沉積型鋁土礦的陸表淋濾成礦作用：兼論鋁土礦床的成因分類*

杜遠(yuǎn)生 余文超

1 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430074 2 自然資源部基巖區(qū)礦產(chǎn)資源勘查工程技術(shù)創(chuàng)新中心，貴州貴陽(yáng) 550081

1 概述

鋁土礦是化學(xué)風(fēng)化作用的細(xì)粒終極產(chǎn)物，與強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用密切相關(guān)(Brdossy，1982;D’Argenio and Mindszenty，1995;Bogatyrevetal.,2009)。一般認(rèn)為鋁土礦的形成主要受化學(xué)風(fēng)化作用控制?；瘜W(xué)風(fēng)化主要是地表的原始沉積物(母巖)在水的作用下，原生礦物發(fā)生溶蝕、水解、水化、碳酸化、氧化，破壞原始的礦物結(jié)構(gòu)，形成新的細(xì)粒礦物(主要是黏土質(zhì)礦物)，造成一些活動(dòng)的元素(如堿土與堿金屬元素K、Na、Ca、Mg等)大量流失，一些穩(wěn)定的元素(如Al、Ti等)殘留。當(dāng)水體是酸性或強(qiáng)酸性時(shí)，更有利于化學(xué)風(fēng)化，造成硅鋁酸鹽礦物中化學(xué)鍵的斷裂(Tardy and Nahon，1985;Trolard and Tardy，1987;Huang，1993)。在適合的環(huán)境中，如較高的溫度與通暢的水文環(huán)境，風(fēng)化剖面中的上述反應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致沉積物中Si的大量流失與 Al的殘留富集，從而形成構(gòu)成鋁土礦最基礎(chǔ)的鋁礦物，即三水鋁石、一水軟鋁石或一水硬鋁石(Valeton，1972;Brdossy，1982)?，F(xiàn)代地表的化學(xué)風(fēng)化通常在地球表層形成厚度不等的殘積層，即風(fēng)化殼(weathering crust)。保存于地層序列中、通常被后期巖石覆蓋的地史時(shí)期所形成的風(fēng)化殼稱為古風(fēng)化殼(ancient weathering crust)。除此之外，還有一種風(fēng)化殼是地史的近期(如第四紀(jì)以前)暴露地表的，經(jīng)歷了早期潮濕氣候期而非現(xiàn)代的化學(xué)風(fēng)化，作者建議稱為老風(fēng)化殼(old weathering crust)以示區(qū)別。目前在華北半干旱區(qū)、西北干旱區(qū)發(fā)育的富鋁、富錳的風(fēng)化殼可能是前第四紀(jì)某階段潮濕氣候期風(fēng)化形成的，而非現(xiàn)代風(fēng)化形成的(陳發(fā)虎等，2009;劉佳，2016)。

基于上述原因，人們經(jīng)常看到鋁土礦與風(fēng)化殼或古風(fēng)化殼關(guān)系密切，從而產(chǎn)生鋁土礦是風(fēng)化殼的主要組成部分的觀念。但深入細(xì)致的觀察發(fā)現(xiàn)，并不是所有的鋁土礦都在古風(fēng)化殼中，尤其是中國(guó)第四紀(jì)之前所形成的鋁土礦，多保存于含礦巖系的中部或上部，不少情況下出現(xiàn)多層狀的旋回現(xiàn)象。與現(xiàn)代風(fēng)化殼相比，鋁土礦的Al2O3含量更高(可高達(dá)70%以上)，SiO2的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上地殼平均豐度(66%)，可低于10%以下，很顯然，鋁土礦并不能完全等同于風(fēng)化殼，鋁土礦的成因需要重新認(rèn)識(shí)。

化學(xué)風(fēng)化主要受地表溫度、降雨、酸堿度、水文等條件控制，炎熱和潮濕的氣候更有利于化學(xué)風(fēng)化。因此鋁土礦長(zhǎng)期以來(lái)也被視為一種氣候敏感沉積物，指示濕熱氣候條件。地球上現(xiàn)代鋁土礦主要形成于南北緯30°之間熱帶亞熱帶地區(qū)，冬季和夏季熱帶輻合帶遷移帶之內(nèi)(Yuetal.,2019)。地質(zhì)歷史時(shí)期的鋁土礦也主要發(fā)育于低緯度的潮濕氣候條件下(Priceetal.,1997;Brdossy and Combes，1999)。濕熱的氣候條件、負(fù)地形地貌容礦空間、充裕的風(fēng)化時(shí)間(構(gòu)造穩(wěn)定性)、植被與微生物參與、氧化和酸性的沉積環(huán)境、通暢的古水文系統(tǒng)(古水位)是鋁土礦形成的主要的成礦地質(zhì)條件(余文超等，2012;Yuetal.,2019)。淋濾作用是鋁土礦形成的主導(dǎo)因素。

2 鋁土礦成礦的基礎(chǔ)問(wèn)題

2.1 紅土和鈣紅土化作用

鋁土礦的形成過(guò)程與紅土化作用及其產(chǎn)物紅土存在密切聯(lián)系(Brdossy，1982;Brdossy and Aleva，1990;Bogatyrev and Zhukov，2009)。根據(jù)母巖的類別及作用過(guò)程，分為紅土化作用和鈣紅土化作用。

紅土(laterite)是鋁硅酸巖風(fēng)化形成的。由于Fe元素相對(duì)穩(wěn)定，在化學(xué)風(fēng)化作用過(guò)程中，F(xiàn)e和Al不易流失形成殘余富集，并以具有紅色特征的褐鐵礦形式出現(xiàn)，所以學(xué)者稱為紅土化作用。“紅土”由法國(guó)學(xué)者Francis Buchanan-Hamilton在19世紀(jì)初印度南部考察風(fēng)化物質(zhì)時(shí)提出(Brdossy，1982)。現(xiàn)在“紅土”主要用以描述土壤、鐵質(zhì)沉積物(特別是鐵質(zhì)殼)、風(fēng)化剖面及其化學(xué)組合，而“紅土化作用”則可以描述風(fēng)化、成壤、鐵質(zhì)殼形成甚至高嶺石形成的過(guò)程。

