热带地区红土型镍矿风化壳元素迁移富集规律研究——以菲律宾南部苏里高Pili镍矿为例

高雅，邓江洪，杨晓勇，段留安，罗贤冬

1)安徽省地质实验研究所(国土资源部合肥矿产资源监督检测中心)，合肥，230041；2)中国科学院海洋研究所，山东青岛，266071；3)中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥，230026；4)中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心，山东烟台，264004；5)安徽省勘查技术院，合肥，230031

内容提要：位于东南亚热带地区的菲律宾和印度尼西亚是世界上主要的红土型镍矿产区。在菲律宾南部的苏里高(Surigao)地区广泛分布红土型镍矿床，矿床类型属于含水镁硅酸盐型。笔者等主要通过对菲律宾苏里高地区Pili红土型镍矿详细的野外地质调查，结合红土风化壳剖面的矿物学组成及地球化学特征来探讨热带地区红土风化壳的分层特征及元素迁移富集规律。根据矿物组成特征将Pili红土型镍矿风化壳剖面自上而下分为四层：黏土层、红土层、腐岩层以及基岩。其中腐岩层镍含量可达1%以上，是主要的镍含矿层。红土剖面地球化学特征显示红土层呈现富Fe、Mn贫Si、Mg的特征。上部黏土层相对红土层反而出现富Al、Si、Cr、Ni贫Fe、Mn的特征。区别于常见的红土型镍矿，Pili镍矿红土层反而呈现贫镍的特征。剖面元素迁移率特征显示，黏土层经历了强烈的Si、Mg、Fe、Mn流失，红土层经历了Mg、Si等元素的强烈流失以及Fe、Mn等元素中等程度的流失。下层腐岩层中经历了Fe、Mn、Cr等元素的富集以及镍的强烈富集。由此我们提出三阶段过程来解释Pili红土型镍矿的元素迁移和富集：腐岩发育阶段、红土发育阶段以及晚期溶解再沉淀阶段。腐岩初始发育阶段未发生明显的元素迁移流失。红土初始发育阶段受地表流体的影响发生了强烈的Mg、Si等元素的流失。红土初始形成以后，受热带地区强降水作用影响，后期还原性地表流体不断淋滤使其上部还经历了强烈的Fe、Mn流失而形成黏土层。中部的红土层也相应发生了强烈的镍流失和中等程度的Fe、Mn流失。该阶段强烈的元素迁移可能是热带地区红土型镍矿风化壳所特有的特征。流体淋滤携带的镍逐渐由红土层向下迁移，并以含镍镁硅酸盐的形式最终富集在腐岩层中。本研究的发现对该区红土型镍矿找矿勘查工作具有重要指示意义。

红土型镍矿是资源储量最大的镍矿床类型(Elias, 2002)，约占全球镍矿储量的60%(Mudd, 2010)。红土型镍矿主要形成于超基性岩在地表风化过程中的次生富集。地表化学风化过程中，大气降水与超基性岩直接发生作用，导致原始的硅酸盐矿物发生溶解并淋滤出活动性元素(如Si和Mg等)，同时导致相对不活动的元素如Fe以氢氧化物(如针铁矿)的形式富集在氧化带中形成红土。富镁的超基性岩能为红土型镍矿提供充足物源，主要是由于其镍含量明显高于镁铁质和硅铝质岩石。镍在超基性岩风化过程中伴随硅酸盐矿物分解发生溶解再沉淀并进入含镍针铁矿中，然后还会在土壤水不断渗滤的过程中进一步向下淋滤并最终在腐岩层中富集。这种典型的逐次递减表生过程是目前具有经济价值的红土型镍矿石尤其是高品位腐岩层矿石形成的主要机制(Cluzel and Vigier, 2008; Fu Wei et al., 2014)。红土型镍矿中镍富集分布的控制因素比较复杂，主要包括岩性、气候、地形以及地表有机质等(Golightly, 1981; Gleeson et al., 2003; Thorne et al., 2012)。

