河南省嵩箕铝土矿带稀土元素地球化学特征及其意义

2022-06-16徐伟蒋丽蒋芹张燕赞

矿产勘查 2022年4期

徐伟，蒋丽，蒋芹，张燕赞

(1.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院, 河南郑州 450006; 2.河南省天空地遥感智能监测工程技术研究中心, 河南郑州 450006; 3.河南省有色金属地质矿产局第四地质大队, 河南郑州 450016)

0 引言

河南省是我国重要的铝土矿资源产地，按产出集中分布地域共划分为四个成矿带，即陕县—渑池—新安成矿带、嵩箕成矿带、鲁山—临汝—宝丰成矿带和修武—济源成矿带(朱东晖等，2012)，前两者带内已查明的铝土矿资源储量规模都达数亿吨之上。

近年来，随着铝土矿勘查程度的不断提高，对铝土矿的综合研究工作也逐步深入，在铝土矿稀土元素地球化学特征和铝土矿的成矿物质来源研究方面取得了大批新的研究成果(焦赞超等，2014；王秀全和赵彦巧，2015；温静静等，2016；李建全等，2017；涂恩照，2018；蒋芹等，2020)。这些成果表明，不同成矿带内的铝土矿稀土元素具有不同的地球化学特征，反映出各区带成矿物质来源不完全相同。铝土矿中锆石同位素年龄测定的研究也表明，其中的锆石大部分为岩浆锆石，不同类型锆石的年龄跨度相当大，从太古代到早古生代都有分布，也同样反映出成矿物质来源的多源性和复杂性(李建全等，2017；曹高社等，2018)。

嵩箕铝土矿成矿带位于河南省中部，地理坐标范围为东经112°06′～113°30′，北纬34°05′～34°45′(图1a)。区内过去对铝土矿稀土元素地球化学特征的研究多是以单个矿区为研究对象，对整个成矿带内不同矿区的异同特征缺乏规律性、系统性的认识。本文根据河南省禹州煤田煤下铝(黏)土矿普查项目的勘查与科研成果，结合其他研究者对偃龙、宜阳两矿区的研究资料，通过研究嵩箕成矿带不同地段代表性矿区的稀土元素地球化学特征，主要对比了各研究区稀土元素的配分模式和特征参数，分析了各矿区成矿物质来源的差异，对于进一步研究铝土矿成因具有指导意义。

图1 河南省嵩箕铝土矿带大地构造位置图(a)及地质略图(b)

1 嵩箕地区铝土矿地质特征

嵩箕铝土矿带内各矿床基本是围绕嵩山—箕山隆起分布，矿带东西长约130 km，南北宽约50 km。本次研究的偃龙矿区处在矿带的北部，沿嵩山以北的偃师—洛阳龙门一带分布，宜阳矿区位于矿带的西部，禹州矿区处在嵩山以南，禹州市西北部。

该成矿带内地层属华北地层区豫西分区嵩箕小区，区内分布的地层有：太古界登封群，元古界嵩山群、汝阳群，古生界寒武系、奥陶系中统、石炭系上统及二叠系，新生界古近系、新近系和第四系，局部分布有中生界三叠系。区内构造以断裂构造为主，由于经受多期构造变动，断裂构造系统复杂，以北西向、北东向和近东西向三组断裂最为发育。区内的岩浆岩分布面积不广，在嵩山地区的登封西部分布有元古代中条期花岗岩(图1b)。

铝土矿含矿地层为石炭系上统本溪组，含矿岩系自下而上大致划分为三个岩性层，下部为铁质黏土岩层，该层局部含较多黄铁矿、菱铁矿，当矿体至浅部时，黄铁矿氧化为褐铁矿，为“山西式”铁矿的含矿层位；中部为铝土矿层，属华北沉积型(G层)铝土矿(傅英祺和杨季楷，1987)，该层局部可相变为铝质黏土岩，局部有薄煤层(古占煤)；上部为黏土岩，局部夹煤线。各岩性层呈渐变过渡，分层界线不明显，局部有缺失某岩性层的现象。

铝土矿发育在寒武系或奥陶系碳酸盐岩的岩溶地貌上，成矿带大部分矿层基底为寒武系，南部边缘地区和宜阳矿区基底为奥陶系中统。在嵩山以北的偃师—龙门和荥阳—巩义地区铝土矿体主要呈层状、似层状，局部呈溶斗状、透镜状(代耕等，2019；姬果等，2021)，嵩山以南的登封—禹州地区矿体多呈窝状、溶斗状，层状矿体较少见。矿体厚度各矿区差别较大，变化范围为0.5～57.95 m。厚度变化的特点是，嵩山以北的矿区矿体厚度普遍较嵩山以南者大，就单个矿体来说，矿体中心比矿体边缘厚度大(付治国等，2009；朱东晖等，2012；李建全等，2016；金磊等，2021)。矿体厚度主要受古岩溶地形影响，在岩溶凹斗内形成的矿体较凹斗外的厚度明显变大。

