河南省嵩箕鋁土礦帶稀土元素地球化學(xué)特征及其意義

徐偉，蔣麗，蔣芹，張燕贊

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局測(cè)繪地理信息院, 河南 鄭州 450006; 2.河南省天空地遙感智能監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心, 河南 鄭州 450006; 3.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì), 河南 鄭州 450016)

0 引言

河南省是我國(guó)重要的鋁土礦資源產(chǎn)地，按產(chǎn)出集中分布地域共劃分為四個(gè)成礦帶，即陜縣—澠池—新安成礦帶、嵩箕成礦帶、魯山—臨汝—寶豐成礦帶和修武—濟(jì)源成礦帶(朱東暉等，2012)，前兩者帶內(nèi)已查明的鋁土礦資源儲(chǔ)量規(guī)模都達(dá)數(shù)億噸之上。

近年來(lái)，隨著鋁土礦勘查程度的不斷提高，對(duì)鋁土礦的綜合研究工作也逐步深入，在鋁土礦稀土元素地球化學(xué)特征和鋁土礦的成礦物質(zhì)來(lái)源研究方面取得了大批新的研究成果(焦贊超等，2014；王秀全和趙彥巧，2015；溫靜靜等，2016；李建全等，2017；涂恩照，2018；蔣芹等，2020)。這些成果表明，不同成礦帶內(nèi)的鋁土礦稀土元素具有不同的地球化學(xué)特征，反映出各區(qū)帶成礦物質(zhì)來(lái)源不完全相同。鋁土礦中鋯石同位素年齡測(cè)定的研究也表明，其中的鋯石大部分為巖漿鋯石，不同類型鋯石的年齡跨度相當(dāng)大，從太古代到早古生代都有分布，也同樣反映出成礦物質(zhì)來(lái)源的多源性和復(fù)雜性(李建全等，2017；曹高社等，2018)。

嵩箕鋁土礦成礦帶位于河南省中部，地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng)112°06′～113°30′，北緯34°05′～34°45′(圖1a)。區(qū)內(nèi)過(guò)去對(duì)鋁土礦稀土元素地球化學(xué)特征的研究多是以單個(gè)礦區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)整個(gè)成礦帶內(nèi)不同礦區(qū)的異同特征缺乏規(guī)律性、系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)。本文根據(jù)河南省禹州煤田煤下鋁(黏)土礦普查項(xiàng)目的勘查與科研成果，結(jié)合其他研究者對(duì)偃龍、宜陽(yáng)兩礦區(qū)的研究資料，通過(guò)研究嵩箕成礦帶不同地段代表性礦區(qū)的稀土元素地球化學(xué)特征，主要對(duì)比了各研究區(qū)稀土元素的配分模式和特征參數(shù)，分析了各礦區(qū)成礦物質(zhì)來(lái)源的差異，對(duì)于進(jìn)一步研究鋁土礦成因具有指導(dǎo)意義。

圖1 河南省嵩箕鋁土礦帶大地構(gòu)造位置圖(a)及地質(zhì)略圖(b)

1 嵩箕地區(qū)鋁土礦地質(zhì)特征

嵩箕鋁土礦帶內(nèi)各礦床基本是圍繞嵩山—箕山隆起分布，礦帶東西長(zhǎng)約130 km，南北寬約50 km。本次研究的偃龍礦區(qū)處在礦帶的北部，沿嵩山以北的偃師—洛陽(yáng)龍門一帶分布，宜陽(yáng)礦區(qū)位于礦帶的西部，禹州礦區(qū)處在嵩山以南，禹州市西北部。

該成礦帶內(nèi)地層屬華北地層區(qū)豫西分區(qū)嵩箕小區(qū)，區(qū)內(nèi)分布的地層有：太古界登封群，元古界嵩山群、汝陽(yáng)群，古生界寒武系、奧陶系中統(tǒng)、石炭系上統(tǒng)及二疊系，新生界古近系、新近系和第四系，局部分布有中生界三疊系。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，由于經(jīng)受多期構(gòu)造變動(dòng)，斷裂構(gòu)造系統(tǒng)復(fù)雜，以北西向、北東向和近東西向三組斷裂最為發(fā)育。區(qū)內(nèi)的巖漿巖分布面積不廣，在嵩山地區(qū)的登封西部分布有元古代中條期花崗巖(圖1b)。