鈣紅土(terra rossa)是碳酸鹽巖風(fēng)化形成的。鈣紅土最初被用來(lái)描述廣布于地中海地區(qū)、呈淡紅色或褐紅色、覆蓋在灰?guī)r和白云巖的巖溶化表面之上的似黏土柔軟沉積物(Brdossy，1982)。一般認(rèn)為這種物質(zhì)的母質(zhì)全部來(lái)自于下伏碳酸鹽巖的溶蝕，因此將其稱為鈣紅土以示與紅土的區(qū)別。從現(xiàn)代巖溶學(xué)研究的成果來(lái)看，碳酸鹽巖現(xiàn)代風(fēng)化殼上普遍存在1層紅色黏土，這層物質(zhì)被認(rèn)為是殘積土和全風(fēng)化帶的代表(李景陽(yáng)和朱立軍，2004)。從成因上來(lái)看，這種紅黏土來(lái)源于碳酸鹽巖風(fēng)化成土的2階段模式：早期階段以碳酸鹽礦物大量淋失、酸不溶物逐漸堆積或殘積為特征，晚期階段以殘積物進(jìn)一步風(fēng)化成土為特征，晚期階段的演化類似非碳酸鹽巖類的風(fēng)化過(guò)程(王世杰等，1999，2002)?，F(xiàn)代巖溶學(xué)家在描述這種碳酸鹽巖風(fēng)化產(chǎn)物的時(shí)候并不偏向于使用“鈣紅土”這個(gè)名詞，而往往以“紅黏土”或“殘積土層”代稱。Brdossy(1982)認(rèn)為，所謂的“鈣紅土”在孤立的地方出現(xiàn)可視為原地風(fēng)化的產(chǎn)物，而在其他地方則可能由不同比例的下伏碳酸鹽巖和附近的鋁硅酸鹽巖的風(fēng)化產(chǎn)物及風(fēng)成物質(zhì)組成。并且，古近紀(jì)以來(lái)形成的鈣紅土與現(xiàn)代形成的鈣紅土并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別。

2.2 沉積型鋁土礦的成礦環(huán)境

對(duì)全球鋁土礦的系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)鋁土礦的含礦巖系形成于湖泊、沼澤、三角洲、河口灣、濱海等不同的陸相或?yàn)I海淺水沉積環(huán)境(Brdossy，1982)。因此，造成鋁土礦也形成于這些沉積環(huán)境的理解。顯然這種觀念與暴露地表大氣環(huán)境中的紅土化和鈣紅土化作用形成鋁土礦的認(rèn)識(shí)存在矛盾。以目前主流的鋁土礦劃分方案而言(對(duì)鋁土礦分類方案的詳細(xì)論述請(qǐng)見后文)，原地風(fēng)化形成鋁土礦包括紅土型(劉長(zhǎng)齡，1987，2013；廖士范和梁同榮，1991)和喀斯特型。Brdossy(1982)的喀斯特型哈薩克亞型、廖士范和梁同榮(1991)古風(fēng)化殼型的Ia、Ib亞型無(wú)疑都是形成于暴露于地表環(huán)境中的(風(fēng)化殼、殘坡積物)。但是異地搬運(yùn)堆積的沉積型鋁土礦，例如Brdossy(1982)方案中的齊赫文型和劉長(zhǎng)齡(1987，2013)方案中的沉積型，究竟是形成于水下環(huán)境，還是形成于地表暴露環(huán)境，是一個(gè)值得探究的問(wèn)題，現(xiàn)以中國(guó)晚古生代沉積型鋁土礦為例予以分析。

2.2.1 沉積型鋁土沉積的基底古地貌和礦體形態(tài)

A，B—黔東南凱里鋁土礦；C，D—黔中修文麥架九架爐組鋁土礦；E—遵義茍江九架爐組漏斗狀鋁土礦； F—黔北務(wù)正道大塘大竹園組鋁土礦圖 1 鋁土礦礦體形態(tài)和剖面結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Section structure and ore body of bauxite

A—黔北務(wù)正道準(zhǔn)平原洼地；B—黔中貓場(chǎng)喀斯特洼地；C—黔北貴州遵義喀斯特漏斗圖 2 貴州沉積型鋁土礦含礦巖系基底古地貌和礦體空間形態(tài)Fig.2 Ore bodies and basement palaeogeomorphology of ore-bearing rock series of sedimentary bauxite in Guizhou Province

A—多孔狀鋁土礦(黔北大竹園鋁土礦，比例尺同B)；B—碎屑狀鋁土礦(黔北大竹園鋁土礦)；C—豆鮞狀鋁土礦(黔北大竹園鋁土礦，比例尺同B)；D—致密狀鋁土礦(黔北大竹園鋁土礦)；E—塊狀富鐵層(黔中修文鋁土礦的古風(fēng)化殼)；F—層狀鋁土礦(黔中修文鋁土 礦的沉積層，單層厚度15～30icm)圖 3 鋁土礦和含礦巖系的自然類型Fig.3 Natural types of bauxite and ore-bearing rock series

