江西上猶小寨背高嶺土礦礦床地質特征及礦床成因

鄭 翔, 任國剛, 張德志, 王宇飛, 黃實衛, 何玉波

(1.江西應用技術職業學院,江西 贛州 341000; 2.江西應用技術職業學院 立達科技開發總公司,江西 贛州 341000;3.中國建筑材料工業地質勘查中心 福建總隊,福建 福州 350000; 4.江西省贛州市崇義縣劍橋礦業有限公司,江西 崇義 341300)

江西上猶小寨背高嶺土礦屬于風化殘積亞型高嶺土礦,小寨背高嶺土礦區成礦的圍巖為加里東晚期龍頭巖體邊緣相細粒白云母花崗巖及中細粒二云母花崗巖,礦石類型為砂質高嶺土,礦床類型為風化型風化殘積亞型。加強對礦區高嶺土礦成因的研究,對尋找新礦點具有重要意義,對發展地方經濟也起到至關重要的作用。

1 區域地質背景

本區位于南嶺緯向構造帶東段大余—瑞金東西構造亞帶與興國—崇義北東向構造帶交匯部位,地處華南褶皺系贛中南隆褶斷束的西南部,區內構造運動多期活動,褶皺、斷裂構造發育,巖漿侵入頻繁,成礦作用顯著,是江西南部以鎢錫為主的多金屬礦產主要產地之一(圖1)。多期次侵入的花崗巖體廣泛分布,地表風化殼發育,也是風化殼型稀土、高嶺土礦主要產地之一。

2 礦區及礦體地質特征

2.1 礦區地質

礦區出露地層主要有寒武系高灘群和第四系全新統,高灘群地層巖性主要為長石石英砂巖、粉砂質板巖及灰巖,第四系全新統地層主要為殘坡積巖石碎屑及砂質粘土、亞粘土、腐質粘土等。礦區以斷裂構造為主,主要有北東向、南北或近南北向構造。礦區出露巖漿巖以龍頭巖體邊緣相為主,次為侵入巖體中的花崗斑巖、細晶巖脈。龍頭巖體巖性主要為白云母花崗巖和二云母花崗巖。

圖1 區域地質圖Fig.1 Regional geological map1.第四系;2.白堊系上統南雄組;3.泥盆系中統;4.寒武系上統;5.寒武系中統;6.寒武系下統;7.震旦系上統上部;8.震旦系上統下部;9.燕山早期第二階段第一次黑云母花崗巖;10.燕山早期第一階段第二次黑云母花崗巖;11.加里東晚期第二階段第二次黑云母花崗巖;12.加里東晚期第二階段第一次黑云母花崗二長巖;13.加里東晚期第一階段第二次黑云母花崗閃長巖;14.地質界線;15.角度不整合;16.正斷層;17.逆斷層;18.航照解釋斷層;19.性質不明斷層;20.礦區位置。

礦區內施工66個淺鉆,以揭穿半風化層及基巖,控制了礦體的底板。鉆探工程施工43個鉆孔,最大深度達58.1 m。43個鉆孔均揭穿了全風化層、半風化層至基巖,為了解礦區全風化層礦體厚度及半風化層礦化程度起到了良好的引導作用,礦區地質圖見圖2。

圖2 礦區地質圖Fig.2 Regional geological map1.第四系全新統;2.加里東晚期龍頭巖體邊緣相中細粒二云母花崗巖;3.礦體及編號;4.花崗斑巖及產狀;5.地層產狀;6.相變界線;7.淺井及編號;8.槽探及編號;9.勘探剖面線;10.寒武系高灘群;11.加里東晚期龍頭巖體邊緣相細粒白云母花崗巖;12.硅化破碎帶;13.石英脈及產狀;14.地質界線;15.鉆孔及編號;16.洛陽鏟及編號;17.勘探線及編號。

