黔北务川瓦厂坪铝土矿床元素迁移规律研究

金中国， 向贤礼， 黄智龙， 刘 玲

(1.贵州省有色金属和核工业地质勘查局，贵州贵阳 550005; 2.中国科学院地球化学研究所，贵州贵阳 550001)

0 引言

黔中和黔北地区铝土矿成因类型主要属于古风化壳沉积型(廖士范，1986，1989;刘长岭，1987;刘巽锋等，1990)，铝土矿成矿物质来源主要来自下伏碳酸盐岩或碎屑岩地层，这些地层在古隆起的地质历史时期经历了数千万至数亿年的风化剥蚀和准平原化过程，形成富含Al、Ti、Si等较惰性元素的古风化壳，后经不同距离的搬运、迁移，在适宜的环境沉积分异形成铝土矿。黔北务正道地区铝土矿找矿取得重大突破后，近年关于铝土矿成矿地质特征、成矿规律、矿床成因及找矿潜力分析的公开文献报道较多(武国辉等，2006，2008;刘平，2007;金中国等，2009)，但对铝土矿成矿过程中元素的迁移富集与贫化机理的定量研究，本文尚属首次，国内外相关方面的报道也较少。

众所周知，铝土矿成矿母岩在铝土矿化过程中必定会伴随质量和体积的变化，因此，通过对比研究新鲜岩石、矿化岩石、矿石的地球化学成分，从微观角度定性地讨论矿化过程中元素的活动规律，为定量探讨主要成矿元素及伴生元素的迁移富集与贫化(亏损)机理提供科学证据，同时为研究区域古沉积环境演变及成矿作用提供新的信息。关于铝土矿化作用过程中元素的迁移能力和富集作用，已有众多学者的报道(Boulange et al.，1990，1994;Mongelli，1997;Mordberg，2001;Meyer，2002;Laskou、Economou－Eliopoulos，2007)。元素迁移的各种计算方法也较成熟，包括:体积因素方法(Gresens，1967)，惰性元素方法(Nahon，1973;Nesbitt，1979;Markovics，1979)，质量平衡方程和图解法(Grant，1986)等。由于质量平衡方程和图解法是综合其他方法的优点发展起来的，计算方便，数据及图件能较直观地反映矿化过程中元素质量的变化特征，因此，本次利用此方法研究务川瓦厂坪铝土矿主要成矿母岩(韩家店组)→中间产物(铝土质页岩)→铝土矿过程中元素的迁移量及迁移比例。

图1 贵州务川瓦厂坪矿床区域地质及典型剖面图Fig.1 Map showing regional geology and typical cross section in the Wachangping ore district in Guizhou Province1－下三叠统夜郎组;2－上二叠统长兴组;3－上二叠统吴家坪组;4－中二叠统栖霞组和茅口组;5－中二叠统梁山组;6－下、中志留统韩家店组;7－奥陶系、寒武系;8－地质界线;9－断裂;10－铝土矿层;11－钻孔及编号;12－省界;13－瓦厂坪矿床; Ⅰ－扬子地台;Ⅱ－华南褶皱带;Ⅲ－右江裂谷带1－Lower Triassic Yelang Formation;2－Upper Permian Changxing Formation;3－Upper Permian Wujiaping Formation;4－Middle Permian Qixia＆Maokou Formations;5－Middle Permian Liangshan Formation;6－Lower－Middle Silurian Hanjiadian Formation;7－Cambrian＆Ordovian; 8－geological boundary;9－fracture;10－bauxitic seams;11－boreholes and number;12－the boundary of provinces;13－Wachangping deposit; ;Ⅰ－Yangtze Platform;Ⅱ－fold belt of South China;Ⅲ－Youjiang rift zone

1 区域地质背景

区内广泛出露寒武系、奥陶系、志留系中下统、二叠系和三叠系地层，缺失志留系上统、泥盆系、石炭系下统及上统马平组地层。二叠系中统梁山组、石炭系上统黄龙组与下伏的志留系韩家店组呈假整合接触。梁山组为含矿层位，赋矿围岩主要是炭质页岩、钙质页岩、泥灰岩。区内无火成岩出露。

区域构造处于扬子准地台遵义断拱北北东构造变形区内，主体构造格架呈北北东向展布。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(点)20余处，铝土矿床(点)均分布于向斜构造内。近年，已探明铝资源量约1.5亿吨，其中务川瓦厂坪铝土矿4397万吨①(图1)。

2 矿床地球化学特征

(1)铝土矿层中总体反映出Al2O3与TiO2含量成正比(表1)，与SiO2含量成反比;土状、碎屑状铝土矿石Al2O3含量和铝硅比均比致密块状、鲕状、豆状矿石高。

