趙軍，張尚清，鐘莊華，郭英豪

（山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中 030620）

山西省興縣趙家焉鋁土礦硫分布特征及成礦環(huán)境研究

趙軍，張尚清，鐘莊華，郭英豪

（山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中 030620）

硫含量對氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)有直接影響，以往的山西省鋁土礦床多為低硫礦床。趙家焉鋁土礦是近年新獲的大型鋁土礦床，鋁土礦礦床整體上屬高硫型礦床。在趙家焉鋁土礦詳查-勘探階段基本分析中增加了S元素，試驗(yàn)分析表明區(qū)內(nèi)鋁土礦巖石組合同時(shí)存在A、B兩個(gè)成礦序列，且與硫含量分布有著直接關(guān)系。通過對鋁土礦中K、Na含量比分析和S分布特征與沉積環(huán)境分析，認(rèn)為趙家焉鋁土礦的成礦環(huán)境屬于濱海瀉湖-還原相沉積環(huán)境，山西式鐵礦是深部黃鐵礦近地表處后期改造的產(chǎn)物。

鋁土礦、硫分布特征、成礦環(huán)境、興縣趙家焉

鋁土礦是工業(yè)上提煉鋁的主要原料，按礦石中硫的含量將鋁土礦分為高、中、低硫型鋁土礦，高硫型鋁土礦主要分布于我國西南地區(qū)。山西省已探明的鋁土礦礦床大多為低硫型，因此對高硫型鋁土礦床研究程度較低[1,2]。

山西省興縣趙家焉鋁土礦埋藏較深，最大埋藏843m，是山西省內(nèi)埋藏最深的鋁土礦勘查區(qū)，以高硫型鋁土礦為主。2006—2008年，山西省第三地質(zhì)工程勘察院在該區(qū)北部的黃輝頭礦區(qū)進(jìn)行勘查時(shí)，發(fā)現(xiàn)了較好的鋁土礦，推測本區(qū)具有良好的找礦前景[3]。2009—2013年，中國鋁業(yè)股份有限公司出資，委托山西省第三地質(zhì)工程勘察院對趙家焉鋁土礦進(jìn)行了勘查，經(jīng)普查、詳查到勘探工作，共投入鉆探工作量10.32萬米，最終提交鋁土礦資源量3 407.77萬噸，煤炭資源量12 738萬噸，查明鋁土礦礦床整體上屬高硫型礦床[4]。在礦區(qū)普查階段發(fā)現(xiàn)深部鉆孔的礦石芯中團(tuán)塊狀黃鐵礦較多，因此在詳查-勘探階段的基本化學(xué)分析中增加了S元素。本文據(jù)近年來對該地區(qū)系統(tǒng)的野外地質(zhì)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，集中討論分析了礦床成礦地質(zhì)特征、硫分布特征及成礦環(huán)境，為山西省深部找鋁土礦提供參考。

1 區(qū)域成礦地質(zhì)背景

趙家焉礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于華北陸塊的四級構(gòu)造單元——石樓南北向塊凹，該塊凹分布在山西省西部邊緣的黃河?xùn)|側(cè)，而興縣一帶鋁土礦就產(chǎn)生于該地塊的內(nèi)部。本區(qū)區(qū)域構(gòu)造方向總體為向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角5～15°，斷層不發(fā)育。區(qū)域出露地層主要有奧陶系峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組、和尚溝組、二馬營組，新近系上新統(tǒng)，第四系上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)地層。區(qū)域內(nèi)未見巖漿巖出露（圖1）。

