仇建军1，2 秦明1，2 方荣2
(1.中国地质大学(北京);2.河南省有色金属地质矿产局第三地质大队)
豫西是我国重要的铝土矿集中产地，石炭系含铝岩系分布在豫西的郑州―许昌―平顶山―三门峡―焦作所构成的近似三角形的区域内，出露面积约2000km2。铝土矿床属赋存于寒武系―奥陶系碳酸盐岩地层古岩溶风化剥蚀面上的一水硬铝石沉积型铝土矿，成矿时代为晚石炭纪本溪期。目前已发现铝土矿床(点)1000多处(戴耕等，2000)，主要分布在隆起区四周(图略)，如中条山-太行山隆起区南侧的焦作-济源成矿区，中条隆起区、岱眉寨隆起区东侧的陕县-渑池-新安成矿区，以及嵩山-箕山隆起区周围的嵩箕成矿区、汝阳-汝州-宝丰成矿区。本研究区指河南省西部方山地区，位于嵩山-箕山隆起区周围的嵩箕成矿区东南侧，研究区范围属禹州西部，北起白沙水库―无梁镇一线，南至郏县北，西起方山―黄道一线，东止无梁镇―安良镇一线。研究区内已发现铝土矿床(点)20余处，其中中型铝土矿床3处，显示该研究区尤其是中深部具有较大的铝土找矿前景。笔者通过对研究区铝土矿床的区域成矿地质背景、含矿岩系特征和典型矿床特征等方面进行分析，指出下一步该区的找矿方向。
一、区域地质概况
本区大地构造位置属华北地台的Ⅱ级构造单元豫淮台褶带西段，北临山西台北斜，南靠秦岭褶皱带。该区构造位于中朝准地台西南部，华北中断坳和嵩箕中台隆交界的部位。
本区属华北地层豫西分区嵩箕小区地层。区域出露地层主要有震旦系、寒武系、下-中奥陶统、上石炭统、二叠系及第四系。上石炭统本溪组是本区铝(粘)土矿的含矿岩系，含矿岩系与下伏的碳酸盐岩地层呈平行不整合接触，与典型的产于碳酸盐岩古侵蚀面之上的沉积型铝土矿床的赋存特征一致。
区内褶皱平阔平缓，断裂发育，成组平行展布。主要褶皱轴向为NWW-SEE，自北而南依次发育有白沙向斜、许禹背斜和景家洼向斜;断裂发育有两组，主要为方向大体与褶皱轴压应力方向一致的NE-SW向断层，如箕山、杏山坡、官山岩、祖师庙、尚沟及下白玉等断层，其次为与褶皱轴近于平行的NW-SE向的阶梯状北降南升正断层，包括有庄沟、玻璃沟、彭沟、井沟、殷村、梁北、峰山、富山及黄道镇-王英沟等断层。
本区成矿区划属于嵩箕成矿区登封-新密-禹州铝土矿成矿带东段，包含有方山-鸠山、磨街和神后-新峰及黄道等4个成矿亚带。区内已发现铝土矿床(点)达20余处，其中，包括有方山铝土矿床及磨街、鸠山、黄道等铝土矿点。
二、矿床地质特征
本区代表性矿床为方山铝土矿床，为河南冶金地质三队(河南省有色金属地质矿产局第三地质大队前身)于1978～1981年通过3年的勘探工作而探明的中型铝土矿床，探明铝土矿矿石量800多万吨，矿床平均品位:Al2O363.56%～68.14%，A/S为6.14～7.66;探明富钾铝土矿矿石量2000多万吨，伴生TiO2总资源量近30万t，伴生Ga金属量近800t。下面以方山铝土矿床为例，简述本区的铝土矿床地质特征。
(一)含矿岩系特征
1.含矿岩系地质特征
方山地区铝土矿床含矿岩系赋存于上石炭统本溪组，下与中奥陶统马家沟组白云质灰岩呈平行不整合接触，局部呈角度不整合接触，上与上石炭统太原组呈假整合接触。本溪组自下而上大体分3个岩性段:下部以富铁为特征，呈黄褐、紫红、浅黄等杂色铁质粘土岩，局部地段含铁较高，形成赤铁矿、褐铁矿，矿体受下伏奥陶系古风化面影响呈似层状、透镜状、鸡窝状，分布不规则，俗称“山西式”铁矿，其上部为铁质粘土岩，在氧化带以下多含星散状和结核状黄铁矿，局部含硫高时可达工业品位，焦作、济源、新安、渑池的多处硫铁矿即开采该层位。中部以富铝为特征，为铝土矿的主要层位，主要为深灰―灰色铝土矿、高铝及硬质粘土矿、铁质粘土等组成，层位分布稳定。上部以富碳质及陆源碎屑为特征，一般由碳质粘土岩、铁质粘土岩、粉砂质粘土岩高岭土矿及少量的石英砂岩组成，顶部多见煤层。
