紅土型鎳礦成因分析

白石磊

（中冶集團武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080）

紅土型鎳礦床是一種典型的風化-淋濾-沉積礦床，由含有鎳的超基性巖風化而來，產出于風化殼內，其形態主要受地表形態特征控制，主要分布于環太平洋亞熱帶－熱帶海洋氣候的多雨地區。筆者有幸參與了巴布亞新幾內亞瑞木紅土型鎳鈷礦的勘查項目，現以此為例，對紅土型鎳礦床的成因進行分析，以期為后期探尋紅土型鎳礦床提供有利的理論依據。

1 礦區地質背景

礦區地形屬于熱帶雨林中山地區，地貌屬于高地平臺，呈北東-南西走向，由一組北東向正斷層切割而形成。走向上呈寬帶狀展布，橫向上呈階梯狀。其基底主要由超基性巖-純橄欖巖構成，由于巖性較單一，風化差異小，故地形在同一高地平臺上起伏不大，相對高差較小，以寬緩山脊和U形谷為特征。地表主要出露為風化殼，主要由純橄欖巖風化剝蝕而成，由地表向下風化程度降低，地形平坦區域風化殼較厚且生長有高大樹木，地形陡峭區域風化殼較薄且地表多為雜草。表層基本被植被覆蓋，植被覆蓋率接近100%。

1.1 地層

礦區地層出露較為簡單。在礦區北部，出露有更新世和全新世的河流沖積物，在Ramu河兩岸分布有全新世的河流沖積物，其余均為紅土型風化殼，由純橄欖巖風化形成。紅土型風化殼垂向分帶明顯，根據風化程度及特征，沿用礦山以往工作的定名自上而下依次劃分為：腐殖層（Q）、紅色褐鐵礦層（O）、黃色褐鐵礦層（L）、殘積層（S）、上含礫殘積層（R1）和下含礫殘積層（R2）[1]。

1.2 構造[2]

區內構造主要為一系列的北西向斷裂帶，其中Ramu-Markham和Bundi斷裂帶間分布了Marum基性—超基性巖帶。礦區含礦層分布在Marum基巖帶上的純橄欖巖之上。該套超基性巖分布在一系列的高地平臺上，形成了由斷層包圍的地壘地貌。北西走向的Bundi斷裂帶截斷Marum基巖帶，礦區北東方向基巖帶與北西向的Ramu-Markham斷層帶鄰接。Ramu地區高地平臺與該斷層平行發育。礦區內部分地區可見小型構造，具有呈舒緩波狀的光滑結構面，結構面上有明顯擦痕，可觀察到礫石間的殘積層物質受到擠壓、揉搓的現象以及純橄欖巖礫石和殘積層物質間發生錯動的現象。含礦層中卻無明顯的構造發育跡象。

1.3 巖漿巖

區內巖漿巖為純橄欖巖，呈巖基產出，巖石中節理較發育，抗風化能力弱，利于發育風化殼，從而形成了本區風化殼型礦床。巖石呈灰綠色、黃綠色。中粗粒結構、等粒、它形結構，塊狀構造。礦物主要為橄欖石，含量90%～98%，呈黃綠色半自形晶長柱狀、短柱狀。次要為蛇紋石、滑石、鉻鐵礦等，含量2%～10%，蛇紋石呈纖維狀、微粒狀產于裂隙中；滑石呈片狀、纖維狀集合體，分布在橄欖石邊緣、粒間和裂隙中；鉻鐵礦呈自形粒狀或不規則狀集合體分布于橄欖石粒間。

2 賦礦層位特征

紅土型鎳礦主要賦存于第四系風化殼中，主要受地形起伏控制。礦體上部覆蓋層主要為腐殖層（Q），下部底板主要為基巖（B），中間含礦層位在剖面上自上而下可分為：紅色褐鐵礦層（O）、黃色褐鐵礦層（L）、殘積層（S）、上含礫殘積層（R1）、下含礫殘積層（R2）：