(2)含矿岩系底板的韩家店组(S1－2hj)紫红色、绿色条带砂页岩中，Al2O3含量是P2l炭质页岩、泥灰岩的20倍以上，是碳酸盐岩的50倍以上，表明S1－2hj风化残留物可能为该区铝土矿的形成提供丰富的物源。

(3)稀土元素含量与矿石质量总体呈正相关关系，LREE/HREE均大于1，显示轻稀土较富集;铝土矿层及志留系韩家店组的稀土总量含量较接近。

(4)Th、U、Ha、Zr、Ta等元素地球化学特征显示(表2)，成矿物源既有强烈红土化作用产物，也可能有风化作用不彻底或者沉积混杂所致，具多源性，且铝土矿的主要物质来源与下伏基底S1－2hj砂页岩关系密切。

表1 瓦厂坪铝土矿床主元素分析结果(ωB/%)Table 1 Analysis results of major elements in the Wachangping bauxite deposit(ωB/%)

表2 瓦厂坪铝土矿床稳定元素含量及比值(Al2O3、TiO2ωB/%，其它ωB/10－6)Table 2 Contents and ratios of stable elements in the Wachangping bauxite deposit (Al2O3，TiO ωB/%，others ωB/10－6)

图2 瓦厂坪铝土矿床主要母岩(1)→铝土质页岩(2)形成Grant图解(图中箭头所指为相对不活动元素，下图相同)Fig.2 Grant diagrams showing major host rocks(1)→bauxitic shale(2)in the Wachangping bauxite deposit.(arrows refer to relatively inactive elements，the same in the following diagram)

(5)Sr/Ba及Be含量揭示，铝土矿形成环境可能主要为内陆河湖沼泽环境，局部为局限海域的滨海前缘。

3 铝土矿成矿过程中元素迁移特征

3.1 方法简介

Grant(1986)推导的质量平衡方程:

3.2 计算过程

从相关数据分析得知(金中国，2009)，矿区内韩家店组岩石的地球化学成分相对稳定，而铝土质页岩和铝土矿的地球化学成分均具有较宽的变化范围，因而选用同一钻孔的样品进行元素活动规律计算更具代表性。本次研究样品采自ZK7－4钻孔，其中1号样品为韩家店组页岩，代表成矿母岩;2号样为梁山组中的铝土质页岩，代表成矿中间产物;3、4、5号样分别为致密块状、鲕状、碎屑状或土状铝土矿(样品代号下同)，其Al2O3含量及Al2O3/SiO2比值逐渐升高(表3)，代表铝土矿化的富集过程。

Grant图解表明，从韩家店组页岩→铝土质页岩，相对不活动的为P2O5、Cd、Cu和Ge(图2A、B)，计算的斜率为0.907;从铝土质页岩→致密块状铝土矿，相对不活动为LOI(挥发分)、In、As、Sr、Dy和Ho等(图3A、B)，计算的斜率为1.034;从致密块状铝土矿→土状、碎屑状铝土矿，相对不活动的为MnO、Fe2O3、LOI、Cr、Sb、Hf和Ga(图4A、B)，计算的斜率为1.022。将每个过程中的斜率代入公式(3)，计算出元素的迁移量及迁移比(元素迁移量与元素在原岩中的含量之比)。

3.3 计算结果

3.3.1 成矿母岩→铝土质页岩

代表成矿母岩韩家店组→中间产物铝土质页岩，即铝土质页岩形成过程。该过程中主要元素Al2O3、TiO2、Na2O和 LOI明显富集(迁移量为正值)，迁移比例分别为255.32%、112%、183.97%和91.14%，该阶段是铝质富集的重要阶段，而SiO2、Fe2O3、MgO、CaO和K2O亏损(迁移量为负值)(表3、图5－A)，表明铝质富集过程中的脱铁及MgO、CaO和K2O流失作用;微量元素Li、Sc、V、Cr、Ni、Ag、In、Sn、Ga、As、Zr、Nb、Hf、Ta、Pb、Bi、Th和U等均明显富集，尤以Li、Pb、Cr最为显著，迁移比例均大于500%，而Co、Cs、Ba、Zn、Rb、Sr、W和Tl等相对亏损(表3、图6－A);轻稀土元素(LREE)(La→Gd)相对亏损;而重稀土元素(HREE)(Tb→Lu)明显富集，表明本区铝土质页岩形成过程中 LREE和HREE具有不同的活动规律。

