石膏矿床地质学
内生矿化作用下可产生石膏和硬石膏。比如在一些火山口和温泉附近看到石膏沉淀；中国东部火山岩系中有热液蚀变形成的硬石膏矿床。除了引起蚀变的硬石膏外，未发现内生石膏和硬石膏构成工业矿床。大量石膏和硬石膏矿床是在外源条件下形成的，主要由卤水蒸发和湖泊盆地沉积而成，是盐类矿床的重要矿物之一。近年来，对一些石膏矿床提出了机械沉淀成因的观点，但仍有争议。
1.沉积盆地
石膏和硬石膏的沉积，像其他盐沉积一样，需要一个封闭或半封闭的盆地或洼地。“沙洲论”和“沙漠论”对成盐盆地的看法是狭隘的，但实际上，盐矿床形成的环境是可以多种多样的。俄罗斯学者斯特拉霍夫认为成盐盆地有五种类型，即内陆盆地、泻湖、大陆边缘海(广海边缘)、海湾和内海。近年来对塞卜哈的研究发现，全新世石膏、硬石膏、石盐和白云石广泛分布于阿拉伯湾和下加利福尼亚的塞卜哈沉积物中。一些研究人员提出，许多古代石膏矿床也是在塞卜哈环境中形成的。
俄罗斯学者提出盆地的形成是由地壳的凹陷引起的，并将其分为三类，即地台向斜、边缘凹陷和山间盆地。袁建奇在总结了国内外许多著名膏盐矿床的资料后指出，断裂是控制盆地的主要因素，许多曾经被认为是山前坳陷的盆地也被发现与断裂有关。例如，在中国东部的“第二沉降带”中有一系列红层盆地。沉降带两侧是太行山前断裂和郯庐断裂带，其中有南北向断裂将其分割成若干段，次级断裂将各段分割成块，成盐盆地位于断块内。郭俊庄提出，中国东部白垩纪至古近纪几乎所有的大型成石膏盆地都位于这个“第二沉降带”。国外类似的例子还有莱茵河地堑和东非大裂谷。至于更古老的造石膏盆地，如中国三叠纪扬子海域，也被认为是由20多个次级断陷盆地组成。石膏和盐矿床经常出现在这些盆地中。
2.古气候条件
与其他蒸发盐沉积一样，石膏和硬石膏沉积的形成需要干燥的气候条件，盆地内水的补给小于蒸发，导致海水浓度增加，石膏和硬石膏沉淀。现代干旱气候带主要分布在南纬10 ~ 15和北纬40 ~ 55，现代盐矿床大部分分布在该气候带。古代干旱气候带的分布也主要受纬度控制，但在地质历史中赤道的位置发生了变化，所以古代石膏和盐类矿床的分布与现代并不一致。
3.沉积时的水深
一般认为石膏和硬石膏是海水蒸发沉积前期的产物，沉积时水不会太浅。然而，实际资料表明，许多含石膏岩系具有明显的浅水沉积迹象。如在江苏、安徽、四川等地的三叠系含石膏岩系夹层中，交错层理、斜层理、浪痕等浅水痕迹非常发育，有时还会出现泥裂和虫痕。来自塞卜哈的石膏和硬石膏甚至可以在水上。在强蒸发条件下，缝隙中的卤水被蒸发泵迅速浓缩并沿毛细管上升，导致石膏在盐滩上广泛沉积。此外，在墨西哥湾海面以下4000米深度钻探时发现的具有静水标志的层状石膏和由石膏和硬石膏组成的浊积岩，以及盐丘状厚石膏，这些事实都表明石膏和硬石膏也有深水成因。现有数据表明，大多数矿床属于浅水矿床。
4.成矿物质来源
沙州认为，海水是盐矿床形成的唯一物质来源，但很难解释一些极厚石膏层的形成，例如中亚的极厚石膏矿床。按照上面的说法，地球上所有海水中显然不可能沉积四分之一的硫酸钙。H. Bochet指出，在盆地中蒸发1m深度的海水，只能沉积出1000m厚的石膏，但实际上，几百米厚的石膏层是常见的。虽然盆地分离、渗流回流和同沉积沉降理论可以解释单个巨大石膏的沉积，但仍然难以解释巨大物质的来源。至于陆相膏盐沉积的物质来源，一般认为是陆相岩石的风化产物，包括风化盐、卤盐、复溶盐和火山盐。仅这些来源也难以解释陆相巨厚矿床的形成。
