甘肃北山红柳沟北钒矿下寒武统双鹰山组黑色岩系地质地球化学特征及成矿意义
doi: 10.20008/j.kckc.202606009
刘小锋1,2 ， 杨志勇3 ， 杨爱平1 ， 李浩宇3 ， 杨星宇4
1. 四川省第七地质大队，四川 乐山 614000
2. 成都理工大学地球与行星科学学院，四川 成都 610059
3. 甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730050
4. 成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 614000
基金项目: 本文受甘肃省敦煌市红柳沟北钒多金属矿普查省地勘基金项目（201904-D03、202002-D03、2021-D07）资助
Geological and geochemical characteristics and metallogenic significance of the lower Cambrian Shuangyingshan Formation in the north of Hongliugou, Beishan, Gansu Province
LIU Xiaofeng1,2 ， YANG Zhiyong3 ， YANG Aiping1 ， LI Haoyu3 ， YANG Xingyu4
1. The 7th Geological Brigade of Sichuan, Leshan 614000 , Sichuan, China
2. School of Earth and Planetary Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059 , Sichuan, China
3. Gansu Province Gold Resources Exploration and Utilization Technology Innovation Center, The Third Geological and Mineral Exploration Institute of Gansu Provincial Geological and Mineral Exploration and Development Bureau, Lanzhou 730050 , Gansu, China
4. The Engineering & Technical College of Chengdu University of Technology, Leshan 614000 , Sichuan, China
摘要
红柳沟北钒矿床地处中亚造山带南缘，矿体主要赋存在下寒武统双鹰山组黑色岩系中，为甘肃北山地区典型的钒矿床之一。本文对双鹰山组黑色岩系和钒矿石开展了岩石地球化学分析，探讨了双鹰山组黑色岩系的沉积构造背景、沉积环境、沉积物质来源，分析了钒矿成因。研究认为双鹰山组黑色岩系SiO2与Zr 呈明显正相关关系、低 n(Si)/n(Si+Al+Fe)值和高 n(Al)/n(Al+Fe+Mn)值指示成岩物质主要来自陆源碎屑，较高 Ba/Sr 值和 Eu 正异常显示成岩过程中受到热水作用影响。低 MnO/TiO2 值与 LaN/CeN-Al2O3/(Al2O3+ Fe2O3)、Fe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)和 Fe2O3/(100-SiO2)-Al2O3/(100-SiO2)指示黑色岩系形成于大陆边缘附近。SiO2-Al2O3与 lg(Fe/Ti)-Al/(Al+Fe+Mn)指示黑色岩系为海相沉积。高 V/(V+Ni)、Ni/Co、V/Cr值和 δCe 负异常反映当时沉积环境为缺氧还原环境。综合研究认为，红柳沟北钒矿床是受到热水作用影响的沉积变质型钒矿床。
Abstract
The Hongliugou north vanadium deposit is located in the southern margin of the Central Asian orogenic belt. The ore body is mainly hosted in the black rock series of the Lower Cambrian Shuangyingshan Formation. It is one of the typical vanadium deposits in the Beishan area of Gansu Province. In this paper, the geochemical analysis of black rock series and vanadium ore in Shuangyingshan Formation is carried out. The sedimentary tectonic background, sedimentary environment and sedimentary material source of black rock series in Shuangyingshan Formation are discussed, and the genesis of vanadium ore is analyzed. The study shows that the SiO2 and Zr of the black rock series of Shuangyingshan Formation have a significant positive correlation. The low n(Si)/n(Si+Al+ Fe) value and high n(Al)/n(Al+Fe+Mn) value indicate that the diagenetic material is mainly derived from terrigenous debris. The high Ba/Sr value and Eu positive anomaly indicate that the diagenesis process is affected by hot water. The low MnO/TiO2 values and LaN/CeN-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3), Fe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3) and Fe2O3/(100- SiO2)-Al2O3/(100-SiO2) indicate that the black rock series were formed near the continental margin. SiO2-Al2O3 and lg(Fe/Ti)-Al/(Al+Fe+Mn) indicate that the black rock series are marine deposits. The high V/(V+Ni), Ni/Co, V/Cr values and negative δCe anomalies reflect that the sedimentary environment was an anoxic and reducing environment. Comprehensive research suggests that the Hongliugou north vanadium deposit is a sedimentary metamorphic vanadium deposit affected by hot water.
