湘西北古者钒矿地质特征及控矿条件

湘西北古者钒矿地质特征及控矿条件
郭素雄; 陈明辉
【期刊名称】《《矿产与地质》》
【年(卷),期】2019(033)004
【总页数】7页(P628-634)
【关键词】北古者钒矿; 地质特征; 控矿因素; 湘西北
【作者】郭素雄; 陈明辉
【作者单位】湖南省有色地质勘查局二四五队湖南吉首 416007; 湖南发展集团矿业开发有限公司湖南长沙 410015; 中南大学地球科学与信息物理学院湖南长沙410012
【正文语种】中文
【中图分类】P618.61
0 引言
我国钒矿类型主要有两种，一种是钒钛磁铁矿型，另一种是黑色页岩型钒矿。

钒钛磁铁矿的V2O5含量绝大多数在0.20%～0.33%之间，而黑色页岩型钒矿的
V2O5含量在0.50%～2.00%之间[1]，据统计黑色页岩型钒矿钒的储量占国内钒总储量的87%[2]，可见黑色页岩型钒矿更具经济价值和资源潜力。

古者钒矿位于湘西州吉首境内，地理坐标：东径109°41′00″—109°45′06″，北纬28°23′00″—28°25′00″，面积24.17 km2。

成矿地质条件优越，资源潜力大。

早
在20世纪70年代，湖南冶金地质二四五队曾对湘西下寒武统石煤进行过综合考
察[3-4]，并对区内钒矿作了概略评价。

近年来，湖南省有色地质勘查局二四五队
在成功勘查省内最大钒矿古丈岩头寨钒矿[5]之后，紧接着对古者钒矿进行了勘查，提交了(332+333)V2O5资源量85万吨[6]，达中—大型规模。

古者钒矿矿层(矿体)仍分别沿北西和北东方向向矿权范围以外延伸，矿区周边具有再次寻找大中型
钒矿床的资源前景。

本文以该区矿床地质特征为基础，结合地质勘查成果进行综合研究，以期为该区周边或其他范围进行同类型钒矿找矿工作提供参考。

1 区域地质概况
在区域大地构造位置上，本区位于扬子地台东南缘上扬子台褶带江南地轴西南段，古丈复背斜南西倾伏端。

区内主体构造呈NE向，主要褶皱、断层构造分别为万岩溪背斜，天桥山—得胜营向斜、古丈—凤凰断裂带等。

区内出露地层由老至新为
新元古界青白口系板溪群，南华系古城组、大塘坡组、南沱组，震旦系陡山沱组、留茶坡组，寒武系牛蹄塘组、石牌组、清虚洞组及第四系。

区域钒矿呈NE向带状分布，长达320 km，自北向南分布着青坪、中山坪、排口、营盘、朗溪、罗依溪、岩头寨、龙鼻嘴、双溪、古者、长坪等大、中、小型矿床
30余处(图1)，钒矿主要赋存于牛蹄塘组(∈1n)，总厚度为142.42～177.70 m。

据预测，湘西北地区钒资源量超过1000万吨，为我国特有的优势矿种黑色页岩型钒矿重要产区之一。

在地层分区上，湘西北钒矿成矿带位于扬子区和江南区之间的武陵山过渡区[7]，
牛蹄塘组按岩性及含矿性可分为两个岩性段。

牛蹄塘组下段(∈1n1)：下部为薄—中厚层含炭质硅质岩夹黑色石英粉砂岩炭泥质页岩，炭质硅质岩与硅质炭泥质页岩，为钒矿的主要产出层位；中部为含磷结核石英粉砂质炭泥质页岩夹薄层硅质岩、含炭质白云岩，上部为黑色石英粉砂质炭泥质页岩，为钒的次要产出层位。

牛蹄塘组上段(∈1n2)：以黑色含石英粉砂质页岩为主，中下部见星散状、线理状黄铁矿，
局部呈团块状。

下部为区域石煤层主要层位。

区域岩浆活动微弱，仅在古丈龙鼻嘴一带前寒武系见有橄榄玄武岩、辉绿岩及橄榄辉石岩体(床)出露，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[8]。

