馬騰飛

中國(guó)鋁土礦資源豐富，主要產(chǎn)出于華北板塊和華南板塊之上，其中喀斯特型鋁土礦占據(jù)全國(guó)鋁土礦資源量的78%，堆積型鋁土礦占21%，少量為紅土型鋁土礦。鋁土礦是我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)與社會(huì)發(fā)展所需的主要礦產(chǎn)資源，相比礦區(qū)產(chǎn)出的其他資源，市場(chǎng)對(duì)鋁土礦的利用率可以達(dá)到90.0%以上。在對(duì)鋁土礦使用渠道的分析中發(fā)現(xiàn)，電解鋁土礦可將其制作成為金屬鋁，可以認(rèn)為鋁土礦是在國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)與工業(yè)發(fā)展中所給予的貢獻(xiàn)是其他資源無法代替的。針對(duì)山西某鋁土礦區(qū)為實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)一步的描述，開展對(duì)鋁土礦地球化學(xué)特征的全面分析，并以此為依據(jù)，探究其成因。有部分學(xué)者認(rèn)為，山西某地區(qū)的大型鋁土礦的地質(zhì)演化可經(jīng)過三個(gè)時(shí)期，風(fēng)化期、沉積成礦期、成巖期，每個(gè)鋁土礦期次都形成一個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)化序列，因?qū)υ搮^(qū)域鋁土礦床勘查尚處于發(fā)展階段，許多問題有待解決。鑒于近年來對(duì)山西鋁土礦床及周邊地質(zhì)勘查工作加大投入力度，發(fā)現(xiàn)鋁土礦具有良好的資源開發(fā)前景。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

本次研究的礦區(qū)為山西某地區(qū)大型鋁土礦產(chǎn)地，處于地區(qū)東部偏西構(gòu)造帶與新近系隆起地帶交接位置，通過地圖成像與衛(wèi)星定位發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)內(nèi)的成礦構(gòu)造帶較為明顯，整體以貫穿的方式分布，其中東部向西的構(gòu)造帶呈斷續(xù)分布形式，斷裂部分隱匿在區(qū)域構(gòu)造中。在對(duì)此構(gòu)造區(qū)域地質(zhì)狀況進(jìn)行深入分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，此構(gòu)造帶在空間中以斷裂的形式呈現(xiàn)，集中分布在南、北兩側(cè)。其中南部區(qū)域的構(gòu)造帶以斷裂形式為主，基本不存在褶皺，少部分裸露在地表的褶皺呈“寬緩”，十分不明顯，而北部區(qū)域的構(gòu)造帶褶皺較為明顯，不僅發(fā)育十分緊湊，同時(shí)也存在大量的橫沖與向斜現(xiàn)象。在此研究區(qū)段中，背斜部分的構(gòu)造帶穿過礦區(qū)西部，整體長(zhǎng)度約為15.0km，寬度約為7.8km，軸向偏東約30.0°，兩翼地層之間的夾角在10.0°～20.0°之間變化。

