谈河南中石炭世铝土矿成矿系统的控制因素

李新龙 刘玉山 唐 俊

(1.江苏省高淳区国土资源局，江苏高淳 211300;2.华北油田公司招标中心，河北任丘 062552;3.江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京 210007)

0 引言

成矿系统是指具有成矿功能的自然系统，具体是指在一定地质时空域中控制某种矿床产生、富集并保存的地质作用、地质条件所形成的矿化系列、矿床组成的整体。铝土矿是河南省的主要矿种之一，也是河南铝业的基础原料，主要分布在黄河以南、秦岭以北、京广铁路以西的广大地区(简称豫西)，出露面积20 000 km2左右，赋存于寒武系—奥陶系碳酸盐岩风化剥蚀面上，赋矿地层为中石炭统本溪组(C2b)，成矿时代为中石炭世本溪期，属红土型沉积型铝土矿。

为了保证铝土矿的稳定供应，需要对豫西铝土矿的成矿控制因素进行分析，以提高地质勘查的成功率。河南省铝土矿成矿系统是地球表面各个圈层共同作用下，导致铝元素分异、富集，并形成铝土矿床的成矿系统，豫西铝土矿成矿系统的控制因素主要有:风化作用、沉积作用、地形地貌、水文条件、海侵、构造作用、气候、大气、生物、喀斯特作用。

1 风化作用

豫西铝土矿的主要成分为二氧化硅、水铝石、赤铁矿和二氧化钛等，形成该矿床的本质原因是在化学风化的影响下，彻底分解了含铝硅酸盐矿物的岩石及铝硅酸盐矿物本身，导致能随水流迁移的元素被带走，在原地留下地表自然环境条件下最稳定的铁和铝的氧化物、二氧化硅等矿物。在晚奥陶世～早石炭世1.4亿年的时间段内，豫西所在的华北地区处于隆升状态，是一个受剥蚀区，地壳中的岩石矿物遭受了1.4亿年的风化剥蚀作用，大量的风化物在地表堆积，导致地壳中的铝元素得到了初步的分离和富集。

2 沉积作用

经历了1.4亿年风化剥蚀的华北地区寒武系—下中奥陶统碳酸盐岩顶面形成了一个面积广阔的风化剥蚀面。该风化剥蚀面为从中石炭世开始形成的铝土矿提供了赋矿空间，而风化剥蚀面下、厚度巨大的碳酸盐岩仍继续受到的化学风化作用，为豫西铝土矿提供了物质基础。水流把风化物质带入喀斯特地区沉积下来，然后由海侵作用引起的沉积作用形成的盖层使铝土矿免遭剥蚀。另外，本溪组沉积前后，华北地区发生火山活动，表现在河北省开滦本溪组底部出现厚度几十厘米的凝灰岩。在火山喷发时，喷出的随风四处飘散的含铝元素的火山灰在重力作用下，在地表沉积也是豫西铝土矿成矿物质的另一个来源。

3 地形地貌

地形地貌控制了风化作用的影响程度，高差不大的丘陵山区最有利于风化矿床的形成，因为该地形地貌条件能确保大气降水能够渗流到潜水面附近，然后随侵蚀基准面形成的泄水条件，在潜水面附近产生强烈的化学风化作用。对于铝土矿成矿因素来说，较大的地形高差地区由于显著的机械风化速度差别，处于地势较高部位的地质体遭受到较高的剥蚀速度，风化层中的铝元素未得到充分分离就已随水流迁移，而处于地势较低部位的地质体遭受到较低的剥蚀速度，风化层中的铝元素未得到充分富集就被掩盖，上述两种情况皆不利于铝土矿成矿作用的进行。地形地貌对铝土矿成矿的另一个作用是影响了受风化地质体所在地区的水文条件，如潜水面的变化、排泄条件、大气降水的下渗作用等，从而影响和铝土矿床形成有关的化学风化作用。

在豫西铝土矿沉积时，华北地区是一个风化剥蚀面，地形地貌特征总体表现为碳酸盐岩夷平面，该夷平面的作用有:

1)为铁质、硅质、铝质的富集提供了有利场所;

2)较小的地形高差，导致较弱的机械风化作用，从而确保持续进行有利于铝元素充分分离富集的化学风化，为铝土矿提供了成矿物质;