半个世纪以来，随着新的地质发现，石膏成盐物质内源的观点被重新提出。20世纪60年代，发现了深部热卤水的存在。例如，在红海表面以下2000米处有一个很深的热卤水池，盐度为257.76克/升，其元素含量比正常海水高8 ~ 10倍。热卤水下的沉积物可划分为7个矿物相带，包括硬石膏相带。另一个例子是在美国加利福尼亚州索尔顿潮汐附近地下1600米深处发现热卤水。基于此，有学者提出热卤水是膏盐矿床可能的物质来源之一，控制膏盐盆地的深大断裂可能是热卤水上升的通道。国内外一些学者也注意到了火山作用与石膏矿床的关系。中国东部白垩纪-古近纪含石膏岩系底部常存在火山岩，皖南火山岩系中存在石膏夹层，表明石膏成矿物质可能与火山喷发有关。综合以上资料，石膏和硬石膏矿床的成矿物质来源为:①海水；②大陆岩石的风化产物；③深源。
二、矿床的主要成因类型及地质特征
根据矿化和含矿建造，石膏和硬石膏矿床分为以下成因类型:
1.蒸发沉积型
(1)海相蒸发沉积型——碳酸盐岩地层和碎屑岩地层
(2)湖相蒸发沉积型红色碎屑岩建造。
2.机械沉积型
(1)河流冲积碎屑岩地层
(2)风成沙丘中的石膏砂沉积。
3.风化-次生充填型
(1)碎屑岩中的裂缝充填类型
(2)碳酸盐岩溶洞充填型
4.热液交代型
(1)碳酸盐岩中的接触交代型
(2)火山岩中的热液交代作用
(1)海相蒸发石膏和硬石膏沉积
矿床分布于古代大陆边缘海、海湾、潮坪和泻湖。含膏盐系包括海相碳酸盐岩建造、海岸陆源碎屑岩建造及其过渡类型。
1.海相碳酸盐岩建造中的石膏和硬石膏沉积
含石膏岩系由石灰岩、白云岩及其过渡岩组成，有石膏层和同生角砾岩、胀缩角砾岩和塌陷角砾岩。岩系下部以石灰岩为主，上部白云岩增多，石膏层产于上部白云岩的沉积序列中。含石膏岩系大面积层状分布，层位稳定，具有可比性，总厚度几百米至几千米。
在四川中三叠统和山西中奥陶统含石膏岩系中，矿体呈层状分布，单层厚度达数米至十几米，个别达数百米，总厚度达数十米以上。矿石矿物主要是硬石膏(硫酸钙含量为60%，一般为80% ~ 90%)，石膏含量较少。伴生矿物包括方解石、白云石、天青石和粘土矿物。矿石的自然类型包括块状角砾岩、带状和片状硬石膏。矿石储量很大，一般几千万吨到几亿吨，是矿床的主要工业类型之一。
矿床实例:山西太原海相蒸发石膏矿床
矿床位于山西地台背斜沁水台凹陷，矿区出露古生界和中生界地层。古生代地层形成一个北北东向展布，向南倾斜的向斜构造，向斜内地层倾角一般在10°左右。
石膏矿床产于中奥陶统峰峰组(O2f)下段，其分层如下:
石炭系
-假整合。
峰峰组上段(o2f 2)37.7米
⑥灰黑色致密灰岩(上部灰岩O2F2-2) 17.20m
⑤黄-灰-粉红色白云岩、石灰岩和黄绿色页岩(O2F2-1)
峰峰组下段(O2f1)
④上部为石膏和粘质石膏层，下部为白云石灰岩和石膏夹层，中间夹薄层。
芒硝(石膏带O2F1-3)
③灰色-深灰色致密灰岩和白云质灰岩(中部灰岩O2F1-2)
②粘质石膏、角砾岩粘质石膏和白云质灰岩夹薄白云质石膏层和石膏脉。
(下石膏带O2F1-1)
上马家沟组(O2s)
①灰色-深灰色灰岩、白云岩灰岩和白云岩与泥灰岩互层(下部灰岩)
