河南省嵩箕鋁土礦帶稀土元素地球化學特征及其意義

徐偉，蔣麗，蔣芹，張燕贊

(1.河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院, 河南 鄭州 450006; 2.河南省天空地遙感智能監測工程技術研究中心, 河南 鄭州 450006; 3.河南省有色金屬地質礦產局第四地質大隊, 河南 鄭州 450016)

0 引言

河南省是我國重要的鋁土礦資源產地，按產出集中分布地域共劃分為四個成礦帶，即陜縣—澠池—新安成礦帶、嵩箕成礦帶、魯山—臨汝—寶豐成礦帶和修武—濟源成礦帶(朱東暉等，2012)，前兩者帶內已查明的鋁土礦資源儲量規模都達數億噸之上。

近年來，隨著鋁土礦勘查程度的不斷提高，對鋁土礦的綜合研究工作也逐步深入，在鋁土礦稀土元素地球化學特征和鋁土礦的成礦物質來源研究方面取得了大批新的研究成果(焦贊超等，2014；王秀全和趙彥巧，2015；溫靜靜等，2016；李建全等，2017；涂恩照，2018；蔣芹等，2020)。這些成果表明，不同成礦帶內的鋁土礦稀土元素具有不同的地球化學特征，反映出各區帶成礦物質來源不完全相同。鋁土礦中鋯石同位素年齡測定的研究也表明，其中的鋯石大部分為巖漿鋯石，不同類型鋯石的年齡跨度相當大，從太古代到早古生代都有分布，也同樣反映出成礦物質來源的多源性和復雜性(李建全等，2017；曹高社等，2018)。

嵩箕鋁土礦成礦帶位于河南省中部，地理坐標范圍為東經112°06′～113°30′，北緯34°05′～34°45′(圖1a)。區內過去對鋁土礦稀土元素地球化學特征的研究多是以單個礦區為研究對象，對整個成礦帶內不同礦區的異同特征缺乏規律性、系統性的認識。本文根據河南省禹州煤田煤下鋁(黏)土礦普查項目的勘查與科研成果，結合其他研究者對偃龍、宜陽兩礦區的研究資料，通過研究嵩箕成礦帶不同地段代表性礦區的稀土元素地球化學特征，主要對比了各研究區稀土元素的配分模式和特征參數，分析了各礦區成礦物質來源的差異，對于進一步研究鋁土礦成因具有指導意義。

圖1 河南省嵩箕鋁土礦帶大地構造位置圖(a)及地質略圖(b)

1 嵩箕地區鋁土礦地質特征

嵩箕鋁土礦帶內各礦床基本是圍繞嵩山—箕山隆起分布，礦帶東西長約130 km，南北寬約50 km。本次研究的偃龍礦區處在礦帶的北部，沿嵩山以北的偃師—洛陽龍門一帶分布，宜陽礦區位于礦帶的西部，禹州礦區處在嵩山以南，禹州市西北部。

該成礦帶內地層屬華北地層區豫西分區嵩箕小區，區內分布的地層有：太古界登封群，元古界嵩山群、汝陽群，古生界寒武系、奧陶系中統、石炭系上統及二疊系，新生界古近系、新近系和第四系，局部分布有中生界三疊系。區內構造以斷裂構造為主，由于經受多期構造變動，斷裂構造系統復雜，以北西向、北東向和近東西向三組斷裂最為發育。區內的巖漿巖分布面積不廣，在嵩山地區的登封西部分布有元古代中條期花崗巖(圖1b)。

鋁土礦含礦地層為石炭系上統本溪組，含礦巖系自下而上大致劃分為三個巖性層，下部為鐵質黏土巖層，該層局部含較多黃鐵礦、菱鐵礦，當礦體至淺部時，黃鐵礦氧化為褐鐵礦，為“山西式”鐵礦的含礦層位；中部為鋁土礦層，屬華北沉積型(G層)鋁土礦(傅英祺和楊季楷，1987)，該層局部可相變為鋁質黏土巖，局部有薄煤層(古占煤)；上部為黏土巖，局部夾煤線。各巖性層呈漸變過渡，分層界線不明顯，局部有缺失某巖性層的現象。

