广西平果铝土矿成矿规律与成因探讨

孟 鑫, 陈远荣, 曹凌飞, 高旭民,马 旭

(桂林理工大学 地球科学学院,广西 桂林 541006)

1 概况

长期以来围绕着桂西南地区平果铝土矿的物质来源、分布规律、以及沉积铝土矿的沉积环境等矿床成因问题,地质工作者们做了大量研究并提出了不同成因观点。

(1)关于铝质来源,目前学术界存在以下几种认识

成矿物质来源于古风化壳。苏煜[1]对平果沉积型铝土矿的岩相、沉积环境和物源进行研究,认为古路上的红土风化壳是铝土矿的物质来源;陈硕为等[2]从地球化学的角度分析,认为平果沉积型铝土矿的成矿物源为桂西南老基底寒武系经风化而形成的含铝古风化壳;戴塔根等[3]认为成矿物质来源于茅口组灰岩与部分古风化壳物质;王庆飞等[4]认为铝土矿含矿层序受古喀斯特地形地貌控制;王力等[5-7]认为成矿物质来源于茅口灰岩、大新古陆页岩和灰岩的风化产物。

成物质来源于火成岩的风化物质。罗强[8-11]认为成矿物质来源于岩浆热液和火山夹层中的红土化物质;侯莹玲等[12]认为成矿物质来源于古特提斯二叠纪岩浆弧; He等[13-14]认为右江盆地内部受峨眉山大火成岩省的影响;Deng等[15-16]认为基性喷出岩的风化物质提供了重要的成矿基岩物质;侯莹玲等[12,17]利用古地理重建及特提斯演化认为铝土矿成矿物质来源于特提斯构造活动的火山岩风化物质。

成矿物质来源存在多源性。刘勤志[18]认为成矿物质具有多来源的特点;刘秀荣等[19-21]通过对沉积铝土矿的微观特征和沉积环境等方面研究得出原生铝土矿具有多来源的特点;程顺波等[22]将物源分为接受火山喷发沉积物、原地深度风化、积水潜育化和埋藏成矿四个成矿模式阶段,这些不同阶段共同作用为铝土矿物源提供了支持。

(2)关于沉积铝土矿的沉积环境也有多种认识

陆相沉积成矿环境:苏煜[1]通过铝土矿层与下伏的茅口组风化侵蚀面接触关系、含煤层的相变过渡关系及古生物化石类型的证据,认为原生铝土矿形成于陆相的滨海环境,沉积区为生物活动强烈的平坦开阔地带;刘勤志[18]通过对矿区矿石宏观颜色的变化、微观物质组成和结构变化及地球化学证据等的总结,认为平果原生铝土矿是大陆边缘的成矿环境。

海相沉积成矿环境:范长智[23]认为晚二叠世初期,海进作用形成的半封闭滨海浅海环境有利于铁、铝质的搬运和富集;李启津等[24]通过对成矿带地质特征、成矿物源等的研究同时对比国外实验,认为铝土矿形成于东吴运动后,海进作用影响下,海水携带富含高铝质的古陆风化产物,从桂西南方向侵入平果海湾并沉积形成铝土矿;戴塔根等[3]通地球化学的方式分析研究,认为原生铝土矿形成于晚二叠世海侵作用下的古海湾地带;王力等[5]通过对铝土矿及其围岩等的地球化学分析,认为原生铝土矿形成于海相的沉积环境;朱博[25]认为平果那豆铝土矿成因为滨海相沉积型铝土矿;钱利军等[26]认为通过镜下观察矿石结构发现较多有机质,认为铝土矿的成矿环境可能为滨海沼泽或潟湖环境;赵晓东等[27]通过对矿区不同类型矿石的地球化学分析,认为原生铝土矿形成于海相沉积环境。

