河南铝土矿矿物成因及其演化序列(1).pdf

第 48 卷摇 第 3 期 2012 年 5 月 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 地质与勘探 GEOLOGY AND EXPLORATION摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 Vol. 48摇 No. 3 May,2012 [收稿日期]2011-12-10;[修订日期]2012-01-18;[责任编辑]郝情情。 [基金项目]豫西铝土矿成矿物质来源研究项目编号41102048资助。 [第一作者]刘学飞1983 年-,男,博士后,现主要从事固体矿产方面研究。 E-mail huevff163. com。 河南铝土矿矿物成因及其演化序列 刘学飞1,王庆飞1,李中明2,冯跃文1,蔡书慧1,康摇 微1,王佳奇1,江露露1 1. 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室, 北京摇 100083 2. 河南省地质调查院, 河南郑州摇 450001 [摘摇 要]豫西铝土矿是我国喀斯特型铝土矿的典型代表。 本文选取豫西典型的喀斯特型铝土矿 为研究对象,通过 XRD 分析、扫描电镜-能谱分析、电子探针分析和差热分析多种手段,探测铝土矿的物 质组成及其赋存状态,并且分析其矿物成因,总结矿物演化序列。 研究显示,豫西铝土矿的主要矿物成 分包括硬水铝石、伊利石、锐钛矿、高岭石、针铁矿、赤铁矿、金红石等。 硬水铝石主体为简单结晶成因。 伊利石主体为风化过程中产物,部分为后期硬水铝石硅质交代的结果。 锐钛矿和硬水铝石同期结晶形 成于还原环境下。 大部分高岭石形成于陆源期风化阶段,少部分为后期硬水铝石硅化转变形成。 针铁 矿和赤铁矿形成于两个阶段,第一阶段为成矿前风化作用形成的铁质风化壳;第二阶段为铝土矿成岩晚 期出现了一期铁质流体活动形成了大量的赤铁矿和针铁矿。 重砂矿物金红石和锆石等主要是母岩风化 作用的残留物。 豫西铝土矿中矿物形成演化可归纳为如下五个阶段陆源期、同生期、成矿期、成矿后期 和表生期。 [关键词]豫西摇 铝土矿摇 矿物组成摇 矿物成因摇 演化序列 [中图分类号]P618摇 摇 摇 [文献标识码]A摇 [文章编号]0495-5331201203-0449-11 Liu Xue-fei, Wang Qing-fei, Li Zhong-ming, Feng Yue-wen, Cai Shu-hui, Kang Wei, Wang Jia-qi, Jiang Lu-lu. Mineral genesis and evolutionary sequence of the bauxite deposits in Henan Prov鄄 ince[J]. Geology and Exploration,2012,4830449-0459. 1摇 前言 铝土矿是在潮湿的热带-亚热带气候条件下地 表风化作用的产物,矿石中以含 Al、Fe 和 Ti 的氢氧 化物和氧化物为特征B佗rdossy,1982;B佗rdossy and Aleva,1990;Evans,1993;DArgenio and Mindszenty, 1995; Calagari and Abedini, 2007; Deng et al. , 2010。 根据基岩类型,铝土矿主要分为喀斯特型 和红土型两类。 产于碳酸盐岩古喀斯特面之上的称 为喀斯特型铝土矿,产于铝硅酸盐岩之上的称为红 土型B佗rdossy and Aleva,1990;DArgenio and Mind鄄 szenty,1995。 我国铝土矿主要分布在山西、河南、 贵州、桂西等地,均属典型喀斯特型铝土矿;少部分 红土型铝土矿分布在福建和桂中地区。 目前,国外学者对铝土矿物质组分研究的主要 目的是通过矿物组成、组合、成因以及元素组成和变 化规律探索铝土矿成矿过程。 近年来,许多国外学 者通过矿相学、矿物学、矿床地球化学等多学科综合 研究对喀斯特型铝土矿物质来源和成矿过程进行探 索研 究 Horbe and Costa, 1999; Mordberg, 2001; 魻zt俟rk and Hein,2002;Stanjek,2002;Emmerich and Smykatz- kloss,2002; laskou et al. ,2005; Garcia - Guineaa et al. , 2005;laskou et al. , 2006;Cornell and Schwertmann, 2006;Mameli and Oggiano, 2007;Bo鄄 gatyrev and Zhukov, 2009。 