鋁土礦發育在寒武系或奧陶系碳酸鹽巖的巖溶地貌上，成礦帶大部分礦層基底為寒武系，南部邊緣地區和宜陽礦區基底為奧陶系中統。在嵩山以北的偃師—龍門和滎陽—鞏義地區鋁土礦體主要呈層狀、似層狀，局部呈溶斗狀、透鏡狀(代耕等，2019；姬果等，2021)，嵩山以南的登封—禹州地區礦體多呈窩狀、溶斗狀，層狀礦體較少見。礦體厚度各礦區差別較大，變化范圍為0.5～57.95 m。厚度變化的特點是，嵩山以北的礦區礦體厚度普遍較嵩山以南者大，就單個礦體來說，礦體中心比礦體邊緣厚度大(付治國等，2009；朱東暉等，2012；李建全等，2016；金磊等，2021)。礦體厚度主要受古巖溶地形影響，在巖溶凹斗內形成的礦體較凹斗外的厚度明顯變大。

2 鋁土礦中稀土元素地球化學特征

本次研究選擇了嵩箕成礦帶中不同地段的三個代表性鋁土礦床，樣品均采自鋁土礦層，不涉及礦體的頂、底板巖石。偃龍和禹州礦區的樣品采自不同的鉆孔巖芯或礦體露頭，宜陽礦區樣品為基本分析的副樣，按單個鉆孔由不同數量的副樣組合成一個樣品。

偃龍礦區和宜陽礦區的樣品測試數據均引自其他資料；禹州礦區的樣品數據為自測，樣品中稀土元素的分析方法為電感耦合等離子質譜法(ICP-MS)。禹州礦區的樣品測試結果已由其他研究者發表過一部分(涂恩照，2018；蔣芹等，2020)，為便于對照分析，仍將這部分數據一并列出(表1)。

表1 鋁土礦樣品稀土元素分析結果表

對樣品分析結果數據標準化中所用的球粒隕石數據為Boynton(1984)球粒隕石平均值，稀土元素主要特征參數見表2，ΣREE中包括有Y。

續表1

表2 鋁土礦稀土元素主要特征參數表

數據表明(表1、表2)，三個礦區單個樣品的各種參數變化范圍都較大，但平均值較接近。在各礦區樣品平均值的稀土元素配分模式圖上(圖2)，三條曲線都呈右傾的輕稀土富集型，稀土元素以輕稀土為主。各礦區的曲線在重稀土段近于平行，有兩條幾乎重疊在一起，在輕稀土段有所發散，這說明輕稀土分異較明顯，而重稀土沒有明顯分異。

圖2 鋁土礦稀土元素配分模式圖

各礦區稀土元素都有明顯的Ce正異常和弱的Eu負異常。

3 稀土元素特征的地質認識

稀土元素因具有較穩定的化學性質，在中—低級變質程度以下基本不發生遷移，水巖作用不明顯的情況下，其配分模式基本保持不變(王中剛等，1989)。鋁土礦的成礦過程經過了成礦源巖的風化、搬運和沉積，但都在低溫條件進行，沒有發生明顯的變質作用，因此稀土元素可應用于進行鋁土礦成礦物質來源的示蹤。

一個鋁土礦成礦帶延展數十甚至上百公里，成礦物質源區不可能完全相同。研究鋁土礦中稀土元素的地球化學特征，可以揭示同一成礦帶內的不同礦床成礦物質是否具有統一來源，不同來源形成的礦床必然有不同的稀土元素特征。

