長治盆地東南部硅藻土礦床地質特征及成礦分析

王 濤，劉燕海，薛曙斌

(中國建筑材料工業地質勘查中心山西總隊，太原 030031)

硅藻土是在地質時期形成的生物成因的硅質沉積巖，主要化學成分為SiO2，礦物成分為蛋白石及其變種[1]，大小以微米級的植物硅藻鏈結形成的多種形態的群體，混雜黏土和石英等礦物固結成巖，經地質作用形成的不可再生非金屬礦產資源[2]。利用其多孔、質輕、滲透性強、吸水性、吸附性等物理性能[1]，在環保、化工和建材過濾等方面具有廣泛應用[3]。李文樸等[4]將硅藻土與納米分子進行復配，對污水中氨氮的去除效果明顯提升；沈巖柏等[5]對硅藻土改性用于醫藥廢水處理，對其中的有害菌有很好的去除吸附效果；吳大清等[6]對硅藻土的成分、結構、表面酸性、羥基結構、界面反應性，以及提純處理進行研究,使硅藻土的應用有了更具有經濟意義的利用。研究表明硅藻土是一種重要的非金屬原料礦產[7-9]。

Avramenko等[10]對三個遠東硅藻土礦床進行研究，根據普扎諾夫礦床硅藻殼的元素組成和硅藻古群落的生態結構，重建了硅藻形成硅藻土的湖泊環境，結果表明其硅藻殼中氧含量高，硅含量低，說明硅藻是大型深水淡水湖浮游生物群落的一部分。與此相反，捷列霍夫卡硅藻殼中硅的顯著濃度表明硅藻發生在淺水湖泊的底棲生態群落中[10]。Sáez等[11]對北智力地區硅藻土和火山作用相關聯，對區域地質構造演化作出科學的解釋。中國硅藻土礦資源相對豐富，保有資源儲量4.32億t[12]，但優質礦較少[1]。在吉林長白山和云南騰沖的局部蘊藏優質硅藻土資源[10]，在化德、嶸州和米易等其他硅藻土礦產區，床體內均富含有機質或黏土。王磊等[13]對位于馬鞍山-錯草頂子構造盆地中的南崗硅藻土礦進行了分析歸納，對賦存于四個馬鞍山村組硅藻土礦層規模、形態、產狀特征做出總結，得出硅藻土礦的產出嚴格受盆地及其相對沉積基底的形態控制；印萬忠[14]、楊智榮[15]及王繼梅[16]對中國硅藻土礦床特征進行了分析研究，對中國硅藻土可持續發展做出論述，指出中國硅藻土發展中存在的問題。長治盆地張村組硅藻土為山西省境內發現的唯一一處硅藻土礦床，分析其礦床成因和找礦思路對此類環保非金屬材料礦產勘查具有重要的意義。為此，結合張村組硅藻土礦床的野外地質特征與微觀特征，淺述礦床成因及找礦前景。

圖1 沁水盆地構造綱要圖[17]Fig.1 Tectonic outline map of Qinshui Basin[17]

1 區域地質特征

研究區大地構造位置位于沁水盆地東南部，長治盆地東部，區內地層呈北西向單斜構造，以南北向斷裂發育為特征[17]。曹代勇等[18]認為沁水盆地主要經歷了中生代時期的SEE-NWW向水平擠壓、古近紀和新近紀NNE-SSW向擠壓以及四紀的NEE向擠壓三個主要階段。取樣位置位于武鄉縣張村，張村組上部為硅藻土礦床產出層位[17](圖1)，上覆被樓則峪組角度不整合覆蓋。

1.1 地層

研究區出露地層由老到新為三迭系二馬營組、張村組、新近系任家垴組(圖2)、樓則峪組及第四系黃土(圖3)。其中硅藻土含礦層位位于張村組上部，巖性為白色-灰白色黏土巖，呈層狀或灰白色和淺灰綠色薄層互層狀，厚度約10.75 m(圖2)。

