广西龙州地区双层含铝岩系地质特征与找矿意义

韦 访, 黄文芳, 罗家元, 黄家雄, 蒙家锋

(广西壮族自治区地质调查院,广西南宁530023)

0 引 言

广西铝土矿集中分布在桂西和桂西南:在桂西主要分布于平果、德保、田东、田阳、靖西一带,因其位于大明山古陆北缘,称为北矿带;在桂西南主要分布于龙州—崇左—扶绥一带,位于大明山古陆南缘,称为南矿带(韦访等,2022)。位于南矿带最西端的龙州金龙—武德地区的铝土矿因为缺失合山组矿源层且都安组含矿岩系分布较少,加之该区与桂西平果及靖西等地堆积铝土矿的矿石矿物、结构构造与地球化学特征差异较多,所以在堆积铝土矿矿源层方面缺少共识。

邓军(2011)在研究金龙堆积铝土矿时认为泥盆系融县组与下石炭统都安组不整合界面上发育的沉积铝土岩(矿)是其矿源层;韦访等(2017)通过金龙堆积铝土矿地球化学研究,认为金龙矿床主要物质来源于下伏地层融县组;李平初(2013)认为合山组与茅口组、都安组与融县组之间发育的古风化壳是沉积型铝土矿形成的关键,但合山组在该区仅零星出露,原生铝土岩(矿)露头较少,已探明的堆积矿床与之距离较远,难以明确其成生关系;梁裕平等(2018)通过对比金龙矿区沉积与堆积两种类型矿石结构构造及常量、微量元素特征,认为都安组沉积铝土岩不应是堆积铝土矿的主要矿源层,金龙地区可能存在二叠系合山组铝土岩(矿)。

近年在该区开展调查时发现龙州金龙—武德地区存在合山组和都安组2层含铝岩系,在分析含矿岩系岩性特征的基础上采集代表性岩(矿)石,通过镜下矿石矿物观察与地球化学元素分析测试,并与堆积铝土矿进行对比分析,厘清研究区堆积铝土矿矿源层,探索沉积铝土矿找矿新方向。

1 研究区地质特征

研究区大地构造位于华南板块南华活动带右江褶皱系之西大明山凸起西部(图1)。区域上,地层发育较齐全,沉积类型繁多,除奥陶系和志留系缺失外,震旦—第四系均有不同程度的分布。前泥盆系为盆地相碎屑岩沉积,发育复理石建造;泥盆系—下三叠统为浅海碳酸盐岩台地沉积,广泛发育碳酸盐岩,局部夹基性-酸性火山碎屑岩及含铁铝煤系建造;中三叠统为弧后盆地碎屑岩复理石沉积;上三叠统—第四系为陆缘活动带陆相盆地型沉积。研究区内仅见少量中基性-酸性火山岩出露,岩性以细碧岩、角斑岩、熔岩、凝灰熔岩为主(邓军,2011;李小林,2011;黄国民等,2018)。

图1 龙州地区地质简图1-第四系;2-白垩系;3-三叠系;4-二叠系;5-石炭系;6-泥盆系;7-寒武系;8-国界线;9-地质界线;10-平行不整合界线;11-角度不整合界线;12-断层;13-堆积铝土矿体;14-都安组;15-合山组;16-收集采样点;17-本次采样点Fig. 1 Geological map of Longzhou area

该区经过地槽—地台—再生地槽的多次演变,形成多个沉积间断面。其中,金龙—武德一带受柳江运动影响,岩关期(杜内期)早期龙州金龙、崇左渠旧等地小面积出露古陆,因远离剥蚀区,仅出露部位接受剥蚀,形成古红土风化壳;吴家坪期(合山期)早期东吴运动使研究区二度隆起成陆,地层遭受长期风化剥蚀,造成中二叠统茅口组与上二叠统合山组古风化壳发育较厚,含铝岩系层序相对完整。随着地壳的上升,研究区第四系再度隆起,古风化壳经受淋滤、崩塌、破碎等作用,在酸性氧化环境中,易溶物质Ca、Mg、K、Na、S、C等淋失,Si部分淋失,Fe、Al相对富集,最终聚集于岩溶洼地、谷地和坡地中,与红土混杂堆积形成堆积型一水硬铝土矿床(李建领等,2016)。

2 含矿岩系与矿石矿物特征

研究区上泥盆统融县组不整合面之上的都安组和中二叠统茅口组不整合面之上的合山组均发育厚度不等的铝土岩(矿),为研究区的含矿岩系。具体岩性组合见表1。

表1 龙州地区含铝岩系特征

该区两层含矿岩系中的铝土矿、铁铝岩和铁铝质泥岩光薄片镜下观测结果显示,矿物主要为一水硬铝石(图2a、c)(熊星等,2014)、高岭石(图2a)、(鲕)绿泥石(图2e),其次为赤铁矿(针铁矿)集合体(图2b、d)和碎屑(岩屑、玻屑、砾屑)(图2a、b、f)矿物,普遍存在大量(铁)凝胶(图2c、d、e),合山组铁铝岩中的砾屑存在少量二代粒屑。

