河南省新安县石寺-北冶地区铝土矿地球化学特征及成矿物质来源探讨

刘海鹏，陈 磊，李军旗，李 钢，董寒杰，豆靖林

(1.河南省有色金属地质矿产局第一地质大队，河南郑州 450016；2.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心，河南郑州 450016)

0 引言

华北地区的铝土矿赋存于寒武-奥陶系碳酸盐岩的古侵蚀面上，属典型的古风化壳沉积型铝土矿(高兰等,2015)，主要产于河南、山西、山东等地(吴国炎,1997)。截至2015年底，全国累计查明铝土矿资源储量(矿石量)47.06亿吨，河南省占22.7%(孙莉等,2018)。

新安县石寺-北冶地区位于河南省西部，该区先后探获5处大中型铝土矿，由南至北依次为张窑院(勘探，943.00万吨)、贾沟(勘探，2265.00万吨)、石寺(终勘，2059.34万吨)、马行沟(详查，2431.10万吨)、石寺-北冶煤下铝土矿(普查，2.18亿吨①)。其中，石寺-北冶煤下铝土矿是河南省近些年开展的煤下铝土矿勘查中新探获的超大型铝土矿。前人对该地区铝土矿的研究工作主要集中在矿床地质特征(贺淑琴等,2007;李军旗,2011;万海泉等,2015;席善峰等,2019)、成矿规律(柴东浩等,1987;蒋述民,2000)、岩相古地理(尹国勋,1990;陈守民等,2011;韩美莲等,2013)、物质来源(真允庆等,1991;刘长龄等,1991a，1991b;吴国炎,1996;吴国炎,1997;朱东晖等,2012;王秀全等,2015)等方面，其中，对于成矿物质来源的争议是最大的。华北地区古风化壳沉积型铝土矿成矿物质来源问题，概括起来主要有三种代表性观点，一是“基底说”，通过对铝土矿与基底碳酸盐岩的微量元素及其他稳定元素的对比研究，认为成矿物质来源于基底碳酸盐岩，但不排除局部会有少量古陆物质参与(吴国炎,1996;吴国炎,1997;朱东晖等,2012)；二是“古陆说”，根据铝土矿主要围绕古陆分布的特点，认为成矿物质来源于铝土矿床附近的铝硅酸盐或变质岩(真允庆和王振玉,1991)；第三种观点是前两种观点的折中，即混合来源(刘长龄等,1991a，1991b)。本次研究工作采集石寺-北冶煤下铝土矿区钻孔矿心及含铝岩系基底碳酸盐岩，进行稀土元素测试，结合前人研究成果，讨论成矿物质来源，对本区铝土矿的理论研究及下一步的勘查工作有重要意义。

1 地质背景

新安县位于豫西地区，属于陕县-渑池-新安铝土矿成矿区的东矿带，该区是河南省最重要的铝土矿成矿区(朱东晖等,2012)。早古生代，整个豫西地区下降接受沉积，形成了寒武-奥陶系巨厚的碳酸盐岩建造，至晚奥陶世，由于加里东运动的影响，豫西地区隆升遭受剥蚀，缺失了上奥陶统-下石炭统。直到晚石炭世，豫西地区重又下降接受海浸，在寒武或奥陶系古侵蚀面上沉积形成了上石炭统本溪组铝土矿含矿岩系。

图1 陕县-渑池-新安铝土矿成矿区地质略图(据李军旗,2011修改)

研究区区域地层属华北地层区，由老至新依次出露震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、第三系、第四系。大地构造位置位于华北陆块南部，由中条山-太行山断隆与嵩箕断隆构成的近东西向的渑池坳陷内。区域构造具有“一穹(岱嵋寨隆起)”、“三向(陕县断陷盆地、渑池向斜盆地及新安向斜盆地)”、“三组断层(北东向扣门山断层、北西向龙潭沟断层和近东西向义马断层)”交错的扇形地垒拱断特征。以扣门山断层和龙潭沟断层为界的三大地垒式扇形断块，对铝和煤含矿岩系的展布起着主要控制作用，自西向东将陕县-渑池-新安铝土矿成矿区分为西矿带、中矿带、东矿带，研究区即属于东矿带。研究区的岩浆活动较弱,对铝土矿没有明显的破坏作用。

