豫西石炭系铝土矿出露位置的控制因素.pdf

卷（Ｖｏｌｕｍｅ）３１，期（Ｎｕｍｂｅｒ）４，总（ＳＵＭ）１１４页（Ｐａｇｅｓ）４５２～４５６，２００７，１１（Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００７  ）大地构造与成矿学  ＧｅｏｔｅｃｔｏｎｉｃａｅｔＭｅｔａｌｌｏｇｅｎｉａ收稿日期２００６－１２－１１；改回日期２００７－０３－０１作者简介陈旺（１９６８－），男，在读博士生，高级工程师，主要从事有色及贵金属矿产找矿工作．Ｅｍａｉｌｃｈｅｎｗｗａｎｇ＠１２６．ｃｏｍ豫西石炭系铝土矿出露位置的控制因素陈旺１，２（１．中国地质大学研究生院，北京１０００８３；２．河南省有色金属地质勘查总院，河南郑州４５００５２）摘要豫西石炭系铝土矿形成于华北古夷平面上，沉积于华北陆表海－湖泊环境中。豫西石炭系铝土矿围绕隆起区分布及太原组海陆交互相的沉积特征，使人认为铝土矿形成于古陆边缘。本文通过对豫西铝土矿的区域地质背景、含矿岩系特征及其形成的古地理环境以及典型矿区地质构造的综合分析认为，豫西石炭纪＂古陆＂并不存在，豫西的现代地貌和石炭纪有天壤之别，新生代以来的构造运动是豫西铝土矿出露定位的控制性因素，豫西铝土矿围绕隆起区分布的特征是后期、尤其是新生代以来的构造运动造成的。关键词控制因素；分布特征；铝土矿；豫西中图分类号Ｐ６１７文献标识码Ａ文章编号１００１  １５５２（２００７）０４  ０４５２  ０５豫西是我国重要的铝土矿产地，石炭系含矿岩系分布在黄河以南、秦岭以北、京广铁路以西的广大范围内，出露面积约２００００ｋｍ２。矿床属赋存于寒武系－奥陶系碳酸盐岩地层古风化剥蚀面上的沉积型铝土矿，成矿时代为石炭纪本溪期。目前已经发现铝土矿床（点）一千多处（戴耕等，２０００），主要分布于隆起区四周（图１），如中条山隆起区、岱嵋寨隆起区东侧的陕县－新安地区、嵩山－箕山隆起区周围的嵩山－箕山地区、汝州－宝丰地区，中条山－太行山隆起区南侧的焦作－济源地区。豫西铝土矿围绕隆起区分布的特征，使得人们长期以来认为铝土矿形成于古陆（中条古陆、嵩箕古陆、玳蠯寨古岛、太行古陆）边缘（吴国炎等，１９９６；李凯琦等，１９９４）。矿床形成后常常经历不同形式和不同程度的变化，已发现矿床的大多数是在其形成后经过变化而保存下来的（翟裕生等，２０００）。豫西铝土矿形成后经历了０．３Ｇａ的构造变化，现今的矿床出露的地理位置和其原始状态有着巨大差异。本文通过对豫西铝土矿的区域地质背景、含矿岩系特征和其形成的古地理环境以及典型矿区地质构造的综合分析认为，豫西地区现今的地理、地貌特征是铝土矿形成后、尤其是新生代以来构造运动的产物。铝土矿围绕隆起区分布的特征是后期形成的，中生代以来的构造运动、风化剥蚀是豫西铝土矿床定位的决定性因素。１区域地质背景１．１区域地层区域地层属华北地层区，出露地层主要有太古宇登封群、太华群、元古宇嵩山群、银鱼沟群、熊耳群、汝阳群、洛峪群，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、中生界三叠系、侏罗系、白垩系及新生界第三系、第四系。太古宇、元古宇古老地层出露于隆起区，古生界地层围绕隆起区分布，中生界及新生界分布于盆地中。