沉積型鋁土礦的含礦巖系和鋁土礦礦體的形態(tài)受基底古地貌控制，以碎屑巖為基底的鋁土礦成礦空間主要受構(gòu)造地貌或沉積地貌控制，一般為平緩的低地或洼地。而碳酸鹽巖為基底的鋁土礦成礦空間受喀斯特化作用控制，形態(tài)更加復(fù)雜。Brdossy(1982)將喀斯特型異地搬運(yùn)的地中海亞型(異地沉積型為主)鋁土礦(包括含礦巖系和鋁土礦層)分為8種形態(tài)類型：(1)層狀；(2)平伏狀；(3)似帶狀；(4)透鏡狀；(5)地塹式；(6)似峽谷狀；(7)落水洞狀；(8)礦巢或礦袋狀，中國(guó)的沉積型鋁土礦具有相似的特征。中國(guó)的鋁土礦以沉積型為主，主要形成于石炭紀(jì)—二疊紀(jì)，基底大部分為碳酸鹽巖(如貴州遵義早石炭世“遵義式”鋁土礦、黔中修文、清鎮(zhèn)早石炭世“修文式”鋁土礦、河南和山西晚石炭世“山西式”鋁土礦、廣西中晚二疊世之交的“平果式”鋁土礦)，少數(shù)為碎屑巖或碎屑巖+碳酸鹽巖基底(如黔北務(wù)正道地區(qū)早二疊世“大竹園式”鋁土礦)。華北河南、山西等地的上石炭統(tǒng)本溪組底部“山西式”鋁土礦的下伏地層為中下奧陶統(tǒng)的馬家溝組灰?guī)r和白云巖。中奧陶世之后，華北經(jīng)歷了約1.5×108年(470—320iMa)的長(zhǎng)時(shí)期暴露風(fēng)化與夷平作用，已經(jīng)形成規(guī)模巨大的古華北準(zhǔn)平原。但由于碳酸鹽巖基底易于發(fā)生喀斯特化，存在很多喀斯特洼地、漏斗等負(fù)地形，形成了含礦巖系的堆積空間。因此河南、山西等地的晚石炭世鋁土礦含礦巖系和鋁土礦均分布受控于準(zhǔn)平原上的喀斯特負(fù)地形地貌，主要為不等厚的透鏡狀、條帶狀、峽谷狀或落水洞狀等。黔北務(wù)正道地區(qū)早二疊世“大竹園式”鋁土礦的基底在部分區(qū)域?yàn)樯鲜拷y(tǒng)黃龍組灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r，其他區(qū)域?yàn)橄轮玖艚y(tǒng)韓家店組細(xì)碎屑巖和泥質(zhì)巖。古地理分析表明早二疊世務(wù)正道地區(qū)處于準(zhǔn)平原化圍限的半封閉海灣，鋁土礦主要分布于晚古生代冰期—間冰期海平面變化波動(dòng)范圍的濕地環(huán)境，含礦巖系沉積之前的古地貌為殘留零星的喀斯特化的碳酸鹽巖低緩丘的準(zhǔn)平原(杜遠(yuǎn)生等，2013)。含礦巖系大竹園組與黃龍組接觸時(shí)，喀斯特面和含礦巖系可直接接觸，甚至含礦巖系向下滲流到喀斯特縫洞中(杜遠(yuǎn)生等，2013)(圖 1-F)。含礦巖系與韓家店組接觸時(shí)，含礦巖系底部平整。鋁土礦受微地貌影響，主要呈透鏡狀分布于濕地的低洼處(Lietal.,2020)(圖 2-A)。遵義地區(qū)早石炭世“遵義式”鋁土礦主要形成于喀斯特高地的喀斯特漏斗、峽谷，鋁土礦基底為寒武系婁山關(guān)組，因此含礦巖系和鋁土礦層均呈漏斗狀(Wengetal.,2019)(圖 1-E，圖 2-C)。黔中清鎮(zhèn)—修文地區(qū)鋁土礦基底也為寒武系婁山關(guān)組，基底喀斯特化明顯，鋁土礦保存于低喀斯特地區(qū)的巖溶洼地中，鋁土礦體呈條帶狀或長(zhǎng)透鏡狀(圖 1-C，
圖 2-B)。廣西平果、德保、靖西、樂(lè)業(yè)等地的中晚二疊世之交的“平果式”鋁土礦，分布于晚古生代右江盆地的濱岸臺(tái)地(平果、德保、靖西)、孤立臺(tái)地(樂(lè)業(yè)、凌云、巴馬)上，由晚二疊世早期的海退造成孤立臺(tái)地的暴露，在古風(fēng)化面上形成。因此“平果式”鋁土礦含礦巖系和鋁土礦層主要受古喀斯特地貌影響，含礦巖系底面與下伏地層茅口組頂部的喀斯特面直接接觸(Yuetal.,2019)，礦體多為不規(guī)則的透鏡狀、漏斗、洼地或落水洞狀。

2.2.2 沉積型鋁土礦的礦石類型和剖面結(jié)構(gòu)