海陆过渡相沉积成矿环境:刘容秀[19]通过野外调查和室内分析测试工作,对太平和那豆矿区原生铝土矿的矿石类型、结构构造、物质组成,地球化学特征进行综合研究分析发现原生铝土矿的成矿环境为水陆交互相;祝瑞勤[28]提出了原生沉积铝土矿三角洲成矿模型,原生沉积铝土矿整体分布形态表现为扇形,从原生沉积铝土矿分布特征、矿石结构,矿物成分和地球化学研究,表明原生沉积铝土矿为三角洲沉积型;李晓峰等[20,29]通过对平果沉积型铝土矿的矿物学与地球化学的研究,结合其矿体野外地质产状及空间分布特征分析认为其沉积环境为三角洲相;廉吕型[30]认为原生铝土矿的沉积环境总体处于陆相,但却经历由陆相向海陆过渡相的转变。王泽等[31]通过对广西平果教美、太平、那豆沉积型铝土矿和茅口组灰岩、领薅组中的凝灰岩进行地球化学分析,研究其稀土地球化学特征发现矿区为被动大陆边缘典型特征,沉积环境逐渐由海相向海陆过渡相转变,氧化还原环境由弱还原环境向氧化环境转变。

(3)有学者从其他角度,就桂西南铝土矿的成因进行了相关研究

梁中覃等[32-33]利用扫描电镜、X射线衍射法等基础方法,分析了铝土矿中矿物的微观特征; Deng等[15,17,34]从锆石同位素、全岩同位素、Hg富集程度等角度去探寻铝土矿的物质来源;朱博等[25,35-38]通过对其矿床成因、地质特征、控矿构造等方面展开研究,总结了铝土矿矿区富集规律和矿体分布特征; Yang[39]认为铝土矿床时空分布与控矿构造的演化有关;王明等[40]从原理上对平果沉积型铝土矿的应用地球化学及地球物理找矿技术方法进行了分析,并对其寻找沉积型铝土矿的有效性进行了探讨;密静强等[41]从主量成分和微量元素角度研究平果铝土矿的地球化学特征、形成环境及其与Ga的相互关联性,对综合回收利用和提升矿床经济价值有重要帮助。

显然,就平果沉积型铝土矿的物质来源和分布规律的研究成果丰硕,但从构造角度对平果沉积型铝土矿的成因探讨较为薄弱。据此,本文试图从构造演化角度就其物质来源以及沉积盆地及矿体的形成进行探讨,以期弄清楚平果铝土矿的成矿规律。

2 区域地质背景

平果铝土矿床在大地构造位置上处于华南板块,该板块在晚元古代由扬子陆块和华夏陆块因碰撞拼接而成[42-45]。华南板块构造演化复杂,先后历经东吴运动、加里东运动、印支运动、燕山运动、喜马拉雅造山运动等事件。而平果沉积型铝土矿床在大地构造位置上处于晚古生代—中生代的右江盆地,其东南为云开古路、西南为哀牢山—越北隆起、西北为康滇古陆、东北为江南古陆(图1)。中二叠世末期,受东吴运动影响,周缘古陆相继隆升,形成以右江盆地为中心,利于沉积型矿产形成的古地理环境,而印支和燕山等构造运动打破了早期的构造框架,构筑了如今平果沉积铝土矿分布格局[4,28,46]。

图1 桂西大地构造位置示意图(据张起钻[46]修改)

2.1 区域地层

区内出露的地层主要有老至新有泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、古近系、第四系。沉积铝土矿广布于下二叠统茅山口组灰岩古风化壳之上的上二叠统合山组下部(表1)。

表1 桂西南地区区域地层简表

2.2 区域构造

漫长且复杂的构造演化,造就了矿区内一系列褶皱和断裂,这些构造主要受NE、NW和EW向构造应力作用且对原生铝土矿的形成和分布有着重要的影响。褶皱以NW和NE向最为发育,且较为平缓,主要褶皱有兴宁背斜和那豆背斜等。区内断裂发育丰富,错综复杂、大小不一,多以NW、NE走向为主,如右江断裂[47-48]。以正断层为主的NE向断裂切断了NW向断裂,对原生铝土矿的空间分布有较大的影响并且会破坏原生铝土矿的连续性[8]。