图2 龙州地区含铝岩系矿物特征(a)、(b)DN-1碎屑状铝铁质岩(变余熔结凝灰结构);(c)、(d)ND-2 含砾铁铝岩;(e)DN-2鲕状铝土矿;(f)ND-3 含砾铁铝岩Fig. 2 Mineral characteristics of Longzhou aluminium-bearing rock series(a), (b) DN-1 clastic alfa-ferric rock (blasto welded tuff); (c), (d) ND-2 gravelly ferralite; (e) DN-2 oolitic bauxite; (f) ND-3 gravelly ferralite

3 含矿岩系地球化学元素特征

对龙州金龙—水口地区2个含铝岩系进行系统采样,采集块状铝土矿石样1件、铁铝岩样3件、铁铝质泥岩样2件,共6件(表2、图3)。

表2 样品信息

图3 合山组(a)和都安组(b)采样剖面图1-融县组;2-都安组;3-茅口组;4-合山组;5-灰岩;6-泥灰岩;7-白云质灰岩;8-灰质白云岩;9-铝土矿;10-含砾铁铝岩;11-铁铝质泥岩;12-浮土层;13-产状;14-采样点;15-含矿岩系及编号Fig. 3 Columnar comparison of the sampling sections of the Heshan Formation (a) and the Du′an Formation (b)

对样品进行微观鉴定和微量、稀土元素分析。常量元素检测采用熔融-X射线荧光光谱法,检出限为0.01%;稀土、微量元素检测采用电感耦合等离子体质谱法,分析相对误差为5%～10%。

3.1 常量元素特征

合山组、都安组铝土岩(矿)主要由Al2O3、SiO2、Fe2O3、灼失量和TiO2组成(表3)。

表3 龙州地区铝土矿(岩)常量元素质量分数

(1)合山组铝土岩(矿):w(Al2O3)为34.62%～38.80%,平均值为36.58%;w(SiO2)为20.32%～28.94%,平均值为24.22%;w(Fe2O3)为21.73%～30.49%,平均值为26.75%;灼失量为7.46%～8.99%,平均值为8.16%;w(TiO2)为2.28%～3.44%,平均值为2.67%;铝硅比(A/S)为1.26～1.91,平均值为1.55。

(2)都安组铝土岩(矿):w(Al2O3)为33.59%～43.31%,平均值为38.11%;w(SiO2)为12.81%～30.70%,平均值为20.46%;w(Fe2O3)为16.25%～39.00%,平均值为27.01%;灼失量为8.24%～10.11%,平均值为9.14%;w(TiO2)为2.42%～3.54%,平均值为2.90%;铝硅比(A/S)为1.24～3.38,平均值为2.10。

(3)常量元素分析结果显示:2层铝土岩(矿)的Al2O3含量大多低于铝土矿一般工业边界品位指标[w(Al2O3)>40%],铝硅比仅部分达到边界品位比值要求(1.8～2.6);2层铝土岩(矿)中其他常量元素含量接近,化学蚀变指数(CIA)亦相近(接近100)。

3.2 稀土元素特征

分析龙州金龙—水口地区铝土岩(矿)稀土元素含量数据(表4),发现以下特征。

表4 龙州地区铝土矿(岩)稀土元素含量

(1)合山组沉积铝土岩(矿):ΣREE为999～2 222 mg/kg,平均值为1 504 mg/kg;∑LREE为887～2 105 mg/kg,平均值为1 338 mg/kg;∑HREE为112～268 mg/kg,平均值为166 mg/kg。总体上看,轻稀土含量高于重稀土,轻/重稀土含量比值为3.82～18.0,平均值为9.90(>1);稀土配分曲线(图4)显示为轻稀土相对富集,重稀土相对亏损,轻、重稀土分异较明显。δCe为1.50～7.10,平均值为3.42(>1);δEu为0.58～0.64,平均值为0.61(<1)(表4)。

图4 铝土岩(矿)石稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(标准化数据据Sun et al.,1989)Fig. 4 Chondrite-normalized REE distribution curves for bauxite rock (ore)(Standardized data from Sun et al., 1989)

(2)都安组沉积铝土岩(矿):ΣREE为229～389 mg/kg,平均值为295 mg/kg;∑LREE为157～346 mg/kg,平均值为249 mg/kg;∑HREE为35.0～71.3 mg/kg,平均值为46.5 mg/kg。总体上看,轻稀土含量高于重稀土,轻/重稀土含量比值为 2.21～8.00,平均值为5.81(>1);稀土配分曲线(图4)表现为轻稀土元素较重稀土元素富集,呈右倾模式(李建领等,2016)。δCe为0.72～0.82,平均值为0.79(<1);δEu为0.74～1.02,平均值为0.84(<1)(表4)。

