廣西扶綏第四系薩倫托型鋁土礦淋濾成礦過程

余文超, 張啟連, 杜遠(yuǎn)生, 陳 粵, 梁裕平

(1.生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢), 湖北 武漢 430074; 2.廣西地質(zhì)勘查總院,廣西 南寧 530023)

0 引 言

以鋁土礦床所覆蓋的基巖類型作為主要的分類學(xué)依據(jù), 鋁土礦床被劃分為紅土型、沉積型與巖溶型三類。覆蓋于鋁硅酸巖石之上的鋁土礦礦床為紅土型, 覆蓋于碳酸鹽巖石之上的鋁土礦礦床為巖溶型(或稱喀斯特型), 沉積型鋁土礦床以接受明顯搬運(yùn)作用且最初的原型礦床已被剝蝕殆盡而與原地或準(zhǔn)原地成因的紅土型鋁土礦床相區(qū)別(Bárdossy,1982; Bárdossy and Aleva, 1990; Bogatyrev et al.,2009; 王慶飛等, 2012)。巖溶型鋁土礦床尚可進(jìn)一步劃分出許多亞型(Bárdossy, 1982), 其中, 薩倫托亞型鋁土礦床特指原生鋁土礦層由于構(gòu)造活動(dòng)再次發(fā)生暴露剝蝕, 受剝蝕的鋁土礦石碎屑堆積在灰?guī)r表面的巖溶凹陷中, 所形成的次生鋁土礦床類型。在我國(guó)該類型鋁土礦床又被稱為巖溶堆積型鋁土礦(劉長(zhǎng)齡, 1987)。薩倫托型礦床是一種較為特殊的巖溶型鋁土礦床類型, 它的形成既是原生礦床的后生演化階段, 又可視為新一輪的成礦演化過程的開始。

在我國(guó)華南廣西、云南等省份及向西延伸至越南, 薩倫托型礦床構(gòu)成了極為重要的鋁土礦資源,我國(guó)一些研究者也曾對(duì)其進(jìn)行了精細(xì)的分類學(xué)研究(劉長(zhǎng)齡, 1987)。廣西的鋁土礦資源存在二疊紀(jì)原生巖溶型鋁土礦及新生代薩倫托型鋁土礦兩種賦存形式。前者產(chǎn)出于中二疊統(tǒng)與上二疊統(tǒng)之間的不整合面上, 一般未做更細(xì)的礦床學(xué)分類; 后者是原生礦層經(jīng)次生剝蝕作用形成鋁土礦礫石嵌布于紅土基質(zhì)中的產(chǎn)物。從原生鋁土礦到薩倫托型礦床的轉(zhuǎn)化過程, 其核心過程是原生的、品位較低的礦石經(jīng)過再次淋濾作用而向高品位的礦石轉(zhuǎn)化的過程, 廣西的地質(zhì)工作者們?cè)诖罅繑?shù)據(jù)的積累上得出過堆積型鋁土礦質(zhì)量?jī)?yōu)于原生鋁土礦的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí), 但缺乏系統(tǒng)的總結(jié)與研究。對(duì)于該過程的研究, 可揭示礦石內(nèi)發(fā)生的元素遷移及礦物改變, 從而有助于了解形成鋁土礦富礦所應(yīng)具備的條件, 指導(dǎo)找礦探礦工作。

最近, 針對(duì)桂西平果、德保、靖西一帶鋁土礦床的礦物學(xué)及地球化學(xué)研究取得了較大進(jìn)展(劉學(xué)飛等, 2008; Deng et al., 2010; Liu et al., 2010, 2012;Wang et al., 2010; 祝瑞勤等, 2011; 蔡書慧等, 2012;Wei et al., 2013)。但是, 目前對(duì)于原生巖溶型礦層與次生薩倫托型礦床的綜合性研究依然稍顯薄弱。本文在對(duì)廣西扶綏縣山圩鎮(zhèn)至東門鎮(zhèn)一帶新探明鋁土礦區(qū)中采獲的鉆孔巖心及剖面露頭樣品進(jìn)行地球化學(xué)及礦物學(xué)研究的基礎(chǔ)上, 應(yīng)用質(zhì)量變化計(jì)算等方法, 定量地闡述了原生沉積礦層的形成及之后經(jīng)新生代以來風(fēng)化作用改造, 最終成為薩倫托型礦床的過程里, 淋濾作用是如何極大地改變了原生礦石化學(xué)組分并因此提高了礦石品質(zhì), 使優(yōu)質(zhì)礦石得以形成。這些工作使我們對(duì)于廣西扶綏鋁土礦區(qū)內(nèi)薩倫托型鋁土礦床的形成過程取得了更為明晰的認(rèn)識(shí)。

