辛集—杨楼与寒武纪海相碎屑岩有关的磷、石膏矿床成矿亚系列
一、区域地质构造背景
该成矿亚系列位于洛安地块南缘，分布在鲁山、宝丰、汝州、伊川、舞阳及灵宝等地。矿带总体展布呈北西向，在鲁山辛集地区磷、石膏矿发育较好，其他地区主要以小型磷矿为主，石膏矿不发育或缺失。
区内出露基底为新太古代太华群中深变质岩系，其上沉积了元古宇及古生界盖层。元古宇为一套滨海—浅海相碎屑岩—碳酸盐岩及基性—中酸性火山岩系，震旦系罗圈组由冰碛砾岩、砂质页岩、粉砂岩及页岩组成。寒武系分上、中、下三统：下统主要由黑色磷块岩、碳质页岩、紫色页岩、豹皮灰岩、泥晶灰岩及泥晶白云岩等组成；中统主要由紫红色粉砂质页岩、粉砂岩、泥质条带及鲕粒灰岩、白云质灰岩、白云岩等组成；上统由块状和鲕状白云岩、含燧石团块和燧石条带白云岩夹泥质、白云质灰岩组成。在渑池陷褶断束内，寒武系与奥陶系马家沟组呈平行不整合接触，该组主要由深灰色灰岩、泥晶灰岩、豹皮灰岩及白云岩组成；在临襄坳陷内，寒武系与中石炭统本溪组也呈平行不整合接触，缺失奥陶系。寒武系之上的石炭—二叠系为含铁、铝土矿（或粘土矿）及煤等一套由滨海、浅海到三角洲相沉积岩系组成。
太古宙是豫西地壳活动频繁时期，沉积了一套类似大洋优地槽的由超基性、基性火山岩—中酸性火山岩到碳酸盐岩、硅铁质岩、复理石岩等岩系组成的建造。强烈的嵩阳运动，使太古宙沉积物及岩浆杂岩发生强烈变质和区域混合岩化，并形成一系列短轴背斜和穹窿群体。发生在古元古代末的中条运动使华北地台基底基本形成，在中元古—新元古代早期，沿黑沟—栾川—维摩寺断裂上涌喷溢了大量中基—中酸性火山岩系，形成巨厚的熊耳群。继熊耳群之后相继沉积了海相碎屑和海相碎屑—碳酸盐建造。
晋宁运动以后，华北地台更趋稳定，地壳以整体升降运动为主。震旦纪时，华北古陆南缘与秦岭隆起带之间为一沉降带，沉积了一套陆屑—镁质碳酸盐建造。罗圈晚期，地壳缓慢沉降，海水由东南方向浸入，淹没了渑池—确山盆地，沉积了滨海—浅海相含磷（及海绿石）砂页岩建造。晚震旦世末期发生的少林运动，使豫西广大地区出现短暂上升，海水曾一度退出全区。
少林运动以后，早寒武世台区地壳整体缓慢沉降，在继承震旦纪古地理和构造格局的基础上，开始了更大规模的海侵，直至晚寒武世，海水才自南向北缓慢退出本区，其间沉积了滨海—浅海相的陆屑、磷、盐膏—碳酸盐—含镁碳酸盐建造。
加里东运动使华北地台整体隆起，结束早古生代海侵，转为长期风化剥蚀阶段。
在寒武系出露地区，断裂构造较发育，主要呈北西、近东西及北东东向产出，规模多为中小型，断裂常切穿含矿地层，破坏其连续性。
区内岩浆活动微弱。其周边地区（以西南侧为主）岩浆活动频繁。在黑沟栾川—维摩寺断裂以北的太古宇—元古宇地层分布区内，主要为熊耳期大范围的基性—中酸性火山岩的喷发活动和燕山期花岗质岩浆侵入活动，呈大岩基产出，其次是太古宙花岗岩及元古宙辉长岩、辉绿岩及石英斑岩、石英闪长岩、花岗岩等侵入，并多呈大小不等的岩株和岩脉状分布。
二、控矿地质条件
（一）地层
早寒武世早期是华北地台南缘磷、石膏重要的成矿时期，其间辛集组在豫西地区比较发育，分布较广。以灵宝汝州一线为界，以北的辛集组，主要由砾岩、砂砾岩、泥质灰岩、白云岩及含燧石结核灰岩、豹皮灰岩等组成，不含磷块岩和石膏层；以南的辛集组岩性稳定，厚度67～334m，其下部由黑色磷块岩、碳质页岩、含磷粉砂岩、砂质泥晶白云岩等组成（为含磷层位），中部由石英砂岩泥晶白云岩、杂色白云岩（或灰岩）角砾岩、含燧石团块白云岩、灰岩等组成（含石膏矿），上部为深灰色厚层豹皮状灰岩。辛集组在本区东南部发育最厚，由南向北厚度明显变薄，下部的碎屑岩粒度也逐渐变粗，磷的含量逐渐降低。分布于灵宝—汝州一线以南地区的下寒武统辛集组对磷矿、石膏矿分布具明显的控制作用。