3.3 微量元素特征

表5、图5显示:都安组沉积铝土岩(矿)微量元素中,亲石元素Ba相对亏损,放射性元素Th、U明显富集,稀散元素Ta、Nb相对富集,高能元素Zr、Hf相对富集,La相对亏损,Sr亏损最为强烈;合山组铝土岩(矿)蛛网图形态与之基本相同,仅表现为Y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu相对富集。

表5 龙州地区铝土矿(岩)微量元素含量

图5 铝土岩(矿)微量元素分布对比图(标准化数据据Sun et al.,1989)Fig. 5 Comparison of distribution of trace elements in bauxite rock (ore)(Standardized data from Sun et al.,1989)

4 讨 论

4.1 成矿物质来源

在Fe2O3-Al2O3-SiO2分类命名三角图(图6)中,龙州金龙—水口地区堆积铝土矿集中投影于铁铝岩-铝铁岩-铝土矿-红土交会区域内,合山组、都安组铝土岩(矿)投影于红土区域,与堆积铝土矿投影区部分重叠和略邻,显示两者均可能为堆积铝土矿的矿源层。

图6 Fe2O3-Al2O3-SiO2命名三角图(据Aleva,1994)Fig. 6 Ternary naming diagram based on Fe2O3-Al2O3-SiO2(after Aleva, 1994)

Schroll (1968)、MacLean等(1997)、Ballouard等(2016)研究发现,Nb、Ta、Zr、Hf、Cr、Ni等元素的相关性及含量比值对铝土矿床的成矿物质来源具有良好的指示作用。Nb-Ta(图7a)、Hf-Zr(图7b)图解显示龙州地区金龙—武德合山组、都安组沉积铝土岩(矿)与堆积铝土矿线性关系良好,说明合山组、都安组沉积铝土岩(矿)均可能成为堆积铝土矿的物质来源。

图7 龙州地区 Nb-Ta(a)、Hf-Zr(b)、Ni-Cr(c)和Sm/Nd-Nb/Ta(d)相关性图解(图c据 Schroll,1968修编)Fig. 7 Correlation diagrams of Nb-Ta (a), Hf-Zr (b), Ni-Cr (c) and Sm/Nd-Nb/Ta (d) in Longzhou area(Fig. c modified from Schroll, 1968)

Cr、Ni因为在元素迁移中较为稳定,常作为追踪元素使用。张正伟等(2012)、Zarasvandi等(2012)、Zhang等(2021)用lg Cr-lg Ni 值判别铝土矿床的物质来源,因为不同类型铝土矿成矿母岩的 lg Cr-lg Ni 值各具特点。据Schroll(1968)的lg Cr-lg Ni二元图解,都安组样品值全部落入岩溶型铝土矿范围内,合山组样品值则落入玄武岩区,合山组、都安组样品值投点并不集中且在不同分区,说明二者属于不同类型的铝土矿矿床;堆积铝土矿除部分落入玄武岩、碳酸盐岩区外,大多位于页岩、板岩内,该区堆积铝土矿的成矿物源则更显复杂(图7c),都安组具喀斯特型铝土矿特征。

Sm/Nd-Nb/Ta图解中(图7d),合山组、都安组铝土岩(矿)数据点较集中,位于堆积铝土矿右下方略邻处,说明合山组、都安组铝土岩(矿)均可能为研究区堆积铝土矿床的矿源层。

4.2 沉积环境

合山组铝土岩(矿)中的Ga含量为42.7～64.5 mg/kg,平均值为50.2 mg/kg;Sr含量为52.3～68.1 mg/kg,平均值为59.3 mg/kg;Ba含量为12.8～61.3 mg/kg,平均值为30.4 mg/kg。都安组铝土岩(矿)Ga含量为39.8～43.7 mg/kg,平均值为41.4 mg/kg;Sr含量为50.9～238 mg/kg,平均值为179 mg/kg;Ba含量为8.70～160 mg/kg,平均值为89.4 mg/kg。结果表明研究区合山组、都安组铝土岩(矿)沉积环境均为陆相(表6、表7)。