矿床由两个被石灰石隔开的石膏带组成。上石膏带分为三个矿组:①矿组由六层高品位石膏、硬石膏和粘土石膏组成，厚13.65米，长500米..②矿群由两层中品位白云石石膏组成，厚7.3m，长500m，顶底板为白云石(含石膏脉)。③矿群上部主要为白云质石膏层，下部主要为粘质石膏和角砾岩粘质石膏层。矿群厚19.04米，长约300米。下石膏层由粘质石膏、角砾粘质石膏、中等级白云石石膏和白云石石灰岩组成。④矿群，厚30米，长300米。
矿体呈层状和似层状，与粘土石膏、白云石和白云石灰岩互层。矿体下盘和下盘围岩中有纤维石膏细脉或网状细脉，平行或切入围岩，脉厚不大，约10 ~ 60 mm，矿石主要由石膏、硬石膏、芒硝、白云石、粘土、黄铁矿、方解石组成，有时有少量天青石。矿石具有粒状、雪花状、斑状、纤维状、角砾岩状、脉状结构。各种矿石中石膏含量在25%以上。
上石膏矿带石膏层较多，具有工业意义。下石膏带石膏层薄，泥质，工业价值不大。原生石膏风化后淋溶于围岩裂隙或孔洞中，形成纤维石膏和透明石膏，无工业价值。
2.碎屑岩建造中的石膏和硬石膏沉积
含石膏盐系由砂岩、粉砂岩、泥岩、薄层灰岩和白云岩组成，石膏层夹在泥岩或白云岩之间。含石膏岩系总厚度达几百米，矿体呈层状、透镜状。一般单层厚度为几十厘米至2 ~ 3米，总厚度为10~20m ~ 20米。沿着走向和倾向，煤层有几百米到几千米长。矿石主要为块状硬石膏和泥石膏，部分为次生角砾石膏和纤维石膏，硫酸钙含量最高为55% ~ 75%。矿石储量不大，个别巨大的能达到几千万吨。
我国此类矿床的含石膏岩系往往表现出浅水沉积特征。如四川三叠系含石膏盐岩系中，碳酸盐岩的潮坪沉积特征十分明显，潮下高能带和潮间带下部的碎屑、浪痕、小板状交错层、冲刷面等浅水标志清晰可见，潮间带和潮上带上部常见生物落水洞、挠曲构造、准同生白云石化、结节状石膏等。湖北和江苏三叠纪石膏矿床的浅水沉积特征也很明显，表明三叠纪扬子海域属于浅水蒸发沉积环境。
在中国，这些矿床大多产于三叠纪和更老的地层中。寒武系石膏矿床分布于中国东北、华北南部和西南部分省份。华北地台集中了奥陶系石膏矿床。石炭纪石膏矿床主要分布在新疆、青海、甘肃、宁夏、内蒙古、广西、贵州和云南。三叠纪石膏矿床分布于扬子地台。从寒武纪到三叠纪，石膏矿床的分布位置由北向南移动，分布区域越来越广。主要产地有四川渠县、江苏南京、山西太原、甘肃天祝、辽宁辽阳、陕西西乡。
(2)湖相蒸发沉积石膏和硬石膏沉积
矿床产于内陆湖盆，明显受断裂控制。含石膏岩系是一套大陆红色或杂色地层，由砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、白云石和白云质灰岩组成。其中，可分为碎屑岩建造、碳酸盐-石膏建造、硬石膏建造以及两者之间的过渡类型。矿床的储量都很大，往往从几百万吨到几亿吨。红色碎屑岩建造中的石膏和硬石膏沉积呈层状、层状，长度为几百米至几千米。石膏层往往是多层产出，单层厚度几十厘米到几米、几十米。矿物的自然类型主要有泥石膏、纤维石膏、雪花石膏和硬石膏，硫酸钙含量为55% ~ 80%，纤维石膏达98%。伴生矿物有粘土矿物、方解石、白云石、应时、长石和芒硝。