此外，在凤凰水田牛蹄塘组底部见有火山凝灰岩(厚度仅
0.12～0.30 m)，夹于结核状磷块岩与黑色页岩之间，表明该区曾有远源火山喷溢活动。

图1 湖南西部下寒武统露头、分区及钒矿分布图Fig.1 Distribution map of vanadium deposits， mineral outcrop and zone in Lower Cambrian， West Hunan.1—露头分布区 2—地层界线 3—武陵山分布区4—湘中区雪峰山小区 5—钒矿床 6—镍矿床主要矿床：①岩头寨②古者③营盘④双溪⑤煤炭湾⑥张家湾
⑦中山坪⑧四都坪⑨排口
2 矿床地质特征
2.1 含钒岩系
区内含矿岩系主要为下寒武统牛蹄塘组。

由一套黑色碎屑岩夹含磷结核层似层状碳酸盐岩等组成，总厚度为142～178 m。

与下伏地层留茶坡组为整合接触。

据岩性组合特征分为上下两段，两段间为连续沉积。

牛蹄塘组下段(∈1n1)：由一套黑色薄层状硅、碳、磷质黑色岩系夹含磷结核层、粉晶白云岩等组成，为含钒岩系，厚6～19 m，可分为三小层，自下而上：(1)深灰色薄层含炭质硅质岩与黑色石英粉砂质炭泥质页岩互层，前者局部见稀疏的硅质结核。

该层为主要钒矿层(Ⅰ)，分布稳定，厚1.01～1.48 m。

(2)深灰色石英粉砂质炭泥质页岩，厚0.20～0.94 m。

(3)浅灰色中厚层含炭质粉晶白云岩，呈层状、似层状产出，厚0.12～0.77 m。

(4)黑色含磷结核石英粉砂质炭泥质页岩夹深灰色薄层硅质岩，为第Ⅱ钒矿层。

该层磷结核较多，往上硅质岩减少，厚1.00～5.71 m。

(5)黑色石英粉砂质炭泥质页岩，局部见星散状、线理状黄铁矿，为第Ⅲ钒矿层，
厚2.13～10.58 m。

牛蹄塘组上段(∈1n2)：主要由一套黑色含石英粉砂质页岩组成，中下部多见星点状、线理状黄铁矿，局部黄铁矿呈团块状，厚129～162 m。

上段底部为区域石
煤层位，但在本区多呈扁豆状，厚度薄，不具有经济意义。

2.2 矿层特征
矿区位于万岩背斜向SW倾覆的延伸部位，受其影响，赋矿层位牛蹄塘组下段含
钒层在区内呈“U”型分布(图2)。

背斜转折端岩层倾向SW，两翼岩层总体上倾
向分别为NW和SE，北西翼岩层产状平缓，岩层倾向一般为5°～10°，南东翼产状较陡，岩层倾向一般为15°～25°，局部变陡为40°，背斜核部产状近于水平。

含钒层呈层状、似层状产于牛蹄塘组下段碳硅泥质黑色岩系中，其产状与岩层产状基本一致(图3)。

矿体与围岩的界线需靠化学分析来确定。

沿背斜北西翼工程控制长度9.5 km，南东翼为5.5km，总长度为15 km，沿倾向工程控制宽度为400～2000 m，并向深部仍有延伸趋势，区内共圈定三层钒矿层，由下而上依次编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，地质特征简述如下：
Ⅰ矿层：产于背斜倾伏端及两翼，北西翼岩层倾向N—NW，倾角4°～7°，南东
翼岩层倾向S—SE，倾角9°～18°，矿体赋存于含钒岩系底部，由黑色薄层含炭质硅质岩与黑色石英粉砂质炭泥质页岩互层组成。

有2个矿体(Ⅰ-1和Ⅰ-2)，其中
Ⅰ-1为矿区主要矿体，分布范围自南西39线到北东20线，地表有78个探槽系
统揭露，深部由23个钻孔控制，工程控制走向长7200 m，宽400～1950 m，
地表矿体厚1.01～6.45 m，平均厚1.99 m；单工程V2O5品位为0.50%～
2.30%，平均1.14%。

深部矿体厚1.13～
3.28 m，平均厚1.78 m，较地表厚度减少10.55%，单工程V2O5品位为0.73%～1.40%，平均0.93%，较地表下降18.12%。

