桂西上二疊統(tǒng)合山組鋰超常富集黏土巖的物源分析與地質(zhì)意義

梁 航, 溫淑女, 姚雙秋, 黎家龍, 許箭琪, 徐海棚, 龐保成, 龐崇進(jìn)

(1.桂林理工大學(xué) a.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.廣西鋁資源先進(jìn)勘探技術(shù)及綠色礦山建設(shè)工程研究中心;c.有色金屬礦產(chǎn)勘查與資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心, 廣西 桂林 541006;2.廣西壯族自治區(qū)二七四地質(zhì)隊(duì), 廣西 北海 536005)

鋁土礦是我國(guó)的重要戰(zhàn)略資源之一, 桂西地區(qū)鋁土礦資源儲(chǔ)量巨大, 是我國(guó)重要的鋁土礦產(chǎn)地之一。桂西鋁土礦分為喀斯特型和巖溶堆積型兩種： 喀斯特型鋁土礦是指產(chǎn)于上二疊統(tǒng)合山組底部的沉積型鋁土礦, 其不整合覆蓋于中二疊統(tǒng)茅口組古喀斯特風(fēng)化面之上[1]； 巖溶堆積型鋁土礦則是由合山組底部的喀斯特型鋁土礦在表生條件下經(jīng)物理、 化學(xué)作用改造而成[1-4]。喀斯特型鋁土礦(也稱(chēng)為原生沉積型鋁土礦)中富集Ga、 Sc、 Zr、 Hf、 Nb、 Ta等三稀元素, 其中Ga、 Sc、 Zr、 Hf等金屬元素已經(jīng)或基本達(dá)到伴生礦綜合利用標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。最新的研究發(fā)現(xiàn), 合山組底部含鋁土礦巖系上部黏土巖呈現(xiàn)鋰超常富集現(xiàn)象, 局部達(dá)到碳酸鹽黏土型鋰礦礦床工業(yè)指標(biāo)[7-8]。隨著沉積型鋁土礦規(guī)模的增加, 鋰等三稀金屬的儲(chǔ)量不可忽視。鋰在航空、 化工、 醫(yī)療、 能源等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[9], 也是我國(guó)戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬資源之一。

目前關(guān)于桂西上二疊統(tǒng)合山組沉積型鋁土礦的成礦物質(zhì)來(lái)源仍存在較大爭(zhēng)論, 主要觀點(diǎn)有底部茅口組灰?guī)r[10]、 古陸[11-12]、 峨眉山大火成巖省玄武巖[13]和酸性巖[14]， 以及古特提斯洋二疊紀(jì)巖漿弧[15-16]等。通過(guò)對(duì)比分析合山組沉積型鋁土礦含礦巖系中鋁土礦、 鐵鋁巖及富鋰黏土巖的物源特征, 不僅可以為充分厘定鋁土礦成礦物源提供新的依據(jù), 而且對(duì)于理解桂西含鋁土礦巖系中伴生關(guān)鍵金屬礦(例如鋰礦)的成礦物質(zhì)來(lái)源和富集機(jī)制具有重要的指示意義。因此, 本文以桂西平果地區(qū)上二疊統(tǒng)合山組含礦巖系鐵鋁巖、 富鋰黏土巖為研究對(duì)象, 綜合利用碎屑鋯石U-Pb定年和原位Hf同位素組成, 結(jié)合已有的鋁土礦物源和地球化學(xué)資料, 重點(diǎn)分析富鋰黏土巖的物源特征, 揭示桂西地區(qū)晚二疊世沉積盆地物源變化規(guī)律, 初步探討二疊紀(jì)鋁土礦含礦巖系及其伴生關(guān)鍵金屬的成礦構(gòu)造背景。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 桂西地區(qū)大地構(gòu)造簡(jiǎn)圖(a, 據(jù)文獻(xiàn)[21]修改)、 平果地區(qū)地質(zhì)圖(b)、 合山組綜合地層柱狀圖(c)(b、 c, 據(jù)文獻(xiàn)[7]修改)