表6 龙州地区沉积型铝土矿特征元素分析结果

表7 沉积环境微量元素指标

范忠仁(1989)、陈代演等(1997)、文华国等(2008)和Wang等(2017)认为Sr/Ba、V/Zr比值的变化可反映成矿时期的古盐度。合山组铝土岩(矿)Sr/Ba比值为1.30～3.20,平均值为2.03;V/Zr比值为0.08～0.14,平均值为0.11;Zr/Cu含量比值为58.69～176.92,平均值为111.57。都安组铝土岩(矿)Sr/Ba比值为0.50～2.80,平均值为1.62;V/Zr比值为0.09～0.24,平均值为0.14(表6)。上述元素指标除V/Zr比值外,均表明合山组、都安组铝土岩(矿)为陆相沉积,V/Zr-Zr/Cu 沉积环境二元判别图(图8)亦清晰显示研究区原生铝土岩(矿)沉积环境为陆相。

图8 龙州地区铝土岩(矿)V/Zr-Zr/Cu 沉积环境(据Maslov et al.,2011修编)Fig. 8 V/Zr-Zr/Cu discriminant plot for sediment environment of bauxite rock (ore) in Longzhou area(modified from Maslov et al., 2011)

Ce常用于沉积岩古海洋氧化-还原条件、沉积环境的判断和示踪。通常认为Ce正异常显示氧化环境,因为在风化过程中,Ce可以由Ce3+变为Ce4+,后者在弱酸性条件下很容易发生水解而停留于原地,导致淋出溶液中Ce亏损,而残积物中Ce富集(李沛刚等,2012;王岩等,2015;王泽等,2022)。合山组铝土岩(矿)样品的δCe为1.50～7.10,平均值为3.42(>1)(表4、表7),表现为氧化环境;都安组铝土岩(矿)样品的δCe为0.72～0.82,平均值为0.79(<1),显示为还原环境。

4.3 成矿作用

Th/U含量比值是反映沉积环境的重要指标,McLennan 等(1991)、Chen 等(2016)曾提出物源区遭受强烈风化作用时Th/U含量比值>3,当Th/U含量比值<3 时则可能为源区母岩影响所致。研究区合山组铝土岩(矿)Th/U含量比值为4.07～6.57(平均值为5.62),都安组铝土岩(矿)Th/U含量比值为1.20～8.34(平均值为4.12)(表6、表7),表明铝土岩(矿)物源区均遭受过较强的风化作用,多为混染或风化作用不彻底的产物(图9)。

图9 龙州地区铝土岩(矿)Tu-U图解二元判别图(据Maslov et al.,2011修编)Fig. 9 Tu-U diagram of bauxite rock (ore) in Longzhou area(modified from Maslov et al., 2011)

不同沉积构造环境下的δEu差异显著,因此常用于判别物质来源与沉积构造环境(林宇等,2014;王岩等,2015)。大洋岛弧δEu为1.04±0.11,大陆岛弧δEu为0.79±0.13,活动大陆边缘δEu为0.60,被动大陆边缘的杂砂岩和泥岩的δEu为0.56(李普涛等,2008;林宇等,2014;宋立方等,2019)。由表4可知,研究区合山组铝土岩(矿)δEu为0.58～0.64(平均值为0.61),接近被动大陆边缘的杂砂岩和泥岩的δEu值,都安组铝土岩(矿)的δEu值为0.74～1.02(平均值为0.84)与活动大陆边缘相近。

5 结 论

(1) 研究区合山组、都安组铝土岩(矿)矿石矿物无显著差异,主要为一水硬铝石、高岭石、(鲕)绿泥石,其次为赤铁矿(针铁矿)集合体和碎屑物(岩屑、玻屑、砾屑),普遍存在大量(铁)凝胶。

(2) 合山组和都安组常量、微量、稀土元素特征及相关图解显示,铝土岩(矿)均可能为研究区堆积铝土矿的矿源层。

(3) Ni-Cr图解显示合山组铝土岩(矿)可能来自于与火山物质有关的玄武岩,都安组铝土岩(矿)来源于喀斯特岩溶,堆积铝土矿除部分落入玄武岩、碳酸盐岩区外,大多位于页岩、板岩内,表明该区堆积铝土矿存在多源性。

(4) 微量元素Be、Ga、Sr、Ba与Sr/Ba、V/Zr、Zr/Cu等沉积环境元素特征表明该区原生铝土岩(矿)沉积环境为陆相;δCe分析显示该区铝土岩(矿)沉积环境有所不同,合山组表现为氧化环境,都安组则表现为还原环境。

(5) Th、U及其含量比值显示研究区铝土岩(矿)成矿以混合作用为主,并经历了较强程度的风化作用;δEu分析表明合山组铝土岩(矿)形成于被动大陆边缘,都安组铝土岩(矿)则形成于活动大陆边缘。

(6) 该区合山组、都安组含铝岩系均发育不同程度的铝土岩(矿)层,相较而言合山组铝土岩(矿)层厚度较大,但Al2O3含量与铝硅比均较低;考虑到都安组铝土岩(矿)部分样品已达工业边界指标,可作为沉积铝土矿勘查的主要目的层,同时兼顾合山组含铝岩系。