此次研究所選的區(qū)域中，鋁土礦位于疊合部位的中-東部，本次勘探對(duì)含礦地層地段進(jìn)行1：2000礦床地質(zhì)填圖，以此種方式，基本查明了礦區(qū)地質(zhì)背景，不同區(qū)段巖層、巖性、構(gòu)造帶、圍巖之間的關(guān)系與明顯成礦特征。對(duì)礦體按200.0m×200.0m的工程間距，布置鉆探工程，基本能掌握并控制鋁土礦在深部的產(chǎn)狀、形態(tài)、礦化特征及延伸情況。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果可知，此區(qū)域內(nèi)賦存的鋁土礦可達(dá)到一類偏復(fù)雜探明資源量工程間距要求。礦體內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量的高嶺石、一水硬鋁石、水云母等，這些礦石主要化學(xué)成分為TiO2、Al2O3、Fe2O3、SiO2。礦體中在垂直向上方向Al2O3含量較多，頂部較低。礦層一般呈渣狀、粗糙狀、氣孔狀，顏色為灰色、白色，只有少量呈灰黑色。淺部鋁土礦體大部分以層狀為主，具有透鏡狀、少數(shù)為漏斗狀。通過研究山西鋁土礦的礦體厚度可以看出，鋁土礦的礦石厚度大約為2m左右，一部分地區(qū)礦體厚度可達(dá)到4m左右。本次研究，基本查明了區(qū)域內(nèi)鋁土礦的產(chǎn)狀、規(guī)模及分布情況。對(duì)賦存在地層中的礦產(chǎn)資源進(jìn)行采樣分析，根據(jù)所得鋁土礦組合成分與不同金屬物質(zhì)在組合礦中品位，掌握了礦石加工技術(shù)性能、礦層及其頂?shù)装宓奈锢砹W(xué)特征等信息，可將查出的結(jié)果作為礦床開采技術(shù)條件。在對(duì)賦存鋁土礦的區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘查時(shí)發(fā)現(xiàn)，大部分礦層中鋁土礦分布相對(duì)較均勻而不具微、薄層理，少部分鋁土礦伴有石英賦存，極少礦體受到地質(zhì)動(dòng)力因素影響，發(fā)生碎裂現(xiàn)象，碎塊的直徑大多＞2.0mm，這些碎塊部分位移比較明顯，多填充后期的方解石和石英。對(duì)其進(jìn)行采樣分析后發(fā)現(xiàn)，鋁土礦在偏光顯微鏡下照片110*2.5倍視域下，橫徑5.07mm透射呈現(xiàn)正交偏光。少量礦石（包括具微、薄層理或不具層理的礦石）內(nèi)部見方解石、石英、綠泥石，各自相對(duì)聚集或共同形成的豆粒、鮞粒、砂屑、礫屑、斑團(tuán)、不規(guī)則條紋等零星分布，部分可見石英石組成細(xì)微的橢圓形、長(zhǎng)條形生物碎屑不均勻地分布。大部分礦體呈細(xì)微或細(xì)小半自形、板狀或梳狀（常與黃鐵礦嵌布在一起），他們或分散或聚集成細(xì)小點(diǎn)狀集合體，多零星且不均勻地散布于礦石中。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果與地質(zhì)勘查結(jié)果數(shù)據(jù)，截至目前，此礦區(qū)已發(fā)現(xiàn)的鋁土礦資源量2405.48萬噸，屬大型礦床，滿足技術(shù)勘查與地質(zhì)找礦要求。目前，該區(qū)域內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鐵礦、煤、粘土礦、鋯礦、重晶石礦、高嶺土礦等多種礦產(chǎn)。

2 鋁土礦地球化學(xué)特征

2.1 主量元素特征

本章將基于地球化學(xué)特征層面，對(duì)鋁土礦中主量元素的含量進(jìn)行分析（以鋁土礦中氧化鋁為例），粘土層1的Al2O3含量為12.45%，粘土層2的Al2O3含量為2.79%，鋁土質(zhì)粘土層1的Al2O3含量為32.87%，鋁土質(zhì)粘土層2的Al2O3含量為33.17%，致密狀鋁土層1的Al2O3含量為48.64%，碎屑狀鋁土層1的Al2O3含量為69.44%，碎屑狀鋁土層2的Al2O3含量為75.72%，致密狀鋁土層2的Al2O3含量為38.61%，致密狀鋁土層3的Al2O3含量為40.17%，鋁土質(zhì)粘土層3的Al2O3含量為23.76%，鐵質(zhì)粘土層的Al2O3含量為16.63%，白云巖層的Al2O3含量為4.22%。

根據(jù)上述內(nèi)容可以看出，不同巖層中金屬鋁物質(zhì)的含量是不同的，除表格中的三氧化二鋁外，土層中還含有大量的二氧化硅、三氧化二鐵、二氧化鈦等礦物質(zhì)，這三種金屬礦物質(zhì)與三氧化二鋁的含量的總量可占礦區(qū)內(nèi)有效資源量的80.0%～90.0%。同時(shí)，區(qū)域內(nèi)也含有一些稀有、稀土、分散元素，這三類礦物質(zhì)的含量很少，一般來說只有鎵元素能達(dá)到邊界品位。其他一些主量元素，包括氧化鉀、氧化鈉等物質(zhì)的含量偏低。對(duì)不同礦層的礦樣進(jìn)行采樣分析后發(fā)現(xiàn)，含金屬鋁物質(zhì)的土層密實(shí)度較高，集中分布在鋁土層，隨著土層的深入，三氧化二鋁的含量呈現(xiàn)一種逐步降低的趨勢(shì)。通過現(xiàn)有的勘查成果與調(diào)研數(shù)據(jù)可知，礦區(qū)內(nèi)鋁土礦的形成伴隨著一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過程，包括礦層沉積物的沉淀、粘土物質(zhì)在動(dòng)力學(xué)作用下的遷移與脫硅、沉積鐵礦在地質(zhì)變化過程中脫硫反應(yīng)，在多種反應(yīng)條件下，地質(zhì)環(huán)境中硅元素與硫元素的含量逐漸降低，這一現(xiàn)象使區(qū)域內(nèi)金屬鋁元素呈現(xiàn)一種富集狀態(tài)。以礦區(qū)內(nèi)二氧化硅-三氧化二鋁、二氧化鈦-三氧化二鋁、三氧化二鐵-三氧化二鋁為例，對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行分析。

