河南伊川石佛寺鋁土礦地質(zhì)特征及控礦因素

吳 煜，夏 炎，王振強(qiáng)，豆靖濤，薛志強(qiáng)，李新萍

1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局 第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南洛陽(yáng) 471000；2.河南省金銀多金屬成礦系列與深部預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471000；3.自然資源部貴金屬分析與勘查技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽(yáng) 471000；4.河南省自然資源監(jiān)測(cè)院，河南 鄭州 450000

0 引言

鋁土礦是河南省的優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)之一，居全國(guó)第二位，主要分布在豫西及豫西北，在黃河以南的三門峽－鄭州－平頂山之間的三角地帶之內(nèi).區(qū)內(nèi)已探明的大、中型鋁土礦床繁多，主要分布在以下6個(gè)成礦帶：三門峽－新安成礦帶、龍門－鞏義成礦帶、登封－新密成礦帶、鰲頭－楚嶺成礦帶、汝州－禹州成礦帶、宜陽(yáng)－寶豐成礦帶.前人對(duì)豫西地區(qū)鋁土礦床的地質(zhì)特征、含鋁巖系、礦物組成、物質(zhì)來(lái)源、控礦因素、礦床類型、成礦時(shí)代、礦床成因及成礦富集規(guī)律等方面進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查研究［1-16］，獲得了豐碩的成果.本文研究的河南伊川石佛寺鋁土礦處于龍門-鞏義成礦帶上，位于河南省洛陽(yáng)市伊川縣呂店鄉(xiāng)（圖1），地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°33′23″—112°36′07″，北緯34°26′10″—34°28′56″，為近年來(lái)在豫西地區(qū)新發(fā)現(xiàn)的中型鋁土礦床，前人尚未對(duì)其進(jìn)行深入研究.本研究在總結(jié)以往地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，分別從地層、構(gòu)造、含鋁巖系、礦體特征、礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面分析伊川石佛寺鋁土礦的地質(zhì)特征、控礦因素及礦床成因，為今后礦床的開(kāi)采利用及該區(qū)鋁土礦找礦突破提供依據(jù)，亦為進(jìn)一步研究豫西鋁土礦床提供參考.

圖1 河南伊川石佛寺鋁土礦區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Regional geological sketch map of Shifosi bauxite deposit in Yichuan County，Henan Province

1 區(qū)域地質(zhì)背景

礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于華北陸塊南緣，澠池－確山陷褶斷束與嵩箕臺(tái)隆的接合部位，位于區(qū)域性近東西向的嵩山背斜和穎陽(yáng)-大金店向斜的西端，主要在北西向的龍門-呂店斷裂以西（圖1）.區(qū)域地層由基底和蓋層兩部分組成，具典型的雙層結(jié)構(gòu)，基底部分由太古宇登封群中深變質(zhì)巖組成.蓋層自下而上依次為中元古界薊縣系、新元古界震旦系、古生界寒武系、中生界三疊系、新生界［17］.區(qū)域上巖漿活動(dòng)不強(qiáng)烈，區(qū)域斷裂構(gòu)造較發(fā)育，以北西向、北東向斷裂為主，但多被新生界松散層掩蓋，特征不甚明顯.礦區(qū)位于河南省嵩箕鋁土礦成礦區(qū)龍門-鞏義鋁土礦成礦帶的西端，為河南省鋁土礦的集中分布區(qū).區(qū)域上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)以鋁土礦、耐火黏土、煤礦為主.

2 礦區(qū)地質(zhì)

新生界廣泛分布于礦區(qū)南部及西北部，太古宇登封群（ArD）、寒武系張夏組及二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1s）僅在東部邊緣出露（圖2）.結(jié)合施工鉆孔巖心編錄成果，礦區(qū)地層特征如表1所示.礦區(qū)位于伊川盆地東北部邊緣，受穎陽(yáng)-大金店向斜控制，在向斜軸部的北翼，褶皺構(gòu)造簡(jiǎn)單，主要斷裂構(gòu)造為區(qū)域性的龍門-呂店大斷裂（F3）.礦區(qū)未見(jiàn)巖漿巖出露.

