2023, Vol. 32
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中国铝土矿资源比较丰富, 但储量分布相对集中.其中华北陆块和扬子陆块是铝土矿成矿地质条件最好的, 也是铝土矿资源最丰富的地区.山西、广西、贵州和河南4省区铝土矿资源量和矿区数均位居全国前列, 4省区铝土矿保有资源量合计超过全国保有资源量的90%.其中, 山西约占37%, 是中国第一铝土矿资源大省, 广西、贵州和河南分别以20%、18%和17%位居第二、第三和第四位[1].
华北陆块是我国铝土矿产出的重要构造单元.含矿岩系层序组成严格受喀斯特地形控制[2-6], 以古风化壳沉积型矿床为主.矿石以一水硬铝石为主, 中低铝硅比.探明资源储量约占全国铝土矿资源储量的78%[7-8].豫西是我国铝土矿资源的重要基地, 其中巩义地区是河南省铝土矿发现最早的地区, 也是豫西铝土矿成矿带的重要组成部分[9].
由于铝土矿是化学风化作用的终极产物, 其形成主要受化学风化作用控制, 与强烈的化学风化作用密切相关[10-11].铝土矿的形成过程是化学风化造成碱土与碱金属元素如K、Na、Ca、Mg等大量流失, 稳定的元素如Al、Ti等残留的过程[12].
本文依托"河南省巩义市涉村铝(黏)土矿中深部普查"项目(河南省国土资源厅在全省范围内布署实施的煤下铝(黏)土矿的整装勘查项目之一), 在河南巩义地区铝土矿调查工作基础上, 分析铝土矿的地球化学特征, 研究该区域的成矿背景和地球化学组成之间的关系, 以期为该区域铝土矿勘查及开采提供有用的信息.
2 地质背景 2.1 矿区地质特征河南省铝土矿成矿区, 大地构造上位于中朝准地台的西南缘, 二级构造单元为嵩箕中台隆和渑池-确山陷褶断束, 地层区划属华北沉积区豫西分区的嵩箕小区和新渑小区.
研究区所属龙门-巩义矿带, 划属华北地层区豫西地层分区嵩箕地层小区.出露的主要地层有下古生界奥陶系, 上古生界石炭系、二叠系和第四系.构造以断裂为主, 主要构造有五指岭正断层(F1)、嵩山断裂(F3)(图 1).
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图 1 河南省涉村铝土矿区域地质简图 Fig.1 Regional geological sketch map of Shecun bauxite deposit in Henan Province 1-第四系上更新统(Quaternary Upper Pleistocene); 2-第四系中更新统(Quaternary Middle Pleistocene); 3-三叠系下统刘家沟组(Lower Triassic Liujiagou fm.); 4-二叠系上统石千峰组(Upper Permian Shiqianfeng fm.); 5-二叠系中统上石盒子组(Middle Permian Shangshihezi fm.); 6-二叠系下统下石盒子组(Lower Permian Xiashihezi fm.); 7-二叠系下统山西组(Lower Permian Shanxi fm.); 8-石炭系上统太原组(Upper Carboniferous Taiyuan fm.); 9-石炭系上统本溪组(Upper Carboniferous Benxi fm.); 10-奥陶系中统(Middle Ordovician); 11-寒武系上统(Upper Cambrian); 12-寒武系中统(Middle Cambrian); 13-寒武系下统(Lower Cambrian); 14-五佛山群马鞍山组(Maanshan fm.of Wufoshan gr.); 15-嵩山群五指岭组(Wuzhiling fm.of Songshan gr.); 16-断层(fault); 17-地质界线(geological boundary); 18-平行不整合地质界线(parallel unconformity); 19-研究区(study area); 20-铝土矿区(bauxite mining area) |
研究区矿体赋存于上古生界石炭系上统本溪组(C2b).本溪组具3层结构: 上部为灰、灰黑色黏土质页岩, 局部含黏土矿; 中部为灰黑色、灰及深灰色一水硬铝土矿, 矿石结构主要有豆鲕状、碎屑状、致密状、致密状及它们之间的过度混合型结构, 矿石构造有致密块状、层纹状及蜂窝状构造; 下部为灰黑色硫铁矿, 致密结构, 块状构造, 常有黄铁矿富集.研究区铝土矿主要赋存于本溪组中部.矿体形态大体可分为似层状、漏斗状以及两者的复合形态.从空间上看, 矿体的总体形态应是在厚度一至数米的似层状矿体背景上, 不等距地嵌布着大厚度的漏斗状矿体的复合形态.依据施工的120个钻孔统计, 本溪组厚2.98~92.36 m, 平均厚度13.36 m.研究共发现23个铝土矿矿体, 其中主矿体3个, 分别为K1、K2、K3矿体, 为一超大型铝土矿矿床.
