贵州织金岔河铝土矿含矿岩系特征及成矿因素探讨

周汝贤, 杨瑞东, 陈圣光

(1.贵州工程应用技术学院矿业工程学院，毕节 551700；2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；3.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025)

贵州铝土矿资源丰富，开采历史悠久。比较典型的矿床如黔中、黔北铝土矿的研究及开发已经进入相对成熟的阶段[1-16]，要想资源量有新的增长应另辟蹊径，多关注非典型的铝土矿床的成因机制，以期寻找新的增长点。在此思想的指导下，对黔南及黔东南铝土矿的认识也在不断深化[17-18]。对于黔中地区而言，前人的研究[1-11]主要是针对优势成矿区块的核心成矿部位展开工作的，即多关注典型成矿区块中的大矿、富矿，而对其外围的织金等地成矿作用研究较少。基于这样的现状，选取黔中铝土矿区西缘织金地区作为研究区，在野外工作的基础上，运用地球化学、矿物学等分析方法研究其成矿作用、沉积环境，分析该区域的成矿规律，可为黔中铝土矿进一步找矿提供理论依据。

1 黔中铝土矿成矿背景

黔中地区位于川黔古陆，自晚奥陶世至早石炭世，地壳多次发生间歇性抬升运动，使早古生代地层暴露地表，遭受强烈的物理风化和化学风化，形成红土型古风化壳，而差异抬升作用使侵蚀基准面不断改变高度，在碳酸盐岩出露地段，喀斯特地貌发育，形成溶盆、溶洼、溶坑、溶斗等一系列岩溶地貌，这些负地形成为风化壳上面的碎屑物质赋存、堆积的重要场所，也为铝土矿、黏土矿创造了适宜的矿化环境[4-5,8,17 ]。黔中铝土矿的形成便是在上述机制下完成的，由于区域侵蚀基准面的抬升，早石炭世岩关期形成的岩溶洼地在石炭纪大塘期接受冲洪积作用携带的古红土风化壳物质的充填，最终在各种富铝作用、脱铁脱硅作用下形成了铝土矿[3]。据高道德等[1]的研究，此间可接受沉积的较大规模的低地有清镇-修文溶盆、大方-纳雍溶盆、金沙-黔西溶洼、遵义-开阳溶洼(图1)。由于风化壳物质搬运、沉积的方式及洼地的类型不同，铝土矿系可具有冲洪积扇、扇三角洲和洪控湖泊等沉积类型。

图1 贵州中部早石炭世大塘期古地貌图Fig.1 The palaeogeomorphic map of Datang during the early Carboniferous in the centre of Guizhou Province

研究区所在的织金地区位于黔中清镇-修文溶盆的西部边缘，此溶盆中的铝土矿系西部覆盖于寒武系清虚洞组、高台组及石冷水组之上，东部覆盖于寒武系娄山关群古岩溶侵蚀面上，其间为假整合接触。含铝岩系的厚度变化很大，在古岩溶洼地中铝土矿系厚度大，在岩溶丘陵区，铝土矿系变薄或尖灭，因此，铝土矿体成彼此孤立的似层状或大小不等的透镜体产出。黔中的此套含铝岩系被称为九架炉组，剖面上自下而上通常分为三段：下段含铁岩系，中段含铝岩系，上段为砂岩偶夹灰岩、泥质白云岩岩系。三段共约厚20 m。

2 织金岔河铝土矿地质特征

研究区主体属扬子地层区内的上扬子地层分区之黔中地层小区，跨黔西北地层小区，地层发育齐全(图2)，自新元古界到新生界均有分布，尤以晚古生界和中生界地层最为发育。发育的地层由老到新有寒武系金顶山组(-C1j)、寒武系清虚洞组(-C1q)、石炭系摆佐组(C1b)、二叠系栖霞组(P1q)、二叠系茅口组(P1m)、二叠系峨眉山玄武岩(P2β)、二叠系龙潭组(P2l)、二叠系长兴组(P2c)、三叠系大冶组(T1d)。多年来的找矿实践表明，赋存于石炭系下统摆佐组下部的九架炉段(C1b1)为区内铝土矿的赋存层位，其特征为灰色铝土岩夹铝土矿，底部夹赤铁矿，尚产黄铁矿。下伏地层为寒武系清虚洞组，岩性为灰色白云岩，中部夹薄层泥质白云岩及泥质粉砂岩，底部为泥质条带白云岩或泥质条带灰岩。上覆地层为摆佐组上部新添段，其岩性特征为灰白色白云岩。本区断层发育，以北东向为主，少量呈北西方向展布。

