曹窑煤矿区深部铝土矿特征及勘查启示.doc

曹窑煤矿区深部铝土矿特征及勘查启示 河南省有色金属地质矿产局“地质找矿改革发展大讨论活动”专题材料 张录星 张 林 司百堂 曹窑煤矿区位于河南省三门峡市境内，大地构造位置属华北板块南部，三门峡鲁山断裂带西段北侧。区域内沉积地层发育，煤、铝资源丰富，是我国重要的煤、铝、耐火粘土矿产地之一（见图1）。 ○曹窑煤矿区 图1 豫西铝土矿成矿带矿产地质图 曹窑煤矿区煤矿地质勘查于1957年1964年，基本未涉及煤下深部铝土矿。浅部北邻（煤氧化带以外）的贯沟、转沟、范凹、贾家凹矿（段）区铝土矿勘查基本圈定了各自矿体边界，是寻找深部铝土矿的重要间接依据。煤矿区深部铝土矿普详查工作自2004年10月2007年11月。详查查明曹窑煤矿区深部铝土矿（333）类以上资源储量6100万吨，大间距稀疏钻孔预测（334）类资源储量6200万吨。详查区（332）（333）（334）类资源储量共计1.2亿吨，达超大型矿床规模。 在铝土矿找矿勘查面临由浅入深，找深部矿、找盲矿成为主攻方向的重要时期，曹窑煤矿区深部铝土矿勘查不仅是河南省煤矿区深部铝土矿找矿的重大突破，其勘查成果对华北地台区深部铝土矿找矿勘查亦具有重要的示范意义。 一、矿床地质特征 勘查区内地表第四系黄土大面积覆盖，岩石出露较少，仅沿沟谷有二叠系及新近系地层呈枝杈状零星分布，石炭系全部隐伏地下。勘查揭露地层自下而上主要有奥陶系中统马家沟组（O2m），石炭系上统本溪组（C2b）、太原组（C2t），二叠系下统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x），二叠系上统上石盒子组（P2s）、石千峰组（P2sh），新近系（N）和第四系（Q）。铝土矿赋存在石炭系上统本溪组（C2b）含矿岩系之中。 （一）含矿岩系 石炭系上统本溪组（C2b）是区域铝土矿的含矿岩系，以假整合形式覆盖在奥陶系中统马家沟组古风化岩面上，为风化壳相和湖泊沼泽相沉积物。含矿岩系自下而上分为三个岩性段。 下段（C2b1）铁质粘土岩，灰白、紫红色，豆鲕状、碎屑状结构，块状、斑点状构造。铁质含量由上而下逐渐增多。中、上部夹有铝土矿、粘土矿透镜体。下部含团块状、鲕状赤铁矿或菱铁矿、黄铁矿，部分地段富集成铁矿体或硫铁矿体。本层厚度020.85m，一般为1.506.00m，平均5.36m。 中段（C2b2）由铝土矿、高铝粘土矿、硬质粘土矿及铝质岩组成，岩石呈灰、深灰、黄褐及红赭等色，微粒、豆鲕状、豆状、碎屑状及凝聚状等结构，块状、多孔状构造。部分地段夹13层铁质粘土或粘土矿。本层厚度023.89m，一般1.006.00m，平均5.66m。 上段（C2b3）粘土质页岩，灰、灰白、黄褐色，底部夹炭质页岩或煤线，局部有粘土矿。本层厚度016.76m，一般0.503.00m，平均1.94m。 铝土矿含矿岩系上覆地层为石炭系上统太原组（C2t），是开阔陆表碳酸盐碎屑滨浅海沉积体系。由泥岩、砂质泥岩、砂岩、煤层、石灰岩及硅质泥岩组成。厚度8.8071.50m，一般20.0045.00m，平均34.33m 。 （二）构造 本区处于渑池倾伏向斜之北翼。渑池向斜轴线近东西向，南翼遭三门峡鲁山大断裂破坏。北翼呈向北突出的弧形，地层走向从西部的NEE向东部转为SEE。矿区处于北突弧顶西侧。岩层呈单斜构造，走向NE6070，平均68，倾向SE，倾角530。