談河南中石炭世鋁土礦成礦系統的控制因素

李新龍 劉玉山 唐 俊

(1.江蘇省高淳區國土資源局，江蘇高淳 211300;2.華北油田公司招標中心，河北任丘 062552;3.江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇南京 210007)

0 引言

成礦系統是指具有成礦功能的自然系統，具體是指在一定地質時空域中控制某種礦床產生、富集并保存的地質作用、地質條件所形成的礦化系列、礦床組成的整體。鋁土礦是河南省的主要礦種之一，也是河南鋁業的基礎原料，主要分布在黃河以南、秦嶺以北、京廣鐵路以西的廣大地區(簡稱豫西)，出露面積20 000 km2左右，賦存于寒武系—奧陶系碳酸鹽巖風化剝蝕面上，賦礦地層為中石炭統本溪組(C2b)，成礦時代為中石炭世本溪期，屬紅土型沉積型鋁土礦。

為了保證鋁土礦的穩定供應，需要對豫西鋁土礦的成礦控制因素進行分析，以提高地質勘查的成功率。河南省鋁土礦成礦系統是地球表面各個圈層共同作用下，導致鋁元素分異、富集，并形成鋁土礦床的成礦系統，豫西鋁土礦成礦系統的控制因素主要有:風化作用、沉積作用、地形地貌、水文條件、海侵、構造作用、氣候、大氣、生物、喀斯特作用。

1 風化作用

豫西鋁土礦的主要成分為二氧化硅、水鋁石、赤鐵礦和二氧化鈦等，形成該礦床的本質原因是在化學風化的影響下，徹底分解了含鋁硅酸鹽礦物的巖石及鋁硅酸鹽礦物本身，導致能隨水流遷移的元素被帶走，在原地留下地表自然環境條件下最穩定的鐵和鋁的氧化物、二氧化硅等礦物。在晚奧陶世～早石炭世1.4億年的時間段內，豫西所在的華北地區處于隆升狀態，是一個受剝蝕區，地殼中的巖石礦物遭受了1.4億年的風化剝蝕作用，大量的風化物在地表堆積，導致地殼中的鋁元素得到了初步的分離和富集。

2 沉積作用

經歷了1.4億年風化剝蝕的華北地區寒武系—下中奧陶統碳酸鹽巖頂面形成了一個面積廣闊的風化剝蝕面。該風化剝蝕面為從中石炭世開始形成的鋁土礦提供了賦礦空間，而風化剝蝕面下、厚度巨大的碳酸鹽巖仍繼續受到的化學風化作用，為豫西鋁土礦提供了物質基礎。水流把風化物質帶入喀斯特地區沉積下來，然后由海侵作用引起的沉積作用形成的蓋層使鋁土礦免遭剝蝕。另外，本溪組沉積前后，華北地區發生火山活動，表現在河北省開灤本溪組底部出現厚度幾十厘米的凝灰巖。在火山噴發時，噴出的隨風四處飄散的含鋁元素的火山灰在重力作用下，在地表沉積也是豫西鋁土礦成礦物質的另一個來源。

3 地形地貌

地形地貌控制了風化作用的影響程度，高差不大的丘陵山區最有利于風化礦床的形成，因為該地形地貌條件能確保大氣降水能夠滲流到潛水面附近，然后隨侵蝕基準面形成的泄水條件，在潛水面附近產生強烈的化學風化作用。對于鋁土礦成礦因素來說，較大的地形高差地區由于顯著的機械風化速度差別，處于地勢較高部位的地質體遭受到較高的剝蝕速度，風化層中的鋁元素未得到充分分離就已隨水流遷移，而處于地勢較低部位的地質體遭受到較低的剝蝕速度，風化層中的鋁元素未得到充分富集就被掩蓋，上述兩種情況皆不利于鋁土礦成礦作用的進行。地形地貌對鋁土礦成礦的另一個作用是影響了受風化地質體所在地區的水文條件，如潛水面的變化、排泄條件、大氣降水的下滲作用等，從而影響和鋁土礦床形成有關的化學風化作用。

在豫西鋁土礦沉積時，華北地區是一個風化剝蝕面，地形地貌特征總體表現為碳酸鹽巖夷平面，該夷平面的作用有:

1)為鐵質、硅質、鋁質的富集提供了有利場所;

2)較小的地形高差，導致較弱的機械風化作用，從而確保持續進行有利于鋁元素充分分離富集的化學風化，為鋁土礦提供了成礦物質;

