贵州务川大竹园铝土矿床伴生镓富集规律及沉积环境特征

吴 波, 韩忠华, 翁申富, 陈 强, 陶 平

(1.贵州省地质调查院，贵阳 550004； 2.贵州省地矿局106地质大队，遵义 563000)



贵州务川大竹园铝土矿床伴生镓富集规律及沉积环境特征

吴 波1, 韩忠华2, 翁申富2, 陈 强2, 陶 平1

(1.贵州省地质调查院，贵阳 550004； 2.贵州省地矿局106地质大队，遵义 563000)

通过对贵州务川大竹园铝土矿床的研究，发现矿床中伴生镓的含量普遍超过了工业综合利用的最低指标。Ga在含铝岩系中均有不同程度的分布，Ga与TiO2、Cr、Zr、Sn呈中等正相关关系，说明Ga可能赋存于含TiO2、Cr、Zr、Sn的矿物中； Ga与Al2O3呈弱正相关关系，说明Ga可能以类质同象的形式存在于Al的化合物中。Sr/Ba=1.09～19.69>1，表明铝土矿形成于海相沉积环境； Th/U=1.72～12.31，表明铝土矿可能风化作用不彻底； Ga/Al=0.45～1.84，表明成矿介质酸碱度的变化幅度较小。从含矿岩系矿物组合中含黄铁矿、高岭石等矿物可以推断介质为酸性的可能性较大； 稀土元素(rare earth element, REE)球粒陨石标准化分布曲线向右倾斜，轻稀土元素(LREE)富集，重稀土元素(HREE)亏损，δCe显示为弱正异常，Ce/Ce﹡=1.17～10.17>1，表明铝土矿形成于富氧的沉积环境，δEu显示为负异常，进一步表明成矿是以氧化环境为主。综合分析认为大竹园铝土矿床形成于以海相沉积作用为主的富氧的沉积环境。

伴生镓； 铝土矿床； 富集规律； 沉积环境； 稀土元素(REE)； 务川大竹园； 贵州

0 引言

金属镓是一种经济价值高、性能优良的电子材料，广泛应用于电子工业、光电通讯和航空航天领域[1]。镓(Ga)是一种分散元素，在地壳中高度分散，很少形成独立矿物，目前仅发现2个Ga的独立矿物——Gallite (CuGaS2)和Soehngeite(Ga(OH)3)[2]。因此，镓极少形成独立的矿床，约90%的金属镓来源于铝土矿伴生镓的回收利用[3-5]。由于Ga与Al的地球化学性质类似[6]，Ga在铝土矿石中的赋存状态主要以类质同象置换的形式存在于矿物晶格中[7]，而铝土矿伴生镓的平均含量常常大大超过铝土矿中镓的综合利用指标，其综合利用前景十分巨大[8]。

贵州务川大竹园铝土矿床位于黔北务正道铝土矿集区，是贵州铝土矿的重要组成部分。前人对铝土矿中伴生镓的含量进行了研究，刘平[9]测得该区正安铝土矿带和道真铝土矿带镓平均含量分别为127×10-6(5件样品)和114×10-6(30件样品)，均大大超过铝土矿中镓的综合利用指标(20×10-6)。为进一步研究铝土矿伴生镓的富集规律，本次选择贵州务川大竹园铝土矿床为研究对象，通过矿区钻孔剖面观察、化学数据分析和统计学相关分析等手段，查明矿区镓的地球化学分布特征，总结Ga与含铝岩系主量元素及微量元素的相关性，根据微量、稀土元素比值特征揭示铝土矿的成矿环境。

1 地质背景及矿床地质特征

本区按综合地层区划属扬子地层区[10]。区内广泛出露寒武系、奥陶系、志留系中下统、二叠系和三叠系，缺失志留系上统、泥盆系、石炭系下统。二叠系下统大竹园组、黄龙组与下伏志留系韩家店组呈假整合接触。大竹园组为铝土矿含矿层位，赋矿围岩主要是炭质页岩、钙质页岩、泥灰岩。区域构造处于扬子准地台遵义断拱凤岗NNE向构造变形区内，主体构造格架呈NNE向展布。断裂构造以逆冲断层为主，多形成于背斜轴部和向斜两翼。褶皱构造发育，常以复式背斜、向斜形式出现，背斜多呈宽缓状，而向斜多为紧密状。区内已发现铝土矿床20余处，均分布于向斜构造内。