（二）岩相古地理环境
自早寒武世始，华北区出现一个沉积范围较大的海盆地。早寒武世辛集早期海水由东南向北、北西方向浸入，在灵宝、汝州、叶县、确山一带形成一个较狭窄的陆棚边缘盆地，盆内沉积了一套黑色页岩和砂质页岩，页岩中含磷结核。在汝州、鲁山一带主要形成一套含磷岩系。系中岩层具板状斜层理、槽状交错层理，层面有不协调的波痕，生物碎屑较多，主要有三叶虫、腕足、软舌螺和小壳动物等，反映磷矿是在浅海陆棚至滨浅海过渡环境下形成的（图4-10）。
图4-10 河南省早寒武世岩相古地理略图
（据河南省区域地质志，1989)
1—灰岩组；2—灰岩－砂岩组；3—灰岩－页岩组；4—页岩－灰岩组；5—沉积盆地边界；6—相区界线；7—岩组界线；8—海侵方向；9—腕足类；10—三叶虫；11—小壳化石；12—磷矿床；13—台地边缘浅滩相；14—陆棚相；15—局限台地相
早寒武世辛集中、晚期，在含磷岩系之上，形成了障壁滩沉积，主要为含细砾砂岩、石英砂岩夹砂质页岩及粉砂岩等，岩石具淡紫红和砖红色，波状层理，层面上具浪成波痕，大型干裂，并含石盐假晶等。当海水北浸至太行山南缘时，南部鲁山—叶县一带因障壁滩的阻挡作用，处于滨海沙滩的台地蒸发岩相区，形成了蒸发岩系建造：下部为泥质灰岩、泥质白云岩、石膏岩、泥膏岩、膏灰岩等，具水平纹理生物化石极少；上部为泥晶灰岩、燧石团块白云岩及豹皮状灰岩，含三叶虫化石。该建造反映出沉积环境由潟湖相向潮坪相过渡。
到早寒武世晚期（馒头期），海水淹没全区，鲁山—叶县一带变为开阔的台地环境，主要沉积了黄褐色、紫红色泥晶灰岩、泥质条带灰岩夹紫色页岩等。
（三）古气候条件
寒武纪辛集期形成的磷矿床，从含磷岩系岩性特征及富含生物化石等推断，此时气候温暖湿润、雨量充足，有利于海上浮游生物的大量繁殖，从而吸收来自陆上和海水中的五氧化二磷。
从辛集组含磷岩系之上形成的障壁滩沉积建造之岩相特征可以看出，石膏岩系是在炎热干燥的气候条件下，潟湖中蒸发量远远大于地表水注入量，经蒸发、浓缩形成的。
三、成矿特征
（一）磷矿
磷矿床受控于下寒武统辛集组下段，故称辛集式磷矿。含磷岩系分布于灵宝的朱阳、汝州拉台和杨波、济源玉皇寨、宝丰兰沟、鲁山岳村—大木厂和鹰嘴石等地。
以鲁山辛集磷矿（中型）为代表，其矿床特征如下：
1.含磷岩系
该岩系在不同地区发育程度相差较大，沉积厚度变化在7～82m之间，一般20～40m，分上、下两段。
（1）下段：为主要含磷层位，厚度3～24m，一般10～18m。下部为灰或灰黑色饼砾状砂质磷块岩及海绿石含磷砂岩；中部为灰、灰黑色结核状、致密块状、条带或条纹状砂质磷块岩；上部为灰白色含磷砂岩夹薄层含磷粉砂质页岩。矿层（床）赋存在该段之中。
（2）上段：为紫红色厚层状中粗粒含磷、铁、钙质砂岩，底部常见层间砾石，本段内见有少量无铰钢腕足类生物化石碎片，厚度4～58m，一般10～22m。
2.矿层（床）地质
矿层由含磷砾岩、海绿石含磷砂岩及砂质磷块岩等组成。矿层厚度0.7～3.2m，一般为1～2m，平均厚1.47m。矿体以层状、似层状形态产出为主，其产状与赋矿岩系与下寒武统空间分布相一致，在鲁山辛集地区，呈近东西向延伸，倾角10°～30°。矿体长度4400m，沿倾斜延伸达1400m以上。
