劉辰生，肖明國(guó)，蘇娟，金中國(guó)，郭建華

1.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中南大學(xué))，長(zhǎng)沙　410083 2.有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙　410083 3.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙　410083 4.湖南華晟能源投資發(fā)展有限公司，長(zhǎng)沙　410004 5.中石化石油工程地球物理有限公司，北京　100728 6.貴州省有色金屬地質(zhì)和核工業(yè)地質(zhì)勘查局，貴陽　550005

鋁土礦指工業(yè)上能利用的以三水鋁石和一水鋁石為主要礦物的礦石總稱，可分為紅土堆積型和紅土沉積型，前者為沒有經(jīng)過搬運(yùn)和沉積作用的風(fēng)化層原地聚集；后者是風(fēng)化紅土經(jīng)過搬運(yùn)后再沉積形成。紅土堆積型鋁土礦含礦巖系縱向上具有典型的地化元素變化規(guī)律，而沉積型鋁土礦由于受到搬運(yùn)水介質(zhì)類型、水動(dòng)力條件和物源等方面的影響造成含礦巖系縱向上地球化學(xué)元素沒有固定的變化規(guī)律。由于受到研究方法和測(cè)試手段的限制，早期研究者均認(rèn)為鋁土礦形成于原巖原地風(fēng)化林濾形成，沒有經(jīng)過長(zhǎng)距離搬運(yùn)。但這種成礦模式不能解釋鋁土礦中指示海相地化元素的富集以及鋁土礦中發(fā)育沉積構(gòu)造甚至完整的海相化石等現(xiàn)象[1-3]。實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)沉積型鋁土礦成礦過程非常復(fù)雜，影響因素眾多，但主控因素可概括為沉積相和海平面變化。沉積環(huán)境對(duì)鋁土礦富集的影響前人做了大量的研究工作[4-7]，但海平面變化與鋁土礦富集成礦的影響卻鮮有報(bào)道。雖然前人已經(jīng)注意到了海平面變化與鋁土礦成礦具有密切關(guān)系[8-10]，但海平面升降規(guī)律與成礦機(jī)理方面的研究仍有待深入。黔北務(wù)正道地區(qū)鋁土礦沉積環(huán)境包括陸相、海相和海陸過渡相，海平面變化對(duì)鋁土礦的富集成礦具有重要影響。

黔北務(wù)正道地區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆遵義斷拱鳳岡北北東向構(gòu)造變形區(qū)內(nèi)(圖1)，主構(gòu)造線方向呈NE向和NNE向展布[11]。研究區(qū)歷經(jīng)數(shù)次大規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，包括元古代的武陵運(yùn)動(dòng)至新生代的喜山運(yùn)動(dòng)等，其中，中生代的燕山運(yùn)動(dòng)對(duì)研究區(qū)的構(gòu)造變形影響最大。已有研究表明，本區(qū)對(duì)鋁土礦成礦有影響的構(gòu)造活動(dòng)有4次，分別為廣西運(yùn)動(dòng)、紫云運(yùn)動(dòng)、黔桂運(yùn)動(dòng)以及東吳運(yùn)動(dòng)等[12-13]。研究區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育，以北北東向?yàn)橹?，背斜的?guī)模較大，且常為復(fù)式背斜，地層較緩。向斜狹窄，地層較陡，因此背斜與向斜共同形成“隔槽式”褶皺。黔北鋁土礦均分布在向斜中，因此，向斜是主要的控礦構(gòu)造。

1　樣品采集和分析方法

研究所用樣品均采自黔北務(wù)川、正安和道真地區(qū)的野外剖面、探槽和巖芯。為了分析微量元素在鋁土礦含礦巖系中的分布規(guī)律，取樣時(shí)自下而上分別選取綠泥石巖、鋁土巖、鋁土礦和頂板巖性等作為樣品，并將不同結(jié)構(gòu)的鋁土礦作為重點(diǎn)。樣品測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。樣品微量元素含量測(cè)試才用酸溶法，將樣品烘干后粉碎，煅燒2～4 h以去除有機(jī)質(zhì)。取煅燒后的樣品0.4 mg放入聚四氟乙烯密閉溶樣瓶中，并用硝酸、氫氟酸和高氯酸溶解樣品。稀釋后的樣品利用PE Elan6000型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行測(cè)試分析。

圖1　黔北務(wù)正道地區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)貴州省區(qū)域地質(zhì)志，有改動(dòng))Fig.1　Geological setting of the study area in Qianbei area

