山東泰安蟠龍山水泥用灰巖礦床地質特征及成因分析

安生海

(中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100)

中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊于2013年9—11月對蟠龍山礦區水泥用灰巖礦進行了詳查，于 2014年1月提交了詳查報告，查明(332)+(333)資源量45134.7萬t，提交了一個超大型優質水泥用灰巖原料礦床。筆者對該礦區地質特征、礦床地質特征、礦床成因進行了系統研究，為今后勘探工作指明了方向。

1 礦區地質概況

礦區位于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(Ⅱ )魯中隆起(Ⅲ)東平-肥城斷隆(Ⅳ)東平凸起(Ⅴ)東北部[1-2]。

礦區位于泰安市岱岳區西南約15km處，行政區劃隸屬岱岳區夏張鎮和肥城市儀陽鎮。

礦區基底為新太古代泰山巖群。蓋層主要為寒武紀長清群饅頭組、九龍群張夏組、崮山組、炒米店組。山坡低洼處有新生代第四紀殘坡積物(圖1)。

1—第四系；2—炒米店組；3—崮山組；4—張夏組上灰巖段；5—張夏組盤車溝頁巖段；6—張夏組下灰巖段；7—饅頭組；8—地質界線；9—地層產狀；10—礦層界線及編號；11—斷層；12—勘查線及編號；13—探槽位置及編號；14—鉆孔位置及編號；15—礦區界線圖1 蟠龍山礦區地質略圖

張夏組為賦礦層位，自下而上分為3個巖性段(圖2)。

(1)下灰巖段：出露于蟠龍山東南部、南部，主要為深灰—青灰色鮞粒灰巖，呈鮞粒結構，厚層狀構造，單層厚度一般>1m。層面多發育有小溶溝。該段上部含有土黃色豹斑。豹斑大小一般3cm×5cm，分布不規則，成分為泥灰質，含量約10%。該段厚度9.24m。

(2)盤車溝段：出露于蟠龍山南部、東南部，呈帶狀緩坡繞山體中下部分布，巖性為頁巖夾薄層泥質灰巖，厚度12.87m。

(3)上灰巖段：位于張夏組上部，因抗風化能力強，往往形成陡壁地貌。該段為礦層賦存層位，巖性為結晶灰巖、鮞粒灰巖及豹皮灰巖。該段一般厚度165.90m。因受剝蝕作用影響，厚度變化較大。

礦區呈單斜構造，總體走向22°，傾向292°，傾角3°～8°。礦區發育4條斷層(F1—F4)，其中F1、F2對礦層完整性有一定的破壞作用。礦區未見巖漿巖出露。

2 礦床地質特征

1—崮山組；2—張夏組上灰巖段；3—張夏組盤車溝頁巖段；4—張夏組下灰巖段；5—饅頭組；6—竹葉狀灰巖；7—鮞粒灰巖；8—豹皮灰巖；9—頁巖；10—地層產狀；11—品級層界線；12—品級層編號；13—正斷層及編號；14—鉆孔位置及編號圖2 00線地質剖面圖

2.1 礦層特征

該礦床為海相化學及生物化學沉積作用形成的石灰巖礦床[3-5]，賦存于張夏組上段。礦床為近SN向的山體，裸露地表，呈東高西低趨勢。礦床劃分1個礦層(KC01)，呈層狀，產狀與地層一致，走向200°，傾向290°，傾角5°。礦層賦存標高351.20～120m，相對高差231.20m。南北長1777.74m，東西寬1455.20m，厚度71.40～163.38m，平均132.82m，變化系數26.83%。

根據礦石質量分布特征，礦層劃分5個品級層，其中I品級層1個，呈層狀；Ⅱ品級層4個，呈似層狀，分布于I品級層中。各品級層特征見表1，見礦厚度見表2，各工程見礦厚度見圖3。

表1 蟠龍山水泥用灰巖各品級層特征

表2 蟠龍山水泥用灰巖各品級層見礦厚度

圖3 各工程見礦厚度柱狀對比圖

2.2 礦石質量

2.2.1 礦石礦物組成

礦石礦物成分主要為方解石(85%～95%)，其次為白云石(5%～10%)、菱鐵礦(1%～5%)、粘土等。

方解石：粒狀，無色—淡褐色，正突起高，他形粒狀，高級白干涉色，粒徑0.007mm左右，部分發生重結晶作用形成0.09mm的方解石晶粒。

白云石：自形晶，菱面體發育，閃突起顯著，高級白干涉色。

菱鐵礦：褐色、淺黃褐色，自形菱形切面或半自形，正突起高。

2.2.2 礦石化學成分

各品級層、各品級及礦層平均化學成分見表3。

表3 蟠龍山水泥用灰巖各品級層主要化學成分(%)