鋁土礦含礦地層為石炭系上統(tǒng)本溪組，含礦巖系自下而上大致劃分為三個(gè)巖性層，下部為鐵質(zhì)黏土巖層，該層局部含較多黃鐵礦、菱鐵礦，當(dāng)?shù)V體至淺部時(shí)，黃鐵礦氧化為褐鐵礦，為“山西式”鐵礦的含礦層位；中部為鋁土礦層，屬華北沉積型(G層)鋁土礦(傅英祺和楊季楷，1987)，該層局部可相變?yōu)殇X質(zhì)黏土巖，局部有薄煤層(古占煤)；上部為黏土巖，局部夾煤線。各巖性層呈漸變過(guò)渡，分層界線不明顯，局部有缺失某巖性層的現(xiàn)象。

鋁土礦發(fā)育在寒武系或奧陶系碳酸鹽巖的巖溶地貌上，成礦帶大部分礦層基底為寒武系，南部邊緣地區(qū)和宜陽(yáng)礦區(qū)基底為奧陶系中統(tǒng)。在嵩山以北的偃師—龍門和滎陽(yáng)—鞏義地區(qū)鋁土礦體主要呈層狀、似層狀，局部呈溶斗狀、透鏡狀(代耕等，2019；姬果等，2021)，嵩山以南的登封—禹州地區(qū)礦體多呈窩狀、溶斗狀，層狀礦體較少見(jiàn)。礦體厚度各礦區(qū)差別較大，變化范圍為0.5～57.95 m。厚度變化的特點(diǎn)是，嵩山以北的礦區(qū)礦體厚度普遍較嵩山以南者大，就單個(gè)礦體來(lái)說(shuō)，礦體中心比礦體邊緣厚度大(付治國(guó)等，2009；朱東暉等，2012；李建全等，2016；金磊等，2021)。礦體厚度主要受古巖溶地形影響，在巖溶凹斗內(nèi)形成的礦體較凹斗外的厚度明顯變大。

2 鋁土礦中稀土元素地球化學(xué)特征

本次研究選擇了嵩箕成礦帶中不同地段的三個(gè)代表性鋁土礦床，樣品均采自鋁土礦層，不涉及礦體的頂、底板巖石。偃龍和禹州礦區(qū)的樣品采自不同的鉆孔巖芯或礦體露頭，宜陽(yáng)礦區(qū)樣品為基本分析的副樣，按單個(gè)鉆孔由不同數(shù)量的副樣組合成一個(gè)樣品。

偃龍礦區(qū)和宜陽(yáng)礦區(qū)的樣品測(cè)試數(shù)據(jù)均引自其他資料；禹州礦區(qū)的樣品數(shù)據(jù)為自測(cè)，樣品中稀土元素的分析方法為電感耦合等離子質(zhì)譜法(ICP-MS)。禹州礦區(qū)的樣品測(cè)試結(jié)果已由其他研究者發(fā)表過(guò)一部分(涂恩照，2018；蔣芹等，2020)，為便于對(duì)照分析，仍將這部分?jǐn)?shù)據(jù)一并列出(表1)。

表1 鋁土礦樣品稀土元素分析結(jié)果表

對(duì)樣品分析結(jié)果數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化中所用的球粒隕石數(shù)據(jù)為Boynton(1984)球粒隕石平均值，稀土元素主要特征參數(shù)見(jiàn)表2，ΣREE中包括有Y。

續(xù)表1

表2 鋁土礦稀土元素主要特征參數(shù)表

數(shù)據(jù)表明(表1、表2)，三個(gè)礦區(qū)單個(gè)樣品的各種參數(shù)變化范圍都較大，但平均值較接近。在各礦區(qū)樣品平均值的稀土元素配分模式圖上(圖2)，三條曲線都呈右傾的輕稀土富集型，稀土元素以輕稀土為主。各礦區(qū)的曲線在重稀土段近于平行，有兩條幾乎重疊在一起，在輕稀土段有所發(fā)散，這說(shuō)明輕稀土分異較明顯，而重稀土沒(méi)有明顯分異。