2.2 礦體原巖特征

龍頭花崗巖體主要巖性為細粒的云母花崗巖及中細粒二云母花崗巖,二者呈過渡接觸關系。巖石呈灰白色、灰色、細粒及中細粒花崗巖結構、塊狀構造,主要造巖礦物有石英、微斜長石、中—更斜長石、白云母及黑云母,副礦物有鋯石、磷灰石。石英呈他形粒狀,交代蠶蝕狀,微斜長石呈半自形柱狀,交代殘余狀,被絹云母、白云母交代,雙晶不明顯,少見殘留的格狀雙晶,中—更斜長石呈半自形板狀,聚片雙晶模糊,雙晶紋寬度中等,少見環帶,中心較基性,邊緣較酸性;黑云母少見,多為白云母交代,白云母呈黑云母假象存在。主要造巖礦含量石英30%～35%,微斜長石20%～25%,中—更斜長石35%～40%,白云母(包括黑云母)6%～7%,其他礦物少量。花崗巖巖石化學成分見表1及微量元素含量見表2。

巖石蝕變主要由交代作用形成的面型蝕變,蝕變類型有硅化、鉀長石化、鈉長石化、綠泥石化及白云母化。

表1 龍頭花崗巖與南嶺花崗巖化學成分對比表Table 1 The chemical composition contrast table of Longtou and Nanling granites

表2 龍頭花崗巖微量元素含量對比表Table 2 The trace elements comparison table of Longtou granite

2.3 礦體垂向特征

花崗巖風化成礦具有明顯的垂直分帶特征[2-3],本區花崗巖風化殼的垂直分層特征也非常顯著,其發育完整的垂直剖面從上到下,可劃分為表土層、全風化層、半風化層、弱風化至基巖四層(圖3)。

圖3 風化殼剖面分層示意圖Fig.3 The layered schematic of weathering crust cross-sectional

表土層上部為腐植層,由大量植物根系和粘土、砂質粘土組成;下部為亞粘土層,主要成分為粘土和細小石英粒。全風化層上部為網紋狀風化層,由于沿著巖石原有裂隙風化作用更為強烈,形成網紋狀亞粘土,與上覆表土層呈漸變過渡關系;下部為灰白、乳白色全風化層,原巖結構模糊不清,長石基本完全解體變為粘土礦物,礦物成分有高嶺石、石英、白云母及絹云母,黑云母極少見。全風化巖石質地疏松,易碎,手捏即碎,具滑感,是高嶺土礦體的主要賦礦層位。往下漸變為半風化層,風化程度與上層相比大大降低,呈灰白,淺黃褐色,半疏松狀,手捏較難破碎,具明顯砂感,原巖結構尚清楚,長石晶形保留完好,大部分風化成高嶺石,部分半風化巖石可達高嶺土礦工業指示要求。基巖呈弱風化,基本保留巖石原貌。下部由弱風化漸變為基巖,基本無風化跡象。

2.4 礦體平面分布特征

礦體主要分布在海拔250～350 m之間,南部較高,北西部偏低。沿著呈似層狀的風化殼中、上部分布,平面形態嚴格受風化殼分布形態的控制。形態平面上多呈闊葉狀、似圓狀、橢圓狀,剖面上形態較為簡單,單體呈似層狀隨地形波浪起伏產出。當地形的切割較深時,礦體多呈透鏡狀尖滅。高嶺土礦化均勻,礦體基本連續。礦區內除切割較深的溝谷、沖積殘坡積層及基巖暴露的陡壁無礦外,絕大部分風化殼全為礦體。非礦蓋層較薄,一般0.1～1.5 m,呈小塊零星分布在下山坡及坡腳地帶。礦體下部為半風化層,其分界線即為礦體底板。分界線無明顯變化,只是花崗巖風化程度變弱,呈漸變過渡關系。礦區主要勘探線剖面圖(見圖4)。

圖4 礦區主要勘探線剖面圖(A-A’剖面)Fig.4 The layered schematic of weathering crust cross-sectional(A-A′ profile)1.第四系全新統；2.加里東晚期龍頭巖體邊緣相中細粒二云母花崗巖；3.變質石英砂巖；4.細粒白云母花崗巖；5.礦體及編號；6.地層產狀；7.相變界線；8.寒武系高灘群；9.加里東晚期龍頭巖體邊緣相細粒白云母花崗巖；10.砂質板巖；11.中細粒二云母花崗巖；12.硅化破碎帶；13.地質界線。

