雷顯權(quán) 劉福春 唐華東 熊有為 劉恩彥
(1.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410019;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083;3.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì),河南 鄭州 450016)
鋁土礦是24種列入我國(guó)戰(zhàn)略性礦產(chǎn)目錄的大宗緊缺礦產(chǎn)之一。作為當(dāng)今世界上鋁生產(chǎn)和鋁消費(fèi)第一大國(guó),我國(guó)龐大的鋁工業(yè)產(chǎn)能對(duì)鋁土礦資源的消耗量持續(xù)居高不下[1]。由于國(guó)內(nèi)鋁土礦資源供給能力不足,需從國(guó)外大量進(jìn)口以彌補(bǔ)需求缺口,導(dǎo)致我國(guó)鋁土礦資源對(duì)外依存度過高,資源供應(yīng)安全形勢(shì)嚴(yán)峻[2]。雖然我國(guó)鋁土礦資源總量較為豐富,近年來找礦成果也很顯著,但查明資源量總體偏低[3],亟需進(jìn)一步加大找礦勘查力度,提升我國(guó)鋁土礦資源保障能力。
河南省西北部是我國(guó)重要的鋁土礦產(chǎn)地[4-6],目前已發(fā)現(xiàn)的鋁土礦床和礦點(diǎn)主要分布在焦作—濟(jì)源、陜州—新安、嵩山—箕山和汝州—寶豐等4個(gè)片區(qū)[4],其中之一就是位于三門峽與洛陽之間的陜州—澠池—新安成礦帶,簡(jiǎn)稱陜澠新成礦帶。研究結(jié)果顯示,該成礦帶累計(jì)探明鋁土礦儲(chǔ)量超過2億t,尚未發(fā)現(xiàn)和查明的資源潛力仍然巨大[7-9]。因此,在本區(qū)尋找新的優(yōu)質(zhì)鋁土礦床,成為保障河南省乃至整個(gè)中國(guó)鋁行業(yè)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展重要而緊迫的任務(wù)。近年來,圍繞鋁土礦找礦這一目標(biāo),本區(qū)實(shí)施了多個(gè)“煤下鋁”整裝勘查項(xiàng)目[10-12],取得了豐富的找礦成果。前人對(duì)本區(qū)鋁土礦的地質(zhì)特征[13-15]、成礦條件[16]、礦床成因[17]、成礦規(guī)律[18-20]、找礦預(yù)測(cè)[21-22]和資源開發(fā)等[23]進(jìn)行了許多研究和探索,但缺乏對(duì)本區(qū)構(gòu)造控礦作用的系統(tǒng)性研究。
基于課題組在本區(qū)開展鋁土礦找礦勘查工作實(shí)踐中取得的新發(fā)現(xiàn)和新認(rèn)識(shí),結(jié)合以往地質(zhì)勘查和研究成果,概述本區(qū)鋁土礦的成礦地質(zhì)條件、礦床分布情況及其地質(zhì)特征,系統(tǒng)總結(jié)區(qū)域及典型礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征,詳細(xì)分析區(qū)域構(gòu)造形成演化機(jī)制以及地質(zhì)構(gòu)造對(duì)鋁土礦成礦和破壞等方面的控制作用,討論并指出構(gòu)造控礦研究尤其是正斷層破礦作用研究對(duì)本區(qū)鋁土礦找礦、勘查和開采工作的重要意義。
