瑞昌市大北山熔剂用石灰岩矿床地质特征及成因

黄晋显， 王 勇， 段振元

(江西省地质矿产勘查开发局赣西北大队,江西 九江 332000)

从20世纪60年代开始，人们一直在九瑞地区的邓家山-东雷湾-通江岭一带寻找金属矿产,已发现邓家山小型金矿，龙垱沟、东雷湾小型铜矿及新发现的通江岭铜钨矿等矿床。从20世纪80年代开始，建材部地质公司在区内寻找水泥用灰岩矿，在向斜北翼东段已探明码头镇新屋田、下张二处大型水泥用灰岩(现已建立年产千万吨规模的江西亚东水泥厂)。21世纪初，江西省地质矿产勘查开发局赣西北大队开始在向斜南翼寻找熔剂用石灰岩矿，通过近几年加大勘查投入，探明了大北山矿区长约3 km、厚度约270 m的熔剂用石灰岩矿体，资源储量达2.15亿t，属大型规模。大北山矿区距码头镇长江码头12 km，处于黄金水道旁，原料可水运至省内外大型企业。通过研究矿区地层岩性、矿床地质特征及矿石显微特征，依据碳酸盐岩的沉积理论，对大北山矿区三叠系大冶组-嘉陵江组的沉积相进行简要分析，阐明矿体形成的沉积环境，以期对区域内后期寻找此类矿床提供参考。

矿区位于扬子陆块九江坳陷(江西省地质矿产勘查开发局，2017)。区域上沉积盖层发育，未见褶皱基底，出露地层为奥陶系至三叠系、第三系和第四系。区域内线状褶皱发育，自北而南有：东雷湾-通江岭向斜、宝山-大桥背斜、韭山-黄桥向斜及郎君山-丁家山背斜(图1)。背斜核部地层最老为奥陶系仑山组，向斜核部地层一般为三叠系嘉陵江组。

图1 区域地质构造略图Fig.1 Sketch map of regional tectonic setting1.背斜轴与倾伏端；
2.向斜轴；
3.断层；
4.加里东构造层(奥陶系-志留系)；
5.华力西-印支构造层(Ⅱ1.泥盆系-石炭系；
Ⅱ2.二叠系；
Ⅱ3.三叠系-含矿层)；
6.喜马拉雅构造层(第三系—第四系)；
7岩浆侵入岩体；
8.矿区

区域内发育与褶皱枢纽走向近平行的东西向纵断层、与褶皱枢纽走向斜交的北北东向(或北西向)斜断层和与褶皱枢纽走向近垂直的近南北向(或北北西向)横断层。

区域内岩浆岩发育在近东西向褶皱与纵断层交织而成的交点部位，为燕山期岩体。

2.1 地层

区内出露有二叠系、三叠系及第四系(图2)。地层呈单斜构造，近东西向展布，倾向北北西、倾角为52°～85°、向西、向深部倾角逐渐变缓，仅东段(15线以东)近地表倒转、倾向南-南南东、倾角为70°～90°。

三叠系有大冶组及嘉陵江组下段，岩性分述如下。

(1)大冶组下段(T1d1)：分布于矿区南部，出露较差，大部分被山田覆盖。岩性为黄绿色钙质页岩偶夹灰岩透镜体。产Ophiceras蛇菊石、Wanggi王氏克氏蛤(1)江西省地质矿产局赣西北大队,1987.中华人民共和国区域地质说明书：1∶5万瑞昌县幅说明书[R].，本段属浅海盆地沉积环境。本组与下伏地层呈整合接触。厚约22～102 m，由东向西变薄。

(2)大冶组上段(T1d2)：分布于矿区大部分区域，出露较好，与下伏地层呈整合接触，厚度约620 m，可分为上、中、下三个岩性段。

图2 大北山熔剂用石灰岩矿床地质图Fig.2 Geologic map of Dabeishan flux limestone deposit1.第四系;2.嘉陵江组下段;3.大冶组上段上岩性段;4.大冶组上段中岩性段;5.大冶组上段下岩性段;6.大冶组下段;7.长兴组;8.龙潭组;9.茅口组上段;10.花岗闪长岩之过渡相;11.花岗闪长岩之边缘相;12.花岗闪长岩;13.花岗斑岩脉;14.辉绿玢岩脉;15.矽卡岩;16.白色中细粒大理岩;17.白色细粒大理岩;18.次白色或浅灰色细粒大理岩;19.层间构造角砾岩;20.断层;21.平行不整合界线;22.地质界线;23.熔剂用石灰岩矿体;24.熔剂用白云质灰岩矿体;25.夹石;26.地层产状;27.钻孔;28.勘探线