上二疊統(tǒng)合山組與茅口組為平行不整合接觸, 底部為數(shù)米厚的鐵鋁質(zhì)巖(或鋁土巖)和鋁土礦層, 礦層厚度不一(0～4.11 m), 主要由一水硬鋁石、 三水硬鋁石、 膠鋁石、 黃鐵礦、 褐鐵礦組成。中上部為深灰色-灰黑色灰?guī)r、 燧石灰?guī)r、 泥質(zhì)灰?guī)r夾碳質(zhì)頁(yè)巖和煤層, 局部見(jiàn)有硅質(zhì)巖和凝灰?guī)r。富鋰黏土巖出露于鋁土礦含礦巖系的上部, 厚度不穩(wěn)定(0～10 m), 含結(jié)核狀、 透鏡狀或星點(diǎn)狀黃鐵礦, 在部分剖面中見(jiàn)有植物莖干化石。 平果地區(qū)富鋰黏土巖的鋰主要賦存在鋰綠泥石和蒙脫石中, 其成礦物質(zhì)可能主要來(lái)源于中酸性火山巖[7]。合山組下段中-上部為灰?guī)r, 含藻類(lèi)、 腹足類(lèi)和少量類(lèi)化石, 合山組上段灰?guī)r主要為鈣質(zhì)條帶灰?guī)r, 少見(jiàn)化石。三疊系以灰?guī)r、 白云巖為主, 中晚期逐漸變?yōu)樗樾紟r沉積, 多見(jiàn)有夾凝灰?guī)r層, 局部夾中酸性凝灰?guī)r及基性火山巖, 中三疊世發(fā)育廣泛的復(fù)理石砂巖和泥巖互層。第四系以巖溶堆積、 殘積、 坡積等為主。

2 樣品特征

選取合山組下段(圖1b、 c)含鋁巖系中鐵鋁巖樣品(HBT004-4)和富鋰黏土巖樣品(HTC005-4)開(kāi)展碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)和Hf同位素分析。HBT004-4采自那豆背斜北東翼合山組剖面HBT004, 該剖面合山組底部為巨厚層灰黑色致密狀鐵鋁質(zhì)巖, 向上逐漸漸變?yōu)榘l(fā)育水平層理的薄層黃綠色泥質(zhì)巖、 雜色頁(yè)巖和灰黑色碳質(zhì)泥巖。從野外觀察和地層對(duì)比看, HBT004剖面底部鐵鋁巖與區(qū)域上其他剖面合山組底部鐵鋁巖、鋁土巖和鋁土礦為同期沉積產(chǎn)物。樣品HBT004-4為含豆粒的灰黑色致密塊狀鐵鋁巖(圖2a), 主要由一水硬鋁石和綠泥石組成, 其巖石化學(xué)成分(wB, 下同)主要為 SiO213.3%、 Al2O334.3%、 Fe2OT337%、 TiO23.18%、 MgO 1.04%。

圖2 鐵鋁巖(a)和富鋰黏土巖(b)樣品的手標(biāo)本

3 測(cè)試方法

鋯石顆粒的挑選、 制靶, 以及陰極發(fā)光(CL)、 透反射光圖像的拍攝在廣州市拓巖檢測(cè)技術(shù)有限公司完成。鋯石U-Pb同位素定年和Lu-Hf同位素分析在桂林理工大學(xué)廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

根據(jù)透反射光和CL圖像隨機(jī)選取鋯石顆粒進(jìn)行LA-ICPMS U-Pb同位素定年測(cè)試。激光采樣設(shè)備為準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)(NWR-193), 將氦氣作載氣并使用Agilent 7500cx ICP-MS儀器獲取離子信號(hào)強(qiáng)度。離線(xiàn)處理背景和分析樣品的信號(hào)、 時(shí)間漂移校正和痕量定量校準(zhǔn)元素分析由ICPMSDataCal完成[22]。鋯石U-Pb年齡和微量元素含量分別使用標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500和SRM 610玻璃為外標(biāo)。普通鉛校正則使用軟件Common Lead Corrected[23]完成。鋯石年齡諧和圖、 頻譜圖由Isoplot軟件完成[24]。對(duì)獲得的鋯石U-Pb年齡進(jìn)行分析時(shí), 大部分小于1 000 Ma的鋯石選用206Pb/238U年齡, 少量大于1 000 Ma的鋯石采用207Pb/206Pb年齡。

選取部分諧和度>90%的鋯石, 在靠近U-Pb定年位置, 采用Neptune Plus MC-ICP-MS結(jié)合ESI Newwave ArF 193 nm準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)進(jìn)行原位Lu-Hf同位素分析。激光束斑直徑32 μm, 激光剝蝕能量為6 mJ/cm2, 剝蝕頻率為6 Hz, 獲得的180Hf信號(hào)通常>5 V。利用單個(gè)樣品中所有鋯石分析點(diǎn)的平均βYb值對(duì)每個(gè)分析點(diǎn)進(jìn)行校正, 以校正176Yb對(duì)176Hf的影響。分析過(guò)程中每5個(gè)未知鋯石樣品之間插入2個(gè)GJ-1鋯石標(biāo)樣, 以進(jìn)行儀器漂移校正。