太古宇登封群、太华群主要岩性为混合岩化变粒岩、混合花岗岩夹斜长角闪岩、角闪片岩、斜长黑云片岩等，为一套中深变质岩系。元古宇嵩山群、银鱼沟群、熊耳群、汝阳群、洛峪群主要岩性为石英砂岩、碳酸盐、浅变质的石英岩、绢云母石英片岩等碎屑岩、浅变质岩。熊耳群为一套中基性火山岩，为华北古地块盖层。第４期陈旺豫西石炭系铝土矿出露位置的控制因素４５３图１豫西铝土矿分布简图１－第四系；２－第三系；３－白垩系火山岩；４－侏罗系－白垩系；５－三叠系；６－二叠系；７－石炭系；８－寒武系、奥陶系；９－元古宇；１０－太古宇；１１－花岗岩；１２－断层；１３－产状；１４－铝土矿床（点）；１５－粘土矿床Ｆｉｇ．１ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｋｅｔｃｈｓｈｏｗｉｎｇｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＣａｒｂｏｎｉｆｅｒｏｕｓｂａｕｘｉｔｅｄｅｐｏｓｉｔｓｉｎｗｅｓｔｅｒｎＨｅｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ１－Ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ；２－Ｔｅｒｔｉａｒｙ；３－Ｃｒｅｔａｃｅｏｕｓｖｏｌｃａｎｉｃｒｏｃｋｓ；４－ＪｕｒａｓｓｉｃａｎｄＣｒｅｔａｃｅｏｕｓ；５－Ｔｒｉａｓｓｉｃ；６－Ｐｅｒｍｉａｎ；７－Ｃａｒｂｏｎｉｆｅｒｏｕｓ；８－ＣａｍｂｒｉａｎａｎｄＯｒｄｏｖｉｃｉａｎ；９－Ｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃ；１０－Ａｒｃｈｅａｎ；１１－ｇｒａｎｉｔｅ；１２－ｆａｕｌｔ；１３－ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ；１４－ｂａｕｘｉｔｅｄｅｐｏｓｉｔ（ｓｉｔｅ）；１５－ｃｌａｙｄｅｐｏｓｉｔ下古生界地层有寒武系及奥陶系下、中统。寒武系主要岩性为中厚层、巨厚层白云岩、灰质白云岩、灰岩等，厚度达数百米，为滨海－浅海相碳酸盐岩建造，下、中、上统均有出露，在豫西分布广泛。奥陶系主要岩性有白云质灰岩、泥质灰岩、灰岩等，仅出露下统、中统，上统缺失，为浅海－泻湖相碳酸盐岩建造，分布于三门峡－登封－禹州－许昌以北。上古生界地层有石炭系上统及二叠系地层。石炭系上统本溪组由褐黄、灰色粘土岩、铝土矿、绿泥石粘土岩及少许砂岩、粉砂岩组成。下部为“ 山西式铁矿” ，局部为硫铁矿；中部为铝（粘）土含矿岩系；上部为砂质粘土页岩、炭质粘土页岩，局部夹薄煤层，厚２～２０ｍ，局部岩溶洼斗中厚６０ｍ，与下伏地层呈平行不整合接触，为铝土矿赋存层位。石炭系上统太原组主要岩性有青灰色燧石灰岩、生物灰岩与砂岩、页岩及粘土岩互层夹薄煤层，厚度３０～８０ｍ，与下伏地层呈整合接触，煤层局部可采，区域上和本溪组出露地区一致。二叠系主要岩性为石英砂岩、砂质页岩及煤层，为一套湖沼相、河流相的含煤建造、碎屑岩建造，为豫西主要含煤层位，与下伏地层呈整合接触，在豫西洼陷盆地中广泛分布。中生界地层有三叠系、侏罗系、白垩系。