近海建筑砂礦床的研究現(xiàn)狀

近海建筑砂礦床的研究現(xiàn)狀

海洋砂礦主要是在海洋水動力等因素的影響下形成的工業(yè)價值重礦床，有利于豐富海床區(qū)域的形成（譚啟新，1998）。建筑用海砂是指分布于海岸和近海、以中砂和粗砂為主、包括部分細(xì)砂和礫石的砂質(zhì)堆積。海砂分選良好,品質(zhì)優(yōu)良,可以作為海洋工程用料使用,經(jīng)脫鹽后的海砂可作為建筑集料使用,廣泛用于城市建設(shè)、公路、鐵路和橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)建筑(王圣潔等,1997)。世界上發(fā)達(dá)國家紛紛大力推進(jìn)海砂資源的開發(fā),海砂在建筑砂礫石資源利用中的比重也越來越大。如英國、日本、荷蘭等為代表的30多個沿海國家于20世紀(jì)初、中期就已經(jīng)開始利用近海建筑砂資源,特別是20世紀(jì)80年代以來,各國陸地建筑用砂源減少,加之環(huán)境保護(hù)的壓力,迫使各國重新認(rèn)識近海海砂資源的潛力。海砂資源以其分布廣泛、資源豐富、分選好、品質(zhì)優(yōu)良、海上運輸方便、開采較少影響到周圍環(huán)境,能夠保證區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢而獲得普遍的關(guān)注。各國根據(jù)實際情況,對海砂分布、礦床類型、開采技術(shù)、開采對環(huán)境影響等方面的問題進(jìn)行了不同程度的綜合研究,顯著提高了海砂開發(fā)利用的認(rèn)識(Narumietal.,1989;DaoKemin,1993;Bobrowskyetal.,1996;WangShengjie,2001;Boydetal.,2003)。我國海砂資源調(diào)查始于20世紀(jì)60年代,但僅限于濱岸帶海砂的勘查評價。80年代開始對近海建筑砂礦進(jìn)行勘查評價,特別是90年代中后期,由于國內(nèi)外市場的需求,驅(qū)動了我國近海建筑用砂礦床的勘查與開發(fā),并陸續(xù)探明了幾十處礦床。譚啟新等(1988)在全面收集、整理我國濱海(包括部分淺海)砂礦調(diào)研成果的基礎(chǔ)上,對我國濱海砂礦成礦地質(zhì)背景、砂礦分布、礦床特征、成礦控制因素、成礦規(guī)律等方面進(jìn)行了論述,并對成礦遠(yuǎn)景進(jìn)行了區(qū)劃。1996年,王圣潔等開始了海砂研究,相繼完成了《我國海砂資源潛力評價》和《CCOP海砂資源數(shù)字編圖》項目,結(jié)合我國近海地質(zhì)資料的分析后指出,中國海砂主要來自海岸帶、近岸淺海和陸架3個海洋地貌分區(qū),其中,海岸帶、近岸淺海和陸架海砂的估算資源量分別為35.88×108m3～53.82×108m3、66.51×108m3～101.8×108m3、66.95×108m3(王圣潔等,1997;楊子庚等,1997;WangShengjie,2001;王圣潔等,2003)。遲洪紀(jì)等(2001)對山東省濱海砂礦成礦規(guī)律及遠(yuǎn)景區(qū)劃進(jìn)行了研究,提出了砂礦的分布與濱海帶的基巖性質(zhì)、海岸帶類型、地貌、水系、水動力條件、海底底質(zhì)等密切相關(guān)。方長青等(2002)對山東省近海砂礦資源類型劃分及開發(fā)前景進(jìn)行分析,指出了近海砂礦主要是在海水動力條件下由于機械沉積分異作用,使陸源碎屑中的有用礦物富集而成。石玉臣等(2004)根據(jù)山東省近海砂礦產(chǎn)出的宏觀海洋環(huán)境、礦種、形成時代、成礦作用和微地貌形態(tài)等要素,將山東省近海砂礦劃分為2大類、13類、32亞類。