偃龍煤下鋁地球化學(xué)特征及微地貌控制

周紅春 劉文波 陳永才 張 清 陳 光 郝金玉 曹高社 段建設(shè)

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)勘查院；2.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院)

·地質(zhì)·測(cè)量·

偃龍煤下鋁地球化學(xué)特征及微地貌控制

周紅春1劉文波1陳永才1張 清1陳 光1郝金玉1曹高社2段建設(shè)1

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)勘查院；2.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院)

河南省偃龍煤田深部鋁土礦勘查項(xiàng)目是河南省第一批整裝勘查項(xiàng)目之一，目前已經(jīng)取得了較好的找礦成果。通過系統(tǒng)采集常量元素、微量元素和稀土元素樣品，結(jié)合相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)礦體的垂向、橫向和縱向地球化學(xué)特征進(jìn)行了深入分析，認(rèn)為礦體主要受巖溶地貌和后期的風(fēng)化淋濾作用影響，導(dǎo)致陸地向海凹進(jìn)地區(qū)比凸起地區(qū)成礦條件優(yōu)越。

煤下鋁 地球化學(xué)特征 風(fēng)化淋濾作用 地貌控制

河南省偃龍煤田深部鋁土礦勘查項(xiàng)目工作區(qū)內(nèi)鋁土礦為賦存于寒武—奧陶系古風(fēng)化剝蝕面上的一水硬鋁石型鋁土礦，成礦時(shí)代為晚石炭世本溪期[1]。河南省華北地層區(qū)范圍內(nèi)的本溪組是一套有障壁海岸沉積體系的產(chǎn)物，工作區(qū)晚石炭世本溪組含礦巖系為一套以鋁質(zhì)、鐵質(zhì)、黏土質(zhì)為主的碎屑巖，底部為鐵質(zhì)黏土巖，中部為鋁(黏)土礦層，上部為碳質(zhì)、砂質(zhì)黏土巖，沉積環(huán)境為距古陸(古島)不遠(yuǎn)的濱岸瀉湖相區(qū)[2-3]。該區(qū)以往的基礎(chǔ)地質(zhì)研究成果多為小比例尺的成礦規(guī)律、資源潛力分析，礦點(diǎn)勘查評(píng)價(jià)僅有夾溝、府店、焦村、賈莊坡、下徐馬等幾個(gè)，且較為分散。為此，結(jié)合相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)分別對(duì)礦體在垂向、橫向以及縱向的地球化學(xué)特征進(jìn)行深入探討，為該區(qū)域的找礦工作提供參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

工作區(qū)位于洛陽(yáng)盆地的東南側(cè)，處于嵩山背斜北翼，南部為寒武系饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組、三山子組灰?guī)r、白云巖出露，東部、北部二疊系和三疊系地層，西部為新近系中新統(tǒng)洛陽(yáng)組，大面積被第四系坡積物、Ⅱ級(jí)階地沖洪積物覆蓋，鋁土礦賦存于石炭系上統(tǒng)本溪組中[4]。全區(qū)初步圈出鋁土礦礦體8個(gè)，單礦體厚2.49～11.29 m，平均厚3.74 m；Al2O3含量為51.10%～62.56%，平均59.47%。初步圈出耐火黏土礦體12個(gè)，與鋁土礦層呈相變關(guān)系，單礦體厚1.02～4.16 m，平均1.60 m；Al2O3含量為45.53%～52.38%，平均49.35%；Fe2O3含量為0.90%～2.37%，平均1.86%；燒失量為10.39%～14.52%，平均12.51%，耐火度為 1 600～ 1 790 ℃。