矿石呈黑灰色，由胶磷矿和石英等矿物组成，具结核状、致密块状、条带条纹结构。矿石化学成分中SiO256.24%～69.34%,P2O5一般8%～13%，平均11.48%,CaO4.69%～19.44%,Fe2O30.17%～3.3%,Al2030.1%～3.88%。
（二）石膏矿
主要分布在鲁山的辛集地区，形成大型矿床，其次是方城的杨楼（矿点）。以辛集石膏矿为代表，矿床特征如下。
1.含膏岩系
该岩系位于下寒武统辛集组上段高镁碳酸盐—硬石膏建造的下部，在辛集地区沉积厚度变化在12～126m之间，一般30～80mm。含膏岩系在地表和浅部为膏层因次生作用形成的盐溶角砾岩—次生石灰岩带，由灰白、紫红色交代角砾岩和次生石灰岩组成，岩石溶蚀小孔洞发育具蜂窝状构造；在深部由灰白、紫红、灰色膏层和含膏白云岩组成。石膏呈脉状及少许块状，近底部多为含泥砂的紫红色石膏质白云岩，与下伏含磷岩系上部的淡紫红色中粗粒含磷钙质砂岩呈过渡关系。含膏岩系顶板是桔黄色及紫红色薄层状含白云质泥质灰岩，厚度5～10m。
该岩系中岩矿石角砾普遍，大小悬殊，混杂分布，角砾大小变化在0.1～5cm之间，角砾含量10%～75%不等，成分主要为白云质灰岩和白云岩，胶结物为硬石膏、石膏和少量白云石及微量铁、泥质等。岩系内白云岩、白云质石膏岩（硬石膏岩）和石膏、硬石膏矿层呈互层状，且具多韵律性：下部可见含膏砂质白云岩→白云质硬石膏岩（或石膏岩）→膏层；中、上部为含膏白云岩或白云质石膏岩→膏层。含膏岩系内矿层层数在不同地段发育程度差异较大，变化在1～17层不等。
含膏岩系，呈层状产出，与地层产状一致。走向近东西，倾向北北西或北北东，倾角10°～30°，向深部有变缓趋势。
2.矿体地质
石膏矿体呈层状、似层状赋存于含膏岩系内，为隐伏矿体。矿体埋深－22.86～－229.64m，中段较浅，东西两段较深。已控制矿体东西长6400m，南北宽400～1200m，面积约5km2。矿层与含膏岩系产状一致，倾角一般5°～20°，局部20°～30°。矿体出露部位多是含膏岩系倾角变缓之处。
工业矿层呈多层状，层数1～17层不等，一般3～8层，单层厚1.2～35.66m，一般1.5～5m。矿层层数与含膏岩系厚度关系密切，含膏岩系厚度大含矿层数多，反之则层数少。辛集矿区西段含膏岩系厚度较大，矿层数一般为7～11层，累计厚度17～28m；东段含膏岩系变薄，矿层数一般为3～8层，累计厚度6～20m。
3.矿石物质组成及矿石类型
（1）矿石物质组成
矿石矿物成分主要为硬石膏、石膏，次为白云石，微量矿物有方解石、绿泥石、海绿石、长石、黑云母、石英、泥铁质和胶磷矿碎屑等。
矿石化学成分：SO328%～45%,CaO27%～36%,MgO2%～8%,SiO23%～6%,Al2O30.5%～1.1%,Fe2O30.25%～0.35%,TiO20.05%～0.13%,K2O0.15%～0.3%,Na2O0.04%～0.07%,P2O50.016%～0.026%,H2O+0.5%～15%,H2O-0.15%～0.26%。
（2）矿石类型
依据矿石的矿物组成及含量将矿石类型划分三大类。
Ⅰ.硬石膏型：CaSO4≥50%
Ⅱ.硬石膏＋石膏型：CaSO4和CaSO4·2H2O含量均小于50%
Ⅲ.石膏型：CaSO4·2H2O≥50%
辛集石膏矿床的矿石类型以硬石膏为主（占总量52.95%），次为石膏型（占26.57%）和硬石膏＋石膏（占20.48%）。
四、成矿机理及成矿模式
早寒武世辛集期早期沉积的磷矿及其后的石膏矿，是在不同的古地理、古气候条件下形成的，成矿机理也截然不同。