地处赤道两侧低纬度热带的东南亚地区发育大量中生代到新生代时期的蛇绿岩，导致广泛的超基性岩出露。无论是成矿母岩还是气候特征方面，均为红土型镍矿的形成提供了极佳的条件。位于东南亚的菲律宾和印度尼西亚两国也是世界上主要的红土型镍矿产区(何灿等, 2008; 付伟等, 2011, 2012; Fu Wei et al., 2014)，供应了95%的中国镍矿进口总量(杨永飞, 2020)。然而这些热带地区的红土型镍矿总体研究程度还比较低。在我国矿业开发“走出去”战略的推动下，东南亚地区红土型镍矿目前已成为我国企业开展境外矿业投资的热点(霍晓萍和付伟, 2012)，这也为我们开展热带地区超基性岩表生风化以及红土型镍矿形成过程中各种元素的迁移富集特征和机制的研究提供了便利。

菲律宾南部棉兰老岛东北端的苏里高(Surigao)地区发育蛇绿岩的红土型镍矿风化壳。该区的红土型镍矿属于“含水镁硅酸盐型”，与该地区的热带雨林气候环境密切相关。该区位于海岸线附近，降雨中含有较多的盐分，在高温、多雨的热带雨林气候以及高盐度的降雨作用下，出露地表的超基性岩极易发生充分且强烈的红土化作用使得大量的镍元素经历活化淋滤发生再富集，从而形成较厚的富镍红土型风化壳。本研究选取菲律宾苏里高地区Pili红土型镍矿风化壳新鲜竖井剖面开展了系统的X射线衍射分析以及主微量元素分析，获得了该风化壳剖面的矿物组成、元素含量变化特征，并依之探讨了在热带风化条件下超基性岩风化壳的分层特征及元素迁移富集规律。希望本文有助于深入了解热带地区超基性蛇绿岩的红土化过程和镍富集机制，为今后该地区镍资源的勘探提供参考。

1 区域地质概况

菲律宾群岛位于西南环太平洋滨岸，属于欧亚板块与太平洋板块之间的岛弧带。其西侧为中国的南海海盆，东侧为菲律宾海盆(图1a)，与太平洋板块相接，南侧与印度洋板块毗邻。菲律宾群岛经历的地质作用有碰撞、俯冲和断层走滑等，群岛主体包括一套变质地层、岩浆弧、蛇绿岩、沉积盆地和欧亚大陆碎片(Rangin, 1991; Dimalanta and Yumul, 2006; Yumul et al., 2008)。欧亚大陆碎片由巴拉望岛北部、民都洛岛南部、朗布隆群岛、班乃岛的布鲁昂阿半岛组成，统称为北巴拉望地块。菲律宾群岛除去大陆碎片以外的部分统称菲律宾活动带。整个菲律宾活动带被一条左行走滑的菲律宾断裂带贯穿(图1a)。菲律宾断裂带与菲律宾活动带同方向展布，其形成受控于菲律宾活动带东西两侧的俯冲作用(图1a)，对菲律宾活动带侵入岩、火山岩及矿产的分布起到重要的控制作用。

图1 菲律宾群岛(a)以及棉兰老岛北部苏里高地区(b)地质构造简图(据Deng Jianghong et al., 2017以及Aurelio and Pea, 2010修改)

菲律宾活动带的很多地区之下有蛇绿岩(Yumul, 2007; 余梦明等, 2015)，呈带状分布于群岛的若干地区。蛇绿岩通常与新生代之前的片岩及千枚岩共生，代表了岩浆弧的基底，年龄在侏罗纪到古近纪之间。蛇绿岩带中的超基性岩是铬铁矿和镍矿的重要物质来源。地表的含镍蛇绿岩经过风化淋滤沉积形成了红土型风化壳，进而发展为红土型矿床。红土型矿床在菲律宾分布较广(刘成忠等, 2009; 江胜国等, 2018)，东部地区的萨马岛至棉兰老岛东北部的苏里高一带和巴拉望岛南部地区均为红土型矿床的主要分布区。除此之外，红土型镍矿还零星分布于吕宋岛西南部、民都洛岛、莱特岛等地。该区不同岩性类型的下伏基岩形成不同类型的红土型矿床，主要由两种类型：一种与辉绿岩、辉长岩等有关，其中铝土质含量较高；另外一种与橄榄岩等相关，镍和铁的含量较高。

