黔北地区浣溪铝土矿床地球化学特征及指示意义

莫光员，吴启美

(1.贵州省有色金属和核工业地质勘查局 核资源地质调查院，贵州 贵阳 550005；2.贵州师范大学 贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵州 贵阳 550001)

0 引言

黔北地区铝土矿成矿带属渝南—黔北成矿带[1]的重要组成部分，已探明瓦厂坪、大竹园、新民、浣溪等十多个大型铝土矿床，累计提交铝土矿石资源量储量超8亿吨[2]，显示该区成矿条件好，找矿潜力巨大。随着找矿的进展，众多专家学者开展了该区铝土矿成矿时代[3-6]、地质地球化学特征与成矿沉积环境[7-12]、成矿规律[13-15]和主要控矿因素[16]研究，建立了该区成矿模式[17-18]，取得了大量的研究成果。然而，这些研究成果未针对浣溪铝土矿床开展深入研究，仅个别学者对该矿床地质特征进行初步研究[19]。浣溪矿床初步探明铝土矿资源量超过2000万吨，达到大型规模，显示较好的找矿前景。本文通过系统研究浣溪铝土矿床地质地球化学特征，对矿体中的常量、微量元素含量变化及比值特征进行综合分析研究，探讨矿床成矿有利的沉积环境，以期为下一歩找矿工作提供参考。

1 区域地质背景与矿床地质概况

1.1 区域地质背景

浣溪矿床位于渝南—黔北铝土矿成矿带南部，区域构造发育NNE、NE向和近SN向褶皱，背斜与向斜相间分布，背斜相对紧密，向斜相对宽缓。向斜构造主要有大塘向斜、道真向斜、桃园向斜、鹿池向斜、栗园向斜、浣溪向斜、安场向斜、新模向斜等。区域出露地层有寒武系至侏罗系，无火成岩和变质岩出露。二叠系大竹园组为区内铝土矿含矿地层[3]，岩性主要为一套铝铁质黏土岩、泥页岩，含铝土矿厚约0～16 m，一般厚5～8 m[18]。大竹园组在区内出露线长约670 km，分布面积超过2100 km2，为铝土矿的赋存提供了广泛空间[16]。

1.2 矿床地质概况

浣溪矿床产于浣溪向斜南西段大竹园组中，严格受向斜构造和地层控制。浣溪向斜轴向呈NE40°～50°展布，向斜轴长约16.5 km。向斜核部为下三叠统，两翼地层依次为二叠系、石炭系、志留系及奥陶系。向斜北西翼地层倾角18°～54°，南东翼地层倾角8°～28°，总体呈南东翼缓北西翼陡。发育的断层主要分布于向斜两端，主要呈NNE向、NE向及近SN向，倾角50°～83°，均为成矿后期正断层，破坏了矿体的连续性，控制了含矿地层的分布(图1)。

矿区大竹园组含矿岩系总厚度为0～29.04 m[20]，一般厚4～9 m，下部为灰绿、黄绿、灰白色土状、致密状、豆鲕状黏土岩、绿泥石岩，局部含少量星点状黄铁矿；中上部为浅灰、灰色、灰白色半土状、碎屑状、致密状、豆鲕状铝土矿或铝土岩，偶见团块状、浸染状黄铁矿。含矿岩系由底部至顶部大致可分为5层，与上覆梁山组呈平行不整合接触，与下伏黄龙组或韩家店组呈假整合接触(图2)。梁山组炭质页岩厚0～4.52 m，为矿层顶板重要的找矿标志层[16]。黄龙组灰岩厚0～7.35 m，其厚度变化对矿床形成时期古地理环境有重要指示意义[21-22]。韩家店组厚112～307 m，岩性主要为灰、灰绿、黄绿、紫红等杂色黏土岩、钙质页岩、砂质页岩。矿体赋存于含矿地层中上部，似层状、层状产出，矿体产状与地层产状基本一致(图3)。探明5个矿体分布于浣溪向斜南西段，其中1号、2号、3号矿体为主矿体，占总资源量的98%。主矿体走向长1550～2602 m，倾向延伸200～724 m。矿体厚0.81～2.88 m，平均厚1.40 m。

