黔西北地區(qū)二疊紀玄武巖古風化殼常量元素的地球化學特征

郭佩佩， 張 海， 劉 軍， 桑世華， 李媛媛， 楊德傳， 黃太忠

(1.貴州地礦局113地質(zhì)大隊，六盤水 553001；2.成都理工大學核技術(shù)與自動化工程學院，成都 610059)

黔西北地區(qū)二疊紀玄武巖古風化殼常量元素的地球化學特征

郭佩佩1，2， 張 海1， 劉 軍1， 桑世華2， 李媛媛1， 楊德傳1， 黃太忠1

(1.貴州地礦局113地質(zhì)大隊，六盤水 553001；2.成都理工大學核技術(shù)與自動化工程學院，成都 610059)

通過對峨眉山玄武巖古風化殼進行野外調(diào)查、取樣和分析測試工作，認為： ①貴州西部廣泛出露峨眉山玄武巖，晚二疊世古氣候溫潤潮濕，利于峨眉山玄武巖風化形成含F(xiàn)e、Ti的黏土礦物和鋁質(zhì)黏土礦物的古風化殼，該風化殼受古地理環(huán)境和峨眉山玄武巖控制。②相對玄武巖而言，鋁質(zhì)黏土巖主量元素含量特征表現(xiàn)為富TiO2、Al2O3，輕度虧損SiO2，明顯虧損TFe，其他主量元素大量流失； 鐵質(zhì)黏土巖主量元素含量特征表現(xiàn)為富TFe、TiO2, 輕度富Al2O3，但相對于鋁質(zhì)黏土巖，TiO2的富集程度偏低，SiO2虧損明顯，其他元素亦大量流失。③由于晚二疊世頻繁的海侵作用，水位較高的區(qū)域，風化殼下部處于較還原的條件下，F(xiàn)e被還原成易溶的二價狀態(tài)或在有機質(zhì)的作用下遷出風化殼，而Ti由于存在形式較為穩(wěn)定，繼續(xù)保存在黏土礦物中，與Fe發(fā)生分異； 局部水位較淺的氧化環(huán)境及重力分異作用下，黏土礦物與鐵礦物由于比重差異而分選開來，形成Fe與Al、Ti的分異,并伴隨鐵礦、鈦礦和鋁土礦的富集。該富集規(guī)律的發(fā)現(xiàn)對尋找該區(qū)鐵、鈦和鋁土礦有一定的理論指導意義。

玄武巖； 風化殼； 常量元素； 地球化學特征； 貴州西部

0 引言

風化殼是巖石圈、水圈、生物圈與大氣圈相互作用形成的表生外殼，其形成過程也是化學元素遷移、淀積從而達到新平衡的地球化學過程。風化殼的形成、發(fā)展不僅與氣候有關(guān)，還與地形、母巖巖性、生物等因素有著密切的關(guān)系，特別是氣候作用對其影響尤為重要。從赤道的熱帶雨林氣候帶至兩極的冰雪氣候帶，依次分布著紅色富Al(Fe)風化殼、硅鋁-黏土質(zhì)風化殼、硅鋁-碳酸鹽風化殼和巖成碎屑風化殼[1]。

自1995年黃訓華[2]首次在貴州威寧鹿房地區(qū)發(fā)現(xiàn)玄武巖風化殼型稀土礦以來，先后有楊瑞東等[3]、王偉等[4]開展了貴州西部峨眉山玄武巖風化殼及其與成礦的關(guān)系研究，但對玄武巖風化作用下常量元素的演化機制還缺乏科學、系統(tǒng)的探索。筆者在前人研究的基礎上，開展貴州西部二疊紀玄武巖古風化殼風化作用下常量元素的地球化學特征研究，初步探索風化作用下常量元素的富集機制。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)(貴州西部)大地構(gòu)造位置位于特提斯—喜馬拉雅與濱太平洋兩大全球巨型構(gòu)造域結(jié)合部位的揚子準地臺西南緣之Ⅲ級大地構(gòu)造單元昭通—威寧斷陷帶(Ⅲ29)內(nèi)，即位于NW向紫云—埡都深大斷裂、NE向師宗—盤縣深大斷裂帶和NNE向小江深大斷裂所挾持的三角形地帶內(nèi)，斷裂發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復雜。

