大坪矿区风化壳性质与地貌形成环境分析

刘石宏，戴塔根，程 健，邓德虎

（1.中南大学，湖南 长沙 410083；2.湖南省核工业地质局三〇三大队，湖南 长沙 410119）

湖南省蓝山县大坪稀土矿床为典型华南风化壳离子吸附型稀土矿床[1]，成矿岩体为印支期砂子岭岩体中细粒黑云母二长花岗岩和燕山早期金鸡岭岩体中粗粒黑云母二长花岗岩，二岩岩体中La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er等稀土元素的丰度值在华南产稀土花岗岩中居前列。经表生成矿作用次生富集形成离子吸附型矿床。矿体赋存于风化壳的中上部，呈层状、似层状，风化壳厚度越大矿体厚度越大。而岩石的风化剥蚀控制了风化壳的厚度以及地形地貌的形成，进而控制了矿床的分布。影响岩石风化剥蚀的因素很多，除气候生物等外在因素外，还有矿物的抗风化性和岩石的结构构造等内在因素[4]。岩石的“能量地球化学”概念是由洪庆玉(1992)所提出的地能学说引申而来的。它主要是将岩石化学成分以及由此而形成的矿物组合关系转化为对岩石能量的计算，是矿物抗风化性的一种表达方式，可用于从量化角度评价岩石的抗风化剥蚀能力。

1 研究区基本概况

矿区位于南岭地区，处在扬子地台与华南褶皱带的交汇部位，自中元古宙至晚白垩世，岩浆活动强烈，岩浆岩分布广泛（图1）。

图1 九嶷山复式岩体地质简图

本区属九嶷复式岩体中段，具多期多阶段成因特征和演化过程。从早到晚分别有加里东期雪花顶岩体、印支期砂子岭岩体、燕山期西山（天鹅寨）岩体和金鸡岭岩体，补充侵入体有螃蟹木岩体，细粒花岗岩脉和花岗斑岩脉广泛发育。矿区内岩体主要为印支期砂子岭岩体和燕山期金鸡岭岩体。

矿区整体地势为中间高四周低，但矿区两岩体地貌特征迥异，岩体中心金鸡岭岩体表现为中山山地地貌；金鸡岭岩体边缘表现为中低山缓坡地貌；外围砂子岭岩体表现为低山丘陵地貌。区内河流接受岩体内大小溪流注入后，汇集成若干条河流呈放射性向四周排出区外。

该区属于亚热带温湿气候，植被茂盛，雨水充沛，有机酸来源丰富，以化学风化作用为主的表生成矿作用强烈，在丘陵地区和低山缓坡地貌中，风化作用大于剥蚀作用，故可以发育厚度较大的风化壳。

2 风化壳性质与地貌形成环境分析

2.1 风化壳性质

本区花岗岩风化在砂子岭岩体低山丘陵地区及金鸡岭岩体中低山缓坡地区最为发育。其面状风化较为充分，风化壳厚度大。部分坡陡脊窄、山谷呈“V”字形的中低山陡坡地区的风化壳呈裸脚式分布，风化壳厚度较全覆式风化壳薄。

该地区风化壳由腐植层、粘土层、全风化层、半风化层、弱风化层（基岩）组成，多具有明显的分层界线。

腐植层：呈黑色、灰褐色，含有植物根系和有机质。主要由粘土矿物和石英颗粒组成，粘土矿物含量达70%～90%，厚度一般0m～0.5m。由于植物根系、落叶等腐败形成大量的有机酸可以促使稀土元素从花岗岩溶出并在风化壳中迁移，有机酸在地下水作用下下渗，是促使稀土元素从风化矿物中析出并被粘土矿物吸附所必备的pH条件。

粘土层（B层）：呈土黄色、红棕色，含有少量植物根系。主要由粘土矿物、石英颗粒组成，结构疏松，粘土矿物达50%～60%，厚度一般0m～2m。该层由于含有大量的Fe(OH)3胶体而呈红色，降低了粘土对稀土元素的吸附和交换能力;另一方面由于该层结构疏松，导致部分稀土离子介质由水流作用一起下渗到全风化层或随地表径流转移。

全风化层（C层）：呈灰黄色、浅肉红色，局部因含铁而呈紫红色。主要由粘土矿物、石英、少量云母组成，粘性差，易松散。厚度一般2m～10m，最后可达30m。是矿体的有利赋矿层位，含量较高的稀土阳离子在此层有充分的时间在较适宜的介质环境中被粘土矿物组分所吸附。