Mordberg1996探讨了 俄罗斯北部古生代铝土矿中微量元素沿着剖面的变 化规律,查清了微量元素在成矿过程中的变化规律。 Mordberg2001研究了俄罗斯 Schugorsk 喀斯特型 铝土矿中微量元素组成和赋存状态,查清了铝土矿 化过程中微量元素的变化规律和赋存特征。 Temur and Kansun2006通过对土耳其 Masatdagi 硬水铝 石型铝土矿的矿物学特征研究揭示了铝土矿形成于 944 内喀斯特环境;Mameli et al. 2007探讨了意大利 西部的 Nurra 铝土矿地球化学和矿物组成特征,并 且利用铕异常啄Eu对铝土矿物质来源进行示踪。 国内铝土矿物质组分研究主要集中于对矿石矿 物和元素组成的认识上;其次是通过矿石矿物特征 和地球化学元素组成和空间变化规律的研究进行判 识铝土矿物质来源和查清铝土矿成矿过程张乃 娴,1985;刘长龄,1985;杨冠群,1987;程学志,1990; 吴国炎,1996;温同想,1996;刘学飞等,2008;Liu et al. ,2010。 但是铝土矿中主要矿物类型的成因一 直是研究中的薄弱环节;这严重影响了正确认识铝 土矿形成环境、成因机制和成矿过程。 豫西是我国铝土矿资源的重要基地,豫西铝土 矿是我国喀斯特型铝土矿的典型代表。 铝土矿的研 究起始于 20 世纪 50 年代,60、70 年代处于空白时 期。 50 年代的研究主体集中于对豫西铝土矿时代 问题的讨论张文堂,1955;甘德清,1958;张崇淦, 1958;张文波,1958;赵一踢,1958;也有部分学者对 铝土矿矿物组成刘长龄,1958、物质来源与成因进 行了初步的探索赵一踢,1958;舒文博,1959。 80 年 代以来,豫西铝土矿成为矿床学领域研究的热点之 一。 研究集中于矿床地质特征、矿体特征、成矿时代、 矿石结构构造、物质组成、成矿环境、成矿规律、控矿 因素、物质来源、矿床成因和成矿过程多个方面。 随着测试技术方法的不断发展,从矿石中识别 出的矿物种类也逐步增加。 目前为止,从豫西铝土 矿矿石中识别出矿物类型有30 余种刘长龄,1958; 陈廷臻,1985;刘长龄和时子祯,1985;张乃娴和姬素 荣,1985;张乃娴,1985;刘长龄,1985;李启津,1985; 杨冠群,1987;吕夏,1988;施和生,1989;程学志, 1990;温同想,1996;褚丙武和赵春芳,2000;翟东兴, 2002。 吴国炎1996将豫西铝土矿中矿物归纳为 五大类型玉-铝矿物,包括硬水铝石、勃姆石和三 水铝石;域-粘土矿物,包括伊利石、高岭石、蒙脱 石、绿泥石、叶蜡石、地开石、埃洛石;芋-铁矿物,包 括赤铁矿、针铁矿、菱铁矿、黄铁矿、磁铁矿、钽铁矿; 郁-钛矿物,包括金红石、锐钛矿和板钛矿;吁-其他 微量矿物,锆石、电气石、硫磷铝锶矿、明矾石、方解 石、石英、长石等。 豫西铝土矿总体上是以硅、铝、钛 矿物为主,不同地区矿物组合略有差异。 本文通过 X 衍射XRD、电子探针EPMA、 扫描电镜-能谱分析SEM-EDS和热重DTA/ TG 等方法对豫西多个典型矿区铝土矿矿石中矿物组成 组成、矿物组合、化学组成和热重特征等进行了综合 分析,探索了主要组成矿物的成因,建立了矿物形成 演化序列,为理解豫西喀斯特型铝土矿成因机制和 成矿过程提供参考。 2摇 区域地质与矿床地质 豫西铝土矿区位于华北克拉通南部,秦岭造山 带的北部刘学飞,2011。 华北克拉通前寒武纪结 晶基底主要由一系列变质岩组成,从寒武纪到中奥 陶世发育深海页岩沉积和浅海碳酸盐岩建造孟祥 化和葛铭,2004;万天丰,2006。 在晚奥陶世,华北 克拉通和北秦岭抬升,并且发生强烈的风化和喀斯特 化作用,形成典型的喀斯特地貌。 晚石炭世发生多次 的海侵,风化物被搬运到华北克拉通内形成的喀斯特 洼地中,形成了大规模的喀斯特型铝粘土矿。 豫西铝土矿含矿岩系层序组成及特征明显受古 喀斯特地形的控制。 本文选择了豫西地区出露较好 的典型矿区结合钻孔资料对其郁山、府店、张瑶 院、料坡村、南坻屋、贯沟、石寺、王家后、波茨、刘庄、 大安矿区含矿岩系层序变化特征展开深入研究调 查。 