談河南中石炭世鋁土礦成礦系統(tǒng)的控制因素

李新龍 劉玉山 唐 俊

(1.江蘇省高淳區(qū)國(guó)土資源局，江蘇高淳 211300;2.華北油田公司招標(biāo)中心，河北任丘 062552;3.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京 210007)

0 引言

成礦系統(tǒng)是指具有成礦功能的自然系統(tǒng)，具體是指在一定地質(zhì)時(shí)空域中控制某種礦床產(chǎn)生、富集并保存的地質(zhì)作用、地質(zhì)條件所形成的礦化系列、礦床組成的整體。鋁土礦是河南省的主要礦種之一，也是河南鋁業(yè)的基礎(chǔ)原料，主要分布在黃河以南、秦嶺以北、京廣鐵路以西的廣大地區(qū)(簡(jiǎn)稱豫西)，出露面積20 000 km2左右，賦存于寒武系—奧陶系碳酸鹽巖風(fēng)化剝蝕面上，賦礦地層為中石炭統(tǒng)本溪組(C2b)，成礦時(shí)代為中石炭世本溪期，屬紅土型沉積型鋁土礦。

為了保證鋁土礦的穩(wěn)定供應(yīng)，需要對(duì)豫西鋁土礦的成礦控制因素進(jìn)行分析，以提高地質(zhì)勘查的成功率。河南省鋁土礦成礦系統(tǒng)是地球表面各個(gè)圈層共同作用下，導(dǎo)致鋁元素分異、富集，并形成鋁土礦床的成礦系統(tǒng)，豫西鋁土礦成礦系統(tǒng)的控制因素主要有:風(fēng)化作用、沉積作用、地形地貌、水文條件、海侵、構(gòu)造作用、氣候、大氣、生物、喀斯特作用。

1 風(fēng)化作用

豫西鋁土礦的主要成分為二氧化硅、水鋁石、赤鐵礦和二氧化鈦等，形成該礦床的本質(zhì)原因是在化學(xué)風(fēng)化的影響下，徹底分解了含鋁硅酸鹽礦物的巖石及鋁硅酸鹽礦物本身，導(dǎo)致能隨水流遷移的元素被帶走，在原地留下地表自然環(huán)境條件下最穩(wěn)定的鐵和鋁的氧化物、二氧化硅等礦物。在晚奧陶世～早石炭世1.4億年的時(shí)間段內(nèi)，豫西所在的華北地區(qū)處于隆升狀態(tài)，是一個(gè)受剝蝕區(qū)，地殼中的巖石礦物遭受了1.4億年的風(fēng)化剝蝕作用，大量的風(fēng)化物在地表堆積，導(dǎo)致地殼中的鋁元素得到了初步的分離和富集。

2 沉積作用

經(jīng)歷了1.4億年風(fēng)化剝蝕的華北地區(qū)寒武系—下中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖頂面形成了一個(gè)面積廣闊的風(fēng)化剝蝕面。該風(fēng)化剝蝕面為從中石炭世開始形成的鋁土礦提供了賦礦空間，而風(fēng)化剝蝕面下、厚度巨大的碳酸鹽巖仍繼續(xù)受到的化學(xué)風(fēng)化作用，為豫西鋁土礦提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。水流把風(fēng)化物質(zhì)帶入喀斯特地區(qū)沉積下來(lái)，然后由海侵作用引起的沉積作用形成的蓋層使鋁土礦免遭剝蝕。另外，本溪組沉積前后，華北地區(qū)發(fā)生火山活動(dòng)，表現(xiàn)在河北省開灤本溪組底部出現(xiàn)厚度幾十厘米的凝灰?guī)r。在火山噴發(fā)時(shí)，噴出的隨風(fēng)四處飄散的含鋁元素的火山灰在重力作用下，在地表沉積也是豫西鋁土礦成礦物質(zhì)的另一個(gè)來(lái)源。

