湘西北岩头寨钒矿成矿地质特征及成因

湘西北岩头寨钒矿成矿地质特征及成因_追寻地质梦湖

陈明辉1，2，胡祥昭1，卢兵2，徐军伟3，鲍振襄4，鲍珏敏4

（1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；[1]

2.湖南省有色地质勘查局二四五队，湖南 吉首 416007；

3.湖南省有色地质勘查局，湖南 长沙 410082；

4.湘西矿产资源综合研究发展中心，湖南 吉首 416007）

摘 要：岩头寨钒矿赋存于寒武系底部牛蹄塘组黑色岩系中，含钒岩系以富含有机质的碳、磷、硅质岩石组合为特征。矿体呈层状，具多层性，平均厚度为2.7～7.1m，平均V2O5品位0.80%～0.84%。矿石类型主要为硅质岩夹硅质碳质页岩或互层和硅质碳质页岩型两类，含钒矿物主要为含钒伊利石。探明的资源储量达311万吨。文章通过对区域地质背景、矿区地质特征、矿体特征、矿石矿物特征等的分析，认为矿床受地层、岩性、岩相、古地理和古构造条件控制；钒在沉积和成岩过程中都离不开生物地球化学作用。成矿作用是在有机质参与下发生的元素迁移、富集作用，经成岩期富化而形成矿床。钒的生成与菌藻类的活动密切相关，因此，矿床属于化学生物地球化学沉积矿床。

关键词：黑色页岩型钒矿；地质特征；赋存状态；生物地球化学成矿作用；矿床成因；岩头寨；湘西北

岩头寨钒矿位于湘西自治州古丈县境内，地理坐标：东经110°01′30″—110°07′45″；北纬28°32′15″—28°37′30″。该矿床是湖南省有色地质勘查局二四五队新探明的大型钒矿，其332+333五氧化二钒资源储量达311万吨，是湖南境内乃至华南地区产于寒武系底部黑色岩系中规模最大的钒矿，潜在经济价值巨大[1][2]。文章详细阐述了矿区的地质特征、矿体特征、矿石矿物特征，探讨了成矿地质条件以及生物地球化学成矿作用与矿床成因。

1 区域地质概况

本区位于扬子地台东南缘的上扬子台褶带与江南地轴结合部位，属江南地轴武陵褶断束。本区在前寒武纪的地壳演化历史中，震旦纪处于地槽向地台转化的转折阶段，到古生代才演变为成熟的被动大陆边缘。区域构造主要为保靖-玉屏和永顺 慈利2条NNE—NE向深大断裂联合构成并向NW凸出的弧形断裂带，它不仅奠定了湘西北地区地质构造的主要格架，而且长期以来控制着两侧的地层和沉积建造特点及区域矿产的展布规律[2]。牛蹄塘组为一套覆盖在留茶坡组热水沉积硅质岩[3]之上的、以正常沉积为主兼有热水参与的富含碳质和黄铁矿的黏土质页岩沉积[4]。

岩体主要侵入板溪群五强溪组灰绿色板岩中，呈岩床产出，系浅成钠长质基性岩①，包括橄榄岩相、辉绿岩相、钠长辉绿岩相和钠长岩相等。据湘西地区黔阳（洪江）镁铁质—超镁铁质全岩Sm-Nb等时年龄测定结果为890±10Ma，钕同位素初始值εNb（T）为1.63～1.90[6]。表明岩体源自亏损的地幔源区，可能是新元古代江南碰撞造山带中段的一个组成部分，如弧后盆地开张初期的产物。

区域出露地层有新元古界—志留系。新元古界是区内出露最老地层，属稳定—次稳定型地层相。震旦纪—志留纪地层属同一构造沉积演化阶段的产物，为被动边缘沉积。此外，在矿区东北部尚出露红色复陆屑式建造的白垩系石门组，为断陷盆地沉积。区域地层划分及命名依据《湖南省岩石地层单位》进行[7]。含钒岩系为下寒武统牛蹄塘组底部的黑色岩系。在地层分区上，早寒武世基本上属于武陵过渡区，扬子型生物较多，江南型的较少[5]，其西南部介入雪峰山区，隶属江南区。

区内岩浆不发育，仅在区域中南部的古丈毛坪、盘草、万山等地有雪峰期基性岩群分布。此外，凤凰水田寒武系底部见有火山凝灰岩（厚0.12～0.3m），夹于含磷结核碳质页岩与碳质页岩之间，表明在早寒武世早期本区局部地段曾有过火山喷溢活动。

