河南三門峽貫溝鋁土礦礦物組成及其特征

馮躍文，劉學飛，李中明，蔡書慧

(1.中國地質大學地質過程與礦產資源國家重點實驗室，北京 100083 2.河南省地質調查院，河南鄭州 450000)

1 前言

河南省鋁土礦床主要產出于中石炭統本溪組地層中，鋁土礦分布廣泛，礦床類型主要包括沉積型鋁土礦和堆積型鋁土礦。河南省鋁土礦分布區處于中朝準地臺南部，范圍涉及山西臺隆的太行拱斷束和鐵山河拱褶斷束、華熊臺緣坳陷澠池-確山陷褶斷束、嵩箕臺隆及華北坳陷濟源-開封凹陷等大地構造單元。

鋁土礦礦石礦物學嚴格受其形成環境的影響(D’Argenio and Mindszenty，1995)。對于河南喀斯特型鋁土礦礦物組成特征前人做過大量研究(吳國炎，1996;溫同想，1996)。但是對于貫溝礦區鋁土礦礦石礦物組成特征沒有系統研究，本研究在前人對河南鋁土礦其它礦區礦物組分研究的基礎上，進一步研究了貫溝礦區沉積型鋁土礦礦石礦物組成及其特征。

2 礦床地質

河南省三門峽市貫溝鋁土礦礦區位于三門峽-澠池-新安鋁土礦成礦區杜家溝-郁山鋁土礦亞帶中(圖1)，屬于華北板塊的南部，位于北秦嶺造山帶北部。研究區受秦嶺構造帶和中國東部構造帶影響明顯。研究區北西為王屋山-太行山隆起，南西為秦嶺-大別造山帶隆起，中間為嵩箕隆起;與隆起相間出現陜澠新盆地、濟源-開封凹陷盆地、汝州-寶豐盆地;其中盆地中存在多級不同規模的次一級隆起。由于受到中生代太平洋板塊以及新生代印度洋板塊的影響，區域主要構造線方向呈北西向、近東西向。

研究區內地層發育相對完全，除上奧陶統、志留系、泥盆系和下石炭統缺失外，從太古界到新生界均有地層出露。鋁土礦層主要產出于中石炭系本溪組下段(C2b1)。本溪組主要由鋁土礦和粘土巖組成，其次還有砂頁巖、煤層、灰巖，厚度在成礦區介于2～25 m，局部巖溶漏斗發育處可超過50 m。

貫溝鋁土礦主體賦存在一系列溶斗組成的大型開闊溶斗中(圖2a)。礦區內礦體主體呈層狀、似層狀產出(圖2b)。礦體形態嚴格受古地形控制，層狀礦體的頂面較為平坦，礦體厚度變化穩定，連續性較好，礦體底面局部受到古隆起的影響，出現礦體減薄的現象。野外調查中觀察到了溶斗中鋁土礦及其上部粘土巖、碳質泥頁巖和煤層;鋁土礦底部單元層沒有觀察到。隆起處底板之上為鐵質風化殼，向上變為一層較厚鐵質粘土巖;粘土巖之上覆蓋有薄層鋁土礦，之上依次被鋁土質粘土、碳質泥頁巖和煤層覆蓋。含礦巖系的頂板與附近鋁土礦頂板有明顯差別，貫溝鋁土礦頂板為灰巖。礦石以隱晶質結構為主，此外還發育鮞粒、包殼和碎屑結構。礦石構造主體為塊狀構造。

圖1 豫西貫溝鋁土礦區域地質圖Fig.1 Simplified geological map of the Guangou bauxite deposit in western Henan Province1-第四系;2-第三系-二疊系;3-本溪組、太原組;4-奧陶系;5寒武系;6-元古代;7-太古代;8-侵入巖;9-斷層;10-水系;11-鋁土礦床;12-地名1-Quaternary;2-Tertiary-Permian;3-Benxi and Taiyuan Foramtions;4-Ordovician;5-Cambrian;6-Proterozoic;7-Archaeozoic; 8-intrusive rock;9-fault;10-stream;11-bauxite deposit;12-city/town

3 鋁土礦礦物學

3.1 礦物組成

文章應用X衍射分析(XRD)對部分典型樣品(Mgg-5、Mgg-9、Mgg-14、Mgg-15)進行了測試研究。全巖X衍射分析在中石油勘探開發科學研究院實驗中心粉晶衍射室完成。儀器型號為日本理學D/ Mac-RC，試驗條件:靶:CuKα1，電壓:40 kV，電流:80 mA，石墨單色器，掃描方式為連續掃描，掃描速度8°/分，狹縫DS=SS=1°，環境溫度18℃，濕度30%。

