山西某鋁土礦區(qū)地球化學特征及礦床演化特征探討

馬騰飛

中國鋁土礦資源豐富，主要產(chǎn)出于華北板塊和華南板塊之上，其中喀斯特型鋁土礦占據(jù)全國鋁土礦資源量的78%，堆積型鋁土礦占21%，少量為紅土型鋁土礦。鋁土礦是我國工業(yè)生產(chǎn)與社會發(fā)展所需的主要礦產(chǎn)資源，相比礦區(qū)產(chǎn)出的其他資源，市場對鋁土礦的利用率可以達到90.0%以上。在對鋁土礦使用渠道的分析中發(fā)現(xiàn)，電解鋁土礦可將其制作成為金屬鋁，可以認為鋁土礦是在國家經(jīng)濟建設與工業(yè)發(fā)展中所給予的貢獻是其他資源無法代替的。針對山西某鋁土礦區(qū)為實現(xiàn)對其進一步的描述，開展對鋁土礦地球化學特征的全面分析，并以此為依據(jù)，探究其成因。有部分學者認為，山西某地區(qū)的大型鋁土礦的地質演化可經(jīng)過三個時期，風化期、沉積成礦期、成巖期，每個鋁土礦期次都形成一個連續(xù)轉化序列，因對該區(qū)域鋁土礦床勘查尚處于發(fā)展階段，許多問題有待解決。鑒于近年來對山西鋁土礦床及周邊地質勘查工作加大投入力度，發(fā)現(xiàn)鋁土礦具有良好的資源開發(fā)前景。

1 區(qū)域地質背景

本次研究的礦區(qū)為山西某地區(qū)大型鋁土礦產(chǎn)地，處于地區(qū)東部偏西構造帶與新近系隆起地帶交接位置，通過地圖成像與衛(wèi)星定位發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)內(nèi)的成礦構造帶較為明顯，整體以貫穿的方式分布，其中東部向西的構造帶呈斷續(xù)分布形式，斷裂部分隱匿在區(qū)域構造中。在對此構造區(qū)域地質狀況進行深入分析時發(fā)現(xiàn)，此構造帶在空間中以斷裂的形式呈現(xiàn)，集中分布在南、北兩側。其中南部區(qū)域的構造帶以斷裂形式為主，基本不存在褶皺，少部分裸露在地表的褶皺呈“寬緩”，十分不明顯，而北部區(qū)域的構造帶褶皺較為明顯，不僅發(fā)育十分緊湊，同時也存在大量的橫沖與向斜現(xiàn)象。在此研究區(qū)段中，背斜部分的構造帶穿過礦區(qū)西部，整體長度約為15.0km，寬度約為7.8km，軸向偏東約30.0°，兩翼地層之間的夾角在10.0°～20.0°之間變化。

