江西上犹小寨背高岭土矿矿床地质特征及矿床成因

郑 翔, 任国刚, 张德志, 王宇飞, 黄实卫, 何玉波

(1.江西应用技术职业学院,江西 赣州 341000; 2.江西应用技术职业学院 立达科技开发总公司,江西 赣州 341000;3.中国建筑材料工业地质勘查中心 福建总队,福建 福州 350000; 4.江西省赣州市崇义县剑桥矿业有限公司,江西 崇义 341300)

江西上犹小寨背高岭土矿属于风化残积亚型高岭土矿,小寨背高岭土矿区成矿的围岩为加里东晚期龙头岩体边缘相细粒白云母花岗岩及中细粒二云母花岗岩,矿石类型为砂质高岭土,矿床类型为风化型风化残积亚型。加强对矿区高岭土矿成因的研究,对寻找新矿点具有重要意义,对发展地方经济也起到至关重要的作用。

1 区域地质背景

本区位于南岭纬向构造带东段大余—瑞金东西构造亚带与兴国—崇义北东向构造带交汇部位,地处华南褶皱系赣中南隆褶断束的西南部,区内构造运动多期活动,褶皱、断裂构造发育,岩浆侵入频繁,成矿作用显著,是江西南部以钨锡为主的多金属矿产主要产地之一(图1)。多期次侵入的花岗岩体广泛分布,地表风化壳发育,也是风化壳型稀土、高岭土矿主要产地之一。

2 矿区及矿体地质特征

2.1 矿区地质

矿区出露地层主要有寒武系高滩群和第四系全新统,高滩群地层岩性主要为长石石英砂岩、粉砂质板岩及灰岩,第四系全新统地层主要为残坡积岩石碎屑及砂质粘土、亚粘土、腐质粘土等。矿区以断裂构造为主,主要有北东向、南北或近南北向构造。矿区出露岩浆岩以龙头岩体边缘相为主,次为侵入岩体中的花岗斑岩、细晶岩脉。龙头岩体岩性主要为白云母花岗岩和二云母花岗岩。

图1 区域地质图Fig.1 Regional geological map1.第四系;2.白垩系上统南雄组;3.泥盆系中统;4.寒武系上统;5.寒武系中统;6.寒武系下统;7.震旦系上统上部;8.震旦系上统下部;9.燕山早期第二阶段第一次黑云母花岗岩;10.燕山早期第一阶段第二次黑云母花岗岩;11.加里东晚期第二阶段第二次黑云母花岗岩;12.加里东晚期第二阶段第一次黑云母花岗二长岩;13.加里东晚期第一阶段第二次黑云母花岗闪长岩;14.地质界线;15.角度不整合;16.正断层;17.逆断层;18.航照解释断层;19.性质不明断层;20.矿区位置。

矿区内施工66个浅钻,以揭穿半风化层及基岩,控制了矿体的底板。钻探工程施工43个钻孔,最大深度达58.1 m。43个钻孔均揭穿了全风化层、半风化层至基岩,为了解矿区全风化层矿体厚度及半风化层矿化程度起到了良好的引导作用,矿区地质图见图2。

图2 矿区地质图Fig.2 Regional geological map1.第四系全新统;2.加里东晚期龙头岩体边缘相中细粒二云母花岗岩;3.矿体及编号;4.花岗斑岩及产状;5.地层产状;6.相变界线;7.浅井及编号;8.槽探及编号;9.勘探剖面线;10.寒武系高滩群;11.加里东晚期龙头岩体边缘相细粒白云母花岗岩;12.硅化破碎带;13.石英脉及产状;14.地质界线;15.钻孔及编号;16.洛阳铲及编号;17.勘探线及编号。

