豫西鞏義市涉村鋁土礦礦床地質(zhì)特征與礦石綜合利用

楊 武， 梁小山， 胡 盛， 楊持恒

(河南省資源環(huán)境調(diào)查四院，河南 鄭州 450000)

關(guān)鍵字：涉村鋁土礦礦床；礦床地質(zhì)特征；伴生組分；本溪組；河南鞏義

0 引言

中國鋁土礦資源比較豐富，且儲量分布相對集中[1]。其中華北陸塊和揚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)。我國鋁土礦主要分布在山西[2]、河南、貴州[3]、桂西[4]等地，多屬典型喀斯特型鋁土礦[5-6]，喀斯特型鋁土礦占據(jù)我國鋁土礦總資源量的85%以上[7]。

河南省鋁土礦主要分布在三門峽—鄭州—平頂山之間的三角地帶，可劃分為6個主要成礦帶，即：三門峽—新安礦帶、龍門—鞏義礦帶、登封—新密礦帶、鰲頭—楚嶺礦帶、汝州—禹州礦帶、宜陽—寶豐礦帶[8]。豫西是我國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[9-12]。

隨著淺部露天開采鋁土礦礦石資源量的逐步減少，尋找深部隱伏礦床即煤層下部鋁土礦變得十分迫切，自2010年起河南省國土資源廳利用省地質(zhì)勘查基金在全省范圍內(nèi)布署實施煤下鋁(黏)土礦的整裝勘查工作[13-15]，“河南省鞏義市涉村鋁(黏)土礦中深部普查”為全省“煤下鋁土礦整裝勘查”項目之一。借鑒前期通過鋁土礦礦物組成、組合、成因以及元素組成和變化規(guī)律探討鋁土礦成礦過程[7]，本研究依托該項目的地質(zhì)調(diào)查、鉆探工程、巖礦測試等工作成果，對涉村地區(qū)鋁土礦的礦層、礦體、礦石等特征總結(jié)分析，以期為豫西地區(qū)鋁土礦的勘查研究提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

河南省鋁土礦成礦區(qū)，大地構(gòu)造上位于華北克拉通南部，秦嶺造山帶的北部。本區(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) (圖1)。區(qū)域上出露的地層主要有古元古界嵩山群(Pt1Sn)、中元古界薊縣系(Jx)、下古生界寒武系(∈)和奧陶系(O)部分地層、上古生界石炭系(C)和二疊系(P)、中生界三疊系(T)、新生界新近系(N)和第四系(Q)。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 控礦地層層位

本區(qū)位于鞏義市，區(qū)內(nèi)出露的主要地層有下古生界奧陶系(O)部分地層、上古生界石炭系(C)和二疊系(P)以及第四系(Q) (圖2)。構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，主要構(gòu)造有五指嶺正斷層(F1)和嵩山斷裂(F3) (圖1)。本區(qū)屬于典型的隱伏鋁土礦，鋁土礦在上石炭統(tǒng)本溪組中應(yīng)當(dāng)存在，隱伏鋁土礦實際上是已知鋁土礦在傾向上的自然延續(xù)[14]。

根據(jù)該區(qū)以往研究資料，結(jié)合本次勘探資料對鞏義地區(qū)含礦巖系層序變化特征展開深入分析研究。分析研究表明本區(qū)鋁土礦的含礦層位為上古生界上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)，由于本區(qū)鋁土礦含礦巖系的層序組成及特征受古喀斯特地形的控制，因此本區(qū)本溪組為一套鐵鋁質(zhì)巖層，層理、頁理不發(fā)育，具三層結(jié)構(gòu)。其中：上部為灰、灰黑色黏土質(zhì)頁巖，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、致密狀結(jié)構(gòu)及它們之間的過渡混合型結(jié)構(gòu)，礦石構(gòu)造有致密塊狀構(gòu)造、層紋狀構(gòu)造、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。根據(jù)本區(qū)施工的120個鉆孔統(tǒng)計，本區(qū)本溪組厚2.98～92.36 m，平均厚度13.36 m，與下伏馬家溝組(O2m)呈平行不整合接觸，與上覆地層太原組(C2t)整合接觸[15]。

2.2 礦體特征

勘探區(qū)共發(fā)現(xiàn)23個鋁土礦礦體，其中主礦體3個 (圖3)，為一超大型鋁土礦礦床。本區(qū)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)。主礦體基本特征見表1。

表1 涉村礦區(qū)鋁土礦礦體特征

本區(qū)屬于典型的以碳酸鹽巖為基底的鋁土礦，其成礦空間受喀斯特化作用控制，形態(tài)復(fù)雜[16]，從空間上看，礦體的總體形態(tài)是漏斗狀礦體不等間距地嵌布在似層狀礦體之上的復(fù)合形態(tài)，似層狀礦體一般厚1～10 m，漏斗狀礦體厚13.31～29.69 m。其中漏斗狀礦體是受碳酸鹽巖溶漏斗控制的一種特殊形態(tài)，常處于底盤碳酸鹽巖的古漏斗中，且在較大的漏斗狀礦體周邊一般不發(fā)育鋁土礦體，易出現(xiàn)鋁土礦沉積間斷。礦體礦層產(chǎn)狀與下伏碳酸巖古風(fēng)化面明顯不一致，由四周向中心傾斜，呈獨立產(chǎn)出，礦體厚度大，礦石質(zhì)量較好，且鋁土礦礦體的厚度與含礦巖系的厚度呈正相關(guān)關(guān)系，即含礦巖系厚度越大，礦體厚度也越大 (圖4)。

