河南省地質局馬庚傑
❶ 豫西方山地區鋁土礦地質特徵及找礦方向
仇建軍1，2 秦明1，2 方榮2
(1.中國地質大學(北京);2.河南省有色金屬地質礦產局第三地質大隊)
豫西是我國重要的鋁土礦集中產地，石炭系含鋁岩系分布在豫西的鄭州—許昌—平頂山—三門峽—焦作所構成的近似三角形的區域內，出露面積約2000km2。鋁土礦床屬賦存於寒武系—奧陶系碳酸鹽岩地層古岩溶風化剝蝕面上的一水硬鋁石沉積型鋁土礦，成礦時代為晚石炭紀本溪期。目前已發現鋁土礦床(點)1000多處(戴耕等，2000)，主要分布在隆起區四周(圖略)，如中條山-太行山隆起區南側的焦作-濟源成礦區，中條隆起區、岱眉寨隆起區東側的陝縣-澠池-新安成礦區，以及嵩山-箕山隆起區周圍的嵩箕成礦區、汝陽-汝州-寶豐成礦區。本研究區指河南省西部方山地區，位於嵩山-箕山隆起區周圍的嵩箕成礦區東南側，研究區范圍屬禹州西部，北起白沙水庫—無梁鎮一線，南至郟縣北，西起方山—黃道一線，東止無梁鎮—安良鎮一線。研究區內已發現鋁土礦床(點)20餘處，其中中型鋁土礦床3處，顯示該研究區尤其是中深部具有較大的鋁土找礦前景。筆者通過對研究區鋁土礦床的區域成礦地質背景、含礦岩系特徵和典型礦床特徵等方面進行分析，指出下一步該區的找礦方向。
一、區域地質概況
本區大地構造位置屬華北地台的Ⅱ級構造單元豫淮台褶帶西段，北臨山西台北斜，南靠秦嶺褶皺帶。該區構造位於中朝准地台西南部，華北中斷坳和嵩箕中台隆交界的部位。
本區屬華北地層豫西分區嵩箕小區地層。區域出露地層主要有震旦系、寒武系、下-中奧陶統、上石炭統、二疊系及第四系。上石炭統本溪組是本區鋁(粘)土礦的含礦岩系，含礦岩系與下伏的碳酸鹽岩地層呈平行不整合接觸，與典型的產於碳酸鹽岩古侵蝕面之上的沉積型鋁土礦床的賦存特徵一致。
區內褶皺平闊平緩，斷裂發育，成組平行展布。主要褶皺軸向為NWW-SEE，自北而南依次發育有白沙向斜、許禹背斜和景家窪向斜;斷裂發育有兩組，主要為方向大體與褶皺軸壓應力方向一致的NE-SW向斷層，如箕山、杏山坡、官山岩、祖師廟、尚溝及下白玉等斷層，其次為與褶皺軸近於平行的NW-SE向的階梯狀北降南升正斷層，包括有庄溝、玻璃溝、彭溝、井溝、殷村、梁北、峰山、富山及黃道鎮-王英溝等斷層。
本區成礦區劃屬於嵩箕成礦區登封-新密-禹州鋁土礦成礦帶東段，包含有方山-鳩山、磨街和神後-新峰及黃道等4個成礦亞帶。區內已發現鋁土礦床(點)達20餘處，其中，包括有方山鋁土礦床及磨街、鳩山、黃道等鋁土礦點。
二、礦床地質特徵
本區代表性礦床為方山鋁土礦床，為河南冶金地質三隊(河南省有色金屬地質礦產局第三地質大隊前身)於1978～1981年通過3年的勘探工作而探明的中型鋁土礦床，探明鋁土礦礦石量800多萬噸，礦床平均品位:Al2O363.56%～68.14%，A/S為6.14～7.66;探明富鉀鋁土礦礦石量2000多萬噸，伴生TiO2總資源量近30萬t，伴生Ga金屬量近800t。下面以方山鋁土礦床為例，簡述本區的鋁土礦床地質特徵。