3 地形地貌

地形地貌控制了風(fēng)化作用的影響程度，高差不大的丘陵山區(qū)最有利于風(fēng)化礦床的形成，因?yàn)樵摰匦蔚孛矖l件能確保大氣降水能夠滲流到潛水面附近，然后隨侵蝕基準(zhǔn)面形成的泄水條件，在潛水面附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用。對(duì)于鋁土礦成礦因素來(lái)說(shuō)，較大的地形高差地區(qū)由于顯著的機(jī)械風(fēng)化速度差別，處于地勢(shì)較高部位的地質(zhì)體遭受到較高的剝蝕速度，風(fēng)化層中的鋁元素未得到充分分離就已隨水流遷移，而處于地勢(shì)較低部位的地質(zhì)體遭受到較低的剝蝕速度，風(fēng)化層中的鋁元素未得到充分富集就被掩蓋，上述兩種情況皆不利于鋁土礦成礦作用的進(jìn)行。地形地貌對(duì)鋁土礦成礦的另一個(gè)作用是影響了受風(fēng)化地質(zhì)體所在地區(qū)的水文條件，如潛水面的變化、排泄條件、大氣降水的下滲作用等，從而影響和鋁土礦床形成有關(guān)的化學(xué)風(fēng)化作用。

在豫西鋁土礦沉積時(shí)，華北地區(qū)是一個(gè)風(fēng)化剝蝕面，地形地貌特征總體表現(xiàn)為碳酸鹽巖夷平面，該夷平面的作用有:

1)為鐵質(zhì)、硅質(zhì)、鋁質(zhì)的富集提供了有利場(chǎng)所;

2)較小的地形高差，導(dǎo)致較弱的機(jī)械風(fēng)化作用，從而確保持續(xù)進(jìn)行有利于鋁元素充分分離富集的化學(xué)風(fēng)化，為鋁土礦提供了成礦物質(zhì);

3)地形平緩，地表水流徑流慢，滲透量大，有利于喀斯特發(fā)育，為鋁土礦提供了賦存空間。

4 水文條件

淋濾作用是鋁土礦形成的條件之一，因此，鋁土礦化主要發(fā)生在潛水面以上，即鋁土礦形成需要特定的水文條件。如果水體停滯在潛水面以下區(qū)域，則水的流動(dòng)性弱，形成鋁土礦所必需的淋濾作用就會(huì)停止，從而不利于鋁土礦的形成，即豐富的大氣降水和良好的排泄條件是鋁土礦形成所必需的水文條件。

豫西鋁土礦根據(jù)礦床模型理論歸類為紅土型沉積鋁土礦。該型鋁土礦主要發(fā)育于熱帶雨林地區(qū)，原因和熱帶雨林發(fā)育地區(qū)豐富的大氣降水和良好的排泄條件相關(guān)，即符合鋁土礦形成所必需的水文條件。在熱帶雨林地區(qū)，由于降水充沛，大氣降水中溶解的礦物質(zhì)少，使降水未達(dá)到飽和。因此，在地表流動(dòng)的、礦物質(zhì)溶解未飽和的水，能夠溶解且?guī)ё叩乇淼刭|(zhì)體中溶解度高、穩(wěn)定性差的元素和礦物。加上熱帶雨林地區(qū)由于溝壑發(fā)育形成的良好排泄條件，水流可以持續(xù)帶走地質(zhì)體中可移動(dòng)的元素或礦物，在地面殘留地表自然環(huán)境下最不易分解的鋁氧化物，從而形成鋁土礦。古地磁資料研究成果表明:石炭紀(jì)時(shí)，豫西所在的華北地區(qū)地理上位于赤道附近，氣候上屬于熱帶雨林地區(qū)，大氣降水豐富，排泄條件良好。在良好的水文條件下，寒武系—下中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖經(jīng)歷風(fēng)化作用，使碳酸鹽巖中的鋁元素得到充分的分離、富集，為紅土型沉積鋁土礦提供了成礦物質(zhì)。

5 海侵

晚石炭世海水入侵(海侵)對(duì)豫西鋁土礦成礦系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展、結(jié)束有明顯的控制作用。豫西上石炭統(tǒng)太原組(C3t)的顯著特征是發(fā)育海相灰?guī)r，主要巖性有灰?guī)r、頁(yè)巖、砂巖和泥巖，屬于海侵時(shí)期的沉積物。海侵對(duì)鋁土礦的形成是從開始的有利因素逐漸變成后期的不利因素，表現(xiàn)為開始時(shí)的地下水面的抬升、降雨的增加有利于鋁土礦的形成，到后期海平面上升、陸地沼澤化不利于鋁土礦的形成。降雨增加導(dǎo)致淋濾作用增強(qiáng)對(duì)鋁土礦的成礦作用是十分有利的，但是，海侵引起的地下水位面的抬高，使得發(fā)育在寒武系—下中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖中的喀斯特地表流水、滲水系統(tǒng)和地下排水、泄水系統(tǒng)，由于地下水位面的抬高而減弱了淋濾作用，結(jié)果在賦礦地層中發(fā)育了品位低的鋁土礦，其特點(diǎn)是鋁土礦層中硅元素含量較高，鋁元素含量較低，直至最后沒(méi)有鋁土礦層，代之的是碳質(zhì)頁(yè)巖、煤線、煤層。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是后期隨著海平面的上升，在陸地上產(chǎn)生了沼澤。在沼澤地區(qū)，水流排泄不通暢，使喀斯特地區(qū)中的鋁土礦成礦系統(tǒng)減弱或停止。

