河南偃龙煤田深部硫铁矿地质特征

尹高科，周红春，张 清，陈永才，王承中，刘向阳

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院，河南 郑州 450001)

0 引言

巩义—龙门铝土矿成矿带，是河南省发现最早的铝土矿床。从1950年6月张伯声、冯景兰首先发现巩义铝土矿，至今已达半个多世纪。建国以来有许多知名学者、专家在此开展了大量地质科学研究工作，对解决基础地质方面的一些关键问题方面发挥了重要作用。较重要的研究工作主要包括综合地质编图、系统总结及专题研究等[1-3]。前人完成的区域地质调查获取了大量新发现、新资料，在区域构造格架、地层层序、岩相古地理、岩浆岩序列、变质变形和地质演化研究等方面都取得了一批重要成果[4-6]，重新认识了区域成矿地质背景，提高了区域地质调查研究程度。前人的研究主要侧重于煤、铝土矿矿种，对于共生矿产硫铁矿的研究程度偏低。硫铁矿与铝土矿等共生矿产在矿物成分、化学成分和厚度上为渐变的相变关系。通过研究硫铁矿与铝土矿等共生矿产在厚度上的相变关系、硫铁矿与铝土矿等共生矿产在化学成分上的相变关系、研究与菱铁矿等共生矿产的关系，查明了偃龙煤田深部硫铁矿的地质特征，厘定了构造和沉积作用对硫铁矿的控矿作用，大地构造位置控制了硫铁矿的区域分布，断裂作用控制了硫铁矿的位置和厚度，断裂交汇部位可形成厚大的矿体；构造活动强度控制了硫铁矿的品质；沉积作用的控矿因素表现为：晚石炭世早期沉积的伊利石黏土岩富含硫铁矿[7]。厘定了岩相古地理、地层、构造和岩性等4个方面的找矿标志。运用找矿标志可找到沉积型硫铁矿，运用相变关系估算资源量，可以增加资源量，从而增加矿山的经济效益。

1 地质概况及地质特征

偃龙煤田深部硫铁矿属于嵩箕成矿区中的偃师-巩义-荥阳铝土矿成矿带(图1)，赋存于寒武系—奥陶系古风化剥蚀面上的本溪组中下部，属于煤系沉积型硫铁矿，成矿时代为晚石炭世本溪期[8-10](图2)。工作区位于洛阳盆地的东南侧，处于嵩山背斜北翼。

图1 工作区区域地质图Fig.1 Regional and geological map of the work area1—第四系 2—新近系 3—白垩系 4—侏罗系 5—三叠系 6—二叠系 7—石炭系 8—寒武系—奥陶系 9—元古界 10—太古界 11—燕山期花岗岩 12—断层 13—地层产状

图2 工作区地质图Fig.2 Geological sketch map of the work area1—第四系 2—新近系 3—下三叠统刘家沟组细砂岩 4—中二叠统石盒子组长石石英砂岩 5—下二叠统山西组砂岩、砂质页岩6—中石炭统太原组灰岩、含燧石团块灰岩 7—下石炭统本溪组(一段为赤铁矿、铝土页岩、铝土矿，二段为中粗粒长石石英砂岩及泥岩) 8—中奥陶统马家沟组白云质灰岩 9—寒武系白云岩、鲕粒灰岩 10—新元古界罗圈组砾岩、砂岩 11—中元古界马鞍山组石英砂岩 12—地质界线 13—推测断层 14—偃龙矿区范围

冯封硫铁矿是河南省沉积性硫铁矿的典型矿床，与冯封硫铁矿相似，矿体分上、下两层，其中下层为主矿层[12]，共圈出硫铁矿体7个，单矿体厚度为1.36～2.71m，平均厚2.32m；w(S)=9.80%～16.30%，平均14.92%。以Ⅲ级品为主，其次为低品位矿(表1)。