3.1 宜陽鋁土礦的成礦帶歸屬

一個成礦帶不僅是多個礦床在地理位置上的相近和集中，而且其成礦地質作用和成礦環境也基本相同，地球化學特征相近。嵩箕鋁土礦成礦帶在地理位置上，礦床都圍繞嵩箕古陸分布，宜陽鋁土礦區位置比較特殊，該礦區位于陜縣—澠池—新安成礦帶和嵩箕成礦帶的中間，與二者距離都較遠，但相對離陜縣—澠池—新安成礦帶更近。過去沒有明確把宜陽鋁土礦區劃歸到哪一個成礦帶中，也沒有單獨劃為一個成礦帶。從宜陽與偃龍、禹州鋁土礦的稀土元素地球化學特征看，三個礦區的ΣREE相近，稀土元素配分模式基本相同，這反映出它們在成因方面具有聯系，說明至少有部分成礦物質是同源的，這是一種區域性地球化學特征的規律性表現。三者ΣREE基本相同，而都與陜縣—澠池—新安成礦帶鋁土礦的ΣREE平均值(>600×10-6)(王燕茹等，2012；王喜亮，2016)有明顯差別。在La/Yb-ΣREE圖解(圖3)中可以看出，宜陽鋁土礦單個樣品的散點分布范圍與偃龍礦區非常一致，在獨立的沉積巖和鈣質泥巖區都沒有樣品分布，這一點也與陜縣—澠池—新安成礦帶的一些礦床的樣品在沉積巖和鈣質泥巖區有大量分布也明顯不同。在La/Yb-ΣREE圖解中還可以看出，三個礦區樣品的La/Yb與ΣREE具有明顯的正相關性，偃龍、宜陽和禹州三個礦區的相關系數分別為0.73、0.87、0.81，筆者在其它研究中統計的陜縣—澠池—新安成礦帶中曹窯礦區49件樣品的相關系數為0.59，正相關性不如本研究區強。

圖3 嵩箕成礦帶鋁土礦La/Yb-ΣREE圖解(底圖據Allegre and Minster,1978)

經上述分析認為，宜陽鋁土礦區的稀土元素多種特征與嵩箕成礦帶的其它礦床相近，而與陜縣—澠池—新安成礦帶的鋁土礦差別明顯，雖然它距嵩箕成礦帶礦床集中區較遠，但其成礦物質來源與嵩箕成礦帶其它礦床具有同源特征，仍應屬嵩箕成礦帶的組成部分。

3.2 鋁土礦成礦物質來源分析

對于華北沉積型鋁土礦的物質來源，以往主要有基底碳酸鹽巖來源、古陸鋁硅酸鹽巖來源和多來源三種觀點，至今也沒有統一認識。本文從稀土元素地球化學特征的視點來探討嵩箕成礦帶鋁土礦成礦物質的來源特點，主要從以下兩方面進行分析。

(1)La/Yb-ΣREE圖解分析：稀土元素的La/Yb-ΣREE圖解在進行變質巖研究時可用于中、低級變質巖的原巖恢復，在進行沉積巖的研究時則可用于分析沉積物的來源(王中剛等，1989；楊守業和李從先，1999)。圖3表明，三個研究礦區的樣品投影分布區域呈現幾個特點：

①樣品主要分布于花崗巖、堿性玄武巖—大陸拉斑玄武巖區，或分布于花崗巖、玄武巖和沉積巖的兩兩重疊區及三者重疊區；

②在沉積巖和鈣質泥巖獨立區域幾乎沒有樣品分布；

③在禹州礦區的樣品主要分布于花崗巖與堿性玄武巖的重疊區，分布范圍明顯比偃龍和宜陽礦區小。

對于這種現象筆者認為，嵩箕地區鋁土礦的成礦物質主要來源于花崗巖和玄武質鋁硅酸鹽巖，來自基底碳酸鹽巖的比例較少。禹州礦區的樣品分布較集中，表明成礦物質來源較單一；偃龍和宜陽兩礦區樣品分布較廣，表明其物質來源更豐富。由此看出，同一成礦帶的不同礦區鋁土礦成礦物質來源并不完全相同，反映出作為物源區的古風化殼由多種巖性同時遭受風化而成，既有鋁硅酸鹽巖，也有含鋁質黏土礦物的碳酸鹽巖，研究區內應以前者為主。不同巖性形成的古風化殼在鋁土礦成礦過程中不會均勻地沉積到每一個成礦地點，不同的礦區會以某種物源占主導。