2 铝土矿中稀土元素地球化学特征

本次研究选择了嵩箕成矿带中不同地段的三个代表性铝土矿床，样品均采自铝土矿层，不涉及矿体的顶、底板岩石。偃龙和禹州矿区的样品采自不同的钻孔岩芯或矿体露头，宜阳矿区样品为基本分析的副样，按单个钻孔由不同数量的副样组合成一个样品。

偃龙矿区和宜阳矿区的样品测试数据均引自其他资料；禹州矿区的样品数据为自测，样品中稀土元素的分析方法为电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)。禹州矿区的样品测试结果已由其他研究者发表过一部分(涂恩照，2018；蒋芹等，2020)，为便于对照分析，仍将这部分数据一并列出(表1)。

表1 铝土矿样品稀土元素分析结果表

对样品分析结果数据标准化中所用的球粒陨石数据为Boynton(1984)球粒陨石平均值，稀土元素主要特征参数见表2，ΣREE中包括有Y。

续表1

表2 铝土矿稀土元素主要特征参数表

数据表明(表1、表2)，三个矿区单个样品的各种参数变化范围都较大，但平均值较接近。在各矿区样品平均值的稀土元素配分模式图上(图2)，三条曲线都呈右倾的轻稀土富集型，稀土元素以轻稀土为主。各矿区的曲线在重稀土段近于平行，有两条几乎重叠在一起，在轻稀土段有所发散，这说明轻稀土分异较明显，而重稀土没有明显分异。

图2 铝土矿稀土元素配分模式图

各矿区稀土元素都有明显的Ce正异常和弱的Eu负异常。

3 稀土元素特征的地质认识

稀土元素因具有较稳定的化学性质，在中—低级变质程度以下基本不发生迁移，水岩作用不明显的情况下，其配分模式基本保持不变(王中刚等，1989)。铝土矿的成矿过程经过了成矿源岩的风化、搬运和沉积，但都在低温条件进行，没有发生明显的变质作用，因此稀土元素可应用于进行铝土矿成矿物质来源的示踪。

一个铝土矿成矿带延展数十甚至上百公里，成矿物质源区不可能完全相同。研究铝土矿中稀土元素的地球化学特征，可以揭示同一成矿带内的不同矿床成矿物质是否具有统一来源，不同来源形成的矿床必然有不同的稀土元素特征。

3.1 宜阳铝土矿的成矿带归属

一个成矿带不仅是多个矿床在地理位置上的相近和集中，而且其成矿地质作用和成矿环境也基本相同，地球化学特征相近。嵩箕铝土矿成矿带在地理位置上，矿床都围绕嵩箕古陆分布，宜阳铝土矿区位置比较特殊，该矿区位于陕县—渑池—新安成矿带和嵩箕成矿带的中间，与二者距离都较远，但相对离陕县—渑池—新安成矿带更近。过去没有明确把宜阳铝土矿区划归到哪一个成矿带中，也没有单独划为一个成矿带。从宜阳与偃龙、禹州铝土矿的稀土元素地球化学特征看，三个矿区的ΣREE相近，稀土元素配分模式基本相同，这反映出它们在成因方面具有联系，说明至少有部分成矿物质是同源的，这是一种区域性地球化学特征的规律性表现。三者ΣREE基本相同，而都与陕县—渑池—新安成矿带铝土矿的ΣREE平均值(>600×10-6)(王燕茹等，2012；王喜亮，2016)有明显差别。在La/Yb-ΣREE图解(图3)中可以看出，宜阳铝土矿单个样品的散点分布范围与偃龙矿区非常一致，在独立的沉积岩和钙质泥岩区都没有样品分布，这一点也与陕县—渑池—新安成矿带的一些矿床的样品在沉积岩和钙质泥岩区有大量分布也明显不同。在La/Yb-ΣREE图解中还可以看出，三个矿区样品的La/Yb与ΣREE具有明显的正相关性，偃龙、宜阳和禹州三个矿区的相关系数分别为0.73、0.87、0.81，笔者在其它研究中统计的陕县—渑池—新安成矿带中曹窑矿区49件样品的相关系数为0.59，正相关性不如本研究区强。

图3 嵩箕成矿带铝土矿La/Yb-ΣREE图解(底图据Allegre and Minster,1978)

