大坪礦區(qū)風(fēng)化殼性質(zhì)與地貌形成環(huán)境分析

劉石宏，戴塔根，程 健，鄧德虎

（1.中南大學(xué)，湖南 長沙 410083；2.湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三〇三大隊(duì)，湖南 長沙 410119）

湖南省藍(lán)山縣大坪稀土礦床為典型華南風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦床[1]，成礦巖體為印支期砂子嶺巖體中細(xì)粒黑云母二長花崗巖和燕山早期金雞嶺巖體中粗粒黑云母二長花崗巖，二巖巖體中La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er等稀土元素的豐度值在華南產(chǎn)稀土花崗巖中居前列。經(jīng)表生成礦作用次生富集形成離子吸附型礦床。礦體賦存于風(fēng)化殼的中上部，呈層狀、似層狀，風(fēng)化殼厚度越大礦體厚度越大。而巖石的風(fēng)化剝蝕控制了風(fēng)化殼的厚度以及地形地貌的形成，進(jìn)而控制了礦床的分布。影響巖石風(fēng)化剝蝕的因素很多，除氣候生物等外在因素外，還有礦物的抗風(fēng)化性和巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造等內(nèi)在因素[4]。巖石的“能量地球化學(xué)”概念是由洪慶玉(1992)所提出的地能學(xué)說引申而來的。它主要是將巖石化學(xué)成分以及由此而形成的礦物組合關(guān)系轉(zhuǎn)化為對巖石能量的計(jì)算，是礦物抗風(fēng)化性的一種表達(dá)方式，可用于從量化角度評價巖石的抗風(fēng)化剝蝕能力。

1 研究區(qū)基本概況

礦區(qū)位于南嶺地區(qū)，處在揚(yáng)子地臺與華南褶皺帶的交匯部位，自中元古宙至晚白堊世，巖漿活動強(qiáng)烈，巖漿巖分布廣泛（圖1）。

圖1 九嶷山復(fù)式巖體地質(zhì)簡圖

本區(qū)屬九嶷復(fù)式巖體中段，具多期多階段成因特征和演化過程。從早到晚分別有加里東期雪花頂巖體、印支期砂子嶺巖體、燕山期西山（天鵝寨）巖體和金雞嶺巖體，補(bǔ)充侵入體有螃蟹木巖體，細(xì)?；◢弾r脈和花崗斑巖脈廣泛發(fā)育。礦區(qū)內(nèi)巖體主要為印支期砂子嶺巖體和燕山期金雞嶺巖體。

礦區(qū)整體地勢為中間高四周低，但礦區(qū)兩巖體地貌特征迥異，巖體中心金雞嶺巖體表現(xiàn)為中山山地地貌；金雞嶺巖體邊緣表現(xiàn)為中低山緩坡地貌；外圍砂子嶺巖體表現(xiàn)為低山丘陵地貌。區(qū)內(nèi)河流接受巖體內(nèi)大小溪流注入后，匯集成若干條河流呈放射性向四周排出區(qū)外。

該區(qū)屬于亞熱帶溫濕氣候，植被茂盛，雨水充沛，有機(jī)酸來源豐富，以化學(xué)風(fēng)化作用為主的表生成礦作用強(qiáng)烈，在丘陵地區(qū)和低山緩坡地貌中，風(fēng)化作用大于剝蝕作用，故可以發(fā)育厚度較大的風(fēng)化殼。

2 風(fēng)化殼性質(zhì)與地貌形成環(huán)境分析

2.1 風(fēng)化殼性質(zhì)

本區(qū)花崗巖風(fēng)化在砂子嶺巖體低山丘陵地區(qū)及金雞嶺巖體中低山緩坡地區(qū)最為發(fā)育。其面狀風(fēng)化較為充分，風(fēng)化殼厚度大。部分坡陡脊窄、山谷呈“V”字形的中低山陡坡地區(qū)的風(fēng)化殼呈裸腳式分布，風(fēng)化殼厚度較全覆式風(fēng)化殼薄。

該地區(qū)風(fēng)化殼由腐植層、粘土層、全風(fēng)化層、半風(fēng)化層、弱風(fēng)化層（基巖）組成，多具有明顯的分層界線。

腐植層：呈黑色、灰褐色，含有植物根系和有機(jī)質(zhì)。主要由粘土礦物和石英顆粒組成，粘土礦物含量達(dá)70%～90%，厚度一般0m～0.5m。由于植物根系、落葉等腐敗形成大量的有機(jī)酸可以促使稀土元素從花崗巖溶出并在風(fēng)化殼中遷移，有機(jī)酸在地下水作用下下滲，是促使稀土元素從風(fēng)化礦物中析出并被粘土礦物吸附所必備的pH條件。

粘土層（B層）：呈土黃色、紅棕色，含有少量植物根系。主要由粘土礦物、石英顆粒組成，結(jié)構(gòu)疏松，粘土礦物達(dá)50%～60%，厚度一般0m～2m。該層由于含有大量的Fe(OH)3膠體而呈紅色，降低了粘土對稀土元素的吸附和交換能力;另一方面由于該層結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致部分稀土離子介質(zhì)由水流作用一起下滲到全風(fēng)化層或隨地表徑流轉(zhuǎn)移。

全風(fēng)化層（C層）：呈灰黃色、淺肉紅色，局部因含鐵而呈紫紅色。主要由粘土礦物、石英、少量云母組成，粘性差，易松散。厚度一般2m～10m，最后可達(dá)30m。是礦體的有利賦礦層位，含量較高的稀土陽離子在此層有充分的時間在較適宜的介質(zhì)環(huán)境中被粘土礦物組分所吸附。