圖2 石佛寺鋁土礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Geological sketch map of Shifosi bauxite orefield

表1 石佛寺鋁土礦區(qū)地層簡(jiǎn)表Table 1 Stratigraphy of Shifosi bauxite orefield

本區(qū)含鋁巖系為上石炭統(tǒng)本溪組，是一套含鐵鋁質(zhì)建造，由鋁土礦和含鐵黏土巖、山西式鐵礦組成.巖層產(chǎn)狀（225～235°）∠（17～25°），與下伏寒武系上統(tǒng)崮山組呈平行不整合接觸，與上覆太原組整合接觸，鉆孔中本溪組厚度6.5～19 m，平均厚度13.7 m，自下而上可分為2段.

下段（C2b1）：為含鐵黏土巖，灰色—灰黑色，豆鮞狀結(jié)構(gòu)，塊狀或條紋狀構(gòu)造.礦物成分主要為黏土類礦物，含少量碎屑.上部以灰色為主，下部以黑色為主，含有大量黑色炭泥質(zhì)條帶和條紋.菱鐵礦呈球粒狀，粒度在0.2～2 mm之間，氧化后呈棕黃色，含量5%～25%.少量黃鐵礦呈星散狀或集合體狀.含鐵黏土巖斷口表面光滑，有滑膩感，底部菱鐵礦和黃鐵礦俗稱山西式鐵礦，厚度3.2～11.5 m.

上段（C2b1）：為鋁土礦礦層，主要由鋁土礦組成，局部夾少量黏土礦、黏土質(zhì)頁(yè)巖.鋁土礦呈灰色，豆鮞狀、碎屑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造.主要礦物為一水軟鋁石和一水硬鋁石，其次為三水鋁石、高嶺石、水云母等，厚度2.3～7.5 m，平均厚度4.9 m，呈層狀、似層狀產(chǎn)出.

上覆地層太原組（C2t）：為一套海陸交互相含煤建造，下部為灰泥灰?guī)r、灰黑色炭質(zhì)泥巖、煤層，該段底部一1煤段為主要煤層，不穩(wěn)定；中部為泥巖、砂質(zhì)泥巖夾薄層粉砂巖，含團(tuán)塊狀菱鐵礦；上部為含燧石團(tuán)塊生物碎屑灰?guī)r夾灰色砂巖.太原組在本區(qū)厚度10.6～22 m，生物碎屑灰?guī)r為該組的標(biāo)志型層位，與下伏本溪組整合接觸.

3 礦床地質(zhì)

石佛寺鋁土礦礦體的直接頂板為一1煤層，厚度0.80～1.60 m，呈黑色，片狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造.光澤較明亮，主要成分為亮煤，夾炭質(zhì)泥巖，煤層上部為太原組生物碎屑灰?guī)r，隱晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石較穩(wěn)固.礦體直接底板為高鐵鋁質(zhì)黏土巖，厚1.40～2.50 m，呈灰黑色，致密塊狀構(gòu)造.黏土巖層理發(fā)育，表面光滑細(xì)膩.基底為寒武系崮山組白云巖，其風(fēng)化殼上保存有風(fēng)化殘積的角礫組成的含黃鐵礦角礫巖，可與整個(gè)豫西范圍內(nèi)的鋁土礦床進(jìn)行對(duì)比.

礦區(qū)二疊系含煤巖系地層和石炭系含鋁巖系地層未出露地表，鋁土礦體和二1煤礦體全為隱伏礦體.鉆孔中二1煤層在鋁土礦體上部，二者相距25～35 m.煤、鋁為共生異體礦產(chǎn)（圖3）.