图2 吉首古者矿区钒矿地质图Fig.2 Geological map of Guzhe vanadium deposit in Jishou1—下寒武统清虚洞组 2—下寒武统石牌组 3—下寒武统牛蹄塘组上段 4—牛蹄塘组下段 5—上震旦统留茶坡组 6—下震旦统陡山沱组 7—南华系南沱组 8—断层及编号 9—地层界线 10—含钒矿层露头线 11—勘探线及编号12—钻孔及编号
图3 古者钒矿层状矿体剖面图Fig.3 Sectional map of stratiform orebody of Guzhe vanadium deposit1—下寒武统石牌组 2—下寒武统牛蹄塘组上段 3—牛蹄塘组下段 4—上震旦统留茶坡组 5—上震旦统陡山沱组 6—灰绿色页岩 7—黑色页岩 8—含磷结核黑色页岩 9—白云岩 10—硅质岩 11—灰岩 12—钻孔及编号13—竣工探槽及编号
上述Ⅰ-1矿体单工程矿体厚1.01～6.45 m，平均厚1.90 m，厚度变化系数为37.74%，变化稳定。

据213件样品分析，V2O5品位为0.50%～2.30%，平均1.02%，标准差为0.40，偏离平均值小，品位变化系数为37.79%，属均匀变化，变化性指数为0.50，属明显方向性变化。

该矿体探获332+333资源量占总资源量的40.37%。

Ⅱ矿层：矿体分布于背斜两翼，赋存于含钒岩系下部，由黑色含磷结核石英粉砂质炭泥质页岩夹深灰色薄层硅质岩组成。

包括Ⅱ-1和Ⅱ-2两个矿体，Ⅱ-1为主要矿体，主要产在背斜的北西翼，倾向N—NW，倾角4～7°，分布范围自南西39线到北东20线，由55个探槽和14个钻孔控制。

工程控制矿体走向长7100 m，宽400～1950 m。

地表矿体厚度为1.00～4.22 m，平均厚1.59 m，单工程V2O5品位为0.50%～1.37%，平均0.80%，深部矿体厚度为1.01～4.93 m，平均厚1.71 m，比地表增加了7.2%；单工程V2O5品位为0.74%，比地表品位下降了7.5%。

Ⅱ-1矿体整体单工程厚度为1.00～4.93 m，平均厚1.63 m，厚度变化系数112.84%，变化较大。

138件样品V2O5品位为0.50%～1.74%，均方差为
0.23，品位变化系数为29.38%，属均匀变化，变化指数为0.08，属规则变化。

Ⅲ矿层：分布于背斜两翼，主要在北西翼，矿层倾向N—NW，倾角4～7°，由黑色石英粉砂质炭泥质页岩组成，赋存于含钒岩系上部。

该矿体地表由75个探槽、深部有17个钻孔控制，由南西39线到北东20线，矿体走向长7200 m，宽400～1950 m。

矿体地表厚1.00～6.60 m，平均厚3.98 m；单工程V2O5品位
为0.52%～1.03%，平均0.79%。

深部矿体厚度为1.10～6.60 m，平均厚3.02 m，比地表厚度减小24.12%，单工程V2O5品位0.53%～0.88%，平均0.70%，比地表品位下降了11.39%。

Ⅲ矿层整体平均厚度为3.39 m，厚度变化系数为108.91%，变化较大；310件样品V2O5品位为0.50%～1.58%，均方差为0.17，偏离平均值小，品位变化系数为21.88%，属均匀变化，变化指数为0.17，属规则变化。

