桂西田阳堆积型铝土矿矿物学及地球化学

蔡书慧，刘学飞，孟健寅，孙思磊

(中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083)

1 概述

桂西铝土矿资源丰富，矿床类型有两种。第一种是沉积型铝土矿，产在下二叠统茅口组灰岩之上、中二叠统合山组底部;第二种是堆积型铝土矿，产于第四纪红土层中。

桂西铝土矿成矿理论的研究经历了较长的一个阶段。诸多研究者对桂西堆积型铝土矿矿床地质特征、矿体形态与矿石结构等展开了详细的研究工作(廖思福，2000;祝瑞勤等，2011)。近年来，研究者对桂西沉积型和堆积型铝土矿物质组成及其特征进行了大量的研究工作(刘枝刚，2005;潘思贵，2006;戴塔根等，2003)。物质来源是桂西铝土矿研究中的一个焦点和难点，经历了长时间的探索(韦国深，1999;戴塔根等，2003;王力等，2004;刘学飞等，2008;Liu et al，2010)。但是，沉积型铝土矿的母岩类型一直备受争议。基于矿床特征、物质组成以及物质来源研究之上，部分学者也展开了对桂西堆积型铝土矿成矿规律和矿床成因的探索(张起钻，1999;潘思贵，2006;Liu et al，2010)。

本文选取桂西田阳堆积型铝土矿为研究对象，分析其矿物组成、地球化学特征，探索其物质来源。

2 区域地质与矿床地质

2.1 区域地质

田阳铝土矿大地构造位置处于南华准地台右江再生地槽靖西-田东隆起的西南部(广西壮族自治区区域地质志，1985)，如图1-a。区域地层出露有寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、白垩系、第三系及第四系。除白垩系、第三系和第四系为陆相沉积，寒武系、下泥盆统下部、中三叠统百蓬组为海相陆源碎屑岩沉积外，其余地层均为海相碳酸盐岩沉积，海相碳酸盐岩地层沉积厚度达6000多米。其中上二叠统底部产沉积型铝土矿，第四系更新统产堆积型铝土矿。除下泥盆统与下伏寒武系呈角度不整合接触，上二叠统与中二叠统呈平行不整合接触，白垩系与下伏地层呈角度不整合接触，第三系及第四系与下伏地层呈角度不整合接触外，其余地层之间为整合接触(广西壮族自治区区域地质志，1985)。

区域构造变形复杂，本区北西向褶皱最为发育，次为北东向褶皱和东西向褶皱，此外还有少数近南北向褶皱。褶皱构造控制铝土矿的分布，沉积铝土矿一般出露于向斜翼部，堆积铝土矿分布于背斜内侧或向斜外侧。区内断裂构造亦发育，按走向大致可划分为三组，主要为北西向，次为北东向，少数近东西向。断裂的发育破坏了沉积铝土矿的连续性，却可促进堆积铝土矿的形成。

2.2 矿床地质特征

田阳铝土矿矿区内出露地层有下泥盆系、下-中石炭统、二叠系、三叠系、第四系。其中上二叠统底部产沉积型铝土矿，第四系更新统产堆积型铝土矿。区内断裂构造发育，主要为北西向、北东向断裂，也有少数东西向断裂(图1-b)。

矿体形态、产状与其所在的地貌形态一致，部分矿体矿化不连续，平面上一般多呈不规则状、枝状、条带状等，边界多呈港湾状;剖面上常呈似层状、透镜状、扁豆状;矿体产状平缓且较稳定，主要受基底形态制约，随基底的起伏而起伏，底面凹凸不平，总体产状较为平缓。

3 矿石结构与矿物组成

图1 桂西田阳铝土矿矿床综合地质图(a－研究区大地构造位置图;b－研究区地质简图)Fig.1 Geological map of the Tianyang bauxite deposit in western Guangxi Province(a－map showing tectonic location of the study area;b－simplified geological map of the study area)1-第四系;2-三叠系灰岩、砂岩和页岩;3-上二叠统硅质灰岩;4-中、下二叠统碳酸盐岩;5-石炭系碳酸盐岩;6-中、上泥盆统碳酸盐岩和页岩;7-下泥盆统砂岩和灰岩;8-第四纪堆积铝土矿;9-泉水、河流和水库;10-地层界线;11-平行不整合;12-正断层;13-逆断层;14-断层倾向和倾角;15-断层编号1-Quaternary;2-Triassic limestone，sandstone and shale;3-upper Permian siliceous limestone;4-Lower-Middle Permian carbonate rocks;5-Carboniferous carbonate rocks;6-Middle-Upper Devonian carbonates and shale;7-Lower Devonian sandstone and carbonates;8-Quaternary accumulation-type bauxite;9-spring，stream and reservoir;10-stratigraphic boundary;11-disconformity;12-normal fault;13-reverse fault;14-strike and dip of a fault;15-fault number

