黔北務(wù)川瓦廠坪鋁土礦床元素遷移規(guī)律研究

金中國(guó)， 向賢禮， 黃智龍， 劉 玲

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局，貴州貴陽 550005; 2.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所，貴州貴陽 550001)

0 引言

黔中和黔北地區(qū)鋁土礦成因類型主要屬于古風(fēng)化殼沉積型(廖士范，1986，1989;劉長(zhǎng)嶺，1987;劉巽鋒等，1990)，鋁土礦成礦物質(zhì)來源主要來自下伏碳酸鹽巖或碎屑巖地層，這些地層在古隆起的地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷了數(shù)千萬至數(shù)億年的風(fēng)化剝蝕和準(zhǔn)平原化過程，形成富含Al、Ti、Si等較惰性元素的古風(fēng)化殼，后經(jīng)不同距離的搬運(yùn)、遷移，在適宜的環(huán)境沉積分異形成鋁土礦。黔北務(wù)正道地區(qū)鋁土礦找礦取得重大突破后，近年關(guān)于鋁土礦成礦地質(zhì)特征、成礦規(guī)律、礦床成因及找礦潛力分析的公開文獻(xiàn)報(bào)道較多(武國(guó)輝等，2006，2008;劉平，2007;金中國(guó)等，2009)，但對(duì)鋁土礦成礦過程中元素的遷移富集與貧化機(jī)理的定量研究，本文尚屬首次，國(guó)內(nèi)外相關(guān)方面的報(bào)道也較少。

眾所周知，鋁土礦成礦母巖在鋁土礦化過程中必定會(huì)伴隨質(zhì)量和體積的變化，因此，通過對(duì)比研究新鮮巖石、礦化巖石、礦石的地球化學(xué)成分，從微觀角度定性地討論礦化過程中元素的活動(dòng)規(guī)律，為定量探討主要成礦元素及伴生元素的遷移富集與貧化(虧損)機(jī)理提供科學(xué)證據(jù)，同時(shí)為研究區(qū)域古沉積環(huán)境演變及成礦作用提供新的信息。關(guān)于鋁土礦化作用過程中元素的遷移能力和富集作用，已有眾多學(xué)者的報(bào)道(Boulange et al.，1990，1994;Mongelli，1997;Mordberg，2001;Meyer，2002;Laskou、Economou－Eliopoulos，2007)。元素遷移的各種計(jì)算方法也較成熟，包括:體積因素方法(Gresens，1967)，惰性元素方法(Nahon，1973;Nesbitt，1979;Markovics，1979)，質(zhì)量平衡方程和圖解法(Grant，1986)等。由于質(zhì)量平衡方程和圖解法是綜合其他方法的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來的，計(jì)算方便，數(shù)據(jù)及圖件能較直觀地反映礦化過程中元素質(zhì)量的變化特征，因此，本次利用此方法研究務(wù)川瓦廠坪鋁土礦主要成礦母巖(韓家店組)→中間產(chǎn)物(鋁土質(zhì)頁巖)→鋁土礦過程中元素的遷移量及遷移比例。

圖1 貴州務(wù)川瓦廠坪礦床區(qū)域地質(zhì)及典型剖面圖Fig.1 Map showing regional geology and typical cross section in the Wachangping ore district in Guizhou Province1－下三疊統(tǒng)夜郎組;2－上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組;3－上二疊統(tǒng)吳家坪組;4－中二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組;5－中二疊統(tǒng)梁山組;6－下、中志留統(tǒng)韓家店組;7－奧陶系、寒武系;8－地質(zhì)界線;9－斷裂;10－鋁土礦層;11－鉆孔及編號(hào);12－省界;13－瓦廠坪礦床; Ⅰ－揚(yáng)子地臺(tái);Ⅱ－華南褶皺帶;Ⅲ－右江裂谷帶1－Lower Triassic Yelang Formation;2－Upper Permian Changxing Formation;3－Upper Permian Wujiaping Formation;4－Middle Permian Qixia＆Maokou Formations;5－Middle Permian Liangshan Formation;6－Lower－Middle Silurian Hanjiadian Formation;7－Cambrian＆Ordovian; 8－geological boundary;9－fracture;10－bauxitic seams;11－boreholes and number;12－the boundary of provinces;13－Wachangping deposit; ;Ⅰ－Yangtze Platform;Ⅱ－fold belt of South China;Ⅲ－Youjiang rift zone

