偃龙煤下铝地球化学特征及微地貌控制

周红春 刘文波 陈永才 张 清 陈 光 郝金玉 曹高社 段建设

(1.河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院；2.河南理工大学资源环境学院)

·地质·测量·

偃龙煤下铝地球化学特征及微地貌控制

周红春1刘文波1陈永才1张 清1陈 光1郝金玉1曹高社2段建设1

(1.河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院；2.河南理工大学资源环境学院)

河南省偃龙煤田深部铝土矿勘查项目是河南省第一批整装勘查项目之一，目前已经取得了较好的找矿成果。通过系统采集常量元素、微量元素和稀土元素样品，结合相关测试数据，对矿体的垂向、横向和纵向地球化学特征进行了深入分析，认为矿体主要受岩溶地貌和后期的风化淋滤作用影响，导致陆地向海凹进地区比凸起地区成矿条件优越。

煤下铝 地球化学特征 风化淋滤作用 地貌控制

河南省偃龙煤田深部铝土矿勘查项目工作区内铝土矿为赋存于寒武—奥陶系古风化剥蚀面上的一水硬铝石型铝土矿，成矿时代为晚石炭世本溪期[1]。河南省华北地层区范围内的本溪组是一套有障壁海岸沉积体系的产物，工作区晚石炭世本溪组含矿岩系为一套以铝质、铁质、黏土质为主的碎屑岩，底部为铁质黏土岩，中部为铝(黏)土矿层，上部为碳质、砂质黏土岩，沉积环境为距古陆(古岛)不远的滨岸泻湖相区[2-3]。该区以往的基础地质研究成果多为小比例尺的成矿规律、资源潜力分析，矿点勘查评价仅有夹沟、府店、焦村、贾庄坡、下徐马等几个，且较为分散。为此，结合相关测试数据分别对矿体在垂向、横向以及纵向的地球化学特征进行深入探讨，为该区域的找矿工作提供参考。

1 矿区地质特征

工作区位于洛阳盆地的东南侧，处于嵩山背斜北翼，南部为寒武系馒头组、张夏组、崮山组、炒米店组、三山子组灰岩、白云岩出露，东部、北部二叠系和三叠系地层，西部为新近系中新统洛阳组，大面积被第四系坡积物、Ⅱ级阶地冲洪积物覆盖，铝土矿赋存于石炭系上统本溪组中[4]。全区初步圈出铝土矿矿体8个，单矿体厚2.49～11.29 m，平均厚3.74 m；Al2O3含量为51.10%～62.56%，平均59.47%。初步圈出耐火黏土矿体12个，与铝土矿层呈相变关系，单矿体厚1.02～4.16 m，平均1.60 m；Al2O3含量为45.53%～52.38%，平均49.35%；Fe2O3含量为0.90%～2.37%，平均1.86%；烧失量为10.39%～14.52%，平均12.51%，耐火度为 1 600～ 1 790 ℃。

2 采样及测试结果

共采集常量元素、微量元素和稀土元素矿体样品9件，样品涵盖下部铝土质泥岩、中部豆鲕(碎屑)状铝土矿和上部铝土质泥岩。测试的常量元素包括Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、TiO2、MnO、Fe2O3和烧失量(表1)；微量元素包括Sc、Li、Be、Co、Cu、Zn、Ga、Rb、Zr、Nb、Th、U等(表2)；稀土元素包括La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y(表3)。为了揭示元素在纵向上的赋存规律，在00勘探线不同钻孔中采样，对其中Al2O3、SiO2、TiO2、Fe2O3的含量进行分析，结果见表4；在勘探线上不同钻孔或钻孔不同样品的基本分析副样中采取组合样品26件，测试常量元素Al2O3、SiO2、TiO2、Fe2O3(表5)和伴生元素Ga、Li2O3含量(表6)；同一工程中圈入矿体的样品除以其厚度的加权平均值计算出单工程元素平均含量外，不够矿的单工程选样品的最高值(表7)。

