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第 45 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.1 2017 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. Third Institute of Geological and Mineral Exploration of Gansu Province Bureau of Geology and Mineral Resources, Lanzhou 730000, China; 3. Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China Abstract The mineral features of bauxite in central and southern Shanxi Province were studied by polarization mi- croscope, X-ray diffraction XRD, infrared spectroscopy IR, differential scanning calorimetry DSC, scanning electron microscope SEM and energy dispersive spectrometer EDS. Experimental results show that the major min- erals in bauxite are diaspore and kaolinite, with a few of illite, chlorite, hematite, goethite, anatase, rutile, quartz, flint, potassium feldspar and calcite. Diaspore is divided into three tyes cryptocrytal-microcrystal, allotriomorphic granular and short columnar crystal with a lower endothermal temperature, and a0.441 546 nm, b0.945 445 nm, c0.285 250 nm, mainly ed by desiliconization of kaolinite, a little was transed from crystallization. Kaolinite was ed during the weathering process in warm and humid climate and a part of kaolinite was the porduct of silica replacement Anatase was ed in low temperature and low pressure environments with abundant TiO2 supply. Hematite came from dehydration of hydrous ferric oxide mineral, small part from early metallogenic swamp facies or marine deposit; Quartz, potash feldspar and some other heavy minerals are the terrigenous clastic. Keywords bauxite; central and southern Shanxi; mineral composition; mineral genesis ChaoXing 第 1 期 王森等 晋中南地区铝土矿矿物特征及其成因 21 铝土矿是华北石炭-二叠纪含煤岩系最重要的伴 生矿产之一[1]，矿石中富含 Al、Ga 和稀土元素等， 是生产金属铝的主要来源， 在制取高能磨料、 高铝水 泥、耐火材料、陶瓷及医药领域也具有广泛用途[2-4]。 山西省是我国铝土矿重要产地，铝土矿床、矿 点达百余处，遍布全省[5]。铝土矿在山西的展布范 围与煤田大致相同，主要分布于北部的保德、宁武 以及中南部的阳泉、孝义 4 个片区。其中，晋中南 地区由于矿产资源丰富、矿床典型，不少专家学者 对其进行了相关研究[6-10]。 杨冠群等[7]利用扫描电子 显微镜和能量色散谱仪分析了孝义地区铝土矿的微 观结构和形态，将矿体划分为 4 个地质层位与多层 微观形态；孙思磊[8]通过对宽草坪铝土矿的矿物学 分析，发现铝土矿中包含矿物为硬水铝石、针铁矿、 锐钛矿、绿泥石、石英、伊利石与高岭石；孟建寅 等[10]研究表明，山西省庞家庄铝土矿的成矿物质来 源主要为中奥陶统灰岩，还有可能夹杂了少量铝硅 酸盐岩混入，并且矿体在晚期遭受了构造变形。 