山西保德—兴县一带铝土矿成矿地质特征浅析

于 磊

山西保德—兴县一带是指位于山西省西北部保德县的桥头以南至兴县奥家湾以北区域,是山西近年来在铝土矿勘查工作上取得重大找矿成果重要的铝土矿成矿地带。

1 区域地质背景

1)区域地层。该区区域地层主要出露有：古生界奥陶系中统上马家沟组,以泥灰岩、白云质灰岩为主。石炭系中统本溪组,以泥页岩、铝质页岩及黏土岩为主;上统太原组,以岩性主要为浅色中、细粒砂岩为主,含煤。二叠系下统山西组,以砂岩、石英砂岩及薄煤层煤线组成;下石盒子组,以黄绿色砂岩、砂质页岩为主。二叠系上统上石盒子组,以砂质页岩、砂质泥岩为主;石千峰组,以砂岩为主。三叠系下统刘家沟组,以紫红色粉砂岩、长石砂岩为主;和尚沟组,以砂质泥岩、粉砂岩为主;三叠系中统二马营组,以紫红色砂质泥岩为主,夹中粒长石砂岩;这些基岩地层主要出露于区内较深的冲沟中。上第三系上新统红土和第四系中上更新统黄土覆盖于基岩地层上。

2)区域构造。本区地处鄂尔多斯断块,兴县—石楼南北向褶皱带北东部。沉积岩系地层总体产状倾向西 ,倾角 5°～15°,个别地段 20°左右。

3)区域矿产。本区属河东煤田的北段部分,因此区有丰富的煤炭资源,赋存于石炭系上统太原组及二叠系山西组,山西组中稳定、较稳定煤层有 6#、8#煤,以气煤为主。太原组中稳定、较稳定煤层有 9#、10#、11#、12#煤 ,以气煤为主。

铝土矿在本区也是得天独厚,赋存于煤田浅部边缘地带的奥陶系石灰岩风化壳不整合面之上的石炭系中统本溪组的下段地层 (铁铝段)中。

在近 5年来,本区在铝土矿的地质找矿上,取得重大的勘查找矿成果。区内经详查以上工作的大型铝土矿床就有保德县石且河、兴县杨家沟、奥家湾、贺家圪台 4处。提交铝土资源达数亿吨。与铝土矿密切共生的有硬质耐火黏土、山西式铁矿等资源量也很可观。

2 典型矿床保德县石且河铝土矿简述

1)矿体特征。石且河矿区出露地层与区域地层一致,由老到新依次为：奥陶系中统上马家沟组;石炭系中统本溪组、上统太原组;二叠系下统山西组、下石盒子组,上统上石盒子组;上第三系上新统静乐组;第四系上更新统及全新统。基岩主要出露于矿区内张家沟、郝家塔沟、桑塔沟、扒楼沟的沟谷两侧及沟底。松散覆盖层广布于山梁上。矿区地层属单斜构造,总体向西倾斜,区内褶皱不发育。区内共见 4条断层,沿走向长度一般为 50～200 m,最大断距不超过 20m,对矿体破坏不大。

铝土矿赋存于石炭系中统本溪组一段中上部,奥陶系中统峰峰组灰岩侵蚀面之上。矿层下界距奥陶系灰岩侵蚀面 0～5 m,平均 2 m。矿体南北长 10.65 km,东西宽 0.40～2.10 km,面积 13.60 km2。资源量达亿吨。目前,受煤炭采矿权制约,矿体呈一南北向的狭长带状。矿体呈层状产出,产状平缓,倾向西,偏北,倾角 5°～15°。矿层与上覆围岩界线比较明显。矿体结构简单,主要为一层,矿体内偶尔可见一层夹石。矿体厚度一般为 1.00～6.00 m,最厚达 9.43 m,平均 3.60 m,属稳定型。矿层主体埋深 6.22～299.14 m,平均 124.40 m。赋存标高 810～1 175 m,最高点位于郝家塔村以东矿区露头边界,最低点位于扒楼沟村以西矿区边界。仅矿区东部露头附近可露采。

2)矿石自然类型。矿石自然类型铝土矿按结构可划分为致密状、粗糙状、碎屑状铝土矿三大类,另有少量的鲕状铝土矿。

致密状铝土矿矿物成分主要为隐晶质—水硬铝石和黏土类矿物,次为氧化铁、氢氧化铁等矿物。另含有少量锆石 (呈自形柱状晶体)等。化学成分含量：Al2O340.21%～75.24%,平均 55.98%;SiO21.08%～20.78%,平均 8.79%;Fe2O31.63%～42.04%,平均 16.99%;TiO21.20%～3.51%,平均2.20%,A/S平均为 6.37。

粗糙状铝土矿矿物成分主要为一水硬铝石、黏土矿物高岭石及少量铁质矿物等组成。化学成分含量：Al2O340.62%～78.95%,平均 63.59%;SiO20.86%～20.30%,平均 6.27%,Fe2O31.18%～39.35%,平均 11.69%;TiO21.54%～4.35%,平均 2.49%。A/S平均为 11.51。