研究表明,豫西铝土矿含矿岩系自下而上主体 由铁质风化壳/ 铁质粘土岩、豆鲕状铝土矿、粘土岩、 块状铝土矿和碳质粘土岩组成刘学飞,2011;李中 明,2007;吴国炎,1996。 研究显示豫西铝土矿有三种基本产出形态 玉 -层 状、似层状,层状、似层状铝土矿主要分布于嵩山古陆 北坡和中条古陆南侧,在平面上多位于大型宽阔的缓 坡状岩溶洼地的边缘至半坡,基底碳酸盐岩的岩溶作 用不甚发育,往洼地中心矿体变薄或者歼灭; 域-扁豆 状透镜状,扁豆状、透镜状铝土矿主要分布在秦岭 古陆北侧和嵩山古岛、箕山古岛和风后岭古岛相互交 错部位;在平面上分布在古岩溶的溶盆和溶洼发育地 段,古地形起伏较大;芋-溶斗状,溶斗状铝土矿主要 发育在古岩溶强烈发育的溶斗地段,古地形起伏相对 剧烈,矿体赋存于溶斗中,受溶斗地形的控制,典型的 矿床有新安张窑院、禹州方山;豫西典型矿区矿体形 态类型严格受岩溶古地形的控制。 豫西岩溶古地形 非常复杂,总体可以划分为四种类型,分别是溶斗、溶 洼、溶盆和溶原。 矿区中岩溶类型主体为溶斗且溶斗 为闭合型时,矿体主体呈透镜状产出;当溶斗向某一 方向开口时,矿体由透镜状向外转为似层状;矿区中 岩溶类型为闭合型溶洼时,矿体呈现似层状,且矿体向 溶洼两壁逐步歼灭;当溶洼向一方向开口,矿体类型向 开口方向逐渐转变为层状。 溶盆和溶原中矿体主体呈 层状展布,局部地方出现似层状刘学飞,2011。 054 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 地质与勘探摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2012 年 图 1摇 豫西地区典型铝土矿矿石样品 XRD 图 Fig. 1摇 XRD patterns of bauxite ores from the typical bauxite deposit in western Henan Province D-硬水铝石,I-伊利石,A-锐钛矿 D-diaspore,I-illite,A-anatase 3摇 矿物组成与特征 文中利用 XRD 分析了典型矿区铝土矿的主要 矿物组成,借助 EPMA 分析探索了矿物化学组成特 征,通过 SEM-EDS 观察了矿物形貌及矿物组合关 系以及 DTA 测试了矿物热分解性质。 XRD 分析在中石油勘探开发科学研究院实验 中心粉晶衍射室完成。 使用仪器为日本理学 D/ Mac-RC,试验条件为靶 CuK琢1,电压 40kV 电流 80mA,石墨单色器,扫描方式为连续扫描,扫描速度 8毅/ 分,狭缝 DSSS1毅,环境温度 18益,湿度 30。 SEM-EDS 分析在中国地质大学地质过程与矿产资 源国家重点实验室扫描电镜室完成。 EPMA 分析在 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室 电子探针室完成。 仪器为 JCXA-733,电压15kV,电 流 1伊10-8A,电子束斑大小 1滋m。 DTA 分析在北京 大学造山带与地壳演化教育部重点实验室热重实验 室完成,仪器型号为SDT Q600 V8. 0 Build 95,测试 条件为温度范围0 1200益,升温速率10益 / min, 气流速率100ml/ min。 3. 1摇 矿物组成 多种分析方法综合研究揭示豫西铝土矿矿物组成 主要包括括硬水铝石、伊利石、锐钛矿,含有少量的刚 玉、水铝英石、高岭石、蒙脱石、绿泥石、叶蜡石、埃洛石、 菱铁矿、针铁矿、赤铁矿、黄铁矿、磁铁矿、钽铁矿、金红 石、硫磷铝锶矿、锆石、电气石、铬铁矿、自然硅、硅铁矿、 斜长石、钾长石、方解石和刚玉图1、2 和3。 硬水铝石在矿石中主体呈隐晶质集合体出现, 是组成矿石的主要组分;部分结晶较好的硬水铝石 主要呈长柱状、板状图 2。 硬水铝石差热分析显 示,在 515 540益时,硬水铝石中结构水全部失去, 转变为 琢-Al2O3,表现在差热曲线中是在这个温度 范围之间有一强的吸热谷图 3。 差热分析显示硬 水铝石吸热峰值相对偏低,指示硬水铝石具有较细 小的颗粒和较低的结晶度表 1。 硬水铝石电子探 针分析结果见表 2,分析结果显示硬水铝石中 Al2O3 含量为 83. 27 84. 11;SiO2和 FeO 普遍存在硬水 铝石晶体中,含量多数不足 1;此外,TiO2也在部 分硬水铝石中存在。 其余元素包括 MgO、CaO、MnO 等也广泛存在硬水铝石晶体中。 