上述研究对铝土矿矿床矿物学与成因的系统认识 仍不够完善，对铝土矿中主要矿物的成因分析较少。笔 者借助偏光显微镜、扫描电镜-能谱SEM-EDS、X 射 线衍射XRD、红外光谱IR和差热DSC等手段综合分 析晋中南典型矿区铝土矿矿物-化学组成、矿物组合、 红外及差热特征，讨论各矿物成因，以期为铝土矿成矿 机理的研究、成矿模式的建立及资源评价提供参考。 1 区域地质与矿床地质 晋中南铝土矿位于华北克拉通中部，山西地块 中南部，矿体赋存层位为本溪组底部铁铝岩段[11]。 本溪组在山西的展布受大同、静乐宁武盆地、鄂 尔多斯盆地东缘、太原西山向斜、沁水坳陷、霍西 向斜和一些小的坳陷构造所控制[12]。这些盆地、向 斜和坳陷，既是铝土矿分布区，又是山西主要煤田 的赋存地段。煤层层位在上部，铝土矿在下部，且 其分布范围比煤田分布的范围更大一些图 1。 选取晋中南地区典型的克俄、西河底、石公村、 相王、上桃花、金堆、龙潭沟与交口矿区，对含矿岩 系进行实地考察与系统取样， 样品命名以“矿区-采样 点-编号”表示， 如 STH-6-3 表示上桃花矿区， 6 号点， 第 3 块样品表 1。根据实地踏勘结果，铝土矿含矿 岩系自下而上依次为铁质黏土岩、铁铝岩、铝土矿、 黏土岩。矿体主体呈层状、似层状，产状平缓，少量 矿体呈透镜状或溶斗状，平均厚度 2～5 m。铝土矿沿 走向往往与耐火黏土或铝土页岩呈渐变关系。 在克俄 和西河底矿区，出现了无矿天窗。 图 1 山西省铝土矿分布区及采样点位置据文献[12] Fig.1 Distribution of bauxite deposits in Shanxi Province and sampling locations 2 矿物组成及特征 矿物组成分析采用日本 Rigaku 公司 D/max- 2500PC 型 X 射线衍射仪Cu 靶；扫描速率 2/min，扫 描范围2～60； 红外光谱分析采用Thermo公司Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪Kbr压片， 扫描次数32， 分辨率 4 cm-1，扫描范围 400～4 000 cm-1；差热分析采 用瑞士梅特勒-托利多公司 TGA/DSC1/1600HT 型同步 热分析仪温度 30～1 100C， 升温速率 10C/min； 矿物 微观形貌及组合关系研究采用日立公司 S-4800 场发射 扫描电子显微镜完成。 2.1 矿物组成 X 射线衍射显示，铝土矿中所含矿物主要是硬水 铝石和高岭石图 2，特征衍射峰 d1100.398 68 nm、 d0010.715 53 nm。此外，矿石还含有少量伊利石、 绿泥石、赤铁矿、菱铁矿、针铁矿、锐钛矿、金红 石、石英、钾长石及方解石等。基于 XRD 分析，矿 石矿物组成及相对含量结果见表 1。 2.2 主要矿物特征 2.2.1 铝矿物 主要为硬水铝石。斜方晶系，电镜下多呈短柱状， 晶形不完整，单晶粒度0.5～2 μm，少量以微晶形式聚集 成块，粒径5～30 μm图3b。透射光下硬水铝石为无色 透明、灰白色、黄色及红褐色，正高突起，糙面明显。 ChaoXing 22 煤田地质与勘探 第 45 卷 D硬水铝石；K高岭石；I伊利石；A锐钛矿；Go针铁矿；Ca方解石；H赤铁矿 图 2 晋中南典型铝土矿 XRD 图谱 Fig.2 XRD patterns of typical bauxite deposits in central and southern Shanxi 表 1 典型铝土矿矿物组成及相对含量 Table 1 Mineral composition and concentration of typical bauxite deposits of typical bauxite deposits 矿物成分及体积分数 矿区 样品编号 石英 钾长石 方解石 金红石 赤铁矿菱铁矿针铁矿锐钛矿硬水铝石 高岭石 伊利石绿泥石 KE-1-4 0.7 18.7 2.9 70.3 4.8 2.5 克俄 KE-1-7 0.3 1.2 3.4 79.3 13.8 1.7 0.3 石公村 SGC-4-3 0.5 0.2 68.5 26.1 1.8 2.9 XW-5-1 0.6 2.2 2.6 83.8 10.6 0.2 相王 XW-5-6 1.6 4.1 4.9 68.3 17.3 0.6 3.2 STH-6-2 1.3 3.5 67.7 23.7 3.8 上桃花 STH-6-4 5.6 2.3 2.6 85.4 2.3 1.8 JD-7-2 2.5 3.9 2.3 85.0 6.3 金堆 JD-7-3 0.2 0.1 2.5 87.2 7.5 2.5 龙潭沟 LTG-8-1 1.3 3.6 91.1 1.4 2.6 图 3 晋中南地区典型铝土矿扫描电镜-能谱图像 Fig.3 Typical SEM-EDS pictures of bauxite in central and southern Shanxi ChaoXing 第 1 期 王森等 晋中南地区铝土矿矿物特征及其成因 23 根据偏光显微镜与扫描电镜SEM鉴定结果，将 研究区硬水铝石划分 3 类①隐晶-微晶碎屑集合体 图 4a，多以小细棒、小圆片状赋存于团块状碎屑中， 在研究区铝土矿中最为常见，单晶粒度小于 2 μm，部 分受铁质晕染而呈现出红褐色。