河南三门峡贯沟铝土矿矿物组成及其特征

冯跃文，刘学飞，李中明，蔡书慧

(1.中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083 2.河南省地质调查院，河南郑州 450000)

1 前言

河南省铝土矿床主要产出于中石炭统本溪组地层中，铝土矿分布广泛，矿床类型主要包括沉积型铝土矿和堆积型铝土矿。河南省铝土矿分布区处于中朝准地台南部，范围涉及山西台隆的太行拱断束和铁山河拱褶断束、华熊台缘坳陷渑池-确山陷褶断束、嵩箕台隆及华北坳陷济源-开封凹陷等大地构造单元。

铝土矿矿石矿物学严格受其形成环境的影响(D’Argenio and Mindszenty，1995)。对于河南喀斯特型铝土矿矿物组成特征前人做过大量研究(吴国炎，1996;温同想，1996)。但是对于贯沟矿区铝土矿矿石矿物组成特征没有系统研究，本研究在前人对河南铝土矿其它矿区矿物组分研究的基础上，进一步研究了贯沟矿区沉积型铝土矿矿石矿物组成及其特征。

2 矿床地质

河南省三门峡市贯沟铝土矿矿区位于三门峡-渑池-新安铝土矿成矿区杜家沟-郁山铝土矿亚带中(图1)，属于华北板块的南部，位于北秦岭造山带北部。研究区受秦岭构造带和中国东部构造带影响明显。研究区北西为王屋山-太行山隆起，南西为秦岭-大别造山带隆起，中间为嵩箕隆起;与隆起相间出现陕渑新盆地、济源-开封凹陷盆地、汝州-宝丰盆地;其中盆地中存在多级不同规模的次一级隆起。由于受到中生代太平洋板块以及新生代印度洋板块的影响，区域主要构造线方向呈北西向、近东西向。

研究区内地层发育相对完全，除上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭统缺失外，从太古界到新生界均有地层出露。铝土矿层主要产出于中石炭系本溪组下段(C2b1)。本溪组主要由铝土矿和粘土岩组成，其次还有砂页岩、煤层、灰岩，厚度在成矿区介于2～25 m，局部岩溶漏斗发育处可超过50 m。

贯沟铝土矿主体赋存在一系列溶斗组成的大型开阔溶斗中(图2a)。矿区内矿体主体呈层状、似层状产出(图2b)。矿体形态严格受古地形控制，层状矿体的顶面较为平坦，矿体厚度变化稳定，连续性较好，矿体底面局部受到古隆起的影响，出现矿体减薄的现象。野外调查中观察到了溶斗中铝土矿及其上部粘土岩、碳质泥页岩和煤层;铝土矿底部单元层没有观察到。隆起处底板之上为铁质风化壳，向上变为一层较厚铁质粘土岩;粘土岩之上覆盖有薄层铝土矿，之上依次被铝土质粘土、碳质泥页岩和煤层覆盖。含矿岩系的顶板与附近铝土矿顶板有明显差别，贯沟铝土矿顶板为灰岩。矿石以隐晶质结构为主，此外还发育鲕粒、包壳和碎屑结构。矿石构造主体为块状构造。

图1 豫西贯沟铝土矿区域地质图Fig.1 Simplified geological map of the Guangou bauxite deposit in western Henan Province1-第四系;2-第三系-二叠系;3-本溪组、太原组;4-奥陶系;5寒武系;6-元古代;7-太古代;8-侵入岩;9-断层;10-水系;11-铝土矿床;12-地名1-Quaternary;2-Tertiary-Permian;3-Benxi and Taiyuan Foramtions;4-Ordovician;5-Cambrian;6-Proterozoic;7-Archaeozoic; 8-intrusive rock;9-fault;10-stream;11-bauxite deposit;12-city/town

3 铝土矿矿物学

3.1 矿物组成

文章应用X衍射分析(XRD)对部分典型样品(Mgg-5、Mgg-9、Mgg-14、Mgg-15)进行了测试研究。全岩X衍射分析在中石油勘探开发科学研究院实验中心粉晶衍射室完成。仪器型号为日本理学D/ Mac-RC，试验条件:靶:CuKα1，电压:40 kV，电流:80 mA，石墨单色器，扫描方式为连续扫描，扫描速度8°/分，狭缝DS=SS=1°，环境温度18℃，湿度30%。