4 分析結(jié)果

4.1 鋯石U-Pb年代學(xué)和微量元素

鐵鋁巖樣品的碎屑鋯石CL圖像顯示， 鋯石多呈自形, 發(fā)育有震蕩環(huán)帶, 部分呈次圓狀或半自形(圖3)。選取80粒碎屑鋯石開(kāi)展U-Pb同位素定年, 其U-Pb年齡諧和度在90%以上為有效測(cè)試年齡(表1)。鋯石的Th/U值為0.10～1.26, 多數(shù)大于0.4, 與巖漿成因鋯石Th/U值一致[25-26], 暗示鋯石為巖漿成因。圖4中絕大部分分析點(diǎn)落在諧和線(xiàn)上, 表明這些鋯石形成以來(lái), 其U-Pb體系保持封閉, 沒(méi)有發(fā)生放射成因Pb或U的丟失或加入。鋯石的年齡在246～2 186 Ma, 主要峰值為430 Ma,次要峰值為258 Ma, 最古老鋯石的諧和年齡為2 186 Ma(圖4a、 圖5a)。前寒武紀(jì)鋯石有13顆, 約占23%。已有研究顯示， 平果合山組鋁土礦碎屑鋯石年齡均集中在262 Ma(圖5c), 在誤差范圍內(nèi)與本文鐵鋁巖樣品碎屑鋯石次要年齡峰值一致。

圖3 鐵鋁巖(a)和富鋰黏土巖(b)樣品代表性鋯石CL圖像和U-Pb年齡

富鋰黏土巖樣品的碎屑鋯石大多呈自形且發(fā)育明顯的震蕩環(huán)帶(圖3), 少量鋯石中可見(jiàn)發(fā)育較好的核幔結(jié)構(gòu), 反映了其未經(jīng)歷長(zhǎng)期的搬運(yùn)磨蝕作用或者多期再旋回沉積。選取80粒碎屑鋯石進(jìn)行U-Pb同位素定年, 鋯石Th和U含量相對(duì)較高, Th/U值為0.18～1.52(絕大部分>0.4), 大多數(shù)分析點(diǎn)落在諧和線(xiàn)上(圖4b)。鋯石的年齡范圍為247～509 Ma(表1)。除3顆鋯石年齡>300 Ma外, 富鋰黏土巖鋯石年齡峰值為258 Ma(圖5b)。該年齡峰值與前人測(cè)定的合山組含礦巖系上部黏土巖碎屑鋯石年齡峰值在誤差范圍內(nèi)一致(圖5d)。

圖4 鐵鋁巖(a)和富鋰黏土巖(b)樣品的諧和度在90%～100%的鋯石U-Pb同位素年齡諧和圖

圖5 桂西鋁土礦、 鐵鋁巖和黏土巖碎屑鋯石U-Pb年齡頻譜圖(鋁土礦據(jù)文獻(xiàn)[14-15,21,27]; 黏土巖據(jù)文獻(xiàn)[15-16])

表1 合山組鐵鋁巖和富鋰黏土巖碎屑鋯石U-Pb定年分析結(jié)果

續(xù)表1

續(xù)表1

鐵鋁巖和富鋰黏土巖樣品的絕大多數(shù)鋯石具有相似的稀土元素配分模式(圖6), 均呈現(xiàn)相對(duì)虧損輕稀土元素, 富集重稀土元素, 具明顯的Ce正異常和Eu負(fù)異常的特征, 這與典型巖漿鋯石的微量元素特征一致[28]。與其他顆粒不同, 少量鋯石顆粒(樣品HBT004-4分析點(diǎn)35、 61和75, 樣品HTC005-4分析點(diǎn)21、 32、 52和55等)呈明顯的輕稀土富集特征(圖6)。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這些分析點(diǎn)的輕稀土元素信號(hào)曲線(xiàn)呈上凸形或波狀起伏特征, 表明輕稀土元素明顯升高或突變。結(jié)合透射光特征, 本文推測(cè)這些分析點(diǎn)的輕稀土元素含量可能受包裹體、 裂痕等影響而發(fā)生突變。

圖6 鐵鋁巖(a)和富鋰黏土巖(b)樣品碎屑鋯石稀土元素配分模式(球粒隕石數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[29])

