广西平果堆积型铝土矿成矿封闭环境研究

祝瑞勤，奚小双，吴堑虹，杨震

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083;2.长沙有色冶金设计研究院，湖南长沙410011)

广西平果堆积型铝土矿成矿封闭环境研究

祝瑞勤1，2，奚小双1，吴堑虹1，杨震1，2

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083;2.长沙有色冶金设计研究院，湖南长沙410011)

通过堆积矿矿-土组合特征的研究，揭示了平果矿区在强烈剥蚀环境中堆积矿保存的地质条件，将矿层结构类型划分为斜坡型、洼地型和塌陷型，明确了它们与矿区岩溶地貌分带对应、继承演化的关系。通过矿层地球化学分析，在矿土物源关系、风化程度、成矿相关性等方面揭示了堆积矿在演化过程中风化强、剥蚀弱的特点，这种特点有利于铝土矿的成矿。矿层地球化学特征与矿层结构型式指示堆积矿具有不同的保存方式。从斜坡型、洼地型到塌陷型，岩溶发育程度逐渐增强、水系活动从地表转变为地下。地壳的垂直运动及前峰面侵蚀形成了堆积矿保存的封闭环境，同时也存在形成开放环境使堆积矿流失的条件。

铝土矿层;物质来源;岩溶封闭地貌;广西平果

0 引 言

广西平果堆积型铝土矿是形成在岩溶地貌环境中的矿床，矿床处在云贵高原东部边缘带，自新近纪以来喜马拉雅造山运动波及本区，造成地壳抬升和强烈的剥蚀作用(万天丰，2004;李德文等，2000)，形成平果堆积型铝土矿的现代地貌剥蚀作用应该起始于第四纪(谭明，1993;张起钻，1999;柴宗新，1989)。虽然在岩溶作用中非溶物质可以集中形成土层，但是在达到侵蚀夷平面之前由于发生水土流失和土壤丢失作用，土层难以保存下来(李德文等，2001;李明琴等，2007)。但在区域地壳隆升的剥蚀条件下，平果矿区以及桂西地区堆积铝土矿的广泛分布，表明在岩溶地貌中存在特殊的封闭条件，这是研究堆积型铝土矿床形成机制的基本因素，也是深入认识其成矿规律需解决的重要问题。

平果矿区分布短轴背斜式构造，在剥蚀作用下原生矿层形成穹窿圈闭的形态围限堆积矿。那豆和太平矿区是由穹窿分隔的两个相邻矿区，那豆矿区探采资料比较全面，是本文主要研究对象，而太平矿区岩溶侵蚀程度更高，具有对比研究的意义。国外学者从地貌特征演化和矿石特征探讨过铝土矿的形成及保存(Taylor et al.，2008a)，国内学者从构造控制角度探讨铝土矿分布规律(陈旺，2007)，本文尝试性地围绕矿-土关系开展堆积矿层结构和成分的研究，发现堆积矿以分带为基础表现出不同的保存方式、相应的成分变化特征以及形成矿区地貌封闭的不同条件。由于矿区的封闭环境是岩溶地貌与常态地貌机制差异作用的结果(杨明德等，1998;崔之久等，2001)，因此在小区域中堆积矿形成并保存的前提是地壳抬升与地形侵蚀达到平衡(卡森和柯克拜，1984;Kevin and Yanni，2008)，而这种平衡是多因素综合作用的结果。

1 堆积矿层结构特征

平果堆积铝土矿层结构型式是反映堆积矿成矿方式和保存机制的基本现象。对那豆矿区堆积矿层剖面进行了广泛调查，根据矿区地貌分带布置有代表性的观测点(图1)。堆积矿层结构观测内容为矿块粒度，矿-土体积比以及由此表现的分层，观测结果(表1)表明矿层之间结构的变化主要表现在分层性和分带性的差别，并与地貌分带类型关系密切，国外某些铝土矿床也表现了相似特点(Muzaffer et al.，2009;Dariush et al.，2010)。