湘西北地区钒矿呈NE向的带状分布，长达320km（图1），西南延伸到贵州省境内。它是我国特有的黑色页岩型钒矿优势资源的重要产区[8-11]。

图1 湖南西部下寒武统露头、分区及钒矿分布图

1.露头分布区；2.地层分区界线；3.湘西北区；4.武陵山分布区；5.湘中区雪峰山小区；6.钒矿床；7.镍矿床；8.省界

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 矿区地质特征

2.1 含钒岩系岩石组合序列

含钒岩系位于牛蹄塘组底部，主要由薄层硅质岩夹薄层硅质碳质页岩或互层、含磷结核碳质页岩、碳质页岩及黑色页岩组成，厚21.10～35.76m。自下而上为：

（1）黑灰色—灰黑色薄层碳质硅质页岩。单层厚1～3cm，岩石具显微晶结构。厚0.98～1.90m，平均厚1.41m；V2O5品位0.47%～1.27%，平均0.89%。系Ⅰ矿层底部矿层。

（2）黑色薄层碳质硅质岩与黑色硅质碳质页岩互层。其中碳质硅质岩单层最厚13.8cm，最薄1.8cm，一般4～6cm，岩石具显微晶结构、显微粒状结构；硅质碳质页岩单层最厚11cm，最薄1.7cm，一般4～5cm；岩石具显微鳞片结构、显微柱状结构。本层厚3.79～14.98m，平均厚8.92m，V2O5品位0.51%～1.29%，平均0.77%。系矿区主要矿层，与上述（1）层统称Ⅰ矿层。

（3）浅灰色中厚层含灰质白云岩。岩石具泥粉晶结构。厚0.42～1.05m，平均厚0.95m，V2O5品位0.01%～0.71%，平均0.21%。该层在古丈复背斜南东翼出露连续，部分呈透镜状，但在复背斜北西翼一般少见。

（4）黑色含磷结核硅质碳质页岩偶夹深灰色薄层硅质岩。区域分布甚广，磷结核数量较多。其中硅质碳质页岩具显微鳞片结构，单层厚3～10cm，硅质岩单层厚1～4cm。本层厚1.03～4.73m；平均厚2.67m；V2O5品位0.58%～1.05%，平均0.75%。系第Ⅱ钒矿层。

（5）黑色含磷结核石英粉砂碳质页岩。磷结核主要由碳泥质页岩砂屑和砂屑间胶磷矿胶结物组成。岩石具显微鳞片结构，单层厚4～13cm，岩层分布较连续。本层厚1.81～8.15m，平均厚3.91m；V2O5品位0.17%～0.37%，平均0.26%。少部分地段达到工业品位。

（6）黑色含磷结核石英粉砂碳质页岩，磷结核明显减少。岩石具显微鳞片结构，单层厚2～10cm，分布较稳定。本层厚3.00～5.27m，平均厚4.14m；V2O5品位0.27%～0.65%，平均0.46%。部分地段达到工业品位。

（7）黑色硅泥质碳质页岩，局部见星散状、线理状黄铁矿。岩石具显微鳞片结构、泥质结构，单层厚5～15cm。本层厚5.57～16.09m，平均厚8.65m；V2O5品位0.62%～0.77%，平均0.69%。系第Ⅲ矿层，亦为主要矿层。

2.2 矿区构造

岩头寨钒矿位于古丈复背斜南东翼之次级岩头寨向斜构造部位，该向斜构造宽缓，轴向NE—NEE，长约13.7km，宽2.0～3.5km。向斜北西翼岩层走向20°～75°，倾向SE，倾角10°～35°，岩头寨钒矿主要赋存于向斜的北西翼（图2）。向斜南东翼岩层走向5°～85°，倾向NW—NNW，倾角9°～43°，局部岩层倾角较陡达50°。向斜轴部出露地层为清虚洞组，其下伏地层依次对称出露牛蹄塘组、石牌组、留茶坡组、陡山沱组、南沱组等。

矿区断裂构造较发育，有NE—NNE和近EW向2组。F1断层纵贯全区，是矿区规模最大的断层，长度大于11km，走向50°～60°，倾向NW，倾角70°～77°，斜切向斜轴部清虚洞组地层。破碎带宽2～10m，为正平移断层，垂直断距60～150m不等。该断层多处切割和错断钒矿层，系成矿后断裂。