4.2 鋯石Lu-Hf同位素

選取富鋰黏土巖樣品HTC005-4中完成年齡測(cè)試的20粒(～258 Ma)鋯石進(jìn)行Lu-Hf同位素分析, 結(jié)果見(jiàn)表2。多數(shù)分析點(diǎn)176Lu/177Hf值小于0.002, 暗示鋯石在結(jié)晶后具有極少量的放射成因Hf積累。20個(gè)分析點(diǎn)的176Hf/177Hf值為0.282 345～0.282 945,εHf(t)為-9.7～+11.4(圖7), 對(duì)應(yīng)的一階段模式年齡(TDM1)為1.29～0.45 Ga, 二階段模式年齡(TDM2)為1.90～0.56 Ga。

圖7 桂西鋁土礦和黏土巖鋯石εHf(t)-年齡圖(平果那豆鋁土礦及碎屑巖據(jù)文獻(xiàn)[15]; 靖西、 平果鋁土礦據(jù)文獻(xiàn)[14]; 來(lái)賓蓬萊灘黏土巖據(jù)文獻(xiàn)[30])

表2 富鋰黏土巖(HTC005-4)鋯石Hf同位素分析結(jié)果

5 討 論

5.1 合山組鋁土礦含礦巖系物源分析

有關(guān)桂西地區(qū)上二疊統(tǒng)合山組鋁土礦和黏土巖的物源一直存在較大的爭(zhēng)議, 包括下伏中二疊統(tǒng)茅口組灰?guī)r[1, 3, 10]、 古陸[11-12]、 海南島五指山二疊紀(jì)花崗巖[31]、 峨眉山大火成巖省玄武巖[13]和酸性巖[14]， 以及古特提斯洋二疊紀(jì)巖漿弧有關(guān)的酸性巖漿巖[15-16]來(lái)源等觀點(diǎn)。

5.1.1 茅口灰?guī)r來(lái)源說(shuō) 來(lái)源茅口組灰?guī)r的觀點(diǎn)認(rèn)為, 合山組鋁土礦分布范圍均處于基底茅口組灰?guī)r范圍之內(nèi), 并且二者稀土元素配分模式和不活動(dòng)元素特征相似, 因此合山組鋁土礦由下伏基底茅口組灰?guī)r風(fēng)化而成[1, 3, 10]。但茅口組灰?guī)rAl2O3含量很低(<0.1%)[8], 且區(qū)域地質(zhì)抬升事件(東吳運(yùn)動(dòng))時(shí)間短, 由Al含量低的灰?guī)r在短時(shí)間風(fēng)化成大規(guī)模的鋁土礦的可能性很小[12]。

5.1.2 古陸來(lái)源說(shuō) 萬(wàn)兵等、李啟津等研究發(fā)現(xiàn)[11-12]，合山組鋁土礦均產(chǎn)出在廣西大明山古陸周?chē)貐^(qū), 且大明山古陸的砂泥質(zhì)巖和各類(lèi)巖漿巖中Al2O3含量均較高(分別為25%和9%～14%), 結(jié)合鋁土礦中碎屑礦物具有一定的磨圓度并含有外地來(lái)源的碎屑物質(zhì), 故提出鋁土礦來(lái)自于大明山古陸。碎屑鋯石是沉積巖中最穩(wěn)定的礦物之一, 其U-Pb年齡譜能夠有效地示蹤物源區(qū)。本次分析的平果那豆礦區(qū)鋁土礦層中致密鐵鋁巖樣品碎屑鋯石中, 有13顆鋯石(占23%)的U-Pb年齡為前寒武紀(jì)(607～2 186 Ma), 集中在607～782 Ma。這些鋯石顆粒具有典型的磨圓特征, 反映其經(jīng)歷長(zhǎng)距離搬運(yùn)磨蝕或多期次沉積再旋回。研究表明, 桂西地區(qū)大明山寒武紀(jì)砂巖富含550～560 Ma、 750～780 Ma、 950～1 020 Ma、 1 400～1 740 Ma和2 390～2 600 Ma鋯石[32-33]。大明山地區(qū)泥盆紀(jì)砂巖也含有許多750 Ma和950～1 000 Ma碎屑鋯石, 此外還有許多515 Ma的碎屑鋯石[33]。因此, 那豆背斜鐵鋁巖607～782 Ma鋯石可能來(lái)源于相鄰的大明山寒武紀(jì)、 泥盆紀(jì)碎屑巖, 但所分析的樣品中前寒武紀(jì)鋯石的數(shù)量較少且沒(méi)有構(gòu)成明顯年齡峰(圖5)。研究區(qū)合山組鋁土礦的碎屑鋯石普遍以單一年齡峰值(～260 Ma)為特征, 也少見(jiàn)前寒武紀(jì)鋯石(圖5c)[14-15, 21, 27]。這表明合山組鋁土礦含礦巖系中大明山古陸來(lái)源的碎屑物質(zhì)有限, 其主要物源區(qū)并非大明山古陸。此外, 鐵鋁巖和鋁土礦中前寒武紀(jì)鋯石的出現(xiàn), 還有一種可能的解釋, 就是這些鋯石來(lái)自火山巖母巖捕獲的基底鋯石(見(jiàn)后文討論)。