表1 偃龙地区铝土矿ZK4704钻孔常量元素含量 %

样号Na2OMgOAl2O3SiO2P2O5K2OCaOTiO2MnOFe2O3FeO烧失TZK4704-10.171.7233.1639.300.315.720.181.580.016.373.127.86TZK4704-20.171.2734.2438.140.255.470.341.580.015.964.657.61TZK4704-30.101.5946.627.890.111.220.432.440.191.8517.6018.58TZK4704-40.071.5344.0810.110.140.440.531.840.142.9620.9015.09TZK4704-50.090.3071.526.080.070.890.084.660.011.620.5314.00TZK4704-60.100.2973.905.320.060.770.073.540.011.120.5014.14TZK4704-70.080.4356.1123.570.052.120.153.030.011.200.2712.84TZK4704-80.080.4056.6723.090.042.130.133.100.010.940.3012.92TZK4704-90.120.4525.6232.270.161.723.811.440.0614.830.4520.00

表2 偃龙地区铝土矿ZK4704钻孔微量元素含量 μg/g

表3 偃龙地区铝土矿ZK4704钻孔稀土元素含量 μg/g

3 矿体地球化学特征

3.1 矿体垂向地球化学特征

3.1.1 常量元素

3.1.1.1 Al、Si、Ti

Al2O3含量在上部和下部均相对较低，向中部逐渐增高，反映了几个特征：①Al含量高低代表风化淋滤程度的强弱，中部豆鲕(碎屑)状铝土矿的风化程度比下部和上部铝土质泥岩风化淋滤程度要高；②中部豆鲕(碎屑)状铝土矿层铝含量高，说明了铝土矿层中部风化淋滤程度较高；③Al含量的变化是从底到顶逐渐增高又降低过程。SiO2含量变化与Al和Ti的变化截然相反，由下部和上部的铝土质泥岩向中部豆鲕(碎屑)状铝土矿逐渐降低。上、下部铝土质泥岩富含黏土矿物，与SiO2的高含量相对应，说明SiO2主要富集于黏土矿物中。Ti含量变化与Al基本一致，且Ti含量高值对应于Al含量高值，说明Ti和Al的含量具有明显的正相关性，由风化淋滤的强度决定。

表4 偃龙地区00线铝(黏)土矿常量元素含量 %

钻孔编号样号检测结果Al2O3SiO2Fe2O3TiO2钻孔编号样号检测结果Al2O3SiO2Fe2O3TiO2ZK0002H138.1041.221.971.88ZK0008H463.812.943.163.48ZK0006H465.695.481.013.86H564.564.501.653.28H664.896.171.263.86H762.635.501.603.80H863.154.631.263.19H960.882.962.244.03H1058.672.801.973.49H1163.533.362.302.82H1264.562.502.483.12H1361.973.774.651.85ZK0010H157.0025.701.212.59H270.48.551.233.86H370.77.981.602.74H452.708.439.252.37H543.009.1612.502.27H647.5017.7114.252.76H737.309.8417.502.11H849.5026.988.202.87H950.4024.6013.552.67H1054.0018.5014.052.89ZK0008H268.6211.211.523.49H370.418.862.003.72ZK0014H137.743.601.331.57

表5 偃龙地区纵向组合分析基本元素含量 %

表6 偃龙地区纵向组合分析伴生元素含量

表7 偃龙地区00线铝(黏)土矿单工程基本元素含量 %

注：前7个钻孔采用河南省偃师县焦村铝土矿区详细勘探地质报告中的数据。

3.1.1.2Fe

Fe作为变价元素，在强氧化条件下形成赤铁矿，在中等氧化条件下形成磁铁矿。如果氧化还原条件发生改变，已生成的矿物可以发生互相转变。例如在还原介质中，赤铁矿可以还原形成黄铁矿；在氧化介质中磁铁矿又可以氧化成假象赤铁矿。Fe2O3含量在上部和下部铝土质泥岩中整体较高，中部豆鲕(碎屑)状铝土矿含量较低，最高含量的Al2O3对应着最低含量的Fe2O3，说明了Fe和Al的分离，分离作用可能与当时酸性介质有关。FeO主要存在于黄铁矿中，在下部铝土质泥岩与中部豆鲕(碎屑)状铝土矿结合部位较为富集，尤其在含铝岩系的底部富集明显。

其他常量元素如P，含量总体上由上至下逐渐增加；Mn与FeO的含量基本一致，中部豆鲕(碎屑)状铝土矿底部含量较高；MgO含量在上部较低，下部变高，说明了Mg具有由上至下淋滤迁移的特点；K2O含量在铝土质泥岩的上部和下部较高，中部豆鲕(碎屑)状铝土矿较低，反映了风化程度的差异。

