廣西平果堆積鋁土礦巖溶地貌演化與成礦作用

祝瑞勤 ，奚小雙，吳塹虹，楊 震

(1. 中南大學 地球科學與信息物理工程學院，湖南 長沙，410083；2. 長沙有色冶金設計研究院，湖南 長沙，410011)

廣西平果堆積鋁土礦是由二疊紀原生鋁土礦經(jīng)過剝蝕風化形成的次生礦床[1]。礦區(qū)處在云貴高原邊緣的桂西地區(qū)，是巖溶侵蝕強烈的地區(qū)[2]，礦區(qū)堆積礦表現(xiàn)了與巖溶侵蝕早期地系二元結構的控制[3]。平果礦區(qū)巖溶地貌的演化是小流域水系的發(fā)展演化，由此決定礦區(qū)巖溶地貌與堆積礦分布特征。在桂西和周邊地區(qū)，堆積型鋁土礦分布廣泛[4]，因此，對堆積礦巖溶地貌環(huán)境和成礦作用進行研究具有普遍意義。在此，本文通過對平果礦區(qū)巖溶地貌演化的研究，發(fā)現(xiàn)堆積礦成礦的重要條件和機制，并分析堆積礦演化特征和成礦規(guī)律。

圖1 平果礦區(qū)巖溶地貌分帶地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of karst landform zonations at Pingguo Ore Deposit

1 礦區(qū)巖溶地貌發(fā)育程度和演化關系

平果礦區(qū)巖溶地貌分帶地質(zhì)圖見圖1。從圖1可見：平果堆積型鋁土礦分布在原生礦層圈閉的背斜內(nèi)部，那豆礦區(qū)和太平—教美礦區(qū)是2個由背斜分隔的主要分礦區(qū)。這2個礦區(qū)都有確定的巖溶地貌分帶，按照從翼部往核部的順序，那豆礦區(qū)劃分為丘陵峰叢帶和峰林峰叢帶，太平—教美礦區(qū)劃分為丘陵峰叢帶、錐狀-塔狀峰林帶、峰林峰叢帶。這 2個礦區(qū)的分帶都保持了翼部丘陵與核部峰林地貌的基本特征，但具體情況有明顯差異。那豆礦區(qū)分帶比較規(guī)則，太平—教美礦區(qū)分帶形態(tài)不規(guī)則；后者翼部寬度比前者的小，但核部帶寬度大很多，且發(fā)育大范圍的塔狀峰林，前者很少出現(xiàn)，而以錐狀峰林為主。

巖溶地貌分帶表示的巖溶發(fā)育程度變化是背斜差異剝蝕的結果，背斜核部巖溶程度總是比翼部的高。對比2個礦區(qū)發(fā)現(xiàn)：太平—教美礦區(qū)核部廣泛分布塔狀峰林，表示巖溶發(fā)育程度明顯比那豆礦區(qū)核部的高。這2個礦區(qū)的背斜出露規(guī)模差別較大，那豆背斜核部地層是石炭系巖關階，太平—教美背斜核部地層是泥盆系東崗嶺組，根據(jù)礦區(qū)實測地層柱狀圖，估算這 2個礦區(qū)的剝蝕地層厚度相差300～400 m，背斜寬度相差3倍。平果礦區(qū)地形剖面見圖2。從圖2可見：這2個礦區(qū)的地形標高比較接近，而背斜核部地層層位不同，同時，區(qū)域構造分析礦區(qū)處在復式向斜的北東翼[5]，所以，背斜規(guī)模差異是褶皺標高不同導致剝蝕程度發(fā)生變化。這同時說明礦區(qū)是處在共同的侵蝕基準面控制下，這2個礦區(qū)地表發(fā)生的侵蝕具有同時性。