區(qū)內(nèi)大面積出露峨眉山玄武巖，下伏地層為中二疊統(tǒng)茅口組碳酸鹽巖，上覆地層為上二疊統(tǒng)宣威組(龍?zhí)督M)含煤碎屑巖。玄武巖出露面積3 100 km2，厚度一般為300～850 m，最厚處位于黑石頭片區(qū)的舍居樂，為1 249 m(圖1)。峨眉山玄武巖在本區(qū)以大陸溢流為主體，其頂?shù)拙弑┌l(fā)相，中間有陸相沉積夾層,總體呈西厚東薄的舌形展布，具多旋回特征,巖性以拉斑玄武巖、玄武質(zhì)熔巖、凝灰?guī)r、火山碎屑巖、集塊巖為主。玄武巖具2、3個大的噴溢旋回，具10多個噴發(fā)層[6-9]。

圖1 貴州西部玄武巖等厚圖(部分，據(jù)陳文一[5]修)Fig.1 Isopach of basalt in west of Guizhou (according to Chen[5])

(a、b為鐵礦化現(xiàn)象野外照片) 圖2-1 貴州西部玄武巖古風化殼典型剖面Fig.2-1 Typical Cross-section of basalt paleo-weathering crust in western Guizhou

區(qū)內(nèi)二疊紀玄武巖為高鐵鈦、低鎂、堿性度偏高的鈣堿性拉斑玄武巖，具有較高的分異和同化混染程度。同時二疊紀玄武巖的元素地球化學主要特征為： 高度富集不相容微量元素、輕稀土元素和Ti(>5%)、F，偏堿性，Rb、Sr、K、U、Th含量高，貧Mg、Ca、Cr和Ni[5]，各噴發(fā)層之間斷面產(chǎn)出的凝灰?guī)r類火山碎屑巖中Cu、Fe、Ti、稀土元素等背景值高于玄武熔巖。這是形成與峨眉山玄武巖古風化殼有關(guān)的Fe、Ti、Al等大型礦集區(qū)最為有利的地質(zhì)地球化學背景。

2 峨眉山玄武巖古風化殼地質(zhì)特征

1988年，黃開年[8]開展了峨眉山玄武巖輝石的研究，認為貴州西部玄武巖中輝石的成分演化程度相對較高，相對富集輕稀土元素(light rare earth element, LREE)、Ti等不相容元素。輝石和長石是玄武巖的主要礦物成分，輝石為富Fe、Ti、V等的礦物，長石為富Al礦物。在玄武巖噴發(fā)間歇期，溫暖至濕熱的氣候條件下，玄武巖中的富Al礦物首先分解，形成高嶺石、埃洛石等黏土礦物，而Fe、Ti、V等也因輝石等礦物的分解而遷移出來，并在高嶺石等黏土礦物形成的吸附障中富集，形成峨眉山玄武巖古風化殼。

(c、d為局部鋁土礦化現(xiàn)象野外照片) 圖2-2 貴州西部玄武巖古風化殼典型剖面Fig.2-2 Typical Cross-section of basalt paleo-weathering crust in western Guizhou

區(qū)域上，有古地勢高—古地勢低、玄武巖及凝灰?guī)r從厚—薄及陸相區(qū)域—海相區(qū)域的規(guī)律，峨眉山玄武巖古風化殼的厚度也相應由厚到?。?構(gòu)造位置上，峨眉山玄武巖古風化殼主要分布在一系列峨眉山玄武巖分布區(qū)的向斜構(gòu)造中； 地層時代上，峨眉山玄武巖古風化殼位于二疊系峨眉山玄武巖組第三段與上覆宣威組底部地層之間的一套富Fe、Al、Ti泥質(zhì)巖中(圖2),空間位置相對穩(wěn)定，呈似層狀或?qū)訝町a(chǎn)出，厚度變化于0.30～6.37 m之間，多數(shù)為0.60～2.00 m。下伏峨眉山玄武巖組第三段，巖性一般為紫紅色凝灰?guī)r或角礫狀熔結(jié)玄武巖，上覆宣威組為假整合接觸的粉砂巖、細砂巖層。

