豫西巩义市涉村铝土矿矿床地质特征与矿石综合利用

杨 武， 梁小山， 胡 盛， 杨持恒

(河南省资源环境调查四院，河南 郑州 450000)

关键字：涉村铝土矿矿床；矿床地质特征；伴生组分；本溪组；河南巩义

0 引言

中国铝土矿资源比较丰富，且储量分布相对集中[1]。其中华北陆块和扬子陆块是铝土矿成矿地质条件最好的，也是铝土矿资源最丰富的地区。我国铝土矿主要分布在山西[2]、河南、贵州[3]、桂西[4]等地，多属典型喀斯特型铝土矿[5-6]，喀斯特型铝土矿占据我国铝土矿总资源量的85%以上[7]。

河南省铝土矿主要分布在三门峡—郑州—平顶山之间的三角地带，可划分为6个主要成矿带，即：三门峡—新安矿带、龙门—巩义矿带、登封—新密矿带、鳌头—楚岭矿带、汝州—禹州矿带、宜阳—宝丰矿带[8]。豫西是我国铝土矿资源的重要基地，其中巩义地区是河南省铝土矿发现最早的地区，也是豫西铝土矿成矿带的重要组成部分[9-12]。

随着浅部露天开采铝土矿矿石资源量的逐步减少，寻找深部隐伏矿床即煤层下部铝土矿变得十分迫切，自2010年起河南省国土资源厅利用省地质勘查基金在全省范围内布署实施煤下铝(黏)土矿的整装勘查工作[13-15]，“河南省巩义市涉村铝(黏)土矿中深部普查”为全省“煤下铝土矿整装勘查”项目之一。借鉴前期通过铝土矿矿物组成、组合、成因以及元素组成和变化规律探讨铝土矿成矿过程[7]，本研究依托该项目的地质调查、钻探工程、岩矿测试等工作成果，对涉村地区铝土矿的矿层、矿体、矿石等特征总结分析，以期为豫西地区铝土矿的勘查研究提供依据。

1 区域地质背景

河南省铝土矿成矿区，大地构造上位于华北克拉通南部，秦岭造山带的北部。本区所属龙门—巩义矿带，划属华北地层区豫西地层分区嵩箕地层小区 (图1)。区域上出露的地层主要有古元古界嵩山群(Pt1Sn)、中元古界蓟县系(Jx)、下古生界寒武系(∈)和奥陶系(O)部分地层、上古生界石炭系(C)和二叠系(P)、中生界三叠系(T)、新生界新近系(N)和第四系(Q)。

2 矿区地质特征

2.1 控矿地层层位

本区位于巩义市，区内出露的主要地层有下古生界奥陶系(O)部分地层、上古生界石炭系(C)和二叠系(P)以及第四系(Q) (图2)。构造以断裂构造为主，主要构造有五指岭正断层(F1)和嵩山断裂(F3) (图1)。本区属于典型的隐伏铝土矿，铝土矿在上石炭统本溪组中应当存在，隐伏铝土矿实际上是已知铝土矿在倾向上的自然延续[14]。

根据该区以往研究资料，结合本次勘探资料对巩义地区含矿岩系层序变化特征展开深入分析研究。分析研究表明本区铝土矿的含矿层位为上古生界上石炭统本溪组(C2b)，由于本区铝土矿含矿岩系的层序组成及特征受古喀斯特地形的控制，因此本区本溪组为一套铁铝质岩层，层理、页理不发育，具三层结构。其中：上部为灰、灰黑色黏土质页岩，局部含黏土矿；中部为灰黑色、灰及深灰色一水硬铝土矿，矿石结构主要有豆鲕状、碎屑状、致密状、致密状结构及它们之间的过渡混合型结构，矿石构造有致密块状构造、层纹状构造、蜂窝状构造；下部为灰黑色硫铁矿，致密结构，块状构造，常有黄铁矿富集。根据本区施工的120个钻孔统计，本区本溪组厚2.98～92.36 m，平均厚度13.36 m，与下伏马家沟组(O2m)呈平行不整合接触，与上覆地层太原组(C2t)整合接触[15]。