區(qū)域礦產(chǎn)以鋁土礦和煤為主。鋁土礦含礦巖系從保德縣至興縣呈近南北分布，并在地表斷續(xù)出露。區(qū)內(nèi)包括保德縣天橋、墕則村、郭偏梁-雷家峁，興縣范家疃、魏家灘、蘇家吉、楊家溝、黃輝頭、趙家焉、賀家圪臺(tái)、車家莊、后發(fā)達(dá)、奧家灣13個(gè)鋁土礦礦區(qū)（其中興縣蘇家吉、黃輝頭、趙家焉、賀家圪臺(tái)、奧家灣5個(gè)礦區(qū)達(dá)到勘探程度），累計(jì)探明鋁土礦資源量4.2 億噸，其中332 及以上鋁土礦資源量1.3 億噸。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 礦區(qū)地質(zhì)

礦區(qū)大部分被第四系、新近系的黃土、紅土覆蓋，約占礦區(qū)面積的98%,僅在溝谷中有少量基巖出露。區(qū)內(nèi)地層由老到新有奧陶系上馬家溝組、峰峰組；石炭系本溪組、太原組；二疊系山西組、下石盒子組，上石盒子組、石千峰組；新近系上新統(tǒng)；第四系上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)地層。

圖1 趙家焉鋁土礦地質(zhì)簡圖Fig.1 Geologicalmap of zhaojiayanbauxite deposit

礦區(qū)位于石樓南北向塊凹的北段東側(cè)，構(gòu)造線方向與區(qū)域基本一致，總體為一走向南北，傾向270°的單斜構(gòu)造，傾角5～15°，區(qū)內(nèi)未見斷層及褶皺，礦區(qū)構(gòu)造總體簡單。

2.2 礦體特征

經(jīng)勘查，礦區(qū)內(nèi)圈定一個(gè)鋁土礦體，南北長約2.6km，東西寬約2.2km。其中鋁土礦資源量估算面積5.08km2，沉積無礦天窗16處，面積1.32km2，含礦面積約占總體面積的79.4%。在292個(gè)控制礦體的工程中39個(gè)工程含有夾石，夾石工程率為13.36%。礦體平面形態(tài)較規(guī)則，礦體邊界略有彎曲，無礦區(qū)呈港灣狀的形態(tài)延伸到礦體內(nèi)部，但延伸長度最高不超過礦體長度的30%，邊界模數(shù)為0.71[5]。礦體剖面上呈層狀產(chǎn)出。礦體傾向270°左右，傾角平緩穩(wěn)定，一般13°左右。

鋁土礦體賦存形態(tài)隨著基底奧陶系灰?guī)r古風(fēng)化侵蝕面而一定起伏變化，這是由于其古風(fēng)化侵蝕面上喀斯特地貌并不發(fā)育，同時(shí)沉積分異作用使得酸性溶液中Fe2+，以含鐵較多的巖類對奧陶系碳酸鹽基底進(jìn)行了一定程度上的補(bǔ)償填平作用，但仍影響礦體形態(tài)和厚度變化。

礦體厚度為0.80～10.11m，平均2.38m，變化系數(shù)56.90%。礦體厚度頻率直方圖呈多峰狀，變化區(qū)域范圍較寬，礦體厚度中等且較穩(wěn)定。礦石品位Al2O3含量為40.13%～79.20%，平均61.22%，變化系數(shù)為15.81%，頻率直方圖呈單峰狀，Al2O3的含量較高且穩(wěn)定（圖2、圖3）。

2.3 礦石質(zhì)量

趙家焉鋁土礦礦石主要由20多種礦物組成，主要礦物為一水硬鋁石、高嶺石，次要礦物有黃鐵礦、褐鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦，微量礦物有電氣石、伊利石、綠泥石、方解石，重礦物有銳鈦礦、金紅石、鋯石等[6]。礦石的結(jié)構(gòu)大致分為四種類型，即半粗糙狀、致密狀、碎屑狀、粗糙狀，其中以半粗糙狀結(jié)構(gòu)居多。碎屑結(jié)構(gòu)中物質(zhì)組成較為復(fù)雜，表明成巖物質(zhì)經(jīng)過了短距離的搬運(yùn)而來。構(gòu)造相對簡單，為塊狀構(gòu)造[7]。

