豫西陕渑新铝土矿成矿带构造特征及其控矿作用

2021-12-18雷显权刘福春唐华东熊有为刘恩彦

金属矿山 2021年11期

雷显权刘福春唐华东熊有为刘恩彦

（1.长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南长沙 410019；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083；3.河南省有色金属地质矿产局第六地质大队，河南郑州 450016）

铝土矿是24种列入我国战略性矿产目录的大宗紧缺矿产之一。作为当今世界上铝生产和铝消费第一大国，我国庞大的铝工业产能对铝土矿资源的消耗量持续居高不下［1］。由于国内铝土矿资源供给能力不足，需从国外大量进口以弥补需求缺口，导致我国铝土矿资源对外依存度过高，资源供应安全形势严峻［2］。虽然我国铝土矿资源总量较为丰富，近年来找矿成果也很显著，但查明资源量总体偏低［3］，亟需进一步加大找矿勘查力度，提升我国铝土矿资源保障能力。

河南省西北部是我国重要的铝土矿产地［4-6］，目前已发现的铝土矿床和矿点主要分布在焦作—济源、陕州—新安、嵩山—箕山和汝州—宝丰等4个片区［4］，其中之一就是位于三门峡与洛阳之间的陕州—渑池—新安成矿带，简称陕渑新成矿带。研究结果显示，该成矿带累计探明铝土矿储量超过2亿t，尚未发现和查明的资源潜力仍然巨大［7-9］。因此，在本区寻找新的优质铝土矿床，成为保障河南省乃至整个中国铝行业可持续、高质量发展重要而紧迫的任务。近年来，围绕铝土矿找矿这一目标，本区实施了多个“煤下铝”整装勘查项目［10-12］，取得了丰富的找矿成果。前人对本区铝土矿的地质特征［13-15］、成矿条件［16］、矿床成因［17］、成矿规律［18-20］、找矿预测［21-22］和资源开发等［23］进行了许多研究和探索，但缺乏对本区构造控矿作用的系统性研究。

基于课题组在本区开展铝土矿找矿勘查工作实践中取得的新发现和新认识，结合以往地质勘查和研究成果，概述本区铝土矿的成矿地质条件、矿床分布情况及其地质特征，系统总结区域及典型矿区地质构造发育特征，详细分析区域构造形成演化机制以及地质构造对铝土矿成矿和破坏等方面的控制作用，讨论并指出构造控矿研究尤其是正断层破矿作用研究对本区铝土矿找矿、勘查和开采工作的重要意义。

1 区域地质概况

据《河南省区域地质志》，陕渑新成矿带大地构造位置处于中朝准地台华北陆块南缘、华熊台缘坳陷渑池—确山陷褶断束西北部［24］，所在成矿区带属豫北—豫西铝土矿成矿区（Ⅲ级区带）、渑池—鲁山矿集区（IV级区带）［25］。区域地层属华北地层区，沉积岩广泛分布，厚度巨大。地层发育较齐全，除了奥陶系上统、志留系、泥盆系和石炭系下统缺失外，前寒武系熊耳群、汝阳群、洛峪群至新生界古近系、新近系、第四系在区内均有出露。

石炭系上统本溪组（C2b）是本区铝土矿含矿层位，为一套铁铝质混合沉积层，平行不整合覆盖于奥陶系中统马家沟组（O2m）碳酸盐岩之上。含矿岩系一般包括3段：下段（C2b1）为铁质黏土岩、页岩，局部铁质富集形成山西式铁矿；中段（C2b2）为铝（黏）土矿层，主要为铝土矿、硬质黏土矿；上段（C2b3）为铝质黏土岩、页岩、粉砂岩，局部夹碳质页岩或煤线层。含矿层上覆地层由老至新依次为石炭系上统太原组（C2t）、二叠系下统山西组（P1s）、二叠系下—中统石盒子组（P1-2s）和第四系（Q）。除第四系与下伏地层呈角度不整合接触外，其余地层之间均为整合接触关系。

区域上由西往东发育陕州断陷盆地、渑池向斜盆地和新安向斜盆地，发育近EW向、NW向和NE向3组断裂构造。其中，近EW向和NW向主干断裂主要为印支—燕山期形成的压性或压扭性逆断层；NE向断裂主要为张性正断层，除陕州断陷盆地与渑池向斜盆地之间的数条规模较大者是印支—燕山期挤压—剪张耦合作用的产物外，其余大多形成于喜山期伸展变形环境。受3组断裂影响，形成许多地质断块，对铝土矿的空间展布起着重要控制作用（图1）。

