豫西偃龙煤田深部铝土矿地质特征及矿床成因

鲁正清，柴世刚，刘会星，何旭麒，渠玉冰，高 轩，李小荣，王健美

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院，河南郑州 450001)



豫西偃龙煤田深部铝土矿地质特征及矿床成因

鲁正清，柴世刚，刘会星，何旭麒，渠玉冰，高 轩，李小荣，王健美

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院，河南郑州 450001)

偃龙煤田深部铝土矿区位于豫西铝土矿成矿区嵩箕铝土矿成矿小区，是豫西铝土矿成矿区的重要组成部分。区内铝土矿赋存于上石炭统本溪组中上部，下伏具有岩溶特征的寒武—奥陶纪灰岩，沉积相为滨岸泻湖泥岩相区，属海相沉积的一水硬铝石岩溶型矿床，矿体主要填充在岩溶作用形成的负地形之中。本文系统阐述了矿区的含矿岩系、矿床地质及矿石质量特征等，研究了本区铝土矿的成矿地质条件、矿床的展布规律和富集规律,对矿床成因及控矿因素进行了分析，指出铝土矿床分布在坳陷区边部及隆起区的过渡带，铝土矿的厚度和品质与本溪组厚度有着明显的正相关关系，预测深部仍有较好的成矿远景。

偃龙铝土矿 地质特征 矿床成因 控矿因素

0 引言

河南省铝土矿资源主要分布在三门峡-郑州-平顶山之间的倒三角地带内。偃龙煤田深部铝土矿区位于洛阳市东南的龙门—府店一带，属于豫西铝土矿成矿区嵩萁铝土矿成矿亚区龙门—冯庄铝土矿带(吴国炎等，1996；罗铭玖等，2000；朱东辉等，2012)。在其南侧浅表区域分布的下徐马—朱村、贾庄坡、西寨、焦村、孙坡—管茅、夹沟、参店等铝土矿床勘查研究程度较高，但深部覆盖区投入工作较少，勘查程度和研究程度较低。因此，本次主要针对深部覆盖区隐伏铝土矿即所谓的煤下铝进行勘查研究。

1 地质概况

1.1 区域地质背景

本区地处华北陆块南部嵩箕断隆之嵩山背斜北翼，位于洛阳盆地的东南侧，具地台型双层结构，基底为新太古界和古元古界的变质岩系，盖层为中—新元古界及其以上地层，经历了多期次的沉积作用和构造作用。区域地层属于华北地层区豫陕地层分区嵩山地层小区(席文祥等，1997)，出露地层有新太古界登封岩群，古元古界嵩山群，中元古界兵马沟组和五佛山群，新元古界震旦系，下古生界寒武系、奥陶系中统，上古生界石炭系上统和二叠系，中生界三叠系下统，新生界新近系上新统和第四系。在西南部焦山、高谷堆等地出露元古代二长花岗岩体，呈小岩株，西部侵入新太古界登封岩群郭家窑岩组中，北部被中元古界马鞍山组所覆盖。区域内地质构造主要形式有褶曲、断裂和滑动构造，断裂构造以NW向的走滑(平滑)断层和高角度的伸展型断层为主，次为低角度小规模的挤压断裂(图1)。矿产主要有煤、铝土矿、水泥灰岩、耐火粘土、硅石、牡丹石，其次有铁、硫、磷、白云岩、油石、陶粒页岩等。

