桂西二疊紀(jì)喀斯特型鋁土礦豆鮞特征及成因

程順波 ，劉阿睢 ，李榮志 ，韋義師 ，劉君豪 ，胥 明

CHENG Shun-Bo1，2， LIU A-Sui1，2， LI Rong-Zhi3， WEI Yi-Shi3， LIU Jun-Hao4， XU Ming4

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心（中南科技創(chuàng)新中心），武漢430205；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局花崗巖成巖成礦地質(zhì)研究中心，武漢430205；3.中國(guó)冶金地質(zhì)總局廣西地質(zhì)勘查院，南寧 530022；4.核工業(yè)二八○研究所，廣漢 618300，四川）

（1. Wuhan Center of China Geological Survey （Innovation Center of Central South Science and Technology）， Wuhan 430205， China；2. Research Center of Granitic Diagenesis and Mineralization， CGS， Wuhan 430205， China； 3. Geological Prospecting Institute of Guangxi，CMGB， Nanling 530022， China； 4. No.280 Institute of Nuclear Industry， Guanghan 618300 Sichuan， China）

喀斯特型鋁土礦中常見豆鮞粒結(jié)構(gòu)，研究其結(jié)構(gòu)特征對(duì)于了解鋁土礦成因及沉積過程具有重要意義[1]。在上個(gè)世紀(jì)，部分學(xué)者研究黔北古喀斯特型鋁土礦的豆鮞分布特征、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)現(xiàn)，豆鮞核心為硬水鋁石、同心紋層發(fā)育、組成礦物顆粒非常細(xì)小、 向外圈層硬水鋁石含量逐漸增高，據(jù)此認(rèn)為鋁土礦中豆鮞粒為膠體化學(xué)成因[2]。 受該類型觀點(diǎn)影響， 平果地區(qū)具有核心和圈層結(jié)構(gòu)、成分為硬水鋁石的豆鮞也被認(rèn)為是膠體化學(xué)成因，只是在形成后期經(jīng)歷了機(jī)械搬運(yùn)[1]。 2016-2018 年，廣西1∶5 萬(wàn)果化鎮(zhèn)、龍馬、進(jìn)結(jié)和平果縣幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，平果地區(qū)二疊紀(jì)喀斯特型鋁土礦床（點(diǎn)）的豆鮞類型復(fù)雜， 并不局限于具圈層結(jié)構(gòu)的真鮞，而且豆鮞內(nèi)部含有豐富的砂屑和泥級(jí)碎屑。這些證據(jù)皆與豆鮞的膠體化學(xué)成因相矛盾。 為此，本文詳細(xì)研究了區(qū)內(nèi)布絨、太平礦床和都結(jié)礦點(diǎn)的豆鮞分布規(guī)律、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和礦物成分。 并通過與國(guó)內(nèi)外紅土型鋁土礦的豆鮞粒（或結(jié)核）類比，詳細(xì)探討該地區(qū)二疊紀(jì)喀斯特型鋁土礦中豆鮞在紅土期形成機(jī)制及后期地質(zhì)改造過程。