圖3 石佛寺鋁土礦區(qū)第16勘探線剖面圖Fig.3 Profileof Shifosibauxiteorefield along No.16 exploratory line

鋁土礦體賦存于石炭系本溪組地層，在區(qū)域剖面上明顯可劃分為3個(gè)巖性段，在整個(gè)華北范圍內(nèi)可以對(duì)比，本礦區(qū)上部的碳質(zhì)黏土巖不發(fā)育，鉆孔見(jiàn)到的本溪組上部為鋁土礦，下部為鋁、鐵質(zhì)黏土巖，為山西式鐵礦（硫鐵礦）賦存層位.

在礦區(qū)西北方向袁莊一帶地表可見(jiàn)到鋁土礦礦體露頭，礦體賦存于F3斷層上盤含鋁巖系地層內(nèi)，埋深多在225 m以下.礦區(qū)內(nèi)依據(jù)鉆探施工共圈定1個(gè)鋁土礦體和1個(gè)二1煤礦體.礦體剖面上呈似層狀，產(chǎn)狀（225～235°）∠（17～25°）.礦體走向長(zhǎng)1 250 m，傾向方向延深420m，埋深225～400m.鋁土礦平均厚度4.83 m，平均品位51.66%，礦體平均Al2O3/SiO2為3.75.

石佛寺鋁土礦礦石以碎屑狀和豆、鮞狀結(jié)構(gòu)為主（圖4a、b）.礦石構(gòu)造主要為塊狀、致密塊狀和定向構(gòu)造，少量為薄層理構(gòu)造.

碎屑狀結(jié)構(gòu)由碎屑和膠結(jié)物兩部分組成.碎屑占30%～50%，成分主要為一水硬鋁石和少量高嶺石，呈大小不等的卵圓形、長(zhǎng)條狀、多角狀，磨圓及分選較差，礫屑、砂屑、粉屑?；祀s在一起，具定向排列.膠結(jié)物占50%～70%，由一水硬鋁石、水云母、高嶺石組成（圖4c）.

豆、鮞狀結(jié)構(gòu)由豆、鮞和膠結(jié)物兩部分組成.豆、鮞呈圓形、卵形、扁圓形，定向、半定向分布，豆粒含量5%～30%，粒度2.0～7.2 mm，鮞粒粒度0.5～2.0 mm.砂屑多為次棱角狀，含量占40%～50%，粒徑0.1～0.7 mm，由一水軟鋁石和一水硬鋁石組成，含少量三水鋁石.膠結(jié)物占15%～25%，主要成分為菱鐵礦和黃鐵礦（圖4d）.

圖4 石佛寺鋁土礦礦石結(jié)構(gòu)Fig.4 Ore textures of Shifosi bauxite deposit

礦石主要礦物成分為一水硬鋁石，次為高嶺石、伊利石、黃鐵礦、菱鐵礦等，局部見(jiàn)有綠泥石、方解石、白云石，微量金紅石、板鈦礦、白鈦石、黃鐵礦、菱鐵礦、磁鐵礦及炭質(zhì)等.

一水硬鋁石在礦石中的含量占42%～88%，顯微鏡下多呈白、灰白、黃褐及無(wú)色.由于含Mn3+、Fe3+，可見(jiàn)多色性，呈紅褐、淺褐色，色深者比色淺者突起高.通常呈片狀、鱗片狀或隱晶質(zhì)及膠態(tài)豆?fàn)?、鮞狀集合體.粒徑一般為0.002～0.032 mm.糙面很顯著，兩組解理清楚，平行消光，干涉色Ⅱ級(jí)，二軸晶正光性，光軸角75°左右.

石佛寺鋁土礦石主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3和TiO2，共占總成分的95%以上（表2）.Al2O3與SiO2互為消長(zhǎng)，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，TiO2較穩(wěn)定.次要成分為CaO、MgO、P2O5、Na2O、Li2O、S和Ga，共占總成分的5%以下.K2O和S不穩(wěn)定，有較明顯的變化.其他成分均較穩(wěn)定，有相似的變化規(guī)律.鋁土礦中各次要成分的組成總體有較一致的變化規(guī)律.