1.2 矿区地质特征

1.2.1 地层

矿区东部出露少量二叠系和三叠系地层，西南角有新近系零星出露，其他地区均为第四系所覆盖，钻孔揭露地层中见到石炭系、奥陶系或寒武系地层等(图1)。

图1 偃龙地区构造纲要图

(1)含矿岩系地层特征

上石炭统本溪组为上古生界底部沉积，是在滨海潮坪环境下形成的一套铁铝质沉积建造，赋存丰富的铝土矿(华北G层铝土矿)、耐火粘土、硫铁矿等，是主要的含矿岩系。与下伏的上寒武统—中奥陶统碳酸盐岩呈不整合接触，与上覆的早二叠统太原组整合接触。含矿岩系厚0.65m～28.72 m，平均厚10.71 m，从底部至顶部可分为下、中、上三个层段：①下部为灰黑色铝土质泥岩，手感细腻，致密块状构造，见有不规则的纹层，纹层常由颜色较浅的条带显示出来，宽度较小，一般在毫米级。含有团块状、星点状的黄铁矿，局部见有>3cm的黄铁矿团块。该层的厚度不一，最薄处只有数厘米或缺失，厚者达数米，向上与中部层段多呈截然接触关系。②中部主要为灰色豆鲕(碎屑)状铝土矿，有时以豆鲕状颗粒为主，有时以碎屑状颗粒为主，但豆鲕状颗粒常含有碎屑颗粒，碎屑颗粒常含有豆鲕状颗粒。在纵向上常可见到由下部的豆鲕状逐渐变为豆鲕状与碎屑状共存，再变化到以碎屑状为主的特点，致密程度较下部为差。该层中黄铁矿含量丰富，下部黄铁矿化较强，黄铁矿化见有平行于流动纹层的，也见有交代豆鲕和碎屑的。该层厚度变化不一，有时完全缺失，有时厚度可达数十米，基本的规律是本溪组厚度大，该层厚度也大。与上部层段呈逐渐过渡关系。③上部主要为铝土质泥岩，灰色、灰黑色，细纹层发育，常夹有毫米级的煤线，向上部煤线逐渐增多，最后过渡为本溪组与太原组交界的煤层。该层厚度差异也较大，但一般都存在，厚度一般在1m至数米之间。

含矿岩系在垂向上的矿物变化具有明显的规律性。下部和上部铝土质泥岩以粘土矿物为主，含有少量呈隐晶质的硬水铝石。但下部和上部铝土质泥岩粘土矿物的矿物成分具有很大的差别：下部铝土质泥岩以伊利石为主，含有少量的珍珠陶土；上部铝质泥岩以高岭石为主，含有少量的镁绿泥石。分析表明，这些粘土矿物均是母岩不彻底化学风化的产物，保留有原始母岩颗粒的假象，所不同的是下部铝土质泥岩处于碱性环境，上部铝土质泥岩处于酸性环境。中部豆鲕(碎屑)状铝土矿主要以结晶较好的硬水铝石为主，含有1.4nm的粘土矿物和少量的高岭石，反映了风化作用较为强烈。中部豆鲕(碎屑)状铝土矿不同颗粒的硬水铝石含量和结晶程度差异较大，反映了不同颗粒的化学风化程度具有差异。

(2)含矿岩系下伏及上覆地层特征

含矿岩系下伏地层为寒武系上统炒米店组(F13以西)或奥陶系中统马家沟组(F13以东)。炒米店组(3c)为薄板状含泥细晶白云岩、中薄层状泥质条带砾屑—砂屑细晶白云岩与黄色薄板状泥质细晶白云岩夹浅灰色厚—巨厚层状含泥质条带鲕粒细晶白云岩；马家沟组(O2m)岩性为薄层—中厚层状白云质灰岩、厚层状角砾状灰岩和微晶灰岩等。含矿岩系的厚度受基底岩溶地貌的影响变化较大，在岩溶作用发育强烈的负基底地形中，厚度增加明显，在没有岩溶的地区往往沉积厚度较小。

含矿岩系上覆地层有二叠系太原组(P1t)、山西组(P1s)、石盒子组(P1-2s)、孙家沟组(P3s)，三叠系刘家沟组(T1l)，新近系洛阳组(N1l)和第四系(Q)，控制着含矿岩系的埋深。

1.2.2 构造

偃龙矿区位于华北地台南部嵩山背斜北翼，地层总体上为一近EW走向，向北倾斜的单斜构造，西陡东缓，倾向340°～20°，倾角10°～32°。根据已有的勘探、重力测量资料，区内主要构造形式为断裂作用，断裂构造按走向划分为近EW向断裂组、NW向断裂组和NE向断裂组三组。近EW向断裂组：走向85°～110°，倾向南偏西或北偏东，长1km～3km，多属高角度正断层。NW向断裂组：走向290°～330°，倾向NE，长1km～6km，多数为平移断层，个别为高角度正断层。NE向断裂组：走向30°～70°，倾向NW，倾角50°～55°，长4km～5km，断裂破碎带宽1m～2m，多属高角度正断层。矿区的地层走向、矿产分布主要被大规模断裂所控制，而次一级断裂主要对矿体形态产生了一定的破坏作用。

2 矿床地质特征

2.1 矿体地质特征

偃龙地区铝土矿主要赋存于上石炭系本溪组，以奥陶系或者寒武系的灰岩顶部侵蚀面为底界，以顶部出现稳定的层状生物碎屑灰岩与太原组分界，是风化壳型矿床(廖士范等，1991；丰恺，1992；袁跃青，2005)，也是岩溶型铝土矿(刘长龄，1988；项仁杰等,1990；G.巴尔多西等，1994)。经钻孔揭露，矿区圈出6个铝土矿体，估算资源储量 2.12亿吨，形态呈层状、似层状或透镜状单斜产出。矿体赋存最高标高+119m，最低标高-526m，走向280°～296°，倾向350°～15°，倾角一般13°～20°。单矿体厚1.50m～10.80m，平均厚3.12m，厚度变化系数为85%。单矿体Al2O3含量为55.89%～64.51%，平均58.28%；品位变化系数为9%；铝硅比为3.8～5.0，平均4.7。一般来说，矿体中心品位较高，矿石质量较好，向周围有品位变差的趋势。在倾向上，有浅部好向深部质量变差的趋势；在垂向上，中上部矿石质量好，下部质量较差。矿体顶板产状稳定，底板产状变化较大。