此次研究所選的區(qū)域中，鋁土礦位于疊合部位的中-東部，本次勘探對含礦地層地段進行1：2000礦床地質填圖，以此種方式，基本查明了礦區(qū)地質背景，不同區(qū)段巖層、巖性、構造帶、圍巖之間的關系與明顯成礦特征。對礦體按200.0m×200.0m的工程間距，布置鉆探工程，基本能掌握并控制鋁土礦在深部的產(chǎn)狀、形態(tài)、礦化特征及延伸情況。根據(jù)地質勘查結果可知，此區(qū)域內(nèi)賦存的鋁土礦可達到一類偏復雜探明資源量工程間距要求。礦體內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量的高嶺石、一水硬鋁石、水云母等，這些礦石主要化學成分為TiO2、Al2O3、Fe2O3、SiO2。礦體中在垂直向上方向Al2O3含量較多，頂部較低。礦層一般呈渣狀、粗糙狀、氣孔狀，顏色為灰色、白色，只有少量呈灰黑色。淺部鋁土礦體大部分以層狀為主，具有透鏡狀、少數(shù)為漏斗狀。通過研究山西鋁土礦的礦體厚度可以看出，鋁土礦的礦石厚度大約為2m左右，一部分地區(qū)礦體厚度可達到4m左右。本次研究，基本查明了區(qū)域內(nèi)鋁土礦的產(chǎn)狀、規(guī)模及分布情況。對賦存在地層中的礦產(chǎn)資源進行采樣分析，根據(jù)所得鋁土礦組合成分與不同金屬物質在組合礦中品位，掌握了礦石加工技術性能、礦層及其頂?shù)装宓奈锢砹W特征等信息，可將查出的結果作為礦床開采技術條件。在對賦存鋁土礦的區(qū)域進行地質勘查時發(fā)現(xiàn)，大部分礦層中鋁土礦分布相對較均勻而不具微、薄層理，少部分鋁土礦伴有石英賦存，極少礦體受到地質動力因素影響，發(fā)生碎裂現(xiàn)象，碎塊的直徑大多＞2.0mm，這些碎塊部分位移比較明顯，多填充后期的方解石和石英。對其進行采樣分析后發(fā)現(xiàn)，鋁土礦在偏光顯微鏡下照片110*2.5倍視域下，橫徑5.07mm透射呈現(xiàn)正交偏光。少量礦石（包括具微、薄層理或不具層理的礦石）內(nèi)部見方解石、石英、綠泥石，各自相對聚集或共同形成的豆粒、鮞粒、砂屑、礫屑、斑團、不規(guī)則條紋等零星分布，部分可見石英石組成細微的橢圓形、長條形生物碎屑不均勻地分布。大部分礦體呈細微或細小半自形、板狀或梳狀（常與黃鐵礦嵌布在一起），他們或分散或聚集成細小點狀集合體，多零星且不均勻地散布于礦石中。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果與地質勘查結果數(shù)據(jù)，截至目前，此礦區(qū)已發(fā)現(xiàn)的鋁土礦資源量2405.48萬噸，屬大型礦床，滿足技術勘查與地質找礦要求。目前，該區(qū)域內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鐵礦、煤、粘土礦、鋯礦、重晶石礦、高嶺土礦等多種礦產(chǎn)。

2 鋁土礦地球化學特征

2.1 主量元素特征

本章將基于地球化學特征層面，對鋁土礦中主量元素的含量進行分析（以鋁土礦中氧化鋁為例），粘土層1的Al2O3含量為12.45%，粘土層2的Al2O3含量為2.79%，鋁土質粘土層1的Al2O3含量為32.87%，鋁土質粘土層2的Al2O3含量為33.17%，致密狀鋁土層1的Al2O3含量為48.64%，碎屑狀鋁土層1的Al2O3含量為69.44%，碎屑狀鋁土層2的Al2O3含量為75.72%，致密狀鋁土層2的Al2O3含量為38.61%，致密狀鋁土層3的Al2O3含量為40.17%，鋁土質粘土層3的Al2O3含量為23.76%，鐵質粘土層的Al2O3含量為16.63%，白云巖層的Al2O3含量為4.22%。

根據(jù)上述內(nèi)容可以看出，不同巖層中金屬鋁物質的含量是不同的，除表格中的三氧化二鋁外，土層中還含有大量的二氧化硅、三氧化二鐵、二氧化鈦等礦物質，這三種金屬礦物質與三氧化二鋁的含量的總量可占礦區(qū)內(nèi)有效資源量的80.0%～90.0%。同時，區(qū)域內(nèi)也含有一些稀有、稀土、分散元素，這三類礦物質的含量很少，一般來說只有鎵元素能達到邊界品位。其他一些主量元素，包括氧化鉀、氧化鈉等物質的含量偏低。對不同礦層的礦樣進行采樣分析后發(fā)現(xiàn)，含金屬鋁物質的土層密實度較高，集中分布在鋁土層，隨著土層的深入，三氧化二鋁的含量呈現(xiàn)一種逐步降低的趨勢。通過現(xiàn)有的勘查成果與調研數(shù)據(jù)可知，礦區(qū)內(nèi)鋁土礦的形成伴隨著一個相對漫長的過程，包括礦層沉積物的沉淀、粘土物質在動力學作用下的遷移與脫硅、沉積鐵礦在地質變化過程中脫硫反應，在多種反應條件下，地質環(huán)境中硅元素與硫元素的含量逐漸降低，這一現(xiàn)象使區(qū)域內(nèi)金屬鋁元素呈現(xiàn)一種富集狀態(tài)。以礦區(qū)內(nèi)二氧化硅-三氧化二鋁、二氧化鈦-三氧化二鋁、三氧化二鐵-三氧化二鋁為例，對其相關性進行分析。