2 采樣及測(cè)試結(jié)果

共采集常量元素、微量元素和稀土元素礦體樣品9件，樣品涵蓋下部鋁土質(zhì)泥巖、中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦和上部鋁土質(zhì)泥巖。測(cè)試的常量元素包括Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、TiO2、MnO、Fe2O3和燒失量(表1)；微量元素包括Sc、Li、Be、Co、Cu、Zn、Ga、Rb、Zr、Nb、Th、U等(表2)；稀土元素包括La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y(表3)。為了揭示元素在縱向上的賦存規(guī)律，在00勘探線不同鉆孔中采樣，對(duì)其中Al2O3、SiO2、TiO2、Fe2O3的含量進(jìn)行分析，結(jié)果見表4；在勘探線上不同鉆孔或鉆孔不同樣品的基本分析副樣中采取組合樣品26件，測(cè)試常量元素Al2O3、SiO2、TiO2、Fe2O3(表5)和伴生元素Ga、Li2O3含量(表6)；同一工程中圈入礦體的樣品除以其厚度的加權(quán)平均值計(jì)算出單工程元素平均含量外，不夠礦的單工程選樣品的最高值(表7)。

表1 偃龍地區(qū)鋁土礦ZK4704鉆孔常量元素含量 %

樣號(hào)Na2OMgOAl2O3SiO2P2O5K2OCaOTiO2MnOFe2O3FeO燒失TZK4704-10.171.7233.1639.300.315.720.181.580.016.373.127.86TZK4704-20.171.2734.2438.140.255.470.341.580.015.964.657.61TZK4704-30.101.5946.627.890.111.220.432.440.191.8517.6018.58TZK4704-40.071.5344.0810.110.140.440.531.840.142.9620.9015.09TZK4704-50.090.3071.526.080.070.890.084.660.011.620.5314.00TZK4704-60.100.2973.905.320.060.770.073.540.011.120.5014.14TZK4704-70.080.4356.1123.570.052.120.153.030.011.200.2712.84TZK4704-80.080.4056.6723.090.042.130.133.100.010.940.3012.92TZK4704-90.120.4525.6232.270.161.723.811.440.0614.830.4520.00

表2 偃龍地區(qū)鋁土礦ZK4704鉆孔微量元素含量 μg/g

表3 偃龍地區(qū)鋁土礦ZK4704鉆孔稀土元素含量 μg/g

3 礦體地球化學(xué)特征

3.1 礦體垂向地球化學(xué)特征

3.1.1 常量元素

3.1.1.1 Al、Si、Ti

Al2O3含量在上部和下部均相對(duì)較低，向中部逐漸增高，反映了幾個(gè)特征：①Al含量高低代表風(fēng)化淋濾程度的強(qiáng)弱，中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦的風(fēng)化程度比下部和上部鋁土質(zhì)泥巖風(fēng)化淋濾程度要高；②中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦層鋁含量高，說明了鋁土礦層中部風(fēng)化淋濾程度較高；③Al含量的變化是從底到頂逐漸增高又降低過程。SiO2含量變化與Al和Ti的變化截然相反，由下部和上部的鋁土質(zhì)泥巖向中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦逐漸降低。上、下部鋁土質(zhì)泥巖富含黏土礦物，與SiO2的高含量相對(duì)應(yīng)，說明SiO2主要富集于黏土礦物中。Ti含量變化與Al基本一致，且Ti含量高值對(duì)應(yīng)于Al含量高值，說明Ti和Al的含量具有明顯的正相關(guān)性，由風(fēng)化淋濾的強(qiáng)度決定。

表4 偃龍地區(qū)00線鋁(黏)土礦常量元素含量 %

鉆孔編號(hào)樣號(hào)檢測(cè)結(jié)果Al2O3SiO2Fe2O3TiO2鉆孔編號(hào)樣號(hào)檢測(cè)結(jié)果Al2O3SiO2Fe2O3TiO2ZK0002H138.1041.221.971.88ZK0008H463.812.943.163.48ZK0006H465.695.481.013.86H564.564.501.653.28H664.896.171.263.86H762.635.501.603.80H863.154.631.263.19H960.882.962.244.03H1058.672.801.973.49H1163.533.362.302.82H1264.562.502.483.12H1361.973.774.651.85ZK0010H157.0025.701.212.59H270.48.551.233.86H370.77.981.602.74H452.708.439.252.37H543.009.1612.502.27H647.5017.7114.252.76H737.309.8417.502.11H849.5026.988.202.87H950.4024.6013.552.67H1054.0018.5014.052.89ZK0008H268.6211.211.523.49H370.418.862.003.72ZK0014H137.743.601.331.57