紅色褐鐵礦層（O）：棕紅色、褐紅色，松散狀，膠狀結構，土狀，塊狀構造，主要成分為粘土、針鐵礦、鉻鐵礦等礦物。

黃色褐鐵礦層（L）：灰黃色、棕黃色、棕色，膠狀結構，土狀、塊狀構造，局部偶見少量原巖風化殘余構造。主要成分為粘土、針鐵礦，以及滑石、玉髓、鉻鐵礦及巖屑等。

殘積層（S）：淺灰綠色、棕色、雜色，碎裂結構，松散結構，土狀、塊狀構造，殘余構造，微紋層狀構造。該層由碎斑和碎基兩部分組成。碎斑含量為15%～25%，主要成分為純橄欖巖碎屑，次為蝕變的蛇紋石、玉髓等。碎基含量為75%～85%，主要成分為粘土、褐鐵礦以及少量的針鐵礦、鉻鐵礦、滑石、錳土礦等。

上含礫殘積層（R1）：淺黃色、淺棕色，碎裂結構，角礫狀構造，土狀、塊狀構造。本層由角礫和殘積土兩部分組成。角礫主要由純橄欖巖組成，呈棱角狀、次棱角狀、渾圓狀等，粒徑2mm～50mm，礫石含量5%～30%，礫石分布不均。殘積土為碎斑狀結構、風化殘余結構，土狀、塊狀構造，微紋層狀，成分為純橄欖巖碎屑、蛇紋石、針鐵礦等。

下含礫殘積層（R2）：灰綠色、淺灰綠色，局部見淺棕色的鐵染礦物。粒狀結構、風化殘余結構、角礫狀、土狀、塊狀構造。由角礫和殘積土組成，角礫含量大于30%，最高可達70%，礫徑大小懸殊，礫徑為2mm～200mm，角礫成分為純橄欖巖，呈棱角狀、次棱角狀、渾圓狀等，其主要礦物為橄欖石，橄欖石呈自形或它形。殘積土成分為純橄欖巖碎屑、滑石、蛇紋石、鉻鐵礦、針鐵礦等。

3 礦床成因分析

3.1 成礦源巖分析

紅土型鎳礦床由含有鎳的超基性巖風化而來，鎳主要以類質同像混入物的形式存在于硅酸鹽中。本礦區所在的Marum基性—超基性巖帶，是以純橄欖巖為主，其主要礦物為橄欖石，鎳是以類質同像混入物的形式代替鎂存在于橄欖石晶格中，因此，純橄欖巖為鎳礦的形成提供了物質來源，是鎳礦的成礦源巖。

3.2 成礦條件分析

氣候：礦區位于熱帶雨林地區，白天溫度較高，夜晚溫度較低，晝夜溫差較大，雨量較為充沛，充足的水分為成礦源巖的風化提供了良好的化學風化條件；地表植被發育，生物活躍，確保了生物風化作用的正常進行。

構造：從開采區以及鉆探巖芯中經常可見小型構造，結構面上可見有明顯擦痕，礫石間的殘積層物質受到擠壓、揉搓的現象普遍存在，以及可見純橄欖巖礫石和殘積層物質間發生錯動的現象。構造運動為巖石物理風化提供了外部營力。

地形地貌：礦區地形起伏不平，山頂普遍存在較大高位平臺，僅在山溝處地形陡峭且較為狹窄，地形地貌條件可以確保一方面流水將已經風化的易溶物質帶走，使風化過程中的化學平衡始終向著積極的方向進行，另一方面水流的緩慢流動也可以使大量的風化產物殘留在原地，形成厚大的風化殼。

水文地質：地下水分為滲透帶、流動帶和停滯水帶。在滲透帶內水分主要來自于大氣降水，含有豐富的氧氣、二氧化碳、有機酸、細菌等成分，對原巖起到了最為強烈的風化作用；在流動帶內，水中氧氣、二氧化碳、有機酸、細菌等成分含量隨深度逐漸降低，含鹽度增加，隨著水分在流動帶內緩慢的流動，實現了風化產物的集中與沉淀和各種元素的流失與富集；在停滯水帶中，地下水基本處于停滯狀態，與原巖之間保持平衡狀態，對原巖的風化作用最小。因此水文地質條件決定了紅土型鎳礦床含礦層位的垂直分帶性分布。

