河南登封市三元—白坪铝土矿床地质特征及矿床成因

杨贺杰, 吕 斌, 胡 伟, 欧长可

(1.河南省第三地质大队有限公司,河南 郑州 450016;2. 河南省第五地质大队有限公司,河南 郑州 450016;)

0 引言

三元—白坪兴杰矿区位于登封市南西部20 km,行政区划隶属于登封市白坪乡管辖,是河南省铝土矿找矿远景区之一。区内矿产品以煤、铝为主,常伴生黏土矿、黄铁矿、赤铁矿,其他尚有水泥灰岩、白云岩、砂石等。现开发以煤、铝为主,最大的煤矿为新新等地方国营煤矿。登封市三元—白坪铝土矿带自1958年发现至今,先后有河南省地质矿产局区域地质调查队、河南省地质矿产局地质三队、原河南省地矿厅地调二队等分别在区内作过踏勘、普查,提交了《河南省临汝鳌头—登封西白坪铝土矿带普查地质报告》和《河南省登封市新新铝土矿区详细普查地质报告》,初步查明了区内地层、构造及各主要矿体的分布、产状和形态,及矿石矿物的组分特征,所取得的成果对今后的铝土矿勘查工作提供了一定的地质依据。通过本次工作,在矿区新发现并勘查铝土矿体6条,提交了一处小型铝土矿矿床[1]。

本文通过总结前人研究成果,结合此次勘查研究,对矿区成矿地质背景、矿床地质特征等开展分析,并对矿床成因、找矿标志进行探讨,为河南地区同类型铝土矿床的勘查工作提供理论依据。

1 区域地质背景

登封市三元—白坪铝土矿区位于华北陆块南缘,嵩山隆起的密腊山—小红寨背斜之北冀,豫西铝土矿第三成矿带的东部,属于河南省铝土矿四级成矿区偃师—巩义—荥阳—登封—新密矿带[2]。为河南省富铝土矿集中区,研究区成矿条件较好,矿石品位较富,具有一定的规模和外围找矿前景。

该区属于华北地层区,自古元古界至新生界出露有寒武系、石炭系、第四系。其间缺失古近系、新近系、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、泥盆系、志留系。石炭系本溪组为本区铝土矿主要矿源层,岩性为铝土矿、高铝黏土及含铁质黏土。本区断裂构造十分发育,规模大,并多次活动,主要以高角度正断层为主。区域内断层可分为三组,一组是近EW向,另外两组方向与褶皱轴压应力方向一致。NE—SW向或与褶皱轴平行的NW—SE向的阶梯状正断层为主。区域上主要断层为NE—SW和NW—SE向两组,但又以前者更为主要,无论是规模、数量、断距都大于后者。这两组断层规模较大,不仅改造和破坏了褶曲的完整性和形态,同时由于应力作用又派生了一系列与地层走向相交或大体平行的次一级断裂、褶曲和挠曲构造。NE—SW向断层主要有箕山断层、庄沟断层、嵩山断层及下白坪断层等。落差均在200 m以上,均为正断层。区域上密腊山—小红寨背斜为一开阔型,登封市白坪铝土矿区位于该背斜的北翼。区域内岩浆活动较弱,多集中于嵩山、箕山一带,对铝土矿没有明显的破坏作用。其岩石类型为变质基性岩、辉绿岩、花岗岩、花岗斑岩、长英岩、细晶岩、伟晶岩、石英斑岩及石英脉等,时代主要为五台期及吕梁期,区内未发现中生代以来的岩浆活动[3]。

2 矿区地质概况

2.1 矿区地层

该区地层属华北地层区豫西分区嵩箕隆起小区,矿区内地层出露简单,南部大部分为寒武系;中部大面积被第四系覆盖,零星出露石炭系及二叠系;北部为二叠系。铝土矿赋存于石炭系本溪组中,地层走向近EW,倾向355°～12°,倾角14°～31°,由老到新分述如下。

寒武系(∈):分布于矿区南部,包括寒武系上统崮山组(∈3g)和中统张夏组(∈2z)。崮山组岩性为泥质条带白云岩、亮晶白云岩。晶质结构,中厚层状,区内未见底,厚度不详。区外与张夏组整合接触;张夏组岩性为灰色厚层状灰岩—巨厚层状灰岩、白云岩等,厚度>300 m,与上伏地层石炭系本溪组呈平行不整合接触。

