廣西平果地區(qū)沉積型鋁土礦沉積環(huán)境分析

趙曉東，陳遠(yuǎn)榮，吳家旭，劉能源，鐘玉龍，陳碩為

(桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006)

0 引言

平果鋁土礦位于廣西百色平果縣，是我國(guó)重要的大型鋁礦基地，具有沉積型鋁土礦以及巖溶堆積型鋁土礦這兩大鋁土礦類型。關(guān)于原生沉積型鋁土礦的沉積環(huán)境，前人做了一些研究工作，也取得了較多的研究成果，有的學(xué)者認(rèn)為這類鋁土礦是以原地古風(fēng)化殼為主要物質(zhì)來(lái)源經(jīng)海侵改造而成的海相沉積礦床，即“古風(fēng)化殼-海相沉積”或者“紅土-海相沉積”模式[1-4]；部分學(xué)者從地層接觸關(guān)系和古生物化石類型[5-6]、鋁土礦豆鮞的微觀特征[7-9]以及鋁土礦微量元素組成[10]、礦物組成及礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造[11]等方面提出了鋁土礦陸相沉積成因的觀點(diǎn)。

前人的研究仍舊存在關(guān)于“海相”和“陸相”分歧，關(guān)于平果地區(qū)原生鋁土礦成因研究，缺乏系統(tǒng)的、定量的元素地球化學(xué)分析，對(duì)平果地區(qū)鋁土礦沉積時(shí)期的早晚變化特點(diǎn)以及區(qū)內(nèi)不同礦化區(qū)域沉積環(huán)境的差異性缺乏研究和總結(jié)。國(guó)內(nèi)外眾多研究證明，一些對(duì)環(huán)境敏感的特征元素，不僅受其本身的化學(xué)性質(zhì)影響，更受到當(dāng)時(shí)沉積介質(zhì)的物理化學(xué)條件所影響。元素地球化學(xué)分析法對(duì)沉積環(huán)境的判別具有顯著的作用，特別是微量元素沉積地球化學(xué)特征更是沉積環(huán)境研究的重要指標(biāo)。如：運(yùn)用幾種微量元素的含量及比值以及沉積磷酸鹽的分析和其組分比，表明蘇北金湖凹陷曾有過(guò)海水侵入的影響[12]；運(yùn)用對(duì)沉積環(huán)境反映敏感的主微量元素得出冷湖地區(qū)上干柴溝為氧化—弱還原過(guò)渡的陸相淡水沉積環(huán)境[13]；通過(guò)對(duì)沉積巖內(nèi)的微量元素及稀土元素進(jìn)行測(cè)試，指示延安組、直羅組沉積時(shí)的古水體介質(zhì)均為富氧的淡水環(huán)境，直羅組古水體鹽度相對(duì)偏高[14]。所以，本文試圖通過(guò)統(tǒng)計(jì)各類礦石樣品有關(guān)微量元素及相關(guān)比值在空間上的變化，反演平果鋁土礦沉積環(huán)境在空間與時(shí)間上的演化特征，恢復(fù)當(dāng)時(shí)的古地理沉積環(huán)境，加強(qiáng)對(duì)平果原生沉積型鋁土礦的認(rèn)識(shí)，以期進(jìn)一步補(bǔ)充完善該地區(qū)原生沉積型鋁土礦的成礦理論。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

平果鋁礦區(qū)處于華夏板塊與揚(yáng)子板塊碰撞拼接的過(guò)渡帶，同時(shí)處在廣西山字型構(gòu)造體系的前弧西翼外緣和右江復(fù)向斜東南部，研究區(qū)見圖1。區(qū)域構(gòu)造輪廓復(fù)雜，形成于燕山期，該構(gòu)造輪廓奠定了現(xiàn)代桂西鋁土礦成礦帶的構(gòu)造格局[16]。

平果鋁土礦區(qū)出露地層較為齊全，從古生界到新生界均有出露，其中以石炭系、二疊系及三疊系為主，而泥盆系、新近系及第四系出露相對(duì)較少。

礦區(qū)處于右江復(fù)式向斜的中部，受到NE—SW向的應(yīng)力作用，形成了一系列NE向排列且軸向?yàn)镹W向的褶皺形態(tài)格架，形成的主要褶皺有那豆背斜、太平向斜、太平—教美背斜、果化復(fù)式向斜及布絨小向斜。屬于對(duì)稱褶皺類型，呈現(xiàn)出背斜寬緩、向斜緊閉的特征，各褶皺的剝蝕程度差別很大，從那豆背斜到太平—教美背斜其剝蝕程度逐漸增加。