5.1.3 五指山花崗巖來(lái)源說(shuō) 基于平果鋁土礦和海南五指山二疊紀(jì)花崗巖的微量元素組成特征在蛛網(wǎng)圖上的相似性, 陳茂昇等[31]提出平果那豆礦區(qū)鋁土礦主要來(lái)源于海南五指山花崗巖, 部分來(lái)自下伏碎屑巖。海南五指山二疊紀(jì)花崗巖的侵位時(shí)間為267～262 Ma[34-36], 接近或略早于合山組鋁土礦、 鐵鋁巖和黏土巖碎屑鋯石的年齡峰值(262～258 Ma, 圖5)。在風(fēng)化過(guò)程中Zr、 Hf等微量元素較為穩(wěn)定, 不易遷移。五指山花崗巖的Zr/Hf值(28.7～38.6)[34]明顯低于平果地區(qū)鋁土礦的Zr/Hf值(普遍>44)[8]。此外, 廣西東南部欽防海槽廣泛發(fā)育二疊紀(jì)硅質(zhì)巖, 說(shuō)明二疊紀(jì)欽防海槽為深水相沉積環(huán)境[37], 地理上隔離使得花崗巖風(fēng)化碎屑物質(zhì)從海南搬運(yùn)至桂西地區(qū)的可能性較小。海南島五指山二疊紀(jì)花崗巖距離平果地區(qū)較遠(yuǎn), 花崗巖風(fēng)化碎屑物經(jīng)歷長(zhǎng)距離搬運(yùn)后能否成礦有待商榷。因此, 海南五指山二疊紀(jì)花崗巖的風(fēng)化碎屑物不太可能為合山組鋁土礦的直接物源。

值得注意的是, 那豆背斜鐵鋁巖樣品的碎屑鋯石以加里東期(～430 Ma)鋯石為主(52.6%)。這些鋯石多發(fā)育震蕩環(huán)帶, 呈半自形至磨圓, 部分顆粒具有核-幔結(jié)構(gòu)的特征。華南地區(qū)早古生代經(jīng)歷加里東期構(gòu)造運(yùn)動(dòng), 形成巨型加里東褶皺帶, 是華南地質(zhì)演化歷史中極為重要的一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng), 同時(shí)廣泛發(fā)育加里東期花崗巖[38-39]。目前已報(bào)道的桂西德保、 靖西地區(qū)的加里東期花崗巖有欽甲花崗巖體, 其U-Pb年齡范圍為412～442 Ma[40]。該年齡范圍與那豆鐵鋁巖中加里東期鋯石的年齡峰值一致(圖5a), 意味著樣品中加里東期鋯石可能來(lái)自于欽甲花崗巖。然而, 欽甲花崗巖的Zr/Hf值為27～36[41], 明顯低于鐵鋁巖樣品HBT004-4的Zr/Hf值(～40)[7]。現(xiàn)有的區(qū)域地質(zhì)資料顯示, 欽甲巖體被下泥盆統(tǒng)覆蓋, 并且區(qū)域上泥盆紀(jì)至中二疊世地層為連續(xù)沉積形成, 欽甲巖體在中、 晚二疊世之交有可能并未剝露遭受風(fēng)化作用。目前僅在HBT004剖面發(fā)現(xiàn)鐵鋁巖中含有豐富的430 Ma鋯石, 但在其他剖面的鋁土礦中少見(jiàn)加里東期鋯石(圖5), 暗示該樣品碎屑鋯石年齡峰值對(duì)區(qū)域鋁土礦成礦物源的指示性和代表性有待挖掘。桂西欽甲花崗巖體是否為那豆鐵鋁巖提供直接成礦物質(zhì)有待深入探討。

