向 萌， 呂 登， 陳松林， 盧金祥， 肖蛟龍

(1.湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊，湖北 宜昌 443100; 2.湖北省地質(zhì)勘查基金管理中心，湖北 武漢 430071)

鍺(Ge)是一種稀散金屬元素，具有親石、親硫、親鐵、親有機質(zhì)等地球化學性質(zhì)[1]。鍺在地殼中的平均含量約為0.000 7%，在自然界主要呈分散狀態(tài)賦存于煤礦、鉛鋅礦、銅鐵礦中作為伴生組分，一般情況下很難獨立成礦[2]。全球鍺資源較為貧乏，中國的鍺資源約占全球儲量的41%，卻供給全球71%的產(chǎn)量，與稀土資源狀況類似[3-4]。當前，中國、美國、歐盟等國家和組織均把鍺列為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)之一，其關(guān)鍵性、戰(zhàn)略性作用不言而喻，因此加強鍺資源勘查和科研工作具有很強的現(xiàn)實意義。

早在20世紀50年代末，就有地勘單位開始在宜昌地區(qū)開展鍺礦找礦工作[5-8]，認為鍺礦主要賦存于白堊系含瀝青泥質(zhì)粉砂巖中。但前人工作僅限于地表踏勘、礦點檢查程度，缺乏系統(tǒng)性調(diào)查和研究。本次以宜昌市點軍區(qū)王家壩一帶的白堊系含鍺巖系為研究對象，解析其地層結(jié)構(gòu)、沉積相與沉積環(huán)境，淺析鍺富集特征與找礦潛力，為該區(qū)部署進一步鍺礦勘查工作提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)地處上揚子陸塊鄂中褶斷區(qū)南部，黃陵斷穹南東部和天陽坪逆沖斷裂帶北東側(cè)(圖1-a)。黃陵斷穹核部主要由中太古代—古元古代變質(zhì)雜巖和新元古代中—酸性閃長巖、花崗巖組成，其南東翼主要發(fā)育南華系—志留系、白堊系，泥盆系—侏羅系缺失。晉寧期造山運動后，該區(qū)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的陸塊環(huán)境，進入沉積蓋層發(fā)展階段，依次發(fā)育南華系蓮沱組—南沱組冰海相冰磧礫泥(粉砂)巖，震旦系陡山沱組—燈影組淺海相白云巖、粉砂質(zhì)泥巖，寒武系牛蹄塘組—婁山關(guān)組海相白云巖、灰?guī)r夾粉砂巖、泥巖，奧陶系南津關(guān)組—龍馬溪組淺海相灰?guī)r夾泥巖，志留系新灘組—紗帽組海相石英雜砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，白堊系石門組—跑馬崗組內(nèi)陸斷陷盆地相礫巖、砂巖、粉砂巖。

區(qū)域構(gòu)造形跡主要為印支期—燕山期構(gòu)造活動形成的褶皺和斷裂。褶皺主要為黃陵斷穹和長陽復背斜。黃陵斷穹為一短軸背斜構(gòu)造，軸向NNE，具典型的雙層結(jié)構(gòu)，即前震旦系變質(zhì)基底上覆震旦系—二疊系沉積蓋層。長陽復背斜軸向NWW，核部出露南華系—震旦系，兩翼由寒武系—二疊系組成，核部開闊，兩翼平緩(傾角15°左右)，發(fā)育一系列次級褶皺。斷裂主要為NWW向的天陽坪斷裂帶，位于長陽復背斜北翼，由兩條大致平行且相距很近的大斷層與眾多小斷層組成，斷層縱切于白堊系與古生界之間，使南側(cè)古生界推覆于白堊系之上。

圖1 區(qū)域地質(zhì)和研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Generalized map of regional geology and study area

2 含鍺巖系特征

研究區(qū)主要出露白堊系下統(tǒng)石門組、五龍組(K1w)(圖1-b)，巖性以淺灰色—磚紅色礫巖、灰黃色細砂巖、磚紅色—灰綠色泥質(zhì)粉砂巖為主(圖2)，呈角度不整合超覆于古生界之上，或呈斷層接觸伏于古生界之下。區(qū)內(nèi)含鍺巖系為五龍組二段(K1w2)，為一套含鈣質(zhì)礫巖—含礫細砂巖—泥質(zhì)粉砂巖組合，地層傾向140°～150°，傾角7°～12°。五龍組自下而上的巖性特征如下。