作者对采集的矿石样品进行显微镜观察(17个)和XRD分析(6个样品)。XRD分析在中石油勘探开发科学研究院实验中心粉晶衍射室完成。使用仪器为日本理学D/Mac-RC，试验条件为:靶-CuKα1，电压-40kV电流-80mA，石墨单色器，扫描方式为连续扫描，扫描速度8°/分，狭缝DS=SS= 1°，环境温度18℃，湿度30%。半定量分析方法引自Liu et al(2010)。

3.1 矿石结构构造

肉眼观察矿石样品主要为紫红色、浅灰色以及黄色等。显微镜下观察，矿石结构主要以隐晶质、微晶、鲕粒和少量碎屑结构为主。鲕粒和碎屑颗粒分散在微晶和隐晶质基质矿物中。基质以隐晶质结构为主，局部出现自形-半自形的矿物。典型的矿石结构见图2。矿石构造为块状构造。

图2 典型矿石结构显微照片Fig.2 Microphotographs showing texture of typical bauxite samplesa-豆鲕状结构、隐晶质结构;b-豆鲕状结构、隐晶质结构;c-微晶、隐晶质结构;d-微晶结构;e-碎屑结构;f-碎屑结构、微晶结构a-ooidic and cryptocrystalline texture;b-ooidic and cryptocrystalline texture;c-microcrystalline and cryptocrystalline texture;d-micro crystalline texture;e-clastic texture;f-clastic and microcrystalline texture

3.2 矿石矿物组成

在矿石全岩分析的基础之上，本次研究从分析的17个铝土矿矿石样品中挑选出6个具有代表性的矿石样品进行X衍射测试分析。X衍射分析结果见图3、表1和表2。

X衍射图谱显示组成铝土矿矿石的主要含铝矿物是硬水铝石，X衍射半定量分析结果显矿石样品中硬水铝石含量为55%～85%，均值为66.83%;大部分矿石样品中含有少量三水铝石。

含铁的氧化物主要为赤铁矿以及少量针铁矿;在X衍射图谱上，由于强烈的风化作用致使赤铁矿、针铁矿中有广泛的类质同象代换现象，出现峰值的偏移现象。X衍射半定量分析显示，矿石样品TY -12和TY-16中含有赤铁矿，含量分别为17%和4%;针铁矿在X衍射峰中不明显，X衍射半定量分析显示有3个样品含少量针铁矿。

X衍射分析显示矿石中可以识别出钛的氧化物有两种:一种是含量较高的锐钛矿;另一种是含量较少的金红石，金红石在一些样品X衍射谱上没有明显峰值。锐钛矿以及金红石在整个矿石中含量较为稳定，锐钛矿半定量分析结果为5%～14%，均值为10.12%。

半定量分析显示矿石样品中粘土矿物主要为高岭石或伊利石(表2)。粘土矿物总含量为1% ～30%，均值为18%。

4 矿床地球化学

图3 典型铝土矿矿石样品X衍射图谱Fig.3 XRD patterns of six typical bauxite ore samplesD-硬水铝石;G-三水铝石;Go-针铁矿;H-赤铁矿;A-锐钛矿;R-金红石;C-鲕绿泥石;K-高岭石;I-伊利石D-diaspore;G-gibbsite;Go-goethite;H-hematite;A-anatase;R-rutile;C-chamosite;K-kaolinite;I-illite

表1 典型铝土矿矿石样品X衍射全岩半定量分析结果Table 1 Semi－quantitative mineralogical analyses of typical bauxite samples(%)

表2 典型铝土矿矿石样品X衍射粘土矿物半定量分析结果Table 2 Semi－quantitative mineralogical analyses of clay mineral(%)

所有样品的化学分析在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所的廊坊地质与勘探实验室完成。样品在研磨成粉末前用去离子水清洗，然后研磨到200目以下。常量元素用X荧光(XRF)方法测定，分析仪器为Phillips PW1400;FeO采用重铬酸钾滴定法测定。微量元素和稀土元素用ICP-MS测定;分析过程中采用的标样为GSD-1和GSR-1。大部分常量元素的分析精度为1%～5%，Na2O和MnO的分析精度为5%～10%。微量元素和稀土元素的分析精度为5%～10%。

