河南三門峽貫溝鋁土礦礦物組成及其特征

馮躍文，劉學(xué)飛，李中明，蔡書慧

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 2.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南鄭州 450000)

1 前言

河南省鋁土礦床主要產(chǎn)出于中石炭統(tǒng)本溪組地層中，鋁土礦分布廣泛，礦床類型主要包括沉積型鋁土礦和堆積型鋁土礦。河南省鋁土礦分布區(qū)處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)南部，范圍涉及山西臺(tái)隆的太行拱斷束和鐵山河拱褶斷束、華熊臺(tái)緣坳陷澠池-確山陷褶斷束、嵩箕臺(tái)隆及華北坳陷濟(jì)源-開封凹陷等大地構(gòu)造單元。

鋁土礦礦石礦物學(xué)嚴(yán)格受其形成環(huán)境的影響(D’Argenio and Mindszenty，1995)。對(duì)于河南喀斯特型鋁土礦礦物組成特征前人做過大量研究(吳國炎，1996;溫同想，1996)。但是對(duì)于貫溝礦區(qū)鋁土礦礦石礦物組成特征沒有系統(tǒng)研究，本研究在前人對(duì)河南鋁土礦其它礦區(qū)礦物組分研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了貫溝礦區(qū)沉積型鋁土礦礦石礦物組成及其特征。

2 礦床地質(zhì)

河南省三門峽市貫溝鋁土礦礦區(qū)位于三門峽-澠池-新安鋁土礦成礦區(qū)杜家溝-郁山鋁土礦亞帶中(圖1)，屬于華北板塊的南部，位于北秦嶺造山帶北部。研究區(qū)受秦嶺構(gòu)造帶和中國東部構(gòu)造帶影響明顯。研究區(qū)北西為王屋山-太行山隆起，南西為秦嶺-大別造山帶隆起，中間為嵩箕隆起;與隆起相間出現(xiàn)陜澠新盆地、濟(jì)源-開封凹陷盆地、汝州-寶豐盆地;其中盆地中存在多級(jí)不同規(guī)模的次一級(jí)隆起。由于受到中生代太平洋板塊以及新生代印度洋板塊的影響，區(qū)域主要構(gòu)造線方向呈北西向、近東西向。

研究區(qū)內(nèi)地層發(fā)育相對(duì)完全，除上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)缺失外，從太古界到新生界均有地層出露。鋁土礦層主要產(chǎn)出于中石炭系本溪組下段(C2b1)。本溪組主要由鋁土礦和粘土巖組成，其次還有砂頁巖、煤層、灰?guī)r，厚度在成礦區(qū)介于2～25 m，局部巖溶漏斗發(fā)育處可超過50 m。

貫溝鋁土礦主體賦存在一系列溶斗組成的大型開闊溶斗中(圖2a)。礦區(qū)內(nèi)礦體主體呈層狀、似層狀產(chǎn)出(圖2b)。礦體形態(tài)嚴(yán)格受古地形控制，層狀礦體的頂面較為平坦，礦體厚度變化穩(wěn)定，連續(xù)性較好，礦體底面局部受到古隆起的影響，出現(xiàn)礦體減薄的現(xiàn)象。野外調(diào)查中觀察到了溶斗中鋁土礦及其上部粘土巖、碳質(zhì)泥頁巖和煤層;鋁土礦底部單元層沒有觀察到。隆起處底板之上為鐵質(zhì)風(fēng)化殼，向上變?yōu)橐粚虞^厚鐵質(zhì)粘土巖;粘土巖之上覆蓋有薄層鋁土礦，之上依次被鋁土質(zhì)粘土、碳質(zhì)泥頁巖和煤層覆蓋。含礦巖系的頂板與附近鋁土礦頂板有明顯差別，貫溝鋁土礦頂板為灰?guī)r。礦石以隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，此外還發(fā)育鮞粒、包殼和碎屑結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造主體為塊狀構(gòu)造。