1 地質(zhì)背景

平果地區(qū)位于桂西靖西-平果鋁土礦帶東部，產(chǎn)有太平、那豆（或布絨）、果化、都結(jié)多個(gè)鋁土礦床（點(diǎn)）。主要礦床類型為第四紀(jì)薩倫托型和二疊紀(jì)喀斯特型，其中薩倫托型礦床為二疊紀(jì)礦床在第四紀(jì)風(fēng)化形成[3-6]?？λ固匦偷V床產(chǎn)在遠(yuǎn)岸孤立碳酸鹽巖臺(tái)地內(nèi)部，含礦地層為二疊系合山組[7]（圖1）。合山組為一套海陸交互含煤砂頁(yè)巖夾鐵鋁質(zhì)巖與淺海相灰?guī)r、含燧石灰?guī)r的巖性組合[7]，與下伏茅口組平行不整合接觸。 組內(nèi)一般包含1 個(gè)含鋁巖系旋回，在局部含有2-3 個(gè)含鋁巖系旋回[8]。 單個(gè)鋁土巖系旋回厚度為 1.1-25.1 m，內(nèi)部含 1.0-15.1 m 鋁土礦體，Al2O3平均品位介于 43.59-69.63 wt%%，Al／Si比平均值為 1.9-25.5。 自喀斯特風(fēng)化面往上，含鋁巖系一般具有塊狀鐵鋁質(zhì)巖（A）、層狀鋁質(zhì)巖（B）和炭質(zhì)泥巖（C）的基本層序（圖 2 Tc02）。 在礦化較差的都結(jié)礦點(diǎn)Tc06，含鋁巖系礦化減弱，一般具有塊狀鐵鋁質(zhì)粘土巖（A）、中厚層鋁質(zhì)粘土巖（B）和炭質(zhì)泥巖（C）的基本層序。 在礦化最好的布絨礦床（Tc07），含鋁巖系僅見有塊狀鋁質(zhì)巖和炭質(zhì)泥巖。

2 豆鮞分布規(guī)律

在平果地區(qū)，豆鮞廣泛分布于太平、布絨礦床和都結(jié)礦點(diǎn)含鋁巖系下部塊狀鐵鋁質(zhì)巖、 鋁質(zhì)巖、鐵鋁質(zhì)粘土巖（A）中（圖2），其發(fā)育程度與古地形關(guān)系密切。在成礦較好的太平、布絨礦床，控制鋁土礦的古地形起伏較小，代表性古地貌為緩傾的石芽坡地，形成的豆鮞狀鐵鋁質(zhì)巖、鋁質(zhì)巖礦化程度高。該類礦石主要由豆鮞和砂屑組成（圖3a、b），泥質(zhì)雜基含量略低。 豆鮞含量一般在15%-20%，局部可達(dá)30%。 形態(tài)為橢球狀、扁橢球狀或長(zhǎng)紡錘狀，沿層理定向，分選性差（圖 3b），粒徑在 0.5-12 mm 之間。

在成礦較差的都結(jié)礦點(diǎn)，控制鋁土礦的古地形起伏較大， 代表性古地貌為略陡的巖溶坡地和洼地，形成的豆鮞狀鐵鋁質(zhì)粘土巖僅在局部達(dá)到工業(yè)品位。 鐵鋁質(zhì)粘土巖主要由砂屑和泥質(zhì)雜基組成（圖 3c、d）。 豆鮞含量較少，一般在 5%-10%，形態(tài)為圓球狀、橢球狀和不規(guī)則球狀，定向不明顯，分選性差（圖 3c），粒徑在 1-8 mm 之間。

在局部地區(qū)，如TC02 和TC06，含鋁巖系中部層狀鋁質(zhì)粘土巖中也有少量豆鮞粒分布（圖2）。

3 豆鮞內(nèi)部結(jié)構(gòu)

鏡下觀察顯示，豆鮞形態(tài)非常復(fù)雜。 根據(jù)其內(nèi)部組構(gòu)不同可分為真豆鮞、假豆鮞、偏豆鮞、表豆鮞、復(fù)豆鮞，豆鮞與基質(zhì)的界限明顯。

圖1 平果地區(qū)鋁土礦示意圖（a）及太平（b）、布絨（c）和都結(jié)（d）礦（化）體地質(zhì)礦產(chǎn)圖Fig. 1 Schematic map of bauxite in Pingguo area（a） and geological and mineral deposits or occurences in Taiping （b），Burong（c） and Dujie （d）

假豆鮞是布絨、太平礦床中最為主要的豆鮞類型，特征是沒有紋層，形態(tài)多為橢圓狀、紡錘狀，內(nèi)部由砂屑和泥質(zhì)雜基組成（圖4a、b）。 真豆鮞是所有礦床點(diǎn)比較重要的豆鮞類型。 大多數(shù)圓度較高，呈橢圓狀、扁橢圓狀，具特征的核心、圈層構(gòu)造，真豆鮞核心與圈層厚度比率在 1∶5 到 2∶1 之間 （圖4a-e）。核心形態(tài)較好，多呈圓狀、橢圓狀，成分包括砂屑+泥質(zhì)雜基（圖 4c-e）、砂屑+膠體（圖 4c-d）。圈層圍繞核心均勻發(fā)育，一般為2-5 層左右，少數(shù)發(fā)育7-8 層。紋層厚度不均勻，單層10-200 μm，局部不閉合或者呈微波狀（圖4c、d）。