據(jù)《河南省區(qū)域地質(zhì)志》,陜澠新成礦帶大地構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)華北陸塊南緣、華熊臺(tái)緣坳陷澠池—確山陷褶斷束西北部[24],所在成礦區(qū)帶屬豫北—豫西鋁土礦成礦區(qū)(Ⅲ級(jí)區(qū)帶)、澠池—魯山礦集區(qū)(IV級(jí)區(qū)帶)[25]。區(qū)域地層屬華北地層區(qū),沉積巖廣泛分布,厚度巨大。地層發(fā)育較齊全,除了奧陶系上統(tǒng)、志留系、泥盆系和石炭系下統(tǒng)缺失外,前寒武系熊耳群、汝陽群、洛峪群至新生界古近系、新近系、第四系在區(qū)內(nèi)均有出露。
石炭系上統(tǒng)本溪組(C2b)是本區(qū)鋁土礦含礦層位,為一套鐵鋁質(zhì)混合沉積層,平行不整合覆蓋于奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)碳酸鹽巖之上。含礦巖系一般包括3段:下段(C2b1)為鐵質(zhì)黏土巖、頁巖,局部鐵質(zhì)富集形成山西式鐵礦;中段(C2b2)為鋁(黏)土礦層,主要為鋁土礦、硬質(zhì)黏土礦;上段(C2b3)為鋁質(zhì)黏土巖、頁巖、粉砂巖,局部夾碳質(zhì)頁巖或煤線層。含礦層上覆地層由老至新依次為石炭系上統(tǒng)太原組(C2t)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、二疊系下—中統(tǒng)石盒子組(P1-2s)和第四系(Q)。除第四系與下伏地層呈角度不整合接觸外,其余地層之間均為整合接觸關(guān)系。
區(qū)域上由西往東發(fā)育陜州斷陷盆地、澠池向斜盆地和新安向斜盆地,發(fā)育近EW向、NW向和NE向3組斷裂構(gòu)造。其中,近EW向和NW向主干斷裂主要為印支—燕山期形成的壓性或壓扭性逆斷層;NE向斷裂主要為張性正斷層,除陜州斷陷盆地與澠池向斜盆地之間的數(shù)條規(guī)模較大者是印支—燕山期擠壓—剪張耦合作用的產(chǎn)物外,其余大多形成于喜山期伸展變形環(huán)境。受3組斷裂影響,形成許多地質(zhì)斷塊,對(duì)鋁土礦的空間展布起著重要控制作用(圖1)。
區(qū)域巖漿巖不甚發(fā)育,地表零星出露,見中元古界熊耳群中性火山巖,北部和南部有少量燕山期石英斑巖侵入中上元古界,西部局部有燕山期花崗斑巖侵入石炭系。本區(qū)巖漿巖多為淺成侵入相,對(duì)鋁土礦影響極弱。
陜澠新成礦帶鋁土礦床(點(diǎn))主要分布在三門峽市陜州區(qū)、澠池縣和洛陽市新安縣境內(nèi),根據(jù)礦床(點(diǎn))的空間分布情況及其與區(qū)域構(gòu)造發(fā)育的關(guān)系,可劃分為西礦帶、中礦帶和東礦帶3個(gè)子礦帶[7-9]。其中,西礦帶和中礦帶以扣門山斷裂為界,中礦帶和東礦帶以龍?zhí)稖蠑嗔褳榻纭8鞯V帶礦床分布范圍、礦體(層)特征、礦石品位和代表性礦床的基本情況見表1。
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研究表明,本區(qū)鋁土礦的成因類型為沉積型。含礦層受石炭系上統(tǒng)本溪組控制,形成于奧陶系古巖溶風(fēng)化殼之上。礦體形態(tài)主要呈層狀、似層狀、透鏡狀或溶斗狀,受成礦時(shí)的沉積環(huán)境和古地形控制。在地形較平坦、沉積環(huán)境較穩(wěn)定地區(qū),形成層狀、似層狀礦體;在地形起伏較大的巖溶洼地,形成透鏡狀礦體;在地形高差懸殊的溶斗發(fā)育地區(qū),形成溶斗狀礦體(圖2)。層狀、似層狀和透鏡狀礦體產(chǎn)狀與頂?shù)装鍑鷰r基本一致,溶斗狀礦體因形態(tài)明顯下凹而與頂?shù)装瀹a(chǎn)狀有明顯差異(圖3)。