綜上所述，海侵不僅有利于豫西鋁土礦的成礦作用，而且也帶來(lái)了鋁土礦上覆地層太原組，有利于鋁土礦的保存。

6 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

促使豫西鋁土礦形成的控制因素——風(fēng)化作用、沉積作用、地形地貌、水文條件和海浸本質(zhì)上是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)決定的?，F(xiàn)代鋁土礦成礦作用主要發(fā)生在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較弱、長(zhǎng)期遭受到風(fēng)化剝蝕的穩(wěn)定地區(qū)，而造山帶由于強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)則很少形成鋁土礦。因?yàn)闃?gòu)造運(yùn)動(dòng)弱，地形高差小的準(zhǔn)平原地貌形態(tài)得以長(zhǎng)時(shí)間保持，而地形高差小的地貌有利于鋁土礦化作用的產(chǎn)生。華北地區(qū)中石炭統(tǒng)和早古生界二者之間的關(guān)系為假整合接觸，說(shuō)明奧陶系沉積之后，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)華北地區(qū)的影響有限，一直到晚石炭世海水侵入華北地區(qū)之前，該地區(qū)的地表仍保持差不多水平的狀態(tài)，呈現(xiàn)出有利于鋁土礦成礦的準(zhǔn)平原狀態(tài)，然后構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的海侵作用，使華北地區(qū)在晚石炭世被陸表海淹沒(méi)，結(jié)束了有利于鋁土礦形成的準(zhǔn)平原狀態(tài)。

由于海浸作用，在鋁土礦上面相繼覆蓋了厚度巨大的上石炭統(tǒng)、二疊系、下中三疊統(tǒng)，各地層相互間關(guān)系為整合接觸，說(shuō)明中石炭世鋁土礦形成后，豫西所在的華北地區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為以持續(xù)的下降為主，使得鋁土礦床被迅速埋藏保存。中三疊世開始，華南板塊和華北板塊碰撞，導(dǎo)致華北板塊南部發(fā)生隆起，鋁土礦在隆起區(qū)被抬升出露并受到剝蝕，說(shuō)明構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有二重性，既有利于鋁土礦的形成，也可能使先期形成的鋁土礦遭到破壞。

7 氣候

高溫多雨的氣候?qū)τ阡X土礦的形成極為有利。現(xiàn)代紅土型鋁土礦主要分布在南北緯30°范圍內(nèi)的東南亞、南美、澳大利亞、西非、印度等熱帶雨林地區(qū)，上述地區(qū)占世界紅土型鋁土礦儲(chǔ)量的96%。華北地區(qū)古地磁資料的研究結(jié)果:

1)早古生代期間，華北地區(qū)大地構(gòu)造上屬于中朝板塊;

2)早古生代期間，中朝板塊從20.2°S向北漂移到12.9°S;

3)早古生代末期，中朝板塊地理上仍位于南緯地區(qū)，處于赤道附近的熱帶、亞熱帶氣候環(huán)境中，在氣候因素上為形成豫西紅土型沉積型鋁土礦奠定了基礎(chǔ)。

8 大氣

鋁土礦主要成分為鋁、硅、鐵等元素，大氣對(duì)鋁土礦形成的作用主要通過(guò)大氣的氧化還原環(huán)境而表現(xiàn)出來(lái)，具體表現(xiàn)在對(duì)地表中鐵元素遷移及沉淀的影響上，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁土礦成礦作用的影響。如果大氣為氧化環(huán)境，則地表中的鐵元素容易遷移，從而導(dǎo)致鋁元素在地表相對(duì)富集而形成鋁土礦。在石炭紀(jì)的陸地上，生物進(jìn)化到植物大規(guī)模地產(chǎn)生。植物的光合作用使得大氣圈的成分發(fā)生了明顯的變化，表現(xiàn)在大氣圈中二氧化碳的含量減少，而氧氣的含量增加，形成氧化環(huán)境。氧化環(huán)境促進(jìn)了鋁土礦的形成，表現(xiàn)在:

1)隨著大氣中氧氣含量的增加，使得大氣圈、巖石圈中的有機(jī)物、硫化物等易被氧化，導(dǎo)致地下水、地表水具有酸性;

2)酸性地下水、地表水促進(jìn)寒武系—下中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化作用，導(dǎo)致地殼中的鋁元素得到了分離和富集;

3)促進(jìn)地表中的鐵、硅等元素隨水流被溶解遷移。

在豫西鋁土礦區(qū)，賦礦地層中通常含紅色、紅褐色的鐵質(zhì)泥巖、頁(yè)巖或赤鐵礦。如豫西陳道莊礦區(qū)的ZK8614鉆孔，在孔段280.86 m～282.4 m范圍內(nèi)為紅褐色鐵質(zhì)頁(yè)巖;南湖礦區(qū)的ZK20867鉆孔，在孔段328.33 m～329.66 m范圍內(nèi)出現(xiàn)紅色鐵質(zhì)泥巖，而ZK18679鉆孔，在孔段309.35 m～313.35 m范圍內(nèi)的紅褐色鐵質(zhì)泥巖中發(fā)育了赤鐵礦;大溝頭礦區(qū)的ZK6480鉆孔，在孔段549.73 m～552.73 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了紅褐色含赤鐵礦頁(yè)巖。以上現(xiàn)象說(shuō)明:1)豫西鋁土礦形成時(shí)，由于大氣中氧化含量的增加，氧化作用普通且強(qiáng)烈;2)大氣圈中氧氣含量的增加是豫西鋁土礦形成的重要因素。

9 生物作用

生物對(duì)鋁土礦成礦作用貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在以下:

1)植物的根系和土壤中的細(xì)菌產(chǎn)生的分泌物促進(jìn)風(fēng)化作用，有利于形成含鋁元素的土壤層;

2)植物能夠有效地改變水流的循環(huán)途徑，具體表現(xiàn)在減少地表水的蒸發(fā)，減緩地表水的徑流，從而大大促進(jìn)了地表水的下滲，使得鋁土礦形成的條件淋濾作用加強(qiáng)，如在澳大利亞蘇里南的沼澤地區(qū)，由于富含腐殖酸水的下滲淋濾作用，鐵元素強(qiáng)烈的淋失，導(dǎo)致鋁元素的進(jìn)一步富集;

3)植物能夠減輕大氣降水、地表流水對(duì)含鋁元素土壤層的沖刷，結(jié)果使鋁土礦床不會(huì)被侵蝕;

4)由植物落葉產(chǎn)生的腐殖酸進(jìn)一步促進(jìn)了對(duì)寒武系—下中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化作用;

5)植物光合作用產(chǎn)出了大量的氧氣，增加了大氣圈中氧氣的含量，使得大氣形成有利于鋁土礦形成的氧化環(huán)境;

6)植物能夠吸收數(shù)量可觀的硅元素，相當(dāng)于對(duì)土壤層進(jìn)行了去硅作用，導(dǎo)致了土壤層中的鋁元素得到進(jìn)一步的富集。

另外，豫西鋁土礦和炭質(zhì)頁(yè)巖、煤線、煤層之間具有良好的空間關(guān)系。陳道莊、南湖、大溝頭礦區(qū)的本溪組上段廣泛出現(xiàn)了炭質(zhì)頁(yè)巖、煤線，在一些鉆孔中出現(xiàn)了質(zhì)量較好的煤層。在陳道莊礦區(qū)，有17個(gè)鉆孔中的本溪組出現(xiàn)了最大厚度7.7 m、平均厚度1.8 m的煤層，如在ZK8614鉆孔中，鋁土礦層中夾2.6 m厚的煤層，ZK3255鉆孔則出現(xiàn)了黑色含碳鋁土礦，Al2O3的含量達(dá)到61.5%;南湖礦區(qū)的 ZK20867，ZK13106，ZK17307，ZK01214 等鉆孔中則鋁土礦層和煤層(煤線)、炭質(zhì)頁(yè)巖層相互間夾出現(xiàn)，其中ZK01214鉆孔，含鋁土礦地層中的煤層厚度達(dá)到了3.8 m;大溝頭礦區(qū)在鋁土礦呈現(xiàn)黑色，在礦層下面出現(xiàn)了含植物化石的炭質(zhì)頁(yè)巖，而礦層上面的炭質(zhì)頁(yè)巖中則普遍發(fā)育煤線、煤層。