2.2 矿体原岩特征

龙头花岗岩体主要岩性为细粒的云母花岗岩及中细粒二云母花岗岩,二者呈过渡接触关系。岩石呈灰白色、灰色、细粒及中细粒花岗岩结构、块状构造,主要造岩矿物有石英、微斜长石、中—更斜长石、白云母及黑云母,副矿物有锆石、磷灰石。石英呈他形粒状,交代蚕蚀状,微斜长石呈半自形柱状,交代残余状,被绢云母、白云母交代,双晶不明显,少见残留的格状双晶,中—更斜长石呈半自形板状,聚片双晶模糊,双晶纹宽度中等,少见环带,中心较基性,边缘较酸性;黑云母少见,多为白云母交代,白云母呈黑云母假象存在。主要造岩矿含量石英30%～35%,微斜长石20%～25%,中—更斜长石35%～40%,白云母(包括黑云母)6%～7%,其他矿物少量。花岗岩岩石化学成分见表1及微量元素含量见表2。

岩石蚀变主要由交代作用形成的面型蚀变,蚀变类型有硅化、钾长石化、钠长石化、绿泥石化及白云母化。

表1 龙头花岗岩与南岭花岗岩化学成分对比表Table 1 The chemical composition contrast table of Longtou and Nanling granites

表2 龙头花岗岩微量元素含量对比表Table 2 The trace elements comparison table of Longtou granite

2.3 矿体垂向特征

花岗岩风化成矿具有明显的垂直分带特征[2-3],本区花岗岩风化壳的垂直分层特征也非常显著,其发育完整的垂直剖面从上到下,可划分为表土层、全风化层、半风化层、弱风化至基岩四层(图3)。

图3 风化壳剖面分层示意图Fig.3 The layered schematic of weathering crust cross-sectional

表土层上部为腐植层,由大量植物根系和粘土、砂质粘土组成;下部为亚粘土层,主要成分为粘土和细小石英粒。全风化层上部为网纹状风化层,由于沿着岩石原有裂隙风化作用更为强烈,形成网纹状亚粘土,与上覆表土层呈渐变过渡关系;下部为灰白、乳白色全风化层,原岩结构模糊不清,长石基本完全解体变为粘土矿物,矿物成分有高岭石、石英、白云母及绢云母,黑云母极少见。全风化岩石质地疏松,易碎,手捏即碎,具滑感,是高岭土矿体的主要赋矿层位。往下渐变为半风化层,风化程度与上层相比大大降低,呈灰白,浅黄褐色,半疏松状,手捏较难破碎,具明显砂感,原岩结构尚清楚,长石晶形保留完好,大部分风化成高岭石,部分半风化岩石可达高岭土矿工业指示要求。基岩呈弱风化,基本保留岩石原貌。下部由弱风化渐变为基岩,基本无风化迹象。

2.4 矿体平面分布特征

矿体主要分布在海拔250～350 m之间,南部较高,北西部偏低。沿着呈似层状的风化壳中、上部分布,平面形态严格受风化壳分布形态的控制。形态平面上多呈阔叶状、似圆状、椭圆状,剖面上形态较为简单,单体呈似层状随地形波浪起伏产出。当地形的切割较深时,矿体多呈透镜状尖灭。高岭土矿化均匀,矿体基本连续。矿区内除切割较深的沟谷、冲积残坡积层及基岩暴露的陡壁无矿外,绝大部分风化壳全为矿体。非矿盖层较薄,一般0.1～1.5 m,呈小块零星分布在下山坡及坡脚地带。矿体下部为半风化层,其分界线即为矿体底板。分界线无明显变化,只是花岗岩风化程度变弱,呈渐变过渡关系。矿区主要勘探线剖面图(见图4)。

图4 矿区主要勘探线剖面图(A-A’剖面)Fig.4 The layered schematic of weathering crust cross-sectional(A-A′ profile)1.第四系全新统；2.加里东晚期龙头岩体边缘相中细粒二云母花岗岩；3.变质石英砂岩；4.细粒白云母花岗岩；5.矿体及编号；6.地层产状；7.相变界线；8.寒武系高滩群；9.加里东晚期龙头岩体边缘相细粒白云母花岗岩；10.砂质板岩；11.中细粒二云母花岗岩；12.硅化破碎带；13.地质界线。