本溪组在区内岩性变化不大，但由于受古地形影响厚度在小范围内有明显差异，薄者1～2m，厚者110m。
2.含矿岩系的放射性特征
方山铝土矿床的放射性伽马测量结果显示，该地区铝土矿含矿岩系表现为低强度放射性异常，其伽马强度为:铝土矿体内正常值为100γ，最大值为192γ，而底板奥陶系灰岩平均强度为30γ，顶板二叠系石英砂岩平均强度为20γ;钻孔的岩心正常场为25γ，矿心部位极大值为34γ，顶底板强度值分选明显。
3.矿体地质特征
本区铝土矿均为一水硬铝石型沉积矿床。铝土矿赋存在本溪组中部，层位单一。矿体常呈似层状、透镜状、漏斗状断续产出，有时可互相连接，严格受区内褶皱构造和基底古岩溶地形的控制，或作长条形延伸，或近等轴状产出，古地形较平坦者，矿体呈似层状;古地形低洼处，矿体呈透镜状。
矿体产状与上覆围岩基本一致，矿体一般倾角较缓，为25°左右，古岩溶斗处局部较陡。由于古岩溶地形的控制，不同矿体、不同部位产状有差异，总的规律是矿体底板产状变化较大，顶板比较稳定。有时受古岩溶地形的影响，矿体明显向中心倾斜，形成盆状，“矿盆”里的矿层倾角随着古岩溶侵蚀面或古凹地的原始倾斜陡缓而定。
据研究显示，矿体与围岩存在有两种接触关系。其一为突变接触关系，肉眼很易区分矿体与围岩的界线，此种情况下一般矿石质量较好，其围岩为燧石结核灰岩、碳质页岩、粘土质页岩等。其二为渐变过渡接触关系，肉眼很难区分矿体与围岩的界线，需经化学分析才能区分，矿石质量略差，一般围岩为硬质粘土。矿体中偶见夹层，夹层基本上全为硬质粘土，少量为粘土页岩，呈透镜状产出。
矿体规模受古侵蚀面影响，矿体长度一般为68～400m，宽度一般为36～340m;矿体厚度一般随着含矿岩系厚度变化或受古地形而变化，古侵蚀面隆起部位的厚度变薄或尖灭，最薄处0～0.5m，最厚处可达57.95m(方山中型铝土矿床的8号矿体)，位于古侵蚀面低洼部位。
(二)矿石特征
1.矿石矿物成分及赋存状态
据差热分析、X光验证和镜下岩矿鉴定结果，本区铝土矿石的矿物成分主要为一水硬铝石，其次有三水铝石、勃姆石、高岭石、铁质矿物、金红石、锐钛矿、榍石、绢云母、水云母、白云母等。
(1)一水硬铝石:为组成本区铝土矿的主要有益成分，含量70%～98%，颗粒极细，一般0.01～0.1mm，微晶质或隐晶质粒状、他形粒状，其集合体常呈鲕粒、豆粒、凝块或碎屑，也可呈胶结物形式出现，组成砾石时颗粒粗于胶结物。热谱曲线特征，在500℃左右，迅速脱水失重，550℃即终止，如图1和图2所示。
图1 一水硬铝石热谱曲线图
图2 一水硬铝石和少量三水铝石热谱曲线图
一水硬铝石除原生者外，尚有后生形成的，表现为后生的一水硬铝石呈脉状和不规则状集合体分布在铝土矿中，或者后生的一水硬铝石生长在由菱铁矿形成的褐铁矿流失孔中。
(2)高岭石:在铝土矿中含量不高，分布也不均匀，最高含量约20%，多呈隐晶质，少数为显微晶质，其粒度为0.005～0.03mm，呈鳞片状或聚集体或呈胶结物出现，也充填于蜂窝孔中，从中取出的黄白色粉状高岭石的热谱曲线如图3所示。
图3 充填在蜂窝孔中高岭石的热谱曲线图
在镜下常见高岭石被水铝氧石交代，交代高岭石的水铝氧石又被一水硬铝石。
(3)绢云母、白云母、水云母等:在铝土矿中含量极微，但在硬质粘土和粘土页岩中含量很高。在铝土矿中分布不均匀，局部呈团块鳞片状集合体，多见于胶结物中。热谱曲特征从340℃缓慢脱水失重，一直到800℃才徐徐终止，没有急剧失重的特征，它表现为绢云母和少量的一水硬铝石、三水铝石的特征。
(4)勃母铝石:系镜下定名，分布不均，大多不及10%，集中时达98%，颗粒较小，一般小于0.01mm，大者不超过0.015mm，见于砾石、鲕粒的环带和核心，胶结物中也可见到。