2.3 矿层（体）特征[3]

根据容矿岩石岩性、矿化连续性和成矿部位，按矿体空间分布位置，刬分出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿层，主要矿体为Ⅰ矿层，次为Ⅲ矿层。矿体主要呈层状，产状与围岩一致，形态简单，产状稳定。平面上呈NE向带状分布，剖面上平行叠置产出，相邻矿层可作地层-岩石柱状剖面对比，具有沉积矿床的基本特征。

（1）Ⅰ矿层：相当于含钒岩系第1、2分层，长5800m，宽650～860m。容矿岩石为黑色薄层硅质岩与黑色薄层硅质碳质页岩互层。据29条探槽统计，矿体厚2.06～12.99m，平均厚7.13m；单工程V2O5品位0.77%～1.07%，平均0.90%。深部36个钻孔资料统计，矿体厚2.08～12.13m，平均厚7.13m；单工程V2O5品位0.71%～0.99%，平均0.86%。Ⅰ矿层65个工程统计，平均厚7.10m，厚度变化系数为28.30%，属均匀变化类型；V2O5品位平均为0.88%，品位变化系数为38.97%，属均匀变化。

（2）Ⅱ矿层：该矿层相当于含钒岩系第4分层。下部为含钒的黑色含磷结核硅质碳质页岩，见硅质条带；中部为含少量钒的黑色含磷结核硅质碳质页岩；上部为含钒的黑色含磷结核碳质硅质页岩。据28条探槽资料统计，矿体厚1.67～4.09m，最厚6.94m，平均厚2.96m；单工程V2O5品位0.77%～1.03%，平均0.89%。深部35个钻孔中矿体厚1.00～3.24m，平均厚2.06m；单工程V2O5品位0.62%～0.95%，平均0.79%。Ⅱ矿层矿体平均厚2.72m；厚度变化系数44%，属较均匀变化；V2O5平均品位为0.84%，品位变化系数为23.21%，属均匀变化。

图2 岩头寨钒矿地质平面图

1.白垩系石门组砂砾岩；2.寒武系清虚洞组粉细晶白云岩夹灰岩；3.寒武系石牌组页岩夹粉砂岩；武系牛蹄塘组上段粉砂质碳质岩岩；5.寒武系牛蹄塘组下段含钒黑色岩系；6.震旦系留茶坡组硅质岩；7.震旦系陡山沱组泥质白云岩；

8.地层界线；9.向斜轴线；10.断层及编号；11.钒矿层露头线；12.勘探线；13.见矿钻孔；14.未见矿钻孔

（3）Ⅲ矿层：相当于含钒系第6、7分层，长5800m，宽600～1550m。岩性为硅泥质碳质页岩及少量黑色含磷结核含石英粉砂碳质页岩。据27条探槽统计，地表矿体厚1.63～14.90m，平均厚7.97m；单工程V2O5品位为0.71%～0.90%，平均0.80%。深部36个钻孔资料统计，矿体厚1.00～7.96m，平均厚4.59m；单工程V2O5品位为0.58%～0.98%，平均0.72%。Ⅲ矿层矿体平均厚5.67m，厚度变化系数为36%，属较均匀变化；平均V2O5品位为0.80%，品位变化系数为21.51%，属均匀变化。

2.4 矿石特征

按含钒岩石的岩性及岩石组合特征，可划分为硅质板状钒矿石、硅泥质碳质页岩钒矿石和含磷结核钒矿石3种。硅质板状钒矿石系含钒岩系中第1、2分层黑色薄层碳质硅质岩与黑色硅质碳质页岩互层岩石组合的矿石，其厚度比例为硅质碳质页岩一般占30%～40%、碳质硅质岩一般占60%～70%，系区内最主要钒矿石类型，其资源储量占矿石总量的52.66%，主要分布在Ⅰ矿层中。硅泥质碳质页岩钒矿石主要为含钒第7分层黑色硅质碳质泥质页岩中的矿石。主要分布于第Ⅲ钒矿层中，也是一种重要的矿石类型。含磷结核钒矿石主要为含钒岩系第4分层，区域分布较广，系含较多的磷结核主要的硅质碳质页岩，并于第Ⅱ钒矿层，所占矿石比例较少。

