（地质工程专业论文）山西铝土矿含矿岩系中伴生的稀有、稀土元素分布特征与成因探讨.pdf

太原理工大学工程硕士学位论文 山西铝土矿含矿岩系中伴生的 稀有、稀土元素分布特征与成因探讨 摘要 本文通过对山西省铝土矿含矿岩系的地质特征分析，着 重分析了铝( 粘) 土矿伴生的稀有、稀土元素的成矿特征、 分布规律、稀土元素( r e e ) 分配模式，并借鉴以往研究成果， 在对矿区铝土矿成矿古地理环境、沉积相模式、物质来源、 迁移方式等综合研究基础上，探讨了成矿机理，提出作为铝 土矿伴生元素的稀有、稀土元素以分散状态赋存于铝土矿及 其顶、底板相当层位中，含量分布归结为三种形式，即右倾 斜式、拱桥式及左右倾斜式。稀有、稀土元素各分层品位总 体变化规律为由下至上降低，与a 1 ：0 。呈正相关关系；稀土、 铌钽的品位总体以铝土矿层最高，粘土矿次之，顶部粘土岩 最低。 关键词：铝土矿，稀有、稀土元素，分布规律，成 矿机理 t h ed l s c u s s i o no ft h ed l s t r b u t i o nr u l ea n d t h ec a u s eo ff o r m a tio no ft h er a r ee l e m e n t s a n dl a n t h a n o nf o r m e dt o g e t h e rwit ht h e b a u x l t e - b e a r i n gr o c ks e r l e sl ns h a n x ip r o v i n c e a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y s e st h es t r a t u mo ft h eg e o l o g i c c h a r a c t e ro ft h eb a u x i t em i n e r a l r o c k si ns h a n x i p r o v i n c e ，e m p h a s i z e s o nt h e f o r m i n g c h a r a c t e r ， d i s t r i b u t i o nr u l eo ft h er a r ee l e m e n ta n dl a n t h a n o n f o r m e dt o g e t h e rw i t hb a u x i t e ( c l a y ) ，t h ed i s t r i b u t i o n m o d ea n dt h ef o r m i n gc a u s eo ft h er e e u s i n gt h e f o r m e rr e s e a r c hr e s u l t sa sr e f e r e n c e ，b a s e do nt h e s y n t h e t i c a l l ya n a l y s i n g o ft h e p a l e o g e o g r a p h i c e n v i r o n m e n t ，s e d i m e n t a r ym o d e l ，m a t e r i a lr e s o u r c e s ， t r a n s f e r e n c em o d eo ft h eb a u x i t ed i g g i n g s ，t h ep a p e r d i s c u s s e st h ec a u s eo f t h em i n e r a l sf o r m a t i o n ， s t a t e st h a tt h er a r ee l e m e n ta n dl a n t h a n o n f o r m e d t o g e t h e r w i t ht h eb a u x i t ed i s t r i b u t ed i s p e r s e d l y i n 2 t h eb a u x i t ea n da r o u n dt h e t o pa n db o t t o ma d j a c e n t l a y e r s o ft h eb a u x i t e t h e r ea r et h r e e t y p e so ft h e c o n t e n t d i s t r i b u t i o n ，t h e m o d e so f r i g h ts l a n t i n g ， a r c hb r i d g e ，l e f ta n dr i g h ts l a n t i n g a saw h o l e ，t h e q u a l i t yo fr e ed e c l i n ef r o mt h el o w e rl a y e rt ot h e u p p e r ，i n c r e a s ew