②它形粒状晶体，粒 径 7～30 μm，多由胶状硬水铝石重结晶形成，受结晶 空间限制，只能以它形产出，晶粒紧密连接，晶间无 胶结；③短柱状、鳞片状晶体图 4b，晶粒粗大，常 产于脉状裂隙、溶蚀孔洞和鲕粒核心中，较少见。 除以上 3 种形态外，部分铝化合物以 AlOH3 胶体形式赋存于豆、 鲕状颗粒中， 有时出现铝凝胶带 状构造图 4a，说明其在后期经历过脱水收缩[13]。取 各矿区硬水铝石体积分数大于 90的样品，利用 jade 软件分析点阵常数，计算出晋中南铝土矿中硬 水铝石晶胞参数均值a0.441 546，b0.945 445， c0.285 250，z4.0表 2。以系统矿物学[14]中 硬水铝石晶胞参数为标准进行对比，发现 a 值与标 准值基本相等，b、c 略大于标准值。 图 4 晋中南地区典型铝土矿矿石偏光显微镜图片 Fig.4 Microplariscope pictures of bauxite ore minerals from typical bauxite deposits in central and southern Shanxi 表 2 硬水铝石的 XRD 衍射图谱晶胞精修结果 Table 2 Diaspore unit cell by XRD 矿区 a/nm b/nm c/nm V/nm3 D/gcm-3 克俄 0.441 689 0.945 264 0.285 099 0.119 03 3.347 4 相王 0.441 183 0.945 389 0.285 194 0.118 95 3.349 7 上桃花 0.441 770 0.946 120 0.285 376 0.119 28 3.340 5 金堆 0.441 335 0.944 897 0.285 263 0.118 96 3.349 5 龙潭沟 0.441 751 0.945 555 0.285 319 0.119 18 3.343 3 均值 0.441 546 0.945 445 0.285 250 0.119 08 3.346 1 标准值 0.441 0.940 0.284 0.11773 3.3～3.5 Cell Type Orthorhombic Pbnm 62 部分铝土矿样品的红外光谱测试结果见图 5。 龙潭沟矿区 LTG-8-1 代表典型硬水铝石矿物红外图 谱，2 115 cm-1、1 982 cm-1吸收峰归属为 OH 伸缩 振动，为硬水铝石特征吸收峰，其强度和尖锐程度 ChaoXing 24 煤田地质与勘探 第 45 卷 与硬水铝石含量和结晶程度呈正相关[15]。另外，硬 水铝石吸收峰还出现在 1 050 cm-1、741 cm-1、570 cm-1、350 cm-1，前者归属于 OH 弯曲振动，后 3 者 代表 Al-O 伸缩振动。由图 5 可知，从 LTG-8-1 到 XW-5-4，硬水铝石含量逐渐减少，特征峰逐渐变缓 至消失，而一些杂质矿物主要是高岭石的峰愈发 明显。 图 5 晋中南典型铝土矿红外图谱 Fig.5 Infrared spectra of typical bauxite deposits in central and southern Shanxi 克俄矿区 KE-1-6、 KE-2-4 代表硬水铝石差热分 析曲线图 6，511C、515C 的吸热谷为其脱去结 构水形成刚玉α-Al2O3；JD-7-5 样品中含有硬水铝 石与高岭石，980C 的放热峰为高岭石由非晶质相 变为结晶质。将各矿区硬水铝石吸热温度与我国其 他地区对比，发现其整体偏低表 3，这说明硬水铝 石具有较细粒径与较低结晶度， 与 SEM 鉴定结果一 致。其中，金堆矿区与广西、河南等地硬水铝石吸 热温度相同。 图 6 典型铝土矿差热-热重曲线 Fig.6 DSC curves of typical bauxite deposits in central and southern Shanxi 2.2.2 其他矿物 其他矿物主要有黏土矿物、铁矿物、钛矿物及 少量陆源碎屑矿物。黏土矿物以高岭石为主，多呈 隐晶质形式与硬水铝石均匀交混，充当鲕粒与碎屑 颗粒的基质图 4a，少量结晶良好，呈现 60交角的 延长薄板状，边缘平直图 3a。铁矿物主要是赤铁 矿与针铁矿，常紧密共生图 4d，前者属三方晶系， SEM 下呈颗粒状聚集体，结构松弛图 3a；后者属 斜方晶系，透射光下为无色透明或黄棕色，多以细 分散态充填于裂隙或孔洞中，多色性明显。钛矿物 以锐钛矿为主，金红石次之，锐钛矿干涉色高，硬 度大，分胶状集合体和板状晶体 2 种。