圖1 豫西貫溝鋁土礦區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Simplified geological map of the Guangou bauxite deposit in western Henan Province1-第四系;2-第三系-二疊系;3-本溪組、太原組;4-奧陶系;5寒武系;6-元古代;7-太古代;8-侵入巖;9-斷層;10-水系;11-鋁土礦床;12-地名1-Quaternary;2-Tertiary-Permian;3-Benxi and Taiyuan Foramtions;4-Ordovician;5-Cambrian;6-Proterozoic;7-Archaeozoic; 8-intrusive rock;9-fault;10-stream;11-bauxite deposit;12-city/town

3 鋁土礦礦物學(xué)

3.1 礦物組成

文章應(yīng)用X衍射分析(XRD)對(duì)部分典型樣品(Mgg-5、Mgg-9、Mgg-14、Mgg-15)進(jìn)行了測試研究。全巖X衍射分析在中石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)中心粉晶衍射室完成。儀器型號(hào)為日本理學(xué)D/ Mac-RC，試驗(yàn)條件:靶:CuKα1，電壓:40 kV，電流:80 mA，石墨單色器，掃描方式為連續(xù)掃描，掃描速度8°/分，狹縫DS=SS=1°，環(huán)境溫度18℃，濕度30%。

綜上所述，船舶輪機(jī)隨著船舶航行時(shí)間的延長，其主機(jī)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、安全系統(tǒng)可能出現(xiàn)不同程度的缺陷，是造成船舶性能低下的主要原因，有必要注重這一問題的解決，通過合理運(yùn)用船舶輪機(jī)缺陷排除措施，來保障船舶安全行駛。本文針對(duì)船舶輪機(jī)常見缺陷及處理措施進(jìn)行了探討，結(jié)合船舶運(yùn)行特點(diǎn)，分析得出船舶輪機(jī)常見故障，包括機(jī)械性能缺陷和構(gòu)件缺陷等，進(jìn)一步采取對(duì)應(yīng)的排除措施，可確保各個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

XRD半定量分析結(jié)果見表1和圖3。礦物綜合分析結(jié)果顯示組成鋁土礦礦石的主要礦物包括硬水鋁石、伊利石和銳鈦礦，另外，還包括少部分高嶺石、鋯石等。

3.2 礦物特征

電子探針研究了貫溝鋁土礦礦石中主要礦物賦存狀態(tài)以及組成特征(圖4)。電子探針分析中識(shí)別出礦物包括硬水鋁石、銳鈦礦、伊利石、針鐵礦、高嶺石和鋯石。

圖4 豫西貫溝鋁土礦中主要組成礦物賦存狀態(tài)和共生組合特征Fig.4 Occurrences of ore minerals from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province

表1 豫西貫溝鋁土礦礦石樣品XRD半定量分析結(jié)果Table 1 XRD analysis result of bauxite ores from the Guangou bauxite deposit in Henan province

硬水鋁石是組成鋁土礦礦石的主要礦物之一;在SEM照片中，硬水鋁石呈隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)組成了礦石的基質(zhì)，少部分呈現(xiàn)細(xì)小的板狀、長柱狀形態(tài)。硬水鋁石電子探針分析結(jié)果見表2。分析結(jié)果顯示硬水鋁石中Al2O3含量為78.03%～83.94%;此外，F(xiàn)eO和TiO2含量雖然不到1%，但是普遍存在所有分析數(shù)據(jù)中，說明硬水鋁石形成過程中元素Fe和Ti廣泛存在;另外，除了樣品Mgg-3之外，其余的分析樣品中硬水鋁石中普遍包括組分SiO2，與其余礦區(qū)硬水鋁石分析結(jié)果一致。這可能和硬水鋁石形成環(huán)境有密切關(guān)系，Mgg-3取自豆鮞狀鋁土礦層中，礦石中以鮞粒結(jié)構(gòu)為主，這些豆鮞粒形成于表生階段風(fēng)化作用階段，初期形成的硬水鋁石環(huán)境中可能是一貧硅的環(huán)境。除此之外，元素Na2O、MgO、K2O、CaO和MnO也在部分硬水鋁石晶體中廣泛存在。