(一)含礦岩系特徵
1.含礦岩系地質特徵
方山地區鋁土礦床含礦岩系賦存於上石炭統本溪組，下與中奧陶統馬家溝組白雲質灰岩呈平行不整合接觸，局部呈角度不整合接觸，上與上石炭統太原組呈假整合接觸。本溪組自下而上大體分3個岩性段:下部以富鐵為特徵，呈黃褐、紫紅、淺黃等雜色鐵質粘土岩，局部地段含鐵較高，形成赤鐵礦、褐鐵礦，礦體受下伏奧陶系古風化面影響呈似層狀、透鏡狀、雞窩狀，分布不規則，俗稱「山西式」鐵礦，其上部為鐵質粘土岩，在氧化帶以下多含星散狀和結核狀黃鐵礦，局部含硫高時可達工業品位，焦作、濟源、新安、澠池的多處硫鐵礦即開采該層位。中部以富鋁為特徵，為鋁土礦的主要層位，主要為深灰—灰色鋁土礦、高鋁及硬質粘土礦、鐵質粘土等組成，層位分布穩定。上部以富碳質及陸源碎屑為特徵，一般由碳質粘土岩、鐵質粘土岩、粉砂質粘土岩高嶺土礦及少量的石英砂岩組成，頂部多見煤層。
本溪組在區內岩性變化不大，但由於受古地形影響厚度在小范圍內有明顯差異，薄者1～2m，厚者110m。
2.含礦岩系的放射性特徵
方山鋁土礦床的放射性伽馬測量結果顯示，該地區鋁土礦含礦岩系表現為低強度放射性異常，其伽馬強度為:鋁土礦體內正常值為100γ，最大值為192γ，而底板奧陶系灰岩平均強度為30γ，頂板二疊系石英砂岩平均強度為20γ;鑽孔的岩心正常場為25γ，礦心部位極大值為34γ，頂底板強度值分選明顯。
3.礦體地質特徵
本區鋁土礦均為一水硬鋁石型沉積礦床。鋁土礦賦存在本溪組中部，層位單一。礦體常呈似層狀、透鏡狀、漏斗狀斷續產出，有時可互相連接，嚴格受區內褶皺構造和基底古岩溶地形的控制，或作長條形延伸，或近等軸狀產出，古地形較平坦者，礦體呈似層狀;古地形低窪處，礦體呈透鏡狀。
礦體產狀與上覆圍岩基本一致，礦體一般傾角較緩，為25°左右，古岩溶斗處局部較陡。由於古岩溶地形的控制，不同礦體、不同部位產狀有差異，總的規律是礦體底板產狀變化較大，頂板比較穩定。有時受古岩溶地形的影響，礦體明顯向中心傾斜，形成盆狀，「礦盆」里的礦層傾角隨著古岩溶侵蝕面或古凹地的原始傾斜陡緩而定。
據研究顯示，礦體與圍岩存在有兩種接觸關系。其一為突變接觸關系，肉眼很易區分礦體與圍岩的界線，此種情況下一般礦石質量較好，其圍岩為燧石結核灰岩、碳質頁岩、粘土質頁岩等。其二為漸變過渡接觸關系，肉眼很難區分礦體與圍岩的界線，需經化學分析才能區分，礦石質量略差，一般圍岩為硬質粘土。礦體中偶見夾層，夾層基本上全為硬質粘土，少量為粘土頁岩，呈透鏡狀產出。
礦體規模受古侵蝕面影響，礦體長度一般為68～400m，寬度一般為36～340m;礦體厚度一般隨著含礦岩系厚度變化或受古地形而變化，古侵蝕面隆起部位的厚度變薄或尖滅，最薄處0～0.5m，最厚處可達57.95m(方山中型鋁土礦床的8號礦體)，位於古侵蝕面低窪部位。
(二)礦石特徵
1.礦石礦物成分及賦存狀態
據差熱分析、X光驗證和鏡下岩礦鑒定結果，本區鋁土礦石的礦物成分主要為一水硬鋁石，其次有三水鋁石、勃姆石、高嶺石、鐵質礦物、金紅石、銳鈦礦、榍石、絹雲母、水雲母、白雲母等。