矿区铝土矿体产于呈NE向展布的栗园向斜北段两翼二叠系下统大竹园组含铝岩系中上部，呈层状、似层状产出，产状与地层产状基本一致(图1)。上覆地层为二叠系中统梁山组，下伏地层为下志留统韩家店组或上石炭统黄龙组。大竹园组与梁山组呈整合接触，与韩家店组或黄龙组呈平行不整合接触。铝土矿体呈层状或似层状产出，按其结构和构造特征，矿石自然类型分为碎屑状、半土状和致密状3种。铝土矿体一般厚0.68～15.70 m，可分为两个岩性段，下部为低品位铝土矿，一般厚0.42～7.20 m，多为致密状铝土矿，颜色为灰色—绿色，绿泥石和铁质含量较高，断面光滑，密度较大； 上部为高品位铝土矿段，多为碎屑状和半土状，具工业意义的铝土矿多富集于此段。

图1 务川大竹园铝土矿床地质图Fig.1 Geological map of bauxite deposit in Dazhuyuan of Wuchuan

2 样品的采集与测试

本次研究选取矿区见矿效果好的6个钻孔剖面(ZK1602、ZK2402、ZK208、ZK7008、ZK7808、ZK5816)进行研究(图2)，采集钻孔样30件(表1)，铝土矿样从顶板到底板进行系统采集，采样方法为1/2劈心法。将采集的钻孔岩(矿)心样进行统一编号后送至中国科学院矿床地球化学国家重点实验室进行常量、微量和稀土元素测试。

图2 务川大竹园铝土矿床含矿岩系柱状对比图Fig.2 Comparison chart of ore-bearing rock series column for bauxite deposit in Dazhuyuan of Wuchuan

表1 务川大竹园铝土矿床微量元素分析结果Tab.1 Trace elements analysis results of bauxite deposit in Dahuyuan (×10-6)

常量元素采用《硅酸盐岩矿分析》的相关方法测试分析。其中，SiO2： 称取干燥样0.5 g，氢氧化钠熔矿，水提取，盐酸酸化，一次蒸干脱水，动物胶凝聚残留在溶液中的硅酸，沉淀灼烧称重，得SiO2含量； Fe2O3： 取二氧化硅滤液，加硝酸煮沸，氧化溶液中的亚铁，冷却后在小于1 mol/mL盐酸介质中，以硫氰酸钾作指示剂，用硝酸亚汞标准溶液滴定，得Fe2O3含量； TiO2： 取二氧化硅滤液，以二安替比林甲烷比色法进行测定； Al2O3： 取二氧化硅滤液，准确加入过量的EDTA，调节溶液pH为5.4～5.9，煮沸络合铁、钛和铝，以二甲酚橙作指示剂，用硝酸铅标准溶液滴定，得Al2O3、Fe2O3、TiO2合量，减去Fe2O3及TiO2相当Al2O3的量，即得Al2O3的含量； LOSS(烧失量)： 称取一定量样品于瓷坩埚中，1 000 ℃灼烧2 h后称重即得结果； K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO： 称取一定量样品于塑料坩埚中，氢氟酸、高氯酸溶矿，原子吸收法或等离子体发射光谱法测定； P2O5： 称取干燥样0.5 g，氢氧化钠、碳酸钠熔矿，水提取，磷钒钼黄比色法测定。

微量和稀土元素测试仪器为电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)，测试精度(0.01～10)×10-6，测试方法为硼酸锂熔融+等离子体质谱仪分析法(ME-MS81)。具体操作步骤为: 将样品破碎后缩分出300 g，然后研磨至200目，将试样加入到偏硼酸锂/四硼酸锂熔剂中，混合均匀，在1 025 ℃以上的熔炉中熔化，熔液冷却后，用硝酸、盐酸和氢氟酸定容，再用等离子体质谱仪分析。

3 镓的地球化学特征

3.1 镓的含量特征

根据全国矿产储量委员会办公室主编的《矿产工业要求参考手册》[11]，镓的最低工业利用指标以 20×10-6为限。由表1可知，镓在不同矿石类型中含量分别为顶板铝土质黏土岩(7件)，含量为31.081 1×10-6～58.5126×10-6，平均45.736 5×10-6； 碎屑状铝土矿(4件)，含量为32.431 9×10-6～132.558 0×10-6，平均71.694 9×10-6； 致密状铝土矿(7件)，含量为33.918 1×10-6～61.107 9×10-6，平均41.847 2×10-6； 半土状铝土矿(6件)，含量为35.807 2×10-6～87.879 3×10-6，平均58.982 3×10-6； 底板铝土质黏土岩(6件)，含量为31.288 6×10-6～54.465 8×10-6，平均42.305 7×10-6。以上测试结果表明，镓在含铝岩系中均有分布，且分布不均匀。镓在含矿岩系中含量由高到低依次为： 碎屑状铝土矿>半土状铝土矿>顶板铝土质黏土岩>底板铝土质黏土岩>致密状铝土矿，与刘平[9]排序(半土状铝土矿>碎屑状铝土矿>致密状铝土矿)略有差异。这一规律为加快高品位铝土矿石伴生镓回收利用提供了理论依据。