鋁土礦石顏色主要呈不同程度的灰色,部分呈灰褐色、黃褐色、黃綠色。礦石結(jié)構(gòu)主要有晶粒結(jié)構(gòu)、鮞狀結(jié)構(gòu)、豆?fàn)罱Y(jié)構(gòu)、粒屑結(jié)構(gòu)、碎屑結(jié)構(gòu)以及它們之間的過渡混合結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造主要有致密塊狀、條帶狀(層紋狀)、蜂窩狀和土狀(粗糙狀)構(gòu)造。按礦石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造劃分自然類型,可分為致密狀、礫屑狀、豆鮞狀、蜂窩狀、碎屑狀鋁土礦,以及它們之間的復(fù)合類型。礦石中含鋁礦物主要為一水硬鋁石,含量一般為55%~85%;含硅礦物主要為云母、高嶺石和伊利石。此外,礦石中還含有赤鐵礦、黃鐵礦、褐鐵礦、銳鈦礦、方解石、三水鋁石等微量礦物。
礦石主要化學(xué)成分為 Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2和LOSS,一般占95%以上,次要化學(xué)成分為CaO、MgO、K2O、Na2O、S、Li2O、Ga等。其中:K2O和Na2O為伴生有益組分,可以減少氧化鋁溶出過程中的堿耗;Ga為伴生有用元素,可在氧化鋁生產(chǎn)過程中綜合回收利用;Li2O雖然為有用稀有組分,但是大多未達(dá)到綜合利用品位要求;SiO2和S為有害成分,高硅、高硫礦石一般難以直接利用,溶出之前往往需要增加脫硅、脫硫流程,增加生產(chǎn)成本;Fe2O3對(duì)溶出過程也有一定的不利影響,可通過赤泥選鐵技術(shù)進(jìn)行回收。
本區(qū)地層產(chǎn)狀總體較為平緩,區(qū)域構(gòu)造以斷裂和斷塊為主,褶皺作用相對(duì)較弱。區(qū)域上發(fā)育近EW向、NW向和NE向3組斷裂,這些斷裂連同由它們交叉切割形成的斷塊、斷陷盆地和局部隆起,構(gòu)成了本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的總體格架。研究表明,這3組斷裂最早形成于印支期,并持續(xù)活動(dòng)至喜山期,具有多期活動(dòng)疊加和力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn)[6,26]。
(1)近EW向斷裂組。由以硤石—義馬逆斷層為主干斷層的一系列逆斷層組成。硤石—義馬斷層在本區(qū)長(zhǎng)約70 km,總體走向近EW,主斷層面傾向S—SW,傾角35°~68°,斷距大于1 km,是一條由北向南逆沖的大型壓扭性斷裂,晚期具有張性活動(dòng)跡象。構(gòu)造分析結(jié)果表明,該斷層是印支—燕山期構(gòu)造擠壓作用的產(chǎn)物,對(duì)本區(qū)中、新生代構(gòu)造變形和沉積作用具有一定的控制作用。
(2)NW向斷裂組。由區(qū)域東部龍?zhí)稖夏鏀鄬蛹捌渑詡?cè)的次級(jí)羽狀斷裂和西部數(shù)條正斷層組成。龍?zhí)稖蠑鄬邮前渡稀遴P區(qū)域斷裂的一段,在本區(qū)長(zhǎng)約25 km,總體走向NW,傾向NE,傾角大于60°,是在印支—燕山期構(gòu)造壓剪作用下形成的一條左旋走滑—逆斷層。與主斷層走向近平行的片理帶和小型背斜反映了構(gòu)造擠壓作用,與主斷層呈銳角相交的伴生羽狀斷裂反映了構(gòu)造剪切作用。區(qū)域西部的NW向正斷層則是喜山期區(qū)域伸展作用的產(chǎn)物。