圖2 鋁土礦稀土元素配分模式圖

各礦區(qū)稀土元素都有明顯的Ce正異常和弱的Eu負(fù)異常。

3 稀土元素特征的地質(zhì)認(rèn)識(shí)

稀土元素因具有較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，在中—低級(jí)變質(zhì)程度以下基本不發(fā)生遷移，水巖作用不明顯的情況下，其配分模式基本保持不變(王中剛等，1989)。鋁土礦的成礦過(guò)程經(jīng)過(guò)了成礦源巖的風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積，但都在低溫條件進(jìn)行，沒(méi)有發(fā)生明顯的變質(zhì)作用，因此稀土元素可應(yīng)用于進(jìn)行鋁土礦成礦物質(zhì)來(lái)源的示蹤。

一個(gè)鋁土礦成礦帶延展數(shù)十甚至上百公里，成礦物質(zhì)源區(qū)不可能完全相同。研究鋁土礦中稀土元素的地球化學(xué)特征，可以揭示同一成礦帶內(nèi)的不同礦床成礦物質(zhì)是否具有統(tǒng)一來(lái)源，不同來(lái)源形成的礦床必然有不同的稀土元素特征。

3.1 宜陽(yáng)鋁土礦的成礦帶歸屬

一個(gè)成礦帶不僅是多個(gè)礦床在地理位置上的相近和集中，而且其成礦地質(zhì)作用和成礦環(huán)境也基本相同，地球化學(xué)特征相近。嵩箕鋁土礦成礦帶在地理位置上，礦床都圍繞嵩箕古陸分布，宜陽(yáng)鋁土礦區(qū)位置比較特殊，該礦區(qū)位于陜縣—澠池—新安成礦帶和嵩箕成礦帶的中間，與二者距離都較遠(yuǎn)，但相對(duì)離陜縣—澠池—新安成礦帶更近。過(guò)去沒(méi)有明確把宜陽(yáng)鋁土礦區(qū)劃歸到哪一個(gè)成礦帶中，也沒(méi)有單獨(dú)劃為一個(gè)成礦帶。從宜陽(yáng)與偃龍、禹州鋁土礦的稀土元素地球化學(xué)特征看，三個(gè)礦區(qū)的ΣREE相近，稀土元素配分模式基本相同，這反映出它們?cè)诔梢蚍矫婢哂新?lián)系，說(shuō)明至少有部分成礦物質(zhì)是同源的，這是一種區(qū)域性地球化學(xué)特征的規(guī)律性表現(xiàn)。三者ΣREE基本相同，而都與陜縣—澠池—新安成礦帶鋁土礦的ΣREE平均值(>600×10-6)(王燕茹等，2012；王喜亮，2016)有明顯差別。在La/Yb-ΣREE圖解(圖3)中可以看出，宜陽(yáng)鋁土礦單個(gè)樣品的散點(diǎn)分布范圍與偃龍礦區(qū)非常一致，在獨(dú)立的沉積巖和鈣質(zhì)泥巖區(qū)都沒(méi)有樣品分布，這一點(diǎn)也與陜縣—澠池—新安成礦帶的一些礦床的樣品在沉積巖和鈣質(zhì)泥巖區(qū)有大量分布也明顯不同。在La/Yb-ΣREE圖解中還可以看出，三個(gè)礦區(qū)樣品的La/Yb與ΣREE具有明顯的正相關(guān)性，偃龍、宜陽(yáng)和禹州三個(gè)礦區(qū)的相關(guān)系數(shù)分別為0.73、0.87、0.81，筆者在其它研究中統(tǒng)計(jì)的陜縣—澠池—新安成礦帶中曹窯礦區(qū)49件樣品的相關(guān)系數(shù)為0.59，正相關(guān)性不如本研究區(qū)強(qiáng)。

圖3 嵩箕成礦帶鋁土礦La/Yb-ΣREE圖解(底圖據(jù)Allegre and Minster,1978)