李廣雪等(2005)等在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上,結(jié)合最新近海沉積調(diào)查資料,系統(tǒng)編制了中國近海沉積環(huán)境圖,為系統(tǒng)進(jìn)行中國近海海砂、特別是中國近海建筑海砂的研究提供了堅實的基礎(chǔ)。由于我國海岸線漫長,海洋地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,海砂礦床類型繁多,目前還沒有對我國近海海砂礦床進(jìn)行詳細(xì)分類的研究。與國外相比,我國建筑用海砂相關(guān)的研究及開發(fā)還相對滯后。對我國近海建筑用砂礦床特征進(jìn)行研究,不僅能豐富我國近海沉積體系以及有用礦產(chǎn)的研究,同時還能為我國建筑用砂開發(fā)拓展新的領(lǐng)域,對我國近海海砂資源的調(diào)查評價與勘查開發(fā)也具有一定的指導(dǎo)意義,可以提高找礦的有效性和開采工藝的合理性,減少經(jīng)濟風(fēng)險;再次,通過對不同類型礦床形成、賦存條件及水動力環(huán)境的研究,可以制定環(huán)境保護(hù)的有效措施,防止海砂開采對環(huán)境的負(fù)面影響。本文在系統(tǒng)收集我國27處已探明的近海建筑砂礦床資料的基礎(chǔ)上,對它們進(jìn)行了深入分析,提出了我國近海建筑砂礦床特征及分類體系,并根據(jù)實例進(jìn)行了論述,較為系統(tǒng)地展示了我國近海建筑用海砂礦床的成因類型及特征。1海底的地質(zhì)特征近海系指現(xiàn)今高海面至水深200m±的濱海及淺海海域(石玉臣等,2004),濱海包括古海岸帶和現(xiàn)代海岸帶。按海岸帶綜合地質(zhì)勘查規(guī)范,海岸帶是指自高潮線向陸延伸不少于10km、向海延伸至15m水深的狹長地帶(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,1988);淺海一般自浪(波)基面(水深約15～20m)起算,下限以海水深度200m為劃分界限(馮士笮,1999)。近海建筑用砂礦床分類有地質(zhì)分類和工業(yè)分類兩種分類。1.1地質(zhì)分類地質(zhì)分類是依據(jù)成礦控制因素的分類,可分為單一成礦控制因素分類和綜合成礦控制因素分類。1.1.1單一開采控制因素的分類主要有據(jù)成礦時代的分類、據(jù)成礦主要動力條件的分類、據(jù)礦體賦存地貌單元的分類。(1)砂礦床的概念全新世近海建筑砂礦:指全新世以來在近海形成的砂礦床,亦稱現(xiàn)代近海建筑砂礦。更新世近海建筑砂礦:指全新世以前形成,后經(jīng)一定程度的改造,位于現(xiàn)今海平面之下的建筑砂礦,亦稱古近海建筑砂礦。(2)古陸砂礦砂礦潮流型:在近海波浪或潮流作用下形成的砂礦,如現(xiàn)今已探明的潮流沙脊型砂礦。殘留型:指被現(xiàn)今海水淹沒的各種古陸相砂礦,如古風(fēng)成沙丘砂礦、古沖積河谷砂礦、殘坡積砂礦等。受海侵進(jìn)程的改造形成的砂礦,其砂質(zhì)主要來自于古陸而區(qū)別于現(xiàn)代海砂礦。沖-海積型:由河流和潮汐、潮流、波浪等動力因素共同作用形成的砂礦,如三角洲砂礦、濱海型砂礦。(3)低海底、河谷型沙脊(沙堤、沙壩、沙丘、沙席)型:形成與海侵和潮流活動密切相關(guān)。強潮流活動可形成較大的砂礦床。沖刷槽型:低海面時期的河流沉積物經(jīng)潮流強烈沖刷和改造而成。沖刷槽深達(dá)數(shù)十米至上百米。三角洲型:由海陸水動力的交互作用而成,砂礦體通常賦存于河口沙壩中。河谷型:主要是晚更新世以前,低海面時期徑流形成的礦床。