在那豆礦區(qū)地貌分帶反映的巖溶發(fā)育程度，是通過巖溶年齡類型的連續(xù)變化表現(xiàn)的[6]，但是，在太平—教美礦區(qū)巖溶年齡與地貌分帶不完全對應。在背斜核部峰林峰叢地貌比兩側的錐狀-塔狀峰林地貌更年輕，但是，核部出露的泥盆紀地層表明這里侵蝕深度是最大的。那豆和太平—教美礦區(qū)兩翼地貌不對稱，是背斜軸面產(chǎn)狀向南西傾斜的構造控制的原因。

圖2 平果礦區(qū)地形剖面圖Fig.2 Topographic profile of Pingguo Ore Deposit

2 礦區(qū)堆積礦演化與成分變化

雖然經(jīng)過多年地質(zhì)勘探，但仍然不能保證平果礦區(qū)堆積礦的分布沒有遺漏。為了全面掌握堆積礦的分布特征，采用遙感方法來補充礦區(qū)成礦信息。經(jīng)過反復試驗和現(xiàn)場解譯，獲取了礦區(qū)堆積礦遙感預測圖，以展示堆積礦的整體分布狀態(tài)[7](見圖1)。遙感解譯新獲取的堆積礦主要分布在太平—教美礦區(qū)的核部區(qū)域，使得原來分離的礦區(qū)顯示了背斜控礦的完整形態(tài)。堆積礦在翼部丘陵帶是連續(xù)分布的，在峰林帶呈均勻分散分布，到核部中心分布不均勻，密度降低。與那豆礦區(qū)相比，太平礦區(qū)丘陵帶堆積礦發(fā)育不完整，沒有內(nèi)側帶，但是，峰林帶堆積礦在較大寬度內(nèi)穩(wěn)定分布。

堆積礦是原生礦再風化形成的，它們的礦化成分具有相關性。對礦區(qū)堆積礦稀土元素進行研究發(fā)現(xiàn)：那豆礦區(qū)和太平礦區(qū)的稀土元素特征參數(shù)和配分模式是比較一致的(見表1、圖3)，均為V型模式，普遍具有輕稀土輕微富集而重稀土相對虧損的特點。Eu均表現(xiàn)為中度負異常；Ce基本上表現(xiàn)為正異常。目前，對平果原生礦的物質(zhì)來源存在爭議，還有待于進一步研究確定[8]。但稀土元素對比分析結果表明原生礦物質(zhì)來源是一致的，因此，堆積礦發(fā)生再風化的速率應該是相近的[9]。

原生礦存在多種礦石類型分帶，它們的礦化成分是不均勻的，但是，經(jīng)過對全礦區(qū)堆積礦礦化數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計求取平均值，發(fā)現(xiàn)所表現(xiàn)的堆積礦成分的變化反映了風化程度的差別。平果礦區(qū)堆積礦礦化數(shù)據(jù)統(tǒng)計的頻率分布圖見圖4。從圖4可見：堆積礦的基本礦化特征是：堆積礦中硅含量低的頻數(shù)增加，而鋁含量高的頻數(shù)增加，二者呈負相關關系，鐵含量低的頻數(shù)有增加趨勢，但在較寬范圍內(nèi)含量穩(wěn)定，表示堆積礦在風化演化中硅含量降低，鋁含量總體趨勢增加，鐵的流失不穩(wěn)定，符合風化作用中元素變化的基本特征[10-11]。對那豆礦區(qū)各分帶堆積礦礦化數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后求平均值，得出從翼部到核部各分帶礦化的變化規(guī)律是：當鋁含量升高時，硅含量下降；當鐵含量下降時，鋁硅質(zhì)量比上升(表2)。說明堆積礦成分按照地貌分帶發(fā)生的變化，與風化程度演化造成的成分變化是一致的，礦區(qū)地貌分帶反映了巖溶發(fā)育程度的變化。

