貴州省沉積型鋁土礦“移硅沉鐵富鋁”成礦模式探討

楊 濤，黃 波，2，朱和書，馬力克

(1.貴州理工學院 資源與環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550003；2.貴州有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊，貴州 都勻 558000；3.貴州省地質(zhì)資料館，貴州 貴陽 550000)

0 引言

鋁土礦是貴州省的優(yōu)勢礦種之一，其資源豐富、礦石質(zhì)量好、分布廣泛、礦床規(guī)模大。截至2018年，貴州省鋁土礦礦產(chǎn)地為136處，已查明資源儲量礦區(qū)69個，其中超大型4個，大型礦區(qū)4個，中型礦區(qū)17個，小型礦區(qū)44個；累計查明資源儲量10.4億噸，全國排名第三(資料來源：貴州省自然資源廳2019年7月2日公布)。貴州省鋁土礦分布相對集中，沉積型是其主要的礦床類型，深入其成礦規(guī)律和資源潛力，科學指導(dǎo)深部找礦，制定資源開發(fā)戰(zhàn)略等具重要意義。

1 礦床類型

根據(jù)《鋁土礦、冶鎂菱鎂礦地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0200-2002)[1]，鋁土礦礦床類型分為沉積型、堆積型和紅土型，貴州鋁土礦以沉積型為主，少見堆積型，目前未見有紅土型礦床[2-3]。沉積型根據(jù)侵蝕面的不同，分為兩個亞類，即產(chǎn)于碳酸鹽巖侵蝕面和產(chǎn)于碎屑巖侵蝕面上的礦床(表1)。

2 礦床特征

2.1 礦床特征

2.1.1 空間分布

根據(jù)前人對貴州鋁土礦研究成果[2-4]，劃分了4個成礦區(qū)帶(礦集區(qū))：黔北的務(wù)(川)—正(安)—道(真)礦集區(qū)、黔東的凱里—黃平礦集區(qū)、黔中的遵義—息烽礦集區(qū)和清鎮(zhèn)—修文礦集區(qū)(圖1)。

2.1.2 礦床特征

貴州省重要的4個成礦區(qū)帶(礦集區(qū))上鋁土礦主要特征見表2。

表1 貴州沉積型和堆積型鋁土礦基本特點Table 1 Basic characteristics of sedimentary and accumulative bauxite deposits in Guizhou

圖1 貴州鋁土礦床(礦點)及礦集區(qū)(帶)分布示意圖(據(jù)楊濤等，2020)Fig.1 Distribution sketch map of bauxite deposits and ore concentration areas in Guizhou[2]1—礦集區(qū)范圍及編號(Ⅰ—務(wù)—正—道礦集區(qū) Ⅱ—遵義—息烽礦集區(qū) Ⅲ—清鎮(zhèn)—修文礦集區(qū) Ⅳ—凱里—黃平礦集區(qū)) 2—超大型礦床 3—大型礦床 4—中型礦床 5—小型礦床 6—礦點

2.2 典型礦床

貴州鋁土礦主要集中于4個礦集區(qū)的黔中清鎮(zhèn)—修文礦集區(qū)和黔北務(wù)—正—道礦集區(qū)[2-4]，筆者選取了清鎮(zhèn)貓場超大型鋁土礦和務(wù)川瓦廠坪大型鋁土礦為典型礦床代表。

表2 貴州省鋁土礦床特征Table 2 Bauxite deposit characteristics in Guizhou

1)清鎮(zhèn)貓場超大型鋁土礦礦床

礦區(qū)位于清鎮(zhèn)市北西約20 km處，黔北隆起區(qū)之織金穹盆構(gòu)造變形區(qū)，NE向與SN向構(gòu)造交接部位；出露地層主要為古生代—中生代碳酸鹽巖-碎屑巖建造，地層產(chǎn)狀平緩，褶皺和斷裂發(fā)育，三岔河斷裂褶皺帶大威嶺背斜的北西部。含礦巖系主要為下石炭統(tǒng)九架爐組(C1jj)，下伏地層為寒武系婁山關(guān)組白云巖，上覆地層為下石炭統(tǒng)擺佐組白云巖，含礦巖系一般自上而下分為三段(表3)，上段為鋁土礦主要產(chǎn)出層位，主要為鋁土礦(巖)、黏土巖及碳質(zhì)黏土巖，常為(半)土狀、碎屑狀及致密狀鋁土礦組合，厚0.3～25 m，一般厚5～8 m；中段為致密狀高鐵鋁土礦和少量鐵質(zhì)黏土巖-鐵綠泥石，厚0～17 m，一般厚1～3 m；下段為鐵礦系，有鐵質(zhì)黏土巖—致密狀赤鐵礦，厚0～11 m，一般厚1～3 m，可構(gòu)成具工業(yè)價值的鐵礦層。