0 引言
“钒”是稳定储能产业重要的金属原材料，是国家新一轮找矿突破行动的重要目标矿种之一。国内外关于钒矿的成因类型、成矿物质来源、赋存状态、迁移和富集等方面已取得较为丰富的研究成果 （Sergeeva et al.，2011；She et al.，2015；Shi et al.， 2019；Rosa et al.，2020；Tang et al.，2021；温志亮等， 2021；丁建华等，2023；杨立飞等，2023）。沉积型钒矿床是钒矿的重要矿床类型。近年来甘肃北山地区发现了五一山钒矿、红柳沟北钒矿、方山口钒矿、新泉北钒矿、七角井钒矿、塔水井钒矿等一系列中 — 大型沉积型钒矿床（赵省民等，2002；邓舟， 2019；张愿宁等，2020；赵志成等，2020），矿体均赋存在下寒武统双鹰山组黑色岩系中，显示该地区黑色岩系具有重要的成矿潜力。然而，甘肃北山地区钒矿的赋矿黑色岩系的沉积环境、物质来源等研究较为薄弱。本文以红柳沟北钒矿下寒武统双鹰山组黑色岩系为研究对象，开展地球化学分析，分析黑色岩系的沉积环境，探讨矿床成因，以期为甘肃北山地区钒矿的进一步找矿勘查提供理论依据。
1 区域地质
研究区地处中亚造山带南缘，其构造位置介于北部的西伯利亚克拉通与南部的华北克拉通、塔里木克拉通之间，该区域主要由古生代—中生代期间形成的岛弧、大陆块体以及洋壳碎片等构造单元经复杂拼贴作用所构成（图1）。该区域出露的地层由老到新为前长城系敦煌岩群、蓟县系平头山组、下寒武统双鹰山组、中下奥陶统罗雅楚山组、上奥陶统锡林柯博组、石炭系亚曼苏组、下二叠统双堡塘组、上二叠统红岩井组、新近系苦泉组及第四系等 （张愿宁等，2020），各类浅变质岩发育。区内早古生界寒武系为区域性含矿层，地层中存在规模不等的磷块岩扁豆体或结核，其成岩环境属停滞海盆地或浅海湾（逯文辉等，2019）。矿床的分布受 EW 向断裂带控制并受到构造复合带影响。区域内岩浆活动主要由志留纪、石炭纪和二叠纪的中性—酸性侵入体和岩脉组成，超基性岩数量稀少，分布局限。
图1研究区大地构造位置图（a，据Yu et al.，2016修改）和北山地区区域地质简图（b，据张愿宁等，2020修改）
2 矿床地质
矿区地层由老到新依次为寒武系双鹰山组 （Є1sh）、奥陶系罗雅楚山组（O1-2l1）、新近系苦泉组 （N2k）及第四系（Q）。区内褶皱发育，地层和矿体主要受控于 f1 和 f2 两条褶皱，构造线方向大致呈北西—南东向，断裂不甚发育。未见大规模侵入体侵入，仅在Ⅰ矿段、Ⅲ矿段附近发现少量花岗岩株。
矿区内寒武系双鹰山组（Є1sh）是主要赋矿层位，主要由炭质板岩、泥质板岩组成，夹有少量的粉砂质板岩、硅质板岩及硅质岩等，本文统称为黑色岩系。根据岩性组合，双鹰山组自下而上可划分为两段：一段（Є1sh1）和二段（Є1sh2），二者呈整合接触关系。双鹰山组一段（Є1sh1）岩性组合为：灰白色— 深灰色角砾状白云岩、泥晶白云岩、砂屑白云岩，并偶夹灰色、紫灰色粉砂质板岩；双鹰山组二段 （Є1sh2）发育灰黑色炭质板岩、含炭泥质板岩、含炭硅质板岩、深灰色粉砂质板岩、灰黑色硅质板岩，偶夹薄层浅灰色灰岩、白云岩，其顶部与上覆奥陶系罗雅楚山组为整合接触。奥陶系罗雅楚山组一段 （O1-2l1）为一套陆源碎屑岩建造，形成于陆棚浅海环境，在研究区内分布最为广泛，岩性主要为灰绿色变质长石石英砂岩、粉砂质板岩、泥质板岩。新近系苦泉组（N2k）在研究区内广泛分布，出露岩性为砖红色粉砂岩、泥岩、砂砾岩夹石膏层，与下伏地层为角度不整合接触。第四系（Q）主要分布于河谷平滩、河谷及冲沟之中，主要为全新统冲洪积物 （Qhapl）、全新统化学堆积物（Qhch）。