3 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3.1 礦石礦物

本區(qū)鋁土礦礦石主要礦物成分為一水硬鋁石(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。一水硬鋁石呈隱晶質(zhì)—微晶狀或微粒狀，粒徑一般為0.04～0.26 mm，微粒狀一水硬鋁石粒徑一般為0.08～0.26 mm。集合體多數(shù)呈不規(guī)則團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)，少數(shù)呈鮞狀結(jié)構(gòu)。鮞粒核心成分主要是黏土礦物，未見同心層。礦石主要礦物成分為一水硬鋁石主要來自來自云母族礦物的氧化分解[17]。

高嶺石：主要呈隱晶質(zhì)，分布在鮞粒中心部位。

伊利石：呈顯微鱗片狀。

菱鐵礦：呈他形粒狀，粒徑為0.07～0.62 mm。

3.2 礦石結(jié)構(gòu)

本區(qū)礦石結(jié)構(gòu)類型有豆鮞狀結(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) (圖5)。礦石構(gòu)造有致密塊狀構(gòu)造、層紋狀構(gòu)造、蜂窩狀構(gòu)造。

豆鮞狀結(jié)構(gòu)(圖5a、5b、5c)： 豆(鮞)粒形狀不太規(guī)則，似豆莢狀，長軸直徑0.2～9 mm，以大于2 mm的豆粒為主，可見同心層，但層數(shù)不多。有的礦石內(nèi)部礦物成分全是一水硬鋁石，有的礦石內(nèi)部礦物成分全是菱鐵礦，有的礦石內(nèi)部礦物成分是一水硬鋁石和菱鐵礦且兩種礦物定向排列。

碎屑狀結(jié)構(gòu)： 礫屑由鋁土礦及黏土礦的碎屑組成，碎屑粒度一般在1～3.5 mm之間，少數(shù)為9～26 mm，礫屑呈不規(guī)則的扁球狀、板條狀及粒狀。組成礦物為一水硬鋁石及高嶺石。

致密狀結(jié)構(gòu)(圖5d)： 由隱晶質(zhì)一水硬鋁石、高嶺石及少量微粒狀黏土礦物組成。一水硬鋁石呈他形粒狀及星散狀分布，結(jié)晶均一，部分呈凝膠狀及泥晶狀產(chǎn)出。高嶺石呈晶粒狀、隱晶膠狀、蠕蟲狀，沿凝塊邊緣或與一水硬鋁石相間分布。礦石質(zhì)地均一，致密堅硬。

3.3 礦石構(gòu)造

本區(qū)鋁土礦礦石主要構(gòu)造主要為層狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造、蜂窩狀構(gòu)造。其特征如下：

層狀構(gòu)造： 在部分礦石中的碎屑與豆鮞排列顯示方向性，其長軸與層面平行，略顯分選性。呈斷續(xù)水平狀層理，單層厚10～80 cm。部分層理發(fā)育，層間常夾鱗片狀黏土礦物及鐵質(zhì)浸染，形成薄層狀及條帶狀構(gòu)造。

塊狀構(gòu)造： 礦石中鋁土礦物呈他形粒狀集合體分布，礦石成分及礦石結(jié)構(gòu)無明顯差異，粒度均一，分布均勻，礦物粒狀集合體分布無方向性，不顯層理，是致密狀礦石的主要構(gòu)造特征。

蜂窩狀構(gòu)造： 礦石長期受次生淋濾作用，使部分豆鮞及礦石中的硅質(zhì)、鐵質(zhì)和其他易溶物質(zhì)流失，形成蜂窩狀孔洞及針狀孔洞，孔洞直徑一般為1～3 mm，少數(shù)為5～7 mm?？锥磧?nèi)常被棕灰色粉末狀次生高嶺石，一水硬鋁石、一水軟鋁石充填。蜂窩狀構(gòu)造在礫屑狀礦石中最發(fā)育，在砂狀礦石中多呈細(xì)小的針狀孔洞。

層紋狀構(gòu)造和致密塊狀構(gòu)造礦石多見于鋁土礦體頂部，少量見于底部，外觀細(xì)膩、致密，少數(shù)具微層理，這類礦石多為高品位礦石。蜂窩狀礦石多為豆鮞狀結(jié)構(gòu)，礦石中豆鮞風(fēng)化流失而成，常見于礦體下部或邊部，其礦石品位有高有低。

3.4 礦石化學(xué)成分

本次樣品測試分析工作： 礦石樣品的基本分析檢測由河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院實驗室 (乙級資質(zhì)) 和河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院實驗室 (乙級資質(zhì)) 承擔(dān)。外檢分別由河南省巖石礦物測試中心 (甲級資質(zhì)) 和河南省有色金屬地質(zhì)勘查總院 (甲級資質(zhì)) 承擔(dān)。

