中国油页岩型天然碱矿床成因研究.pdf
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1、 第 45 卷 第 2 期 化 工 矿 产 地 质 Vol.45 No.2 2023 年 06 月 GEOLOGY OF CHEMICAL MINERALS Jun.2023 中国油页岩型天然碱矿床成因研究 徐少康 石秋圆 中化地质矿山总局地质研究院,北京 100101 摘 要 油页岩型天然碱矿床是中国天然碱矿床重要的成因类型,成矿大地构造背景为活动性构造带,成矿环境为干旱气候条件下的深水盐湖。钠主要源于深部油田的热卤水,碳主要源于剥蚀区碳酸盐岩。成矿作用为混卤化学沉积作用:源于深部油田的富钠热卤水与地表富碳常温卤水混合导致碱矿物析出成矿。找矿方向:南阳次级盆地东端、吴城盆地东南部及构造活动带
2、内的油页岩分布区。关键词 油页岩型天然碱矿床 成矿环境 物质来源 成矿作用 找矿方向 中国 中图分类号:P611 文献标识码:A 文章编号:10065296(2023)02012111 据主要地质特征及矿体物态,本文将中国的天然碱矿床分为三大类型:油页岩型、现代盐湖型及卤水型1-6。油页岩型矿床,位于河南南阳地区,深埋于地下,油页岩发育、且与成矿关系密切。现代盐湖型矿床,主要分布于内蒙古高原地区的现代盐湖中。卤水型矿床与前两者共生或伴生。油页岩型天然碱矿床探明资源储量占全国天然碱矿床的 79%,成因独特,是重要的成因类型。以往不同学者针对不同问题对本类型矿床进行了研究7-18,代表性观点为:成
3、矿时湖水深度不超过 1.53m11;成矿时的气候环境为雨量充沛、淡水补给丰富的潮湿气候环境(主要依据为:含矿岩段古植被孢粉组合具潮湿气候特征)14;成矿时的气候为干旱与潮湿交替,潮湿气候形成碱质岩,干旱气候形成白云岩(主要依据为:油页岩与碱质岩密切共生,油页岩中含有大量陆源碎屑,搬运陆源碎屑的介质为大气降水)15;剥蚀区主要岩石为硅酸盐类,是钙镁钠主要来源,碳主要源于油页岩中的有机质和大气,成矿作用为蒸发化学沉积作用7,12,15。显然,浅水不可能形成数百米厚碳酸盐岩,潮湿气候不可能形成蒸发盐类矿物。相对于整个含矿岩段,有机质含量不超过 5%,地表河水 HCO3-(源于大气)含量不超过272m
4、g/L19,所以,有机质和大气不可能是碳主要来源。硅酸盐类矿物不易化学风化,不可能是钙镁钠主要来源。需进一步说明的是:作者在研究过程中发现,有的文献对岩矿石定名有误,如:原定名为白云岩、泥质白云岩、泥岩的样品,SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2总量在 51%74%之间,应定名为白云质泥岩或含白云石泥岩;原定名为矿石的样品,SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2总量在 72%77%之间,应定名为含碱泥岩或碱质泥岩。本文在对岩矿石名称进行更正的基础上,对有关沉积韵律类型进行了重新划分。本文第一作者近年参与了中国矿产地质志编写工作,具体负责天然碱矿种成因等方面的研究,全面收集了有关文献资
5、料,并进行了综合分析,近期本文作者又进一步进行了深入研究,本文为最新研究成果之一。1 矿床地质特征 我国目前发现的油页岩型天然碱矿床有 4 个,分布于河南省南阳东南地区,分别为吴城矿床、安棚矿床、曹庄矿床及郭桥矿床,前三者位于桐柏县境内,后者位于泌阳县境内,规模均为大型,深埋于地下 6422700m 处,大地构造位置处于秦岭构造带内(图 1),成矿时代为新生代古近纪。第一作者简介:徐少康(1955),男,长期从事化工矿产地质研究,教授级高级工程师。E-mail: 收稿日期:2021-01-10 改回日期:2021-07-14 基金项目:中国地质调查局科研项目中国矿产地质志(编号:DD20221