区内以断裂构造为主，无大的褶皱出现。 曹窑煤矿全区发育断层48条，其中18条是煤矿勘查及井巷揭露发现，分布于矿区北部及东西两端；有30条处于三维勘查区内，主要由地震剖面控制，分布范围很小，局限于勘查区南部。所有48条断层全部为高角度正断层。 按断层走向落差大于10m的28条断层可分为3组NE向17条，NW向9条，SN向2条。在本次曹窑煤矿深部铝土矿勘查钻探工程控制区内的断层有11条，从岩心钻探资料看，没有发现有断层切断铝土矿体的迹象，这些高角度正断层向深部尚未被发现。 矿区内没有发现岩浆。 二、主矿体规模、型态、产状、内部结构与空间分布特征 勘查区大致呈北东东向延伸，长约10.3km，北北西向宽约1.22.0km。受勘查登记区边界的限制，铝土矿含矿岩系及矿体露头都分布在勘查区北邻地区，区内没有含矿岩系出露。勘查区地表被大面积第四系黄土层及新近系砾岩覆盖，所有铝土矿体都属于隐伏矿体。地层呈单斜产出，倾向南东，倾角平缓，平均15左右。根据目前工程控制程度及资源储量估算方法的要求，区内圈出5个铝土矿体。以Ⅰ、Ⅱ号矿体最大，位于矿区东西两侧。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ号矿体较小，形成于矿区中部。Ⅰ、Ⅱ号矿体深部钻孔均见矿，矿体深部边界尚未封闭，全区有可能是单一巨大矿体。矿体总体走向北东东，倾向南东，倾角15左右，与地层倾向一致；宽2001400m，勘查圈定矿体面积约6.96km2。 从空间上看，本区铝土矿矿体的总体形态应是在厚度一至数米的似层状矿体背景上，不等距地嵌布着厚度大于9米的溶斗状矿体的复合形态。矿层总体呈单斜状向南东平缓倾斜。详查工作大致在纵79线以浅以200100、600400400200米间距对含矿层位做了系统控制；在纵95线以1600米间距沿含矿层位做了矿层走向方向的控制；在纵111线施工少量钻孔了解矿层深部情况。从揭露情况看，矿体向深部尚未出现尖灭趋势，在有的地段还有溶斗状矿体出现（如ZK23879孔，矿厚10.53m，A/S4.1；ZK110111孔，矿厚4.15m，A/S4.0）。从而启示垂深500m以下仍有找矿潜力。 矿体形态在横剖面上呈似层状、透镜（洼斗）状，以及两者的复合形态。其中透镜状矿体常处于底盘碳酸盐岩的古溶斗中，有矿体厚度大，矿石质量较好的特点。 本次普查详查阶段全区钻孔见矿率76。根据参与资源储量估算的123个见矿工程统计矿体厚度0.8517.86m，算术平均厚度5.10m；矿体厚度曲线呈单峰，厚度频率变动域较宽（见图2），厚度变化系数74，属厚度较稳定型矿体。按大于矿体平均厚度5.10m的三倍为大厚度工程计算，本区有大厚度工程三处，大厚度工程率2.44。矿体埋藏深度43.39m572.86m，平均263.39m。 图2 矿体厚度变化图 Ⅰ号矿体由横22横174勘探线之间的53个钻孔控制。矿体走向北东，倾向南东，倾角平均15左右，矿体顶板产状与围岩基本一致。平面形态呈不规则壶状，两头小、中间大。长3900m，宽2001400m。矿体面积2.84km2。矿体内见无矿天窗1个。有夹层工程13个，占矿体见矿工程的25（其中夹层为二层的有一个工程）。单工程矿体厚度最小0.85m，最大17.86m，算术平均厚度5.37m，厚度变化系数76。大厚度工程1个，大厚度工程率1.9。单工程矿体厚度分特征如图3所示。 