该矿体为矿区主要矿体，332+333资源量占全矿区总资源量的41.50%。

2.3 矿石特征
2.3.1 矿石类型及结构构造
根据矿物成分及结构构造，可分为硅质板状钒矿石、碳泥质页岩型钒矿石和含磷结构钒矿石三种。

硅质板状钒矿石：黑色，粉砂—泥质结构，显微晶粒结构，板状构造，由板状含
碳硅质岩夹板状页岩和粉砂质碳泥质页岩组成。

它是一种重要的矿石类型，约占总储量的40.37%。

在平面上，沿含钒岩系都有分布；在垂直方向上，主要分布于矿层下部。

矿石V2O5平均品位为1.02%。

炭泥质页岩型钒矿石：黑色，显微鳞片结构，薄层状构造。

由含石英粉砂质炭泥质页岩组成。

它也是一种重要的矿石类型，约占总量的41.5%，在平面上沿含矿岩
系都有分布，在垂直方向上，主要分布于矿层上部。

矿石V2O5平均品位为
0.77%，品位变化相对较小。

含磷结核钒矿石：黑色泥质结构、显微鳞片结构及球粒状结构，薄层状构造。

由不
等量的磷结核球粒和薄层状炭泥质页岩间夹薄层硅质岩组成。

该矿石类型很具特征性，但占比例很小，在平面上沿含钒岩系均有分布，在垂向上主要分布于矿层中下部。

矿石V2O5平均品位为0.83%。

2.3.2 矿石的矿物成分
互层型矿石：主要由约占40%的石英粉砂碳泥质页岩和约占60%的含碳质硅质岩组成。

前者主要矿物成分为碳泥质(45%～75%)、石英粉砂(25%～50%)，少量方解石和微量云母碎片；后者主要矿物成分为石英(>90%)，碳泥质约占5%，少量
方解石，偶见石英粉砂，脉石英、膏盐假晶和硅质骨针。

页岩型矿石：主要矿物成分为碳泥质(60%～80%)、石英粉砂(15%～35%)，少量云母碎片，微量沥青、方解石，偶见胶磷矿(结核)、黄铁矿。

矿区内两类矿石类型的矿物成分基本一致，主要由碳泥质和石英粉砂(或石英)组成，只是含量上的不同。

2.3.3 矿石化学成分
矿石化学成分见表1。

由表1可知，矿石中主要有用元素为V2O5，伴生有益组分为Ag、Co、Mo、Ni，含量很低，无综合利用价值。

有害元素有S、As、Sb、Cd，含量很低微。

表1 钒矿石化学分析结果Table 1 Chemical analysis data of vanadium ores矿石类型V2O5SiO2TiO2Al2O3Fe2O3MnMgOCaONa2OK2OP2O5LOSS样品数/件互层型0.9175.830.2154.405.350.0250.8350.400.3350.521.687.902页岩型0.6969.130.466.337.170.031.200.160.601.230.2712.632矿石类型AsSeSMoCdNiAgMoCuU样品数/件互层型
0.0090.00660.940.00140.0010.0190.00690.00140.025530.3412页岩型
0.070.004970.860.00170.00150.0230.00380.00170.014593.3212磷结构型
0.0090.004620.950.0010.0020.0220.00650.0010.019559.256注：组分的量单
位为%。

2.3.4 钒的赋存状态
(1)钒的载体岩石：经对互层型矿石分层取样结果，石英粉砂质碳泥质页岩的
w(V2O5)为0.82%～5.5%，平均3.15%(14件)，碳质硅质岩的w(V2O5)为
0.01%～0.30%，平均0.12%(20件)，低于互层型矿石w(V2O5)25倍，可见本区钒的载体岩石为碳泥质页岩。

(2)含钒矿物特征：从矿石样品和选矿样品钒的物相分析结果(表2)看出，主要含钒矿物为云母类，其次为氧化物，少量电气石、石榴石。

表2 钒矿石样与选矿样物相分析结果Table 2 Phase analysis result of vanadium ore samples and mineral processing samples样品类型含钒矿物中
w(V2O5)/%氧化物(氧化铁、高岭土)云母类电气石、石榴石总钒矿石样品选矿样
品矿石样品选矿样品矿石样品选矿样品矿石样品选矿样品互层型
0.320.2170.720.7890.080.0381.121.044页岩型
0.120.1410.490.5750.080.0550.690.771含磷结核型0.140.6300.07
矿石矿物特征是颗粒细小而均一。

主要矿物为碳质、含钒伊利石、高岭石和石英，次要矿物为重晶石、黄铁矿、闪锌矿、方解石及石英屑、硅质岩屑、磷灰石等。

从矿石样品粉晶X射线衍射分析(图4)可以看出，伊利石中均含有Fe2O3、MgO、CaO、Na2O等。

伊利石为单斜晶系，均为1M型。

其光学特征为无色，有时带
淡绿色或淡黄色，干涉色为二级顶部，迫于平行消光。

在扫描电镜中可见伊利石呈鳞片状与石英一起均匀分布。

根据电子探针和X衍射分析结果，钒含量高的样品
中伊利石含量多，反之则低，这与本区钒矿石所做的差热分析结果(钒的赋存与黏
土矿物密切相关，黏土矿物中80%以上为伊利石)是一致的。