经上述分析认为，宜阳铝土矿区的稀土元素多种特征与嵩箕成矿带的其它矿床相近，而与陕县—渑池—新安成矿带的铝土矿差别明显，虽然它距嵩箕成矿带矿床集中区较远，但其成矿物质来源与嵩箕成矿带其它矿床具有同源特征，仍应属嵩箕成矿带的组成部分。

3.2 铝土矿成矿物质来源分析

对于华北沉积型铝土矿的物质来源，以往主要有基底碳酸盐岩来源、古陆铝硅酸盐岩来源和多来源三种观点，至今也没有统一认识。本文从稀土元素地球化学特征的视点来探讨嵩箕成矿带铝土矿成矿物质的来源特点，主要从以下两方面进行分析。

(1)La/Yb-ΣREE图解分析：稀土元素的La/Yb-ΣREE图解在进行变质岩研究时可用于中、低级变质岩的原岩恢复，在进行沉积岩的研究时则可用于分析沉积物的来源(王中刚等，1989；杨守业和李从先，1999)。图3表明，三个研究矿区的样品投影分布区域呈现几个特点：

①样品主要分布于花岗岩、碱性玄武岩—大陆拉斑玄武岩区，或分布于花岗岩、玄武岩和沉积岩的两两重叠区及三者重叠区；

②在沉积岩和钙质泥岩独立区域几乎没有样品分布；

③在禹州矿区的样品主要分布于花岗岩与碱性玄武岩的重叠区，分布范围明显比偃龙和宜阳矿区小。

对于这种现象笔者认为，嵩箕地区铝土矿的成矿物质主要来源于花岗岩和玄武质铝硅酸盐岩，来自基底碳酸盐岩的比例较少。禹州矿区的样品分布较集中，表明成矿物质来源较单一；偃龙和宜阳两矿区样品分布较广，表明其物质来源更丰富。由此看出，同一成矿带的不同矿区铝土矿成矿物质来源并不完全相同，反映出作为物源区的古风化壳由多种岩性同时遭受风化而成，既有铝硅酸盐岩，也有含铝质黏土矿物的碳酸盐岩，研究区内应以前者为主。不同岩性形成的古风化壳在铝土矿成矿过程中不会均匀地沉积到每一个成矿地点，不同的矿区会以某种物源占主导。

(2)ΣREE分布直方图分析：根据地球化学理论，一种岩石或矿物中，某种元素的含量呈正态分布或对数正态分布，常量元素多呈正态分布，而微量元素则多呈对数正态分布(杨小峰等，2007)，对稀土元素而言这方面的资料较少，本次研究中作了尝试性统计。地质成矿理论也表明，同一成矿或岩浆作用形成的矿物或岩石，一种元素含量的分布频率一般只有一个明显的峰值，若有多个峰值则表明是这种岩石或矿物经历了多次地质作用，或是多种岩石经过混合的产物。

铝土矿作为一种沉积矿产，在沉积过程中会有不同岩石风化物的不同比例混合。在宜阳矿区，以30件样品的ΣREE值作为统计对象，在ΣREE分布直方图(图4)中可看出，ΣREE在150×10-6～350×10-6和550×10-6～600×10-6两个区间的分布较集中，分布样品数分别为15件和5件，明显多于其它区间。由于铝土矿是由各种含铝质的原岩经红土或钙红土化作用，再经成矿作用的产物，如果成矿原岩仅为单一的岩性，在直方图中ΣREE分布频数较高的区间仅会有一个，而该矿区铝土矿中的ΣREE分布频数在两个区间较高，说明铝土矿的成矿物质来源具有多源性，这与La/Yb-ΣREE图解的分析结果一致。

图4 宜阳铝土矿ΣREE分布直方图

3.3 成矿物质来源对矿体规模的影响

一个矿体形成规模和厚度的大小由多种地质因素决定，但对于沉积矿产而言，成矿时期成矿物质来源的丰富程度无疑是重要的，没有丰富的物质供给不可能形成大规模矿体。前已述及，嵩箕成矿带嵩山以北的铝土矿体规模和厚度要明显大于嵩山以南的矿体，这一点除与古地形地貌有关外，还应与成矿时成矿物质供应的多少有关。

从图3中可看出，登封东南部至禹州地区的铝土矿区样品的分布范围比偃龙和宜阳铝土矿要小得多，这说明成矿物质来源不如后两者广泛。由于成矿物质来源单一，供应不足，有限的成矿物质在成矿初期的凹地填平作用中，首先沉积于岩溶凹地内形成矿体，填平作用后期因没有足够的成矿物质，形成的层状矿体很少见。成矿物质的缺少，形成的矿体也就规模小、厚度薄。因此，禹州矿区内矿体规模一般仅几十至几百米，上千米者较少。