表1 偃龙硫铁矿矿体特征Table1 List of Yanlong pyrite orebody characteristics

S7矿体为本区规模最大的硫铁矿体，位于27线～168线之间，下伏于铝土矿和耐火黏土矿之下，西紧邻断层F11，平面上呈不规则的长条形，东西长1.88 km，南北最大宽度达1900 m，一般宽度为300～1300 m，西部倾角较陡，约为20°，东部倾角较缓，约为16°，总体产状0°∠19°，单工程矿体厚度0.41～5.97 m，平均厚1.95 m，厚度变化系数为61.12%；w(S)=8.04%～37.16%，平均15.47%，品位变化系数为37.89%，主要为Ⅲ级品(57.05%)，其次为低品位矿(42.95%)。矿体内有12处无矿天窗，面含矿系数0.95。

硫铁矿矿石具自形晶、半自形晶、聚晶结构，豆鲕结构，不等粒粒状结构；浸染状、集合体、块状构造。

硫铁矿矿石矿物主要为黄铁矿，次为白铁矿。脉石矿物为泥质、炭质、绿泥石、高岭石、绢云母、水云母、石英、方解石、石膏；微量矿物为金红石、锆石、菱铁矿等。

硫铁矿矿石中的黄铁矿多以细粒自形晶或半自形晶不等粒集合体呈条带状、团块状、结核状或散染状嵌布于黏土岩中。条带状分布的黄铁矿主要与结晶相对较好的高岭石条带相伴生，团块状黄铁矿常与条带状和细粒状黄铁矿共生在一起(图3a)，形态多样，既有不规则状，也见有圆球状，在球状黄铁矿的核部和边缘见有三叉状(图3b)和放射状(图3c)的收缩裂纹，被高岭石所充填。

黄铁矿在豆鲕(碎屑)状铝土矿中也普遍存在，主要有三种存在方式：其一为存在于伊利石、高岭石或叶腊石等结晶质矿物的空隙中，粒度较小，但立方体晶体清晰(图3d)；其二为存在于伊利石、高岭石或叶腊石等结晶质矿物细脉的侧壁或圈层的边缘，结晶较差；其三为存在于豆鲕的核心，粒度较大，结晶有好有差(图3e)。

浸染状构造表现为黄铁矿呈细小的晶体浸染到铝土质泥岩中(图3f)；集合体构造表现为黄铁矿呈云朵状或不规则块状集合体镶嵌在铝土质泥岩中(图3g)。

图3 偃龙地区黄铁矿镜下照片(a～e)与硫铁矿手标本照片(f，g)Fig.3 Photographs of pyrite (a-e) and photos of pyrite hand specimens (f，g) in Yanlong area

(a) 硫铁矿石中团块状黄铁矿与条带状和细粒状黄铁矿共生(×40-)，钻孔编号ZK0014-5； (b)硫铁矿石中球状黄铁矿的核部三叉状收缩裂纹(×40-)，钻孔编号ZK0014-5； (c)硫铁矿石中球状黄铁矿的边缘放射状收缩裂纹(×40-)，钻孔编号ZK0014-5；(d) 豆鲕(碎屑)状铝土矿中高岭石晶间的黄铁矿颗粒(×40-)，钻孔编号ZK0008-38； (e) 豆鲕(碎屑)状铝土矿中豆鲕核心的黄铁矿； (f)硫铁矿浸染状构造； (g) 硫铁矿块状集合体构造。

矿体内部结构较简单，夹石及分叉现象不发育。一般为一层矿，少数矿层中有夹石，分为两层矿，但夹石一般厚度不大，剖面上对应性不强，延伸不远。S6矿体仅在ZK4312处出现了厚1.78 m的夹石，岩性为菱铁矿、铁质黏土岩，呈透镜状。S7矿体有9处夹石，平均厚2.98 m；夹石岩性为黏土岩、铁质黏土岩、铁矾土、菱铁矿，呈透镜状、层状。