3.2 镓与主量元素的相关性分析

通过表2可以看出，Ga与TiO2、SiO2、A/S、Al2O3关系密切，尤其Ga与TiO2相关性较好。其中，Ga与TiO2呈中等正相关关系，相关系数0.649；Ga与SiO2呈弱负相关关系，相关系数-0.413；Ga与A/S、Al2O3呈弱正相关关系，相关系数分别为0.349，0.322。Ga是典型的分散元素，均有亲O、亲S性，与Ti、Al的地球化学性质相近，二者之间存在类质同象的可能性[12]。尽管Ga与Fe的地球化学性质也非常相近，但Ga与Fe2O3的相关系数为-0.094，无明显相关关系，因此推断Ga置换Al的可能性远远高于Fe，Ga可能以类质同象的形式存在于铝的化合物中[5]，具体的赋存状态还需要进一步研究。

表2 含矿岩系中主量元素相关系数Tab.2 Correlation coefficient of major elements in ore-bearing rocks

3.3 镓与微量元素的相关性分析

通过表3可以看出，Ga与Cr、Zr、Sn、Sc、V关系密切，尤其与Cr、Zr、Sn、Sc相关性较好。其中，Ga与Cr、Zr、Sn呈中等正相关关系，相关系数分别为0.722、0.714、0.594； Ga与Sc、V呈弱正相关关系，相关系数分别为0.438、0.315。从Ga与Cr、Zr、Sn、Sc、V等元素之间呈现出的中等—弱正相关关系来看，说明Ga可能赋存于含Cr、Zr、Sn的矿物中[13]。鲁方康等[8]认为务正道地区铝土矿和铝土质页岩中的 Ga赋存于金红石和锆石等重矿物中，但以何种方式存在，有待更深入的研究。

表3 含矿岩系中微量元素相关系数Tab.3 Correlation coefficient of trace elements in ore-bearing rocks

4 微量元素特征及沉积环境指示意义

含铝岩系中微量元素众多，以Li、Zr、Sr、Cr、V含量较高，其含量均达到100×10-6以上，尤其是Li含量最高达到2 480.40×10-6，Zr含量最高达到1 307.00×10-6(表1)。微量元素比值常作为划分沉积环境的参数[14-15]。据刘宝珺研究[16]，Sr/Ba比值对盐度的变化较敏感，常被用来判断沉积环境，我国13个现代海洋底质样Sr/Ba>0.8～1.0，吐鲁番中生代陆相地层Sr/Ba值为0.16，鄂尔多斯中生代陆相地层中Sr/Ba值为0.54。当Sr/Ba>1为海相咸水沉积； Sr/Ba<0.6为陆相淡水沉积； 0.61，表明铝土矿形成于海相沉积环境。

Laukas 等曾利用Th/U比值来研究铝土矿的成因[19]，并提出当Th/U>7时，铝土矿是强烈红土化作用产物； 当Th/U<2时，铝土矿是还原环境下沉积产物； 当Th/U=2～7时，铝土矿可能由风化作用不彻底或者沉积混杂所致。本次研究结果显示，本区铝土矿Th/U=1.72～12.31，平均4.99，介于2～7之间，表明务正道地区铝土矿的成矿作用可能是由风化沉积作用所致，并且尚未达到典型的红土化阶段。

刘英俊研究[13]表明，Ga/Al比值能用来有效指示铝土矿(黏土岩)形成过程中介质酸碱度的变化情况。本次所取钻孔样品的Ga/Al比值变化范围主要集中在0.45～1.84之间，表明成矿介质酸碱度的变化幅度较小； 因Ga含量较稳定，且含矿岩系矿物组合中含有黄铁矿、高岭石等矿物，可以推断介质很可能为酸性。

研究[20]表明，V/Cr、Ni/Co和V/(V+Ni)等微量元素比值是指示沉积环境氧化还原条件的常用参数。当V/Cr>4.25、Ni/Co>7.00、V/(V+Ni)>0.60时，均指示厌氧的还原环境； 当2.00