2.3 区内岩浆岩

区内岩浆岩出露较少,只在那豆背斜北西方向、太平向斜的翼部及平果县城西南方向发现少量的三叠纪晚期的海底喷发形成的凝灰岩。

3 区域构造演化对平果沉积型铝土矿格架制约的探讨

据现有资料与文献整理发现,原生铝土矿形成的历程中,经历的构造演化可分为两个阶段:①老基底演化成含铝较高的古风化壳阶段;②对右江沉积盆地形成的控制和含铝物质大量沉淀富集成矿阶段。

3.1 老基底演化成古风化壳阶段

浙闽运动(1800 Ma前)的华夏陆块和小官河运动(1700 Ma前)的扬子板块及两者之间的华南洋的演化组成了早期中国南方地史构造演化[49]。受晋宁运动影响,东南古基底构造格架裂解为江南地块、赣湘粤桂残洋盆地、华夏地块[50]。从寒武纪龙哈期(509 Ma)到二叠纪茅口晚期(260 Ma),间隔接近240 Ma,期间区内经受多次沉降抬升。在寒武纪整个桂西南地区接受2000多米厚沉积,并形成一套主要由泥岩、白云岩、砂岩、生物屑岩等组成的地层(其中泥岩厚度大,后经区域变质作用变为板岩或千枚岩),其在早奥陶世至泥盆纪早期,区内抬升为陆地且长期处于相对稳定状态,经过66 Ma的风化剥蚀形成巨厚古风化壳。由地球化学原理可知,寒武系地层在风化过程中,易溶解组分,如K、Na、Ca、Mg等碱性元素几乎完全流失,部分Si也会流失,残留物中难溶的Al、Fe、Mn等元素则越来越富集,pH值降低,由此导致该古风化壳具有弱酸性—酸性的高Al、Fe、Mn含量特征。

3.2 构造演化对右江盆地的约束

老基底古风化壳受拆离作用构造继续活化,造成基底断裂并形成一系列的断裂带,这些断裂带控制了沉积物质的运移通道、右江及百色等盆地的演化。

3.2.1 寒武纪至泥盆纪

雪峰—加里东期,区内地壳以稳定沉降为主,形成一系列NE向、NW向、SW向—NEE向的裂陷槽,是残留早古生代海槽(钦玉残余洋盆)的一部分,并初步构筑研究区内的沉积物质运移通道和沉积盆地雏形。

3.2.2 泥盆纪至二叠纪茅口期

受广西运动影响,全区地槽封闭产生褶皱和区域性变质并形成褶皱断裂带,下雷—灵马断裂带和南盘江—右江断裂带进一步发育[46]。

南盘江—右江盆地构造形成于早泥盆世[48,51],在古特提斯与滨太平洋构造域复合作用下形成[52]。李孝全等[53]认为早期的右江盆地是由于哀牢山洋盆的开裂引起的一系列与之平行的NW向裂谷盆地。南盘江断裂为正断层,是控制南盘江北部坳陷边界和两侧沉积建造的重要断裂[49]。在伸展构造背景下裂陷加剧逐渐形成了台盆相间的沉积相带特征(图2)。自泥盆纪中期至二叠纪茅口期,区内部分地区呈沉降状态,接受沉积,形成了一套碳酸盐岩岩系(图3),但可能是沉降幅度有限,只是将部分区域的基底古风化壳掩埋。

图2 桂西南地区构造格架(据张起钻[46]修改)

