廣西靖西三合沉積鋁土礦成礦環(huán)境研究

韋 訪，周 輝，李活松，蒙家鋒，覃良朝，黃光瓊

(1.廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院， 廣西 南寧 5300023；2.南寧學(xué)院，廣西 南寧 530299 )

1 引言

桂西沉積型鋁土礦床主要分布于廣西西部地區(qū)的百色市，包括平果、靖西-田東-田陽和那坡三個主要成礦區(qū)。桂西鋁土礦研究大致可分為兩個階段，第一階段為20世紀80—90年代，對桂西鋁土礦的研究較多集中在堆積型礦床方面，僅有劉長嶺(1989，1991)、廖士范(1986，1986，1994，1998)、李啟津(1981，1984，1987，1996)等少數(shù)學(xué)者對桂西沉積型鋁土礦床類型和礦物特征做了初步論述與探索研究。第二階段為21世紀以來，較多學(xué)者從微量、稀土地球化學(xué)特征(王力 等，2004；張啟連 等，2020；俞縉 等，2009；王巖 等，2015；林宇 等，2014)、礦床成因(王慶飛 等，2012；李普濤，2014)物質(zhì)來源(王文鵬，2016；喬龍，2016；余文超，2017)及沉積環(huán)境(張啟連 等，2016)、礦物鋯石年齡測定等方面研究了沉積鋁土礦地質(zhì)特征與沉積成礦模式。縱觀桂西整個鋁土礦研究可見幾點不足之處：1.研究礦床的局限性和代表性不足，多數(shù)學(xué)者均集中于平果地區(qū)鋁土礦床的研究，較少涉及桂西地區(qū)其他礦床(點)的研究；2.沉積鋁土礦成礦物質(zhì)來源、沉積環(huán)境等重大問題仍存在爭議與分歧；3.礦石礦物的研究多以堆積鋁土礦石為主，缺乏原生沉積鋁土礦礦石礦物的微觀觀察與研究。本文試圖從沉積鋁土礦礦物微觀特征與微量元素地球化學(xué)特征探討其對成礦環(huán)境的約束作用，以期對本區(qū)的沉積鋁土礦勘查起到一定的指導(dǎo)作用，同時進一步豐富完善桂西鋁土礦成礦理論。

2 研究區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)區(qū)域上位于華南準地臺右江再生地槽靖西-田東隆起區(qū)西部，新圩向斜的南西翼-四定向斜的北東端。成礦區(qū)帶上位于濱太平洋成礦域南華成礦亞省桂西-黔西南-滇東南北部(右江地槽)Au-Sb-Hg-Ag-Mn-Al-Sn-Cu-Ti-Te-稀土-煤-石油-水晶成礦帶之大新-武鳴 Sn-Cu-Pb-Zn-Mn-Al-煤成礦區(qū)內(nèi)。區(qū)域地層出露有寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系及第四系，區(qū)域內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造變形較為復(fù)雜。褶皺構(gòu)造控制鋁土礦的分布，斷裂構(gòu)造對鋁土礦床影響較大。褶皺構(gòu)造主要表現(xiàn)為三個向斜構(gòu)造，為必窿向斜、三東向斜、坡塘向斜，斷裂構(gòu)造以北西向與近東西向、北東向為主，次級小斷層較發(fā)育(圖1)。

圖1 靖西三合地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch map of Sanhe town of Jingxi county1—馬坪組；2—棲霞組；3—茅口組；4—合山組；5—馬腳嶺組；6—地質(zhì)界線；7—斷裂及編號；8—原生礦礦體露頭；9—采樣點

3 含礦巖系與礦石礦物特征

通常將含某種礦物或礦石的地層稱為“含礦巖系”或“含礦建造”，本區(qū)含礦巖系為合山組，具有“鐵-鋁-泥-灰”的特點，即合山組與茅口組從不整合界面往上可細分為8個巖性段：

②褐黃色、褐紅色中-薄層狀鐵鋁質(zhì)泥巖，該層泥質(zhì)含量較高，鋁硅比大多未達到工業(yè)礦石標準(圖2a、b)。

圖2 含礦巖系礦石礦物特征Fig.2 Mineral characteristics of ore-bearing rock seriesa—含礦層序(三東礦段)；b—沉積鋁土礦露頭點(必隆礦段)；c—鋁土礦礦及上部巖性特征(坡塘礦段)；d—鋁土礦中豆鮞粒及黃鐵礦團塊；e—鮞粒結(jié)構(gòu)特征(鏡下)；f—礦石中變余火山物質(zhì)(碎屑鋁土礦)；g—水硬鋁石與凝膠共生交代作用(塊狀鋁土礦)