5.1.4 峨眉山玄武巖與二疊紀(jì)弧巖漿巖來(lái)源說(shuō) Deng等[14]研究發(fā)現(xiàn)桂西合山組鋁土礦碎屑鋯石年齡峰值(～260 Ma)與峨眉山大火成巖省的噴發(fā)年齡(260 Ma)[42]一致, 因此提出鋁土礦成礦物質(zhì)主要來(lái)源于峨眉山酸性火山巖。然而, 文獻(xiàn)[15-16]通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn), 合山組鋁土礦中256～260 Ma碎屑鋯石的εHf(t)值亦有負(fù)值和正值(-18.6～+7.6), 但以負(fù)值為主, 與峨眉山大火成巖省～260 Ma酸性巖漿巖(除～253 Ma的矮郎河過(guò)鋁質(zhì)花崗巖外)的鋯石εHf(t)值(均為正值)不同[43]。結(jié)合鋯石具有島弧巖漿微量元素特征, 侯瑩玲等[16]提出古特提斯二疊紀(jì)巖漿弧相關(guān)中酸性巖漿巖為合山組鋁土礦及共生碎屑巖的提供了成礦物質(zhì)。最近, 凌坤躍等[8]則認(rèn)為, 合山組鋁土礦的物源主要來(lái)自峨眉山大火成巖省相關(guān)堿性長(zhǎng)英質(zhì)巖類(lèi), 而黏土巖則主要來(lái)自古特提斯二疊紀(jì)巖漿弧有關(guān)過(guò)鋁質(zhì)或中等分異酸性巖, 即合山組鋁土礦含礦巖系下部與上部發(fā)生了物源變遷。

本次分析的合山組鐵鋁巖和富鋰黏土巖樣品均出現(xiàn)了～258 Ma鋯石年齡峰值(圖5)。區(qū)別在于鐵鋁巖中258 Ma年齡峰值為次要峰值, 而富鋰黏土巖中～258 Ma卻是單一峰值。這些碎屑鋯石自形程度較高, 棱角分明, 磨圓程度較低, 反映鋯石并未經(jīng)歷長(zhǎng)距離的搬運(yùn)磨蝕或多期次旋回沉積。鋯石的Th/U值大部分大于0.4, 且發(fā)育明顯的震蕩環(huán)帶, 暗示其為巖漿成因[25, 44-45]。鋯石Hf同位素分析表明, 富鋰黏土巖鋯石的εHf(258 Ma)值為-9.7～+11.4, 同樣是有正值有負(fù)值, 并以負(fù)值為主(圖7), 與文獻(xiàn)[15-16]報(bào)道的合山組碎屑鋯石εHf(260 Ma)值(-18.6～+7.6)一致, 表明它們很可能來(lái)源于相似的物源區(qū)。在構(gòu)造環(huán)境判別圖中, 富鋰黏土巖絕大部分碎屑鋯石落入與弧/造山帶相關(guān)區(qū)域(圖8)。在Zr/Sc-Th/Sc和Th-Hf-Co母巖判別圖中, 合山組碎屑巖、 鐵鋁巖、 鋁土礦及富鋰黏土巖主要落在與酸性火山巖及上地殼附近區(qū)域, 反映母巖為酸性巖(圖9)。

圖8 鋯石Th/U-Nb/Hf和Th/Nb-Hf/Th構(gòu)造環(huán)境判別圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[46])

圖9 平果那豆合山組鋁土礦含礦巖系Th-Hf-Co判別圖(底圖據(jù)[15])和Zr/Sc-Th/Sc圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[47])(合山組碎屑巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[15]; 富鋰黏土巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[7]; 鋁土礦引自文獻(xiàn)[7, 15])

最近, He等[35]提出沿金沙江-哀牢山-松馬廣泛發(fā)育有與古特提斯俯沖有關(guān)的272～252 Ma安山巖和鈣堿性I型花崗巖, 這些巖石的鋯石εHf(t)值普遍在-11.1～+1.6, 與富鋰黏土巖鋯石Hf同位素組成一致。盡管桂西地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的與古特提斯俯沖有關(guān)的晚二疊世酸性巖, 但在桂西那坡發(fā)育有晚二疊世(258～260 Ma)次火山相基性巖, 而且研究發(fā)現(xiàn)該套基性巖中的低Ti組份可能是古特提斯俯沖與峨眉山地幔柱相互作用的產(chǎn)物[48]。此外, 桂西地區(qū)沉積記錄也反映古特提斯巖漿弧的存在, 如右江盆地中三疊統(tǒng)含有大量280～250 Ma鋯石且其εHf值多為負(fù)值[49], 盆地中也出現(xiàn)有大量火山弧相關(guān)的中-晚二疊世火山碎屑[45]。在來(lái)賓蓬萊灘上二疊統(tǒng)黏土巖中也發(fā)現(xiàn)大量來(lái)自古特提斯巖漿弧的～260 Ma鋯石[30]。在古特提斯俯沖過(guò)程中, 由于地殼加厚導(dǎo)致一些不相容元素如Li含量升高, 再經(jīng)巖漿分異演化進(jìn)一步富集[50], 噴出地表的富Li酸性火山物質(zhì)可為富鋰黏土巖提供成礦物質(zhì)來(lái)源。因此, 那豆地區(qū)合山組鐵鋁巖和富鋰黏土巖中～258 Ma鋯石可能來(lái)自于古特提斯二疊紀(jì)巖漿弧有關(guān)的酸性巖漿巖。

