中國(guó)高嶺土礦床時(shí)空分布規(guī)律

吳宇杰, 陳從喜 , 袁 峰

1)合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 安徽合肥 230009; 2)自然資源部信息中心, 北京 100036

高嶺土是以中國(guó)江西省景德鎮(zhèn)市東45 km的高嶺村命名的礦種。中國(guó)是世界上最早制作瓷器的國(guó)家, 而高嶺土在古今制瓷方面起了關(guān)鍵的作用, 是一種重要的工業(yè)礦物、戰(zhàn)略性礦產(chǎn), 或“關(guān)鍵礦產(chǎn)”(鄭直等, 1980; 陳其慎和王高尚, 2007; 汪靈,2019)。中國(guó)高嶺土雖然有著悠久的開(kāi)發(fā)利用歷史,但對(duì)高嶺土礦床地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)的研究和地質(zhì)勘查卻始于20世紀(jì)30年代。如侯德封(1931)對(duì)河北彭城鎮(zhèn)黏土的調(diào)查, 李?lèi)傃?1941)對(duì)四川敘永黏土的調(diào)查。章人駿(1947)對(duì)江西景德鎮(zhèn)高嶺土的研究, 唐衡楚等(1957)對(duì)江西浮梁、星子等處高嶺土的研究,沈永和(1957)對(duì)內(nèi)蒙古大青山“高嶺巖”的研究。陶維屏(1966)、方鄴森和胡立勛(1980)對(duì)高嶺土礦床地質(zhì)的研究, 彭琪瑞等(1963)、陳開(kāi)惠(1984)對(duì)高嶺土礦物的研究, 陶維屏等(1984)對(duì)中國(guó)高嶺土礦床進(jìn)行了系統(tǒng)性論述, 指出中國(guó)高嶺土大多數(shù)分布在中國(guó)東部和南部, 形成時(shí)間上 70%以上形成于中、新生代, 近 60%的礦床賦存于中、新生代巖體中,并總結(jié)了高嶺土礦床的成因類(lèi)型與成礦模式。與此同時(shí), 我國(guó)地勘隊(duì)伍對(duì)高嶺土礦開(kāi)展了地質(zhì)勘查工作, 到目前為止發(fā)現(xiàn)并勘查、開(kāi)發(fā)利用了 500多個(gè)高嶺土礦床, 分布于全國(guó)26個(gè)省(區(qū)、直轄市)?？偟膩?lái)看, 前人對(duì)中國(guó)高嶺土礦床研究做了大量工作,主要集中在礦床地質(zhì)特征及成因、地球化學(xué)、成礦規(guī)律及開(kāi)發(fā)利用方面, 但限于掌握數(shù)據(jù)有限, 缺少全國(guó)范圍基于大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)空性計(jì)量分析。鑒于此, 在前人研究的基礎(chǔ)上, 本文采用地球信息科學(xué)的空間分析方法, 以可獲得的大量地質(zhì)勘查成果和礦床資料為對(duì)象, 研究全國(guó)高嶺土礦床的時(shí)空分布規(guī)律, 以時(shí)間演化規(guī)律求證已知空間分布的合理性, 推測(cè)未知空間區(qū)域成礦的可能性, 對(duì)高嶺土礦床學(xué)研究、成礦預(yù)測(cè)和找礦勘查具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 中國(guó)高嶺土礦床空間分布規(guī)律

依照《中國(guó)成礦區(qū)帶劃分方案》(陳毓川等, 2006;徐志剛等, 2008)對(duì)成礦區(qū)帶劃分和研究的要求及原則, 在綜合研究并總結(jié)中國(guó)高嶺土礦成礦規(guī)律基礎(chǔ)之上, 確定了中國(guó)高嶺土礦成礦區(qū)帶劃分方案。全國(guó)高嶺土礦床共劃分出4個(gè)成礦域、13個(gè)成礦省和44個(gè)III級(jí)成礦區(qū)帶(表1)。按各成礦區(qū)帶礦床數(shù)量從多到少, 前十名成礦區(qū)帶依次為: 武功山—杭州灣、浙閩粵沿海、江南隆起東段、南嶺、永安—梅州—惠州、長(zhǎng)江中下游、粵西—桂東南、山西(斷隆)、海南、欽州(殘海)高嶺土成礦帶。

表1 中國(guó)高嶺土礦床成礦區(qū)帶基本特征Table 1 Basic characteristics of metallogenic belts of kaolin deposits in China

續(xù)表1

1.1 中國(guó)高嶺土礦床在成礦域上的分布規(guī)律

成礦域, 是指全球性的成礦區(qū)帶(陳毓川, 1999),應(yīng)大致對(duì)應(yīng)于構(gòu)造域, 受控于統(tǒng)一的全球性構(gòu)造及受控之動(dòng)力學(xué)體系。按照中國(guó)成礦作用特點(diǎn), 中國(guó)高嶺土礦產(chǎn)地共劃定 4個(gè)成礦域, 即古亞洲、秦祁昆、特提斯、濱太平洋成礦域(陳毓川等, 2006; 徐志剛等, 2008)。中國(guó)高嶺土礦床主要分布在古亞洲成礦域和濱太平洋成礦域。