石炭系(C):包括石炭系中统本溪组(C2b)和上统太原组(C3t),分布于寒武系崮山组北侧,与寒武系崮山组呈平行不整合接触。石炭系本溪组:出露于矿区的中部,是铝土矿及黏土矿的赋存层位,故称含矿岩系,为一套滨海湖泊相铁、铝、硅、黏土岩沉积建造,登封市三元矿区内本溪组厚3.10～26.67 m,平均厚11.18 m;白坪矿区一带厚4～27.6 m,一般厚约12 m。依岩性特征和含矿性,可将石炭系本溪组划分上、下两个岩性段: ①下段(C2b1)为含铝岩系的底部岩石,与寒武系崮山组平行不整合接触,厚2～15.6 m,一般厚7～8 m。上部为含铁黏土岩,呈灰色、紫红色,泥质结构呈碎屑结构,底部有时可见星散状的黄铁矿分布。间夹硅质岩、硅质砾岩,本段高硅贫铁富硫为特征,对古侵蚀面起到了填平补齐作用。 ②上段(C2b2):为铝土矿层,与含铁黏土岩整合接触。厚0～12 m,一般厚1～3 m,通常上部为灰色、灰白色黏土岩,铝土矿、碎屑状结构。此层在区外有时相变为耐火黏土,耐火度约1700°。下部则为铝土矿,呈灰色、紫灰色,具碎屑状、鲕状、豆状等不同结构,块状构造。本段高铝高铁为特征,是本区的主要赋矿层位。

上石炭统太原组(C3t):分布于含矿岩系的北侧,与下伏地层呈整合接触。本组属浅海与滨海频繁交替的碳酸盐岩与含煤碎屑岩建造。厚25～734 m,一般厚约50 m。

上二叠统石合子组(P2s):分布于矿区北部地区,下部为黄绿色泥岩、灰黄色泥岩夹灰白色粗粒长石石英砂岩,底部为灰黑色炭质泥岩夹煤层(线),夹煤1～3层,为本区主要可采煤层;中部为米黄色泥岩与灰黑色炭质泥岩夹煤线夹中厚层状长石石英砂岩;上部为灰白色、灰黄色厚层状长石石英砂岩夹长石粉砂岩。

第四系(Q):第四系在区内分布广泛,主要为中更新统、上更新统冲洪积物及全新统上部冲积物。岩性为土黄色亚黏土、砂质黏土,底部有时有卵石层。厚一般5～10 m,最厚达30 m。属冲洪积、坡积成因。

2.2 构造

矿区位于登封密腊山—小红寨背斜北翼,即大金店向斜南翼两者相接的狭窄地带。因矿区远离嵩箕腹地,构造简单,区内为向北倾斜的单斜构造,褶皱构造不发育,以断裂构造为主,断裂均为正断层,与之伴生的有节理构造等。

基底凹地:本区上寒武统白云岩、白云质灰岩表面发育众多的凸起和凹地,这种古岩溶地形对后期沉积的含矿岩系影响较大,特别是凹地直接控制了铝土矿体的分布、规模及品位的变化。

断裂:矿区断裂按展布方向表现为近EW向。近EW向断裂主要分布在矿区南部寒武系中,在西菜园与白坪村之间,有一较大的断层F1,即白坪断层(图1),走向NE50°～60°,倾向NW,倾角大于60°,推断为正断层,NW盘向NE下滑,将铝矿体向NE平推,其水平断距大于200 m。

图1 登封市三元—白坪铝土矿矿区地质及构造简图

在三元一带有一小型正断层F2,走向近EW,长600 m,倾向SW,倾角73°,断距50 m,沿石炭系地层走向断开造成明显的地层重复,该断层规模虽小,但对矿体的定位和破坏有一定影响。

2.3 岩浆岩

本区未见岩浆岩出露。

3 矿床地质特征

3.1 矿体特征

本区矿体赋存于上寒武统崮山组(∈3g)石灰岩古侵蚀面上,位于中石炭统本溪组(C2b)的上段。野外工作发现,矿体主要分布于古岩溶凹陷中,严格受古岩溶的影响,矿体呈似层状、透镜状、漏斗状。含铝岩系在地表呈狭窄长条带状,矿体出露沿走向不连续,倾向上变化较大,凹陷处铝土矿层较厚,Al2O3含量也相应增高;凸起处,铝土矿层较薄或无矿。本次勘查工作共发现6条铝土矿体:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ号矿体位于白坪凹陷矿段,Ⅳ、Ⅴ号矿体位于三元隆起矿段。现对矿区的主要矿体Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ矿体特征分述如下。