（一）磷矿
辛集组底部磷块岩及含磷砂岩中的磷，其来源可能有二：一是来自陆上岩浆岩（或火山岩）的易溶磷灰石，由地表泾流将磷质带到海盆地中去；二是来自海洋中火山喷发作用带出的磷，溶于海水中。
在地表泾流入海区域，磷被大量有机物吸收，进入生物体内，载磷生物死亡后堆积在海底盆地底部，经腐解形成碳酸铵和磷酸钙；海水中的磷经生物化学作用形成磷块岩。据A·卡扎科夫研究，近代大洋水柱中磷的浓度可分出四层：自海平面以下至50m为第一层，属光合作用带，浮游生物吸收磷，水中含磷很低（10～15mg/m3），很少超过50mg/m3；深度从50到300～400m之间为第二层，是死亡有机物穿越带，含磷量也很低但有增嵩趋势，含量50～100mg/m3；第三层厚度从300～400m到1000～1500m，有机物大量分解，从中析出磷，使海水富含磷，含量猛增形成最高值带，含量200～300mg/m3或＞300mg/m3；第四层从1000m或1500m以下，含磷又进入低值带。在海流作用下高值带的富含磷酸盐溶液被输送到浅海、滨海带停积（图4-11）。
图4-11 在深部上升冷水流的条件下，陆棚地带的海水中形成磷块岩—沉淀磷酸盐图解
（据A·卡扎科夫，1937)
1—海岸卵石层相和砂相；2—磷块岩相；3—石灰质沉积物相；4—浮游生物残体沉降；5—海流方向
在浅海滨海带内，悬浮于动荡环境的磷质质点，受制于水体搅动能量条件及“CaO-P2O5-H2O”相平衡的支配。一方面随pH值的不断提高，磷酸钙早于钙镁碳酸盐的饱和而发生沉淀，另一方面由于表面水的不断蒸发，加速了磷酸钙的过饱和及上升洋流富磷酸盐溶液的补充，从而促使磷酸钙沉淀物的产生及围绕着悬浮的磷质和陆源碎屑颗粒形成磷质结核及磷质胶结物构成矿层。当然，整个成矿阶段，生物（特别是藻类）对磷的富集起到了重要作用。
从辛集式磷矿空间分布和含磷岩系及其上部岩石组合等特征看，磷块岩、含磷砂岩、海绿石含磷砂岩等，为陆源碎屑－碳酸盐建造系列的组成部分，磷质主要来自秦岭—大别古陆（洛固古陆）的岩浆岩和火山岩中，部分磷质可能来自海侵之后富磷溶液由海流带到浅海滨海区并参与成矿作用，经生物沉积腐解和经生物化学作用沉淀出磷酸盐。辛集式磷矿属生物化学沉积成因。其成矿模式为：
河南省主要矿产的成矿作用及矿床成矿系列
（二）石膏矿
辛集式石膏矿属化学沉积矿床，是在干燥炎热的气候条件下由真溶液中沉积形成的。
在河南的含磷岩系上部的含磷钙质砂岩中出现了岩石呈现砖红、紫红色、干裂、泥皮构造及顶部含石膏细脉现象，这表明含磷建造的晚期，古气候开始转向干燥炎热。这种气候一直延至下寒武世辛集晚期。其间，在海盆南缘的鲁山、叶县、方城一带分布有较多的潟湖盆地，当受到高海潮或特大潮汐作用时，海水漫入潟湖盆地，潮退后则与海洋分离。在干燥炎热条件下，漫入潟湖盆地的海水，远远小于蒸发量，因此，促使湖中海水的咸化程度不断增高，最终在盆地底部相继沉积白云岩、含膏白云岩和石膏矿。
周期性潮汐作用反复多次，形成了多层状膏盐层。各种蒸发岩中，白云岩、石膏岩沉淀速度较低，岩盐沉淀速度较高，钾盐类最高。从上述膏盐层出现的韵律特征和岩石组合可推断，潟湖盆地处于构造相对稳定地带，盆底下降速度与蒸发岩沉淀堆积速度基本相一致。到辛集组晚期，由于地壳下降速度较大，新的海侵发生，结束了膏盐层沉积，产生了正常的浅海相碳酸盐岩。还应指出，辛集大型石膏矿床的形成，除矿床处于滨海浅滩的潟湖盆地外，还有赖于干旱气候条件和构造运动的特殊配合。