沈徐睿
(中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队，浙江 杭州 310022)
长兴县大煤山石灰岩矿是浙江省北部优质的水泥原料矿山[1]，矿山资源储量规模大，矿石质量好，加工技术性能优良。本文根据数次野外地质勘查成果，研究了区域地质特征和矿石质量特征，总结了矿床成因，以期为今后大煤山及其周边地区石灰岩找矿提供理论依据。
大地构造位置属扬子准地台(Ⅰ地)，钱塘台褶带(Ⅱ褶)，昌化—普陀大断裂(Ⅲ化)，学川—湖州大断裂(Ⅳ湖)的北东端[2]。研究区处于安吉—长兴褶皱带的中部之煤山盆地内，本地区为煤山复向斜构造，由煤山向斜、狮子山向斜、千井湾背斜等次一级构造以及燕山期继承性褶皱—温塘向斜组成[3]。该复向斜轴向北东45°～50°，北东端抬起、南西端倾伏，长12km，最宽处6km。向斜核部为侏罗系马涧组，往两翼依次过渡为三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系地层。矿区位于煤山向斜的东翼长岕—煤山一带。其中下三叠统为主要含矿层[4]。区域内未见岩浆活动。
2.1 地层
整个矿区位于煤山向斜的南东翼，出露的地层主要有上二叠统龙潭组(P2l)、上二叠统长兴组(P2c)、下三叠统殷坑组下段(T1y1)、殷坑组上段(T1y2)、和龙山组(T1h)、南陵湖组(T1n)。由老至新分述如下：
(1)上二叠统龙潭组(P2l)：出露于矿区的北部，大部分被第四系覆盖。沿南西—北东展布，沿走向出露长度820m，宽度在176 ～486m 之间。主要为灰黑色页岩、粉砂质页岩、泥质粉砂岩，风化后松散易破碎。根据钻孔及推测断层的控制，最大厚度可达453m。地层倾向270°～300°，倾角48°～55°。因逆断层F1 影响逆覆于南侧南陵湖组之上，呈断层接触，北侧与上覆长兴组呈平行不整合接触，与殷坑组呈断层接触。
图1 大煤山矿区区域地质简图
(2)上二叠统长兴组(P2c)：出露于矿区的西北部，呈北东—南西向狭长条带状展布，平行不整合于龙潭组之上，地表出露宽24 ～64m。地层总体倾向240°～289°，倾角40°～52°。受小褶曲、小断层影响，局部地段产状变化大，呈扭曲状，甚至有180°反转或平卧褶皱。根据岩性变化分为上下两部分：下部为深灰色薄—中厚层沥青质灰岩，含燧石条带或(结核)白云质灰岩、含泥质白云岩，灰黑色薄层板状灰岩；
上部为深灰色中厚层生物灰岩，含生物碎屑燧石灰岩、沥青质灰岩、白云质灰岩。
(3)下三叠统殷坑组(T1y)：为含矿地层，大面积出露于矿区南东部和北西部。根据岩性特征可分为上下两段。殷坑组下段(T1y1)以青灰色、黄绿色钙质页岩、灰黑色砂质页岩为主，呈薄层状，层理清晰，与上段(T1y2)薄层灰岩渐变，厚3.21 ～17m。总体产状240°～289°∠40°～52°，局部受小褶曲影响较大。与下伏长兴组呈平行不整合接触，是殷坑组与下伏地层分界的标志层。殷坑组上段(T1y2)为薄—中厚层微晶灰岩，岩性单一。呈北东—南西条带状展布，主要出露在大煤山石灰岩矿南部。总体倾向310°～325°，倾角38°～44°。本段在7、8 线出露最全，厚度280.21m。层理清晰，单层厚2 ～10m。
(4)下三叠统和龙山组(T1h)：为含矿地层，大面积分布于矿区东南部和西北角。岩性为厚层细晶灰岩，灰白带微红、肉红色，细晶结构，块状构造，层理发育，单层厚40 ～100cm。矿石几乎全由方解石组成，晶粒大小不一，小的仅0.1 ～0.2mm，大的可达1.5 ～2mm，呈晶体状，缝合线发育，裂隙面常因铁质浸染呈棕红色、锈红色。矿层厚度稳定、分布连续，同一连续条带内产状稳定。本层岩溶较发育。