综上所述，船舶轮机随着船舶航行时间的延长，其主机系统、辅助系统、安全系统可能出现不同程度的缺陷，是造成船舶性能低下的主要原因，有必要注重这一问题的解决，通过合理运用船舶轮机缺陷排除措施，来保障船舶安全行驶。本文针对船舶轮机常见缺陷及处理措施进行了探讨，结合船舶运行特点，分析得出船舶轮机常见故障，包括机械性能缺陷和构件缺陷等，进一步采取对应的排除措施，可确保各个系统正常运行。

XRD半定量分析结果见表1和图3。矿物综合分析结果显示组成铝土矿矿石的主要矿物包括硬水铝石、伊利石和锐钛矿，另外，还包括少部分高岭石、锆石等。

3.2 矿物特征

电子探针研究了贯沟铝土矿矿石中主要矿物赋存状态以及组成特征(图4)。电子探针分析中识别出矿物包括硬水铝石、锐钛矿、伊利石、针铁矿、高岭石和锆石。

图4 豫西贯沟铝土矿中主要组成矿物赋存状态和共生组合特征Fig.4 Occurrences of ore minerals from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province

表1 豫西贯沟铝土矿矿石样品XRD半定量分析结果Table 1 XRD analysis result of bauxite ores from the Guangou bauxite deposit in Henan province

硬水铝石是组成铝土矿矿石的主要矿物之一;在SEM照片中，硬水铝石呈隐晶质结构组成了矿石的基质，少部分呈现细小的板状、长柱状形态。硬水铝石电子探针分析结果见表2。分析结果显示硬水铝石中Al2O3含量为78.03%～83.94%;此外，FeO和TiO2含量虽然不到1%，但是普遍存在所有分析数据中，说明硬水铝石形成过程中元素Fe和Ti广泛存在;另外，除了样品Mgg-3之外，其余的分析样品中硬水铝石中普遍包括组分SiO2，与其余矿区硬水铝石分析结果一致。这可能和硬水铝石形成环境有密切关系，Mgg-3取自豆鲕状铝土矿层中，矿石中以鲕粒结构为主，这些豆鲕粒形成于表生阶段风化作用阶段，初期形成的硬水铝石环境中可能是一贫硅的环境。除此之外，元素Na2O、MgO、K2O、CaO和MnO也在部分硬水铝石晶体中广泛存在。

表2 豫西贯沟铝土矿中硬水铝石电子探针分析结果Table 2 EPMA analysis results of diasporites from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(%)

锐钛矿存在两种形态:第一种是锐钛矿晶体与硬水铝石密切共生，分散在硬水铝石组成的基质中，或者和硬水铝石矿物互相包裹，这说明二者同期形成;第二种锐钛矿以脉状穿插在硬水铝石组成的基质中，边界与硬水铝石呈互溶体形式;这类型的锐钛矿形成稍晚于硬水铝石。典型铝土矿矿石中锐钛矿电子探针分析结果见表3。分析结果显示TiO2含量为95.84～99.45%。元素Al2O3、FeO和SiO2同样普遍分布在锐钛矿矿物中，然而样品Mgg-3相对例外。与硬水铝石分析结果类似，矿物元素组成的差异反映其形成环境的差异。此外，元素Na2O、MgO、K2O、CaO和MnO同样广泛存在部分锐钛矿矿物中。

伊利石主要以鳞片状集合体形态组成矿石的基质。锆石主体分散在硬水铝石组成的基质中(图4a，b)。贯沟铝土矿典型矿石中伊利石电子探针分析结果见表4。结果显示 Al2O3含量为30.39～38.23%，SiO2含量为44.30～49.02%;二者均呈现较大的变化范围。除两个主要元素外，Na2O、MgO、CaO、TiO2和 FeO元素普遍存在伊利石矿物中; Na2O、MgO和CaO三者的出现可以解释为类质同象代换伊利石矿物中的元素K2O，而两者TiO2和FeO则主要和矿物形成环境有密切的关系。此外，元素P2O5和MnO也在部分矿物晶体中发现。

贯沟铝土矿矿石中针铁矿电子探针分析结果见表5。针铁矿中Fe2O3含量为73.38% ～83.68%，具有较大的变化范围。此外，Al2O3和SiO2大量存在，最高分别达5.09%和6.67%;说明在针铁矿形成过程中，周围环境中大量的Al离子代换了Fe离子存在于针铁矿中;另外TiO2也普遍分布在矿物中，含量相对Al2O3和SiO2略低。其余元素Na2O、MgO、K2O、CaO和MnO也广泛存在针铁矿晶体中。