表2 石佛寺礦區(qū)鋁土礦石化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)表Table 2 Chemical compositions of ore from Shifosi bauxite deposit

通過(guò)樣品組合分析，本區(qū)伴生有益組分含量Ga元素一般在0.0027%～0.0043%之間（Ga伴生礦石工業(yè)指標(biāo)品位下限值0.002%），達(dá)到伴生礦產(chǎn)工業(yè)指標(biāo)要求，其他元素均未達(dá)伴生有益組分礦產(chǎn)工業(yè)指標(biāo)要求（見(jiàn)表3）.根據(jù)組合分析結(jié)果，鉆孔中鋁土礦體的輕稀土元素（TRE2O3）未達(dá)到淋漓型鋁土礦工業(yè)指標(biāo)要求.

表3 石佛寺礦區(qū)鋁土礦伴生主要元素分析結(jié)果表Table 3 Contents of major associated elements in Shifosi bauxite deposit

石佛寺鋁土礦的自然類型，按其礦物成分劃分主要為一水硬鋁石型和高嶺石一水硬鋁石型，次要為黃鐵礦一水硬鋁石型和菱鐵礦一水硬鋁石型.按礦石的結(jié)構(gòu)劃分，主要為豆鮞狀鋁土礦、碎屑鋁土礦及其混合類型.礦石工業(yè)類型，按雜質(zhì)Fe2O3含量劃分，主要為中鐵型鋁土礦.礦區(qū)組合分析硫含量1.78%～3.87%，平均2.62%，按S含量劃分，為高硫型鋁土礦.

4 礦床成因及控礦因素分析

4.1 礦床成因

石佛寺鋁土礦及其附近的袁莊鋁土礦均位于華熊斷隆與嵩箕臺(tái)隆之間的宜陽(yáng)-登密拗陷內(nèi).在寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)早期，區(qū)域上沉積了巨厚層的碳酸鹽巖；到奧陶紀(jì)末期，受加里東運(yùn)動(dòng)的影響，整個(gè)華北地區(qū)隆升為陸地［18］.寒武系和奧陶系碳酸鹽巖廣泛裸露，接受風(fēng)化剝蝕達(dá)140 Ma之久，致使奧陶系、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)地層缺失，寒武系碳酸巖鹽地層也不同程度遭受剝蝕［19］.寒武系沉積基底的碳酸鹽巖在古地理環(huán)境、古構(gòu)造等多種因素作用下，經(jīng)歷強(qiáng)烈的物理、化學(xué)風(fēng)化作用，含量較少的鐵、鋁質(zhì)充分富集，形成了廣泛的紅土、鈣紅土風(fēng)化殼，為本區(qū)鋁土礦的形成提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ).而在準(zhǔn)平原化過(guò)程中形成的巖溶洼地、溶斗、溶蝕盆地等古地形為鋁土礦沉積提供了良好的空間條件［20］.

至中石炭世，地殼開(kāi)始緩慢下降，海水由東北方向入侵本區(qū)，除西部的中條古隆，南部的洛固古隆未接受海侵及局部殘山形成孤島外，廣大地區(qū)包括石佛寺、袁莊鋁土礦區(qū)均被海水淹沒(méi)，陸地邊緣洼地、山間盆地、溶蝕坑則形成濱海湖泊、潟湖及小型淡水湖泊與沼澤.早期形成的成礦物質(zhì)在河流、潮汐等的作用下經(jīng)短距離搬運(yùn)形成碎屑狀、豆鮞狀鋁土礦，搬運(yùn)至洼地、溶斗、溶蝕盆地等古地形處沉積成礦.隨著海水的繼續(xù)入侵，沉積環(huán)境發(fā)生了較大變化，在本溪組后，鋁土礦之上連續(xù)沉積了太原組、山西組以及二疊系下石盒子組、上石盒子組、石千峰組和三疊系等陸相碎屑巖建造［18］.鋁土礦體以及含礦巖系在其上覆地層的物理壓實(shí)作用下逐步脫水成巖.成礦后，由于造山運(yùn)動(dòng)地殼上升，鋁土礦層上升至地表淺部，并遭受氧化和剝蝕，形成次生富集礦帶.