根据与地貌分带的对应关系将堆积矿层结构划分为三种型式，即斜坡型、洼地型和塌陷型(图2)。斜坡型矿层分布在丘陵斜坡上，平面上具有与坡向一致的粒度分带，即从坡顶往坡底方向粒度由粗变细，这反映了斜坡流水搬运特征;而剖面上矿层粒度分布均匀，不显示明显的分层。洼地型矿层分布在岩溶峰林区的洼地中，具有剖面上的双层结构特征，下层堆积矿具有单向水平粒度分带，与斜坡堆积矿分带特征相似，上层堆积矿在洼地边缘粒度大于洼地中部，且矿块粒度大小混杂。塌陷型矿层分布在塔状峰林区洼地中，矿层结构特点是矿层厚度变化大，堆积矿粒度变化不规则，不显示统一的粒度分带和分层，矿层可以在山峰边坡上有很大的厚度。

图1 那豆矿区观测点分布及地质略图Fig.1 Geological map with distribution of observation points for the Nadou deposit

表1 堆积矿层剖面特征Table 1 The profile characteristics of the accumulative bauxite

图2 堆积矿层类型剖面示意图Fig.2 Profiles of the accumulative bauxite ore beds

研究表明，平果矿区岩溶地貌具有分带性，并且反映了岩溶发育的连续演化过程(图1)(祝瑞勤等，2011)。矿区矿层结构型式及其变化表现了堆积矿演化和继承的关系，并与矿区岩溶地貌类型的分带和演化关系相对应，Zarasvandia等 (2008)对伊朗Zagros造山带的喀斯特型铝土矿的研究结果也显示了类似的关系。堆积矿层为适应所赋存位置岩溶地貌形态的改变而形成新的矿层结构，同时部分保留早阶段岩溶地貌中形成的矿层结构特征。堆积矿演化中矿层型式的变化反映了新的地貌环境下搬运方式的改变，后期矿层之所以继承前期矿层结构，是因为堆积矿在后续剥蚀时能够保持原地位置。早期丘陵斜坡堆积矿层的结构成为后来堆积矿层结构的基础，指示了堆积矿分布的基本规律和成矿地貌的演化过程。

2 堆积矿层地球化学及含矿率特征

平果堆积铝土矿按照0.3mm粒径界线划分为矿和土，由于洗矿分离的土为废料，所以已有的堆积矿研究资料主要局限于矿(卢文华等，2000)。堆积矿在地表演化中化学成分的变化(Taylor et al.，2008;Zarasvandia et al.，2010)只有进行矿 -土组合的完整地球化学成分研究，才可能作为揭示堆积矿在风化剥蚀中的保存特征，说明矿区封闭成矿条件的有效依据。为此开展了土的物质来源和风化程度，以及矿-土成分相关性的研究。样品采自矿层剖面，矿的样品在原生矿露头附近采集。

堆积矿铝矿物成分的研究表明，铝土矿的主要矿物是一水铝石，而堆积矿的土中发现三水铝石，并可达到较高的含量(30%～50%)。一水铝石是矿区原生矿的矿物成分，它们经过现代风化作用后变成三水铝石分布到土中(刘长龄，1981)，这可能是土中铝矿化程度提高的原因之一。

通过稀土元素分析方法(Özlü，1983;Leonid，1996;Paola et al.，2007)探讨堆积矿中土的物质来源，研究表明土壤与基岩及成土母质之间的稀土元素具有继承性关系(赵志忠等，2006)。分别选择矿区及附近主要出露的二叠纪页岩、灰岩、煤及铁质风化壳样品，石炭纪和泥盆纪灰岩，三叠纪的凝灰岩及铝土矿进行稀土元素分析，并与土进行比较。表2、图3表明在各类样品中，铝土矿与土的稀土元素特征值最为接近:土的∑REE平均值为537.86μg/g，铝土矿的∑REE平均值为471.09μg/g，其他样品的∑REE与土样相差较大。所有样品均表现出为轻稀土相对富集、重稀土相对亏损的特点，土样的LREE/HREE均值为7.99，铝土矿的LREE/HREE均值为6.07，二者均值较接近。四个铝土矿样品中，两个样品δCe值大于1，一个样品的δCe值接近1，仅有一个样品出现负异常，总体反映铝土矿应形成于较还原、缺氧环境;土样的δCe值介于0.61～0.70之间，为中度负异常，应形成于较氧化的环境中。与其它样品相比，铝土矿与土的配分曲线相似程度最高，并出现重叠;土与页岩的配分模式图不同之处在于土样在元素Ce、Tb处向下倾斜，而页岩在元素Ce处呈下凹状，在Tb处呈上扬趋势;灰岩在元素Ce处明显下倾，呈尖锐V字型，且在Er与Lu之间呈下倾趋势。土与凝灰岩、铁质风化壳样品及煤的稀土元素特征值也都有明显差异，配分曲线相似度相对较低。从以上特征来看，土的主要物质来源应为铝土矿，推测其为铝土矿风化的产物。