1 區(qū)域地質(zhì)背景

區(qū)內(nèi)廣泛出露寒武系、奧陶系、志留系中下統(tǒng)、二疊系和三疊系地層，缺失志留系上統(tǒng)、泥盆系、石炭系下統(tǒng)及上統(tǒng)馬平組地層。二疊系中統(tǒng)梁山組、石炭系上統(tǒng)黃龍組與下伏的志留系韓家店組呈假整合接觸。梁山組為含礦層位，賦礦圍巖主要是炭質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r。區(qū)內(nèi)無火成巖出露。

區(qū)域構(gòu)造處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)遵義斷拱北北東構(gòu)造變形區(qū)內(nèi)，主體構(gòu)造格架呈北北東向展布。斷裂構(gòu)造以逆沖斷層為主，多形成于背斜軸部和向斜兩翼。褶皺構(gòu)造發(fā)育，常以復(fù)式背向斜形式出現(xiàn)，背斜多呈寬緩狀，而向斜多為緊密狀。區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)鋁土礦床(點(diǎn))20余處，鋁土礦床(點(diǎn))均分布于向斜構(gòu)造內(nèi)。近年，已探明鋁資源量約1.5億噸，其中務(wù)川瓦廠坪鋁土礦4397萬噸①(圖1)。

2 礦床地球化學(xué)特征

(1)鋁土礦層中總體反映出Al2O3與TiO2含量成正比(表1)，與SiO2含量成反比;土狀、碎屑狀鋁土礦石Al2O3含量和鋁硅比均比致密塊狀、鮞狀、豆?fàn)畹V石高。

(2)含礦巖系底板的韓家店組(S1－2hj)紫紅色、綠色條帶砂頁巖中，Al2O3含量是P2l炭質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r的20倍以上，是碳酸鹽巖的50倍以上，表明S1－2hj風(fēng)化殘留物可能為該區(qū)鋁土礦的形成提供豐富的物源。

(3)稀土元素含量與礦石質(zhì)量總體呈正相關(guān)關(guān)系，LREE/HREE均大于1，顯示輕稀土較富集;鋁土礦層及志留系韓家店組的稀土總量含量較接近。

(4)Th、U、Ha、Zr、Ta等元素地球化學(xué)特征顯示(表2)，成礦物源既有強(qiáng)烈紅土化作用產(chǎn)物，也可能有風(fēng)化作用不徹底或者沉積混雜所致，具多源性，且鋁土礦的主要物質(zhì)來源與下伏基底S1－2hj砂頁巖關(guān)系密切。

表1 瓦廠坪鋁土礦床主元素分析結(jié)果(ωB/%)Table 1 Analysis results of major elements in the Wachangping bauxite deposit(ωB/%)

表2 瓦廠坪鋁土礦床穩(wěn)定元素含量及比值(Al2O3、TiO2ωB/%，其它ωB/10－6)Table 2 Contents and ratios of stable elements in the Wachangping bauxite deposit (Al2O3，TiO ωB/%，others ωB/10－6)

圖2 瓦廠坪鋁土礦床主要母巖(1)→鋁土質(zhì)頁巖(2)形成Grant圖解(圖中箭頭所指為相對(duì)不活動(dòng)元素，下圖相同)Fig.2 Grant diagrams showing major host rocks(1)→bauxitic shale(2)in the Wachangping bauxite deposit.(arrows refer to relatively inactive elements，the same in the following diagram)

(5)Sr/Ba及Be含量揭示，鋁土礦形成環(huán)境可能主要為內(nèi)陸河湖沼澤環(huán)境，局部為局限海域的濱海前緣。

3 鋁土礦成礦過程中元素遷移特征

3.1 方法簡(jiǎn)介

Grant(1986)推導(dǎo)的質(zhì)量平衡方程:

3.2 計(jì)算過程

從相關(guān)數(shù)據(jù)分析得知(金中國(guó)，2009)，礦區(qū)內(nèi)韓家店組巖石的地球化學(xué)成分相對(duì)穩(wěn)定，而鋁土質(zhì)頁巖和鋁土礦的地球化學(xué)成分均具有較寬的變化范圍，因而選用同一鉆孔的樣品進(jìn)行元素活動(dòng)規(guī)律計(jì)算更具代表性。本次研究樣品采自ZK7－4鉆孔，其中1號(hào)樣品為韓家店組頁巖，代表成礦母巖;2號(hào)樣為梁山組中的鋁土質(zhì)頁巖，代表成礦中間產(chǎn)物;3、4、5號(hào)樣分別為致密塊狀、鮞狀、碎屑狀或土狀鋁土礦(樣品代號(hào)下同)，其Al2O3含量及Al2O3/SiO2比值逐漸升高(表3)，代表鋁土礦化的富集過程。

Grant圖解表明，從韓家店組頁巖→鋁土質(zhì)頁巖，相對(duì)不活動(dòng)的為P2O5、Cd、Cu和Ge(圖2A、B)，計(jì)算的斜率為0.907;從鋁土質(zhì)頁巖→致密塊狀鋁土礦，相對(duì)不活動(dòng)為L(zhǎng)OI(揮發(fā)分)、In、As、Sr、Dy和Ho等(圖3A、B)，計(jì)算的斜率為1.034;從致密塊狀鋁土礦→土狀、碎屑狀鋁土礦，相對(duì)不活動(dòng)的為MnO、Fe2O3、LOI、Cr、Sb、Hf和Ga(圖4A、B)，計(jì)算的斜率為1.022。將每個(gè)過程中的斜率代入公式(3)，計(jì)算出元素的遷移量及遷移比(元素遷移量與元素在原巖中的含量之比)。

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 成礦母巖→鋁土質(zhì)頁巖

代表成礦母巖韓家店組→中間產(chǎn)物鋁土質(zhì)頁巖，即鋁土質(zhì)頁巖形成過程。該過程中主要元素Al2O3、TiO2、Na2O和 LOI明顯富集(遷移量為正值)，遷移比例分別為255.32%、112%、183.97%和91.14%，該階段是鋁質(zhì)富集的重要階段，而SiO2、Fe2O3、MgO、CaO和K2O虧損(遷移量為負(fù)值)(表3、圖5－A)，表明鋁質(zhì)富集過程中的脫鐵及MgO、CaO和K2O流失作用;微量元素Li、Sc、V、Cr、Ni、Ag、In、Sn、Ga、As、Zr、Nb、Hf、Ta、Pb、Bi、Th和U等均明顯富集，尤以Li、Pb、Cr最為顯著，遷移比例均大于500%，而Co、Cs、Ba、Zn、Rb、Sr、W和Tl等相對(duì)虧損(表3、圖6－A);輕稀土元素(LREE)(La→Gd)相對(duì)虧損;而重稀土元素(HREE)(Tb→Lu)明顯富集，表明本區(qū)鋁土質(zhì)頁巖形成過程中 LREE和HREE具有不同的活動(dòng)規(guī)律。

3.3.2 鋁土質(zhì)頁巖→致密塊狀鋁土礦

該過程代表塊狀鋁土礦形成過程，該過程中主要元素Fe2O3、MnO、MgO、CaO、K2O明顯富集，遷移比例均大于100%，Al2O3弱富集，而SiO2、Na2O為虧損元素(表3、圖5－B);微量元素均明顯富集，尤以Ag、Nb、Sn、Mo、Hf、Ta、Th、U顯著，遷移比例均大于100%，而Be、Sc、Co、Ni、Cu、、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Pb和Er等相對(duì)虧損(表3、圖6－B)。

