湘西北钒矿床地质特征及其成因

鲍振襄，万溶江，鲍珏敏

（湖南省有色地质勘查局二四五队，湖南 吉首 416007）[1]

摘 要：湘西北钒矿床产于下寒武统木昌组底部或下部。矿体呈层状，产状稳定。矿石主要由水云母（伊利石）和硅质组成。并含有机质及藻类化石等。钒矿的形成与海底热水沉积及生物化学沉积作用密切相关。

关键词：湘西北；钒矿；地质特征；成因

0 引言

湖南西北部，下寒武统木昌组黑色岩系中的钒矿带，长达180km，东北延伸到湖北境内，西南进入贵州省，是我国沉积型钒矿的重要产区之一。

1 区域地质概况

本区位于扬子准地台东南缘的扬子台褶带与江南地轴接合部。在地层分区上，早寒武世基本属于武陵山过渡区，扬子型生物较多，江南型的较少。区域出露地层有上前寒武系、下古生界寒武系、奥陶系及志留系等。赋矿地层为下寒武统木昌组（旧称牛蹄塘组）黑色岩系。

区域构造主要为NE向的古丈复背斜褶皱，其轴部地层为新元古界板溪群一套巨厚的浅海相浅变质碎屑岩系，但褶皱构造的两翼地层不对称，局部被白垩系超覆。区内钒矿床主要位于古丈复背斜之北西翼（图1），南部地段则位于木江坪 水田复背斜北西翼。区内断裂构造较发育，NE向的花垣 大庸深大断裂从本区西北部通过，对区内地层分区有明显的控制作用，并在某种程度上也对成矿作用有一定的影响。

区内岩浆活动微弱，仅在古丈龙鼻嘴一带相当于下震旦统的江口组内，有橄榄玄武岩、辉绿岩及橄榄辉石岩体（床），从所处的构造位置和岩石化学特征分析表明，代表了弧后盆地火山活动的产物。

2 矿床地质特征

2.1 赋矿岩层及岩石组合

湘西北钒矿床主要赋存于下寒武统木昌组底部或下部的一套富含有机质的碳硅泥质黑色岩系中，包括碳质页岩、黑色页岩、粉砂质页岩、碳泥质硅质岩和硅质岩等，厚40～107m；南部凤凰一带厚达180m。下伏地层为上震旦统留茶坡组硅质岩，上覆地层为下寒武统杷榔组黑色页岩；其间均为连续过渡沉积关系，呈整合接触。

图1 湘西北钒矿床区域地质略图

Pt—Z.板溪群—震旦系；∈—S.寒武系—志留系；∈—T.寒武系—三叠系；K.白垩系；

1.下寒武统木昌组；2.基性岩体；3.断层；4.背斜、向斜；5.不整合界线；6.镍钼矿产地；7.钒矿产地；8.石煤产地

综合区内木昌组钒矿层岩性序列自下而上为：碳质页岩或含磷结核碳质页岩夹薄层硅质岩或互层→碳质页岩→黑色页岩或含粉砂质页岩。含矿层厚度一般7～10m，南部凤凰一带厚度较大，约25m。以永顺中山坪钒矿为例，含矿岩层自上而下为：

（4）含硅质结核黑色页岩夹少量硅质岩，含V2O50.54%～0.75%，平均0.60%。厚2.0～2.5m。

（3）薄层—中厚层状含粉砂质页岩，偶夹扁豆状泥质白云岩，为主要钒矿层的顶板岩石，含V2O5 0.22%～0.56%，平均0.46%。厚1.5～2.0m。

（2）含磷结核碳质页岩夹薄层硅质岩，是钒矿层赋存的主要部位，其中硅质岩在岩层中的分布率占10%～20%，V2O51.10%～2.29%。厚l～4.9m，一般2～2.5m，平均2.7m。

（1）底部为薄层硅质岩夹少量大结核页岩，其上为厚0.1～0.2m的泥质白云岩，层位稳定，特征明显，是主要钒矿层的底板及找矿标志层。含V2O50.53%～0.78%，平均0.61%。厚0.5～1.5m。

2.2 矿床构造

区内钒矿床地质构造简单，基本上为单斜构造（图2）。岩层产状比较稳定，走向NNE—NE，倾向NWW—NW，倾角10°～30°，部分地段出现舒缓波状褶皱，但其幅度较小。断裂构造不发育，多为正断层和平移断层，对成矿无明显破坏作用。