(3)嘉陵江组下段(T1-2j1)：分布于矿区北部山顶。底部岩性为薄层含泥质灰岩、含泥质条带灰岩及薄层似瘤(蠕虫)状含泥质灰岩、夹泥页岩，厚度为20～30 m，是划分大冶组与嘉陵江组的标志层；
顶部岩性为灰-肉红色中厚-厚层状白云质灰岩、白云质鲕粒灰岩，厚度为207～253 m。本段为局限台地相-开阔台地相沉积环境。

2.2 构造及岩溶

矿区褶皱为东雷湾-通江岭向斜西端，轴向近东西，轴面南倾，以岩体为中心，西段为斜歪向斜，东段为倒转向斜，在岩体附近向斜呈压扭状，构成一向南突出的似弧形构造，弧顶遭岩体破坏。向斜核部由三叠系嘉陵江组组成，南翼较北翼倾角陡，倾角一般为52°～85°，东段近地表呈倒转。

区内主要发育层间破碎带，有产于大冶组与嘉陵江组接触带之间FA3、产于大冶组上段上岩性段FA4，破碎带由角砾岩或节理密集带组成，其中FA4规模较大，对矿体有一定破坏作用。

矿区岩溶率平均2.27%，岩溶总体不发育。

2.3 岩浆岩

矿区中间北部出露由花岗闪长岩、花岗闪长斑岩共同组成的东雷湾岩体，二者呈过渡相变关系。

花岗闪长岩和花岗闪长斑岩的SiO2与戴里的花岗闪长岩基本接近，整个岩体Q值变化区间为15.90～20.80，属SiO2过饱和岩石②。

② 江西省地质矿产局赣西北大队,2004.江西省瑞昌市东雷湾矿区铜矿普查地质报告[R].

岩浆岩位于矿体的北部，对矿体中段区域进行热液变质作用——大理岩化。

矿区还见花岗斑岩脉1条，辉绿玢岩脉5条，延伸长为100～250 m、厚为0.88～3.50 m。这些岩脉组成矿体内的岩脉夹石。

3.1 矿体特征

矿区的熔剂用石灰岩、熔剂用白云质灰岩矿体均赋存于东雷湾-通江岭向斜南翼的大冶组上段的中、上岩性段层位。矿区圈定大小矿体7个，其中熔剂用石灰岩矿体3个(Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ)，熔剂用白云质灰岩矿体4个(Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ)。由北向南分布Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿体，其中Ⅰ矿体内夹Ⅳ矿体，Ⅱ矿体内夹Ⅴ矿体，Ⅲ矿体内夹Ⅵ、Ⅶ矿体。主要矿体为Ⅲ熔剂用石灰岩矿体，其平面上在矿区南部呈宽带状，剖面上呈单斜的厚层状或多层状产出。矿体上部东、西两侧分为二支，在中段复合。走向为近东西，倾向为北北西(340°～355°)，倾角为52°～85°，倾角向西、向深部逐渐变缓；
但15线以东的近地表地层倒转，倾角为70°～90°。矿体走向长为3 500 m，厚度为225.39～331.03 m，平均厚度为274.60 m，厚度变化系数为8.31%。矿体地貌上为东西向山脉的南山坡，东西向呈两侧高中间低、南北向呈北高南低、沿山坡向南降低。赋存最大标高+276 m，最大高差226 m(开采最低标高+50 m)、裸露地表。

3.2 矿石质量

3.2.1 矿石矿物成分

矿石中矿物成分主要为方解石，其在熔剂用石灰岩矿石中含量为90%～98%，熔剂用白云质灰岩矿石中含量为75%～93%；
少量白云石含量为5%～25%，粒径为0.05～0.15 mm，呈半自形菱形，不均匀分布在方解石集合体中；
另含少量生物屑，粒径约0.02～0.20 mm，如介形虫、海百合茎等；
含微量的石英、泥质、方解石脉和氧化铁。

3.2.2 矿石组构

根据野外观察及岩石薄片鉴定资料，矿石以粉微晶粒状结构为主，少量为鲕粒结构、内碎屑结构、砾屑结构、粒状变晶结构(大理岩)；
矿石以层状、块状构造为主。

3.2.3 矿石化学成分特征

Ⅲ矿体矿石在不同工程、层位和品级中化学成分平均含量见表1和表2。由表可知：CaO含量地表略高于深部，走向上呈波状起伏，中部略高，大冶组上段上岩段质量好于中岩段质量,CaO含量略高0.44%；
MgO含量地表与深部差不多，走向上亦有小波状起伏，大冶组上段上岩段含量高于中岩段含量；
SiO2含量地表比深部低，走向上亦有小波状起伏，大冶组上段上岩段含量低于中岩段含量。