表2 豫西貫溝鋁土礦中硬水鋁石電子探針分析結(jié)果Table 2 EPMA analysis results of diasporites from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(%)

銳鈦礦存在兩種形態(tài):第一種是銳鈦礦晶體與硬水鋁石密切共生，分散在硬水鋁石組成的基質(zhì)中，或者和硬水鋁石礦物互相包裹，這說明二者同期形成;第二種銳鈦礦以脈狀穿插在硬水鋁石組成的基質(zhì)中，邊界與硬水鋁石呈互溶體形式;這類型的銳鈦礦形成稍晚于硬水鋁石。典型鋁土礦礦石中銳鈦礦電子探針分析結(jié)果見表3。分析結(jié)果顯示TiO2含量為95.84～99.45%。元素Al2O3、FeO和SiO2同樣普遍分布在銳鈦礦礦物中，然而樣品Mgg-3相對(duì)例外。與硬水鋁石分析結(jié)果類似，礦物元素組成的差異反映其形成環(huán)境的差異。此外，元素Na2O、MgO、K2O、CaO和MnO同樣廣泛存在部分銳鈦礦礦物中。

伊利石主要以鱗片狀集合體形態(tài)組成礦石的基質(zhì)。鋯石主體分散在硬水鋁石組成的基質(zhì)中(圖4a，b)。貫溝鋁土礦典型礦石中伊利石電子探針分析結(jié)果見表4。結(jié)果顯示 Al2O3含量為30.39～38.23%，SiO2含量為44.30～49.02%;二者均呈現(xiàn)較大的變化范圍。除兩個(gè)主要元素外，Na2O、MgO、CaO、TiO2和 FeO元素普遍存在伊利石礦物中; Na2O、MgO和CaO三者的出現(xiàn)可以解釋為類質(zhì)同象代換伊利石礦物中的元素K2O，而兩者TiO2和FeO則主要和礦物形成環(huán)境有密切的關(guān)系。此外，元素P2O5和MnO也在部分礦物晶體中發(fā)現(xiàn)。

貫溝鋁土礦礦石中針鐵礦電子探針分析結(jié)果見表5。針鐵礦中Fe2O3含量為73.38% ～83.68%，具有較大的變化范圍。此外，Al2O3和SiO2大量存在，最高分別達(dá)5.09%和6.67%;說明在針鐵礦形成過程中，周圍環(huán)境中大量的Al離子代換了Fe離子存在于針鐵礦中;另外TiO2也普遍分布在礦物中，含量相對(duì)Al2O3和SiO2略低。其余元素Na2O、MgO、K2O、CaO和MnO也廣泛存在針鐵礦晶體中。

差熱曲線上顯示熱效應(yīng)最明顯的礦物是硬水鋁石，其次為高嶺石(圖5)。礦物吸(放)熱溫度歸屬表見表6。在500～540℃范圍，硬水鋁石中結(jié)構(gòu)水全部失去，轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3，呈現(xiàn)在差熱曲線上是在這個(gè)溫度范圍之間有一明顯的吸熱谷;硬水鋁石的吸熱峰值范圍為503～531℃，變化范圍不大，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)硬水鋁石吸熱溫度范圍(490～580℃)和世界各地鋁土礦吸熱溫度(南非鋁土礦:532℃，希臘鋁土礦545℃)同樣偏低;這說明貫溝鋁土礦中硬水鋁石具有較低的結(jié)晶度和細(xì)小的晶體顆粒。另外一個(gè)明顯的峰值是高嶺石的放熱峰，高嶺石通常在550℃左右有一吸熱峰，釋放結(jié)構(gòu)水，但是該峰值在研究礦石樣品中不明顯;在980℃左右放熱發(fā)生一相轉(zhuǎn)變，礦石中高嶺石放熱峰值范圍為 980～1049℃，略顯偏高;其中，樣品Mgg-9和Mgg-14中放熱峰非常寬緩，體現(xiàn)高嶺石晶體結(jié)晶程度較差。