1为大冶组；2为龙潭组-长兴组；3为峨眉山玄武岩；4为茅口组；5为栖霞组；6为摆佐组；7为清虚洞组；8为金顶山组；9为明心寺组；10为地层界限；11为断层；12为剖面位置图2 织金岔河铝土矿分布区区域地质图Fig.2 Geological map of Chahe bauxite deposit in Zhijin

2.1 铝土矿含矿岩系特征

为了对研究区进行更加精细的研究，笔者在研究区内选取了仰天窝、大栗树、堰塘三个典型的含矿岩系剖面进行了剖面的测制及取样，总体显示了下部铁质层、上部铝土质层的二分结构特征(图3)。

图3 织金岔河铝土矿区野外剖面实地考察图Fig.3 Photos of the field sections in the Chahe bauxite deposit，Zhijin

2.1.1 仰天窝含矿岩系剖面

图4 仰天窝铝土矿含矿岩系剖面柱状图Fig.4 Stratigraphic column of ore-bearing rock series in Yangtianwo

含矿岩系为摆佐组下段九架炉段(图4)，矿系底板为寒武系清虚洞组细晶白云岩，含矿岩系厚约10.6 m，未见顶板。根据岩性，含矿岩系从下到上可划分为铁质层和铝土质层[图3(a)]。铁质层岩性较为单一，为黄棕褐色具焦渣状结构的铁质岩。上覆铝土质层纵向上岩性特征变化明显，依次为细砾状铝土岩、致密状铝土矿、粉砂-细砂状铁质铝土岩、粗砂状铝土矿、致密状铝土矿、细砾状铝土岩、铁质岩、铁质铝土岩、砾状铝土岩、铝土质泥岩。不难看出，富铝的铝土矿及铝土岩主要分布在铝土质层下部及中部，而铝土质层的中上部及顶部则主要发育铁质含量及硅质含量较高的铁质岩及铝土质泥岩。结构上而言，致密状及粗砂状等细碎屑结构是铝土矿的主要结构类型。而具细砾结构、中砾结构的岩石，铝土质的含量常较低。

2.1.2 堰塘含矿岩系剖面

未见含铝岩系下部的铁质层[图3(d)]，剖面总体出露厚度为5.8 m左右(图5)。底部为细砾状铁质铝土岩，向上依次发育中砾状铝土岩、致密状铁质铝土岩、致密状硅质铝土岩、细砾状铁质铝土矿、中砾状铁质铝土岩、致密状硅质铝土岩、粗砂状硅质铝土岩、胶状铝土岩。顶板为新寨段粗晶白云岩。含矿岩系总体呈现出砾状层与致密状层交替产出的特征。含矿性而言，剖面上变化均不大，受岩石结构特征的影响亦较小，即具细砾状结构、中砾状结构的铝土岩和和具致密状结构、粗砂状结构的铝土岩之间的含矿性没有显著差异。

图5 堰塘铝土矿含矿岩系剖面柱状图Fig.5 Stratigraphic column of ore-bearing rock series in Yantang

2.1.3 大栗树含矿岩系剖面

图6 大栗树铝土矿含矿岩系剖面柱状图Fig.6 Stratigraphic column of ore-bearing rock series in Dalishu

含矿岩系底板清虚洞组白云岩出露厚度约为6 m[图3(b)]，下部为块状微晶白云岩(图6)，上部为薄层状微晶白云岩。含矿岩系出露厚度约为3.15 m，从下往上依次发育铁质层和铝土质黏土层。铁质层厚度较大，为1.3 m，岩性为砾状铁质岩。上部的铝土质黏土层岩性变化不大，仅颜色有所不同，均为致密状铝土质黏土岩。由于含铝岩系未见顶，加之铝土质黏土层的厚度仅1.85 m，可推测上部缺失的层位较多。在剖面边上的矿场所堆的铝土矿石，可以反映此剖面上部所缺失的铝土矿的发育特征。