3.1.2 微量元素

3.1.2.1Sc、Li、Ga

Sc在岩浆岩和沉积岩中较为富集，尤其在中部豆鲕(碎屑)状铝土矿中最为富集，说明Sc相对活动性较差，与Al2O3的变化相似。在中部豆鲕(碎屑)状铝土矿的下部出现，可能与Sc(OH)3沉积晚于Al(OH)3有关，或与下部FeO含量较高有关。Li含量变化较大，在上部和下部铝土质泥岩中含量很高，尤其在铝土质泥岩的下部，远高于正常泥质沉积物中Li的含量，可能与成矿物质的高锂含量有关。顶底部铝土质泥岩中Ga的含量明显低于中部豆鲕(碎屑)状铝土矿中Ga，并且Al与Ga的最高值相对应。

3.1.2.2Th、U

Th整体含量相对较高，具有一定的富集作用，尤其是在中部豆鲕(碎屑)状铝土矿中富集程度更高，含矿岩系的伽马异常明显与Th的高含量密切相关，被认为是火山灰存在的指示[5]。

3.1.3 稀土元素

稀土总量变化较大，总体上含铝岩系从上部到下部，含量逐渐增加，说明了稀土元素的迁移性质。此外，上部铝土质泥岩稀土含量较高，下部铝土质泥岩增加明显，说明了黏土矿物对稀土元素具有吸附作用[6]。大部分样品均表现为Eu负异常，整体上中部豆鲕(碎屑)状铝土矿Eu负异常更为明显，说明风化程度与Eu的流失有一定的关系，与Eu2+具有较强的迁移能力有关。除顶部和底部的铝土质泥岩外，整个含矿岩系均表现为Ce正异常，且正异常的高值与Al相一致，说明Ce正异常完全是由风化作用所引起。∑Ce/∑Y值均表现为轻稀土富集，但富集程度存在着较大的差异，尤其对于Al含量较高的样品，∑Ce/∑Y出现低值。

总之，工作区含铝岩系是化学风化作用的产物。元素在含铝岩系中的变化规律，除了与不同元素的地球化学性质有关外，主要受风化程度的控制。研究表明，风化程度在含铝岩系的中部最强，向上部和下部风化程度逐渐变弱。

3.2 矿体横向地球化学特征

Al2O3在南北方向上有2个峰值，南部含量最高，向北逐渐降低，在914m处达到最低，随后逐渐增高，在1 512m处达到顶点，然后又逐渐降低，反映了南部和中部1 512m附近豆鲕(碎屑)状铝土矿相对于耐火黏土矿优势明显，914m附近和北部豆鲕(碎屑)状铝土矿对耐火黏土矿优势不明显，南部和中部1 512m附近比914m附近和北部的风化淋滤程度高。

SiO2含量变化与Al和Ti相反，由南部向914m附近，1 512m附近向北部逐渐降低，SiO2与Al2O3、TiO2呈明显的负相关性(图1、图2)。

图1 SiO2-Al2O3相关性

图2 SiO2-TiO2相关性

Ti与Al的含量变化规律相一致，且Ti含量高值与Al含量高值相吻合，Ti和Al的含量呈正相关性(图3)，由风化淋滤的强度所决定。

图3 Al2O3-TiO2相关性

Fe2O3含量在914 m附近和北部地段较高，在南部和中部1 512 m附近则较低，最高含量的Al2O3对应着最低含量的Fe2O3，两者呈负相关性(图4)。说明了Fe和Al的分离，这一分离作用可能与当时的酸性介质有关。

图4 Al2O3-Fe2O3相关性

3.3 矿体纵向地球化学特征

Al2O3含量在矿体中的纵向变化不大(表6)，为49.86%～67.05%，西部和东部稍低，中部较高，反映了中部豆鲕(碎屑)状铝土矿相对于耐火黏土矿优势明显，西部和东部豆鲕(碎屑)状铝土矿相对于耐火黏土矿优势不明显，中部的风化淋滤程度高于东部和西部。SiO2含量变化与Al和Ti含量变化相反，由中部向西部和东部逐渐降低。Ti含量变化与Al含量变化规律相同，且Ti含量的高值与Al含量的高值一致，Ti和Al含量具有正相关关系，由风化淋滤的强度决定。Fe2O3的含量在51#线和11#线含量较高，西部和中东部则含量较低， Al2O3的含量最高值与Fe2O3的含量最低值相对应，说明了Fe和Al的分离。Li含量变化较大(表7)，在00#～48#线含量较高，从00#线向西部，48#线向东部含量下降。从西向东，Ga含量有3个峰值，分别位于39#～43#线、00#线和76#～84#线，39#～43#线以西Ga含量变化不大，39#～43#线至07#线逐渐降低，至00#线升高，随后又逐渐降低，至76#～84#线升高，76#～84#线以东含量变化不大。