1.2 構造

新生代以來，研究區總體是在伸展構造背景下發生隆升、裂陷，伴隨古近紀末和新近紀末兩次擠壓作用，以地殼間隙性抬升和繼承性斷裂活動為主導形式運動。

在漸新世末褶皺隆起的基礎上，上地幔進一步上隆，晉中盆地邊界斷裂活動加劇，以盆地下陷向箕形發展、山體隆升和鄰近地區形成山間盆地為特征。

區域內構造以三疊系斷裂構造為主，一組為北東35°，傾角較陡峭，另外一組為近東西向，傾角80°，受北東向斷裂控制。

圖2 野外調查及施工圖Fig.2 Field photographs showing features of the diatomite deposits

2 礦床地質特征

2.1 礦體地質特征

張村硅藻土礦層主要賦存于張村組上段，屬湖相沉積，礦體呈層狀，層位穩定，產狀平緩，一般為北西傾向，傾角4°～8°。

經區域地質填圖及探槽工程揭露表明，礦層以層狀和似層狀產(圖4)，根據刻槽取樣(垂向每20 cm一個樣品)，對樣品進行巖礦鑒定[圖5(a)]、掃描電鏡分析[圖5(b)～圖5(d)]和基本分析(表1)，結果表明：張村組含礦層最下部礦體厚度為4.4～5.4 m，其上部其余礦體厚度均為0.65～0.85 m，礦層形態較簡單，連續完整。

2.2 礦石特征

掃描電鏡測試由山西高碳能源低碳化利用研究設計院承擔，將樣品取平整斷面呈1 mm厚薄片，為增大其導電性進行氬離子拋光和噴金處理，利用場發射掃描電鏡測試(型號JSM-7610F)測試，工作電壓5～15 kV，觀測距離為8～10 mm，分辨率1 nm。礦石主要由硅藻和黏土質成分伊利水云母組成。伊利石顯微鱗片狀分散部分于其中；硅藻可見直鏈藻、中心綱小環藻、舟型藻以及羽紋藻等，硅藻大小為1～50 μm，環形藻型似圓篩，周邊呈同心圓放射狀，舟型藻呈紡錘形，但多為殘缺，僅剩中部硅質較厚區域(圖5)；含少量粉砂長石，石英，呈棱角狀，大小為0.01～0.03 mm；微量有機質，褐黑色，球粒狀，大小為0.01 mm，條紋狀分布；部分樣中可見泥微晶狀方解石，大小為0.001～0.007 mm。主要礦物晶體細小，呈微紋層狀平行分布，巖石多具鱗片結構，頁理、紋層狀構造。

2.3 礦石化學成分

硅藻土主量元素的測定在中國建筑材料工業地質勘查中心山西總隊化驗室進行，將硅藻土用瑪瑙缽研碎至200目以下，使用分光儀進行測定，結果如表1所示。

由表1可知，硅藻土質量分數w(SiO2)為27.47%～62.68%，平均41.12%；w(Fe2O3)為2.82%～6.07%，平均4.09%，表明硅藻土形成于富養環境下；w(Al2O3)為3.24%～12.22%，平均7.29%，原巖為長石等礦物風化，Al元素多賦存于伊利石和白云母等礦物中；w(CaO)為4.31%～30.90%，水中Ca+較多，薄片觀察顯示在巖石裂隙中常見到方解石晶體，暗示成巖后水體CaCO3相對富集，且成巖后期水體呈弱堿性狀態。根據《石膏、天青石、硅藻土礦產地質勘查規范》(DZ/T 0325—2018)[19]，研究區內含礦層w(SiO2)指標略低于一般工業指標(≥60%)，w(Fe2O3)和w(Al2O3)均滿足一般工業指標Ⅲ級，巖石中氧化鈣含量超過工業指標最低標準，為高鈣型硅藻土。

表1 硅藻土主量元素特征Table 1 Major element data of the diatomite

圖3 研究區綜合地層柱狀圖Fig.3 Generalized stratigraphic section of research area

圖4 硅藻土工程平面圖及礦層對比圖Fig.4 Engineering plan and seam comparison map of diatomite

圖5 硅藻土鏡下照片Fig.5 Microscope pictures of diatomite

3 礦床成因

3.1 成礦地質條件

王京虎[20]通過對地表沉積物研究以及斷裂的展布情況及次序得出長治盆地形成于上新世初，自上新世始，由于剝蝕作用及太行山塊隆與沁水塊坳的分異，北起榆社、南至長治逐漸開始沉積，上新世中后期，華北斷塊以裂開-引張為主導方式，地塊的垂直升降運動加劇，長治斷層出現，形成了呈箕形的長治盆地，隨著盆地的下沉，積水逐漸增多，形成了長治湖，沉積了以綠色相為主的湖泊-河流沉積，張村組在此期間沉積。