2.2 矿石特征

2.2.1 矿物成分特征

下部铝土质泥岩主要由粘土矿物、硬水铝石和黄铁矿组成。中部豆鲕(碎屑)状铝土矿，矿物成分以硬水铝石为主，含有少量粘土矿物和锐钛矿。上部铝土质泥岩以粘土矿物为主，矿物成分以高岭石为主，含有菱铁矿及非晶质的硬水铝石。

2.2.2 化学成分特征

铝土矿中常量元素包括Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、TiO2、MnO、Fe2O3等；微量元素包括Sc、Li、Be、Co、Cu、Zn、Ga、Rb、Zr、Nb、In、Cs、Hf、Ta、Pb、Th、U、Ba、Cr、Ni、Sr、V、As、Sb、Bi等；稀土元素包括La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y。

2.2.3 矿石结构构造

铝土矿矿石的结构主要为交代残余结构、豆鲕状结构、碎屑状结构、半自形结构等。矿石构造有致密块状构造、多孔块状构造、纹层状构造、角砾状构造等。

2.2.4 矿石类型

按矿石结构构造特征划分为致密状铝土矿、豆鲕状铝土矿、碎屑状铝土矿及混合型铝土矿等，矿层以豆鲕状和碎屑状矿石类型为主。

铝土矿单工程Al2O3含量为42.99%～73.49%，平均为58.28%；SiO2含量5.02%～27.39%，平均15.38%；Fe2O3含量1.20%～7.26%，平均5.11%；S为0.69%～17.42%，平均1.65%；工业类型主要为中高铝、高硅、含铁、高硫的中高品位铝土矿石。

3 矿床成因和控矿因素分析

3.1 矿床成因

铝土矿的形成是铝的逐步富集过程，这一过程主要是在表生环境下进行的，铝作为不活动元素，在这个过程中与其他活动元素分离而得到富集，这是铝土矿形成的基本原因。依据基岩的类型，我国铝土矿主体可以分为喀斯特型和红土型两种类型。产于碳酸盐岩古岩溶面之上的称为喀斯特型铝土矿(王庆飞等，2012；林宇等，2014；叶枫等，2015)，又称为岩溶型铝土矿(殷声锋等，2014)，含铝矿物主要为硬水铝石，占据我国铝土矿总资源量的85%以上，主体分布在山西、河南、贵州和广西等地区(刘学飞，2011；王庆飞等，2012)。 产于铝硅酸盐岩之上的称为红土型铝土矿(刘长龄，1992；廖士范，1994)，主要含铝矿物为三水铝石，主要分布在桂中、福建漳浦、广东雷州半岛和海南蓬莱等地(王庆飞等，2012)。G.巴多西(1990)总结了世界上主要的岩溶型铝土矿(包括现代和准现代的)的特征，汇总出气候、植被、地貌、水文地质条件、物理化学因素、岩溶作用等铝土矿产生的基本条件。偃龙地区铝土矿的形成基本满足这些条件，与所有的岩溶型铝土矿相似，具有中部豆鲕(碎屑)状铝土矿、上下部为铝土质泥岩的三层模式，并且每一层的矿物组合、地化特征、结构构造也有所不同。

(1)下部铝土质泥岩产生的原因

下部铝土质泥岩主要矿物成分为伊利石和珍珠陶土，仅有少量的隐晶质硬水铝石，伊利石和珍珠陶土的产生必定发生于碱性条件下，排水不畅，二氧化硅和钾元素大量富集。

根据下部铝土质泥岩的有机碳分析，TOC平均达0.41%，干酪根显微组分主要为腐殖无定形体、结构和无结构镜质体(图2)。能谱分析结果也表明含有大量的有机质(表1)，但煤线和煤层不发育，结合当时海侵的沉积背景，其形成时的环境是植物不甚发育的近岸沼泽环境。这一环境下地下水位较浅，并且水体接近于海水的弱碱性，排水不畅，抑制了活动元素的分离，主要产物为伊利石和珍珠陶土，仅有少量的隐晶质的硬水铝石。此外，该层泥岩的结构主要是致密块状，层理不发育，也未见强烈的同沉积扰动现象，说明当时的水体较为平静，构造运动微弱。