沉積型鋁土礦按自然類型劃分，可分為4種類型：致密狀鋁土礦、碎屑狀鋁土礦、豆鮞狀鋁土礦、多孔狀鋁土礦(或稱土狀、半土狀鋁土礦)(圖 3)。致密狀鋁土礦多呈灰綠色，礦石呈致密狀，有時(shí)可見沉積紋層。該鋁土礦品位較低，Al2O3含量50%左右，SiO2含量較高，因此Al/Si值較低，為低品位、低品質(zhì)的鋁土礦。碎屑狀鋁土礦、豆鮞狀鋁土礦多呈灰綠色或淺灰色，分別具有碎屑結(jié)構(gòu)和豆鮞結(jié)構(gòu)，一般內(nèi)部紋層不發(fā)育，為塊狀構(gòu)造。碎屑狀鋁土礦、豆鮞狀鋁土礦Al2O3含量較高(50%～70%)，SiO2含量略低，因此Al/Si值較高，為中高品位、高品質(zhì)的鋁土礦。關(guān)于鋁土礦碎屑的成因，可由殘坡積物中的原生碎屑進(jìn)一步風(fēng)化而成(Brdossy，1982;廖士范和梁同榮，1991)，也可能由盆地內(nèi)部形成的干裂碎化而成(杜遠(yuǎn)生等，2013)。關(guān)于鋁土礦豆鮞狀成因，主要由富鋁質(zhì)的膠體在潛流帶環(huán)繞碎屑顆粒沉積而成的(Mongelli and Acquafredda，1999;Mongelli，2002;張亞男等，2013;Mongellietal.,2016)，而非類似于鮞狀灰?guī)r中的鮞是在高能的波浪作用下形成的。多孔狀鋁土礦顏色為灰白色、淡灰色或淺灰色，巖石呈土狀或半土狀，疏松易碎。多孔狀鋁土礦Al2O3含量高(可大于70%)，SiO2含量最低，因此Al/Si值最高，為高品位、高品質(zhì)的鋁土礦。野外露頭和鉆孔巖心中常見多孔狀鋁土礦中具有碎屑狀鋁土礦、豆鮞狀鋁土礦的殘余結(jié)構(gòu)，說(shuō)明多孔狀鋁土礦可由碎屑狀、豆鮞狀鋁土礦進(jìn)一步改造而成。對(duì)中國(guó)沉積型鋁土礦的研究發(fā)現(xiàn)，其含礦巖系的剖面結(jié)構(gòu)及其巖石類型和礦石類型具有相似性。含礦巖系自下而上大致分為4部分(圖 4): A、紅色塊狀的富鐵黏土巖；B、暗色層狀的富鋁黏土巖；C、層狀致密狀鋁土礦；D、多孔狀(碎屑狀、豆鮞狀)鋁土礦層；E、暗色層狀黏土巖、黑色頁(yè)巖(局部夾煤層)，其中C-D可發(fā)育1到多個(gè)旋回(圖 4)。

圖 4 沉積型鋁土礦含礦巖系的剖面結(jié)構(gòu)Fig.4 Section structures of ore-bearing rock series of sedimentary bauxite

A層位于剖面底部，厚度0～150icm，多數(shù)在100icm之內(nèi)。在上述務(wù)正道半封閉海灣區(qū)、黔中和華北喀斯特洼地，多數(shù)剖面均有保存，部分剖面保存不好或未保存；在遵義喀斯特漏斗或峽谷內(nèi)，A層僅保留于漏斗、峽谷中心位置。古地理古地貌分析發(fā)現(xiàn)保存A層的剖面均位于盆地近中心的位置，未保存A層的剖面均位于盆地邊部。組成A層的巖性主要為淺紅色、紫紅色、黃紅色富鐵黏土巖，可見少量(一般小于10%)分選差、磨圓差的棱角狀礫石。巖石呈塊狀構(gòu)造，未見沉積的紋層，反映其為原地殘積或快速坡積。很明顯，A層屬于古風(fēng)化殼的殘坡積層，相當(dāng)于Eggleton 和Taylor(1998)定義的紅土化剖面中的“鐵質(zhì)殼”。A層底部與底板之間為一沉積間斷面，在底板為碳酸鹽巖的情況下，通常見到古巖溶面與含礦巖系的截然接觸界線。但在底板為細(xì)碎屑巖(如黔北務(wù)正道鋁土礦的底板韓家店組)且A層缺失的情況下，A層底部的沉積間斷面就難以識(shí)別。

C層為覆蓋于B層之上的致密狀鋁土礦層，厚度一般小于2im。C層主要由灰綠色致密狀鋁土礦組成，內(nèi)多具反映沉積作用的層狀構(gòu)造。該層Al2O3含量一般在50%左右，Al/Si值較低(3.5～5)，且在質(zhì)量平衡計(jì)算元素柱狀圖上具有活動(dòng)元素的異常富集(如Si、Na、Mg、Fe、Ni、Sr及稀土元素等)或超常富集(Ga、Li和稀土元素)(杜遠(yuǎn)生等，2013)，反映C層沉積之后，又有額外的物質(zhì)加入。該層為低品位和低品質(zhì)的鋁土礦，工業(yè)利用價(jià)值較低。在許多剖面上，B層和C層界線不清，或早期編錄的鉆孔巖心未能詳細(xì)劃分，有時(shí)可將2層合并(杜遠(yuǎn)生等，2014，2015)。

在沉積型鋁土礦中，C-D層在野外露頭或鉆孔巖心中顯示上白(多孔狀鋁土礦)下黑(致密狀鋁土礦)顯著的旋回組合特征(圖 4，圖 6)，有時(shí)可以出現(xiàn)多個(gè)旋回，如務(wù)正道地區(qū)ZK288-16鉆孔出現(xiàn)3個(gè)旋回(余文超，2013a)；遵義ZK5600鉆孔出現(xiàn)5個(gè)旋回(Wengetal.，2019;Yuetal.,2019)。這些礦石類型的旋回性變化顯然難以用原生的沉積作用解釋。

E層覆蓋于D層之上，主要為暗色泥巖、黑色頁(yè)巖，有時(shí)夾煤層或煤線，厚度不等。許多剖面在D-E層界面上見古暴露面渣狀層(杜遠(yuǎn)生等，2013;余文超等，2013a)，說(shuō)明E層并不是含礦巖系，而是含礦巖系上部層位的沉積。但由于后期的剝蝕，古暴露面上的渣狀層未必得以保存，造成含礦巖系頂部的D層與E層似連續(xù)接觸，多數(shù)學(xué)者將其作為含礦巖系的一部分。

2.2.3 沉積型鋁土礦的物源(原地還是異地？)

