劉辰生，金中國，郭建華

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海平面變化對沉積型鋁土礦富集成礦的影響——以黔北鋁土礦為例

劉辰生1, 2，金中國3，郭建華1, 2

(1. 中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，長沙 410083；2. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083；3. 貴州省有色金屬地質(zhì)和核工業(yè)地質(zhì)勘查局，貴陽 550005)

黔北鋁土礦是我國超大型鋁土礦礦床，該礦床為沉積型鋁土礦，其成礦過程受到海平面變化的影響。通過對研究區(qū)鋁土礦含礦巖系沉積相和地球化學(xué)分析，可知含礦巖系鋁土礦主要形成于湖泊相濱淺湖亞相，即鋁土礦形成于淡水環(huán)境，并且不同相帶分布著不同結(jié)構(gòu)的鋁土礦；含礦巖系綠泥石黏土巖和鋁土巖形成于扇三角洲和潮坪相。海平面上升旋回以綠泥石巖和鋁土巖沉積為主，而海平面下降旋回以鋁土礦沉積為主。海平面下降旋回的跨時遠大于海平面上升旋回的跨時，這也說明鋁土礦形成于漫長的風(fēng)化淋濾過程。研究區(qū)鋁土礦含礦巖系最多可識別出3個海平面升降旋回，這3個旋回與研究區(qū)周緣同期的碳酸鹽巖和碎屑巖沉積旋回具有一致性和可對比性。

海平面變化；鋁土礦含礦巖系；湖泊相；沉積旋回；顆粒狀鋁土礦

鋁土礦分為紅土堆積型和紅土沉積型，前者為沒有經(jīng)過搬運和沉積作用的風(fēng)化層原地聚集；而后者是風(fēng)化紅土經(jīng)過搬運后再沉積形成。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水介質(zhì)類型、水動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試手段的限制，早期研究者均認為鋁土礦形成于原巖原地風(fēng)化林濾形成，沒有經(jīng)過長距離搬運。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]。章柏盛據(jù)詳實的地化資料、古生物化石、巖石礦物組合以及沉積構(gòu)造等綜合判斷黔中鋁土礦主要形成于海平面上升期的海灣瀉湖環(huán)境[4]。我國北方也普遍存在海相成因的鋁土礦，其中以河南新安郁山鋁土礦床最為典型，研究表明該鋁土礦在沉積過程中先后共經(jīng)歷了3次海平面升降旋回，鋁土礦原巖主要形成于海平面上升期[5?6]。黔北鋁土礦原巖沉積環(huán)境包括陸相、海相和海陸過渡相，海平面變化對鋁土礦的富集成礦具有重要影響[7?9]，進一步的研究認為黔北鋁土礦原巖受到了2~3次海平面周期性變化的影響[10]，但是海平面變化在鋁土礦富集成礦的作用仍是有待深入研究的重要問題。

黔北位于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱鳳岡北北東向構(gòu)造變形區(qū)內(nèi)，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)造運動，包括元古代的武陵運動至新生代的喜山運動等(見圖1)，其中，中生代的燕山運動對研究區(qū)的構(gòu)造變形影響最大。已有的研究表明，本區(qū)對鋁土礦成礦有影響的構(gòu)造活動有4次，分別為廣西運動、紫云運動、黔桂運動以及東吳運動等[12?13]。研究區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育，以NNS向為主，背斜的規(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、探槽和巖心。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。樣品測試在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國家重點實驗室進行。樣品微量元素含量測試采用酸溶法，將樣品烘干后粉碎，煅燒2~4 h以去除有機質(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)進行測試分析。

圖1 黔北地區(qū)地質(zhì)概況：1—侏羅系；2—三疊系；3—二疊系?石炭系(鋁土礦賦存層位)；4—志留系；5—奧陶系； 6—寒武系；7—斷層；8—地層界線；9—地名；10—省界線；11—鉆井；12—探槽；13—研究區(qū)范圍；14—連井剖面線

2 黔北鋁土礦含礦巖系沉積相類型

2.1 鋁土礦含礦巖系巖性特征

黔北地區(qū)鋁土礦分布于二疊統(tǒng)梁山組中部，鋁土礦的下部和上部為綠泥石粘土巖(綠泥石巖)和鋁土巖，鋁土礦、綠泥石巖和鋁土巖組成鋁土礦含礦巖系(見圖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。鋁土礦可分為致密、半土、碎屑、豆鮞4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 鋁土礦含礦巖系沉積相類型

雖然鋁土礦原巖經(jīng)過表生風(fēng)化作用，但是其仍保留了沉積期的特征，如沉積韻律和分布形態(tài)。根據(jù)22口鉆井取心和10條探槽資料(見圖1)，研究區(qū)鋁土礦含礦巖系可識別出3種沉積相，分別為扇三角洲相、湖泊相和潮坪相。