在矿区东南部地区，地层出露较完整，厚度280 ～420m，沿走向延伸稳定，可达2082m。倾向310°～325°，倾角38°～44°。在矿区西北角地区，因第四系覆盖及断层影响，地层出露不全，最大出露厚度320m，倾向289°～334°，倾角62°～65°。
根据岩性特征可分为上、中、下三部分：下部为灰白色、浅灰色薄至厚层细晶灰岩；
中部为灰白色、粉红色厚层状至块状细晶灰岩，含白云质粉晶灰岩条带，厚约73.80m；
上部为厚层鲕状细晶灰岩，鲕状结构，块状构造，局部含有白云质灰岩透镜体。
(5)下三叠统南陵湖组(T1n)：为含矿地层，大面积分布于矿区中部，以长条带状呈北东—南西向展布，在矿区北东角被第四系所覆盖，与下伏地层和龙山组呈平行整合接触。整套地层颜色较杂，单层厚度变化大，在0.1 ～1.0m，呈薄—中厚层状。主要岩性为浅灰、紫红色—黄褐色中厚层微晶灰岩、瘤状灰岩夹白云质灰岩、白云岩，或呈互层状(图2)。
图2 大煤山矿区地质图
2.2 构造
矿区位于煤山向斜南东翼，地层总体产状240°～320°∠40°～65°，呈单斜层状产出。受区域构造影响，区内断裂构造发育，共发育F1 ～F8八条断层，其中对矿体影响较大为F1、F2、F4 断层。
F1：为区域断层箬岕冲断层的一部分，位于整个煤山复向斜中部，为北盘南移上冲之压性走向逆冲断层。沿北东—南西延展长约2800m，纵贯整个矿区，倾向北西，倾角65°～80°。断层破坏了复向斜的完整性，使矿区西北部的下三叠统地层重复出现，龙潭组逆覆于南陵湖组之上。断层两侧地层倾向有所变化，南侧地层310°～325°，北侧地层240°～289°。
F2：断层西起4 勘探线，往东延至8 线，倾向北北西，倾角65°，出露长约1000m，为张性正断层。走向断距约305m，破坏了地层走向连续性，使殷坑组上段和龙潭组不整合接触，地层缺失。
F4：发育在殷坑组上段及和龙山组地层内，是矿体内部断裂。断层走向北东，长约1000m，断层面倾向北西西，倾角50°～63°，西北盘下降、南东盘上升。断裂带宽0.5 ～2.0m，断层破碎带为石灰岩角砾、棕红色泥质、砂质物和方解石填充，灰岩角砾呈棱角、次棱角状，0.5 ～30cm 大小不等，为钙质胶结紧密。
其余断层规模较小，仅对矿体形态有一定影响。F3 断层走向与F4 平行，同属矿体内部断裂，倾向南东，倾角近似直立，接触面可见擦痕，断裂带宽0.5 ～0.7m，为石灰角砾充填。F5 走向北西—南东，推测为平移断层，为后期继承性断裂，错断殷坑组上段和F1 的连续性。F8 为推测断层，与F6、F1 斜交。F8 的存在使南陵湖组与和龙山组及殷坑组上段三者呈不整合接触。结合以往地质资料推测为区域大断层F1 的延伸分支部分，与F1 属同系断层、同性质。
3.1 矿体特征
矿体赋存于殷坑组上段(T1y2)、和龙山组(T1h)、南陵湖组(T1n)地层中。由于断层发育，将矿体分隔成不同的矿块，为了便于矿体评价和资源储量估算，根据F1、F8 两条断层的发育特征，将石灰岩矿划分为Ⅰ、Ⅱ号两个矿体。
3 线以东以F1 断层为界，3线以西以F8 为界；
F1、F8 南东侧为Ⅰ号矿体，北西侧为Ⅱ号矿体。
Ⅰ号石灰岩矿体：分布于F1 断层南侧、矿区南东部区域，赋存于殷坑组上段(T1y2)微晶灰岩、和龙山组(T1h)微晶—细晶灰岩和南陵湖组(T1n)微晶灰岩中。矿体平面呈条带状，北东—南西向展布，长度约3000m，宽度226 ～665m，平均宽度475m，宽度变化系数28.03%。矿体厚度总体西南部较厚，东北部较薄，厚度60 ～120m，平均厚度80m，厚度变化系数为56.72%。矿体无顶板，仅在矿体北部被第四系覆盖。矿体总体走向60°，呈单斜层状产出，倾向240°～289°，倾角38°～44°。矿体纵向上受F1 断层控制，横向上在4 线附近被F5 断层局部断开，影响了矿体的连续性，但对矿石质量并无影响。