平果礦區(qū)的斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，按走向大致分為兩組，主要以平行于褶皺軸向的NW向扭性斷裂為主，次為形成較晚的一系列切割NW向斷裂的NE向小斷裂。斷裂多分布于褶皺軸及兩翼，其中以右江大斷裂規(guī)模最大，為區(qū)域性大斷裂，是整個(gè)桂西地區(qū)骨干控礦構(gòu)造。

礦區(qū)內(nèi)巖漿巖出露很少，幾乎可以忽略，只在太平向斜的翼部、那豆背斜的北西方向以及平果縣城西南方向出現(xiàn)少許三疊紀(jì)晚期海底噴發(fā)的凝灰?guī)r。該地區(qū)的巖漿活動(dòng)很弱，表明該礦區(qū)受巖漿影響微乎其微。

平果礦區(qū)中塊狀與鮞狀礦石廣泛存在，深灰色、綠灰色、褐黃色、磚紅色、褐紅色及紫褐色等為礦石主要顏色；在偏光顯微鏡下觀察顯示，礦石結(jié)構(gòu)主要為豆鮞狀、碎屑狀等。豆鮞狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是外形呈球形、橢球形或杏仁狀，碎屑結(jié)構(gòu)中，硬水鋁石多呈他形粒狀、不規(guī)則圓狀及碎紙屑狀。鮞粒的核心是由硬水鋁石和鐵質(zhì)或是黏土質(zhì)礦物以與它們的混合物等礦物組成，鮞體則主要為三水鋁石。顯然，鋁土礦中的豆鮞粒主要是在早期鋁土礦碎塊(部分其他礦物碎片)的基礎(chǔ)上吸附水體中溶解性鋁物質(zhì)后生長(zhǎng)結(jié)晶的產(chǎn)物。

2 樣品采集、分析與特征元素選擇和測(cè)試

2.1 樣品采集與分析

在平果地區(qū)，對(duì)鋁土礦礦石進(jìn)行了較為系統(tǒng)的樣品采集工作。在那豆、太平、教美、果化等4個(gè)礦區(qū)共采集鋁土礦樣品25件，其中塊狀礦石14件，鮞粒狀狀礦石11件，采樣位置見圖2。樣品的分析測(cè)試由桂林理工大學(xué)廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

圖2 平果鋁土礦沉積型礦石元素分析樣品采樣位置圖

2.2 特征元素的選擇與測(cè)試

沉積環(huán)境是現(xiàn)代沉積學(xué)研究的重要內(nèi)容，且具有十分重要的意義，它既是沉積地質(zhì)作用場(chǎng)所的環(huán)境，又是沉積地質(zhì)作用產(chǎn)物的物化表現(xiàn)[17-18]。古鹽度作為一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)地質(zhì)歷史時(shí)期海陸環(huán)境的變遷具有一定的指示意義，由于Sr、Ba元素對(duì)沉積介質(zhì)中鹽度變化較為敏感，Sr、Ba元素是地殼中分布較廣的元素，其Sr/Ba比值常被用為判別淡水與咸水沉積的重要參數(shù)。氧化還原環(huán)境分析對(duì)于沉積型礦床來(lái)說(shuō)尤為重要，它既可以對(duì)當(dāng)時(shí)沉積場(chǎng)所的地勢(shì)高低進(jìn)行判別，進(jìn)而了解其沉積的先后順序，而且還可以對(duì)沉積時(shí)的地球化學(xué)條件進(jìn)行分析。對(duì)氧化還原環(huán)境的分析主要是通過(guò)明顯受氧化還原狀態(tài)控制的金屬元素，其在缺氧的環(huán)境下會(huì)高度富集。在微量元素中，Ni、Co、U、Th等金屬元素在氧化條件下易于沉淀，而在還原條件下則易溶于水，基于這些元素的地球化學(xué)性質(zhì)的差異性，可以利用Ni/Co、U/Th比值法，判別其形成時(shí)期沉積環(huán)境的的氧化還原性。為此，本次研究選擇了鍶(Sr)、鋇(Ba)、釷(Th)、鈾(U)、鎳(Ni)、鈷(Co)6個(gè)元素作為平果礦區(qū)沉積環(huán)境分析的特征元素。其分析測(cè)試及比值計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