Ⅰ号矿体:矿体形态为似层状、矿体长约750 m,宽50～200 m。产状为355°～12°∠14°～31°。单工程铅直厚度在1.10～6.41 m之间,平均厚2.63 m。w(Al2O3)为58.92%～74.27%,平均值为68.72%,w(SiO2)为2.32%～21.86%,平均值为10.95%,铝硅比值在2.1～42.0之间,平均比值为6.3。

Ⅴ号矿体:矿体形态呈透镜状(图2),长750 m,宽75～125 m,厚0.59～6.55 m,平均厚1.47 m,矿体沿走向上厚度变化不大,矿体倾向355°～10°,倾角18°～22°。w(Al2O3)为53.83%～72.40%,平均值为64.46%,w(SiO2)为3.53%～18.68%,平均值为10.75%,铝硅比值在4.5～19.8之间,平均比值为7.51。矿体赋存于高程330～520 m之间。

图2 三元—白坪铝土矿区第501勘探线剖面图

Ⅵ号矿体:矿体形态为似层状,矿体长约450 m,宽约220 m。产状为356°～13°∠15°～24°。单工程铅直厚度在1.66～5.12 m之间,平均厚2.84 m。w(Al2O3)为50.31%～76.40%,平均值为70.32%,w(SiO2)为2.74%～14.49%,平均值为7.29%,铝硅比值在6.3～28.9之间,平均比值为9.6。矿体的主要地质特征见表1。

表1 三元—白坪铝土矿区矿体特征

3.2 矿石特征

3.2.1 矿石组成特征

主要矿物组合为一水硬铝石,含量占比60%～95%,次为高岭石,伊利石(5%～25%),伴生有铁矿物。微量矿物有锐钛矿、针铁矿、电气石。浅表部位常次生有褐铁矿、玉髓及后期一水硬铝石。

3.2.2 矿石结构构造

区内矿石呈豆鲕粒结构、碎屑结构、含砾砂屑结构、泥晶结构;矿石主要构造类型为平行定向构造、块状构造、蜂窝状构造,以蜂窝状构造矿石品位较高,前两种含黏土矿物偏高。

3.2.3 矿石化学成分

大量化学分析结果表明,矿石中主要化学成分呈如下特征:

矿石的主要化学成分及含量:矿石中主要化学成分为Al2O3,次为SiO2、Fe2O3及少量的TiO2和S。全区单样矿石中w(Al2O3)最高值为78.14%,铝硅比最大值为42,全区w(Al2O3)平均值为64.23%,铝硅比值为6.50,属Ⅳ级品矿石。通过对研究区具有代表性的Ⅴ号矿体矿石中常见组分Al2O3、SiO2和铝硅比值(A/S = Al2O3/SiO2)作曲线图(图3),铝硅比值(A/S)在4.5～19.8之间,平均比值为7.51,据矿石品级标准,Ⅴ号矿体矿石平均品级为Ⅳ级。

图3 三元—白坪铝土矿区Ⅴ号矿体矿石A/S含量分布曲线图

3.2.4 矿石品位特征

本区铝土矿具有地表富地下贫的显著特征,富矿石均沿露头线呈线状、长条状分布。根据大量的基本化学分析结果统计(表2),铝土矿的品位特征:本矿区矿石中,矿石品位和厚度呈正相关关系,即矿层越厚品位越高,矿层薄品位则相应降低,沿倾向方向矿石品位随着深度加深而降低。

表2 三元—白坪铝土矿区铝土矿化学成分含量统计

4 控矿因素及矿床成因

4.1 控矿因素

4.1.1 基底碳酸盐岩的古风化面对成矿的控制作用

本区铝土矿床含矿岩系赋存在由寒武系碳酸盐岩形成的古风化侵蚀面上,在空间定位、矿石结构、矿体形态以及矿石成分等方面,都受矿层下伏的碳酸盐岩控制影响。这是由于较纯的碳酸盐岩在经历漫长的准平原化的过程中,易溶蚀而形成岩溶地貌(凹地和凸起),负地形有利于铝土矿富集和保存,免于后期的冲蚀。由于地壳运动的不均衡性,沉积间断的时限性,所产生的正负构造单元形成了沉积间断面的凹凸不平,随着沉积间断时间的推移,强烈的古风化作用发生于沉积间断面的碳酸盐岩基底之上,出现了本区西南部高、东北部低的古地形,尽管区内曾经历长期准平原化作用,但古地形仍存在相对高差。寒武系凹凸不平的古风化剥蚀面控制了矿体的各种形态,在岩溶平坦洼地发育阶段,由于长期的岩溶作用,使岩溶负地貌的面积不断扩大,地形起伏变小,构成本区白坪凹陷。白坪凹陷区内接受沉积的铝土矿含矿岩系的厚度一般较稳定,如本区Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ号矿体,含矿岩系厚度通常在2 m左右,矿体以层状或似层状出现。