(1)一水硬鋁石:為組成本區鋁土礦的主要有益成分，含量70%～98%，顆粒極細，一般0.01～0.1mm，微晶質或隱晶質粒狀、他形粒狀，其集合體常呈鮞粒、豆粒、凝塊或碎屑，也可呈膠結物形式出現，組成礫石時顆粒粗於膠結物。熱譜曲線特徵，在500℃左右，迅速脫水失重，550℃即終止，如圖1和圖2所示。
圖1 一水硬鋁石熱譜曲線圖
圖2 一水硬鋁石和少量三水鋁石熱譜曲線圖
一水硬鋁石除原生者外，尚有後生形成的，表現為後生的一水硬鋁石呈脈狀和不規則狀集合體分布在鋁土礦中，或者後生的一水硬鋁石生長在由菱鐵礦形成的褐鐵礦流失孔中。
(2)高嶺石:在鋁土礦中含量不高，分布也不均勻，最高含量約20%，多呈隱晶質，少數為顯微晶質，其粒度為0.005～0.03mm，呈鱗片狀或聚集體或呈膠結物出現，也充填於蜂窩孔中，從中取出的黃白色粉狀高嶺石的熱譜曲線如圖3所示。
圖3 充填在蜂窩孔中高嶺石的熱譜曲線圖
在鏡下常見高嶺石被水鋁氧石交代，交代高嶺石的水鋁氧石又被一水硬鋁石。
(3)絹雲母、白雲母、水雲母等:在鋁土礦中含量極微，但在硬質粘土和粘土頁岩中含量很高。在鋁土礦中分布不均勻，局部呈團塊鱗片狀集合體，多見於膠結物中。熱譜曲特徵從340℃緩慢脫水失重，一直到800℃才徐徐終止，沒有急劇失重的特徵，它表現為絹雲母和少量的一水硬鋁石、三水鋁石的特徵。
(4)勃母鋁石:系鏡下定名，分布不均，大多不及10%，集中時達98%，顆粒較小，一般小於0.01mm，大者不超過0.015mm，見於礫石、鮞粒的環帶和核心，膠結物中也可見到。
(5)含鐵礦物:以褐鐵礦、黃鐵礦、菱鐵礦等形式出現，分布不均，呈結核狀、團塊狀、薄膜狀、不規則細脈狀沿裂隙充填，集中時可達稠密浸染狀，集中處主要見於鋁土礦層下部。有的褐鐵礦空洞呈菱形，顯然是菱鐵礦形成。
其他礦物尚有三水鋁石、金紅石、榍石、斜長石、石英、玉髓等，因含量極微，顆粒極細，不再一一敘述。
2.礦石的結構構造及自然、工業類型
本區礦石結構按照礦物的形態大小和空間分布，分為膠狀和粒狀結構。
礦石構造根據礦物集合體的形態大小和空間分布特徵為基礎，主要可分為以下幾種:
(1)礫狀構造:一般見於礦體的中上部，滾圓度較好，多呈扁平狀，其扁平面與層面平行，表面光滑，常附有粘土和鐵質薄膜。礫石大小不等，分布不均，礫徑小者0.3～0.8mm，一般為1～3mm，個別大者可達15cm。有時大礫石中包有小礫石和鮞粒的現象。礫石多者可佔70%以上，少者呈稀疏星點狀、條帶狀分布。
礫石中礦物成分以一水硬鋁石為主，其次尚有鐵質和粘土等。一水硬鋁石粒度較膠結物中的粗大，鐵質也較膠結物中的高。
(2)鮞狀構造:多見於礦層中下部，鮞粒均呈扁平狀，扁平面沿層面平行分布，外殼亦有粘土和鐵質薄膜包裹，鮞粒內部多做同心環狀構造，其中心多由水鋁石、勃姆鋁石組成，個別為鐵質、銳鈦礦。由中心向外往往粘土質成分有所增加。鮞粒小者0.2mm，一般0.5～0.8mm，大者可達4mm。鮞粒分布極不均勻，集中時礦石幾乎全由其組成。有時呈浸染狀或與礫石混雜呈鮞粒狀構造。有時還可見後生鮞粒。