3 礦石特征

3.1 礦物學特征

礦石的結構構造已改變了原巖的結構構造而呈砂狀,砂土狀及松散狀構造,局部見高嶺土礦化現象;部分裂隙充填褐黃色粘土、褐鐵礦,使鐵染組成斑染構造。礦石結構有變余花崗巖結構,礦石雖呈松散狀,但大多不破壞原巖結構,仍可見由石英、高嶺土(長石風化而成)白云母等組成的花崗結構、交代結構及交代殘余結構。

取樣送國土資源部南京礦產資源監督檢測中心X衍射檢測,礦物成分含量石英30%～50%,長石18%～35%,水云母10%～25%,高嶺石5%～18%,綠泥—蛭石—蒙脫混層5%,黑云母皆風化呈土狀,暗色礦物極少量。石英呈乳白色,煙灰色,透明—半透明,玻璃光澤,渾圓狀,粒徑2～5 mm。白云母無色,淡藍色,片狀,大小1～5 mm,完全解理,薄片具彈性,部分

白云母具不同程度的高嶺土化,風化作用較強時,高嶺石呈白云母假象。高嶺石白色、黃褐色,土狀,具滑感、易碎,主要由長石風化而成。原礦粒度分析結果,高嶺石細粒主要分布在2～25 μm之間,占總量的61.14%。

3.2 地球化學特征

礦體及礦塊的Al2O3和Fe2O3含量變化特征從表3可看出,礦塊Al2O3含量最低14.38%,最高16.17%,平均15.17%,含量均勻,變化系數僅3.87%;礦塊Fe2O3含量最低0.65%,最高1.51%,平均1.01%,變化系數達32.05%,比Al2O3含量變化大了許多。表4為礦石多元素含量檢測結果,除常見主要成分含量外,對次要元素也作了部分分析,其結果是多數含量甚微,檢出值大都<0.01%,對高嶺土礦的質量基本不構成影響。礦石中TiO2平均含量0.06%,含量低,不大均勻,變化系數47.75%。

從表4、表5可看出原礦的全分析與精礦的全分析,精礦分析SiO2明顯減少14.05%,Al2O3增加3.78%,Fe2O3增加1.11%,TiO2增加0.09%,Na2O增加1.26%,K2O減少1.28%,其他變化不大。

表3 礦體厚度Al2O3及Fe2O3含量變化表Table 3 The Al2O3 and Fe2O3 content variation table of the ore body thickness

3.3 礦石物理學特征

礦石樣品平均小體重值為1.69 g/cm3,大體重中濕體重為1.81 t/m3,干體重為1.68 t/m3;自然白度為61.6°～64.9°,燒成白度為69.8°～71.9°,屬中等偏上;干燥收縮率檢查結果為2.8%,低于一般5%左右的收縮率;可塑性指數為0.29,比一般0.5指數偏小;可塑水值為24.3%,與一般26%左右基本持平。

表4 原礦多元素含量檢驗結果表(%)Table 4 Results table of ore multi-elements content test

表5 精礦多元素含量檢驗結果表(%)Table 5 Results table of concentrate multi-element content test

4 礦床成因分析

4.1 原巖物質條件

高嶺土蝕變前的原巖是影響其質量的先決條件,由于中性—基性原巖中鐵、鈦含量高,形成的高嶺土中鐵、鈦含量仍然很高,決非優質礦,甚至不能成為高嶺土礦[4]。龍頭巖體屬加里東運動后期產物,經歷了相對成熟的巖漿分異演化,形成富硅鋁巖漿,相比早期形成的內潮巖體、藍田埠巖體和上猶巖體,其鐵、鈦含量也相對較低,為形成質量較好的高嶺土礦提供了較好的先天條件。