2.4.1 矿石矿物组分

矿石物质组分；矿石的矿物成分依其含钒岩性的不同而不同，现分述如下。

硅质板状型矿石：主要含钒岩石为硅质碳质页岩，矿物成分以碳泥质和石英为主，少量方解石和云母碎片、褐铁矿等，偶见石英脉、方解石脉。与之呈互层状产出的碳质硅质岩主要矿物成分为石英，另有少量石英粉砂、方解石脉、石英脉，偶见膏盐假晶和硅质骨针。

页岩型矿石：主要矿物成分为碳泥质，次要矿物为石英，另有方解石、胶磷矿、线理状黄铁矿及少量方解石脉、石英脉等。

2.4.2 矿石化学成分

不同类型矿石主要化学成分（表1）的一个显著特点是，Si O2含量非常高，为72.86%～91.35%，最低61.89%，平均86.65%，为高硅页岩型。按石煤钒矿所做化学成分分析[4]，具有高硫、高钙、低磷、高灰分、高熔点、低热值特点。

2.4.3 矿石结构构造

矿石结构构造主要为显微鳞片结构，其次为显微晶结构、少量隐晶结构、粉砂质泥质结构等，定向构造。

2.4.4 伴生元素及其赋存状态

据50件矿石组合分析结果，主要伴生组分为Cu、Ni、Mo、Ag、Au、Pt、Pd和Y等，其含量分别为Cu 0.11%～0.028%，平均0.019%，Ni0.0033%～0.026%，平均0.016%，Mo0.0040%～0.012%，平均0.042%，Ag6.8×10-6～11.12×10-6，平均8.99×10-6，Au3.90×10-9～6.89×10-9，平均4.87× 10-9，Se0.10014%～0.1039%，平均0.100185%，Pt9.22×10-9～17.70×10-9，平均12.10×10-9， Pd23.602×10-9～43.50×10-9，平均28.50×10-9，Y65.20×10-9～198.90×10-9，平均98.33× 10-9，除Mo、Ag、Se、Pd含量较高外，其余组分含量均较低。矿石中有害组分主要是238U、As和P，其含量分别为238U387.80～910.20Bq/kg，平均568.21Bq/kg，As0.02%～0.099%，平均0.068%，P 0.078%～0.85%，平均0.24%。

经研究初步认为矿床中较普遍存在的伴生元素Mo，可能为碳质（沥青质）和黏土矿物的均匀混合体[8]，广泛分布在钒矿石中的Ag，主要与铁质硫化物有关，在沉积期Ag随着黄铁矿的沉积而分散于原始沉积物中。

2.5 钒的赋存状态

为了查明矿石中钒的赋存状态，做了大量的化学分析、物相分析、价态分析、电子探针与X衍射分析、差热分析等，现将其主要成果简述于后。

2.5.1 钒的载体岩石和矿物

（1）钒的载体岩石。

不同含钒岩石经分层取样结果（表2），钒主要赋存于硅质碳质页岩中，含V2O51.59%～1.99%，平均1.77%（11件）；硅质岩V2O5一般0.08%～0.325%，少数样品为0.31%～0.47%，平均0.19%。相比之下，硅质碳质页岩V2O5含量高于同一矿层中与之呈互层产出的硅质岩V2O5含量的9.4倍，可见硅质碳质页岩是岩头寨钒矿钒的主要载体岩石，这与湘西地区同层位、同类型钒矿钒的主要载体岩石是一致的[4]。

表2 硅质板状型矿石中硅质岩与硅质碳质页岩分层取样V2O5分析结果表（%）

分析单位：湖南省有色地质勘查局二四五队检测中心，2010。

（2）钒的载体矿物。

镜下观察未发现独立钒矿物和其他含钒矿物。经高倍显微镜鉴定和差热分析，含钒的黏土矿物中伊利石是钒的主要载体矿物，含量60%～80%。含钒伊利石呈鳞片状，具珍珠光泽，低—中正突起，近于平行消光，并有光性定向现象。

2.5.2 钒的物相分析

采用碱溶亚铁容量法对矿区10件矿石样品所做物相分析结果[5]（表3）可以看出，主要含钒矿物为云母类，次为氧化物，少量电气、石榴石，这与选矿样品所做矿石钒的物相分析（表4）结果一致。

