山西某铝土矿区地球化学特征及矿床演化特征探讨

2022-12-18马腾飞

中国金属通报 2022年9期

马腾飞

中国铝土矿资源丰富，主要产出于华北板块和华南板块之上，其中喀斯特型铝土矿占据全国铝土矿资源量的78%，堆积型铝土矿占21%，少量为红土型铝土矿。铝土矿是我国工业生产与社会发展所需的主要矿产资源，相比矿区产出的其他资源，市场对铝土矿的利用率可以达到90.0%以上。在对铝土矿使用渠道的分析中发现，电解铝土矿可将其制作成为金属铝，可以认为铝土矿是在国家经济建设与工业发展中所给予的贡献是其他资源无法代替的。针对山西某铝土矿区为实现对其进一步的描述，开展对铝土矿地球化学特征的全面分析，并以此为依据，探究其成因。有部分学者认为，山西某地区的大型铝土矿的地质演化可经过三个时期，风化期、沉积成矿期、成岩期，每个铝土矿期次都形成一个连续转化序列，因对该区域铝土矿床勘查尚处于发展阶段，许多问题有待解决。鉴于近年来对山西铝土矿床及周边地质勘查工作加大投入力度，发现铝土矿具有良好的资源开发前景。

1 区域地质背景

本次研究的矿区为山西某地区大型铝土矿产地，处于地区东部偏西构造带与新近系隆起地带交接位置，通过地图成像与卫星定位发现，该地区内的成矿构造带较为明显，整体以贯穿的方式分布，其中东部向西的构造带呈断续分布形式，断裂部分隐匿在区域构造中。在对此构造区域地质状况进行深入分析时发现，此构造带在空间中以断裂的形式呈现，集中分布在南、北两侧。其中南部区域的构造带以断裂形式为主，基本不存在褶皱，少部分裸露在地表的褶皱呈“宽缓”，十分不明显，而北部区域的构造带褶皱较为明显，不仅发育十分紧凑，同时也存在大量的横冲与向斜现象。在此研究区段中，背斜部分的构造带穿过矿区西部，整体长度约为15.0km，宽度约为7.8km，轴向偏东约30.0°，两翼地层之间的夹角在10.0°～20.0°之间变化。

此次研究所选的区域中，铝土矿位于叠合部位的中-东部，本次勘探对含矿地层地段进行1：2000矿床地质填图，以此种方式，基本查明了矿区地质背景，不同区段岩层、岩性、构造带、围岩之间的关系与明显成矿特征。对矿体按200.0m×200.0m的工程间距，布置钻探工程，基本能掌握并控制铝土矿在深部的产状、形态、矿化特征及延伸情况。根据地质勘查结果可知，此区域内赋存的铝土矿可达到一类偏复杂探明资源量工程间距要求。矿体内发现大量的高岭石、一水硬铝石、水云母等，这些矿石主要化学成分为TiO2、Al2O3、Fe2O3、SiO2。矿体中在垂直向上方向Al2O3含量较多，顶部较低。矿层一般呈渣状、粗糙状、气孔状，颜色为灰色、白色，只有少量呈灰黑色。浅部铝土矿体大部分以层状为主，具有透镜状、少数为漏斗状。通过研究山西铝土矿的矿体厚度可以看出，铝土矿的矿石厚度大约为2m左右，一部分地区矿体厚度可达到4m左右。本次研究，基本查明了区域内铝土矿的产状、规模及分布情况。对赋存在地层中的矿产资源进行采样分析，根据所得铝土矿组合成分与不同金属物质在组合矿中品位，掌握了矿石加工技术性能、矿层及其顶底板的物理力学特征等信息，可将查出的结果作为矿床开采技术条件。在对赋存铝土矿的区域进行地质勘查时发现，大部分矿层中铝土矿分布相对较均匀而不具微、薄层理，少部分铝土矿伴有石英赋存，极少矿体受到地质动力因素影响，发生碎裂现象，碎块的直径大多＞2.0mm，这些碎块部分位移比较明显，多填充后期的方解石和石英。对其进行采样分析后发现，铝土矿在偏光显微镜下照片110*2.5倍视域下，横径5.07mm透射呈现正交偏光。少量矿石（包括具微、薄层理或不具层理的矿石）内部见方解石、石英、绿泥石，各自相对聚集或共同形成的豆粒、鲕粒、砂屑、砾屑、斑团、不规则条纹等零星分布，部分可见石英石组成细微的椭圆形、长条形生物碎屑不均匀地分布。大部分矿体呈细微或细小半自形、板状或梳状（常与黄铁矿嵌布在一起），他们或分散或聚集成细小点状集合体，多零星且不均匀地散布于矿石中。