3.4.1 主要化學(xué)成分

通過對本區(qū)71個見礦鉆孔基本分析樣的統(tǒng)計和分析，本區(qū)鋁土礦的主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S 及 Loss (燒失量) 等，這6項含量占鋁土礦總含量的98.06%。其中 Fe2O3和 S 是有害組分，對鋁土礦礦石質(zhì)量影響較大。詳見主要化學(xué)成分特征表(表2)。

表2 單體工程鋁土礦礦石主要化學(xué)成分特征

3.4.2 次要化學(xué)成分

通過對21個組合分析樣品的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，鋁土礦礦石的次要化學(xué)成分：w(CaO)為0.17%～10.27%，平均1.41%；w(MgO)為0.10%～1.05%，平均0.51%；w(K2O)為0.41%～5.07%，平均2.18%；w(Na2O)為0.03%～0.20%，平均0.11%；w(V2O5)為0.02%～0.08%，平均0.042%；w(Ga)為0.001394%～0.0182%，平均0.005862%；w(Li2O)為0.002%～0.5134%，平均0.072468% (表3)。

表3 涉村鋁土礦石組合分析樣品次要化學(xué)成分特征

其中伴生Ga含量達(dá)到伴生鎵工業(yè)指標(biāo) [w(Ga)≥0.002%]；伴生氧化鋰工業(yè)指標(biāo)≥0.05%(溫同想1996年通過鋁土礦工藝流程試驗提出) 可以綜合利用，但伴生礦產(chǎn)賦存狀態(tài)復(fù)雜，需進(jìn)一步分析研究。

4 成礦物質(zhì)來源

本區(qū)經(jīng)歷了阜平、五臺運動，使元古界和太古界地層褶皺、變質(zhì)、混合巖化，構(gòu)成古老的結(jié)晶基底，在此基礎(chǔ)上沉積了元古界到古生界以基性-中酸性火山巖、淺海相陸源碎屑巖、鎂-鈣質(zhì)碳酸鹽巖為主的巖石建造。加里東期，本區(qū)整體抬升，形成了風(fēng)化產(chǎn)物的源地，經(jīng)歷了130 Ma ～150 Ma的風(fēng)化剝蝕，至石炭紀(jì)，由于受到華力西運動的影響，古陸地逐漸下沉，海水再次入侵，在古陸邊緣盆地、淺洼地、溶洞中首先沉積了以鐵質(zhì)為主的黏土巖、鐵鋁質(zhì)頁巖；隨著沉積環(huán)境的改變又先后沉積了鋁土礦、硅質(zhì)較高的黏土巖，以及含生物碎屑灰?guī)r，形成了奧陶系頂面灰?guī)r古溶蝕洼地―中石炭統(tǒng)本溪組含礦巖系―太原組生物灰?guī)r為蓋層的統(tǒng)一體。

由表2可知，本區(qū)Al2O3含量較高，SiO2含量較低，且鋁硅比(A/S)值變化較大，表明本區(qū)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也被部分淋濾丟失有關(guān)。這些特征反應(yīng)出該鋁土礦是比較典型的膠體化學(xué)沉積礦床，在濱海—瀉湖環(huán)境，由于pH、EH值變化，而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[18-19]。

5 結(jié)論

通過資料數(shù)據(jù)分析及地質(zhì)調(diào)查研究，針對豫西鞏義地區(qū)鋁土礦礦床，得到如下認(rèn)識：

1)該區(qū)鋁土礦的含礦層位為上古生界上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)，含礦巖系層序組成及巖性特征受古喀斯特地形條件的控制，具有三層結(jié)構(gòu)。上部主要為灰、灰黑色黏土質(zhì)頁巖，中部為灰黑色、灰及深灰色一水硬鋁土礦，下部為灰黑色硫鐵礦，常有黃鐵礦富集。

2)勘查區(qū)共發(fā)現(xiàn)23個鋁土礦礦體，其中3個主礦體，為河南省新發(fā)現(xiàn)的一超大型鋁土礦礦床。礦區(qū)礦體連續(xù)性較好，以似層狀、漏斗狀亦或兩者的復(fù)合形態(tài)為主。從空間分布上看，礦體的總體形態(tài)應(yīng)該為厚度1 m至數(shù)米的似層狀礦體，其中不等距地嵌布著厚度較大的漏斗狀礦體。

3)該區(qū)鋁土礦礦石主要礦物成分為一水硬鋁石 (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。礦石多為豆鮞狀、碎屑、致密塊狀結(jié)構(gòu)，呈團(tuán)塊狀、層紋狀、蜂窩狀構(gòu)造。

4)該區(qū)鋁土礦礦石的主要化學(xué)成分為 Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S 及 Loss (燒失量)，占其總含量的98.06%，鋁土礦石中伴生組分 Ga、Li2O 含量較高，達(dá)到綜合利用指標(biāo)，但伴生Ga元素賦存狀態(tài)復(fù)雜，需要開展進(jìn)一步的分析研究工作。