表1 样品ZK0710-1能谱分析结果Table 1 Energy spectrum analysis of ZK0710-1 sample

图2 偃龙地区铝土矿下部铝土质泥岩中干酪根显微组分

(2)中部豆鲕状和碎屑状铝土矿

中部豆鲕状和碎屑状铝土矿主要矿物成分为结晶较好的细晶硬水铝石，局部见到粗晶，粘土矿物主要为1.4nm粘土矿物。说明中部铝土矿形成时活动元素有强烈的迁移，泄水条件良好，与下部铝土质泥岩形成鲜明对照。

中部铝土矿主要由各种类型的颗粒和泥质胶结物所组成，颗粒普遍较胶结物硬水铝石含量高，颗粒形成时的泄水条件较好，胶结物则不然。铝土矿形成时期一改下部铝土质泥岩形成期的构造平静状态，发生脉动式抬升，在每个抬升旋回过程中，导致隆升处(主要是岩溶不太发育的地方)上升到地下水位之上，风化淋滤条件变好，发生强烈的铝土矿化，产生结晶较好的铝矿物并不易被溶解，同样泄水条件的变好也使得岩溶作用更易进行。在下一个海平面上升时期，在高地上发生铝土矿化的物质被破碎和搬运，就近以重力流的方式迁移到岩溶漏斗中。在下一个抬升旋回中，不仅可以再次产生上述的过程，同时，被搬运到岩溶漏斗中的颗粒继续发生化学风化作用，由于岩溶漏斗的泄水条件更好，化学风化作用更易于进行，造成的结果一方面是碎屑颗粒(连同胶结物)硬水铝石的含量进一步增加，另一方面可以以这些碎屑颗粒为核心产生鲕状或豆状构造。

在每个脉动式抬升过程中，伴随着岩溶漏斗不断的溶蚀作用，上一个旋回产生的没有完全固结的沉积物和原始沉积层理可能变得不再稳定。在易产生流变的粘土矿物调节下，这些沉积物和原始沉积层理无疑要进行同沉积改造，导致塑性碎屑颗粒的撕裂构造和刚性颗粒的再破碎，流变的富含粘土矿物的夹层产生流动纹层，同时，原始沉积层理也受到强烈改造而形成形态各异的层面(图3)。

图3 偃龙地区铝土矿中部豆鲕(碎屑)状铝土矿形成过程模式图

(3)上部铝土质泥岩产生的原因

上部铝土质泥岩主要矿物成分为高岭石，并富含菱铁矿，少量硬水铝石主要呈隐晶质存在。高岭石并富含菱铁矿应该是植物高度发育，富含有机酸的沼泽环境下的产物，这与该层有机碳含量较高(最高达5.49%)，富含纹层状的煤线相对应。这一环境下，排水又变得不畅，氧化硅不易流失，导致优先形成微晶或隐晶质的自生高岭石矿物，而不易形成铝矿物。上部铝土质泥岩发育水平纹层状构造，纹层由成分略有差异的条带表现出来，有些纹层甚至由煤线组成，反映了水体非常安静的沼泽环境，这与中部的碎屑(豆鲕)状铝土矿表现出的脉动式抬升和水体的极不安静形成鲜明对照。

所以，铝土矿的三层模式及其矿物学、结构构造的系列变化是由一个完整的构造旋回所决定的。这一构造旋回影响着海平面的升降、岩溶作用的发育程度、水解风化作用的强度，也影响着铝土矿的再搬运和再沉积作用(图4)。

图4 偃龙地区铝土矿形成模式图

3.2 控矿因素

(1)地层控矿

本区铝土矿沉积基底主要为寒武系、奥陶系地层，上石炭统本溪组为铝土矿的赋存层位，铝土矿成矿与本溪组地层厚度、岩性岩相有着明显的相关关系，局部富集受古岩溶地形的控制(温同想等，1984；水兰素等，1999；孙越英等，2006)。本溪组含矿岩系的分布范围、埋深及岩相特征直接控制着铝土矿体的赋存位置和空间特征，寒武系、奥陶系碳酸盐岩古岩溶侵蚀面的起伏形态间接控制着铝土矿体的形态、产状及规模等。

(2)构造约束

区内构造对含矿岩系和铝土矿体的分布范围、埋深、连续性及完整性等起着重要的控制作用，在铝土矿的整个形成过程中，由于不同阶段构造活动强度的差异，控制了铝土矿在含矿岩系中的位置。在含矿岩系的中部，由于构造的脉动式活动，促使了岩溶作用的发育，改善了泄水条件，造成了优质铝土矿往往在含矿岩系的中部出现。而构造作用相对平静的下部和上部铝土质泥岩则矿石品质较差。