图2 东方钒矿床地质图（据湖南四〇五地质队，1988）

K1.白垩系下统；∈1q.下寒武统清虚洞组；∈1p.下寒武统杷榔组；∈1m.下寒武统木昌组；Z2l.震旦系留茶坡组；

Z2j.震旦系金家洞组；Z1h.震旦系洪江组；1.地质界线；2.矿层露头线；3.不整合界线；4.断层及编号

2.3 矿层产状形态

区内钒矿层主要为缓倾斜的层状矿体（图3），矿体产状与地层产状一致。一般与围岩无明显界线。多数矿床为一层矿，也有两层或多层的，彼此平行分布，在地层—岩石柱状剖面上可以对比（图4），具有典型沉积矿床的地质特征。矿层产状稳定，形态简单，且基本上没有受到后期构造破坏。地表出露长3000～7000m，矿层长450～1500m，最长2100～2800m。厚1.63～2.45m，最厚可达7.01～11.98m，厚度变化系数24%～39.5%。矿床平均含V2O50.90%～1.50%，最高达2.21%，品位变化系数10%～23%。矿层向深部品位变化稳定，据中山坪矿床资料，由地表向深部（斜深）600m，V2O5含量仅下降0.05%。

图3 古丈排口钒矿床地质剖面图

1.杷榔组页岩；2.木昌组碳质页岩；3.留茶坡组硅质岩；4.陡山沱组泥质白云岩；

5.南沱组冰碛砾岩；6.含磷结核层；7.钒矿层；8.地层界线；9.假整合接触线

图4 永顺中山坪下寒武统牛蹄塘组钒矿层柱状对比图

1.黑色页岩；2.含磷结核黑色页岩；3.含磷结核硅质岩；4.硅质岩；5.白云岩；6.钒矿层

2.4 矿石物质成分及类型

据凤凰东方钒矿床检测资料[1]，经高倍显微镜鉴定和差热分析结果表明，矿石中有用矿物主要为含钒水云母（即含钒伊利石），占总量的60%～80%，其含量根据不同矿石类型而定。其次为有机质（可见沥青），占总量的10%，石英占总量的3%～5%。此外还有极少量磷灰石、白云石、方解石、黄铁矿等。

本区钒矿石的化学成分主要为Si O2和Al2O3、C，其次为Mg O、Ca O、P2O5和S等（表1）。主要成分Si O2，因含有机质高而呈现黑色，除C、S外尚含其他气相或挥发分（As0.003%，Sb0.005%，Hg 0.0003%）等，矿石化学成分的组成，基本反映了热水沉积特征。

依据矿石矿物成分及结构构造，可将矿石类型划分为硅质板状钒矿石、碳泥质页片状钒矿石和含磷结核钒矿石3类。其V2O5含量一般在1%左右或＞1%。有害成分S、As、Cr、Cd等含量都很低。经湖南有色金属研究所（1989）做选矿试验，表明冶炼性能良好，V2O5提取率达73%。

表1 矿石化学成分分析结果（%）

注：资料来源分别见[1]和[2]。

2.5 钒的赋存状态

本队大量化学分析结果表明，钒主要产在含矿层的碳质页岩中。如古丈排口钒矿，在平均含V2O51.16%的矿层中（碳质页岩与硅质岩之比约为1.62∶1），碳质页岩平均含V2O51.54%，而硅质岩平均含V2O5仅0.36%，表明钒的存在与黏土矿物有关。根据本区钒矿石电渗析分析资料[2]，其速度常数K值很低，仅为（2.76～4.6）×10-4，接近或小于钒钛磁铁矿中钒的K值（4.15× 10-4），表明钒不是以吸附状态存在于页岩中，而是呈类质同象混入物存在于水云母中。此外，还有少量的钒卟啉等。

同样，湖北某地产于下寒武统黑色页岩中的钒钼矿床，经电渗析分析、扩散分离试验、黏土矿物溶解试验以及单矿物分析等，初步认为该区含钒钼碳质页岩中的钒，主要分布在黏土矿物中，以低价态的阳离子（V3+或V4+）与Al3+呈类质同象，很少部分的钒呈金属有机化合物、离子吸附和存在其他矿物里①。这和产于扬子区外缘同层位的钒矿床一样，根据钒的分布形式、重液分离和酸浸等最新试验结果[3]表明，钒主要赋存于伊利石矿物中，并经X射线衍射分析结果，计算伊利石中钒的配分率高达80%，足以证明黑色页岩型钒矿床中的钒主要是存在于伊利石类矿物中，差热分析结果表明，钒在伊利石晶格中以V3+或V4+置换八面体层的Al3+的形式存在。所以，伊利石是黑色页岩中钒矿床提取钒的主导矿物。

此外，从钒的地球化学和晶体化学性质来看，由于V3+或V4+的离子半径与Al3+的离子半径很接近（RV3+=0.63Å，RV4+=0.61Å，RAl3+=0.57Å），因此，在铝为六配位的矿物里，V3+或V4+可以与Al3+发生类质同象。这便从理论上很好地解释了钒是以类质同象形式存在于伊利石类矿物晶格中。