4.1 常量元素

常量元素分析结果显示铝土矿矿石的常量元素以Al2O3、Fe2O3、H2O+、SiO2、TiO2、FeO为主，这六种元素之和范围在 97.4～99.59%之间，均值为98.43%。其中，Al2O3含量为30.87% ～75.7%，均值为57.22%;Fe2O3含量为0.24%～35.18%，均值为12.31%;FeO含量为0.08% ～8.56%，均值为1.72%;SiO2含量为 0.33% ～37.09%，均值为8.68%;TiO2是较为稳定的元素组分，含量为3.46%～8.06%，均值为5.13%;H2O+含量范围为7.45%～16.18%，均值是13.42%;其余组分含量之和不足3%。矿石中A/S比值比较高，而且变化也较大(表3)。A/S比值范围为0.9～210.03，均值为30.73，A/S比值高的原因是矿石中Fe2O3含量高，而SiO2含量低。

常量元素相关性分析结果见表4。结果显示Al2O3与SiO2呈现明显的负相关性，其相关系数为-0.66，反映二者在铝土矿矿石中呈现互消长变化。Al2O3与Fe2O3呈现明显的负相关性，相关系数为-0.88，反映二者在成矿过程中相互消长。Al2O3与H2O+的相关系数为0.51，反映大量的结构水存在于硬水铝石矿物中。元素相关性显示铝土矿成矿过程为粘土矿物分解、铁质矿物流失与铝的氧化物和氢氧化物不断形成的过程。

4.2 微量元素

本次研究分析微量元素26种(B、Ba、Sr、Be、Bi、Cr、Cs、Cu、F、Ga、Hf、Li、Nb、Ni、P、Rb、S、Sc、Ta、Th、U、W、Zn、Zr、V、Y)，为探索矿石中微量元素的特征，选择原始地幔作为对比来研究矿石中微量元素的富集与亏损规律。

微量元素分析结果见表5。图4显示了所有样品微量元素与原始地幔相应元素比值配分图。图中可以明显看出，田阳铝土矿矿石样品，相对于原始地幔均具有较为一致的变化规律;从图表(图4、表5)中可以简单分析出矿石样品微量元素变化规律:矿石明显富集挥发性元素B、F和P;S元素变化较大，富集亏损规律不明显，这与铝土矿形成环境以及其中一些含硫矿物的存在有密切关系。碱性元素Li变化较大，多数矿石富集，不同样品间变化幅度较大，仅有一个样品亏损，整体表现为明显富集。碱土元素Be明显富集，Ba略显富集，变化幅度较大，Sr略显富集。酸土元素Zr、Hf、Nb、Ta、W变化比较一致，表现为明显的富集。放射性元素U、Th均表现为明显的富集，样品变化规律一致。样品中亲硫元素Cu、Zn既有富集又有亏损，但总体表现为富集。而Ni则表现为明显亏损，Cr略显亏损。

表3 铝土矿矿石样品常量元素及其特征表(%)Table 3 Major element compositions of bauxite samples(%)

表4 铝土矿矿石样品常量元素相关性矩阵Table 4 Correlation matrix of trace elements for bauxite samples

表5 铝土矿矿石样品微量元素及其特征表Table 5 Trace element compositions of bauxite samples

表6 铝土矿矿石样品稀土元素及其特征表Table 6 Rare earth element compositions of bauxite samples

4.3 稀土元素

稀土元素分析结果及其特征见表6。分析结果显示:稀土总量变化较大，∑REE范围为115.21× 10-6～2127.71×10-6;平均值为624.1×10-6，可见稀土总量较高，总体表现出明显的富集特征。L/H为2.67～34.14，均值为12.21，矿石整体明显富集轻稀土。(La/Yb)N为2.16～38.68，比值均大于1，配分曲线呈右倾型特征(图5)。(La/Sm)N为3.47～19.8，说明轻稀土元素间分馏作用明显，(Gd/ Lu)N为0.55～3.12，反映了重稀土元素间明显分馏作用较明显。矿石Ce异常变化较大，δCe为0.31～6.69，均值为1.71，绝大多数分析样品显示正异常，样品TY-9和TY-10为负异常。Eu异常比较稳定，为负异常，δEu为0.41～0.68，均值为0.54。

5 物质来源

由于受复杂的成矿过程以及后期风化、淋滤等作用的影响，使得喀斯特型铝土矿的物质来源变的非常复杂。本文主要根据区域地质条件以及地球化学、矿物学方面特征对田阳铝土矿的物质来源进一步厘定。作者主要利用一下方法和图解推断田阳铝土矿的物质来源:① Zr/Hf，Nb/Ta图解(Calagari and Abedini，2007);② Eu/Eu*-Al2O3/TiO2图解(Mongelli，1993;Mameli et al.，2007);③Ga-Zr-Cr图解法(Özlü，1983)。