2 矿床地质特征

研究区位于岱嵋寨隆起构造的东南，新安向斜的北西翼，地层呈单斜产出，角度较平缓，总体倾向135°，倾角3°～15°，平均5°左右。研究区从南至北约14 km，包括了东矿带的中-南部，最西南端为张窑院，向北依次为贾沟、石寺、马行沟，石寺-北冶地区煤下铝土矿位于研究区的东部，属于张窑院、贾沟、石寺、马行沟铝土矿沿矿体倾向向深部的自然延伸，研究区西部铝土矿埋深一般在100 m以浅，向东埋深逐渐加大，石寺-北冶地区煤下铝土矿埋深最深超过600 m。铝土矿含矿岩系赋存于中奥陶统马家沟组灰岩的不整合面之上，自下而上依次为：古风化壳、铁质粘土岩、铝土矿、硬质粘土岩、粘土质页岩。从各矿区的主要矿体特征来看(表1)，矿体产状与地层产状基本一致，以层状、似层状为主，如贾沟、石寺，间有溶斗发育，如张窑院Ⅲ号矿体，矿体厚度及矿石品位由南向北有减薄变贫趋势。从表1中各矿区主矿体特征来看，石寺-北冶煤下铝土矿虽然埋深较大，但矿体厚度、品位等特征与研究区西部浅埋藏铝土矿相比未见有明显区别。

表1 石寺-北冶地区主要铝土矿区代表性主矿体特征Table 1 Characteristics of representative main ore bodies in the main bauxite mining areas in the Shisi-Beiye area

根据X光衍射分析图谱与差热分析曲线②，结合显微镜下观察，研究区内的铝土矿石矿物成分较简单，主要矿物为一水硬铝石，次要矿物为高岭石、伊利石等，含有少量褐铁矿、绢云母、赤铁矿、黄铁矿等。各矿区矿石结构多见砾屑状(图2a)、豆鲕状(图2b)、微晶结构(图2c)。

图2 新安县石寺-北冶地区铝土矿显微照片

3 地球化学特征

本次研究工作在研究区内施工的钻孔内采集了铝土矿样品3件及含铝岩系基底岩石样品3件，对样品进行了稀土元素测试，样品测试工作在河南省岩石矿物测试中心完成，采用XSerise2电感耦合等离子体质谱仪测定，测试结果见表2。

3.1 主量元素特征

从表2可知，研究区铝土矿的主要化学成分为Al2O3(平均值59.81%～70.79%)、SiO2(平均值7.5%～14.85%)、Fe2O3(平均值2.53%～9.37%)、TiO2(平均值2.58%～3.23%)、S(平均值0.084%～2.02%)以及烧失量，次要化学成分为MgO、CaO、Na2O、K2O等。通过对石寺矿区矿石化学组分相关性分析，Al2O3与TiO2(r=0.55)呈正相关关系，Al2O3与SiO2(r=-0.91)、Fe2O3(r=-0.20)呈负相关关系，表明在成矿过程中，TiO2化学性质较为稳定，不易发生溶解和迁移，而SiO2和Fe2O3则较易被淋滤迁移。SiO2-Al2O3-Fe2O3三元图通常用于表示铝土矿分类及红土化程度(Schellmann,1986;Aleva,1994;Abedini and Calagari,2015;张尚清等,2018;Singh and Srivastava,2019)，各矿区铝土矿主要元素平均值均落在铝土矿和高岭石型铝土矿范围(图3)，均经历了强烈红土化过程(图4)。各矿区铝土矿的铝硅比(A/S)平均值在4.02～9.38，钛率(A/T)较稳定，变化范围较小，平均值在20.20～22.40。各矿区基底石灰岩中Al2O3含量在1.55%～1.84%，白云质灰岩中Al2O3含量略高，为2%～6.01%，石寺、张窑院、贾沟基底碳酸盐岩的钛率(A/T)分别为22.14、19.37及14.09。

表2 铝土矿及基底碳酸盐岩主要元素含量及特征参数表(%)Table 2 Contents and characteristic parameters of main elements(%)in bauxite and basement carbonate rocks

图3 铝土矿SiO2-Al2O3-Fe2O3矿石分类图解(底图据Aleva,1994)

图4 铝土矿SiO2-Al2O3-Fe2O3红土化程度图解(底图据Aleva,1994)

3.2 微量元素特征

微量元素被誉为地球化学指示剂，那些不易受次生变化影响的微量元素，可以用作指示沉积环境及物质来源的标志(刘本立,1994;赵振华,1997)。由表3可知，研究区含矿岩系微量元素含量平均值，Ba、Cr、V比大陆地壳平均值低，B、Sr、Ga、Zr比大陆地壳平均值高，尤其是B高达64倍，Zr达到近5倍。与我国铝土矿中微量元素平均值相比，Cr、V、Zr、Ga含量较低，B、Sr、Ba均不同程度高于我国铝土矿微量元素平均值。