經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，鋁土礦主量元素中，三氧化二鋁的含量與二氧化硅、三氧化二鐵呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與二氧化鈦呈正相關(guān)關(guān)系。由此可見，礦區(qū)在成礦中，存在惰性金屬元素，且金屬鋁與金屬鈦的遷移與富集趨勢(shì)具有一致性，鐵元素與硅元素在地質(zhì)活動(dòng)中不斷出現(xiàn)金屬物質(zhì)的流失。綜上所述，可以認(rèn)為鋁土礦在發(fā)生礦化現(xiàn)象時(shí)，是一個(gè)去鐵、除硅、富集鋁的過程。

2.2 微量元素特征

20世紀(jì)80年代以來，對(duì)鋁土礦的成因見解趨于一致，即鋁土礦就屬古風(fēng)化殼型礦產(chǎn)，是基巖紅土、風(fēng)化作用的產(chǎn)物。現(xiàn)國(guó)內(nèi)外相關(guān)地質(zhì)學(xué)家普遍認(rèn)為，對(duì)鋁土礦中的微量元素Ga、Sc、V、Cr、Ni、Co、Cu、Zn及Nb，Ta，Zr、Ti以及稀土元素、放射性元素分析很有意義，因其中大多數(shù)元素可以或可能加以利用。在完成對(duì)鋁土礦主量元素這一化學(xué)特征的分析后，針對(duì)其中含有的微量元素特征進(jìn)行分析。經(jīng)過對(duì)含有鋁巖系的礦石中微量元素進(jìn)行測(cè)定得出，在大部分鋁巖系礦石內(nèi)都含有鋯元素、鍶元素、釩元素、鋰元素等多種金屬微量元素。其中，含量最多的微量元素是鋰元素，其含量基本上能夠保持在3860×10-6%～3950×10-6%范圍內(nèi)，除此之外，鋯元素的含量一般在98×10-6%～968×10-6%范圍內(nèi)；鍶元素的含量一般在25.3×10-6%～1125×10-6%范圍內(nèi)；釩元素的含量一般在28.3×10-6%～426.25×10-6%范圍內(nèi)。除此之外，其他微量元素，例如錫元素、鉛元素等含量相對(duì)較低。

在鋁土系礦石當(dāng)中，一般情況下，鈾元素在鋁土礦中的含量小于5×10-6%時(shí)，將其看作是海相咸水沉積物中的一種類別；當(dāng)元素在鋁土礦中的含量在5×10-6%～20×10-6%范圍內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為其是作為一種半咸水沉積物的形式存在；當(dāng)元素在鋁土礦中的含量超過20×10-6%時(shí)，則說明此時(shí)這一元素作為陸相淡水沉積物的形式存在。在鋁土礦結(jié)構(gòu)當(dāng)中，部分元素的含量還能夠超過50×10-6%，這一現(xiàn)象形成的原因是鋁土礦當(dāng)中有大量穩(wěn)定性礦物質(zhì)大量賦存。同時(shí)，在部分地區(qū)其鋁土礦中釷元素的含量變化在不同區(qū)域上變化較大，因此這種情況下可能存在兩種不同性質(zhì)沉積物共同存在，以某一區(qū)域內(nèi)的鋁土礦為例，其元素的含量在7.26×10-6%～76.25×10-6%范圍內(nèi)不斷變化，此時(shí)說明該鋁土礦所處環(huán)境為半咸水和淡水相結(jié)合的沉積環(huán)境。