2 矿区地质特征

矿区位于菲律宾南部棉兰老岛北部的苏里高半岛(图1b)，在北苏里高省首府苏里高市的Malimono镇Pili村，矿区覆盖面积为218.316 hm2。矿区西部临海，东部不远处是Mainit湖(图1b)。矿区的大地构造位于环太平洋构造带(I级)—西太平洋岛弧带(Ⅱ级)。矿区出露蛇绿岩型超基性岩、灰岩、火山岩以及中生代到新生代浅海到深海环境下沉积的砂岩。矿区主要的岩性组合为细碧岩—辉绿岩、超基性岩及第四纪玄武岩—安山岩组合。区内大面积的超基性以及基性岩石的分布、炎热湿润的气候条件、充沛的雨量，都有利于红土风化壳型镍矿床的形成。

Pili地区红土型镍矿矿体的边界与红土层和超基性基岩层的分界线较为一致，其分布在红土风化壳的范围内(图2a、b、c)，发育于红土风化壳下部的腐岩层(蛇纹石化橄榄岩/蛇纹岩)中(图2a、b、c)。镍矿体多为面形展布，且形态复杂，呈现出似层状、透镜状以及条状。地形和发育程度影响着红土风化壳的产状、形态以及厚度。厚度大且连续稳定的矿体多发育于平缓地段的红土风化壳中(图2a)；而厚度较薄且相对不连续稳定的矿体一般出露在陡坡、山脊和冲沟切割程度较深的地段，有些地段在地表有基岩出露(图2d)。

镍矿床埋深主要分布在0～5 m的范围内。矿体顶部的盖层是以镍含量小于边界品位(0.5%)的腐岩层顶部以及红土型风化壳中残余的红土层为主，总体厚度较不均匀(图2a、b、c)。在地形剥蚀的作用下，部分矿区的矿体在地表即出露，部分矿区在红土层一两米下出露腐岩矿体(图2e)。矿体下部的底板围岩主要包含镍含量小于品位下限的块状弱至中等蛇纹石化的橄榄岩。矿体和盖层底板围岩交界处呈渐变过渡的趋势(图2a—d)，其中盖层和底板总体与地表面平行。矿体的底板受选择性风化作用、超基性岩的红土化作用以及镍在腐岩层中的选择性富集作用的影响，相比矿体顶板变化较大。

3 样品采集及分析方法

本文所研究风化壳样品采自新鲜的竖井(图2f)，深度约为7 m。从顶部自上而下在竖井壁上刻槽取样，总体每间隔0.2 m采集一件样品，每件样品长0.2 m，局部位置间隔0.1 m采集一件样品，样长0.1 m，样重0.5～1.0 kg，总计采集42件样品，具体采样情况见表1。将采集的样品干燥处理后，再开展后续的X射线衍射分析以及全岩主、微量元素分析。

表1 菲律宾苏里高地区Pili红土型镍矿采样记录

图2 菲律宾苏里高地区Pili红土型镍矿野外照片

3.1 X射线衍射分析(XRD)

XRD分析在中国科学技术大学理化科学实验中心X射线衍射实验室完成，仪器型号为PHILIPS公司X’Pert PRO 型X射线衍射仪，工作电压40kV，工作电流40 mA。

3.2 全岩主、微量元素测定

选取适量土壤/岩石样品放置在无污染的自动玛瑙研磨器之中研磨到200目。在进行最终的分析测试之前，预先将上述研磨好的粉末放置于烘干箱内，经过3h 100 ℃温度下的烘干过程后再放置于干燥器皿中。