6、695、DD20190379、DD20160346)122 化 工 矿 产 地 质 2023 年 1-秦岭构造带(含郯庐断裂以东的东延部分);2-断裂;3-推测断裂;4-地质界线;5-地名;6-油页岩型天然碱矿床分布区中心位置 图 1 中国油页岩型天然碱矿床大地构造位置图20-21 Fig.1 Geotectonic location map of oil shale type of natural soda deposit in China 1.1 成矿盆地 矿床分布于毗邻的两个小型中生代内陆盆地内。吴城矿床处于吴城盆地,其它三个位于南襄盆地内的泌阳次级盆地内(以往的文献称为凹陷)。吴城盆地
7、平面形态呈不规则近等轴状,面积381km2;泌阳次级盆地平面形态不规则,面积1032km2。两个盆地之间为桐柏山脉(图 2)。1-省界;2-城市、城镇及代号;3-盆地边界线(断线为推测);4-盆地周边剥蚀区;5-地质界线;6-断层;7-剖面位置;8-天然碱矿区及代号;9-石油矿区;10-成矿预测区及编号 天然碱矿床:1-郭桥矿床;2-安棚矿床;3-曹庄矿床;4-吴城矿床 地名:1-南阳;2-唐河;3-泌阳;4-新野;5-桐柏;6-襄阳成矿盆地面积:泌阳次级盆地-1032km2;吴城盆地-381km2 图 2 中国油页岩型天然碱矿床沉积盆地平面图4,8,18 Fig.2 Sedimentary
8、Basin Plan of the Oil Shale type of natural soda deposit in China 1.2 地层 两个盆地内的沉积层均主要为陆相碎屑沉积、局部夹化学沉积岩(白云岩和碱质岩),以古近系为主,化学沉积岩段位于古近系上部(图 3)。泌阳次级盆地沉积层最大厚度 8300m,最老地层为白垩系。吴城盆地沉积层最大厚度 2490m,最老地层为古近系。白垩系和古近系倾向东南,平均倾角不超过 10 度;新近系和第四系水平至近水平。吴城盆地含矿岩组为五里堆组,分为上、下两个岩性段,下段为含矿岩段。泌阳次级盆地含矿岩组为核桃园组,分为三个岩性段,二段为含矿岩段。1.3
9、 含矿岩段的岩石类型及沉积韵律 含矿岩段平均厚度 60860m 左右,岩石类型包括碱质岩、油页岩、泥质白云岩和含泥质白云岩(为了便于表述,本文统称为泥质白云岩)、石盐岩、泥质岩及砂岩。碱质岩,均厚 0.107.95m,矿物成份以同生矿物为主(主要为天然碱、重碳钠盐及碳氢钠石,少量石盐、碳钠钙石、磁黄铁矿、黄铁矿、白云石、方沸石、钠沸石,等),少量陆源碎屑矿物(长石,石英,等)。油页岩,单层厚度一般 12.5m、最厚 8m 多,成份主要为陆源碎屑(以粘土为主,少量粉砂),次为同生矿物(以白云石为主,少量天然碱、碳钠钙石、方沸石、黄铁矿、磁黄铁矿),石油含量一般 3%5%、最高略大于 10%,含植
10、物碎片。泥质白云岩,单层厚度一般几十厘米数米,矿物成份主要为白云石、铁白云石,次为陆源碎屑(以粘土为主,少量粉砂),其它同生矿物(方解石,黄铁矿,沸石,碳钠钙石,天然碱)少量。石盐岩,仅在吴城盆地见到,与碱质岩共生,薄层状,分为碱质石盐岩、含碱石盐岩、纯石盐岩三种类型。泥质岩,有的矿区常见,有的矿区少见,厚度一般几十厘米数米,矿物成份主要为陆源碎屑(以泥质为主,少量粉砂),次为同生矿物(以白云石为主,少量碱矿物、黄铁矿及沸石,等)。砂岩,单层厚度一般 0.10.5m,砂粒为粉砂中砂。胶结物主要为粘土矿物、白云石、方解石,少量石膏、硬石膏、碳钠钙石。砂粒和粘土为陆源碎屑,其它为同生矿物。空隙式胶
