山西王潤-西崖底鋁土礦稀土元素特征及意義

葉 楓，董國臣，郭紅黨，孟兆國，趙增杰，韓懷亮

(1．山西省地質(zhì)調(diào)查院，山西 太原 030006； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 10083)

山西王潤-西崖底鋁土礦稀土元素特征及意義

葉 楓1,2，董國臣2，郭紅黨1，孟兆國1，趙增杰1，韓懷亮1

(1．山西省地質(zhì)調(diào)查院，山西 太原 030006； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 10083)

山西交口-汾西地區(qū)王潤-西崖底鋁土礦床是山西省地質(zhì)調(diào)查院近年來發(fā)現(xiàn)的大型鋁土礦床。本文通過對王潤-西崖底鋁土礦的研究，分析鋁土礦樣品的稀土元素含量特征，研究鋁土礦床稀土元素分布特征以及與鋁土礦床的關(guān)系，探討稀土元素對于本區(qū)鋁土礦成因和環(huán)境的指示意義。研究表明：該區(qū)鋁土礦體的ΣREE總量較大，輕稀土元素相對富集，具有明顯的Eu負(fù)異常；利用稀土元素圖解大致反映出鋁土礦成礦物質(zhì)的來源于上地殼，底板碳酸鹽巖為鋁土礦床源巖，鋁土礦形成于海相或海陸過渡相弱氧化環(huán)境。鋁土礦床ΣREE與Al2O3含量存在正相關(guān)性。

鋁土礦；稀土元素；王潤-西崖底；礦床成因

山西省西南部王潤-西崖底鋁土礦是山西省地質(zhì)調(diào)查院于2008年發(fā)現(xiàn)的一個鋁土礦床。對于該礦床的研究才剛剛起步，許多問題尚待解決。鑒于該區(qū)域新發(fā)現(xiàn)的鋁土礦，王潤-西崖底鋁土礦具有良好的資源潛力價值，稀土元素(REE)地球化學(xué)是研究礦床的常用手段(陳德潛，1990)，本文以采自王潤-西崖底鋁土礦樣品為基礎(chǔ)，分析了這些樣品的稀土元素含量及其特征，就稀土元素指示意義進(jìn)行了討論，為深入認(rèn)識王潤-西崖底鋁土礦床提供一定的參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

山西王潤-西崖底鋁土礦床位于呂梁山脈中段，交口縣南東-汾西縣北東，行政區(qū)劃主要屬交口縣，部分屬汾西縣、蒲縣管轄。大地構(gòu)造位置處于華北陸塊區(qū)的Ⅲ級構(gòu)造單元山西碳酸鹽臺地(圖1a)，屬山西省孝西Ⅳ級鋁土礦成礦區(qū)。區(qū)內(nèi)地層以寒武系灰?guī)r和砂巖、奧陶系灰?guī)r、上石炭統(tǒng)頁巖和鐵鋁巖系發(fā)育，且分布廣泛，區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，未見大規(guī)模巖漿活動痕跡。

圖1 山西王潤-西崖底鋁土礦地質(zhì)簡圖(據(jù)山西省地質(zhì)調(diào)查院，2008)

2 礦床地質(zhì)特征

礦床位于王潤-西崖底一帶，區(qū)內(nèi)出露地層主要有：第四系沉積物，二疊系-石炭系砂巖、頁巖和底部鋁土礦含礦巖系，奧陶系灰?guī)r等，其中以月門溝群和奧陶系地層為主。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育(圖1b)。

太原組湖田段為本區(qū)含礦巖系，與下伏地層呈假整合接觸。自下而上由赤、褐鐵礦(即山西式鐵礦)、鐵質(zhì)黏土巖、鋁土巖、硬質(zhì)耐火黏土礦、黏土巖、黏土頁巖等組成，其巖性及厚度有一定變化，但垂向?qū)有虼笾孪嗤哂需F質(zhì)巖-鋁質(zhì)巖-硅質(zhì)巖的沉積規(guī)律，厚約3～25m。