(5)含铁矿物:以褐铁矿、黄铁矿、菱铁矿等形式出现，分布不均，呈结核状、团块状、薄膜状、不规则细脉状沿裂隙充填，集中时可达稠密浸染状，集中处主要见于铝土矿层下部。有的褐铁矿空洞呈菱形，显然是菱铁矿形成。
其他矿物尚有三水铝石、金红石、榍石、斜长石、石英、玉髓等，因含量极微，颗粒极细，不再一一叙述。
2.矿石的结构构造及自然、工业类型
本区矿石结构按照矿物的形态大小和空间分布，分为胶状和粒状结构。
矿石构造根据矿物集合体的形态大小和空间分布特征为基础，主要可分为以下几种:
(1)砾状构造:一般见于矿体的中上部，滚圆度较好，多呈扁平状，其扁平面与层面平行，表面光滑，常附有粘土和铁质薄膜。砾石大小不等，分布不均，砾径小者0.3～0.8mm，一般为1～3mm，个别大者可达15cm。有时大砾石中包有小砾石和鲕粒的现象。砾石多者可占70%以上，少者呈稀疏星点状、条带状分布。
砾石中矿物成分以一水硬铝石为主，其次尚有铁质和粘土等。一水硬铝石粒度较胶结物中的粗大，铁质也较胶结物中的高。
(2)鲕状构造:多见于矿层中下部，鲕粒均呈扁平状，扁平面沿层面平行分布，外壳亦有粘土和铁质薄膜包裹，鲕粒内部多做同心环状构造，其中心多由水铝石、勃姆铝石组成，个别为铁质、锐钛矿。由中心向外往往粘土质成分有所增加。鲕粒小者0.2mm，一般0.5～0.8mm，大者可达4mm。鲕粒分布极不均匀，集中时矿石几乎全由其组成。有时呈浸染状或与砾石混杂呈鲕粒状构造。有时还可见后生鲕粒。
(3)蜂窝状-多孔状构造:以矿层中部为多，为本区铝土矿床Al2O3含量最高的矿石，但有时含铁亦高，蜂窝形态不规则，常呈圆形和椭圆形，也有呈菱形者。蜂窝中有时有黄白色粉末―――高岭石充填，蜂窝壁及壁之间周围常有褐铁矿及铁染现象，因此认为蜂窝的形成系黄铁矿、菱铁矿等金属矿物流失所致。
(4)致密块状构造:以矿层下部为多，在本区属低品位矿石，SiO2含量较高，多由水铝石组成，并有泥质混杂，有时含少量的小砾或鲕粒，具半贝壳状或粗糙状断口。
矿石自然类型属于一水硬铝石型铝矿，工业类型属于低铁低硫型铝土矿。
3.矿石的化学成分及其变化特征
(1)矿石的主要化学成分，详见表1。
表1 铝土矿化学成分统计表
①组合分析资料;②3个组合全分析资料。
从差热分析、X光验证和显微镜下鉴定与化学分析结果比较，Al2O3主要来源于一水硬铝石。Fe2O3是黄铁矿、褐铁矿供给，SiO2是高岭石、石英、玉髓等矿物中的总量，Na2O、K2O是水云母、白云母、绢云母和少量的斜长石及一些粘土矿物对钾、钠离子的吸附总和，CaO、MgO是由碳酸盐提供，TiO2来源于金红石和锐钛矿。Ga未见单矿物，可能是Al的类质同象混入物。
(2)在垂向上存在某些规律性的变化:Al2O3、TiO2和Ga有由下而上逐渐增高的趋势，互呈明显的正相关关系;Fe2O3、SiO2和K2O自下而上逐有降低，并且与Al2O3、TiO2呈明显的负相关关系，尤其是与TiO2的负相关关系更为明显，不仅总的趋势如此，在每个具体点上也毫不例外。
(3)在水平方向上Al2O3和Al2O3/SiO2总的有从露天到深部逐有降低，但在局部上有所变化。
(4)矿体厚度与品位的关系:总的呈正相关关系，厚度大时品位也高，但有例外，如果矿体虽厚但其中夹石较多时品位就不尽然。
(5)Al2O3/SiO2与品位的关系:Al2O3/SiO2与Al2O3、TiO2是天然的正相关关系，与SiO2呈绝对的负相关关系，但如有Fe2O3干扰亦可出现反常现象，即Al2O3并不很高时，也可出现高Al2O3/SiO2值。