沉積型鋁土礦，覆蓋于不同的底板地層之上，很容易產(chǎn)生鋁土礦來(lái)自于底板風(fēng)化殘余物的聯(lián)想。盡管有些學(xué)者很早就認(rèn)識(shí)到“鋁土礦物質(zhì)不一定來(lái)源于現(xiàn)在能看到的下伏基巖—碳酸鹽巖，而是已經(jīng)被溶解剝蝕的巖石，是它們剩余下來(lái)的不溶殘積物——黏土物質(zhì)，逐漸積累在原地或異地堆聚演變改造而來(lái)的”(廖士范和梁同榮，1991)，但很難用確鑿的證據(jù)證明之。隨著碎屑鋯石U-Pb同位素年齡用于碎屑物源分析和盆山作用研究的思路引入鋁土礦物源分析(余文超等，2014a)，越來(lái)越多的證據(jù)表明，鋁土礦的物源不僅僅與底板地層相關(guān)，盆地周圍已剝蝕的地層是主要的物源。已有的研究發(fā)現(xiàn)：(1)黔北務(wù)正道早二疊世鋁土礦(底板地層為石炭系黃龍組和志留系韓家店組)物源主要為韓家店組泥巖和細(xì)碎屑巖(Guetal.,2013;金中國(guó)等，2013;趙芝等，2013；余文超等，2014a，2014b)；(2)貴州遵義早石炭世鋁土礦(底板地層為寒武系婁山關(guān)組白云巖)的物源主要為奧陶系湄潭組(Xiongetal.,2020)；(3)黔中清鎮(zhèn)、修文早石炭世鋁土礦(底板地層為寒武系婁山關(guān)組白云巖)物源也主要來(lái)自于奧陶系的泥質(zhì)巖和含泥的細(xì)碎屑巖或碳酸鹽巖(Wangetal.,2019)；(4)華北河南、山西晚石炭世鋁土礦(底板地層為奧陶紀(jì)馬家溝組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r)主要來(lái)源于南側(cè)秦嶺造山帶剝蝕的物源(Wangetal.,2016;曹高社等，2018)。(5)廣西中上二疊統(tǒng)之交的鋁土礦(底板地層為中二疊統(tǒng)茅口組灰?guī)r)物源為越北地區(qū)的島弧火山巖(德保、靖西)和峨眉山大火山巖省的火山灰(樂(lè)業(yè))(Yuetal.,2016)。因此，對(duì)沉積型鋁土礦，尤其是碳酸鹽巖為底板的鋁土礦，雖然不排除含礦巖系基底底板的貢獻(xiàn)，但上述證據(jù)表明其物源主要是周圍的泥巖和含泥細(xì)碎屑巖、火山巖或火山碎屑巖。

沉積型鋁土礦的物源分析的意義不僅在于判別鋁土礦中的鋁質(zhì)來(lái)源，更重要的是明確了鋁土礦不是原地風(fēng)化殘余物質(zhì)的殘坡積物，而是由成礦盆地之外搬運(yùn)而來(lái)的沉積物，是受沉積作用主導(dǎo)的。

2.2.4 沉積型鋁土礦的形成環(huán)境(水上還是水下？)

圖 5 黔北務(wù)正道地區(qū)大竹園組鋁土礦ZK3402鉆孔B含量 與古鹽度(據(jù)崔滔等，2013；修改)Fig.5 Boron contents and paleosalinity in Drillcore ZK3402 of the Dazhuyuan Formation bauxite in Wuchuan-Zheng’an-Daozhen area， northern Guizhou Province (modified from Cui et al.,2013)

圖 6 黔北遵義地區(qū)九架爐組鋁土礦ZK5600鉆孔剖面結(jié)構(gòu)和元素地球化學(xué)剖面圖(修改自Weng et al.，2019)Fig.6 Structures and geochemical profiles in Drillcore ZK5600 of the Jiujialu Formation bauxite in Zunyui area，northern Guizhou Province(modified from Weng et al.,2019)

基于上述討論，對(duì)沉積型鋁土礦可以得出以下認(rèn)識(shí)：(1)沉積型鋁土礦均形成于不整合面之上，沉積于負(fù)地形的古地貌環(huán)境中，并多為后期的黑色頁(yè)巖(可具煤層)所覆蓋。(2)現(xiàn)在保存的鋁土礦含礦巖系包括殘坡積層(A層)和沉積層(B-C-D)2部分，其中殘坡積層以塊狀構(gòu)造、富鐵(部分富鐵—富鋁)為特征；沉積層以具層狀構(gòu)造為特征，并呈現(xiàn)低鋁的暗色層和高鋁的淺色層旋回特征。(3)沉積型鋁土礦的物源并不一定是基底(底板)地層，A層(殘坡積層)可能主要來(lái)源于基底地層，B-C-D層(沉積層)主要來(lái)源于周圍被剝蝕的地層(尤其是含泥質(zhì)巖、細(xì)碎屑巖的地層)。(4)沉積型鋁土礦含礦巖系的沉積環(huán)境應(yīng)詳細(xì)區(qū)分，A層主要是原地或準(zhǔn)原地的殘坡積相；B層代表含礦巖系的沉積環(huán)境；D層代表鋁土礦形成的陸表成礦環(huán)境。因此不能將含礦巖系的沉積環(huán)境與鋁土礦的成礦環(huán)境混為一談。在此認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，有必要對(duì)鋁土礦的成礦作用進(jìn)行進(jìn)一步分析深入分析，對(duì)鋁土礦的分類進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)。

