新密來(lái)集鋁土礦床伴生鎵富集規(guī)律及沉積環(huán)境研究

朱建剛 陳荔荔 薛 濤 劉明明

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000)

0 引言

鎵作為戰(zhàn)略金屬，在國(guó)防科學(xué)、高性能計(jì)算機(jī)集成電路、光電二極管、光電探測(cè)器、無(wú)線通訊器材、光學(xué)儀器等方面有著廣泛的應(yīng)用，被稱為“電子工業(yè)的糧食”[1,2]。另外，鎵(Ga)屬于典型的分散元素，自然界很難形成獨(dú)立礦床，通常與鋁土礦伴生，主要以類質(zhì)同象的形式存在于礦物晶格中[3]。來(lái)集鋁土礦中伴生鎵品位高，平均含量65×10-6，普遍達(dá)到鋁土礦伴生鎵的工業(yè)回收利用指標(biāo)要求(20×10-6)的2倍以上，綜合利用前景廣闊。在總結(jié)來(lái)集鋁土礦床伴生鎵富集規(guī)律基礎(chǔ)上，探討其成因環(huán)境，加強(qiáng)該地區(qū)分散元素的成礦理論研究，從而更加有效地服務(wù)于該地區(qū)鋁土礦的綜合利用。

1 樣品的采集與測(cè)試

根據(jù)礦體特征，選取了區(qū)內(nèi)有代表性的15個(gè)鉆孔進(jìn)行系統(tǒng)采樣，采樣方法為1/2劈心法，并對(duì)這15件采集鉆孔樣品進(jìn)行常量元素及鎵的定量測(cè)試。為了解其它微量元素含量特征，依據(jù)礦石類型，采集10件樣品做了光譜全分析。所有樣品統(tǒng)一編號(hào)后由我單位實(shí)驗(yàn)室完成測(cè)試。

樣品的常量元素測(cè)試方法依據(jù)《鋁土礦石化學(xué)分析方法》(YS/T 575-2007)進(jìn)行：Al2O3含量利用滴定管采用容量法測(cè)定；SiO2含量和燒失量利用AE-160型電子分析天平采用重量法測(cè)定；Fe2O3和TiO2含量利用Vis-7220N/722N分光光度計(jì)采用比色法測(cè)定；S含量利用CS-3000型紅外碳硫儀采用紅外分子光譜法測(cè)定。

微量元素測(cè)試方法依據(jù)《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試質(zhì)量管理規(guī)范》(DZ/T 0130-2006)進(jìn)行：鎵含量利用高分辨率電離耦合等離子體質(zhì)譜儀(HR ICP-MS)測(cè)定；其它微量元素利用Optam2100 DV型等離子發(fā)射光譜儀采用原子發(fā)射光譜法測(cè)定。實(shí)驗(yàn)中使用去離子水，HNO3和HCl在優(yōu)級(jí)純的基礎(chǔ)上進(jìn)一步純化后使用，其它試劑均為優(yōu)級(jí)純，使用的標(biāo)準(zhǔn)溶液中各待測(cè)元素的濃度為10μg/L。

2 測(cè)試結(jié)果與討論

2.1 鎵的富集特征

來(lái)集鋁土礦均為一水硬鋁石型鋁土礦，以灰色稀鮞(豆)粒狀為主，少量灰色微致密塊狀，總體鎵含量21×10-6～90×10-6，平均65×10-6，見(jiàn)表1。從測(cè)試結(jié)果看，不同礦石類型的鋁土礦鎵含量也不同：微致密塊狀鋁土礦4件，鎵含量21×10-6～33×10-6，平均26×10-6；稀鮞(豆)粒狀10件，鎵含量70×10-6～90×10-6，平均82×10-6；致密狀鋁土巖1件，鎵含量50×10-6。測(cè)試結(jié)果表明，較高品位的稀鮞(豆)粒狀鋁土礦鎵含量普遍大于較低品位的微致密塊狀鋁土礦鎵含量。這一規(guī)律與吳波[4]、劉平[5]研究結(jié)果一致，為來(lái)集礦區(qū)工業(yè)品位鋁土礦伴生鎵的綜合利用提供了理論依據(jù)。

表1 來(lái)集鋁土礦元素分析結(jié)果(常量元素×10-2，Ga×10-6)

2.2 鎵含量與常量元素相關(guān)性

元素的相關(guān)性受元素的地球化學(xué)性質(zhì)影響，化學(xué)性質(zhì)相近的元素具有較好的相關(guān)性。本次利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了鎵含量與常量元素的相關(guān)性。相關(guān)性系數(shù)r見(jiàn)公式(1)：

(1)

相關(guān)性系數(shù)r判定標(biāo)準(zhǔn)為：r正值為正相關(guān)關(guān)系；r負(fù)值為負(fù)相關(guān)關(guān)系；|r|<0.3，無(wú)相關(guān)關(guān)系；0.3≤|r|<0.5，弱相關(guān)關(guān)系；0.5≤|r|<0.8，中等相關(guān)關(guān)系|r|≥0.8，強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。