构造上，f1褶皱为一北西—南东向展布、枢纽向东倾伏的复式背斜构造，核部由 4 个背斜及 3 个向斜组成，Ⅰ矿段受该复式背斜构造控制。f2褶皱为一近东西向展布的背斜构造，西端被新近系苦泉组覆盖，Ⅱ矿段受该背斜构造控制（图2a）。区内寒武系双鹰山组（Є1sh）、奥陶系罗雅楚山组（O1-2l）均不同程度地受到区域低温动力变质作用，属于低绿片岩相区域变质岩，该变质带被泥盆纪地层不整合覆盖。变质岩石类型主要为浅变质的板岩、变砂岩等低绿片岩相岩石，变质程度很低，原岩特征保存多。
Ⅰ矿段位于矿区西部，共圈定 7段不连续的 V1 矿体（图2d），矿体受褶皱影响，产状变化大，延伸不稳定，多呈透镜状，厚度不稳定；Ⅱ矿段位于矿区中部，圈定 V2 一条矿体（图2c），形态似层状，走向随背斜弯曲，向西在南北两侧均逐渐尖灭；Ⅲ矿段位于矿区东部，圈定 V3 一条矿体（图2b），矿体呈层状，延伸稳定，厚度在地表及浅部较大，向深部变薄，是矿区规模最大矿体（图3）。
图2北山地区红柳沟钒矿矿区地质图
a—矿段分布图；b—Ⅲ矿段；c—Ⅱ矿段；d—Ⅰ矿段
1—全新统化学沉积物；2—全新统冲洪积物；3—新近系苦泉组一段；4—奥陶系罗雅楚山组；5—寒武系双鹰山组二段；6—寒武系双鹰山组一段；7—平移断层及编号；8—背斜轴线及编号；9—向斜轴线及编号；10—地层产状；11—平行不整合接触界线；12—角度不整合接触界线；13— 矿段范围及编号；14—矿体及编号；15—研究区范围
图3红柳沟北钒矿床Ⅲ矿段双鹰山组含矿层位地质剖面图
1—全新统化学沉积物；2—全新统冲洪积物；3—新近系苦泉组；4—奥陶系罗雅楚山组一段；5—寒武系双鹰山组；6—泥质板岩；7—炭质板岩；8— 硅质板岩；9—长石石英变砂岩；10—粉砂质板岩；11—硅质岩；12—泥岩；13—粉砂岩；14—残坡积；15—淤积；16—断层及编号；17—钒矿体及编号
矿石类型主要为炭质板岩型，见大量含钒白云母等矿物（图4）。钒矿体上盘围岩主要为灰黑色硅质板岩、含炭硅质板岩，矿体与硅质板岩间夹炭质板岩与硅质板岩互层，且硅质板岩中含少量炭质，多呈细分散浸染状分布在硅质之中，局部呈直径1~3 cm的圆状、椭圆状炭质结核。矿体下盘围岩主要为（含炭）硅质板岩，局部为变砂岩、白云质灰岩，部分地段钒矿体与白云岩间夹薄层粉砂质板岩。
图4红柳沟北钒矿典型矿石及显微结构照片
a—灰黑色炭质板岩型钒矿石；b—炭质板岩型钒矿石中的含钒白云母-石英脉，单偏光照片；c、d—炭质板岩型钒矿石中的含钒矿物主要为含钒白云母，石英中也含有少量的钒，二次电子图像
矿石结构主要为变余泥质、粒状变晶和鳞片变晶结构，构造主要为块状、纹层状和千枚状构造。金属矿物以黄铁矿为主，其次为褐铁矿、黄铜矿、磁铁矿等；非金属矿物主要包括石墨、方解石、石英、绢云母及红柱石等；其余组分有炭质、硅质、泥质、玉髓、新生矿物及热液脉体。
3 矿床地球化学特征
本研究样品采集自矿区V2含钒矿石（2件），V3 含钒矿石（13 件）及双鹰山组黑色岩系（4 件），共计 19件样品，送至国土资源局兰州矿产资源监督检测中心实验室进行主量元素、微量元素和稀土元素测试（2020年）。将样品研磨到200目后，运用SH射线荧光光谱法（SHRF）测定主量元素，精度优于 3%。将样品按规范要求研磨到 200 目后缩分，采用封闭酸溶-电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）进行系统分析测定微量、稀土元素，精度优于5%。