影響礦石質量的主要原因是礦石中的白云石含量。當白云石含量高時，MgO含量隨之升高，則成為鎂質Ⅱ級品礦石。當粘土礦物含量高時，K2O+Na2O含量升高則成為堿質Ⅱ級品礦石。

礦層主要化學成分的變化規律：沿走向，MgO在中部含量略高，兩端略低；CaO在中部含量略低，兩端略高；K2O+Na2O的含量分布穩定(圖4)。

2.2.3 礦石結構、構造

(1)礦石結構[6]

鮞狀結構：礦石由鮞粒和基質組成。鮞粒呈球形—橢球形，粒徑多為0.5～1.5mm，其含量大于50%。鮞粒之間由中—微晶方解石組成基底，多發生重結晶作用，見有少量自形白云石。具有鮞狀結構的灰巖構成鮞粒灰巖。

泥晶結構：由粒徑<0.005mm的泥晶方解石組成，含量大于50%。重結晶作用不明顯，偶見有微—細粒方解石。白云巖化作用較強，局部形成白云巖斑塊。具有泥晶結構的灰巖構成豹皮灰巖。

圖4 礦層主要化學成分沿走向變化特征

微晶結構：由粒徑0.005～0.05mm的微晶方解石組成，含量大于50%。另有少量的細晶方解石，偶見生物碎屑。具有微晶結構的礦石主要為結晶灰巖。

(2)礦石構造

厚層狀構造：礦石礦物粒徑相差不大，均勻分布，均一致密。具此種構造的礦石有鮞狀灰巖、結晶灰巖。

豹皮狀構造：黃褐色、紅褐色及灰黑色泥質或云質灰巖團塊，呈不規則狀均勻分布于青灰色灰巖中，形成此種構造。具此種構造的礦石為豹皮灰巖。

2.2.4 礦石類型

礦石自然類型主要為鮞粒灰巖、豹皮灰巖、結晶灰巖[7]，礦石工業類型為水泥用灰巖。

(1)鮞粒灰巖：礦區內分布較廣，主要分布在KC01中下部，呈穩定的層狀產出。礦石呈深灰—青灰色，鮞粒結構，厚層狀構造，主要礦物成分為泥晶方解石，含少量白云石及泥鐵質礦物。鮞粒呈球狀，含量可達50%。鮞粒顏色有青灰色、灰色和土黃色3種。不同鮞粒抗風化能力不同，顏色深者抗風化能力較強，呈凸狀；顏色淺者呈凹狀(照片1)。KC01-3礦石為該類型。

(2)豹皮灰巖：主要分布在KC01中上部。礦石呈灰—青灰色，泥晶結構，豹皮狀構造，主要礦物成分為方解石，含少量白云石及泥質礦物。豹斑以深灰色、土黃色、黃褐色為主，成分為泥灰質或白云質，形狀不規則，多數呈團塊狀、網格狀，多平行層面分布，大小約(1～2)×5cm，含量5%～10%。深灰色、土黃色豹斑中CaO含量低，MgO含量高，即白云石含量高。黃褐色豹斑中CaO含量低，K2O+Na2O含量高，即粘土質礦物含量高(照片2)。2種豹斑界線不清。豹斑的大小及含量高低，直接影響礦石質量。KC01-2、KC01-4、KC01-5礦石為該類型。

(3)結晶灰巖：該礦石類型主要分布在KC01下部。礦石呈灰白色，泥晶—微晶結構，厚層狀構造。主要礦物成分為方解石，含少量白云石。

照片1 鮞粒灰巖 照片2 紅褐色豹皮灰巖

2.2.5 礦石品級

礦石分為2個品級。Ⅰ級品：CaO≥48%，MgO≤3%，K2O+Na2O≤0.6；Ⅱ級品：CaO≥45%，MgO≤3.5%，K2O+Na2O≤0.8%。礦區圈出Ⅰ品級層1個，Ⅱ品級層4個(表3)。鎂質Ⅱ級品主要是MgO含量略高造成的，堿質Ⅱ級品主要是K2O+Na2O含量略高造成的。礦區Ⅱ級品礦石量少，其資源量僅占總資源量的6.67%。

2.3 圍巖和夾石特征

礦床底板為張夏組盤車溝段頁巖夾薄層泥質灰巖，在礦區東南部大面積出露，與礦層界線清晰易分。其主要組分含量為：CaO 40.95%，MgO 1.06%，K2O+Na2O 1.23%。頂板為零星分布的崮山組。礦層內無夾石。