圖2 平果地區(qū)合山組典型含鋁巖系及蓋層層序結(jié)構(gòu)Fig. 2 Sequence of aluminiferous series and caprock in Heshan formation， Pingguo area

圖3 平果地區(qū)不同礦床豆鮞狀礦石（巖石）、薄片及鏡下照片F(xiàn)ig. 3 Pisolitic ore （rock）， their thin section and microscopic photos of different deposits in Pingguo area

偏豆鮞和表豆鮞較少，主要分布在布絨和太平礦床。 偏豆鮞表現(xiàn)為豆鮞核部不位于豆鮞的中心，核部和紋層特征基本與真豆鮞一致（圖4a、b）。 表豆鮞的特點(diǎn)是其核心較大，圈層不甚發(fā)育，核心與圈層厚度比率約為 3∶1-5∶1， 核心多為圓狀、 橢圓狀，成分主要為砂屑+泥質(zhì)雜基（圖4f）。復(fù)豆鮞非常少見，一般顆粒粒徑較大，形狀不規(guī)則，內(nèi)部以多個(gè)小型鮞粒為核心，外部發(fā)育稀疏圈層。此外，還可見到少數(shù)豆鮞拉長(zhǎng)呈透鏡狀，或者破碎狀。

部分豆鮞發(fā)育干裂紋，形態(tài)為放射狀，干裂紋局限在豆鮞內(nèi)，不延伸到基質(zhì)中（圖4b、e）。

4 豆鮞礦物成分

圖4 平果地區(qū)不同礦床豆鮞鏡下照片F(xiàn)ig. 4 Pisolitic ore （rock）， their thin section and microscopic photos of different deposits in Pingguo area

對(duì)太平礦床Tc02 底部豆鮞狀鐵鋁質(zhì)巖（Tc02-H1） 和都結(jié)礦點(diǎn)Tc06 底部豆鮞狀鐵鋁質(zhì)粘土巖（Tc06-H1）進(jìn)行了 X 射線衍射（XRD）分析，分析結(jié)果見圖5。太平礦床Tc02-H2-1 樣品主要礦物為硬水鋁石（Dsp）、綠泥石（Chl），次為高嶺石（Kln），含少量針鐵礦（Gt）和銳鈦礦（Ant）。 都結(jié)礦點(diǎn) Tc06-H1 樣品主要礦物為高嶺石 （Kln）， 次為硬水鋁石（Dsp）和針鐵礦（Gt）。

在此基礎(chǔ)上， 利用EPMA 對(duì)太平礦床Tc02 豆鮞狀鐵鋁質(zhì)巖和都結(jié)礦點(diǎn)Tc06 豆鮞狀鐵鋁質(zhì)粘土巖進(jìn)行礦物成分分析。 結(jié)果（圖6）顯示，太平礦床Tc02 鐵鋁質(zhì)巖小型豆鮞由綠泥石和硬水鋁石組成環(huán)帶，核部可是綠泥石，也可是硬水鋁石（圖6a、b）。大型豆鮞中，綠泥石交代高嶺石程度有限，一般由高嶺石和硬水鋁石組成環(huán)帶， 核心是硬水鋁石（圖6c）或者高嶺石。 無論哪種豆鮞內(nèi)部常含星點(diǎn)狀／脈狀的銳鈦礦和針鐵礦 （圖 6b、c）。 都結(jié)礦點(diǎn)Tc06 鐵鋁質(zhì)粘土巖中，豆鮞一般具有針鐵礦核心。外部圈層由硬水鋁石、高嶺石構(gòu)成，并含有不同比例的針鐵礦和銳鈦礦（圖6d）。 部分豆鮞發(fā)育干裂紋，內(nèi)部充填高嶺石（圖6d）或者硬水鋁石。 需要指出的是，都結(jié)礦點(diǎn)鐵鋁質(zhì)粘土巖中豆鮞的硬水鋁石含量明顯高于基質(zhì)。