礦床由5個礦體組成，最大礦體東西長約4.5 km，南北寬0.5～2.5 km，呈似層狀產(chǎn)出，一般為單層，局部主礦層上下部有小透鏡礦體產(chǎn)出，形態(tài)受基底古巖溶地貌制約，厚度也相應(yīng)變化；主要為(半)土狀、碎屑狀及致密狀，其次為豆鮞狀。致密狀具致密塊狀結(jié)構(gòu)、細微碎結(jié)構(gòu)；碎屑狀主要為砂(礫)屑結(jié)構(gòu)，次棱角—次圓狀，塊狀構(gòu)造；土狀結(jié)構(gòu)疏松，具隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、土狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。礦物組分為土狀—半土狀：主要成分為隱晶質(zhì)一水硬鋁石及少量高嶺石、水云母、黃鐵礦等；碎屑狀主要為一水硬鋁石，碎屑顆粒間充填物也為一水硬鋁石，其次少量高嶺石、水云母等；致密狀主要為一水硬鋁石及少量高嶺石、水云母、黃鐵礦、菱鐵礦等。礦床為古巖溶湖泊相沉積，由湖岸到湖心具濱湖相、淺湖相和深湖相環(huán)帶特征，縱向上自下而上為赤鐵礦-綠泥石黏土巖相-菱鐵礦質(zhì)-鋁土礦相的沉積序列，含礦巖系厚度越大則礦層越厚。

表3 清鎮(zhèn)貓場鋁土礦特征Table 3 Characteristics of Maochang bauxite deposit in Qingzhen

2)務(wù)川瓦廠坪大型鋁土礦床

礦區(qū)位于務(wù)川縣城北部偏東約44 km，為黔北隆起區(qū)之鳳岡SN向隔槽式褶皺變形區(qū)，屬NNE向務(wù)川—正安—道真成礦帶的栗園—鹿池向斜內(nèi)。出露地層主要有志留系、石炭系、二疊系、三疊系碳酸鹽巖-碎屑巖建造。構(gòu)造簡單，褶皺主要為鹿池向斜，斷裂構(gòu)造主要為NE向貫穿礦區(qū)的巖風阡斷裂，傾向NW，傾角較陡的正斷層，對礦體具破壞性。含礦巖系為中二疊統(tǒng)梁山組，上覆地層為中二疊統(tǒng)棲霞組灰?guī)r，下伏地層為上石炭統(tǒng)黃龍組灰?guī)r或下志留統(tǒng)韓家店組泥巖、砂頁巖。含礦巖系下部為黏土巖、黃鐵礦、含鐵綠泥石巖，偶夾赤鐵礦或菱鐵礦透鏡體；中部為主要含礦巖系，多為致密塊狀、半土狀、碎屑狀、豆鮞狀鋁土礦及鋁土質(zhì)頁巖；上部為碳(鈣)質(zhì)頁巖等黏土巖，厚0～13 m。

礦體露頭沿鹿池向斜向NE呈“U”型逐漸分開，南西端收縮，寬1.5～3 km，產(chǎn)狀與地層基本一致，呈層狀、似層狀，常見一層礦，由于巖風阡斷層的錯斷，礦區(qū)分為東西兩個礦段。東礦段為向斜東翼，露頭長4.2 km，厚0～3.9 m，平均厚2.4 m，礦石中w(Al2O3)為57.4%～77.3%，多數(shù)大于70%，Al/Si比值為3～46，多大于10。西礦段分布于向斜西翼，露頭長4km，呈層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀與圍巖一致，連續(xù)性較好，厚0.5～1.9 m，平均厚1.5 m，w(Al2O3)平均為63.9%、w(Fe2O3)=5.2%，w(SiO2)=8.8%，Al/Si比值為7.3。礦石組成以含鋁礦物為主，其次為少量高嶺石、水云母和含鐵綠泥石等，含鋁礦物主要一水硬鋁石、一水軟鋁石、三水鋁石及膠鋁石。礦石由泥晶基質(zhì)和粒屑對應(yīng)結(jié)構(gòu)：復(fù)粒屑結(jié)構(gòu)及重結(jié)晶結(jié)構(gòu)；構(gòu)造以土狀、半土狀及碎屑狀為主，其次為豆狀、鮞狀。