主量元素分析在广州澳实矿物实验室完成，采用X射线荧光光谱(XRF)法测定。XRF 样品制备方法包括熔融玻璃片法和粉末压片法。本次研究中的样品，采用熔融玻璃片法。在制备玻璃片时，岩石用做过烧失的样品，以1∶8 的比例熔融玻璃片。岩石的样品玻璃片制备方法：用试样纸称0.5 g做过烧失的样品倒入塑料瓶中，称4.0 g Li2B4O7熔剂倒入瓶中，盖好，震摇，使样品与熔剂混匀。加5滴1% LiBr-0.05% NH4I混合助熔剂于铂金坩埚中，倒入混合样品，以数滴去离子水(Milli-Q)冲洗塑料杯，溶液倒入铂金坩埚，在1250 ℃ 下熔融制成玻璃片。制备好的样品玻璃片采用日本理学Rigaku100e 型X-射线荧光光谱仪(XRF)测定样品的主量元素含量。岩石的工作曲线由包括超基性岩到酸性岩的不同岩石类型的一套岩石标样构成。各项元素的分析精度分别为：SiO2：0.8%，Al2O3：0.5%；Fe2O3：0.4%；MgO：0.4%；CaO：0.6%；Na2O：0.3%；K2O：0.4%；MnO：0.7%；TiO2：0.9%；P2O5：0.8%。

微量元素在广州澳实矿物实验室用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)测试并采用溶液法测定完成。使用的仪器型号为Varian Vista-PRO型ICP-AES(CCD全谱直读ICP-AES)，工作时高频发生器功率0.9 kW，等离子冷却气体流量15.0 L/min，辅助气体流量1.5 L/min，雾化器流量1.25 L/min，积分时间5s，测定重复次数8次。除个别元素如高场强元素Nb、Zr、Hf外，大部分微量元素的分析精度均优于5%。

4 结果和讨论

4.1 红土型镍矿风化壳矿物组成及垂向结构分层

本区为典型的超基性岩红土型风化壳，前人将此类型红土风化壳自上而下总体分为红土层、腐岩层、基岩层。一般认为，最上部的红土层盖层由低镁高铁的红色褐铁矿组成；中部的腐岩层按照不同的特征分为上部的黄色、红黄色土状腐岩以及下部为黄色、黄绿色土块状腐岩两个层位；基岩层为超基性岩红土型风化壳的母岩。

根据不同矿物组成，我们对该竖井的红土型镍矿风化壳剖面进行了分层，如表2及图3所示。从竖井剖面土壤样品的XRD分析结果(表2)可以看出，菲律宾苏里高Pili红土型镍矿红土层的矿物组成主要为针铁矿、赤铁矿等铁氧化物，然后就是一些含镁矿物等。在典型超基性岩红土型风化壳分层的基础上，此处我们在风化壳最顶部还划分出一层黏土层(表2)。

图3 菲律宾苏里高地区Pili红土型镍矿竖井剖面垂向分层示意图及采样位置

表2 菲律宾苏里高地区Pili红土型镍矿床矿物组成结果汇总

这一黏土层和红土层的区别在于，一方面其含有大量的黏土矿物，表现为其Al2O3含量很高；另一方面，这层黏土中的镍含量较高，比红土层的高，关于这个我们将在下文继续讨论。黏土层和腐殖层为渐变过渡关系，局部见有浮砾，浮砾以褐铁矿结核为主，呈黏土状，黏性较大。除了主要矿物褐铁矿(针铁矿)、赤铁矿和高岭土外，还有部分钙铝榴石(表2)。