3.1 主量元素特征
样品主量元素分析结果如表1所示。钒矿石（n =14）A12O3 含量变化小，为 4.10%~10.3%（平均 6.81%），SiO2 含量变化大，为 16.0%~66.0%（平均 44.3%），TiO2 含量变化小，为 0.32%~1.00%（平均 0.59%），二者与 A12O3存在较明显的正相关关系； V2O5含量变化小，为 0.76%~2.38%（平均 1.58%），均达到工业品位。
双鹰山组黑色岩系（n=5）A12O3含量为 5.59%~11.8%（平均 9.90%），SiO2含量变化较大，为 45.0%~75.0%（平均62.3%）；Fe2O3含量变化较小，为2.16%~8.94%（平均 5.19%），两者与 A12O3存在弱正相关关系。 TiO2 含量变化小，为 0.71%~1.79%（平均 1.07%），P2O5含量变化极小，为 0.24%~0.58%（平均 0.43%），均与 A12O3存在弱负相关关系。V2O5含量较低，为0.02%~0.08%（平均0.05%）。
3.2 微量元素特征
样品微量元素分析结果（表2）显示，双鹰山组黑色岩系和钒矿石富集的元素主要分为 3 类：超强富集元素 Ba、F 和 Sr 含量超过 1000×10-6，强富集元素 Cr、Cu、Ni和Zn含量为100×10-6~1000×10-6；中度富集元素U、Sc、Th、Rb、Nb、Li、Ga等，含量低于100×10-6，其中 Th、Zn 等部分元素含量差异较大，钒矿石和双鹰山组黑色岩系之间各元素富集程度有差异。
钒矿石中微量元素V含量为4257×10-6~13332×10-6，相对富集Ba、Cr、F、Sr、Cu、Zn等元素；双鹰山组黑色岩系微量元素 V 含量为 118×10-6~471×10-6，Ba、F、 Sr、Th、Cu、U、Zn 等元素相对富集。钒矿石 Ba 含量为607×10-6~12430×10-6，平均值为4638×10-6；F含量变化较小，为1010×10-6~3000×10-6，而Sr含量分布差异较大（154×10-6~5038×10-6），平均值为 2506×10-6。 Cu 为 78.6×10-6~820×10-6，平均值为 438×10-6；Zn 为 121×10-6~3344×10-6，平均为 905×10-6。双鹰山组黑色岩系 Ba 含量为 2727×10-6~38480×10-6 （ 平均值为 10934×10-6），F 含量为 870×10-6~2400×10-6 （ 平均值为 1354×10-6），Zn 含量为 171×10-6~1950×10-6 （ 平均值为 643×10-6），Sr 含量为 132×10-6~985×10-6 （平均值为324×10-6）。
钒矿石和双鹰山组黑色岩系大陆地壳标准化蜘蛛网图（图5）显示元素富集程度有差异。钒矿石中多金属元素 Ba、U、Sr 等富集，Nb 亏损，部分矿石 Th、Zr亏损；双鹰山组黑色岩系中多金属元素Ba、U、 Th、Y等富集，Sr、Zr亏损。
图5红柳沟北钒矿床微量元素大陆地壳标准化蜘蛛网图（大陆地壳数据据Taylor and Mclennnan，1985）
3.3 稀土元素特征