1 地質(zhì)背景

廣西壯族自治區(qū)扶綏鋁土礦產(chǎn)區(qū)處于桂西鋁土成礦帶之東南(圖1), 距著名的平果-德保-靖西鋁土礦區(qū)約 80 km。處于華南板塊西南部右江盆地東南隅。區(qū)域內(nèi)地層研究程度較高, 已建立起成熟的地層格架(梅冥相等, 2004, 2007; Lehrmann et al.,2005)。二疊紀(jì), 右江盆地位于大陸邊緣位置, 盆地內(nèi)以孤立碳酸鹽巖臺(tái)地與臺(tái)間海槽相間的古地理展布為特點(diǎn), 臺(tái)地上以淺海碳酸鹽巖沉積為主, 海槽內(nèi)主要為深水碎屑巖沉積。在臺(tái)地區(qū)域內(nèi), 中二疊統(tǒng)茅口組是一套灰白色厚層塊狀生物屑灰?guī)r、砂屑灰?guī)r夾生物屑微晶灰?guī)r為主的碳酸鹽巖沉積; 上二疊統(tǒng)合山組下部以黑色泥巖、鈣質(zhì)泥巖沉積為主,向上逐漸變?yōu)榛液谏噘|(zhì)灰?guī)r, 其中發(fā)育數(shù)層華南重要的含煤層位(Zeng et al., 2005; Dai et al., 2013)。茅口組與合山組為平行不整合接觸, 原生巖溶型鋁土礦層即產(chǎn)出于不整合面之上, 為合山組底部的標(biāo)志層。

圖1 研究區(qū)地理位置及地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch map and geographical location of the study area

桂西二疊系鋁土礦層的形成與東吳運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。東吳運(yùn)動(dòng)致使上揚(yáng)子地區(qū)發(fā)生整體抬升, 并導(dǎo)致華南在二疊紀(jì)發(fā)生最大規(guī)模的海退事件(He et al.,2003; Sun et al., 2010)。據(jù)估計(jì), 該抬升事件可能持續(xù)3個(gè)百萬年且抬升的高度可能高達(dá)50~450 m(He et al., 2003, 2010)。受此事件的影響, 包括研究區(qū)在內(nèi)的上揚(yáng)子地區(qū), 中二疊統(tǒng)茅口組均發(fā)生暴露剝蝕風(fēng)化作用, 致使其普遍缺失數(shù)百米不等的地層, 并在平行不整合面上形成古喀斯特地貌, 進(jìn)而在碳酸鹽巖基巖上直接形成鋁土礦沉積。古生物化石、古地磁與碳氧同位素證據(jù)顯示, 中晚二疊世全球可能一度出現(xiàn)強(qiáng)烈的溫室氣候, 處于近赤道地區(qū)的華南板塊古氣候呈現(xiàn)炎熱潮濕的特征(Enkin et al., 1992;Chen et al., 2013; Retallack, 2013)。這為鋁土礦成礦母質(zhì)的形成提供了有利的條件。覆蓋于原生巖溶型鋁土礦層之上的合山組含煤黑色泥巖沉積標(biāo)志著鋁土礦化作用的結(jié)束, 泥巖向上變?yōu)楹Ｏ嗌锘樾寄噘|(zhì)灰?guī)r, 代表沉積環(huán)境由濱海沼澤環(huán)境向淺海環(huán)境的轉(zhuǎn)變。

扶綏鋁土礦區(qū)內(nèi)主要出露泥盆系至新生界, 區(qū)內(nèi)古生代地層主要受到一系列NNE向斷層控制。原生的二疊系巖溶型鋁土礦層厚度不穩(wěn)定且礦化程度存在差異, 礦層厚度在0.5~8 m之間變化, 產(chǎn)狀平緩且較穩(wěn)定, 底面往往凹凸不平, 受到下伏灰?guī)r巖溶形態(tài)制約, 一些鉆孔中可見礦體灌入茅口組中喀斯特溶洞, 部分區(qū)域未見礦層, 合山組下部含煤泥巖直接覆蓋在茅口組灰?guī)r之上, 這些現(xiàn)象指示了中二疊世古侵蝕面上巖溶起伏的古地貌特征。鉆孔資料揭示, 完整的礦層由兩部分構(gòu)成: 在茅口組巖溶不整合面之上, 存在一層厚度不等的紫紅色致密狀含豆鮞或碎屑鋁土礦層, 向上變?yōu)榛液谏X土巖(礦)層, 但有可能缺失其中層位甚至整個(gè)鋁土礦層。原生鋁土礦層具有多種結(jié)構(gòu)的礦石, 以致密塊狀礦石為主, 偶見碎屑狀、豆鮞狀礦石。區(qū)內(nèi)薩倫托型鋁土礦主要賦存于現(xiàn)代巖溶凹陷形成的負(fù)地形中, 呈現(xiàn)“洼地型”展布(祝瑞勤等, 2011), 為新生代以來原生鋁土礦層經(jīng)崩塌、剝蝕作用形成大小不等的鋁土礦礫石, 而后經(jīng)短距離搬運(yùn)懸浮在紅色黏土構(gòu)成的基質(zhì)中而形成的次生鋁土礦。堆積厚度可達(dá) 3~10 m,含礦巖系由底部黏土層、中部礦層與頂部黏土層組成(張起鉆, 1999), 礦石礫石分選磨圓程度均較差,非常堅(jiān)硬, 表面有棕紅色鐵質(zhì)風(fēng)化殼。