風化型風化殘積亞型高嶺土礦床是主要由鋁硅酸鹽礦物組成的巖石經長期化學風化作用過程中形成的,較為富含鋁硅酸鹽礦物的龍頭花崗巖經風化形成了小寨背高嶺土礦床。鋁硅酸鹽礦物組成的巖石風化殘積成高嶺土礦床要經過長期地質作用,主要為內生巖漿作用和表生風化成礦作用兩個重要階段。在內生巖漿作用階段,由于強烈的構造運動,致使上地殼前寒武系基底的長英質巖局部熔融,產生花崗質熔融體,在外界條件制約下,源地巖漿分異演化,形成富硅鋁巖漿。待再次構造活動時(即加里東晚期),源地分異演化的巖漿上侵定位于由寒武系地層構成的復式向斜核部薄弱地段,形成了龍頭花崗巖株。在巖漿結晶晚期,熱夜蝕變使巖體產生自交代作用,特別是在巖體邊緣地帶,黑云母普遍白云母化,隨著蝕變作用的強弱差異變化,形成了富硅鋁酸鹽礦物而貧鐵的白云母花崗巖及二云母花崗巖。二者呈漸變關系,為生成高嶺土礦床奠定了物質基礎。在表生風化成礦作用階段,龍頭巖體所處地段段區域上構造活動較為強烈,致使巖體及其上覆地層嚴重破裂,加上其他營力(重力、氣候變化等),從而加速了巖體的物理風化作用。巖體裸露地表后,因地處亞熱帶,氣候溫和潮濕,植被繁茂,對巖石化學風化作用十分有利,容易形成富硅鋁風化殼。礦區地處丘陵地帶,花崗巖風化作用形成的風化殼厚度大于遭受剝蝕的厚度,在漫長的化學風化作用中,Al2O3與Fe2O3等成分相對富集或分散,形成了現今風化殼厚度保存較好的高鋁低鐵高嶺土礦床。

4.2 巖石風化條件

在表生風化成礦作用階段,原巖經風化作用形成富硅鋁風化殼。巖石風化殼風化階段分為早、中、晚期三個風化階段。早期風化階段巖石中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等離子部分逐漸被水溶液中的H+置換,從礦物晶格中離解出來,大部分隨水遷出風化產地,而難溶解礦物中Ca、Mg等流失少,則相對富集,成為早期富Ca階段。中期階段原巖中的鋁硅酸鹽在濕熱條件下經風化成為粘土礦物,屬次生鋁硅酸鹽,如高嶺石等,不易流失,就地殘積。花崗巖風化殼高嶺土礦床即為中期風化富硅鋁階段的產物。晚期在濕熱條件下高嶺石繼續風化,SiO2不斷游離出來,使高嶺土脫硅成為富鋁階段。本礦區地處濕熱氣候地帶,花崗巖風化作用較為強烈,正處于中期富硅鋁風化階段,為形成風化殼殘積型高嶺土礦床提供了有利條件。

風化殼化學成分同原巖相比,Na2O含量明顯降低,其次是CaO、MgO,K2O呈增高趨勢;Al2O3含量有所增加,而Fe2O3含量出現波動,表明Fe2O3成分在風化殼中呈不穩定狀態。Al2O3含量平均15.22%,比基巖13.65%增加1.57%,變化系數小,平均4.76%,屬均勻變化類型。Al2O3含量頻率分布曲線(圖5)呈較為標準的正態分布形式,表明Al2O3的含量變化趨向于受一個主導因素控制。事實上,Al2O3屬穩定成分,它的增加是以其它成分如Na2O等減少而成的,因此,這個主導因素就是花崗巖的風化地質作用,其它成分減少越多,Al2O3就增加越多。Fe2O3含量平均1.04%,比基巖0.67%有所增加。變化系數平均34.11%,比Al2O3大了許多,屬比較均勻變化類型。Fe2O3含量頻率曲線(圖6)呈多峰分布形式,但整體基本對稱為一個大的高峰,表明Fe2O3在巖石風化過程中除一個大的主導因素即風化作用控制外,還存在一些小的控制因素。這些小的控制因素可能包括Fe的氧化還原作用,次生礦物的分散與聚集作用及風化殼剝離侵蝕作用等。