3 成因機制

3.1 鋁質(zhì)的初步富集—紅土化風化殼

廣西運動末期—海西期運動，貴州地殼由海相向陸內(nèi)造山發(fā)展，使黔東—黔中—黔北地區(qū)整體隆升，形成了晚志留—石炭世的風化剝蝕期，濕熱的低緯度環(huán)境促進了地表巖石接受廣泛的風化剝蝕，淋濾出易遷元素，殘留了以硅鋁鐵氧化物含量占80%±的紅土化風化殼(表4、表5)，使鋁質(zhì)得到初步富集，要轉(zhuǎn)化為鋁土礦，必須有使硅鐵質(zhì)降低含量而鋁質(zhì)增加的重要“移硅沉鐵富鋁”的元素遷移和富集過程。

3.2 前人“移硅沉鐵富鋁”實驗及相關(guān)認識

腐殖酸是廣泛存在自然界中具弱酸—還原性的復(fù)雜有機酸，陳覆安(2011)[6]通過對風化殼階段樣品(表5、表6)在碳酸—腐殖酸下進行實驗(用蒸餾水通CO2與腐殖酸配制，溫度在23°C±3°C下進行，pH用稀HCl和稀NaOH控制，巖樣用1.0 g于50 mL燒杯中，攪拌，浸泡，放置一定時間后測試)。

表4 紅土化風化殼的化學成分Table 4 Chemical composition of laterite-type weathering crust

表5 實驗巖樣中主要礦物組成Table 5 Main mineral composition of experimental rock samples

1)首先對風化母巖(Al-1和Al-2)、風化高嶺石黏土巖(Al-3)及鋁鐵巖(Al-4)進行實驗，在不同濃度的腐殖酸(10 mg/50 mL、25 mg/50 mL及50 mg/50 mL)中遷移實驗得出：腐殖酸濃度越高對Si、Fe遷移能力越強。

2)不同pH值條件下的鋁硅鐵遷移試驗(表6)表明：① 在碳酸-腐殖酸水體中Si、Fe遷移活性明顯大于Al的活性，從而利于Si、Fe遷移；② 在偏酸—還原性條件下，Si、Fe遷移分異明顯，即偏酸性條件下Si遷移作用較強，而Fe遷移則偏向于中性水體，表明腐殖酸在鋁土礦形成過程中的積極作用。

表6 碳酸-腐殖酸體系中不同pH值下巖樣中Al2O3、SiO2和Fe2O3遷移實驗Table 6 Migration experiment of Al2O3， SiO2 and Fe2O3 of rock samples under different pH values in carbonic acid and humic acid system

3)腐殖酸對成礦母巖中Al的膠溶和護膠作用試驗(表7)：① 上清液為真溶液或膠體溶液，加酸處理后明顯增高，促進了Al(OH)3膠體的溶解和Al3+的釋放；② 攪拌后的上層清液中Al2O3高得多，顯示了腐殖酸對鋁土母巖中鋁的溶膠和護膠作用，而未溶解的鐵質(zhì)因比重較大，先沉淀于底部。

總之，具弱酸—還原性的腐殖酸在沼澤環(huán)境中促進SiO2、Fe2+、Fe3+、Al3+離子的溶解和遷移，對鋁土礦中的鋁質(zhì)重溶、遷移、沉淀和膠狀鋁土礦的形成具重要作用，使紅土化風化殼(紅礦)變白富鋁(白礦)的過程，促進“移硅沉鐵富鋁” 的元素遷移與富集，從而形成鋁土礦。

3.3 成因機制

貴州鋁土礦以沉積型為主，前人對成因機制研究較多[2-8]，主要以劉幼平等[3]為代表提出的紅土化風化、遷移就位及表生富集三個階段；金中國等[7-8]認為鋁土礦的形成是一個脫硅、去鐵、降硫及富鋁過程。