i t ht h eb a u x i t ec o n t e n t t h eq u a l i t y o ft h el a n t h a n o n ，c o l u m b i u ma n dt a n t a l u mis h i g h e s t i nt h eb a u x i t el a y e r ( g 2 ) ，l o w e ri nt h e c l a yo r e ( g 3 ) ， l o w e s ti nt h et o pc l a yr o c k ( g 4 ) k e yw o r d s b a u x i t e ，t h er a r ee l e m e n ta n dl a n t h a n o n ，t h el a w o fd i s t r i b u t i o n ，t h ec a u s eo ft h em i n e r a l sf o r m a t i o n 太原理工大学工程硕士学位论文 1 绪论 ij 1 西省矿产资源十分丰富，特别铝土矿不但分布广 泛，而且储量、规模在全国均占有重要地位。 经过地质工作者近几年的工作，于2 0 世纪9 0 年代中 后期新发现了山西铝( 粘) 土矿含矿岩系中伴生有一定规 模的稀有、稀土元素，呈分散吸附状态( 一般多以氧化物 形式存在，稀土以轻稀土为主) ，同时伴生有铳、铌钽以 及稀散元素镓等。 1 1 稀有、稀土元素性质简介 稀土元素是元素周期表中i i i b 族的镧系15 种元素和 钇的总称，稀土元素的分组有两种：一种为三分法，可分 为轻稀士( l a n b ) ，用l r e e 表示；中稀土( s m h o 或s m - 一g d ) ， 用i r e e 表示；重稀土( e r l u 或t bl u + y ) ，用h r e e 表示， 以轻稀土元素为主。另一种为二分法，即铈组和钇组，铈 组稀土( l a - e u ) ，用c e 表示，称轻稀土( 或铈族稀土) 组； 钇组稀土( g d _ 一l u y ) ，用y 表示，称重稀土( 或钇族稀士) 组。 “稀土元素”这一称谓源自早期的观点，当时认为这 1 太原理工大学工程硕士学位论文 些元素只能从非常稀有的材料中分离得到。然而地质勘察 结果表明这些元素在地壳中储量相当丰富，例如铈的储量 高于钴，钇的储量高于铅，镥和铥储量与锑、汞、银相当。 稀土元素地球化学特征表现为：a 、只要其中一个元 素出现，其它元素都会同时存在，它们的组合是一定的地 质与地球化学条件反应产物；b 、在沉积过程中，起主要 作用的是稀土元素的水合和吸附特征，以及稀土络合物的 溶解性；c 、稀土元素的分配在一般的沉积成岩甚至浅变 质过程中，基本保持不变；d 、稀土元素是地球化学作用 的重要指示剂和示踪剂。 稀上元素是典型的金属元素，银白色或银灰色，金属 光泽，硬度大，导电性不良，具延展性。其化学性质活泼， 仅次于碱土金属，常温下稀土金属需保存在煤油中。按稀 土金属的活泼性次序排列，镧元素最活泼，由镧至镥活泼 性递减。轻稀土金属燃点很低，并在燃烧时放出大量的热。 稀土元素能与许多元素化合，发生氧化反应时，一般生成 稳定性很高的r e ：0 。型氧化物，但与碱几乎不发生反应。稀 土及其合金有大量吸氢的能力，如镍合金是良好的储氢材料。 稀有元素主要指锂( l i ) 、铷( r b ) 、铯( c s ) 、铍( b e ) 、铌( n h ) 、 钽( t a ) 、锆( z r ) 、铪( h f ) 等，它们化学性质相似，多用于高 太原理工大学工程硕士学位论文 科技领域。 1 2 前景及用途 稀土是我国特有的矿产资源，全世界已探明的稀土储 量9 0 在中国，世界稀土总消费量的7 0 由我国供应，实际 垄断了世界稀土原料的供给。目前，我国稀土开采新工艺 已达国际先进水平，基本上形成了以包头稀土研究院为中 心的科研基地。以包钢稀土公司，甘肃稀土公司为轴心的 稀土生产基地和以上海跃龙公司为龙头的稀土应用开发 基地，己成为世界最大的稀土生产公司。 稀土在地球上的储量虽然稀少，地位却十分重要，与 其它金属相比，稀土元素非常昂贵，被誉为“工业味精”， 是一种战略性矿产资源，主要应用于高技术材料领域。稀 土氧化物的价格根据其稀少程度和萃取方法的不同，从 $ 2 0 k g 到$ 7 0 0 0 k g 不等，而稀土金属又比其氧化物大约贵 $ 8 0 k g 。这种状况完全是由于稀土元素难于分离造成的。 稀土元素在冶金、燃料电池、玻璃和制陶染色以及磁 体生产等领域都有广泛的应用。 在冶金工业中，将“混合稀土金属”( 从混合氧化物 中直接还原得到的一种稀土金属混合物) 加入熔融铁水或 太原理工大学工程硕士学位论文 有色金属中，可以改进金属的机械性质。低温燃料电池需 要储氢，使用镧一镍合金可以达到这个目的。 高温燃料电池使用稀土氧化物稳定的氧化锆作为电 解质，一些电极材料也含有稀土元素。同样的电解质若用 于氧传感器，可以用来控制内燃机，以及测量熔化的铁水 和铜水中的氧含量。