表 1摇 豫西典型铝土矿矿石热分解温度峰值益 Table 1摇 Endothermic peaks of ores from the typical bauxite deposit in western Henan 益 样品 矿物与吸放热峰值 硬水铝石伊利石高岭石菱铁矿 H1521.47/// H2524.68//493.60 H3517.28918.41// H4505.52930.15// H5527.63/973. 88/ 摇 摇 表2摇 豫西典型铝土矿中硬水铝石电子探针分析结果wt. Table 2摇 EPMA analysis results of diasporites from the typical bauxite deposit in western Henan wt. 测试点MgOAl2O3SiO2CaO TiO2 MnOFeO总量 点 10.0583.660.600.070.83/0.3085.52 点 20.1583.341.100.06/0.070.2684.97 点 3/84.110.27/0.55/0.8185.74 点 40.0683.710.150.10//0.3084.33 点 5/83.270.12/1.19/0.0184.59 点 6/83.770.58///0.2784.63 点 70.0483.980.04/0.240.180.3884.86 点 8/83.470.470.210.44/0.5085.09 154 第 3 期摇 摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘学飞等河南铝土矿矿物成因及其演化序列摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇摇 摇 摇 摇 图 2摇 豫西地区典型矿区铝土矿矿石矿物形貌特征 Fig. 2摇 Characteristics of morphology of the bauxite ore Minerals from the typical bauxite deposit in Western Henan 摇 摇 伊利石在矿石中主要呈鳞片状集合体赋存于硬 水铝石空隙中图 2。 研究中同时发现伊利石和硬 水铝石接触边界并不是间断的,而是一个逐渐过渡 的边界;大多数与伊利石接触的硬水铝石边界均有 明显的溶蚀现象,而且有鳞片状伊利石从硬水铝石 向外生长;这一现象说明伊利石的与硬水铝石密切 相关。 伊利石差热分析显示,伊利石的第一个峰值 在 490益左右吸热释放结构水,在 910 930益 之间 放热发生相转变图 3。 伊利石电子探针分析结果 见表 3,结果显示 Al2O3含量为 32. 84 37. 89, SiO2含量为 45. 71 47. 43,K2O 含量为 9. 18 11郾 25,三者均呈现较大的变化范围。 除两个主要 元素外,Na2O、MgO、CaO、TiO2和 FeO 元素普遍存在 伊利石矿物中;Na2O、MgO 和 CaO 三者的出现可以 解释为类质同象代换伊利石矿物中的元素 K2O,而 TiO2和 FeO 则主要和为包体混入物。 此外,元素 MnO 也在部分矿物晶体中发现。 在矿石中发现两种不同类型的针铁矿; 第一类 型呈脉状、集合体形式穿插在基质中或者充填在基 质空隙中; 第二类型的针铁矿呈完好的立方体状赋 254 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 地质与勘探摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2012 年 图 3摇 豫西典型铝土矿矿石样品 DTA 曲线图 Fig. 3摇 The DTA graphs of typical ores from the typical bauxite deposit , Western Henan a-硬水铝石差热曲线,b-硬水铝石差热曲线,c-硬水铝石差热曲线,d-伊利石、硬水铝石和高岭石差热曲线,e-硬水铝石和高岭石差热曲线 a-DTA curve of diaspore, b-DTA curve of diaspore, c-DTA curve of diaspore, d-DTA curve of illite, diaspore and kaolinite, e-DTA curve of diaspore and kaolinite 存于伊利石中。 