河南省鞏義鋁土礦地球化學(xué)特征分析

楊 武，梁小山，胡 盛，楊持恒

河南省資源環(huán)境調(diào)查四院有限公司，河南鄭州450000

1 研究背景

中國鋁土礦資源比較豐富，但儲量分布相對集中.其中華北陸塊和揚(yáng)子陸塊是鋁土礦成礦地質(zhì)條件最好的，也是鋁土礦資源最豐富的地區(qū).山西、廣西、貴州和河南4 省區(qū)鋁土礦資源量和礦區(qū)數(shù)均位居全國前列，4 省區(qū)鋁土礦保有資源量合計(jì)超過全國保有資源量的90%.其中，山西約占37%，是中國第一鋁土礦資源大省，廣西、貴州和河南分別以20%、18%和17%位居第二、第三和第四位［1］.

華北陸塊是我國鋁土礦產(chǎn)出的重要構(gòu)造單元.含礦巖系層序組成嚴(yán)格受喀斯特地形控制［2-6］，以古風(fēng)化殼沉積型礦床為主.礦石以一水硬鋁石為主，中低鋁硅比.探明資源儲量約占全國鋁土礦資源儲量的78%［7-8］.豫西是我國鋁土礦資源的重要基地，其中鞏義地區(qū)是河南省鋁土礦發(fā)現(xiàn)最早的地區(qū)，也是豫西鋁土礦成礦帶的重要組成部分［9］.

由于鋁土礦是化學(xué)風(fēng)化作用的終極產(chǎn)物，其形成主要受化學(xué)風(fēng)化作用控制，與強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用密切相關(guān)［10-11］.鋁土礦的形成過程是化學(xué)風(fēng)化造成堿土與堿金屬元素如K、Na、Ca、Mg 等大量流失，穩(wěn)定的元素如Al、Ti 等殘留的過程［12］.

本文依托“河南省鞏義市涉村鋁（黏）土礦中深部普查”項(xiàng)目（河南省國土資源廳在全省范圍內(nèi)布署實(shí)施的煤下鋁（黏）土礦的整裝勘查項(xiàng)目之一），在河南鞏義地區(qū)鋁土礦調(diào)查工作基礎(chǔ)上，分析鋁土礦的地球化學(xué)特征，研究該區(qū)域的成礦背景和地球化學(xué)組成之間的關(guān)系，以期為該區(qū)域鋁土礦勘查及開采提供有用的信息.

2 地質(zhì)背景

2.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

河南省鋁土礦成礦區(qū)，大地構(gòu)造上位于中朝準(zhǔn)地臺的西南緣，二級構(gòu)造單元為嵩箕中臺隆和澠池-確山陷褶斷束，地層區(qū)劃屬華北沉積區(qū)豫西分區(qū)的嵩箕小區(qū)和新澠小區(qū).

研究區(qū)所屬龍門-鞏義礦帶，劃屬華北地層區(qū)豫西地層分區(qū)嵩箕地層小區(qū).出露的主要地層有下古生界奧陶系，上古生界石炭系、二疊系和第四系.構(gòu)造以斷裂為主，主要構(gòu)造有五指嶺正斷層（F1）、嵩山斷裂（F3）（圖1）.

2.2 礦床地質(zhì)特征

研究區(qū)礦體賦存于上古生界石炭系上統(tǒng)本溪組（C2b）.本溪組具3 層結(jié)構(gòu)：上部為灰、灰黑色黏土質(zhì)頁巖，局部含黏土礦；中部為灰黑色、灰及深灰色一水硬鋁土礦，礦石結(jié)構(gòu)主要有豆鮞狀、碎屑狀、致密狀、致密狀及它們之間的過度混合型結(jié)構(gòu)，礦石構(gòu)造有致密塊狀、層紋狀及蜂窩狀構(gòu)造；下部為灰黑色硫鐵礦，致密結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，常有黃鐵礦富集.研究區(qū)鋁土礦主要賦存于本溪組中部.礦體形態(tài)大體可分為似層狀、漏斗狀以及兩者的復(fù)合形態(tài).從空間上看，礦體的總體形態(tài)應(yīng)是在厚度一至數(shù)米的似層狀礦體背景上，不等距地嵌布著大厚度的漏斗狀礦體的復(fù)合形態(tài).依據(jù)施工的120 個鉆孔統(tǒng)計(jì)，本溪組厚2.98～92.36 m，平均厚度13.36 m.研究共發(fā)現(xiàn)23 個鋁土礦礦體，其中主礦體3 個，分別為K1、K2、K3 礦體，為一超大型鋁土礦礦床.

2.3 鋁土礦的礦石特征

依據(jù)形成環(huán)境和表生富集作用，研究區(qū)鋁土礦的礦石類型主要可分為致密狀鋁土礦、豆鮞狀鋁土礦、碎屑狀鋁土礦和蜂窩狀鋁土礦，以及其過度類型.