5 稀土元素特征及沉积环境指示意义

由表4可知，∑REE在不同矿石类型中含量分别为： 顶板铝土质黏土岩(7件)，含量为51.59×10-6～276.67×10-6，平均176.30×10-6； 碎屑状铝土矿(4件)，含量为49.62×10-6～128.46×10-6，平均82.96×10-6； 致密状铝土矿(7件)，含量为41.56×10-6～728.63×10-6，平均222.96×10-6； 半土状铝土矿(6件)，含量为56.30×10-6～183.88×10-6，平均101.15×10-6； 底板铝土质黏土岩(6件)，含量为71.56×10-6～1 133.44×10-6，平均340.86×10-6。上述统计表明，∑REE在含铝岩系中均有分布，且分布不均匀。∑REE在含铝岩系中含量由高到低依次为，底板铝土质黏土岩>致密状铝土矿>顶板铝土质黏土岩>半土状铝土矿>碎屑状铝土矿。稀土元素在含铝岩系顶底板铝土质黏土岩中强烈富集，在半土状铝土矿、碎屑状铝土矿中严重贫化，显示出稀土元素富集对岩性有选择性，粘土矿物对稀土元素的吸附作用较强。对于这一现象的解释，金中国等[21]认为铝土矿及黏土矿物，其颗粒越小，表面积就越大，更利于吸附稀土阳离子而导致富集。

表4 含矿岩系稀土元素参数Tab.4 Rare earth element parameters of ore-bearing rocks

稀土元素常被用作判别沉积环境的标志[22]。一般认为，在相同或相近岩石的不同沉积相中，大陆沉积物∑LREE/∑HREE含量比海洋沉积物高，海水沉积物∑LREE/∑HREE一般小于10，而黄土及陆相沉积物一般在30以上[23-24]。大竹园铝土矿床∑LREE/∑HREE一般小于10，表明铝土矿原岩具有海水沉积物的特征。

采用球粒陨石标准化稀土分布模式稀土元素分布曲线向右倾斜(图3)，LREE/HREE>2，属轻稀土富集和重稀土亏损型。通常认为δCe正异常显示氧化环境。风化过程中氧化还原条件的变化直接影响着变价元素Ce的活动性。地表氧化条件往往导致Ce3+氧化为Ce4+，而Ce4+极易水解形成难溶的(氢)氧化物，与轻稀土分离，形成铝土矿石中普遍存在的弱δCe正异常[25]。含矿岩系δCe呈正异常，表明Ce在氧化环境淋滤作用条件下，Ce3+→Ce4+水解沉淀，其他REE被淋失而造成Ce的正异常[26-27]，也说明铝土矿是在炎热潮湿、氧气充足、植被繁茂及有机质来源丰富的陆源沉积条件下形成的风化残积物，经迁移沉积作用形成的。同时，Ce异常值Ce/Ce﹡=3Ce/(2La+Nd)能灵敏地反映沉积环境的氧化还原条件。当Ce/Ce﹡>1时，表示Ce富集，为正异常，指示氧化环境； 当Ce/Ce﹡<1时，表示Ce亏损，δCe为负异常，指示还原环境[28]。大竹园铝土矿Ce/Ce﹡=1.17～10.17>1，表明铝土矿主要形成于富氧的沉积环境。由于氧化条件下，Eu3+比Eu2+价态高，Eu3+容易形成稳定的配合物，Eu2+只能以离子状态稳定于水中，造成大多数样品存在δEu的负异常，这恰恰说明了铝土矿具体的形成环境为强氧化环境[29]。

图3 稀土元素球粒陨石标准化分布模式Fig.3 Chondrite-normalized distribution curve of rare earth element

6 结论

(1)大竹园铝土矿床中伴生镓的含量均超过最低工业利用指标，且分布不均匀。镓在含矿岩系中含量由高到低依次为： 碎屑状铝土矿>半土状铝土矿>顶板铝土质黏土岩>底板铝土质黏土岩>致密状铝土矿。这一规律为加快高品位铝土矿石伴生镓回收利用提供了理论依据。

(2)Ga与TiO2、SiO2、A/S、Al2O3关系密切，尤其Ga与TiO2相关性较好，其中Ga与TiO2呈中等正相关关系，Ga与SiO2呈弱负相关关系，Ga与A/S和Al2O3呈弱正相关关系，Ga可能以类质同象的形式存在于铝的化合物中，具体的赋存状态还需要进一步研究。