3 矿石特征

3.1 矿物学特征

矿石的结构构造已改变了原岩的结构构造而呈砂状,砂土状及松散状构造,局部见高岭土矿化现象;部分裂隙充填褐黄色粘土、褐铁矿,使铁染组成斑染构造。矿石结构有变余花岗岩结构,矿石虽呈松散状,但大多不破坏原岩结构,仍可见由石英、高岭土(长石风化而成)白云母等组成的花岗结构、交代结构及交代残余结构。

取样送国土资源部南京矿产资源监督检测中心X衍射检测,矿物成分含量石英30%～50%,长石18%～35%,水云母10%～25%,高岭石5%～18%,绿泥—蛭石—蒙脱混层5%,黑云母皆风化呈土状,暗色矿物极少量。石英呈乳白色,烟灰色,透明—半透明,玻璃光泽,浑圆状,粒径2～5 mm。白云母无色,淡蓝色,片状,大小1～5 mm,完全解理,薄片具弹性,部分

白云母具不同程度的高岭土化,风化作用较强时,高岭石呈白云母假象。高岭石白色、黄褐色,土状,具滑感、易碎,主要由长石风化而成。原矿粒度分析结果,高岭石细粒主要分布在2～25 μm之间,占总量的61.14%。

3.2 地球化学特征

矿体及矿块的Al2O3和Fe2O3含量变化特征从表3可看出,矿块Al2O3含量最低14.38%,最高16.17%,平均15.17%,含量均匀,变化系数仅3.87%;矿块Fe2O3含量最低0.65%,最高1.51%,平均1.01%,变化系数达32.05%,比Al2O3含量变化大了许多。表4为矿石多元素含量检测结果,除常见主要成分含量外,对次要元素也作了部分分析,其结果是多数含量甚微,检出值大都<0.01%,对高岭土矿的质量基本不构成影响。矿石中TiO2平均含量0.06%,含量低,不大均匀,变化系数47.75%。

从表4、表5可看出原矿的全分析与精矿的全分析,精矿分析SiO2明显减少14.05%,Al2O3增加3.78%,Fe2O3增加1.11%,TiO2增加0.09%,Na2O增加1.26%,K2O减少1.28%,其他变化不大。

表3 矿体厚度Al2O3及Fe2O3含量变化表Table 3 The Al2O3 and Fe2O3 content variation table of the ore body thickness

3.3 矿石物理学特征

矿石样品平均小体重值为1.69 g/cm3,大体重中湿体重为1.81 t/m3,干体重为1.68 t/m3;自然白度为61.6°～64.9°,烧成白度为69.8°～71.9°,属中等偏上;干燥收缩率检查结果为2.8%,低于一般5%左右的收缩率;可塑性指数为0.29,比一般0.5指数偏小;可塑水值为24.3%,与一般26%左右基本持平。

表4 原矿多元素含量检验结果表(%)Table 4 Results table of ore multi-elements content test

表5 精矿多元素含量检验结果表(%)Table 5 Results table of concentrate multi-element content test

4 矿床成因分析

4.1 原岩物质条件

高岭土蚀变前的原岩是影响其质量的先决条件,由于中性—基性原岩中铁、钛含量高,形成的高岭土中铁、钛含量仍然很高,决非优质矿,甚至不能成为高岭土矿[4]。龙头岩体属加里东运动后期产物,经历了相对成熟的岩浆分异演化,形成富硅铝岩浆,相比早期形成的內潮岩体、蓝田埠岩体和上犹岩体,其铁、钛含量也相对较低,为形成质量较好的高岭土矿提供了较好的先天条件。