矿区钒矿石和双鹰山组黑色岩系样品稀土元素测试结果如表3所示。双鹰山组黑色岩系稀土总量 ΣREE 为 91×10-6~261×10-6 （ 平均 193×10-6），钒矿石 ΣREE 为 195×10-6~519×10-6 （ 平均 319×10-6）。相较而言，钒矿石的稀土元素总量比双鹰山组黑色岩系的含量要高。双鹰山组黑色岩系 δEu 值为 0.49~0.99（平均 0.71），表现为 δEu 负异常；δCe 值为 0.86~1.34（平均0.98），表现为弱负异常。钒矿石δEu值为 0.93~1.19（平均1.00），显示其δEu具有弱的正异常； δCe 值为 0.40~0.48（平均 0.44），表现为明显的负异常。
双鹰山组黑色岩系与钒矿石稀土元素配分曲线微左倾（图6），整体表现为重稀土富集，HREE 曲线相对平坦，钒矿石LREE/HREE为2.46~3.78（平均 2.99），双鹰山组黑色岩系 LREE/HREE 为 3.98~5.76 （平均 5.11）；钒矿石（La/Yb）N 为 3.19~5.05（平均 4.08），双鹰山组黑色岩系（La/Yb）N为 2.24~6.85（平均5.39）；相较而言，钒矿石重稀土更富集。
图6红柳沟北钒矿床稀土元素配分模式图（PAAS数据据Taylor and Mclennnan，1985）
表1红柳沟北钒矿床矿石及围岩主量元素分析结果（10-2）及特征参数
注：-表示低于检测限。
表2红柳沟北钒矿床矿石及围岩微量元素分析结果（10-6）及特征参数
表3红柳沟北钒矿床矿石及围岩稀土元素分析结果（10-6）及特征参数
注：δEu=2×（Eu/EuPAAS）/（Sm/SmPAAS+Gd/GdPAAS）；δCe=2×（Ce/CePAAS）/（La/LaPAAS+Pr/PrPAAS）。
4 成矿机理及成矿模式
4.1 成岩物质来源
海相沉积岩的物源具有多样性与复杂性，主要包括陆源物质、生物物质、与岩浆活动有关物质、海底岩石溶滤物质和宇宙物质等类型。陆源物质按其性质分为陆源碎屑物与陆源化学物；生物源物质主要是指海生生物提供的 CaCO3、SiO2以及磷酸盐类等物质；与岩浆活动有关的物质是指海底、岛屿或大陆近海区的火山喷发物（夏邦栋，1984）。
Si、Al、Fe、Ti、Mn、Zr等地球化学指标，反映双鹰山组黑色岩系的物源主要为陆源碎屑，沉积环境靠近大陆物源区。研究区双鹰山组地层内存在大量石英，而石英主要分为盆外陆源供给的碎屑石英和盆内自生石英（如黏土矿物转化、生物成因和热液成因等）两大类（管全中等，2021）。微量元素 Zr 与 SiO2含量为正相关关系，则指示石英为陆源碎屑石英，反之，则为生物成因（马恺等，2022；杨雨然等， 2024）。红柳沟北双鹰山组黑色岩系的 SiO2与 Zr呈明显的正相关关系，反映成岩物质以陆源碎屑输入为主（图7a）。由于陆源物质富铝，而大洋热水沉积物中富锰、铁，因此三者之间的含量关系可以用于示踪沉积岩的物源。Jewell and Stallard（1991）提出沉积岩中n（Al）/n（Al+Fe+Mn）值大于0.5时，其物源来自陆源，小于 0.35 时，存在海底热水活动物质的注入。除少数离群数据，钒矿石和双鹰山组黑色岩系样品 n（Al）/n（Al+Fe+Mn）值主要分布于 0.50~0.91（平均0.65），显示双鹰山组的成岩物质具有明显的陆源特征。岩石 n（Si）/n（Si+Al+Fe）值也可以提供物质来源的信息，比值为 0.9～1时反映物源主要为生物硅或热水作用，此值小于 0.9 时则反映其更接近碎屑物源区（Aitchison and Flood，1990）。