杨 武，梁小山，胡 盛，杨持恒

河南省资源环境调查四院有限公司，河南郑州450000

1 研究背景

中国铝土矿资源比较丰富，但储量分布相对集中.其中华北陆块和扬子陆块是铝土矿成矿地质条件最好的，也是铝土矿资源最丰富的地区.山西、广西、贵州和河南4 省区铝土矿资源量和矿区数均位居全国前列，4 省区铝土矿保有资源量合计超过全国保有资源量的90%.其中，山西约占37%，是中国第一铝土矿资源大省，广西、贵州和河南分别以20%、18%和17%位居第二、第三和第四位［1］.

华北陆块是我国铝土矿产出的重要构造单元.含矿岩系层序组成严格受喀斯特地形控制［2-6］，以古风化壳沉积型矿床为主.矿石以一水硬铝石为主，中低铝硅比.探明资源储量约占全国铝土矿资源储量的78%［7-8］.豫西是我国铝土矿资源的重要基地，其中巩义地区是河南省铝土矿发现最早的地区，也是豫西铝土矿成矿带的重要组成部分［9］.

由于铝土矿是化学风化作用的终极产物，其形成主要受化学风化作用控制，与强烈的化学风化作用密切相关［10-11］.铝土矿的形成过程是化学风化造成碱土与碱金属元素如K、Na、Ca、Mg 等大量流失，稳定的元素如Al、Ti 等残留的过程［12］.

本文依托“河南省巩义市涉村铝（黏）土矿中深部普查”项目（河南省国土资源厅在全省范围内布署实施的煤下铝（黏）土矿的整装勘查项目之一），在河南巩义地区铝土矿调查工作基础上，分析铝土矿的地球化学特征，研究该区域的成矿背景和地球化学组成之间的关系，以期为该区域铝土矿勘查及开采提供有用的信息.

2 地质背景

2.1 矿区地质特征

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.

研究区所属龙门-巩义矿带，划属华北地层区豫西地层分区嵩箕地层小区.出露的主要地层有下古生界奥陶系，上古生界石炭系、二叠系和第四系.构造以断裂为主，主要构造有五指岭正断层（F1）、嵩山断裂（F3）（图1）.

2.2 矿床地质特征

研究区矿体赋存于上古生界石炭系上统本溪组（C2b）.本溪组具3 层结构：上部为灰、灰黑色黏土质页岩，局部含黏土矿；中部为灰黑色、灰及深灰色一水硬铝土矿，矿石结构主要有豆鲕状、碎屑状、致密状、致密状及它们之间的过度混合型结构，矿石构造有致密块状、层纹状及蜂窝状构造；下部为灰黑色硫铁矿，致密结构，块状构造，常有黄铁矿富集.研究区铝土矿主要赋存于本溪组中部.矿体形态大体可分为似层状、漏斗状以及两者的复合形态.从空间上看，矿体的总体形态应是在厚度一至数米的似层状矿体背景上，不等距地嵌布着大厚度的漏斗状矿体的复合形态.依据施工的120 个钻孔统计，本溪组厚2.98～92.36 m，平均厚度13.36 m.研究共发现23 个铝土矿矿体，其中主矿体3 个，分别为K1、K2、K3 矿体，为一超大型铝土矿矿床.

2.3 铝土矿的矿石特征

依据形成环境和表生富集作用，研究区铝土矿的矿石类型主要可分为致密状铝土矿、豆鲕状铝土矿、碎屑状铝土矿和蜂窝状铝土矿，以及其过度类型.

矿石矿物成分主要为一水硬铝石（含量45%～95%），其次为高岭石、伊利石等（含量4%～25%），含少量菱铁矿、黄铁矿、方解石、白云石等，微量矿物有锆石、磷灰石等.

矿石结构主要为豆鲕状结构、碎屑结构、致密状结构及它们之间的过渡型结构.矿石构造主要为致密块状构造、层纹状构造、蜂窝状构造.