5 豆鮞成因

紅土型鋁土礦中常見豆鮞粒（或結(jié)核），它的發(fā)育與源巖搬運(yùn)剝蝕、 地貌及亞熱帶氣候密切相關(guān)。在不同地區(qū)，源巖搬運(yùn)剝蝕程度、亞熱帶氣候和地貌條件不同，形成的豆鮞粒類型也不盡相同[9-10]。 巴西pitinga 礦床和澳大利亞Boddington 礦床均為中酸性巖漿巖準(zhǔn)原地風(fēng)化形成，近地表橫向剝蝕運(yùn)動(dòng)均形成了豆鮞粒的鐵質(zhì)碎屑核心[9]。但是，受潮濕多雨的氣候和平坦高原地貌控制， 巴西pitinga 礦床近地表紅土中鐵的淋失現(xiàn)象普遍，導(dǎo)致豆鮞粒粒徑變小，形態(tài)也逐漸圓化，外部發(fā)育針鐵礦皮殼。在半干旱氣候和丘陵地貌控制下，澳大利亞Boddington礦床近地表豆鮞粒核心鐵淋失現(xiàn)象少見，取而代之是形成孔隙水鋁過飽和，三水鋁石沿鐵質(zhì)核心生長(zhǎng)形成圈層狀皮殼。 在國(guó)內(nèi)，桂西南來賓一帶紅土型礦床發(fā)育在新生代喀斯特平原中，其形成經(jīng)歷異源風(fēng)化過程[10]。 在紅土剝蝕搬運(yùn)過程中，鐵質(zhì)成分已經(jīng)經(jīng)過初步分離，形成的豆鮞粒（或結(jié)核）核心多為高嶺石+三水鋁石。進(jìn)入喀斯特平原之后，受潮濕多雨的氣候和平原地貌控制，近地表紅土中鐵的淋失作用繼續(xù)進(jìn)行，鐵隨孔隙水向下遷移，在飽和區(qū)圍繞豆鮞粒（或結(jié)核）核心形成鐵質(zhì)包殼。

雖然平果地區(qū)鋁土礦為喀斯特型，但是它們也是由古紅土型鋁土演變而來。這些古紅土型鋁土礦由火山灰準(zhǔn)原地風(fēng)化形成[11]，因?yàn)榈孛采系牟町悾偶t土風(fēng)化過程分為布絨和都結(jié)兩種類型。 布絨型，包括布絨和太平兩個(gè)礦床，發(fā)育在古碳酸鹽巖海島平原上。 在潮濕多雨的氣候和平原地貌控制下，紅土的鋁土化過程比較徹底，絕大部分的鐵從古紅土中淋失進(jìn)入臨近洼地底部，并在后續(xù)的潛育化和成巖作用改造下形成黃鐵礦體。 這類礦床中，古紅土機(jī)械搬運(yùn)對(duì)豆鮞的形成至關(guān)重要，單次搬運(yùn)形成碎屑狀假豆鮞，多次搬運(yùn)形成真豆鮞、偏豆鮞和表豆鮞。 豆鮞的核心具有碎屑結(jié)構(gòu)，外部圈層含有鋁土質(zhì)砂屑和泥質(zhì)雜基（圖4a-d）。 豆鮞的成分主要為三水鋁石（經(jīng)成巖作用形成硬水鋁石）+高嶺石（圖6c）。 在部分多圈層真豆鮞和表豆鮞中，外部圈層含有窄且未結(jié)晶的三水鋁石圈層（圖4c、f），顯示鋁過飽和孔隙水也參與了部分豆鮞的形成。都結(jié)型，主要為都結(jié)礦點(diǎn)，發(fā)育在古碳酸鹽巖半島濱岸喀斯特低山丘陵地貌中。 在潮濕多雨的氣候下，起伏不平的地貌促進(jìn)紅土向巖溶洼地和漏斗遷移。受古地貌和地下水影響， 紅土的鋁土化過程非常輕微，鐵的淋失作用也相對(duì)較弱，形成的豆鮞均具有針鐵礦碎屑核心。 在豆鮞向下機(jī)械搬運(yùn)過程中，先形成三水鋁石圈層，然后形成高嶺石圈層，圈層中常見砂屑和泥質(zhì)雜基（圖4e、圖6d）。