李普濤 等(2008、2009)采用光薄片觀測、粉晶衍射、電子探針及電鏡掃描等多種方法分析堆積鋁土礦主要由鋁礦物(硬水鋁石、軟水鋁石、三水鋁石)、粘土礦物(高嶺石、鮞綠泥石)、鐵類礦物(褐鐵礦或針鐵礦、赤鐵礦)、鈦礦物(銳鈦礦或者金紅石)和石英等礦物組成。本文發(fā)現(xiàn)本區(qū)沉積鋁土礦礦物除上處礦物之外，還存在沸石和鐵凝膠(陳群等，2019)。

①硬水鋁石：硬水鋁石的分子式和結(jié)構(gòu)式分別為：Al2O3·H2O 或者 AlO(OH)，它是最主要的鋁礦物和礦石礦物，也是高壓拜爾法生產(chǎn)過程中能被利用的礦物，該礦物含量的多少直接決 定了礦石的開發(fā)利用價值。在顯微鏡下，該礦物呈灰白、灰、淺黃色，晶形以他形粒狀或纖維狀及細小柱狀為主，解理十分發(fā)育，常呈板狀、葉片狀、鱗片狀、針狀、柱狀，晶粒一般大于 0.001mm，但大多小于 0.3 mm(圖3a)。

⑤針鐵礦化學(xué)式為 FeOOH，標準情況下Fe占62.9%，O占27%，H2O 占10.1%。有時含混入物錳(可達5%)、鋁等。在外觀上呈褐色、灰黑色、黃褐色等，透光顯微鏡下呈紅色、褐紅色、橙色或黃褐色，晶體呈針狀、纖維狀或葉片狀，有時可見豆狀、鮞狀、粒末狀等集合體(圖3d)。

圖3 三合鋁土礦石礦物特征Fig.3 Mineral characteristics of bauxite ores in Sanhe

4 采樣與測試方法

本文對靖西三合沉積鋁土礦層進行了較系統(tǒng)采樣，采集巖(礦)層剖面3處，涵蓋礦區(qū)三個礦段，涉及礦層不同礦石類型(塊狀鋁土礦與碎屑狀鋁土礦)和含礦巖系上下頂?shù)装澹哂幸欢ǖ拇硇?，采樣信息和位置?表1、圖4)。

圖4 采樣剖面柱狀對比圖Fig.4 Columnar comparison diagram of the sampling section1—礫石；2—泥灰?guī)r；3—灰?guī)r；4—泥巖；5—炭質(zhì)泥巖(煤)；6—鋁土質(zhì)泥巖；7—碎屑狀鋁土礦石；8—塊狀鋁土礦石；9—鐵質(zhì)鋁土質(zhì)泥巖

表1 樣品信息表Table 1 Information of samples

表2 靖西三合沉積鋁土礦常量元素分析結(jié)果(%)①Table 2 Analytical results of the major element composition(%)of sedimentary bauxite mine in Sanhe town of Jingxi county(%)

表3 靖西三合沉積鋁土礦微量元素分析結(jié)果(×10-6)②Table 3 Analytical results of trace elements compositions(x10-6)of sedimentary bauxite in Sanhe town of Jingxi county(×10-6)

5 微量元素特征

鋁土礦中的微量元素是一組具有特殊地球化學(xué)屬性的指示性元素，對研究礦物成礦環(huán)境具有較好的效果(王巖 等，2015；趙曉東 等，2021)。

從微量元素原始地幔標準蛛網(wǎng)圖(圖5a、b)來看，三合礦區(qū)微量元素中高場能親石元素Ba相對虧損，Th、U明顯富集，Ta、Nb相對富集，高能元素Zr、Hf亦相對富集，La相對虧損，Sr、Ti虧損最為強烈，底板鐵質(zhì)鋁土質(zhì)泥巖蛛網(wǎng)圖形態(tài)與鋁土礦基本相同，頂板鋁土質(zhì)泥灰?guī)r蛛網(wǎng)圖形態(tài)差異較大，表現(xiàn)為Ta、Nb、Zr、Hf相對虧損，Ti強烈虧損。鄰區(qū)德保、新圩礦區(qū)沉積鋁土礦蛛網(wǎng)圖形態(tài)與之基本相同，僅平果地區(qū)沉積鋁土礦表現(xiàn)為Ti的相對富集，表明本區(qū)沉積鋁土礦具有相同的沉積環(huán)境。

圖5 靖西三合及鄰區(qū)沉積鋁土礦微量元素原始地幔標準蛛網(wǎng)圖(標準化數(shù)值用SunSS，McDonoughW F，1989)Fig.5 Primitive mantle-normalized trace element spider diagram of sedimentary bauxite mine in Sanhe town and the adjacent area

6 成礦環(huán)境分析與討論

6.1 含礦巖系剖面結(jié)構(gòu)及巖性證據(jù)