区域岩浆岩不甚发育，地表零星出露，见中元古界熊耳群中性火山岩，北部和南部有少量燕山期石英斑岩侵入中上元古界，西部局部有燕山期花岗斑岩侵入石炭系。本区岩浆岩多为浅成侵入相，对铝土矿影响极弱。

2 铝土矿床分布及其地质特征

陕渑新成矿带铝土矿床（点）主要分布在三门峡市陕州区、渑池县和洛阳市新安县境内，根据矿床（点）的空间分布情况及其与区域构造发育的关系，可划分为西矿带、中矿带和东矿带3个子矿带［7-9］。其中，西矿带和中矿带以扣门山断裂为界，中矿带和东矿带以龙潭沟断裂为界。各矿带矿床分布范围、矿体（层）特征、矿石品位和代表性矿床的基本情况见表1。

研究表明，本区铝土矿的成因类型为沉积型。含矿层受石炭系上统本溪组控制，形成于奥陶系古岩溶风化壳之上。矿体形态主要呈层状、似层状、透镜状或溶斗状，受成矿时的沉积环境和古地形控制。在地形较平坦、沉积环境较稳定地区，形成层状、似层状矿体；在地形起伏较大的岩溶洼地，形成透镜状矿体；在地形高差悬殊的溶斗发育地区，形成溶斗状矿体（图2）。层状、似层状和透镜状矿体产状与顶底板围岩基本一致，溶斗状矿体因形态明显下凹而与顶底板产状有明显差异（图3）。

铝土矿石颜色主要呈不同程度的灰色，部分呈灰褐色、黄褐色、黄绿色。矿石结构主要有晶粒结构、鲕状结构、豆状结构、粒屑结构、碎屑结构以及它们之间的过渡混合结构。矿石构造主要有致密块状、条带状（层纹状）、蜂窝状和土状（粗糙状）构造。按矿石结构、构造划分自然类型，可分为致密状、砾屑状、豆鲕状、蜂窝状、碎屑状铝土矿，以及它们之间的复合类型。矿石中含铝矿物主要为一水硬铝石，含量一般为55%～85%；含硅矿物主要为云母、高岭石和伊利石。此外，矿石中还含有赤铁矿、黄铁矿、褐铁矿、锐钛矿、方解石、三水铝石等微量矿物。

矿石主要化学成分为 Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2和LOSS，一般占95%以上，次要化学成分为CaO、MgO、K2O、Na2O、S、Li2O、Ga等。其中：K2O和Na2O为伴生有益组分，可以减少氧化铝溶出过程中的碱耗；Ga为伴生有用元素，可在氧化铝生产过程中综合回收利用；Li2O虽然为有用稀有组分，但是大多未达到综合利用品位要求；SiO2和S为有害成分，高硅、高硫矿石一般难以直接利用，溶出之前往往需要增加脱硅、脱硫流程，增加生产成本；Fe2O3对溶出过程也有一定的不利影响，可通过赤泥选铁技术进行回收。

3 区域构造特征及其形成演化机制

3.1 区域构造发育总体特征

本区地层产状总体较为平缓，区域构造以断裂和断块为主，褶皱作用相对较弱。区域上发育近EW向、NW向和NE向3组断裂，这些断裂连同由它们交叉切割形成的断块、断陷盆地和局部隆起，构成了本区地质构造的总体格架。研究表明，这3组断裂最早形成于印支期，并持续活动至喜山期，具有多期活动叠加和力学性质复杂的特点［6，26］。

（1）近EW向断裂组。由以硖石—义马逆断层为主干断层的一系列逆断层组成。硖石—义马断层在本区长约70 km，总体走向近EW，主断层面倾向S—SW，倾角35°～68°，断距大于1 km，是一条由北向南逆冲的大型压扭性断裂，晚期具有张性活动迹象。构造分析结果表明，该断层是印支—燕山期构造挤压作用的产物，对本区中、新生代构造变形和沉积作用具有一定的控制作用。