风化型风化残积亚型高岭土矿床是主要由铝硅酸盐矿物组成的岩石经长期化学风化作用过程中形成的,较为富含铝硅酸盐矿物的龙头花岗岩经风化形成了小寨背高岭土矿床。铝硅酸盐矿物组成的岩石风化残积成高岭土矿床要经过长期地质作用,主要为内生岩浆作用和表生风化成矿作用两个重要阶段。在内生岩浆作用阶段,由于强烈的构造运动,致使上地壳前寒武系基底的长英质岩局部熔融,产生花岗质熔融体,在外界条件制约下,源地岩浆分异演化,形成富硅铝岩浆。待再次构造活动时(即加里东晚期),源地分异演化的岩浆上侵定位于由寒武系地层构成的复式向斜核部薄弱地段,形成了龙头花岗岩株。在岩浆结晶晚期,热夜蚀变使岩体产生自交代作用,特别是在岩体边缘地带,黑云母普遍白云母化,随着蚀变作用的强弱差异变化,形成了富硅铝酸盐矿物而贫铁的白云母花岗岩及二云母花岗岩。二者呈渐变关系,为生成高岭土矿床奠定了物质基础。在表生风化成矿作用阶段,龙头岩体所处地段段区域上构造活动较为强烈,致使岩体及其上覆地层严重破裂,加上其他营力(重力、气候变化等),从而加速了岩体的物理风化作用。岩体裸露地表后,因地处亚热带,气候温和潮湿,植被繁茂,对岩石化学风化作用十分有利,容易形成富硅铝风化壳。矿区地处丘陵地带,花岗岩风化作用形成的风化壳厚度大于遭受剥蚀的厚度,在漫长的化学风化作用中,Al2O3与Fe2O3等成分相对富集或分散,形成了现今风化壳厚度保存较好的高铝低铁高岭土矿床。

4.2 岩石风化条件

在表生风化成矿作用阶段,原岩经风化作用形成富硅铝风化壳。岩石风化壳风化阶段分为早、中、晚期三个风化阶段。早期风化阶段岩石中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等离子部分逐渐被水溶液中的H+置换,从矿物晶格中离解出来,大部分随水迁出风化产地,而难溶解矿物中Ca、Mg等流失少,则相对富集,成为早期富Ca阶段。中期阶段原岩中的铝硅酸盐在湿热条件下经风化成为粘土矿物,属次生铝硅酸盐,如高岭石等,不易流失,就地残积。花岗岩风化壳高岭土矿床即为中期风化富硅铝阶段的产物。晚期在湿热条件下高岭石继续风化,SiO2不断游离出来,使高岭土脱硅成为富铝阶段。本矿区地处湿热气候地带,花岗岩风化作用较为强烈,正处于中期富硅铝风化阶段,为形成风化壳残积型高岭土矿床提供了有利条件。

风化壳化学成分同原岩相比,Na2O含量明显降低,其次是CaO、MgO,K2O呈增高趋势;Al2O3含量有所增加,而Fe2O3含量出现波动,表明Fe2O3成分在风化壳中呈不稳定状态。Al2O3含量平均15.22%,比基岩13.65%增加1.57%,变化系数小,平均4.76%,属均匀变化类型。Al2O3含量频率分布曲线(图5)呈较为标准的正态分布形式,表明Al2O3的含量变化趋向于受一个主导因素控制。事实上,Al2O3属稳定成分,它的增加是以其它成分如Na2O等减少而成的,因此,这个主导因素就是花岗岩的风化地质作用,其它成分减少越多,Al2O3就增加越多。Fe2O3含量平均1.04%,比基岩0.67%有所增加。变化系数平均34.11%,比Al2O3大了许多,属比较均匀变化类型。Fe2O3含量频率曲线(图6)呈多峰分布形式,但整体基本对称为一个大的高峰,表明Fe2O3在岩石风化过程中除一个大的主导因素即风化作用控制外,还存在一些小的控制因素。这些小的控制因素可能包括Fe的氧化还原作用,次生矿物的分散与聚集作用及风化壳剥离侵蚀作用等。