4.1.2 古地形对成矿的控制作用

本区铝土矿基底为碳酸盐岩古风化面,易溶蚀而形成凹地和凸起,铝土矿多富集和保存在负地形凹地中。铝土矿形成后受后期地壳水平升降运动影响较小,矿区现代地形和古地形有明显的继承关系,经研究发现本区铝土矿形成于古地形凹陷部位,中心易形成厚度大且较为连续矿体,如本区处于白坪凹陷处Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ号矿体;本区处于三元隆起处的Ⅳ号矿体厚度小、矿质差,Ⅴ号矿体位于三元隆起西南边缘处,矿体厚度一般,但连续性较好。

根据前人地质资料,三元—白坪区铝土矿区本溪组厚度(Y)与古地形相对高程(H)相关系数(R)为-0.3817,所对应的回归方程为Y=21.72-2.898 ln (H+60)[4],说明本区铝土矿层厚度与古地形呈显著负相关关系,即凹陷处沉积铝土矿层厚度大,隆起处沉积铝土矿层厚度小。图4显示,本区中石炭世古地形最大高差为100 m,在古隆起和古凹陷处均有本溪组沉积,将本溪组厚度图(图5)与图4比较,也能清楚地反映出古地形对本溪组厚度的控制:三元隆起和陈家门隆起区有较薄的铝土矿层沉积;白坪凹陷处铝土矿层沉积最厚。

图4 白坪区寒武系顶面古地形图

图5 白坪区本溪组厚度等值线图

经本次研究发现,古地形对矿石质量的具有一定的控制作用,铝矿石中主要化学成分呈现一定的变化规律:

(1) Al2O3的含量变化:在区内地表基本平衡,中东部白坪凹陷区内的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ号矿体w(Al2O3)平均为60%～65%,西部平均含量稍低。东西部相比较,西部变化较大,最低w(Al2O3)=53%,部分为42%。向深部延伸,据浅井工程了解,Al2O3有变贫的趋势,w(Al2O3)为55.45%～58.78%,较上部偏低10%。

(2) SiO2含量的变化:在地表与 Al2O3相反,西部含量较高,通常w(SiO2)>10%,呈Al2O3低SiO2高逆向变化态势。深部据浅井资料,变化趋势类同,铝低硅高。

(3) Fe2O3含量变化:在地表其w(Fe2O3)一般均低于10%,变化区间小。向深部则 Fe2O3含量高于地表,浅井中w(Fe2O3)高达19.0%。

上述三种主要化学成分总体上呈现出中东部白坪凹陷区地表变化较小、西部三元隆起区变化较大。中东部白坪凹陷区Al2O3含量高,SiO2、Fe2O3含量较低,负地形易形成高质量的铝土矿石,向深部则Al2O3变贫而SiO2、Fe2O3含量均相应增高。由此可见,本区矿石中三种氧化物Al2O3与SiO2、Fe2O3呈现负相关关系。

综上所述,古地形控制了本区本溪组铝土矿厚度,即负地形易形成较厚的铝土矿层,且铝土矿质量较高;正地形形成铝土矿层较薄,铝土矿质量较低。

4.1.3 岩相古地理的控矿作用

本区位于嵩山、箕山古陆北侧之沉积盆地,寒武纪至中奥陶世,本区整体下降,形成广泛海侵,以碳酸盐建造为主。中奥陶世末期至早石炭世末,由于加里东运动的影响,本区一直处于湿热气候,地台上升隆起变为陆地并处于剥蚀状态,以致缺失晚奥陶世至早石炭世的沉积,造成1.4亿年的沉积间断。华北地台在长期的沉积间断过程中逐渐夷为准平原化的岩溶地貌。至中石炭世初期,受华力西期运动和邻区广泛海侵的影响,整个地台下沉,海水复而进入,处于一个广阔陆棚上的陆表海沉积环境。至晚石炭世,地壳开始缓慢下降,并有小幅度的振荡运动,海侵平静而缓慢,形成了有利的沉积环境,具备了对成矿有利的古地理条件[5]。

4.2 矿床成因

本区位于嵩山、箕山古陆南侧之沉积盆地,铝土矿产于寒武系碳酸盐岩古风化侵蚀面上,赋存在中石炭统本溪组内,为沉积型一水硬铝石铝土矿床,矿石具有高铝、低硅、低铁的特征。