针铁矿一般呈片状、柱状或针状,立 方体型的针铁矿说明其可能是黄铁矿后期氧化转变 为针铁矿,保存了黄铁矿的原始晶体形态。 针铁矿 电子探针分析结果见表 4。 分析显示 Fe2O3含量为 73. 77 85. 68,变化范围较大;SiO2含量为 2. 90 6. 74;Al2O3含量为 0. 80 3. 74; 另外 CaO、 MgO、K2O 虽然含量均不足 1,但是普遍分布在针 铁矿中。 上述特征说明在针铁矿结晶形成时期,环 境中大量富集 Al、Si、K、Mg 和 Ca 离子;同时 Al 主体 以类质同象代换存在针铁矿中,而 K、Mg 和 Ca 则可 能主体吸附到矿物表面或者矿物结构空隙中。 其余 元素包括 Na2O 和 MnO 也在部分矿物晶体中存在。 表 3摇 豫西典型铝土矿中伊利石电子探针分析结果wt. Table 3摇 EPMA analysis results of illite from the typical bauxite deposit in western Henan Province wt. 测试点Na2OMgOAl2O3SiO2K2OCaOTiO2MnOFeO总量 点 10. 100.0136.3447.0511. 250.16//0.0995. 00 点 20. 19/37.4845.9310. 810.170. 560.13/95. 23 点 30. 20/37.5846.5810. 360.08//0.2695. 01 点 40. 221.2132.8446.829.180.540. 63/2.7494. 19 点 50. 140.1236.6946.8410. 570.12//0.5595. 04 点 60. 070.1836.5546.8310. 990.040. 250.080.0395. 03 点 70. 080.1337.5347.289.760.18//0.1395. 09 点 80. 150.0137.4746.1210. 510.191. 03/0.0995. 59 点 90. 10/38.2945.7110. 730.110. 58/0.0795. 50 点 10/0.0537.0746.2510. 97/0. 56/0.4295. 32 点 11/0.1437.0646.9710. 560.280. 11/0.2395. 34 点 12/0.1537.8947.439.69/0. 17/0.4495. 76 点 130. 300.1636.6547.1810. 02/0. 230.150.4895. 17 点 14/0.1737.5846.5110. 74/0. 20/0.7595. 93 表 4摇 豫西典型铝土矿中针铁矿电子探针分析结果wt. Table 4摇 EPMA analysis results of goethite from the typical bauxite deposit in western Henan Province wt. 测试点Na2OMgOAl2O3SiO2K2OCaOTiO2MnOFe2O3总量 点 10. 260.273.655. 120.830.23//73.7784. 14 点 20. 180.023.743. 060.300.190. 87/79.2687. 59 点 3/0.080.963. 160.110.290. 23/83.8588. 68 点 4/0.010.822. 900.040.30//83.4887. 52 点 50. 250.010.803. 410.050.18/0.0785.6890. 45 点 60. 17/1.043. 160.070.20//84.1988. 83 点 7/0.400.964. 100.260.380. 500.3675.3082. 26 点 8/0.201.456. 74/0.41//81.0589. 85 点 9/0.091.054. 55/0.39/0.0982.5088. 67 摇 摇 354 第 3 期摇 摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘学飞等河南铝土矿矿物成因及其演化序列摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 重矿物锆石、金红石多集中分布在铝土矿层的 底部,锆石晶体具有明显的磨蚀棱角以及不规则的 表面形态,指示锆石颗粒经历了长期的搬运作用;金 红石主体呈细小颗粒分散在由硬水铝石或者伊利石 组成的基质中。 