1)鐵質(zhì)巖：包括山西式鐵礦及鐵質(zhì)黏土巖。山西式鐵礦直接覆蓋于奧陶系灰?guī)r侵蝕面之上，呈透鏡狀、窩子狀或似層狀產(chǎn)出，厚0.7～10.12m，平均2m左右，但不連續(xù)，局部缺失。鐵質(zhì)黏土巖于鐵礦和鋁土礦之間，屬鐵質(zhì)巖與鋁制巖間的過渡類型的礦石。呈透鏡狀或似層狀，分布較普遍，但厚度及物質(zhì)組成變化較大。巖石呈灰、青灰、黃灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)或碎屑狀、鮞狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部呈層狀。礦物成分為高嶺石、一水硬鋁石及赤、褐鐵礦。隨其化學(xué)成分的變化，可構(gòu)成鐵礬土或過渡為鐵礦。厚度變化在0.47～5.30m，局部缺失，一般1～2m。

2)鋁質(zhì)巖：包括鋁土礦、鋁土巖。鋁土礦呈灰—深灰及淡黃色，具鮞狀、碎屑狀、粗糙狀結(jié)構(gòu)、半粗糙狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。礦體呈層狀、似層狀產(chǎn)出，厚0.35～6.50 m，平均2.36m。鋁土巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征與鋁土礦相似，多呈致密塊狀或稀疏鮞狀。常以鋁土礦夾層出現(xiàn)，或橫向上與鋁土礦互相過渡。

3)硅質(zhì)巖：包括黏土巖、硬質(zhì)耐火黏土礦等，致密狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。位于鋁質(zhì)巖之上，巖性及其厚度變化較大，厚度0.15～9.96m，一般1～7m。

含礦巖系巖(礦)石組合及礦體頂、底板巖石特征十分明顯(圖2)，成為區(qū)內(nèi)尋找鋁土礦最為可靠的標(biāo)志和依據(jù)。

3 樣品測試結(jié)果

在對本區(qū)細(xì)致的的地質(zhì)調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，對采自王潤-西崖底一帶9件鋁土礦樣品進(jìn)行稀土元素分析(圖1(b))。其中王潤一帶鋁土礦樣品(XT1-XT3)主要為碎屑狀鋁土礦，三件樣品稀土總量為1809.50ppm，ΣREE相對較低；西崖底一帶鋁土礦樣品(XT4-XT6)主要為半粗糙狀鋁土礦，三件樣品稀土總量為2208.60ppm，ΣREE相對一般；回龍一帶鋁土礦樣品(XT7-XT9)主要為粗糙狀鋁土礦，三件樣品稀土總量為2586.78ppm，ΣREE相對最高。

稀土元素的含量采用球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)值 (Boynton，1984) 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，分析鋁土礦石標(biāo)準(zhǔn)化后稀土元素配分曲線(圖3)可知：鋁土礦礦石稀土元素配分曲線為傾斜程度類似的右傾型。稀土總量較大，ΣREE=387.65～1205.51ppm，均值為733.88ppm。輕稀土明顯較重稀土富集，ΣLREE/ΣHREE=8.15～19.75，均值為13.55；輕稀土元素與重稀土元素之間分餾明顯，(La/Yb)N=9.28～26.65，均值為16.76；輕稀土內(nèi)部分餾明顯，(La/Sm)N=3.46～9.82，均值為6.25；重稀土元素內(nèi)部分餾作用相對較弱，(Gd/Lu)N=0.90～2.06，均值為1.58；說明在鋁土礦化過程中重稀土元素活動性相對較弱。Ce異常相對不明顯，δCe=0.94～1.18，均值為1.08；具有穩(wěn)定的Eu負(fù)異常，δEu=0.55～0.61，均值為0.58。

圖2 山西王潤-西崖底鋁土礦地層柱狀剖面圖

表1 王潤-西崖底鋁土礦稀土元素含量(10-6)、Al2O3(%)、TiO3(%)及相關(guān)參數(shù)

