山西省某预查区本溪组砂岩地层对铝土矿矿床的影响分析

张冬华,姜焱光,任大陆

(1.山西师范大学 地理科学学院,山西 太原 030000;2.山西师范大学现代文理学院，山西 临汾 041000;3.山西省地质勘查局 二一三地质队有限公司,山西 临汾 041000)

近年来,随着经济社会快速发展和城镇化逐步推进,中国铝需求量逐年走高[1]。美国联邦调查局数据显示,世界铝土矿资源量5.50×1010～7.50×1010t,我国铝土矿储量约10×109t,居世界第7位[2]。山西省铝土矿分布广泛,资源总量位居全国第一[3],主要赋存在本溪组一段地层中下部,多具有由下到上的Fe-Al-Si垂直层序[4]。本预查区前期经过在地表零星出露的本溪组地层捡块化验确定区内赋存有铝土矿,然而通过进一步的勘查工作发现区内有40%钻探工程的本溪组岩性以中砂岩-粗砂岩、砂质粘土岩、泥岩等为主,不是传统Fe-Al-Si序列,未见铝土矿层,导致区内铝土矿矿体不连续,找矿效果远不及预期。通过地层、矿石等方面的对比研究,解释本溪组砂岩地层对铝土矿矿床的影响,探求本溪组地层未见铝土矿层的原因。

1 研究区概况

研究区位于山西省偏关县一带,从大地构造单元上说,研究区区域构造单元位于晋西北板拗次级构造单元偏关五寨块坪,区域总体构造表现为一单斜,地层平缓近水平。

1.1 地 层

研究区内第四系黄土及坡积物覆盖广泛,基岩零星出露,由老到新依次为奥陶系中统峰峰组(O2f)、石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)、新近系上新统保德组(N2b)、第四系中更新统(Q2)、上更新统(Q3)、全新统(Q4)地层(表1)。

表1 研究区地层简表

1.2 构 造

区内构造较简单,地层总体近水平,局部轻微起伏,倾角平缓,一般为3°～8°,褶皱不发育。地表未发现构造,在研究区东北部有一条小型推测断层F1,推测为一逆断层,断面倾向北东,倾角72°,推测长度1.08 km,推测断距约100 m,对矿体影响不大。研究区内未发现岩浆岩。

2 矿体特征

2.1 铝土矿赋存层位

由山西中石炭世本溪期岩相古地理略图[5](图1)和山西省铝土矿分布图[6](图2)对照可以看出,山西铝土矿矿床主要分布在各古陆、古岛边缘的成矿盆地中,铝土矿主要赋存于石炭系中统本溪组一段地层中下部,矿体顶板为本溪组上段,底板为奥陶系石灰岩[7]。该段地层是奥陶系中统经历了长期风化剥蚀之后海侵初期的沉积[8]。由于地壳总体表现为相对稳定的缓慢下降,致使含矿层在垂向上表现出一定的变化规律:一般最下部为山西式铁矿,向上依次为铁质粘土岩、铝土矿、硬质粘土矿或粘土岩,经统计,铝土矿底板距奥陶系灰岩0～4.5 m,平均距离2.30 m。

图1 山西省中石炭世本溪期岩相古地理略图

图2 山西省铝土矿分布图

2.2 矿体形态及规模

全区共施工32个探矿工程(图3),其中12个见矿,见矿率37.5%,共圈定一个Ⅰ号矿体,矿体内为一层,呈类多边形,南北长750 m,东西宽920 m。矿体赋存标高为1361～1382 m,矿体最大埋深120 m,面积约0.33 km2,矿体近水平。矿体最薄0.80 m,最厚1.00 m,平均厚度0.90 m,厚度变化系数11.11%,大厚度工程率为0,频率直方图呈偏单峰状,集中区域小,厚度频率变动域窄,根据《矿产地质勘查规范 铝土矿》(DZ/T0202-2020)附录A[9]:铝土矿矿体厚度稳定程度划分标准及类型系数表,Ⅰ矿体稳定程度为稳定。

图3 研究区勘查工程分布图

2.3 矿石特征

2.3.1 矿石矿物成分

根据铝土矿石岩矿鉴定结果,区内铝土矿主要由铝质矿物、少量不透明矿物等组成。铝质矿物一般为砂屑和泥晶基质,一般砂屑含量10%～20%,泥晶基质75%～85%,碎屑状铝土矿中可达90%。

铝质砂屑多呈互不接触,杂基支撑,基底式胶结,部分砂屑和泥质成分相同,二者界线多不明显。矿石中有细小不规则状空隙,大小0.02～0.2 mm,较均匀零星分布,孔隙率约1%。