图4 伊利石X射线衍射分析中含有Fe2O3、MgO、CaO、Na2O Fig.4 X-ray Diffraction Analysis of illite to contain Fe2O3，MgO，CaO，Na2O
(3)钒的价态分析：根据选矿样(采场)和矿石样品价态分析结果(表3)看出，采场样品钒矿石钒的价态均为V3++V4+，未发现V5+，而10件矿石样中有2件样品有V5+，可能与矿石在地表处于氧化态有关；其余样品未检出V5+。

表3 矿石选矿样与探槽钻孔样价态分析结果Table 3 List of valence analysis result of ore processing samples，trench and drilling hole samples取样位置样品类型不同价态钒量wB/% V5+V3++V4+合计互层型采场原生矿
0.001.051.05页岩型采场原生矿0.000.780.78探槽氧化矿0.0181.01341.022钻孔原生矿0.000.830.83
3 成矿控制因素及矿床成因
3.1 控矿因素
(1)地层因素：本区钒矿主要产于下寒武统牛蹄塘组黑色岩系中，其明显特征是受地层控制，成矿与黑色岩系、特别是富含有机质岩石有密不可分的关系，表现为矿床与黑色岩系的空间相关性。

牛蹄塘组是钒矿床成矿的基本条件。

换言之，凡在牛蹄塘组黑色岩系出露地区，都有找到钒矿的可能。

(2)古地理古构造因素：区域钒矿主要分布于扬子区的广海斜坡相区，为低能、缺氧还原的浅水台地边缘，为非补偿性还原条件下的盆地斜坡相沉积环境，生物活动作用强，钒的富集与生物化学富集作用有直接的关系。

钒矿床是在台地边缘斜坡相这样一个古构造古地理环境中沉积形成的。

(3)岩相(岩性)因素：处在广海斜坡相中的钒矿，形成了一套具有特定岩石组合和岩石序列的含钒岩系，岩相为一套含钒薄层硅质岩-碳泥质页岩相，该相带越宽，含钒岩系中硅质岩-硅质页岩-含磷结核层序列越完全，钒矿层厚度越大，品位越富。

岩相古地理环境对钒矿的形成与分布直着控制作用。

以上3个控矿因素是相辅相成的，古构造古地理环境控制着沉积相，沉积相又控制着地层、岩石以及钒矿的形成，呈现出“构造控盆，盆控岩相，岩相控矿”的规
律。

3.2 矿床成因类型
研究表明，早寒武世泛大陆解体，导致扬子陆块与华夏陆块处于强烈的拉张阶段[9]，构造沉积加剧。

斯时由于海侵作用，海平面上升，水体向陆地加深较快，与
构造沉积相适应，形成了一套以远源搬运的碎屑为主的沉积速率低的海侵系域的黑色岩系，黑色岩系的岩性主要为黑色页岩，其他有硅质岩、磷块岩(或磷结核层)及粉砂质泥岩等。

区内钒矿与石煤同产于牛蹄塘组黑色岩系，钒矿体产出位置低于石煤矿体。

石煤是由多菌藻、海绵等的遗骸构成的腐泥在缺氧的还原环境下转化而成，说明区内钒矿与菌藻类活动密切相关。

钒矿体呈层状、似层状，严格受地层层位、岩相的控制，据前人资料[5，10]，结
合区域所处大地构造位置、含钒岩系特征以及矿石结构构造等综合分析，本区钒矿为沉积盆地中缺氧的还原环境下的沉积产物，初期伴有热水沉积作用的参与，到早寒武世早期牛蹄塘组黑色岩系底部的硅质岩与炭质页岩互层沉积达到高峰期持续与正常海水(富硫酸盐)过渡期结束，这与沉积成因的牛蹄塘组与热水成因的留茶坡组[11]跨震旦系—寒武系是一致的。