三叠系主要岩性为紫红色、黄绿色砂岩和钙质粉砂岩、砂质页岩、泥质页岩、钙质页岩互层，为沼泽湖泊相的红色建造。侏罗系以灰绿色的砂岩和页岩为主，夹有煤层。下部黄绿色细砂岩与页岩互层；中部紫色砂质页岩和灰色细粒砂岩互层；上部为灰白色砂岩、页岩夹可采煤四层，有时见淡红色长石砂岩和杂色页岩互层。白垩系，主要岩性顶部为紫色页岩，上部为流纹岩具流动擦痕及杏仁状构造，下部为安山岩，厚约６００～１５００ｍ，为陆相、火山岩相沉积岩。三叠系在豫西分布较为广泛，侏罗系、白垩系面积较小。４５４第３１卷新生界主要岩性有砾岩、黄土、亚粘土、洪坡积砾石层、流砂层，厚度０～３０ｍ，与下伏地层呈不整合接触，分布于豫西广大地区，主要分布于平原、盆地、山间沟谷及山顶、山坡相对平坦处。１．２区域构造发展简史太古宙以登封群、太华群为代表的结晶基底形成以后，元古宙沉积了以嵩山群、银鱼沟群、汝阳群、洛峪群为代表的碎屑岩建造。古生代早期，豫西重新下降接受海侵，形成寒武系－奥陶系厚度巨大的碳酸盐岩建造。晚奥陶世又上升成为陆地，整个华北古板块缺失上奥陶统、志留－泥盆系及下石炭统，直到晚石炭世才又下降接受海侵，形成下石炭统底部的铁铝含矿岩系及其上的灰岩－砂岩－粘土页岩为特征的海陆交互相地层。二叠纪，海侵结束，形成了以煤层、粘土页岩、砂岩为代表的陆相盆地沉积。三叠纪盆地进一步缩小，印支运动使河南全省大部分地区隆起成陆，豫西发育局部的断陷盆地及火山活动。白垩纪晚期以来，差异升降运动明显，内陆盆地规模扩大，沉积了第三系山麓相、河流相沉积物和第四系黄土，局部厚达千米以上。２豫西铝土矿成矿区划分铝土矿主要分布于豫西隆起区四周，如中条山隆起区、岱嵋寨隆起区南侧东侧的陕县－新安地区、嵩山－箕山隆起区周围的嵩箕地区、汝州－宝丰地区，中条山－太行山隆起区南侧的焦作－济源地区。据此可以划分出四个成矿区，每个成矿区又划分出不同的成矿带。陕县－渑池－新安成矿区为河南省最为重要的优质铝土矿成矿区。一般说来，矿体呈似层状、透镜状、溶斗状。厚度较稳定，多在３～８ｍ之间，局部洼斗处厚达数十米。矿体厚度越大，矿石质量越好。根据矿床构造控制因素，可划分为东、中、西三个矿带 ①东矿带－新安县张窑院铝土矿带位于新安向斜北西翼、北段村穹隆和龙潭沟断裂以东，分布有新安县张窑院、贾沟、石寺、北冶、竹园－狂口、石井等矿床； ②中矿带－陕县杜家沟－新安县郁山铝土矿带位于渑池向斜盆地北缘、北段村穹隆以南、龙潭沟断裂与扣门山断裂之间，有陕县杜家沟、渑池县黄门、曹窑、贾家洼、礼庄寨、段村、雷沟等矿床； ③西矿带－陕县七里沟－渑池县焦地铝土矿带位于陕县断陷盆地以北、北段村穹隆和扣门山断裂以西，有陕县七里沟、王古洞、支建、杨庄、涧底河、崖底、渑池县水泉洼、焦地等矿床。嵩箕成矿区可划分为偃师－巩义－荥阳铝土矿带和登封－密县－禹县成矿带。偃师－巩义－荥阳铝土矿带位于嵩山北侧，可分为荥阳－巩县铝土矿亚带和龙门－参店铝土矿亚带。前者其上分布有巩义市圣水、申沟、凌沟、涉村、钟岭、大峪沟、竹林沟、茶店、水头、冯庄和荥阳市崔庙铝土矿区，后者上分布有偃师市西寨、焦村、管茅和夹沟铝土矿床。登封－密县－禹县成矿带。