(3)NE向斷裂組。由數(shù)條長(zhǎng)10~20 km的近于平行的正斷層組成,其中規(guī)模較大的有扣門山斷層、煤窯溝斷層和鹿馬斷層。該組斷裂總體走向NE,傾向NW或SE,傾角大于65°,主要為張性正斷層。斷層兩盤地層通常還發(fā)育與其走向近于平行的寬緩褶皺,表明局部存在一定的擠壓作用。在鋁土礦勘查過程中發(fā)現(xiàn),本區(qū)各個(gè)礦區(qū)或其周邊都較發(fā)育近NE向、規(guī)模不等的正斷層。該組斷裂構(gòu)造的活動(dòng)期次主要有兩期,早期印支—燕山期剪張作用形成的正斷層主要分布于區(qū)域西部陜州斷陷盆地與澠池向斜盆地之間,晚期喜山期伸展環(huán)境形成的正斷層則在整個(gè)區(qū)域都有發(fā)育。
本區(qū)位于華北板塊南緣,區(qū)域構(gòu)造演化與華北—揚(yáng)子板塊的陸—陸碰撞作用以及西太平洋板塊的俯沖作用密切相關(guān)[27-29],中、新生代構(gòu)造變形主要經(jīng)歷了印支—中燕山期擠壓—剪張變形和晚燕山—喜山期伸展變形這兩期具有不同構(gòu)造作用環(huán)境的發(fā)展過程。
3.2.1 印支—中燕山期構(gòu)造擠壓—剪張變形階段
印支期末,古東秦嶺洋關(guān)閉,華北板塊與揚(yáng)子板塊發(fā)生碰撞造山作用,本區(qū)進(jìn)入陸內(nèi)構(gòu)造演化階段。在東秦嶺造山帶擠壓隆升環(huán)境條件下,本區(qū)從西往東發(fā)育了一系列山前拗陷盆地,如三門峽盆地、澠池—義馬盆地和洛陽盆地。燕山期陸內(nèi)造山作用持續(xù)加強(qiáng),拗陷盆地進(jìn)一步發(fā)育,在近SN向不對(duì)稱擠壓作用下,形成了近EW向的硤石—義馬逆斷層和NW向的龍?zhí)稖献呋鏀鄬?,在區(qū)域左旋剪張作用的耦合作用下,形成了扣門山斷層、煤窯溝斷層、鹿馬斷層等一系列NE向正斷裂。3組不同方向的斷裂相互交錯(cuò),將拗陷盆地分割成多個(gè)地質(zhì)斷塊,構(gòu)成了本區(qū)后續(xù)構(gòu)造演化的基本格架(圖4(a))。
3.2.2 晚燕山—喜山期區(qū)域伸展變形階段
侏羅紀(jì)末,受西太平洋板塊俯沖作用影響,本區(qū)構(gòu)造體制開始由后碰撞造山擠壓環(huán)境向伸展環(huán)境轉(zhuǎn)變。伸展作用在中—晚白堊世達(dá)到高峰,并一直持續(xù)至喜山期。在區(qū)域伸展作用下,本區(qū)早期構(gòu)造形跡復(fù)活,正斷層廣泛發(fā)育,斷陷構(gòu)造進(jìn)一步發(fā)展,逐步演化形成當(dāng)前區(qū)域構(gòu)造格局(圖4(b))。
為了研究礦區(qū)構(gòu)造對(duì)鋁土礦床的控制作用,收集并梳理了陜澠新成礦帶8個(gè)典型礦區(qū)的構(gòu)造發(fā)育信息,見表2。其中:西礦帶2個(gè)礦區(qū),中礦帶4個(gè)礦區(qū),東礦帶2個(gè)礦區(qū),確保了礦床分布具有充分的代表性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn),各礦區(qū)構(gòu)造均以正斷層為主,并對(duì)礦體產(chǎn)生破壞作用。
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成礦前的古老基底構(gòu)造和成礦后的中、新生代構(gòu)造變形,對(duì)本區(qū)鋁土礦的成礦、賦存和分布具有非常顯著的控制作用,主要表現(xiàn)在2個(gè)方面:①區(qū)域構(gòu)造控制礦床在廣域上的空間展布;②正斷層對(duì)礦體連續(xù)性和完整性造成破壞。