從計(jì)算結(jié)果看，鎵與Al2O3、TiO2、A/S呈中等正相關(guān)關(guān)系；與SiO2呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系；與Fe2O3、S無(wú)相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)表2。鎵是典型的分散元素，具有親O和親S性，地球化學(xué)性質(zhì)與鋁和Fe3+相似，存在類質(zhì)同象置換的可能性[6]。從相關(guān)性分析結(jié)果看，鎵在風(fēng)化和沉積作用過(guò)程中更容易追隨鋁，而非Fe3+，鎵與鋁發(fā)生類質(zhì)同象置換。需要指出的是分析測(cè)試的致密狀鋁土巖樣品，其鎵含量達(dá)50×10-6，高于部分低品位鋁土礦樣品。這一現(xiàn)象提示類質(zhì)同象置換并非鎵賦存的唯一形式。分析結(jié)果同湯艷杰[3]研究認(rèn)為豫西鋁土礦中部分伴生鎵以吸附的形式存在于粘土礦物微粒和鋁、鐵的氫氧化物表面的研究結(jié)果一致。

表2 鎵含量與常量元素相關(guān)性計(jì)算結(jié)果

3 沉積環(huán)境探討

受溫度、生物活動(dòng)、風(fēng)化、沉積作用及成巖變化的影響，元素產(chǎn)生分異。同時(shí)，元素的賦存分布特征也記錄著沉積環(huán)境特征，一些元素的比值可以作為地球化學(xué)相標(biāo)志。本次測(cè)試了10個(gè)典型樣品的微量元素含量，見(jiàn)表3，通過(guò)一些指相元素探討來(lái)集鋁土礦床沉積環(huán)境。

表3 來(lái)集礦區(qū)鋁土礦微量元素分析結(jié)果(×10-6)

Sr/Ba比值通常用來(lái)確定古鹽度，研究表明Sr/Ba比值與水體鹽度呈正相關(guān)關(guān)系：Sr/Ba>1為海相，<1則為淡水沉積物[7-9]。樣品分析表明，來(lái)集礦區(qū)鋁土礦Sr/Ba為1.2～21.7，均>1，表明成礦環(huán)境為咸水環(huán)境。圖1中，來(lái)集礦區(qū)鋁土礦Sr/Ba曲線呈現(xiàn)了兩個(gè)峰值，反映了成礦水動(dòng)力條件的復(fù)雜性及古地貌的多樣性。結(jié)合鉆孔巖心數(shù)據(jù)、剖面地層特征、沉積構(gòu)造、生物面貌特征，推斷來(lái)集鋁土礦礦床形成于濱?！獮a湖相。

圖1 來(lái)集礦區(qū)鋁土礦Sr/Ba曲線

V、Cr、Ni、Co在不同的氧化還原條件下表現(xiàn)不同的地球化學(xué)性質(zhì)，常用V/Cr、Ni/Co和V/(V+Ni)等微量元素比值來(lái)判別古水體的氧化還原條件。學(xué)者[4,10]對(duì)這些地球化學(xué)指相參數(shù)進(jìn)行了研究，不同的氧化還原條件參數(shù)的取值不同，見(jiàn)表4。

表4 氧化還原條件的成分參數(shù)

來(lái)集礦區(qū)含鋁巖系中V/Cr=0.92～1.57，平均1.32；Ni/Co=1.38～5.74，平均3.92；V/(V+Ni)=0.40～0.66，平均0.56，表明多數(shù)鋁土礦成礦于富氧的氧化環(huán)境，同時(shí)也存在貧氧的弱氧化環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

來(lái)集鋁土礦鎵含量平均65×10-6，普遍較高。較高品位的稀鮞(豆)粒狀鋁土礦鎵含量普遍大于較低品位的微致密塊狀鋁土礦鎵含量。

鎵與Al2O3、TiO2、A/S呈中等正相關(guān)關(guān)系；與SiO2呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系；與Fe2O3、S無(wú)相關(guān)關(guān)系。鎵在風(fēng)化和沉積作用過(guò)程中更容易追隨鋁，而非Fe3+，鎵與鋁發(fā)生類質(zhì)同象置換。類質(zhì)同象置換并非鎵賦存的唯一形式，可能存在吸附形式的鎵。

來(lái)集礦區(qū)鋁土礦Sr/Ba=1.2～21.7，表明成礦環(huán)境為咸水環(huán)境；V/Cr=0.92～1.57、Ni/Co=1.38～5.74、V/(V+Ni)=0.40～0.66，表明多數(shù)鋁土礦成礦于富氧的氧化環(huán)境，同時(shí)也存在貧氧的弱氧化環(huán)境。

綜合研究認(rèn)為，來(lái)集鋁土礦礦床形成于咸水為主的富氧氧化環(huán)境，同時(shí)也存在貧氧的弱氧化環(huán)境，表明其成礦水動(dòng)力條件的復(fù)雜性及古地貌的多樣性。結(jié)合鉆孔巖心數(shù)據(jù)、剖面地層特征、沉積構(gòu)造、生物面貌特征，認(rèn)為來(lái)集鋁土礦礦床形成于濱?！獮a湖相。