锐钛矿主要和硬水铝石共生,赋存 于硬水铝石组成的基质中,呈现良好的结晶形态。 黄铁矿广泛存在铝土矿层中,而且和硬水铝石以及 伊利石密切共生,指示黄铁矿主要和硬水铝石同时 结晶形成于成矿期。 刚玉含量较少,分散在硬水铝 石基质中,磨蚀的晶体形态说明其来自物源区,经历 了长期的磨蚀和搬运过程。 高岭石差热分析显示,高岭石矿物在 550益 左 右有一吸热峰,释放结构水,在 980益左右放热发生 一相转变图 3。 水铝英石主要存在于粘土矿物 中。 3. 2摇 矿物成因 3. 2. 1摇 铝化合物 铝化合物主要包括硬水铝石、三水铝石以及微 量刚玉;其中,三水铝石在本次研究中没有发现,前 人在部分矿区发现微量三水铝石。 目前多数学者研究认为铝土矿矿石中硬水铝石 的成因有如下三种解释淤-变质成因Gorecky et al. ,1949;Ervin and Osborn,1951;Temur and Kan鄄 sun,2006,该理论指的是红土化初期形成的三水铝 石在成岩作用过程中受到压缩失水而转化为软水铝 石;软水铝石在浅变质作用下晶格转化形成硬水铝 石矿物。 于-风化成因,认为三水铝石在低温条件 下是稳定的,由三水铝石向硬水铝石转变是一个放 热的过程,会自然进行;此外,一些学者认为岩石在 风化作用的过程中,高岭石中淋滤出 SiO2是非常缓 慢的过程,高岭石的八面体结构没有被破坏,有 Al2O3替代 SiO2在高岭石的位置,转化为硬水铝石, 无需能量转化。 但是该中观点目前在实际铝土矿研 究中实例较少。 盂-简单成岩成因Kennedy,1959; Keller,1962;Keller and Stevens,1983;Valeton,1964; Kittrick,1969;Nia,1968,1971;B佗rdossy,1982;魻zl俟, 1985;D爷 Argenid and Mindszenty,1995;Liu et al. , 2010,该观点认为硬水铝石是在成岩作用过程中 结晶形成,近年来,该种观点占据了主导地位。 目 前,国内外研究者对铝土矿的变质成因和成岩成因 均持肯定的态度;但是,对变质成因的硬水铝石,在 三水铝石经历变质作用转化为硬水铝石的过程中, 周围岩石也发生了一定的变质作用;最典型的底板 碳酸盐岩通常变质为大理岩Temur and Kansun, 2006。 另外,在化学组成上,变质作用形成的硬水 铝石晶体中元素组成简单;然而,结晶成因的硬水铝 石通常具有复杂的元素组成。 硬水铝石电子探针分析显示晶体中存在 Fe、Si 和 Ti 等其它元素。 最重要的一个特征为铝土矿底 板奥陶系碳酸盐岩并没有变质迹象。 同时,硬水铝 石主体呈隐晶质与锐钛矿密切共生。 上述特征指示 豫西铝土矿矿石中硬水铝石主要为简单的成岩结晶 成因。 但是,在一些铝土矿中也出现了硬水铝石和 针铁矿密切共生的鲕粒;针铁矿一般形成在红土化 过程的表生环境;二者的共生指示少量的硬水铝石 也在表生环境中形成,或者在还原环境下形成的硬 水铝石与黄铁矿鲕粒,其中黄铁矿在表生环境下被 氧化成针铁矿。 三水铝石矿物在矿石含量较少,主要认为三水 铝石为陆源阶段红土化的产物。 铝土矿中的刚玉通 常是风化作用过程中残留矿物,或者是后期硬水铝 石变质脱水形成;豫西铝土矿中刚玉主体为风化阶 段残留的矿物。 3. 2. 2摇 铁化合物 豫西地区含矿岩系中铁的化合物种类较丰富, 包括有针铁矿、赤铁矿、菱铁矿、黄铁矿、磁铁矿和钽 铁矿等。 赤铁矿、针铁矿可以通过地表风化作用释 放出来的铁离子在地表环境下结晶形成,该类型铁 氧化物形成的条件是 pH7、Eh0. 2Grubbs et al. , 1982;B佗rdossy and Aleva,1990;D爷Argenid and Mind鄄 szenty,1995;Anthony et al. ,1997;Temur and Kan鄄 sun,2006。 也有部分通过氧化已经形成的黄铁矿 和菱铁矿等二价铁矿物形成Anand et al. ,1991; B佗rdossy and Aleva,1990。 豫西铝土矿中赤铁矿含 量较少,主体为地表风化作用时形成的产物;然而扫 描电镜分析显示大量针铁矿主体以脉状的形式穿插 在以硬水铝石和伊利石组成的基质中,这说明大部 分针铁矿形成晚于硬水铝石,而且为铁质流体的渗 透、结晶形成,为成矿后期产物。 