2 矿床地球化学特征

2.1 矿床常量元素地球化学特征

根据岩矿鉴定资料[20]，矿体主要由23种矿物组成，其中以一水硬铝石为主，黏土矿物、铁矿物、钛矿物次之，其他少量矿物有锆石、斜锆石、黄铁矿、磁黄铁矿、重晶石、电气石、磷钇矿、磷灰石、绿帘石、独居石等。一水硬铝石多呈针状、板状、柱状或粒状，为他形、半自形晶集合体，粒径一般在0.005～0.008 mm之间，最大粒径可达0.6 mm。矿石中主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、LOI(烧失量)和S，此6种组分占矿石总组分的95%～98%。矿体中w(Al2O3)为41.15%～71.88%，平均56.20%；w(SiO2)为2.40%～26.40%，平均14.18%；w(Fe2O3)为1.44%～23.79%，平均8.00%；w(S)为0.03%～9.80%，平均1.60%；w(TiO2)为1.45%～5.82%，平均2.58%；烧失量为9.35%～17.49%，平均14.00%；A/S比值为1.81～29.95，平均3.96。矿体质量总体上地表优于深部(表1)[20]，这可能与成矿期后表生风化淋滤作用有关[16]。成矿期后表生作用脱硅、去铁不明显，而脱硫现象明显，深部矿石中硫的含量往往是地表的几十倍，说明矿床成矿后长期处于较封闭的环境，暴露地表时间相对较短。矿层短时间暴露地表发生风化淋滤，矿层中黄铁矿氧化淋滤，促使硫大量流失[23]，而硅和铁尚保留在矿层中。

图1 浣溪铝土矿床地质略图(据文献[20]修改)Fig.1 Geological sketch map of Huanxi bauxite deposit (modified from refence [20])1—下三叠统夜郎组 2—上二叠统吴家坪组 3—中二叠统栖霞组—茅口组 4—下二叠统大竹园组 5—中—下志留统韩家店组6—中上奥陶统 7—地质界线 8—断层及编号 9—铝土矿露头线 10—铝土矿体及编号 11—岩层产状 12—地质剖面及编号

图2 浣溪铝土矿床含矿岩系柱状示意图Fig.2 Schematic column diagram of the ore-bearing rock series in Huanxi bauxite deposit

图3 浣溪铝土矿区17号勘探线地质剖面图(据文献[20]修改)Fig.3 Geplogical section map of prospecting line No.17 in Huanxi bauxite deposit[20]1—下三叠统夜郎组 2—上二叠统吴家坪组 3—中二叠统栖霞组—茅口组 4—下二叠统大竹园组 5—上石炭统黄龙组 6—中下志留统韩家店组 7—整合/不整合地质界线 8—铝土矿体及编号 9—岩层产状

表1 浣溪矿区矿体质量对比Table 1 The quality comparison of the ores in Huanxi bauxite deposit

注：A/S= Al2O3/ SiO2。

铝土矿石以土状、半土状为主，碎屑状、豆鲕状、致密块状次之，各种矿石类型往往发育不全，连续性差，不同的矿石类型反映了成矿物质不均一以及成矿环境的复杂性[24]。矿石工业类型主要有中铁高硫型、含铁高硫型、含铁低硫型、中铁低硫型4种。根据51个见矿工程统计(表2)，矿体中w(Al2O3)以50%～60%为主，占46%；w(SiO2)以10%～20%为主，占46%；w(Fe2O3)以6%～15%为主，占43%；w(S)以小于0.3%为主，占61%；A/S以小于6为主，占59%，A/S比值为6～12的占23%，A/S比值大于12的占18%。

表2 浣溪矿区矿石主要化学成分统计Table 2 List of the main chemical components of ores in Huanxi bauxite deposit

矿体主要化学成分变化规律：

1)沿走向上的变化：矿体由南西向北东Al2O3含量有降低趋势，SiO2、Fe2O3和深部矿体S含量有升高趋势，显示矿床南西段成矿条件较北东段有利，浣溪向斜南西段应是今后找矿工作的重点靶区。

2)沿倾向上的变化：矿体由地表向深部Al2O3、含量有降低趋势；地表矿体SiO2和Fe2O3含量以及A/S比值变化较大；局部地表矿体Fe2O3含量高于深部，而S含量明显低于深部(图4)，显示表生风化淋滤作用的去硫特征，局部具有铁元素叠加富集特征。

图4 浣溪矿区1号矿体地表(a)与深部(b)化学成分变化对比图Fig.4 The comparision map of chemical components of the surface ores(a) and the deep ores (b) of orebody No.1 in Huanxi bauxite deposit

3)含矿地层垂向的变化：自矿层向顶、底板两端Al2O3、TiO2、S含量及A/S比值逐渐降低，SiO2和Fe2O3含量自矿层向顶、底板两端逐渐增高；矿体中Fe2O3和S含量一般与其顶、底板含量呈正相关关系，显示矿体与顶、底板具有相同物质来源的特征；含矿地层和矿体中S含量与黄铁矿的发育程度有关，一般黄铁矿发育，则S含量相对较高。