MgO、SiO2含量与CaO呈负相关性。熔剂石灰岩平均含量CaO为53.34%、MgO 为0.91%、SiO2为1.46%，大部分品级达到有色冶金熔剂石灰岩工业要求。

表1 Ⅲ矿体各勘探线主要化学成分特征一览表

表2 矿区不同层位和不同品级化学成分平均品位一览表

图3 大北山矿区矿石显微照片Fig.3 Micrograph of ores in Dabeishan deposit areaa.薄层粉微晶灰岩；
b.厚层粉微晶灰岩；
c. 粉微晶白云质灰岩；
d.砂屑鲕粒灰岩；
e.砾屑亮晶灰岩；
f.手标本

由样品分析结果可知，Ⅲ熔剂用石灰岩矿体CaO含量为48.00%～55.97%，平均53.34%；
有害组分MgO含量为0.28%～3.00%，平均0.91%；

SiO2含量为0.08%～4.00%，平均1.46%；
CaO、MgO、SiO2变化系数分别为0.93%、21.54%、19.61%。其他有害组分Al2O3、Fe2O3、S、P含量很低，分别为0.34%、0.24%、0.045%、0.009%。矿石质量沿走向、倾向及厚度方向上变化是稳定的。

矿石经宝钢(梅山)实验室煅烧试验：煅烧后的活性石灰CaO含量较高，达93%以上，活性度371～389 mL，活性度达到冶金石灰特级标准；
MgO、SiO2、S、P含量整体不高，抗压载荷、烧成、烧损等指标良好，表明矿石煅烧性能较好。

3.3 矿石类型

矿区工业类型有熔剂用石灰岩矿、熔剂用白云质灰岩矿2种。自然类型有9种，熔剂用石灰岩矿石自然类型以薄层微粉晶灰岩、薄层含屑粉微晶灰岩、中-厚层粉微晶灰岩、中-厚层含屑粉微晶灰岩4种类型为主，细粒大理岩(在中段受岩浆岩影响)、鲕粒灰岩、砾屑灰岩等次之(图3)；
熔剂用白云质灰岩矿石自然类型以中-厚层微粉晶白云质灰岩为主，含少量的细粒白云质大理岩。

含屑灰岩内碎屑(粉、微屑)约35%，成分为泥晶灰岩，个别含少量生物屑，为介形虫、海合茎，粒径约0.02～0.20 mm，反映出含生物生存的动能沉积环境；
鲕粒灰岩砂屑粒径为0.1～2.0 mm，内部为粉、微晶方解石，反映出高动能沉积环境；
砾屑灰岩砾屑含量为70%，砾屑粒径约2～28 mm，外形呈非棱角状，有一定程度的圆化，砾屑内为大小较均匀的微-粉晶方解石，反映出斜坡滑塌的沉积环境。

3.4 夹石、围岩及顶底板

3.4.1 夹石

矿体内圈定的夹石体5个、层间小破碎带(夹石体)6条和辉绿玢岩岩脉5条、花岗斑岩岩脉1条。夹石体呈透镜状或似层状，产状与矿体产状一致，零星不连续出现，厚度均小于9.85 m，为高镁夹石。层间小破碎带呈透镜状，大部分产状与地层(矿体)产状一致，呈隐伏状，钻孔揭露厚度均小于9.17m，为高钙夹石、高镁夹石(呈松散状-半坚固状)。

3.4.2 围岩及顶底板

矿体向东西两侧延伸，东西侧围岩均与矿体同成分，南侧围岩是大冶组上段下岩性段薄层状灰岩夹薄层泥页岩，其为底板，化学成分平均含量：CaO为41.00%、MgO为0.77%、 SiO2为14.14%、 Al2O3为0.801%、Fe2O3为0.528%、S为0.066%、P为0.013%、烧失量为41.10%。北侧围岩是嘉陵江组下段，薄层含泥质灰岩、含泥质条带灰岩，其为顶板，化学成分平均含量：CaO为35.83%、MgO为14.82%、 SiO2为3.28%、 Al2O3为0.720%、Fe2O3为0.552%、S为0.036%、P为0.004%、烧失量为42.23%。