菱铁矿通常出现在含矿岩系的底部,呈细小鲕 粒状产出;说明菱铁矿形成于成矿前期同生期。 黄铁矿是喀斯特型铝土矿中常见的一个矿物Bard鄄 ossy,1982;魻zt俟rk and Hein,2002;Laskou and Econo鄄 mou-Eliopoulos,2007。 铝土矿中黄铁矿的形成通 常与有机质和碎屑状铁的氧化物/ 氢氧化物有密切 关系,由海水带入喀斯特洼地而形成Berner,1981; German- Heins,1994; D爷 Argenid and Mindszenty, 1995;Kalaitzidis et al. ,2009,通常和硬水铝石密切 454 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 地质与勘探摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2012 年 共生。 豫西铝土矿中黄铁矿主要和硬水铝石密切共 生,指示其形成于成矿期。 磁铁矿主体为陆源重矿物,是风化作用的结果。 钛铁矿可能是陆源重矿物的组成部分;也可能是沉 积型铝土矿形成过程中结晶形成。 3. 2. 3摇 钛化合物 铝土矿中主要存在的钛的氧化物有锐钛矿和金 红石,还有少量的板钛矿等。 豫西铝土矿中,钛的氧 化物以锐钛矿为主。 锐钛矿的生成条件及范围较狭 窄,只有在 TiO2供应充分、低温低压及弱碱性的环 境下才能形成魻zl俟,1985;金红石主要形成于相对 高温高压的地质环境中,但在热液条件下也能生成。 豫西铝土矿矿石中的锐钛矿和硬水铝石共生,互相 包含和穿插,反应大量的锐钛矿是成矿期/ 成岩期结 晶形成。 金红石晶体形态保持完好,大部分分散在 硬水铝石和鲕绿泥石集合体中,代表了一种碎屑来 源。 3. 2. 4摇 粘土矿物 豫西含矿岩系剖面中粘土矿物主要包括伊利 石、高岭石和少量的绿泥石;其中以伊利石为主。 伊 利石是地表环境下最普遍的一种粘土矿物,其成因 经历了长达一个世纪的探索和研究;但是其成因仍 然存在很大的困惑B佴tard et al. ,2009。 目前,对 风化作用中形成的伊利石有两种成因观点淤-伊 利石主要由云母转化而形成,该过程中矿物结构并 没有明显改变Meunier and Velde,2004;于-钾长 石和斜长石通过蚀变等转化为伊利石,该过程中矿 物结 构 发 生 了 改 变, 伊 利 石 为 一 个 新 生 矿 物 Reichenbach and Rich,1975;Singer,1989;Meunier and Velde,2004。 典型矿区中伊利石电子探针和 扫描电镜分析显示伊利石主体呈隐晶质,是组成矿 石基质的主要成分。 部分伊利石继承了云母的板状 形态,这说明伊利石主要是由云母在地表红土化过 程中转变而形成;但是也不能排除伊利石可以通过 钾长石或者斜长石转化而重结晶形成。 此外,大部 分伊利石主要以集合体形态赋存于硬水铝石集合体 的空隙中,而且二者接触的边界处硬水铝石具有明 显的溶蚀现象;这说明硬水铝石可能在后期改造为 伊利石。 高岭石是大多数铝土矿普遍存在的一种粘土矿 物,其可能为风化残留、同生和后生来源Dangi觬, 1985。 经铝土矿高岭石化作用而形成的后生高岭 石已经在世界多个国家和地区报道 Goldman, 1955; Goldman and Tracey,1964; Bushinsky,1968; Valeton, 1972; B佗rdossy, 1982; Keller and Clarke, 1984。 在豫西铝粘土矿中,高岭石主要分布在 奥陶系碳酸盐岩表面的风化壳中,是典型的风化过 程的产物,部分矿区中高岭石可以被埃洛石取代。 此外,在部分矿区中研究发现硬水铝石集合体和高 岭石集合体密切共生,该类型高岭石可能是后期硬 水铝石硅化形成。 鲕绿泥石在还原环境pH 在 7 8 的范围内, Eh 高于-0. 2,如 pH 在 8 9 的范围之内,Eh 高于 0和低压条件下形成DArgenio and Mindszenty, 1995;Temur and Kansun,2006。 豫西含矿岩系中鲕 绿泥石含量较少,多数是以碎屑的形式被包裹在基 质中,说明鲕绿泥石形成于一定的喀斯特环境并经 过一定距离的运移到达成矿场所,形成早于成矿期。 此外,在部分矿区中,鲕绿泥石也可以是粘土矿物的 主要组成部分。 