位于嵩山南侧，依据大型构造褶皱断裂的展布情况及含矿岩系出露情况，大致可划分为９个成矿亚带庙湾－杨树岗、玉台－岳岗、庄头－超化、鳌头－西白坪、屈沟－岳窑、方山－鸠山、磨街、神后－新峰和黄道成矿亚带。汝阳－汝州－宝丰铝土矿成矿区根据大地构造背景、岩相古地理特征、成矿时代等划分为梁洼向斜东、梁洼向斜西、汝州北和汝州南４个成矿亚带。焦作－济源成矿区分布于焦作以西地区，主要矿床有济源思礼、克井，沁阳常平、簸箕掌等矿床（点）。焦作以东，相应层位变化为粘土矿。３豫西铝土矿形成和定位的控制因素３．１豫西铝土矿含矿岩系特征豫西铝土矿含矿岩系具有如下特征（１）分布广泛豫西这套地层分布于东起京广铁路、西到三门峡，焦作以南、秦岭以北的广大范围内，在豫西隆起区的周围均有铝土矿床出现。华北地区，这套地层分布于河南、山西、山东、河北等省，在华北地块全区发育，厚度约５～２０ｍ，是一个极好的标志层（陈世悦等，２０００）。（２）分段明显从下到上可以划分为铁质粘土岩、铝土矿、粘土矿三个岩性段，化学成分显示出铁质层－铝质层－硅质层、炭质层的明显分带。（３）与下伏寒武系－奥陶系地层假整合接触，和上覆石炭系太原组、二叠系地层整合接触。（４）产状倾向盆地，背离隆起区如陕－渑－新铝土矿带，矿体产状一般１２０～１５０ ∠１０～１６，嵩箕成矿区的龙门－参店铝土矿亚带总体走向为近东西向，地层倾向北，倾角９～１４。３．２豫西铝土矿含矿岩系形成的古地理环境豫西铝土矿含矿岩系的地质特征和其形成的古地理环境是密切相关的。经过晚奥陶世到早石炭世长达１４０Ｍａ的风化夷平作用，华北地区在晚石炭世呈典型的准平原－陆表海状态。华北铝土矿形成于准平原上的红土型风化作用，沉积于华北古板块从第４期陈旺豫西石炭系铝土矿出露位置的控制因素４５５准平原－陆表浅海的过渡时期。主要依据有（１）石炭系和下伏地层的平行不整合接触关系说明直到石炭纪，寒武系－奥陶系仍然保持近似水平的原始产状，晚奥陶世－早石炭世的漫长历史时期中，华北地区基本未受构造运动的影响，处于起伏不大的准平原状态。晚石炭世海侵后，华北地区呈陆表海状态，海底平缓，基底起伏不大，平均坡度仅为８１０－７度（陈世悦等，２０００）。（２）铝土矿含矿岩系在豫西广泛发育，分段明显且具有可对比性，说明其形成环境相似，虽然从东到西、从南到北宏观上有一定的差别，如焦作以东粘土矿占优势，部分矿区也常常发生局部沉积分带，但围绕现在的隆起区并未出现明显的沉积分带。豫西铝土矿产状背离隆起区、倾向盆地，倾角９～１５，按产状沿伸远高于隆起区主峰的高度。由于沉积岩沉积时产状是近似水平的，说明豫西现在的隆起区在石炭纪并不存在。石炭系底部缺少砂岩等陆源碎屑岩的特点，也说明被碳酸盐岩覆盖的准平原高差不大，富含砂质的古老岩石尚未大量出露地表。（３）铝土矿含矿岩系位于陆表海沉积体系的底部，由于缺少生物化石证据，其形成的岩相古地理环境有一定的争议。石炭纪晚期，华北地区的晚古生代总体环境为陆表海状态，北有阴山古陆、南为秦岭－伏牛古构造高地（陈世悦等，２０００）。现代红土型铝土矿床主要产出在大规模的大陆均夷面上，铝土矿只能在大陆地表条件下形成（ＧｅｏｒｇｅＢａｒｄｏｓｓｙ，１９９５）铝土矿含矿岩系底部较高的铁质明显是长期风化的产物，是古剥蚀面的残留物。铝土矿常见的豆鲕状、角砾状结构说明铝土矿经过搬运，以灰色、灰黑色为主的色调说明沉积于富含炭质、相对封闭的水体下的氧化环境。