根据结构进行分类，本剖面的铝土矿有如下类型：①灰色粗砂状铝土矿；②浅灰色具泥质结构铝土矿，具有水平层构造，局部可见细砂质条带；③灰色细砾状铝土矿，砾石成分为约为30%，砾石为次棱角状、分选性中等。

2.2 铝土矿矿石特征

织金岔河铝土矿结构构造特征如图7所示。矿体赋存于九架炉段含矿岩系内，总体呈层状、似层状产出，产状与所赋存的岩层产状一致。矿体中可见水平层理构造[图7(e)]、团块状构造等。矿石的结构主要有致密状结构[图7(b)，图7(e)]、砾状结构[图7(d)，图7(h)]、砂状结构[图7(c)，图7(f)]。其矿物组成可以通过XRD分析得出[19]，经测试分析，仰天窝剖面上所采集的岩性为浅土黄色致密状含粉砂质的铝土矿样品(编号为YTW-7)的矿物组成为一水硬铝石、锐钛矿、金红石[图8(a)]；堰塘剖面上总体成矿性稍差，所采的岩性为浅灰绿色致密状的铝土岩样品(编号为YT-4)中矿物组成相对复杂，除了一水硬铝石、锐钛矿、白云母外，还见有黄铁矿、石膏、高岭石等矿物[图8(b)]；大栗树剖面上岩性为灰色粗砂状的铝土矿样品(编号为DLS-K01)的矿物组成有一水硬铝石、白云母及锐钛矿[图8(c)]。

图7 织金岔河铝土矿结构构造特征Fig.7 Ore texture of Chahe bauxite in Zhijin

图8 织金岔河铝土矿矿物XRD图谱Fig.8 X-ray diffraction patterns of Chahe bauxite deposit in Zhijin

3 织金岔河铝土矿矿床地球化学特征

3.1 主量元素地球化学特征

在仰天窝、堰塘、大栗树三条含矿岩系剖面上所采的样品中选取了20件样品，运用硼酸锂熔融，X荧光光谱定量的方法对所选的样品进行了主量元素的分析，具体的分析结果如表1，表中主量元素的特征可归纳如下：

(1)仰天窝剖面，对于铝土质层而言，所采样品中的Al2O3含量为24.58%～77.82%，平均为43.36%； Fe2O3含量为1.17%～40.43%，平均为19.35%； SiO2含量为0.93%～44.53%，平均为13.65%； TiO2含量为1.11%～3.68%，平均为1.97%；烧失量为8.83%～26.29%，平均为21.15%；铁质层中Fe2O3含量为55.17%。

(2)堰塘剖面，铝土质层所采样品中的Al2O3含量为34.67%～55.74%，平均为42.63%； Fe2O3含量为1.91%～34.5%，平均为17.74%； SiO2含量为2.72%～39.76%，平均为21.25%； TiO2含量为1.75%～2.91%，平均为2.11%；烧失量为6.07%～13.96%，平均为10.65%。总的特征表现为Al2O3含量在剖面上较为稳定，变化不大，下部铝土岩的品质主要受高Fe2O3含量的影响，中上部铝土岩的品质主要是受高SiO2含量的影响。

(3)大栗树剖面，本剖面上铝土质层缺失严重，仅仅有1.85 m的铝土质泥岩层，剖面所采的4个样品主量元素成分较为接近，由于剖面厚度不大，仅取DLS-4、DLS-1参与数值的统计。结合矿场上所取的两个铝土矿样品DLS-K01和DLS-K04的主量元素分析值，得出本研究点上样品的Al2O3含量为31.93%～72.29%，平均为51.38%； Fe2O3含量为0.31%～7.62%，平均为2.78%； SiO2含量为8.95%～44.23%，平均为27.64%； TiO2含量为1.3%～2.86%，平均为2.16%；烧失量为5.84%～12.91%，平均为9.19%。本剖面的特点为铝土质层中的铝土质泥岩及铝土矿中的铁质含量均不高，但底部的铁质层中Fe2O3含量较高，达到77.85%。