矿体中除主要化学成分外，次要化学成分有CaO、MgO、K2O、Na2O等，w(CaO)为0.76%～2.63%，平均1.61%；w(MgO)为0.21%～2.13%，平均0.97%；w(K2O)为0.04%～0.13%，平均0.08%；w(Na2O)为0.02%～0.03%，平均0.02% ；Ca/Mg比值为0.25～1.82，平均0.60。

2.2 矿石微量元素地球化学特征

矿石中微量元素有Zr、V、Cr、Li、B、Ba、Pb、Sr、Zn、Ga、W、Rb、Co、Mn、La、Nb、Y、Sn、Ge、Sc、Ni、Cu、Ru、Ta、Cd、Be、Rh、In、Sb、Mo等(表3)[20]。Zr、V、Cr、Li、B、Pb、Ga、W、Sn、Ge、Ru、Ta、Cd、Be、Rh、In、Sb等元素相对富集，Ba、Sr、Rb、Mn、Ni、Cu等元素相对亏损，Zn、Co、La、Nb、Y、Sc、Mo等元素相对稳定。矿层中稀土总量为690×10-6～960×10-6，平均值为870×10-6。据韩英等[25]的研究成果，黔北地区矿石稀土总量平均值为215.46×10-6，韩家店组岩层稀土总量平均值为265.61×10-6。通过比较，浣溪矿床具有明显的稀土总量富集特征。矿床微量元素含量变化规律和稀土总量的富集特征，暗示韩家店组为铝土矿的形成提供了物质来源[9，25-26]。

3 沉积地球化学特征

铝土矿成矿常受物源及沉积环境等因素影响，多分布于古陆或高地的边缘[27]。根据微量元素在不同沉积环境下的不同地球化学行为，选择对沉积环境较敏感的Sr、Cu、B、Ga、Sr、Ba、V、Cr、Ni、Co元素，分析研究其含量变化及Sr/Cu、B/Ga、Sr/Ba、V/Cr和Ni/Co比值特征，探讨浣溪铝土矿床成矿有利条件。

表3 浣溪矿区铝土矿微量元素统计Table 3 List of the trace element contents of ores in Huanxi bauxite deposit

注：地壳克拉克值据刘英俊等，1984；其余数据据文献[20]。

3.1 Sr/ Cu比值特征

Sr/Cu比值可作为判别气候条件的指标(表4)[28-29]，Sr/Cu比值在1～10之间指示温湿气候，Sr/Cu比值>10则指示干热气候。矿体中w(Sr)为22×10-6～316×10-6，平均129×10-6；w(Cu)为3×10-6～39×10-6，平均13×10-6；Sr/Cu比值为1.9～48.0，平均9.7，反映了成矿气候条件以温湿气候为主，期间有干热气候条件。结合矿体中常量元素Mg/Ca比值看，Mg/Ca比值为0.13～1.82，平均0.6，亦指示炎热潮湿古气候条件，表明浣溪铝土矿床形主要成于炎热潮湿的古气候条件。

3.2 B/Ga、Sr/Ba比值特征

B、Ga、Sr、Ba含量变化及B/Ga、Sr/Ba比值可判断沉积环境(表5)[2，25]。矿体中w(B)<60×10-6指示陆相环境，w(B)在60×10-6～100×10-6之间指示海陆过渡相环境，海相咸水中w(B)>100×10-6指示海相环境；Sr/Ba≥1指示海相环境，Sr/Ba<1指示陆相环境。根据微量元素分析测试结果，w(B)为72×10-6～597×10-6，平均值为307.8×10-6，显示了矿床以海相沉积为主，兼有海陆过渡相特征；B/Ga比值为0.7～16.1，平均7.2，则显示矿床以海相沉积为主，兼有海陆过渡相、陆相特征。结合Sr含量及Sr/Ba比值(表5)，矿体中w(Sr)为22×110-6～316×10-6，平均129×10-6；Sr/Ba比值为0.2～1.6，平均0.7，反映了铝土矿体兼具海相、海陆过渡相、陆相沉积特征。据硫同位素资料[25]，二叠纪古大洋δ34S为10‰～15‰，而浣溪铝土矿δ34S为9.5‰，含矿岩系δ34S为8.2‰，与二叠纪海水硫较接近，说明其具有海相沉积特征。综合分析认为，浣溪铝土矿床沉积环境以海相为主，兼具海陆过渡相、陆相沉积特征。