11、结,或基底式胶结。主要产于沉积旋迴底部,少量呈夹层产于油页岩及泥质岩中,有的含石油(称为油砂)。含矿岩段内碱质岩分布不均匀。碱质岩密集产出层段称为含矿亚段,均厚 0.277.69m。不含碱质岩层段(简称为非矿亚段),均厚 2.12284.50m,多数主要由泥质白云岩组成、局部夹泥质岩(简称为泥质白云岩亚段),个别由油页岩与第 2 期 徐少康,等:中国油页岩型天然碱矿床成因研究 123 泥岩互层组成(简称为油页岩-泥质岩亚段)。含矿岩段具有明显沉积韵律(图 4)。油页岩与成矿关系密切,有矿必有油页岩,无油页岩必无矿,油页岩是成矿的必要条件。1.3.1 一级沉积韵律 整个含矿岩段由含矿亚段与非矿亚
12、段互层组成。吴城盆地含矿岩段底部为泥质岩亚段,顶部为泥质白云岩亚段,其它部位由含矿亚段与白云岩亚段互层组成,共有 7 个含矿亚段(以往文献称为矿组)、自下而上编号为、。泌阳次级盆地含矿岩段顶、底部均为泥质白云岩亚段,其它部位由含矿亚段与泥质白云岩亚段互层组成,共有 4 个含矿亚段、自下而上编号为、。注:安鹏矿区是泌阳次级盆地沉降中心,矿层及韵律发育齐全,其它矿区矿层是安鹏矿区矿层的延伸,因此,泌阳次级盆地地层资料以安鹏矿区的为主(第四系据多个矿区,其它地层据安棚矿区);沉积基底岩性据盆地周边岩性和地质构造推断;当厚度数据为一个区间或有多个时,均厚取最大值和最小值的中值,仅有一个时均值取该值 图
13、 3 中国油页岩型天然碱矿区地层对比图 Fig.3 Stratigraphic correlation of oil shale type of natural soda deposits area in China 124 化 工 矿 产 地 质 2023 年 1-第 1 种基本韵律;2-第 2 种基本韵律;3-第 3 种基本韵律;4-第 4 种基本韵律;5-第 5 种基本韵律;6-泥质白云岩;7-油页岩;8-粉砂质泥岩;9-白云质泥岩;10-白云岩;11-油迹粉砂岩;12-缩减符 注:吴城盆地,亚段底界与李士沟组顶界之间厚度取最大值(217.18m)和最小值(11.12m)的中值;亚段顶界
14、与五里堆组上段底界之间厚度等于五里堆组下段总厚度 300m 减去下亚段其它岩性段厚度值和;泌阳次级盆地,顶界-核三段底界之间地层厚度,由核二段总厚度减去核二段其它段厚度之和;泌阳次级盆地各含矿亚段矿层数尚不清楚,图中基本韵律数不代表实际数 图 4 中国油页岩型天然碱矿床沉积韵律图 Fig.4 Sedimentary rhythm column of oil shale type of natural soda deposit in China 1.3.2 二级沉积韵律 含矿亚段中基本沉积韵律有 5 种:油页岩碱质岩泥质白云岩;油页岩含石盐碱质岩泥质白云岩;油页岩碱质岩粘土岩泥质白云岩;砂岩油页
15、岩泥质白云岩A型复合碱质岩(由油页岩与碱质岩互层组成)泥质白云岩;砂岩油页岩泥质白云岩B型复合碱质岩(由泥岩与碱质岩互层组成)泥质白云岩。含矿亚段由上述基本沉积韵律的重复组成。第 1 和 3 种位于吴城矿区-亚段,第 2 种位于吴城矿区-亚段,第和种位于安棚矿区。第、及种常见,第和种少见。1.3.3 三级沉积韵律 三级基本沉积韵律有两种:“油页岩碱质岩”和“泥岩碱质岩”。第二种少见,具体的复合碱质岩由上述两种基本韵律中的一种重复组成。1.4 矿体与矿石 矿体呈层状,倾角 111,平面形态不规则,面积 0.4624km2,均厚 0.373.15m,与顶底板呈整合接触。底板主要为油页岩,局部为泥质