图5 Al2O3含量频率分布图Fig.5 The frequency distribution of Al2O3 content

龙头岩体所处地段区域上构造活动较为强烈,致使岩体及其上覆地层严重破裂,加上其它营力(重力、气候变化等)作用,从而加速了岩体的物理风化作用。酸性介质条件有利于长石、云母类矿物水解形成风化残积型高岭土矿床,影响水介质性质及其对原岩蚀变强度的因素除原岩成分、构造条件、地貌特征等外,气候和植被也是成矿的重要影响因素。矿区处亚热带季风区,气候温湿,雨量充足,植被发育,有机酸作用强烈,对岩石化学风化作用十分有利,使铝硅酸盐岩矿物更容易向高岭石方向水解蚀变,并通过淋虑作用带走有害元素。

4.3 构造成矿条件

本区经历过多次构造运动和长期的发展演化历程,各种类型的构造运动发生、发展、继承、改造复合等复杂多变,对成岩成矿的制约也相对复杂。区域内复杂的构造,也是成矿的主要因素之一。断裂及褶皱构造对岩浆侵入具有明显的控制作用,早期的构造运动形成的断裂为岩浆侵位提供了上升通道和成岩空间,区内出露的加里东晚期蓝田埠、欧田、龙头岩体的空间侵位严格地受基底褶皱和区域性大断裂的联合控制。后期的构造运动使已侵位的原岩破碎,这属于物理风化作用。并且,大量的断裂构造为地下水的流动提供了很好的条件,利于水介质对岩石进行充分的淋洗,去除有害组分,从而加速成矿作用;断裂构造还使风化成矿作用向花岗岩深部发展,形成更大的矿体。

图6 Fe2O3含量频率分布图Fig.6 The frequency distribution of Fe2O3 content

5 找矿标志

形成风化残积型砂质高岭土矿床的花岗岩富含长石,少含暗色矿物,主要岩性为白云母花岗岩,次为二云母花岗岩,此类花岗岩多呈岩株、岩瘤或岩枝岩脉产出,其化学成分中含有较低的铁、钛含量,也是形成质量较好高岭土矿的先决条件。所以,加强对此类花岗岩体的勘查工作,对于寻找高质量高岭土矿大有裨益。

花岗岩风化壳的形成严格受到外生作用的制约,温湿、热湿气候,雨量充沛,植被发育,土壤呈酸性,有利于风化壳的形成。地貌条件主要制约风化壳的保存与剥蚀,一般在山顶、山脊及缓坡地段风化壳相对保存完好,大都有工业矿体存在。另外,风化壳含铁质少,含白云母少,高岭土呈灰白色、淡黄色等色调时,往往是优质高岭土的重要找矿标志。

6 结论

(1) 小寨背高岭土矿原岩为龙头岩体边缘相,为细粒似斑状黑云母二次花岗岩。其高硅富铝、低铁钛的地球化学性质,成为形成优质高岭土的天然条件。

(2) 本区处于亚热带季风气候区,温湿的气候条件,繁茂的植被,为岩石的化学风化作用提供了有利的条件。

(3) 本区内复杂密集的断裂等地质构造,为成岩成矿提供了良好的通道和空间;后期的断裂使岩体碎裂,发生物理风化,加快了岩石的化学风化作用;深大断裂使岩石的风化作用进入矿体深部,形成更大矿体。

(4) 加强山顶、山脊及缓坡等地段对富含长石、少暗色矿物的白云母花岗岩的勘查工作,对于寻找高质量高岭土矿有重要意义。

[1] 黎彤,袁怀雨,吴胜昔,等.中国花岗岩类的大地构造岩石化学区划[J].大地构造与成矿学,2000,24(3):202-207.

[2] 王念功.试论花岗岩类风化残余型高岭土矿与地貌之间的内在联系[J].非金属矿,1987(6):1-4.

[3] 张天乐,王宗良.龙岩高岭土矿床地质特征及成矿作用[J].地球学报,1996,17(3):292-301.

[4] 王发宁,周耀华,虞长富.江西高岭土矿床及成矿地质条件[J].中国地质,1986(1):18-20.