如果上述推論正確的話(huà), 那么合山組鐵鋁巖中～430 Ma的鋯石很可能是弧巖漿在上升過(guò)程中所捕獲的來(lái)自桂西地區(qū)基底加里東期花崗巖的鋯石。李政林等[51]對(duì)桂西南憑祥火山巖開(kāi)展鋯石U-Pb年代學(xué)分析時(shí)發(fā)現(xiàn), 與古特提斯洋俯沖有關(guān)的華南大陸邊緣弧火山巖捕獲了大量來(lái)自基底的鋯石(800～1 010 Ma、 620～720 Ma和400～490 Ma)。這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)明弧巖漿在上升噴發(fā)過(guò)程中可以捕獲基底的古老鋯石, 而這些鋯石經(jīng)過(guò)沉積作用最終作為碎屑鋯石出現(xiàn)在沉積巖及相關(guān)沉積型礦床中。因此, 本文推測(cè)那豆鐵鋁巖中～430 Ma鋯石以及前寒武紀(jì)鋯石有可能是母巖的巖漿所捕獲的鋯石。

5.2 桂西合山組的物源時(shí)空演變與成礦構(gòu)造背景

桂西上二疊統(tǒng)合山組分布于右江盆地內(nèi)(圖1), 合山組鋁土礦成礦作用與右江盆地及區(qū)域構(gòu)造演化關(guān)系密切。研究表明, 右江盆地晚二疊世沉積物主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)物源, 即峨眉山大火成巖省火山巖和古特提斯洋俯沖有關(guān)的大陸弧火山灰[21]。Yu等[21]研究發(fā)現(xiàn)桂西北樂(lè)業(yè)地區(qū)合山組鋁土礦～262 Ma鋯石的微量元素比值及Ti溫度計(jì)計(jì)算結(jié)果與峨眉山大火成巖省火山巖的化學(xué)組成和形成溫度相一致, 而桂西靖西、 平果和扶綏地區(qū)合山組鋁土礦鋯石的微量元素比值及Ti溫度與低溫含水島弧巖漿來(lái)源鋯石的相符, 并提出桂西北地區(qū)合山組沉積物主要來(lái)自于峨眉山大火成巖省火山巖, 而桂西地區(qū)合山組沉積物來(lái)自于古特提斯洋俯沖有關(guān)的島弧巖漿巖的風(fēng)化產(chǎn)物。盡管都采自合山組底部鋁土礦層, 但本文分析的平果那豆地區(qū)鐵鋁巖樣品的碎屑鋯石年齡峰值與靖西、 德保, 甚至平果那豆地區(qū)已發(fā)表的鋁土礦碎屑鋯石年齡峰值顯著不同(圖5)。這表明桂西鋁土礦含礦巖系下段碎屑鋯石的來(lái)源在空間上存在差異, 造成這樣小范圍內(nèi)鋁土礦碎屑鋯石明顯差異的原因尚不清楚, 需要開(kāi)展典型剖面高分辨率的碎屑鋯石物源分析才能回答這一問(wèn)題。