3 玄武巖風化殼常量元素地球化學特征

3.1 樣品采集與測試

本次研究系統(tǒng)采集了威寧廬山鎮(zhèn)爐山鐵多金屬礦區(qū)已施工的宣威組一段的鉆孔樣品7件(Z-1至Z-7)和地表樣品7件(J-1至J-7)(表1)，樣品主要為富Fe、富Al的黏土巖和新鮮玄武巖，并對這些樣品進行了常量元素測試。

分析工作在中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室完成，分析方法為X熒光光譜法，測試儀器為X射線熒光光譜儀(型號： PANalytical AXIOS)，分析精度優(yōu)于5%,實驗流程如下。

(1)計算燒失量(loss on ignition, LOI)。稱坩堝重W1，加入1 g樣品； 然后將裝有樣品的坩堝放入馬弗爐中，在900 ℃下灼燒3 h，降溫后加蓋放入干燥器，靜置30 min后稱重得W2； 最后計算出樣品的燒失量。

(2)待測樣品制備。將0.7 g樣品和7 g助熔劑(Li2B4O7)裝入坩堝中，用玻璃棒攪拌均勻，倒入鉑金坩堝中，再加入適量LiBr； 將鉑金坩堝在1 150 ℃下熔融，再將樣品熔體倒入鉑金模具，冷卻后制成扁平玻璃片即可上機測試。采用標樣GSR3校正基體效應，用標準曲線法校正數(shù)據(jù)。

表1 貴州西部玄武巖風化殼巖石常量元素含量Tab.1 Major elements content of paleo-weathering crust basalt in western Guizhou (%)

3.2 數(shù)據(jù)分析與討論

3.2.1 數(shù)據(jù)分析

一般認為，鋁質(zhì)和鐵質(zhì)黏土巖是玄武巖或凝灰?guī)r風化的最終產(chǎn)物，從質(zhì)量平衡的角度出發(fā)，以玄武巖主量元素含量為背景值，計算出各巖類富集系數(shù)(表2)，綜合表1、表2，可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律。

表2 貴州西部玄武巖風化殼巖石常量元素富集系數(shù)統(tǒng)計Tab.2 Enrichment index of major elements in paleo-weathering crust basalt of western Guizhou (%)

(1)鋁質(zhì)黏土巖Al2O3含量變化范圍為20.4%～35.0%，平均為30.1%，富集系數(shù)一般為1.45～2.48，平均為2.13； TiO2含量變化范圍為5.05%～16.5%，平均為8.79%，富集系數(shù)一般為1.62～5.29，平均為2.82； TFe含量變化范圍為0.81%～11.8%，平均為5.61%，富集系數(shù)一般為0.05～0.97，平均為0.38； SiO2含量變化范圍為37.2%～42.6%，平均為40.0%，富集系數(shù)一般為0.80～0.92，平均為0.86； K2O、P2O5、Na2O、MnO2、MgO、CaO均表現(xiàn)為元素流失特征，且流失程度依次加強。

(2)鐵質(zhì)黏土巖Al2O3含量變化范圍為17.5%～22.6%，平均為19.2%，富集系數(shù)一般為1.24～1.60，平均為1.36； TiO2含量變化范圍為 4.80%～7.50%，平均為6.40%，富集系數(shù)一般為1.54～2.40，平均為2.05； TFe含量變化范圍為32.4%～46.4%，平均為41.6%，富集系數(shù)一般為2.17～3.11，平均為2.79； SiO2含量變化范圍為21.0%～29.4%，平均為22.4%，富集系數(shù)一般為0.45～0.63，平均為0.48； MnO2、P2O5、K2O、Na2O、CaO、MgO均表現(xiàn)為元素流失特征，且流失程度依次加強。

(3)相對于玄武巖，鋁質(zhì)黏土巖主量元素含量特征表現(xiàn)為富TiO2、Al2O3，輕度虧損SiO2，明顯虧損TFe，其他主量元素大量流失； 鐵質(zhì)黏土巖主量元素含量特征表現(xiàn)為富TFe、TiO2, 輕度富Al2O3，但相對于鋁質(zhì)黏土巖，TiO2的富集程度偏低，SiO2虧損明顯，其他元素亦大量流失。