表3 矿石物相分析结果表

分析单位：中南大学、湖南省矿产测试利用研究所，2010。

表4 选矿试验室样物相分析结果表

分析单位：中南大学、湖南省矿产测试利用研究所，2010。

由表3、表4可以看出，钒主要赋存于云母类矿物中，分别占页岩型矿石和互层型矿石中的页岩、氧化矿和原生矿的60.94%、32.48%和74.52%、88.51%。由此可见这类黑色页岩型钒矿可称为“含钒云母相”，进一步从其主要载钒矿物伊利石来说，则可称之为“含钒伊利石相”。

2.5.3 电子探针分析和X衍射分析

不同钒矿样品的电子探针分析结果（表5），各类钒矿石样品中都发现有黄铁矿、黏土矿物的独立矿物，少部分样品发现有闪锌矿，未发现钒的独立矿物，这说明岩头寨钒矿中伴生的硫化物、黏土矿物均不含钒。电子探针结果还显示，钒与钛具有显著的相关性（图3）[6]，初步认为这是由于钒与钛的地球化学性质相近所致。V与Ti在元素周期表中位于第4周期VB族，属于过渡金属元素，同时又是变价元素，其化学特性介于典型金属与弱典型金属之间，处于过渡状态，具有相互接近的性质。由于二者具有相同的价电子（3d24s2），易于以吸附的形式赋存于硫化物和黏土矿物中。这与样品中的扫描电镜结果，各类钒矿石中黄铁矿、闪锌矿、黏土矿物大量存在，而未发现金红石、钒钛铁矿、钒云母等钛钒的独立矿物一致，也证明了矿石中钒、钛不是以独立矿物存在，仅以被吸附的形式赋存于硫化物、黏土矿物中。

图3 矿石中V2O5含量与Ti含量关系图（据电子探针分析结果）

图4 矿石中V2O5含量与伊利石含量关系图（据X衍射分析结果）

表5 各类矿石电子探针分析结果表（%）

分析单位：宜昌矿产地质调查中心，2010。

矿石的X衍射分析结果（表6）表明，各类矿石样品中均含有石英、钾长石、黄铁矿、方解石和伊利石，部分样品中含有蒙脱石、磷灰石。钒品位高的样品中一般含有较多的伊利石；反之，伊利石含量低的样品钒品位也较低，说明钒与伊利石密切相关，伊利石和钒含量呈正相关关系（图4）。

表6 矿石X衍射分析结果（%）

分析单位：宜昌矿产地质调查中心，2010。

2.5.4 钒的价态

据岩头寨钒矿选矿试验样品钒的价态分析结果（表7），地表氧化矿与钻孔原生矿钒的价态均以V3+和V4+为主，未发现V5+。另在探槽和钻孔岩芯样品中采取的10件样品，经湖南省有色地质勘查局二四五队检测中心采用碱融亚铁容量法进行钒的价态测定结果，仅3件样品V5+含量为0.003%～0.01%，其余样品均未检出V5+，佐证了岩头寨钒矿的价态是以V3+、V4+低价态为主，这与同类型的江西昄大钒矿（地表矿）采用电位滴定方法分析测得钒的价态的分配率为V3+64.5%、V4+35.5%，没有V5+或V2共存基本一致[12]。由此推测，岩头寨钒矿在形成过程中，钒主要以V3+、V4+的类质同象取代伊利石中A13+存在的。

表7 选矿试验样钒的价态分析结果

分测单位：中南大学、湖南省测试利用研究所，2010。

2.5.5 差热分析

样品采自钻孔岩芯样，经中南大学、湖南省矿产测试利用研究所所做差热分析结果显示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，这与X衍射分析结果一致。

综上所述，可以看出，岩头寨钒矿钒主要与黏土矿物伊利石有关。根据钒的地球化学和晶体化学性质，由于V3+和V4+的离子半径与A13+的离子半径接近（RV3+-0.65Å、RV4+-0.61Å、RA13+-0.57Å），在Al的配位数为6的矿物里，V3+或V4+可以与A13+发生类质同象。区内钒矿层中有大量的有机质及黄铁矿存在，说明钒在形成的过程中是处于强还原的环境。不论钒来源如何，在这样的强还原条件下，肯定为低价态的钒离子。另外，伊利石的结构单元由2个硅氧四面体和1个中间八面体层组成（丹尼尔·拉佩兹，1985），确切的说是中间夹1层铝氧八面体，这个结构单元本质上与蒙脱石的类似。存在于铝氧八面体中A1的配位数为9，可以被多种阳离子部分或全部置换，这说明自然界发生在伊利石（蒙脱石）中的类质同象置换比较普遍。由此可见，岩头寨钒矿中的钒主要分布在含钒伊利石矿物中。钒在伊利石中以低价态的阳离子（V3+或V4+）置换伊利石中的Al3+，呈类质同象的形式存在。