（2）NW向断裂组。由区域东部龙潭沟逆断层及其旁侧的次级羽状断裂和西部数条正断层组成。龙潭沟断层是岸上—襄郏区域断裂的一段，在本区长约25 km，总体走向NW，倾向NE，倾角大于60°，是在印支—燕山期构造压剪作用下形成的一条左旋走滑—逆断层。与主断层走向近平行的片理带和小型背斜反映了构造挤压作用，与主断层呈锐角相交的伴生羽状断裂反映了构造剪切作用。区域西部的NW向正断层则是喜山期区域伸展作用的产物。

（3）NE向断裂组。由数条长10～20 km的近于平行的正断层组成，其中规模较大的有扣门山断层、煤窑沟断层和鹿马断层。该组断裂总体走向NE，倾向NW或SE，倾角大于65°，主要为张性正断层。断层两盘地层通常还发育与其走向近于平行的宽缓褶皱，表明局部存在一定的挤压作用。在铝土矿勘查过程中发现，本区各个矿区或其周边都较发育近NE向、规模不等的正断层。该组断裂构造的活动期次主要有两期，早期印支—燕山期剪张作用形成的正断层主要分布于区域西部陕州断陷盆地与渑池向斜盆地之间，晚期喜山期伸展环境形成的正断层则在整个区域都有发育。

3.2 区域构造形成机制和演化过程

本区位于华北板块南缘，区域构造演化与华北—扬子板块的陆—陆碰撞作用以及西太平洋板块的俯冲作用密切相关［27-29］，中、新生代构造变形主要经历了印支—中燕山期挤压—剪张变形和晚燕山—喜山期伸展变形这两期具有不同构造作用环境的发展过程。

3.2.1 印支—中燕山期构造挤压—剪张变形阶段

印支期末，古东秦岭洋关闭，华北板块与扬子板块发生碰撞造山作用，本区进入陆内构造演化阶段。在东秦岭造山带挤压隆升环境条件下，本区从西往东发育了一系列山前拗陷盆地，如三门峡盆地、渑池—义马盆地和洛阳盆地。燕山期陆内造山作用持续加强，拗陷盆地进一步发育，在近SN向不对称挤压作用下，形成了近EW向的硖石—义马逆断层和NW向的龙潭沟走滑—逆断层，在区域左旋剪张作用的耦合作用下，形成了扣门山断层、煤窑沟断层、鹿马断层等一系列NE向正断裂。3组不同方向的断裂相互交错，将拗陷盆地分割成多个地质断块，构成了本区后续构造演化的基本格架（图4（a））。

3.2.2 晚燕山—喜山期区域伸展变形阶段

侏罗纪末，受西太平洋板块俯冲作用影响，本区构造体制开始由后碰撞造山挤压环境向伸展环境转变。伸展作用在中—晚白垩世达到高峰，并一直持续至喜山期。在区域伸展作用下，本区早期构造形迹复活，正断层广泛发育，断陷构造进一步发展，逐步演化形成当前区域构造格局（图4（b））。

4 典型铝土矿区构造发育特征

为了研究矿区构造对铝土矿床的控制作用，收集并梳理了陕渑新成矿带8个典型矿区的构造发育信息，见表2。其中：西矿带2个矿区，中矿带4个矿区，东矿带2个矿区，确保了矿床分布具有充分的代表性。经统计分析可以发现，各矿区构造均以正断层为主，并对矿体产生破坏作用。

5 地质构造对铝土矿的控制作用

成矿前的古老基底构造和成矿后的中、新生代构造变形，对本区铝土矿的成矿、赋存和分布具有非常显著的控制作用，主要表现在2个方面：①区域构造控制矿床在广域上的空间展布；②正断层对矿体连续性和完整性造成破坏。

5.1 区域构造控制矿床空间展布

本区铝土矿在晚石炭世通过沉积成矿作用形成于奥陶系古岩溶风化壳之上。成矿前古隆起和古拗陷的分布规律，控制着含矿岩系和矿层的形成或缺失，成矿作用主要发生在拗陷区的边部及其与隆起区的过渡地带（图1）。

印支—中燕山期构造挤压—剪张作用，形成了陆内挤压型拗陷盆地，产生了3组不同方向和性质的断裂。这3组断裂的交叉切割、差异运动及其组合效应，形成了众多规模不等的地质断块，控制着铝土矿的空间展布。以扣门山断裂和龙潭沟断裂为界，陕渑新成矿带被划分为西、中、东3个各具特点的子矿带。