礦石化學(xué)成分主要為Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2四項(xiàng)，四項(xiàng)之和為64.62%～92.84%，平均81.31%。Al2O3在含礦層頂部含量較低，向下逐步升高，在鋁土礦層Al2O3含量達(dá)到峰值，再向下又逐步減少；SiO2含量的變化一般隨Al2O3含量的變化呈相反變化，呈現(xiàn)高-低-高的規(guī)律，Al2O3與SiO2呈顯著負(fù)相關(guān)。Fe2O3主要賦存于含礦巖系下部，常形成山西式鐵礦、鐵質(zhì)粘土巖，中部偏低，向上略有減少的趨勢[8]?？傊?，在垂向上礦層底部含F(xiàn)e高，中上部Al高，頂部Si高。橫向上化學(xué)成分變化不明顯（圖4）。礦區(qū)Fe2O3含量0.72%～40.19%，平均9.08%；礦區(qū)S含量0.01%～19.14%，平均1.59%。

2.4 礦石類型及品級

礦床礦石工業(yè)類型屬高硫中鐵型鋁土礦。根據(jù)全區(qū)加權(quán)平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果，Al2O3：61.21%,A/S值8.65，礦石工業(yè)品級整體上屬于Ⅴ級品。

3 樣品來源及測試分析

硫含量對鋁土礦礦石有直接影響，以往的山西省鋁土礦床多為低硫礦床。在興縣趙家焉鋁土礦中團(tuán)塊狀黃鐵礦較多，在詳查、勘探階段時(shí)針對S元素增加了基本分析項(xiàng)目[9]。本次增加S元素分析測試樣品來源于趙家焉礦區(qū)鉆孔中采集的200個(gè)樣品。將礦石樣品粗碎、過篩（5目以下），中碎、過篩樣品（18目以下），然后細(xì)碎、研磨至200 目以下，送山西省三水分析測試中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測試。

測試結(jié)果表明，樣品S含量0.01%～19.14%，平均1.59%。單工程S含硫0.02%～13.08%，平均1.80%，變化系數(shù)為111.38%，頻率曲線呈偏峰狀，頻率變動(dòng)域較寬，說明礦石中S含量較高且不穩(wěn)定（圖5、表1）。

圖2 鋁土礦厚度頻率直方圖Fig.2 Frequency histogram of thickness in the bauxite deposit

圖3 鋁土礦Al2O3含量頻率直方圖Fig.3 Frequency histogram of Al2O3content in the bauxite deposit

圖4 鋁土礦化學(xué)組分相關(guān)圖Fig.4 Correlation of chemical composition of the bauxite deposit

圖5 鋁土礦S含量頻率直方圖Fig.5 Frequency histogram of sulfur content in the bauxite deposit

表1 鋁土礦S含量頻率統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Frequency statistics of sulfur content in the bauxite deposit

4 成礦序列與成礦環(huán)境

4.1 成礦序列與硫的分布關(guān)系

本區(qū)鋁土礦有2個(gè)成礦序列:礦區(qū)東部為A序列（山西式鐵礦或含低硫的鐵質(zhì)粘土巖-鋁土礦-耐火粘土礦的巖礦石組合，含礦層顏色基本為灰色、灰白色、褐紅色）；礦區(qū)中部、西部為B序列（硫鐵礦或者含硫鐵質(zhì)粘土巖-鋁土礦-粘土巖的巖礦石組合，含礦層顏色基本為灰色、灰白色）[10]。