對太平礦區(qū)堆積礦分帶的已有礦化數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后求平均值發(fā)現(xiàn)：從翼部到核部，鋁含量基本持平，硅含量下降，鐵含量升高，鋁硅質(zhì)量比升高(見表2)。說明鋁發(fā)生流失，但是，比硅的流失要弱，而鐵則以沉積為主。與那豆礦區(qū)對比，相同的分帶太平礦區(qū)的鋁含量較低，硅含量較高，鐵含量明顯增加。其原因可能是：太平翼部丘陵堆積礦多為殘積礦，風化程度偏低，而太平核部實際上包含了翼部內(nèi)側部分，同時，太平礦區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中缺少核部中心地區(qū)資料，使得硅含量偏高；此外，石英集中而鋁機械流失[12]，鐵的增加可能與原生礦成分有關。比較2個礦區(qū)內(nèi)部的變化趨勢發(fā)現(xiàn)：硅含量都下降，下降幅度相差不大；但鋁的變化幅度差別明顯，在太平礦區(qū)鋁含量下降；鐵的變化不穩(wěn)定，不能反映演化特征。從以上分析可看出平果礦區(qū)堆積礦礦化隨巖溶地貌演化的變化趨勢：開始是鋁含量增加，風化中鋁流失較慢；巖溶地貌演化到塔峰普遍發(fā)育的程度，使得鋁的流失達到轉折點，即堆積礦中鋁開始發(fā)生凈流失。因此，礦區(qū)巖溶地貌

演化中塔峰發(fā)育是堆積礦成分變化的重要地貌界線，是鋁含量變化的臨界值。

表1 太平、那豆礦區(qū)鋁土礦稀土元素含量(質(zhì)量分數(shù))及特征參數(shù)Table1 Content and characteristic parameters of REE at Taiping and Nadou bauxite deposit

圖3 平果礦區(qū)堆積礦稀土元素模式Fig.3 REE patterns of accumulative bauxite in Pingguo Ore Deposit

圖4 平果堆積礦成分含量頻數(shù)直方圖Fig.4 Content histograms of accumulative bauxite at Pingguo Ore Deposit

表2 那豆、太平礦區(qū)各帶堆積礦參數(shù)平均值Table2 Average results of accumulative bauxite in different zonations at Taiping and Nadou bauxite deposit

3 礦區(qū)巖溶水文地貌的成礦作用

巖溶地貌形態(tài)反映特定的水文結構型式，因此，巖溶地貌類型的演化也是巖溶水文結構的演化[3]。在平果礦區(qū)代表不同演化階段的巖溶丘陵、峰叢和峰林地貌對應不同的水文活動形式，丘陵地貌以地表斜坡流水侵蝕為主，峰叢地貌發(fā)育垂直滲流侵蝕的巖溶作用，峰林地貌是水平流水侵蝕形成的。平果礦區(qū)巖溶村貌演化模式見圖 5。其中峰林開始形成時為錐峰，由于地下溶洞坍塌而轉變?yōu)樗錥2]。巖溶地貌演化伴隨地殼抬升的過程，初期原生礦層剝蝕時形成原始巖溶表面，流水從地表轉入地下產(chǎn)生垂直滲流形成峰叢(圖5(a)，地殼穩(wěn)定時巖溶侵蝕達到潛水面使水平流水成為主要侵蝕動力，峰叢邊坡平行后退形成峰林洼地[3,13](圖5(b))，恒定的地下水位形成水平溶洞層[6]，侵蝕塌陷形成塔峰(圖 5(c))。塔峰的成因可能有多種[14]，因為太平礦區(qū)塔峰與錐峰是混合分布的，現(xiàn)場觀察是地下巖溶管道塌陷形成塔峰。但是，塔峰在那豆礦區(qū)核部和太平—教美礦區(qū)的泥盆系核部并不發(fā)育，說明水平巖溶通道發(fā)育弱，這種差別表明礦區(qū)中地下水系的發(fā)育程度是不均勻的。