黏土层和红土层之间是渐变过渡的，在黏土层和红土层过渡带中的矿物除了褐铁矿、赤铁矿外，还含有少量顽火辉石风化后的残留体。红土层主要分为两部分，上部为棕灰色土层，下部为黄红色、砖红色黏土，两者为渐变过渡关系，局部夹褐铁矿团块和结核；呈土状、碎块状、蜂窝状等。红土层的矿物成分和黏土层及过渡层大体上相似，除了有褐铁矿和赤铁矿外，还有透辉石、钛磁赤铁矿和铬镁铁矿等(表2)。红土层和腐岩层之间是渐变过渡的，在他们的过渡带上，除了镍含量的显著增高外，还出现了铬氧化物。

腐岩层是指主要的结构特征和原岩相似、体积没有发生较大的改变且化学成分改变较少的基岩风化物质。多为灰绿色、黄绿色蛇纹石/蛇纹岩，上部和风化程度较高的红土层为渐变过渡关系，往下则逐渐变为碎块状或块状，岩石的硬度也逐渐增加。岩石基本完全蛇纹石化，并且发育有大量的裂隙，沿裂隙可见黑褐色铁锰质细脉及绿色镍硅化物。

基岩为黄绿色、灰黑色橄榄岩，呈致密块状，岩石裂隙发育，沿裂隙面可见有不同程度蛇纹石化。基岩中的主要矿物有橄榄石、辉石以及蛇纹石等。腐岩层中及腐岩层和基岩间成分均属渐变过渡关系，腐岩层中的主要矿物和基岩基本相似，以不同比例的蛇纹石以及残留的橄榄石和辉石等为主，此外还含有赤铁矿和硅镁镍矿(表2)。

4.2 红土型镍矿各层含矿性特征

苏里高地区Pili红土型镍矿剖面样品的全岩主量元素和关键微量元素分析结果列于表3。

表3 菲律宾苏里高地区Pili红土型镍矿主量元素及部分关键微量元素测试结果

黏土层：与红土层相比，黏土层铁含量较低，但其硅含量和铝含量相对较高(图4a)；镍含量中等，平均含量近2000 ×10-6，从上至下，镍含量有降低趋势(图4b)；但其铬含量极其高(图4b)，远高于腐岩层；在黏土层和红土层过渡带，铬含量急剧降低(图4b)。

红土层：红土层具有最高的铁含量和最低的镁、硅含量(图4a)；红土层的铝的含量中等，低于上层黏土层，但高于下层腐岩层(图4a)。红土层中的镍、铬含量最低，显著低于黏土层和腐岩层(图4b)。

图4 菲律宾苏里高地区Pili红土型镍矿元素垂直分布图

腐岩层：腐岩层的镍含量平均约为10000 ×10-6，远高于黏土层和红土层(图4b)，是该区镍矿床的富矿层位；其铬含量也比红土层高很多，但比黏土层低。腐岩层相对于红土层还出现富硅、镁，贫铝、铁、锰的特征。

4.3 红土型镍矿风化壳主要元素迁移富集特征及规律

从图4可以看出，从上至下，镍在黏土层、红土层到腐岩层的转变过程中呈现先减少后富集的趋势，主要富集在腐岩层中，其品位增高到边界工业品位(0.5%)以上而形成矿体。总体上讲，Pili镍矿含镍品位大于边界品位以上的矿体对应于腐岩层的上、中部，大部分地段的矿体顶板为腐岩层的顶部界线，在部分地段矿体可向上延伸到腐岩层和红土层的过渡带，较少的地段矿体包含了整个腐岩层。红土风化壳各层都有不同程度的镍、铬矿化。