從前述含礦巖系剖面結(jié)構(gòu)與巖性特征可見，本區(qū)合山組自下而上，巖性由泥巖(鐵鋁質(zhì)泥巖)→鐵鋁巖→鋁土礦→炭質(zhì)泥巖(煤)→灰?guī)r，即“鐵-鋁-泥-灰”的特征，沉積環(huán)境具有從陸相到海相的轉(zhuǎn)變。

6.2 礦物特征證據(jù)

目前，硬水鋁石的成因主要有變質(zhì)成因和表生成因兩種觀點。實驗研究表明：在較高溫度(200℃)和較大壓強(100個大氣壓以上)的條件下，Al3+可直接結(jié)晶形成硬水鋁石或經(jīng)由三水鋁石脫水形成硬水鋁石(布申斯基，1984)，變質(zhì)成因的硬水鋁石具有晶型完整、粗大，礦石礦物較為純凈的特點(圖3a)，沸石主要形成于低溫?zé)嵋弘A段，其它一些特征礦物如(鮞)綠泥石、黃鐵礦等礦物與硬水鋁石的共生組合亦表明了成礦過程中發(fā)生了變質(zhì)作用。曹信禹(1986)對桂西平果沉積型鋁土礦研究，發(fā)現(xiàn)硬水鋁石同高嶺石礦物的交代，表明了硬水鋁石的風(fēng)化成因。三合礦石鮞粒中普遍存在硬水鋁石與粘土礦物集合體(圖2e)，同時鐵凝膠與硬水鋁石共生交代作用(圖2g)進一步表明了硬水鋁石為陸相風(fēng)化淋濾產(chǎn)物。對于鋁土礦中鮞豆粒的成因，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一認識，目前普遍被人們所接受的有膠體化學(xué)成因說、紅土堆積成因說和古風(fēng)化殼鋁土礦成因說等。三合礦石中，鮞粒中存在鐵質(zhì)圈層和鋁土質(zhì)同心圈層，圈層多不規(guī)則，呈斷續(xù)狀，寬窄不一，這些特征顯示原始鮞豆粒的形成與膠體化學(xué)沉淀作用有關(guān)；而在鮞粒中出現(xiàn)的龜裂紋(圖3d)通常為外界的機械破碎或膠體顆粒脫水干燥所致。

6.3 微量元素地球化學(xué)特征證據(jù)

表4 沉積型鋁土礦特征元素分析結(jié)果③Table 4 Analysis results of characteristic elements of sedimentary bauxite deposit

圖6 三合沉積鋁土礦Tu-U圖解Fig.6 Tu-U diagram of sedimentary bauxite in Sanhe town of Jingxi county

表5 沉積環(huán)境的微量元素指標(俞縉 等，2009；張啟連 等，2016；張明 等，2018；趙曉東 等，2021)Table 5 Rare element indicators of sedimentary environments(after Yu Jinetal，et al.，2009；Zhang Qilian，et al.，2016；Zhang Ming，et al.，2018；Zhao Xiaodong，et al，.2021)

圖7 三合沉積鋁土礦V/Zr-Zr/Cu 沉積環(huán)境二元判別圖(修改自Maslov et al.，2011)Fig.7 V/Zr-Zr/Cu discriminant plot for sedimentary environments of sedimentary bauxite in Sanhe town of Jingxi county(modified after Maslov et al.，2011)

7 結(jié)論

(1)靖西三合地區(qū)沉積鋁土礦含礦巖系自下而上巖性由泥巖(鐵鋁質(zhì)泥巖)→鐵鋁巖→鋁土礦→炭質(zhì)泥巖(煤)→灰?guī)r，具有“鐵-鋁-泥-灰”的特征，沉積環(huán)境由陸相到海相的轉(zhuǎn)變。

(2)鋁土礦石鮞粒與基質(zhì)中大量存在的硬水鋁石與粘土礦物集合表明了硬水鋁石主要為風(fēng)化成因；鐵凝膠與硬水鋁石共生交代作用進一步佐證硬水鋁石為陸相風(fēng)化淋濾產(chǎn)物。但沸石(鮞)綠泥石、黃鐵礦等與硬水鋁石的共生組合礦物表明了鋁土礦成礦過程中發(fā)生了變質(zhì)作用，部分硬水鋁石可能來自變質(zhì)成因。

(3)Be、Th及U微量元素分析顯示鋁土礦為紅土化作用的結(jié)果，成礦物質(zhì)來源即有原地殘積亦有異地沉積，底板鐵質(zhì)鋁土質(zhì)泥巖為強烈紅土化產(chǎn)物，頂板鋁土質(zhì)泥灰?guī)r為還原環(huán)境下的產(chǎn)物。

(4)Ga、Sr、Ba微量元素與Sr/Ba、Rb/K、V/Zr、Zr/Cu比值分析表明原生鋁土礦和底板鐵質(zhì)鋁土質(zhì)泥巖沉積環(huán)境為陸相，頂板鋁土質(zhì)泥灰?guī)r更多表現(xiàn)為海相沉積。