扇三角洲相主要分布在研究區(qū)的南部正安縣?九曲一線和東部道真縣?湄水一線，是含礦巖系下部綠泥石巖重要的沉積相類型。扇三角洲相巖性以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，分選性中等。礫石的成分以黏土巖為主，懸浮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，巖層中不具沉積構(gòu)造，平面上，該相帶呈扇形。

湖泊相是含礦巖系中鋁土礦原巖主要的沉積相類型。雖然鋁土礦原巖沉積期研究區(qū)由于準平原化已經(jīng)變得非常平坦了，但是仍然存在地勢較低的匯水洼地，這些洼地是各類鋁土礦原巖主要的沉積區(qū)。由于地表水的常年補給，匯水洼地常具有一定的水體深度。根據(jù)鋁土礦沉積特征，可以判斷該匯水洼地以濱湖和淺湖為主。濱湖亞相位于浪基面以上，水動力條件較強，部分鉆井巖心資料中仍可見波狀層理以及由于波浪作用導(dǎo)致鮞狀鋁土礦破碎的現(xiàn)象。淺湖亞相由于水動力條件相對較弱，所以是土狀和碎屑狀鋁土礦原巖的沉積相帶。實際上，沉積型鋁土礦原巖沉積過程與水動力密切相關(guān)。通過扇三角洲搬運來的鋁土巖和綠泥石巖等鋁土礦成礦母巖，在濱湖較強水動力條件作用下，形成粗粒成礦母巖，而細粒的成礦母巖則在水動力較弱的深水區(qū)沉積，因此，研究區(qū)鮞粒鋁土礦多呈帶狀分布在湖盆周緣。而較細的鋁土礦則分布在水體較深、水動力條件較弱的淺湖區(qū)。

潮坪相是含礦巖系中綠泥石巖和鋁土巖的主要沉積相類型。針對含礦巖系元素分析表明，綠泥石巖和鋁土巖中的Sr/Ba平均比值為38.9，為海相沉積；而同一地區(qū)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]。杜遠生等[8]在2014年也認為研究區(qū)梁山組發(fā)育半封閉海灣，應(yīng)為潮坪相沉積。實際上，綠泥石巖和鋁土巖也廣泛發(fā)育各類鋁土質(zhì)的顆粒，且顆粒含量呈現(xiàn)下多上少，下粗上細的正韻律，如W19井鋁土巖中廣泛發(fā)育鮞狀和豆狀鋁土巖。另外，在安場向斜西側(cè)還發(fā)育石英砂巖，該石英砂巖位于鋁土礦含礦巖系的下部，層位上與綠泥石巖對應(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]。石英砂巖和含顆粒鋁土巖均為潮坪相潮間帶?潮下帶沉積，其水動力條件較強。潮坪相還有另外一個顯著的特征，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)為潮上帶水動力較弱的條件下的沉積。

圖2 黔北地區(qū)T6探槽梁山組鋁土礦含礦巖系沉積相劃分：1—頁巖；2—鋁土巖；3—灰?guī)r；4—綠泥石巖；5—鋁土礦； 6—炭質(zhì)泥巖；7—泥巖；8—不整合面

3 研究區(qū)周緣海平面升降旋回

黔北鋁土礦沉積期約100 Ma，期間是全球海平面變化較頻繁的時期[15]，晚古生代冰期和間冰期的交替是造成海平面變化的主因，并可劃分出3期大規(guī)模的冰期[10]。鍶同位素研究清晰的反映出貴州羅甸早二疊世海平面變化規(guī)律，共劃分出3次海平面升降旋回，其中第二旋回的跨時最長[16]。早二疊世黔北地區(qū)沉積屬中揚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。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沉積過程中海平面變化的重要參考。由于古地貌和物源等地質(zhì)條件的影響，梁山組沉積期黔北地區(qū)周緣的沉積旋回存在一定的差異：貴州獨山剖面可識別出3個海平面升降旋回，在湖南田心坪可識別出2個旋回，而湖南馬底驛僅能識別出1個旋回。

貴州獨山剖面梁山組的3個海平面升降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(簡稱帶)為特征(圖3)，海平面上升期以中至厚層灰?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)育帶(簡稱帶)、帶(簡稱帶)，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)育帶(簡稱帶)，以灰?guī)r為主。3個海平面變化旋回中SQ2旋回海平面變化的幅度最大。

湖南田心坪早二疊世剖面梁山組可識別出2個海平面升降旋回，自下而上分別命名為SQ1和SQ2。SQ1旋回發(fā)育化石帶(簡稱.帶)，以灰?guī)r和含燧石結(jié)核的灰?guī)r為主；SQ2旋回發(fā)育帶，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。該剖面2個海平面變化旋回中以SQ2海平面變化幅度最大。