母岩中的原生矿物经过化学风化作用发生溶解、蚀变，原岩中的元素进入溶液而流失或直接再沉淀转变形成新的次生矿物。母岩的性质和气候环境背景决定了原生矿物蚀变和新生矿物形成的差异性。红土的化学风化特征可以反过来指示不同红土成因类型以及解释风化程度的差异和成土环境。一些通常用来评估化学风化程度的指数如化学蚀变指数(CIA)、风化指数(WI)和化学风化强度(CIW)等都是由迁移元素如Ca、Na、K等含量来计算的(Nesbitt and Wilson, 1992; Price and Velbel, 2003)。但是这些元素并不是超基性岩的主要元素，在橄榄岩/蛇纹岩中的含量均很低，因而这些化学风化相关指数并不适用于超基性岩型的红土风化壳。由此，针对超基性岩风化壳，前人根据其主要元素Mg、Si、Al、Fe提出了超镁铁质蚀变指数(UMIA)来对红土型镍矿的地球化学变化进行评估(Aiglsperger et al., 2016)：

UMIA=100×

(1)

根据计算结果，新鲜橄榄岩UMIA值最低(图5)，为3.1(表2)，其次是腐岩层，主体UMIA均低于10(图5)，显示较小程度的Mg、Si流失。腐岩层与红土层过渡的样品UMIA值骤升至40～50左右(图5)。而红土层则具有很高的UMIA值(图5)，主体在70～90期间，显示出强烈的Mg、Si流失以及Fe富集特征(图5b)。此外，本次研究新划分出的黏土层也呈现出相应的Al含量逐渐增高的趋势(图5b)。

图5 菲律宾苏里高地区Pili红土型镍矿风化壳Al—Fe—Mg—Si摩尔含量三角判别图, 底图引自Aiglsperger et al.(2016)

为了进一步量化Pili镍矿各主要元素的迁移富集程度，我们还引入了迁移率的概念(Nesbitt, 1979; Ma Jinlong et al., 2007)。风化壳是一个开放的系统，因此在风化过程中会有体积和质量的变化，因而质量平衡计算是研究化学风化过程中元素迁移的最佳方法之一，特别是估算剖面中元素加入或流失的通量(Brimhall et al., 1991)。体积变化量可以通过一种不活动元素的含量来进行校正，认为该元素在风化过程中的质量恒定。在超基性岩、基性岩风化壳中，一般把Ti当做不活动元素(Nesbitt and Wilson, 1992; Hill et al., 2000)。因此在风化产物与原岩之间无体积变化的条件情况下(Nahon and Merino, 1996)，Ti可作为参考元素，设Ti不活动，用Ti来矫正体积，即通过计算风化壳相对于原岩中各元素与Ti的比值变化来代表元素的迁移率：

(2)

其中Ri和Rp分别代表风化壳和原岩样品中某种活动元素含量与Ti元素含量的比值：i—风化壳，p—原岩。

从图6a可以看出，从黏土层到红土层，MgO和SiO2的迁移率接近-100%，说明原岩中几乎所有的Mg和Si都经风化作用而流失，这也指示Pili镍矿所在的热带地区，风化作用十分强烈。Fe、Mn等氧化还原变价元素在黏土层中迁移率均低于-90%(图4a)，说明也发生了强烈的流失。虽然红土层中呈现Fe、Mn等元素的强烈富集(图4a)，但其接近-50%的迁移率，仍然表示Fe、Mn在风化淋滤过程中发生了将近一半的流失。Al的迁移率趋势与Fe、Mn等相似，但总体迁移性是主量元素中最弱的(图6a)。与Mg、Si等元素相似，Cr、Ni在黏土层中的迁移率均超过-90%，呈现显著流失的特征；而在腐岩层中Cr、Ni可比橄榄岩原岩富集2到6倍。