3.3.2 铝土质页岩→致密块状铝土矿

该过程代表块状铝土矿形成过程，该过程中主要元素Fe2O3、MnO、MgO、CaO、K2O明显富集，迁移比例均大于100%，Al2O3弱富集，而SiO2、Na2O为亏损元素(表3、图5－B);微量元素均明显富集，尤以Ag、Nb、Sn、Mo、Hf、Ta、Th、U显著，迁移比例均大于100%，而Be、Sc、Co、Ni、Cu、、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Pb和Er等相对亏损(表3、图6－B)。

3.3.3 致密块状铝土矿→土状、碎屑状铝土矿

代表致密块状铝土矿→半土状、碎屑状铝土矿，即土－半土状、碎屑状铝土矿形成过程。该过程中主要元素仅Al2O3、TiO2、MgO进一步富集，其余为不同程度的亏损(表3、图5－c)，微量元素中Be、Sc、V、Cr、Ag、Sn、Ba、Ge、As、Sr、Y、Nb、Mo、REE、Hf、Ta、Tl、Bi、Th和U等均呈不同程度富集，以Co、Cd、Ge、Mo、La、Ce、Pr最显著，而Li、Cs、Ba、Zn、Zr为亏损元素(图6－c)。稀土元素中轻稀土元素富集程度相对高，而重稀土元素富集程度低，表明铝土矿进一步富化过程中，轻、重稀土元素具有差异性活动特征。

据研究(MacLean等，1997)，在风化过程中，Y通常被视为较稳定的不迁移元素，但在黔北瓦厂坪研究区它具有明显的迁移富集特征，推测Y应在勃姆石和水铝石中富集，因为这两种矿物具有较强的吸附能力。

表3 瓦厂坪铝土矿形成过程中质量平衡计算Table 3 Calculations of the mass balance in the process of Wachangping bauxite mineralization

续表

图5 铝土矿形成过程主要元素质量平衡计算结果Fig.5 Calculation results of major elements mass balance during the formation process of bauxiteA－页岩→铝土质页岩;B－铝土质页岩→致密块状铝土矿;C－致密块状铝土矿→土状铝土矿A－shale→bauxitic shale;B－bauxitic shale→dense，compact masses of bauxite; C－dense，compact masses of bauxite→bauxite in earthy form

4 结论

(1)瓦厂坪铝土矿矿床地球化学特征研究表明，成矿母岩较复杂，具多源性，但主要元素和微量元素的富集与韩家店组具有相似性，揭示中下志留统韩家店组是最重要的成矿母岩。

(2)质量平衡方程和图解法计算结果显示，韩家店组砂、页岩→铝土质页岩、粘土岩过程中，主要元素Al2O3、TiO2明显富集，迁移比例高，该阶段是铝质富集的重要阶段，而SiO2、Fe2O3、MgO、CaO和K2O亏损，表明铝质富集过程中的脱硅、脱铁及MgO、CaO和K2O流失作用;该过程还表明，原岩经风化残积、各种运力作用搬运沉积，大量元素由于地球化学性质、物理特性相近或相似，均与成矿元素Al同迁移、同富集。

(3)韩家店组→铝土质页岩→铝土矿，Al2O3的含量明显增加，且A12O3和A12O3/SiO2与K2O、Na2O、CaO、SiO2呈负相关关系，与TiO2呈显著的正相关，充分反映出铝土矿成矿过程中，K2O、Na2O、CaO、SiO2易发生溶解、淋滤流失，而 TiO2由于难溶、地球化学性质稳定，与A12O3同迁移，同富集。

(4)铝土矿形成过程中微量元素总体表现出惰性元素逐步富集，活泼元素逐渐亏损，反映出风化、迁移富集成矿特征。

图6 瓦厂坪铝土矿床铝土矿形成过程微量元素质量平衡计算结果Fig.6 Calculation results of trace element mass balance during the formation of the Wachangping bauxite deposit

［注释］

① 苏书灿，赵远由.2007贵州省务川县瓦厂坪铝土矿区详查报告［R］.

Boulange B，Muller J B，Sigolo J B.1990.Behaviour of the rare earth elements in a lateritic bauxite from syenite(Bresil)［J］.Chemical Geology，84:350－351

Boulange B，Colin F.1994.Rare earth element mobility during conversion of nepheline syenite into lateritic bauxite at Passa Quatro，Minais Gerais，Brazil［J］.Applied Geochemistry，9:701－711

Grant J A.1986.The isocon diagram:A simple solution to Gresens's equation for metasomatic alteration［J］.Economic Geology，81:1976－1982.