注：XT1～XT9樣品數(shù)據(jù)測試于國土資源部中南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，ZK8831-1、ZK8831-10數(shù)據(jù)引自孟健寅，2011，M9614數(shù)據(jù)引自陳平，1998。ΣLREE = ΣLREE( La-Eu)，ΣHREE = ΣHREE( Gd-Lu)，-表示未測出。

圖3 礦石稀土配分模式圖

4 討論

4．1 稀土元素特征對成礦物質(zhì)來源的探討

本區(qū)鋁土礦床屬于典型的喀斯特型鋁土礦。針對山西省鋁土礦床成礦物質(zhì)來源方面存在的較大爭議，目前有三種主要觀點：一是認(rèn)為鋁土礦成礦物質(zhì)來源主要來源于大陸鋁硅酸鹽巖石的風(fēng)化物(劉長玲，1985；盧靜文等，1997)；另一觀點認(rèn)為成礦物質(zhì)來源來自于基底寒武系、奧陶系各類碳酸鹽巖及其泥質(zhì)夾層的化學(xué)風(fēng)化殘余物，但不排除局部來源于微量古陸碎屑物質(zhì)(吳國炎，1997；郭連紅，2003)。第三種觀點是混合來源(陳平，1986)。

研究表明，在風(fēng)化過程中，含鋁巖系稀土元素Eu異常(Eu/Eu*)穩(wěn)定，而元素Al、Ti亦穩(wěn)定，可以用Eu/Eu*-TiO2/Al2O3地球化學(xué)圖解來判斷物質(zhì)來源(Mameli，2007)。

根據(jù)本區(qū)鋁土礦Eu/Eu*-TiO2/Al2O3地球化學(xué)圖解顯示(圖4)，樣品位于上地殼附近，表明其物源與上地殼物質(zhì)有關(guān)，但與基性玄武巖和花崗巖關(guān)系不大。野外調(diào)研未發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)有巖漿活動現(xiàn)象，進(jìn)一步證實成礦物質(zhì)主要來源與上地殼。

圖4 王潤-西崖底鋁土礦Eu/Eu*-TiO2/Al2O3圖解

圖5 王潤-西崖底鋁土礦床稀土元素配分曲線

對本區(qū)鋁土礦礦床研究表明，本區(qū)鋁土礦產(chǎn)出狀態(tài)嚴(yán)格受底板奧陶系灰?guī)r地形控制，礦體呈層狀、似層狀產(chǎn)出于湖田段含礦巖系與奧陶系灰?guī)r之間；且本區(qū)湖田段之上未見有鋁土礦產(chǎn)出，從稀土元素配分曲線及其參數(shù)特征可以看出(圖5)，王潤-西崖底鋁土礦樣品和底板灰?guī)r具有相似的稀土元素配分曲線特征。說明本區(qū)鋁土礦源巖為底部碳酸鹽巖。

4．2 稀土元素特征對成礦環(huán)境的探討

本區(qū)鋁土礦石中輕、重稀土元素分異明顯((La/Yb)N均值16.76)。通常認(rèn)為，熱帶、亞熱帶濕潤氣候條件下，容易使稀土元素發(fā)生活化遷移，稀土元素之間的分異也往往較為明顯(王中剛，1989)。說明本區(qū)鋁土礦形成于溫暖濕潤氣候條件下。

本區(qū)大部分鋁土礦以δCe弱正異常為特征，通常認(rèn)為δCe正異常顯示氧化環(huán)境。風(fēng)化過程中氧化還原條件的變化直接影響著變價元素Ce的活動性。地表氧化條件往往導(dǎo)致Ce3+氧化為Ce4+，而Ce4+極易水解形成難溶(氫)氧化物，與它輕稀土分離,形成鋁土礦石中普遍存在的弱δCe異常(Braun，1990)。