5.1 Zr/Hf、Nb/Ta图解

铝土矿中稳定元素比率(如Ti/Zr)和母岩中稳定元素比率相似(Valeton et al.，1987)，并且可以用来确定母岩(Calagari and Abedini，2007)。图6显示了田阳铝土矿矿石、铁镁质岩质岩和底板碳酸盐岩的Zr/ Hf和Nb/Ta图解。铁镁质岩数据来自于Fan et al. (2008)分析的桂西铁镁质岩质岩(～259 Ma)的化学成分，底板碳酸盐岩数据来自于Deng et al.(2010)分析的桂西二叠纪茅口组碳酸盐岩的化学成分(表7)。

图6 田阳铝土矿矿石、铁镁质岩和碳酸盐岩(a)Zr/Hf和(b)Nb/Ta图解Fig.6 Binary diagrams showing correlations between(a)Zr and Hf;(b)Nb and Ta for the Tianyang bauxite samples，mafic rocks and carbonate rocks

表7 桂西铁镁质岩和底板茅口组碳酸盐岩Zr、Hf、Nb、Ta含量表Table 7 Contents of Zr，Hf，Nb and Ta in mafic rocks and bottom Maokou Formation carbonate rocks

由图6可以看出，矿石与铁镁质岩和底板碳酸盐岩地Zr/Hf、Nb/Ta比值很接近，矿石与铁镁质岩和底板碳酸盐岩都有较好的线性关系。这说明桂西二叠纪铁镁质岩和底板茅口组碳酸盐岩与田阳铝土矿存在密切的关系。

5.2 Eu/Eu*-Al2O3/TiO2图解

图7显示了铝土矿样品Eu/Eu*-Al2O3/TiO2图解。图中显示铝土矿矿石样品比较接近上地壳(UCC)，反映物质来源可能与上地壳物质有关系。样品相对分散，反映在矿化过程中重矿物TiO2等进一步得到富集。虽然数据整体落在上地壳(UCC)上方，但是其分散性较大，只能说明铝土矿物质来源与上地壳物质更加接近。

图7 田阳铝土矿矿石样品Eu/Eu*－TiO2/Al2O3图解Fig.7 Diagrams showing correlation between Eu/Eu* and TiO2/Al2O3for the Tianyang bauxite samples

5.3 Ga-Zr-Cr图解

图8呈现了样品中微量元素Ga-Zr-Cr三角图解。图解显示样品Ga含量较低，多数样品落在了区域III和IV下方，靠近B-中性物质来源区内，说明矿石物质来源可能与中性岩或者粘土岩有密切关系。

图8 田阳铝土矿矿石样品中微量元素Ga－Zr－Cr三角图解Fig.8 Ternary plot for the system of Ga，Zr and Cr showing position of the Tianyang data points图中A、B、C和D分别代表酸性岩、中性岩、基性岩和超基性岩的Zr、Cr和Ga值点;I、II、III和IV代表超基性岩、基性岩、中性岩和酸性岩能影响到的范围A，B，C and D represent the data points of Zr，Cr and Ga of acid rock，intermediate rock，basic and ultrabasic rock separately;I，II，III and IV on behalf of the influence range of ultrabasic rock，basic rock，intermediate and acid rock

通过上述方法分析显示田阳铝土矿物质来源特征比较复杂，既有上地壳岩石特征，也有地幔深部基性-超基性物质来源特征，也有底板碳酸盐岩特征，所以本研究归结田阳铝土矿物质来源可能为混合来源，是底板碳酸盐岩和周围火成岩混合风化作用的结果。

6 结论

(1)上二叠统底部夹沉积型铝土矿(岩)层，是堆积型铝土矿床的矿源层;第四系更新统岩溶堆积红土层为堆积型铝土矿赋矿层位。

(2)X衍射图谱显示组成铝土矿矿石的主要含铝矿物是硬水铝石;大部分矿石样品中含有少量三水铝石;含铁的氧化物主要为赤铁矿以及少量针铁矿;矿石中可以识别出钛的氧化物有两种:一种是含量较高的锐钛矿，另一种是含量较少的金红石;粘土矿物主要为高岭石或伊利石。

(3)通过多种方法分析显示田阳铝土矿物质来源特征比较复杂，物质来源可能为混合来源，是底板碳酸盐岩和周围火成岩混合风化作用的结果。

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