時效條件：自始新世以來，區域上無新的構造活動，區內亦無新的構造活動，即紅土型風化殼的形成過程是在一個長期、穩定的地質環境中進行的，保證了風化作用向著形成厚大風化殼的方向進行，也為鎳元素的富集提供了長期、穩定的背景條件。

3.3 成礦作用分析

（1）物理風化作用：礦區內白天溫度高，夜晚溫度低，晝夜溫差較大，而不同礦物具有不同的膨脹系數，因此熱脹冷縮現象可以使巖石發生物理破碎；地表植物發育，生物活躍，植物根系延伸至巖石裂隙內可加速巖石的破碎速度，生物活動也會對巖石造成物理破壞作用；成礦前的構造運動，使巖體發生破碎，在局部會產生較多的裂隙，不僅直接對巖石造成了破壞作用，也為地下水的滲透與元素的遷移提供了良好的通道，間接的提高了化學風化作用效率，成礦后區內并未發現明顯的構造運動，各種風化條件得以持續地、穩定地進行，為礦床的保存提供了必要條件。

（2）化學風化作用：地表腐殖層含有較多的植被腐爛產生的有機酸，降雨后天然水自腐殖層向下滲透，形成了一種含有一定數量氧、二氧化碳、有機酸等成分的混合化學溶液，可以使水具有氧化性、酸性等化學性質。在與純橄欖巖（鐵鎂硅酸鹽）接觸過程中，發生化學反應，主要分為兩個方面[5]：

①與原巖發生化學反應，蝕變、風化原巖，形成新礦物，如蛇紋石、滑石、針鐵礦等，為形成風化殼提供主要風化營力，尤其是適當程度的蛇紋石化亦有利于后期鎳元素的富集[3]：

通過以上化學反應，使原巖逐步風化形成風化殼，為鎳元素的保留提供了物質載體。

②使礦物中的Fe2+被氧化為Fe3+溶解到水溶液中，使硅酸鹽被氧化形成原硅酸膠體，可以隨水溶液運移：2FeSiO4（橄欖石）+O2+4H2O→2Fe2O3+2H2SiO4（原硅酸）。

在硅酸鹽分解的同時，鎳從原生礦物晶格中解脫出來，呈離子狀態進入水溶液，或被風化形成的粘土礦物和針鐵礦所吸附，從膠體中直接沉淀下來，或以鎳離子的方式替代鎂離子，以類質同像混入物的方式進入風化過程中生成的蛇紋石中，以硅酸鹽的形式存在，鎳具有相對較小的溶解度[4]，更容易以硅酸鹽形式沉淀，進而在風化殼中逐漸富集成礦。

（3）生物風化作用：生物活動不僅可以對巖石、礦物產生物理破壞作用，也可以產生化學風化作用。熱帶雨林內生物活動較多，在巖石表面，自身產生的有機酸或者死亡后產生的腐殖酸，都可以對巖石造成化學風化作用，另外其向外界排放的氧氣、二氧化碳等氣體，也可以融入到降水中，加強自然水的化學特性，加快水的化學風化作用。

4 結論

紅土型鎳礦床是由含鎳的超基性巖風化形成，在熱帶雨林氣候下，受前期的構造運動和后期的生物作用影響，發生物理風化作用導致巖石或礦物破碎，然后在具有化學特性的自然水作用下，使礦物發生化學風化，在風化過程中，鎳以離子形式析出，或被粘土礦物和針鐵礦吸附，或以類質同像混入物方式置換掉鎂離子以硅酸鹽的方式存在。在山頂的高位平臺處，地下水流動較為平緩，有利于鎳的富集，而同時受水文地質條件的影響，風化殼具有垂直分帶性，各帶中地下水化學特性有所區別，進而影響到各含礦層的礦物組成以及鎳的賦存形式，形成了具有垂直分帶性的紅土型鎳礦床。