(3)蜂窩狀-多孔狀構造:以礦層中部為多，為本區鋁土礦床Al2O3含量最高的礦石，但有時含鐵亦高，蜂窩形態不規則，常呈圓形和橢圓形，也有呈菱形者。蜂窩中有時有黃白色粉末———高嶺石充填，蜂窩壁及壁之間周圍常有褐鐵礦及鐵染現象，因此認為蜂窩的形成系黃鐵礦、菱鐵礦等金屬礦物流失所致。
(4)緻密塊狀構造:以礦層下部為多，在本區屬低品位礦石，SiO2含量較高，多由水鋁石組成，並有泥質混雜，有時含少量的小礫或鮞粒，具半貝殼狀或粗糙狀斷口。
礦石自然類型屬於一水硬鋁石型鋁礦，工業類型屬於低鐵低硫型鋁土礦。
3.礦石的化學成分及其變化特徵
(1)礦石的主要化學成分，詳見表1。
表1 鋁土礦化學成分統計表
①組合分析資料;②3個組合全分析資料。
從差熱分析、X光驗證和顯微鏡下鑒定與化學分析結果比較，Al2O3主要來源於一水硬鋁石。Fe2O3是黃鐵礦、褐鐵礦供給，SiO2是高嶺石、石英、玉髓等礦物中的總量，Na2O、K2O是水雲母、白雲母、絹雲母和少量的斜長石及一些粘土礦物對鉀、鈉離子的吸附總和，CaO、MgO是由碳酸鹽提供，TiO2來源於金紅石和銳鈦礦。Ga未見單礦物，可能是Al的類質同象混入物。
(2)在垂向上存在某些規律性的變化:Al2O3、TiO2和Ga有由下而上逐漸增高的趨勢，互呈明顯的正相關關系;Fe2O3、SiO2和K2O自下而上逐有降低，並且與Al2O3、TiO2呈明顯的負相關關系，尤其是與TiO2的負相關關系更為明顯，不僅總的趨勢如此，在每個具體點上也毫不例外。
(3)在水平方向上Al2O3和Al2O3/SiO2總的有從露天到深部逐有降低，但在局部上有所變化。
(4)礦體厚度與品位的關系:總的呈正相關關系，厚度大時品位也高，但有例外，如果礦體雖厚但其中夾石較多時品位就不盡然。
(5)Al2O3/SiO2與品位的關系:Al2O3/SiO2與Al2O3、TiO2是天然的正相關關系，與SiO2呈絕對的負相關關系，但如有Fe2O3干擾亦可出現反常現象，即Al2O3並不很高時，也可出現高Al2O3/SiO2值。
(6)Al2O3與Ga的關系:Ga與Al2O3呈明顯的正相關關系，Al2O3高Ga也高，反之亦然。方山大型鋁土礦床全區鋁土礦石中Ga的加權平均品位為0.0097%(組合樣平均)，已達鋁土石中伴生Ga的工業要求。
(7)Fe2O3的分布特徵:在剖面上Fe2O3總的從上而下逐漸增高，礦體的局部見有例外;Fe2O3高低與礦體厚度似有正相關關系。
三、區域地質發展史分析
綜觀方山地區沉積建造和岩層接觸關系及古生物化石特徵等，結合前人資料分析，本區的區域地質發展史可分析如下:
(1)本區前震旦系屬地槽型建造，構成本區的基底，震旦紀時本區抬升，直至震旦紀末期始有薄層砂岩類碎屑沉積，晚期氣候寒冷冰磧礫石的出現是其明證。