差热曲线上显示热效应最明显的矿物是硬水铝石，其次为高岭石(图5)。矿物吸(放)热温度归属表见表6。在500～540℃范围，硬水铝石中结构水全部失去，转变为α-Al2O3，呈现在差热曲线上是在这个温度范围之间有一明显的吸热谷;硬水铝石的吸热峰值范围为503～531℃，变化范围不大，相对标准硬水铝石吸热温度范围(490～580℃)和世界各地铝土矿吸热温度(南非铝土矿:532℃，希腊铝土矿545℃)同样偏低;这说明贯沟铝土矿中硬水铝石具有较低的结晶度和细小的晶体颗粒。另外一个明显的峰值是高岭石的放热峰，高岭石通常在550℃左右有一吸热峰，释放结构水，但是该峰值在研究矿石样品中不明显;在980℃左右放热发生一相转变，矿石中高岭石放热峰值范围为 980～1049℃，略显偏高;其中，样品Mgg-9和Mgg-14中放热峰非常宽缓，体现高岭石晶体结晶程度较差。

表3 豫西贯沟铝土矿中锐钛矿电子探针分析结果(%)Table 3 EPMA analysis results of octahedrites from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(%)

表4 豫西贯沟铝土矿中伊利石电子探针分析结果(%)Table 4 EPMA analysis results of illites from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(%)

表5 豫西贯沟铝土矿中针铁矿电子探针分析结果Table 5 EPMA analysis results of goethites from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(%)

表6 豫西贯沟矿区矿石样品中主要矿物热分析结果Table 6 Thermal analysis results of ores from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(℃)

图5 豫西贯沟铝土矿典型矿石样品DTA曲线图Fig.5 DTA diagrams of typical ores from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province

4 矿物成因

贯沟铝土矿中硬水铝石电子探针分析显示晶体中存在Fe、Si和Ti等其它元素。最重要的一个特征为铝土矿底板奥陶系碳酸盐岩并没有变质迹象。同时，硬水铝石主体呈隐晶质与锐钛矿密切共生。上述特征指示贯沟铝土矿矿石中硬水铝石主要为简单的成岩结晶成因。钛的氧化物在风化作用形成的，各种地质体中普遍存在。在贯沟铝土矿中主要存在的钛的氧化物为锐钛矿。锐钛矿的生成条件及范围较狭窄，只有在TiO2供应充分、低温低压及弱碱性的环境下才能形成(Özlü，1985);贯沟铝土矿矿石中的锐钛矿和硬水铝石共生，互相包含和穿插，反应大量的锐钛矿是成矿期/成岩期结晶形成。目前，对风化作用中形成的伊利石的成因观点是:伊利石主要由云母转化而形成该过程中矿物结构并没有明显改变(Meunier and Velde，2004)。

5 结论

(1)贯沟铝土矿主体赋存在一系列溶斗组成的大型开阔溶斗中。矿区内矿体主体呈层状、似层状产出。观察到溶斗中层序主要有铝土矿及其上部粘土岩和煤层;铝土矿底部单元层没有观察到，顶板为灰岩。矿石结构主要为鲕粒与隐晶质结构;矿石构造为块状构造。

(2)矿物综合分析结果显示，组成铝土矿矿石的主要矿物包括硬水铝石、伊利石和锐钛矿，另外，还包括少部分高岭石、锆石等。与全球喀斯特型铝土矿床的主要矿物基本相同。

(3)硬水铝石呈隐晶质结构组成了矿石的基质，少部分呈现细小的板状、长柱状形态。锐钛矿存在两种形态:第一种是锐钛矿晶体与硬水铝石密切共生，分散在硬水铝石组成的基质中，或者和硬水铝石矿物互相包裹，这说明二者同期形成;第二种锐钛矿以脉状穿插在硬水铝石组成的基质中，边界与硬水铝石呈互溶体形式;这类型的锐钛矿形成稍晚于硬水铝石。伊利石主要以鳞片状集合体形态组成矿石的基质。

(4)贯沟铝土矿中硬水铝石主要为简单的成岩结晶成因。大量的锐钛矿是成矿期/成岩期结晶形成。伊利石主要由云母转化而形成，该过程中矿物结构并没有明显改变。

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