4 微地貌对铝土矿富集的控制作用

矿体的形态受到岩溶作用及其产生的岩溶地貌的影响。区内铝土矿主要形成于岩溶斜坡环境，并受到NW向和NE向节理的联合控制。因此，主要受到NW向节理控制的矿体，其形态也主要为长轴呈NW向的透镜状，受到2组节理联合控制的矿体，其形态主要为囊状，方向性不明显，厚度较大。NW向和NE向节理均发育的地区，岩溶作用的范围和强度也较大，矿体呈厚度较大的似层状，而在岩溶不太发育的地区，矿体主要呈厚度较薄的似层状。

总体上讲，沉积作用时期(本溪期)，陆地向海凸起地区比凹进地区本溪组的沉积厚度要小，如寇店的ZK13504本溪组厚度为3.72 m，而成矿较好的贾庄坡、焦村一带，本溪组厚度多在10 m以上。但并非绝对，寇店的ZK9108本溪组厚度达到12.2 m，但铝土矿厚度不到2 m，硅铝比也仅为2.0，原因在于，后期的淋滤风化作用中，地下水起着关键作用[7]，地下水在山谷地区要比山脊地区丰富得多，风化淋滤和化学风化作用也更为彻底。因此，山谷地区(陆地向海凸起地区)比山脊地区(陆地向海凹进地区)成矿更为有利。据此，找矿方向应放在龙门、刘庄、夹沟等矿段。

5 结 论

(1)垂向上。由于风化程度差异，相对难迁移元素富集于风化程度较强的层段，Al2O3、TiO2和微量元素Sc、Ga的含量在上部和下部均较低，并向中部逐渐增高，迁移能力弱的元素总体有富集，在风化程度较强的层段富集更强，包括Fe3+、Sc、REE；迁移能力较强的元素总体有流失，含铝岩系下部较上部的含量高，包括Si、Mg、Ca、U；迁移能力强的元素在风化程度较高的层段具有强烈的流失，在上下部铝土质泥岩含量高，包括K、Na、Li；某些元素往往被黏土矿物和有机质吸附，产生高含量，如K、Li、REE等。

(2)横向上。Al2O3和TiO2在南北方向上有2个峰值，南部含量最高，向北部逐渐降低，达最低点后逐渐增高，到顶点后又逐渐降低，SiO2、Fe2O3的含量变化与Al和Ti的含量变化呈负相关关系。

(3)纵向上。Al2O3和TiO2含量在矿体中的纵向变化不大，西部和东部稍低，中部较高，SiO2、Fe2O3的含量变化与Al和Ti的含量变化相反，这是由于陆地向海凸起地区比凹进地区本溪组的沉积厚度要小，加上后期的淋滤风化作用差异，导致陆地向海凹进地区比凸起地区成矿条件优越，并在漏斗状岩溶地形中成矿地质条件最佳。

[1] 班宜红，郭 锐，王军强，等.河南省钙红土风化壳型铝土矿沉积规律及找矿远景概论[J].矿产与地质，2012(3)：210-220.

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Geochemical Characteristics and Micro-Landform-Controlling of the Bauxite-Under-Coal of Yanlong

Zhou Hongchun1Liu Wenbo1Chen Yongcai1Zhang Qing1Chen Guang1Hao Jinyu1Cao Gaoshe2Duan Jianshe1

(1.The Fourth Geological Exploration Institute, Henan Geology and Mineral Bureau;2.School of Resources and Environment Engineering,Henan Polytechnic University)

Yanlong bauxiet-under-coal exploration project is one of the first integrated exploration projects in Henan province, at present, good ore-prospecting results has achieved. Samples of major elements, trace elements and rare earth elements are collected systematically, combined with some related test data, geochemical characteristics of the orebodies in the directions of vertical, horizontal and vertical are analyzed in depth.The analysis results show that the orebody is mainly affected by karst landform and later weathering and leaching, which lead to the metallogenic conditions in the recessed areas of land to the sea is superior to the projection area.

Bauxite-under-coal, Geochemcial characteristics, Weathering and leaching, Landscape control

2015-01-09)

周红春(1969—)，男，高级工程师，硕士，450001 河南省郑州市高新区科学大道81号。