綜上所述，船舶輪機隨著船舶航行時間的延長，其主機系統、輔助系統、安全系統可能出現不同程度的缺陷，是造成船舶性能低下的主要原因，有必要注重這一問題的解決，通過合理運用船舶輪機缺陷排除措施，來保障船舶安全行駛。本文針對船舶輪機常見缺陷及處理措施進行了探討，結合船舶運行特點，分析得出船舶輪機常見故障，包括機械性能缺陷和構件缺陷等，進一步采取對應的排除措施，可確保各個系統正常運行。

XRD半定量分析結果見表1和圖3。礦物綜合分析結果顯示組成鋁土礦礦石的主要礦物包括硬水鋁石、伊利石和銳鈦礦，另外，還包括少部分高嶺石、鋯石等。

3.2 礦物特征

電子探針研究了貫溝鋁土礦礦石中主要礦物賦存狀態以及組成特征(圖4)。電子探針分析中識別出礦物包括硬水鋁石、銳鈦礦、伊利石、針鐵礦、高嶺石和鋯石。

圖4 豫西貫溝鋁土礦中主要組成礦物賦存狀態和共生組合特征Fig.4 Occurrences of ore minerals from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province

表1 豫西貫溝鋁土礦礦石樣品XRD半定量分析結果Table 1 XRD analysis result of bauxite ores from the Guangou bauxite deposit in Henan province

硬水鋁石是組成鋁土礦礦石的主要礦物之一;在SEM照片中，硬水鋁石呈隱晶質結構組成了礦石的基質，少部分呈現細小的板狀、長柱狀形態。硬水鋁石電子探針分析結果見表2。分析結果顯示硬水鋁石中Al2O3含量為78.03%～83.94%;此外，FeO和TiO2含量雖然不到1%，但是普遍存在所有分析數據中，說明硬水鋁石形成過程中元素Fe和Ti廣泛存在;另外，除了樣品Mgg-3之外，其余的分析樣品中硬水鋁石中普遍包括組分SiO2，與其余礦區硬水鋁石分析結果一致。這可能和硬水鋁石形成環境有密切關系，Mgg-3取自豆鮞狀鋁土礦層中，礦石中以鮞粒結構為主，這些豆鮞粒形成于表生階段風化作用階段，初期形成的硬水鋁石環境中可能是一貧硅的環境。除此之外，元素Na2O、MgO、K2O、CaO和MnO也在部分硬水鋁石晶體中廣泛存在。

表2 豫西貫溝鋁土礦中硬水鋁石電子探針分析結果Table 2 EPMA analysis results of diasporites from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(%)

銳鈦礦存在兩種形態:第一種是銳鈦礦晶體與硬水鋁石密切共生，分散在硬水鋁石組成的基質中，或者和硬水鋁石礦物互相包裹，這說明二者同期形成;第二種銳鈦礦以脈狀穿插在硬水鋁石組成的基質中，邊界與硬水鋁石呈互溶體形式;這類型的銳鈦礦形成稍晚于硬水鋁石。典型鋁土礦礦石中銳鈦礦電子探針分析結果見表3。分析結果顯示TiO2含量為95.84～99.45%。元素Al2O3、FeO和SiO2同樣普遍分布在銳鈦礦礦物中，然而樣品Mgg-3相對例外。與硬水鋁石分析結果類似，礦物元素組成的差異反映其形成環境的差異。此外，元素Na2O、MgO、K2O、CaO和MnO同樣廣泛存在部分銳鈦礦礦物中。

伊利石主要以鱗片狀集合體形態組成礦石的基質。鋯石主體分散在硬水鋁石組成的基質中(圖4a，b)。貫溝鋁土礦典型礦石中伊利石電子探針分析結果見表4。結果顯示 Al2O3含量為30.39～38.23%，SiO2含量為44.30～49.02%;二者均呈現較大的變化范圍。除兩個主要元素外，Na2O、MgO、CaO、TiO2和 FeO元素普遍存在伊利石礦物中; Na2O、MgO和CaO三者的出現可以解釋為類質同象代換伊利石礦物中的元素K2O，而兩者TiO2和FeO則主要和礦物形成環境有密切的關系。此外，元素P2O5和MnO也在部分礦物晶體中發現。

貫溝鋁土礦礦石中針鐵礦電子探針分析結果見表5。針鐵礦中Fe2O3含量為73.38% ～83.68%，具有較大的變化范圍。此外，Al2O3和SiO2大量存在，最高分別達5.09%和6.67%;說明在針鐵礦形成過程中，周圍環境中大量的Al離子代換了Fe離子存在于針鐵礦中;另外TiO2也普遍分布在礦物中，含量相對Al2O3和SiO2略低。其余元素Na2O、MgO、K2O、CaO和MnO也廣泛存在針鐵礦晶體中。