表3 豫西貫溝鋁土礦中銳鈦礦電子探針分析結(jié)果(%)Table 3 EPMA analysis results of octahedrites from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(%)

表4 豫西貫溝鋁土礦中伊利石電子探針分析結(jié)果(%)Table 4 EPMA analysis results of illites from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(%)

表5 豫西貫溝鋁土礦中針鐵礦電子探針分析結(jié)果Table 5 EPMA analysis results of goethites from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(%)

表6 豫西貫溝礦區(qū)礦石樣品中主要礦物熱分析結(jié)果Table 6 Thermal analysis results of ores from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(℃)

圖5 豫西貫溝鋁土礦典型礦石樣品DTA曲線圖Fig.5 DTA diagrams of typical ores from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province

4 礦物成因

貫溝鋁土礦中硬水鋁石電子探針分析顯示晶體中存在Fe、Si和Ti等其它元素。最重要的一個(gè)特征為鋁土礦底板奧陶系碳酸鹽巖并沒有變質(zhì)跡象。同時(shí)，硬水鋁石主體呈隱晶質(zhì)與銳鈦礦密切共生。上述特征指示貫溝鋁土礦礦石中硬水鋁石主要為簡單的成巖結(jié)晶成因。鈦的氧化物在風(fēng)化作用形成的，各種地質(zhì)體中普遍存在。在貫溝鋁土礦中主要存在的鈦的氧化物為銳鈦礦。銳鈦礦的生成條件及范圍較狹窄，只有在TiO2供應(yīng)充分、低溫低壓及弱堿性的環(huán)境下才能形成(?zlü，1985);貫溝鋁土礦礦石中的銳鈦礦和硬水鋁石共生，互相包含和穿插，反應(yīng)大量的銳鈦礦是成礦期/成巖期結(jié)晶形成。目前，對(duì)風(fēng)化作用中形成的伊利石的成因觀點(diǎn)是:伊利石主要由云母轉(zhuǎn)化而形成該過程中礦物結(jié)構(gòu)并沒有明顯改變(Meunier and Velde，2004)。

5 結(jié)論

(1)貫溝鋁土礦主體賦存在一系列溶斗組成的大型開闊溶斗中。礦區(qū)內(nèi)礦體主體呈層狀、似層狀產(chǎn)出。觀察到溶斗中層序主要有鋁土礦及其上部粘土巖和煤層;鋁土礦底部單元層沒有觀察到，頂板為灰?guī)r。礦石結(jié)構(gòu)主要為鮞粒與隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu);礦石構(gòu)造為塊狀構(gòu)造。

(2)礦物綜合分析結(jié)果顯示，組成鋁土礦礦石的主要礦物包括硬水鋁石、伊利石和銳鈦礦，另外，還包括少部分高嶺石、鋯石等。與全球喀斯特型鋁土礦床的主要礦物基本相同。

(3)硬水鋁石呈隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)組成了礦石的基質(zhì)，少部分呈現(xiàn)細(xì)小的板狀、長柱狀形態(tài)。銳鈦礦存在兩種形態(tài):第一種是銳鈦礦晶體與硬水鋁石密切共生，分散在硬水鋁石組成的基質(zhì)中，或者和硬水鋁石礦物互相包裹，這說明二者同期形成;第二種銳鈦礦以脈狀穿插在硬水鋁石組成的基質(zhì)中，邊界與硬水鋁石呈互溶體形式;這類型的銳鈦礦形成稍晚于硬水鋁石。伊利石主要以鱗片狀集合體形態(tài)組成礦石的基質(zhì)。

(4)貫溝鋁土礦中硬水鋁石主要為簡單的成巖結(jié)晶成因。大量的銳鈦礦是成礦期/成巖期結(jié)晶形成。伊利石主要由云母轉(zhuǎn)化而形成，該過程中礦物結(jié)構(gòu)并沒有明顯改變。

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