河南省焦作市焦谷堆耐火黏土矿床地质特征及矿床成因

纵 瑞，董岘证，张凯涛，张金星，康亚丽

(河南省地质矿产勘查开发局第二地质矿产调查院，郑州 450001)

0 引言

焦作地区位于华北板块南缘，沉积矿产丰富，耐火黏土矿为其优势资源，并有焦宝石之称。以往该地区对浅地表耐火黏土矿的地质勘查和研究程度较高，但对耐火黏土矿的成因尚无统一认识。

本文基于对研究区浅深部耐火黏土开展的普查工作，并以发现的大型耐火黏土矿床为对象，分析其成矿地质背景、矿层地质特征、矿石质量和结构构造等，并根据含矿岩系特征、化学元素含量特征及古生物分析成矿环境和物质来源。

1 区域地质背景

研究区大地构造位置位于华北地台山西台隆南缘太行山拱断束带东部，出露地层以古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系及新生界第四系为主，局部可见中生界三叠系小面积出露；区域构造为印支期和燕山期板块相互作用，形成了目前以北东向、北西向和近东西向为3组断裂的构造格局[1]，断层组合形成一系列地垒、地堑及阶梯状单斜构造；区域内未见岩浆岩出露；区域沉积矿产丰富，区域沉积矿产较为丰富，主要有二叠系无烟煤、石炭系耐火黏土矿、铝土矿，以及寒武系石灰岩及白云岩等矿产。

2 矿床地质特征

研究区出露地层简单，主要为古生界奥陶系、石炭系、二叠系及第四系(图1)。奥陶系主要出露在研究区周边，岩性主要为白云岩、灰岩、泥质白云岩等，顶部为白云岩和灰岩角砾；石炭系广泛分布在研究区中部，主要岩组为太原组和本溪组，其中太原组为一套由灰岩、砂岩、砂质黏土岩、炭质黏土岩及煤层组成的海陆交互相地层，本溪组为一套以黏土矿物为主的铁铝质沉积岩系，亦是普查区的含矿岩系；二叠系山西组在研究区中部大面积出露，岩性以砂岩、粉砂质黏土岩、黏土岩为主；第四系主要分布在研究区山间沟谷，坡顶亦有零星分布。

图1 研究区地质及构造略图

研究区内主要构造形式为断层，以北东向断层为主，规模较大的断层有3条，自北而南编号分别为F13、F14和F15(图1)，均为高角度正断层。F13和F15断层组成地堑，破坏了区内石炭系与周边的连续性，同时也对含矿岩系本溪组起到很好的保护作用。研究区内无岩浆岩出露。

2.1 含矿岩系分布特征

石炭系本溪组为区内耐火黏土矿含矿岩系，下伏于区内中部二叠系和石炭系太原组，平行不整合于奥陶系碳酸盐岩之上，东西两端出露地表，南北受F13和F15断层约束。本溪组呈单斜形态，总体倾向南东，倾角一般0°～15°，产状较平缓，层厚6.24～21.81 m，平均厚度14.59 m。

2.2 含矿岩系地质特征

含矿岩系本溪组为一套以黏土矿物为主的铁铝质沉积岩系，主要由黏土岩、含铁质黏土岩、铁质黏土岩和含炭质黏土岩组成，局部夹有含绿泥石黏土岩、砂岩及煤层。按照岩性组合及沉积旋回特征可将其分成3个段：

上段(C2b3)：顶部为含钙质的杂色黏土岩、上部为黏土岩、下部为含铁质黏土岩。上部常见含炭质黏土岩、局部地段含煤线、薄煤层及耐火黏土矿。该段厚度0.44～9.25 m，平均厚度3.97 m，局部地段不发育。

中段(C2b2)：上部为黏土岩、耐火黏土矿，下部为铁质黏土岩，局部夹有含炭质黏土岩，偶夹薄煤层。该段全区发育，厚度在2.82～10.28 m之间，平均厚度7.40 m。

下段(C2b1)：上部为黏土岩、下部为铁质黏土岩(山西式铁矿赋矿层位)，局部夹有砂岩、含铁质砂岩透镜体，偶见褐铁矿结核。该段厚度1.66～11.14 m，厚度变化较大，平均厚度4.33 m。

综上所述，含矿岩系各段岩性以黏土岩和含铁黏土岩为主，总体为黏土岩和(含)铁质黏土岩组成的3个沉积旋回，每个旋回均以(含)铁质黏土岩沉积开始，而以形成黏土岩结束(图2)。

图2 本溪组地层综合柱状图

2.3 含矿性

区内本溪组中耐火黏土矿层总厚0.81～8.64 m，均厚3.43 m，含矿系数达23.5%，含矿岩系的厚度和矿层总厚度呈明显的正比关系。根据矿层在含矿岩系岩段，可将矿层分为上矿层和中矿层。