根据湘西—黔东一带黑色岩系中镍钼多金属Re-O5等时线年龄[(542±11)Ma]和赋矿黑色页岩Re-O5等时线年龄[(537±10)Ma]，表明该区黑色页岩中多金属成矿作用与成岩年代一致，也表明早寒武世筇竹寺期或牛蹄塘期是华南地区重要的沉积矿床形成期[5]，典型矿床有岩头寨钒矿、四都坪
钒矿等。

区域钒矿床中的钒主要来自生物不断在海水中吸取并聚集的钒，后经细菌降解和热解，其中大部分钒被黏土质所吸附，形成了有机质、黏土质和硅质相互渗透，紧密共生的胶态泥沉入海底[12]。

在成岩过程中，云母类黏土矿物结构发生再结晶，将原有表面吸附的钒转化为类质同象形式进入云母类晶格中取代了部分铝(Ⅲ)，形成
了含钒水云母(及含钒伊利石)类矿物，成为钒的主导载体矿物[13]。

研究表明：含
钒伊利石是在缺氧且富含有机质的成岩环境中转化而成，化学和生物化学对钒的成矿起着主导作用，矿床成因属海相化学-生物化学成因的海相沉积型钒矿床。

4 结语
(1)古者钒矿位于扬子区东南缘斜坡相区，牛蹄塘组黑色岩系分布范围大，成矿的
地层、岩相、岩性、古构造和古地理条件有利，具有找到大型钒矿的地质前提。

(2)矿床赋存于牛蹄塘组底部一套富含有机质的硅、碳、泥质岩系中，相邻矿层(体)可作地层-岩石柱状剖面对比，具有沉积矿床的基本特征。

(3)矿体呈层状、似层状，产状与围岩一致。

矿体与围岩的界线需要化学分析来确定。

(4)多种测试成果表明，钒主要赋存于黏土矿物伊利石中，以V3++V4+价态为主。

钒在矿石中的含量与伊利石的含量成正相关关系。

(5)找矿方向应沿控制牛蹄塘组含钒岩系产出分布的倾伏背斜及其两翼上，重点查
明黑色岩系的分布、含钒岩系厚度、岩性组合、岩性、序列特征及其含矿性的变化规律。

参考文献：
【相关文献】
[1] 唐红松，徐文杰，谢世业，等. 我国下寒武统黑色岩系的矿产类型[J]. 矿产与地质，2005，
19(4)：341-344.
[2] ZHANG Yiman，BAO Shenxu，LIN Tao，et al. The technology of extracting Vanadium from stone eoal in china：History，Current status and future prospels[J]. Hydromellurgy，2011，109(1/2)：116-124.
[3] 陈延福. 湖南省湘西自治州石煤资源综合考察报告[R]. 吉首：湖南冶金地质勘探二四五队，1981.
[4] 包正湘，陈延福. 湘西北石煤地质及煤质特征[J]. 湖南地质，1988，7(3)：42-49.
[5] 陈明辉，胡祥昭，卢兵，等. 湘西北岩头寨钒矿成矿地质特征及成因[J]. 矿产勘查，2014，5(5)：751-761.
[6] 陈明辉，郭素雄. 湖南省吉首市古者矿区钒矿详查报告[R]. 吉首：湖南省有色地质勘查局二四五队，2012.
[7] 湖南省地质矿产局. 湖南省区域地质志[M]. 北京：地质出版社，1988：41-44.
[8] 周新华，程海，陈海泓，等. 湖南黔阳镁铁-超镁铁质岩Sm-Nd年龄测定[J]. 地质科学，1992，2(4)：391-393.
[9] 刘宝珺，徐效松，潘杏南. 中国南方古大陆沉积地壳演化与成矿[M]. 北京：科学出版社，1993：50-60.
[10] 刘金山. 凤凰县东方红钒矿床地质特征和矿床成因探讨[J]. 湖南地质，1989，8(4)：25-31.
[11] 彭军，夏文杰，伊海生. 湘西晚前寒武纪层状硅质岩的热水沉积地球化学标志及其环境意义[J]. 岩相古地理，1999，19(2)：29-36.
[12] 许国镇，夏华，戈迺锷. 江西皈大石煤中钒的价态初步研究[J]. 矿产综合利用，1983(4)：39-44.
[13] 张爱云，翁成敏. 黑色页岩型钒矿提钒的主导矿物[J]. 地球科学，1989，14(4)：391-397.。