Ⅱ号石灰岩矿体：分布于矿区的北西部，赋存于殷坑组上段(T1y2)微晶灰岩、和龙山组(T1h)微晶—细晶灰岩、南陵湖组(T1n)微晶灰岩中。矿体平面呈条带状，北东—南西向展布，控制长度约1850m，宽度186 ～510m，平均出露宽417m，宽度变化系数23.00%。由于地形切割影响，矿体在各勘探线上的厚度不一，厚37 ～132m，平均厚64m，厚度变化系数为35.89%。矿体无顶板，底板为殷坑组下段(T1y1)钙质页岩，矿体局部有覆盖层。矿体总体走向35°，受煤山向斜和断层F2、F8 影响，组成矿体的矿层倾向288°～307°，倾角61°～65°，F8 以南南陵湖组矿层倾角40°～45°。矿体纵向上受F1 断层控制，由于F2、F5、F6、F8断层作用，影响了矿层纵向上的连续性(图3)。
图3 大煤山矿区6 号勘探线地质剖面图
3.2 矿石质量特征
3.2.1 矿石矿物成分
Ⅰ、Ⅱ号矿体属于同一含矿层位，其矿石的成分、结构、构造基本一致。矿体由T1y2、T1h、T1n矿层组成，矿石呈浅灰—深灰色—微红色，微晶结构、细晶结构，层状构造、块状构造[7]。矿石主要矿物为方解石(85%～97%)，少量泥质(1%～3%)、白云石(3%)及微量生物碎屑。方解石多为微—粉晶粒状，半自形至他形。砂屑为泥晶方解石集合体，呈团块状，粒度0.1 ～0.7mm；
白云石自形(菱形)，粉—细晶粒状，粒度0.06 ～0.2mm。
3.2.2 化学成分
通过样品分析测试，Ⅰ、Ⅱ号矿体的化学成分变化情况如下：
Ⅰ号石灰岩矿体：主要化学组分平均含量为：CaO 53.3%、MgO 0.78%、SiO22.18%、S 0.08%、P 0.02%，有益组分CaO 含量高，有害组分MgO、SiO2、S、P 及碱含量均较低，各组分沿走向、倾向变化亦很稳定，矿石质量较优。
Ⅱ号石灰岩矿体：主要化学组分平均含量为：CaO 53.55%、MgO 0.84%、SiO21.86%、S 0.011%、P 0.001%，有益组分CaO 含量高，有害组分MgO、SiO2、S、P 及碱含量含量均较低，各组分沿走向、倾向变化稳定，矿石质量较优(表1、表2)。
表1 主要化学组分沿走向变化情况表 (单位：%)
表2 主要化学组分沿倾向变化情况表(以7 勘探线为例)（单位：%）
全矿区矿体沿走向主要化学组分平均含量为CaO 53.38%、MgO 0.78%、SiO22.12%、S 0.090%、P 0.02%；
沿倾向主要化学组分平均含量为CaO 52.73%、MgO 0.76%、SiO22.86%、S 0.11%、P 0.02%。矿体总体平均含量为CaO 52.95%、MgO 0.78%、SiO22.58%、S 0.106%、P 0.02%。经样品组合分析，有害组分K2O、Na2O、Cl-、F-及碱含量等均较低，对矿石质量无影响。综上所述，CaO 含量较高，均在52%以上，而有害组分MgO、SiO2、S、P 含量均较低，总体矿石质量较优。
3.2.3 矿石自然类型
根据矿物成分、结构构造、化学组分特征及分布规律[8]，矿石可划分为微晶灰岩、细晶灰岩两个矿石自然类型[9](图4)。
微晶灰岩：浅灰—灰色、灰白色、微红、黄色，微晶结构，致密块状构造；
主要由方解石矿物组成，结构均一；
方解石粒径0.02 ～0.05mm；
有机质呈污浊物状，零星分布；
碳质呈粉尘状、星点状，局部较密集；
主要化学组分在走向、倾向方向变化不大。
细晶灰岩：灰白、微红色，细晶结构，致密块状构造；
矿物成分较单一，几乎全为细晶方解石组成；
结晶现象明显，常出现粗大方解石颗粒聚集成不规则团状、透镜状或作为裂隙的愈合物出现；
CaO 含量较稳定，MgO、SiO2含量波动较大。
3.3 矿体围岩及夹石
3.3.1 矿体覆盖层