古亞洲成礦域主要以新時(shí)代碎屑巖建造沉積型高嶺土礦床和古生代—中生代含煤建造沉積型高嶺土礦床為主。濱太平洋成礦域由于活躍的成礦作用, 形成了各類(lèi)高嶺土礦床, 尤其是花崗巖類(lèi)風(fēng)化型高嶺土礦床規(guī)模宏大, 這類(lèi)礦床主要分布在長(zhǎng)江以南地區(qū)。具體到各細(xì)分類(lèi)型礦床來(lái)說(shuō), 細(xì)粒酸性脈巖風(fēng)化型礦床分布較廣, 華北、華東、中南都有。這些細(xì)粒酸性脈巖主要是燕山期的, 在第四紀(jì)風(fēng)化成礦。其中以侵入于富鋁巖層中的細(xì)粒酸性脈巖礦化最佳。凝灰?guī)r風(fēng)化型礦床與凝灰?guī)r蝕變型礦床都與晚侏羅紀(jì)凝灰?guī)r有關(guān)。凝灰?guī)r風(fēng)化型礦床主要分布在長(zhǎng)江以南, 東經(jīng) 115°以東的沿海和雨量充沛,氣候濕熱而地勢(shì)低平的內(nèi)地。其控礦因素基本上與花崗巖-偉晶花崗巖風(fēng)化型礦床相似, 但因其母巖較花崗巖致密因而風(fēng)化難度較大, 故目前在長(zhǎng)江以北此類(lèi)礦床少見(jiàn)(陶維屏等, 1984, 1994)。

1.2 中國(guó)高嶺土礦床在成礦省上的分布規(guī)律

按區(qū)域成礦學(xué)的理論, 成礦省內(nèi)應(yīng)出現(xiàn)過(guò)一個(gè)或幾個(gè)與區(qū)域成礦作用相對(duì)應(yīng)的大地構(gòu)造-巖漿旋回, 其內(nèi)部出現(xiàn)幾個(gè)與構(gòu)造-巖漿旋回有成因聯(lián)系的礦化類(lèi)型組合并疊加一體的成礦單元, 在地質(zhì)歷史演化過(guò)程中, 成礦物質(zhì)的富集受地殼物質(zhì)不均勻性的控制, 即地殼物質(zhì)占主導(dǎo)地位, 礦床富集在大地構(gòu)造單元的特定部位, 或與特定的地質(zhì)體有成因聯(lián)系。中國(guó)區(qū)域可劃分出16個(gè)II級(jí)成礦區(qū)帶(陳毓川等, 2006; 徐志剛等, 2008)。其中, 與高嶺土分布有關(guān)的有13個(gè)成礦省, 包括II-1阿爾泰成礦省; II-2準(zhǔn)噶爾成 礦省; II-3伊犁成礦省; II-4塔里木陸塊成礦省; II-5祁連成礦省; II-6昆侖成礦省; II-7秦嶺—大別成礦省; II-10岡底斯—騰沖成礦省; II-12內(nèi)蒙古—大興安嶺成礦省; II-13吉黑成礦省; II-14華北陸塊成礦省; II-15楊子成礦省; II-16華南成礦省(含臺(tái)灣島和海南島)。高嶺土礦床集中分布在華北陸塊成礦省、揚(yáng)子成礦省、華南成礦省這3個(gè)二級(jí)成礦單元里(圖1)。

圖1 中國(guó)高嶺土礦床在I級(jí)和II級(jí)成礦區(qū)帶的分布Fig.1 Distribution of I and II grade metallogenic domains of kaolin deposits in China

華北陸塊成礦省記錄了中國(guó)最古老地殼的形成過(guò)程, 也孕育著中國(guó)最古老的高嶺土礦床, 涵蓋了我國(guó)90%最具特色、未來(lái)也是最具開(kāi)發(fā)潛力的煤系高嶺土。華北陸塊在寒武—奧陶紀(jì)形成碳酸巖臺(tái)地形, 以碳酸鹽巖為主夾少量細(xì)碎屑巖的淺海陸架沉積廣布, 構(gòu)成了陸塊區(qū)的蓋層。奧陶紀(jì)到早石炭紀(jì), 華北陸塊區(qū)整體抬升上隆成剝蝕區(qū), 大規(guī)模的碳酸鹽巖侵蝕面為后續(xù)煤系高嶺土礦床的形成提供先決條件。晚石炭紀(jì)—早二疊紀(jì)發(fā)育陸表海沉積,中二疊紀(jì)到中三疊紀(jì)為陸相沉積, 煤系高嶺土礦床也主要為陸相沉積。

以陜西府谷縣高嶺土為例, 高嶺土礦層主要賦存于中晚石炭世及早二疊世煤系地層中, 與煤礦層密切共生, 且多數(shù)構(gòu)成煤層底板。高嶺土礦含礦巖系包括本溪組、太原組、山西組, 各組段沉積特征不盡相同, 生成古環(huán)境也有所區(qū)別, 其中本溪組巖層是(瀉湖)潮坪環(huán)境下形成的, 具明顯的填平補(bǔ)齊的沉積特點(diǎn)。太原組巖層總體為受海侵影響的下三角洲平原古環(huán)境, 含礦層具分流間灣沉積亞環(huán)境特征, 高嶺土礦層是這種亞環(huán)境的沉積物。良好的泄水環(huán)境導(dǎo)致黏土一年中幾個(gè)月時(shí)間暴露在大氣中氧化, 形成高嶺石。海則廟礦層位于山西組下部第一沉積旋回。礦層形成于曲流河岸后洼地-湖泊中, 洪泛期含黏土河水進(jìn)入岸后湖沼, 黏土類(lèi)碎屑會(huì)漸漸沉積下來(lái), 靜水期水位下降, 這些物質(zhì)暴露于空氣中氧化, 黏土轉(zhuǎn)化為高嶺土(張炳社等, 2013)。