3 地球化学特征

3.1 矿石的化学成分

河南省巩义市涉村铝（黏）土矿中深部普查项目共计施工120 个钻孔，其中71 个钻孔见矿.采集基本分析样品1 385 件，分析项目包含：Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、烧失量和S 共6 项.取组合样21 件，分析项目包含Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3等.

1）主要成分：通过对研究区71 个见矿钻孔基本分析样的统计和分析，铝土矿矿石的主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S，共占总成分的83.42%.矿石主要化学成分中，Al2O340.46%～77.59%，平均60.68%；SiO21.00%～29.54%，平均14.07%；Fe2O30.39%～21.75%，平均3.66%；TiO20.96%～5.34%，平均3.06%；S 0.02%～15.53%，平均1.95%；铝硅比值（A/S）1.8～65.1，平均4.3.

2）次要成分：通过对21 个组合分析样的统计和分析，铝土矿矿石的次要化学成分为CaO 0.17%～10.27%，平均1.41%；MgO 0.10%～1.05%，平均0.51%；K2O 0.41%～5.07%，平均2.18%；Na2O 0.03%～0.20%，平均0.11%（表1）.

表1 铝土矿化学成分含量统计表Table 1 Statistics of chemical composition contents of bauxite

3.2 矿石化学特征及地质意义

铝土矿的主要化学成分由Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S 等组成，含量占铝土矿总含量的83.42%.其中Al2O3反映了一水硬铝石的赋存状态，SiO2反映了高岭石、伊利石的赋存状态，Fe2O3与S 反映了菱铁矿、黄铁矿的赋存状态.研究区铝土矿主要化学成分Al2O3、SiO2、TiO2分布相对稳定，有害组分Fe2O3和S 分布不均匀.

从表1 可以看出，Al2O3含量较高，SiO2含量较低，且铝硅比值（A/S）变化较大，表明铝土矿是风化作用的最终产物，风化淋滤过程中碱金属和碱土金属几乎被彻底流失，SiO2也被部分淋滤流失.这些特征反映该铝土矿是比较典型的胶体化学沉积矿床，在滨海-潟湖环境下，由于pH、Eh值变化，风化物中的铝质沉积于奥陶系或寒武系的风化剥蚀岩溶凹地面上，形成铝土矿沉积矿床［13-15］.

4 矿体矿化特征

4.1 矿体的厚度、品位与含矿岩系厚度的关系

通过对研究区71 个见矿钻孔的数据分析，单工程矿体铅直厚度0.32～57.8 m，单工程矿体Al2O3含量最低42.58%，最高71.89%；单工程矿体铝硅比值（A/S）最低1.8，最高20.7.矿体厚度是衡量铝土矿矿床规模的一个重要参数.该铝土矿矿体厚度与含矿岩系厚度、Al2O3含量、A/S 值均呈较明显正相关，相关系数分别为0.69、0.47、0.63，相关性中度；与SiO2含量呈负相关，相关系数为-0.53，相关性中度.说明矿体厚度越厚，Al2O3含量、A/S 值越大，SiO2含量越小.

Al2O3含量是铝土矿矿石质量最重要的参数之一.该铝土矿Al2O3含量与含矿岩系厚度、A/S 值呈正相关性，相关系数分别为0.32、0.70，与含矿岩系厚度相关性较弱，与A/S 值呈高度相关；与SiO2、Fe2O3、S 呈明显负相关性，相关系数分别为-0.77、-0.60、-0.54，相关性中度至高度.

4.2 化学成分在单工程空间变化上的变化

根据68 线剖面上的4 个单体工程的见矿情况（表2，扫描首页OSID 二维码可见），分别从单体工程的垂向与整条剖面的纵向进行对比分析，从矿体埋深、矿厚与Al2O3含量和A/S 的相关性确定铝土矿在垂向与纵向上的变化规律.