3 矿层地质特征

区内本溪组耐火黏土矿床严格受到含矿岩系地层的制约，具有一般层控矿床的共性，即赋存于一定的层位中，上矿层赋存于含矿岩系上段，中矿层赋存于本溪中段。

1)上矿层。区内施工37个工程中仅有4个可见到上矿层，见矿厚度在0.50～3.33 m之间，平均厚度1.32 m，见矿点零星分布，矿层不连续，为规模较小的透镜体，不具有开采价值。

2)中矿层。矿层分布在区内F13和F15断层之间，由37个工程控制，矿层沿走向控制长度约5.7 km，沿倾向控制最大斜深约380 m，矿层底板标高+305～+485 m，埋深0～165 m。平面上矿层东西长约5.7 km，南北宽约0.7 km，面积约4.5 km2，总体呈较规则的多边形。矿层形态比较简单，呈层状分布，总体倾向南东，倾角0°～12°。矿层厚度0.81～6.81 m，平均厚度2.88 m，矿层厚度的变化系数49%，属较稳定型，中矿层厚度与底部奥陶系顶部风化壳有关，往往在底板低洼处矿层厚度较大。

区内耐火黏土矿为本溪组同生沉积矿产，从岩性分布和断层性质看，F13断裂和F15断裂形成地垒构造，对矿层起到了很好的保护作用。区内矿层东西向连续性较好，南北方向F14断层造成了矿层的垂直错断。

3.1 矿石质量特征

1)矿石结构构造：矿石的结构主要为泥质结构，次为鲕状结构、豆状结构、显微鳞片结构和粒状结构；矿石构造以块状构造为主，部分为层状构造、土状构造，少量微层状构造。

2)矿石物质组成：主要矿物成分为高岭石，含量在80%以上，水铝石含量3%～15%，绢云母、水云母少量，微量矿物有榍石、电气石、金红石、磷灰石、石英、方解石、赤铁矿、黄铁矿、褐铁矿等。

(3)矿石物化特征：矿石的主要物理指标为烧失量和耐火度，耐火度1 650～1 780 ℃以上，平均1 735 ℃、烧失量5.91%～15.00%，均值为12.18%；矿石的化学成分主要为Al2O3、SiO2、TiO2、Li2O、K2O、CaO、Na2O和Fe2O3，有益组分以Al2O3为主，次为TiO2、Li2O，有害组分主要为Fe2O3，次为K2O、CaO、Na2O，矿石主要化学成分见表1。

表1 矿石主要化学成分含量 单位：%

通过对区内矿石物化特性的相关性进行分析(表2)，Al2O3与SiO2相关系数为-0.86、与耐火度相关系数为0.43、与Fe2O3相关系数为-0.61，说明Al2O3的含量和SiO2、Fe2O3含量呈负相关，与耐火度的高低呈正相关。

表2 矿石主要物化指标相关性分析表

3.2 矿石类型及品级

1)矿石的自然类型。按矿石的结构、构造可分为致密块状矿石、鲕状—豆状矿石两种类型。

2)矿石的工业类型与品级。区内矿石工业类型可分为高铝黏土矿和硬质黏土矿，矿石品可划分为高铝Ⅱ级、高铝Ⅲ级、硬质特级、硬Ⅰ级、硬Ⅱ级、硬Ⅲ级品。中矿层矿石以硬Ⅱ品级为主，次为硬质特级、硬Ⅰ级及硬Ⅲ级，零星分布高铝黏土矿。

4 矿床成因

4.1 古构造环境

研究区所处的华北地台在古生代期间属构造稳定期，总体上华北地层表现为区域升降运动为主[2]。

中奥陶世的加里东运动造成了华北陆块的整体上升，结束了早古生代的海侵，并形成了区域上早石炭世隆起和坳陷的不平整基底(图3)。华北陆块的整体上升，造成了奥陶系岩石风化剥蚀，为本溪世沉积岩提供了重要的物质来源；构造稳定期为本溪世岩石及耐火黏土矿的形成提供了良好的外部环境；基底坳陷为碎屑物质的聚集提供了优越的空间。

图3 河南省早石炭世古构造示意图[3]

4.2 古气候特征

研究区本溪组岩性为黏土岩、含炭黏土岩、砂岩、局部夹煤层，根据岩石及组合的特征可以看出，石炭纪环境降水量远大于蒸发量，充足的水分有利于碎屑物运移、富集以及煤层的形成；从矿石中矿物组成来看，高岭石所占比例达80%以上，而高岭石矿物是湿润气候的指示矿物[4]；从古生物生长环境看，区内耐火黏土矿及围岩含Arthiophyta化石(节蕨类植物门)，该植物好热喜湿，生长于热带—亚热带地区，与岩石古地磁计算成果，即河南中部位于北纬6.9°～33.82°，属热带—亚热带地区的结论一致[5]。