而揚(yáng)子成礦省相對(duì)于華北華南成礦省, 最具研究和開(kāi)發(fā)價(jià)值的應(yīng)是熱液蝕變型高嶺土, 該地區(qū)熱液蝕變型高嶺土礦床占此類(lèi)礦床總數(shù)量 50%以上,在安徽廬江、馬鞍山、繁昌一帶, 與蘇州陽(yáng)山一帶廣泛分布, 在贛東北地區(qū)也有零星散布。此種高嶺土質(zhì)地優(yōu)良, 在我國(guó)高嶺土工業(yè)上占據(jù)及其重要的地位(陶維屏, 1989; 陶維屏等, 1994)。

以江蘇蘇州高嶺土礦床為例, 按其成因、產(chǎn)出空間位置及頂?shù)装鍑鷰r特征, 可分成三個(gè)礦床類(lèi)型,即陽(yáng)西式、觀山式、通安式。陽(yáng)西式為熱液蝕變疊加后期改造型礦床。礦床產(chǎn)出空間位置, 受逆推斷裂和剝蝕面復(fù)合構(gòu)造控制。礦床規(guī)模一般為大-中型。屬此類(lèi)礦床的有陽(yáng)西礦、五龍山礦等。觀山式為熱液蝕變型, 局部地段屬疊加后期改造型。礦床產(chǎn)出空間位置, 主要受剝蝕面控制。頂板為火山巖,底板為二疊—三疊系灰?guī)r(砂頁(yè)巖), 礦床規(guī)模一般為大型。屬于該類(lèi)礦床的有觀山、戈家塢及沙墩頭等。通安式為熱液蝕變型礦床, 受張性斷裂控制,常呈脈狀穿插于火山巖中, 局部在泥盆系砂巖斷裂裂隙中見(jiàn)及。礦床規(guī)模一般為中-小型, 原巖多為次英安斑巖、石英正長(zhǎng)斑巖、花崗斑巖、石英斑巖等脈巖, 經(jīng)熱液蝕變、強(qiáng)烈高嶺土化而成(陶維屏等,1984; 李燦華和范斯, 1988; 方鄴森和方金滿(mǎn),1990)。

華南成礦省是我國(guó)高嶺土礦床分布最多的地區(qū), 查明資源儲(chǔ)量上占據(jù)了我國(guó)高嶺土總查明資源儲(chǔ)量 50%以上, 發(fā)現(xiàn)大小礦點(diǎn)多達(dá) 700余處, 成因類(lèi)型從風(fēng)化型, 到熱液蝕變型、煤系沉積型都有,幾乎涵蓋我國(guó)所有的成因類(lèi)型, 是我國(guó)高嶺土資源最豐富也是開(kāi)發(fā)程度最大的地區(qū), 僅廣西合浦一地的高嶺土查明資源儲(chǔ)量就約占全國(guó)高嶺土查明資源儲(chǔ)量的 1/4。最典型的也是最主要的礦床類(lèi)型是風(fēng)化殘積形成的高嶺土(周?chē)?guó)平和林毓川, 1991a, b)。

以廣西合浦耀康高嶺土礦區(qū)和十字路高嶺土礦區(qū)為例, 耀康高嶺土礦區(qū)和十字路高嶺土礦區(qū)賦存于加里東晚期鉀長(zhǎng)花崗巖風(fēng)化殼內(nèi), 礦體呈層狀、似層狀產(chǎn)出, 覆蓋于花崗巖之上。礦石自然類(lèi)型可分為土狀高嶺土和殘余塊狀高嶺土兩種。按顏色可分為白-灰白色高嶺土和雜色高嶺土。礦石的工業(yè)類(lèi)型均屬砂質(zhì)高嶺土。耀康礦區(qū)和十字路礦區(qū)查明資源儲(chǔ)量規(guī)模均為大型, 耀康礦區(qū)礦石質(zhì)量指標(biāo)中含F(xiàn)e2O3、TiO2稍高, 而十字路礦區(qū)由于礦床風(fēng)化不全, 個(gè)別礦段原礦質(zhì)量比較差(熊培文, 1991; 許富安, 2009), 對(duì)高嶺土質(zhì)量影響較大。

1.3 中國(guó)高嶺土重要礦集區(qū)

參考以往礦集區(qū)劃分的一般原則和金屬礦床礦集區(qū)研究的實(shí)踐(徐志剛等, 2008; 陳建平等,2013; 應(yīng)立娟等, 2014; 李建康等, 2014; 高蘭等,2014), 本文高嶺土礦集區(qū)劃分的原則是: (1)同一大地構(gòu)造分區(qū)內(nèi), 高嶺土礦礦集區(qū)在各自 III級(jí)成礦區(qū)帶內(nèi)圈定; (2)礦集區(qū)內(nèi)包含不同成因類(lèi)型礦床,有詳(普)査以上工作程度并提交有資源查明資源儲(chǔ)量的2處大型以上高嶺土礦床; 或有1處大型高嶺土礦床, 并在其周邊有若干個(gè)中型、小型礦床(點(diǎn))集中分布。(3)礦集區(qū)邊界、輪廓、走向按 III級(jí)成礦區(qū)帶走向分布情況而定。

按照上述礦集區(qū)劃分原則, 結(jié)合高嶺土礦床成礦時(shí)代和成因類(lèi)型, 將中國(guó)高嶺土聚集區(qū)劃分出14個(gè)礦集區(qū)。高嶺土礦集區(qū)的命名原則是地名+成因類(lèi)型+高嶺土礦集區(qū)。按 III級(jí)成礦區(qū)帶順序從西往東、從北往南依次編號(hào)(表2)。