3)地形平缓，地表水流径流慢，渗透量大，有利于喀斯特发育，为铝土矿提供了赋存空间。

4 水文条件

淋滤作用是铝土矿形成的条件之一，因此，铝土矿化主要发生在潜水面以上，即铝土矿形成需要特定的水文条件。如果水体停滞在潜水面以下区域，则水的流动性弱，形成铝土矿所必需的淋滤作用就会停止，从而不利于铝土矿的形成，即丰富的大气降水和良好的排泄条件是铝土矿形成所必需的水文条件。

豫西铝土矿根据矿床模型理论归类为红土型沉积铝土矿。该型铝土矿主要发育于热带雨林地区，原因和热带雨林发育地区丰富的大气降水和良好的排泄条件相关，即符合铝土矿形成所必需的水文条件。在热带雨林地区，由于降水充沛，大气降水中溶解的矿物质少，使降水未达到饱和。因此，在地表流动的、矿物质溶解未饱和的水，能够溶解且带走地表地质体中溶解度高、稳定性差的元素和矿物。加上热带雨林地区由于沟壑发育形成的良好排泄条件，水流可以持续带走地质体中可移动的元素或矿物，在地面残留地表自然环境下最不易分解的铝氧化物，从而形成铝土矿。古地磁资料研究成果表明:石炭纪时，豫西所在的华北地区地理上位于赤道附近，气候上属于热带雨林地区，大气降水丰富，排泄条件良好。在良好的水文条件下，寒武系—下中奥陶统碳酸盐岩经历风化作用，使碳酸盐岩中的铝元素得到充分的分离、富集，为红土型沉积铝土矿提供了成矿物质。

5 海侵

晚石炭世海水入侵(海侵)对豫西铝土矿成矿系统的发生、发展、结束有明显的控制作用。豫西上石炭统太原组(C3t)的显著特征是发育海相灰岩，主要岩性有灰岩、页岩、砂岩和泥岩，属于海侵时期的沉积物。海侵对铝土矿的形成是从开始的有利因素逐渐变成后期的不利因素，表现为开始时的地下水面的抬升、降雨的增加有利于铝土矿的形成，到后期海平面上升、陆地沼泽化不利于铝土矿的形成。降雨增加导致淋滤作用增强对铝土矿的成矿作用是十分有利的，但是，海侵引起的地下水位面的抬高，使得发育在寒武系—下中奥陶统碳酸盐岩中的喀斯特地表流水、渗水系统和地下排水、泄水系统，由于地下水位面的抬高而减弱了淋滤作用，结果在赋矿地层中发育了品位低的铝土矿，其特点是铝土矿层中硅元素含量较高，铝元素含量较低，直至最后没有铝土矿层，代之的是碳质页岩、煤线、煤层。产生上述现象的原因是后期随着海平面的上升，在陆地上产生了沼泽。在沼泽地区，水流排泄不通畅，使喀斯特地区中的铝土矿成矿系统减弱或停止。

综上所述，海侵不仅有利于豫西铝土矿的成矿作用，而且也带来了铝土矿上覆地层太原组，有利于铝土矿的保存。

6 构造运动

促使豫西铝土矿形成的控制因素——风化作用、沉积作用、地形地貌、水文条件和海浸本质上是由构造运动决定的。现代铝土矿成矿作用主要发生在构造运动较弱、长期遭受到风化剥蚀的稳定地区，而造山带由于强烈的构造运动则很少形成铝土矿。因为构造运动弱，地形高差小的准平原地貌形态得以长时间保持，而地形高差小的地貌有利于铝土矿化作用的产生。华北地区中石炭统和早古生界二者之间的关系为假整合接触，说明奥陶系沉积之后，构造运动对华北地区的影响有限，一直到晚石炭世海水侵入华北地区之前，该地区的地表仍保持差不多水平的状态，呈现出有利于铝土矿成矿的准平原状态，然后构造运动引起的海侵作用，使华北地区在晚石炭世被陆表海淹没，结束了有利于铝土矿形成的准平原状态。

由于海浸作用，在铝土矿上面相继覆盖了厚度巨大的上石炭统、二叠系、下中三叠统，各地层相互间关系为整合接触，说明中石炭世铝土矿形成后，豫西所在的华北地区的构造运动表现为以持续的下降为主，使得铝土矿床被迅速埋藏保存。中三叠世开始，华南板块和华北板块碰撞，导致华北板块南部发生隆起，铝土矿在隆起区被抬升出露并受到剥蚀，说明构造运动有二重性，既有利于铝土矿的形成，也可能使先期形成的铝土矿遭到破坏。

7 气候

高温多雨的气候对于铝土矿的形成极为有利。现代红土型铝土矿主要分布在南北纬30°范围内的东南亚、南美、澳大利亚、西非、印度等热带雨林地区，上述地区占世界红土型铝土矿储量的96%。华北地区古地磁资料的研究结果:

1)早古生代期间，华北地区大地构造上属于中朝板块;

2)早古生代期间，中朝板块从20.2°S向北漂移到12.9°S;

3)早古生代末期，中朝板块地理上仍位于南纬地区，处于赤道附近的热带、亚热带气候环境中，在气候因素上为形成豫西红土型沉积型铝土矿奠定了基础。

8 大气

铝土矿主要成分为铝、硅、铁等元素，大气对铝土矿形成的作用主要通过大气的氧化还原环境而表现出来，具体表现在对地表中铁元素迁移及沉淀的影响上，来实现对铝土矿成矿作用的影响。如果大气为氧化环境，则地表中的铁元素容易迁移，从而导致铝元素在地表相对富集而形成铝土矿。在石炭纪的陆地上，生物进化到植物大规模地产生。植物的光合作用使得大气圈的成分发生了明显的变化，表现在大气圈中二氧化碳的含量减少，而氧气的含量增加，形成氧化环境。氧化环境促进了铝土矿的形成，表现在:

1)随着大气中氧气含量的增加，使得大气圈、岩石圈中的有机物、硫化物等易被氧化，导致地下水、地表水具有酸性;

2)酸性地下水、地表水促进寒武系—下中奥陶统碳酸盐岩的化学风化作用，导致地壳中的铝元素得到了分离和富集;

3)促进地表中的铁、硅等元素随水流被溶解迁移。

在豫西铝土矿区，赋矿地层中通常含红色、红褐色的铁质泥岩、页岩或赤铁矿。如豫西陈道庄矿区的ZK8614钻孔，在孔段280.86 m～282.4 m范围内为红褐色铁质页岩;南湖矿区的ZK20867钻孔，在孔段328.33 m～329.66 m范围内出现红色铁质泥岩，而ZK18679钻孔，在孔段309.35 m～313.35 m范围内的红褐色铁质泥岩中发育了赤铁矿;大沟头矿区的ZK6480钻孔，在孔段549.73 m～552.73 m范围内出现了红褐色含赤铁矿页岩。以上现象说明:1)豫西铝土矿形成时，由于大气中氧化含量的增加，氧化作用普通且强烈;2)大气圈中氧气含量的增加是豫西铝土矿形成的重要因素。

9 生物作用

生物对铝土矿成矿作用贡献主要表现在以下:

1)植物的根系和土壤中的细菌产生的分泌物促进风化作用，有利于形成含铝元素的土壤层;

2)植物能够有效地改变水流的循环途径，具体表现在减少地表水的蒸发，减缓地表水的径流，从而大大促进了地表水的下渗，使得铝土矿形成的条件淋滤作用加强，如在澳大利亚苏里南的沼泽地区，由于富含腐殖酸水的下渗淋滤作用，铁元素强烈的淋失，导致铝元素的进一步富集;

3)植物能够减轻大气降水、地表流水对含铝元素土壤层的冲刷，结果使铝土矿床不会被侵蚀;

4)由植物落叶产生的腐殖酸进一步促进了对寒武系—下中奥陶统碳酸盐岩的化学风化作用;

5)植物光合作用产出了大量的氧气，增加了大气圈中氧气的含量，使得大气形成有利于铝土矿形成的氧化环境;

6)植物能够吸收数量可观的硅元素，相当于对土壤层进行了去硅作用，导致了土壤层中的铝元素得到进一步的富集。

另外，豫西铝土矿和炭质页岩、煤线、煤层之间具有良好的空间关系。陈道庄、南湖、大沟头矿区的本溪组上段广泛出现了炭质页岩、煤线，在一些钻孔中出现了质量较好的煤层。在陈道庄矿区，有17个钻孔中的本溪组出现了最大厚度7.7 m、平均厚度1.8 m的煤层，如在ZK8614钻孔中，铝土矿层中夹2.6 m厚的煤层，ZK3255钻孔则出现了黑色含碳铝土矿，Al2O3的含量达到61.5%;南湖矿区的 ZK20867，ZK13106，ZK17307，ZK01214 等钻孔中则铝土矿层和煤层(煤线)、炭质页岩层相互间夹出现，其中ZK01214钻孔，含铝土矿地层中的煤层厚度达到了3.8 m;大沟头矿区在铝土矿呈现黑色，在矿层下面出现了含植物化石的炭质页岩，而矿层上面的炭质页岩中则普遍发育煤线、煤层。