根据现有研究成果与地质勘查结果数据，截至目前，此矿区已发现的铝土矿资源量2405.48万吨，属大型矿床，满足技术勘查与地质找矿要求。目前，该区域内已经发现铁矿、煤、粘土矿、锆矿、重晶石矿、高岭土矿等多种矿产。

2 铝土矿地球化学特征

2.1 主量元素特征

本章将基于地球化学特征层面，对铝土矿中主量元素的含量进行分析（以铝土矿中氧化铝为例），粘土层1的Al2O3含量为12.45%，粘土层2的Al2O3含量为2.79%，铝土质粘土层1的Al2O3含量为32.87%，铝土质粘土层2的Al2O3含量为33.17%，致密状铝土层1的Al2O3含量为48.64%，碎屑状铝土层1的Al2O3含量为69.44%，碎屑状铝土层2的Al2O3含量为75.72%，致密状铝土层2的Al2O3含量为38.61%，致密状铝土层3的Al2O3含量为40.17%，铝土质粘土层3的Al2O3含量为23.76%，铁质粘土层的Al2O3含量为16.63%，白云岩层的Al2O3含量为4.22%。

根据上述内容可以看出，不同岩层中金属铝物质的含量是不同的，除表格中的三氧化二铝外，土层中还含有大量的二氧化硅、三氧化二铁、二氧化钛等矿物质，这三种金属矿物质与三氧化二铝的含量的总量可占矿区内有效资源量的80.0%～90.0%。同时，区域内也含有一些稀有、稀土、分散元素，这三类矿物质的含量很少，一般来说只有镓元素能达到边界品位。其他一些主量元素，包括氧化钾、氧化钠等物质的含量偏低。对不同矿层的矿样进行采样分析后发现，含金属铝物质的土层密实度较高，集中分布在铝土层，随着土层的深入，三氧化二铝的含量呈现一种逐步降低的趋势。通过现有的勘查成果与调研数据可知，矿区内铝土矿的形成伴随着一个相对漫长的过程，包括矿层沉积物的沉淀、粘土物质在动力学作用下的迁移与脱硅、沉积铁矿在地质变化过程中脱硫反应，在多种反应条件下，地质环境中硅元素与硫元素的含量逐渐降低，这一现象使区域内金属铝元素呈现一种富集状态。以矿区内二氧化硅-三氧化二铝、二氧化钛-三氧化二铝、三氧化二铁-三氧化二铝为例，对其相关性进行分析。

经过分析可以发现，铝土矿主量元素中，三氧化二铝的含量与二氧化硅、三氧化二铁呈负相关关系，与二氧化钛呈正相关关系。由此可见，矿区在成矿中，存在惰性金属元素，且金属铝与金属钛的迁移与富集趋势具有一致性，铁元素与硅元素在地质活动中不断出现金属物质的流失。综上所述，可以认为铝土矿在发生矿化现象时，是一个去铁、除硅、富集铝的过程。