3 陸表淋濾成礦作用

如前所述，鋁土礦均分布于不整合面和近現(xiàn)代或古風(fēng)化殼之上，與紅土化作用、鈣紅土化作用密切相關(guān)，因此鋁土礦形成于陸表環(huán)境。受淋濾作用控制本不是問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)代地表的紅土型鋁土礦、喀斯特型鋁土礦，無(wú)疑是在陸表大氣環(huán)境中形成的，問(wèn)題在于沉積型鋁土礦含礦巖系多為水下沉積，從而造成沉積型鋁土礦形成于水下環(huán)境的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。從“將今論古”的角度看，現(xiàn)代的河流、湖泊、三角洲、濱淺海等水下環(huán)境并未發(fā)現(xiàn)鋁土礦的沉積，也沒(méi)有這方面的文獻(xiàn)報(bào)道。地史時(shí)期的鋁土礦有沒(méi)有例外？從鋁土礦的典型剖面結(jié)構(gòu)(圖 4)看，沉積型鋁土礦并非遍布整個(gè)沉積層，而是多集中在含礦巖系的中部或上部，尤其是存在相對(duì)貧鋁(鋁土質(zhì)黏土巖、致密狀鋁土礦)—富鋁(多孔狀、碎屑狀、豆鮞狀鋁土礦)的旋回現(xiàn)象(圖 4)。質(zhì)量平衡計(jì)算發(fā)現(xiàn)高品位優(yōu)質(zhì)鋁土礦存在明顯的元素流失現(xiàn)象，鋁土質(zhì)黏土巖和致密狀鋁土礦存在元素加入現(xiàn)象，具有很明顯的淋濾作用特征，多孔狀鋁土礦形成于滲流帶，鋁土質(zhì)黏土巖和致密狀鋁土礦形成于潛流帶，表明鋁土礦形成于地表大氣環(huán)境，受地表地下水古水文系統(tǒng)控制(杜遠(yuǎn)生等，2013;Yuetal.,2014;Wengetal.,2019;Lietal.,2020)。現(xiàn)以貴州遵義早石炭世鋁土礦作進(jìn)一步說(shuō)明。

貴州遵義鋁土礦出露于遵義市南部，含礦巖系為下石炭統(tǒng)九架爐組，基底(底板)為寒武系婁山關(guān)組白云巖，含礦巖系呈漏斗狀分布(圖 1-C，圖 3-E)，鋁土礦最厚可達(dá)83im左右，主要分布于含礦巖系中上部，底部多見富鐵鋁層(Wengetal.,2019)，鋁土礦的鋁質(zhì)來(lái)源并非單純的婁山關(guān)組，而主要是奧陶系湄潭組等富黏土質(zhì)地層(Xiongetal.,2020)。ZK5600鉆孔位于遵義南茍江一帶，從剖面結(jié)構(gòu)和元素分布可以清晰地劃分為5個(gè)旋回(圖 6)。

表 1 Brdossy(1982)鋁土礦床分類方案Table1 Classification of bauxite deposits by Brdossy(1982)

表 1 Brdossy(1982)鋁土礦床分類方案Table1 Classification of bauxite deposits by Brdossy(1982)

類型亞型典型特征喀斯特型(Karst type)地中海亞型(Mediterranean subtype)覆蓋在巖溶化的碳酸鹽巖之上遠(yuǎn)源型(遠(yuǎn)離巖溶區(qū)),狹義的巖溶型鋁土礦。礦床由均勻、高品位的鋁土礦構(gòu)成。大部分礦床常常由高品位鋁土礦向頂部、底部和側(cè)部過(guò)渡為黏土質(zhì)鋁土礦或含鋁質(zhì)黏土?；撞煌潭鹊膸r溶化提曼亞型(Timan subtype)含礦巖系除含鋁土礦和含鋁土礦黏土外還含有大量黏土質(zhì)和碎屑沉積物。黏土和碎屑物是最常見的次要沉積物。礫巖、角礫巖、富鐵黏土巖、沉積鐵礦和褐煤較少。鋁土礦多富集成1個(gè)礦層。基巖有弱到輕微的巖溶化,具平緩的隆起和凹陷哈薩克亞型(Kazakhstan subtype)近源型(靠近巖溶區(qū)),碳酸鹽巖基巖被與鋁土礦密切相關(guān)的多種巖相蓋層覆蓋。鋁土礦含礦巖系大部分由黏土、粉砂—砂、碳質(zhì)黏土、褐煤、黏土質(zhì)砂巖組成。含礦巖系,尤其是上部,由鋁土礦和含鋁土質(zhì)黏土構(gòu)成幾層透鏡體或巢狀礦體。基巖表面中等—強(qiáng)巖溶化阿列日亞型(Ariège subtype)據(jù)二分性,下部為沉積黏土,偶夾黏土質(zhì)泥灰?guī)r或泥灰?guī)r,上部由含黏土的鋁土礦過(guò)渡到鋁土礦,二者無(wú)明顯界限。含礦巖系覆蓋在巖溶化的碳酸鹽巖起伏面上薩倫托亞型(Salento subtype)鋁土礦層及上覆巖層被剝蝕。剝蝕的鋁土礦碎屑堆積在石灰?guī)r表面的凹陷中。鋁土礦碎屑散布于黏土質(zhì)基質(zhì)中塔爾斯克亞型(Tulsk subtype)覆蓋于碳酸鹽巖基底的巖溶凹陷中,呈薄層土狀易碎的鋁土礦—富鋁黏土,為赭色—黃色黏土覆蓋。下部含礦巖系由三水鋁石礦巢及夾層組成。上覆黏土巖含黃鐵礦和薄煤層。認(rèn)為該鋁土礦是黃鐵礦氧化分解導(dǎo)致硫酸鹽溶液向下滲濾,促使形成的鋁土礦紅土型(Lateritic type) 殘積紅土原地或準(zhǔn)原地覆蓋在鋁硅酸鹽巖石之上的鋁土礦齊赫文型(Tikhvin type) 殘積型紅土經(jīng)過(guò)搬運(yùn)覆蓋在鋁硅酸鹽巖石之上的鋁土礦。包括層狀礦床和谷底狀礦床