湖南馬底驛剖面梁山組僅識別出1個海平面升降旋回(SQ1)。該旋回僅發(fā)育化石帶，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。

根據(jù)古生物化石對比可知貴州獨山剖面SQ1和SQ2旋回和湖南田心坪剖面SQ1和SQ2旋回具有很好的對應(yīng)關(guān)系。而馬底驛剖面SQ1與其他兩個剖面的SQ1旋回具有良好的對應(yīng)關(guān)系(見圖3)。因此，總體來看，研究區(qū)周緣梁山組最多可識別出3個海平面升降 旋回。

圖3 黔北地區(qū)鄰區(qū)下二疊統(tǒng)沉積旋回劃分：1—生物灰?guī)r；2—含藻灰?guī)r；3—顆?；?guī)r；4—灰?guī)r；5—白云巖；6—砂巖；7—泥巖

4 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)殇X土巖、下鋁土礦、鋁土巖和上鋁土礦或炭質(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，還應(yīng)與海平面的變化有關(guān)。通過鋁土礦含礦巖系的巖性和地球化學(xué)分析可以確定其海平面變化。地球化學(xué)分析是分析沉積環(huán)境和判斷海平面升降旋回的重要手段，其中常用的元素分析包括Sr/Ba值、V/Ni值和(B)值[17]。表1所列為黔北地區(qū)鋁土礦含礦層序V/Ni值(即(V)/(Ni))。大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，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Sr/Ba值大于0.6且小于1。此外，V/Ni比值也能夠反應(yīng)沉積物暴露風(fēng)化時間的長短，比值越大暴露風(fēng)化時間越長，反之越短。(B)小于60×10?6，為陸相環(huán)境，大于100×10?6為海相環(huán)境，大于60×10?6而小于100×10?6為海陸過渡環(huán)境。根據(jù)研究區(qū)巖石Sr、Ba和B的測試結(jié)果，可以判斷含礦巖系中鋁土礦形成于陸相淡水環(huán)境，而綠泥石巖和鋁土巖為海相沉積。鋁土礦樣品中V/Ni值為4.24，鋁土巖和綠泥石V/Ni值分別為0.29和0.38(見表1)，因此鋁土礦暴露風(fēng)化的時間遠比綠泥石巖和鋁土巖長。這也符合鋁土礦成礦規(guī)律，只有鋁土礦的成礦母巖經(jīng)過長期的暴露和風(fēng)化作用才能形成高品位的鋁土礦，尤其是在地表徑流和淺水湖泊等酸性環(huán)境中更有利于鋁土礦母巖的脫硅、富鋁。根據(jù)鋁土礦、鋁土巖和綠泥石巖地化指標垂向變化可以分析海平面變化規(guī)律。以W17鉆井為例，根據(jù)含礦巖系(B)值可以分析各巖性段沉積環(huán)境，進而總結(jié)海平面升降規(guī)律。該井SQ1旋回下部為致密鋁土巖，其B含量155，為海相沉積，SQ1旋回上部為鮞狀鋁土礦，B含量突減為48，應(yīng)為陸相淡水沉積，因此由鋁土巖至鋁土礦，沉積環(huán)境由海水變?yōu)榈?，是海平面逐漸下降的過程。SQ2旋回下部為碎屑狀鋁土巖，其B的平均含量約為110，為海相沉積；SQ2旋回上部為含炭屑鋁土礦，其B的平均含量約為45，應(yīng)為陸相淡水沉積，因此由碎屑狀鋁土巖至含炭屑鋁土礦，沉積環(huán)境由海相變?yōu)殛懴啵呛Ｆ矫嬷饾u下降的過程。SQ3旋回下部為碎屑狀鋁土巖，其B含量為150，表明其為海相沉積，至此，該井鋁土礦含礦巖系的海平面變化旋回結(jié)束。該井由2個完整的海平面升降旋回和一個海平面上升半旋回組成?？偨Y(jié)來看，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個旋回，且具有可對比性(見圖4)，因此，研究區(qū)含礦巖系沉積期海平面升降變化的旋回與鄰區(qū)碳酸鹽巖或碎屑巖相一致。

表1 黔北地區(qū)鋁土礦含礦層序V/Ni值

圖4 黔北鋁土礦含礦巖系旋回劃分及對比(剖面位置見圖1)：1—韓家店組；2—黃龍組；3—梁山組；4—不整合面；5—旋回界線；6—最大海泛面；7—含碳屑碎屑狀鋁土礦；8—碎屑狀鋁土礦；9—鮞粒狀鋁土礦；10—黃龍組灰?guī)r；11—韓家店組泥巖；12—樣品；13—旋回編號；14—致密狀鋁土巖；15—碎屑狀鋁土巖；16—含碎屑鮞粒狀鋁土巖；17—含鮞粒碎屑狀鋁土巖；18—含鮞粒鋁土巖；19—海平面下降期；20—海平面上升期