2.2 微量元素特征

20世纪80年代以来，对铝土矿的成因见解趋于一致，即铝土矿就属古风化壳型矿产，是基岩红土、风化作用的产物。现国内外相关地质学家普遍认为，对铝土矿中的微量元素Ga、Sc、V、Cr、Ni、Co、Cu、Zn及Nb，Ta，Zr、Ti以及稀土元素、放射性元素分析很有意义，因其中大多数元素可以或可能加以利用。在完成对铝土矿主量元素这一化学特征的分析后，针对其中含有的微量元素特征进行分析。经过对含有铝岩系的矿石中微量元素进行测定得出，在大部分铝岩系矿石内都含有锆元素、锶元素、钒元素、锂元素等多种金属微量元素。其中，含量最多的微量元素是锂元素，其含量基本上能够保持在3860×10-6%～3950×10-6%范围内，除此之外，锆元素的含量一般在98×10-6%～968×10-6%范围内；锶元素的含量一般在25.3×10-6%～1125×10-6%范围内；钒元素的含量一般在28.3×10-6%～426.25×10-6%范围内。除此之外，其他微量元素，例如锡元素、铅元素等含量相对较低。

在铝土系矿石当中，一般情况下，铀元素在铝土矿中的含量小于5×10-6%时，将其看作是海相咸水沉积物中的一种类别；当元素在铝土矿中的含量在5×10-6%～20×10-6%范围内时，则认为其是作为一种半咸水沉积物的形式存在；当元素在铝土矿中的含量超过20×10-6%时，则说明此时这一元素作为陆相淡水沉积物的形式存在。在铝土矿结构当中，部分元素的含量还能够超过50×10-6%，这一现象形成的原因是铝土矿当中有大量稳定性矿物质大量赋存。同时，在部分地区其铝土矿中钍元素的含量变化在不同区域上变化较大，因此这种情况下可能存在两种不同性质沉积物共同存在，以某一区域内的铝土矿为例，其元素的含量在7.26×10-6%～76.25×10-6%范围内不断变化，此时说明该铝土矿所处环境为半咸水和淡水相结合的沉积环境。

为进一步探究铝土矿中各个微量元素之间的具体关系，以钍元素和铀元素为例，通过计算二者之间的比例，实现对铝土矿成因的进一步探究，当钍元素与铀元素含量之比超过7：1时，则说明这种条件下的铝土矿可能存在于还原环境当中；当钍元素与铀元素含量之比在2：1～7：1之间时，则说明这种条件下的铝土矿可能存在于风化作用不彻底或底部沉积混杂的环境当中。除此之外，由于锶元素和钡元素对于海水当中的盐度变化具有极高的敏感性，因此通过明确锶元素与钡元素之间比例关系可以实现对铝土矿所处环境中水中盐度的描述。具体而言，当锶元素与钡元素含量之比超过1：1时，则说明铝土矿周围水环境为海相沉积环境；当锶元素与钡元素含量之比小于3：5时，则说明铝土矿周围水环境为陆相沉积环境；当锶元素与钡元素含量之比在3：5～1：1范围内时，则说明铝土矿周围水环境为海相沉积环境与陆相沉积环境的过渡段环境。根据上述数据，可实现对铝土矿周围水体中盐度变化的准确描述。陆相沉积环境下出现的铝土矿与地质沉积相关，产于超复在较老碳酸盐层之上的石灰岩的底层中，也就是产于碳酸盐层的沉积间断中。铝土矿体通常是层状的，沿走向其厚度和成分都很稳定，延长长度可达数公里。在陆相沉积环境影响下铝土矿物具有豆状构造。此类矿床规模较大，储量可达数千万吨。结合野外观察及大量勘查钻孔柱状剖面，以及各类统计数据测试分析，表明该区铝土矿（铁铝岩段）主体形成于陆相环境，局部可能受过海水的影响，但海水影响是次要的，即平陆东部铁铝岩段为内陆咸化湖泊。