矿层中土风化程度表现了堆积矿的成矿作用特点(续海金和马昌前，2002)，并能够反映堆积矿成矿地质条件和演化过程。基于那豆矿区地貌分带的39个土样的主量元素含量(MacLean et al.，1997)进行了土的风化系数计算，结果表明堆积矿土的风化程度存在差异(表3)(Ida Valeton，1994)，核部带风化程度最强，内侧带次之，外侧带风化程度最弱，显示了土风化程度空间变化与矿区地貌演化分带一致的特点，即矿区岩溶地貌发育强度增加，土风化程度也增加。堆积矿的矿-土成分含量及演化反映了风化作用中堆积矿内部元素变化关系，也为分析堆积矿土的成矿提供了依据。那豆矿区各带堆积矿主要成矿元素含量的对比结果显示土与矿的变化趋势基本一致(表3)，即从外侧带到核部带，铝含量增加，硅含量减少，只有核部带土的铝含量呈现下降趋势。说明堆积矿中土与矿的风化作用相似，遵循风化作用中元素变化的一般规律(席承藩，1991;陈骏和王鹤年，2004)。

表2 那豆矿区矿石和岩石稀土元素含量(μg/g)及特征值Table 2 REE contents of the accumulative bauxites and strata at the Nadou deposit(μg/g)

图3 那豆矿区铝土矿与地层稀土元素模式图Fig.3 Chondrite normalized REE patterns of the accumulative bauxites and strata at the Nadou deposit

表3 那豆矿区各带矿-土主量元素含量(%)和风化程度特征值Table 3 Chemical compositions and weathering values of the soil samples in different zones at the Nadou deposit

根据堆积矿中土来源于矿的认识，土的元素含量应该与矿的元素含量间存在相关性。堆积矿中矿与土的成矿元素含量相差较大，通过概略计算各带中元素含量相差的幅度即变化率，比较分带之间的变化率来反映风化过程中元素变化趋势(表4)，变化率为正表示矿风化中未进入土的元素比例。对元素变化率进行综合研究表明，硅在土中含量高是因为风化初期硅比铝更多进入土中;核部带硅的变化率绝对值减小说明随风化加强仍有更多铝进入土中。就矿-土之间关系，铝的变化率往核部带应该是减小的，对应铝更多进入土中，而变化率实际上表现为增加，指示铝还有流失到矿区以外的部分。因为硅在矿与土中含量都是降低的，说明硅流失到矿区以外的更多。土在风化中的元素变化趋势总体上是铝含量增加，硅含量降低。分析认为，堆积矿风化初期铝在矿块中比较稳定，土中铝含量较低，土中硅含量较高说明硅易于从矿块中风化迁移进入土中。而随着风化程度加强，矿块中的铝更多的迁移至土中，而硅从矿和土中同时发生流失。土中铁含量在各分带上变化不明显，可能与土壤淀积分层有关，其变化率低，对硅铝影响不大。

表4 那豆矿区堆积矿分带成矿元素变化率Table 4 Elements changing rates of the accumulative bauxites in different zones at the Nadou deposit

已有很多分析数据证明土的矿化指标达到工业要求，近年来随着太平矿区投入开采更多的分析结果同样表明土可达到工业品位。现有资料指示在一定范围内堆积矿土的矿化程度与风化程度成正比，因此在某些区域土可能成为堆积矿的一部分，目前有关研究论证工作正在进行。

矿区大量数据统计表明从外侧带到核部带堆积矿含矿率呈现下降的趋势，那豆矿区外侧带为0.93，核部为0.79，太平矿区外侧带为0.87，核部带整体为0.77，核部带南为0.84。但是两矿区含矿率下降幅度差异明显，那豆矿区为0.15，太平矿区为0.12，其南部为0.03。一方面随着堆积矿风化发展含矿率降低，同时堆积矿发生机械流失又使含矿率上升，因此含矿率反映了它们的动态关系。堆积矿风化速率相同时，含矿率降幅减缓说明堆积矿机械流失增加，因此太平矿区堆积矿机械流失大于那豆矿区，太平矿区南部堆积矿机械流失显著增加。