碎屑状铝土矿分为碎屑状和砾状 2种。碎屑形态为不规则棱角状,碎屑与其胶结物为准同生产物;砾石成分为各种类型铝土矿和铝土、黏土岩等组成。化学成分含量：A l2O340.05%～74.09%,平均58.91%;SiO20.95%～22.28%,平均 5.89%,Fe2O31.45%～42.49%,平均 16.96%;TiO21.15%～5.54%,平均 2.19%。A/S平均为 10.00。

铝土矿总体上北部致密状矿石类型比例较高;中部以粗糙状、碎屑状矿石类型为主;南部以碎屑状矿石类型为主。

3)矿石矿物成分。矿石矿物成分以一水硬铝石为主,呈隐晶、微晶鳞片状、粒状,自形程度高时为板条状;其次为黏土质矿物,含 1%～50%的氧化铁质矿物,及少量锆石、重晶石、电气石、角闪石、黄铁矿、方铅矿、锐钛矿、金红石等矿物,见表 1。

表 1 铝土矿人工重砂相对含量表

据 X光衍射鉴定,其矿相组成：以一水硬铝石为主,次为高岭石、锐钛矿,极少量金红石。

4)矿石化学成分。矿石化学成分,据全区统计：Al2O340.05%～78.95%,平均 58.41%;SiO20.86%～29.44%,平均 7.33%;Fe2O31.18%～28.56%,平均 15.50%;TiO21.15%～5.76%,平均 2.27%;A/S 2.60～90.34,平均为 7.97。Al2O3+SiO2+Fe2O3+TiO2一般在 80.36%～88.26%左右。

铝土矿石以中铝低硅高铁为特征,Al2O3含量的集中区域为 40%～75%,其中以 50%～65%最为密集,占全区样品总量的 52%;SiO2含量一般 ＜9%,占到样品总量的 69%;Fe2O3含量一般≥6%,其中含量为 6%～15%,占到总数的 34%,含量≥15%,占到总数的 49%。A/S值一般≥10,占样品总量的 51%。

全区单工程Al2O3含量为 42.86%～76.67%,一般为 50%～65%。含量 ＞60%的区域主要集中在三个区域：郝家塔以北、桑塔村和扒楼沟村附近,以扒楼沟村附近最高,总体上北部较高。

全区单工程 Fe2O3含量为 1.80%～46.07%,一般为 10%～25%。高铁区主要分布在郝家塔以北、桑塔村中南部,其规律性不明显。

区内单工程 A/S值为 2.60～54.69,一般为3.72～17.66,平均 7.97。A/S值 ＞10以上的区域与A l2O3含量 ＞60%以上的区域基本吻合。

5)铝土矿伴生组分。伴生组分特征,矿石中伴生有益组分镓和稀土元素已达到综合利用的工业品位。镓的平均含量 0.007%,稀土总量平均值为0.079%。有害组分平均含量 MgO 0.961%,CaO 1.936%,S 1.328%,P2O50.904%,TiO22.54%(见表 2、表 3、表 4)。

表 2 铝土矿组合分析结果 (平均值%)

表 3 铝土矿全分析结果 (平均值%)

表 4 稀土氧化物分析结果 (平均值)

6)矿体顶底板及夹石。本区铝土矿层直接顶板类型较多,其中以黏土岩、铝土岩及硬质耐火黏土为主,偶见黑色页岩等,在矿区东部矿层露头一线局部遭剥蚀,黄土为其直接顶板。矿层底板以铁质黏土岩和铁矿为主,黏土岩、铝土岩次之,也有部分工程矿层直接覆盖在了奥陶系灰岩之上。

矿体内夹石一般为一层,主要分布在北中部。夹石厚度 0.15～2.38 m。其成分主要为褐铁矿、铁质黏土岩、黏土岩及铝土岩等,一般呈不规则团块状或透镜体状分布。

3 铝土矿矿床地质特征

1)矿床赋存部位。本区铝土矿赋存于石炭系中统本溪组一段中上部 (含矿岩系或俗称铁铝岩段),奥陶系中统上马家组灰岩侵蚀面之上。矿层下界距奥陶系灰岩侵蚀面一般为 0～6 m。矿体多受岩溶负地形控制。

2)矿体基本特征。与全省其它成矿区矿床分布特点一样,本区铝土矿体基本保留了原始堆积时的形态特征。平面分布于吕梁古陆或古岛的的西北侧与煤田边缘分布范围一致。矿体形态变化不大,为似层状及透镜状产出,倾角平缓 10°～20°,矿体厚度一般1.5～4 m,单矿体长度可达数千米或更多。矿体结构简单,以单层矿为主。

3)矿石矿物。矿石矿物成分以一水硬铝石为主,呈隐晶、微晶鳞片状、粒状,自形程度高时为板条状;其次为高岭石等黏土质矿物,少量铁质矿物,微量的锆石、重晶石、电气石、角闪石、黄铁矿、方铅矿、锐钛矿、金红石等矿物。