表2 中國(guó)高嶺土礦集區(qū)的劃分方案Table 2 Classification scheme of kaolin ore concentration areas in China

2 中國(guó)高嶺土礦床的時(shí)間分布規(guī)律

基于對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)有關(guān)高嶺土礦床成礦年代學(xué)資料的系統(tǒng)整理和分析, 本文將中國(guó)高嶺土的成礦時(shí)代劃分為三個(gè)大的成礦期: 古生代、中生代、新生代。風(fēng)化型高嶺土礦床主要形成于新生代的第四紀(jì); 煤系沉積高嶺土礦床主要形成于晚古生代的石炭紀(jì)—二疊紀(jì)和中生代的三疊紀(jì)—侏羅紀(jì); 熱液蝕變型高嶺土礦床主要形成于中生代的侏羅紀(jì)。

本次工作統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明, 我國(guó)高嶺土礦床形成時(shí)代以中、新生代為主, 78%的高嶺土礦床形成于中、新生代。按紀(jì)細(xì)分, 高嶺土成礦集中分布在7個(gè)主成礦期, 其中最為重要的是第四紀(jì), 約占全國(guó)高嶺土查明資源儲(chǔ)量的 48%; 其次為石炭紀(jì), 約占全國(guó)高嶺土查明查明資源儲(chǔ)量的12%。而對(duì)于高嶺土的含礦層位或風(fēng)化成因的成礦母巖來(lái)說(shuō), 最早的可以追溯到太古代、元古代的巖體上, 但主要成礦母巖的時(shí)代還是分布在中生代、新生代。在賦礦空間分布上, 60%的高嶺土礦床賦存于古生代、中生代、新生代巖系和巖體中(圖2)。

圖2 中國(guó)各個(gè)成礦期高嶺土礦床分布Fig.2 Distribution of kaolin deposits in different metallogenic epochs in China

2.1 石炭紀(jì)—二疊紀(jì)

石炭紀(jì)—二疊紀(jì)是我國(guó)高嶺土礦的重要成礦期, 占全國(guó)高嶺土查明資源儲(chǔ)量的 20%, 礦床類(lèi)型以煤系沉積高嶺土為主, 主要分布于皖北、山西、河北、內(nèi)蒙古等地。此類(lèi)高嶺土往往產(chǎn)于沉積旋回的上部, 有明顯的沉積韻律。而華南地區(qū)煤系沉積高嶺土主要形成于二疊紀(jì)—三疊紀(jì), 少部分地區(qū)煤系沉積高嶺土礦床分布于新近紀(jì)沉積的煤系中。

2.2 三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)

中生代中—晚期劇烈火山活動(dòng)為熱液蝕變型礦床的形成提供了良好的條件, 此類(lèi)礦床質(zhì)地優(yōu)良,以江蘇陽(yáng)山高嶺土礦為代表。大多數(shù)礦床賦存于侏羅系上統(tǒng)的火山巖中, 產(chǎn)出空間位置主要受剝蝕面控制。集中分布于蘇南與浙江一帶, 成礦帶屬于長(zhǎng)江中下游與武功山杭州灣, 礦床規(guī)模多為大中型,占全國(guó)高嶺土查明資源儲(chǔ)量的14%。

2.3 第四紀(jì)

第四紀(jì)主要形成風(fēng)化型高嶺土, 為我國(guó)高嶺土的主要成因類(lèi)型, 占全國(guó)查明資源儲(chǔ)量的 61%, 其它成因占15%, 合計(jì)占76%。其在中國(guó)南方分布與大面積中生代(燕山期)花崗巖及有關(guān)脈巖分布區(qū)相吻合。大部分風(fēng)化型高嶺土礦床在中國(guó)北方和南方部分地區(qū)分布在太古代、元古代、古生代花崗巖、花崗偉晶巖和堿性巖體風(fēng)化帶中。少量風(fēng)化型高嶺土礦床分布在元古代、古生代含長(zhǎng)石的硅鋁質(zhì)沉積(變質(zhì))巖系中。在成礦區(qū)帶上來(lái)看, 主要分布于武功山—杭州灣成礦帶、浙閩粵沿海成礦帶、粵西—桂東南成礦帶。

3 中國(guó)高嶺土礦查明資源儲(chǔ)量時(shí)空分布特征

據(jù)自然資源部 2019年礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量通報(bào), 我國(guó)探明高嶺土查明資源儲(chǔ)量總共約為35億t, 分布于全國(guó) 26個(gè)省(區(qū)、直轄市)。按照省份進(jìn)行統(tǒng)計(jì),江西、福建、廣東、廣西、江蘇、陜西等6省擁有24.8億 t查明資源儲(chǔ)量, 占全國(guó)高嶺土查明資源儲(chǔ)量的 71%; 按照成礦區(qū)帶來(lái)看, 粵西—桂東南成礦帶擁有最多的高嶺土查明資源儲(chǔ)量和最豐富的大型礦床, 總共擁有11.9億t, 占全國(guó)總查明資源儲(chǔ)量的34%, 而武功山—杭州灣高嶺土礦成礦帶礦床數(shù)量最多, 擁有111個(gè)礦床, 礦床規(guī)模以小型為主; 按照成因類(lèi)型來(lái)看, 風(fēng)化殘積亞型礦床數(shù)量和查明資源儲(chǔ)量都最多, 擁有304個(gè)礦床和21.3億 t查明資源儲(chǔ)量, 占全國(guó)高嶺土查明資源儲(chǔ)量的 61%, 其次為煤系沉積亞型, 占全國(guó)高嶺土查明資源儲(chǔ)量的13%。

