河南省“煤下铝”矿床成因及找矿方法研究

胡 盛，李科花，杨持恒，蔡 露

(1.河南省大口径钻井工程技术研究中心，郑州 450000；2.河南省资源环境调查四院，郑州 450000)

河南省的煤系地层是一个多矿种共伴生的沉积矿产成矿系列[1]。除煤炭以外，煤系地层还蕴藏着煤层气、高岭土、铝土矿等矿产资源，其中赋存于上石炭统本溪组的铝土矿资源储量规模位居我国第四位，约占我国总资源储量的17%[2]，为我国铝工业发展提供了有力的资源支撑。在2010年以前，河南省重点勘查开发出露、浅层铝土矿，自2010年国家实施“358”找矿突破战略行动以来，河南省重点开展了“煤下铝”整装勘查。截至2018年底，河南省“煤下铝”整装勘查探获铝土矿资源量超过10亿t，进一步巩固了河南作为全国最大铝工业基地的地位[3]。

1 河南省铝土矿分布

河南省铝土矿成矿区，大地构造上位于中朝准地台的西南缘，二级构造单元为嵩箕中台隆和渑池—确山陷褶断束，地层区划属华北沉积区豫西分区的嵩箕小区和新渑小区[4]。

河南省内可供工业利用的铝土矿集中分布于黄河南岸三门峡—郑州—平顶山的三角地带[5]，可以划分出6个主要成矿带，即：三门峡—新安矿带、龙门—巩义矿带、登封—新密矿带、鳌头—楚岭矿带、汝州—禹州矿带、宜阳—宝丰矿带(图1)[6]。以上成矿带赋存于陕渑煤田、新安煤田、宜洛煤田、偃龙煤田、荥巩煤田、登封煤田、新密煤田、临汝煤田、禹州煤田、平项山煤田等10个煤田及其周边范围的上石炭统本溪组。

图1 河南省铝土矿带分布Figure 1 Bauxite deposit zones distribution in Henan Province

2 “煤下铝”矿床成因类型

河南省的铝土矿成矿经历了阜平、五台运动，使元古界和太古界褶皱、变质、混合岩化，构成古老的结晶基底，在此基础上沉积了元古界到古生界以基-中酸性火山岩、浅海相陆源碎屑、镁-钙质碳酸岩为主的岩石建造[7]。加里东期，本区整体抬升，形成了风化产物的源地，经历了130～150Ma的风化剥蚀[8]。

至石炭世，因受华力西运动的影响，古陆地逐渐下沉，海水再次入侵，在古陆边缘盆地、浅洼地、溶洞中首先沉积了以铁质为主的黏土岩、铁铝质页岩；随着沉积环境的改变又先后沉积了铝土矿、硅质较高的黏土岩，以及含生物碎屑灰岩，形成了碳酸盐岩古溶蚀洼地―中石炭统本溪组含矿岩系―太原组生物灰岩为盖层的统一体[9]。

因此，河南省的铝土矿矿床属海湾潟湖相沉积型铝土矿，为碳酸盐岩侵蚀面上的沉积型一水硬铝石矿床[10]。从成矿地质条件分析，该类矿床经历了两个成矿阶段[11]，首先生成以胶体化学沉积为主的铝土矿，后经水动力作用，使矿体破碎，经短距离搬运后以机械沉积为主，生成内碎屑铝土矿[12]。河南省铝土矿矿床赋存在石炭系本溪组内，属产于碳酸盐岩古风化侵蚀面上的沉积铝土矿，其产出形态严格受碳酸盐岩古风化侵蚀面的岩溶地形控制[13]。

上石炭统本溪组铝土矿含矿岩系为一多矿种共伴生的成矿系列，共生矿产有耐火黏土、铁矾土(菱铁矿)、硫铁矿(“山西式”铁矿)和煤[14]，伴生矿产有镓、氧化锂和稀土。其中铝土矿与共生矿产呈明显的垂直分带：每出现一次煤线或炭质泥岩，即表明一次海相变为陆相的过程，即一次成矿过程。单个成矿垂向分带由顶到底：煤层―耐火黏土―铝土矿―铁矾土(菱铁矿)―硫铁矿(“山西式”铁矿)。多层铝土矿或铝土矿夹耐火黏土是多次成矿的结果，多次氧化―还原作用的叠加使得硫铁矿(“山西式”铁矿)一直处在最底部。

3 找矿方法研究

由于传统的物化探手段在铝土矿找矿过程中无法达到定性、定厚的作用，现阶段河南省仍然采用钻探与采样分析化验结合的方式进行铝土矿勘查。随着铝土矿的勘查开发从露头矿、浅部矿向深部隐伏矿即“煤下铝”转变，勘查深度加大伴意味着找矿成本大幅增加。在现阶段找矿技术无法取得突破的情况下，如何利用现有地质资料、找矿技术方法优选找矿靶区、提高钻孔见矿率、降低找矿成本是现阶段“煤下铝”找矿过程中急需解决的问题。