表4 浣溪矿区矿石敏感元素分析(气候条件判别指标)Table 4 Analysis data of sensitive elements of ores in Huanxi bauxite deposit (discrimination index of climatic conditions)

注：元素量单位为wB/10-6。

表5 浣溪矿区矿石敏感元素分析(沉积相判别指标)Table 5 Analysis data of sensitive elements of ores in Huanxi bauxite deposit (judgment index of sedimentary facies)

注：矿石类型同表4；元素量单位为wB/10-6。

3.3 V/Cr比值与Ni/Co比值特征

V/Cr比值和Ni/Co比值特征可作氧化、还原沉积环境的判别指标(表6)[2]。浣溪铝土矿中V/Cr比值为0.6～1.5，平均0.9，均小于5；Ni/Co比值为0.2～0.8，平均0.5，均小于2，反映了铝土矿主要形成于相对开放的氧化环境。

4 矿床成因讨论

4.1 成矿物质来源分析

黔北务正道地区韩家店组页岩w(Al2O3)为14.14%～24.00%，黄龙组灰岩w(Al2O3)仅为0.10%～1.88%[14]。根据浣溪铝土矿区探矿工程统计[20]，大竹园组铝土矿含矿岩系的下伏岩层为石炭系黄龙组灰岩或志留系韩家店组砂页岩，其中黄龙组灰岩厚0～7.35 m，平均厚2.26 m，连续性差，仅局部地段有分布，分布面积小；韩家店组砂页岩厚112～307 m，厚度大，分布面积广，故韩家店组可为铝土矿成矿提供足够的物源，而黄龙组提供大量成矿物质的可能性不大[14]。不同学者从不同角度论证了下伏岩层为黔北务正道地区铝土矿的成矿物质来源，金中国等[2，10，13]从含矿岩系及其下伏岩层的稀土元素特征，Th、U、Ha、Zr、Ta等稳定元素特征，Cr、Ni元素含量相关图判别成矿母岩，锆石U-Pb年龄测定证据等方面论证了铝土矿主要物质来源于韩家店组，具有多种物质来源的特征；黄智龙[14]等从铝土矿主量元素地球化学特征，说明韩家店组砂页岩为黔北务正道地区铝土矿的直接来源；殷科华[17]从下伏岩层风化作用等方面，论证了志留系韩家店组页岩为铝土矿主要的成矿母岩。浣溪铝土矿中Zr、V、Cr、Li、B、Pb、Ga、W、Sn、Ge、Ru、Ta、Cd、Be 、Rh、In、Sb等元素相对富集，Ba、Sr、Rb、Mn、Ni、Cu等元素相对亏损，与韩英等[25]对黔北务正道地区各类矿石、赋矿围岩及韩家店组微量元素研究的特征近似，说明韩家店组泥页岩为该区的成矿母岩。上述研究表明，浣溪铝土矿床成矿物质来源主要来自韩家店组。

表6 浣溪矿区矿石敏感元素分析(沉积环境的判别指标)Table 6 Analysis data of sensitive elements of ores in Huanxi bauxite deposit (judgment index of sedimentary environment)

注：矿石类型同表4；元素量单位为wB/10-6。

4.2 古气候条件分析

古赤道附近炎热湿润的气候条件利于铝土矿的形成[2]。据统计，世界铝土矿多形成于南纬30°至北纬30°间的热带及亚热带气候条件[16]。据黔北地区古地磁资料[3]，浣溪铝土矿床一带在晚石炭世至早二叠世处于低纬度热带地区，气候湿热多雨，利于成矿母岩红土化作用及铝土矿成矿。余文超等[11]根据黔北务正道地区铝土矿石矿物特征及其化学蚀变指数(CIA)和成分分异指数(ICV)，论证了该区铝土矿形成于炎热潮湿的古气候条件。浣溪铝土矿床中，不同的矿石类型，显示的古气候条件略有差异，土状—半土状铝土矿形成于干热、温湿气候条件，致密状铝土矿形成于干热气候条件，豆鲕状铝土矿形成于温湿气候条件。矿体中微量元素Sr、Cu含量及Sr/Cu比值反映了成矿气候条件以温湿气候为主，期间有干热气候条件。矿体中主量元素Mg/Ca比值亦指示了炎热潮湿古气候环境。因此认为，浣溪铝土矿床形成于炎热潮湿的古气候条件。

