河南伊川石佛寺鋁土礦地質特征及控礦因素

吳 煜，夏 炎，王振強，豆靖濤，薛志強，李新萍

1.河南省地質礦產勘查開發局 第一地質礦產調查院，河南洛陽 471000；2.河南省金銀多金屬成礦系列與深部預測重點實驗室，河南 洛陽 471000；3.自然資源部貴金屬分析與勘查技術重點實驗室，河南洛陽 471000；4.河南省自然資源監測院，河南 鄭州 450000

0 引言

鋁土礦是河南省的優勢礦產之一，居全國第二位，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.區內已探明的大、中型鋁土礦床繁多，主要分布在以下6個成礦帶：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－寶豐成礦帶.前人對豫西地區鋁土礦床的地質特征、含鋁巖系、礦物組成、物質來源、控礦因素、礦床類型、成礦時代、礦床成因及成礦富集規律等方面進行了詳細的地質調查研究［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，位于河南省洛陽市伊川縣呂店鄉（圖1），地理坐標為東經112°33′23″—112°36′07″，北緯34°26′10″—34°28′56″，為近年來在豫西地區新發現的中型鋁土礦床，前人尚未對其進行深入研究.本研究在總結以往地質資料基礎上，分別從地層、構造、含鋁巖系、礦體特征、礦石結構構造等方面分析伊川石佛寺鋁土礦的地質特征、控礦因素及礦床成因，為今后礦床的開采利用及該區鋁土礦找礦突破提供依據，亦為進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域地質簡圖Fig.1 Regional geological sketch map of Shifosi bauxite deposit in Yichuan County，Henan Province

1 區域地質背景

礦區大地構造位置處于華北陸塊南緣，澠池－確山陷褶斷束與嵩箕臺隆的接合部位，位于區域性近東西向的嵩山背斜和穎陽-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）.區域地層由基底和蓋層兩部分組成，具典型的雙層結構，基底部分由太古宇登封群中深變質巖組成.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］.區域上巖漿活動不強烈，區域斷裂構造較發育，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.礦區位于河南省嵩箕鋁土礦成礦區龍門-鞏義鋁土礦成礦帶的西端，為河南省鋁土礦的集中分布區.區域上已經發現的礦產以鋁土礦、耐火黏土、煤礦為主.

2 礦區地質

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

圖2 石佛寺鋁土礦區地質簡圖Fig.2 Geological sketch map of Shifosi bauxite orefield

表1 石佛寺鋁土礦區地層簡表Table 1 Stratigraphy of Shifosi bauxite orefield

本區含鋁巖系為上石炭統本溪組，是一套含鐵鋁質建造，由鋁土礦和含鐵黏土巖、山西式鐵礦組成.巖層產狀（225～235°）∠（17～25°），與下伏寒武系上統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，豆鮞狀結構，塊狀或條紋狀構造.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、黏土質頁巖.鋁土礦呈灰色，豆鮞狀、碎屑狀結構，塊狀構造.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，下部為灰泥灰巖、灰黑色炭質泥巖、煤層，該段底部一1煤段為主要煤層，不穩定；中部為泥巖、砂質泥巖夾薄層粉砂巖，含團塊狀菱鐵礦；上部為含燧石團塊生物碎屑灰巖夾灰色砂巖.太原組在本區厚度10.6～22 m，生物碎屑灰巖為該組的標志型層位，與下伏本溪組整合接觸.

3 礦床地質

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，片狀結構，塊狀構造.光澤較明亮，主要成分為亮煤，夾炭質泥巖，煤層上部為太原組生物碎屑灰巖，隱晶結構，塊狀構造，巖石較穩固.礦體直接底板為高鐵鋁質黏土巖，厚1.40～2.50 m，呈灰黑色，致密塊狀構造.黏土巖層理發育，表面光滑細膩.基底為寒武系崮山組白云巖，其風化殼上保存有風化殘積的角礫組成的含黃鐵礦角礫巖，可與整個豫西范圍內的鋁土礦床進行對比.