而且，利用钆合金的磁热效应可以在 不同系统中实现磁致冷或磁致热。 目前，稀土氧化物最大的用途仍然是有色玻璃和陶 瓷。加入钕可使玻璃从蓝色变成酒红色，加镨可变成绿色， 加铒可变成粉红色，加钬可变成蓝色。将稀土与其它元素 结合，可以生成其它颜色，比如，钛和铈结合生成黄色。 稀土元素应用增长最快的领域是对其磁性的应用。钐 一钻合金和钕一铁一硼合金是非常稳定的磁体，它们有很 高的剩磁和矫顽力。这些磁体是构成硬盘驱动器、电动发 动机和耳塞的必需部分。 稀土元素的应用很有可能会继续增加，但是许多应用 被这些元素高昂的价格所限制。新方法将会使稀土元素的 分离方法向更为简单、便捷的方向发展，进一步降低稀土 价格，为这些独特的元素开辟更加广阔的应用前景。 稀有金属锂为最轻的碱土金属，常与氧形成氧化物赋 4 太原理工大学工程硕士学位论文 存于硅酸盐矿物中，多用于原子能工业和冶金工业，铝电 解槽中加入锂盐，可大大降低熔点，提高电解效率。 铷为银白色轻金属，在空气中能自燃，遇水激烈燃烧 甚至爆炸，具有较高的正电性和最大的光电效应，多用于 制造电予器件。铷和铯由于化学性质相似而密切共生，铷 与钾的地球化学性质相近而参与钾矿物的晶格，一般含在 云母与长石中。 鲍为银白色轻金属，其特性与铷相似，它是制造原子 钟和全球定位系统不可缺少的材料。 铍为浅灰色轻金属，有良好的耐腐蚀性和高温强度， 良好的辐射透过性和中子慢化、反射及红外线的反射性 能。多用于原予反应堆的防护材料和制各中子源。 铌、钽具有完全相同的外层电子分布，相近的原子半 径、离子半径而密切共生，它们具有强度高，抗疲劳，抗 腐蚀，抗变形，导热，超导，单极导电及吸收气体等优良 特性。广泛用于电子、宇航、机械工业及原子反应堆中。 锆有灰色致密状和黑色粉末状两种，耐高温，抗腐蚀， 易加工，是原子能工业的重要材料。锆和铪具有完全相同 的外层电子结构，相近的原子半径、离子半径、氧化价而 密切共生。 太原理工大学工程硕士学位论文 铪是光亮的银自色金属，具可塑性，耐高温抗腐蚀， 是原子能工业的重要材料。铪的中子捕获截面大，是较理 想的中子吸收体。 1 3 以往工作情况 山西对于稀有、稀土元素的研究工作开始的较晚，较 系统一作始于1 9 9 7 年，陈平等专家通过大量的实地工作， 对稀有、稀土元素的的分布、分配特点及物质来源、成矿 阶段及矿床模式等均作了论述，并著有山西铝土矿矿床 成因和成矿模式研究一书。 1 9 9 9 2 0 0 3 年山西省地质调查院组织全省地质单位通 过大量的资料收集和采样化验工作，分析了全省典型的铝 土矿成矿区的特点，总结出山西铝土矿含矿岩系中伴生有 大量的稀有、稀土元素，仅4 个典型铝土矿矿区( 交门赵 家圪垛、交口上庄一赵村、霍西盆地、宁武县宽草坪) 中 稀土氧化物( r e o ) 资源量就达1 0 l 万吨，稀有元素铌、钽 氧化物 ( n b + t a ) 。0 。 资源量达11 万吨，并编有山西铝( 粘) 士矿含矿岩系中稀有、稀土金属矿综合评价报告，作 者亲自参加了该项工作。 但关于稀有、稀土矿物的专题总结性研究则很少。 6 太原理工大学工程硕士学位论文 关于稀土元素在铝土矿中的含量及储量，由于缺乏分 析数据，迄今没有t 表储量，但据十几个铝土矿床中元素 分析，铝土矿中稀土氧化物含量大都在o 卜o 1 5 之间， 按边界品位0 1 估算，山西铝土矿中蕴藏有约9 5 万吨稀 土氧化物，其中8 0 为轻稀土氧化物。 注：稀土元素即镧( i 。a ) 、铈( c e ) 、镨( p r ) 、钕( n d ) 、钷( p m ) 、 钐( s i n ) 、铕( e u ) 、钆( ( ；d ) 、铽( t b ) 、镝( d y ) 、钬( h o ) 、铒( f r ) 、 铥( l 、m ) 、镱( g b ) 、镥( i u ) 、钇( y ) 。 太原理工大学工程硕士学位论文 2 区域地质 山西地貌属于我国黄土高原的一部分，泛称“山西高 原”，地理位置介于东径1 1 0 。1 4 一1 1 0 。3 27 ，北纬f 4 。3 4 4 0 。3 4 之间，总面积1 5 6 1 0 3k m 2 ，其中山地占4 0 ，大 部分山地基岩裸露，各时代地层均有良好的出露。 2 1 地层 ij i 西省铝土成矿区地层系统为典型的华北地层型，区 内出露地层由老至新为前寒武系太岳群，长城系，古生界 寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三迭系、侏罗 系，新生界第三系、第四系，沉积缺失寒武系下统、奥陶 系上统、志留系、泥盆系、石炭系下统。与铝土矿成矿有 密切关系的地层为奥陶系、石炭系。 21 1 奥陶系( 0 ) 为铝土矿的基底岩层，属海相碳酸盐岩沉积建造，在 全区均有出露。包括下统和中统，与下伏寒武系呈整合接 触关系。 ( 1 ) 下统( 0 1 ) 太原理工人学工程硕士学位论文 包括冶里组( 0 j y ) 和亮甲山( 0 ，1 ) 组，为厚层状白云岩、 泥质白云岩夹燧石条带； ( 2 ) 中统( 0 2 ) 包括上马家沟组( 0 ：s ) 下马家沟组( 0 ：x ) 及峰峰组( 0 ：f ) 。 