圖2 研究區(qū)實測地質(zhì)剖面圖Fig.2 Measured geological profile of study area

五龍組一段(K1w1)：厚94.80 m，巖性為磚紅色厚層—塊狀泥質(zhì)粉砂巖，層理不發(fā)育(圖3-a)。碎屑的成分主要為石英(36%)，粒徑0.06～0.20 mm，分選較好，磨圓度較差，以次棱角狀為主，無定向性；膠結(jié)物主要為纖片狀水云母、高嶺石等黏土礦物(42%)和碳酸鹽礦物(15%)，含少量鐵質(zhì)(4%)、白云母(2%)、長石(1%)等。

五龍組二段(K1w2)：可細分為3個巖性層。

第一巖性層(K1w2-1)：厚0.59～17.82 m，巖性為淺灰色塊狀礫巖夾磚紅色厚層狀泥質(zhì)粉砂巖。礫巖的礫石成分主要為砂巖、灰?guī)r和少量燧石，粒徑0.2 cm×0.3 cm～4 cm×5 cm，分選中等，磨圓度較好，呈次圓—渾圓狀，無方向性，為顆粒支撐、孔隙式膠結(jié)；膠結(jié)物主要為碳酸鹽礦物和硅質(zhì)。泥質(zhì)粉砂巖主要由黏土礦物、石英和碳酸鹽礦物組成，可見水平層理。

第二巖性層(K1w2-2)：為鍺礦賦礦層位。厚0.98～15.46 m，巖性為灰綠色薄—中層狀(含瀝青)泥質(zhì)粉砂巖夾塊狀礫巖、砂巖。泥質(zhì)粉砂巖中碎屑的成分主要為石英砂屑(40%～45%)和碳酸鹽巖巖屑(15%)，分選中等，粒徑介于0.05～0.3 mm，呈次棱角—次圓狀；膠結(jié)物主要為碳酸鹽礦物(30%)和少量白云母、綠泥石等?？梢姾谏珵r青呈條帶狀、葉片狀兩種形態(tài)產(chǎn)出：條帶狀瀝青順層展布或與層理呈低角度相交(圖3-b)，一般厚1～2 cm，最厚達4 cm，條帶間隔0.7～2 cm；葉片狀瀝青順巖層面不均勻展布(圖3-c)，大小0.2 cm×0.4 cm～2 cm×2 cm，分布面積占比約6%～8%。鍺賦存于瀝青中，瀝青可直接手選。

第三巖性層(K1w2-3)：厚141.56 m，巖性為淺灰色塊狀礫巖，局部夾磚紅色厚層狀泥質(zhì)粉砂巖(圖3-d)。礫巖的礫石成分主要為砂巖、灰?guī)r和少量燧石，粒徑0.2 cm×0.2 cm～5 cm×5 cm，分選中等，呈次圓—次棱角狀，為顆粒支撐、孔隙式膠結(jié)。

五龍組三段(K1w3)：厚48.40 m，巖性為磚紅色厚層—塊狀泥質(zhì)粉砂巖，局部夾淺灰色薄—中層狀細砂巖。泥質(zhì)粉砂巖層理不發(fā)育，主要由石英和黏土礦物組成，含少量白云母；其碎屑分選較好，磨圓度較差，以次棱角狀為主，無定向性。細砂巖可見水平層理。

五龍組四段(K1w4)：厚91.80 m，巖性為淺灰色塊狀礫巖，局部夾磚紅色中層狀含礫砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和厚層狀砂巖。礫巖的礫石成分以灰?guī)r、砂巖、燧石為主，粒徑0.2 cm×0.2 cm～5 cm×10 cm，呈次棱角—次圓狀，弱定向排列，為顆粒支撐、孔隙式硅質(zhì)膠結(jié)。