4.1 沉积相特征浅析

根据本地区早-中三叠世沉积相特征(层理标志、层面标志、水下流动滑动变形标志、生物遗迹、生物标志及沉积物成分)建立本区各段地层的沉积相综合特征图(图4)。

(1)浅海盆地相。钙质泥岩-泥灰岩，新鲜色呈灰-深灰色，风化后为黄绿色，发育水平纹层，并含黄铁矿，主要形成于浪基面以下深水环境中。其产Ophiceras蛇菊石为浅海盆地生物(钱迈平等，1996；
袁志华等，1999；
李勇等，2012)。

(2)开阔陆棚相。薄层粉微晶灰岩多呈灰色，薄层粉微晶灰岩与中层状粉微晶灰岩旋回组成，层间往往夹泥岩层。灰岩与泥岩互层，成层性好,水平层理发育，为宁静较深水环境沉积。

(3)大陆斜坡相。薄层粉微晶灰岩、含屑灰岩夹砾屑灰岩，层间含炭泥质及条纹层理，砾屑成分为原地沉积的薄板状灰岩。当台地遭遇剥蚀形成灰岩碎块，在外力作用下顺斜坡而下并堆积形成，为确定大陆斜坡的重要证据；
微屑、砂屑、砾屑灰岩为上斜坡(边缘斜坡)沉积物；
薄层粉微晶灰岩夹少量黏土为坡脚(陆棚边缘)沉积物。

(4)台地边缘浅滩(生物礁)相。中厚层粉微晶灰岩-含屑灰岩，中-厚层理发育，见颗粒灰岩：内碎屑、鲕粒，且含介形虫、海合茎生物碎屑。边缘浅滩以水动能较高，发育大量内碎屑特征；
生物礁相以产生物化石及生物碎屑发育为特征。

(5)局限台地(潟湖)相。泥质条带灰岩、薄层似瘤(蠕虫)状含泥质灰岩夹泥页岩，泥质条带、蠕虫状构造发育及夹泥页岩。局限台地与广海之间有台地、浅滩、礁或岛屿等障壁，因此海水运动和循环均受到限制，潟湖中水体循环受限，水动力能量低，以静水沉积为主，常见水平层理。

(6)开阔台地(鲕滩)相。厚-巨厚层状含屑含鲕白云质灰岩、鲕粒白云质灰岩，厚层理发育，台地局部出露呈肉红色，鲕粒大量发育。台地上海水循环良好，水体深度数米到数十米，盐度属于基本正常到略为偏高，水体循环中等，水动能较高。

图4 大北山地区早-中三叠世沉积相标志分析图Fig.4 Sedimentary phase marks during Early-Middle Trassic in Dabeishan1.钙质页岩；
2.薄层微晶灰岩；
3.薄层含屑微晶灰岩；
4.薄层碎屑灰岩；
5.中-厚层含屑微晶灰岩；
6.中-厚层碎屑灰岩；
7.含鲕白云质灰岩；
8.泥岩；
9.砾屑灰岩；
10.鲕粒灰岩；
11.条带状泥质灰岩

4.2 矿床形成沉积环境讨论

二叠纪存在多次深海盆地沉积环境，一为栖霞早期，耿梓傲等(2019)发现在栖霞组中下部泥质灰岩生物有机质的来源以海洋浮游藻类为主、反映为贫氧、次深海-深海盆地环境(肖光荣,2012)；
二为小江边期的次深海台盆沉积(肖光荣,2012)；
三为晚二叠世晚期，水体逐渐加深，肖富强等(2020)认为属海相深水的还原环境(沈俊等，2014)。从已有的资料对二叠-三叠系界线生物大绝灭事件分析，大多数观点认为是海平面下降引起的(黎虹玮等,2016；
柯妍等,2016；
吴亚生等,2013；
朱相水等,1994)。

袁志华等(1999)将大冶期中下扬子海自北向南分为北深水盆地、北水斜坡、浅水碳酸盐台地、南水斜坡、南深水盆地、碎屑滨海区。依据威尔逊(Wilson，1975)碳酸盐岩沉积模式的9个相带划分(图5)。

早三叠世早期，矿区处扬子地块与华北地块拼接的陆缘海、边缘次级海盆(童金南,2016)，并继承海相环境，本沉积区属北深水盆地低能环境，因而沉积大冶组下段产浅海菊石化石的泥质页岩。

图5 威尔逊碳酸盐岩沉积模式(Wilson,1975)Fig.5 Sedimentary facies and depositional model of carbonate rocks