这类矿床在我国分布广泛，占我国石膏总储量的三分之二。成矿时代为白垩纪至古近纪，主要分布在三个构造带:①郯断裂带(衡阳、邵东、浏阳、定远、枣庄、大汶口等古近纪含石膏盆地)；②大兴安岭-太行-雪峰深断裂带(三门峡、泌阳、淅川、浚县、房县、枣阳等古近系含石膏盆地)；③银昆断裂带(内蒙古杭锦旗、宁夏桐琴、云南弥勒、红河流域等古近系含石膏盆地)。此外，一些含石膏盆地受东西向断陷控制，如荆门、云梦、应城、三水等。我国这类石膏盆地下部多为火山岩。例如，云英盆地有14层燕山期玄武岩，总厚度超过200米。玄武岩的产状与围岩一致，主要化学成分和微量元素的变化也密切相关，表明火山火可能是该类型石膏矿床的重要成矿物质来源。主要产地有湖北应城、云梦、荆门、湖南邵东、山东大汶口、云南红河郁可唯。
矿床实例:湖北应城石膏矿床
该矿床属于湖泊沉积矿床，位于云英凹陷西缘潘家集次级凹陷内。云英凹陷含矿岩系为古近系始新统湖相碎屑岩，由泥岩、粉砂岩、石膏、钙芒硝和石盐组成，厚394～1628m..自下而上如下:下石膏段厚72 ~ 223 m，纤维石膏400余层，单层厚度1 ~ 25 cm，其中工业石膏组12；下段含钙芒硝厚57 ~ 285 m，下段含纤维石膏170余层，单厚1 ~ 13 m，有三个可采石膏组；含盐岩段厚230 ~ 910m；钙芒硝上段厚7 ~ 81m；上部含石膏段厚28 ~ 129 m，有数十层纤维石膏(图13-1)。
图13-1陶卫平等(1994)云英盆地含石膏岩系剖面
应城市潘家集石膏矿含矿岩系缺失含石膏段和含钙芒硝段，被第四系覆盖，厚度8 ~ 23m。石膏层沿坳陷盆地边缘分布，以7°倾角向盆地内倾斜。一般在距盆地边缘2km以内以纤维石膏和泥质石膏为主，距盆地边缘2 ~ 4 km以内以硬石膏(含部分纤维石膏)为主。具有工业价值的纤维石膏产于顺层裂隙发育的蓝灰色地层中，单层厚度4 ~ 8 cm，最大厚度25.5cm，可采石膏组厚度1.7 ~ 2.5m，含矿量14% ~ 19.13%，走向延伸可达3.5km，倾向延伸可达1km。纤维石膏纯净，质地优良，矿石品位(CaSO4 2H2O)一般为98%。是应城石膏矿的主要产品，也是中国优质石膏的主要产地。泥质石膏厚度5 ~ 28 cm，矿石品位60%，可掺入纤维石膏。还有硬石膏，单层厚度2 ~ 8m，走向延伸1.9 ~ 3.5km，倾向延伸1km以上，矿石品位55% ~ 75%。应城、云梦地区已探明大、中、小型石膏矿数处，探明储量超过6543.8亿t。
陆相盆地湖相沉积岩中的石膏沉积模式
通过对中国湖湘石膏矿床的研究，王二利等人提出了内陆盆地湖湘沉积岩中的石膏矿床模式(图13-2)。
图13-2陆相盆地湖湘沉积岩中石膏矿床模型图(根据王树理，1995)
模式及主要成矿机制简述:来自预备盆地的浓盐水流入封闭和半封闭的次级构造坳陷(成矿盆地)。在干燥的气候下，盐湖中的卤水不断蒸发浓缩，随着盐度的升高首先析出大量石膏。然后，当卤水的盐度增加或溶液成分发生变化(如氯化物增加)时，直接析出少量硬石膏。大部分原生沉淀石膏和硬石膏在成岩阶段，在适当的温度和深度范围内得以保存，石膏矿床和硬石膏矿床是通过固结形成的。由于温度和压力的变化，部分石膏脱水成次生硬石膏，原生石膏交代，形成交代型硬石膏矿。石膏矿床形成后，成矿作用发生在成矿卤水再次流入的后生阶段。如果成矿卤水沿石膏矿床的裂隙充填，就会形成重叠的石膏矿床；如果沿着泥岩裂隙充填，就会形成脉状石膏矿。