每個(gè)旋回由下部鋁土質(zhì)黏土巖(旋回Ⅰ)或致密狀鋁土礦(旋回Ⅱ-Ⅴ)和上部碎屑狀或多孔狀鋁土礦組成。其中鋁土礦層中的SiO2含量小于40%，Al2O3含量大于60%。鋁土質(zhì)黏土巖或致密狀鋁土礦TiO2含量小于40%，Al2O3含量小于60%?；顒?dòng)元素K2O、CaO、MgO本身含量低，也呈現(xiàn)鋁土礦層含量低、鋁土質(zhì)黏土巖或致密狀鋁土礦高的特征。這些特征說(shuō)明鋁土礦層形成于地表古水文系統(tǒng)的滲流帶，而鋁土質(zhì)黏土巖和致密狀鋁土礦形成于古水文系統(tǒng)的潛流帶，鋁土礦的形成明顯受淋濾作用控制。類似的淋濾成礦特征在貴州和廣西的鋁土礦剖面中均有發(fā)現(xiàn)，如貴州務(wù)正道地區(qū)的鋁土礦(余文超等，2013a;Lietal.,2020)、廣西鋁土礦(Yuetal.,2014;余文超等，2014c)。因此作者認(rèn)為，沉積型鋁土礦的含礦巖系是沉積成因的，而鋁土礦，尤其是高品質(zhì)、高品位的優(yōu)質(zhì)鋁土礦主要是在陸表環(huán)境下由淋濾作用形成的。

4 鋁土礦床的成因分類

4.1 鋁土礦床分類歷史回顧

鋁土礦分類已經(jīng)有很長(zhǎng)的研究歷史，并提出依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)的分類方案。據(jù)Brdossy(1982)總結(jié)，計(jì)有母巖類型分類、地貌分類、基底巖石分類、礦體形態(tài)分類、海拔高度分類、環(huán)境成因分類、大地構(gòu)造分類、成因和沉積要素分類等不同分類方法，但這些分類均沒(méi)有得到廣泛推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣的主要是Brdossy(1982)分類(表 1)、劉長(zhǎng)齡(1987，2013)分類(表 2)和廖士范和梁同榮(1991)分類(表 3)。

表 2 中國(guó)沉積(外生)成因的鋁土礦床類型 (據(jù)劉長(zhǎng)齡，1987，2013)Table 2 Classification of sedimentary(exogenous) bauxite deposits in China(after Liu，1987，2013)

表 3 中國(guó)鋁土礦類型和亞類劃分 (據(jù)廖士范和梁同榮，1991)Table3 Classification of Chinese bauxite deposits (after Liao and Liang，1991)

圖 7 Brdossy(1982)鋁土礦礦石類型劃分方案Fig.7 Triangular classification of bauxite ore by Brdossy(1982)

劉長(zhǎng)齡(1987，2013)鋁土礦床分類(表 2)繼承了此前的大地構(gòu)造分類，在固定論基礎(chǔ)上劃分了地臺(tái)—準(zhǔn)地臺(tái)和地槽2大類，在地臺(tái)準(zhǔn)地臺(tái)鋁土礦之下分為紅土型、堆積型、沉積型3大類和若干類。該分類的地槽型的鋁土礦只是保存在地槽區(qū)的鋁土礦，而不是在地槽階段形成的鋁土礦。同時(shí)該方案中的堆積型鋁土礦大類均以廣西平果現(xiàn)代巖溶洼地的鋁土礦為基礎(chǔ)劃分的，因劃分過(guò)細(xì)，可能同一礦區(qū)存在不同類型鋁土礦。該分類也缺少原地喀斯特型鋁土礦。該分類中的沉積鋁土礦按沉積環(huán)境分類，其沉積環(huán)境主要是指含礦巖系的沉積環(huán)境，未必是鋁土礦的形成環(huán)境，因此該分類在應(yīng)用過(guò)程中可能遇到一些困難。

表 4 本研究建議的中國(guó)鋁土礦床分類方案Table4 Recommended classification of Chinese bauxite deposits in this study

因此，建議把現(xiàn)在暴露在地表、無(wú)沉積物覆蓋的鋁土礦統(tǒng)稱為紅土型鋁土礦，把有上覆地層覆蓋的鋁土礦統(tǒng)稱為古風(fēng)化殼型鋁土礦，并根據(jù)物源、環(huán)境將古風(fēng)化殼型鋁土礦分成若干亞型(表 3)?？陀^地講，該分類具有較好的實(shí)用性，但仍然存在一些不足。該分類中的紅土型鋁土礦與傳統(tǒng)的“紅土化”概念及Brdossy(1982)的紅土型鋁土礦內(nèi)涵不一致，Brdossy(1982)的紅土型鋁土礦為暴露在地表、覆蓋在鋁硅酸鹽巖石基底之上的鋁土礦。廖士范和梁同榮(1991)的紅土型鋁土礦既包括Brdossy(1982)的紅土型鋁土礦，還包括了無(wú)上覆地層覆蓋、在碳酸鹽巖喀斯特地貌之上的鋁土礦。該分類中原地或準(zhǔn)原地的殘坡積型鋁土礦和異地的沉積型鋁土礦可以細(xì)分。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)行鋁土礦床分類方案的分析，可以發(fā)現(xiàn)中國(guó)鋁土礦研究者建議的礦床分類方案與國(guó)際通行的分類方案之間存在較大差異，這與中國(guó)主要鋁土礦床較為特殊的賦存地層及礦床產(chǎn)出特征有關(guān)。長(zhǎng)期以來(lái)，2套分類方案并行與混用給鋁土礦研究者的交流與對(duì)比工作制造了一定障礙。

4.2 建議的鋁土礦床分類

基于上述鋁土礦床分類方案，尤其是沉積型鋁土礦的剖面結(jié)構(gòu)、物源、沉積環(huán)境、成礦環(huán)境、成礦作用的詳細(xì)分析，作者認(rèn)為有必要提出一個(gè)新的分類(表 4)。該分類的主要依據(jù)是：(1)鋁土礦含礦巖系的物源(原地或準(zhǔn)原地還是異地)和沉積相(殘坡積物還是沉積物)；(2)含礦巖系的基底性質(zhì)(鋁硅酸鹽基底還是碳酸鹽巖基底)；(3)鋁土礦形成時(shí)代，是新生代以來(lái)(近現(xiàn)代的風(fēng)化殼)還是前新生代的古風(fēng)化殼及其之后的沉積物。