經(jīng)上述分析認(rèn)為，宜陽(yáng)鋁土礦區(qū)的稀土元素多種特征與嵩箕成礦帶的其它礦床相近，而與陜縣—澠池—新安成礦帶的鋁土礦差別明顯，雖然它距嵩箕成礦帶礦床集中區(qū)較遠(yuǎn)，但其成礦物質(zhì)來(lái)源與嵩箕成礦帶其它礦床具有同源特征，仍應(yīng)屬嵩箕成礦帶的組成部分。

3.2 鋁土礦成礦物質(zhì)來(lái)源分析

對(duì)于華北沉積型鋁土礦的物質(zhì)來(lái)源，以往主要有基底碳酸鹽巖來(lái)源、古陸鋁硅酸鹽巖來(lái)源和多來(lái)源三種觀點(diǎn)，至今也沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。本文從稀土元素地球化學(xué)特征的視點(diǎn)來(lái)探討嵩箕成礦帶鋁土礦成礦物質(zhì)的來(lái)源特點(diǎn)，主要從以下兩方面進(jìn)行分析。

(1)La/Yb-ΣREE圖解分析：稀土元素的La/Yb-ΣREE圖解在進(jìn)行變質(zhì)巖研究時(shí)可用于中、低級(jí)變質(zhì)巖的原巖恢復(fù)，在進(jìn)行沉積巖的研究時(shí)則可用于分析沉積物的來(lái)源(王中剛等，1989；楊守業(yè)和李從先，1999)。圖3表明，三個(gè)研究礦區(qū)的樣品投影分布區(qū)域呈現(xiàn)幾個(gè)特點(diǎn)：

①樣品主要分布于花崗巖、堿性玄武巖—大陸拉斑玄武巖區(qū)，或分布于花崗巖、玄武巖和沉積巖的兩兩重疊區(qū)及三者重疊區(qū)；

②在沉積巖和鈣質(zhì)泥巖獨(dú)立區(qū)域幾乎沒(méi)有樣品分布；

③在禹州礦區(qū)的樣品主要分布于花崗巖與堿性玄武巖的重疊區(qū)，分布范圍明顯比偃龍和宜陽(yáng)礦區(qū)小。

對(duì)于這種現(xiàn)象筆者認(rèn)為，嵩箕地區(qū)鋁土礦的成礦物質(zhì)主要來(lái)源于花崗巖和玄武質(zhì)鋁硅酸鹽巖，來(lái)自基底碳酸鹽巖的比例較少。禹州礦區(qū)的樣品分布較集中，表明成礦物質(zhì)來(lái)源較單一；偃龍和宜陽(yáng)兩礦區(qū)樣品分布較廣，表明其物質(zhì)來(lái)源更豐富。由此看出，同一成礦帶的不同礦區(qū)鋁土礦成礦物質(zhì)來(lái)源并不完全相同，反映出作為物源區(qū)的古風(fēng)化殼由多種巖性同時(shí)遭受風(fēng)化而成，既有鋁硅酸鹽巖，也有含鋁質(zhì)黏土礦物的碳酸鹽巖，研究區(qū)內(nèi)應(yīng)以前者為主。不同巖性形成的古風(fēng)化殼在鋁土礦成礦過(guò)程中不會(huì)均勻地沉積到每一個(gè)成礦地點(diǎn)，不同的礦區(qū)會(huì)以某種物源占主導(dǎo)。

(2)ΣREE分布直方圖分析：根據(jù)地球化學(xué)理論，一種巖石或礦物中，某種元素的含量呈正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，常量元素多呈正態(tài)分布，而微量元素則多呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布(楊小峰等，2007)，對(duì)稀土元素而言這方面的資料較少，本次研究中作了嘗試性統(tǒng)計(jì)。地質(zhì)成礦理論也表明，同一成礦或巖漿作用形成的礦物或巖石，一種元素含量的分布頻率一般只有一個(gè)明顯的峰值，若有多個(gè)峰值則表明是這種巖石或礦物經(jīng)歷了多次地質(zhì)作用，或是多種巖石經(jīng)過(guò)混合的產(chǎn)物。