在济源市下冶、新安县沟头、沁阳市虎村、偃师市李村、禹县扒村等矿区均有有缺失本溪组地层的钻孔出现，这些深埋地下的矿区在本溪组地层沉积时有高出水面未接受沉积的岛屿。铝土矿形成于准平原－陆表海过渡时期的滨海－湖泊－沼泽环境。３．３后期构造对铝土矿定位的影响铝土矿含矿岩系形成以后，豫西经历了长期的地质构造演化，对铝土矿的出露定位有着明显的影响，比较重要的有本溪期末在嵩箕地区太原组底部普遍发育一层生物灰岩，厚度稳定，具有典型的陆表浅海沉积特征，汝阳、洛阳以西的新安－渑池一带、豫北的焦作－济源一带太原组底部生物灰岩和砂岩、砾岩交互出现，说明汝阳、洛阳以西、焦作济源一带靠近陆地。济源下冶、汝阳蟒庄、新安县沟头矿区太原组底部出现石英砂砾岩；渑池贾家洼、巩义大峪沟铝土矿区太原组、本溪组间出现铝土矿角砾（吴国炎等，１９９６）。说明本溪期结束后豫西出现规模较大的构造变动，铝土矿受到了最早的剥蚀作用。印支期豫西三叠纪末期发生了较大规模的构造运动，洛阳附近的三叠系地层发育明显的褶皱构造。为印支运动在豫西的表现，豫西大部地区隆起成为陆地，三叠纪以前在豫西大面积出现的浅海、陆相湖泊沉积环境结束，部分地区的铝土矿盖层开始剥蚀风化。燕山期燕山运动在豫西表现强烈，尤其是白垩纪末期的燕山运动第五幕，在豫西形成大量的盆地，如新安－渑池盆地、洛阳盆地，汝州－宝丰盆地、盆地中充填第三系山麓－河流相的角砾岩建造。早白垩世，平顶山－宝丰地区发育陆内拉张环境下的中基性火山喷发活动（李晓勇等，２００６），覆盖于宝丰盆地的石炭系地层之上；晚白垩世末，沿太行山前断裂伸展滑脱作用开始发育，山西高原与华北平原的地貌差异开始形成（张家声等，２００２）；嵩山山顶的夷平面发育在古新世到始新世，始新世末结束，古夷平面形成后受后期构造运动的影响，逐步抬升到了现今的高度（郭志永和翟秋敏，２００５）。燕山期奠定了豫西现代地形及铝土矿分布特征的基础。喜山期第四纪以来，豫西山地持续隆起，盆地持续下降，地形高差持续增大，中国东部地貌形成。隆起区上石炭统被剥蚀殆尽，而盆地中又被深埋地下，仅“ 古陆” 周围出露，成为今天铝土矿分布特征。３．４典型矿区的地质证据３．４．１虎村矿区沁阳虎村矿区位于太行山隆起区和平原的交接部位，整体上为一个地堑构造，石炭系、二叠系地层出露于北东东向正断层构成的地堑中，地堑外主要为奥陶系地层，石炭系地层被剥蚀殆尽，呈残留体出现。由于北东东向断裂作用形成的地堑，铝土矿含矿岩系得以保存，燕山期以来太行山的形成相关的构造运动是矿区铝土矿定位的决定性因素。３．４．２下冶矿区济源下冶矿区整体上为一个地垒构造，南侧紧邻黄河，北侧为逢石河谷底，铝土矿分布于断裂形成的地垒构造上，和两侧谷地地形高差在１００ｍ以上， “ Ｖ ” 型沟谷发育，两侧沟谷中有二叠系出露，地垒上分布有第四系黄土沉积和河流相的松散沉积物（陈旺，２００７），说明第四纪以来发生了明显的构造运动，使得铝土矿抬升到地表。４５６第３１卷３．４．