3.2 成礦物質來源

硅藻土礦床的形成，水體中可溶性SiO2和營養物質供給充分是必不可少的，除此之外，穩定的水體和含有極少量的毒性組分也非常重要。木士春[21-22]根據地洼成礦理論，劃分為玄武巖建造沉積型礦床、陸相含煤碎屑巖-玄武巖建造沉積型礦床、陸相含煤碎屑巖建造沉積型礦床和河湖相碎屑巖建造沉積型四類。由此可見，成礦物質來源和SiO2豐富程度的是形成礦產的主要原因，巖漿活動提供豐富的硅質，對硅藻土的成礦相對有利。

中新近紀以來，中國東部大陸邊緣次噴發以玄武巖為主的火山巖[23]。王登紅等[24]認為世界上的硅藻土絕大多數都和火山巖共生，火山灰物質飄落在長治盆地水體中溶解為硅藻等生物提供物源，其次盆地圍巖為三疊系互層狀長石砂泥巖，砂泥巖經風化和破碎搬運到長治湖，供給藻類生物必需的游離態SiO2。因此長治盆地的演化過程對硅藻生長發育在物源上具有一定的限制性，故張村硅藻土礦床屬于河湖相硅藻礦床。

3.3 成礦作用過程

中新世以來，長治盆地外圍鋁硅酸鹽巖化學、物理風化加強，更多的SiO2以膠體或質點狀隨水流帶入到長治盆地中，硅藻從水體中吸收SiO2供自身營養。Liu等[25]、Qin等[26]以及Zhao等[27]對研究區植被和孢粉組合進行了詳細研究，認為當時區域內陽光充足，氣候溫暖濕潤，有利于硅藻群體的生長發育和繁殖。死后殼體被掩埋，軟體有機質部分被分解，硬體骨骼殘核保存下來形成含硅藻淤泥，后期經初步成巖過程，形成較松散的硅藻土層。值得一提的是被風化的礦源為富含長石、云母等一系列富Ca元素原巖，經風化剝蝕帶入水體中時，硅藻土礦層中CaO成分的持續存在使得水體呈現弱堿性狀態，硅藻殼壁在堿性環境下逐漸被分解，掃描電鏡可見硅藻只剩下殼面中軸區硅質增厚的部分，少數硅藻整體被溶蝕，多數可見殘缺型硅藻形態，如圖5(b)、圖5(d)所示。

4 找礦標志

4.1 地層和時代標志

山西省硅藻土的含礦層形成于新近紀中新世和上新世，故找礦首先把中、上新世作為找礦靶區。研究區硅藻土礦層賦存于張村組中，因此張村組是直接找礦標志。

4.2 巖性巖相標志

硅藻土礦大多與淡水淺湖-深湖泥巖相有相關[28-29]。因此淡水湖盆發育的淺色沉積巖是較重要的找礦標志。此外張村組下覆任家垴組(馬會組)為一層非常特征、辨識度非常高的礫、砂石巖層，亦可以作為典型的找礦標志。此外，榆社群是盛名在外的產化石群，大量的脊椎動物化石外，昆蟲、軟體、植物及微體化石均較豐富，因此化石層也可作為找礦標志。

5 結論

(1)山西省武鄉張村組硅藻土發育于張村組上部，層狀，厚度為5.05～6.25 m，硅藻類型為中心綱小環藻、直鏈藻以及舟行藻等。

(2)中新近紀以來，中國東部大陸邊緣火山活動加強，火山灰物質飄落于長治盆地水體中為硅藻提供物源，其次盆地周圍巖石風化為硅藻生物提供生長所必需的游離SiO2，受盆地演化控制，屬于河湖相高鈣型硅藻土礦床。

(3)硅藻群體死后殼體被掩埋，軟體有機質發生分解，硬體骨骼殘核保存下來形成含硅藻淤泥，經初步成巖過程，形成較松散的硅藻土層。掃描電鏡佐證只剩殼面中軸區硅質增厚的部分，少數硅藻整體被溶蝕，多數可見殘缺型硅藻形態，這是因為被風化的礦源為富含長石、云母等一系列富Ca元素原巖，經風化剝蝕帶入水體中時，硅藻土礦層中CaO成分的持續存在并增加使得水體呈現弱堿性狀態，硅藻殼壁在堿性環境下逐漸被分解。

(4)硅藻土礦床多數形成于新近紀之后，故優先將中、上新世列為找礦靶向。硅藻土礦大多與淡水淺湖-深湖泥巖相關，具有淡水湖相的淺色沉積巖是較重要的找礦標志。任家垴的礫、砂石巖層，以及榆社群可以作為典型的找礦標志,對于填補區域硅藻土礦床研究空白具有一定意義。