3 礦床成因

3.1 巖相古地理特征

張夏組屬于臺地礁灘相沉積[8-12]。張夏期為標準的碳酸鹽臺地至中深緩坡沉積，自東向西由臺緣斜坡相向臺地礁灘相過渡。臺地礁灘相位于濱州—泰安—東平—汶上—濟寧—泗水—費縣—棗莊一線向西的大部地區，該線以東地區為臺緣斜坡相，海水較深,以頁巖沉積為主。兩相帶之間存在一條狹長的過渡帶，相當于臺地的前緣斜坡，在該地帶多見滑塌的藻泥丘。張夏期的沉積中心位于東部的安丘—沂水一帶及南部的棗莊一帶，水下相對隆起區位于泰安、萊蕪、平邑及費縣以北的地區。從沉積物的厚度來看，東部盆地區屬補償性質，沉降速率近等于構造沉降速率。張夏期海侵由北支和南支2個方向分別由SE向NW，由NE向SW漫進(圖5)。

寒武系是沉積環境、 沉積相及沉積物組合的重要轉折時期，饅頭組沉積時期，水體動蕩且渾濁，沉積物中陸源碎屑占絕對優勢，說明其沉積場所總體離古陸較近，水體相對較淺區；張夏組沉積環境與早期的沉積環境發生了根本性變化，古地形分化明顯，轉入以碳酸鹽巖臺地及中緩坡沉積環境為主，水體相對較深區，水體清潔透光性好，利于各種生物礁體生長，以發育碳酸鹽巖為主要特征；崮山組沉積時期水體進一步加深，發育鈣質頁巖疙瘩狀薄層灰巖及瘤狀灰巖，以緩坡沉積為主(圖6)。

3.2 礦床成因

該礦床為海相化學及生物化學沉積成因[8-12]。張夏組灰巖形成于濱海—淺海區域，由于水域波浪作用力弱，水體清潔透光性好，氣候條件適宜，鈣藻和無脊椎生物在溫暖的水中大量繁殖。大量鈣藻和海洋生物遺體沉積分解后形成鈣質灰泥，提供了充足的鈣質來源。藻類光合作用增加了水中CO2的濃度，引起CaCO3的生成。當CaCO3處于過飽和狀態時，便會沉積下來，形成厚層、中厚層泥晶灰巖；死后生物遺骸隨同碳酸鈣一起沉積形成含生物碎屑或遺跡的生物碎屑灰巖；在CaCO3沉積過程中，CaCO3圍繞小的質點進行聚集，受到海水多次攪動，使得鮞粒多次懸浮沉降，逐步增大，當該水域的水動力條件不足以再次攪動時，鮞粒隨同CaCO3一同沉積，從而形成鮞粒灰巖，小的質點為先期結晶方解石顆粒，鮞粒外形為圓狀或橢圓狀，內部具同心層構造；隨著鈣質下沉，泥質相對增大，當海水能量相對減弱時，泥質相互吸附凝聚，形成鈣泥質斑塊(豹斑)，而泥晶方解石則自然形成“基質”，經成巖作用后形成豹皮灰巖。

古生代—中生代出現造山運動，該地區西部出現蘭考-聊城斷裂，北部齊河-廣饒斷裂，受此斷裂影響，造成局部沉積地層出現多級斷裂，形成差異性不均勻抬升和沉降。 該礦區地層受斷層的影響，礦區寒武紀地層被抬升造成部分剝蝕，張夏組地層出露地表，形成大型水泥用灰巖礦床。

1—鮞粒灰巖、頁巖區(臺地礁灘相-臺地前緣斜坡相)；2—鮞粒灰巖、頁巖、藻灰巖區(臺地礁灘相-臺地前緣斜坡相)；3—鮞粒灰巖、藻灰巖區(臺地礁灘相)；4—古陸；5—巖相分界線；6—沉積物等厚線(m)；7—海侵方向圖5 中寒武世張夏期巖相古地理圖

1—砂巖；2—頁巖；3—砂質頁巖；4—藻礁灰巖；5—鮞粒灰巖；6—灰巖圖6 蟠龍山礦區地層格架圖[9]

4 結論

蟠龍山水泥用灰巖礦床劃分一個礦層(KC01)。礦層分布于張夏組上灰巖段，呈層狀，裸露地表。礦石自然類型主要有鮞狀灰巖、豹皮灰巖、結晶灰巖。主要有鮞狀結構、泥晶結構、微晶結構，厚層狀構造。礦石礦物成分主要為方解石，其次為白云石等。根據礦石質量分布特征，礦層劃分5個品級層，其中1個I級品層，呈層狀；4個II級品層。礦床內無夾層分布。

該礦床為海相化學及生物化學沉積成因。形成環境為濱海—淺海區域，以碳酸鹽巖臺地及中緩坡沉積環境為主，后經大地構造運動抬升及風化剝蝕，形成現在規模的水泥用灰巖礦床。