2 硫铁矿与铝土矿等共生矿产的相变关系

本区的成矿地质体主要是本溪组一套页岩、铝土岩(矿)、黏土岩(矿)等沉积岩石组合，传统称为“含铝岩系”[13]。铝土矿等共生矿产在成矿地质体中的层位由下向上依次：① 硫铁矿、菱铁矿、铁矾土(第四层)，可夹铝土质泥岩；② 下层铁矾土(第三层)、耐火黏土(第三层)，可夹铝土质泥岩；③ 铝土矿，可夹铁矾土、耐火黏土(第二层)、硫铁矿；④ 耐火黏土(第一层)、上层铁矾土(第一、二层)。

黄铁矿与一水铝石、菱铁矿、高岭土、伊利石其他矿物密切共生，硫铁矿夹石常为铁矾土、菱铁矿、黏土岩，铝土矿也常出现含铁黏土岩、硫铁矿、铝(黏)岩、煤。从矿物成分上可判断硫铁矿、铝土矿等共生矿产可能为相变关系[9，11]。

2.1 硫铁矿与铝土矿等共生矿产在厚度上的相变关系

本区铝土矿厚度与成矿地质体的厚度关系密切，经工作区341个钻孔统计，矿体厚度与成矿地质体的厚度相关系数为0.63，呈正相关关系(表2、图4a)，说明了本区的铝土矿具有沉积成因类型的一般特点。成矿地质体厚度在0～8 m时，铝土矿见矿率为45%，工业铝土矿见矿率为18%；成矿地质体厚度在8～13 m时，铝土矿见矿率为74%，工业铝土矿见矿率为35%，两者均有大幅度的提高，说明成矿地质体厚度大于8 m时，生成铝土矿的可能性大增，铝土矿厚度与成矿地质体厚度的相关性没有大的变化，从0.18变成了0.16，反而有所降低，但斜率从0.14变成0.26，变化较大，说明成矿地质体厚度8～13 m时，随着成矿地质体厚度增加，铝土矿厚度增加的较快。成矿地质体厚度大于13 m时，铝土矿见矿率增加了11个百分点，工业铝土矿见矿率增加了20个百分点，说明成矿地质体厚度大于13 m时，生成铝土矿的可能性进一步增大，更容易形成工业铝土矿；铝土矿厚度与成矿地质体厚度的相关系数突变，增加了0.3，斜率增加了0.08，说明本区间段铝土矿厚度与成矿地质体厚度相关性更大，随着成矿地质体厚度增加，铝土矿厚度增加的更快，高品位、大厚度漏斗状的铝土矿大多在本区间段形成，如ZK16004、ZK14402、ZK14812、ZK10202、ZK10714等漏斗的铝土矿厚度均超过20 m。

表2 偃龙铝土矿厚度与成矿地质体厚度的相关参数Table 2 Relative parameters between the thickness of bauxite orebody and the thickness of metallogenic geologic body in Yanlong area

本区硫铁矿厚度与成矿地质体的厚度有一定的关系，经工作区270个钻孔统计，矿体厚度与成矿地质体的厚度相关系数为0.13，呈正相关关系(表3)，远远弱于铝土矿。为了与铝土矿进行对比，分3个区段进行统计。成矿地质体厚度在0～8 m时，硫铁矿见矿率为72%，硫铁矿厚度与成矿地质体厚度的相关系数为0.40，均高于铝土矿(表3、图4b)；成矿地质体厚度在8～13 m时，硫铁矿见矿率为83%，说明成矿地质体厚度大于8 m时，生成硫铁矿的可能性大增，与铝土矿一致，硫铁矿厚度与成矿地质体厚度的相关系数大大降低，从0.40变成了0.02，斜率从0.30变成0.03，变化较大，说明成矿地质体厚度8～13 m时，随着成矿地质体厚度增加，硫铁矿厚度增加很慢(表3、图4c)。成矿地质体厚度大于13 m时，硫铁矿见矿率不增反降，减少了11个百分点，说明成矿地质体厚度大于13 m时，生成硫铁矿的可能性减小了；硫铁矿厚度与成矿地质体厚度的相关系数没有太大变化，从0.02变成了-0.08，斜率从0.03变成了-0.02，说明本区间段硫铁矿厚度与成矿地质体厚度相关性不大，随着成矿地质体厚度增加，硫铁矿厚度反而有所减少(表3、图4d)。硫铁矿整体见矿率75%，高于铝土矿的63%，说明在成矿地质体中，硫铁矿比铝土矿更稳定，不会形成巨厚的透镜体。