平果礦區(qū)巖溶地貌總體上是按順序分帶分布的，對應地貌分帶的水文形式從翼部到核部是地表流水，垂直滲流，水平流水，但它們不會同時出現(xiàn)在一個平面上。因地殼上升形成地下多層巖溶的發(fā)展是普遍存在的現(xiàn)象[15-17]，對應地下水位變化形成巖溶地貌類型的轉換[18]。平果礦區(qū)巖溶地貌的分帶是巖溶多旋回活動的結果[6]，核部峰林地貌形成于早期地殼穩(wěn)定階段(圖5(b)～(d))，屬于早期旋回的殘留地貌，而翼部丘陵和峰叢地貌形成于晚期地殼上升階段(圖5(c))，是后期巖溶旋回地貌，對應礦區(qū)現(xiàn)代巖溶水系活動[19](圖5(d))。因為褶皺使多旋回疊加的地貌表現(xiàn)為水平分帶，但在核部峰林帶中也發(fā)育峰叢地貌，是同位疊加所致。

平果礦區(qū)堆積礦表面上與巖溶地貌的關系密切，實際上堆積礦礦化直接受巖溶水文活動的控制，堆積礦的演化伴隨巖溶水文活動的演化。地表地貌控制堆積礦的明顯特征是：丘陵堆積礦在地表流水單向搬運中形成平面分選分帶，洼地堆積礦從周圍高地遷移匯集，但其底部保存了早期堆積礦層。從丘陵到錐狀峰林階段地下水系逐漸發(fā)育成熟，但處在地表的堆積礦還沒有與地下溶洞層直接接觸，堆積礦的流失率較低，鋁含量保持上升的趨勢。而塔狀峰林的發(fā)育表明地下水平溶洞暴露至地表，這是早期地下水系活動通道，堆積礦通過早期溶洞層可能明顯增加流失率，使得鋁含量開始下降?？傮w上，平果礦區(qū)巖溶地貌演化保持封閉環(huán)境，堆積礦成分變化指示風化加強的順序，導致鋁集中和硅流失，類似于夷平面風化殼的條件。而塔峰帶指示地下水平溶洞層的出露增加了礦區(qū)開放程度，特別是增加了鋁機械流失的強度，成為堆積礦成分變化的轉折點。

4 礦區(qū)地下水系流域地質(zhì)特征

巖溶地貌是統(tǒng)一在流域系統(tǒng)中具有聯(lián)系的整體[3,20]，通過分析平果礦區(qū)的流域水系特征有可能發(fā)現(xiàn)巖溶地貌完整的形態(tài)分布關系和演化特征，并進一步認識礦區(qū)堆積礦的分布變化規(guī)律。平果礦區(qū)處于右江流域中游，右江流向南東，大致平行于礦區(qū)背斜長軸。礦區(qū)的巖溶地下水系屬于受背斜控制的封閉型水系[3]，因此，與地表水系方向應該是一致的。

圖5 平果礦區(qū)巖溶地貌演化模式Fig.5 Evolution models of karst landform at Pingguo Ore Deposit

圖6 平果礦區(qū)流域水系分布Fig.6 Distribution of karst watershed at Pingguo Ore Deposit

圖7 太平礦區(qū)塔峰分布密度等值線Fig.7 Density contours of towering peaks at Taiping Ore Deposit

平果礦區(qū)流域水系分布見圖 6，太平礦區(qū)塔峰分布密度等值線見圖 7。因為塔峰是在地下水平溶洞塌陷時形成的，因此，連續(xù)分布的塔峰區(qū)反映地下水系流域的活動形態(tài)。太平礦區(qū)塔峰分布范圍表現(xiàn)為南東向延伸的區(qū)帶，指示對應的地下水系方向，與背斜軸向平行，也與地表水系平行。在塔峰帶北東側與之平行延伸的是泥盆紀核部帶的錐峰帶，與兩側塔峰帶相比為低級巖溶類型，因此，推測是地下分水嶺位置(圖6)。太平塔峰帶中部塔峰均勻分布，在接近核部分水嶺時變?yōu)榉种钚螒B(tài)，表現(xiàn)了地下水系干流與支流的關系。在翼部丘陵帶一側也分布分支水系，但寬度狹窄，組成太平不對稱地下羽狀水系[3]。主干水系偏向丘陵一側可能與南西方向的右江排泄基準面有關[6,21]。在丘陵一側非溶地層阻止巖溶發(fā)展，而分水嶺一側是巖溶擴展的方向，造成水系不對稱。太平與教美之間地下分水嶺沿背斜核部位置分布，是因為兩翼地層產(chǎn)狀不同成為控制支流通道的因素[3]，并造成兩側礦區(qū)不對稱，在教美礦區(qū)水系規(guī)模小。那豆礦區(qū)巖溶地貌反映的水系特征是：翼部地表流水發(fā)育，而核部地下水系發(fā)育程度不高，只形成范圍不大的錐峰區(qū)。推測地下水系干流通過背斜核部，沒有形成地下分水嶺。平果礦區(qū)短軸背斜是完全封閉型巖溶水系，在上、下游的傾覆端都變?yōu)榈乇硭?，因此，太平礦區(qū)的塔峰帶整體為透鏡狀(圖7)，中部地下巖溶最發(fā)育，向傾覆端減弱。礦區(qū)之間的對比結果說明：在相同的侵蝕基準面控制下，太平—教美礦區(qū)形成與成熟地下水系對應復雜地貌分帶，而那豆礦區(qū)形成簡單巖溶地貌形態(tài)，其丘陵地貌發(fā)育與右江河流地貌侵蝕強化有關。