3.2.2 結(jié)果討論

根據(jù)古地磁記錄，二疊紀滇東、黔西地區(qū)的古緯度為2.6°～4.5°S[10-11]。黔西地區(qū)晩二疊世地層中化石豐富，動物化石以底棲動物屬種最多、數(shù)量最豐富，同時，造礁生物發(fā)育。由于植物和沉積環(huán)境的關(guān)系十分密切，從植物化石分異度、葉相特征、植物化石生長紋以及植物群綜合指標、古地磁及古海水溫度等方面進行綜合研究，認為黔西晩二疊世時研究區(qū)位于南半球低緯度地區(qū)，氣候炎熱，雨量充沛，植物繁盛，但具短暫的無雨季節(jié)，為熱帶—亞熱帶半落葉季風雨林氣候區(qū)[12-20]，利于峨眉山玄武巖形成風化殼。從鋁質(zhì)黏土巖、鐵質(zhì)黏土巖主量元素TiO2、Al2O3、SiO2、TFe的差異性分析，鋁質(zhì)黏土巖相對鐵質(zhì)黏土巖明顯富TiO2、Al2O3，SiO2含量相對較高，而TFe明顯較低。這一元素分布的差異性與古地理特征、風化階段和晚二疊世頻繁海侵、海退事件關(guān)系密切。結(jié)合野外觀察，認為這一差異性規(guī)律是以下地質(zhì)過程的產(chǎn)物。

(1)輝石和長石是玄武巖的主要礦物成分，輝石為含F(xiàn)e、Ti等的礦物，長石為富Al礦物。二疊系玄武巖火山間歇期，在溫暖至濕熱的氣候條件下，飽含CO2的雨水造成玄武巖中的富Al礦物分解首先形成高嶺石、埃洛石等黏土礦物，而Fe、Ti等也因輝石等礦物的分解而遷移出來，并在高嶺石等黏土礦物形成的吸附障中富集，形成含F(xiàn)e-Ti黏土礦物和含Al-Ti黏土礦物，從而造成脫Si現(xiàn)象，其中，F(xiàn)e主要以赤鐵礦和褐鐵礦的形式存在，而Ti主要以銳鈦礦和鈦鐵礦的形式存在。Fe在地表水中的主要存在形式為膠體，在溫潤氣候條件下，地表水往往富含腐殖質(zhì)，且呈弱酸性，有利于膠體的形成，這些膠體可以攜帶Fe遠距離遷移； 而Ti是比較穩(wěn)定的元素，具有中等離子電位，對分子有極強的極化能力，會引起水解作用并使這些水化物從水中沉淀出來，一般不形成可溶性化合物[21]。這種元素地球化學差異性是Fe、Ti分離的內(nèi)在原因。

(2)在晚二疊世海侵事件等的作用下，研究區(qū)局部水位逐漸升高，風化殼下部處于還原條件，F(xiàn)e被還原成易溶的二價狀態(tài)或在有機質(zhì)的作用下遷出風化殼，而Ti由于存在形式較為穩(wěn)定，繼續(xù)保存在黏土礦物中，與Fe發(fā)生分異； 局部水位較淺的氧化環(huán)境，在重力分異作用下，黏土礦物與鐵礦物由于比重差異而分選開來，形成Fe與Al、Ti的分異,并伴隨鐵礦、鈦礦和鋁土礦的富集。

4 結(jié)論

(1)貴州西部廣泛出露峨眉山玄武巖，晚二疊世時期古氣候溫潤潮濕，利于峨眉山玄武巖風化形成古風化殼，該風化殼受古地理環(huán)境和峨眉山玄武巖厚度控制，一般具有古地勢高—古地勢低、陸相區(qū)域—海相區(qū)域的分布規(guī)律，相應峨眉山玄武巖古風化殼的厚度也由厚到??； 構(gòu)造位置上，峨眉山玄武巖古風化殼主要分布在一系列峨眉山玄武巖分布區(qū)的向斜構(gòu)造中； 地層時代上，峨眉山玄武巖古風化殼位于二疊系峨眉山玄武巖組第三段與上覆宣威組底部地層之間的一套富Fe、Al、Ti的泥質(zhì)巖中，其中，F(xiàn)e、Ti由于地球化學性質(zhì)差異，在表生地質(zhì)作用下發(fā)生分異。