(2)ΣREE分布直方圖分析：根據地球化學理論，一種巖石或礦物中，某種元素的含量呈正態分布或對數正態分布，常量元素多呈正態分布，而微量元素則多呈對數正態分布(楊小峰等，2007)，對稀土元素而言這方面的資料較少，本次研究中作了嘗試性統計。地質成礦理論也表明，同一成礦或巖漿作用形成的礦物或巖石，一種元素含量的分布頻率一般只有一個明顯的峰值，若有多個峰值則表明是這種巖石或礦物經歷了多次地質作用，或是多種巖石經過混合的產物。

鋁土礦作為一種沉積礦產，在沉積過程中會有不同巖石風化物的不同比例混合。在宜陽礦區，以30件樣品的ΣREE值作為統計對象，在ΣREE分布直方圖(圖4)中可看出，ΣREE在150×10-6～350×10-6和550×10-6～600×10-6兩個區間的分布較集中，分布樣品數分別為15件和5件，明顯多于其它區間。由于鋁土礦是由各種含鋁質的原巖經紅土或鈣紅土化作用，再經成礦作用的產物，如果成礦原巖僅為單一的巖性，在直方圖中ΣREE分布頻數較高的區間僅會有一個，而該礦區鋁土礦中的ΣREE分布頻數在兩個區間較高，說明鋁土礦的成礦物質來源具有多源性，這與La/Yb-ΣREE圖解的分析結果一致。

圖4 宜陽鋁土礦ΣREE分布直方圖

3.3 成礦物質來源對礦體規模的影響

一個礦體形成規模和厚度的大小由多種地質因素決定，但對于沉積礦產而言，成礦時期成礦物質來源的豐富程度無疑是重要的，沒有豐富的物質供給不可能形成大規模礦體。前已述及，嵩箕成礦帶嵩山以北的鋁土礦體規模和厚度要明顯大于嵩山以南的礦體，這一點除與古地形地貌有關外，還應與成礦時成礦物質供應的多少有關。

從圖3中可看出，登封東南部至禹州地區的鋁土礦區樣品的分布范圍比偃龍和宜陽鋁土礦要小得多，這說明成礦物質來源不如后兩者廣泛。由于成礦物質來源單一，供應不足，有限的成礦物質在成礦初期的凹地填平作用中，首先沉積于巖溶凹地內形成礦體，填平作用后期因沒有足夠的成礦物質，形成的層狀礦體很少見。成礦物質的缺少，形成的礦體也就規模小、厚度薄。因此，禹州礦區內礦體規模一般僅幾十至幾百米，上千米者較少。

4 結論

通過上述對嵩箕成礦帶三個鋁土礦區稀土元素地球化學特征的分析研究，總結出以下幾點結論。

(1)嵩箕成礦帶鋁土礦中的稀土元素以輕稀土為主，輕、重稀土分異明顯，輕稀土間有一定分異，而重稀土間分異不明顯。稀土總量分布較勻，含量在350×10-6～450×10-6。

(2)不同礦區成礦物質來源有所不同，礦帶南部成礦物質來源較單一，而北部更具多源特點。成礦物質的原巖以鋁硅酸鹽巖為主，基底碳酸鹽巖次之。

(3)在成礦時，成礦物質的供應是否充分對鋁土礦體的形成規模和厚度有重要影響，成礦帶北部成礦物質來源廣，形成的礦體規模、厚度都相對較大，南部成礦物質來源少，形成的礦體規模小、厚度薄。

注 釋

① 河南省有色金屬地質礦產局第四地質大隊. 2015. 河南省禹州煤田煤下鋁(粘)土礦普查報告[R]. 鄭州: 河南省有色金屬地質礦產局第四地質大隊.

② 河南省有色金屬地質礦產局第三地質大隊. 2015. 河南省宜陽縣煤下鋁(粘)土礦普查報告[R]. 鄭州: 河南省有色金屬地質礦產局第三地質大隊, 64-67.