4.3 古地理沉积环境分析

根据浣溪矿床出露的地层[20]，结合区域地质背景研究资料[13-14]，黔北地区寒武纪至中志留世总体为沉降区，接受了巨厚的海相沉积；志留纪末期，由于受加里东运动影响，区内地壳抬升，大部分区域遭受风化剥蚀，泥盆纪未接受沉积；直至晚石炭世黄龙期，短暂的海侵形成浅海台地相环境，在相对低洼的区域沉积了厚度不大的黄龙组灰岩；晚石炭世后期，地壳在次抬升遭受风化剥蚀，导致矿区黄龙组灰岩零星残留，分布不连续，仅厚0～7.35 m。

二叠纪梁山早期，受局部不均匀升降运动影响，区内形成了半封闭海湾环境，沉积了滨浅海-潟湖相(海—陆交互相)[25]的大竹园组；二叠纪梁上晚期，随着海水消退，该区形成滨海沼泽相环境，沉积了梁山组炭质泥页岩；至中二叠纪栖霞期—茅口期，海水入侵，该区形成局限台地环境，沉积了厚度相对较大的栖霞组和茅口组灰岩[13]。

浣溪矿床含矿岩系分选性差，发育的4种矿石自然类型分布杂乱，连续性差，指示其总体沉积环境相对低能。矿体中微量元素V/Cr比值和Ni/Co比值特征反映了相对开放的氧化环境，说明成矿时水体相对较浅，成矿沉积环境可能为半封闭海湾环境。崔滔等通过对古盐度分析，证明了务正道地区铝土矿形成于淡水—咸水之间不断转换的半封闭海湾中[12]。不同的矿石类型，指示不同的沉积环境[12，24]。根据浣溪铝土矿中沉积环境敏感元素的含量及其比值特征，致密状铝土矿形成于干热条件下的海相、陆相氧化环境，指示低能的沉积环境；豆鲕状铝土矿形成于温湿条件下的陆相氧化环境，可能形成于湖泊中波浪作用较强的近岸位置；土状—半土状铝土矿形成于干热、温湿条件下的海相、海陆过渡相氧化环境，暗示其成矿区位置可能地势相对较高[12]。研究表明，浣溪铝土矿床可能形成于半封闭海湾环境，在沉积成矿过程中经历了多次不同规模的海进、海退[2]，使得矿床沉积环境兼具海相、海陆过渡相及陆相沉积特征。

4.4 矿床成因分析

据金中国等[13-14]研究，黔北务正道地区铝土矿属沉积成因的铝土矿。浣溪矿床的含矿岩系及矿体呈层状、似层状产出，显示其为沉积型铝土矿床。在沉积黏土中，w(Be)为0.25×10-6～5×10-6，而浣溪铝土矿体中w(Be)为3×10-6～7×10-6，平均值为5×10-6，与沉积黏土含量范围较接近，显示了矿床的风化—沉积成因[25，30]。志留纪晚期—石炭纪主要为风化剥蚀、夷平期，区内大面积分布的韩家店组及零星分布的黄龙组，在湿热的气候条件下，通过长期的风化作用，形成大量的风化残积物，富铝风化残积物在相对开放的氧化环境中不断迁移、富集，在适宜的半封闭海湾环境中沉积成矿。铝土矿沉积成矿过程，其沉积环境经历了多次不同规模的海进、海退，使得矿床沉积环境兼具海相、海陆过渡相及陆相沉积特征。

5 结论

1)浣溪铝土矿床为产于黄龙组灰岩或韩家店组黏土岩、砂页岩等侵蚀间断面之上的沉积型大型铝土矿床。矿石以一水硬铝石为主，黏土矿物、铁矿物、钛矿物次之。矿石主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、LOI和S，占矿石总组分的95%～98%。矿体分布规律及其主要化学成分变化规律显示浣溪向斜南西段成矿条件较北东段好，浣溪向斜南西段应是今后找矿工作的重点靶区。

2)矿石中微量元素有Zr、V、Cr、Li、B、Ba、Pb、Sr、Zn、Ga、W、Rb、Co、Mn、La、Nb、Y、Sn、Ge、Sc、Ni、Cu、Ru、Ta、Cd、Be、Rh、In、Sb、Mo等，Zr、V、Cr、Li、B、Pb、Ga、W、Sn、Ge、Ru、Ta、Cd、Be 、Rh、In、Sb等元素相对富集，Ba、Sr、Rb、Mn、Ni、Cu等元素相对亏损，Zn、Co、La、Nb、Y、Sc、Mo等元素相对稳定。沉积环境敏感微量元素的含量及其比值特征显示，矿床形成于炎热潮湿的古气候条件，沉积环境兼具海相、海陆过渡相、陆相沉积特征，相对开放的氧化沉积环境利于成矿。