图3 广西铝土矿分布与二叠纪古地理特征示意图

3.2.3 二叠纪茅口期至三叠纪

据周怀玲等[54]二叠纪栖霞—茅口期受古特提斯构造控制,区内潜水地台裂解为孤立的台地,形成“盆包台”的古地理格局。在二叠纪茅口期晚期,受印支运动的影响,整个桂西南地区在短期内快速抬升,接受风化剥蚀,从而形成茅口组灰岩顶部的薄层风化壳。但随后整个桂西南地区快速沉降,于二叠纪合山期形成温湿的潮坪相、潟湖相盆地沉积环境,当然,由于地貌差异,形成碳酸盐缓坡、泥炭坪和不同性质的孤立台地相结合的沉积环境[54],区内在接受沉积过程中形成铝土矿及含煤建造,其沉积厚度受沉积环境制约。

4 构造活动与成矿作用

构造活动和构造环境与原生沉积铝土矿的成矿作用密切相关,构造格架(下雷—灵马断裂带和南盘江—右江断裂带)不仅控制着成矿物质的迁移方向和途径,还影响着成矿物质的富集规律。

4.1 构造运动与成矿作用

根据构造地质体和铝土矿的成矿过程特点,将下雷—灵马断裂带和南盘江—右江断裂带的演化分为五个阶段:①吕梁—四堡结晶基底形成和古风化壳发育阶段;②雪峰—加里东期洋陆转换及扬子陆块增生(部分Al、Fe、Mn等元素风化富集)阶段;③华力—印支期华南大陆演化(大量Al、Fe、Mn等元素沉降富集成矿)阶段;④燕山—喜马拉雅期陆内造山(堆积铝土矿形成)阶段。

4.2 断裂带与成矿作用

雪峰—加里东期,先后发生了郁南运动、北流运动和早期的广西运动构造活动强烈,区内发育下雷—灵马和南盘江—右江两条深大断裂带,其中右江断裂带控制了平果沉积盆地的形成,下雷—灵马断裂带则为连接平果与桂西南隆起区的纽带。华力西—印支期,整个桂西南地区先后发生了广西运动、东吴运动、印支运动等构造活动致使区内西南隆起 高,东北平果沉积盆地低,形成以下雷—灵马断裂为通道,海水为载体和海进作用为动力,自西南隆起到平果盆地为沉降核心的平果沉积型铝土矿构造格架(图1、图2、图3)。

二叠纪茅口—合山期,桂西南地区地势西南高,北东低,海进作用强烈,对古风化壳呈弱酸性的Al、Fe、Mn等元素残留体冲刷作用强烈,使其中的成矿物质通过WS—NE向的下雷—灵马断裂带运移到矿区。Al元素的搬运方式有两种:一是以碎屑物的形式进行搬运;二是以溶解的形式,其在酸性条件下进行搬运,在碱性条件下沉积(图4)。

图4 平果沉积型铝土矿成矿模式简图

在二叠系茅口组广泛分布的灰岩(碱性障)与弱酸性的含Al元素的溶液或碎屑发生酸碱中和反应,沉降大量Al元素形成铝土矿层。铝土矿层形成后,海进作用加强,海水加深,造就的还原环境积聚大量死亡的生物而形成一定厚度的炭质泥岩或煤层覆盖于铝土矿之上(图5)。

图5 平果铝土矿岩性空间分布剖面图

在平果原生沉积铝土矿区形成历程中,早期水浅,处于相对氧化的环境则形成含铁较高的紫红色块状铝土矿。后期随海进作用加剧水深变大,早期形成的块状铝土矿和周围基底推来的碎屑物质与溶解在水中的铝元素进一步结合形成鲕粒状的铝土矿分布在矿体的上部炭质煤层(图4)。

