楊 武,梁小山,胡 盛,楊持恒
河南省資源環(huán)境調(diào)查四院有限公司,河南鄭州450000
中國(guó)鋁土礦資源比較豐富,但儲(chǔ)量分布相對(duì)集中.其中華北陸塊和揚(yáng)子陸塊是鋁土礦成礦地質(zhì)條件最好的,也是鋁土礦資源最豐富的地區(qū).山西、廣西、貴州和河南4 省區(qū)鋁土礦資源量和礦區(qū)數(shù)均位居全國(guó)前列,4 省區(qū)鋁土礦保有資源量合計(jì)超過全國(guó)保有資源量的90%.其中,山西約占37%,是中國(guó)第一鋁土礦資源大省,廣西、貴州和河南分別以20%、18%和17%位居第二、第三和第四位[1].
華北陸塊是我國(guó)鋁土礦產(chǎn)出的重要構(gòu)造單元.含礦巖系層序組成嚴(yán)格受喀斯特地形控制[2-6],以古風(fēng)化殼沉積型礦床為主.礦石以一水硬鋁石為主,中低鋁硅比.探明資源儲(chǔ)量約占全國(guó)鋁土礦資源儲(chǔ)量的78%[7-8].豫西是我國(guó)鋁土礦資源的重要基地,其中鞏義地區(qū)是河南省鋁土礦發(fā)現(xiàn)最早的地區(qū),也是豫西鋁土礦成礦帶的重要組成部分[9].
由于鋁土礦是化學(xué)風(fēng)化作用的終極產(chǎn)物,其形成主要受化學(xué)風(fēng)化作用控制,與強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用密切相關(guān)[10-11].鋁土礦的形成過程是化學(xué)風(fēng)化造成堿土與堿金屬元素如K、Na、Ca、Mg 等大量流失,穩(wěn)定的元素如Al、Ti 等殘留的過程[12].
本文依托“河南省鞏義市涉村鋁(黏)土礦中深部普查”項(xiàng)目(河南省國(guó)土資源廳在全省范圍內(nèi)布署實(shí)施的煤下鋁(黏)土礦的整裝勘查項(xiàng)目之一),在河南鞏義地區(qū)鋁土礦調(diào)查工作基礎(chǔ)上,分析鋁土礦的地球化學(xué)特征,研究該區(qū)域的成礦背景和地球化學(xué)組成之間的關(guān)系,以期為該區(qū)域鋁土礦勘查及開采提供有用的信息.
河南省鋁土礦成礦區(qū),大地構(gòu)造上位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)的西南緣,二級(jí)構(gòu)造單元為嵩箕中臺(tái)隆和澠池-確山陷褶斷束,地層區(qū)劃屬華北沉積區(qū)豫西分區(qū)的嵩箕小區(qū)和新澠小區(qū).
研究區(qū)所屬龍門-鞏義礦帶,劃屬華北地層區(qū)豫西地層分區(qū)嵩箕地層小區(qū).出露的主要地層有下古生界奧陶系,上古生界石炭系、二疊系和第四系.構(gòu)造以斷裂為主,主要構(gòu)造有五指嶺正斷層(F1)、嵩山斷裂(F3)(圖1).
研究區(qū)礦體賦存于上古生界石炭系上統(tǒng)本溪組(C2b).本溪組具3 層結(jié)構(gòu):上部為灰、灰黑色黏土質(zhì)頁(yè)巖,局部含黏土礦;中部為灰黑色、灰及深灰色一水硬鋁土礦,礦石結(jié)構(gòu)主要有豆鮞狀、碎屑狀、致密狀、致密狀及它們之間的過度混合型結(jié)構(gòu),礦石構(gòu)造有致密塊狀、層紋狀及蜂窩狀構(gòu)造;下部為灰黑色硫鐵礦,致密結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,常有黃鐵礦富集.研究區(qū)鋁土礦主要賦存于本溪組中部.礦體形態(tài)大體可分為似層狀、漏斗狀以及兩者的復(fù)合形態(tài).從空間上看,礦體的總體形態(tài)應(yīng)是在厚度一至數(shù)米的似層狀礦體背景上,不等距地嵌布著大厚度的漏斗狀礦體的復(fù)合形態(tài).依據(jù)施工的120 個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì),本溪組厚2.98~92.36 m,平均厚度13.36 m.研究共發(fā)現(xiàn)23 個(gè)鋁土礦礦體,其中主礦體3 個(gè),分別為K1、K2、K3 礦體,為一超大型鋁土礦礦床.
依據(jù)形成環(huán)境和表生富集作用,研究區(qū)鋁土礦的礦石類型主要可分為致密狀鋁土礦、豆鮞狀鋁土礦、碎屑狀鋁土礦和蜂窩狀鋁土礦,以及其過度類型.