5 海平面變化對鋁土礦富集成礦的控制作用

鋁土礦含礦巖系巖性及其沉積環(huán)境和地化指標之間具有良好的對應(yīng)關(guān)系，綠泥石巖和鋁土巖無論Sr/Ba值還是V/Ni值均顯示為海相環(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；根據(jù)鋁土礦的Sr/Ba值和(B)值可以判斷其為陸相淡水沉積，結(jié)合巖性特征判斷其應(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沉積的綠泥石巖或鋁土巖，同時也是鋁土礦的母巖。金中國等[18]通過鋁土礦碎屑鋯石U-Pb年齡測試認為，鋁土礦初始物源為新元古代青白口紀Rodinia超大陸裂解裂谷盆地沉積(見圖5)，直接物源為母巖(主要來自研究區(qū)周邊隆起區(qū)的韓家店組泥頁巖和砂質(zhì)頁巖)的風(fēng)化產(chǎn)物。這些風(fēng)化產(chǎn)物經(jīng)過地表徑流和扇三角洲的搬運，并在潮坪相帶中沉積。值得注意的是，海侵的過程時間較短暫，隨后的海平面下降期才是鋁土礦形成的時期。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，地表徑流攜帶的鋁土礦母巖在濱淺湖沉積，并接受波浪和湖流等水動力的作用，使顆粒鋁土礦沉積在湖盆邊緣的濱湖區(qū)，而土狀鋁土巖則沉積在水動力較弱的淺湖區(qū)。隨后的2次海平面上升期均沉積鋁土巖，而海平面下降期則形成鋁土礦。V/Ni值分析表明鋁土礦風(fēng)化成礦期跨時遠比綠泥石巖和鋁土巖的長，這也說明海平面下降期的跨時遠比海平面上升期長，這與全球早二疊世大冰期海退以及小規(guī)模海侵的大背景是一致的[16]。

6 結(jié)論

1) 黔北地區(qū)鋁土礦含礦巖系可識別出扇三角洲相、潮坪相和湖泊相等3種沉積相類型，其中扇三角洲相和潮坪相是綠泥石巖和鋁土巖主要的沉積相類型，而湖泊相是鋁土礦主要的沉積相類型。

2) 鋁土礦成礦過程是沉積分異的過程，成礦母巖經(jīng)地表徑流和扇三角洲搬運至濱淺湖，在波浪和湖流的作用下充分風(fēng)化，形成顆粒狀鋁土礦，而細粒的鋁土礦則形成于水體相對較深、水動力相對較弱的淺湖區(qū)。

3) 鋁土礦形成于海平面下降期，而海平面上升期則以綠泥石巖和鋁土巖為主。地化指標顯示，鋁土礦沉積和成礦期遠比綠泥石巖和鋁土巖的沉積期長，正是由于成礦母巖在陸相酸性介質(zhì)中長期的風(fēng)化才形成了研究區(qū)高品位的鋁土礦。

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Effect of sea level change on enrichment and mineralization of bauxite—Taking Qianbei bauxite for example

LIU Chen-sheng1, 2, JIN Zhong-guo3, GUO Jian-hua1, 2

(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring,Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China;3. Non-ferrous Metals and Nuclear Industry Geological Exploration Bureau of Guizhou, Guiyang 550005, China)

Qianbei bauxite deposit, which is the biggest bauxite deposit of southern China, is sedimentary type bauxite, and is affected by change of sea level. Based on the analysis of facies and geochemistry of bauxite bearing rock series in the studied area, the bauxite is known to form in shore lake and shallow lake. So, the bauxite is deposited in fresh water. The hydrodynamic condition determines types and grade of bauxite. The chlorite rock and bauxite rock are deposited in fan delta and tidal flat facies. The chlorite rock and bauxite rock are deposited during rise of sea level, and the bauxite is deposited during drop of sea level. The span of drop period is much greater than that of rise period, which explains why bauxite forming is a long weathering progress. Up to three cycles can be identified during deposit of bauxite bearing rock series, and the three cycles are consistent with corresponding period deposit of carbonate rock and clastic rock in adjacent area.

sea level change; bauxite bearing rock series; lacustrine; deposit cycle; grain bauxite

Project(2017JJ1034) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province, China

2017-03-10;

2017-05-30

LIU Chen-sheng; Tel: +86-18773188632; E-mail: lcsjed@163.com

湖南省自然科學(xué)基金資助項目(2017JJ1034)

2017-03-10；

2017-05-30

劉辰生，副教授，博士；電話：18773188632；E-mail：lcsjed@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.05.15

1004-0609(2018)-05-0985-09

P618.45

A

(編輯 何學(xué)鋒)