(2)相對玄武巖而言，鋁質(zhì)黏土巖主量元素含量特征表現(xiàn)為富TiO2(含量范圍5.05%～16.5%，平均為8.79%； 富集系數(shù)1.62～5.29，平均為2.82)、Al2O3(含量范圍20.4%～35.0%，平均為30.1%； 富集系數(shù)1.45～2.48，平均為2.13)，輕度虧損SiO2，明顯虧損TFe，其他主量元素大量流失； 鐵質(zhì)黏土巖主量元素含量特征表現(xiàn)為富TFe(含量范圍32.4%～46.4%，平均為41.6%； 富集系數(shù)2.17～3.11，平均為2.79)、TiO2(含量范圍4.80%～7.50%，平均為6.40%； 富集系數(shù)1.54～2.40，平均為2.05), 輕度富Al2O3，但相對于鋁質(zhì)黏土巖，TiO2的富集程度偏低，SiO2虧損明顯，其他元素亦大量流失。

(3)由于晚二疊世頻繁的海侵作用，水位較高的區(qū)域，風化殼下部處于較還原的條件下，F(xiàn)e被還原成易溶的二價狀態(tài)或在有機質(zhì)的作用下遷出風化殼，而Ti由于存在形式較為穩(wěn)定，繼續(xù)保存在黏土礦物中，與Fe發(fā)生分異； 局部水位較淺的氧化環(huán)境，在重力分異作用下，黏土礦物與鐵礦物由于比重差異而分選開來，形成Fe與Al、Ti的分異,并伴隨鐵礦、鈦礦和鋁土礦的富集。

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(責任編輯： 常艷)

Geochemical characteristics of paleo-weathering crust of Permian basalt in northwestern Guizhou

GUO Peipei1，2， ZHANG Hai1， LIU Jun1， SANG Shihua2， LI Yuanyuan1，YANG Dechuang1， HUANG Taizhong1

(1.NO.113GeologicalBrigadeofGuizhouBureauofGeologyandMineralResources，Liupanshui553001，China;2.TheCollegeofNudearTechnologyandAutomaticEngineerChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China)

Abstrct： Through the field investigation, sampling and test of basalt paleo-weathering crust in Emei Mountain, this paper has the following conclusions：(1) Emei basalt is widely outcropped in western Guizhou. The ancient climate of Late Permian is warm and wet, so it is helpful for the formation of paleo-weathering crust containing clay minerals of iron, titanium and aluminum. This weathering crust is controlled by the paleogeographic environment and the Emei basalt. (2) Compared to basalt, major elements in aluminum clay is characterized by rich TiO2, Al2O3, mild loss of SiO2, obvious loss of TFe and other main elements shows a great loss. And major elements in iron clay is characterized by rich TFe, TiO2, mild rich Al2O3. But compared to the aluminum clay, the TiO2concentration is low, and SiO2and other elements shows an obvious loss.(3)Due to frequent transgression of Late Permian, the lower part of paleo-weathering crust in areas with higher ground water levels, is in the reduction conditions. Fe is restored in soluble bivalent state or gets out of paleo-weathering crust under the effect of organic matter. Due to a stable state, Ti continues to save in clay minerals and is differentiated from Fe. Clay minerals and iron are sorted to form the differentiation of Fe and Al, Ti due to the density difference under the gravity differentiation in oxidation environment of local shallow water, along with the enrichment of titanium ore, iron ore and bauxite. The discovery of the enrichment regularity is of theoretical guiding significance to the exploration of the iron, titanium and aluminum ore.

basalt; weathering crust; major element; geochemistry; western Guizhou Province

10.19388/j.zgdzdc.2017.01.06

郭佩佩，張海，劉軍，等.黔西北地區(qū)二疊紀玄武巖古風化殼常量元素的地球化學特征[J].中國地質(zhì)調(diào)查,2017,4(1): 39-44.

2016-04-08；

2016-06-22。

中國地質(zhì)調(diào)查局“貴州烏蒙山區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)綜合調(diào)查評價項目(編號: 12120113052700)”、“黔西北地區(qū)宣威組一段底部鈮多金屬礦成礦規(guī)律與找礦方向研究(編號： 黔地礦科合(2015)5號)”項目聯(lián)合資助。

郭佩佩(1987—)，女，碩士研究生，從事地質(zhì)地球化學勘查和研究工作。Email: 492333001@qq.com。

張海(1984—)，男，博士，高級工程師，從事地質(zhì)地球化學勘查及研究工作。 Email: zhanghai0154130@163.com。

P588.145； P59

A

2095-8706(2017)01-0039-06