4.2 控礦因素

鋁土礦床的形成受寒武系、奧陶系碳酸鹽巖古風(fēng)化侵蝕面的控制作用明顯.鋁土礦礦層主要賦存在寒武系、奧陶系碳酸鹽巖古風(fēng)化侵蝕面上的上石炭統(tǒng)本溪組地層內(nèi)，含礦建造為穩(wěn)定的古陸殼區(qū)的鋁土鐵質(zhì)建造，區(qū)域上古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制著本區(qū)主要隆起區(qū)和拗陷區(qū)的分布，隆起區(qū)為拗陷區(qū)提供了豐富的鋁質(zhì)、鐵質(zhì)、黏土質(zhì)來(lái)源，拗陷區(qū)是含鋁巖系、含鐵巖系的主要沉積富集區(qū)和保護(hù)場(chǎng)所［21］.石佛寺鋁土礦礦體的形成主要受地層、古構(gòu)造、巖相古地理、古氣候及風(fēng)化作用等4個(gè)因素的控制.

1）地層的控制作用：石佛寺鋁土礦及其附近的袁莊鋁土礦礦體均賦存于本溪組地層中，并且鋁土礦體厚度與本溪組地層的厚度呈正相關(guān)關(guān)系，本溪組地層對(duì)鋁土礦的層控作用十分明顯.另外，含鋁巖系本溪組與下伏寒武系地層之間的沉積間斷是本區(qū)鋁土礦形成的基礎(chǔ).上石炭統(tǒng)本溪組含鋁巖系地層直接不整合于寒武系碳酸鹽巖古風(fēng)化殼之上，鋁土礦的空間定位、礦體形態(tài)、礦石結(jié)構(gòu)以及礦物成分等都與下伏的寒武系古風(fēng)化殼密切相關(guān).因此，寒武系碳酸鹽巖地層作為石佛寺礦區(qū)含鋁巖系的底板巖石，其風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物可能是鋁土礦的主要成礦物質(zhì)來(lái)源.

2）古構(gòu)造的控制作用：區(qū)域上古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制著本區(qū)主要隆起區(qū)和拗陷區(qū)的分布.這些隆起和拗陷又控制了鋁土礦的形成和分布，即隆起區(qū)為拗陷區(qū)提供豐富的鋁質(zhì)來(lái)源，拗陷區(qū)是含鋁巖系和鋁土礦的主要沉積富集區(qū)和保存場(chǎng)所.區(qū)域上鋁土礦集中分布于古陸邊緣和古島四周的湖盆、洼地的斜坡地帶及小型巖溶洼地的中心，明顯受古地形的控制.大的拗陷沉積盆地控制著鋁土礦帶的分布范圍和展布方向，是鋁土礦的一級(jí)控礦單元.小的巖溶洼地、盆地、溶洞、溶斗等具體控制礦體的形態(tài)、產(chǎn)狀、規(guī)模，是鋁土礦的二級(jí)控礦單元［18］.古斷裂構(gòu)造是控制鋁土礦發(fā)育的構(gòu)造因素之一，主要表現(xiàn)在古斷裂控制著古巖溶的發(fā)育，而古巖溶又控制著凹斗狀鋁土礦的發(fā)育和分布.

3）巖相古地理的控制作用：豫西地區(qū)晚石炭世沉積巖相由西南向東北可劃分為濱海－潟湖－沼澤巖相區(qū)和潟湖－海灣－沼澤相區(qū).其中，濱海－潟湖－沼澤巖相區(qū)分布于濟(jì)源—洛陽(yáng)—鞏義—鄭州一線西南（圖5），是河南省鋁土礦的主要成礦區(qū)，晚石炭世本溪組含礦巖系主要受濱海－潟湖－沼澤沉積環(huán)境的控制.