河南省铝土矿赋存于上石炭统本溪组中，矿体连续性较差，空间形态多呈似层状、漏斗状、囊状等。一个铝土矿矿床多由数种矿体形态组成，矿体形态的转变多呈成过渡关系：如以似层状矿体为主的矿区，在其露头和浅部，局部可有透镜状或溶斗状矿体；而以漏斗、囊状矿体为主的矿区，深部也可转化为似层状矿体；若干个漏斗状矿体，也可以互相复合，形成大型综合矿体。一般来说层状矿多为贫矿，漏斗状、囊状矿多为富矿，漏斗状、囊状矿存在于底盘碳酸盐岩的古漏斗中，其产出形态严格受古风化侵蚀面的碳酸盐岩岩溶地形控制。因此“煤下铝”找矿的关键是找含矿层段本溪组和找铝土矿沉积漏斗。

河南省通过实施找矿突破战略行动，埋深2 000m以浅的煤炭资源已基本查明，继而“煤下铝”的含矿层段本溪组的分布范围、埋深等赋存情况也已大致摸清，故现阶段“煤下铝”找矿仅须解决怎样找铝土矿沉积漏斗。由于漏斗状铝土矿严格受其沉积基底的碳酸盐岩漏斗控制，故而可以寻找沉积基底的碳酸盐岩漏斗间接辅助寻找铝土矿沉积漏斗。通过查阅大量地质资料进行综合整理分析研究后得出以下辅助寻找铝土矿沉积漏斗的方法。

1)利用已有煤勘资料二次集成绘制本溪组沉积相古地理图，圈定铝土矿基底的碳酸盐岩岩溶漏斗的分布范围，辅助“煤下铝”重点找矿靶区的选取。通过对河南省多个典型矿区的煤、铝勘查资料综合对比研究发现：连续沉积的山西组、太原组和含矿层段本溪组的厚度变化具协同性—呈层状展布，厚度不稳定局部呈漏斗状，主采煤层亦有如上特征。表明含煤地层山西组、太原组沉积时期仍发育继承性岩溶，主采煤层、山西组及太原组的厚度变化能在一定程度上反映铝土矿沉积时期的碳酸盐岩侵蚀面的岩溶地形情况。

河南省涉村煤下铝勘查项目在实施过程中充分运用该找矿理论发现数个厚大的铝土矿沉积漏斗(图2、图3)，取得重大找矿突破[15]。

图2 064勘探线地质剖面图Figure 2 Geological section of prospecting line No.064

图3 072勘探线地质剖面图Figure 3 Geological section of prospecting line No.072

工程见矿率大幅提升。浅部矿区钻孔见矿率45%左右，该矿区施工钻孔120孔，71孔见铝土矿，工程见矿率达59.13%。

发现数个富厚的铝土矿沉积漏斗。项目施工钻孔120孔，71孔见铝土矿，其中11孔见矿铅直厚度>8m，见大厚度工程占比15.49%。其中ZK06418钻孔见矿铅直总厚57.80m，是河南省煤下铝勘查过程中见矿厚度最大的钻孔；ZK07220钻孔见矿铅直厚度26.19m，A/S达20.7，是河南省煤下铝勘查过程中见矿最为富厚的钻孔之一。

以上成果的取得充分证明了该找矿理论指导“煤下铝”找矿的可行性。

2)利用物探方法辅助寻找铝土矿沉积漏斗。虽然物探手段无法做到定性、定厚铝土矿的作用，但是可控源音频大地电磁测深(CSAMT)可大致解译黄土覆盖区铝土矿基底碳酸盐岩不整合面的起伏形态(图4)，从而大致确定碳酸盐岩岩溶漏斗的分布范围，达到间接找矿的目的，辅助攻克“煤下铝”找矿难关。

图4 064勘探线奥陶纪古风化面解译图Figure 4 Ordovician paleoweathering surface interpretation map of prospecting line No.064

4 结论

1)通过河南省主要铝土矿矿体赋存状态、矿石类型、矿石矿物成分、化学成分及结构构造的研究，认为河南省铝土矿矿床多属海湾潟湖相沉积型一水硬铝石铝土矿矿床。该类矿床经历了两个成矿阶段，首先生成以胶体化学沉积为主的铝土矿，后经水动力作用，使矿体破碎，经短距离搬运后以机械沉积为主，生成内碎屑铝土矿。河南省铝土矿矿床赋存在石炭系本溪组内，属产于碳酸盐岩古风化侵蚀面上的沉积铝土矿，其产出形态受碳酸盐岩古风化侵蚀面的岩溶地形控制。

2)通过查阅大量地质资料进行综合整理分析研究后发现，一是利用已有煤勘资料二次集成绘制本溪组沉积相古地理图圈定铝土矿基底的碳酸盐岩岩溶漏斗的分布范围，辅助“煤下铝”重点找矿靶区的选取；二是采用可控源音频大地电磁测深(CSAMT)解译铝土矿基底碳酸盐岩不整合面的起伏形态用以圈定碳酸盐岩岩溶漏斗的分布范围，亦可辅助“煤下铝”找矿。