區(qū)內(nèi)礦石類型多為土狀—半土狀、碎屑狀及致密塊狀，表明經(jīng)過了風化、搬運及沉積過程；賦礦巖系為晚古生代中晚期地層，古地理環(huán)境為黔中、黔東和黔北瀉湖盆(灣)中富含生物的弱酸—還原沉積環(huán)境[2-9]，是廣西運動末期—海西運動的抬升，地表巖石接受風化剝蝕，殘留了以鋁硅鐵氧化物為主的紅土化風化殼，經(jīng)流水搬運到瀉湖盆(灣)等沉積背景中經(jīng)過“移硅沉鐵富鋁”的元素遷移與富集過程[2]，使鋁進一步富集于下石炭統(tǒng)九架爐組—中下二疊統(tǒng)大竹園組、梁山組中形成鋁土礦。

表7 浸泡20天后用不同方法處理后測定的Al2O3含量Table 7 Determination of Al2O3 content after 20 days of soaking with different treatment methods

4 討論

1)鋁是地殼中最豐富的金屬元素之一，成為主要的造巖礦物而廣泛分布于多種巖石中[10]，在特定條件下因出露地表接受風化剝蝕，淋濾出易遷元素，殘留了以鋁硅鐵氧化物約占80%的紅土化風化殼，是鋁土礦形成的前提，要轉(zhuǎn)化為鋁土礦，其“硅鐵”氧化物要降到10%±、而Al2O3富集到60%±的常規(guī)鋁土礦；從理論上將Si、Fe完全移(沉)出，w(Al2O3)也不超過80%，而礦層中有的高達90%[3]，與常見的膠狀鋁土礦對應(yīng)的富鋁過程，因此“移硅沉鐵富鋁”是從紅土化風化殼轉(zhuǎn)化為鋁土礦的關(guān)鍵。

2)廣西運動末期—海西運動的陸內(nèi)造山發(fā)展(表8)，晚古生代早期的貴州地處南北緯度0°～10°之間潮濕多雨的熱帶氣候條件下[2-9]，植被發(fā)育，生物繁盛，使早古生代—晚古生代早期地層接受風化剝蝕，淋濾出易遷元素，殘留以鋁硅鐵氧化物為主的紅土化風化殼，鋁質(zhì)得到初步富集。經(jīng)流水搬運集中于富含古生物沉積的瀉湖盆(灣)中弱酸—還原性環(huán)境，由于晚古生代早中期陸內(nèi)造山背景下的地殼較穩(wěn)定，形成了黔中—黔東—黔北地區(qū)大范圍沖積平原亞相、沖積扇亞相、濱淺湖亞相及沼澤亞相環(huán)境下的厚層—巨厚層連續(xù)沉積層[2-12，14]，為中大型—超大型礦集區(qū)的形成提供了有利條件。

3)在完整的鋁土礦垂直剖面，頂部常為劣質(zhì)煤或灰黑色碳(鈣)質(zhì)頁巖類，鋁土礦多產(chǎn)于中上部，向下則向鐵礦系過渡，多為赤鐵礦、菱鐵礦、含鐵綠泥石-富鐵黏土巖等，表明生物沉積及濕熱弱酸—還原性環(huán)境；與余文超等[13]、杜遠生等[15]根據(jù)鋁土礦層古生物特征確定為偏酸—還原性環(huán)境對應(yīng)。盛章琪等[16]、席善峰等[17]在常見礦層中生物碎屑(如角質(zhì)層、絲狀體、根系等)和碎屑礦物(如云母、長石及鮞粒等)被一水硬鋁石交代，中上部顏色變淺(“白化”)，鐵質(zhì)則下沉于礦層下部并向紫紅—褐紅色轉(zhuǎn)化(“紅化”，如清鎮(zhèn)長沖鋁土礦底部鐵礦層中w(TFe)=51%～64%[2-3]，使紅土化風化殼中氧化鐵從20%±富集了3倍)，也是沉積型較堆積型中鐵含量低原因 [ 堆積型w(Fe2O3)=16%～25%，與表1和表4中紅土對應(yīng)，缺少了“沉鐵”作用 ]，表明豐富的生物沉積與弱酸—還原性環(huán)境對“移硅沉鐵富鋁”的重要作用。

表8 貴州省晚古生代—新生代構(gòu)造相和主要成礦作用Table 8 Late Paleozoic-Cenozoic tectonic lithoface and the main mineralization in Guizhou