石佛寺鋁土礦區(qū)含鋁巖系為一套以鋁質(zhì)、鐵質(zhì)、黏土質(zhì)為主的碎屑巖，下部為鐵質(zhì)黏土巖，上部為鋁土礦礦層，主要由鋁土礦組成，局部夾少量黏土礦、黏土質(zhì)頁(yè)巖.黏土巖頁(yè)理不甚發(fā)育，表明是在水動(dòng)力較弱的環(huán)境下形成的.而本區(qū)鋁土礦多為豆鮞狀、碎屑狀結(jié)構(gòu)，層理不明顯，說(shuō)明鋁土礦亦是在低能環(huán)境、微弱動(dòng)蕩的水動(dòng)力條件作用下形成的.而從前人資料分析，石佛寺鋁土礦位于嵩山古島西側(cè)外邊緣，形成于濱海－潟湖－沼澤相區(qū)的近島水下扇亞相（圖5）.

圖5 豫西晚石炭世巖相古地理圖（據(jù)文獻(xiàn)［3］修改）Fig.5 Late Carboniferous lithofacies paleogeographic map of western Henan（Modified from Reference［3］）

4）古氣候及風(fēng)化作用：古氣候條件對(duì)鋁土礦形成有明顯的控制作用，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)鋁土礦基本都分布在緯度小于30°的低緯度區(qū)域.晚石炭世鋁土礦的形成與當(dāng)時(shí)的氣候有著密切的關(guān)系.據(jù)古地磁資料顯示，豫西地區(qū)在古生代處于北緯12.9～27.6°的中低緯度區(qū)，屬熱—亞熱帶，氣候潮濕、炎熱且雨水充足，有利于硅酸鹽巖風(fēng)化以及成礦物質(zhì)的搬運(yùn)［21］.

風(fēng)化作用條件表現(xiàn)在中奧陶世華北地臺(tái)上升為陸地，潮濕炎熱的氣候促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)，風(fēng)化作用尤其是化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)烈，嵩山古陸上的硅酸鹽類經(jīng)強(qiáng)烈的物理、化學(xué)風(fēng)化形成高嶺石、蒙脫石、水云母等礦物.這些礦物在濕熱條件下進(jìn)一步風(fēng)化，尤其是在有機(jī)酸、碳酸的作用下，鋁質(zhì)礦物進(jìn)一步富集，為中石炭統(tǒng)及鋁土礦的形成奠定了基礎(chǔ)［22］.

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)河南省伊川縣石佛寺鋁土礦野外地質(zhì)調(diào)查（地質(zhì)填圖、鉆探工程）、巖石學(xué)、巖相學(xué)及地球化學(xué)的系統(tǒng)研究，分析了該礦床的地質(zhì)特征、控礦因素及礦床成因，可得出如下結(jié)論.

1）石佛寺鋁土礦含礦巖系為上石炭統(tǒng)本溪組上部，鋁土礦呈層狀產(chǎn)于上寒武統(tǒng)崮山組碳酸鹽巖古侵蝕面之上，與上覆上石炭統(tǒng)太原組地層呈整合接觸.礦床賦存的本溪組從下而上分別由含鐵黏土巖和鋁土礦層組成.鋁土礦體直接頂板為一1煤，厚0.80～1.60 m，直接底板為高鐵鋁質(zhì)黏土巖，厚1.40～3.50 m.礦石自然類型主要為豆鮞狀鋁土礦和碎屑狀鋁土礦及其混合類型，鋁土礦物主要為一水硬鋁石，并普遍含鎵元素，可綜合回收利用.礦石工業(yè)類型，按雜質(zhì)Fe2O3含量劃分，主要為中鐵型鋁土礦；按硫含量劃分，為高硫型鋁土礦.

2）石佛寺鋁土礦床是產(chǎn)于寒武系碳酸鹽巖之上的一水硬鋁石沉積型鋁土礦床，礦床的形成主要受本溪組含鋁巖系地層、古構(gòu)造、巖相古地理環(huán)境、古氣候及風(fēng)化作用等多種因素的控制，礦床成因類型為古風(fēng)化殼沉積型鋁土礦.