图4 偃龙地区矿体厚度与成矿地质体厚度相关关系图Fig.4 Correlation relationship diagram between the orebody thickness and the thickness of metallogenic geologic body in Yanlong area(a) 铝土矿 (b)硫铁矿(成矿地质体厚度为0～8 m) (c)硫铁矿(成矿地质体厚度为8～13 m) (d)硫铁矿(成矿地质体厚度大于13 m)

表3 偃龙硫铁矿厚度与成矿地质体厚度的相关参数Table 3 Relative parameters between the thickness of pyrite orebody and the thickness of metallogenic geologic body in Yanlong area

为了进一步说明各矿种厚度之间的关系，选取了焦村一带77个钻孔进行相关系数的统计分析(表4)，各矿种厚度与含矿岩系厚度均呈正相关，说明含矿岩系厚度越大，各矿种厚度也会变大；铝土矿厚度与下层铁矾土(第三层)厚度呈较为明显的正相关，说明铝土矿厚度增大时，下层铁矾土厚度会增加；铝土质泥岩厚度与菱铁矿厚度、上层铁矾土、下层铁矾土厚度也呈较为明显的正相变关系，说明铝土质泥岩厚度增加，菱铁矿厚度、上、下层铁矾土厚度也会增大。其他相邻矿(岩)层表现出或多或少的负相关关系，铝土矿厚度与硫铁矿厚度、菱铁矿厚度的相关系数分别为-0.07、-0.06，菱铁矿厚度与硫铁矿厚度、下层铁矾土(第三层)厚度的相关系数分别为-0.06、-0.04，尤其是上层铁矾土(第一、二层)厚度与铝土矿厚度、耐火黏土厚度(图5)，耐火黏土厚度与铝土质泥岩厚度存在着较为明显的负相关关系，相关系数分别为-0.30、-0.34、-0.10，说明邻矿(岩)层在厚度上表现出了此消彼长的相关关系。

表4 偃龙各矿种厚度之间的相关系数Table 4 Relative parameters of the thickness of different mineral resources in Yanlong area

图5 偃龙地区共生矿产厚度相关关系图Fig.5 Correlation relationship diagram of the thickness of paragenetic mineral resources in Yanlong area(a)铝土矿与上层铁矾土 (b)耐火黏土与上层铁矾土

2.2 硫铁矿与铝土矿等共生矿产在化学成分上的相变关系

从1235件基本分析统计分配表(表5)中可以看出，w(Al2O3)<35%时，主要为铝土质黏土岩，其次为硫铁矿、菱铁矿；w(Al2O3)为35%～52%时，主要为铁矾土，其次为低品位铝土矿，再次为硫铁矿，有少量的菱铁矿、铝土质泥岩；w(Al2O3)为52%～63.6%时，主要为低品位铝土矿，其次为工业铝土矿；w(Al2O3)>63.6%时，全部为工业铝土矿；耐火黏土可存在于w(Al2O3)>30%的任何区间段内。Al2O3是连续的，逐渐变化的，随着Al2O3的逐渐变高，铝土质黏土岩、硫铁矿、菱铁矿逐渐变为铁矾土、耐火黏土，再变为低品位铝土矿，最终变为工业铝土矿，各矿种之间并非截然的相变关系，而是缓慢的渐变的相变关系。

表5 偃龙铝土矿、铁矾土等共生矿产在不同Al2O3区间分配Table 5 List of bauxite，literate and other paragenetic mineral resources of different Al2O3 range in Yanlong area

从各成分之间相关系数(表6)可见，大部分化学成分之间为负相关，说明各化学成分之间为此消彼长的关系，Al2O3与Fe2O3、S的相关系数分别为-0.58、-0.38，Al2O3高时，易形成铝土矿、铁矾土、耐火黏土，较难形成硫铁矿、菱铁矿。Fe2O3与S、烧失量的相关系数分别为0.51、0.29，说明Fe2O3高时最可能形成硫铁矿，其次形成菱铁矿，较难形成铝土矿、铁矾土、耐火黏土。