表1 沉積型鋁土礦(塊狀)特征元素分析結(jié)果

表2 沉積型鋁土礦(鮞狀)特征元素分析結(jié)果

3 沉積環(huán)境時(shí)空演化特征對(duì)比

3.1 不同類型礦石沉積環(huán)境特征

在平果地區(qū)，根據(jù)野外剖面觀察發(fā)現(xiàn)，含礦層位出露有塊狀和鮞粒狀兩種礦石類型。其中，在上部區(qū)域，青灰色豆鮞粒狀礦石廣泛發(fā)育，含礦層下部主要為一些紅褐色含鐵較高的塊狀礦石，顯然，在形成時(shí)間上，塊狀礦石形成較早，鮞粒狀礦石形成相對(duì)較晚。在含鋁品位上，鮞粒狀礦石的鋁品位一般要高于塊狀礦石的鋁品位。所以，根據(jù)兩類礦石在垂直層位上的差異，在同一地點(diǎn)分別采集不同類型的礦石，分析其中的特征元素含量及其比值，解釋平果鋁土礦的沉積環(huán)境，同時(shí)推斷不同成礦時(shí)期沉積環(huán)境的演化。

由表1、表2可見，在平果鋁土礦區(qū)，各區(qū)塊的Sr/Ba、U/Th、Ni/Co比值具有如下特征：

Sr/Ba比值：① 那豆礦區(qū)塊狀礦石0.86～1.17，元素的量單位為wB/10-6。

元素的量單位為wB/10-6。

平均值為0.67；鮞粒狀礦石0.27～5.91，平均值為3.09。② 太平礦區(qū)塊狀礦石0.69～3.83，平均值為1.76；鮞粒狀礦石1.36～14.91，平均值為4.91。③ 教美礦區(qū)塊狀礦石0.74～1.03，平均值為0.89；鮞粒狀礦石0.49～0.82，平均值為0.73。④ 果化礦區(qū)塊狀礦石0.24～0.38，平均值0.30；鮞粒狀礦石未在果化礦區(qū)發(fā)現(xiàn)?？傮w上，Sr/Ba比值在塊狀礦石中具有從果化→那豆→教美→太平礦塊逐漸升高的趨勢(shì)；而就鮞粒狀礦石而言，該比值具有從教美→那豆→太平礦塊逐漸升高的特點(diǎn)。

U/Th比值：① 那豆礦區(qū)塊狀礦石0.29～1.19，平均值為0.57；鮞粒狀礦石0.80～1.54，平均值為1.04。② 太平礦區(qū)塊狀礦石0.27～1.14，平均值為0.71；鮞粒狀礦石1.56～2.58，平均值為2。③ 教美礦區(qū)塊狀礦石0.16～1.06，平均值為0.66；鮞粒狀礦石0.94～2.07，平均值為1.34。④ 果化礦區(qū)塊狀礦石0.14～0.32，平均值0.21；鮞粒狀礦石未在果化礦區(qū)發(fā)現(xiàn)。總體上，U/Th比值與Sr/Ba比值相似，具有從果化→那豆→教美→太平礦塊逐漸升高的趨勢(shì)；而在鮞粒狀礦石中，該比值表現(xiàn)為從那豆→教美→太平礦塊逐漸升高的特點(diǎn)。

Ni/Co比值：① 那豆礦區(qū)塊狀礦石0.35～3.43，平均值為1.94；鮞粒狀礦石4.12～26.61，平均值為12.50。② 太平礦區(qū)塊狀礦石2.33～5.49，平均值為4.07；鮞粒狀礦石5.40～26.72，平均值為13.05。③ 教美礦區(qū)塊狀礦石1.93～5.12，平均值為3.63；鮞粒狀礦石4.60～5.62，平均值為4.97。④ 果化礦區(qū)塊狀礦石2.36～3.37，平均值2.83；鮞粒狀礦石未在果化礦區(qū)發(fā)現(xiàn)?？傮w上，Ni/Co比值在塊狀礦石中具有從那豆→果化→教美→太平礦塊逐漸升高的變化特點(diǎn)，而在鮞粒狀礦石中則表現(xiàn)為從教美→那豆→太平礦塊逐漸升高的特征。