晚燕山—喜山期伸展变形继承了早期构造形迹，促使早期地质断块复活并发生相对升降运动，形成了许多地堑、地垒和断陷构造，控制着铝土矿层的保存和出露定位。在断陷盆地，含矿岩系和矿层保存条件较好，但因埋深较大通常不易被发现。在相对隆起区，矿层埋藏较浅容易出露地表，保存条件较差，常因剥蚀作用强烈而消失殆尽。

5.2 正断层破坏矿体的连续性和完整性

在矿区尺度上，构造控矿作用主要表现为正断层对铝土矿体连续性和完整性的破坏，即正断层破矿作用。从上述8个典型矿区的构造发育特征（表2）来看，矿区地层多呈单斜产出，虽有起伏但总体产状平缓；矿区构造以断裂为主，绝大多数为正断层，偶有逆断层也是矿区或矿带的边界断裂。

正断层破矿作用主要有2种表现形式：①在剖面上，含矿岩系和矿层被断层错断，沿走向或倾向不连续，断面两侧存在纵向落差；如果构造作用强烈或矿岩强度较弱，还会导致矿体支离破碎。②在平面上，由于正断层效应，含矿岩系或矿层通常会重复出现，但其间会缺失矿体，反映在矿体水平投影图上即为出现无矿天窗。部分代表性矿区的正断层破矿特征见表3和图5。

6 对找矿、勘查和开采的重要意义

6.1 区域构造特征对地质找矿的指导作用

成矿带的空间展布特征和矿床的定位分布规律为地质找矿明确了方向。目前本区已查明的铝土矿床和矿点主要分布在拗陷盆地的北半部边缘地区，如陕州断陷盆地北部，渑池向斜盆地西部、北部和东部，新安向斜盆地西部和西北部。盆地中部和南半部均未见矿，其原因可能为：根本未成矿，或者矿体埋藏太深而尚未被发现，或者已在盆山耦合演化过程中破坏殆尽。因此，在预测找矿目标和制定找矿方案时，应遵循这一成矿规律，并加强构造控矿研究。此外，断裂切割矿体并将其抬升至近地表或直接出露地表，也有助于找矿发现。

6.2 正断层对资源勘查和开采的重要影响

根据代表性矿区断裂构造发育特征的统计分析结果可以发现，正断层在本区各矿区的发育及其对矿体完整性和连续性的破坏是一种普遍现象。而且，除了少数大型断裂外，一般正断层多为隐伏断层，通常难以识别和发现。在资源勘查和采矿实践中，正断层破矿作用所产生的不利影响是广泛而严重的，主要表现在如下3个方面，本研究结合图6进行简要分析。

（1）对于资源勘查，如果没有查明正断层，则会造成对矿体的控制程度不足，影响对矿床勘查类型和矿体变化特征的准确判断。如图6（a）所示，由于没有实施加密钻孔，未能控制隐伏断层，导致矿体圈连不合理。实施加密钻孔之后，发现并控制了隐伏正断层，正确圈连了矿体（图6（a'））。对比图6（a）和图6（a'）可以发现，两种矿体圈连方式的差异性非常明显。因此，准确识别和有效控制隐伏正断层对客观准确评价矿体特征非常重要。

（2）对于资源储量估算，如果没有剔除正断层无矿天窗，则会导致资源储量被高估。图6（b）和图6（b'）分别显示了有、无断层条件下的矿体水平投影资源储量估算范围。可以看出，在未发现和控制正断层条件下的资源储量估算范围明显偏大，而且遗漏了因正断层效应所导致的无矿天窗。

（3）对于矿山设计和开采，如果没能发现正断层并准确定位，则会造成采矿工程布置不当和投资浪费，影响矿山正常建设生产。图6（c）显示了根据无断层矿体剖面图所布置的采矿巷道和上山工程，图6（c'）显示了上述工程在有断层矿体剖面图上的投影。可以看出，采矿工程明显偏离矿体真实位置，难以有效进行矿体回采，只能变更采矿工程设计，已施工的工程也将报废。

根据回顾性调查，正断层破矿作用所造成的不良问题在本区许多勘查区、老矿山和在建矿山都很突出。因此，在资源勘查和矿山开发过程中，应对正断层破矿作用给予足够重视并加强研究，尽量将其不利影响降到最低程度。