經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，鋁土礦主量元素中，三氧化二鋁的含量與二氧化硅、三氧化二鐵呈負相關關系，與二氧化鈦呈正相關關系。由此可見，礦區(qū)在成礦中，存在惰性金屬元素，且金屬鋁與金屬鈦的遷移與富集趨勢具有一致性，鐵元素與硅元素在地質活動中不斷出現(xiàn)金屬物質的流失。綜上所述，可以認為鋁土礦在發(fā)生礦化現(xiàn)象時，是一個去鐵、除硅、富集鋁的過程。

2.2 微量元素特征

20世紀80年代以來，對鋁土礦的成因見解趨于一致，即鋁土礦就屬古風化殼型礦產(chǎn)，是基巖紅土、風化作用的產(chǎn)物?，F(xiàn)國內(nèi)外相關地質學家普遍認為，對鋁土礦中的微量元素Ga、Sc、V、Cr、Ni、Co、Cu、Zn及Nb，Ta，Zr、Ti以及稀土元素、放射性元素分析很有意義，因其中大多數(shù)元素可以或可能加以利用。在完成對鋁土礦主量元素這一化學特征的分析后，針對其中含有的微量元素特征進行分析。經(jīng)過對含有鋁巖系的礦石中微量元素進行測定得出，在大部分鋁巖系礦石內(nèi)都含有鋯元素、鍶元素、釩元素、鋰元素等多種金屬微量元素。其中，含量最多的微量元素是鋰元素，其含量基本上能夠保持在3860×10-6%～3950×10-6%范圍內(nèi)，除此之外，鋯元素的含量一般在98×10-6%～968×10-6%范圍內(nèi)；鍶元素的含量一般在25.3×10-6%～1125×10-6%范圍內(nèi)；釩元素的含量一般在28.3×10-6%～426.25×10-6%范圍內(nèi)。除此之外，其他微量元素，例如錫元素、鉛元素等含量相對較低。

在鋁土系礦石當中，一般情況下，鈾元素在鋁土礦中的含量小于5×10-6%時，將其看作是海相咸水沉積物中的一種類別；當元素在鋁土礦中的含量在5×10-6%～20×10-6%范圍內(nèi)時，則認為其是作為一種半咸水沉積物的形式存在；當元素在鋁土礦中的含量超過20×10-6%時，則說明此時這一元素作為陸相淡水沉積物的形式存在。在鋁土礦結構當中，部分元素的含量還能夠超過50×10-6%，這一現(xiàn)象形成的原因是鋁土礦當中有大量穩(wěn)定性礦物質大量賦存。同時，在部分地區(qū)其鋁土礦中釷元素的含量變化在不同區(qū)域上變化較大，因此這種情況下可能存在兩種不同性質沉積物共同存在，以某一區(qū)域內(nèi)的鋁土礦為例，其元素的含量在7.26×10-6%～76.25×10-6%范圍內(nèi)不斷變化，此時說明該鋁土礦所處環(huán)境為半咸水和淡水相結合的沉積環(huán)境。