2.3 稀土元素特征

山西省铝土矿中所含有的稀土元素通常情况下以离子形式吸附在铝土矿中。很少能见到独立的矿物，所以在当前地质勘查条件下，还不能采用普遍的选矿方法。从稀土金属元素综合边界品位指标来看：风化壳型铝土矿边界品位大于0.07%，工业品位大于0.1%。进一步对铝土矿的稀土元素分析结果表明，铝土矿稀土元素含量大部分已经超过边界品位，一少部分接近或超过工业品位数值。筛选铝土矿过程中，稀土元素富存于尾矿赤泥、母液中，可进行综合开发，所以加强对山西省铝土矿稀土元素研究可推动铝加工产业的快速发展，对铝土矿综合利用也将会有较好的经济效益。作为具有极其特殊的地球化学属性的稀土元素而言，通过对铝土矿当中稀土元素的特征分析，能够熟悉对铝土矿地球化学特征的更进一步描述，并提供铝土矿中沉积物的成矿条件和成矿作用的重要依据。通过对铝土矿当中稀土元素含量的测定得出，大部分铝土矿中稀土元素的含量数值较高，其数值具体而言在126.25×10-6%）7256.25×10-6%范围内不等，平均稀土元素含量为1253.25×10-6%。同时，在铝土矿当中轻质量的稀土元素一般含量会小于重质量的稀土元素。当二者之间的比例在1.35）5.75范围内时，此时说明轻质量稀土矿富集程度更高，并且两种稀土元素在铝土矿当中均产生了明显的分异情况；当二者之间的比值在0.26）0.82范围内时，则说明这一铝土矿当中的重稀土元素比轻稀土元素富集；当轻稀土元素与重稀土元素的比值在0.82）1.35范围内时，则说明这一铝土矿当中给出的轻稀土元素与重稀土元素富集程度相当。

3 铝土矿成因

山西地块在寒武纪-中奥陶世沉积之后，经加里东运动经历了整体抬升，经长期侵蚀、剥蚀，使之准平原化，形成奥陶系顶部碳酸盐岩古风化壳。山西省铝土矿在纵向上受上覆太原组灰岩水及下伏岩溶水的多重影响。此外，山西省铝土矿所在的本溪组为矿产资源开采时奥陶系岩溶水的隔水层，铝土矿的开采必将破坏隔水层，从而导致通下伏奥灰水，发生突水事故。因此，铝土矿的开发必须充分考虑本溪组下伏峰的富水性和隔水层厚度，充分计算开采铝土矿时的带压系数与带压危险区。此外，采空区铝土矿还受到采空区积水和老窑水的影响。因此，铝土矿的赋存层位在空间上受上部老窑水、中部采空区积水和下部岩溶水三重威胁，水文地质条件及其复杂。在多种地质构造的运动作用下会造成铝土矿隆起的形成和演化，加之受到不断向陆上隆起时的转移现象影响，最终会造成铝土矿地层结构逐渐暴露在外，这一过程是大部分地区铝土矿形成的具体原因。同时，在部分地区，由于受到风化作用的影响，使得其地貌特征为铝土矿盆地结构的形成提供了条件。通过对山西兴县铝土矿中稀土元素分布模式，认为兴县铝土矿的物质来源具有多样性。在晚古生代时期开始，铝土矿所在区域已经处于离散构造背景条件当中，随后逐步进入到陆内的裂陷形成阶段，并且在铝土矿结构上常常会有一条十分明显的断裂带结构，这一断裂结构的形成使得左右两侧铝土矿的地球化学特征出现了明显的差异变化，一侧可为铝土矿形成提供便利的沉积场所和条件，另一侧又能够为铝土矿的剥蚀风化作用创造有利条件。同时，在大部分铝土矿当中，二氧化硅、三氧化二铁、二氧化钛等矿物质和锆元素、锶元素、钒元素、锂元素等多种金属微量元素的存在也使得铝土矿中富含了丰富的矿产资源，为其后续矿山企业的矿产资源开发创造了更良好的赋存条件。除此之外，在铝土矿基本成形后，再经过其后期构造运行的不断作用，部分被抬起的地表会长期暴露在外，进而受到风化作用的影响。当风化作用进行到一定程度上时，铝土矿表面的各类矿产资源会逐渐出现脱硅和脱铁的现象，进而使得大量硅元素和铁元素的流失，但与之相比，铝元素将会不断富集，最终通过上述多种因素的共同作用，使得这一区域逐渐形成具备优质铝元素矿产资源的铝土矿床结构。