本區(qū)鋁土礦在晚石炭世通過沉積成礦作用形成于奧陶系古巖溶風(fēng)化殼之上。成礦前古隆起和古拗陷的分布規(guī)律,控制著含礦巖系和礦層的形成或缺失,成礦作用主要發(fā)生在拗陷區(qū)的邊部及其與隆起區(qū)的過渡地帶(圖1)。
印支—中燕山期構(gòu)造擠壓—剪張作用,形成了陸內(nèi)擠壓型拗陷盆地,產(chǎn)生了3組不同方向和性質(zhì)的斷裂。這3組斷裂的交叉切割、差異運(yùn)動(dòng)及其組合效應(yīng),形成了眾多規(guī)模不等的地質(zhì)斷塊,控制著鋁土礦的空間展布。以扣門山斷裂和龍?zhí)稖蠑嗔褳榻?,陜澠新成礦帶被劃分為西、中、東3個(gè)各具特點(diǎn)的子礦帶。
晚燕山—喜山期伸展變形繼承了早期構(gòu)造形跡,促使早期地質(zhì)斷塊復(fù)活并發(fā)生相對(duì)升降運(yùn)動(dòng),形成了許多地塹、地壘和斷陷構(gòu)造,控制著鋁土礦層的保存和出露定位。在斷陷盆地,含礦巖系和礦層保存條件較好,但因埋深較大通常不易被發(fā)現(xiàn)。在相對(duì)隆起區(qū),礦層埋藏較淺容易出露地表,保存條件較差,常因剝蝕作用強(qiáng)烈而消失殆盡。
在礦區(qū)尺度上,構(gòu)造控礦作用主要表現(xiàn)為正斷層對(duì)鋁土礦體連續(xù)性和完整性的破壞,即正斷層破礦作用。從上述8個(gè)典型礦區(qū)的構(gòu)造發(fā)育特征(表2)來看,礦區(qū)地層多呈單斜產(chǎn)出,雖有起伏但總體產(chǎn)狀平緩;礦區(qū)構(gòu)造以斷裂為主,絕大多數(shù)為正斷層,偶有逆斷層也是礦區(qū)或礦帶的邊界斷裂。
正斷層破礦作用主要有2種表現(xiàn)形式:①在剖面上,含礦巖系和礦層被斷層錯(cuò)斷,沿走向或傾向不連續(xù),斷面兩側(cè)存在縱向落差;如果構(gòu)造作用強(qiáng)烈或礦巖強(qiáng)度較弱,還會(huì)導(dǎo)致礦體支離破碎。②在平面上,由于正斷層效應(yīng),含礦巖系或礦層通常會(huì)重復(fù)出現(xiàn),但其間會(huì)缺失礦體,反映在礦體水平投影圖上即為出現(xiàn)無礦天窗。部分代表性礦區(qū)的正斷層破礦特征見表3和圖5。
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成礦帶的空間展布特征和礦床的定位分布規(guī)律為地質(zhì)找礦明確了方向。目前本區(qū)已查明的鋁土礦床和礦點(diǎn)主要分布在拗陷盆地的北半部邊緣地區(qū),如陜州斷陷盆地北部,澠池向斜盆地西部、北部和東部,新安向斜盆地西部和西北部。盆地中部和南半部均未見礦,其原因可能為:根本未成礦,或者礦體埋藏太深而尚未被發(fā)現(xiàn),或者已在盆山耦合演化過程中破壞殆盡。因此,在預(yù)測(cè)找礦目標(biāo)和制定找礦方案時(shí),應(yīng)遵循這一成礦規(guī)律,并加強(qiáng)構(gòu)造控礦研究。此外,斷裂切割礦體并將其抬升至近地表或直接出露地表,也有助于找礦發(fā)現(xiàn)。
根據(jù)代表性礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育特征的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),正斷層在本區(qū)各礦區(qū)的發(fā)育及其對(duì)礦體完整性和連續(xù)性的破壞是一種普遍現(xiàn)象。而且,除了少數(shù)大型斷裂外,一般正斷層多為隱伏斷層,通常難以識(shí)別和發(fā)現(xiàn)。在資源勘查和采礦實(shí)踐中,正斷層破礦作用所產(chǎn)生的不利影響是廣泛而嚴(yán)重的,主要表現(xiàn)在如下3個(gè)方面,本研究結(jié)合圖6進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。