2 采 樣

各采樣點(diǎn)位置以近菱形分布于扶綏縣山圩鎮(zhèn)四周(圖1)。(1) ZK4353為深度20 m的淺鉆孔。上覆合山組黑色炭質(zhì)泥巖, 與鋁土礦層呈現(xiàn)過渡接觸;下伏茅口組灰白色灰?guī)r, 與礦層為平行不整合接觸,茅口組灰?guī)r層中出現(xiàn)充填灰色鋁土礦的溶洞。3 m厚的礦層可以用顏色明顯區(qū)分為上下兩部分, 下層0.5 m厚紫紅色礦層與上層 2.5 m厚灰白到灰色礦層。采集樣品共 7塊, 其中包括緊鄰礦層的茅口組灰?guī)r樣品ZK4353-1, 并在鉆孔位置附近地表露頭采集一塊新鮮的茅口組灰?guī)r樣品L1以作為ZK4353-1的對(duì)照樣品。(2) 位于山圩鎮(zhèn)東南的 ZK15108為位于地下181 m的深鉆, 下伏灰白色茅口組灰?guī)r均與約9 m厚的礦層呈平行不整合接觸, 礦層下部約7.5 m厚為紫紅色, 上部1.5 m厚為灰黑色, 在該鉆井中采集樣品7塊。(3) MY剖面為暴露地表的原生礦床剖面(圖2a), 礦層上部被土壤層覆蓋, 下未見底, 露出礦層總厚度達(dá) 4 m, 巖性為紅褐色中薄層狀鋁土巖(礦)層, 部分層位含豆鮞及碎屑, 從其中收集樣品 3塊, 其中包括一塊鋁質(zhì)黏土巖樣品 MY-4。(4) 剖面KL位于扶綏縣山圩鎮(zhèn)東北約3 km處, 在茅口組現(xiàn)代喀斯特化成因的負(fù)地形中堆積了由臨近高處鋁土礦層與相鄰地層在新生代以來風(fēng)化作用下形成的堆積物, 層理不清, 褐紅色鋁土礦礫石分選及磨圓均較差, 懸浮在松散紅土基質(zhì)中, 從中挑選出 3塊鋁土礦石樣品及1塊鋁質(zhì)黏土巖樣品KL-1(圖2b, c)。

各采樣點(diǎn)可視為礦區(qū)內(nèi)處于不同狀態(tài)的鋁土礦的代表。從廣西水文資料來看, 視地形不同, 礦區(qū)所處的巖溶區(qū)地下水深度在10~80 m范圍內(nèi)變化, 但最深不超過100 m (錢小鄂, 2001)。因此, 深度為181 m的鉆孔 ZK15108為較少受到現(xiàn)代地下水系統(tǒng)改造,保持了原始沉積特征的原生鋁土礦床類型的代表。與之相對(duì), 深度為20 m的淺鉆孔ZK4353則受到現(xiàn)代地下水系統(tǒng)的改造。剖面MY為暴露地表受到現(xiàn)代風(fēng)化作用改造的鋁土礦層。剖面 KL則為經(jīng)過進(jìn)一步風(fēng)化剝蝕作用后, 鋁土礦層破碎并再次沉積的結(jié)果。從鉆孔ZK15108到剖面KL, 反映出區(qū)內(nèi)鋁土礦床從深埋原始沉積到抬升至近地表環(huán)境, 經(jīng)過暴露風(fēng)化淋濾過程最終被剝蝕搬運(yùn)并重新沉積為薩倫托型鋁土礦的全部過程。

圖2 扶綏鋁土礦區(qū)野外剖面Fig.2 Outcrops of the bauxite in the Fusui area

3 實(shí)驗(yàn)方法

20個(gè)鋁土礦(巖)樣品的礦物鑒定與測(cè)試工作,采用薄片觀察與 X光粉晶衍射(XRD)配合完成。XRD測(cè)試在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與成礦作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用帕納科X’Pert Pro X射線粉晶衍射儀完成, 測(cè)試條件: 工作電壓40 kV, 工作電流 40 mA, Cu靶, Ni濾波, 連續(xù)掃描方式, 步長(zhǎng)0.017°, 步進(jìn)5 s/步。礦物相鑒別及礦物含量半定量測(cè)試依據(jù)實(shí)驗(yàn)室 XRD卡片庫及前人研究結(jié)果確定(Mameli et al., 2007; Liu et al., 2010), 礦物含量半定量測(cè)試結(jié)果見表1。