寒武纪—早石炭世后,华北地台抬升为陆,经过长期剥蚀,形成长达约1.4亿年的沉积间断,在时间和空间上为本区铝土矿的形成创造了良好的条件[6]。本区碳酸盐岩含铝量多,在相同条件下风化速度较硅酸盐矿物要快,此外,隆起的基底寒武系和奥陶系剥蚀厚度巨大,碳酸盐岩在强烈风化作用下,K、Na、Ca、Mg等元素被带走,Al、Ti、Fe等元素残留原地形成富含铝的铝土矿层。随着地壳下降,富铝风化物质等搬运到溶洼发育的沉积盆地中沉积,成为含矿岩系的重要成矿物质来源;本区外围古陆大面积出露铝硅酸盐岩,在经受了长期的风化剥蚀后,分解淋滤后形成富含铁铝的残积物,经水冲刷,搬运到湖盆洼地中沉积,也成为含矿岩系另一重要成矿物质来源[7]。

早期形成的风化壳物质富含铝、硅、铁等惰性组分,风化壳物质伴随着沉积盆地的演化而发生陆解作用,并发生进一步的沉积分异。到晚石炭世,地壳开始缓慢下降,并有小幅度的振荡运动,海侵反复而缓慢,岩溶洼地已被风化壳物质填平补齐,形成了有利的沉积环境,具备了对成矿有利的古地理条件,铝(黏)土矿的早期成矿作用形成。至二叠纪时期,成矿物质被二叠纪沉积物覆盖压实、脱水成岩。

成矿后,受造山运动等地质作用影响,经历了中生代以后的多次构造运动、褶皱、断裂上升接受后期剥蚀风化作用等,表生作用对原生矿石中的 CaO、SiO2、Fe2O3、S 等不同程度地被带走,从而使铝土矿得以富集并保存,矿石的品级得到提高,并经后期改造直至形成现今的铝土矿体[9-10]。矿体在形成过程中,经受了海侵作用,分布于古地形凹陷处或古隆起边缘处,并具有一定的方向性(图1)。

5 找矿标志

(1)古地理特征:铝土矿床含矿岩系多分布于古侵蚀陆地的山前凹陷处,本区白坪凹陷为寻找沉积型铝土矿床的有利地段。确定古凹陷的方法可以采用物探法、地层厚度分析法和趋势面分析法。

(2)本区铝土矿受层位控制,矿层发育于含矿岩系中,且赋存于每个小沉积旋回的上部层位中。因此,在发育较好的含矿岩系地段,特别是每一沉积旋回的中上部为寻找铝土矿的有利标志。

(3)本区铝土矿赋矿层位为中石炭统本溪组内,中石炭统是寻找铝土矿床的直接标志层。中石炭统不整合于中奥陶统或寒武系白云岩之上,因此,在第四系沉积物覆盖区,如难以发现中石炭统时,可以寻找铝土矿床的基底地层中奥陶统或寒武系白云岩作为间接标志层[11]。

6 结论

(1)登封市三元—白坪铝土矿区位于华北陆块南缘,属于河南省铝土矿四级成矿区偃师—巩义—荥阳—登封—新密矿带,为河南省富铝土矿集中区,研究区成矿条件较好,具有一定的规模和外围找矿前景。

(2)石炭系本溪组为本区铝土矿主要赋矿层,铝土矿矿体赋存于石炭系本溪组中,于寒武系张夏组灰岩风化壳之上。矿体主要分布于古岩溶凹陷中,严格受古岩溶的影响,呈似层状、透镜状、漏斗状。凹陷处铝土矿层较厚,Al2O3含量也相应增高;凸起处,铝土矿层较薄或无矿。地层走向近东西,区内褶皱构造不发育,以断裂构造白坪正断层为主。

(3)本区铝土矿属沉积型一水硬铝石铝土矿床,矿体产于寒武系碳酸盐岩古风化侵蚀面上,赋存在中石炭统本溪组内,基底寒武系风化壳为铝土矿形成提供了丰富的物质来源,1.4亿年的沉积间断形成的准平原化的湖盆为铝土矿积聚成矿的容矿场所。受石炭系的海侵作用影响,岩溶洼地被风化壳物质填平补齐,形成有利的沉积环境,后经多次构造运动、风化剥蚀作用,铝土矿得以富集并保存形成矿体,分布于古地形凹陷处或古隆起边缘处,并具有一定的方向性。本区铝土矿赋矿层位中石炭统本溪组、古地形白坪凹陷区及含铝岩系每一沉积旋回的中上部都可作为铝土矿找矿标志。