4.3 构造对沉积型铝土矿沉积环境和矿石质量分布的约束

对那豆、太平、教美、新安和果化的沉积型铝土矿的55件矿石样品进行主量成分测试分析发现,平果沉积型铝土矿矿石的主量成分主要由Al2O3、Fe2O3、SiO2、TiO2及烧失量(LOI)组成,其质量分数之和均在97%以上; CaO、K2O、MgO、MnO、Na2O、P2O5含量占比极少,其质量分数之和整体上小于1% (表2),主量成分的占比与矿石基本保持一致。从那豆、太平、教美、新安和果化5个矿区的Al/Si比值来看,各矿区的矿石质量按照由高到低的顺序为那豆>太平>教美>新安>果化。其中那豆和太平矿区均达到了一级矿石,教美达到了二级矿石,新安为四级矿石,果化为五级矿石(图6)。

表2 平果沉积型铝土矿矿石主量成分分析结果

图6 平果铝各矿区Al/Si比值变化图

由图7可见,那豆矿区位于下雷—灵马断裂带和右江断裂带的交汇处,长期处于氧化还原环境,部分时间处于海陆过渡环境,沉积环境较好,接受了大量的物理、化学铝质沉降和生物沉积,形成大量含铝较高的矿石,主要矿物组成为灰、灰白、灰黄等浅色为主的一水硬铝石、三水铝石、一水软铝、方解石、石英、黄铁矿、黏土矿物等,还夹有较厚的煤层。太平矿区处于下雷—灵马主断裂带延伸方向,与距离两大断裂带交汇的那豆矿区相邻,总体处于还原环境,水深较那豆更深,在那豆接受完沉积后太平矿区接着接受沉积,所以也形成了大量含铝较高的矿石,虽然相对于那豆矿区矿石质量总体有所下降,但仍保持着一级矿石的质量。

图7 平果沉积型铝土矿沉积环境指示图

教美矿区处于主成矿物质运移通道的末端,距离物源区较远,属于水深相对较浅的氧化环境,虽然还能形成含铝较高的矿石,但相较于那豆、太平矿区,矿石质量总体有所下降,为二级矿石。果化和新安矿区都位于主成矿运移通道下雷—灵马断裂带的两侧,远离主成矿物质运移通道,水体浅,处于氧化环境,只接受少量的成矿物质沉积,形成的矿石质量较差,以紫红色块状铝铁矿石为主,含铁较高。

燕山运动结束了漫长的海洋沉积作用,区内受NE—SW向的构造应力作用,形成了一系列NE向且轴向NW的褶皱,主要包括那豆背斜、太平向斜、太平—教美背斜、果化复式向斜及布绒小向斜。背斜隆起区,易被剥蚀、淋滤形成现今的堆积铝土矿;向斜处地势低洼,原生铝土矿得以保存。矿区内成矿后期的褶皱构造控制平果铝土矿原生矿体的分布,矿体一般出露于向斜翼部,如太平矿区位于太平向斜翼部;堆积型铝土矿分布于背斜内侧或向斜外侧(图8)。据李梅等[55],褶皱构造在控制矿源层的同时也会影响堆积铝矿床的分布,平果那豆背斜、太平背斜之上的铝土矿,越靠近背斜轴部矿体的矿石质量越好,沿背斜两翼分布的矿体品位相对较低,这与上述推论得到了互相印证。

图8 平果县教美—太平—那豆矿区构造剖面图(据张起钻[46]修改)

5 结论

(1)寒武系含铝质较高的泥岩和板岩经过约66 Ma年的风化作用所形成的古风化壳,是研究区成矿的主要物源之一。

(2)发育于加里东期并保持长期活动的SW—NE向下雷—灵马断裂带是成矿物质运移进入沉积盆地的主要通道,同时并控制着沉积铝土矿的矿石质量,在运移通道周围矿石质量好,远离则差。

(3) NW向的断裂体系与NE向的断裂体系交叉部位控制着右江沉积盆地的发展及其沉积环境,并在沉降最为激烈的二叠纪合山期控制着铝土矿的沉积。

(4)含Al、Fe、Mn较高的厚层古风化壳、二叠纪合山期早期的强烈海进作用、下雷—灵马断裂带、平果铝沉积盆地的特殊沉积环境等要素的有机耦合作用决定着平果铝土矿的成因。