4)原地殘留的富鋁古風化殼，形成堆積型礦床，此類礦床在貴州鋁土礦中少得多，規(guī)模也較小。因此在瀉湖海盆中經(jīng)過“移硅沉鐵富鋁”后形成的沉積型是主要礦床類型，規(guī)模也比堆積型大得多。

5)鋁土礦的形成經(jīng)過了漫長過程，從下伏地層的寒武系到上覆的中二疊統(tǒng)(或下石炭統(tǒng))，大致經(jīng)歷了150～200 Ma[2-3]，使“移硅沉鐵富鋁”的元素遷移與富集較徹底，賦礦地層主要為下石炭統(tǒng)九架爐組和中下二疊統(tǒng)大竹園組、梁山組，早石炭世—早中二疊世是鋁土礦床形成的特定時期。

6)從紅土化風化殼轉(zhuǎn)變?yōu)殇X土礦，關(guān)鍵在于富含生物的弱酸—還原性沉積環(huán)境中進行“移硅沉鐵富鋁”的元素遷移與富集，并在瀉湖盆(灣)等最為集中，為形成大型—超大型礦集區(qū)提供了有利條件。在洋陸轉(zhuǎn)換海相背景下的新元古代—早古生代不利于紅土化風化殼形成[2-9]；中晚二疊世大規(guī)模峨眉山玄武巖噴發(fā)(從貴州西部到東部的甕安—都勻殘留玄武巖來看，噴發(fā)范圍約10萬km2)到三疊系廣泛海相沉積是紅土化風化殼的間斷期[2-12]；燕山—喜山運動，轉(zhuǎn)化為隆升背景下的前陸盆地—磨拉石盆地—山間盆地環(huán)境(表8)，改變利于鋁土礦的成礦背景；雖然地殼抬升而接受剝蝕形成風化殼，僅為初步富鋁的紅土化過程，但沒有經(jīng)過關(guān)鍵的“移硅沉鐵富鋁”過程，不再形成大規(guī)模鋁土礦。

7)鋁土礦的形成過程中也富集了不易遷移的鎵(Ga)、鈧(Sc)、鋰(Li)、鉿(Hf)、鈮(Nb)、鉭(Ta)及鎢(W)等元素[2，3，8，19]，如w(Ga)可達0.01%±，w(LiO2)最高達0.58%(邊界品位為0.5%)，w(W2O3)最高達0.33%(邊界品位為0.12%)[19]，成為有用伴生元素，尤其在中大型以上礦床中值得評價可能存在的稀有、稀散等有用元素，提高綜合利用價值。

5 結(jié)語

1)地表巖石接受風化剝蝕產(chǎn)生以鋁硅鐵氧化物為主的紅土化風化殼是鋁土礦形成的前提，要形成大型—超大型礦床，還須經(jīng)過關(guān)鍵的富含生物弱酸—還原性沉積環(huán)境中進行Si、Fe和Al元素的遷移與富集，即“移硅沉鐵富鋁”過程，促進Si移出和Fe下沉礦層底部，使鋁質(zhì)進一步得到富集形成鋁土礦。

2)廣西運動末期—海西運動使貴州地殼向陸內(nèi)造山發(fā)展，使早期地層接受風化剝蝕，在濕熱的低緯度環(huán)境中產(chǎn)生紅土化風化殼，是鋁土礦形成的前提條件；經(jīng)過流水搬運集中于黔中、黔東及黔北瀉湖盆(灣)中富含生物沉積的弱酸—還原性環(huán)境中進行關(guān)鍵“移硅沉鐵富鋁”的元素遷移與富集過程，由于晚古生代早中期背景下的地殼穩(wěn)定，形成了厚層—巨厚層富鋁的連續(xù)沉積層，造就了貴州重要的中大型—超大型礦集區(qū)。

3)貴州鋁土礦大多數(shù)屬于沉積型礦床，主要產(chǎn)于下石炭統(tǒng)九架爐組—中下二疊統(tǒng)大竹園組、梁山組中，早石炭—早中二疊世是鋁土礦形成的特定時期。因此，晚古生代中晚期地層中還可能存在隱伏鋁土礦，還可能存在新的大型—超大型礦集區(qū)，在全國范圍內(nèi)更可能存在相近條件下大規(guī)模鋁土礦礦集區(qū)。