光合作用最重要的结果是导致大气圈中增加了大量的氧元素，使地球中大气圈、水圈、岩石圈的有机物质、硫化物质等被氧化，产生了大量的无机酸以及腐殖酸;加上植物本身以及植物落叶分解形成腐殖物质时产生的质量可观的、游离的二氧化碳;再加上土壤里细菌生命活动时产生的游离的二氧化碳，三者结合使水体中酸性度增加，加速了岩石中钠、钾等金属元素、铁质、硅质被水溶解后随水流迁移，进一步促进了豫西中石炭世铝土矿的富集成矿。在豫西，铝土矿的矿物组成、颜色特点是:

1)TiO2和Al2O3的含量二者呈现正相关关系，即TiO2含量高，则Al2O3含量也高，反之亦然;

2)铁含量低;

3)矿体颜色以灰色为主。说明在石炭纪期间，进化产生的陆地植物及由其产生的腐殖物质，对豫西铝土矿的去铁、去硅发挥了重要的作用。

10 喀斯特作用

豫西铝土矿体赋存于寒武系—下中奥陶系碳酸盐岩的风化剥蚀面上。在该风化剥蚀面上，发育了种类繁多的喀斯特地貌，主要表现为漏斗、洼地和盆地等。有些地区的喀斯特漏斗，深度最大约100m，和下面的地下暗河相连通，形成喀斯特地区的排泄系统;而有些地区喀斯特漏斗底部发育溶洞，洞顶底高差10 m以上。

豫西铝土矿体赋存于喀斯特地貌中，矿体的厚度、品位和喀斯特地貌的发育深度有明显的对应关系。在地势较高的地方，铝土矿及本溪组含矿岩层厚度薄，甚至消失;在地势高差较大的漏斗中，矿体不仅品位高，而且厚度大，但是由于空间的限制，矿体沿走向、倾向延伸有限，矿体呈现漏斗状，储量规模小;而在地势较为平坦的洼地、盆地中，铝土矿体厚度小，呈层状，但沿走向及倾向矿体延伸大，储量规模大。

我国华北地区铝土矿的形成年代为晚古生代，对应于地球陆地上出现植物的时代，植物及其产生的有机物质在高温多雨的气候和稳定古陆的构造条件下，对寒武系—下中奥陶系碳酸盐岩的化学风化作用加强。在化学风化作用下，在地表形成了厚度巨大的Al2O3风化壳和喀斯特地貌。生物活动及由其形成的腐殖质，以喀斯特地貌中的水为介质，直接参与了铝土矿的富集成矿。即在植物、土壤、富含氧气的大气、喀斯特的共同作用下，尽管减缓了机械风化作用，但大大增强了化学风化作用，更加促进了铝土矿的形成。

11 结语

豫西中石炭世铝土矿成矿系统的控制因素复杂，包括大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的地球所有圈层全部参与并均起了积极的作用。风化作用、沉积作用、地形地貌、水文条件、海侵、构造作用、气候、大气、生物、喀斯特作用在豫西铝土矿成矿系统中均发挥了极为重要的作用，上述控制因素相互影响、相互联系，共同构成一个复杂的铝土矿成矿系统，造就了豫西铝土矿。

注:成稿过程中，得到了陈旺同志的指导，在此表示衷心的感谢!

［1］ 崔来运.判断铝土矿成矿物质来源的数学方法［J］.物探与化探，2011，35(1):131-135.

［2］ 魏明君，赵金洲，杨长龙，等.CSAMT在河南某铝土矿区深部勘查中的应用［J］.物探与化探，2011，35(5):600-603.

［3］ 马振波，燕长海，李中明，等.CSAMT在河南郁山大型隐伏铝土矿勘查中的应用［J］.物探与化探，2012，36(4):688-691.

［4］ 朱立军，李景阳.碳酸盐岩风化成土作用及其环境效应［M］.北京:地质出版社，2004.

［5］ 贾润幸，方维萱.热带雨林景观区土壤测量的应用效果［J］.物探与化探，2011，35(4):443-447.

［6］ 崔伟雄，李德春，徐荣华.煤田岩溶塌陷正演模拟及属性应用［J］.物探与化探，2011，35(5):648-651.

［7］ 钟 蓉，孙善平，傅泽明.山东及邻区晚石炭世一早二叠世火山事件沉积及地层对比［J］.地质学报，1996，70(2):142-152.

［8］ 万天丰.中国大陆早古生代构造演化［J］.地学前缘，2006，13(6):30-41.

［9］ 汪品先.气候变化中的冰和炭［J］.地学前缘，2002，19(2):85-92.