礦區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（圖3）.

圖3 石佛寺鋁土礦區第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，在區域剖面上明顯可劃分為3個巖性段，在整個華北范圍內可以對比，本礦區上部的碳質黏土巖不發育，鉆孔見到的本溪組上部為鋁土礦，下部為鋁、鐵質黏土巖，為山西式鐵礦（硫鐵礦）賦存層位.

在礦區西北方向袁莊一帶地表可見到鋁土礦礦體露頭，礦體賦存于F3斷層上盤含鋁巖系地層內，埋深多在225 m以下.礦區內依據鉆探施工共圈定1個鋁土礦體和1個二1煤礦體.礦體剖面上呈似層狀，產狀（225～235°）∠（17～25°）.礦體走向長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、鮞狀結構為主（圖4a、b）.礦石構造主要為塊狀、致密塊狀和定向構造，少量為薄層理構造.

碎屑狀結構由碎屑和膠結物兩部分組成.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、長條狀、多角狀，磨圓及分選較差，礫屑、砂屑、粉屑常混雜在一起，具定向排列.膠結物占50%～70%，由一水硬鋁石、水云母、高嶺石組成（圖4c）.

豆、鮞狀結構由豆、鮞和膠結物兩部分組成.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構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、黃褐及無色.由于含Mn3+、Fe3+，可見多色性，呈紅褐、淺褐色，色深者比色淺者突起高.通常呈片狀、鱗片狀或隱晶質及膠態豆狀、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，二軸晶正光性，光軸角75°左右.

石佛寺鋁土礦石主要化學成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3和TiO2，共占總成分的95%以上（表2）.Al2O3與SiO2互為消長，呈負相關關系，TiO2較穩定.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不穩定，有較明顯的變化.其他成分均較穩定，有相似的變化規律.鋁土礦中各次要成分的組成總體有較一致的變化規律.

表2 石佛寺礦區鋁土礦石化學成分統計表Table 2 Chemical compositions of ore from Shifosi bauxite deposit

通過樣品組合分析，本區伴生有益組分含量Ga元素一般在0.0027%～0.0043%之間（Ga伴生礦石工業指標品位下限值0.002%），達到伴生礦產工業指標要求，其他元素均未達伴生有益組分礦產工業指標要求（見表3）.根據組合分析結果，鉆孔中鋁土礦體的輕稀土元素（TRE2O3）未達到淋漓型鋁土礦工業指標要求.

表3 石佛寺礦區鋁土礦伴生主要元素分析結果表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.按礦石的結構劃分，主要為豆鮞狀鋁土礦、碎屑鋁土礦及其混合類型.礦石工業類型，按雜質Fe2O3含量劃分，主要為中鐵型鋁土礦.礦區組合分析硫含量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隆之間的宜陽-登密拗陷內.在寒武紀—奧陶紀早期，區域上沉積了巨厚層的碳酸鹽巖；到奧陶紀末期，受加里東運動的影響，整個華北地區隆升為陸地［18］.寒武系和奧陶系碳酸鹽巖廣泛裸露，接受風化剝蝕達140 Ma之久，致使奧陶系、志留系、泥盆系和下石炭統地層缺失，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境、古構造等多種因素作用下，經歷強烈的物理、化學風化作用，含量較少的鐵、鋁質充分富集，形成了廣泛的紅土、鈣紅土風化殼，為本區鋁土礦的形成提供了豐富的物質基礎.而在準平原化過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，地殼開始緩慢下降，海水由東北方向入侵本區，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，廣大地區包括石佛寺、袁莊鋁土礦區均被海水淹沒，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在河流、潮汐等的作用下經短距離搬運形成碎屑狀、豆鮞狀鋁土礦，搬運至洼地、溶斗、溶蝕盆地等古地形處沉積成礦.隨著海水的繼續入侵，沉積環境發生了較大變化，在本溪組后，鋁土礦之上連續沉積了太原組、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作用下逐步脫水成巖.成礦后，由于造山運動地殼上升，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化侵蝕面上的上石炭統本溪組地層內，含礦建造為穩定的古陸殼區的鋁土鐵質建造，區域上古構造運動控制著本區主要隆起區和拗陷區的分布，隆起區為拗陷區提供了豐富的鋁質、鐵質、黏土質來源，拗陷區是含鋁巖系、含鐵巖系的主要沉積富集區和保護場所［21］.石佛寺鋁土礦礦體的形成主要受地層、古構造、巖相古地理、古氣候及風化作用等4個因素的控制.