表1 主要氧化物q值表 單位（大卡/克）

表2 工作區(qū)巖體基巖-風(fēng)化殼化學(xué)成分一覽表

半風(fēng)化層（D層）：呈灰白色、淺肉紅色，基本保留基巖的顏色和結(jié)構(gòu)，易風(fēng)化礦物原地風(fēng)化，難風(fēng)化礦物未風(fēng)化[3]，主要由未完全風(fēng)化長石及粘土礦物、片狀黑云母組成，厚度一般2m～6m。半風(fēng)化層上部也可以形成稀土元素富集體，下部主要為裂隙發(fā)育帶。

弱風(fēng)化層（E層）：即基巖、含礦母巖，巖石結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬，各種礦物均只遭受微弱的風(fēng)化。

2.2 地貌形成環(huán)境分析

2.2.1 地質(zhì)發(fā)展簡史

工作區(qū)經(jīng)歷了地槽、地臺、地臺活化三大發(fā)展階段。震旦—寒武紀(jì)地槽沉積，沉積了一套巨厚的深海濁流沉積，具地槽型復(fù)理石建造；加里東運(yùn)動后地臺發(fā)展階段，地殼整體下降，多次震蕩，印支期運(yùn)動結(jié)束了本區(qū)的海侵歷史，使本區(qū)再次隆起上升為陸；燕山早期，本區(qū)進(jìn)入地臺活化發(fā)展階段，地殼持續(xù)上升，處于剝蝕狀態(tài)至早白堊世，巖漿活動也達(dá)到鼎盛時期，形成了砂子嶺、西山、金雞嶺等巖體及眾多細(xì)粒花崗巖脈。進(jìn)入第四紀(jì)以來，該區(qū)以風(fēng)化剝蝕作用為主，沉積作用為輔，僅在河流中、下游、山麓邊緣地帶有洪—沖積物和殘積的砂、礫、砂泥層及粘土層，地殼的多次振蕩抬升，使區(qū)內(nèi)河流形成2～3及階地。

2.2.2 差異風(fēng)化剝蝕對地貌的控制

巖漿在結(jié)晶成為巖漿巖時隨著溫壓降低、化學(xué)組分的不斷變化，釋放出很大的能量，反之當(dāng)巖漿巖受到破壞、風(fēng)化或分解時，也必須施加給它同樣大的能量。因此，巖漿巖的巖石能量是衡量巖漿巖抵抗風(fēng)化剝蝕作用重要的因素之一，即巖石能量越大，礦物或巖石抗風(fēng)化 的能力越強(qiáng)，反之則越弱[4]。

洪慶玉[5](1992)在晶體化學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上,提出了利用巖石化學(xué)分析所得的氧化物百分含量計(jì)算巖石能量的新原理和方法，即：

U=q×μ

式中：U為巖石能量；q為巖石能量系數(shù)；μ為巖石的摩爾量，而：

式中：q巖石為所求巖石的能量系數(shù)；qsio2為SiO2及其他氧化物的能量系數(shù)（表1）；Ksio2為SiO2及其他氧化物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)[6]。

應(yīng)用上述方法，本文計(jì)算了金雞嶺巖體與砂子嶺巖體基巖以及風(fēng)化殼的巖石能量(表 2)。由此表可以看出，砂子嶺巖體到金雞嶺巖體基巖平均巖石能量系數(shù) q巖石從43.1大卡/克遞增到 45.16大卡/克，平均巖石能量從3005.9大卡/克分子增加到3036.5大卡/克分子。風(fēng)化殼中平均巖石能量系數(shù) q巖石從43.04大卡/克遞增到 45.89大卡/克，平均巖石能量從3028.5大卡/克分子增加到 3069.1大卡/克分子。

若將能量守恒定律應(yīng)用到巖漿巖在地表?xiàng)l件下所遭受的風(fēng)化上，則可看出巖石的能量不僅可作為巖石結(jié)晶放出能量的度量，同時它也是巖石抗風(fēng)化剝蝕能力的度量。因此，對比印支期金雞嶺巖體與燕山砂子嶺巖體，巖石能量逐步加大，其抗風(fēng)化剝蝕能力也逐步加強(qiáng) 。從而構(gòu)成了該區(qū)巖體中央晚期金雞嶺巖體地勢高而四周早期砂子嶺巖體地勢低的地貌特征。

2.2.3 差異風(fēng)化剝蝕作用對風(fēng)化殼的控制

由于差異風(fēng)化剝蝕機(jī)制的作用，金雞嶺巖體東部風(fēng)化深度5—30m，金雞嶺巖體中部、南部風(fēng)化深度3—22m，砂子嶺巖體風(fēng)化深度6—35m。根據(jù)對礦區(qū)已施工的495個淺井進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，砂子嶺巖體風(fēng)化殼平均厚度要大于金雞嶺巖體風(fēng)化殼平均厚度約4m。礦區(qū)巖體中央高四周低的地貌特征以及放射性的河流系將稀土離子運(yùn)移至巖體東部地勢較低坡度較緩的大坪地區(qū)形成大型的離子吸附型稀土礦床。

3 結(jié)論

（1）從印支期的砂子嶺巖體到燕山期的金雞嶺巖體基巖和風(fēng)化殼平均巖石能量系數(shù)均逐步遞增。

（2）從印支期砂子嶺巖體到燕山期金雞嶺巖體巖石能量越來越大，其抗風(fēng)化剝蝕能力也越強(qiáng)。砂子嶺巖體風(fēng)化殼平均厚度要大于金雞嶺巖體風(fēng)化殼平均厚度約4m。

（3）礦區(qū)巖體中央高四周低的地貌特征以及放射性的河流系將稀土離子運(yùn)移至巖體東部地勢較低坡度較緩的大坪地區(qū)形成大型的離子吸附型稀土礦床。