鋁土礦作為一種沉積礦產(chǎn)，在沉積過(guò)程中會(huì)有不同巖石風(fēng)化物的不同比例混合。在宜陽(yáng)礦區(qū)，以30件樣品的ΣREE值作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，在ΣREE分布直方圖(圖4)中可看出，ΣREE在150×10-6～350×10-6和550×10-6～600×10-6兩個(gè)區(qū)間的分布較集中，分布樣品數(shù)分別為15件和5件，明顯多于其它區(qū)間。由于鋁土礦是由各種含鋁質(zhì)的原巖經(jīng)紅土或鈣紅土化作用，再經(jīng)成礦作用的產(chǎn)物，如果成礦原巖僅為單一的巖性，在直方圖中ΣREE分布頻數(shù)較高的區(qū)間僅會(huì)有一個(gè)，而該礦區(qū)鋁土礦中的ΣREE分布頻數(shù)在兩個(gè)區(qū)間較高，說(shuō)明鋁土礦的成礦物質(zhì)來(lái)源具有多源性，這與La/Yb-ΣREE圖解的分析結(jié)果一致。

圖4 宜陽(yáng)鋁土礦ΣREE分布直方圖

3.3 成礦物質(zhì)來(lái)源對(duì)礦體規(guī)模的影響

一個(gè)礦體形成規(guī)模和厚度的大小由多種地質(zhì)因素決定，但對(duì)于沉積礦產(chǎn)而言，成礦時(shí)期成礦物質(zhì)來(lái)源的豐富程度無(wú)疑是重要的，沒(méi)有豐富的物質(zhì)供給不可能形成大規(guī)模礦體。前已述及，嵩箕成礦帶嵩山以北的鋁土礦體規(guī)模和厚度要明顯大于嵩山以南的礦體，這一點(diǎn)除與古地形地貌有關(guān)外，還應(yīng)與成礦時(shí)成礦物質(zhì)供應(yīng)的多少有關(guān)。

從圖3中可看出，登封東南部至禹州地區(qū)的鋁土礦區(qū)樣品的分布范圍比偃龍和宜陽(yáng)鋁土礦要小得多，這說(shuō)明成礦物質(zhì)來(lái)源不如后兩者廣泛。由于成礦物質(zhì)來(lái)源單一，供應(yīng)不足，有限的成礦物質(zhì)在成礦初期的凹地填平作用中，首先沉積于巖溶凹地內(nèi)形成礦體，填平作用后期因沒(méi)有足夠的成礦物質(zhì)，形成的層狀礦體很少見(jiàn)。成礦物質(zhì)的缺少，形成的礦體也就規(guī)模小、厚度薄。因此，禹州礦區(qū)內(nèi)礦體規(guī)模一般僅幾十至幾百米，上千米者較少。

4 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)嵩箕成礦帶三個(gè)鋁土礦區(qū)稀土元素地球化學(xué)特征的分析研究，總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)嵩箕成礦帶鋁土礦中的稀土元素以輕稀土為主，輕、重稀土分異明顯，輕稀土間有一定分異，而重稀土間分異不明顯。稀土總量分布較勻，含量在350×10-6～450×10-6。

(2)不同礦區(qū)成礦物質(zhì)來(lái)源有所不同，礦帶南部成礦物質(zhì)來(lái)源較單一，而北部更具多源特點(diǎn)。成礦物質(zhì)的原巖以鋁硅酸鹽巖為主，基底碳酸鹽巖次之。

(3)在成礦時(shí)，成礦物質(zhì)的供應(yīng)是否充分對(duì)鋁土礦體的形成規(guī)模和厚度有重要影響，成礦帶北部成礦物質(zhì)來(lái)源廣，形成的礦體規(guī)模、厚度都相對(duì)較大，南部成礦物質(zhì)來(lái)源少，形成的礦體規(guī)模小、厚度薄。

注 釋

① 河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì). 2015. 河南省禹州煤田煤下鋁(粘)土礦普查報(bào)告[R]. 鄭州: 河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì).

② 河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì). 2015. 河南省宜陽(yáng)縣煤下鋁(粘)土礦普查報(bào)告[R]. 鄭州: 河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì), 64-67.