例如在府店矿区李家窑铝土矿中, 鲕绿泥石普遍发育并具有良好的晶体形态,说明该 类型鲕绿泥石为成矿期结晶形成。 3. 2. 5摇 其它矿物 豫西铝粘土矿中还包括微量锆石、电气石、 斜长石、钾长石和方解石。 其中锆石、电气石是风化 作用过程中重要的重砂矿物,来自陆源期风化产物。 斜长石、钾长石和方解石均是铝土矿周围岩石中主 要的矿物成分,因此均可能是风化残留物,但是也可 以是后期的热液作用形成。 4摇 矿物演化序列 豫西铝土矿矿物生成顺序,前人也做过大量研 究,取得了一些结论和认识温同想,1996;吴国炎, 1996。 本次研究中,新发现了几种矿物类型,并结 合多种研究手段对主要矿物类型成因进行了全面的 解释;结合前人研究成果,本文重新阐述了豫西铝土 矿主要组成矿物生成过程与顺序表 5。 矿物形成 阶段大概可以划分为四个阶段陆源期、同生期、成 矿期、成矿后期和表生期。 根据显微镜及扫面电镜 下观察结果显示,各矿物拥有不同的形态特征,不同 的空间位置以及相互之间有不同的穿插关系,证明 了其形成于不同的成矿阶段。 陆源期形成的矿物包括两大类,第一种类型是 抗风化作用的重砂矿物组合,包括锆石、金红石、磁 铁矿、钛铁矿、电气石、碳硅石、铬铁矿、刚玉、自然硅 和硅铁矿等,这些碎屑矿物表面均有一定程度的磨 损和破碎现象,有的甚至被磨蚀为次圆或是混圆状; 第二类矿物是表生风化作用过程形成的新生矿物, 554 第 3 期摇 摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘学飞等河南铝土矿矿物成因及其演化序列摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇摇 摇 摇 摇 这类矿物包括黄钾铁矾、明矾石、高岭石、埃洛石、以 及部分伊利石、水铝英石、针铁矿、赤铁矿等。 表 5摇 豫西铝土矿中主要矿物生成顺序表 Table 5摇 ation sequence of minerals from the bauxite deposit in western Henan Province 陆源期同生期成矿期成矿后期表生期 硬水铝石*** * *// 刚玉* * *//// 水铝英石*** * *// 伊利石* * **/* */ 高岭石* * *//* ** * 蒙脱石* * *//// 绿泥石//* * *// 叶蜡石//* * *// 埃洛石* * *//// 菱铁矿/* * **// 针铁矿* */* */* * 赤铁矿* */*/* * 黄铁矿/* * ** *// 磁铁矿* * *//// 钽铁矿* * *//// 锐钛矿//* * *// 金红石* * *//// 硫磷铝锶矿//* * *// 锆石* * *//// 电气石* * *//// 碳硅石* * *//// 铬铁矿* * *//// 自然硅* * *//// 硅铁矿* * *//// 斜长石* * *//// 钾长石* * *//// 方解石* * ** */// 摇 摇 “* * *冶大量形成;“* *冶部分形成;“*冶少量形成;“ / 冶没有形 成。 同生期是沉积物被搬运到沉积洼地中,还没有 压实成岩作用之前发生的一系列物理化学作用过 程;在豫西铝土矿中,形成于这个阶段的主要矿物应 该是广泛分布在喀斯特洼地底部的菱铁矿和黄铁 矿;另外,少量的硬水铝石、水铝英石和方解石等也 可能形成于这个阶段。 成矿期主要指的是硬水铝石结晶形成铝土矿时 期,在豫西铝土矿中,硬水铝石主要为简单的成岩结 晶成因。 因此,成矿期对应的为成岩期;该阶段形成 的矿物包括硬水铝石、锐钛矿、水铝英石、伊利石、绿 泥石、叶腊石、硫磷铝锶矿和少量的绿泥石等矿物。 成矿后期是主要矿物硬水铝石等结晶形成之 后,矿石中所经历的一系列改造作用。 该阶段包括 大量的脉状的针铁矿、部分由硬水铝石转化而形成 的伊利石和高岭石。 表生期为铝土矿形成以后,被再次抬升地表之 后所发生的一系列转变过程。 在豫西铝土矿中,该 阶段转变最明显的矿物类型是铁矿物。 形成还原环 境下的黄铁矿、菱铁矿等二价铁矿物在氧化环境下 分解、氧化为针铁矿、赤铁矿等稳定矿物类型。 此 外,部分粘土矿物的分解会出现富含 Al 和 Si 的流 体,在合适的环境条件下,会结晶形成高岭石矿物。 5摇 结论 1 目前,豫西铝土矿中已发现 30 多种矿物类 型。 多种测试手段分析显示,豫西典型铝土矿矿石 中主要矿物成分为硬水铝石、伊利石、锐钛矿,矿石 中含有少量的针铁矿、高岭石、