3 成矿条件

3.1 地层条件

早寒武世筇竹寺期（或荷塘期）是我国南方重要的成钒时期，湘西北地区是重要的成钒区域。本区下寒武统牛蹄塘组控制着钒矿带的分布，是钒成矿的基本条件。矿床主要赋存于牛蹄塘组底部的薄层硅质岩夹硅质碳质页岩或互层，以及硅质碳质页岩夹少许硅质岩、碳质页岩中。矿床具有稳定的层位和成矿部位，相邻矿床（体）在地层柱状剖面上可以对比，矿体的产状形态及变化随着地层产状、厚度同步变化，绝无穿层现象，具有沉积矿床的基本特征。

3.2 古地理古构造条件

早寒武世，泛大陆解体，导致扬子板块与华夏板块处于强烈的拉张阶段[13]，构造沉降加剧。本区经雪峰运动后，地壳整体缓慢下降，产生了武陵坳陷盆地，在古地理上是一种浅海环境。在晚前寒武纪末期，武陵坳陷盆地西北侧边缘产生高角度同生断层，使盆地性质逐渐变为断陷盆地性质，从而具有较强的活动性。由于断层作用，使盆地边坡变得陡峻，形成构造斜坡，位于盆地边缘的这种构造斜坡使沉积相发生突变，为后来的钒矿沉积创造了有利的条件。本区钒矿就是在台地东部边缘断陷盆地西北侧的构造斜坡这样一个古构造古地理环境中沉积形成的。

3.3 岩相条件

盆地边缘的同生断裂既是控矿又是控相构造。由于构造斜坡的存在，使沉积相发生突变，物化条件发生突变，从而由晚前寒武纪大范围热水沉积相向正常海水沉积相转变，形成具有特定岩石序列的含钒相系，即薄层硅质岩和黑色页岩相，该相带越宽，含钒岩系岩石序列越完全，形成的钒矿厚度越大，品位越高。黑色岩系中特定的含碳、磷、硅质的岩性组合是钒矿形成的岩相条件，特别是富含有机质的黑色岩系是钒矿成矿必须具备的条件[14]。有机质含量高是黑色岩系中钒成矿的主要标志。

4 生物地球化学成矿作用与矿床成因

本区早寒武世黑色岩系的岩性主要为黑色页岩，其他有硅质页岩、硅质岩、含磷结核黑色页岩、粉砂质页岩等。与下伏留茶坡组（硅质岩）和上覆石牌组（黄绿色页岩）均为整合接触，系一套海平面迅速上升造成的沉积速率低的海侵体系域沉积。沉积的黑色页岩以其水平纹理发育、细碎屑少、含线理状黄铁矿为特征，岩层中含丰富的低等菌藻类及凝源类化石[15-18]。据刘宝珺等的研究，早寒武世本区处于深水陆棚区，沉积缓慢，沉积速率为18.3m/Ma[18]。斯时，水体较平静，阳光、温度适宜，加上有上升洋流提供的营养物质，使得大量的浮游生物空前繁盛，形成的岩石富含有机质，极有利于钒海解成矿于非补偿的陆坡（凹陷）沉积盆地环境中沉积，并在缺氧条件下得以保存、转化，形成了一套富含有机质的黑色岩系[19]。源于黑色岩系中的钒质，其富集与生物密切相关。