礦區(qū)內(nèi)S含量總體上分布為東低西高。依據(jù)礦石硫含量的不同[9]，大致分為高硫區(qū)、中硫區(qū)、低硫區(qū)（圖6）。低硫區(qū)的巖石組合與A序列相符，中-高硫區(qū)的巖石組合與B序列相符。圖中縱向上24號(hào)孔以東區(qū)域礦石為低硫區(qū)礦石，縱向上24號(hào)孔至縱向上28號(hào)孔區(qū)域礦石為中硫區(qū)礦石，縱向上28號(hào)孔以西區(qū)域礦石為高硫區(qū)礦石。其中低硫礦石分布面積約占鐵鋁巖組總面積的6.86%，資源量所占比例為10.33%；中硫礦石分布面積約占鐵鋁巖組總面積的3.37%，資源量所占比例為4.40%；高硫礦石分布面積約占鐵鋁巖組總面積的89.77%，資源量所占比例為85.26%。

4.2 成礦環(huán)境

就山西地塊而言，中奧陶世下馬家溝組早期為臺(tái)地開闊海，晚期為臺(tái)地潮坪；上馬家溝組早期再次轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)地開闊海，晚期為潮間沉積；峰峰組早期為一片浩瀚的開闊海。由于山西地塊缺失中奧陶統(tǒng)峰峰組之后的沉積記錄。自那時(shí)起，海水全部退出，整體上升成陸，造成之后長達(dá)三個(gè)紀(jì)（晚奧陶、志留紀(jì)和早石炭紀(jì)）的沉積缺失，但不同區(qū)段缺失程度不同，而且很有規(guī)律，這種規(guī)律根據(jù)廣布于區(qū)內(nèi)鐵鋁巖段的壓蓋關(guān)系，南北端缺失較多，中部缺失較少，反映了南北兩端相對較高，中部相對較低的古剝蝕格局[10]。

圖6 趙家焉礦區(qū)成礦序列與硫類型關(guān)系圖Fig.6 Relationship betweenmetallogenic series and sulfur type in Zhaojiayan bauxite deposit

本區(qū)鋁土礦賦存于奧陶系碳酸鹽巖古風(fēng)化殼之上的石炭系本溪組鐵鋁巖系之中，處于鄂爾多斯斷塊中，直距呂梁隆起40km左右，歸屬于華北地臺(tái)G層鋁土礦[11]。最新研究進(jìn)展顯示華北地臺(tái)G層鋁土礦的形成均與地質(zhì)背景有著密切聯(lián)系[12]。有關(guān)G層鋁土礦沉積環(huán)境探討的文章很多，筆者采用向賢禮對鋁土礦沉積環(huán)境的分析方法[13]。通過K、Na含量比來分析成礦環(huán)境。研究表明：陸相淡水沉積環(huán)境中K的氧化物含量小于Na的氧化物，如廣西平果鋁土礦是屬于第四紀(jì)紅土中堆積型鋁土礦，其中K2O的含量為0.02%，Na2O的含量為0.85%；海相沉積環(huán)境中K的氧化物含量大于Na的氧化物，如河南登封鋁土礦形成于濱海瀉湖相的沉積型鋁土礦，其中K2O的含量為0.78%，Na2O的含量為0.05%。本文統(tǒng)計(jì)了興縣黃輝頭、趙家焉、奧家灣3個(gè)礦區(qū)共55件樣品的元素分析結(jié)果顯示（表2），K2O的平均含量為0.20%，Na2O為0.04%，K2O>Na2O，表明興縣鋁土礦形成于海相沉積環(huán)境。

由前文可知，趙家焉鋁土礦整體上屬高硫型鋁土礦床，硫的分布與其埋深有密切的聯(lián)系。據(jù)李朋威研究資料[14]，形成硫鐵礦的硫源可能有兩種，一種是硫同位素（&34S）變化于-10.89%%～+30.10%%間，來源于海水中的硫酸鹽，經(jīng)還原與Fe2+結(jié)合形成硫鐵礦；另一種是硫同位素（&34S）變化于-0.54%%～+ 9.50%%間，說明它源自沉積物中的有機(jī)質(zhì)，經(jīng)腐爛分解產(chǎn)生H2S氣體，在弱堿性或弱酸性還原條件下，與Fe2+結(jié)合形成硫鐵礦，可能來源于上覆煤系地層。