為進(jìn)一步探究鋁土礦中各個(gè)微量元素之間的具體關(guān)系，以釷元素和鈾元素為例，通過計(jì)算二者之間的比例，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁土礦成因的進(jìn)一步探究，當(dāng)釷元素與鈾元素含量之比超過7：1時(shí)，則說明這種條件下的鋁土礦可能存在于還原環(huán)境當(dāng)中；當(dāng)釷元素與鈾元素含量之比在2：1～7：1之間時(shí)，則說明這種條件下的鋁土礦可能存在于風(fēng)化作用不徹底或底部沉積混雜的環(huán)境當(dāng)中。除此之外，由于鍶元素和鋇元素對(duì)于海水當(dāng)中的鹽度變化具有極高的敏感性，因此通過明確鍶元素與鋇元素之間比例關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁土礦所處環(huán)境中水中鹽度的描述。具體而言，當(dāng)鍶元素與鋇元素含量之比超過1：1時(shí)，則說明鋁土礦周圍水環(huán)境為海相沉積環(huán)境；當(dāng)鍶元素與鋇元素含量之比小于3：5時(shí)，則說明鋁土礦周圍水環(huán)境為陸相沉積環(huán)境；當(dāng)鍶元素與鋇元素含量之比在3：5～1：1范圍內(nèi)時(shí)，則說明鋁土礦周圍水環(huán)境為海相沉積環(huán)境與陸相沉積環(huán)境的過渡段環(huán)境。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁土礦周圍水體中鹽度變化的準(zhǔn)確描述。陸相沉積環(huán)境下出現(xiàn)的鋁土礦與地質(zhì)沉積相關(guān)，產(chǎn)于超復(fù)在較老碳酸鹽層之上的石灰?guī)r的底層中，也就是產(chǎn)于碳酸鹽層的沉積間斷中。鋁土礦體通常是層狀的，沿走向其厚度和成分都很穩(wěn)定，延長(zhǎng)長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)公里。在陸相沉積環(huán)境影響下鋁土礦物具有豆?fàn)顦?gòu)造。此類礦床規(guī)模較大，儲(chǔ)量可達(dá)數(shù)千萬噸。結(jié)合野外觀察及大量勘查鉆孔柱狀剖面，以及各類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)測(cè)試分析，表明該區(qū)鋁土礦（鐵鋁巖段）主體形成于陸相環(huán)境，局部可能受過海水的影響，但海水影響是次要的，即平陸東部鐵鋁巖段為內(nèi)陸咸化湖泊。

2.3 稀土元素特征

山西省鋁土礦中所含有的稀土元素通常情況下以離子形式吸附在鋁土礦中。很少能見到獨(dú)立的礦物，所以在當(dāng)前地質(zhì)勘查條件下，還不能采用普遍的選礦方法。從稀土金屬元素綜合邊界品位指標(biāo)來看：風(fēng)化殼型鋁土礦邊界品位大于0.07%，工業(yè)品位大于0.1%。進(jìn)一步對(duì)鋁土礦的稀土元素分析結(jié)果表明，鋁土礦稀土元素含量大部分已經(jīng)超過邊界品位，一少部分接近或超過工業(yè)品位數(shù)值。篩選鋁土礦過程中，稀土元素富存于尾礦赤泥、母液中，可進(jìn)行綜合開發(fā)，所以加強(qiáng)對(duì)山西省鋁土礦稀土元素研究可推動(dòng)鋁加工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)鋁土礦綜合利用也將會(huì)有較好的經(jīng)濟(jì)效益。作為具有極其特殊的地球化學(xué)屬性的稀土元素而言，通過對(duì)鋁土礦當(dāng)中稀土元素的特征分析，能夠熟悉對(duì)鋁土礦地球化學(xué)特征的更進(jìn)一步描述，并提供鋁土礦中沉積物的成礦條件和成礦作用的重要依據(jù)。通過對(duì)鋁土礦當(dāng)中稀土元素含量的測(cè)定得出，大部分鋁土礦中稀土元素的含量數(shù)值較高，其數(shù)值具體而言在126.25×10-6%）7256.25×10-6%范圍內(nèi)不等，平均稀土元素含量為1253.25×10-6%。同時(shí)，在鋁土礦當(dāng)中輕質(zhì)量的稀土元素一般含量會(huì)小于重質(zhì)量的稀土元素。當(dāng)二者之間的比例在1.35）5.75范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)說明輕質(zhì)量稀土礦富集程度更高，并且兩種稀土元素在鋁土礦當(dāng)中均產(chǎn)生了明顯的分異情況；當(dāng)二者之間的比值在0.26）0.82范圍內(nèi)時(shí)，則說明這一鋁土礦當(dāng)中的重稀土元素比輕稀土元素富集；當(dāng)輕稀土元素與重稀土元素的比值在0.82）1.35范圍內(nèi)時(shí)，則說明這一鋁土礦當(dāng)中給出的輕稀土元素與重稀土元素富集程度相當(dāng)。