3.2 特征元素指示沉積環(huán)境評(píng)判值標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)前人研究結(jié)果認(rèn)為：Sr/Ba值>1時(shí)，為海相沉積；Sr/Ba值處于1～0.6之間時(shí)，為半咸水沉積；Sr/Ba值<0.6時(shí)，為淡水沉積[12，19-21]。對(duì)氧化還原環(huán)境的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：① 若Ni/Co值<5時(shí)，為氧化環(huán)境；Ni/Co值處于5～7之間時(shí)，則為過(guò)渡環(huán)境；Ni/Co值>7時(shí)，為還原環(huán)境；② U/Th值<0.75時(shí)，代表富氧的氧化環(huán)境；U/Th值在0.75～1.25之間時(shí)，指示過(guò)渡環(huán)境；U/Th值>1.25時(shí)，則代表貧氧的還原環(huán)境[22-23]。

3.3 沉積環(huán)境的時(shí)空演化分析

在二疊系合山組早期沉積形成的塊狀礦石，在平果地區(qū)各個(gè)礦塊均有分布，而合山組后期形成的質(zhì)量較好的鮞粒狀礦石，只發(fā)現(xiàn)于那豆、太平、教美礦區(qū)，果化礦區(qū)未發(fā)現(xiàn)。根據(jù)上述各礦塊不同礦石的分析結(jié)果，并將其與指示沉積環(huán)境的評(píng)判值比較后發(fā)現(xiàn)，就平果地區(qū)而言，二疊系合山組早期形成的塊狀礦石，大部分形成于氧化環(huán)境，為陸相或海陸交互相的沉積產(chǎn)物，只有太平礦區(qū)有一部分樣品顯示形成于還原環(huán)境，為海相沉積產(chǎn)物，表明當(dāng)時(shí)整個(gè)平果地區(qū)水體平均深度較?。辉诤仙浇M沉積后期海進(jìn)作用加劇，水體深度變大，形成的鮞粒狀礦石，則基本上形成于還原環(huán)境，屬于海相沉積產(chǎn)物，只有教美礦區(qū)的部分區(qū)域?qū)儆谘趸h(huán)境沉積。顯然在總體上，在二疊系合山組沉積時(shí)期，平果地區(qū)的太平礦區(qū)地勢(shì)最低，更有利于接受沉積物質(zhì)，其次為那豆礦區(qū)、教美礦區(qū)，而果化礦區(qū)長(zhǎng)期處于淺水沉積狀態(tài)，接受的沉積物最少。

4 討論

在桂西平果地區(qū)，存在著兩條深大斷裂帶——下雷—靈馬斷裂帶和右江斷裂帶。下雷—靈馬斷裂帶的活動(dòng)時(shí)間開始于加里東期，最早出現(xiàn)于寒武紀(jì)，在一定程度上控制了寒武紀(jì)沉積相的分異，此時(shí)其東側(cè)西大明山一帶為東南型復(fù)理石深水沉積，其西側(cè)則為華北型臺(tái)地相沉積；晚古生代更顯其特殊性，于斷裂帶內(nèi)沉積了一套從泥盆紀(jì)—二疊紀(jì)深水相含硅泥質(zhì)巖系。因此，下雷—靈馬斷裂帶周圍形成寒武紀(jì)泥質(zhì)巖系不僅提供了鋁土礦的最初鋁來(lái)源，其形成的特殊溝槽地勢(shì)同時(shí)又為后來(lái)海進(jìn)作用形成的平果沉積型鋁土礦提供了搬運(yùn)通道的作用。右江斷裂帶活動(dòng)時(shí)代為加里東—喜馬拉雅期，斷裂屬硅鋁層斷裂，長(zhǎng)期嚴(yán)格控制著兩側(cè)晚古生代沉積巖和厚度變化，即而也控制著平果地區(qū)盆地的形成，使含鋁古風(fēng)化殼在平果地區(qū)易于沉淀，形成沉積型鋁土礦。