區(qū)內(nèi)山西式鐵礦與本溪組底部硫鐵礦是同一層位，當(dāng)埋深小于200m時(shí)多為山西式鐵礦，而對于本區(qū)東部硫含量低的原因，筆者認(rèn)為本區(qū)中東部原來的硫鐵礦經(jīng)過后期風(fēng)化改造，脫硫的階段形成山西式鐵礦[15]。理由如下：

（1）區(qū)內(nèi)硫含量分布情況也是隨著埋深的增加而增加，而不是突變性的。

（2）經(jīng)本區(qū)西部的深孔驗(yàn)證，本溪組底部的硫鐵礦保存完整較好。

（3）野外觀察發(fā)現(xiàn)本區(qū)東部的山西式鐵礦石呈現(xiàn)蜂窩狀，主要原因可能是硫鐵礦假象或硫鐵氧化后的殘余形成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具體形成原因需要進(jìn)一步考證[14]。

表2 興縣地區(qū)鋁土礦化學(xué)組分表Tab.2 Chemical composition of the bauxite deposit in Xing country

5 結(jié)論

本區(qū)成礦序列分為A序列、B序列。A序列埋藏較淺，形成低硫中鐵型礦石；B序列埋藏較深，形成中、高硫中鐵型礦石，鋁土礦礦床整體上屬高硫型鋁土礦礦床。

區(qū)內(nèi)成礦環(huán)境為濱海瀉湖相環(huán)境，本溪組底部硫鐵礦與鋁土礦同時(shí)形成于還原條件，在垂向上由于沉積分異作用等使得鋁土礦形成于本溪組底部硫鐵礦之上。

本區(qū)東部山西式鐵礦是深部硫鐵礦近地表處后期改造的產(chǎn)物。

本文對趙家焉鋁土礦區(qū)的成礦地質(zhì)特征、硫分布地質(zhì)特征及成礦環(huán)境的綜合分析，可為今后趙家焉鋁土礦區(qū)高-低硫礦石選礦分類及山西省深部鋁土礦找礦提供參考。

致謝：本文得到了呂文德、崔英軍高級工程師的悉心指導(dǎo)，在此深表謝意。

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Study on the geological characteristics of sulfur element distribution andmetallogenic environment of the Zhaojiayan bauxite deposit in Xing county,Shanxi province

ZHAO Jun,ZHANG Shang-qing,ZHONG Zhuang-hua,GUO Ying-hao
(Shanxi Provinicial Third Institute of Geological Engineering Investigation,Jinzhong Shanxi 030620 ,China)

The sulfur content has a direct impact on the bauxite industry,many bauxite deposits of Shanxi province is low sulfur deposit.The bauxite deposit of Zhaojiayan is a large bauxite deposit discovered in recent years and it belongs to high sulfur deposit on the whole.With the increase of drilling depth,more andmore pyrite appeared in the rock which is drilling in the Zhaojiayan survey.So we increase the basic analysis of S elements in the this work.The experimental analysis shows that the combination of A and B two ore forming sequences exist in the study area and the distribution of sulfur content is directly related to forming sequences.Based on the bauxite in K/Na content analysis and S distribution and sedimentary environment analysis,it is suggested that the Zhaojiayan bauxite ore formingmetallogenic environment belongs to the sedimentary environment of the coastal lagoon-reduction,Shanxi iron deposit is from the product of deep pyrite near ground late reformation.

bauxite；characteristics of sulfur distribution;metallogenic environment;Zhaojiayan area of Xing county

P618.45

A

1672－4135（2016）04－0279-06

2016-05-17

中國鋁業(yè)股份有限公司“山西省興縣趙家焉鋁土礦普查-詳查-勘探項(xiàng)目”

趙軍（1979-），男，工程師，2002年畢業(yè)于長春工程學(xué)院地質(zhì)專業(yè)，主要從事地質(zhì)勘查與研究工作，Email:zhaojun5861@163.com。