沉积地层为中、厚层状灰岩、白云岩，夹石英砂岩。山西 省北部缺失峰峰组。 21 2 石炭系( c ) 石炭系为区内铝( 粘) 土矿的主要赋存层位，包括中 统本溪组、上统太原组和山西组，全区分布广泛。 ( 1 ) 本溪组( c 2 b ) 本组为滨海相碳酸盐岩和碎屑岩沉积建造。该组地层 与下伏奥陶系中统上马家沟组地层呈平行不整合接触关 系，由下而卜可分为两个岩性段即铁铝岩段和半沟段： 铁铝岩段( c ：b ) ： 下部为紫红、褐红、褐黄等杂色铁质粘土岩，多见夹 有铁质团块，局部相变为褐红色团块状褐铁矿和赤铁矿 ( 即山西式铁矿) 。该层厚度随奥陶系灰岩侵蚀面凹凸矸i 平而发生变化，发育很不均衡。其上局部为灰绿色致密状 绿泥石铝土岩。 中部为灰黄一灰白色厚层铝土矿。 9 太原理工大学工程硕士学位论文 上部为深灰、浅灰、灰黄和紫红等色的粘土岩、粘土 页岩。 顶部为灰色、灰绿色砂质页岩夹细砂岩，其上为极薄 的深灰色软质粘土，局部相变为煤线或薄煤层。 半沟段( c ：b 2 ) ： 下部为深灰色厚层生物碎屑灰岩，灰岩中含贝类和海 百合茎化石。 中部为深灰色页岩，粉砂质页岩，部分地段夹薄煤层 ( 或煤线) 和灰岩透镜体。 上部为土黄色钙质粉砂岩及灰绿色砂质页岩。 ( 2 ) 石炭系上统太原组( c 。t ) 为海陆交互相含煤沉积建造。与下伏地层连续沉积， 是区内主要含煤岩系，分布广泛，由下而上分为三个岩性 段。 一段( c ；t i ) ： 底部为灰白灰黄色厚层含砾石英粗砂岩，部分地段 为浅褐黄色细砂岩，层位稳定。 f 部为深灰色页岩，灰白色岩屑砂岩及煤层，页岩厚 度较大，但发育不均衡，可见细砂岩、灰岩透镜体，菱铁 矿结核和煤线，含植物化石碎片。 太原理工大学j e 程硕士学位论文 中部为灰深灰色页岩夹不稳定煤层，厚度变化较大。 上部为灰白灰黄色长石岩屑砂岩、页岩及煤层。 二段( c 、t 2 ) ： 下部为灰扶白色厚层长石石英细砂岩及砂质页岩。 中部为灰一深灰色泥岩、页岩，夹不稳定煤层。 上部为深灰灰黄色粉砂岩，局部为粉砂质页岩，央 菱铁矿结核。 三段( c ，t3 ) ： 由两层灰岩及砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层组成。 ( 3 ) 山西组( c 。s ) 底部为灰褐黄色砂岩及页岩互层，局部见灰色厚层 中粗粒岩屑砂岩，夹一不稳定煤层。 下部为煤层及灰色一黄色页岩、砂岩等。其上为浅灰 色页岩夹薄层煤及砂岩，砂岩中见炭质岩屑呈条带状分 布。 中部为砂质页岩、深灰色页岩、炭质页岩及煤互层， 局部夹厚层石英砂岩、岩屑砂岩和粉砂岩。 上部以灰黄色长石粗砂岩为主，夹薄层岩屑砂岩。 太原理工大学工程硕士学位论文 2 2 构造 2 2 1 一般地质 区内地层自中太古界至新生界均有出露，沉积缺失寒 武系下统、奥陶系上统、志留系、泥盆系、石炭系下统。 与铝土矿成矿有密切关系的地层为奥陶系、石炭系。 构造为山西地块华北地台i i 级构造单元，华北地台北 端为天山一赤峰活动带( i i ) ，南端为昆一秦岭活动带( i i ，) 。 i i 即西伯利亚板块与中朝板块间的原兴蒙洋；l i 即华北 板块与华南板块间的原秦祁洋。秦祁洋即古特提斯洋的北 分枝。由此可知，o 4 0 ，a s 2 6 ) 、 一一般为单层，局部间夹铝土岩( a 1 2 0 3 4 0 ) 或粘土矿， 并呈插花状将铝土矿层分隔为2 3 层，而铝土矿本身则 因矿物成分及结构、构造不同而又区分为不同的矿石。据 统计，在下有“绿矿”( 含绿泥石的铝土矿) 上有“白矿”( 正 常型铝士矿) 的剖面中，其矿石类型变化为绿矿( 中贫矿) 一半粗糙状铝土矿( 中富矿) 一粗糙状铝土矿( 富矿) 一 太原理工犬学工程硕士学位论文 豆鲕状碎屑状铝士矿( 次贫矿) ，但也有豆鲕状碎屑状 锚土矿在下，半粗糙粗糙状铝土矿在上的情况；在无绿 矿”的“白矿”剖面中，一般下部为碎屑状铝土矿，中部为 半粗糙状粗糙状铝土矿，上部为致密状铝土矿，但也有 全为碎屑状( 豆鲕状) 及半粗糙( 粗糙) 状铝土矿的单一 剖面类型。在全部以白矿为主要产区的阳泉一带则具有鲕 ( 豆) 碎屑状铝土矿一半粗糙粗糙状铝土矿一鲕( 豆) 碎屑状铝士矿一致密状铝土矿，即贫富贫的所谓包 心构造序列。从矿石的成因结构看，通过大量电镜扫描， 不论是鲕( 豆) 碎屑状铝土矿，或是半粗糙粗糙状及 致密状铝土矿，主要为铝土矿屑及粘土岩屑所组成、不同 贫富的铝士矿，即由不同粒度的铝土矿屑及粘土岩屑以不 同比例搭配所组成，矿屑颗粒越细，矿石质量越好。铝土 矿( 岩) 屑及粘土矿( 岩) 屑的出现，代表了一种特殊的 地质条件，是判断母岩性质可靠而直接的标志。 ( 3 ) 铝土岩( 粘土矿) 层( g a ) 以铝土岩( a 1 2 0 3 s i 0 2 ，a s 0 0 0 6 ，最低平均值为宁武 一静乐地区，最高平均值为沁源地区，多数地区平均值在 0 0 0 7 8 0 0 0 9 9 之间。 