主要控矿因素有:①与世界上大多数成盐盆地一样，中国是在受深大断裂控制的大型沉降区内形成的盆地系统；次级断层将盆地系统分成几个次级盆地。由于盆地的活动和其中水体的迁移分离，造成了一系列的盐类沉积。因此，断裂活动决定了成膏盆地和成盐盆地的发生和发展。②根据地层剖面、古生物和孢粉分析，石膏沉积与古气候关系密切。如极厚石膏地层的孢粉组合以喜旱麻黄植物为主，上下泥灰岩和油页岩地层的孢粉组合以喜温喜湿的落羽杉、单束和双束为主。这表明气候控制石膏沉积。③陆地地表水带来的风化盐、深层水和短寿命海水是石膏盐沉积的物质基础，直接影响矿床的规模、品位和分布。
找矿标志主要有:①煤层下多为泥岩、泥灰岩、裂缝等浅水标志；②地层孢粉组合以耐旱麻黄为主。
主要矿床实例:山东大汶口石膏矿、河北双北石膏矿、湖北云英石膏矿、广东三水石膏矿、云南红河郁可唯石膏矿。
(3)河流冲积碎屑岩建造中的石膏矿床
矿床往往分布在地势相对平缓的快速上升区的前缘。含石膏岩系属于第四纪冲积层，由地表径流搬运的古石膏碎屑，在径流受阻或流速减慢的地区迅速堆积而成。例如，湖南澧县吴佳瑜石膏矿就位于我国西部高山地区向东部准平原地区过渡的地区。矿区上游的三叠系含石膏层受古澧水的侵蚀和搬运，沉积在下游的平缓地带。矿体呈水平层状，顶底板为粘土和白垩。矿层最大厚度为85米，最薄为2.5米，一般为20 ~ 50米。矿石主要由石膏和粘土矿物组成，偶见白垩、天青石、砂和砾石。矿石类型为粒状和结晶石膏，其次是雪花石膏和半透明石膏。硫酸钙含量约80%，储量约数千万吨。关于这类沉积物的成因有两种观点:机械沉积和蒸发沉积。
(4)风成沙丘中的石膏砂沉积
这类矿床是原生石膏层物理风化形成石膏砂，经风搬运堆积成沙丘而形成的。美国新墨西哥州图拉罗萨沙漠中的“白沙”石膏沙丘，高10米，面积约648平方公里。沙丘由97% ~ 99%的石膏砂组成，地质储量60亿吨。这种石膏沙丘在中国还没有发现。
(5)风化-次生充填石膏矿床
早期生成的石膏、硬石膏矿床、含石膏岩系或其他岩石，经化学风化形成富含Ca2+和so24-的地下水溶液，经短距离迁移后进入围岩裂隙或洞穴，再沉淀后形成次生石膏矿床。包括以下两种类型:①碎屑岩中的裂隙充填石膏矿床。矿体大多呈板状，沿岩层或裂隙产出。脉常成群出现，单个脉厚几厘米至几十厘米。矿物多为透明石膏和纤维石膏，其次为粘土和硬石膏。这种矿床规模小，可就地开采。②碳酸盐岩中的溶洞石膏矿床。矿体一般不规则，常呈块状、巢状和囊状沿洞底分布。有时它们以贝壳状、散状的形式混杂在洞穴底部的砾石层中，或挂在洞穴顶部和壁上的石笋。有时石膏在溶洞中以发育良好的晶体形式产出，晶体长度可达几十厘米。这种矿床一般没有工业价值。
(6)热液交代石膏和硬石膏矿床
富含硫酸的热液交代钙质岩石生成硬石膏，当其含量达到工业级并具有一定规模时构成矿床。包括:①火山岩中的热液交代型。矿床产于安山岩等中性喷出岩中，矿体呈透镜状或层状。矿石的自然类型为硬石膏、含黄铁矿或明矾石的高岭石硬石膏和石膏。矿石中的伴生矿物有黄铁矿、明矾石、高岭石、应时、重晶石、磁铁矿、自然硫、赤铁矿等。这个矿床规模很小。②碳酸盐岩中的接触交代型。矿床产于中性岩浆岩与石灰岩的接触带，矿体呈透镜状，走向长几十米至几百米，厚度几米至几十米，往往产出多个矿体。矿石类型为硬石膏、白云质硬石膏和石膏。伴生矿物包括白云石、方解石、磁铁矿、黄铁矿和绿泥石。矿床规模为中小型，常与内生铁、铜矿共生。