22個(gè)樣品的主量元素使用荷蘭 PANalytical Axios X熒光光譜儀測(cè)定。采用鋁土礦X射線熒光光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GSB 04-2606-2010對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正。主量元素中, SiO2、Na2O分析精度優(yōu)于6%、Al2O3, Fe2O3, CaO的分析精度優(yōu)于5%, 其他元素的分析精度優(yōu)于3%, 測(cè)試結(jié)果見表2。

鋁土礦成礦作用研究應(yīng)評(píng)價(jià)的是鋁土礦內(nèi)主要氧化物相對(duì)于母巖的富集與虧損率, 而非其百分含量(Bárdossy and Aleva, 1990)。諸多研究已經(jīng)證明,在鋁土礦的成礦物質(zhì)在成礦過程中化學(xué)組分會(huì)發(fā)生極大的改變, 但仍有一些元素(Ti、Zr、Cr等)遷移量較小(MacLean et al., 1997; Hanil?i, 2013)。當(dāng)這些元素與成礦元素Al的比值如Zr/Al與Al/Ti在風(fēng)化趨勢(shì)線上滿足高的線性比率(R>0.9)時(shí), 可將這些元素視為基本不遷移元素, 進(jìn)而可以利用這些元素建立起鋁土礦與原巖之間的聯(lián)系, 進(jìn)行原巖巖性判別與質(zhì)量變化計(jì)算(MacLean et al., 1997; Mameli et al.,2007; Zarasvandi et al., 2010; Hanil?i, 2013)。

一旦確定鋁土礦層中存在滿足條件的不遷移元素, 即可根據(jù)MacLean and Barrett (1993)提出的質(zhì)量變化計(jì)算公式, 選擇不遷移元素 j計(jì)算樣品中某一元素i的質(zhì)量變化ΔM:

其中,wid為計(jì)算樣品中某元素i的質(zhì)量分?jǐn)?shù),wip為原巖中某元素i的質(zhì)量分?jǐn)?shù),wjp為原巖中不遷移元素j的質(zhì)量分?jǐn)?shù),wjd為樣品中不遷移元素j的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

如果該式計(jì)算結(jié)果為正值, 表示該元素在風(fēng)化蝕變過程中相對(duì)于原巖系統(tǒng)是遷入的, 否則為遷出的。

4 結(jié) 果

4.1 礦石結(jié)構(gòu)與礦物學(xué)

因?yàn)殂@孔ZK15108埋深較深(＞180 m), 處于現(xiàn)代地下水活動(dòng)帶以下位置, 基本未受到現(xiàn)代地下水系統(tǒng)的改造, 礦區(qū)內(nèi)原生鋁土礦的原始沉積特征得以較好地保存: 礦層下部存在數(shù)米厚的紫紅色礦層,其中分布有少量豆鮞顆粒, 向上突變?yōu)榛液谏旅軤钿X土礦層, 部分層位含碎屑。深度為20 m、處于近地表環(huán)境的鉆孔 ZK4353也存在類似結(jié)構(gòu), 但紫紅色層位較薄, 礦石顏色偏淺且致密程度較低。處于地表暴露環(huán)境的剖面 MY, 由于現(xiàn)代風(fēng)化作用的原因剖面整體顯現(xiàn)出紫紅色調(diào)。在薩倫托型鋁土礦剖面 KL中, 懸浮在紅土中的鋁土礦礫石也保留了原始鋁土礦石的結(jié)構(gòu)?？傮w看來, 礦區(qū)內(nèi)鋁土礦以致密狀為主, 或見碎屑狀、豆鮞狀結(jié)構(gòu)特征。

XRD分析顯示(表1, 圖3), 不同產(chǎn)出狀態(tài)的鋁土礦礦石中的礦物學(xué)組合也存在差異。ZK15108下部紫紅色部分(ZK15108-1~4), 組成礦物以一水軟鋁石為主(均值 42%), 黏土礦物主要有綠泥石(24%)及高嶺石(2 1%), 此外含有少量赤鐵礦; 而該

鉆孔上部灰黑色部分中(ZK15108-5~7), 高嶺石含量突然上升(81%), 綠泥石含量下降, 一水軟鋁石及赤鐵礦消失。ZK4353中, 高嶺石為主要礦物成分, 其次是赤鐵礦、一水軟鋁石和一水硬鋁石, 其中, 礦層從下至上鋁礦物顯示出逐漸減少的趨勢(shì), 而黏土礦物顯示出逐漸增加的趨勢(shì), 在剖面最底部出現(xiàn)微量石英(1%~2%)。露頭剖面 MY及薩倫托型鋁土礦剖面KL中的礦石樣品, 鋁礦物以一水硬鋁石為主, 可占到礦物總含量的 60%以上, 一水軟鋁石僅在少數(shù)樣品中出現(xiàn), 黏土礦物以綠泥石為主,含少量高嶺石,此外尚有少量赤鐵礦, MY-4及KL-1兩塊鋁質(zhì)黏土巖樣品中黏土礦物含量相對(duì)較高(約 50%~60%)。根據(jù)Bárdossy (1982)提出的鐵礦物-(鈦+鋁礦物)-黏土礦物鋁土巖三元分類方案(圖4), ZK15108到KL剖面的樣品呈現(xiàn)從鋁土質(zhì)黏土至黏土質(zhì)鋁土礦最終到鋁土礦的演化趨勢(shì)。