對礦區(qū)地下水系流域進行分析，發(fā)現(xiàn)巖溶地貌的整體分布形態(tài)變化的原因是：堆積礦分布形態(tài)的變化也是受巖溶地下水系控制。地下水系的形態(tài)和活動具有特定的方式，因此，礦區(qū)堆積礦的分布規(guī)律可以通過地下水系的活動性質(zhì)進行研究。太平礦區(qū)成型的地下水系流域使得堆積礦分布有向主干水系匯聚的趨勢，堆積礦在塔峰區(qū)范圍內(nèi)穩(wěn)定分布，在分水嶺帶礦化呈減弱的趨勢，地下流域水系具有的落差使得溶洞之間形成高差，在溶洞塌陷時變成地表的高差，形成地表堆積礦遷移的方向。水系形態(tài)與邊界條件和水系發(fā)育程度有關，平果礦區(qū)的背斜構造決定了水系發(fā)育的封閉型邊界條件，形成羽狀水系。那豆礦區(qū)與太平—教美礦區(qū)的水系發(fā)育程度差別較大，導致堆積礦的分布形態(tài)明顯不同，后者地下水系在核部區(qū)發(fā)育成熟，使得洼地堆積礦廣泛分布，擠占了丘陵堆積礦的空間。那豆礦區(qū)規(guī)模小，地下水系不成熟，使得丘陵堆積礦成為主要類型。

5 結論

(1) 從那豆礦區(qū)到太平礦區(qū)的巖溶地貌表現(xiàn)了演化發(fā)展的關系。在巖溶地貌類型變化的同時，地貌分帶形態(tài)也在改變，在太平—教美礦區(qū)核部還出現(xiàn)了巖溶侵蝕程度與地貌類型演化順序不對應的現(xiàn)象，反映礦區(qū)地貌演化中地質(zhì)因素發(fā)生的變化。

(2) 隨著巖溶地貌發(fā)育程度的提高，堆積礦成分發(fā)生相應的變化，符合土壤風化程度發(fā)展的規(guī)律。堆積礦中鋁含量經(jīng)歷了從升高到降低的過程，變化的轉折點以普遍發(fā)育塔峰為標志。

(3) 礦區(qū)巖溶地貌類型對應不同的巖溶水文型式。礦區(qū)具有多旋回巖溶演化的特點，塔峰的發(fā)育因為連通了早期溶洞層從而降低了礦區(qū)堆積礦的封閉程度，可能造成堆積礦的機械流失而使鋁含量下降。

(4) 水系發(fā)育程度是影響巖溶地貌分布形態(tài)的重要因素。礦區(qū)巖溶發(fā)育階段巖溶地貌的發(fā)育是規(guī)則的，但是，流域水系的發(fā)育造成巖溶地貌的分布不規(guī)則，并且控制了堆積礦的整體分布形態(tài)和礦化程度。

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