圖5 Al2O3含量頻率分布圖Fig.5 The frequency distribution of Al2O3 content

龍頭巖體所處地段區域上構造活動較為強烈,致使巖體及其上覆地層嚴重破裂,加上其它營力(重力、氣候變化等)作用,從而加速了巖體的物理風化作用。酸性介質條件有利于長石、云母類礦物水解形成風化殘積型高嶺土礦床,影響水介質性質及其對原巖蝕變強度的因素除原巖成分、構造條件、地貌特征等外,氣候和植被也是成礦的重要影響因素。礦區處亞熱帶季風區,氣候溫濕,雨量充足,植被發育,有機酸作用強烈,對巖石化學風化作用十分有利,使鋁硅酸鹽巖礦物更容易向高嶺石方向水解蝕變,并通過淋慮作用帶走有害元素。

4.3 構造成礦條件

本區經歷過多次構造運動和長期的發展演化歷程,各種類型的構造運動發生、發展、繼承、改造復合等復雜多變,對成巖成礦的制約也相對復雜。區域內復雜的構造,也是成礦的主要因素之一。斷裂及褶皺構造對巖漿侵入具有明顯的控制作用,早期的構造運動形成的斷裂為巖漿侵位提供了上升通道和成巖空間,區內出露的加里東晚期藍田埠、歐田、龍頭巖體的空間侵位嚴格地受基底褶皺和區域性大斷裂的聯合控制。后期的構造運動使已侵位的原巖破碎,這屬于物理風化作用。并且,大量的斷裂構造為地下水的流動提供了很好的條件,利于水介質對巖石進行充分的淋洗,去除有害組分,從而加速成礦作用;斷裂構造還使風化成礦作用向花崗巖深部發展,形成更大的礦體。

圖6 Fe2O3含量頻率分布圖Fig.6 The frequency distribution of Fe2O3 content

5 找礦標志

形成風化殘積型砂質高嶺土礦床的花崗巖富含長石,少含暗色礦物,主要巖性為白云母花崗巖,次為二云母花崗巖,此類花崗巖多呈巖株、巖瘤或巖枝巖脈產出,其化學成分中含有較低的鐵、鈦含量,也是形成質量較好高嶺土礦的先決條件。所以,加強對此類花崗巖體的勘查工作,對于尋找高質量高嶺土礦大有裨益。

花崗巖風化殼的形成嚴格受到外生作用的制約,溫濕、熱濕氣候,雨量充沛,植被發育,土壤呈酸性,有利于風化殼的形成。地貌條件主要制約風化殼的保存與剝蝕,一般在山頂、山脊及緩坡地段風化殼相對保存完好,大都有工業礦體存在。另外,風化殼含鐵質少,含白云母少,高嶺土呈灰白色、淡黃色等色調時,往往是優質高嶺土的重要找礦標志。

6 結論

(1) 小寨背高嶺土礦原巖為龍頭巖體邊緣相,為細粒似斑狀黑云母二次花崗巖。其高硅富鋁、低鐵鈦的地球化學性質,成為形成優質高嶺土的天然條件。

(2) 本區處于亞熱帶季風氣候區,溫濕的氣候條件,繁茂的植被,為巖石的化學風化作用提供了有利的條件。

(3) 本區內復雜密集的斷裂等地質構造,為成巖成礦提供了良好的通道和空間;后期的斷裂使巖體碎裂,發生物理風化,加快了巖石的化學風化作用;深大斷裂使巖石的風化作用進入礦體深部,形成更大礦體。

(4) 加強山頂、山脊及緩坡等地段對富含長石、少暗色礦物的白云母花崗巖的勘查工作,對于尋找高質量高嶺土礦有重要意義。

[1] 黎彤,袁懷雨,吳勝昔,等.中國花崗巖類的大地構造巖石化學區劃[J].大地構造與成礦學,2000,24(3):202-207.

[2] 王念功.試論花崗巖類風化殘余型高嶺土礦與地貌之間的內在聯系[J].非金屬礦,1987(6):1-4.

[3] 張天樂,王宗良.龍巖高嶺土礦床地質特征及成礦作用[J].地球學報,1996,17(3):292-301.

[4] 王發寧,周耀華,虞長富.江西高嶺土礦床及成礦地質條件[J].中國地質,1986(1):18-20.