Gresens R L.1967.Composition－volume relationships of metasomatism［J］.Chemical Geology，2:47－65

Jin Zhong－guo，Wu Guo－hui，Zhao Yuan－you，Su Zhi－liang.2009.Geological characteristics of Wachangping bauxite deposit in Wuchuan，Guizhou Province［J］.Mineral Resources and Geology，23 (2):137－141(in Chinese with English abstract)

Jin Zhong－guo，Wu Guo－hui，Huang Zhi－long，Bao Miao，Zhou Jiaxi.2009.The geochemical characteristics of Wachangping bauxite deposit in Wuchuan County，Guizhou Province，China［J］.Acta Mineralogica Sinica.，29(4):458－462(in Chinese with English abstract)

Laskou M，Economou－Eliopoulos M.2007.The role of microorganisms on the mineralogical and geochemical characteristics of the Parnassos－Ghiona bauxite deposits，Greece［J］.Journal Of Geochemical Exploration，93:67－77

Liao Shi－fan.1986.Genesis and sedimentation process of bauxite in China［J］.Acta Sedimentologica Sinica，4(1):1－7

Liao Shi－fan.1989.A research on the paleogeographic and oreforming conditions for early carboniferous paleo－weathered crust bauxite deposits in Guizhou，Sichuan，Hunan and Hubei［J］.Acta Geologica Sinica，63(2):148－157(in Chinese with English abstract)

Liu Chang－ling.1987.Genetic types of bauxite in China［J］.Science in China series B)，17(5):535～543(in Chinese with English abstract)

Liu ping.2007.Bauxite geology in the Wuchuan－Zheng’an－Daozhen area，northern Guizhou［J］.Geology and Prospecting，43(5):29－33(in Chinese with English abstract)

Liu Xun－feng.1990.Discussions on the genesis for paleokarst lateritic bauxite in northern Guizhou［J］.Acta Geologica Sinica，64(3):238－246(in Chinese with English abstract)

MacLean W H，Bonavia F F，Sanna G.1997.Argillite debris converted to bauxite during karst weathering:evidence from immobile element geochemistry at the Olmedo Deposit，Sardinia［J］.Mineralium Deposita，32:607－616

Meyer F M，Happel U，Hausberg J，Wiechowski A.2002.The geometry and anatomy of the Los Pijiguaos bauxite deposi t，Venezuela［J］.Ore Geology Reviews，20:27－54

Mongelli G.1997.Ce－anomalies in the textural components of Upper Cretaceous karst bauxites from the Apulian Carbonate platform (southern Italy)［J］.Chemical Geology，140:69－79

Mordberg L E，Stanley C J，Germann K.2001.Mineralogy and geochemistry of trace elements in bauxites:the Devonian Schugorsk deposit［J］.Russia Mineralogical Magazine，65:81－101

Nesbitt H W.1979.Mobility and fractionation of rare earth elements during weathering of a granodiorite［J］.Nature，279:206－210

Norton S A.1973.Laterite and bauxite formation［J］.Economic Geology，68:353－361

Wu Guo－hui，Liu You－ping，Zhang Ying－wen.2006.Geological characteristics and Bauxite resources potential in the Wuchuan－Zheng’an－Daozhen area，northern Guizhou［J］.Geology and Prospecting，42(2):39－43(in Chinese with English abstract)

Wu Guo－hui，Jin Zhong－guo，Baomiao，Miao Zuo－lin.2008.Bauxite metallogenic regularity in the Wuchuan－Zheng’an－Daozhen area，northern Guizhou［J］.Geology and Prospecting，44(6):31－35(in Chinese with English abstract)

［附中文参考文献］

金中国，武国辉，赵远由，苏之良.2009.贵州务川瓦厂坪铝土矿床地质特征［J］.矿产与地质，23(2):137－141

金中国，武国辉，黄智龙，鲍 淼，周家喜.2009.贵州务川瓦厂坪铝土矿床地球化学特征［J］.矿物学报，29(4):458－462

廖士范.1986.我国铝土矿成因及矿层沉积过程［J］.沉积学报，4 (1):1－7

廖士范.1989.黔川湘鄂早石炭世古风化壳铝土矿床的古地理与成矿条件的研究［J］.地质学报，63(2):148－157

刘长龄.1987.中国铝土矿的成因类型［J］.中国科学(B辑)，17(5): 535－543

刘 平.2007.黔北务－正－道地区铝土矿地质概要［J］.地质与勘探，43(5):29－33

刘巽锋.1990.论黔北铝土矿的古喀斯特－红土型成因［J］.地质学报，64(3):238－246

武国辉，刘幼平，张应文.2006.黔北务－正－道地区铝土矿地质特征及资源潜力分析［J］.地质与勘探，42(2):39－43

武国辉，金中国，鲍 淼，毛佐林.2008.黔北务正道铝土矿成矿规律探讨［J］.地质与勘探，44(6):31－35