3)地形平緩，地表水流徑流慢，滲透量大，有利于喀斯特發育，為鋁土礦提供了賦存空間。

4 水文條件

淋濾作用是鋁土礦形成的條件之一，因此，鋁土礦化主要發生在潛水面以上，即鋁土礦形成需要特定的水文條件。如果水體停滯在潛水面以下區域，則水的流動性弱，形成鋁土礦所必需的淋濾作用就會停止，從而不利于鋁土礦的形成，即豐富的大氣降水和良好的排泄條件是鋁土礦形成所必需的水文條件。

豫西鋁土礦根據礦床模型理論歸類為紅土型沉積鋁土礦。該型鋁土礦主要發育于熱帶雨林地區，原因和熱帶雨林發育地區豐富的大氣降水和良好的排泄條件相關，即符合鋁土礦形成所必需的水文條件。在熱帶雨林地區，由于降水充沛，大氣降水中溶解的礦物質少，使降水未達到飽和。因此，在地表流動的、礦物質溶解未飽和的水，能夠溶解且帶走地表地質體中溶解度高、穩定性差的元素和礦物。加上熱帶雨林地區由于溝壑發育形成的良好排泄條件，水流可以持續帶走地質體中可移動的元素或礦物，在地面殘留地表自然環境下最不易分解的鋁氧化物，從而形成鋁土礦。古地磁資料研究成果表明:石炭紀時，豫西所在的華北地區地理上位于赤道附近，氣候上屬于熱帶雨林地區，大氣降水豐富，排泄條件良好。在良好的水文條件下，寒武系—下中奧陶統碳酸鹽巖經歷風化作用，使碳酸鹽巖中的鋁元素得到充分的分離、富集，為紅土型沉積鋁土礦提供了成礦物質。

5 海侵

晚石炭世海水入侵(海侵)對豫西鋁土礦成礦系統的發生、發展、結束有明顯的控制作用。豫西上石炭統太原組(C3t)的顯著特征是發育海相灰巖，主要巖性有灰巖、頁巖、砂巖和泥巖，屬于海侵時期的沉積物。海侵對鋁土礦的形成是從開始的有利因素逐漸變成后期的不利因素，表現為開始時的地下水面的抬升、降雨的增加有利于鋁土礦的形成，到后期海平面上升、陸地沼澤化不利于鋁土礦的形成。降雨增加導致淋濾作用增強對鋁土礦的成礦作用是十分有利的，但是，海侵引起的地下水位面的抬高，使得發育在寒武系—下中奧陶統碳酸鹽巖中的喀斯特地表流水、滲水系統和地下排水、泄水系統，由于地下水位面的抬高而減弱了淋濾作用，結果在賦礦地層中發育了品位低的鋁土礦，其特點是鋁土礦層中硅元素含量較高，鋁元素含量較低，直至最后沒有鋁土礦層，代之的是碳質頁巖、煤線、煤層。產生上述現象的原因是后期隨著海平面的上升，在陸地上產生了沼澤。在沼澤地區，水流排泄不通暢，使喀斯特地區中的鋁土礦成礦系統減弱或停止。

綜上所述，海侵不僅有利于豫西鋁土礦的成礦作用，而且也帶來了鋁土礦上覆地層太原組，有利于鋁土礦的保存。

6 構造運動

促使豫西鋁土礦形成的控制因素——風化作用、沉積作用、地形地貌、水文條件和海浸本質上是由構造運動決定的。現代鋁土礦成礦作用主要發生在構造運動較弱、長期遭受到風化剝蝕的穩定地區，而造山帶由于強烈的構造運動則很少形成鋁土礦。因為構造運動弱，地形高差小的準平原地貌形態得以長時間保持，而地形高差小的地貌有利于鋁土礦化作用的產生。華北地區中石炭統和早古生界二者之間的關系為假整合接觸，說明奧陶系沉積之后，構造運動對華北地區的影響有限，一直到晚石炭世海水侵入華北地區之前，該地區的地表仍保持差不多水平的狀態，呈現出有利于鋁土礦成礦的準平原狀態，然后構造運動引起的海侵作用，使華北地區在晚石炭世被陸表海淹沒，結束了有利于鋁土礦形成的準平原狀態。