為進一步探究鋁土礦中各個微量元素之間的具體關系，以釷元素和鈾元素為例，通過計算二者之間的比例，實現(xiàn)對鋁土礦成因的進一步探究，當釷元素與鈾元素含量之比超過7：1時，則說明這種條件下的鋁土礦可能存在于還原環(huán)境當中；當釷元素與鈾元素含量之比在2：1～7：1之間時，則說明這種條件下的鋁土礦可能存在于風化作用不徹底或底部沉積混雜的環(huán)境當中。除此之外，由于鍶元素和鋇元素對于海水當中的鹽度變化具有極高的敏感性，因此通過明確鍶元素與鋇元素之間比例關系可以實現(xiàn)對鋁土礦所處環(huán)境中水中鹽度的描述。具體而言，當鍶元素與鋇元素含量之比超過1：1時，則說明鋁土礦周圍水環(huán)境為海相沉積環(huán)境；當鍶元素與鋇元素含量之比小于3：5時，則說明鋁土礦周圍水環(huán)境為陸相沉積環(huán)境；當鍶元素與鋇元素含量之比在3：5～1：1范圍內(nèi)時，則說明鋁土礦周圍水環(huán)境為海相沉積環(huán)境與陸相沉積環(huán)境的過渡段環(huán)境。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對鋁土礦周圍水體中鹽度變化的準確描述。陸相沉積環(huán)境下出現(xiàn)的鋁土礦與地質沉積相關，產(chǎn)于超復在較老碳酸鹽層之上的石灰?guī)r的底層中，也就是產(chǎn)于碳酸鹽層的沉積間斷中。鋁土礦體通常是層狀的，沿走向其厚度和成分都很穩(wěn)定，延長長度可達數(shù)公里。在陸相沉積環(huán)境影響下鋁土礦物具有豆狀構造。此類礦床規(guī)模較大，儲量可達數(shù)千萬噸。結合野外觀察及大量勘查鉆孔柱狀剖面，以及各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)測試分析，表明該區(qū)鋁土礦（鐵鋁巖段）主體形成于陸相環(huán)境，局部可能受過海水的影響，但海水影響是次要的，即平陸東部鐵鋁巖段為內(nèi)陸咸化湖泊。

2.3 稀土元素特征

山西省鋁土礦中所含有的稀土元素通常情況下以離子形式吸附在鋁土礦中。很少能見到獨立的礦物，所以在當前地質勘查條件下，還不能采用普遍的選礦方法。從稀土金屬元素綜合邊界品位指標來看：風化殼型鋁土礦邊界品位大于0.07%，工業(yè)品位大于0.1%。進一步對鋁土礦的稀土元素分析結果表明，鋁土礦稀土元素含量大部分已經(jīng)超過邊界品位，一少部分接近或超過工業(yè)品位數(shù)值。篩選鋁土礦過程中，稀土元素富存于尾礦赤泥、母液中，可進行綜合開發(fā)，所以加強對山西省鋁土礦稀土元素研究可推動鋁加工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對鋁土礦綜合利用也將會有較好的經(jīng)濟效益。作為具有極其特殊的地球化學屬性的稀土元素而言，通過對鋁土礦當中稀土元素的特征分析，能夠熟悉對鋁土礦地球化學特征的更進一步描述，并提供鋁土礦中沉積物的成礦條件和成礦作用的重要依據(jù)。通過對鋁土礦當中稀土元素含量的測定得出，大部分鋁土礦中稀土元素的含量數(shù)值較高，其數(shù)值具體而言在126.25×10-6%）7256.25×10-6%范圍內(nèi)不等，平均稀土元素含量為1253.25×10-6%。同時，在鋁土礦當中輕質量的稀土元素一般含量會小于重質量的稀土元素。當二者之間的比例在1.35）5.75范圍內(nèi)時，此時說明輕質量稀土礦富集程度更高，并且兩種稀土元素在鋁土礦當中均產(chǎn)生了明顯的分異情況；當二者之間的比值在0.26）0.82范圍內(nèi)時，則說明這一鋁土礦當中的重稀土元素比輕稀土元素富集；當輕稀土元素與重稀土元素的比值在0.82）1.35范圍內(nèi)時，則說明這一鋁土礦當中給出的輕稀土元素與重稀土元素富集程度相當。