礦石礦物成分主要為一水硬鋁石（含量45%～95%），其次為高嶺石、伊利石等（含量4%～25%），含少量菱鐵礦、黃鐵礦、方解石、白云石等，微量礦物有鋯石、磷灰石等.

礦石結(jié)構(gòu)主要為豆鮞狀結(jié)構(gòu)、碎屑結(jié)構(gòu)、致密狀結(jié)構(gòu)及它們之間的過渡型結(jié)構(gòu).礦石構(gòu)造主要為致密塊狀構(gòu)造、層紋狀構(gòu)造、蜂窩狀構(gòu)造.

3 地球化學(xué)特征

3.1 礦石的化學(xué)成分

河南省鞏義市涉村鋁（黏）土礦中深部普查項(xiàng)目共計(jì)施工120 個鉆孔，其中71 個鉆孔見礦.采集基本分析樣品1 385 件，分析項(xiàng)目包含：Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、燒失量和S 共6 項(xiàng).取組合樣21 件，分析項(xiàng)目包含Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3等.

1）主要成分：通過對研究區(qū)71 個見礦鉆孔基本分析樣的統(tǒng)計(jì)和分析，鋁土礦礦石的主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S，共占總成分的83.42%.礦石主要化學(xué)成分中，Al2O340.46%～77.59%，平均60.68%；SiO21.00%～29.54%，平均14.07%；Fe2O30.39%～21.75%，平均3.66%；TiO20.96%～5.34%，平均3.06%；S 0.02%～15.53%，平均1.95%；鋁硅比值（A/S）1.8～65.1，平均4.3.

2）次要成分：通過對21 個組合分析樣的統(tǒng)計(jì)和分析，鋁土礦礦石的次要化學(xué)成分為CaO 0.17%～10.27%，平均1.41%；MgO 0.10%～1.05%，平均0.51%；K2O 0.41%～5.07%，平均2.18%；Na2O 0.03%～0.20%，平均0.11%（表1）.

表1 鋁土礦化學(xué)成分含量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of chemical composition contents of bauxite

3.2 礦石化學(xué)特征及地質(zhì)意義

鋁土礦的主要化學(xué)成分由Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S 等組成，含量占鋁土礦總含量的83.42%.其中Al2O3反映了一水硬鋁石的賦存狀態(tài)，SiO2反映了高嶺石、伊利石的賦存狀態(tài)，F(xiàn)e2O3與S 反映了菱鐵礦、黃鐵礦的賦存狀態(tài).研究區(qū)鋁土礦主要化學(xué)成分Al2O3、SiO2、TiO2分布相對穩(wěn)定，有害組分Fe2O3和S 分布不均勻.

從表1 可以看出，Al2O3含量較高，SiO2含量較低，且鋁硅比值（A/S）變化較大，表明鋁土礦是風(fēng)化作用的最終產(chǎn)物，風(fēng)化淋濾過程中堿金屬和堿土金屬幾乎被徹底流失，SiO2也被部分淋濾流失.這些特征反映該鋁土礦是比較典型的膠體化學(xué)沉積礦床，在濱海-潟湖環(huán)境下，由于pH、Eh值變化，風(fēng)化物中的鋁質(zhì)沉積于奧陶系或寒武系的風(fēng)化剝蝕巖溶凹地面上，形成鋁土礦沉積礦床［13-15］.

4 礦體礦化特征

4.1 礦體的厚度、品位與含礦巖系厚度的關(guān)系

通過對研究區(qū)71 個見礦鉆孔的數(shù)據(jù)分析，單工程礦體鉛直厚度0.32～57.8 m，單工程礦體Al2O3含量最低42.58%，最高71.89%；單工程礦體鋁硅比值（A/S）最低1.8，最高20.7.礦體厚度是衡量鋁土礦礦床規(guī)模的一個重要參數(shù).該鋁土礦礦體厚度與含礦巖系厚度、Al2O3含量、A/S 值均呈較明顯正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.47、0.63，相關(guān)性中度；與SiO2含量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.53，相關(guān)性中度.說明礦體厚度越厚，Al2O3含量、A/S 值越大，SiO2含量越小.

Al2O3含量是鋁土礦礦石質(zhì)量最重要的參數(shù)之一.該鋁土礦Al2O3含量與含礦巖系厚度、A/S 值呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.32、0.70，與含礦巖系厚度相關(guān)性較弱，與A/S 值呈高度相關(guān)；與SiO2、Fe2O3、S 呈明顯負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.77、-0.60、-0.54，相關(guān)性中度至高度.