表1 扶綏地區(qū)鋁土礦(巖)樣品XRD礦物分析結(jié)果(%)Table 1 XRD results of the bauxites and bauxitic clays from the Fusui area (%)

圖3 部分鋁土礦(巖)樣品XRD圖譜Fig.3 XRD spectra of the typical bauxite ore and bauxitic clay samples

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圖 4 扶綏地區(qū)鋁土礦(巖)樣品巖石學(xué)分類(根據(jù) Bárdossy, 1982分類方案)Fig.4 Classification of bauxite and bauxitic clay samples in the Fusui area

4.2 主量元素地球化學(xué)

綜合各剖面鋁土礦樣品(表2), 幾種主量元素含量范圍分別為SiO2: 5.35%~40.47%, Al2O3: 25.2%~62.71%, Fe2O3: 5.2%~25.88%, TiO2: 0.91%~3.71%。ZK3453中6塊樣品SiO2、Al2O3、Fe2O3含量的平均值依次為29.99%、36.85%、13.73%, ZK15108中7塊樣品的平均含量依次為 28.85%、37.45%及16.12%。礦石質(zhì)量遠(yuǎn)低于處于地表暴露環(huán)境中的剖面MY與薩倫托型鋁土礦KL(7塊鋁土礦(巖)樣品平均含量: SiO210.17%, Al2O351.48%, Fe2O321.93%)?？傮w看來(圖5), 樣品中除TiO2與Al2O3呈現(xiàn)含量正相關(guān)的變化規(guī)律之外, SiO2、K2O、Na2O、MgO、CaO均隨 Al2O3的含量上升顯示出大范圍的遷移及元素含量虧損, Fe2O3則表現(xiàn)出較為復(fù)雜的行為特征。

喀斯特型鋁土礦的物源問題歷來是研究的難點(diǎn)(Bárdossy, 1982; MacLean et al., 1997)。對(duì)于桂西鋁土礦物源的認(rèn)識(shí)也存在爭(zhēng)議(Deng et al., 2010; Wang et al., 2010; Liu et al., 2012; Wei et al., 2013)。本次研究中 Al2O3-TiO2圖所顯示的線性關(guān)系(Young and Nesbitt, 1998), 不同采樣點(diǎn)中的礦石樣品與茅口組灰?guī)r呈現(xiàn)高相關(guān)性(R>0.9), 滿足以茅口組灰?guī)r為母巖對(duì)鋁土礦層樣品進(jìn)行質(zhì)量平衡計(jì)算的條件(圖6)。

從質(zhì)量變化計(jì)算的結(jié)果來看(表 3、圖 7),ZK15108中所有樣品, 除礦層最頂部ZK15108-7中SiO2出現(xiàn)小范圍富集外, 其余所有元素均呈現(xiàn)丟失,7個(gè)樣品中 SiO2與 Fe2O3的變化平均值分別達(dá)到–15.47%, –19.25%, Al2O3也出現(xiàn)均值為–9.26%的丟失。礦層從底到頂, Si虧損的程度逐漸降低最終在礦層頂部出現(xiàn)富集, Al在礦層中下部均出現(xiàn)較大程度的丟失, 而在上部?jī)蓚€(gè)樣品(ZK15108-6~7)中虧損程度降低, 但這兩個(gè)樣品的 Fe則出現(xiàn)更大程度的虧損。在ZK4353中, SiO2與Al2O3出現(xiàn)明顯富集, Fe的活動(dòng)特征變得很不穩(wěn)定, 其他元素仍然保持虧損。地表暴露剖面MY與薩倫托型剖面KL中的樣品表現(xiàn)出相似的元素活動(dòng)特征: 除兩塊鋁土質(zhì)黏土巖樣品外(KL-1, MY-4), 其余樣品的 Al2O3均呈現(xiàn)富集特征, 且在KL剖面中富集程度更大, Al2O3之外的元素均呈現(xiàn)丟失特征, KL剖面中丟失程度更大。