本文采用Arcgis反距離權(quán)重的方法針對(duì)全國(guó)高嶺土的礦床按查明資源儲(chǔ)量分布進(jìn)行空間分析。反距離權(quán)重法除了能反映各地的礦床查明資源儲(chǔ)量之外, 還能充分考慮各因素之間的地域性聯(lián)系。反距離加權(quán)法是基于“地理第一定律”的基本假設(shè): 即兩個(gè)物體相似性隨他們間的距離增大而減少。它以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均, 離插值點(diǎn)越近的樣本賦予的權(quán)重越大, 此種方法簡(jiǎn)單易行, 直觀并且效率高, 在已知點(diǎn)分布均勻的情況下插值效果好, 缺點(diǎn)是易受極值的影響(蔡福等,2005; Lu and Wong, 2007; 劉光孟等, 2010; 吳亞坤等, 2013; 賈悅等, 2016; Mesnard, 2017)。其公式如下:

式中 Z 為估計(jì)值;Zi為第i(i=1,··,n)個(gè)樣本值di是距離,n為用于插值的礦床點(diǎn)的數(shù)量,p是距離的冪, 它的選擇標(biāo)準(zhǔn)是最小平均絕對(duì)誤差, 默認(rèn)p=2。

上述高嶺土礦床的分布特點(diǎn)雖然主要由地質(zhì)因素決定, 但也可能有人為的因素, 由于全國(guó)的礦產(chǎn)資源分布范圍面積較大, 不同地區(qū)對(duì)不同礦產(chǎn)的開(kāi)發(fā)有所偏倚, 從全國(guó)范圍上來(lái)說(shuō), 東部的地質(zhì)工作做的比西部多, 地質(zhì)工作程度也深, 發(fā)現(xiàn)的礦床就多; 再加上東部交通方便, 礦業(yè)發(fā)達(dá), 導(dǎo)致礦產(chǎn)分布十分不均勻, 并且掌握的西部資料也較少, 導(dǎo)致西部和東部分布為兩個(gè)極端。所以不論是直接將所有礦床的查明資源儲(chǔ)量進(jìn)行空間分析或者主觀選擇代表性的礦床查明資源儲(chǔ)量來(lái)代表全國(guó)范圍的高嶺土資源的查明資源儲(chǔ)量分布都具有明顯的局限性。

為了增強(qiáng)選擇礦床的代表性, 適當(dāng)降低人為因素的影響, 本文將大、中型礦床為代表礦點(diǎn), 以成礦區(qū)帶為基本單位, 根據(jù)反距離權(quán)重法計(jì)算每個(gè)成礦區(qū)帶的各小型真實(shí)礦床對(duì)應(yīng)代表礦床的權(quán)重, 再將各個(gè)礦床乘以權(quán)重后相加求取平均值, 代表這一個(gè)礦床點(diǎn)的高嶺土查明資源儲(chǔ)量值, 如此可以適當(dāng)降低主觀性選擇和統(tǒng)計(jì)上所帶來(lái)的誤差, 且可視化效果更優(yōu)。計(jì)算公式如下:

式中xi,yi分別表示所求礦床的經(jīng)度(°)、緯度(°);yi、ym分別表示所求代表礦床的經(jīng)度、緯度;ri為第i個(gè)礦床到代表礦床的距離;n為礦床個(gè)數(shù);ωi為第i個(gè)礦床的權(quán)重。

例如醴陵市爐佛嶺礦區(qū)、醴陵市長(zhǎng)坡礦區(qū)、醴陵市趙家段礦區(qū) 3個(gè)礦點(diǎn), 其經(jīng)度、緯度分別為爐佛 嶺 (113.2607°E, 27.4809°N)、長(zhǎng) 坡 (113.173°E,27.4023°N)、趙家段(113.2602°E, 27.5112°N), 代表礦點(diǎn)為醴陵市馬頸坳礦區(qū)(113.2556°E, 27.422°N)(大型礦床), 按公式(2)、(3), 計(jì)算得 3個(gè)礦床的權(quán)重分別為0.520、0.252、0.228, 將3個(gè)礦床的資源量乘以權(quán)重后與代表礦床的查明資源儲(chǔ)量相加, 得到代表礦床點(diǎn)的虛擬儲(chǔ)量值。

按此公式計(jì)算的高嶺土礦床查明資源儲(chǔ)量空間分布模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。按照此前的研究結(jié)論(陶維屏等, 1984, 1994; 周?chē)?guó)平和林毓川, 1991a), 中國(guó)高嶺土礦床整體上主要分布在中國(guó)東南部, 但從本次研究和編圖成果來(lái)看, 中國(guó)中部、北部依然有可觀查明資源儲(chǔ)量的高嶺土礦床。實(shí)際上, 這也符合基本事實(shí)。首先中國(guó)北方中、西部有著豐富的煤系高嶺土, 如陜西府谷高嶺土礦床是我國(guó)目前探明的最大高嶺土礦床。再往北走, 熱液蝕變型高嶺土, 和整體高嶺土成礦時(shí)代的分布規(guī)律恰恰相反, 沿環(huán)西太平洋自西向東, 自南而北, 成礦地質(zhì)年代愈來(lái)愈新, 比如吉林磐石新立屯超大型高嶺土礦探明查明資源儲(chǔ)量約 28億 t, 成礦時(shí)代為三疊紀(jì)。另外, 從更大尺度來(lái)看, 朝鮮半島、日本九州島、本州島西南部亦有大規(guī)模的高嶺土礦床, 礦床大部分產(chǎn)于白堊紀(jì)及第三系當(dāng)中, 到本州島北部則產(chǎn)于中新統(tǒng)火山巖系內(nèi), 如板谷礦床(Nagasawa,1978), 這種時(shí)空分布規(guī)律也進(jìn)一步證實(shí)了熱液蝕變型礦床的時(shí)控和層控性質(zhì)。說(shuō)明熱液蝕變型礦床的形成嚴(yán)格受島弧火山活動(dòng)的控制。這一現(xiàn)象完全與環(huán)西太平洋火山島弧隨地質(zhì)年代由西向東, 由南向北逐漸發(fā)展的演化歷史一致(陶維屏等, 1984, 1994), 因此也證明了這種類(lèi)型的高嶺土礦床分布規(guī)律是合理的。