對本區(qū)9個鋁土礦樣品研究表明，LREE/ HREE<10的樣品有3個，10≤LREE/ HREE≤30的樣品有6個。利用稀土元素示蹤沉積環(huán)境時，一般認(rèn)為大陸沉積物中LREE含量較海洋沉積物高，海水沉積物L(fēng)REE/ HREE一般小于10，而黃土及陸相沉積物一般大于30(陳德潛，1990)。說明本區(qū)鋁土礦床可能為海相或海陸過渡相環(huán)境成因。

4．3 稀土元素特征與礦物成分的關(guān)系

研究表明，王潤-西崖底鋁土礦中ΣREE與Al2O3含量呈正相關(guān)性(表1、圖6)，本區(qū)Al2O3是鋁土礦的主要成分，絕大部分賦存于一水硬鋁石中。由于一水硬鋁石對稀土元素的吸附作用(王中剛，1989)，一水硬鋁石含量較高者，ΣREE一般也較高。礦石中同種一水硬鋁石礦物由于樣品純度、結(jié)晶程度和顆粒大小不同， 對稀土的吸附能力也不同， 通常顆粒越小，比表面越大的一水硬鋁石，更利于吸附稀土陽離子。膠體成因的粗糙狀鋁土礦，因比表面增大，對稀土的吸附力也增強(qiáng)。此外，Al2O3含量越高ΣREE也越高。這與礦區(qū)鋁土礦中由碎屑狀鋁土礦石—半粗糙狀鋁土礦石—粗糙狀鋁土礦石，ΣREE依次升高的現(xiàn)象相一致。

圖6 鋁土礦Al2O3/ΣREE圖解

5 結(jié)論

1)王潤-西崖底鋁土礦稀土元素的分布總體上較為均勻，均以輕稀土元素相對富集為特征。

2)王潤-西崖底鋁土礦成礦物質(zhì)來源與上地殼有關(guān)，底板碳酸鹽巖為區(qū)內(nèi)鋁土礦源巖。

3)本區(qū)鋁土礦床稀土元素特征大致反映礦床形成于溫暖濕潤氣候條件下，弱氧化、海相或海陸過渡相環(huán)境。

4)本區(qū)鋁土礦床ΣREE與Al2O3含量呈正相關(guān)性，這對本區(qū)今后鋁土礦生產(chǎn)、研究工作可提供一定的借鑒意義。

致謝：在野外工作、室內(nèi)研究中與王鵬博士、徐洋碩士、謝許鋒碩士進(jìn)行過有益的探討，作者一并致謝！

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The rare-earth elements features and significances of bauxite deposits in Shanxi Wangrun-Xiyadi region Shanxi province

YE Feng1,2，DONG Guo-chen2，GUO Hong-dang1，MENG Zhao-guo1，ZHAO Zeng-jie1,HAN Huai-liang1

(1．Shanxi Institute of Geological Survey，Taiyuan 030006，China；2.School of Geosciences and Resource，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China)

The bauxite deposits in Shanxi Wangrun-Xiyadi region，which was found by Shanxi Institute of Geological Survey in recent years，it is a large-size deposits.Through the research of bauxite deposits，analyze the content of the rare-earth elements in samples of deposits，and research the relationship between the characteristics of rare-earth elements and the deposits，discuss the significance of the genesis and environment of bauxite deposits from the rare-earth elements.This study shows that the ΣREE of bauxite deposits is large in this region，light REE relative enriched，with Eu negative abnormality；using the diagram of REE，we know that the metallogenic source material comes from the upper crust.The carbonate rock of bottom plates is source bed.The bauxite deposits occur on the weak oxidation environment of Marine or Transitional facies，there was positive correlation between the ΣREE and Al2O3in deposits.

bauxite deposits；rare-earth elements；Wangrun-Xiyadi region；genesis of deposit

2014-06-15

中國地質(zhì)調(diào)查局設(shè)立項目“山西交口—汾西地區(qū)鋁土礦普查評價工作”資助(項目編號：1212010631103)

葉楓(1987-)，男，山西晉中人，助理工程師，碩士研究生，主要從事山西省鋁土礦、鐵礦勘查工作。

TD11

A

1004-4051(2015)06-0076-05