16、岩。顶板主要为泥质白云岩,局部为油页岩或泥质岩。第 2 期 徐少康,等:中国油页岩型天然碱矿床成因研究 125 夹石主要为泥质白云岩,少数为泥质岩或油页岩。矿石自然类型有三种:天然碱型矿石,含石盐天然碱型矿石,重碳钠盐型矿石。天 然碱型 矿石:碱矿物 主要为 天然 碱(Na2CO3NaHCO32H2O),次 为 重 碳 钠 盐(NaHCO3);其它同生矿物(均小于 3%)主要为石盐,次为碳钠钙石、氯碳钠镁石及铁氯碳钠镁石,少量磁黄铁矿、黄铁矿、白云石、蛋白石、方沸石、菱铁矿、菱镁矿、方解石、干质沥青、黄铜矿及粘土矿物(蒙脱石,伊利石);少量陆源碎屑矿物(长石,石英等)。不等粒自形-它形粒状结构
17、,块状构造或条带状构造(白云石或陆源碎屑矿物呈条带状产出)。本类型矿石分布于吴城矿区-亚段。含石盐天然碱型矿石:碱矿物主要为天然碱(Na2CO3NaHCO32H2O),次 为 重 碳 钠 盐(NaHCO3);其它同生矿物以石盐(NaCl)为主(含量大于 3%),次为碳钠钙石、氯碳钠镁石及铁氯碳钠镁石,少量磁黄铁矿、黄铁矿、白云石、蛋白石、方沸石、菱铁矿、菱镁矿、方解石、干质沥青、黄铜矿及粘土矿物(蒙脱石,伊利石);少量陆源碎屑矿物(长石,石英等);不等粒自形-它形粒状结构,块状构造、条带状构造(白云石或陆源碎屑矿物呈条带状产出,其它矿物大致均匀分布)或层状构造(石盐呈层状产出)。本类型矿石分布
18、于吴城矿区-亚段。重碳钠盐型矿石:碱矿物主要为重碳钠盐(NaHCO3)、少量天然碱(Na2CO3NaHCO32H2O)和碳氢钠石(Na2CO33NaHCO3);其它同生矿物为碳钠钙石、方沸石、钠沸石、硅硼钠石、石膏、黄铁矿,碳钠镁石,氯碳钠镁石,方解石,水菱镁矿,菱铁矿,钙芒硝;少量陆源碎屑矿物(长石,石英等);泥晶结构、半自形-它形粒状结构;块状构造和纹层状构造(纹层由泥晶白云石组成)。本类型矿石产于泌阳次级盆地矿区。1.5 特征矿物 黄铁矿(FeS):在含矿岩组普遍出现,含矿岩段中含量明显增加,单晶粒度一般 0.13mm,呈星散状、团块状、薄层状产出,在碱质岩顶底板、靠近碱质岩的部位明显富
19、集。含量一般 1%3%,高者可达10%20%,局部可达40%50%。泌阳次级盆地矿区,含碱岩段碱质岩以外的各种岩性中普遍含有方沸石(Na(AlSi2O6)H2O)和钠沸石(Na2(Al2Si3O10)2H2O),方沸石更常见,靠近碱质岩顶底板的岩石中两种沸石含量明显增高,方沸石平均含量约 8%,钠沸石平均含量约 5%。吴城矿区仅在矿石中见到少量方沸石。铁白云石(Ca(Mg,Fe)CO32):安棚矿区含矿岩段白云岩类岩石中的白云石主要为铁白云石14,由于成矿条件相同,其它矿区含矿岩段白云岩类岩石中的白云石也可能以铁白云石为主。2 矿床成因分析 根据现代矿床学原理22,本文从成矿环境、物质来源及成
20、矿作用三个方面进行矿床成因的分析,同时,对相关的其它重要问题也进行了论述。2.1 成矿环境 2.1.1 大地构造特征及其与成矿的关系 矿床位于秦岭构造带内,该带是华北板块与杨子板块的缝合部位(图 1)。地质历史上,因板块运动,其构造活动频繁,属活动性构造带23-24。成矿时,本区构造运动的总趋势为:东南部下降,西北部相对抬升(图 5,图 6)。1-第四系;2-新近系伊庄组;3-古近系廖庄组;4-古近系核桃园组;5-古近系大仓房组;6-古近系玉皇顶组;7-白垩系上统胡岗组;8-地质界线;9-推测地质界线;10-断裂及上盘运动方向;11-性质不明断裂;12-沉积基底;13-地形线及剖面端点代号 图