3 矿床成因探讨

湘西北寒武纪的沉积盆地是在晚元古代裂谷盆地之上发育起来的断陷盆地，也就是说早寒武世早期本区为继承性的裂谷盆地。由于同生断裂作用的影响，使位于盆地边缘的构造斜坡带，为钒矿床的形成创造了有利条件。湘西北的钒矿床就是在台地东部边缘断陷盆地西北侧的构造斜坡相这样一个古构造古地理环境中沉积形成的。

大量地质勘查资料表明，湘西北黑色岩系中的钒矿床无一例外地产于下寒武统木昌组底部或下部的碳硅泥质岩系中。钒矿的富集与有机质和菌藻类生物的关系十分密切，生物活动和生物地球化学富集作用对钒矿的成矿起到了重要的作用。在地质演化过程中，有机质经历了细菌降解和热解、缩合与聚合，致使与有机质结合的钒不断地被解离出来，并与黏土矿物结合而成为主要含钒矿物。因此说本区的钒是在有机质（生物地球化学）直接参与下发生聚集的。

根据凤凰东方钒矿床资料，钒矿石中含有丰富的有机质（沥青10%左右）和无机碳质（1.16×10-6～2.85×10-6），特别是其中的烷类、三萜类是细菌和陆源有机质的有价值的生物标志化合物，其中干酪根代表了黑色页岩中的主要有机成分。矿层中发现大量藻类生物（席状藻）也证明有机碳属生物成因， P-U-V-Mo-Corg元素组合的显著相关特征表明，钒与生物地球化学富集作用至关重要。

该区钒矿的形成除有机质在成矿元素聚集成矿过程中起主导作用外，黏土矿物也起了一定的作用。由矿石中V2O5与Al2O5、K2O含量呈正相关关系表明，钒与黏土矿物关系也很密切。这种含钒黏土矿物主要为含钒伊利石，钒在矿石中以类质同象形式产于伊利石晶格中。此外，含钒碳质页岩中以吸附状态和金属有机化合物状态存在的，以及生物体中释放出来的钒，在成岩过程中，以V3+或V4+的形式进入伊利石晶格中，置换Al3+而形成类质同象，对钒的进一步富集亦起了一定的作用。

综上所述，湘西北黑色岩系中的层状钒矿床，是在有机质（生物地球化学）参与下成矿的，属于有机成矿作用矿床范畴。可以认为，原始沉积盆地是一种富含微生物的沉积环境，这些微生物群与海底喷气通道有关，海底热水交换作用为微生物的活动提供了良好的环境，这种环境使嗜热细菌大量繁殖与聚集，微生物群又起了吸取、吸附、聚集、还原成矿元素的作用。以海底热水交换作用为媒介，浅海盆地（斜坡）沉积环境和大量有机碳与硫酸盐的产出，为矿床的形成起了关键作用。所以，本区黑色岩系中的钒矿床具有海底热水沉积和微生物成矿双重作用的结果，属于生物地球化学沉积矿床。

纵观湘西北黑色岩系，它是钒、镍、钼、硒、REE、PGE等沉积成矿的有利环境，还蕴藏着极其丰富的石煤资源[4]。已有资料表明，湘西北黑色岩系中的镍、钼多金属矿床，含Ni3.01%，Mo3.48%，并共（伴）生Pt0.282%，Pd0.32096%，Os0.073%，Se0.28%，Au0.034×10-6，Ag7.20×10-6，以及REE高达1220.61×10-6等。由此不难看出，湘西北黑色岩系具有重要的经济意义。建议进一步开展湘西北、鄂西南、黔东北等地区黑色岩系中相关矿床的找矿研究工作。

成文过程中，参考了本队有关地质资料，顺致谢意。

参考文献

[1]刘金山.凤凰县东方钒矿床地质特征和矿床成因探讨[J].湖南地质，1989，8（4）：25-31.

[2]陈南生，等.我国南方下寒武统黑色岩系及其中的层状矿床[J].矿床地质，1982，1（2）：39-48.

[3]张爱云，等.黑色页岩型钒矿提钒的主导矿物[J].地球科学（中国地质大学学报），1989，14（4）：391-397.

[4]鲍振襄，等.湘西北石煤地质及煤质特征[J].湖南地质，1988，7（3）：42-49.

[1]文章来源：《湖北地矿》，1998年第2期。作者简介：鲍振襄（1933—），男，湖北襄阳人，高级工程师，从事金属矿床找矿勘探、综合研究。

[2] 中南冶金地质研究所.湖北某地下寒武统黑色页岩中钒钼赋存状态的初步研究.湖北冶金地质，1979，（2）.