s ， 太原理工大学工程硕士学位论文 铝土矿层( g 2 ) r e o ：含量变化在o 0 1 4 2 0 ，2 3 8 3 之问，最低者在孝义 交口地区，多数地区最低值变动在o 0 2 7 8 0 0 5 0 1 之间： 最高值在五台地区，多数地区最高值 01 。平均值变动 在0 ，0 6 7 1 0135 6 之间，一般 0 0 8 5 ，最低平均值为 晋城地区，最高平均值为阳泉地区；多数地区平均值 0 1 1 。 ( n b + t a ) 2 0 s ：含量变化在0 。0 0 6 2 0 0 2 8 9 j t l 间，最低值 在阳泉地区，多数地区最低值变动在0 0 0 7 7 0 0 13 1 之 间；最高值在阳泉地区，多数地区最高值变动在 o 0 l9 7 - - 0 0 2 5 2 之间，平均值变动在o 0 l3 7 0 0 1 4 7 之 间，一般 0 0 12 ，最低平均值为宁武一静乐地区，最高 平均值为孝义一交口地区。 粘土矿层( g 3 ) r e o ：含量变化在0 0 0 8 4 0 1 8 2 3 之间，最低者在五台 地区，多数地区最低值变动在0 0 1 4 1 一o 0 5 3 6 之| 、日j ；最高 值也在五台地区，多数地区最高值 o 1 2 。平均值变动在 0 0 4 3 9 0 0 8 7 2 之问，一般o 0 5 ，最低平均值为晋城 地区，最高平均值为五台地区；多数地区平均值 0 ( 4 7 5 0 0 8 5 5 。 太原理工大学工程硕士学位论文 ( n b + t a ) 2 0 5 ：含量变化在0 0 0 1 2 - - 0 0 1 5 2 之间，最低值 在孝义一交口地区，多数地区最低值 0 0 5 6 ；最高值也 在孝义一交口地区，多数地区最高值变动在 0 0 1 1 9 - - 0 0 l5 1 之间，平均值变动在0 0 0 8 0 0 0 1 2 1 之 间，一般 0 0 0 8 ，最低平均值为灵石一汾西地区，最高 平均值为西山地区，其它地区平均值0 0 0 8 6 0 0 1 1 2 。 粘土岩层( 0 4 ) r e o ：含量变化在o 0 0 9 8 0 1 9 2 2 之间，最低者在沁源 地区，其它地区最低值变动在0 0 1 0 0 0 0 3 9 4 之间；最高 值也在阳泉地区，多数地区最高值 0 1 1 。平均值变动在 0 0 4 2 8 0 0 6 5 3 之间，一般 o 0 4 5 ，最低平均值为宁 武一静乐地区，最高平均值为晋城地区；其它地区平均值 o ( ) 4 3 4 0 0 5 3 3 。 ( n b + t a ) 2 0 5 ：含量变化在0 0 0 1 1 0 0 2 0 2 之间，最低值 在阳泉地区，多数地区最低值在o 0 0 2 0 0 0 0 6 0 之间： 最高值在沁源地区，其它地区最高值变动在 o 0 1 1 0 - - 0 0 l7 0 之间，平均值变动在o 0 0 5 7 0 0 0 9 2 之 间，一般 0 0 0 6 ，最低平均值为五台地区，最高平均 值为灵石一汾西地区，其它地区平均值在0 0 0 5 8 - - 0 0 0 9 1 之间。 太原理工大学工程硕士学位论文 综合上述稀有、稀土元素垂向及横向含量变化，可以 归纳为以下几点： r e o 、( n b + t a ) 2 0 5 垂向变化是从g l 向g 2 增高、再 由g 2 向g 3 、g 4 逐渐降低。其中r e o 及s c 以铝土矿层 g 2 含量最高，铁铝岩层( g i ) 次之，粘土矿层( g 3 ) 再 其次，粘土岩层( g 4 ) 最低；g a 的含量以铝土矿层( g2 ) 最高，粘土岩层( g 4 ) 次之，铁铝岩层( g 1 ) 再其次，粘 土岩层( g 4 ) 最低。 r e o 、( n b + t a ) 2 0 5 品位以五台、宁武一静乐、孝义 交口和阳泉地区较高，晋城、西山、灵石一汾西( 特别是 晋城) 含量较低：这与铝( 粘) 土矿成矿规律一致。 52 2 阳泉型剖面 阳泉型岩系剖面为含硫铁矿型剖面，分层由f 至上为 含黄铁矿粘土岩一铝质岩或粘土岩一粘土矿层一粘土岩， 现以阳泉魏家峪钻孔分析结果介绍各分层稀有、稀土元素 含量： 太原理工大学工程硕士学位论文 含黄铁矿粘土岩( g 1 ) 元素含量如表5 2 g l 稀有、稀土元素含量表表5 - 2 元素r e o b + 7 r a ) z 0 5l i 2 0 s cg as r 含量0 0 6 4 70 0 0 8 1o 0 5 1 50 0 0 2 50 0 0 4 5o 0 0 1 7 铝质岩或粘土岩( g 2 ) 元素含量如表5 3 g 2 稀有、稀土元素含量表表5 - 3 元素r e 0 ( n b + t a ) 2 0 5 l i 2 0 s cg as r 含量0 0 7 20 0 0 9 30 0 5 00 0 0 2 70 0 0 5 10 0 0 1 6 粘土矿层( g 3 ) 元素含量如表5 - 4 g 3 稀有、稀土元素含量表 表5 4 l 元素r e o( n b + t a ) 2 0 5l i 2 0 s cg as r l 含量 0 0 