礦石礦物成分主要為一水硬鋁石(含量45%~95%),其次為高嶺石、伊利石等(含量4%~25%),含少量菱鐵礦、黃鐵礦、方解石、白云石等,微量礦物有鋯石、磷灰石等.
礦石結(jié)構(gòu)主要為豆鮞狀結(jié)構(gòu)、碎屑結(jié)構(gòu)、致密狀結(jié)構(gòu)及它們之間的過渡型結(jié)構(gòu).礦石構(gòu)造主要為致密塊狀構(gòu)造、層紋狀構(gòu)造、蜂窩狀構(gòu)造.
河南省鞏義市涉村鋁(黏)土礦中深部普查項(xiàng)目共計(jì)施工120 個(gè)鉆孔,其中71 個(gè)鉆孔見礦.采集基本分析樣品1 385 件,分析項(xiàng)目包含:Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、燒失量和S 共6 項(xiàng).取組合樣21 件,分析項(xiàng)目包含Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3等.
1)主要成分:通過對(duì)研究區(qū)71 個(gè)見礦鉆孔基本分析樣的統(tǒng)計(jì)和分析,鋁土礦礦石的主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S,共占總成分的83.42%.礦石主要化學(xué)成分中,Al2O340.46%~77.59%,平均60.68%;SiO21.00%~29.54%,平均14.07%;Fe2O30.39%~21.75%,平均3.66%;TiO20.96%~5.34%,平均3.06%;S 0.02%~15.53%,平均1.95%;鋁硅比值(A/S)1.8~65.1,平均4.3.
2)次要成分:通過對(duì)21 個(gè)組合分析樣的統(tǒng)計(jì)和分析,鋁土礦礦石的次要化學(xué)成分為CaO 0.17%~10.27%,平均1.41%;MgO 0.10%~1.05%,平均0.51%;K2O 0.41%~5.07%,平均2.18%;Na2O 0.03%~0.20%,平均0.11%(表1).
表1 鋁土礦化學(xué)成分含量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of chemical composition contents of bauxite
鋁土礦的主要化學(xué)成分由Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S 等組成,含量占鋁土礦總含量的83.42%.其中Al2O3反映了一水硬鋁石的賦存狀態(tài),SiO2反映了高嶺石、伊利石的賦存狀態(tài),F(xiàn)e2O3與S 反映了菱鐵礦、黃鐵礦的賦存狀態(tài).研究區(qū)鋁土礦主要化學(xué)成分Al2O3、SiO2、TiO2分布相對(duì)穩(wěn)定,有害組分Fe2O3和S 分布不均勻.
從表1 可以看出,Al2O3含量較高,SiO2含量較低,且鋁硅比值(A/S)變化較大,表明鋁土礦是風(fēng)化作用的最終產(chǎn)物,風(fēng)化淋濾過程中堿金屬和堿土金屬幾乎被徹底流失,SiO2也被部分淋濾流失.這些特征反映該鋁土礦是比較典型的膠體化學(xué)沉積礦床,在濱海-潟湖環(huán)境下,由于pH、Eh值變化,風(fēng)化物中的鋁質(zhì)沉積于奧陶系或寒武系的風(fēng)化剝蝕巖溶凹地面上,形成鋁土礦沉積礦床[13-15].
通過對(duì)研究區(qū)71 個(gè)見礦鉆孔的數(shù)據(jù)分析,單工程礦體鉛直厚度0.32~57.8 m,單工程礦體Al2O3含量最低42.58%,最高71.89%;單工程礦體鋁硅比值(A/S)最低1.8,最高20.7.礦體厚度是衡量鋁土礦礦床規(guī)模的一個(gè)重要參數(shù).該鋁土礦礦體厚度與含礦巖系厚度、Al2O3含量、A/S 值均呈較明顯正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.47、0.63,相關(guān)性中度;與SiO2含量呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.53,相關(guān)性中度.說(shuō)明礦體厚度越厚,Al2O3含量、A/S 值越大,SiO2含量越小.
Al2O3含量是鋁土礦礦石質(zhì)量最重要的參數(shù)之一.該鋁土礦Al2O3含量與含礦巖系厚度、A/S 值呈正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為0.32、0.70,與含礦巖系厚度相關(guān)性較弱,與A/S 值呈高度相關(guān);與SiO2、Fe2O3、S 呈明顯負(fù)相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為-0.77、-0.60、-0.54,相關(guān)性中度至高度.