3 鋁土礦成因

山西地塊在寒武紀(jì)-中奧陶世沉積之后，經(jīng)加里東運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷了整體抬升，經(jīng)長(zhǎng)期侵蝕、剝蝕，使之準(zhǔn)平原化，形成奧陶系頂部碳酸鹽巖古風(fēng)化殼。山西省鋁土礦在縱向上受上覆太原組灰?guī)r水及下伏巖溶水的多重影響。此外，山西省鋁土礦所在的本溪組為礦產(chǎn)資源開采時(shí)奧陶系巖溶水的隔水層，鋁土礦的開采必將破壞隔水層，從而導(dǎo)致通下伏奧灰水，發(fā)生突水事故。因此，鋁土礦的開發(fā)必須充分考慮本溪組下伏峰的富水性和隔水層厚度，充分計(jì)算開采鋁土礦時(shí)的帶壓系數(shù)與帶壓危險(xiǎn)區(qū)。此外，采空區(qū)鋁土礦還受到采空區(qū)積水和老窯水的影響。因此，鋁土礦的賦存層位在空間上受上部老窯水、中部采空區(qū)積水和下部巖溶水三重威脅，水文地質(zhì)條件及其復(fù)雜。在多種地質(zhì)構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)作用下會(huì)造成鋁土礦隆起的形成和演化，加之受到不斷向陸上隆起時(shí)的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象影響，最終會(huì)造成鋁土礦地層結(jié)構(gòu)逐漸暴露在外，這一過程是大部分地區(qū)鋁土礦形成的具體原因。同時(shí)，在部分地區(qū)，由于受到風(fēng)化作用的影響，使得其地貌特征為鋁土礦盆地結(jié)構(gòu)的形成提供了條件。通過對(duì)山西興縣鋁土礦中稀土元素分布模式，認(rèn)為興縣鋁土礦的物質(zhì)來源具有多樣性。在晚古生代時(shí)期開始，鋁土礦所在區(qū)域已經(jīng)處于離散構(gòu)造背景條件當(dāng)中，隨后逐步進(jìn)入到陸內(nèi)的裂陷形成階段，并且在鋁土礦結(jié)構(gòu)上常常會(huì)有一條十分明顯的斷裂帶結(jié)構(gòu)，這一斷裂結(jié)構(gòu)的形成使得左右兩側(cè)鋁土礦的地球化學(xué)特征出現(xiàn)了明顯的差異變化，一側(cè)可為鋁土礦形成提供便利的沉積場(chǎng)所和條件，另一側(cè)又能夠?yàn)殇X土礦的剝蝕風(fēng)化作用創(chuàng)造有利條件。同時(shí)，在大部分鋁土礦當(dāng)中，二氧化硅、三氧化二鐵、二氧化鈦等礦物質(zhì)和鋯元素、鍶元素、釩元素、鋰元素等多種金屬微量元素的存在也使得鋁土礦中富含了豐富的礦產(chǎn)資源，為其后續(xù)礦山企業(yè)的礦產(chǎn)資源開發(fā)創(chuàng)造了更良好的賦存條件。除此之外，在鋁土礦基本成形后，再經(jīng)過其后期構(gòu)造運(yùn)行的不斷作用，部分被抬起的地表會(huì)長(zhǎng)期暴露在外，進(jìn)而受到風(fēng)化作用的影響。當(dāng)風(fēng)化作用進(jìn)行到一定程度上時(shí)，鋁土礦表面的各類礦產(chǎn)資源會(huì)逐漸出現(xiàn)脫硅和脫鐵的現(xiàn)象，進(jìn)而使得大量硅元素和鐵元素的流失，但與之相比，鋁元素將會(huì)不斷富集，最終通過上述多種因素的共同作用，使得這一區(qū)域逐漸形成具備優(yōu)質(zhì)鋁元素礦產(chǎn)資源的鋁土礦床結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

本次研究以山西某地區(qū)鋁土礦為例，對(duì)礦體的地球化學(xué)特征與成因進(jìn)行詳細(xì)闡述與分析。通過研究從三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)其地球化學(xué)特征的分析，并在此基礎(chǔ)上，明確了優(yōu)質(zhì)鋁元素礦產(chǎn)資源的鋁土礦床地球化學(xué)特征，以期為后續(xù)鋁土礦礦產(chǎn)資源開發(fā)提供重要找礦依據(jù)。