2.3 铝土矿的矿石特征依据形成环境和表生富集作用, 研究区铝土矿的矿石类型主要可分为致密状铝土矿、豆鲕状铝土矿、碎屑状铝土矿和蜂窝状铝土矿, 以及其过度类型.
矿石矿物成分主要为一水硬铝石(含量45%~95%), 其次为高岭石、伊利石等(含量4%~25%), 含少量菱铁矿、黄铁矿、方解石、白云石等, 微量矿物有锆石、磷灰石等.
矿石结构主要为豆鲕状结构、碎屑结构、致密状结构及它们之间的过渡型结构.矿石构造主要为致密块状构造、层纹状构造、蜂窝状构造.
3 地球化学特征 3.1 矿石的化学成分河南省巩义市涉村铝(黏)土矿中深部普查项目共计施工120个钻孔, 其中71个钻孔见矿.采集基本分析样品1 385件, 分析项目包含: Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、烧失量和S共6项.取组合样21件, 分析项目包含Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3等.
1) 主要成分: 通过对研究区71个见矿钻孔基本分析样的统计和分析, 铝土矿矿石的主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S, 共占总成分的83.42%.矿石主要化学成分中, Al2O3 40.46%~77.59%, 平均60.68%;SiO2 1.00%~29.54%, 平均14.07%;Fe2O3 0.39%~21.75%, 平均3.66%;TiO2 0.96%~5.34%, 平均3.06%;S 0.02%~15.53%, 平均1.95%;铝硅比值(A/S)1.8~65.1, 平均4.3.
2) 次要成分: 通过对21个组合分析样的统计和分析, 铝土矿矿石的次要化学成分为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).
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表 1 铝土矿化学成分含量统计表 Table 1 Statistics of chemical composition contents of bauxite |
铝土矿的主要化学成分由Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S等组成, 含量占铝土矿总含量的83.42%.其中Al2O3反映了一水硬铝石的赋存状态, SiO2反映了高岭石、伊利石的赋存状态, Fe2O3与S反映了菱铁矿、黄铁矿的赋存状态.研究区铝土矿主要化学成分Al2O3、SiO2、TiO2分布相对稳定, 有害组分Fe2O3和S分布不均匀.
从表 1可以看出, Al2O3含量较高, SiO2含量较低, 且铝硅比值(A/S)变化较大, 表明铝土矿是风化作用的最终产物, 风化淋滤过程中碱金属和碱土金属几乎被彻底流失, SiO2也被部分淋滤流失.这些特征反映该铝土矿是比较典型的胶体化学沉积矿床, 在滨海-潟湖环境下, 由于pH、Eh值变化, 风化物中的铝质沉积于奥陶系或寒武系的风化剥蚀岩溶凹地面上, 形成铝土矿沉积矿床[13-15].
4 矿体矿化特征 4.1 矿体的厚度、品位与含矿岩系厚度的关系通过对研究区71个见矿钻孔的数据分析, 单工程矿体铅直厚度0.32~57.8 m, 单工程矿体Al2O3含量最低42.58%, 最高71.89%;单工程矿体铝硅比值(A/S)最低1.8, 最高20.7.矿体厚度是衡量铝土矿矿床规模的一个重要参数.该铝土矿矿体厚度与含矿岩系厚度、Al2O3含量、A/S值均呈较明显正相关, 相关系数分别为0.69、0.47、0.63, 相关性中度; 与SiO2含量呈负相关, 相关系数为-0.53, 相关性中度.说明矿体厚度越厚, Al2O3含量、A/S值越大, SiO2含量越小.
Al2O3含量是铝土矿矿石质量最重要的参数之一.该铝土矿Al2O3含量与含矿岩系厚度、A/S值呈正相关性, 相关系数分别为0.32、0.70, 与含矿岩系厚度相关性较弱, 与A/S值呈高度相关; 与SiO2、Fe2O3、S呈明显负相关性, 相关系数分别为-0.77、-0.60、-0.54, 相关性中度至高度.