以见矿较好的ZK6824 钻孔为例，该钻孔见铝土矿3 层，3 层矿体中间均被铝质黏土岩隔开，最底部见硫铁矿.该钻孔很好地反映了本溪组的3 层结构特征及铝土矿的沉积变化（图2）.

图2 ZK6824 井本溪组岩性柱状图Fig.2 Lithological column of Benxi Formation in well ZK6824

从铝土矿矿体的不同埋深（标高）进行对比分析矿体埋深对Al2O3含量及A/S 值的影响，从图3、4 可以看出，在不同埋深下，相对深度越大，Al2O3的含量值及A/S 值相对越大.

图3 ZK6824 井不同埋深下Al2O3 含量变化趋势Fig.3 Variation trend of Al2O3 content by buried depth in well ZK6824

图4 ZK6824 井不同埋深下A/S 值变化趋势Fig.4 Variation trend of A/S ratio by burial depth in well ZK6824

从图5 可以看出，铝土矿Al2O3含量与TiO2含量有较强正相关性，相关系数为0.64，TiO2主要来源为金红石.金红石是各种岩石特别是地壳组成岩石中重要的副矿物，它在成岩、风化和各种不同程度的变质过程中均能保持极大的稳定性［16-17］，这从侧面反映了本区遭受了强烈的风化剥蚀作用.

图5 TiO2 与Al2O3 含量相关性趋势图Fig.5 Correlation trend between TiO2 and Al2O3 contents

从图6 可以看出，SiO2含量与矿体厚度及含矿岩系厚度呈明显的负相关，但与含矿岩系厚度相关性较低，与TiO2有较强的负相关，相关系数为-0.50.这也说明了风化剥蚀程度越高，SiO2含量越低，越容易形成较富的铝土矿体.

图6 TiO2 与SiO2 含量相关性趋势图Fig.6 Correlation trend between TiO2 and SiO2 contents

5 讨论

风化作用对铝土矿地球化学特征有一定的影响，化学风化指数（CIA）通常用来衡量沉积物和岩石的风化程度［18-19］，其表达式为：CIA＝［（Al2O3）/（Al2O3+CaO+K2O+Na2O）］×100.本研究区的CIA 值可达到91.16，表明区内含铝岩系遭受了强烈的化学风化作用.

铝土矿是风化作用最终阶段的产物，当风化作用进行到最后阶段——铝铁土阶段，铝硅酸盐矿物被彻底分解，全部可迁移的成分都被带走，主要剩下Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2等成分，为铝土矿的主要成分［20］.

本区TiO2含量与Al2O3含量有较强正相关性，与SiO2含量呈明显的负相关性，从而说明该区经历了强烈的风化剥蚀作用.含铝的基岩经过强烈的风化作用，形成黏土矿物，形成的粘土矿物经脱硅富铝作用最终形成铝土矿.

6 结论

通过对河南省巩义地区铝土矿主要成分及次要成分测试，研究了分析该铝土矿床的地球化学特征，得到以下认识.

1）铝土矿矿石主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S，共占总成分的83.42%.Al2O3含量为40.46%～77.59%，平均60.68%；SiO21.00%～29.54%，平均14.07%；铝硅比值（A/S）1.8～65.1，平均4.3.

2）Al2O3含量与含矿岩系厚度、A/S 值呈正相关性；与SiO2、Fe2O3、S 呈明显负相关性.在不同埋深下，相对深度越大，Al2O3的含量值及A/S 值相对越大.

3）铝土矿的化学成分总体受埋深及岩溶漏斗影响，相同埋深情况下，岩溶漏斗地区其Al2O3含量值较高，铝硅比值（A/S）较高.

4）铝土矿TiO2含量与Al2O3含量有较强正相关性，与SiO2含量呈明显的负相关性，CIA 值可达到91.16，说明含矿岩系经历了强烈的风化剥蚀作用.