2　鋁土礦含礦巖系沉積相類型

2.1　巖性特征

黔北務(wù)正道地區(qū)鋁土礦含礦巖系分布于二疊統(tǒng)梁山組，厚5～36 m，平均厚度12 m。含礦巖系巖性復(fù)雜，自下而上分別為綠泥石黏土巖(綠泥石巖)、下鋁土巖，下鋁土礦、上鋁土巖、上鋁土礦和炭質(zhì)頁巖等(圖2)。礦系底板巖性變化大，研究區(qū)北部以中石炭統(tǒng)黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r和泥晶灰?guī)r為主，南部以下志留統(tǒng)韓家店組頁巖和粉砂質(zhì)頁巖為主，含礦層系與底板為角度不整合接觸。礦系頂板為中二疊統(tǒng)棲霞組泥晶灰?guī)r，與礦系呈整合接觸。鋁土礦可進(jìn)一步劃分為致密狀、半土狀、碎屑狀和豆鮞狀等四種類型，不同自然類型鋁土礦的空間分布規(guī)律及組合特征可作為劃分鋁土礦沉積相帶的重要依據(jù)。

2.2　沉積相類型

根據(jù)22口鉆井取芯和10條探槽資料(圖1)，研究區(qū)鋁土礦含礦巖系可識(shí)別出4種沉積相類型，分別為扇三角洲相、湖泊相和潮坪相。

扇三角洲相是含礦巖系下部綠泥石巖主要的沉積相類型，平面上呈扇形分布在研究區(qū)的南部正安縣—九曲一帶以及東部的道真縣—湄水一線。扇三角洲相巖性以灰色、深灰色含礫綠泥石黏土巖為主，礫石的直徑約為8～10 cm，磨圓度好，分選性較差(圖3A)。礫石的成分以黏土巖為主，呈懸浮狀分布于綠泥石黏土巖中。該含礫黏土巖橫向分布不穩(wěn)定，且?guī)r層底部發(fā)育沖刷面(圖3B)，但巖層中并不發(fā)育沉積構(gòu)造。

湖泊相是鋁土礦主要的沉積相類型。鋁土礦沉積期研究區(qū)發(fā)育眾多匯水洼地，其是鋁土礦母巖沉積的主要場(chǎng)所。根據(jù)鋁土礦巖性和沉積構(gòu)造特征，可以判斷該匯水洼地以濱湖和淺湖為主。由于濱湖亞相位于浪基面以上，水動(dòng)力條件較強(qiáng)，所以部分鉆井巖芯資料中可見波狀層理以及由較強(qiáng)水動(dòng)力作用形成的破碎狀鮞狀鋁土礦。由于淺湖亞相水動(dòng)力條件相對(duì)較弱，所以常見土狀和碎屑狀鋁土礦。實(shí)際上，沉積型鋁土礦的成礦過程是沉積分異的過程。通過扇三角洲搬運(yùn)來的鋁土巖和綠泥石巖等鋁土礦成礦母巖，在濱湖較強(qiáng)水動(dòng)力條件作用下，形成顆粒狀沉積物，而細(xì)粒的成礦母巖則在水動(dòng)力較弱的深水區(qū)沉積。

圖2　黔北務(wù)正道地區(qū)T6探槽梁山組鋁土礦沉積相劃分Fig.2　Facies division of bauxite of Liangshan Formation in trench T6 in Wuzhengdao area, Qianbei

圖3　正安天樓村綠泥石巖中發(fā)育的礫巖(A)，蕉壩鄉(xiāng)綠泥石巖底部和下部發(fā)育的沖刷面和礫巖(B)(剖面位置見圖1)Fig.3　Gravelsdeveloped in chlorite rockinTianlou(A)and erosion surface below chlorite rock and gravels in Jiaoba (B)

潮坪相是含礦巖系中鋁土巖和綠泥石巖的主要沉積相類型。針對(duì)含礦巖系元素分析表明，鋁土礦的Sr/Ba平均比值卻僅為0.79，應(yīng)為淡水條件下沉積[14]，而鋁土巖和綠泥石巖中的Sr/Ba平均比值為38.9，為海相沉積。鋁土巖和綠泥石巖中也廣泛發(fā)育各類鋁土質(zhì)的顆粒，且多富含植物碎片，顆粒鋁土巖多呈下粗上細(xì)的正韻律，如W19井鋁土巖中廣泛發(fā)育具正韻律的鮞狀和豆?fàn)钿X土巖，因此，綜合判斷綠泥石巖和鋁土巖均為潮坪相沉積。另外，在安場(chǎng)向斜西側(cè)還發(fā)育石英砂巖，該石英砂巖位于含礦巖系的下部，層位上與下鋁土巖對(duì)應(yīng)。該石英砂巖分選性較中等，次圓狀—次棱角狀，泥質(zhì)膠結(jié)，平面上呈透鏡狀分布[8]，因此，石英砂巖為潮坪相潮間帶—潮下帶沉積。潮坪相還有另外一個(gè)顯著的特征，即發(fā)育沼澤。鋁土巖中常見植物碎屑和泥炭，尤其是研究區(qū)北部梁山組頂部發(fā)育一層厚10～20 cm的炭質(zhì)鋁土巖。該沼澤應(yīng)為潮上帶水動(dòng)力較弱的條件下的沉積。杜遠(yuǎn)生等[8]也認(rèn)為研究區(qū)梁山組沉積期發(fā)育半封閉海灣，應(yīng)為潮坪相沉積。