圖3 中國(guó)高嶺土礦床查明資源儲(chǔ)量空間分布模擬圖Fig.3 The simulation map of kaolin reserve distribution in China

4 中國(guó)高嶺土礦床時(shí)空演化關(guān)系

4.1 風(fēng)化型高嶺土礦床

風(fēng)化殘積亞型是我國(guó)高嶺土礦床最主要的成因類(lèi)型。同時(shí), 高嶺土礦物與巖漿、沉積、風(fēng)化和變質(zhì)作用密切相關(guān)(Dill and Harald, 2016)。我國(guó)風(fēng)化殘積亞型高嶺土礦床主要集中在華南成礦省, 杭州灣—武功山、浙閩粵沿海和江南隆起東段高嶺土成礦帶, 典型礦床有湖南衡陽(yáng)界牌和福建龍巖東宮下高嶺土礦床, 此類(lèi)礦床成礦時(shí)代全部處于第四紀(jì)。礦床埋藏淺, 多為露天開(kāi)采, 可分為兩個(gè)亞類(lèi), 一是原巖就地風(fēng)化; 二是淋濾再沉積(鄭直等, 1983;鄭直和呂達(dá)人, 1983)。高嶺土是由中酸性火成巖或變質(zhì)巖在弱酸性地表水持續(xù)淋濾作用下形成的產(chǎn)物。成礦作用明顯地受到風(fēng)化母巖、構(gòu)造、圍巖、氣候、地形地貌、植被和水介質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)等因素的綜合控制(陳開(kāi)惠, 1984)。成礦原巖為燕山中晚期的中、酸性花崗巖及其脈巖, 其中以黑云母花崗巖和黑云母二長(zhǎng)花崗巖為主(周?chē)?guó)平和林毓川,1991b)。

廣泛的巖漿活動(dòng)和強(qiáng)烈的構(gòu)造變形是中國(guó)東部燕山期造山作用的兩個(gè)主要特征(鄧晉福等,2005)。巖漿的侵入活動(dòng)在侏羅紀(jì)末至白堊紀(jì)初達(dá)到頂峰, 而噴發(fā)活動(dòng)以晚侏羅紀(jì)和新近紀(jì)最為強(qiáng)烈,區(qū)內(nèi)中生代燕山期侵入巖與噴出巖大量分布, 大多為黑云母花崗巖和黑云母二長(zhǎng)花崗巖, 火山巖以中酸性火山巖與玄武巖為主。于此, 高嶺土的成礦母巖條件已經(jīng)完備。

從空間分布上來(lái)看, 此種礦床的分布大部分與郯廬斷裂吻合(陶維屏等, 1984), 郯廬斷裂帶的伸展活動(dòng)并非孤立的現(xiàn)象, 它是整個(gè)中國(guó)東部晚白堊世—早新近紀(jì)區(qū)域性伸展的一部分, 斷裂帶兩側(cè)同期還伴生了大量的伸展盆地(朱光等, 2001)。在地形上反應(yīng)為一系列的深大斷裂, 并形成開(kāi)闊形的褶皺。這些褶皺、盆地為高嶺土的賦存提供了良好的條件。

同時(shí), 這些巖漿巖增加了華南地區(qū)巖石圈的剛性, 從而使得華南地區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為穩(wěn)定, 這種穩(wěn)定的地殼活動(dòng), 進(jìn)一步優(yōu)化了高嶺土風(fēng)化和保存的環(huán)境。進(jìn)入第四紀(jì)以來(lái), 由于中國(guó)南方大部分地區(qū)屬于熱帶和亞熱帶氣候區(qū), 形成此類(lèi)礦床需要溫暖或濕熱的氣候條件和起伏微緩的地形條件。前者提供了充沛的雨量和繁茂的植物, 產(chǎn)生各種有機(jī)酸和碳酸等, 促成成礦原巖發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)分解。后者提供了廣闊的受水面積和舒緩的水力流泄環(huán)境(方鄴森和胡立勛, 1980; 方鄴森和方金滿(mǎn), 1990)。再由于后期構(gòu)造和巖脈侵入的影響, 原巖發(fā)生不均勻的蝕變作用, 主要是鈉長(zhǎng)石化和白云母化。這些蝕變作用為長(zhǎng)石和云母向高嶺石轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了有利的條件(周?chē)?guó)平和林毓川, 1991a; Wilson, 2004)。