早三叠世中期，海水稍浅，由开阔陆棚相-大陆斜坡(陆棚边缘相-台地前缘斜坡相)环境逐渐变化，即为气候较温暖，水动力能量相对较低的潮下带环境，逐步沉积了大冶组上段下部薄层灰岩与泥页岩互层、中部薄层灰岩及(滑塌)砾屑灰岩；
晚期随着海侵面积进一步缩小，沉积区形成陆表海的台地边缘的浅滩相(或生物礁)环境，处于平均海面之下、正常浪基面之上的潮间带，沉积了大冶组上段上部中-厚层状含内碎屑的灰岩。在沉积期间浪基面的反复变化，水体变动荡，具有高能沉积环境，因而间歇性地沉积了内碎屑、鲕粒灰岩、并含多种生物碎屑。

早三叠世末期至中三叠世早期，在海退背景下(李勇等，2012)海侵面积进一步缩小，形成浅水环境(蒋裕强等，2019)的局限台地潟湖(童金南，2016)、开阔台地，具有陆表海潮上带沉积环境。盐度高、水浅、在干燥炎热气候的蒸发作用下，海平面的变化间歇性出现高能的潮间带，靠近滨岸有少量陆源碎屑供给源，沉积了嘉陵江组下段下部薄层泥质灰岩夹泥岩、上部含白云质灰岩、白云岩及夹含鲕粒白云质灰岩。但中三叠世瑞昌地区嘉陵江组缺乏石膏类蒸发岩产出,与中下扬子海其他地区(孙四权等，2003；
程日辉等，2004；
雷卡军等，2006；
童金南等，2019)略有不同。

从上分析可知，矿区从早三叠世早期至中三叠世早期的碳酸盐岩沉积环境是浅海盆地-陆棚-大陆斜坡(陆棚边缘、台地前缘斜坡)-台地边缘浅滩(或台地边缘的生物礁)-局限台地(潟湖)-开阔台地逐渐变化的环境(钱迈平，1995)，反映了一个完整的海退过程中碳酸盐岩沉积；
其中大陆斜坡(台地前缘斜坡)-台地边缘浅滩(或台地边缘的生物礁)环境下沉积的碳酸盐岩是构成了矿区熔剂用石灰岩矿床。

中三叠世晚期，印支构造运动使地壳抬升，地层强烈褶皱，形成一系列近东西向线状褶皱，包括东雷湾-通江岭向斜，及不同方向的断裂，由此奠定了区域格架。燕山构造运动使早期褶皱复杂化、断裂复活、强化，岩浆岩活动强烈，并沿构造交点侵入，形成大量的岩体，包括东雷湾岩体，并使矿体中段地层蚀变成细粒大理岩。后经喜山运动继承性抬升，最终形成东雷湾-通江岭向斜一带熔剂用石灰岩矿床，因而向斜南、北两翼的大冶组上段是寻找熔剂用石灰岩矿产有利层位。

矿体均赋存于东雷湾-通江岭向斜南翼的大冶组上段的中、上岩性段层位，主要的Ⅲ熔剂用石灰岩矿体走向长为3 500 m，厚度平均为274.60 m，厚度变化是稳定的；
矿石CaO平均含量为53.34%，MgO平均含量为0.91%， SiO2平均含量为1.46%，质量变化是稳定的。矿区工业类型有熔剂用石灰岩矿、熔剂用白云质灰岩矿二种。熔剂用石灰岩矿石自然类型以薄层微粉晶灰岩、薄层含屑粉微晶灰岩、中-厚层粉微晶灰岩、中-厚层含屑粉微晶灰岩四种类型为主，熔剂用白云质灰岩矿石自然类型以中-厚层微粉晶白云质灰岩为主。

根据本地区早-中三叠世沉积相特征综合研究，建立本区各段地层的沉积相特征。矿区从早三叠世早期至中三叠世早期的碳酸盐岩沉积环境是由浅海盆地相的低能环境，向开阔陆棚相、陆棚边相缘(大陆斜坡脚)、台地前缘斜坡相(大陆斜坡)的潮下带环境，陆表海台地边缘的浅滩相(生物礁)的潮间带高能环境，陆表海开阔台地的潮上带高能(高盐)环境逐渐变化的，反映了一个完整的海退过程中碳酸盐岩沉积。而由大陆斜坡(台地前缘斜坡)-台地边缘浅滩(或生物礁)环境下沉积的碳酸盐岩构成熔剂用石灰岩矿床。