表1 主要氧化物q值表 单位（大卡/克）

表2 工作区岩体基岩-风化壳化学成分一览表

半风化层（D层）：呈灰白色、浅肉红色，基本保留基岩的颜色和结构，易风化矿物原地风化，难风化矿物未风化[3]，主要由未完全风化长石及粘土矿物、片状黑云母组成，厚度一般2m～6m。半风化层上部也可以形成稀土元素富集体，下部主要为裂隙发育带。

弱风化层（E层）：即基岩、含矿母岩，岩石结构致密坚硬，各种矿物均只遭受微弱的风化。

2.2 地貌形成环境分析

2.2.1 地质发展简史

工作区经历了地槽、地台、地台活化三大发展阶段。震旦—寒武纪地槽沉积，沉积了一套巨厚的深海浊流沉积，具地槽型复理石建造；加里东运动后地台发展阶段，地壳整体下降，多次震荡，印支期运动结束了本区的海侵历史，使本区再次隆起上升为陆；燕山早期，本区进入地台活化发展阶段，地壳持续上升，处于剥蚀状态至早白垩世，岩浆活动也达到鼎盛时期，形成了砂子岭、西山、金鸡岭等岩体及众多细粒花岗岩脉。进入第四纪以来，该区以风化剥蚀作用为主，沉积作用为辅，仅在河流中、下游、山麓边缘地带有洪—冲积物和残积的砂、砾、砂泥层及粘土层，地壳的多次振荡抬升，使区内河流形成2～3及阶地。

2.2.2 差异风化剥蚀对地貌的控制

岩浆在结晶成为岩浆岩时随着温压降低、化学组分的不断变化，释放出很大的能量，反之当岩浆岩受到破坏、风化或分解时，也必须施加给它同样大的能量。因此，岩浆岩的岩石能量是衡量岩浆岩抵抗风化剥蚀作用重要的因素之一，即岩石能量越大，矿物或岩石抗风化 的能力越强，反之则越弱[4]。

洪庆玉[5](1992)在晶体化学第二定律的基础上,提出了利用岩石化学分析所得的氧化物百分含量计算岩石能量的新原理和方法，即：

U=q×μ

式中：U为岩石能量；q为岩石能量系数；μ为岩石的摩尔量，而：

式中：q岩石为所求岩石的能量系数；qsio2为SiO2及其他氧化物的能量系数（表1）；Ksio2为SiO2及其他氧化物的质量百分数[6]。

应用上述方法，本文计算了金鸡岭岩体与砂子岭岩体基岩以及风化壳的岩石能量(表 2)。由此表可以看出，砂子岭岩体到金鸡岭岩体基岩平均岩石能量系数 q岩石从43.1大卡/克递增到 45.16大卡/克，平均岩石能量从3005.9大卡/克分子增加到3036.5大卡/克分子。风化壳中平均岩石能量系数 q岩石从43.04大卡/克递增到 45.89大卡/克，平均岩石能量从3028.5大卡/克分子增加到 3069.1大卡/克分子。

若将能量守恒定律应用到岩浆岩在地表条件下所遭受的风化上，则可看出岩石的能量不仅可作为岩石结晶放出能量的度量，同时它也是岩石抗风化剥蚀能力的度量。因此，对比印支期金鸡岭岩体与燕山砂子岭岩体，岩石能量逐步加大，其抗风化剥蚀能力也逐步加强 。从而构成了该区岩体中央晚期金鸡岭岩体地势高而四周早期砂子岭岩体地势低的地貌特征。

2.2.3 差异风化剥蚀作用对风化壳的控制

由于差异风化剥蚀机制的作用，金鸡岭岩体东部风化深度5—30m，金鸡岭岩体中部、南部风化深度3—22m，砂子岭岩体风化深度6—35m。根据对矿区已施工的495个浅井进行数据采集，砂子岭岩体风化壳平均厚度要大于金鸡岭岩体风化壳平均厚度约4m。矿区岩体中央高四周低的地貌特征以及放射性的河流系将稀土离子运移至岩体东部地势较低坡度较缓的大坪地区形成大型的离子吸附型稀土矿床。

3 结论

（1）从印支期的砂子岭岩体到燕山期的金鸡岭岩体基岩和风化壳平均岩石能量系数均逐步递增。

（2）从印支期砂子岭岩体到燕山期金鸡岭岩体岩石能量越来越大，其抗风化剥蚀能力也越强。砂子岭岩体风化壳平均厚度要大于金鸡岭岩体风化壳平均厚度约4m。

（3）矿区岩体中央高四周低的地貌特征以及放射性的河流系将稀土离子运移至岩体东部地势较低坡度较缓的大坪地区形成大型的离子吸附型稀土矿床。