5 討 論

5.1 不同環(huán)境中礦層內(nèi)元素與礦物的變化

鋁土礦在礦物學(xué)上是一個(gè)敏感多變的系統(tǒng), 從其形成開始即力求保持與環(huán)境的最佳平衡, 它的演化過程體現(xiàn)了礦化期間和期后所發(fā)生的全部外部化學(xué)作用。不同礦床中可能發(fā)生多種多樣, 有時(shí)甚至是相互矛盾的礦物轉(zhuǎn)變(Bárdossy, 1982; Bárdossy and Aleva, 1990)。

圖5 扶綏地區(qū)茅口組灰?guī)r(除去樣品ZK4353-1, L1)與合山組鋁土礦(巖)部分主量元素含量隨Al2O3含量變化規(guī)律(灰色陰影區(qū)域內(nèi)為礦區(qū)較優(yōu)質(zhì)礦石分布區(qū)域)Fig.5 Variations of Al2O3 vs major elements in the Maokou Formation carbonates (except sample ZK4353-1 and L1)and the Heshan Formation bauxite and bauxitic clay samples

圖6 扶綏地區(qū)合山組鋁土礦(巖)樣品中Al2O3-TiO2線性關(guān)系圖Fig.6 Lineal correlation of Al2O3 vs TiO2 in the Heshan Formation bauxite and bauxitic clay samples

ZK15108最為明顯的特征是礦層以顏色劃分出下部紫紅色部分及上部灰黑色部分, 兩者之間界限截然。礦石顏色的區(qū)別反映了其形成環(huán)境的不同,Bárdossy (1982)贊成紅色鋁土礦石反映氧化條件的淡水環(huán)境, 而灰色部分則形成在還原條件下遠(yuǎn)離海岸線的半咸水環(huán)境的認(rèn)識(shí), 并認(rèn)為這種還原作用伴隨同生作用或早期成巖作用。Sheldon (2005)指出,紅色沉積物的出現(xiàn)可能與優(yōu)良的地下水排泄系統(tǒng)有關(guān)。礦物學(xué)方面, 除ZK15108礦層上下均含有的綠泥石與高嶺石外, 下部的紫紅色層位以一水軟鋁石,赤鐵礦及少量一水硬鋁石為特征。高嶺石、赤鐵礦與鋁礦物的組合被視為地表氧化環(huán)境中風(fēng)化剖面的典型礦物組合, 是強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化作用的產(chǎn)物(Tardy and Nahon, 1985; D'Argenio and Mindszenty, 1995)。綠泥石來源于同生和成巖早期還原作用環(huán)境對(duì)鐵礦物及高嶺石的改造, 并可在一定溫壓和氧逸度范圍內(nèi)與鋁礦物達(dá)到相平衡(Ahn and Peacor, 1985; de Caritat and Walshe, 1993)。在上部灰黑色層位中, 鋁礦物與赤鐵礦消失, 礦物組合以高嶺石與綠泥石等黏土礦物為主, 并向合山組黑色炭質(zhì)泥巖段過渡。因此, 紫紅色層位樣品在巖石學(xué)上被劃分為黏土質(zhì)鋁土礦, 而灰黑色層位樣品則為鋁土質(zhì)黏土巖。礦層中活動(dòng)性弱的元素與Al含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系, 質(zhì)量平衡計(jì)算表明, Si、Al、Fe等元素的虧損程度隨深度減少而減少。從世界各地其他對(duì)原生鋁土礦層的質(zhì)量變化計(jì)算所得的元素遷移特征來看, 大部分礦床中均出現(xiàn)Al與Si元素的虧損現(xiàn)象, Fe的變化特征則較為復(fù)雜(MacLean et al., 1997; Mameli et al., 2007;Hanil?i, 2013), 這被解釋為由于伴隨鋁土礦化過程的強(qiáng)烈風(fēng)化作用條件導(dǎo)致成礦母質(zhì)中所有元素均發(fā)生虧損, 只是 Al等元素相對(duì)其他元素流失程度較低。而元素丟失程度的改變隨深度發(fā)生變化的過程,則可能有兩種途徑: (1) 由于沉積環(huán)境發(fā)生改變, 由風(fēng)化環(huán)境向相對(duì)還原的環(huán)境轉(zhuǎn)變導(dǎo)致鋁土礦由“滲流型”向“潛水型”轉(zhuǎn)變(Bárdossy, 1982; D'Argenio and Mindszenty, 1995); (2) 后期復(fù)硅化作用導(dǎo)致Si再次移入礦層, 原先形成的鋁礦物被硅化為高嶺石(Valeton, 1974; Oliveira et al., 2013)。結(jié)合之前的證據(jù), 我們認(rèn)為前者的可能性較大。因此, ZK15108可以視為保存了二疊系原生礦層原始沉積特征的代表性剖面(圖8)。