21、 5 泌阳次级盆地剖面简图8 Fig.5 Schematic Section of Biyang Secondary Basin 构造运动是成矿的主要因素之一,主要作用表现在三方面:(1)形成的断陷盆地为成矿物质提供了沉积场所;(2)成矿过程中构造运动使沉积中心不断位移,导致矿体位置变化;(3)成矿过程中,周期性频繁构造运动使深部富钠油田水频繁上升、补给地表水体,导致含矿岩段具明显的韵律结构(图 4),是成矿的必要条件。2.1.2 成矿盆地的性质及成因 成矿盆地面积不大,分别为 381km2(吴城盆地)、1032km2(泌阳盆地)。盆地内沉积层主要为126 化 工 矿 产 地 质 2023 年
22、 陆相碎屑沉积,最大总厚度 2490m(吴城盆地)、8300m(泌阳盆地)(图 3)。盆地内沉积层时代为白垩纪至第四纪,盆地周围地层时代为太古宙-元古宙23,周边地层时代远老于盆地内沉积地层。所以,成矿盆地为内陆小型盆地,具有“高山深盆”的特征(“高山深盆”是蒸发盐矿床形成的一种新模式25),是由构造运动形成的断陷盆地。构造运动的动力为板块运动,导致的效应为:东南部下降,西北部相对抬升。注:号含矿亚段分布区有多个,范围小,厚度薄,未工业价值,未进行资源量估算,本图省略 1-号含矿亚段分布范围边界线及代号;2-号含矿亚段分布范围边界线及代号;3-号含矿亚段分布范围边界线及代号;4-号含矿亚段分布
23、范围边界线及代号;5-号含矿亚段分布范围边界线及代号;6-号含矿亚段分布范围边界线及代号;7-钻孔位置 图 6 吴城矿区含矿亚段分布范围平面图7 Fig.6 Plan of ore-bearing subsegment distribution in Wucheng mining area 2.1.3 成矿时湖水的浓度及气候环境 白云岩(主要矿物为白云石)和碱质岩(主要矿物为碱矿物)是含矿岩段主要岩性,属化学沉积岩,由白云石和碱矿物从地表水体中析出形成。白云石和碱矿物均属蒸发盐类矿物,只能从pH 值大于 9 的高浓度卤水中析出1,26。所以,成矿时(指含矿岩段沉积时期)盆地中地表水体为高浓度碱
24、性卤水,盆地已演化到盐湖阶段。据此分析,成矿时气候环境为干旱气候,大气降水量小,蒸发量大,盆地周边淡水对盆地的补给量很小或者没有。含矿岩段中的白云岩类,泥质含量较高,属泥质白云岩,说明地表水体混浊、含有较多细粒碎屑物,进一步说明地表水体浓度高。2.1.4 成矿时湖水的深度 含矿岩段白云岩的总厚度大,如:安鹏矿区含矿岩段白云岩总厚度 660m(据黄杏珍等资料汇总合计14,“含矿岩段”指本文调整后的含矿岩段),吴城矿区含矿岩段白云岩总厚度 110m(笔者估算)。浅水不可能形成如此厚的白云岩,故湖水深度大,初步估算,泌阳次级盆地湖水深度大于 1000m,吴城盆地湖水深度数百米。2.1.5 成矿时湖水
25、的温度 原化学工业部地质研究院测得碱矿物形成温度为 4560C(包体测温)4,此温度为成矿时湖水的温度。在正常开放环境中,地表水温(本区目前年均气温 15C)远低于上述温度2,4。所以,成矿时的湖水为碱性热卤水。2.2 物质来源 含 矿 岩 段 自 生 矿 物:主 要 为 天 然 碱(Na2CO3NaHCO32H2O)、重碳钠盐(NaHCO3)、碳 氢 钠 石(Na2CO33NaHCO3)、白 云 石(CaMgCO32)、铁白云石(Ca(Mg,Fe)CO32),少量石盐(NaCl)、氯碳钠镁石(Na3Mg(CO3)2Cl)、铁氯碳钠镁石(NaClNa2CO3(MgFe)CO3)、黄铁矿(FeS
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