2.2 矿体特征

勘探区共发现23个铝土矿矿体，其中主矿体3个 (图3)，为一超大型铝土矿矿床。本区矿体形态大体可分为似层状、漏斗状以及两者的复合形态。主矿体基本特征见表1。

表1 涉村矿区铝土矿矿体特征

本区属于典型的以碳酸盐岩为基底的铝土矿，其成矿空间受喀斯特化作用控制，形态复杂[16]，从空间上看，矿体的总体形态是漏斗状矿体不等间距地嵌布在似层状矿体之上的复合形态，似层状矿体一般厚1～10 m，漏斗状矿体厚13.31～29.69 m。其中漏斗状矿体是受碳酸盐岩溶漏斗控制的一种特殊形态，常处于底盘碳酸盐岩的古漏斗中，且在较大的漏斗状矿体周边一般不发育铝土矿体，易出现铝土矿沉积间断。矿体矿层产状与下伏碳酸岩古风化面明显不一致，由四周向中心倾斜，呈独立产出，矿体厚度大，矿石质量较好，且铝土矿矿体的厚度与含矿岩系的厚度呈正相关关系，即含矿岩系厚度越大，矿体厚度也越大 (图4)。

3 矿石结构构造

3.1 矿石矿物

本区铝土矿矿石主要矿物成分为一水硬铝石(含量45%～95%)，其次为高岭石、伊利石等(含量4%～25%)；含少量菱铁矿、黄铁矿、方解石、白云石等，微量矿物有锆石、磷灰石等。一水硬铝石呈隐晶质—微晶状或微粒状，粒径一般为0.04～0.26 mm，微粒状一水硬铝石粒径一般为0.08～0.26 mm。集合体多数呈不规则团块状结构，少数呈鲕状结构。鲕粒核心成分主要是黏土矿物，未见同心层。矿石主要矿物成分为一水硬铝石主要来自来自云母族矿物的氧化分解[17]。

高岭石：主要呈隐晶质，分布在鲕粒中心部位。

伊利石：呈显微鳞片状。

菱铁矿：呈他形粒状，粒径为0.07～0.62 mm。

3.2 矿石结构

本区矿石结构类型有豆鲕状结构、碎屑结构、致密状结构及它们之间的过渡型结构 (图5)。矿石构造有致密块状构造、层纹状构造、蜂窝状构造。

豆鲕状结构(图5a、5b、5c)： 豆(鲕)粒形状不太规则，似豆荚状，长轴直径0.2～9 mm，以大于2 mm的豆粒为主，可见同心层，但层数不多。有的矿石内部矿物成分全是一水硬铝石，有的矿石内部矿物成分全是菱铁矿，有的矿石内部矿物成分是一水硬铝石和菱铁矿且两种矿物定向排列。

碎屑状结构： 砾屑由铝土矿及黏土矿的碎屑组成，碎屑粒度一般在1～3.5 mm之间，少数为9～26 mm，砾屑呈不规则的扁球状、板条状及粒状。组成矿物为一水硬铝石及高岭石。

致密状结构(图5d)： 由隐晶质一水硬铝石、高岭石及少量微粒状黏土矿物组成。一水硬铝石呈他形粒状及星散状分布，结晶均一，部分呈凝胶状及泥晶状产出。高岭石呈晶粒状、隐晶胶状、蠕虫状，沿凝块边缘或与一水硬铝石相间分布。矿石质地均一，致密坚硬。

3.3 矿石构造

本区铝土矿矿石主要构造主要为层状构造、块状构造、蜂窝状构造。其特征如下：

层状构造： 在部分矿石中的碎屑与豆鲕排列显示方向性，其长轴与层面平行，略显分选性。呈断续水平状层理，单层厚10～80 cm。部分层理发育，层间常夹鳞片状黏土矿物及铁质浸染，形成薄层状及条带状构造。

块状构造： 矿石中铝土矿物呈他形粒状集合体分布，矿石成分及矿石结构无明显差异，粒度均一，分布均匀，矿物粒状集合体分布无方向性，不显层理，是致密状矿石的主要构造特征。

蜂窝状构造： 矿石长期受次生淋滤作用，使部分豆鲕及矿石中的硅质、铁质和其他易溶物质流失，形成蜂窝状孔洞及针状孔洞，孔洞直径一般为1～3 mm，少数为5～7 mm。孔洞内常被棕灰色粉末状次生高岭石，一水硬铝石、一水软铝石充填。蜂窝状构造在砾屑状矿石中最发育，在砂状矿石中多呈细小的针状孔洞。

层纹状构造和致密块状构造矿石多见于铝土矿体顶部，少量见于底部，外观细腻、致密，少数具微层理，这类矿石多为高品位矿石。蜂窝状矿石多为豆鲕状结构，矿石中豆鲕风化流失而成，常见于矿体下部或边部，其矿石品位有高有低。