4.2 化学成分在单工程空间变化上的变化根据68线剖面上的4个单体工程的见矿情况(表2, 扫描首页OSID二维码可见), 分别从单体工程的垂向与整条剖面的纵向进行对比分析, 从矿体埋深、矿厚与Al2O3含量和A/S的相关性确定铝土矿在垂向与纵向上的变化规律.
以见矿较好的ZK6824钻孔为例, 该钻孔见铝土矿3层, 3层矿体中间均被铝质黏土岩隔开, 最底部见硫铁矿.该钻孔很好地反映了本溪组的3层结构特征及铝土矿的沉积变化(图 2).
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图 2 ZK6824井本溪组岩性柱状图 Fig.2 Lithological column of Benxi Formation in well ZK6824 |
从铝土矿矿体的不同埋深(标高)进行对比分析矿体埋深对Al2O3含量及A/S值的影响, 从图 3、4可以看出, 在不同埋深下, 相对深度越大, Al2O3的含量值及A/S值相对越大.
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图 3 ZK6824井不同埋深下Al2O3含量变化趋势 Fig.3 Variation trend of Al2O3 content by buried depth in well ZK6824 |
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图 4 ZK6824井不同埋深下A/S值变化趋势 Fig.4 Variation trend of A/S ratio by burial depth in well ZK6824 |
从图 5可以看出, 铝土矿Al2O3含量与TiO2含量有较强正相关性, 相关系数为0.64, TiO2主要来源为金红石.金红石是各种岩石特别是地壳组成岩石中重要的副矿物, 它在成岩、风化和各种不同程度的变质过程中均能保持极大的稳定性[16-17], 这从侧面反映了本区遭受了强烈的风化剥蚀作用.
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图 5 TiO2与Al2O3含量相关性趋势图 Fig.5 Correlation trend between TiO2 and Al2O3 contents |
从图 6可以看出, SiO2含量与矿体厚度及含矿岩系厚度呈明显的负相关, 但与含矿岩系厚度相关性较低, 与TiO2有较强的负相关, 相关系数为-0.50.这也说明了风化剥蚀程度越高, SiO2含量越低, 越容易形成较富的铝土矿体.
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图 6 TiO2与SiO2含量相关性趋势图 Fig.6 Correlation trend between TiO2 and SiO2 contents |
风化作用对铝土矿地球化学特征有一定的影响, 化学风化指数(CIA)通常用来衡量沉积物和岩石的风化程度[18-19], 其表达式为: CIA=[(Al2O3)/(Al2O3+CaO+K2O+Na2O)]×100.本研究区的CIA值可达到91.16, 表明区内含铝岩系遭受了强烈的化学风化作用.
铝土矿是风化作用最终阶段的产物, 当风化作用进行到最后阶段--铝铁土阶段, 铝硅酸盐矿物被彻底分解, 全部可迁移的成分都被带走, 主要剩下Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2等成分, 为铝土矿的主要成分[20].
本区TiO2含量与Al2O3含量有较强正相关性, 与SiO2含量呈明显的负相关性, 从而说明该区经历了强烈的风化剥蚀作用.含铝的基岩经过强烈的风化作用, 形成黏土矿物, 形成的粘土矿物经脱硅富铝作用最终形成铝土矿.
6 结论通过对河南省巩义地区铝土矿主要成分及次要成分测试, 研究了分析该铝土矿床的地球化学特征, 得到以下认识.
1) 铝土矿矿石主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S, 共占总成分的83.42%.Al2O3含量为40.46%~77.59%, 平均60.68%;SiO2 1.00%~29.54%, 平均14.07%;铝硅比值(A/S)1.8~65.1, 平均4.3.
2) Al2O3含量与含矿岩系厚度、A/S值呈正相关性; 与SiO2、Fe2O3、S呈明显负相关性.在不同埋深下, 相对深度越大, Al2O3的含量值及A/S值相对越大.
3) 铝土矿的化学成分总体受埋深及岩溶漏斗影响, 相同埋深情况下, 岩溶漏斗地区其Al2O3含量值较高, 铝硅比值(A/S)较高.
4) 铝土矿TiO2含量与Al2O3含量有较强正相关性, 与SiO2含量呈明显的负相关性, CIA值可达到91.16, 说明含矿岩系经历了强烈的风化剥蚀作用.
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