(3)Ga与Cr、Zr、Sn、Sc、V关系密切，尤其Ga与Cr、Zr、Sn、Sc相关性较好，其中Ga与Cr、Zr、Sn呈中等正相关关系， Ga与Sc、V呈弱正相关关系。说明Ga可能赋存于含Cr、Zr、Sn的矿物中。

(4)本区含铝岩系Sr/Ba=1.09～19.69>1，表明主要形成于海相沉积环境。Th/U=1.72～12.31，平均4.99，表明铝土矿可能风化作用不彻底。Ga/Al比值主要集中在0.45～1.84之间，表明成矿介质酸碱度的变化幅度较小，从含矿岩系矿物组合中含黄铁矿、高岭石等矿物可以推断介质为酸性的可能性较大。V/Cr=0.45～1.89、Ni/Co=0.26～18.53、V/(V+Ni)=0.52～0.98，表明铝土矿形成于富氧的沉积环境。

(5)∑REE在含铝岩系中均有分布，且分布不均匀。∑REE在含铝岩系中含量由高到低依次为： 底板铝土质黏土岩>致密状铝土矿>顶板铝土质黏土岩>半土状铝土矿>碎屑状铝土矿。显示出稀土元素富集对岩性有选择性，黏土矿物对稀土元素的吸附作用较强。

(6)采用球粒陨石标准化稀土分布模式稀土元素分布曲线向右倾斜，属轻稀土富集和重稀土亏损型，δCe为弱正异常，δEu为负异常。Ce/Ce﹡=1.17～10.17>1，表明铝土矿形成于富氧的沉积环境。

(7)综合研究认为，大竹园铝土矿床主要在酸性或弱酸性介质条件下的氧化条件中成矿，矿床形成于以海相沉积作用为主的富氧的沉积环境。

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(责任编辑： 常艳)

Enrichment rules and sedimentary environment characteristics of associated gallium in bauxite deposit in Dazhuyuan of Wuchuan in Guizhou Province

WU Bo1, HAN Zhonghua2, WENG Shenfu2, CHEN Qiang2, TAO Ping1

(1.GuizhouGeologicalSurvey,Guiyang550004，China； 2.No.106GeologicalTeam,BureauofGeologyandMineralExplorationandDevelopmentofGuizhouProvince,Zunyi563000，China)

Through the study of Dazhuyuan bauxite deposit, we found that the content of associated gallium in bauxite deposit generally exceeds the minimum index of industrial utilization. Gallium has a different distribution in ore-bearing rock series and was moderately positively correlated with TiO2, Cr, Zr, Sn, meaning that gallium may occur in minerals containing Cr, Zr, Sn. Gallium and Al2O3has weakly positive correlation, indicating that gallium is possible to isomorphism exists in the form of aluminum. Also the Sr/Ba is 1.09-19.69, more than 1，showing that bauxite ore formed in marine environment. The Th/U is 1.72-12.31，showing the incomplete bauxite weathering. And Ga/Al is 0.45-1.84, showing that the pH of mineralization medium varies lightly, and mineral assemblages in acidic medium can be inferred by containing pyrite, kaolinite and other minerals in the ore-bearing rocks. The evidences that chondrite-normalized curve of rare earth element (REE) tilted to the right, light rare earth element (LREE) shows enrichment, heavy rare earth element (HREE) shows loss, δCe shows weak positive anomalies and Ce/Ce*is 1.17-10.17, indicate that the ore-bearing rock series were formed in an oxygen-rich sedimentary environment. Besides δEu appear as negative anomalies, which further indicates that mineralization is in oxide-based environment. Dazhuyuan bauxite deposit is concluded to be formed in marine oxygen-rich sedimentary environment through comprehensive analysis.

associated gallium; bauxite deposit; enrichment rules; sedimentary environment; rare earth elements(REE); Dazhuyuan in Wuchuan; Guizhou

吴波，韩忠华，翁申富，等.贵州务川大竹园铝土矿床伴生镓富集规律及沉积环境特征[J].中国地质调查,2016,3(6): 17-25.

2016-04-08；

2016-06-25。

中国地质调查局 “全国重要矿种成矿区划部署研究(编号: 12120114051501)” 项目资助。

吴波(1981—)，男，高级工程师，主要从事地质找矿勘查与评价工作。Email: 1208834071@qq.com。

P611.2+2; P618.45

A

2095-8706(2016)06-0017-09