ZK4353處于現(xiàn)代地下水淋濾帶的范圍內(nèi), 因此不可避免地受到了改造。雖然顏色上存在下部紫紅色與上部灰白-灰色的區(qū)分, 但礦層內(nèi)所有樣品礦物組成較為均一, 由黏土礦物(高嶺石、綠泥石)、鋁礦物及代表氧化環(huán)境的赤鐵礦組成, 礦層底部有微量石英析出。實(shí)驗(yàn)室合成與野外觀察業(yè)已證明,高嶺石與一水軟鋁石可以通過以下途徑進(jìn)行轉(zhuǎn)換(Huang, 1993; MacLean et al., 1997; Hanil?i, 2013):

原硅酸在酸性環(huán)境中是穩(wěn)定的, 可以以膠體形式進(jìn)行運(yùn)移, 一旦水化學(xué)環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏行? 就會(huì)發(fā)生沉淀, 并容易發(fā)生脫水沉淀出不定形的 SiO2沉淀(Exley et al., 2002)。由于鋁土礦層下伏茅口組碳酸鹽巖形成了堿性的化學(xué)障, 酸性化學(xué)流體及原硅酸膠體不能順利發(fā)生遷移, 因此在礦層底部發(fā)生沉淀并析出SiO2。質(zhì)量平衡的計(jì)算結(jié)果顯示Si的確處于遷入狀態(tài), 這可能與地下水的水位變動(dòng)導(dǎo)致雜質(zhì)元素不能及時(shí)帶走有關(guān)(圖8)。

圖8 扶綏地區(qū)各鋁土礦層鉆孔與剖面綜合柱狀圖(其中, 空心點(diǎn)表示發(fā)生元素丟失, 實(shí)心點(diǎn)表示發(fā)生元素獲得)Fig.8 Chemical and mineral variations in vertical profiles of the bauxite deposits in the Fusui area

產(chǎn)出于地表環(huán)境的剖面 MY與薩倫托型礦床KL中礦床特征類似, 而與鉆孔樣品有較大區(qū)別: 礦物組成以鋁礦物占優(yōu)勢(shì), 更以一水硬鋁石為主, 偶見一水軟鋁石; 黏土礦物主要為綠泥石, 少量高嶺石; 赤鐵礦含量較固定。鋁土礦中的一水硬鋁石的形成可能存在變質(zhì)作用(Hanil?i, 2013)及后生結(jié)晶作用(Mordberg, 1999; Hatipoglu et al., 2010; Liu et al.,2010)兩種途徑。目前研究區(qū)內(nèi)未見變質(zhì)作用證據(jù),從實(shí)驗(yàn)室熱力學(xué)模擬計(jì)算的結(jié)果來看, 一水軟鋁石與一水硬鋁石之間熱力學(xué)轉(zhuǎn)化在地表溫壓條件下是完全可以實(shí)現(xiàn)的(Peryea and Kittrick, 1988; Chen and Zeng, 1996), 因此樣品中出現(xiàn)的高含量一水硬鋁石應(yīng)是表生作用的產(chǎn)物。與礦物學(xué)特征相對(duì)應(yīng), 礦石樣品中Si與Fe均呈現(xiàn)虧損的特征, 而Al則保持富集, 在元素含量上, 地表樣品中Al2O3含量高且雜質(zhì)元素含量少, 礦石質(zhì)量?jī)?yōu)于鉆孔中的樣品。無論是處于地表暴露環(huán)境中的礦層剖面MY還是薩倫托型剖面 KL中被松散紅土基質(zhì)所包圍的鋁土礦礫石,其淋濾環(huán)境均優(yōu)于存在上覆巖層的隱伏礦床, 因此,暴露地表的礦石發(fā)生新生代以來的次生富集作用,該過程極大地提高了礦石品質(zhì)(圖8)。

5.2 原生礦床及薩倫托型礦床的形成與演化

結(jié)合研究所取得的礦層顏色、礦物組分與地球化學(xué)等證據(jù), 可將扶綏區(qū)域內(nèi)原生礦床及薩倫托型礦床的形成與演化過程概括如下: 在中二疊世晚期, 隨著扶綏所處的碳酸鹽巖臺(tái)地受到構(gòu)造抬升, 臺(tái)地沉積的碳酸鹽巖暴露并接受風(fēng)化剝蝕,包括母巖、古氣候等在內(nèi)的諸多有利地質(zhì)條件使得成礦母質(zhì)形成之后在茅口組碳酸鹽巖的古喀斯特地形中沉積下來并發(fā)生鋁土礦化過程。強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化過程使得成礦母質(zhì)內(nèi)所有元素均發(fā)生不同程度的遷移, 而 Al由于相對(duì)遷移量較少, 因此發(fā)生相對(duì)富集, 并在優(yōu)良的地下水排水系統(tǒng)下形成代表氧化環(huán)境的紅色鋁土礦層位, 形成以高嶺石、鋁礦物及赤鐵礦為主的礦物組分。隨著晚二疊世初期海侵作用的發(fā)生, 地下水位抬升, 成礦區(qū)內(nèi)部分區(qū)域原滲流型鋁土礦向潛流型鋁土礦轉(zhuǎn)化, 礦層顏色由紫紅變?yōu)榛液谏? 礦物組分也變?yōu)橐责ね恋V物為主, 赤鐵礦消失, 風(fēng)化作用減弱,因此元素遷移量減小。當(dāng)臺(tái)地再次被海水淹沒, 鋁土礦層被合山組下部濱岸沼澤相-淺海潮坪相-生物碎屑泥灰?guī)r的海侵序列所覆蓋, 標(biāo)志鋁土礦化過程的結(jié)束及后生作用階段的開始, 其中一個(gè)重要的過程就是礦層中的高嶺石在還原條件下與來自礦層和流體中的鐵與硅發(fā)生反應(yīng)生成綠泥石?？傮w而言, 以致密狀為主的原生鋁土礦質(zhì)地堅(jiān)硬,鐵含量相對(duì)較高, 易成塊狀產(chǎn)出。