３其它矿区新安县沟头矿区新生代盆地边界断层断距达４００ｍ以上，盆地内第三系、第四系厚度约为２００ｍ，盆地中施工的钻孔３８０ｍ深处有铝土矿体出现，另一钻孔５６０ｍ出现铁质粘土页岩地层，证明新生代以来构造运动对铝土矿定位的巨大影响；偃师市管茅矿区ＺＫ１４４４９钻孔中第四系黄土的厚度达１１０ｍ，ＺＫ２０４２５、ＺＫ２０８２１钻孔的第三系沉积物中有铝土矿、太原组生物灰岩角砾出现，证明白垩纪末期燕山运动中，铝土矿被构造运动抬升到地表，剥蚀成为第三系角砾岩；宝丰县大营矿区上覆的白垩世火山岩厚度达５００ｍ以上；渑池县雷沟矿区、曹窑煤矿深部发现隐伏的大中型铝土矿矿床，勘探深度局部达４００ｍ以上。综上所述，新生代以来的构造抬升及剥蚀是豫西铝土矿出露定位的控制性因素。４结语豫西石炭系铝土矿围绕隆起区分布的地质特征，及太原组海陆交互相的沉积特征，使人认为铝土矿形成于古陆边缘。本文通过对豫西铝土矿的区域地质背景、含矿岩系特征及其形成的古地理环境以及典型矿区地质构造的综合分析认为，豫西的现代地貌和石炭纪有天壤之别，豫西石炭纪“ 古陆” 并不存在，新生代以来的构造运动是豫西铝土矿出露定位的控制性因素。致谢本文写作得到了翟裕生院士、周洪瑞教授、张海祥博士的指导，杨振军高工审阅并提出了宝贵修改意见，在此一并表示感谢参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）陈世悦，徐凤银，刘焕杰．２０００．华北晚古生代层序地层与聚煤规律．北京石油大学出版社，２－３５．陈旺．２００７．豫西济源西部铝土矿成矿地质环境．地质与勘探，４３（１）２６－３１．戴耕，李进化，孙枫．２０００．河南省铝土矿资源开发利用现状及其前景．地质与勘探，３６（３）２２－２３．郭志永，翟秋敏．２００５．对嵩山夷平面的再认识．河南大学学报（自然科学版），３５（３）５３－５６．李凯琦，葛宝勋，陈书龙．１９９４．豫西Ｇ层铝土矿分布于古陆边缘的控制因素．焦作矿业学院学报，１３（２）１－９．李晓勇，范蔚茗，王岳军，夏斌，范立勇．２００６．华北克拉通南缘早白垩世中基性火山岩成因及其地质意义．大地构造与成矿学，３０（２）２２０－２３０．吴国炎，姚公一，吕夏，何振镛，李忠烈，郭保健．１９９６．河南铝土矿床．北京冶金工业出版社，１４１－１７１．翟裕生，邓军，彭润民．２０００．矿床变化与保存的研究内容和研究方法．地球科学，２５（４）３４０－３４５．张家声，徐杰，万景林，张剑玺，高占武．２００２．太行山山前中－新生代伸展拆离构造和年代学．地质通报，２１（４－５）２０７－２１０．ＧｅｏｒｇｅＢａｒｄｏｓｓｙ．顾皓民摘译．１９９５．石炭纪至侏罗纪的铝土矿矿床是古气候和古地理的标志．轻金属，６（１－５）．ＣＯＮＴＲＯＬＦＡＣＴＯＲＳＯＮＤＩＳＴＲＩＢＵＴＩＯＮＯＦＣＡＲＢＯＮＩＦＥＲＯＵＳＢＡＵＸＩＴＥＤＥＰＯＳＩＴＳＩＮＷＥＳＴＥＲＮＨＥＮＡＮＰＲＯＶＩＮＣＥＣＨＥＮＷａｎｇ１，２（１．ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｅｎａｎＮｏｎ  ｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌＧｅｏｌｏｇｙＰｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕ  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