濱海型:濱海包括古海岸帶和現(xiàn)今海岸帶,這里提及的海岸帶范圍是指海岸帶的水下部分,即自高潮線向海延伸至水深15m的海域內(nèi)。1.1.2砂礦的綜合分類綜合成礦控制因素分類是根據(jù)海砂礦床形成的成礦時代、成礦動力條件、礦體賦存地貌單元的綜合分類,即:成礦時期+成礦動力因素+礦體賦存地貌單元(如現(xiàn)代潮流沙脊礦床)或成礦期+礦體賦存地貌單元(如古河谷砂礦床)。綜合分類比較客觀地反映了砂礦形成的主要控礦因素和內(nèi)在聯(lián)系,是我國目前通常采用的一種分類。我國近海建筑砂礦礦床的地質(zhì)分類見表1。1.2分細(xì)分級劃分建筑用海砂已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑、交通、水工等工程中,基于我國建筑業(yè)的發(fā)展和對建筑工程質(zhì)量的重視,我國于1993年制定了“建筑用砂標(biāo)準(zhǔn)”,后來為了進(jìn)一步適應(yīng)國內(nèi)外市場的需求,于2001年對建筑用砂的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂(中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2001)。該標(biāo)準(zhǔn)按砂的細(xì)度模數(shù)對天然砂(含淡化海砂)進(jìn)行了規(guī)格劃分,按細(xì)度模數(shù)分為3種規(guī)格,即:粗3.7～3.1,中3.0～2.3,細(xì)2.2～1.6;按技術(shù)要求分為3類:Ⅰ類適用于強度等級大于C60的混凝土,Ⅱ類適用于強度等級C30～C60的混凝土和建筑砂漿,Ⅲ類適用于強度等級小于C30的混凝土和建筑砂漿。同時,對各類砂的顆粒級配、含泥量、有害物質(zhì)(云母、輕物質(zhì)、有機質(zhì)、硫化物及硫酸鹽、氯化物含量)做了明確規(guī)定,其中顆粒級配要求見表2。2濱海建筑砂礦特征2.1遼寧、山東、浙江、廣東沿海地區(qū)我國現(xiàn)已探明的近海建筑砂礦主要分布在遼寧、山東、浙江、福建和廣東省近海海域,據(jù)不完全統(tǒng)計共計27處,查明資源約計20×108t(圖1、表3)。2.2砂礦床地質(zhì)情況現(xiàn)已探明的近海建筑砂礦床分布水深一般小于10m,部分礦床水深介于10～35m之間,個別水深可達(dá)到40～119m,如浙江舟山群島一帶海域的全新世潮流沖刷槽型砂礦床和更新世河谷型埋藏砂礦床。砂礦床距離現(xiàn)今海岸線一般小于5km,僅有少量礦區(qū)的離岸距離大于5km,如山東海陽千里巖東北海域更新世河谷型埋藏砂礦床岸距達(dá)25km。建筑砂礦床有全新世潮流沙脊型、全新世潮流沖刷槽型、現(xiàn)代及古三角洲沙壩型、現(xiàn)代及古濱海型、更新世古河谷型?，F(xiàn)已探明的礦床以大型為主,個別為中型礦床。2.3礦體地質(zhì)特征海砂礦體賦存于第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)松散沉積層中,礦體賦存的地貌單元主要有沙脊、沙堤、沙壩、沙丘、沙席、沖刷槽、三角洲以及古河谷等。一個礦床往往由多個礦體組成。礦體形態(tài)一般比較簡單,呈層狀、似層狀、透鏡狀等。礦體連續(xù)性好,延伸較大,其長軸方向往往與水動力方向一致,如潮流沙脊型砂礦往往與海岸線方向平行展布,而古河谷型砂礦則往往與河谷走向一致,如山東千里巖砂礦體與古河谷均呈近南北向展布。礦體規(guī)模一般較大,長達(dá)數(shù)千米,寬數(shù)百米,厚度數(shù)米至數(shù)十米,如浙江省寧波北侖港砂礦體厚達(dá)30多米,礦體產(chǎn)狀一般較為平緩,傾角1～3°,與海底坡角基本一致。