图6 菲律宾苏里高地区Pili红土型镍矿风化壳剖面元素垂向迁移特征

橄榄岩原岩主要由橄榄石和辉石(以及蛇纹石等)组成，在橄榄岩风化形成红土过程中，橄榄石、辉石等容易首先发生伊丁石化和蒙脱石化(Nahon et al., 1982; Colin et al., 1990; Fu Wei et al., 2014)，导致Mg、Si等元素大量流失以及Fe高度富集形成铁氧化物或氢氧化物等。而铁氧化物、氢氧化物等的稳定性则主要受控于Eh和pH，比如高Eh(氧化性)状态有利于富Fe3+矿物(赤铁矿、针铁矿等)稳定存在，而pH值又决定了富Fe矿物是以赤铁矿形式还是针铁矿形式存在：高pH状态针铁矿稳定；低pH状态针铁矿易分解形成赤铁矿(Golightly, 1981)。另外，低Eh(还原性)状态则容易导致Fe3+转化为易溶的Fe2+而发生流失。Pili镍矿红土层中大量针铁矿和部分赤铁矿的存在说明红土形成于强氧化以及pH值偏碱性的环境。比较有意思的是Pili镍矿上部黏土层中还发生了铁的大量流失，说明红土初始形成以后Eh还发生了显著降低。由于黏土层上部覆盖有一定厚度(约0.1m)的腐殖层(图3)，可以局部形成还原环境，产生大量细菌。Laskou and Economou-Eliopoulos(2007)的研究也表明，有机质提供的还原环境和细菌等对铁氧化物等的溶解具有关键作用。本次研究虽然并未测定风化壳剖面有机质的含量，但是通过前人的研究结果判断，红土风化壳剖面顶部通常有机质含量较高(Fu Wei et al., 2014)。因此该黏土层可能是最初形成的红土后来受富含有机质的还原性流体不断渗滤导致Fe流失而形成的。该层上覆的腐殖层为地表渗透水提供了所需的有机质和还原细菌等物质基础。

4.4 红土型镍矿风化壳镍富集机制

红土型镍矿中元素的迁移富集过程比较复杂，常以自上而下逐次递增的方式。镍、铬含量与岩石的蚀变、风化程度有关。黏土层的镍含量和铬含量要比红土层高(图4b)，这可能是因为黏土层中含有很高的黏土矿物(蒙脱石等)，对镍和铬具有吸附作用，导致它们在后期铁大量流失的过程中反而得到了富集。这也反应镍和铬在黏土层的赋存状态主要是以吸附形式存在。在红土层中黏土矿物的含量较少，因此其吸附能力可能较弱，这也可能是红土层镍含量低的原因。腐岩层中铁镁含量与橄榄岩原岩比较接近，说明腐岩层中的铁主要是以镁铁硅酸盐的形式存在，这与X射线衍射分析结果一致(表2)。此外，在腐岩层中黏土矿物的含量大大减少，因此其吸附能力要小很多，这与腐岩层中铝的含量要比黏土层和红土层明显偏低的特征是一致的。但是腐岩层却具有很高的镍含量，尤其是在蛇纹石化强烈及镍硅酸盐细脉发育部位含镍很高，这说明腐岩层中的镍主要以镍硅酸盐的形式存在，而不是吸附作用。铬的富集和镍稍有不同，其在黏土层反而具有最高的含量，在腐岩层中富集程度低于镍，这说明虽然与镍的赋存形式类似，铬在黏土层和腐岩层中分别以吸附形式和铬硅酸盐的形式存在，但黏土层对铬的吸附作用要强于镍，导致这两种元素在不同层位的富集程度有一定差异。

根据前述风化壳剖面元素迁移特征，我们将苏里高地区Pili红土型镍矿的形成过程主要分为3个阶段：

(1)腐岩发育阶段。腐岩形成在红土化过程的早期是十分普遍的现象(Freyssinet et al., 2005)。在腐岩初始形成阶段中，基岩橄榄岩发生机械破碎并沿裂隙发育蛇纹石化。在进一步风化作用下，基岩完全蛇纹石化形成蛇纹岩。该阶段岩石体积发生一定膨胀，但是主要元素流失较少，因而也不会有很大程度的镍富集。