地球化学研究揭示了风化过程中平果矿区堆积矿保存的特征，即矿区风化作用发育充分，而剥蚀作用相对微弱，表现为矿区地层溶蚀彻底，堆积矿保存良好。堆积矿风化不仅使矿块的铝含量上升，同时风化成土过程也使铝得到完好保存，进而证实矿区处于良好的封闭成矿环境。如果矿区在岩溶发育的某阶段出现堆积矿流失，表明封闭环境受到破坏。

3 堆积矿成矿的保存机制分析

平果矿区岩溶地貌具有特定的边界条件限制了堆积矿因剥蚀发生流失，把堆积矿封闭在矿区范围内。封闭边界条件既是岩溶地貌形态(Petrascheck，1989)，也是岩溶侵蚀作用方式，使岩溶地貌在演化过程中发生空间变化。矿区地貌的封闭环境在一定条件下可能被破坏，使岩溶侵蚀导致堆积矿发生流失。

从演化顺序看堆积矿结构类型的关系为，斜坡堆积矿是基础，洼地堆积矿是主体，塌陷堆积矿进入后期流失状态。斜坡堆积矿是原生矿层剥蚀后在重力作用下顺斜坡搬运至坡下台阶上堆积，堆积矿水平迁移分量限于斜坡宽度，重力分选形成堆积矿的平面分带。当斜坡出现两级台阶并同时保存堆积矿时，可连接形成大宽度堆积矿分布。上部台阶被剥蚀时，上部台阶堆积矿可下迁至下部台阶堆积矿之上，形成两层堆积矿结构，与洼地双层矿化相似。丘陵斜坡堆积矿伴随倾斜原生矿层的剥蚀不断向矿区外侧发展，斜坡和台阶对应于地壳上升期和稳定期。由于地壳频繁上升，堆积矿来不及向河流搬运分散，滞留在上升台阶上，当岩溶作用继续作用，丘陵斜坡后又转变为峰林洼地，形成峰林洼地堆积矿。可见斜坡堆积矿的保存，是因为地壳上升速度快于堆积矿剥蚀搬运速度(图4)。洼地下层堆积矿形成于早期斜坡环境而具有分选分带特征，成为峰林洼地后堆积矿汇集到洼地中形成上层堆积矿，以矿土混合为特征。

图4 平果矿区堆积矿层结构演化模型图Fi.4 Evolution model of the accumulative bauxite ore beds at the Nadou deposit

因为堆积矿的覆盖使岩溶洼地的侵蚀转移到矿层与地层接触面上，降水通过洼地底部渗透到地下水系中，风化前锋面机制使洼地发生深部侵蚀(崔之久等，2001;李景阳等，2001)，以维持岩溶侵蚀和堆积矿风化。这种机制使堆积矿发生渐变的垂直方向迁移，堆积矿不被剥蚀而保留早期形态。前锋面的持续发展可导致深部溶洞坍塌，矿层产生塌陷式垂直搬运，破坏了洼地堆积矿原来的矿层结构，同时可能沿地下溶洞层发生水平迁移而造成堆积矿流失，降水沿垂直和水平两个方向运动(程星和黄润秋，2002)，太平矿区的塔峰区塌陷型矿层分布非常普遍。

堆积矿三种结构类型表现了不同的岩溶侵蚀、堆积矿剥蚀和保存方式，矿层结构与堆积矿保存的特征相对应，具有一致的保存程度和变化趋势。它们是矿区地貌演化过程中不同发育阶段岩溶类型差异的结果，所以堆积矿结构又表现出继承性关系。

铝土矿成矿的有利地貌条件是能够充分进行化学风化作用，同时减少机械剥蚀作用(布申斯基，1984)。矿-土同源的地球化学证据说明堆积矿在风化中得到了完好保存，堆积矿风化层是稳定的。平果矿区土与矿风化程度同步发展的关系指示它们之间没有发生超越分带的远距离分离迁移，这与矿层结构的继承性特征非常吻合。堆积矿的矿-土成分相关性特征说明风化作用下堆积矿中的硅迁移流失，而铝较少发生流失，逐步转移到堆积矿的土中。平果矿区采矿资料表现了堆积矿中土的矿化程度的变化，符合风化发展提高土的矿化含量的趋势。矿区堆积矿发生明显的流失出现在太平矿区南部塔峰区，这里塔峰分布密度最高，堆积矿发育塌陷矿层结构(熊康宁，1994;杨明德等，1998)，堆积矿含矿率相对上升，同时铝的含量开始下降，表明堆积矿发生机械剥蚀作用。