桂西地區(qū)的老基底地層經(jīng)過(guò)風(fēng)化剝蝕之后，形成含鋁古風(fēng)化殼，這一過(guò)程中泥巖、頁(yè)巖類的巖石風(fēng)化使K、Na、Ca、Mg這些堿性元素發(fā)生了化學(xué)變化，變成溶于水的鹽類礦物隨著溶液流失，剩下的難溶元素鋁剝離出來(lái)，形成膠體，導(dǎo)致含Al古風(fēng)化殼整體pH值降低，變成酸性。

一般而言，鋁的搬運(yùn)方式有兩種，一種是以碎屑的方式搬運(yùn)，一種則是以溶解的方式，且在酸性條件下易于搬運(yùn)，在堿性條件下易于沉淀。根據(jù)目前對(duì)平果沉積型鋁土礦的勘查發(fā)現(xiàn)，其賦存在二疊系合山組和茅口組之間的古風(fēng)化殼上，而古風(fēng)化殼則是以灰?guī)r為主的，具有堿性障特點(diǎn)，這剛好有利于搬運(yùn)而來(lái)的碎屑和含鋁礦物沉淀富集。

在桂西地區(qū)，西南方向地勢(shì)較高，平果地區(qū)地勢(shì)相對(duì)較低。二疊紀(jì)發(fā)生由西南向北東方向的海進(jìn)作用，沿著下雷—靈馬斷裂帶這條通道，把成礦物質(zhì)從西南較高的地方搬運(yùn)進(jìn)入地勢(shì)較低的平果地區(qū)。同時(shí)，在平果地區(qū)又廣泛發(fā)育二疊系茅口組灰?guī)r古風(fēng)化殼(堿性障)，為搬運(yùn)而來(lái)的弱酸性含鋁成礦物質(zhì)的沉積起到了重要欄柵作用。

在整個(gè)沉積型鋁土礦于二疊系合山組時(shí)期形成過(guò)程中，早期水淺，處于氧化的陸相或海陸交互相環(huán)境，形成含鐵較高的紫紅色塊狀鋁土礦；后期隨著海進(jìn)作用加劇，水體變深，處于海相還原環(huán)境，以早期的鋁土礦礦石碎塊或者周圍環(huán)境通過(guò)風(fēng)化剝蝕帶來(lái)的礦物、巖石碎片構(gòu)成鮞粒狀礦石的鮞核，并與溶解在水中的鋁離子結(jié)合成為鮞體，從而進(jìn)一步形成青灰色鮞粒狀礦石，分布在礦體的上部。隨后，隨著大量生物的死亡，在相對(duì)低洼的地區(qū)形成原始有機(jī)物富集，并在后期的成巖作用中變化為碳質(zhì)泥巖或煤層。由此，形成平果沉積型鋁土礦含礦層位的特殊剖面特征(圖3)。

圖3 平果沉積型鋁土礦含礦層位野外剖面圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)平果各個(gè)礦區(qū)的野外地質(zhì)調(diào)查和采集不同種類的礦石，進(jìn)行了沉積環(huán)境時(shí)空演化特征對(duì)比，綜合礦石在時(shí)間與空間上的關(guān)系，從演化的角度討論平果鋁土礦的沉積環(huán)境的特征，得出以下結(jié)論：

1)NW向的斷裂體系約束的平果地區(qū)二疊紀(jì)時(shí)期沉積盆地的形成，NE向的下雷—靈馬斷裂體系為平果地區(qū)鋁土礦成礦物質(zhì)來(lái)源提供了運(yùn)移通道。

2)平果地區(qū)二疊系合山組早期的沉積環(huán)境屬于氧化的陸相和海陸交互相沉積，隨著海進(jìn)作用加強(qiáng)，合山組后期變?yōu)檫€原的海相沉積環(huán)境。

3)在平果地區(qū)，二疊系合山組時(shí)期，太平礦區(qū)為沉降中心，接受沉積作用最為強(qiáng)烈，其次為那豆礦區(qū)、教美礦區(qū)，而果化礦區(qū)沉積作用較弱。

4)平果地區(qū)合山組下部的茅口組灰?guī)r古風(fēng)化殼的堿性障特點(diǎn)，為具有弱酸性特點(diǎn)的含鋁物質(zhì)的大量沉淀形成沉積型鋁土礦，提供了地球化學(xué)約束條件。