主量元素的相关性图解显示(图9)，整个矿区而言，Al2O3与TiO2呈明显正相关关系，与SiO2呈弱负相关关系，表明在铝土矿成矿过程中惰性元素Al、Ti具同迁移、同富集的特征，而Si则相反，在其过程中不断发生淋滤脱硅作用而流失。当Al2O3含量>45%时， Fe2O3含量骤减，五个样品中有四个样品的Fe2O3含量均小于5%，说明本区优质铝土矿多形成低铁型。Fe2O3含量低于5%时，与SiO2含量呈弱正相关关系，当Fe2O3含量>5%时，Fe2O3与SiO2具有明显的负相关性。上述相关关系的强弱变化，数据相关性趋势的分段转变，说明本区铝土矿的形成过程较为复杂。

表1 织金岔河铝土矿含矿岩系主量元素分析结果

注：测试单位：广州澳实矿物实验室。

图9 织金岔河铝土质层主量元素相关性图解Fig.9 Correlation graph of major elements for Chahe bauxite deposit in Zhijin

对于仰天窝剖面，Al2O3与Fe2O3的关系表现为，当Al2O3含量<40%时，两者具有明显的负相关关系，但当Al2O3含量>40%时，Fe2O3的含量急剧降低，且变化不大，为1.17%～2.55%之间。Al2O3与SiO2的关系表现为，当Al2O3含量<40%时，SiO2含量较低，且与Al2O3的含量呈负相关关系。当Al2O3含量>40%时，SiO2随之激增，之后随着Al2O3含量的增加而减少。上述的关系表明，本剖面上品位较差的铝土岩多为高铁低硅型，品位较高的铝土矿则为低铁中硅型铝土矿，且随着Al2O3含量的进一步增加，硅的含量也在逐渐降低。Fe2O3-SiO2相关性图解也显示初始时Fe含量较高，随着Fe含量的锐减，Si含量骤增。总的证据表明，本矿点上铝土矿形成时物源可能为高铁型铝土岩，随着脱铁作用的进行，Si和Al的含量增加。脱铁作用结束后，脱硅作用的进行进一步使铝土矿的品位得到提高。铝土质层中下部的铝土矿品位较优，上部的铝土岩含铁量较高，可能为脱铁作用在铝土质层上部还未充分进行的缘故。

对于堰塘剖面而言，Al2O3含量与Fe2O3含量并没有表现出明显的相关性，而Al2O3含量与SiO2含量呈现出中度的负相关性，其相关性系数为-0.74。表明铝土矿的富集过程是一个逐渐去硅的过程，在此过程中Fe的运移过程较为复杂。Fe2O3-SiO2相关性图解显示Fe2O3含量与SiO2含量呈现出明显的负相关性，其相关性系数为-0.91，表明本剖面中Fe与Si并不具有共同迁移的特征，随着Si含量的减小，Fe含量增加。总的关系表明，随着排Si作用的进行，Al和Fe的含量均随之增加。与之形成对比的是，排铁作用在本剖面上表现较为复杂，铁与铝具有一定的伴生性，导致本剖面上铝土矿的品位总体而言相对较差。

对于大栗树剖面而言， Fe2O3含量总体偏低，随着Al2O3含量的增加，Fe2O3含量进一步降低。SiO2含量也随着Al2O3含量的增加而减小。上述关系表明，本剖面铝土矿脱铁作用较为彻底。除底部的铝土质泥岩表现出富硅的特点外，中、上部的铝土矿的品位总体而言较为优质。

3.2 微量元素地球化学特征

在剖面上，从含矿岩系底部到含矿岩系顶部由下到上依次进行取样，对采集的样品进行硼酸锂熔融酸消解，运用等离子体质谱定量的方法进行了微量元素的测试，分析结果如表2。各剖面的微量元素特征如下：