由于海浸作用，在鋁土礦上面相繼覆蓋了厚度巨大的上石炭統、二疊系、下中三疊統，各地層相互間關系為整合接觸，說明中石炭世鋁土礦形成后，豫西所在的華北地區的構造運動表現為以持續的下降為主，使得鋁土礦床被迅速埋藏保存。中三疊世開始，華南板塊和華北板塊碰撞，導致華北板塊南部發生隆起，鋁土礦在隆起區被抬升出露并受到剝蝕，說明構造運動有二重性，既有利于鋁土礦的形成，也可能使先期形成的鋁土礦遭到破壞。

7 氣候

高溫多雨的氣候對于鋁土礦的形成極為有利。現代紅土型鋁土礦主要分布在南北緯30°范圍內的東南亞、南美、澳大利亞、西非、印度等熱帶雨林地區，上述地區占世界紅土型鋁土礦儲量的96%。華北地區古地磁資料的研究結果:

1)早古生代期間，華北地區大地構造上屬于中朝板塊;

2)早古生代期間，中朝板塊從20.2°S向北漂移到12.9°S;

3)早古生代末期，中朝板塊地理上仍位于南緯地區，處于赤道附近的熱帶、亞熱帶氣候環境中，在氣候因素上為形成豫西紅土型沉積型鋁土礦奠定了基礎。

8 大氣

鋁土礦主要成分為鋁、硅、鐵等元素，大氣對鋁土礦形成的作用主要通過大氣的氧化還原環境而表現出來，具體表現在對地表中鐵元素遷移及沉淀的影響上，來實現對鋁土礦成礦作用的影響。如果大氣為氧化環境，則地表中的鐵元素容易遷移，從而導致鋁元素在地表相對富集而形成鋁土礦。在石炭紀的陸地上，生物進化到植物大規模地產生。植物的光合作用使得大氣圈的成分發生了明顯的變化，表現在大氣圈中二氧化碳的含量減少，而氧氣的含量增加，形成氧化環境。氧化環境促進了鋁土礦的形成，表現在:

1)隨著大氣中氧氣含量的增加，使得大氣圈、巖石圈中的有機物、硫化物等易被氧化，導致地下水、地表水具有酸性;

2)酸性地下水、地表水促進寒武系—下中奧陶統碳酸鹽巖的化學風化作用，導致地殼中的鋁元素得到了分離和富集;

3)促進地表中的鐵、硅等元素隨水流被溶解遷移。

在豫西鋁土礦區，賦礦地層中通常含紅色、紅褐色的鐵質泥巖、頁巖或赤鐵礦。如豫西陳道莊礦區的ZK8614鉆孔，在孔段280.86 m～282.4 m范圍內為紅褐色鐵質頁巖;南湖礦區的ZK20867鉆孔，在孔段328.33 m～329.66 m范圍內出現紅色鐵質泥巖，而ZK18679鉆孔，在孔段309.35 m～313.35 m范圍內的紅褐色鐵質泥巖中發育了赤鐵礦;大溝頭礦區的ZK6480鉆孔，在孔段549.73 m～552.73 m范圍內出現了紅褐色含赤鐵礦頁巖。以上現象說明:1)豫西鋁土礦形成時，由于大氣中氧化含量的增加，氧化作用普通且強烈;2)大氣圈中氧氣含量的增加是豫西鋁土礦形成的重要因素。

9 生物作用

生物對鋁土礦成礦作用貢獻主要表現在以下:

1)植物的根系和土壤中的細菌產生的分泌物促進風化作用，有利于形成含鋁元素的土壤層;

2)植物能夠有效地改變水流的循環途徑，具體表現在減少地表水的蒸發，減緩地表水的徑流，從而大大促進了地表水的下滲，使得鋁土礦形成的條件淋濾作用加強，如在澳大利亞蘇里南的沼澤地區，由于富含腐殖酸水的下滲淋濾作用，鐵元素強烈的淋失，導致鋁元素的進一步富集;

3)植物能夠減輕大氣降水、地表流水對含鋁元素土壤層的沖刷，結果使鋁土礦床不會被侵蝕;

4)由植物落葉產生的腐殖酸進一步促進了對寒武系—下中奧陶統碳酸鹽巖的化學風化作用;

5)植物光合作用產出了大量的氧氣，增加了大氣圈中氧氣的含量，使得大氣形成有利于鋁土礦形成的氧化環境;