4)矿石化学成分。铝土矿化学成分一般为Al2O340%～79%,平均 60%左右;SiO20.80%～30%,平均 8%左右;Fe2O31%～29%,平均 12%左右;TiO21.15%～5.76%,平均 2%左右;A/S 2.60～90.34,平均为 8左右。以北部含铁趋势较高。

5)结构特征及矿石类型。区内矿石结构以碎屑结构、致密状为主,以粗糙结构质量为佳。伴生的稀土元素、与镓等含量可达到综合利用品位。矿石工业类型以高铁型铝土矿为主。

6)矿体的顶底板及夹石岩性。铝土矿层直接顶板类型较多,其中以黏土岩、铝土岩及硬质耐火黏土为主,偶见黑色页岩等。

矿层底板以铁质黏土岩和铁矿为主,黏土岩、铝土岩次之,也有部分工程矿层直接覆盖在了奥陶系灰岩之上。

矿体内夹石一般呈不规则团块状或透镜体状分布。主要成分为褐铁矿、铁质黏土岩、黏土岩及铝土岩等。

4 岩相古地理成矿环境

1)岩相古地理环境。石炭纪是我国北方受限陆表海环境,山西的中奥陶世晚期受加里东运动影响隆起为陆,经历了约 1.5亿年的风化剥蚀,直到中石炭世早期,才逐渐下沉,接受沉积,由于地壳运动的不均衡性,造成局部地区的隆起与凹陷。在山西省受限的陆表海内,本区的东南存在有吕梁古岛,本区正好是一靠近吕梁古陆西侧的泻湖洼地。在构造运动的影响下,频繁发生海进海退引发了含矿岩系沉积和环境的频繁更替,吕梁古陆的红土化物质,相应在滨海、岩溶洼地、泻湖洼地等古斜坡形成浊积岩产生堆积。

2)铁铝岩段沉积环境。本区铁铝岩段的沉积相,主要有深水还原相、铝土矿石相、沼泽、泥炭沼泽相。本区的深水还原相主要是碳酸岩相,从岩石特征来看,铁矿层及铁质黏土呈块状或水平层理产出,岩石具有含屑泥状结构、流动构造。说明具有泥流及浊流性质,是早期海侵的产物。铝土矿矿石相集中体现在矿体的内部结构上,铝土矿缺少层理与水平层理,是水下重力流快速沉积特点,常见有浊积岩相。在铁铝岩段顶部主要为陆相环境。

铁铝岩期从早到晚发生一个完整的海进海退事件。地壳运动频繁的发生,海水突发后退与前进,引起沉积成矿的多次重复,铝土矿的成矿期正处于海退海进的交互期,沉积盆地及附近范围内成矿物质又极为丰富,亦使形成大型矿床有了可能。

5 结 论

1)矿床成因。晚石炭世早期,前寒武纪变质岩、岩浆岩经湿热多雨的氧化带条件下被强烈改造,经红土化作用形成大量红土物质和铝质红土豆、鲕及红土碎屑。在海侵 (泛)作用影响下,含铝土矿物的钙红土风化壳经地表水系搬运,在浅海中或以浊流、泥石流、或风暴相等微相机械沉积,分异成碎屑状、致密状鲕状铝土矿。以胶体形式搬运可形成致密状、胶状铝土矿。在铝土矿的沉积过程中,浅海的岩溶洼地及泻湖洼地是铝土矿重要的形成环境和沉积场所。之后经一系列的埋藏、压实、固结成岩成为原始的铝土矿床。后经地壳抬升重新使其处于氧化条件进一步脱硅、去铁、表生风化作用的改造,形成红土—沉积形铝土矿床。

2)找矿标志。铝土矿赋存于奥陶系中统灰岩侵蚀面上,石炭系中统本溪组下段中上部,层稳定,严格受层位控制。加之上伏太原组底部中粗粒 (晋祠)砂岩,是寻找铝土矿间接的标志。另外在沟谷中也寻找原生露头或砖石,以及民采铁矿老硐等可作找矿的直接标志。

3)找矿与勘查工作前景。在保德县的桥头以北一带,从古地理环境分析,已不利于铝土矿成矿,以赋存铁钒土为主,因含铁量高的缘故,硬质黏土也已零散小透镜赋存。

在桥头一线以南至兴县的奥家湾一线,处于铝土矿成矿这一有利沉积区域,铝土矿成地质条件较好,是已知的重要铝土矿成矿带。在该带内仍有较好的铝土矿找矿与地质勘查前景。但不利的因素是目前在本溪组出露沿倾向上在 500 m以浅地带的铝土矿富集区,铝土矿的找矿与地质勘查已深受煤矿采矿权的制约已无法进行正常的铝土矿的地质勘查工作,只能在其矿权外的浅部窄小地带内工作,极大地影响了该区铝土矿地质找矿的纵深发展。