表5 偃龍地區(qū)縱向組合分析基本元素含量 %

表6 偃龍地區(qū)縱向組合分析伴生元素含量

表7 偃龍地區(qū)00線鋁(黏)土礦單工程基本元素含量 %

注：前7個(gè)鉆孔采用河南省偃師縣焦村鋁土礦區(qū)詳細(xì)勘探地質(zhì)報(bào)告中的數(shù)據(jù)。

3.1.1.2Fe

Fe作為變價(jià)元素，在強(qiáng)氧化條件下形成赤鐵礦，在中等氧化條件下形成磁鐵礦。如果氧化還原條件發(fā)生改變，已生成的礦物可以發(fā)生互相轉(zhuǎn)變。例如在還原介質(zhì)中，赤鐵礦可以還原形成黃鐵礦；在氧化介質(zhì)中磁鐵礦又可以氧化成假象赤鐵礦。Fe2O3含量在上部和下部鋁土質(zhì)泥巖中整體較高，中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦含量較低，最高含量的Al2O3對(duì)應(yīng)著最低含量的Fe2O3，說明了Fe和Al的分離，分離作用可能與當(dāng)時(shí)酸性介質(zhì)有關(guān)。FeO主要存在于黃鐵礦中，在下部鋁土質(zhì)泥巖與中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦結(jié)合部位較為富集，尤其在含鋁巖系的底部富集明顯。

其他常量元素如P，含量總體上由上至下逐漸增加；Mn與FeO的含量基本一致，中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦底部含量較高；MgO含量在上部較低，下部變高，說明了Mg具有由上至下淋濾遷移的特點(diǎn)；K2O含量在鋁土質(zhì)泥巖的上部和下部較高，中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦較低，反映了風(fēng)化程度的差異。

3.1.2 微量元素

3.1.2.1Sc、Li、Ga

Sc在巖漿巖和沉積巖中較為富集，尤其在中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦中最為富集，說明Sc相對(duì)活動(dòng)性較差，與Al2O3的變化相似。在中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦的下部出現(xiàn)，可能與Sc(OH)3沉積晚于Al(OH)3有關(guān)，或與下部FeO含量較高有關(guān)。Li含量變化較大，在上部和下部鋁土質(zhì)泥巖中含量很高，尤其在鋁土質(zhì)泥巖的下部，遠(yuǎn)高于正常泥質(zhì)沉積物中Li的含量，可能與成礦物質(zhì)的高鋰含量有關(guān)。頂?shù)撞夸X土質(zhì)泥巖中Ga的含量明顯低于中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦中Ga，并且Al與Ga的最高值相對(duì)應(yīng)。

3.1.2.2Th、U

Th整體含量相對(duì)較高，具有一定的富集作用，尤其是在中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦中富集程度更高，含礦巖系的伽馬異常明顯與Th的高含量密切相關(guān)，被認(rèn)為是火山灰存在的指示[5]。

3.1.3 稀土元素

稀土總量變化較大，總體上含鋁巖系從上部到下部，含量逐漸增加，說明了稀土元素的遷移性質(zhì)。此外，上部鋁土質(zhì)泥巖稀土含量較高，下部鋁土質(zhì)泥巖增加明顯，說明了黏土礦物對(duì)稀土元素具有吸附作用[6]。大部分樣品均表現(xiàn)為Eu負(fù)異常，整體上中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦Eu負(fù)異常更為明顯，說明風(fēng)化程度與Eu的流失有一定的關(guān)系，與Eu2+具有較強(qiáng)的遷移能力有關(guān)。除頂部和底部的鋁土質(zhì)泥巖外，整個(gè)含礦巖系均表現(xiàn)為Ce正異常，且正異常的高值與Al相一致，說明Ce正異常完全是由風(fēng)化作用所引起?！艭e/∑Y值均表現(xiàn)為輕稀土富集，但富集程度存在著較大的差異，尤其對(duì)于Al含量較高的樣品，∑Ce/∑Y出現(xiàn)低值。

