现在一般认为河南铝土矿含矿岩系是晚石炭世滨海湖坪与海湾、篮肪车某粱铩Ｎ夤椎(1996)曾从5个方面对此作了系统研究。
(1)产出及形态特征
河南铝土矿含矿岩系产出严格受古地形的制约。由于沉积时在古岩溶侵蚀面上起了填平补齐的作用,因而上平下凹为其基本的形态特征。
图3.8 河南铝土矿含矿岩系沉积相综合剖面图
1)凡有铝土矿含矿岩系分布的地区,无论是矿区还是无矿带,总有一层铁质粘土岩存在。在地表或浅部为紫色、黄褐色等杂色铁质粘土岩夹山西式铁矿,在深部钻孔中则为灰色―深灰色含细粒或结核状黄铁矿、菱铁矿的铝土页岩。
2)通过对9个典型铝土矿区1069个钻孔铁质粘土、粘土矿、铝土矿及上覆铝土页岩厚度资料的计算,结果显示:只有底部的铁质粘土岩厚度变化率最低,平均变化率为0.72(表3.6),接近厚度基本均匀的地质体。
表3.6 河南部分铝土矿区含矿岩系分层厚度及变化率表
3)从各矿区勘探线剖面可知,位于含矿岩系最底部的铁质粘土多呈层状、似层状产出。即使在岩溶发育的地区,其分布也同古地形同步起伏(图3.9),而与上覆铝土矿显著有别。
4)各矿区岩石类型分布图上清楚地表明,河南铝土矿含矿岩系是以铁质岩及铝-铁质岩为沉积背景,在其基础上发育了呈圈闭状的铝质岩和铁-铝质岩。
图3.9 新密市开阳铝土矿勘探线剖面图
上述事实说明,铁质粘土岩具有大面积分布的陆表海沉积的特点,而位于其上的铝土矿、粘土矿,除焦作-济源、巩义、新安一带继承着这种形态特点外,渑池、登封、新密、宝丰等地区的铝土矿、粘土矿则多为洼斗状或为面积较大的溶洼状。
(2)生物化石特征
初步统计,河南铝土矿含矿岩系中生物化石主要为植物化石,而动物化石极其稀少(仅在博爱黄土岭地区铁质粘土岩中发现了一些半咸水型双壳类、介形类及腕足类动物化石),说明其沉积环境应属滨海泥坪环境的产物。
(3)微量元素特征
吴国炎等(1987,1990,1996)对河南部分铝土矿区含矿岩系按铁质粘土岩、铝土矿、粘土矿、粘土页岩分别取样,进行了Sr、Ba、B、Ga、V、Zr、Cr微量元素定量分析(表3.7)。
表3.7 河南铝土矿含矿岩系微量元素定量分析结果表
续表
由表3.7可见,河南铝土矿床沉积环境具有如下特点:
1)从w(B)及w(B)/w(Ga)值来看,河南铝土矿床形成于海相沉积环境。研究发现,硼在海相粘土质岩石中的质量分数远高于其在淡水相粘土质岩石中的质量分数,因此可用硼判断其沉积时的古盐度。本区7个矿区铝(粘)土矿及粘土质岩石的平均w(B)均在100以上,表示出明显的海相特征。w(B)/w(Ga)值(表3.8)也说明河南铝土矿含矿岩系形成于海相环境。
表3.8 不同地区w(V)/w(Zr)、w(Sr)/w(Ba)、w(B)/w(Ga)比值结果表
注:①《国外沉积相及古地理资料汇编》(二),1982;②《陆海相地层辨析标志》1980。
2)资料表明,在淡水沉积物中,w(Sr)/w(Ba)值小于1,而在海相沉积物中则大于1。本区大部分地区铝土矿含矿岩系,w(Sr)/w(Ba)值均大大高于1,呈现海相沉积的特点。只有焦作地区出现反常的低于1的特点,可能是近岸淡水带入引起的局部淡化作用所致(表3.8)。本区各类岩石w(B)w/(Ga)、w(Sr)/w(Ba)值也均反映其海相沉积的特征(表3.9,3.10)。
3)一般认为,陆相粘土质岩石w(Al)/w(Ti)应为70~120,而海相粘土质岩石w(Al)/w(Ti)为15~70。本区各类铝土矿和铁质粘土岩w(Al)/w(Ti)为18~24,与海相沉积物相同(表3.11)。
4)本区多数粘土质岩石w(V)/w(Zr)在0.2以下,呈现陆相沉积物的特点,仅个别大于0.2,呈现海相沉积物特点,此点值得进一步研究。
表3.9 基底碳酸盐岩微量元素分析结果表
表3.10 国内外各类岩石微量元素分析结果表
注:①《国外沉积相及古地理资料汇编》,1982;②成都地质学院,《沉积岩石学》;③同济大学,1974。
表3.11 河南各类铝土矿矿石化学分析统计表(w/%)
5)痕量元素(如Cr、Cu、Ni、V、Ga等)在海相沉积物中的质量分数比陆相沉积物高。除个别元素外,本区大多数岩石痕量元素的质量分数接近海相沉积物的质量分数(表3.12)。
表3.12 河南铝土矿微量元素对比表
注:有*号者为半定量分析数据,其余为定量分析数据;()中数字为样品数。(据Potter等,1963)
(4)岩石矿物特征
河南铝土矿含矿岩系自下而上岩石组合特点为:
1)主要矿物组合由水云母、绿泥石、黄铁矿(部分地区有菱铁矿)、蒙脱石、高岭石→硬水铝石、高岭石、水云母组合→高岭石、水云母、煤、有机碳的组合。
2)水云母质量分数由多变少,而高岭石则由次要变主要。
3)岩石结构构造从下部铁质粘土岩的细粒结构或泥晶结构→中部铝土矿的碎屑结构→上部粘土页岩的泥屑、隐晶结构,构造上从片状、块状层理→豆鲕状构造、砾屑构造、片状、页理状构造,反映了从水动力较弱的滨海潮坪发展到成为篮肪,最后成为陆相湖沼相的变化过程。
4)河南铝土矿含矿岩系下部黄铁矿质量分数很高,呈细粒分散状或结核状,尤其在北、中部地区形成多处黄铁矿矿床,如焦作古汉山、济源大社、下冶官洗沟、新安狂口、北冶、巩义大峪沟、荥阳冯庄均在本溪组下部形成黄铁矿矿床。风化后成山西式铁矿。河南南部地区虽然较少形成工业矿床,但剖面下部黄铁矿较多,向上则明显减少。一般认为在淡水中由于不含硫酸根离子,不会发生还原作用,形成硫化氢,所以不形成铁的硫化物。黄铁矿在下部多与水云母、绿泥石常一起共生的现象,均说明是在海水环境下沉积的。值得指出的是,南部宝丰边庄、梁洼一带,下部常有菱铁矿、铁质粘土、煤层的组合出现,说明晚石炭世初期海侵时,此带濒临秦岭古陆,地势较高,海水虽有波及,但主要以滨海的沼泽环境为主(吴国炎等,1996)。
(5)岩相旋回特征
河南铝土矿含矿岩系自下而上粒度由粗到细,逐渐出现湖沼相含煤沉积,到南部大多数地区在晚石炭世末期出现沉积间断面等特征,反映从海侵到海退的旋回特征及沉积环境由海相变为陆相的环境变迁过程,为一完整的沉积旋回。
综上所述,河南省在晚石炭世时的沉积环境经历了滨海相潮坪→篮蚝Ｍ濉友莼獭３粱钡乃橹室韵趟辔,部分近岸区呈现局部淡化。