(1)對(duì)于資源勘查,如果沒有查明正斷層,則會(huì)造成對(duì)礦體的控制程度不足,影響對(duì)礦床勘查類型和礦體變化特征的準(zhǔn)確判斷。如圖6(a)所示,由于沒有實(shí)施加密鉆孔,未能控制隱伏斷層,導(dǎo)致礦體圈連不合理。實(shí)施加密鉆孔之后,發(fā)現(xiàn)并控制了隱伏正斷層,正確圈連了礦體(圖6(a'))。對(duì)比圖6(a)和圖6(a')可以發(fā)現(xiàn),兩種礦體圈連方式的差異性非常明顯。因此,準(zhǔn)確識(shí)別和有效控制隱伏正斷層對(duì)客觀準(zhǔn)確評(píng)價(jià)礦體特征非常重要。
(2)對(duì)于資源儲(chǔ)量估算,如果沒有剔除正斷層無礦天窗,則會(huì)導(dǎo)致資源儲(chǔ)量被高估。圖6(b)和圖6(b')分別顯示了有、無斷層條件下的礦體水平投影資源儲(chǔ)量估算范圍。可以看出,在未發(fā)現(xiàn)和控制正斷層條件下的資源儲(chǔ)量估算范圍明顯偏大,而且遺漏了因正斷層效應(yīng)所導(dǎo)致的無礦天窗。
(3)對(duì)于礦山設(shè)計(jì)和開采,如果沒能發(fā)現(xiàn)正斷層并準(zhǔn)確定位,則會(huì)造成采礦工程布置不當(dāng)和投資浪費(fèi),影響礦山正常建設(shè)生產(chǎn)。圖6(c)顯示了根據(jù)無斷層礦體剖面圖所布置的采礦巷道和上山工程,圖6(c')顯示了上述工程在有斷層礦體剖面圖上的投影??梢钥闯?,采礦工程明顯偏離礦體真實(shí)位置,難以有效進(jìn)行礦體回采,只能變更采礦工程設(shè)計(jì),已施工的工程也將報(bào)廢。
根據(jù)回顧性調(diào)查,正斷層破礦作用所造成的不良問題在本區(qū)許多勘查區(qū)、老礦山和在建礦山都很突出。因此,在資源勘查和礦山開發(fā)過程中,應(yīng)對(duì)正斷層破礦作用給予足夠重視并加強(qiáng)研究,盡量將其不利影響降到最低程度。
(1)陜澠新成礦帶中、新生代構(gòu)造變形以斷裂、斷塊和斷陷構(gòu)造為主。在印支—中燕山期近SN向不對(duì)稱擠壓和左旋剪張耦合作用下,形成了近EW向、NW向和NE向3組不同方向、性質(zhì)的斷裂和一系列地質(zhì)斷塊。在晚燕山—喜山期伸展環(huán)境下,正斷層和斷陷構(gòu)造進(jìn)一步發(fā)展,逐步形成本區(qū)當(dāng)前構(gòu)造格局。
(2)成礦前的基底構(gòu)造和成礦后的斷裂、斷塊構(gòu)造對(duì)本區(qū)鋁土礦成礦、保存和空間展布具有重要控制作用。沉積成礦主要發(fā)生在古拗陷邊部及其與古隆起的過渡地帶,保存良好的礦床主要分布于拗陷盆地的北半部邊緣地區(qū),并被區(qū)域斷裂分割為3個(gè)各具特點(diǎn)的子礦帶,這為地質(zhì)找礦指明了方向。
(3)正斷層在本區(qū)各礦區(qū)普遍發(fā)育,且多為不易發(fā)現(xiàn)的隱伏斷層,其控礦作用主要表現(xiàn)為對(duì)鋁土礦層連續(xù)性和完整性的破壞,給礦床勘探、資源儲(chǔ)量估算和礦山設(shè)計(jì)開采造成了非常嚴(yán)重的不利影響,因此應(yīng)重視和加強(qiáng)對(duì)礦區(qū)正斷層的勘查識(shí)別及其破礦作用的研究。