總之，工作區(qū)含鋁巖系是化學(xué)風(fēng)化作用的產(chǎn)物。元素在含鋁巖系中的變化規(guī)律，除了與不同元素的地球化學(xué)性質(zhì)有關(guān)外，主要受風(fēng)化程度的控制。研究表明，風(fēng)化程度在含鋁巖系的中部最強(qiáng)，向上部和下部風(fēng)化程度逐漸變?nèi)酢?/p>

3.2 礦體橫向地球化學(xué)特征

Al2O3在南北方向上有2個(gè)峰值，南部含量最高，向北逐漸降低，在914m處達(dá)到最低，隨后逐漸增高，在1 512m處達(dá)到頂點(diǎn)，然后又逐漸降低，反映了南部和中部1 512m附近豆鮞(碎屑)狀鋁土礦相對(duì)于耐火黏土礦優(yōu)勢(shì)明顯，914m附近和北部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦對(duì)耐火黏土礦優(yōu)勢(shì)不明顯，南部和中部1 512m附近比914m附近和北部的風(fēng)化淋濾程度高。

SiO2含量變化與Al和Ti相反，由南部向914m附近，1 512m附近向北部逐漸降低，SiO2與Al2O3、TiO2呈明顯的負(fù)相關(guān)性(圖1、圖2)。

圖1 SiO2-Al2O3相關(guān)性

圖2 SiO2-TiO2相關(guān)性

Ti與Al的含量變化規(guī)律相一致，且Ti含量高值與Al含量高值相吻合，Ti和Al的含量呈正相關(guān)性(圖3)，由風(fēng)化淋濾的強(qiáng)度所決定。

圖3 Al2O3-TiO2相關(guān)性

Fe2O3含量在914 m附近和北部地段較高，在南部和中部1 512 m附近則較低，最高含量的Al2O3對(duì)應(yīng)著最低含量的Fe2O3，兩者呈負(fù)相關(guān)性(圖4)。說明了Fe和Al的分離，這一分離作用可能與當(dāng)時(shí)的酸性介質(zhì)有關(guān)。

圖4 Al2O3-Fe2O3相關(guān)性

3.3 礦體縱向地球化學(xué)特征

Al2O3含量在礦體中的縱向變化不大(表6)，為49.86%～67.05%，西部和東部稍低，中部較高，反映了中部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦相對(duì)于耐火黏土礦優(yōu)勢(shì)明顯，西部和東部豆鮞(碎屑)狀鋁土礦相對(duì)于耐火黏土礦優(yōu)勢(shì)不明顯，中部的風(fēng)化淋濾程度高于東部和西部。SiO2含量變化與Al和Ti含量變化相反，由中部向西部和東部逐漸降低。Ti含量變化與Al含量變化規(guī)律相同，且Ti含量的高值與Al含量的高值一致，Ti和Al含量具有正相關(guān)關(guān)系，由風(fēng)化淋濾的強(qiáng)度決定。Fe2O3的含量在51#線和11#線含量較高，西部和中東部則含量較低， Al2O3的含量最高值與Fe2O3的含量最低值相對(duì)應(yīng)，說明了Fe和Al的分離。Li含量變化較大(表7)，在00#～48#線含量較高，從00#線向西部，48#線向東部含量下降。從西向東，Ga含量有3個(gè)峰值，分別位于39#～43#線、00#線和76#～84#線，39#～43#線以西Ga含量變化不大，39#～43#線至07#線逐漸降低，至00#線升高，隨后又逐漸降低，至76#～84#線升高，76#～84#線以東含量變化不大。

4 微地貌對(duì)鋁土礦富集的控制作用

礦體的形態(tài)受到巖溶作用及其產(chǎn)生的巖溶地貌的影響。區(qū)內(nèi)鋁土礦主要形成于巖溶斜坡環(huán)境，并受到NW向和NE向節(jié)理的聯(lián)合控制。因此，主要受到NW向節(jié)理控制的礦體，其形態(tài)也主要為長(zhǎng)軸呈NW向的透鏡狀，受到2組節(jié)理聯(lián)合控制的礦體，其形態(tài)主要為囊狀，方向性不明顯，厚度較大。NW向和NE向節(jié)理均發(fā)育的地區(qū)，巖溶作用的范圍和強(qiáng)度也較大，礦體呈厚度較大的似層狀，而在巖溶不太發(fā)育的地區(qū)，礦體主要呈厚度較薄的似層狀。