4.2 熱液蝕變型高嶺土礦床

熱液蝕變型高嶺土是由于火山噴發(fā)期后的含硫酸熱液對(duì)早先形成的火山巖產(chǎn)生蝕變作用而形成的(陳開(kāi)惠, 1984; 任超鴻, 1987)。熱液成因的高嶺土受構(gòu)造條件的控制, 往往分布在斷裂帶附近(方鄴森和方金滿(mǎn), 1990)。在我國(guó)有兩大分布區(qū), 一塊在華東, 一塊在東北。已知的此類(lèi)礦床均產(chǎn)侏羅系火山巖系的中部靠上, 具層控特性, 這種時(shí)空分布特點(diǎn)與火山巖系的發(fā)育過(guò)程有關(guān)。一是因?yàn)榛鹕絿姲l(fā)旋回的中期靠后, 熔巖減少, 火山碎屑物質(zhì)增加,火山巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造有利于噴氣熱液的滲透, 而且長(zhǎng)石質(zhì)含量增加, 鎂鐵含量降低, 利于蝕變成高嶺石。二是次火山巖大多侵入在火山巖系中部, 伴隨次火山巖的熱氣蝕變是成礦的必要條件。在熱氣液溫度稍高的地段形成葉臘石礦體, 溫度稍低的地段形成高嶺石礦體, 這樣兩種礦體也就常鄰近相伴產(chǎn)出, 就是在各自的礦體中, 高嶺石與葉臘石兩種礦物也常共生產(chǎn)出(陶維屏等, 1984; 陶維屏,1989)。

4.3 沉積型高嶺土礦床

沉積型高嶺土礦床在我國(guó)主要是煤系沉積亞型高嶺土礦床。我國(guó)的煤系高嶺土主要形成于石炭—二疊紀(jì), 分布在我國(guó)北方中西部地區(qū)。在晚石炭紀(jì), 華北陸塊可能由于南北兩側(cè)擠壓作用減緩, 華北陸塊再度下陷, 開(kāi)始接受廣泛的海相沉積, 并很快向陸海相交互相、陸相沉積轉(zhuǎn)變。持續(xù)到二疊紀(jì)為陸相沉積。在此期間, 由下而上演化陸表?！侵蕖雍嗟纫幌盗谐练e體系, 以及瀉湖沼澤環(huán)境為高嶺土的沉積提供了理想環(huán)境。而其規(guī)模和質(zhì)量似乎與可燃性有機(jī)巖的豐度和成煤時(shí)代密切相關(guān),也與煤系中鋁硅酸巖沉積的規(guī)模和黃鐵礦的富集有密切關(guān)系。多數(shù)文獻(xiàn)把它們都劃歸到沉積型高嶺土礦床(陳開(kāi)惠, 1984; 陶維屏等, 1984)。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)也可以是煤層風(fēng)化淋濾形成的, 如四川敘永的高嶺土礦床(關(guān)鐵麟, 1982)。而沉積型又分為兩種, 一種是煤層內(nèi)高嶺石夾矸, 一種是煤層間高嶺石夾矸。一般來(lái)說(shuō), 離煤層越近, 高嶺土特別是煤層內(nèi)高嶺石夾矸中的高嶺石, 成分純、結(jié)晶好、有序度高(陳揚(yáng)杰, 1988)。薄層狀厚度約10～20 cm, 最厚可達(dá) 40 cm以上, 伴隨煤層延展方向展布, 具有一定規(guī)模(夏琤, 1985)。

4.4 中國(guó)高嶺土礦床與大地構(gòu)造演化關(guān)系

總的來(lái)看, 在中國(guó)大陸的整個(gè)歷史過(guò)程中, 多種高嶺土成礦作用隨著大地構(gòu)造的演變而在不同的地質(zhì)時(shí)期有規(guī)律地起著主導(dǎo)作用。可以很明顯地看出高嶺土成礦時(shí)代主要集中于中新生代, 地理位置主要集中在中國(guó)東南部(圖5)。這是中國(guó)高嶺土礦床分布的基本規(guī)律。而從規(guī)律反映出的現(xiàn)象, 卻正與中國(guó)大地構(gòu)造的演化歷史相吻合(程裕淇等, 1995)。華北陸塊區(qū)在寒武—奧陶紀(jì)是一次碳酸巖臺(tái)地形成期, 以碳酸鹽巖為主夾少量細(xì)碎屑巖的淺海陸架沉積廣布, 構(gòu)成了陸塊區(qū)的蓋層。華北陸塊區(qū)整體抬升上隆成碳酸鹽巖剝蝕區(qū), 大規(guī)模的碳酸鹽巖侵蝕面為礦床的形成提供先決條件。早石炭紀(jì)晚期古亞洲洋板塊向華北陸塊俯沖, 在華北北緣發(fā)育了安第斯型活動(dòng)邊緣, 至二疊紀(jì)古亞洲洋最終消亡(潘桂棠等, 2009)。晚古生代—早新生代, 已長(zhǎng)期夷平的華北陸塊接收搬運(yùn)來(lái)的高嶺石質(zhì)黏土, 與成巖作用有關(guān)的高嶺土礦成礦作用在以沉積為主, 最終在瀉湖、三角洲等環(huán)境沉積, 形成煤系沉積型高嶺土礦床。進(jìn)入中生代, 中國(guó)東部為火山島弧帶, 中生代后期俯沖帶東移則處于島弧內(nèi)側(cè), 郯廬斷裂帶的演化伴隨著劇烈的火山活動(dòng), 晚侏羅紀(jì)燕山期火山巖大量噴發(fā), 新的斷裂構(gòu)造為高嶺土礦提供了控礦和容礦場(chǎng)所, 為巖漿后期熱液和含礦熱液開(kāi)辟了通道。后期熱液在有利條件下沿著構(gòu)造剝蝕面和斷裂裂隙面等貫入, 發(fā)生圍巖蝕變, 形成了各類(lèi)與熱液蝕變有關(guān)的礦床(李燦華和范斯, 1988)。同時(shí)大規(guī)模的巖漿侵入為后期風(fēng)化型礦床提供了母巖基礎(chǔ)。新生代以來(lái), 中國(guó)東南部地區(qū)地處弧后, 成礦母巖經(jīng)過(guò)第四紀(jì)強(qiáng)烈風(fēng)化, 形成一系列風(fēng)化型高嶺土礦床,同時(shí)伴隨著沉積作用。由于大規(guī)模的板塊運(yùn)動(dòng), 高嶺土礦床可以在不同區(qū)域同時(shí)發(fā)生相同類(lèi)型的成礦作用, 導(dǎo)致了我國(guó)高嶺土在空間區(qū)域上宏大展布。由于成礦作用在時(shí)間上的延續(xù)性, 我國(guó)高嶺土在相同區(qū)域內(nèi)的不同地質(zhì)時(shí)期發(fā)生不同類(lèi)型的疊加, 這種多種成礦的特殊性, 導(dǎo)致了我國(guó)高嶺土在時(shí)間尺度上反應(yīng)為復(fù)雜性、多期性和疊加性(陶維屏, 1989,1994)。