研究表明，海洋生物的残骸是黑色岩系沉积物的重要来源。构成黑色岩系的原始物主要是浮游生物蓝藻和古被囊动物的有机残体[8]。被囊动物的有机外壁可以吸取海水中仅1×10-6g的钒。本区钒矿采样分析结果表明矿化与生物有着密切的关系，钒多在碳质页岩中富集，含V2O5平均1.77%，而含有机碳低的硅质岩V2O5含量仅0.19%，佐证了钒的沉积与有机质有关。所以，本区钒组分总是出现在含大量菌藻类生物的黑色页岩中，与有机质紧密共生在一起。据凤凰东方钒矿资料[20]，钒矿石中含有丰富的有机质（沥青10%左右）和碳质叶绿素（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）也表明有机质生物成因。不难想象，钒的搬运、沉淀、富集以及其后所发生的一系列地质变化，与有机质有着千丝万缕的联系，这说明成矿物质与有机质的生物机理有着相同的地球化学过程[21]。由此可见，本区钒在其沉积和成岩过程中都离不开生物地球化学作用[22]。总体上钒矿床主要赋存于富含有机质的黑色页岩中，矿层（体）的富集在菌藻类生物或有机质富集部位，说明生物及其产生的有机质在钒的成矿过程中起了重要的作用。

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热水或上升洋流活动有关，使嗜热细菌大量繁殖、聚集[21]，而生物对于生物地球化学元素有惊人的富集能力。以海底热水交换作用为媒介，浅海盆地（斜坡相）沉积环境和大量有机质与硫酸盐的产出，为矿床的形成起了至关重要的作用[23]。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，转化与黏土矿物结合而成为主要含钒矿物。

本区钒的成矿期自晚震旦世晚期留茶坡组硅质岩热水沉积期开始（在留茶坡组中上部见不稳定分布的低品位的钒矿层），到早寒武世早期牛蹄塘组黑色岩系底部的硅质岩与碳质页岩互层沉积达到高峰期，持续到与正常海水（富硫酸盐）过渡期结束[24]。根据湘西—黔东一带黑色岩系中镍钼多金属Re-Os等时线年龄为542±11Ma[24]，赋矿的黑色页岩Re-Os等时线年龄为537±10Ma[25]，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。

综上所述，本区早寒武世的黑色岩系，为一套沉积速率缓慢、非补偿性盆地时期形成的凝缩段，盆地处于最高海平面，沉积物表现为单层厚度小、生物富集、金属物质异常丰富，一种可以在盆地大范围对比的海侵体系域的沉积，主要由黑色页岩组成，水平细纹层发育，主要含浮游生物，反映出水体安静的低速沉积特点。黑色岩系的沉积环境为缺氧的还原环境。钒的富集主要发生在沉积阶段，V在有机质中优先被结合，大部分被黏土质吸附，随着有机质、黏土质和硅质呈胶态腐泥沉入海底，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（V3+）转化为类质同象进入云母类晶格中取代部分铝（Al3+），形成含钒伊利石并聚集成矿。沉积环境的改变导致成矿作用的发生，生物地球化学作用是钒成矿的主要机制。矿床成因类型属海相化学和生物地球化学作用形成的并有热水参与的沉积矿床，矿床类型为黑色页岩型。

5 结语

黑色页岩型钒矿资源是我国特有的优势资源，资源潜力巨大。随着冶炼工艺技术日益成熟，加之黑色页岩型钒矿具有稳定的层位、部位，稳定的品位、厚度以及易开采等优点，加大对该类钒矿的勘查和利用势在必行。

本区钒的成矿受地层、岩相、岩性、古构造和古地理条件控制。下寒武统牛蹄塘组控制着区域钒矿的分布，断陷盆地的斜坡相有利于钒的沉积，形成的古沉积环境为深水边缘，特定的含碳、磷、硅质的含钒岩石组合序列是钒的控矿岩相。

多种测试分析资料表明，岩头寨钒矿钒的载体岩石主要为硅质碳质页岩，矿石中未发现钒的独立矿物，载钒矿物主要为含钒伊利石。钒以低价态阳离子（V3+或V4+）类质同象取代伊利石中Al3+的形式存在。伊利石是提取钒的主导矿物。

区内黑色岩系形成于缺氧环境，以富含有机质为特征，有机质主要来源于海生低等菌藻类生物。钒在形成过程中，有机质参与元素的迁移、富集作用，经成岩期转化富集成矿。有机质富集钒的机制决定着沉积、成岩和成矿作用的地球化学行为。矿床成因属海相化学和生物地球化学沉积矿床，成矿早期兼有热水沉积，矿床类型为黑色页岩型钒矿。

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[1]文章来源：《矿产勘查》，2014年第5期。基金项目：湖南省国土资源厅“两权价款”项目（200903026）。作者简介：陈明辉（1973—），男，湖南龙山人，高级工程师，主要从事矿产地质勘查研究与管理工作。

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