總體上講，沉積作用時(shí)期(本溪期)，陸地向海凸起地區(qū)比凹進(jìn)地區(qū)本溪組的沉積厚度要小，如寇店的ZK13504本溪組厚度為3.72 m，而成礦較好的賈莊坡、焦村一帶，本溪組厚度多在10 m以上。但并非絕對(duì)，寇店的ZK9108本溪組厚度達(dá)到12.2 m，但鋁土礦厚度不到2 m，硅鋁比也僅為2.0，原因在于，后期的淋濾風(fēng)化作用中，地下水起著關(guān)鍵作用[7]，地下水在山谷地區(qū)要比山脊地區(qū)豐富得多，風(fēng)化淋濾和化學(xué)風(fēng)化作用也更為徹底。因此，山谷地區(qū)(陸地向海凸起地區(qū))比山脊地區(qū)(陸地向海凹進(jìn)地區(qū))成礦更為有利。據(jù)此，找礦方向應(yīng)放在龍門、劉莊、夾溝等礦段。

5 結(jié) 論

(1)垂向上。由于風(fēng)化程度差異，相對(duì)難遷移元素富集于風(fēng)化程度較強(qiáng)的層段，Al2O3、TiO2和微量元素Sc、Ga的含量在上部和下部均較低，并向中部逐漸增高，遷移能力弱的元素總體有富集，在風(fēng)化程度較強(qiáng)的層段富集更強(qiáng)，包括Fe3+、Sc、REE；遷移能力較強(qiáng)的元素總體有流失，含鋁巖系下部較上部的含量高，包括Si、Mg、Ca、U；遷移能力強(qiáng)的元素在風(fēng)化程度較高的層段具有強(qiáng)烈的流失，在上下部鋁土質(zhì)泥巖含量高，包括K、Na、Li；某些元素往往被黏土礦物和有機(jī)質(zhì)吸附，產(chǎn)生高含量，如K、Li、REE等。

(2)橫向上。Al2O3和TiO2在南北方向上有2個(gè)峰值，南部含量最高，向北部逐漸降低，達(dá)最低點(diǎn)后逐漸增高，到頂點(diǎn)后又逐漸降低，SiO2、Fe2O3的含量變化與Al和Ti的含量變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)縱向上。Al2O3和TiO2含量在礦體中的縱向變化不大，西部和東部稍低，中部較高，SiO2、Fe2O3的含量變化與Al和Ti的含量變化相反，這是由于陸地向海凸起地區(qū)比凹進(jìn)地區(qū)本溪組的沉積厚度要小，加上后期的淋濾風(fēng)化作用差異，導(dǎo)致陸地向海凹進(jìn)地區(qū)比凸起地區(qū)成礦條件優(yōu)越，并在漏斗狀巖溶地形中成礦地質(zhì)條件最佳。

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Geochemical Characteristics and Micro-Landform-Controlling of the Bauxite-Under-Coal of Yanlong

Zhou Hongchun1Liu Wenbo1Chen Yongcai1Zhang Qing1Chen Guang1Hao Jinyu1Cao Gaoshe2Duan Jianshe1

(1.The Fourth Geological Exploration Institute, Henan Geology and Mineral Bureau;2.School of Resources and Environment Engineering,Henan Polytechnic University)

Yanlong bauxiet-under-coal exploration project is one of the first integrated exploration projects in Henan province, at present, good ore-prospecting results has achieved. Samples of major elements, trace elements and rare earth elements are collected systematically, combined with some related test data, geochemical characteristics of the orebodies in the directions of vertical, horizontal and vertical are analyzed in depth.The analysis results show that the orebody is mainly affected by karst landform and later weathering and leaching, which lead to the metallogenic conditions in the recessed areas of land to the sea is superior to the projection area.

Bauxite-under-coal, Geochemcial characteristics, Weathering and leaching, Landscape control

2015-01-09)

周紅春(1969—)，男，高級(jí)工程師，碩士，450001 河南省鄭州市高新區(qū)科學(xué)大道81號(hào)。