3　鋁土礦含礦巖系沉積期海平面變化

含礦巖系的巖相自下而上呈有規(guī)律的變化，下部為綠泥石巖，向上變?yōu)橄落X土巖、下鋁土礦、上鋁土巖、上鋁土礦和炭質(zhì)黏土巖等。巖性的變化除了與物源和氣候條件的變化有關(guān)外，還與海平面的變化有關(guān)。有關(guān)海平面變化的分析方法較多，如巖性、古生物、地球化學(xué)、地球物理等，其中地球化學(xué)分析是最可靠的手段之一，而根據(jù)Sr/Ba值分析沉積水體性質(zhì)是地球化學(xué)中常用的分析方法[15]。大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，一般海相沉積物中Sr/Ba值大于1，陸相沉積物中Sr/Ba值小于1，而半咸水中0.6

為分析含礦巖系沉積期海平面變化規(guī)律，選取了研究區(qū)南北方向上4口鉆井(圖1)，分析其含礦巖系Sr/Ba值縱向變化特征，從而間接反映海平面變化趨勢(shì)。以W17井為例，該井SQ1旋回下部為致密鋁土巖，其Sr/Ba值1.48，為海相沉積，上部為鮞狀鋁土礦，Sr/Ba值突變?yōu)?.22，應(yīng)為陸相淡水沉積，因此，SQ1沉積后期發(fā)生第一次海退。SQ2旋回下部為碎屑狀鋁土巖，其Sr/Ba值平均為1.34，為海相沉積；上部為含炭屑鋁土礦，其Sr/Ba值為0.37，應(yīng)為陸相淡水沉積，因此，SQ2沉積后期發(fā)生第二次海退。SQ3旋回下部為碎屑狀鋁土巖，其Sr/Ba值為1.46，表明其為海相沉積，至此，該井鋁土礦含礦巖系第三次海平面變化旋回結(jié)束。該井由2個(gè)完整的海平面升降旋回和1個(gè)海平面上升半旋回組成。其他幾口鉆井含礦巖系厚度較薄，且?guī)r性段發(fā)育不全，但是仍然能夠劃分出1～3個(gè)旋回，且具有可對(duì)比性(圖4)。

4　研究區(qū)周緣海平面升降旋回

黔北務(wù)正道地區(qū)的鋁土礦沉積期約100 Ma，期間是全球海平面變化較頻繁的時(shí)期[16]。研究表明晚古生代冰期和間冰期的交替出現(xiàn)是海平面變化的主因，并可劃分出3次大規(guī)模的海平面升降旋回，其中第二旋回的跨時(shí)最長(zhǎng)[17-18]。早二疊世黔北地區(qū)屬中揚(yáng)子克拉通盆地向貴州延伸部分，該區(qū)與湘桂裂陷盆地相互連通，共同受到海平面變化的影響。通過分析研究區(qū)周緣海平面變化可以作為分析同期鋁土礦含礦巖系海平面變化的重要參考。由于受古地貌和物源供應(yīng)等地質(zhì)條件的影響，梁山組沉積期黔北周緣地區(qū)的沉積旋回存在一定的差異性：廣西都結(jié)剖面可識(shí)別出3個(gè)海平面升降旋回，貴州獨(dú)山剖面可識(shí)別出2個(gè)旋回，而湖南馬底驛僅能識(shí)別出1個(gè)旋回(圖5)。