3 鋁土礦成因

山西地塊在寒武紀-中奧陶世沉積之后，經(jīng)加里東運動經(jīng)歷了整體抬升，經(jīng)長期侵蝕、剝蝕，使之準平原化，形成奧陶系頂部碳酸鹽巖古風化殼。山西省鋁土礦在縱向上受上覆太原組灰?guī)r水及下伏巖溶水的多重影響。此外，山西省鋁土礦所在的本溪組為礦產(chǎn)資源開采時奧陶系巖溶水的隔水層，鋁土礦的開采必將破壞隔水層，從而導致通下伏奧灰水，發(fā)生突水事故。因此，鋁土礦的開發(fā)必須充分考慮本溪組下伏峰的富水性和隔水層厚度，充分計算開采鋁土礦時的帶壓系數(shù)與帶壓危險區(qū)。此外，采空區(qū)鋁土礦還受到采空區(qū)積水和老窯水的影響。因此，鋁土礦的賦存層位在空間上受上部老窯水、中部采空區(qū)積水和下部巖溶水三重威脅，水文地質條件及其復雜。在多種地質構造的運動作用下會造成鋁土礦隆起的形成和演化，加之受到不斷向陸上隆起時的轉移現(xiàn)象影響，最終會造成鋁土礦地層結構逐漸暴露在外，這一過程是大部分地區(qū)鋁土礦形成的具體原因。同時，在部分地區(qū)，由于受到風化作用的影響，使得其地貌特征為鋁土礦盆地結構的形成提供了條件。通過對山西興縣鋁土礦中稀土元素分布模式，認為興縣鋁土礦的物質來源具有多樣性。在晚古生代時期開始，鋁土礦所在區(qū)域已經(jīng)處于離散構造背景條件當中，隨后逐步進入到陸內(nèi)的裂陷形成階段，并且在鋁土礦結構上常常會有一條十分明顯的斷裂帶結構，這一斷裂結構的形成使得左右兩側鋁土礦的地球化學特征出現(xiàn)了明顯的差異變化，一側可為鋁土礦形成提供便利的沉積場所和條件，另一側又能夠為鋁土礦的剝蝕風化作用創(chuàng)造有利條件。同時，在大部分鋁土礦當中，二氧化硅、三氧化二鐵、二氧化鈦等礦物質和鋯元素、鍶元素、釩元素、鋰元素等多種金屬微量元素的存在也使得鋁土礦中富含了豐富的礦產(chǎn)資源，為其后續(xù)礦山企業(yè)的礦產(chǎn)資源開發(fā)創(chuàng)造了更良好的賦存條件。除此之外，在鋁土礦基本成形后，再經(jīng)過其后期構造運行的不斷作用，部分被抬起的地表會長期暴露在外，進而受到風化作用的影響。當風化作用進行到一定程度上時，鋁土礦表面的各類礦產(chǎn)資源會逐漸出現(xiàn)脫硅和脫鐵的現(xiàn)象，進而使得大量硅元素和鐵元素的流失，但與之相比，鋁元素將會不斷富集，最終通過上述多種因素的共同作用，使得這一區(qū)域逐漸形成具備優(yōu)質鋁元素礦產(chǎn)資源的鋁土礦床結構。

4 結語

本次研究以山西某地區(qū)鋁土礦為例，對礦體的地球化學特征與成因進行詳細闡述與分析。通過研究從三個方面實現(xiàn)對其地球化學特征的分析，并在此基礎上，明確了優(yōu)質鋁元素礦產(chǎn)資源的鋁土礦床地球化學特征，以期為后續(xù)鋁土礦礦產(chǎn)資源開發(fā)提供重要找礦依據(jù)。