光合作用最重要的結(jié)果是導(dǎo)致大氣圈中增加了大量的氧元素，使地球中大氣圈、水圈、巖石圈的有機(jī)物質(zhì)、硫化物質(zhì)等被氧化，產(chǎn)生了大量的無(wú)機(jī)酸以及腐殖酸;加上植物本身以及植物落葉分解形成腐殖物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)量可觀的、游離的二氧化碳;再加上土壤里細(xì)菌生命活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的游離的二氧化碳，三者結(jié)合使水體中酸性度增加，加速了巖石中鈉、鉀等金屬元素、鐵質(zhì)、硅質(zhì)被水溶解后隨水流遷移，進(jìn)一步促進(jìn)了豫西中石炭世鋁土礦的富集成礦。在豫西，鋁土礦的礦物組成、顏色特點(diǎn)是:

1)TiO2和Al2O3的含量二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即TiO2含量高，則Al2O3含量也高，反之亦然;

2)鐵含量低;

3)礦體顏色以灰色為主。說(shuō)明在石炭紀(jì)期間，進(jìn)化產(chǎn)生的陸地植物及由其產(chǎn)生的腐殖物質(zhì)，對(duì)豫西鋁土礦的去鐵、去硅發(fā)揮了重要的作用。

10 喀斯特作用

豫西鋁土礦體賦存于寒武系—下中奧陶系碳酸鹽巖的風(fēng)化剝蝕面上。在該風(fēng)化剝蝕面上，發(fā)育了種類繁多的喀斯特地貌，主要表現(xiàn)為漏斗、洼地和盆地等。有些地區(qū)的喀斯特漏斗，深度最大約100m，和下面的地下暗河相連通，形成喀斯特地區(qū)的排泄系統(tǒng);而有些地區(qū)喀斯特漏斗底部發(fā)育溶洞，洞頂?shù)赘卟?0 m以上。

豫西鋁土礦體賦存于喀斯特地貌中，礦體的厚度、品位和喀斯特地貌的發(fā)育深度有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在地勢(shì)較高的地方，鋁土礦及本溪組含礦巖層厚度薄，甚至消失;在地勢(shì)高差較大的漏斗中，礦體不僅品位高，而且厚度大，但是由于空間的限制，礦體沿走向、傾向延伸有限，礦體呈現(xiàn)漏斗狀，儲(chǔ)量規(guī)模小;而在地勢(shì)較為平坦的洼地、盆地中，鋁土礦體厚度小，呈層狀，但沿走向及傾向礦體延伸大，儲(chǔ)量規(guī)模大。

我國(guó)華北地區(qū)鋁土礦的形成年代為晚古生代，對(duì)應(yīng)于地球陸地上出現(xiàn)植物的時(shí)代，植物及其產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)在高溫多雨的氣候和穩(wěn)定古陸的構(gòu)造條件下，對(duì)寒武系—下中奧陶系碳酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化作用加強(qiáng)。在化學(xué)風(fēng)化作用下，在地表形成了厚度巨大的Al2O3風(fēng)化殼和喀斯特地貌。生物活動(dòng)及由其形成的腐殖質(zhì)，以喀斯特地貌中的水為介質(zhì)，直接參與了鋁土礦的富集成礦。即在植物、土壤、富含氧氣的大氣、喀斯特的共同作用下，盡管減緩了機(jī)械風(fēng)化作用，但大大增強(qiáng)了化學(xué)風(fēng)化作用，更加促進(jìn)了鋁土礦的形成。

11 結(jié)語(yǔ)

豫西中石炭世鋁土礦成礦系統(tǒng)的控制因素復(fù)雜，包括大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的地球所有圈層全部參與并均起了積極的作用。風(fēng)化作用、沉積作用、地形地貌、水文條件、海侵、構(gòu)造作用、氣候、大氣、生物、喀斯特作用在豫西鋁土礦成礦系統(tǒng)中均發(fā)揮了極為重要的作用，上述控制因素相互影響、相互聯(lián)系，共同構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的鋁土礦成礦系統(tǒng)，造就了豫西鋁土礦。

注:成稿過(guò)程中，得到了陳旺同志的指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝!

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