廣西都結(jié)剖面梁山組識(shí)別出3個(gè)沉積旋回自下而上分別命名為SQ1、SQ2和SQ3，其中SQ1旋回以發(fā)育Pseudoschwagerina化石帶(簡(jiǎn)稱Ps.帶)為特征，海平面上升期以中—厚層灰?guī)r和泥巖為主，海平面下降期以含生物碎屑灰?guī)r為主；SQ2旋回發(fā)育Sphaeroschwagerina帶(簡(jiǎn)稱Sp.帶)、Robustoschwagerina帶(簡(jiǎn)稱Rb.帶)，海平面上升期以灰?guī)r和含生物碎屑灰?guī)r為主，海平面下降期以生物碎屑灰?guī)r為主；SQ3旋回發(fā)育Parmirina帶(簡(jiǎn)稱Pa.帶)，以灰?guī)r為主。貴州獨(dú)山剖面梁山組可劃分出2個(gè)海平面升降旋回，自下而上分別命名為SQ1和SQ2。SQ1旋回發(fā)育Pseudoschwagerina化石帶，以灰?guī)r和含燧石結(jié)核的灰?guī)r為主；SQ2旋回發(fā)育Sphaeroschwagerina帶，且海平面上升期以白云質(zhì)灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r為主，海平面下降期以含燧石結(jié)核灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r為主。湖南馬底驛剖面梁山組僅識(shí)別出SQ1旋回。該旋回發(fā)育Pseudoschwagerina化石帶，海平面上升期以生物碎屑灰?guī)r和灰?guī)r為主，而海平面下降期以含生物碎屑灰?guī)r、灰?guī)r和石英砂巖為主。總體來看，研究區(qū)周緣梁山組最多可識(shí)別出3個(gè)海平面升降旋回，這與含礦巖系沉積期海平面升降變化的旋回與相一致。

圖4　黔北務(wù)正道地區(qū)鋁土礦含礦巖系旋回劃分及對(duì)比(剖面位置見圖1右圖，底圖據(jù)崔滔等，有修改[6])Fig.4　Division and correlation of bauxite bearing rock series in Wuzhengdao area, Qianbei

圖5　黔北務(wù)正道地區(qū)鄰區(qū)下二疊統(tǒng)沉積旋回劃分Fig.5　Cycles division of Lower Permian in adjacent area of Wuzhengdao area in Qianbei

5　鋁土礦富集成礦的控制因素

沉積相和海平面變化對(duì)鋁土礦富集和成礦起到重要的控制作用。鋁土礦含礦巖系巖性、地化指標(biāo)和沉積環(huán)境之間具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過含礦巖系Sr/Ba值分析，綠泥石巖和鋁土巖形成于海相環(huán)境，結(jié)合巖性和沉積特征可以判斷綠泥石巖和鋁土巖應(yīng)為潮坪相沉積。而鋁土礦形成于陸相淡水環(huán)境，結(jié)合巖性和沉積構(gòu)造判斷其應(yīng)為湖泊相沉積。含礦巖系底部為侵蝕面，侵蝕面之上為第一次海侵期沉積的綠泥石或鋁土巖，其也是鋁土礦的母巖。這些母巖經(jīng)扇三角洲和地表徑流的搬運(yùn)，在潮坪中沉積(圖6a)。隨著海水全部退出研究區(qū)，淺水湖泊成為主要的沉積相類型(圖6b)，地表徑流攜帶的鋁土礦母巖在濱淺湖沉積，經(jīng)過沉積分異作用形成不同類型的鋁土巖。隨后的2次海平面上升期均為鋁土巖沉積期，而海平面下降期則為鋁土礦形成期。含礦巖系V/Ni值說明海平面下降期的跨時(shí)遠(yuǎn)比海平面上升期長(zhǎng)，因此，鋁土礦風(fēng)化成礦期跨時(shí)遠(yuǎn)比綠泥石巖和鋁土巖長(zhǎng)。

6　結(jié)論

(1) 根據(jù)巖性和地球化學(xué)資料分析認(rèn)為黔北務(wù)正道地區(qū)鋁土礦含礦巖系沉積相類型包括扇三角洲相、湖泊相和潮坪相等三種沉積相類型，其中綠泥石巖和鋁土巖為扇三角洲和潮坪相沉積，而各種類型的鋁土礦為濱淺湖沉積。

(2) 鋁土礦在濱淺湖區(qū)發(fā)生沉積分異作用，成礦母巖經(jīng)在濱淺湖較強(qiáng)水動(dòng)力作用下廣泛沉積顆粒狀鋁土礦，淺湖區(qū)處在浪基面以下，水動(dòng)力較弱，因此以細(xì)粒鋁土礦沉積為主，沉積相對(duì)鋁土礦富集具有重要的控制作用。

(3) 海平面上升期是鋁土礦母巖(即綠泥石巖和鋁土巖)沉積的重要時(shí)期，海平面下降期是鋁土礦形成的主要時(shí)期。地球化學(xué)資料顯示，海平面下降期跨時(shí)遠(yuǎn)大于海平面上升期，因此鋁土礦形成于長(zhǎng)期的暴露風(fēng)化階段，這也說明了海平面變化對(duì)鋁土礦富集成礦具有控制作用。

圖6　黔北務(wù)正道地區(qū)海平面上升期綠泥石巖和鋁土巖沉積相(a)，海平面下降期鋁土礦沉積相(b)Fig.6　Facies distribution of chlorite and bauxite rock deposited during rise of sea level (a), and bauxite facies distribution deposited during drop of sea level (b)

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