2.3.2 矿石结构构造及类型

本次工作区依据矿石结构对铝土矿进行大致分类,全区铝土矿可分为三种类型:粗糙状铝土矿、致密状铝土矿、碎屑状铝土矿。各矿石类型化学成分详见表2。

表2 各矿石类型主要化学成分平均含量 %

2.3.3 矿石化学成分

矿石主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2四项,一般占矿石化学成分总量的80%以上。根据全分析结果,矿石中其他化学成分含量很少,详见表3。

表3 铝土矿化学全分析结果统计表

3 资源储量

区内铝土矿矿石品级属Ⅵ品级、含铁型、低硫型铝土矿,全区估算了铝土矿潜在矿产资源80.66万吨,估算共生矿产硬质粘土矿潜在矿产资源1392.44万吨,山西式铁矿潜在矿产资源222.58万吨。伴生有益组分Ga 潜在矿产资源35.49吨。

4 区内本溪组砂岩地层对矿床的影响分析

本区15个钻孔中6个钻孔的本溪组岩性以中砂岩-粗砂岩、砂质粘土岩、泥岩等为主,未见铝土矿层,导致区内矿体连续性差,找矿效果远不及预期(图4)。

图4 工作区未见铝土矿矿层钻孔对比图

根据这些钻孔的本溪组砂岩薄片样鉴定报告,砂岩主要由砾级碎屑、砂级碎屑及填隙物组成,砾级碎屑一般为单晶石英、多晶石英,次棱角-次圆状磨圆,大小一般2～5 mm,少量样品中砾级碎屑为砂质粘土岩,透镜状,大小一般2～5 mm,均为星散状分布;砂级碎屑大部分为粗砂,大小一般0.5～2 mm,含有少量中砂和极少量细砂,杂乱分布,主要成分为石英和少量岩屑,部分样品中含长石,石英主要为单晶石英,少见多晶石英,次棱角-次圆状磨圆,岩屑多为粘土岩、粉砂质粘土岩、不透明矿物碎屑等;填隙物为粘土杂基和铁质胶结物,粘土杂基呈隐晶-细小鳞片状,片直径一般0.001～0.01 mm,部分0.01～0.02 mm,星散状分布,部分被不透明矿物交代,铁质胶结物呈隐晶状,多与粘土杂基混杂在一起填隙式分布。根据薄片鉴定结果,除ZK8-1砂岩样外,其他均为石英砂岩,石英含量均在90%左右,以单晶石英为主,含少量多晶石英,岩屑含量一般不足1%,次棱角-次圆状磨圆(图5、图6),总体来看这些砂岩石英含量高,不稳定碎屑含量少,说明这些砂岩的成熟度较高,沉积物源搬运距离较远,表明该区水动力条件较强。

图5 QZ03孔砂岩样薄片(石英占比85%～90%)

图6 QZ06孔砂岩样薄片(石英占比90%～95%)

根据各钻孔岩心来看,本溪组岩性差异较大,且变化没有明显规律,其中QZ03、ZK8-1岩性从粘土岩(泥岩)-砂质粘土岩-细砂岩(粉砂岩)-粗砂岩(中砂岩),各层呈现明显的由细到粗的过程,QZ03西侧的ZK11-1则相反,岩性从粗砂岩-泥岩-泥灰岩(图5),从岩性上反映该区为海陆交互相,也说明钻孔所在位置水动力强,沉积物离剥蚀区较近,而铝土矿的形成要求水体尽量平静,这样沉积物不易被动荡的水和水底迴流带走,水解脱硅较彻底,因此水动力强的沉积环境不利于铝土矿的形成,从沉积环境来看砂岩与铝土矿是不易共存的。

根据这些钻孔揭露地层情况来看,除地层被剥蚀钻孔外(QZ06、QZ12孔),QZ03、QZ11、ZK8-1、ZK11-1孔在本溪组之上均见到稳定的K1砂岩及太原组中上部地层,本溪组地层并未缺失。

5 结 论

(1)本区本溪组砂岩成熟度高,沉积物源搬运距离较远,暗示该区水动力条件较强。

(2)砂岩为主的钻孔所在位置沉积环境不利于铝土矿的形成,从沉积环境来看砂岩与铝土矿是不易共存的。

(3)除地层被剥蚀钻孔外,区内本溪组以砂岩为主的钻孔所在位置本溪组地层并未缺失。说明本溪组砂岩地层对铝土矿矿层是一直替代或破坏关系,导致本区矿体不连续,找矿效果不及预期。

(4)本次预查工作可知,在铝土矿的勘查中如果出现本溪组地层以砂岩地层为主的情况应审慎开展进一步的工作,提高勘查资金利用效率。