五龍組五段(K1w5)：厚度>250 m，下部為磚紅色厚層狀泥質(zhì)粉砂巖，層理不發(fā)育，主要由石英、黏土礦物和少量云母組成，偶見鈣質(zhì)細砂巖結(jié)核；上部為淺灰色厚層狀礫巖與磚紅色厚層狀泥質(zhì)粉砂巖互層，局部夾磚紅色厚層狀含礫砂巖，礫巖的礫石粒徑0.2 cm×0.2 cm～5 cm×9 cm，呈次棱角—次圓狀，為顆粒支撐、孔隙式砂質(zhì)膠結(jié)。

a.五龍組一段泥質(zhì)粉砂巖與二段底部礫巖界線清晰；b.五龍組二段泥質(zhì)粉砂巖，含鍺瀝青呈條帶狀；c.五龍組二段泥質(zhì)粉砂巖，含鍺瀝青呈葉片狀；d.五龍組三段泥質(zhì)粉砂巖圖3 五龍組野外照片F(xiàn)ig.3 Field photos of Wulong Formation

3 沉積相與沉積環(huán)境

3.1 沉積相劃分

研究區(qū)白堊系受燕山期幕式構(gòu)造運動的影響，在早白堊世阜新期，黃陵斷穹東部地區(qū)從早期擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)換為伸展拉張環(huán)境，沉積了一套沖積扇相紅色碎屑巖系，依次可劃分為扇根亞相的石門組和扇中亞相的五龍組[9-10]。根據(jù)巖性組合、沉積構(gòu)造和鏡下特征，將研究區(qū)五龍組分為辮狀水道微相、漫溢微相兩個沉積微相。辮狀水道微相在平面上呈放射狀散開，是扇根主水道的延伸或分支[11]，進入扇中區(qū)域則在地貌的影響下逐漸匯聚下切形成辮狀水道，沉積物以礫巖為主，多為塊狀或厚層狀，底部常發(fā)育沖刷面。漫溢微相發(fā)育在辮狀水道間相對高的部位，以細粒懸浮負載沉積為主[12]，多為磚紅色、灰綠色和雜色粉砂巖、細砂巖，層理不發(fā)育，與辮狀水道呈相變關(guān)系或互層出現(xiàn)。

根據(jù)剖面測量和鉆孔揭露情況，繪制了研究區(qū)五龍組地層柱狀圖(圖4)，在垂向上，五龍組發(fā)育至少4個辮狀水道—漫溢微相沉積旋回，兩微相在剖面上呈現(xiàn)相間沉積特點。含鍺巖系(五龍組二段第二巖性層)屬漫溢微相，嚴格受沉積相控制，表明水動力相對較弱時有利于碎屑和有機質(zhì)沉積，從而促進Ge的富集。

根據(jù)研究區(qū)施工的鉆孔，繪制了含鍺巖系走向方向的柱狀對比圖(圖5)，在地層走向上，五龍組二段第一巖性層(辮狀水道微相)與第二巖性層(漫溢微相)在走向長約5 km范圍內(nèi)均呈透鏡狀，研究區(qū)中部為透鏡體中心，分別向北東和南西收斂。含鍺巖系厚度隨下伏礫巖層厚度增大亦增大，即在水道發(fā)育部位因其水流能量大，物質(zhì)來源及空間均較為充足[10]，有利于洪漫沉積。