4.2 化學(xué)成分在單工程空間變化上的變化

根據(jù)68 線剖面上的4 個單體工程的見礦情況（表2，掃描首頁OSID 二維碼可見），分別從單體工程的垂向與整條剖面的縱向進(jìn)行對比分析，從礦體埋深、礦厚與Al2O3含量和A/S 的相關(guān)性確定鋁土礦在垂向與縱向上的變化規(guī)律.

以見礦較好的ZK6824 鉆孔為例，該鉆孔見鋁土礦3 層，3 層礦體中間均被鋁質(zhì)黏土巖隔開，最底部見硫鐵礦.該鉆孔很好地反映了本溪組的3 層結(jié)構(gòu)特征及鋁土礦的沉積變化（圖2）.

圖2 ZK6824 井本溪組巖性柱狀圖Fig.2 Lithological column of Benxi Formation in well ZK6824

從鋁土礦礦體的不同埋深（標(biāo)高）進(jìn)行對比分析礦體埋深對Al2O3含量及A/S 值的影響，從圖3、4 可以看出，在不同埋深下，相對深度越大，Al2O3的含量值及A/S 值相對越大.

圖3 ZK6824 井不同埋深下Al2O3 含量變化趨勢Fig.3 Variation trend of Al2O3 content by buried depth in well ZK6824

圖4 ZK6824 井不同埋深下A/S 值變化趨勢Fig.4 Variation trend of A/S ratio by burial depth in well ZK6824

從圖5 可以看出，鋁土礦Al2O3含量與TiO2含量有較強(qiáng)正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.64，TiO2主要來源為金紅石.金紅石是各種巖石特別是地殼組成巖石中重要的副礦物，它在成巖、風(fēng)化和各種不同程度的變質(zhì)過程中均能保持極大的穩(wěn)定性［16-17］，這從側(cè)面反映了本區(qū)遭受了強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕作用.

圖5 TiO2 與Al2O3 含量相關(guān)性趨勢圖Fig.5 Correlation trend between TiO2 and Al2O3 contents

從圖6 可以看出，SiO2含量與礦體厚度及含礦巖系厚度呈明顯的負(fù)相關(guān)，但與含礦巖系厚度相關(guān)性較低，與TiO2有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.50.這也說明了風(fēng)化剝蝕程度越高，SiO2含量越低，越容易形成較富的鋁土礦體.

圖6 TiO2 與SiO2 含量相關(guān)性趨勢圖Fig.6 Correlation trend between TiO2 and SiO2 contents

5 討論

風(fēng)化作用對鋁土礦地球化學(xué)特征有一定的影響，化學(xué)風(fēng)化指數(shù)（CIA）通常用來衡量沉積物和巖石的風(fēng)化程度［18-19］，其表達(dá)式為：CIA＝［（Al2O3）/（Al2O3+CaO+K2O+Na2O）］×100.本研究區(qū)的CIA 值可達(dá)到91.16，表明區(qū)內(nèi)含鋁巖系遭受了強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用.

鋁土礦是風(fēng)化作用最終階段的產(chǎn)物，當(dāng)風(fēng)化作用進(jìn)行到最后階段——鋁鐵土階段，鋁硅酸鹽礦物被徹底分解，全部可遷移的成分都被帶走，主要剩下Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2等成分，為鋁土礦的主要成分［20］.

本區(qū)TiO2含量與Al2O3含量有較強(qiáng)正相關(guān)性，與SiO2含量呈明顯的負(fù)相關(guān)性，從而說明該區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕作用.含鋁的基巖經(jīng)過強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，形成黏土礦物，形成的粘土礦物經(jīng)脫硅富鋁作用最終形成鋁土礦.

6 結(jié)論

通過對河南省鞏義地區(qū)鋁土礦主要成分及次要成分測試，研究了分析該鋁土礦床的地球化學(xué)特征，得到以下認(rèn)識.

1）鋁土礦礦石主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S，共占總成分的83.42%.Al2O3含量為40.46%～77.59%，平均60.68%；SiO21.00%～29.54%，平均14.07%；鋁硅比值（A/S）1.8～65.1，平均4.3.

2）Al2O3含量與含礦巖系厚度、A/S 值呈正相關(guān)性；與SiO2、Fe2O3、S 呈明顯負(fù)相關(guān)性.在不同埋深下，相對深度越大，Al2O3的含量值及A/S 值相對越大.

3）鋁土礦的化學(xué)成分總體受埋深及巖溶漏斗影響，相同埋深情況下，巖溶漏斗地區(qū)其Al2O3含量值較高，鋁硅比值（A/S）較高.

4）鋁土礦TiO2含量與Al2O3含量有較強(qiáng)正相關(guān)性，與SiO2含量呈明顯的負(fù)相關(guān)性，CIA 值可達(dá)到91.16，說明含礦巖系經(jīng)歷了強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕作用.