9 6 2o 0 1 2 00 0 5 2 00 0 0 3 60 0 0 5 9o 0 1 5 8 粘土岩( g 4 ) 元素含量如表5 5 g 4 稀有、稀土元素含量表 表5 - 5 元素 r e o ( n b + t a ) 2 0 5l i 2 0 s cg as r 含量 0 0 3 7 6 -0 0 0 4 4 -0 0 2 8 1 0 0 0 2 0 00 0 3 6 00 0 7 3 - f 10 0 4 2 6 00 0 6 00 0 2 3 7 50 0 0 2 30 0 0 4 50 0 1 5 2 太原理工大学工程硕士学位论文 从以上结果可以看出r e o 含量变化规律表现为含量 由硫铁矿含黄铁矿粘土岩一粘土矿而增高，再向粘士岩 降低。其中以粘土矿最高，粘土岩最低。 ( n b + q l a ) 2 05 含量变化规律表现为以硫铁矿含量最高， 粘土矿次之，粘土岩最低。 5 2 3 盘道梁型剖面 盘道梁型剖面本身不含铝土矿矿，偶见铝土矿小透 镜体。该剖面岩矿石沉积系列由结晶片岩的红土化风化壳 物质形成，且不受前期沉积环境控制，不属于含矿岩系剖 面，但其分御却在铝土矿成矿带各矿区内，故将其列为典 型剖面。剖面有两种岩石组合，即砾岩一砂岩( 砂质砾岩) 一粉砂岩十砂质粘土岩组合( l s f 组合) 及砂岩( 含砾砂岩) 砂质粘土岩组合( s f 组合) 。因其不含铝土矿工作做的 较少，据粗略统计各层稀有、稀土元素含量较少，一般品 位不达标，形不成规模。 太原理工大学工程硕士学位论文 6 稀有、稀土主要成矿区 根据前面分析总结，将稀有、稀土元素分为以下八大个 成矿区。 6 1 大同盆地稀有、稀土成矿区 大同盆地稀有、稀土金属矿成矿区位于大同煤嗣，含 矿岩系主要出露于其东北边缘一侧，含矿岩系的剖面结构 特征是含矿性差，底部一般为铁质岩+ 粘土岩( 局部为硬质 粘土矿+ 粘土岩) 。仅在成矿区东南侧的中北端怀仁娄子沟 一带，为稀土富集成矿性较好的地段，其底部铁质岩同紧 靠的部分粘土岩基本达到边界稀土品位，但铌钽达到边界 品位的很少。底部的奥陶灰岩其稀土r e o 品位在0 0 2 左右。 6 2 宁武盆地稀有、稀土成矿区 宁武笳地是一狭长的n n e s s w 向斜构造盆地，展布 于芦牙山与云中山之间，基本同宁武煤田一致。自锰地中 心向两翼依次为侏罗系、三叠系、石炭系、奥陶系组成。 成矿性较好地段主要出露于宁武煤田其东南边缘的中到 太原理工大学工程硕士学位论文 北端一侧，成矿区内已探明铝土矿7 处。其含矿岩系的剖 面特征结构是孝义型，其剖面下部岩层，铁质岩+ 铝质岩 含稀土矿品位较高，r e o 最高含量达o 2 4 ，一般大于 0 1 。铌钽氧化物最高0 0 1 6 5 ，一般大于0 0 1 。稀有、 稀土金属矿层位稳定，厚度在2 - - 5 m 。经统计r e o 资源量 为1 6 万t 、铌钽氧化物为1 17 万t 。本区在铝土矿成矿条 件好的地段，像宁武的宽草坪矿区、原平的角川i 、石墙、 娄烦的石槽等矿区均是稀有、稀土矿成矿的重点的地段。 6 3 五台天和一自家庄稀有、稀土成矿区 该盆地是一小向斜盆地，为五台煤产地。位于五台县 天和一自家庄一带，地层主要有石炭系、奥陶系。含矿岩 系出露范围小，但成矿性好，已探明铝土矿2 处，资源量 近5 0 0 0 力- t ，属孝义型剖面结构，其剖面下部岩层，铁质 岩+ 铝质岩含稀土矿品位较高，r e o 最高含量达0 2 38 3 ， 一般大于0 1 。铌钽氧化物最高0 0 1 6 7 ，一般大于 0 0 1 。稀有、稀土金属矿层位稳定，厚度大3 - - 6 m 。该 成矿区稀有、稀土金属矿评价远景较好，但范围局限。 太原理工大学工程硕士学位论文 6 4 河东盆地稀有、稀土成矿区 河东成矿区西临黄河东靠吕梁山，北起河曲南达柳 林，为长条带状，是山西西部重要的河东煤田赋存地段。 其稀有、稀土矿主要出露于其河东煤田的东部边缘一带。 在柳林、临县、保德一带铝土矿成矿性好，有多处大中型 铝土矿矿床。像柳林的兰家山、保德的扒楼沟等地均是山 西境内优质铝土矿重要产区，铝土矿层位稳定，厚度大。 含矿岩系底部的铁质岩与铝土矿中，其稀有、稀土矿成 矿条件好。比该区的铝土矿层位更稳定，厚度更大，r e o 最高含量达0 2 4 ，一般大于0 1 。在铝土矿中铌钽氧化 物品位较高，铌钽氧化物最高0 0 1 6 5 ，一般大于o 0 1 。 初步评价的交口上庄一赵村稀有、稀土矿区，其资源量 r e o 达2 9 5 9 万t 、铌钽氧化物为3 0 9 万t 。交口赵家圪 垛稀有、稀土矿区，其资源量r e o 达8 1 3 万t 、铌钽氧 化物为0 8 0 万t 。 6 5 太原西山稀有、稀土成矿区 其成矿区主要在太原市西，石千峰山北部地带。区内 含矿岩系剖面结构以孝义型为主，但铝土矿层厚度小，成 矿条件差。其稀有、稀土矿在含矿岩系底部铁质与铝质 6 0 太原理工大学工程硕士学位论文 岩中基本达到稀有、稀土边界品位。r e o 最高含量达 0 0 1 9 7 ，在铝士矿中铌钽氧化物品位较高，铌钽氧化物 最高0 0 1 6 2 ，一般大于o 0 1 。