3.4 矿石化学成分

本次样品测试分析工作： 矿石样品的基本分析检测由河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院实验室 (乙级资质) 和河南省地质矿产勘查开发局第二地质矿产调查院实验室 (乙级资质) 承担。外检分别由河南省岩石矿物测试中心 (甲级资质) 和河南省有色金属地质勘查总院 (甲级资质) 承担。

3.4.1 主要化学成分

通过对本区71个见矿钻孔基本分析样的统计和分析，本区铝土矿的主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S 及 Loss (烧失量) 等，这6项含量占铝土矿总含量的98.06%。其中 Fe2O3和 S 是有害组分，对铝土矿矿石质量影响较大。详见主要化学成分特征表(表2)。

表2 单体工程铝土矿矿石主要化学成分特征

3.4.2 次要化学成分

通过对21个组合分析样品的分析数据进行统计，铝土矿矿石的次要化学成分：w(CaO)为0.17%～10.27%，平均1.41%；w(MgO)为0.10%～1.05%，平均0.51%；w(K2O)为0.41%～5.07%，平均2.18%；w(Na2O)为0.03%～0.20%，平均0.11%；w(V2O5)为0.02%～0.08%，平均0.042%；w(Ga)为0.001394%～0.0182%，平均0.005862%；w(Li2O)为0.002%～0.5134%，平均0.072468% (表3)。

表3 涉村铝土矿石组合分析样品次要化学成分特征

其中伴生Ga含量达到伴生镓工业指标 [w(Ga)≥0.002%]；伴生氧化锂工业指标≥0.05%(温同想1996年通过铝土矿工艺流程试验提出) 可以综合利用，但伴生矿产赋存状态复杂，需进一步分析研究。

4 成矿物质来源

本区经历了阜平、五台运动，使元古界和太古界地层褶皱、变质、混合岩化，构成古老的结晶基底，在此基础上沉积了元古界到古生界以基性-中酸性火山岩、浅海相陆源碎屑岩、镁-钙质碳酸盐岩为主的岩石建造。加里东期，本区整体抬升，形成了风化产物的源地，经历了130 Ma ～150 Ma的风化剥蚀，至石炭纪，由于受到华力西运动的影响，古陆地逐渐下沉，海水再次入侵，在古陆边缘盆地、浅洼地、溶洞中首先沉积了以铁质为主的黏土岩、铁铝质页岩；随着沉积环境的改变又先后沉积了铝土矿、硅质较高的黏土岩，以及含生物碎屑灰岩，形成了奥陶系顶面灰岩古溶蚀洼地―中石炭统本溪组含矿岩系―太原组生物灰岩为盖层的统一体。

由表2可知，本区Al2O3含量较高，SiO2含量较低，且铝硅比(A/S)值变化较大，表明本区铝土矿是风化作用的最终产物，风化淋滤过程中碱金属和碱土金属几乎被彻底流失，SiO2也被部分淋滤丢失有关。这些特征反应出该铝土矿是比较典型的胶体化学沉积矿床，在滨海—泻湖环境，由于pH、EH值变化，而沉积于奥陶系或寒武系的风化剥蚀岩溶凹地面上，形成铝土矿沉积矿床[18-19]。

5 结论

通过资料数据分析及地质调查研究，针对豫西巩义地区铝土矿矿床，得到如下认识：

1)该区铝土矿的含矿层位为上古生界上石炭统本溪组(C2b)，含矿岩系层序组成及岩性特征受古喀斯特地形条件的控制，具有三层结构。上部主要为灰、灰黑色黏土质页岩，中部为灰黑色、灰及深灰色一水硬铝土矿，下部为灰黑色硫铁矿，常有黄铁矿富集。

2)勘查区共发现23个铝土矿矿体，其中3个主矿体，为河南省新发现的一超大型铝土矿矿床。矿区矿体连续性较好，以似层状、漏斗状亦或两者的复合形态为主。从空间分布上看，矿体的总体形态应该为厚度1 m至数米的似层状矿体，其中不等距地嵌布着厚度较大的漏斗状矿体。

3)该区铝土矿矿石主要矿物成分为一水硬铝石 (含量45%～95%)，其次为高岭石、伊利石等 (含量4%～25%)；含少量菱铁矿、黄铁矿、方解石、白云石等，微量矿物有锆石、磷灰石等。矿石多为豆鲕状、碎屑、致密块状结构，呈团块状、层纹状、蜂窝状构造。

4)该区铝土矿矿石的主要化学成分为 Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S 及 Loss (烧失量)，占其总含量的98.06%，铝土矿石中伴生组分 Ga、Li2O 含量较高，达到综合利用指标，但伴生Ga元素赋存状态复杂，需要开展进一步的分析研究工作。