表3 含矿岩系及基底碳酸盐岩微量元素含量及特征参数表(×10-6)Table 3 Contents and characteristic parameters of trace elements(×10-6)in ore-bearing rock series and basementcarbonate rocks

根据海水与淡水中微量元素含量的显著差异，可以区分海相和陆相沉积物(赵振华,1997)，淡水中一般不含B，而现代海水、内陆盐湖中B含量较高，因此，海相粘土质沉积岩中B含量比淡水相的要高。表3中可以看出，研究区含矿岩系中的B含量普遍较高，某些样品中B含量甚至大于1000×10-6表现出明显的海相特征。另一方面，含矿岩系下伏的奥陶系基底样品中B含量也非常高，尤其是钙质页岩中B含量高达370×10-6，这表明基底岩石可能为含矿岩系的形成提供了一定的物质来源。

一般认为Sr/Ba小于1时，反映淡水沉积环境，Sr/Ba大于1时，指示海相沉积环境(吴国炎,1996;赵振华,1997)，研究区含矿岩系中大多数样品的Sr/Ba均大于1，也表明研究区铝土矿是以海相为主的沉积环境。

3.3 稀土元素特征

研究区铝土矿、基底碳酸盐岩及北秦岭伏牛山岩体稀土元素含量及特征参数见表4。

铝土矿中稀土元素总量REE=183.97×10-6～926.93×10-6，变化范围较大，平均值458.96×10-6；轻稀土总量LREE=163.54×10-6～872.95×10-6，平均值428.16×10-6；重稀土总量ΣHREE=20.39×10-6～53.98×10-6，平均值30.80×10-6；LREE/HREE=8.00～18.41,平均值13.42，轻稀土富集，轻重稀土分异明显。

基底碳酸盐岩的稀土元素含量相对较低，REE=28.58×10-6～134.90×10-6，平均值78.21×10-6；轻稀土总量LREE=26.83×10-6～125.68×10-6，平均值73.21×10-6；重稀土总量HREE=1.75×10-6～9.22×10-6，平均值5.00×10-6；LREE/HREE=13.63～16.70,平均值15.21。

稀土元素含量采用球粒陨石标准值(Boynton,1984)进行标准化，REE配分曲线见图5。铝土矿与基底碳酸盐岩及伏牛山岩体的稀土配分曲线有一定相似性，但又有明显的区别。铝土矿样品的(La/Yb)N比值从3.3～21.1，变化范围较大，平均值11.9；(Gd/Yb)N比值从0.51～1.9，平均值1.14。而灰岩样品的(La/Yb)N比值从14.7～25.4，平均值19.9；(Gd/Yb)N比值从1.8～3.1，平均值2.3。伏牛山岩体(La/Yb)N比值34.1，(Gd/Yb)N比值2.2。从(La/Yb)N和(Gd/Yb)N比值来看，伏牛山岩体和基底碳酸盐岩的轻重稀土分馏更明显，重稀土分馏也较明显。

图5 铝土矿及基底灰岩样品稀土配分图(球粒陨石标准据Boynton,1984)

铝土矿样品的δCe平均值1.53，仅有一个样品δCe值小于1，表现出明显的Ce正异常，表明Ce在氧化环境的淋滤作用条件下，Ce3+被氧化为Ce4+，并且Ce4+相较其他LREE具有较低的活动性(谷静等,2015)，因而表现出相对的富集；铝土矿样品的δEu平均值0.56，表现出明显的Eu负异常。基底碳酸盐岩样品的δCe平均值0.98，为非常弱的Ce负异常，δEu平均值为0.62；伏牛山岩体的δCe值0.88，δEu值为0.64，三者的δEu值比较接近，都表现为明显的Eu负异常。

4 成矿物质来源讨论

铝与钛在表生环境下比较稳定，成矿物源相同的各类岩矿石通常具有比较接近的钛率(严健等,2013)。铝土矿的钛率可以反映其物源岩石的地球化学特征(吴国炎,1996)，许多学者都将其作为讨论铝土矿成矿物质来源的重要指标(吴国炎,1996;朱东晖等,2012;严健等,2013;李建全等,2017;张尚清等,2018)。研究区内铝土矿的钛率较稳定，平均值在20.20～22.40。贾沟矿区基底碳酸盐岩样品的钛率为14.09，石寺和张窑院基底碳酸盐岩的钛率与铝土矿的钛率非常接近，反映出铝土矿与基底碳酸盐岩有一定的相关性。