三。资源分布及成矿规律
(一)资源的分配
我国石膏矿资源丰富，全国有23个省(自治区)产石膏矿。全国已探明储量的石膏矿有199个，已探明资源储量约644438+060万t，从区域分布来看，山东石膏矿最大，占全国资源储量的60%；其次是内蒙古、青海、湖南、湖北、宁夏、广西、安徽和江苏省(自治区)，占全国石膏矿资源总量的32%。主要石膏矿区有内蒙古鄂托克旗、湖北应城、吉林浑江、江苏南京、山东大汶口、广西钦州、山西太原、宁夏中卫石膏矿。
(2)成矿规律
中国石膏矿床类型众多，形成时代和分布范围很广。石膏几乎在每个地质时期都有产出，其主要成矿期为早-中寒武世、中奥陶世、早石炭世、早-中三叠世和白垩纪-古近纪。这5个成矿期形成了我国最重要的石膏矿床——沉积矿床，并具有明显的成矿规律和分布规律:海相沉积矿床形成于早-中三叠世及之前，而湖相沉积矿床主要形成于侏罗纪至第四纪。
从寒武纪到三叠纪，随着中国大陆的逐渐扩张和大陆边缘海的南移，海相石膏矿床的分布位置逐渐由北向南移动，分布范围越来越大，成矿带的连续性越来越好。早、中寒武世石膏矿床主要分布在辽宁东部和吉林南部、西藏东部、四川东南部和云南东北部，在贵州、湖北、湖南、山东和新疆也有零星矿化。它属于由海岸碳酸盐岩碎屑岩建造的石膏和硬石膏矿床，是海湾或泻湖的产物。矿床厚度不大，连续性差，品位低，但这一成矿期对缺乏石膏的东北地区意义重大。
中奥陶世石膏矿床主要分布在山西西部和河北南部，在河南、陕西、山东等地也有发现。它们属于海相碳酸盐石膏和硬石膏矿床，煤层厚度大，连续性好，质量好，是华北地区的主要开采对象。
石膏和硬石膏矿床建造于早石炭世石膏矿北部，为滨海碳酸盐碎屑岩，主要分布在新疆、青海、甘肃、宁夏和内蒙古。含石膏岩系呈条带状，厚度大，质量好，是西北地区的主要开采对象。中国南方早石炭世沉积的石膏和硬石膏矿床为海相碳酸盐岩建造，主要分布在江西西部、湖南、贵州、广西北部和云南东部。
早、中三叠世是重要的成矿期。石膏矿床形成于当时的华北大陆边缘海。海相碳酸盐岩连续分布于江苏、安徽、湖北、湖南、贵州、四川、云南和西藏。矿床多，矿层厚，质量好，但处于大陆边缘海的边缘，如青海西部、四川南部、云南西部、湖北西部和湖南。
白垩纪-古近纪也是重要的成矿期，湖相石膏矿床分布广泛。几乎所有产石膏的省份都有这一时期形成的矿床，但它们集中在中国东部和西北部地区。石膏矿物位于内陆小型湖盆中，属于湖相碎屑造岩石膏和硬石膏矿床。含石膏的断陷湖盆大多受郯庐、大兴安岭太行雪峰和尹坤三条深大断裂带控制，分布在东北部。郯庐断裂带西侧有大汶口、枣庄、定远、浏阳、邵东、衡阳等含石膏盆地。大兴安岭太行山雪峰断裂带上分布着三门峡、泌阳、淅川、浚县、房县、枣阳、余庆、黄平等一系列含石膏盆地。尹坤断裂带上有金航、同心、大邑、邛崃、眉山、天全、新津、喜德、弥勒、红河等含石膏盆地。这些含石膏盆地都位于断裂带内或附近，含石膏岩系下部基本有火山岩，而远离断裂带的大型盆地没有石膏。此外，有些含石膏盆地是受褶皱带控制的山前断陷或断陷盆地，如荆门、应城云梦、三水等，有石膏散布。白垩纪-古近纪石膏的成矿特点是:矿床规模差异很大，矿石类型复杂，质量变化大，矿层厚度小。由于矿体埋藏不深，是我国中东部地区的主要开采对象。