稀有、稀土金属矿层位 稳定，厚度3 - - 5 m 。由于该区铝土矿不具备开发条件，故 本区稀有、稀土金属矿目前不具备进一步的评价条件。 6 6 霍西盆地稀有、稀土成矿区 霍西盆地地处霍山与吕梁山之间，为一地貌盆地，相 当于霍西煤田范围。它北邻太原汾河盆地，南临临汾平原 及乡宁盆地。赋存有石炭系等煤系地层、基底为奥陶系灰 岩。其汾西一交口一孝义一带为山西最主要的铝工业矿源 基地。其稀有、稀土元素成矿区，北起汾阳市石庄乡的菽 禾，经孝义市西部，南至交口县石口乡的丁家焉，长6 0 k i n 2 ， 宽1 2 1 5 k m 2 ，是山西重要的铝( 粘) 土矿分布区，共有 铝土矿上表大、中型矿床1 9 个，未上表矿床1 5 个，因此 该区是稀有、稀土金属集中成矿的重点地区，仪铝矿 中稀有、稀土元素平均品位为：r e 00 0 9 7 2 ，( n b + l a ) z o i 0 0 10 6 。其稀有、稀土元素矿床最大特征为多矿种多元 素的综合矿床；铝土矿层之下共生有山西式铁矿，之上共 生有硬质粘土矿；含矿岩系各层均伴生有稀有、稀土矿。d 6 太原理工大学工程硕士学位论文 级以上铝土矿中有稀有、稀土矿资源量可达r e o4 7 3 6 万t ，( n b + t a ) 。0 ；5 8 8 万t 。其稀有、稀土元素矿床最大 特征为多矿种多元素的综合矿床；铝土矿层之下共生有山 西式铁矿，之上共生有硬质粘土矿；含矿岩系各层均伴生 有稀有、稀土矿。 东部的灵石汾西带，由于地质工作程度低，但从 剖面采样情况看，成矿条件也很好。总之，在该区有形成 超大型矿床的可能。 6 7 沁水盆地稀有、稀成矿区 沁水盆地地处山西南部的东侧，是山西最大的煤田 沁水煤田赋存地段，其成矿区可分为沁源一古县、盂县一 和顺、长治晋城三大区。 6 7 1 沁源一古县成矿区 沁源一古县成矿区地处霍山东侧，大致位置在介休与 沁源县城之间，出露地层主要有石炭系、奥陶系。含矿岩 系剖面结构为孝义型，本区铝土矿成矿条件好，矿石质量 高，其稀有、稀土矿成矿条件较好。r e o 最高含量达 0 2 5 8 2 ，一般大于0 1 。铌钽氧化物最高0 0 2 ，一般 太原理工大学工程硕士学位论文 大于0 0 1 。稀有、稀土金属矿层位稳定，厚度在2 - - 5 m 。 67 2 盂县一和顺成矿区 盂县和顺成矿区地处沁水盆地东北侧，区内以盂县 昔阳一带成矿条件好，铝质岩以铝土矿与耐火粘土为 主，铁质岩以硫铁矿为主，剖面结构以阳泉型为主，区内 铝土矿及耐火粘土开发较早，有铝土矿、硫铁矿多处，其 中铝土矿开采所余资源量不多，因此，稀有、稀士矿资 源前景不大。r e o 最高含量达0 2 5 8 2 ，一般大于0 1 。 铌钽氧化物最高0 0 2 ，一般大于( ) 0 1 。稀有、稀土 金属矿层位稳定，厚度在2 - - 5 m 。 67 3 长治一晋城成矿区 长治一晋城成矿区地处沁水盆地东南侧，西以襄垣r 沁水一线为界，东至太行山西缘，是山西重要的无烟煤基 地。铝土矿成矿条件差，稀有、稀土矿资源前景不大。 r e ( ) 最高含量达0 1 9 ，平均为0 0 6 3 。铌钽氧化物最高 0 0 2 ，平均为0 0 0 9 0 。 太原理工大学工程硕士学位论文 6 8 平陆一夏县盆地稀有、稀土成矿区 平陆夏县盆地稀有、稀土金属矿成矿区地处平陆 以东，麻姑山主峰以南，黄河以北。区内有铝土矿2 处， 其中平陆曹i i 铝土矿成矿条件较好，稀有、稀土矿资源 成矿条件也比较优越。 山西部分成矿区稀有、稀土( 氧化物) 元素含量统计结 果见表61 。 太原理工大学工程硕士学位论文 山殖部分成旷区稀有、稀士濞元素含量统计结果表表6 1 1 0 4 成矿区层位区间 l r m r e oh r e 0r e 0n b ， + i a 2 0 5 ：n b + t a ) - o l i ，o 一 虽大值 2 1 5 4 ，9 31 5 6 2 93 6 2 4 52 3 8 2 6 11 6 87 9l j8 71 7 2 2 22 i 0 7 ： ( ) 五台含矿 最小值 1 5 l _ 1 5 l47 54 8 6 52 5 26 42 7 1 8 2 2 02 9 3 8 ：j 44 4 天和区井系 平均值 7 6 0 6 ：5 2 9 5l3 9 5 39 5 3 1 l9 0 5 l7 1 99 7 7 1 6 1 6 l 8 最大值 】8 5 6 2 21 6 2 5 21 0 1 2 0 12 2 0 1 4 31 8 5 9 72 4 4 22 l o3 92 5 6 36 3 宁武含矿 最小值 7 8 0 26 6 53 28 4t 3 0 2 0l 7 1 7o 8 51 80 28 8 7 ( 】 静乐区岩系 平均值 7 3 4 6 85 4 4 11 6 8 3 79 5 7 4 68 3 0 36 6 78 9 7 08 7 i1 ； 最大值 2 6 9 9 7 01 7 08 66 8 24 93 0 9 1 6 81 9 8 8 42 1 9 82l 