圖4 中國(guó)高嶺土礦床時(shí)空演化規(guī)律圖Fig.4 The map of temporal-spatial evolution of kaolin deposits in China

5 結(jié)論與建議

本文在前人研究基礎(chǔ)上, 應(yīng)用GIS等地球信息科學(xué)研究方法, 對(duì)全國(guó)高嶺土礦床文獻(xiàn)和地質(zhì)勘查成果數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析, 可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)我國(guó)高嶺土礦床在高嶺土礦床時(shí)空分布上具有一定的規(guī)律性。我國(guó)高嶺土礦床分布于全國(guó)26個(gè)省(區(qū)、直轄市), 中國(guó)北方以煤系沉積亞型為主,南方則以風(fēng)化殘積亞型為主; 礦床規(guī)?？傮w上以中小型為主; 成礦時(shí)代以新生代為主, 其次為中生代;在成礦區(qū)帶上表現(xiàn)為集中分布于華南成礦省, 高嶺土礦床總數(shù)超過(guò)全國(guó) 50%以上, 并以風(fēng)化型礦床為主; 其次是華北陸塊成礦省, 涵蓋了全國(guó) 90%煤系沉積亞型高嶺土礦床; 而揚(yáng)子成礦省相對(duì)于華北華南成礦省, 最具研究和開(kāi)發(fā)價(jià)值的應(yīng)是熱液蝕變型高嶺土, 其熱液蝕變型高嶺土礦床占全國(guó)此類(lèi)礦床總數(shù)量50%以上。

(2)將我國(guó)高嶺土成礦區(qū)帶劃分為4個(gè)成礦域、13個(gè)成礦省、44個(gè)III級(jí)成礦區(qū)帶, 其中有重點(diǎn)礦集區(qū)14個(gè)。廣東茂名、廣西合浦、福建同安礦集區(qū)宜尋找風(fēng)化型高嶺土, 而內(nèi)蒙古清水河、陜西榆林等北部高嶺土礦集區(qū)宜重點(diǎn)尋找價(jià)值更大的煤系沉積亞型高嶺土。同時(shí), 需注意的是熱液蝕變型高嶺土礦床有由南向北逐漸增多的趨勢(shì), 找礦工作可適當(dāng)往北部轉(zhuǎn)移。

(3)在我國(guó)高嶺土資源儲(chǔ)量空間分布上, 江西、福建、廣東、廣西、江蘇、陜西等6省擁有占全國(guó)高嶺土查明資源儲(chǔ)量的 71%; 按照成礦區(qū)帶來(lái)看,粵西—桂東南成礦帶擁有最多的高嶺土查明資源儲(chǔ)量和最豐富的大型礦床, 總共擁有占全國(guó)總查明資源儲(chǔ)量的 34%, 而武功山—杭州灣高嶺土礦成礦帶礦床數(shù)量最多, 但礦床規(guī)模以小型為主; 按照成因類(lèi)型來(lái)看, 風(fēng)化殘積亞型礦床查明資源儲(chǔ)量最多,擁有占全國(guó)高嶺土查明資源儲(chǔ)量的 61%; 其次為煤系沉積亞型, 占全國(guó)高嶺土查明資源儲(chǔ)量的13%。

(4)中國(guó)高嶺土礦床時(shí)空分布規(guī)律與中國(guó)大地構(gòu)造的演化歷史相吻合。多種高嶺土成礦作用隨著大地構(gòu)造的演變而在不同的地質(zhì)時(shí)期有規(guī)律地起著主導(dǎo)作用。古生代華北陸塊區(qū)與成巖作用有關(guān)的高嶺土礦成礦作用在以沉積為主, 最終在瀉湖、三角洲等環(huán)境沉積, 形成煤系沉積型高嶺土礦床。中生代中國(guó)東部為火山島弧帶, 燕山期火山巖大量噴發(fā),巖漿期后熱液在有利條件下形成熱液蝕變型高嶺土礦床。新生代中國(guó)東南部地區(qū)地處弧后, 成礦母巖經(jīng)過(guò)第四紀(jì)強(qiáng)烈風(fēng)化, 形成一系列風(fēng)化型高嶺土礦床。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.DD20190379).