根據(jù)68 線剖面上的4 個(gè)單體工程的見礦情況(表2,掃描首頁(yè)OSID 二維碼可見),分別從單體工程的垂向與整條剖面的縱向進(jìn)行對(duì)比分析,從礦體埋深、礦厚與Al2O3含量和A/S 的相關(guān)性確定鋁土礦在垂向與縱向上的變化規(guī)律.
以見礦較好的ZK6824 鉆孔為例,該鉆孔見鋁土礦3 層,3 層礦體中間均被鋁質(zhì)黏土巖隔開,最底部見硫鐵礦.該鉆孔很好地反映了本溪組的3 層結(jié)構(gòu)特征及鋁土礦的沉積變化(圖2).
圖2 ZK6824 井本溪組巖性柱狀圖Fig.2 Lithological column of Benxi Formation in well ZK6824
從鋁土礦礦體的不同埋深(標(biāo)高)進(jìn)行對(duì)比分析礦體埋深對(duì)Al2O3含量及A/S 值的影響,從圖3、4 可以看出,在不同埋深下,相對(duì)深度越大,Al2O3的含量值及A/S 值相對(duì)越大.
圖3 ZK6824 井不同埋深下Al2O3 含量變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trend of Al2O3 content by buried depth in well ZK6824
圖4 ZK6824 井不同埋深下A/S 值變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of A/S ratio by burial depth in well ZK6824
從圖5 可以看出,鋁土礦Al2O3含量與TiO2含量有較強(qiáng)正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.64,TiO2主要來(lái)源為金紅石.金紅石是各種巖石特別是地殼組成巖石中重要的副礦物,它在成巖、風(fēng)化和各種不同程度的變質(zhì)過程中均能保持極大的穩(wěn)定性[16-17],這從側(cè)面反映了本區(qū)遭受了強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕作用.
圖5 TiO2 與Al2O3 含量相關(guān)性趨勢(shì)圖Fig.5 Correlation trend between TiO2 and Al2O3 contents
從圖6 可以看出,SiO2含量與礦體厚度及含礦巖系厚度呈明顯的負(fù)相關(guān),但與含礦巖系厚度相關(guān)性較低,與TiO2有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.50.這也說(shuō)明了風(fēng)化剝蝕程度越高,SiO2含量越低,越容易形成較富的鋁土礦體.
圖6 TiO2 與SiO2 含量相關(guān)性趨勢(shì)圖Fig.6 Correlation trend between TiO2 and SiO2 contents
風(fēng)化作用對(duì)鋁土礦地球化學(xué)特征有一定的影響,化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIA)通常用來(lái)衡量沉積物和巖石的風(fēng)化程度[18-19],其表達(dá)式為:CIA=[(Al2O3)/(Al2O3+CaO+K2O+Na2O)]×100.本研究區(qū)的CIA 值可達(dá)到91.16,表明區(qū)內(nèi)含鋁巖系遭受了強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用.
鋁土礦是風(fēng)化作用最終階段的產(chǎn)物,當(dāng)風(fēng)化作用進(jìn)行到最后階段——鋁鐵土階段,鋁硅酸鹽礦物被徹底分解,全部可遷移的成分都被帶走,主要剩下Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2等成分,為鋁土礦的主要成分[20].
本區(qū)TiO2含量與Al2O3含量有較強(qiáng)正相關(guān)性,與SiO2含量呈明顯的負(fù)相關(guān)性,從而說(shuō)明該區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕作用.含鋁的基巖經(jīng)過強(qiáng)烈的風(fēng)化作用,形成黏土礦物,形成的粘土礦物經(jīng)脫硅富鋁作用最終形成鋁土礦.
通過對(duì)河南省鞏義地區(qū)鋁土礦主要成分及次要成分測(cè)試,研究了分析該鋁土礦床的地球化學(xué)特征,得到以下認(rèn)識(shí).
1)鋁土礦礦石主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S,共占總成分的83.42%.Al2O3含量為40.46%~77.59%,平均60.68%;SiO21.00%~29.54%,平均14.07%;鋁硅比值(A/S)1.8~65.1,平均4.3.
2)Al2O3含量與含礦巖系厚度、A/S 值呈正相關(guān)性;與SiO2、Fe2O3、S 呈明顯負(fù)相關(guān)性.在不同埋深下,相對(duì)深度越大,Al2O3的含量值及A/S 值相對(duì)越大.
3)鋁土礦的化學(xué)成分總體受埋深及巖溶漏斗影響,相同埋深情況下,巖溶漏斗地區(qū)其Al2O3含量值較高,鋁硅比值(A/S)較高.
4)鋁土礦TiO2含量與Al2O3含量有較強(qiáng)正相關(guān)性,與SiO2含量呈明顯的負(fù)相關(guān)性,CIA 值可達(dá)到91.16,說(shuō)明含礦巖系經(jīng)歷了強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕作用.