7l ；! ! i2 7 i 是石含矿 最小值 5 2 8 547 32 24 7l o o3 01 4 0 212 21 5 ： 69 6 4 1 汾西区岩系 甲均值 6 3 1 8 74 1 0 2 1 1 5 4 47 8 83 38 4 5 86 2 59 08 47 1 6 7 最大值 1 4 2 90 71 1 97 33 2 2 3 91 8 7 1 1 91 8 l6 71 7 0 91 9 87 72 7 9 616 阳域含矿 最小值1 1 4 4 59 0 5 3 4 2 81 9 3 5 91 2 7 3o9 81 3 7 117 3 6 长治丛岩系 平均值 4 9 6 3 53 2 2 59 6 7 26 2 53 39 2 4 67 2 l9 96 69 6 i2 4 虽大值 2 4 9 2 1 42 6 37 29 9 7 0 43 1 1 0 0 91 9 0 2 61 34 31 9 81 92 5 0 98 2 含矿 阳泉区最小值7 6 4 66 2 32 8 2 51 1 9 0 5 1 0 1 60 7 31 68 92 0 ( ) h 岩系 f 均值 6 6 3 4 74 9 6 21 2 0 1 88 3 3 2 88 26 85 6 88 8 3 5 4 8 65 0 最大值 t 6 0 2 0 31 2 3 2 22 6 3 、4 81 7 8 5 2 02 ：t 7 4 62 1 - 9 82 5 2 1 2l 4 ：铺、7 2 沁源含矿 蕞小值 5 27 55 3 73 7 2 79 7 8 22 0 0 31 2 22 1 2 54 0 9 0 大峪区岩系 平均值 7 2 5 7 95 25 11 4 9 8 29 2 8 1 2 1 0 30 96 6 4l i 均7 35 9 51 l 最大值 1 9 0 06 32 3 7 2 74 4 8 5 92 2 8 0 5 81 8 74 01 3 4 31 9 7 0 43 2 9 54 8 交u含矿 最小值 3 5 9 36 2 32 91 87 1 3 44 0 1o2 44 2 5 ) k 7 孝义区岩系 平均值 7 6 8 8 85 4 6 31 4 8 4 69 7 l9 79 83 67 5 6 1 0 59 25 3 8 。 0 太原理工大学工程硕士学位论文 7 成矿条件分析 7 1 稀有、稀土成矿古地理及环境 山西省稀有、稀土元素作为铝( 粘) 土矿的伴生矿产， 主要赋存于铝土矿和粘土矿中，因此其成矿古地理及环境 似铝( 粘) 土矿。山西铝( 粘) 土矿均形成于各古陆、古岛边 缘地及成矿笳地中。 沉积铝( 粘) 土矿的形成主要取决沉积成矿作用，要求 在沉积过程中对以高岭石等粘土矿物为主的古风化壳沉 积物进一步脱硅改造，因此要求封闭一半封闭的成矿环 境，而只有古陆、古岛边缘的湖泊、沼泽、泻湖和港湾才 能达到这一要求。 盆地的封闭性越好越有利于铝( 粘) 土矿和稀有、稀土 元素成矿，盆地的封闭作用表现为：i 、封闭性好的盆地 与其外陆表海水体对流断绝，使成矿介质保持较强的酸 性，有利于沉积物的水浸脱硅向铝矿物转变，所形成的铝 土矿品位高、质量好；粘土矿物所携带的稀有、稀土元素 总量越大，其伴生的品位亦越高。2 、盆地的封闭性越好， 海泛海水在盆地中形成越强劲的口迥流的离心作用把水 太原理工犬学工程硕士学位论文 中越多的矿物质抛向其外侧，在盆地斜坡成矿，使所形成 的铝( 粘) 土矿厚度和储量大：反之封闭性越差，海泛海水 不能形成迥流，水中成矿物质易被带走。 成矿盆地的斜坡越开缓越有利铝( 粘) 土矿及其伴生 元素矿产的形成。盆地斜坡越开缓可越多接受海泛迥流外 侧的成矿物质，越有利于成矿，相反盆地斜坡越陡窄，成 矿物质越不易保存和富集。如汾西盆地西坡，为巨大的吕 梁古陆的开缓大斜坡，其能形成巨大的铝( 粘) 土及稀有、 稀土元素矿带的原因之一，就是接受了迥流外侧大量的成 矿物质并富集。 7 2 稀有、稀土元素成矿机理 山西铝( 粘) 土矿及伴生的稀有、稀土元素矿产形成于 中石炭世早期大规模海侵前的海泛作用之后( 图7 1 ) ，海 泛使沉积区形成陆表海，并将准平原上的风化壳物质冲刷 悬浮，带到古陆古岛边缘沉积区盆地中分异沉积，形成侧 向或垂向共生的山西式铁矿、硫铁矿、铝土矿、粘土矿四 种同源沉积矿产，稀有、稀土元素赋存于这些矿产中成为 伴生矿产或伴生元素。 沉积盆地在接受沉积前已是准平原上的湖泊或沼泽， 6 7 太原理工大学工程硕士学位论文 由于时处成煤时代，陆生及水生植物发育，水介质呈较强 的酸性，海泛的海水对这种酸性水虽有一定中和，但所有 的铝( 粘) 士矿成矿盆地均处于封闭一半封闭状态，与其 外陆表海水体对流近于绝断，水中的有机质分解的有机酸 重新使水体具较强的酸性。沉积盆地粗略分为湖棚相和湖 心相两弧相，两亚相的成矿作用所形成的矿产各不相同。 湖棚相介质呈弱一中酸性、氧化一弱还原环境，成矿 作用以颗粒沉积为主。成矿序列为：沉积物中的铁质颗粒 因比重大、粒较粗首先沉积，其成分为褐铁矿，易被酸性 水溶解，于氧化和弱还原环境中分别沉积