图3 Ⅰ号矿体单工程矿层厚度分布图 Ⅱ号矿体位于横214横398勘探线之间，由57个钻孔控制。矿体走向北东，倾向南东，倾角平均15左右，矿体顶板产状与围岩基本一致。平面形态受勘查区边界影响呈不规则状。矿体走向长4700m，倾向宽5001700m，矿体面积2.32km2。沉积无矿与勘查边界的共同影响，矿体浅部形态复杂，深部矿体连续，纵79线与纵95线钻孔全部见矿，矿体边界尚未圈闭，显示出良好的找矿前景。矿体内部见无矿天窗1个。有夹层工程15个（其中夹层为二层的有二个工程，夹层为三层的有一个工程），占矿体见矿工程的27。单工程矿体厚度最小0.94m，最大16.96m，算术平均厚度5.00m，厚度变化系数78。大厚度工程2个，大厚度工程率3.6。单工程矿体厚度分特征见图4。 图4 Ⅱ号矿体单工程矿层厚度分布图 三、矿石质量特征 （一）矿物成分 矿石的主要矿物成分仅见硬水铝石，常成显微粒状，粒径0.01mm左右，其集合体常成鲕粒、豆粒、凝块状或内碎屑。有少量硬水铝石呈板状晶体存在于鲕粒内部或裂隙空洞中。矿石的次要矿物成分有高岭石、水云母，通常呈显微鳞片状分布在硬水铝石的空隙中，或与硬水铝石一起构成豆鲕同心层，局部含量可达到主要矿物水平。矿石的少量矿物蒙脱石、针铁矿、菱铁矿、黄铁矿、赤铁矿以及其他粘土矿物。矿石中微量重矿物有锐钛矿、白钛矿、金红石、锆石、榍石等。有时见微量刚玉。 （二）矿石的结构、构造 矿石结构、构造具有多样性，是铝土矿石的特征之一。本区矿石结构类型有微粒结构、鲕状结构（见照片1）、豆状结构、碎屑结构（主要指内碎屑）及它们之间的过度混合型结构。矿石 照片1 鲕状结构铝土矿矿石 照片2 致密块状构造铝土矿矿石 构造有致密块状构造（见照片2）、层纹状构造、多孔状构造、土状构造（亦称“粗糙”状构造）。层纹状构造和致密块状构造矿石多见于铝土矿体顶部，少量见于底部，外观细腻、致密，少数具微层理。这类矿石含高岭石、水云母等粘土矿物较多，常为贫矿石。土状构造也称“粗糙”状构造，矿石多呈黄绿色、灰褐色，外观似细砂岩，但其胶结疏松，有时具不规则微孔。这类矿石品位高，常处于矿体的核心位置，是重要的富铝矿石类型。多孔状矿石多为豆鲕状结构，矿石中豆鲕风化流失而成，常见于矿体下部，或边部，其矿石品位也较高。 （三）矿石化学成分 矿石的主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S、LOSS等，参与资源储量估算的全部488个合格铝土矿样品各组分中，主要组份Al2O3、SiO2、有害组份S含量及A/S分布如图示 Al2O3含量最低40.05，最高78.25，算术平均62.11，Al2O3含量大于65的样品占总样品数的42。品位变化系数13.9（见图5）。 SiO2含量最低1.09，最高26.52，算术平均12.98，SiO2含量最低10的样品占总样品数的33。品位变化系数46.3（见图6）。 图5 铝土矿矿石氧化铝含量分布图 图6 铝土矿矿石二氧化硅含量分布图 S含量区间0.017.48，算术平均1.03。品位变化系数110.0。从 S的含量分布看（见图7），低硫（S＜0.3）的样品数占27，中硫（S0.30.8）的样品数占32 ，高硫（S＞0.8）的样品数占41。表明本区矿石中硫含量比露头矿确实偏高，但是低硫矿与中硫矿样品数之和仍占59。 