(3)岩相古地理因素

本区在寒武世至石炭世长期处于多期构造活动的准地台边缘，区域南侧与秦岭褶皱系毗邻，形成有中条、岱嵋寨、嵩山、箕山长葛、洛固等古隆起和沁阳一开封、渑池、宜阳、登密、临襄等古坳陷区(吴国炎等，1996；罗铭玖等，2000)，坳陷区晚石炭世沉积分布范围广，铝土矿床在坳陷区斜坡边部及古隆起区的过渡地带集中分布(温同想，1996；陈丽娟等，2008；朱东辉等，2012)，对铝土矿的生成和聚集具有重要控制作用。

根据偃龙地区岩相古地理研究资料，结合地层特征、剖面结构、沉积构造、元素特征等，本区晚石炭世沉积相为滨岸泻湖泥岩相区(陈守民等，2011)，控制着本溪组含矿岩系的沉积环境。

(4)构造格局控制矿体的空间分布

本区铝土矿主要形成于岩溶斜坡环境，并受到NW向和NE向节理的联合控制。主要受到NW向节理控制的矿体，其形态也主要为长轴呈NW向的透镜状，受到两组节理联合控制的矿体，其形态主要为漏斗状(囊状)，方向性不明显。NW向和NE向节理都极其发育的地区，岩溶作用的范围和强度也较大，矿体呈厚度较大的似层状，而在岩溶不太发育的地区，矿体主要呈厚度较薄的似层状。

4 结论

(1)偃龙地区铝土矿沉积基底主要为寒武系、奥陶系地层，上石炭统本溪组为铝土矿的赋存层位，铝土矿成矿与本溪组地层厚度、岩性岩相有着明显的相关关系，局部富集受古岩溶地形控制。

(2)偃龙煤田深部具有良好的铝土矿形成条件，通过4年的矿产勘查工作，取得了丰硕的找矿成果，探明资源储量2.12亿吨，埋深300m～500m是矿体主要赋矿空间。

(3)铝土矿床分布在坳陷区边部及隆起区的过渡带，铝土矿的厚度和品质与本溪组厚度有着明显的正相关关系。根据本区本溪组的厚度对铝土矿进行了成矿预测，深部仍有较好的成矿远景。

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Geological Characteristics and Genesis of the Deep-Seated Bauxite Beneath the Yanlong Coalfield in Western Henan Province

LU Zheng-qing,CHAI Shi-gang,LIU Hui-xing,HE Xu-qi,QU Yu-bing,GAO Xuan,LI Xiao-rong,WANG Jian-mei

(TheFourthGeo-explorationInstitute,HenanBureauofGeo-explorationandMineralDevelopment,Zhengzhou,Henan450001)

The deep-seated bauxite deposit beneath the Yanlong coalfield lies in the Songji bauxite mineralization area of western Henan bauxite mineralization area,which is an important component of the West Henan bauxite mineralization district.The bauxite occurs in the middle-upper part of the upper carboniferous series Benxi Formation,underlain by the Cambrian -ordovician limestone with karst characteristics.The sedimentary facies is coastal lagoon mudstone,belonging to diaspore type karst ore deposit in a marine setting.The ore body mainly occurs in the karst terrain.This paper describes the ore-bearing rock system,ore deposit geology and ore features of this area,discusses the metallogenic geological setting,the distribution and enrichment processes of the bauxite ,and analyses the ore genesis and ore-controlling factors.The research results suggest that this bauxite was generated in a transitional zone between the marginal depression and uplifted area,where the thickness and quality of bauxite are positively correlated with the thickness of the Benxi Formation.It is forecasted that a good prospect of mineralization exits at depth beneath this area.

Yanlong bauxite,geological characteristics,deposit genesis,ore-controlling factors

2016-03-04；

2016-05-29；[责任编辑]陈伟军。

2011年度河南省地质勘查基金项目(编号：52，17)资助。

鲁正清(1973年-)，男，地质工程师，从事资源勘查与研究工作。E-mail: 654884032@139.com。

P611

A

0495-5331(2016)04-0627-8

Lu Zheng-qing,Chai Shi-gang,Liu Hui-xing,He Xu-qi,Qu Yu-bing,Gao Xuan,Li Xiao-rong,Wang Jian-mei.Geological characteristics and genesis of the deep-seated bauxite beneath the Yanlong coalfield in western Henan Province[J].Geology and Exploration,2016,52(4):0627-0634.