研究区内样品 n（Si）/n（Si+Al+Fe）比值为 0.56~0.86（均小于 0.9，表1），表明双鹰山组的成岩物质主要来自陆源碎屑。徐林刚等（2022）认为含矿热液一般具有较高的 Fe 含量，同时大陆风化来源的Al和Ti的含量则会相对降低，因此在热水沉积端员表现为高 Fe/Ti、低 Al/（Al+Fe+Mn）的特点。正常海水沉积端元则表现为低 Fe/Ti、高Al/（Al+Fe+Mn）的特点。研究区钒矿石和双鹰山组样品整体上位于正常海水沉积端元（图7b），同时 SiO2-Al2O3图解相关指标，反映了钒矿石和双鹰山组黑色岩系属于海水沉积区（图7c）。
图7红柳沟北钒矿床SiO2-Zr相关关系图解（a，底图据管全中等，2021）、Al/（Al+Fe+Mn）-lg（Fe/Ti）图解（b，据徐林刚等，2022）、Al2O3-SiO2图解（c，底图据Boström and Peter‐ son，1969；Stanton，1987）
微量元素 Ba/Sr值、LaN/CeN值等指标，反应了双鹰山组黑色岩系受海底热水作用的影响。正常海相沉积岩中 Ba/Sr值小于 1，存在热液活动时该比值大于 1（Smith and Cronan，1983；Peter and Scott， 1988；陈晶源等，2025）。双鹰山组黑色岩系Ba/Sr比值远大于1，为16.04~39.07，具有明显受热水影响的指标特征。但是钒矿石由于受到成矿作用的叠加改造影响，指标范围为 0.23~14.2。LaN/CeN值小于 1 时存在热水作用，正常海水沉积则大于 1（Hogdahl et al.，1968）。双鹰山组黑色岩系 LaN/CeN值分布在 0.22~0.55（平均 0.45），具有受到热水作用影响的指标特征。钒矿石受到成矿作用的叠加改造，该比值集中在0.97~1.21（平均1.10）。
综上分析，红柳沟北钒矿赋矿岩石双鹰山组沉积物质主要来自陆源碎屑，成岩过程中受到一定程度的热水作用影响。
4.2 大地构造及沉积环境
黑色岩系在洋中脊、大洋盆地和大陆边缘等位置具有不同的地球化学组成。MnO/TiO2比值在海沟和深海范围内大于0.5，而在近岸浅海陆架内该值 ＜0.2（刘思聪，2021）。除 KZK307-32 样品该值为 0.39和TC116-2样品MnO低于检测限，区内其他17 件样品该比值为0.04~0.18，显示双鹰山组黑色岩系的沉积环境总体具有近岸浅海环境特征。沉积岩中 Al2O3/（ Al2O3+Fe2O3）比值为 0.55~0.9 时属于大陆边缘环境，当比值为 0.4~0.7 时属于远洋深海环境，当比值为 0.05~0.4 时指示洋中脊环境（Murray， 1994）。研究区钒矿石Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）值分布在 0.40~0.58，双鹰山组黑色岩系变化于 0.55~0.76，显示沉积环境具有大陆边缘和远洋深海环境的指标特征。黑色岩系在不同构造背景下 LaN/CeN值也有所差异，大陆边缘环境比值为 0.5~1.5、大洋盆地为 1.0~2.5、洋中脊则增大到3.5（黄虎等，2013；计波等， 2018；叶伟等，2024）。除少数离群数据，钒矿石与黑色岩系LaN/CeN值多数为0.55~2.02，显示双鹰山组黑色岩系构造背景具有大陆边缘环境与大洋盆地的特征。