3.3.3 致密塊狀鋁土礦→土狀、碎屑狀鋁土礦

代表致密塊狀鋁土礦→半土狀、碎屑狀鋁土礦，即土－半土狀、碎屑狀鋁土礦形成過程。該過程中主要元素僅Al2O3、TiO2、MgO進(jìn)一步富集，其余為不同程度的虧損(表3、圖5－c)，微量元素中Be、Sc、V、Cr、Ag、Sn、Ba、Ge、As、Sr、Y、Nb、Mo、REE、Hf、Ta、Tl、Bi、Th和U等均呈不同程度富集，以Co、Cd、Ge、Mo、La、Ce、Pr最顯著，而Li、Cs、Ba、Zn、Zr為虧損元素(圖6－c)。稀土元素中輕稀土元素富集程度相對(duì)高，而重稀土元素富集程度低，表明鋁土礦進(jìn)一步富化過程中，輕、重稀土元素具有差異性活動(dòng)特征。

據(jù)研究(MacLean等，1997)，在風(fēng)化過程中，Y通常被視為較穩(wěn)定的不遷移元素，但在黔北瓦廠坪研究區(qū)它具有明顯的遷移富集特征，推測(cè)Y應(yīng)在勃姆石和水鋁石中富集，因?yàn)檫@兩種礦物具有較強(qiáng)的吸附能力。

表3 瓦廠坪鋁土礦形成過程中質(zhì)量平衡計(jì)算Table 3 Calculations of the mass balance in the process of Wachangping bauxite mineralization

續(xù)表

圖5 鋁土礦形成過程主要元素質(zhì)量平衡計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of major elements mass balance during the formation process of bauxiteA－頁巖→鋁土質(zhì)頁巖;B－鋁土質(zhì)頁巖→致密塊狀鋁土礦;C－致密塊狀鋁土礦→土狀鋁土礦A－shale→bauxitic shale;B－bauxitic shale→dense，compact masses of bauxite; C－dense，compact masses of bauxite→bauxite in earthy form

4 結(jié)論

(1)瓦廠坪鋁土礦礦床地球化學(xué)特征研究表明，成礦母巖較復(fù)雜，具多源性，但主要元素和微量元素的富集與韓家店組具有相似性，揭示中下志留統(tǒng)韓家店組是最重要的成礦母巖。

(2)質(zhì)量平衡方程和圖解法計(jì)算結(jié)果顯示，韓家店組砂、頁巖→鋁土質(zhì)頁巖、粘土巖過程中，主要元素Al2O3、TiO2明顯富集，遷移比例高，該階段是鋁質(zhì)富集的重要階段，而SiO2、Fe2O3、MgO、CaO和K2O虧損，表明鋁質(zhì)富集過程中的脫硅、脫鐵及MgO、CaO和K2O流失作用;該過程還表明，原巖經(jīng)風(fēng)化殘積、各種運(yùn)力作用搬運(yùn)沉積，大量元素由于地球化學(xué)性質(zhì)、物理特性相近或相似，均與成礦元素Al同遷移、同富集。

(3)韓家店組→鋁土質(zhì)頁巖→鋁土礦，Al2O3的含量明顯增加，且A12O3和A12O3/SiO2與K2O、Na2O、CaO、SiO2呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與TiO2呈顯著的正相關(guān)，充分反映出鋁土礦成礦過程中，K2O、Na2O、CaO、SiO2易發(fā)生溶解、淋濾流失，而 TiO2由于難溶、地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與A12O3同遷移，同富集。

(4)鋁土礦形成過程中微量元素總體表現(xiàn)出惰性元素逐步富集，活潑元素逐漸虧損，反映出風(fēng)化、遷移富集成礦特征。

圖6 瓦廠坪鋁土礦床鋁土礦形成過程微量元素質(zhì)量平衡計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of trace element mass balance during the formation of the Wachangping bauxite deposit

［注釋］

① 蘇書燦，趙遠(yuǎn)由.2007貴州省務(wù)川縣瓦廠坪鋁土礦區(qū)詳查報(bào)告［R］.

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