3.2 沉積環(huán)境分析

研究區(qū)位于黃陵斷穹與江漢盆地之間的宜昌斜坡，自北西部抬升并遭受剝蝕的黃陵斷穹，向南東延伸而傾伏于江漢盆地，南西以天陽坪斷裂帶為界，北東以通城河斷裂為界，在區(qū)域上依次發(fā)育了一套白堊系礫巖—含礫砂巖—細砂巖—粉砂巖的正粒序沉積[13]。區(qū)內(nèi)五龍組(K1w)為一套沖積扇相扇中亞相沉積，但并不具正粒序沉積建造，表現(xiàn)為辮狀水道微相粗礫巖層與漫溢微相泥質(zhì)粉砂巖層相間的沉積特點。由此推測，早白堊世本地區(qū)處于山前洼地，水體活動頻繁，沖積扇發(fā)育，地貌經(jīng)多期流水沖刷疊加改造形成辮狀水道，并至少經(jīng)歷過4次較大的洪泛事件，其中在五龍組二段第二巖性層(K1w2-2)沉積時期攜帶了豐富有機質(zhì)，隨著洪水退卻、水位變淺，富含有機質(zhì)的沉積物處于暴露的半干旱環(huán)境下[14]，發(fā)生蒸發(fā)凝固而形成天然瀝青。程龍等[15]研究認為，五龍組(K1w)中瀝青的反射率為0.41%～0.79%，熱變指標為2.7，類型為腐殖型，飽和烴/芳烴比值為1.24，這些特征與江漢盆地凹陷區(qū)白堊系中原油的光譜圖相似，也與鄰區(qū)秭歸向斜三疊系中統(tǒng)巴東組油瀝青、原油的族組分特點相同，屬石油系列的演化產(chǎn)物。

圖4 五龍組沉積相劃分及地層柱狀圖Fig.4 Sedimentary facies division and stratigraphic histogram of Wulong Formation

圖5 含鍺巖系走向柱狀對比圖Fig.5 Columnar comparison diagram of germanium-bearing rock formation in strike direction

為了解瀝青成巖成礦過程中流體性質(zhì)變化過程，采集不同類型的含鍺巖石樣品開展瀝青C、O同位素測試。樣品測試由湖北省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊實驗室完成，采用質(zhì)譜法進行檢測，測試精度優(yōu)于0.02‰，δ13C、δ18O均以PDB為標準。測試結(jié)果(表1)顯示，無機碳δ13C為-3.29‰～-1.71‰，平均值為-2.59‰；有機碳δ13C為-21.05‰～-18.76‰，平均值為-20.23‰；δ18O為-8.54‰～-7.19‰，平均值為-8.01‰。無機碳δ13C與δ18O相關(guān)系數(shù)為0.61，且δ18O波動范圍較小，說明水體處于開放狀態(tài)。

表1 瀝青C、O同位素測試結(jié)果Table 1 Test results of C,O isotope of asphalt

4 鍺富集特征與找礦潛力

4.1 鍺富集特征

目前國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的大型鍺礦床常與煤礦共生，表明鍺礦化具有明顯的有機親合性[16-18]。鍺在煤中主要有3種存在形式[19]：①與有機質(zhì)化學結(jié)合形成腐殖酸鍺絡(luò)合物；②呈吸附狀態(tài)；③以類質(zhì)同象狀態(tài)賦存于硅酸鹽礦物晶格中。在同一礦層中，褐煤中Ge含量分別高于相鄰的炭質(zhì)泥巖和砂巖，褐煤中Ge含量是相鄰砂巖的上千倍，表明腐殖型有機質(zhì)有利于鍺的礦化，高鍺樣品可能形成于沉積早期的靜水環(huán)境，并在泥炭化階段經(jīng)受過強烈的凝膠化作用[20-21]。

為了解含鍺巖系中Ge的富集狀況，本次采集了5件瀝青樣，測試Ge和水分(Mad)、揮發(fā)分(Vad)、灰分(Aad)、固定碳(FCad)、全硫(St,ad)、發(fā)熱量(Qb,ad)含量。樣品測試在湖北省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊實驗室完成，采用質(zhì)譜法進行檢測，均以空氣干燥基為基準給出結(jié)果(相應代號以ad為下標)。本次測試結(jié)果(表2)顯示，水分含量為8.49%～12.00%，平均值為9.63%；揮發(fā)分含量為25.70～41.26%，平均值為32.56%；灰分含量為13.56%～46.87%，平均值為31.00%；固定碳含量為18.66%～36.69%，平均值為26.80%；全硫含量為0.47%～1.98%，平均值為1.24%；發(fā)熱量為15.56～24.58 MJ/kg，平均值為19.48 MJ/kg，因此區(qū)內(nèi)瀝青具有中等全水分、中—高揮發(fā)分、低中—中高灰分、特低固定碳、低—中硫、低—中熱等特征。瀝青中Ge含量一般為0.64×10-6～9.84×10-6，最高為11.15×10-6，平均為1.90×10-6，整體含量不高，可能是由于洪水型沖積扇沉積速率快、水動力強，造成沉積環(huán)境動蕩，且長期處于暴露氧化環(huán)境[14]，導致有機質(zhì)沉積物泥炭化程度不高、成熟度低，對Ge的凝膠化作用偏弱。而瀝青在燃燒后，灰分中Ge含量可提升至11.58×10-6～67.49×10-6，平均值為30.48×10-6，Ge得到明顯富集，說明Ge主要與有機質(zhì)結(jié)合。