表6 偃龙各成分之间的相关系数Table 6 List of the correlation coefficient between each composition in Yanlong area

总之，无论化学成分，还是厚度，铝土矿、耐火黏土等共生矿产存在着渐变的此消彼长的相变关系。在平面上表现为多数地方矿种比较齐全，铝土矿、铁矾土、耐火黏土、硫铁矿发育较全，少数地方就会缺少某个矿种，例如27线缺少铝土矿，51线～47线、15线缺少耐火黏土，23线缺少铁矾土，在西寨、焦村的浅部缺少硫铁矿，菱铁矿仅在63线、51线～47线、39线～33线、11线～07线、04线～12线零星出现，各矿种之间为渐变的相变关系。在以往的文献中，多次论述铝土矿与耐火黏土呈渐变的相变关系，铁矾土与耐火黏土化学成分相近，故在逻辑上，铝土矿与铁矾土也呈渐变的相变关系；对比铝土矿与硫铁矿的矿产平面图(图6)可以看出，51线～43线浅部、15线～07线浅部、63线～55线深部、43线～39线深部、15线～08线深部以及27线～19线中部、03线中部、08线～12线中部，铝土矿与硫铁矿表现出互补的相变关系。对比菱铁矿与硫铁矿的资源量估算图，在63线、51线～47线、11线～07线，菱铁矿与硫铁矿呈互补的相变关系。

3 偃龙地区硫铁矿等共生矿产的控矿因素

偃龙地区硫铁矿无任何围岩蚀变和热夜活动痕迹，成因为静滞缺氧环境中硫酸盐和有机质分解产生的硫化物与沉积碎屑物中的铁离子化合形成[14-16]，与铝土矿为共生矿产，其控矿因素主要包括岩相古地理及地层和构造作用的控矿因素。

3.1 岩相古地理及地层的控矿因素

硫铁矿等矿种含有较高的有机碳(0.14%～1.95%)，表现为丰富的有机纤维组分和较多的煤层夹层，表明硫铁矿沉积于沼泽环境[7]。

该时期沉积环境主要为水体较深的覆水沼泽，Sr/Ba比值较大(2.08～0.74)。北东部沉积厚度较大，说明海水主要来自于北东方向，西部局部地区由于受岩溶作用影响厚度较大。

本溪组下部铝土质泥岩厚度较薄，且厚度差异较小，相对较连续，说明该时期岩溶作用不太强烈，该时期沉积物主要形成富含伊利石的黏土矿物，并富含硫铁矿、菱铁矿等矿，硫铁矿连续性较好，其沉积环境为沼泽环境。

3.2 大地构造位置控制了硫铁矿等矿种的区域分布

硫铁矿的形成需要较为稳定的大地构造条件，偃龙地区及所在的华北陆块南部在早古生代晚期就产生了相对于华北陆块中部的隆升作用，并持续存在直到本溪组沉积时期。这一隆升作用的本质是秦岭活动带由裂离作用占主导的被动大陆边缘向挤压作用占主导的主动大陆边缘的转化[13]。在山西长治—晋城—河津，河南三门峡—焦作—洛阳偃龙—禹县之间3万平方千米的三角地带均有硫铁矿分布[17]。

3.3 断裂作用控制了硫铁矿等矿种的位置和厚度

断裂作用对岩溶起着重要的控制作用，可以增加岩石的透水性和地下水的流动性，所以，岩溶常顺着断裂的走向，尤其是在断裂交汇部位发育，由此产生有一定展布方向的峰林地貌[18-19]。