(1)仰天窝剖面，对于铝土质层而言，所采样品中的Ga含量为36.8×10-6～95.5×10-6，平均为56.01×10-6；Sr含量为22.2×10-6～494×10-6，平均为180.1×10-6；Ba含量为537×10-6～>10 000×10-6；Sr/Ba<0.007～0.38，均值小于0.13； Th/U=3.96～7.45，平均为5.69；在北美页岩标准化基础上计算的δCe=0.93～1.33，平均为1.13。

表2 织金岔河铝土矿含矿岩系微量元素分析结果

注：测试单位：广州澳实矿物实验室。

(2)堰塘剖面，Ga含量为31.1×10-6～59.6×10-6，平均为43.85×10-6；Sr含量为102.5×10-6～504×10-6，平均为258.8×10-6；Ba含量为51.4×10-6～594×10-6，平均为337.1×10-6；Sr/Ba=0.19～3.57，平均为1.7； Th/U=1.63～5.5，平均为3.59；在北美页岩标准化基础上计算的δCe=0.53～1.06，平均为0.75。

(3)大栗树剖面，Ga含量为37.7×10-6～81.4×10-6，平均为56.78×10-6；Sr含量为154.5×10-6～603×10-6，平均为370.9×10-6；Ba含量为1 020×10-6～1 225×10-6，平均为1 154×10-6；Sr/Ba=0.13～0.49，平均为0.32； Th/U为2.94～7，平均为5.19；在北美页岩标准化基础上计算的δCe=0.84～1.05，平均为0.93。

综合上述各剖面的分析，本研究区微量元素地球化学特征如下：铝质层中Ga元素含量较为稳定，为43.85×10-6～56.78×10-6，均能达到工业要求[20]。Sr/Ba从堰塘、大栗树、仰天窝依次减小，均值分别为1.7、0.32、<0.13, 根据淡水沉积物中Sr/Ba值<0.6，海相沉积物中Sr/Ba>1的判别原则[21]，得出仰天窝、大栗树铝土矿主要为淡水沉积，而堰塘铝土矿的沉积受海水的影响较为强烈。δCe从仰天窝、大栗树、堰塘依次减小，均值分别为1.13、0.93、0.75，根据δCe>1指示氧化环境、δCe<1指示还原环境的判别标准[22]，反映出仰天窝铝土矿沉积环境总体为氧化环境，大栗树为弱还原环境、堰塘剖面为还原环境。Th/U的环境指示意义较为丰富，据Laukas[23]的研究认为，Th/U除了可以反映风化阶段母岩所遭受的氧化及淋滤的程度外，还可以反映沉积作用阶段水体的氧化还原条件。风化作用阶段的氧化条件下，U比较容易伴随淋滤的组分被带走，而活动性差的Th在残积物中富集。所以，强烈风化的产物如黏土矿物、铝土矿等应具有较高的Th/U(>7)。另一方面，相对低的比值(<2)是由于沉积物沉积时为还原环境所造成的，机理为相应水体中的U通过有机复合物的固着作用或黏土矿物的吸附作用被提取而进入沉积物。当Th/U=2～7时，代表不完全的风化作用产物或低值产物和高值产物的混杂沉积。Th/U从仰天窝、大栗树、堰塘依次减小，均值分别为5.69、5.19、3.59。基于本区铝土矿为沉积型铝土矿的背景[1], 可得出按仰天窝、大栗树、堰塘的顺序，沉积环境呈现出氧化性依次减弱，还原性逐渐增强的趋势。

4 沉积环境讨论

从含矿岩系露头上来看，仰天窝剖面Al2O3含量大于50%的铝土矿石的结构类型为致密状及粗砂状结构，砾状结构的铝土岩品位均不高，结合粗砂质铝土矿中的碎屑颗粒分选性及磨圆度均良好的特征[图7(c)]，说明铝土质物质的形成经历了较长距离的搬运，充分的改造作用有利于高品位铝土矿的形成。堰塘剖面上铝土岩的结构复杂，致密状、粗砂状、细砾状、中砾状铝土岩均有出现，且铝土质的含量变化不大(表1)，铝土岩多为高硅型或高铁型，表明铝土岩形成过程中脱硅或脱铁均不彻底。大栗树剖面上铝土矿及铝土岩中铁质的成分均较低，说明脱铁作用进行的比较彻底，底部铁质层品位较高可能与此作用有关，此外，本剖面上存在各种结构类型的铝土矿矿石，为本研究区成矿作用最好的剖面点。