(2)红土发育阶段。随着风化锋面逐渐向下延伸，下部的基岩逐渐腐岩化，而上部早期形成的腐岩块体或碎屑受到水解和氧化作用而发生严重破坏。新形成的风化产物以红褐色含铁矿物(褐铁矿、赤铁矿等)为主，具有典型的土质构造。伴随这个阶段的发展，从先前的腐岩层中分离出一层稳定的红土层。这一阶段也发生了显著的地球化学变化，Fe、Al含量明显增加，Mg、Si含量明显下降(图7a, b)。通常情况下，在该阶段也会伴随强烈的镍富集现象，因为原生矿物释放的Ni2+可以进入含镍针铁矿中或者被针铁矿吸附，促使红土样品镍含量提高到0.5%～1.0%左右(Freyssinet et al., 2005; 付伟等, 2012; Ito et al., 2021)。但这与Pili红土型镍矿中红土层贫镍的特征(图4b)并不相符，这些红土层甚至比原岩橄榄岩具有更低的镍含量(图7c、d)。红土剖面元素迁移特征也显示镍在红土层中大量流失(图6b)，这说明该阶段红土形成以后还经历了进一步的风化淋滤过程从而对红土成分进行了改造。

图7 菲律宾苏里高地区Pili镍矿风化壳剖面关键元素相关性图解

(3)晚期溶解再沉淀阶段。该阶段在先前报道的红土风化剖面中较为少见，可能与Pili地区特殊的气候(热带强降水)和地表环境(植被发育、腐殖层覆盖)有关系。该阶段强烈的元素迁移可能也是热带地区红土型风化壳所特有的特征。红土形成以后，地表水经腐殖层不断向下渗滤，代入还原性有机质，使得先前形成的(含镍)针铁矿发生溶解，导致铁、镍大量流失。最靠近上部腐殖层的红土层由于受有机质组分影响最大，导致铁流失最多而逐渐发生铝土矿化转变为黏土层(图7b)。黏土层中剩余的镍、铬由于黏土矿物的吸附作用而被固结，在铁进一步流失的同时反而发生了富集。中间的红土层由于铝土矿化程度较弱，其中的镍、铬等元素反而缺少吸附，然后被逐渐淋滤流失往下迁移。这些被淋滤的镍元素最终进入最下部的腐岩层中形成富镍镁硅酸盐(硅镁镍矿、含镍蛇纹石等)。这就解释了为什么红土层贫镍，而腐岩层中主要元素含量相对橄榄岩原岩变化不大的情况下，镍含量却发生了明显富集(图7c、d)。

综合以上信息，笔者等认为菲律宾苏里高地区具有广泛的红土型镍矿成矿潜力，尤其是蛇绿岩广泛出露的区域。不过区别于传统的红土型镍矿红土层含矿的特性，该区以及邻近地区的红土型镍矿含矿层可能主要集中于红土层下部的腐岩层中，未来进一步找矿勘探应对腐岩层的土壤/岩石重点开展工作。

5 结论

通过对菲律宾南部苏里高地区Pili红土型镍矿详细的野外地质调查、风化壳剖面矿物组成及全岩地球化学分析，我们得出如下几点认识。

(1)Pili红土型镍矿是蛇绿岩型超基性岩风化形成的，风化壳剖面自上而下分别分为黏土层、红土层、腐岩层以及橄榄岩基岩，其中腐岩层是主要的镍矿层。

(2)Pili红土型镍矿风化壳的形成主要经历了3个阶段：腐岩发育阶段、红土发育阶段以及晚期溶解再沉淀阶段。红土初始发育阶段发生了强烈的Mg、Si等元素的流失。红土初始形成以后，受热带地区强降水作用影响，后期还原性地表流体不断淋滤使其上部还经历了强烈的Fe、Mn流失而形成黏土层。中部红土层也随后发生了强烈的镍流失和中等程度的Fe、Mn流失。流体淋滤携带的镍逐渐由红土层向下迁移，并以含镍镁硅酸盐的形式最终富集在腐岩层中。

致谢：感谢赖小东、蓝翔华以及韩伟工程师在野外采样中的帮助。感谢审稿专家对本文提出的非常详细而宝贵的意见。