該分類首先根據(jù)原地、準(zhǔn)原地堆積和異地沉積的鋁土礦，結(jié)合含礦巖系的基底(底板)、成礦時(shí)間、成礦作用分為3種類型。紅土型(Ⅰ)和喀斯特型(Ⅱ)鋁土礦分別是保存在鋁硅酸鹽基底和碳酸鹽巖基底上的風(fēng)化殼型鋁土礦，包括：(1)現(xiàn)代地表的風(fēng)化殼、老風(fēng)化殼上的近現(xiàn)代鋁土礦(Ⅰa或Ⅱa)；(2)上覆地層覆蓋的古風(fēng)化殼上的鋁土礦(Ib或IIb)；(3)其他具有沉積特征的鋁土礦，統(tǒng)稱為沉積型(Ⅲ)。這3種鋁土礦在野外礦區(qū)露頭尺度很容易區(qū)分。Ia或IIa亞型均為現(xiàn)代地表殘坡積物型的鋁土礦，Ib或IIb是古風(fēng)化殼上的殘坡積物型的鋁土礦，Ⅰ和Ⅱ型的區(qū)別在于含礦巖系的基底(底板)分別為鋁硅酸鹽巖和碳酸鹽巖。這2類鋁土礦的識(shí)別難點(diǎn)在古風(fēng)化殼的識(shí)別。古風(fēng)化殼是緊貼著不整合面之上，具塊狀構(gòu)造(無(wú)沉積紋理)的富鐵或富鋁殘坡積物。值得指出的是，古風(fēng)化殼型鋁土礦分布很少，且很多條件下缺失、不成礦或不具工業(yè)價(jià)值，原因在于：(1)當(dāng)原始地形具一定高差時(shí)，高地貌區(qū)的古風(fēng)化殼可能被剝蝕；(2)即使古風(fēng)化殼得以保存，其上部的富鋁層也可能受剝蝕而不保存；(3)古風(fēng)化殼富鋁層厚度較小、品位較低(Al2O3含量低)、質(zhì)量較差(Al/Si值小)，而不具有工業(yè)價(jià)值。但為了保持分類的完整性，仍保留在本分類方案中。

沉積型鋁土礦(Ⅲ)是中國(guó)最重要的鋁土礦類型，區(qū)別于前2種鋁土礦(Ⅰ或Ⅱ)，這種鋁土礦或含礦巖系具有沉積形成的層狀特征，或具有沉積形成的紋理，是沉積作用形成的。中國(guó)石炭紀(jì)—二疊紀(jì)的鋁土礦含礦巖系上部均具有層狀特征，區(qū)別于底部塊狀構(gòu)造的古風(fēng)化殼(殘坡積層)，在礦區(qū)或野外露頭尺度上很容易識(shí)別。沉積型鋁土礦的亞類可用不同的標(biāo)準(zhǔn)再分，本分類主要依據(jù)中國(guó)沉積型鋁土礦的基底地貌(主要為碳酸鹽巖喀斯特基底，少數(shù)具鋁硅酸鹽巖基底)劃分，暫時(shí)劃分為準(zhǔn)平原洼地型、高喀斯特漏斗—峽谷型、低喀斯特洼地型、碳酸鹽臺(tái)地型。作者認(rèn)為這些亞型可以暫時(shí)只作為實(shí)例，不作為正式的亞類應(yīng)用。

5 結(jié)論

1)鋁土礦是化學(xué)風(fēng)化作用的細(xì)粒終極產(chǎn)物，與強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用密切相關(guān)。在強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中，地表的原始沉積物(母巖)的原生礦物發(fā)生溶蝕、水解、水化、碳酸化、氧化，破壞原始的礦物結(jié)構(gòu)，形成新的細(xì)粒礦物(主要是黏土質(zhì)礦物)，造成一些活動(dòng)的元素(如K、Na、Ca、Mg、Si)的流失，導(dǎo)致Al的殘留富集從而形成鋁土礦。鋁土礦與風(fēng)化作用及其產(chǎn)物風(fēng)化殼(現(xiàn)代風(fēng)化殼、古風(fēng)化殼和老風(fēng)化殼)密切相關(guān)。

2)鋁土礦的形成過(guò)程與紅土化作用及其產(chǎn)物紅土存在密切聯(lián)系。紅土化作用根據(jù)母巖的類別及作用過(guò)程，分為鋁硅酸鹽巖強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化形成的紅土化作用和碳酸鹽巖強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化形成的鈣紅土化作用。現(xiàn)在觀察到的沉積型鋁土礦，雖然位于古風(fēng)化殼之上，多數(shù)為由沉積過(guò)程搬運(yùn)到沉積盆地中的強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)物的沉積層，與古風(fēng)化殼的殘坡積層具有顯著差別，只有少數(shù)工業(yè)價(jià)值(品位低、品質(zhì)差)不大的殘坡積相鋁土礦。

3)鋁土礦含礦巖系的沉積環(huán)境與鋁土礦(尤其是高品位、高品質(zhì)的鋁土礦)的成礦環(huán)境不盡相同。鋁土礦主要形成于暴露于大氣中的陸表環(huán)境(而非水下環(huán)境)，由地下水淋濾作用形成(在滲流帶由活動(dòng)元素流失，Al等穩(wěn)定元素殘留富集而成)。

4)在鋁土礦成礦作用分析等基礎(chǔ)上，以鋁土礦沉積物等物源和沉積、成礦作用為依據(jù)提出鋁土礦床分類方案，包括原地或準(zhǔn)原地殘坡積物成因的紅土型和喀斯特型，和異地物源沉積成因的沉積型。