(6)Al2O3与Ga的关系:Ga与Al2O3呈明显的正相关关系，Al2O3高Ga也高，反之亦然。方山大型铝土矿床全区铝土矿石中Ga的加权平均品位为0.0097%(组合样平均)，已达铝土石中伴生Ga的工业要求。
(7)Fe2O3的分布特征:在剖面上Fe2O3总的从上而下逐渐增高，矿体的局部见有例外;Fe2O3高低与矿体厚度似有正相关关系。
三、区域地质发展史分析
综观方山地区沉积建造和岩层接触关系及古生物化石特征等，结合前人资料分析，本区的区域地质发展史可分析如下:
(1)本区前震旦系属地槽型建造，构成本区的基底，震旦纪时本区抬升，直至震旦纪末期始有薄层砂岩类碎屑沉积，晚期气候寒冷冰碛砾石的出现是其明证。
(2)寒武纪时本区下沉为海洋，且气候温暖，生物繁盛，沉积了含三叶虫的厚大碳酸盐岩建造，末期地壳又上升出海平面，直至奥陶纪中期始有白云岩、石灰岩的沉积。
(3)中奥陶世末地壳回升，海水退却，本区长期遭受侵蚀，不仅缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统，就是中奥陶统也遭受了不同程度的侵蚀，有的地方还见有卡斯特溶洞溶斗的出现。温暖潮湿的气候，有利于风化作用，特别是红土化作用的加速，加上长期的侵蚀，给后来铝土矿的生成和物质来源提供了有利的环境和条件(图4)。
图4 豫西地区上石炭世古构造示意图(据《河南省铝土矿成地质条件及找矿方向研究报告》)
(4)石炭纪晚期，地壳小幅度升降频繁，形成海陆交替相的灰岩、铁铝岩石、砂岩、页岩和煤建造。到石炭纪晚期末，海水全部退出本区，地壳进一步上升成大陆湖泊，此时气候温和，雨量充足，植物茂盛，形成了二叠系含煤建造。
(5)二叠纪末，本区地壳上升海水一直未达到本区，又遭受长期侵蚀，缺失三叠系、侏罗系、白垩系，燕山运动使本区发生褶皱断裂，奠定了本区构造雏形，前述背斜向斜断裂构造均是这个时期形成的。
四、找矿方向
20世纪60年代以来，国家对豫西包括禹县西部，投入相当大的人力物力，对该区的铝、粘土矿资源开展了很多地质工作，相继发现铝土矿床(点)20余处(包括禹县的方山大型铝土矿床等)，经过数十年的探矿，浅中部(300m以浅)铝土矿体已基本勘探完毕，找矿难度越来越大。今后一段时期，对该区的铝土矿找矿工作应该由寻找地表及浅中部氧化矿体，转为寻找地下隐伏的原生铝土矿体。具体到豫西方山地区的铝土矿找矿，应注意以下问题:
(1)根据古地理特征，寻找古陆或古高地的洼地或沉积盆地，进而寻找铝土矿含矿岩系即上石炭统本溪组。
(2)重视构造和岩溶控矿的作用，岩溶的发育对铝土矿有着直接的控制作用，而岩溶的发生和发展大部分与一定方向的基底断裂有关，因此，要不断总结现有成矿洼斗的分布规律，指导深部勘探工作。
(3)利用地球物理方法间接找矿，可提高找效率，节约找矿成本。如利用磁法测量可确定古岩溶侵蚀风化面的位置，利用激发极化法可以圈出铝土矿(化)体的大致位置及第四系的埋深。以瞬变电磁测深为主的多方法(参数)测深方法试验，结合视电阻率测深、超长波探测、音频大地电磁测深、视电阻率剖面、放射性等方法，定位基底碳酸盐岩上的岩溶洼斗位置。根据放射性差异，可使用放射性伽马测量方法，其数据可作为鉴别矿石与非矿岩石的参考。
(4)对已勘探和开发利用铝土矿床周边的深部远景区进行深部找矿，如方山铝土矿区东侧的白沙向斜核部，根据向斜构造的对称分布特征，含铝岩系向东及南部仍有延伸;景家洼向斜两翼出露地层为二叠系，其他地段为第四系覆盖，该向斜两翼的深部及向斜核部含铝岩系应有延伸，因此从区域上看，该区从方山铝土矿床向东仍有延伸，在白沙向斜、许禹背斜西段，景家洼向斜的核部和两翼往深部，铝土矿床中深部找矿远景很大。
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