在時(shí)間演化上, 如圖5所示, 從底部的鋁土礦或鐵鋁巖到上覆富鋰黏土巖, 碎屑鋯石年齡峰值從多峰值(430、 258 Ma)向單一年齡峰值(258 Ma)轉(zhuǎn)變, 即自下而上古老鋯石的數(shù)量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。類(lèi)似的, Hou等[15]報(bào)道的鋁土礦樣品的碎屑鋯石盡管都以～260 Ma為主, 但同時(shí)伴隨有一定比例的古老鋯石; 而鋁土礦層之上的碎屑巖均以250～260 Ma為主。這反映了桂西地區(qū)上二疊統(tǒng)合山組從底部的鋁土礦或鐵鋁巖到上覆黏土巖出現(xiàn)物源轉(zhuǎn)變?；谌珟r微量元素特征, 凌坤躍等[8]也提出平果地區(qū)合山組鋁土礦含礦巖系下部和上部發(fā)生了物源變遷, 并認(rèn)為鋁土礦的成礦物質(zhì)主要來(lái)自峨眉山大火成巖省相關(guān)堿性長(zhǎng)英質(zhì)巖類(lèi), 而黏土巖的碎屑物質(zhì)則主要來(lái)自古特提斯二疊紀(jì)巖漿弧有關(guān)過(guò)鋁質(zhì)或中等分異酸性巖。從那豆HBT004剖面合山組鐵鋁巖樣品的碎屑鋯石主要年齡峰值(430 Ma)以及桂西地區(qū)早古生代巖漿巖(例如欽甲巖體)的地理分布來(lái)看, 至少在某些地區(qū)(剖面)合山組底部鋁土質(zhì)巖石存在一定比例的基底巖石來(lái)源物質(zhì)的貢獻(xiàn), 因此桂西地區(qū)是鋁土礦含礦巖系下段不可忽視的物源區(qū)。多個(gè)年齡峰值的出現(xiàn)也反映盆地局部鐵鋁巖可能有多個(gè)物源區(qū)(圖5)。而合山組鋁土礦含礦巖系上段富鋰黏土巖的物源區(qū)在區(qū)域上則相對(duì)單一, 普遍認(rèn)為是古特提斯有關(guān)的二疊紀(jì)巖漿弧[8, 15-16]。

合山組鋁土礦含礦巖系的物源隨時(shí)間的變化規(guī)律可能與沉積環(huán)境密切相關(guān)。中、 晚二疊世, 峨眉山地幔柱上升, 導(dǎo)致了上揚(yáng)子地區(qū)地殼的快速抬升和茅口組、 合山組之間的不整合接觸[52-53]。同時(shí), 古特提斯洋向華南板塊之下俯沖[54-57], 發(fā)育大陸邊緣弧(圖10)[15, 30, 47], 形成金沙江、 哀牢山、 松馬和海南地區(qū)二疊紀(jì)酸性巖漿巖[19, 36, 58]。平果地區(qū)在中二疊世為局限碳酸鹽巖臺(tái)地, 發(fā)育茅口組灰?guī)r(圖1b)[20]。中、 晚二疊世之交由于全球大海退以及華南西南地區(qū)地殼抬升, 桂西地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組灰?guī)r抬升暴露地表, 發(fā)育古風(fēng)化殼和喀斯特巖溶地貌。晚二疊世開(kāi)始, 隨著地殼重新沉降, 酸性巖漿巖及碳酸鹽臺(tái)地富鋁巖石風(fēng)化產(chǎn)物進(jìn)入海陸交互地區(qū)巖溶洼地, 形成鋁土礦、 鐵鋁巖沉積。隨后由于海平面上升, 桂西地區(qū)發(fā)生廣泛海侵, 沉積淺海相泥巖、 碳酸鹽巖, 局部發(fā)育沼澤相。該階段的碎屑物質(zhì)很可能主要來(lái)自古特提斯二疊紀(jì)巖漿弧火山灰或酸性巖漿巖風(fēng)化產(chǎn)物(圖10)。富Li火山物質(zhì)的不斷加入, 以及黏土礦物等對(duì)Li不斷吸附沉淀, 于局限臺(tái)地環(huán)境中富集形成富鋰黏土巖。平果地區(qū)合山組含礦巖系碎屑鋯石年齡峰值不但在時(shí)空上差異明顯, 而且地層巖性(Al2O3品位)變化大, 反映了巖相古地理對(duì)鋁土礦成礦起到重要的控制作用。

圖10 古特提斯俯沖模式(修改自文獻(xiàn)[15])

6 結(jié) 論

(1)平果那豆剖面合山組鐵鋁巖碎屑鋯石主要年齡峰值約為430 Ma, 次要峰值約為258 Ma, 反映盆地局部地區(qū)鋁土質(zhì)物質(zhì)來(lái)源多樣; 而區(qū)域上黏土巖碎屑鋯石呈單一的年齡峰值(258～260 Ma), 反映其物源較單一, 可能為古特提斯二疊紀(jì)巖漿弧。

(2)桂西地區(qū)上二疊統(tǒng)合山組含鋁土礦巖系的物質(zhì)來(lái)源存在時(shí)空差異, 巖相古地理格局對(duì)鋁土礦成礦具有重要影響。