LaN/CeN-Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）、Fe2O3/TiO2-Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）、Fe2O3/（100-SiO2）-Al2O3/（100-SiO2）等地球化学判别图显示，双鹰山组黑色岩系沉积环境总体为大陆边缘构造环境，部分偏向深海环境沉积的指标范围（图8）。综合以上的地球化学指标，双鹰山组黑色岩系的沉积构造环境为大陆边缘区或者紧邻大陆边缘区域。
4.3 沉积氧化还原环境
V 和 Ni元素可作为判断沉积环境的重要指标。一般V/（V+Ni）大于0.5指示静海和缺氧环境，比值小于0.4为氧化环境（Lewan and Maynard，1982）。钒矿石和双鹰山组黑色岩系的 V/（V+Ni）比值为 0.65~0.99，反映其沉积环境为还原性的缺氧特征，其中，钒矿石的比值更高，指示其具有较强的还原程度。 Krejci-Graf（1964）和 Dill（1986）认为，当 V/Cr 值小于 2 时，岩石形成于氧化环境，为 2~2.45 时，为贫氧环境，为 2.45~4.25 时，为缺氧环境；大于 4.25 时，则形成于厌氧环境。Jones and Manning（1994）认为当 Ni/Co 值大于 7 时指示极度缺氧沉积环境，Ni/Co 值为5～7时，为贫氧沉积环境，Ni/Co值小于5时，为氧化环境。钒矿石Ni/Co和V/Cr比值分别为9.67~32.5 和 6.67~28.0，双鹰山组黑色岩系该比值分别为 3.14~7.46和1.24~21.7，显示钒矿石形成于缺氧的强还原环境，双鹰山组黑色岩系具有贫氧-氧化环境的特征（图9）。
图8红柳沟北钒矿床Al2O3/（ Al2O3+Fe2O3）-（La/Ce）N图解 （a）、Al2O3/（ Al2O3+Fe2O3）-Fe2O3/TiO2图解（b）、Al2O3/（ 100-SiO2）-Fe2O3/（ 100-SiO2）图解（底图据Murray，1994）
稀土元素对环境的变化更敏感，其中Ce是评价氧化还原性的重要地球化学指标。处于氧化环境的沉积物中 δCe 大于 1，表现为正异常，而处于缺氧环境沉积物中 δCe 小于 1，表现为负异常（王建， 2020；凌亚军等，2022）。钒矿石δCe值为0.40~0.49，反映缺氧的还原环境特征。双鹰山组黑色岩系δCe 为0.85~1.33，反映缺氧-氧化变化的环境特征。
综上分析，双鹰山组沉积环境属于贫氧-氧化环境的特征，而含钒炭质板岩则形成于缺氧的强还原环境。
图9红柳沟北钒矿床沉积环境判识图（底图据Wang et al.，2023）
a— (Ni/Co) - (V/Cr) ；b— (Ni/Co) -V/ (V+Ni)
4.4 矿床成因及成矿模式
红柳沟北钒矿体呈层状—似层状展布于下寒武统双鹰山组，显示强烈的层控性特征。区域上新泉北、塔水井、五一山及七角井等钒矿床的赋矿层位，均受控于下寒武统双鹰山组炭质板岩。含矿岩系以高炭质、富泥质为典型标志，属于陆源碎屑沉积经低级变质作用（绿片岩相）改造的海侵序列沉积建造，指示成矿过程发育于缺氧的还原性沉积环境（逯文辉等，2019）。