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關系，本溪組地層對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鋁土礦形成的基礎.上石炭統本溪組含鋁巖系地層直接不整合于寒武系碳酸鹽巖古風化殼之上，鋁土礦的空間定位、礦體形態、礦石結構以及礦物成分等都與下伏的寒武系古風化殼密切相關.因此，寒武系碳酸鹽巖地層作為石佛寺礦區含鋁巖系的底板巖石，其風化剝蝕產物可能是鋁土礦的主要成礦物質來源.

2）古構造的控制作用：區域上古構造運動控制著本區主要隆起區和拗陷區的分布.這些隆起和拗陷又控制了鋁土礦的形成和分布，即隆起區為拗陷區提供豐富的鋁質來源，拗陷區是含鋁巖系和鋁土礦的主要沉積富集區和保存場所.區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、產狀、規模，是鋁土礦的二級控礦單元［18］.古斷裂構造是控制鋁土礦發育的構造因素之一，主要表現在古斷裂控制著古巖溶的發育，而古巖溶又控制著凹斗狀鋁土礦的發育和分布.

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

石佛寺鋁土礦區含鋁巖系為一套以鋁質、鐵質、黏土質為主的碎屑巖，下部為鐵質黏土巖，上部為鋁土礦礦層，主要由鋁土礦組成，局部夾少量黏土礦、黏土質頁巖.黏土巖頁理不甚發育，表明是在水動力較弱的環境下形成的.而本區鋁土礦多為豆鮞狀、碎屑狀結構，層理不明顯，說明鋁土礦亦是在低能環境、微弱動蕩的水動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外邊緣，形成于濱海－潟湖－沼澤相區的近島水下扇亞相（圖5）.

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

4）古氣候及風化作用：古氣候條件對鋁土礦形成有明顯的控制作用，國內外絕大多數鋁土礦基本都分布在緯度小于30°的低緯度區域.晚石炭世鋁土礦的形成與當時的氣候有著密切的關系.據古地磁資料顯示，豫西地區在古生代處于北緯12.9～27.6°的中低緯度區，屬熱—亞熱帶，氣候潮濕、炎熱且雨水充足，有利于硅酸鹽巖風化以及成礦物質的搬運［21］.

風化作用條件表現在中奧陶世華北地臺上升為陸地，潮濕炎熱的氣候促進了植物的生長，風化作用尤其是化學風化作用強烈，嵩山古陸上的硅酸鹽類經強烈的物理、化學風化形成高嶺石、蒙脫石、水云母等礦物.這些礦物在濕熱條件下進一步風化，尤其是在有機酸、碳酸的作用下，鋁質礦物進一步富集，為中石炭統及鋁土礦的形成奠定了基礎［22］.

5 結論

通過對河南省伊川縣石佛寺鋁土礦野外地質調查（地質填圖、鉆探工程）、巖石學、巖相學及地球化學的系統研究，分析了該礦床的地質特征、控礦因素及礦床成因，可得出如下結論.

1）石佛寺鋁土礦含礦巖系為上石炭統本溪組上部，鋁土礦呈層狀產于上寒武統崮山組碳酸鹽巖古侵蝕面之上，與上覆上石炭統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.礦石工業類型，按雜質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、古構造、巖相古地理環境、古氣候及風化作用等多種因素的控制，礦床成因類型為古風化殼沉積型鋁土礦.