稀土元素通常被认为在低级变质作用、风化作用及热液蚀变过程中保持相对的不活泼性，岩石的稀土配分型式具有重要的岩石学意义，可以根据稀土配分型式来探索岩石的成因和演化信息(Rollison,1993)，δEu值可以作为判别物质来源的指标(林宇等,2014)。由图5可以看出，铝土矿和基底碳酸盐岩及北秦岭伏牛山岩体的稀土配分型式都具有一定的相似性，同时也都有各自不同的特征。铝土矿、基底碳酸盐岩及伏牛山岩体的δEu平均值分别为0.56、0.62和0.64，三者比较接近，说明研究区铝土矿的成矿物质可能既有基底碳酸盐岩的贡献也有北秦岭岩体的贡献。此外，铝土矿样品的稀土元素总量变化范围较大(183.97×10-6～926.93×10-6)，且各样品的轻重稀土分馏差异也比较大((La/Yb)N比值从3.3～21.1)，这些都反映了成矿物质来源和成矿作用的复杂性。

近几年，碎屑锆石年代学分析正越来越多地被应用于铝土矿物源研究中。研究认为，北秦岭造山带为华北板块南部提供了大量的碎屑物源(余文超等,2020)，目前在华北板块南部铝土矿中得到的碎屑锆石年龄峰值以438 Ma、442 Ma、450 Ma、950 Ma为主，此外还有901 Ma、983 Ma、1718 Ma等数据(Wang et al.,2016;曹高社等,2018;Zhao and Liu,2019;刘学飞等,2020)，这说明加里东期、晋宁期火成岩及前寒武纪变质岩都有可能为铝土矿提供成矿物质。伏牛山岩体位于河南栾川至方城一带，属北秦岭造山带东段，沿东西方向展布，出露面积约1000 km2，全岩Rb-Sr等时线年龄为1148 Ma(李先梓等,1993)，北秦岭造山带隆升遭受剥蚀时，伏牛山岩体可能也为其北侧的铝土矿床提供了部分成矿物质，如前所述，稀土元素特征也支持这一结论。但是，这些证据并不能否定基底碳酸盐岩对铝土矿成矿物源的贡献，因为前寒武纪火成岩和变质岩也有可能为基底的奥陶系碳酸盐岩提供物源(包括碎屑锆石)，风化作用再使碳酸盐岩中的碎屑锆石迁移、沉积至铝土矿。本溪组铝土矿中前寒武纪碎屑锆石多呈卵圆形，并且时代越老的锆石晶棱越圆润，说明这部分锆石很可能是再循环的沉积岩所携带(曹高社等,2018)，这也从侧面印证了基底碳酸盐岩也为铝土矿贡献了一部分成矿物源。

5 结论

(1)晚奥陶世，由于加里东运动的影响，豫西地区隆升遭受剥蚀，基底碳酸盐岩遭受地表水长期冲刷、溶蚀，形成准平原地形及岩溶洼地，直到晚石炭世，豫西地区重又下降接受海浸，海水时进时退，形成海湾泻湖环境；石寺-北冶地区含矿岩系的微量元素特征，尤其是B元素及Sr/Ba特征参数，均具海相沉积特征。综合以上认为石寺-北冶地区铝土矿形成于滨海泻湖相沉积环境。

(2)根据基底碳酸盐岩和铝土矿的钛率及稀土元素特征，结合碎屑锆石年代学的研究成果，认为研究区基底碳酸盐岩和北秦岭造山带加里东期、晋宁期火成岩及前寒武纪变质岩共同为新安县石寺-北冶地区铝土矿提供了物质来源。

(3)煤下铝土矿是中浅部铝土矿向深部的自然延伸，其地质特征与浅埋藏铝土矿地质特征基本一致。豫西地区煤下铝土矿资源潜力巨大，应作为今后主要的找矿方向。

致谢：审稿专家和编辑老师对本文提出了宝贵的修改建议，在此一并表示感谢！

[注 释]

① 河南省有色金属地质矿产局第一地质大队.2019.河南省新安县石寺-北冶地区煤下铝土矿普查报告[R].

② 河南省有色地质勘探公司第一队.1989.河南省新安县石寺铝土矿区勘探地质报告[R].