽—湄潭—貴陽—關(guān)嶺一線以西，關(guān)嶺—安順—金沙—仁懷一線以東，為潟湖相灰?guī)r、泥巖組合沉積(小龍?zhí)督M)，底部一般沉積有1～5 m黏土泥巖巖硫鐵礦層；關(guān)嶺—安順—金沙—仁懷一線以西，盤縣—六盤水—畢節(jié)一線以東區(qū)域，沉積潮坪相砂巖夾泥巖組合，底部沉積有1～5 m黏土泥巖巖硫鐵礦層(小龍?zhí)督M)，南部區(qū)域為玄武巖上沉積0.2～2.7 m的凝灰質(zhì)黏土巖或凝灰質(zhì)砂巖，少部分區(qū)域產(chǎn)出0.2～1.5 m的含黃鐵礦黏土巖(大龍?zhí)督M)。

4)盤縣—六盤水—畢節(jié)一線以西區(qū)域，整個龍?zhí)镀诰幱陉懙?，屬陸相或河流三角洲相碎屑巖組合沉積(宣威組)，底部一般產(chǎn)出凝灰質(zhì)砂巖及綠泥石鐵礦，無硫鐵礦層產(chǎn)出。

3 硫鐵礦成礦模式

3.1 物質(zhì)來源分析

中二疊世末期至晚二疊世早期，東吳運動使地殼抬升，貴州大部地區(qū)都經(jīng)歷了一定時期的沉積間斷。同時，由于峨眉地幔柱的活動，貴州西部玄武巖漿大面積噴溢出地表，大量的火山碎屑在噴溢區(qū)周圍一帶地區(qū)下沉堆積，在大氣降水或地表水的搬運下進入低洼地方沉淀下來，形成凝灰質(zhì)黏土巖或凝灰質(zhì)砂巖[11-12]，在搬運過程中Fe元素被水介質(zhì)溶解帶走，這也是凝灰質(zhì)黏土巖或凝灰質(zhì)砂巖含F(xiàn)e量少的原因。火山噴發(fā)產(chǎn)生的富含F(xiàn)e的微細(xì)粒粉塵和氣態(tài)物質(zhì)則隨大氣被帶到遠離噴口地區(qū)，隨大氣降水經(jīng)地表流入龍?zhí)冻跗诤＿M形成的相對滯流的潟湖環(huán)境沉淀，形成含F(xiàn)e沼泥，同時，大量動植物因環(huán)境變化死亡形成有機質(zhì)也被滯留在潟湖沼泥中，在氣候及水位升降變化環(huán)境下，水體中的氧化還原環(huán)境及酸堿度也隨之變化，使沼泥中的有機質(zhì)分解出H2S，與同處于沼泥中Fe元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硫鐵礦雛形。

3.2 形成機制探討

在沉積階段，由于水體中處于氧化環(huán)境，不利于黃鐵礦生成。隨著上覆沉積物日益加厚，阻止了海水中氧氣的補給，沉積物中的有機質(zhì)解體，分解出CO2、H2S及NH3而使原來的氧化環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原環(huán)境，有機物分解形成的H2S與同處于沼泥中的Fe發(fā)生反應(yīng)，結(jié)合形成單硫鐵(圖4)。

化學(xué)反應(yīng)式：Fe+H2S→FeS2。

單硫鐵在高溫高壓的成巖作用條件下結(jié)晶脫水則形成了硫鐵礦，如果在低溫條件下則形成硫鐵礦的異構(gòu)體——白鐵礦[13]。而現(xiàn)存在于硫鐵礦床中的聚晶、連晶及各種集合體，則是由于成巖—后生階段礦物重結(jié)晶作用形成。

圖4 二疊紀(jì)龍?zhí)镀谌砗恿蜩F礦成礦模式圖(根據(jù)貴州省硫鐵礦資源潛力評價報告修改，2012)Fig.4 Metallogenic model map of the Sanchahe pyrite deposit in Longtan stage of Permian(From Guizhou Province pyrite resource potential evaluation report，2012，revised)1—玄武巖噴出 2—大氣中鐵元素遷移 3—地表鐵元素遷移 4—茅口組灰?guī)r基底 5—硫鐵礦沉積 6—開闊海洋

4 結(jié)論

1)貴州二疊紀(jì)龍?zhí)镀诹蜩F礦主要為沉積型硫鐵礦，一般作為煤共生礦產(chǎn)。其嚴(yán)格受當(dāng)時的沉積環(huán)境限制：海陸交互相沉積的碎屑巖-灰?guī)r組合區(qū)及半局限海相沉積的礁灰?guī)r-藻屑灰?guī)r組合區(qū)最有利于該類型硫鐵礦產(chǎn)出；淺海臺地相的灰?guī)r組合區(qū)有含黃鐵礦黏土巖產(chǎn)出，但一般黃鐵礦含量較低，不能形成單獨的硫鐵礦床；陸相沉積的碎屑巖區(qū)及深海斜坡相沉積區(qū)的宣威組、領(lǐng)薅組無含黃鐵礦黏土巖產(chǎn)出。

2)硫鐵礦沉積基底為茅口組灰?guī)r，在茅口組灰?guī)r沉積時期與硫鐵礦層形成時期經(jīng)歷了較長時間的沉積間斷，含礦系厚度受基底灰?guī)r起伏控制。

3)礦石中的Fe元素主要來源于玄武巖漿噴發(fā)，而S元素則來源于有機質(zhì)分解。

4)礦物形成于沉積階段，而礦物重結(jié)晶富集則形成于成巖—后生階段，礦石自然類型為黏土泥巖硫鐵礦和炭質(zhì)頁巖硫鐵礦。