全新世潮流沙脊型礦體一般裸露于海底表層,如遼寧瓦房店李官鎮(zhèn)白沙山西北海域海砂礦、山東省煙臺市長島縣廟島南部海域海砂礦等。古濱海型、古三角洲型、古河谷型、潮流沖刷槽型等建筑砂礦體上部覆蓋為近代海底淤泥或粉砂質(zhì)粘土、粉砂層,覆蓋層厚4～15m不等,如山東省日照市石臼奎山咀以南海域砂礦床覆蓋層厚度厚4m,廣東省珠江口外伶仃島海域礦體埋深3.6～14.5m,廣東省珠江口外龍穴水道礦體埋深5～9m。礦體中伴有一個或多個夾層,夾層一般為砂質(zhì)粘土或粘土質(zhì)粉砂,夾層厚度1至數(shù)米不等,如廣東省珠江口外伶仃島海域礦體夾層厚1.2～4.5m。2.4礦石成分、化學(xué)成分現(xiàn)已探明建筑砂礦床的礦石類型有砂礫、礫砂、粗砂、中粗砂、中細(xì)砂、細(xì)砂等,但以粗砂、中砂、中粗砂為主,其細(xì)度模數(shù)介于3.7～1.6之間,滿足建筑用砂粗、中、細(xì)規(guī)格。礦石無膠結(jié),多呈松散狀,主要礦石礦物為石英,含量50%～80%,部分含量達(dá)95%以上,如福建省惠安泉州海域砂礦床。其次是長石,含量一般小于50%?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的碎屑礦物達(dá)50種以上,多為輕礦物,約占90%以上;重礦物含量一般小于10%,主要有鋯石、石榴石、磁鐵礦、鈦鐵礦、金紅石、獨居石、磷釔礦、榍石等數(shù)十種,含量一般較低,在已探明的建筑砂礦床中,尚未發(fā)現(xiàn)重礦物含量達(dá)到工業(yè)邊界品位者。礦物的磨圓度和分選性取決于礦床的成因和搬運距離,海積成因者其分選性和磨圓度較好。礦石主要化學(xué)成分為SiO2,含量為80%～97%,其次為Al2O3、Fe2O3、TiO2等。礦石密度和松散程度因礦區(qū)不同而異,礦石密度一般為1.59～1.75t/m3,礦石松散系數(shù)為1.09～1.49,礦石自然安息角52°～56.5°。3更新前,不同型礦床有經(jīng)對我國現(xiàn)已探明的27處近海建筑砂礦床勘查資料的綜合分析認(rèn)為,全新世潮流沙脊型礦床有11處,全新世潮流沖刷槽型礦床有4處,更新世古三角洲礦床有2處,全新世潮間帶淺灘型礦床有3處,更新世古岸線型礦床有1處(表3)?，F(xiàn)就全新世潮流沙脊型、潮流沖刷槽型、水下三角洲沙壩型及更新世埋藏河谷型的具代表性礦體簡介如下。3.1中高砂階級砂體礦床位于膠州灣外海域,礦區(qū)中心位置距現(xiàn)今海岸線5km,水深大于12m。區(qū)內(nèi)發(fā)育有3條沙脊和3條潮溝,沙脊分別為北沙沙脊、南沙沙脊和大竹沙脊,礦床位于北沙沙脊西端。該礦床由上、下2層礦體組成。上層礦體賦存于第四系全新統(tǒng)下層海陸交互相地層中,礦體為厚層狀,呈北西-南東向展布,長7000m,最大寬度3000m,平均厚度7.9m,礦石類型為黃色粗砂、含礫粗砂、礫砂,細(xì)度模數(shù)為3.1～4.6。局部層段上部覆蓋4.5m厚的黑色淤泥層,砂層是海侵初期海陸過渡沉積相后經(jīng)海流改造而成,長石、石英顆粒磨圓度和分選較好,含粘粒較少。下層礦體賦存于第四系上更新統(tǒng)沖-洪積地層中,礦體成厚層狀,呈北西-南東向展布,長7000m,最大寬度5000m,最窄處800m,平均厚度14m,產(chǎn)狀近于水平,礦石類型為粗砂、含礫粗砂。粘粒含量為0.5%～3%,該層礦為陸相成因,由河流沖積、洪積而成,碎屑礦物磨圓和分選程度不如上層礦好,粘粒含量較上層礦高。該礦床重礦物含量、微量元素含量、稀土元素含量均達(dá)不到工業(yè)要求,放射性含量平均為0.26Bq/kg,小于標(biāo)準(zhǔn)1Bq/kg的要求。礦石密度1.88～1.91t/m3,松散系數(shù)1.2～1.29,自然安息角為33.5°～37.4°。