堆积矿风化成土过程与矿区岩溶地貌的演化过程是对应的，岩溶地貌发育过程中硅始终流失，铝在丘陵到锥峰阶段得到较好的保存，风化作用中铝更多的从矿进入土中，铝含量在矿-土系统中整体保持稳定。在塔峰强烈发育阶段铝发生流失，导致堆积矿矿化开始减弱。

铝土矿成矿的化学风化作用需要的地貌环境，是风化壳中保持较高的流水速率使硅充分流失，但是又不造成铝土矿层的剥蚀迁移(崔之久等，1998;李德文等，2002)。平果矿区因为处在造山带边缘地壳抬升的环境，堆积矿保存的条件有利是矿区保持较高的流水速率，同时避免强烈剥蚀造成堆积矿流失的不利条件。平果矿区处于区域剥蚀的大环境中的小区域封闭地貌环境，在外侧边缘靠矿区持续扩展封闭堆积矿，在矿区内部地貌分带间的正地形阻隔堆积矿迁移，形成平面封闭条件，洼地的风化前锋面则形成矿区深部的封闭边界条件。这种封闭环境为矿区自身地质条件所致，因此堆积矿成矿有其必然性。随着岩溶侵蚀的发展，封闭环境会受到破坏，堆积矿逐渐流失在矿区已经显现，所以堆积矿的保存具有暂时性。

4 结论

(1)堆积矿层划分为三种结构型式，分别反映了不同的成矿方式;同时它们间具有继承关系，而矿层型式与矿区地貌分带的对应关系反映了岩溶地貌控制成矿作用，与地貌演化一致的成矿过程。

(2)地球化学特征说明堆积矿中土来源于铝土矿，风化中堆积矿没有发生远距离剥蚀搬运，与矿层结构继承性特征一致，堆积矿风化成土有使土矿化程度提高的趋势，使矿区土具有成矿价值。

(3)堆积矿结构类型反映不同的保存机制，地表和矿层底部形成封闭边界条件，在剥蚀为主的区域环境中形成了矿区小区域三维空间的封闭地貌条件，但在晚期出现了地下溶洞层的开放环境。

(4)地壳持续上升是堆积矿被保存的内动力条件，所形成的年青岩溶地貌限制了堆积矿的剥蚀，而水系的发育有利于化学风化的进行，创造了堆积矿品质改善的条件，但是不能避免封闭环境到后期逐渐被破坏的趋势。

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Enclosed Environment for Mineralization of Accumulative Bauxites in Pingguo，Guangxi

ZHU Ruiqin1，2，XI Xiaoshuang1，WU Qianhong1and YANG Zhen1，2
(1.School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha410083Hunan，China;2.Changsha Engineering and Research Institute of Nonferrous Metallurgy，Changsha410011，Hunan，China)

The study investigates the preservation of the Pingguo accumulative bauxite deposit under intensive denudation condition via the study of the ore-soil composition.The ore beds can be divided into hill-slope，depression and collapse，and inherited karst landforms.The geochemical characteristics of the soil and ore beds indicate that the strong weathering and weak erosion favored the bauxite mineralization.The preserve modes of the bauxites vary with increasing degree of karst development and the shift of drainage pattern from surface to underground.Hence，the enclosed environment resulted in the accumulation of bauxite while the vertical crustal movement and pilot surface erosion may also lead to open condition and cause the loss of accumulative bauxite.

ore beds of accumulative bauxite;material source;enclosed condition of karst landform;Pingguo，Guangxi

P611.2

A

1001-1552(2011)03-0386-008

2010-10-12;改回日期:2011-02-15

项目资助:中国铝业集团重要科研项目(项目编号:GX2007CAQB01)。

祝瑞勤(1963-)，男，教授级高工，中南大学在读博士生，矿产普查与勘探专业。