(2)寒武紀時本區下沉為海洋，且氣候溫暖，生物繁盛，沉積了含三葉蟲的厚大碳酸鹽岩建造，末期地殼又上升出海平面，直至奧陶紀中期始有白雲岩、石灰岩的沉積。
(3)中奧陶世末地殼回升，海水退卻，本區長期遭受侵蝕，不僅缺失上奧陶統、志留系、泥盆系、下石炭統，就是中奧陶統也遭受了不同程度的侵蝕，有的地方還見有卡斯特溶洞溶斗的出現。溫暖潮濕的氣候，有利於風化作用，特別是紅土化作用的加速，加上長期的侵蝕，給後來鋁土礦的生成和物質來源提供了有利的環境和條件(圖4)。
圖4 豫西地區上石炭世古構造示意圖(據《河南省鋁土礦成地質條件及找礦方向研究報告》)
(4)石炭紀晚期，地殼小幅度升降頻繁，形成海陸交替相的灰岩、鐵鋁岩石、砂岩、頁岩和煤建造。到石炭紀晚期末，海水全部退出本區，地殼進一步上升成大陸湖泊，此時氣候溫和，雨量充足，植物茂盛，形成了二疊系含煤建造。
(5)二疊紀末，本區地殼上升海水一直未達到本區，又遭受長期侵蝕，缺失三疊系、侏羅系、白堊系，燕山運動使本區發生褶皺斷裂，奠定了本區構造雛形，前述背斜向斜斷裂構造均是這個時期形成的。
四、找礦方向
20世紀60年代以來，國家對豫西包括禹縣西部，投入相當大的人力物力，對該區的鋁、粘土礦資源開展了很多地質工作，相繼發現鋁土礦床(點)20餘處(包括禹縣的方山大型鋁土礦床等)，經過數十年的探礦，淺中部(300m以淺)鋁土礦體已基本勘探完畢，找礦難度越來越大。今後一段時期，對該區的鋁土礦找礦工作應該由尋找地表及淺中部氧化礦體，轉為尋找地下隱伏的原生鋁土礦體。具體到豫西方山地區的鋁土礦找礦，應注意以下問題:
(1)根據古地理特徵，尋找古陸或古高地的窪地或沉積盆地，進而尋找鋁土礦含礦岩系即上石炭統本溪組。
(2)重視構造和岩溶控礦的作用，岩溶的發育對鋁土礦有著直接的控製作用，而岩溶的發生和發展大部分與一定方向的基底斷裂有關，因此，要不斷總結現有成礦窪斗的分布規律，指導深部勘探工作。
(3)利用地球物理方法間接找礦，可提高找效率，節約找礦成本。如利用磁法測量可確定古岩溶侵蝕風化面的位置，利用激發極化法可以圈出鋁土礦(化)體的大致位置及第四系的埋深。以瞬變電磁測深為主的多方法(參數)測深方法試驗，結合視電阻率測深、超長波探測、音頻大地電磁測深、視電阻率剖面、放射性等方法，定位基底碳酸鹽岩上的岩溶窪斗位置。根據放射性差異，可使用放射性伽馬測量方法，其數據可作為鑒別礦石與非礦岩石的參考。
(4)對已勘探和開發利用鋁土礦床周邊的深部遠景區進行深部找礦，如方山鋁土礦區東側的白沙向斜核部，根據向斜構造的對稱分布特徵，含鋁岩系向東及南部仍有延伸;景家窪向斜兩翼出露地層為二疊系，其他地段為第四系覆蓋，該向斜兩翼的深部及向斜核部含鋁岩系應有延伸，因此從區域上看，該區從方山鋁土礦床向東仍有延伸，在白沙向斜、許禹背斜西段，景家窪向斜的核部和兩翼往深部，鋁土礦床中深部找礦遠景很大。
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