矿体基本裸露地表，上覆残坡积和人工堆积物，零散分布于全矿区。残坡积层主要分布在矿区北侧，以残积腐殖土为主；
人工堆积多为就近开采出的矿石碎块夹粘土。残积腐殖土化学成分平均值：CaO 3.96%、MgO 0.93%、SiO262.23%、Al2O315.15%、Fe2O36.02%、K2O 2.06%、Na2O 0.40%、烧失量8.29%。
3.3.2 矿体底板
除局部地段以矿层底板T1y1钙质页岩夹砂质页岩直接底板外，大部分地区未出现底板。矿体底板岩石化学成分变化较大，与矿石相较，钙质成分明显降低，MgO、Al2O3、Fe2O3含量增加，特别是SiO2含量显著上升，K2O+Na2O 多＞0.5%。
3.3.3 夹石
对 于CaO ＜45.00% 或SiO2＞4.00% 或MgO＞3.00%的样段圈做夹石处理[10]，共圈定出24 个夹石层。本次选取三组勘查样做测试，结果见表3，均符合建筑石料用灰岩质量一般要求，可作为建筑石料矿综合利用。
表3 大煤山矿区夹石五项测试计算结果表
4.1 矿床成因
本区在古地理位置处于印度洋—北太平洋通道的下杨子煤山海槽，继晚二叠世早期龙潭组海陆交互相煤系和晚期长兴组海相灰岩沉积后，早三叠世海水沿煤山海槽侵入，历经了滨海—浅海—半深海渐变环境，先后沉积了滨海相钙质页岩(T1y1)、浅海相薄层灰岩(T1y2)、半深海相厚层灰岩(T1h、T1n)，彼此渐变过渡[11]。沉积环境由不稳定—稳定，硅质成分渐趋减少，钙质成分趋于增加，白云质局部浓集。晚期厚层灰岩中鲕粒结构的出现[12]，说明沉积环境又趋于动荡，从早期到晚期，大体上构成了一个沉积旋回[13]。因此，本区下三叠统石灰岩矿床为一套浅海—半深海相石灰岩沉积，矿体、夹层(石)的赋存部位以及矿石结构、构造、矿物成分和化学成分的变化，均受制于这种渐变沉积环境的控制[12]。
印支期褶皱运动，使本区下三叠统石灰岩矿床处于近向斜核部起翘部位。印支期和燕山期断裂，以及喜山期上升、剥蚀，使矿床向斜构造形态及其完整性遭到一定破坏。所以矿层各部位保存、出露程度不一，矿体厚度变化较大；
而矿石质量相对稳定，则是这类矿床最显著的成因特点[14]。
作为成矿层位，殷坑组上段薄层微晶灰岩及和龙山组、南陵湖组厚层细晶、微晶灰岩，在区域上具有一定的稳定性，是我国水泥石灰岩矿床的重要含矿层位。
4.2 找矿标志
大地构造位置上，处于扬子板块的东北部(下扬子台褶带南京坳陷褶皱束滁巢褶断带)；
地层层位上为早三叠世地层；
岩性特征上，以细晶灰岩、微晶灰岩为主。以殷坑组下段灰绿色钙质页岩为长兴组和殷坑组分界标志层，是二叠系与三叠系界线的标志，又是中生界与古生界之间的标志。
(1)殷坑组上段(T1y2)微晶灰岩和和龙山组(T1h2)细晶灰岩、南陵湖组(T1n)微晶灰岩是在该区寻找本类矿床的赋矿层位。
(2)殷坑组下段(T1y1)灰绿色钙质页岩是寻找本类矿床的直接找矿标志。
(1)本矿床赋存于下三叠统殷坑组上段(T1y2)、龙山组(T1h)及南陵湖组(T1n)地层中，矿体各个矿层呈层状沿大煤山向斜的南东翼产出，地层总体产状240°～320°∠40°～65°，在矿区范围内呈单斜层状产出，向斜向北东方向抬起，向南西方向倾伏，西端由于被强烈挤压及断层破坏而变窄。
(2)矿体矿石主要化学组分平均含量为CaO 52.95%、MgO 0.8%、SiO22.58%、S 0.106%、P 0.02%，有害组分含量低，矿石质量优良，矿床规模大，具有良好的开发价值。
(3)大煤山下三叠统石灰岩矿床为一套浅海—半深海相石灰岩沉积碳酸盐矿床。
(4)殷坑组下段(T1y1)灰绿色钙质页岩是寻找本类矿床的直接找矿标志。
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