在野外工作的基础上，结合Sr/Ba、Th/U、δCe等微量元素地球化学特征，分别对堰塘、仰天窝、大栗树的沉积环境做分析。对于堰塘剖面来说，较低的Th/U及δCe反映出的偏还原性、较高的Sr/Ba反映出的强烈受海水影响的特征，说明堰塘剖面在铝土岩(矿)形成时地势可能较低，导致海水容易进入的同时，低地势容易受水体的影响，易于形成偏还原的沉积环境。与此相反，仰天窝剖面上相对较高的Th/U及δCe反映出其沉积环境较堰塘剖面为偏氧化的环境，加之Sr/Ba所体现出的淡水沉积特征，说明仰天窝剖面的铝土矿受海水影响较小的同时，氧化的条件对铝土矿的形成也有相应的作用。大栗树剖面的Th/U及δCe介于堰塘和仰天窝剖面之间。比仰天窝略高的Sr/Ba显示其仍然为淡水沉积，比仰天窝略低Th/U显示其沉积环境氧化性相对减弱，但仍然比堰塘剖面氧化性强。

综上所述，结合三个剖面上铝土矿的成矿特点，可以看出堰塘剖面整体而言成矿性较差，而大栗树及仰天窝剖面成矿性相对较好。大栗树和仰天窝再进行对比，发现大栗树弱还原沉积环境下形成的铝土矿的品位总体优于仰天窝剖面。说明对于本区域而言，淡水及弱还原环境是有利的成矿环境制约因素。根据铝土矿的结构特征、矿物组成发现，仰天窝中品质较优的铝土矿多为细碎屑状或粗砂状铝土岩，且其中的碎屑颗粒磨圆及分选均较好，结合区域背景(图1)，说明其形成应经历了较长的搬运过程。而大栗树剖面中铝土矿的结构类型多样，说明其铝土矿沉积时水动力环境较为复杂，相较而言应位于溶盆较边缘的位置。矿石矿物特征上，大栗树、堰塘等剖面具有白云母等相对不稳定的矿物，而仰天窝剖面的矿石矿物中未见有白云母的同时，还可见稳定性较高的金红石。综合分析，表明物源的运移方向应为从北面的大栗树向南边的仰天窝。再根据区域内沉积环境变化趋势，可以推测仰天窝和大栗树之间的区域应为成矿的有利区域，可以作为下步勘查的重点区域。

5 结论

(1)织金岔河铝土矿含矿岩系在剖面上具有铁-铝二分结构，即由下部的铁质层和上部的铝土质层组成。

(2)研究区铝土矿矿石的结构类型较为多样，包括有致密状结构、砾状结构、砂状结构。品位较好的铝土矿中的矿石矿物主要有一水硬铝石、锐钛矿、白云母、金红石。此外，品位较差的铝土岩中还发现有黄铁矿、石膏、高岭石等矿物。

(3)伴生矿产方面，本区铝土矿中Ga元素含量高于工业要求水平，大栗树剖面底部的铁质层中Fe2O3含量较高，两者均可作为下步开发利用的关注点。

(4)研究区最有利于优质铝土矿形成的沉积环境为大栗树剖面的淡水沉积的弱还原条件，其次为仰天窝剖面的淡水沉积的氧化条件。最不利于优质铝土矿形成的沉积环境条件为堰塘剖面上受海水影响的还原条件。

(5)根据铝土矿(岩)的矿物学的、地球化学的特征，结合矿石的结构构造特征，得出织金岔河铝土矿区在铝土矿沉积时大体的轮廓格架，即研究区东端的堰塘剖面地势较低，受海水影响较为强烈，而西端及南端的大栗树及仰天窝剖面相对远离海岸，受海水影响较小，主要为淡水沉积特征；铝土矿成矿物源来源于研究区北面，其运移方向为从北端的大栗树剖面向南端的仰天窝剖面方向，根据沉积环境变化趋势，可以得出仰天窝和大栗树之间为较为有利的成矿区，可作为下步勘查的重点区域。