6)植物能夠吸收數量可觀的硅元素，相當于對土壤層進行了去硅作用，導致了土壤層中的鋁元素得到進一步的富集。

另外，豫西鋁土礦和炭質頁巖、煤線、煤層之間具有良好的空間關系。陳道莊、南湖、大溝頭礦區的本溪組上段廣泛出現了炭質頁巖、煤線，在一些鉆孔中出現了質量較好的煤層。在陳道莊礦區，有17個鉆孔中的本溪組出現了最大厚度7.7 m、平均厚度1.8 m的煤層，如在ZK8614鉆孔中，鋁土礦層中夾2.6 m厚的煤層，ZK3255鉆孔則出現了黑色含碳鋁土礦，Al2O3的含量達到61.5%;南湖礦區的 ZK20867，ZK13106，ZK17307，ZK01214 等鉆孔中則鋁土礦層和煤層(煤線)、炭質頁巖層相互間夾出現，其中ZK01214鉆孔，含鋁土礦地層中的煤層厚度達到了3.8 m;大溝頭礦區在鋁土礦呈現黑色，在礦層下面出現了含植物化石的炭質頁巖，而礦層上面的炭質頁巖中則普遍發育煤線、煤層。

光合作用最重要的結果是導致大氣圈中增加了大量的氧元素，使地球中大氣圈、水圈、巖石圈的有機物質、硫化物質等被氧化，產生了大量的無機酸以及腐殖酸;加上植物本身以及植物落葉分解形成腐殖物質時產生的質量可觀的、游離的二氧化碳;再加上土壤里細菌生命活動時產生的游離的二氧化碳，三者結合使水體中酸性度增加，加速了巖石中鈉、鉀等金屬元素、鐵質、硅質被水溶解后隨水流遷移，進一步促進了豫西中石炭世鋁土礦的富集成礦。在豫西，鋁土礦的礦物組成、顏色特點是:

1)TiO2和Al2O3的含量二者呈現正相關關系，即TiO2含量高，則Al2O3含量也高，反之亦然;

2)鐵含量低;

3)礦體顏色以灰色為主。說明在石炭紀期間，進化產生的陸地植物及由其產生的腐殖物質，對豫西鋁土礦的去鐵、去硅發揮了重要的作用。

10 喀斯特作用

豫西鋁土礦體賦存于寒武系—下中奧陶系碳酸鹽巖的風化剝蝕面上。在該風化剝蝕面上，發育了種類繁多的喀斯特地貌，主要表現為漏斗、洼地和盆地等。有些地區的喀斯特漏斗，深度最大約100m，和下面的地下暗河相連通，形成喀斯特地區的排泄系統;而有些地區喀斯特漏斗底部發育溶洞，洞頂底高差10 m以上。

豫西鋁土礦體賦存于喀斯特地貌中，礦體的厚度、品位和喀斯特地貌的發育深度有明顯的對應關系。在地勢較高的地方，鋁土礦及本溪組含礦巖層厚度薄，甚至消失;在地勢高差較大的漏斗中，礦體不僅品位高，而且厚度大，但是由于空間的限制，礦體沿走向、傾向延伸有限，礦體呈現漏斗狀，儲量規模小;而在地勢較為平坦的洼地、盆地中，鋁土礦體厚度小，呈層狀，但沿走向及傾向礦體延伸大，儲量規模大。

我國華北地區鋁土礦的形成年代為晚古生代，對應于地球陸地上出現植物的時代，植物及其產生的有機物質在高溫多雨的氣候和穩定古陸的構造條件下，對寒武系—下中奧陶系碳酸鹽巖的化學風化作用加強。在化學風化作用下，在地表形成了厚度巨大的Al2O3風化殼和喀斯特地貌。生物活動及由其形成的腐殖質，以喀斯特地貌中的水為介質，直接參與了鋁土礦的富集成礦。即在植物、土壤、富含氧氣的大氣、喀斯特的共同作用下，盡管減緩了機械風化作用，但大大增強了化學風化作用，更加促進了鋁土礦的形成。

11 結語

豫西中石炭世鋁土礦成礦系統的控制因素復雜，包括大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的地球所有圈層全部參與并均起了積極的作用。風化作用、沉積作用、地形地貌、水文條件、海侵、構造作用、氣候、大氣、生物、喀斯特作用在豫西鋁土礦成礦系統中均發揮了極為重要的作用，上述控制因素相互影響、相互聯系，共同構成一個復雜的鋁土礦成礦系統，造就了豫西鋁土礦。

注:成稿過程中，得到了陳旺同志的指導，在此表示衷心的感謝!

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