另外，陆源 碎屑主要为石英、钾长石、方解石及一些重矿物等， 相对含量小于 1。 表 3 我国部分地区硬水铝石吸热温度对比表 Table 3 Comparison of the endothermal temperature of diaspore in a part of areas in China 地域 晋中南 广西 河南 山东 矿区 克俄 西河底 相王 上桃花 金堆龙潭沟平果 新安 东山 吸热温度/℃ 515 511 518 535 540 536 540 540 537 3 矿物成因 a. 硬水铝石 长期以来不少地质学家认为硬水铝石是在高温 高压下由三水铝石脱水转变的产物[16-18]。 据李启津[18] 研究指出贵州修文、清锁铝土矿中三水铝石转变成 硬水铝石是区域变质的结果。同时，S Temur 等[17] 研究显示，三水铝石转变成硬水铝石往往伴随着围 岩的变质， 最典型的如底板碳酸盐岩变质为大理岩。 除了这种变质成因外，也有一些学者认为硬水铝石 为简单结晶成因[3,19-20]。 该理论主要指在后生期外力 作用影响下，铝土矿中一些铝矿物被溶解，含铝的 真溶液沿着洞穴或裂隙结晶成硬水铝石。近年来， 该种观点逐渐占据了主导地位。刘学飞等[19]认为河 南铝土矿中硬水铝石主体即为简单结晶成因。 另外， 也有学者提出了硬水铝石的第 3 种成因观点，即由 高岭石脱硅转变而来[17]，认为在风化过程中 Al2O3 会替代 SiO2在高岭石中的位置，使高岭石转化为硬 水铝石，目前该理论在铝土矿中研究较少。 本次研究中，XRD 与 SEM-EDS 分析并未见有 三水铝石、 勃姆石随硬水铝石一同产出， 铝土矿下覆 灰岩也未见到重结晶变质现象， 因此否定了变质成因 的来源。 偏光显微镜与电镜鉴定结果显示， 大部分硬 水铝石呈基质形式与高岭石均匀交混， 见到高岭石被 硬水铝石交代的现象， 有些完好的高岭石晶体边部已 硬水铝石化， 因此推测硬水铝石主体由高岭石脱硅转 ChaoXing 第 1 期 王森等 晋中南地区铝土矿矿物特征及其成因 25 变而来。另外，少量的它形粒状与自形-半自形晶， 颗粒粗大， 可能是铝矿物在成岩阶段受外力作用溶解 后，含铝真溶液沿洞穴或裂隙结晶所形成。 b. 高岭石 高岭石是铝土矿中常见共生矿物， 在风化残积、 同生成岩、后生及表生阶段都有生成。廖士范等[21] 认为，古风化壳型铝土矿床中的高岭石主要是古风 化壳发育阶段由母岩中的铝硅酸矿物在炎热潮湿的 气候下风化分解的产物，成岩及后生或表生阶段的 自生高岭石仅居次要意义。本次研究中，多数高岭 石为粉砂级细小碎片，边缘参差不齐，推测为温暖 潮湿气候下古陆遭受中-酸性介质冲刷水解后风化 形成，不排除其后期经历过短距离搬运。少量高岭 石晶形完整，或为后生-表生阶段复硅化产物。 c. 其他矿物 据 N zl[22]研究，金红石与锐钛矿的出现反应 较低的 pH 值和还原环境。其中锐钛矿多在低温低 压、TiO2供应充足的条件下产生，金红石是高温高 压的产物[23]。另外，赤铁矿以不规则形态晕染在硬 水铝石周围，推测由表生期含水氧化铁矿物风化脱 水形成，少量呈致密块状可能为成矿早期沼泽相或 海相沉积；针铁矿沿裂隙充填于硬水铝石和高岭石 基质中，说明其形成晚于硬水铝石[19]，为成矿后期 铁质流体渗透结晶形成。钾长石与石英仅在样品中 偶见， 与锆石等一些重矿物碎屑为陆源风化搬运物。 4 结 论 a. 晋中南地区铝土矿中所含矿物主要为硬水 铝石和高岭石，含少量伊利石、绿泥石、赤铁矿、 菱铁矿、针铁矿、锐钛矿、金红石、石英、燧石、 钾长石、方解石和锆石等。 b. 硬水铝石分隐晶-微晶碎屑集合体、它形粒状晶 体、短柱-鳞片状晶体3 种类型，差热曲线上吸热温度偏 低，晶胞参数均值a 为0.441 546 nm，b 为0.945 445 nm， c 为 0.285 250 nm， V 为 0.119 08 nm3。 高岭石常呈隐晶 质形式与硬水铝石均匀交混，少量表现出 60交角的延 长薄板状，结晶良好。锐钛矿分胶状集合体和板状晶 体 2 种。赤铁矿呈颗粒状聚集体，结构松弛。针铁矿 多以细分散态充填于裂隙或孔洞中。陆源碎屑矿物主 要为石英、钾长石、方解石及一些重矿物等。 c. 硬水铝石主要由高岭石脱硅转变而成，少量 为结晶成因来源。高岭石多数为温暖潮湿气候下古 陆遭受冲刷水解风化形成， 少数为后生-表生阶段复 硅化产物。赤铁矿大部分是表生期含水氧化铁矿物 风化脱水所致，少部分为成矿早期沼泽相或海相沉 积的产物。针铁矿为成矿后期铁质流体的渗透结晶 形成。锐钛矿形成于低温低压、TiO2供应充足的条 件下，金红石是高温高压的产物。钾长石、石英及 一些重矿物碎屑多是陆源风化搬运物。 参考文献 [1] 葛宝勋， 李凯琦. 河南登封白坪铝土矿的古地貌控制[J]. 煤田 地质与勘探，1992，2041-5. 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