圖5 平果地區(qū)不同鋁土礦床（點(diǎn)）豆鮞狀礦石XRD結(jié)果Fig. 5 XRD analyze results of pisolite and oolite ore of different deposit（or occurrence）in Pingguo area

圖6 平果地區(qū)不同鋁土礦床（點(diǎn)）豆鮞圈層成分電子探針鏡下圖片F(xiàn)ig. 6 The composition of different layers in pisolite and oolite in Pingguo area

在平果地區(qū)，古紅土型鋁土經(jīng)海侵作用、壓實(shí)作用和成巖作用，最終形成古喀斯特型鋁土礦。 在向古喀斯特型鋁土礦轉(zhuǎn)變過程中，布絨型和都結(jié)型豆鮞經(jīng)歷不同的地質(zhì)改造作用。 因地勢(shì)平坦，布絨型礦床在海侵初期發(fā)生了強(qiáng)烈的潛育化作用，微生物厭氧活動(dòng)將赤鐵礦／針鐵礦還原形成大量的鐵離子。 在潛育化后期以及成巖期，鐵離子和高嶺石反應(yīng)形成大量綠泥石，成巖期三水鋁石逐漸轉(zhuǎn)變成硬水鋁石。這些地質(zhì)作用將大部分豆鮞的成分從三水鋁石+高嶺石改變?yōu)橛菜X石+綠泥石 （圖6a、b）。部分豆鮞粒內(nèi)高嶺石沒有受到綠泥石交代，還保留有原始豆鮞粒成分（圖6c）。 壓實(shí)作用對(duì)豆鮞的影響較大，將球形、橢球型豆鮞壓縮呈扁橢球形、扁紡錘形豆鮞（圖4a）[12]。 都結(jié)型礦床地處濱岸巖溶洼地，海侵初期與海水聯(lián)通，潛育化作用不甚發(fā)育，針鐵礦礦物得以保留。 在后續(xù)的成巖期，高嶺石也得以保留，只是三水鋁石向硬水鋁石轉(zhuǎn)變。 因地形起伏大，礦化體處在巖溶洼地、巖溶漏斗等相對(duì)低洼處，壓實(shí)作用對(duì)豆鮞的影響較小，豆鮞的形態(tài)仍然保留球形、橢球形外貌（圖6d）。

6 結(jié)論

（1）布絨、太平礦床發(fā)育在古碳酸鹽巖海島平原，鋁土化作用強(qiáng)烈，弱機(jī)械搬運(yùn)形成的豆鮞類型復(fù)雜，圈層較少，成分為三水鋁石+高嶺石。 后期壓實(shí)作用將豆鮞垂向壓縮，成巖作用將大部分豆鮞成分改造為硬水鋁石+綠泥石。

（2）都結(jié)礦點(diǎn)發(fā)育在古碳酸鹽巖半島濱岸喀斯特低山丘陵區(qū)，鋁土化作用微弱，強(qiáng)機(jī)械搬運(yùn)形成豆鮞類型簡(jiǎn)單，圈層較多，核心為鐵質(zhì)，外圈為三水鋁石+高嶺石。后期壓實(shí)作用對(duì)豆鮞形態(tài)沒有影響，成巖作用僅將豆鮞中三水鋁石改造成硬水鋁石。

河北欣航巖礦測(cè)試中心劉麗團(tuán)隊(duì)在鋁土礦巖礦鑒定提供了較大幫助，審稿人給本文提出許多寶貴修改意見，在此表示誠(chéng)摯感謝！