图7 铝土矿矿石硫含量分布图 A/S单样最低值2.1，最高为71.2，算术平均4.8（与全区（332）（333）类资源量的A/S值一致）。A/S变化系数207.5。（见图8）A/S的分布极不均匀。 图8 铝土矿矿石铝硅比分布图 从单样统计分析结果可以看出，就矿石品位A/S而言，贫矿（A/S＜3.8）的样品数占34，中品位（A/S3.87.0）的样品数占36，高品位（A/S＞7）的样品数占30，说明勘查区内，有约1/3的富矿存在。 （四）自然类型 按矿石的结构构造和外观分为致密状、豆状、鲕状、碎屑状、土状和多孔状矿石。按主要矿物成分，本区铝土矿为一水硬铝石型，软水铝石型矿石至今尚未发现。 （五）矿体（层）围岩和夹石 铝土矿含矿岩系上石炭统本溪组（C2b）一般分为三段，即C2b1铁质粘土岩，C2b2铝（粘）土矿层，C2b3粘土岩层。本区铝土矿直接顶板的岩性多为硬质粘土矿、粘土岩，呈黑灰色、灰色，泥质结构，致密块状构造，含植物化石碎片，局部含团块状黄铁矿。该层横向可变为炭质泥岩、炭质页岩。厚度一般13.2m。该层局部缺失；当缺失时，铝土矿的直接顶板可为C2t太原组的粗粒石英砂岩或生物碎屑灰岩。铝土矿的直接底板为C2b1铁质粘土岩，由紫红色、褐色、杂色含铁粘土岩构成，厚度1.949.62m，一般45m。其上部多含黄铁矿、菱铁矿或褐铁矿，有时构成铁矿体。铝土矿的直接底板之下即为奥陶系马家沟组厚层石灰岩。 本区参与资源储量估算的单工程中，有30个工程铝土矿中有夹层，夹石厚度1.029.47m，平均3.22m。夹石成分为粘土岩、粘土矿、含铁质粘土岩，局部为菱铁矿夹层。 四、曹窑煤矿区深部铝土矿勘查的启示 煤矿区深部是可以找到大型乃至特大型铝土矿床的。其深部铝土矿自身的一些特点在找矿勘查时应引起充分的注意。 （一）勘查难度大、投入成本高，选区是取得勘查成功的前提 煤矿区深部铝土矿勘查不同于浅部露头出露区域，没有矿的直观反应，铝土矿的成矿地质特点也决定了深部勘查的难度远大于浅部。因而要充分研究区域成矿地质特点，收集、对比石炭系中统 岩性柱状图，分析区域古地理、古地貌特征，进而据此筛选找矿靶区。这里岩相古地理特征是重要的找矿标志。在此基础上推断估计深部矿化情况，才能事半功倍、取得勘查成功。 曹窑煤矿区深部隐伏铝土矿是豫西铝土矿成矿区陕渑新成矿带的一部分，其含矿层位是已探明的曹窑、贾家洼大型铝矿床含矿层位向深部的自然延伸。这些显示了勘查区铝土矿资源找矿潜力。然而，在整个含矿岩系中，在矿体内部或矿体之间无论走向或倾向方向，都可能有无矿天窗或无矿间断存在，这些也将大大增加找矿勘查过程中的决策难度。 （二）煤矿区深部铝土矿矿体内部结构与矿石质量特点较浅部更为复杂 一般而言，随深度增加，矿石A/S下降且变化系数增大、S平均含量升高且分布不均、铁含量变化大，矿体内部天窗、夹层增多、边界更为复杂。 将曹窑煤矿深部Ⅰ号矿体与浅部曹窑铝矿对比、将曹窑煤矿深部Ⅱ号矿体与浅部贾家洼西区铝矿对比（表1 ），可以看出渑池向斜北翼的铝土矿床沿倾向的变化远大于沿走向的变化。浅部铝土矿床矿石品位高（A/S 7.15.7）、含硫低（0.1130.153）、矿石体重偏低（2.94t/m32.95t/m3），而曹窑煤矿深部铝土矿体矿石品位低（A/S5.14.6）、含硫高（1.031.27）、矿石体重偏高（2.97t/m3）。 