工作区南部和西部的露头区本溪组已有一定的剥蚀，使得由马家沟组灰岩溶蚀形成的岩溶漏斗剥露的非常清晰。这些漏斗中充填有厚度较大的本溪组，且矿石品位较好。地表和井下岩溶漏斗的控制因素分析，它们主要由两组构造控制——NW向和NEE向构造。岩溶漏斗主要呈NW向展布，但被NE向构造所切截或连接。这两组构造主要为破裂构造，断面产状较陡，表面轮廓平整，且没有断距，所以这两组构造可能是两组节理(断裂)构造，具有剪节理(断裂)的特征，但又有张性的特点，正是由于岩溶作用受控于这两组节理(断裂)，才导致了岩溶漏斗的上述分布形态。

3.4 构造活动强度控制了硫铁矿等矿种的品质

根据铝土矿的三阶段成因分析，在含矿岩系的中部，由于构造的脉动式活动，促使了岩溶作用的发育，改善了泄水条件，造成了优质铝土矿往往在含矿岩系的中部出现，而构造作用相对平静的下部和上部铝土质泥岩则矿石品质较差，硫铁矿品质较好。

4 找矿标志

根据控矿因素厘定了4个找矿标志：

1)岩相古地理标志：距古陆(古岛)不远的滨—浅湖相区和海湾相区，注意在二1煤下寻找硫铁矿等矿种。

2)地层标志：硫铁矿等矿种成矿时代为石炭系，石炭系本溪组是赋存硫铁矿等矿种的主要层位，层控特征明显，厚大的本溪组是硫铁矿等矿种寻找的直接线索。

3)构造标志：沁阳—开封坳陷区的边部及嵩山—箕山隆起区的过渡地带，含矿岩系直接覆盖在中奥陶统马家沟组灰岩剥蚀面上，严格受沉积间断面的控制。马家沟组灰岩是良好的成矿基底，研究基底地貌特征，寻找中奥陶统马家沟组灰岩，并发现其中古岩溶岩坑对寻找硫铁矿等矿种有重要意义。

4)岩性标志：太原组一1煤层(线)下部为本溪组，岩性由上至下为炭质泥岩(黏土岩)，然后为豆鮞状铝土矿、硫铁矿等矿种。煤层(线)明显，也是该区寻找硫铁矿等矿种的间接标志。

5 讨论和结论

通过对成矿地质体厚度和化学成分变化规律研究，认为硫铁矿厚度与成矿地质体的厚度有一定的关系，硫铁矿厚度比铝土矿更稳定，成矿地质体厚度小于8 m时，硫铁矿厚度随着成矿地质体厚度的增加而增加；大于8 m时，成矿地质体厚度增加，硫铁矿厚度变化不大。

铝土矿等共生矿产的相变关系明显，与区域上研究成果基本一致[17，20-24]。目前，只在铝土矿、耐火黏土矿、铁矾土3种矿种之间，按相变关系进行圈连，估算铝土矿的推断资源量+潜在矿产资源量为24 924.63万吨，比单独圈连估算的资源量多了将近1000万吨；估算耐火黏土矿潜在矿产资源量为6855.87万吨，比单独圈连估算的资源量多了将近400万吨。如能5种矿体全部按相变关系圈连，必能大大增加硫铁矿、菱铁矿的资源量，其他矿种资源量也能有所增加。

通过对硫铁矿赋存层位、矿石的结构、构造、夹石等的研究，偃龙地区硫铁矿等共生矿产的控矿因素主要为构造和沉积作用，大地构造位置控制了硫铁矿等矿种的区域分布，断裂作用控制了硫铁矿等矿种的位置和厚度，断裂交汇部位可形成厚大的矿体；构造活动强度控制了硫铁矿等矿种的品质；沉积作用的控矿因素表现为晚石炭世早期，沉积的铝土质泥岩厚度较薄而连续，岩溶作用不太强烈，主要形成富含伊利石的黏土矿物，并富含硫铁矿、菱铁矿等。其岩相古地理标志为距古陆不远的滨—浅湖相区和海湾相区，其地层标志为石炭系本溪组，其构造标志为沁阳—开封坳陷区的边部及嵩山—箕山隆起区的过渡地带的古岩溶岩坑，其岩性标志为太原组一1煤层以下。