表2 瀝青成分測試結(jié)果Table 2 Test results of composition of asphalt

4.2 找礦潛力淺析

研究區(qū)的含鍺瀝青與煤系鍺礦石具有類似特征，可以借鑒后者的選礦加工工藝。本次工作采集了3組樣品開展選礦研究，采用兩種方法：①刻槽采樣后，將樣品直接送檢；②刻槽采樣后，挑選樣品中的含鍺瀝青送檢。本次測試由湖北省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊鄂西地質(zhì)實驗室完成，將樣品磨碎至200目，經(jīng)HNO3、HF、H2SO4分解，在10%磷酸介質(zhì)中，以硼氫化鉀為還原劑，采用原子熒光光譜法測定Ge。測試結(jié)果(表3)表明，方法①得到含鍺巖石的Ge含量為1.58×10-6～2.02×10-6；通過方法②處理后，Ge含量可提升到11.52×10-6～62.88×10-6，富集比為5.7～36.1，滿足低灰分煤(亮煤)中伴生Ge的工業(yè)指標(0.001%～0.1%)。

表3 選礦試驗測試結(jié)果Table 3 Test results of dressing experiment

通過選礦試驗可知，含瀝青泥質(zhì)粉砂巖通過選礦富集，能夠達到工業(yè)指標要求，而且加工工藝簡單、成本低。含鍺巖系(漫溢微相)在王家壩一帶延伸穩(wěn)定，走向上呈透鏡狀，長度至少有5 km，厚度為0.98～15.46 m，含礦巖系規(guī)模較大。而在整個宜昌斜坡地帶，具有相似地質(zhì)條件的含鍺巖系出露完整、延伸穩(wěn)定，因此王家壩及區(qū)域上具備良好的鍺礦找礦潛力。今后應加強五龍組二段沉積微相研究，以漫溢微相淺水沉積部位為主要找礦方向。

5 結(jié)論

(1) 鄂西王家壩一帶的鍺礦主要賦存于白堊系下統(tǒng)五龍組二段第二巖性層灰綠色薄—中層狀含瀝青泥質(zhì)粉砂巖中，含鍺瀝青主要呈條帶狀、葉片狀順巖層產(chǎn)出。

(2) 區(qū)內(nèi)五龍組地層屬沖積扇相扇中亞相沉積，細分為辮狀水道微相和漫溢微相，構(gòu)成至少4個辮狀水道—漫溢微相沉積旋回，表現(xiàn)為辮狀水道微相粗礫巖層與漫溢微相泥質(zhì)粉砂巖層相間沉積的特點，其中五龍組二段第二巖性層屬漫溢微相。

(3) 王家壩一帶位于黃陵斷穹與江漢盆地之間的宜昌斜坡，在早白堊世處于山前洼地，經(jīng)多期流水沖刷疊加改造形成辮狀水道，并至少經(jīng)歷4次較大的洪泛事件，其中在五龍組二段第二巖性層沉積時期攜帶了豐富有機質(zhì)，隨著洪水退卻、水位變淺，富含有機質(zhì)的沉積物處于暴露的半干旱環(huán)境下，發(fā)生蒸發(fā)凝固而形成天然瀝青。

(4) 宜昌斜坡地帶含鍺巖系(五龍組二段第二巖性層)出露完整、延伸穩(wěn)定、規(guī)模較大，且含瀝青巖石選冶工藝簡單、成本低，因此區(qū)域上具備良好的鍺礦找礦潛力。建議加強五龍組二段沉積微相研究，以漫溢微相淺水沉積部位為主要找礦方向。