值得注意的是，在总体矿石品位偏低（A/S5.14.6）的背境中，仍有约1/3的样品A/S＞7；在总体矿石S含量偏高（1.031.27）的背境中，仍有约3/5的样品S含量＜0.8；由于A/S变化系数大（207.5），矿体内部结构更为复杂（天窗、港湾、夹层增多）；同浅部相同的是，当矿体厚度大时、矿石品位亦高、S含量相对亦低。 表1 曹窑煤矿深部铝土矿与浅部的曹窑铝矿、贾家洼西区铝矿对比 项目 矿区 名称 矿石平均化学成分（wt /） 铝硅比 矿石 体重 t/m3 备 注 Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 S 曹窑铝矿 66.42 9.40 4.74 0.113 7.1 2.94 处于曹窑“煤下铝”Ⅰ号矿体浅部 贾家洼西 铝矿 66.42 11.74 2.72 2.75 0.153 5.7 2.95 处于曹窑“煤下铝”Ⅱ号矿体浅部 曹窑煤下铝 Ⅰ矿体 64.49 12.61 3.00 2.74 0.86 5.1 2.97 曹窑煤下铝 Ⅱ矿体 60.36 13.26 5.58 2.56 1.23 4.6 2.97 （三）充分研究上部煤矿区勘查资料 由于煤矿勘查网度远低于铝土矿勘查网度，加之以往煤矿勘查中往往忽略对铝土矿的综合评价，因而以上部煤矿区勘查资料预测深部铝土矿资源情况是不现实的。但是，上部煤矿区勘查资料可以提供二1煤底板的准确位置，二1煤底板到奥陶系顶板的深度在同一地区是相对固定的，因而铝土矿勘查设计的钻孔深度可较为准确的确定。 由于煤系地层与铝土矿含矿岩系是一个基本连续的沉积过程，同属一个相对稳定的地台时期，因而其基底构造缓慢的差异性活动、后期压实作用等，会在二1煤底板等高线图上留下痕迹，因而二1煤底板等高线图的形态变化可能对铝土矿含矿岩系的厚度变化有示踪意义。对铝土矿而言，只有铝土矿含矿岩系厚度较大部位才可能存在厚大的铝土矿体。 如果煤矿勘查钻孔穿过了铝土矿含矿岩系，则可有更为直接的铝土矿找矿证据。太原组地层纵横剖面岩性组合变化，同生构造的研究有助于优质富铝土矿的寻找。 （四）煤矿区深部铝土矿由于其埋藏深度大，其地下开采的开采技术条件较露天开采更为复杂 铝土矿体下部铁质粘土岩（C2b1）厚度较小（有时甚至缺失），不足以成为地下水的有效隔挡层，特别是在有断层导通时，开采过程中可能会有突水发生，造成人员生命财产损失。 曹窑煤矿区在煤矿开采中圈出较多断层，这些断层造成煤层不连续，深部铝土矿勘查发现这些断层没有进入石炭系地层。区域上铝土矿的勘查也表明切入铝土矿体的断层不多，真正切穿二迭系、石炭系及下部灰岩层的常常是区域性的较大断裂。 煤矿区深部铝土矿勘查过程中必须加强对区域性断层的研究，加强对地下水分布特征、尤其是连通性的研究。 （五）注意利用地球物理信息 许多煤矿及外围都开展过不同程度的物探工作，如地震、电测深等，这些资料中包含有铝土矿含矿岩系底板灰岩的掩埋深度、地层产状及断裂构造等地质信息。利用这些资料可以大致了解上石炭统的分布特征，甚至可以发现富铝土矿的发育部位，进一步提高勘查效果。 加强深部找矿研究，推进整装勘查实现，可以有效避免因局部钻孔的失误而导致整个勘查进程的延缓乃至终止，实现地质找矿重大突破。 在铝土矿找矿难度不断增加、资源瓶颈制约日益严重的形势下，曹窑煤矿区深部铝土矿找矿勘查所获取的资源储量成果、成矿规律及勘查方面的启示具有重要意义。 参考文献河南省渑池县曹窑煤矿区深部铝土矿详查报告2007.12 10