早寒武世初期，Rodinia超大陆裂解导致北山地区发生大规模构造运动、岩浆活动及变质作用等。期间，构造运动造成区域地壳沉降形成凹陷，沉积了来自古陆风化剥蚀而来的陆源碎屑物质和陆源钒等成矿元素。北山地区卡瓦布拉克—红柳河深大断裂和方山口—平台山断裂为成矿热液上涌提供了通道，带来了富含金属元素的热液成矿流体 （杨恩林，2015）。南陀冰期之后，海侵导致海底缺氧，海生生物、藻类死亡后形成的有机质及黏土矿物等对金属元素钒等有强烈的吸附和富集作用 （Peacock and Sherman，2004）。钒等金属元素随有机质及黏土矿物等进入沉积物中，从而完成初步富集。结合前人对钒元素在黑色岩系中价态变化研究，流体最初流经富含有机质（如H2S、有机碳）的碎屑物时，V5+ 会被还原为V4+，随着成矿流体进一步接触有机质颗粒，V4+ 最终被还原为V3+，并以吸附形式赋存在黏土矿物、硅质矿物表面以及以类质同象形式形成独立矿物钒云母，最终随碎屑物一同沉积成岩形成钒矿床（图10；Cao et al.，2019；周成胶等， 2021）。
图10红柳沟北钒矿床钒富集模式图（据杨恩林，2015；丁建华，2023修改）
综上所述，红柳沟北钒矿的成矿物质主要来源于陆源碎屑物质的供给。泥质质点等吸附海水中的钒元素，形成分布较均匀的含钒炭泥硅质页岩，后经变质作用，钒元素进一步富集成矿，生成钒云母、含钒云母等均匀散布于浅变质的炭质板岩中 （张愿宁等，2020）。因此，红柳沟北钒矿为受到热水作用影响的沉积变质型钒矿床。
5 结论
（1）甘肃红柳沟北钒矿床产于下寒武统双鹰山组，钒矿类型为炭质板岩型，灰黑色炭质板岩为钒矿的找矿标志层。
（2）双鹰山组黑色岩系的物源主要为陆源碎屑，沉积构造环境为大陆边缘区或者紧邻大陆边缘区域，沉积环境具有贫氧-氧化的特征，而含钒碳质板岩则形成缺氧的强还原环境。
（3）矿床属于海相沉积变质型矿床，陆源碎屑、变质作用、热水作用等外在因素为V3+ 形成和富集提供了条件。
图1研究区大地构造位置图（a，据Yu et al.，2016修改）和北山地区区域地质简图（b，据张愿宁等，2020修改）
图2北山地区红柳沟钒矿矿区地质图
图3红柳沟北钒矿床Ⅲ矿段双鹰山组含矿层位地质剖面图
图4红柳沟北钒矿典型矿石及显微结构照片
图5红柳沟北钒矿床微量元素大陆地壳标准化蜘蛛网图（大陆地壳数据据Taylor and Mclennnan，1985）
图6红柳沟北钒矿床稀土元素配分模式图（PAAS数据据Taylor and Mclennnan，1985）
图7红柳沟北钒矿床SiO2-Zr相关关系图解（a，底图据管全中等，2021）、Al/（Al+Fe+Mn）-lg（Fe/Ti）图解（b，据徐林刚等，2022）、Al2O3-SiO2图解（c，底图据Boström and Peter‐ son，1969；Stanton，1987）
图8红柳沟北钒矿床Al2O3/（ Al2O3+Fe2O3）-（La/Ce）N图解 （a）、Al2O3/（ Al2O3+Fe2O3）-Fe2O3/TiO2图解（b）、Al2O3/（ 100-SiO2）-Fe2O3/（ 100-SiO2）图解（底图据Murray，1994）
图9红柳沟北钒矿床沉积环境判识图（底图据Wang et al.，2023）
图10红柳沟北钒矿床钒富集模式图（据杨恩林，2015；丁建华，2023修改）
表1红柳沟北钒矿床矿石及围岩主量元素分析结果（10-2）及特征参数
表2红柳沟北钒矿床矿石及围岩微量元素分析结果（10-6）及特征参数
表3红柳沟北钒矿床矿石及围岩稀土元素分析结果（10-6）及特征参数
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