差熱曲線上顯示熱效應最明顯的礦物是硬水鋁石，其次為高嶺石(圖5)。礦物吸(放)熱溫度歸屬表見表6。在500～540℃范圍，硬水鋁石中結構水全部失去，轉變為α-Al2O3，呈現在差熱曲線上是在這個溫度范圍之間有一明顯的吸熱谷;硬水鋁石的吸熱峰值范圍為503～531℃，變化范圍不大，相對標準硬水鋁石吸熱溫度范圍(490～580℃)和世界各地鋁土礦吸熱溫度(南非鋁土礦:532℃，希臘鋁土礦545℃)同樣偏低;這說明貫溝鋁土礦中硬水鋁石具有較低的結晶度和細小的晶體顆粒。另外一個明顯的峰值是高嶺石的放熱峰，高嶺石通常在550℃左右有一吸熱峰，釋放結構水，但是該峰值在研究礦石樣品中不明顯;在980℃左右放熱發生一相轉變，礦石中高嶺石放熱峰值范圍為 980～1049℃，略顯偏高;其中，樣品Mgg-9和Mgg-14中放熱峰非常寬緩，體現高嶺石晶體結晶程度較差。

表3 豫西貫溝鋁土礦中銳鈦礦電子探針分析結果(%)Table 3 EPMA analysis results of octahedrites from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(%)

表4 豫西貫溝鋁土礦中伊利石電子探針分析結果(%)Table 4 EPMA analysis results of illites from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(%)

表5 豫西貫溝鋁土礦中針鐵礦電子探針分析結果Table 5 EPMA analysis results of goethites from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(%)

表6 豫西貫溝礦區礦石樣品中主要礦物熱分析結果Table 6 Thermal analysis results of ores from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province(℃)

圖5 豫西貫溝鋁土礦典型礦石樣品DTA曲線圖Fig.5 DTA diagrams of typical ores from the Guangou bauxite deposit in western Henan Province

4 礦物成因

貫溝鋁土礦中硬水鋁石電子探針分析顯示晶體中存在Fe、Si和Ti等其它元素。最重要的一個特征為鋁土礦底板奧陶系碳酸鹽巖并沒有變質跡象。同時，硬水鋁石主體呈隱晶質與銳鈦礦密切共生。上述特征指示貫溝鋁土礦礦石中硬水鋁石主要為簡單的成巖結晶成因。鈦的氧化物在風化作用形成的，各種地質體中普遍存在。在貫溝鋁土礦中主要存在的鈦的氧化物為銳鈦礦。銳鈦礦的生成條件及范圍較狹窄，只有在TiO2供應充分、低溫低壓及弱堿性的環境下才能形成(?zlü，1985);貫溝鋁土礦礦石中的銳鈦礦和硬水鋁石共生，互相包含和穿插，反應大量的銳鈦礦是成礦期/成巖期結晶形成。目前，對風化作用中形成的伊利石的成因觀點是:伊利石主要由云母轉化而形成該過程中礦物結構并沒有明顯改變(Meunier and Velde，2004)。

5 結論

(1)貫溝鋁土礦主體賦存在一系列溶斗組成的大型開闊溶斗中。礦區內礦體主體呈層狀、似層狀產出。觀察到溶斗中層序主要有鋁土礦及其上部粘土巖和煤層;鋁土礦底部單元層沒有觀察到，頂板為灰巖。礦石結構主要為鮞粒與隱晶質結構;礦石構造為塊狀構造。

(2)礦物綜合分析結果顯示，組成鋁土礦礦石的主要礦物包括硬水鋁石、伊利石和銳鈦礦，另外，還包括少部分高嶺石、鋯石等。與全球喀斯特型鋁土礦床的主要礦物基本相同。

(3)硬水鋁石呈隱晶質結構組成了礦石的基質，少部分呈現細小的板狀、長柱狀形態。銳鈦礦存在兩種形態:第一種是銳鈦礦晶體與硬水鋁石密切共生，分散在硬水鋁石組成的基質中，或者和硬水鋁石礦物互相包裹，這說明二者同期形成;第二種銳鈦礦以脈狀穿插在硬水鋁石組成的基質中，邊界與硬水鋁石呈互溶體形式;這類型的銳鈦礦形成稍晚于硬水鋁石。伊利石主要以鱗片狀集合體形態組成礦石的基質。

(4)貫溝鋁土礦中硬水鋁石主要為簡單的成巖結晶成因。大量的銳鈦礦是成礦期/成巖期結晶形成。伊利石主要由云母轉化而形成，該過程中礦物結構并沒有明顯改變。

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