4.3 成矿古水体盐度

判断沉积环境的海陆相，可以依据沉积物在不同环境中元素分布特征为基础。目前对古盐度恢复的方法主要有Sr元素含量法、Sr/Ba和V/Zr比值等方法[6]。区内沉积物中Sr含量以160×10-6为界线，含量小于该值的为陆相；Sr/Ba值小于1为陆相；V/Zr值位于0.12～0.40为陆相沉积、0.25～4.0指示海相沉积。

区内耐火黏土矿微量元素Sr含量最大值为102×10-6，以及Sr/Ba、V/Zr关系图解(图4)均表明区内：成矿古水体应为淡水陆地沉积，结合古气候为热带—亚热带的湿润气候，可以判断古水体主要来源于大气降水。

图4 耐火粘土矿Sr-Ba和V-Zr图解

4.4 成矿氧化还原环境

区内耐火黏土矿及围岩，含少量炭质成分，矿层夹石局部为薄煤层，故本溪组岩性多反映石炭纪总体处于还原环境；从矿石组成矿物的结晶环境出发，耐火黏土矿中的黄铁矿，其结晶是由于Fe+2离子在还原环境下与S-2结合所形成；从矿石稀土元素氧化还原指示元素Ce分析，δCe为0.23，其比值小于1，表现为Ce亏损的负异常，表明黏土矿物质形成于还原环境[7]；矿石中V/Cr为0.4～1.05，其值小于2，说明矿石形成于有氧环境；通过微量元素综合判断，区内耐火黏土矿形成于有氧—还原环境，这和矿石中产出植物化石及含黄铁矿矿物生成环境指示一致。

4.5 成矿物质物来源

对沉积岩物源区的判定可以采用稀土元素、砂岩TiO2—SiO2图解和La/Yb—REE图解[8]。

稀土元素在地质体中较稳定，其分配模式遵循能斯特分配定律，对追索沉积岩源区具有重要意义。通过对矿石、含矿岩性和底板奥陶系碳酸盐岩绘制球粒陨石(W.V.Boynton，1984)标准化石标准化分布型式图，发现本溪组耐火黏土矿、黏土岩、砂岩的稀土球粒陨石标准化分配曲线呈平行分布，说明本溪组物源具有一致性。

据本溪组砂岩TiO2-SiO2图解(图5)发现，样品点在沉积岩和火成岩均有分布；在矿石La/Yb-REE图解中，矿石点落在碱性玄武岩、花岗岩和沉积岩内。研究区地处沁阳开封坳陷，矿层底板及周边为早石炭世碳酸盐岩古隆起，周边亦有与中条和固洛火成岩(硅酸岩)古隆起。由此可知，碳酸盐岩和古隆起硅酸岩为区内成矿物质来源。

图5 稀土元素球类陨石标准化分布型式图

在黏土矿化过程中，Al和Ti含量相对稳定，Al2O3/TiO2含量呈线性关系，其比值与物源相同的各类岩石的比值相接近[9]，能反映源岩区的化学成分特征。河南地区奥陶系底板灰岩Al2O3/TiO2平均比值为23.8，临近古陆硅酸岩中Al2O3/TiO2的比值为16.5[10]，区内耐火黏土Al2O3/TiO2比值为17.7～36.72，均值为21.8(图6～7)，更接近底板碳酸盐岩，故底板奥陶系碳酸盐岩为区内耐火黏土形成提供更多成矿物质。

5 结语

1)区内耐火黏土矿赋存于本溪组中，为层状沉积矿床，矿床位于奥陶系碳酸盐风化壳的古坳陷内，矿床受地层控制和断裂约束；矿层厚度受奥陶系风化壳形态限制，在地形低洼处表现富集。

图6 本溪组砂岩TiO2—SiO2图解

图7 耐火黏土矿和地球岩性La/Yb-REE图解

2)含矿岩系成岩于古生代构造稳定期，为成矿提供了优越的构造环境；研究区处于古坳陷，为周边古陆硅酸岩和奥陶系古隆起碳酸盐岩的碎屑物质提供了有利的储存空间。

3)区内耐火黏土矿床，表现出泻湖相沉积特征，根据其微量元素含量、岩性矿物组合特征分析矿床形成与气候条件为湿润的陆相淡水环境；湿润的古气候，为岩石碎屑的机械破碎提供了物理条件；充足的水分，为矿物的溶解和元素迁移提供化学条件；有氧—还原的古水体性质有利于金属离子沉积，也是区内本溪组岩石富铁的原因。