礦層可能由于后期構(gòu)造活動(dòng)被保存在距離地表較深的地下, 如 ZK15108, 此時(shí)礦層可視為一個(gè)封閉體系, 保持了原始成分; 或被抬升至現(xiàn)代地下水活動(dòng)帶, 如 ZK4353。當(dāng)后一種情況發(fā)生時(shí), 礦層再次成為開放系統(tǒng)接受現(xiàn)代地下水活動(dòng)帶來的淋濾作用。由于地下水垂向運(yùn)移的基本特征, 地下水活動(dòng)可能帶來兩方面的影響(Bárdossy, 1982; D'Argenio and Mindszenty, 1995): 鋁土礦上覆層位內(nèi)的Si等元素可能隨流體進(jìn)入礦層, 使礦石質(zhì)量下降; 或者礦層內(nèi)高嶺石等黏土礦物被進(jìn)一步風(fēng)化為鋁礦物, 雜質(zhì)元素被帶走, 使礦石質(zhì)量上升。以上兩種過程同時(shí)作用于鋁土礦層, 對(duì)礦石質(zhì)量的影響決定于地下水水位及淋濾與排泄的強(qiáng)度。

礦層上覆巖層的剝蝕使得礦層暴露在地表或隨著巖層的崩塌被改造為大小不一的礫石, 鑲嵌于不同沉積物混合而成的紅土基質(zhì)中, 礦石中的一水軟鋁石向一水硬鋁石轉(zhuǎn)化。由于原生的鋁土礦石以塊狀為主, 質(zhì)地致密堅(jiān)硬, 在次生成礦過程中不易發(fā)生崩解和泥化, 因此形成大規(guī)模的次生鋁土礦堆積。同時(shí), 外部淋濾環(huán)境得到改善, 不斷流動(dòng)的地表水能很快帶走礦石中析出的元素。最終結(jié)果即是Al的富集, Si、Fe等雜質(zhì)元素的析出, 礦石品質(zhì)得到提升。加上易于開采的特征, 薩倫托型鋁土礦成為華南廣西, 云南至越南的一種重要的鋁土礦礦床類型。

6 結(jié) 論

(1) 礦石樣品的礦物由鋁礦物(一水軟鋁石與一水硬鋁石)、黏土礦物(高嶺石與鮞綠泥石)、赤鐵礦組成, 部分淺埋樣品尚見微量石英。礦石內(nèi)的礦物組合隨保存環(huán)境變化而變化, 總體而言, 當(dāng)巖溶型原生鋁土礦向薩倫托型鋁土礦轉(zhuǎn)化時(shí), 淋濾作用程度的加深及地下水排泄作用的增強(qiáng)使得鋁土礦成礦的雜質(zhì)元素被移出, 黏土礦物向鋁礦物轉(zhuǎn)化,礦石質(zhì)量變好。

(2) Ti與Al呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系, 易遷移元素如堿金屬與堿土金屬等幾乎全部流失, 在地表的剖面中這些現(xiàn)象更為明顯, 是風(fēng)化作用與鋁土礦化作用的直接體現(xiàn)。

(3) 質(zhì)量平衡計(jì)算的結(jié)果顯示, 在原始的鋁土礦層剖面中, 所有元素均呈現(xiàn)虧損, 但Al的虧損程度較小而呈現(xiàn)相對(duì)富集。當(dāng)?shù)V層接受現(xiàn)代地下水系統(tǒng)改造時(shí), 由于淋濾作用與排泄作用的程度不同,礦層內(nèi)元素呈現(xiàn)不同的遷移特征。當(dāng)進(jìn)入到地表淋濾狀態(tài)后, 由于接受充分的淋濾, 雜質(zhì)元素被帶走而Al出現(xiàn)富集, 礦石質(zhì)量上升。

致謝: 感謝中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)王慶飛教授及另兩位審稿人提出的建設(shè)性修改意見, 他們的建議對(duì)提高論文質(zhì)量起到極大幫助。

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