該礦床為一大型礦床,上層礦為第四紀(jì)全新世潮流沙脊型砂礦,下層礦為第四紀(jì)更新世河谷型砂礦。3.2海砂礦的組成、成分及形成時代礦床位于浙江省定海區(qū)舟山島西端兩側(cè)的冊子島和長白島附近海域。區(qū)內(nèi)島嶼眾多,形成寬窄不一的海水通道,在強烈的潮流沖刷下形成了水深變化較大的侵蝕沖刷槽和深潭,沖刷槽水深30～70m不等,寬1.5～2.5m。礦床由3個礦體組成,單個礦體面積為90×104～300×104m2,厚15～16m,礦區(qū)水深35～46m。每個礦體由上中下3個礦層組成,礦體賦存于沖刷槽內(nèi)第四系全新統(tǒng)礫砂分布區(qū)內(nèi),礦體分布方向與沖刷槽方向一致,呈NNE-SSW、NW-SE或E-W向展布。上層礦以礫石和粗砂為主,厚3.4～3.8m,礦層一般直接裸露于海底表層。中層礦以粗砂為主,含部分中細(xì)砂和少量礫石,厚8.0～8.6m,埋深11.8～12m。下層礦以粗砂為主,含部分中細(xì)砂,厚度大于3m,埋深大于12m。海砂礦形成的物質(zhì)基礎(chǔ)為晚更新世冰期河流相砂礫層,在全新世冰后期以來,在特定的狹窄水道中,由強烈的潮流侵蝕沖刷作用改造而成。該礦床為一大型礦床,為全新世潮流沖刷槽型砂礦床。3.3號礦體后礦礦床位于湛江市東海島以北、南三島西南海域,南部為湛江水道,礦區(qū)水深0.7～2.2m。礦床位于三角洲潮汐淺灘上的水下沙壩地貌單元中,現(xiàn)已探明Ⅰ號和Ⅱ號礦體,兩個礦體均直接出露海底表層。Ⅰ號礦體分布在礦區(qū)北部大散海域,呈層狀,近水平產(chǎn)出,長1100m,寬700m,厚6.8～9.9m,平均厚度8.45m。礦石類型以中粗砂為主,細(xì)度模數(shù)0.9～3.2,含泥量平均為9.8%,礦體中間一層夾石,巖性為淺灰色粘土,厚1.3m。Ⅱ號礦體分布在礦區(qū)南部公沙海域,呈層狀,近水平產(chǎn)出,長700m,寬600m,厚5.3～8.0m。礦石類型以中、細(xì)砂為主,部分為粗砂,細(xì)度模數(shù)為0.7～2.4,含泥量平均為6.31%。主要重礦物有鈦鐵礦、鋯石、金紅石、銳鈦礦、白鈦石、海綠石、電氣石、磁鐵礦、獨居石等,均達(dá)不到工業(yè)要求的邊界品位。礦石化學(xué)成分以SiO2為主,其含量為88.23%～91.68%,其次為Al2O3、Fe2O3等。礦石密度平均為1.597t/m3,松散系數(shù)1.13,自然安息角53°48′。該礦床為一大型礦床,形成于第四系全新統(tǒng)沉積層中,位于三角洲潮汐淺灘上的水下沙壩中,礦物以石英為主,含少量貝殼碎片,屬海陸過渡環(huán)境中三角洲水下沙壩型沉積礦床。3.4礦體及礦物資源礦床位于山東省海陽千里巖以東海域,離岸距離25km,水深20～35m。根據(jù)淺地層剖面資料,區(qū)內(nèi)有3條呈近南北向分布的古河谷砂體,由西向東分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號,Ⅰ號砂體分布水深22～23m,長22km,寬470～550m,厚約7m,上覆泥層厚度7～10m;Ⅱ號砂體水深25～35m,長38km,寬200～420m,厚約4～8m,上覆泥層厚度9～12m;Ⅲ號礦體水深25～35m,砂體長42km,寬180～450m,厚約1.5～5.5m,上覆泥層厚度7～11.7m。區(qū)內(nèi)現(xiàn)已經(jīng)提交儲量的僅有Ⅲ-1號礦體,礦區(qū)水深20.8～28m,礦體呈較穩(wěn)定的席狀或?qū)訝钫共?礦體產(chǎn)狀平緩,最大厚度5.3m,最小1.6m,平均3m。礦石類型以中砂為主,主要礦物為石英、長石,重礦物有磁鐵礦、鋯石、剛玉、磷灰石、金紅石等,含量一般較