华南铝土矿矿床矿物组合特征及指示意义

姚兰,付勇,潘忠飞,唐波,罗木焕,罗培麒,刘国栋,杨黔闽,刘兵,段明飞

1)贵州大学资源与环境工程学院,贵阳,550025;2)喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室,贵阳,550025

内容提要：在全面收集整理前人研究资料的基础上,系统开展华南不同成铝区带的铝土矿矿床床矿物组合对比工作,认为铝土矿矿床含铝岩系的演化序列与矿物组合存在一定耦合关系,不同成因类型的铝土矿矿床(沉积型、堆积型及红土型)和华南不同成铝带(黔中、渝南—黔北、滇中、滇东南—桂西、桂中)中的矿物组合存在明显差异性。沉积型矿物组合复杂,堆积型和红土型矿物组合单一。一水硬铝石是沉积型和堆积型主要铝矿物,时间上分布于石炭纪—第四纪,空间上除桂中成铝带外,黔中、渝南—黔北、滇中、滇东南—桂西成铝带均有分布;三水铝石是红土型主要铝矿物,时空上分布于第四纪桂中成铝带。高岭石时空分布广泛,是含铝岩系中主要的黏土矿物,各成矿时代和成铝带均有分布;赤铁矿分布零散,不稳定,仅在修文—清镇一带稳定存在含铝岩系底部。伊利石、绿泥石、黄铁矿和菱铁矿时空上有明显的差异性。矿物组合差异性与环境变化有密切关系。高岭石和赤铁矿指示陆相沉积环境,伊利石、绿泥石、黄铁矿和菱铁矿指示海陆过渡相沉积环境。因此,笔者等重点用华南不同成铝带和不同时代内含铝岩系中矿物组合差异约束沉积环境和铝土矿矿床成因亚类,对铝土矿矿床沉积环境的深入研究和铝土矿矿床成因亚类型划分具有一定指示意义。

铝土矿矿床是硅酸盐岩和碳酸盐岩在原地受风化作用影响后,经过短距离搬运到洼地沉积形成(Bardossy,1982;D’Argenio et al.,1995;Bogatyrev et al.,2009;杜远生等,2020)。铝土矿矿床能有效反映古气候条件、构造升降、沉积间断和区域性古水文地质条件(Zhou Jintao et al.,2022)。中国铝土矿矿床资源分布相对集中,主要集中在华南和华北地区(徐林刚等,2023)。铝土矿矿床类型齐全,有沉积型、堆积型和红土型,主要以沉积型铝土矿矿床为主(高兰等,2015;孙莉等,2018;周智慧,2020)。沉积型铝土矿矿床铝矿物以一水硬铝石为主,黏土矿物以伊利石、绿泥石和高岭石为主,铁矿物以黄铁矿为主(刘学飞等,2012;金中国等,2015;王瑞雪,2019;周智慧,2020;Luo Chaokun et al.,2022);堆积型铝土矿矿床铝矿物以一水硬铝石、一水软铝石及三水铝石为主,黏土矿物以高岭石为主,铁矿物以赤铁矿为主(刘枝刚,2005;Liu Xuefei et al.,2010;Wang Qingfei et al.,2011);红土型铝土矿矿床铝土矿物以三水铝石为主,黏土矿物以高岭石为主,铁矿物以赤铁矿为主(王佳奇,2013;Chen Jinhao et al.,2018;Sidibe et al.,2018;王毅哲,2021)。

由于沉积型铝土矿矿床形成过程复杂,有陆源阶段、同生期、成矿期、成矿后期和表生期五个阶段(刘学飞等,2012;Yang Shujuan et al.,2022;Zhang Jingyuan et al.,2022)。各个阶段会形成不同的矿物,导致含铝岩系中矿物组合复杂、类型多样,成因类型的细分难度大。相对沉积型铝土矿矿床而言,堆积型铝土矿矿床是原生矿层再次经历表生作用形成(赵俊彩,2013);红土型铝土矿矿床是沉积型铝土矿矿床演化的早期阶段,仅经历红土化作用(王毅哲,2021)。堆积型铝土矿矿床和红土型铝土矿矿床形成过程简单,相应的矿物组合简单。矿物组合对于沉积环境变化反映灵敏,能够有效记录环境演化和气候变化,是恢复环境的重要方法之一(D’Argenio et al.,1995;Temur Sedat et al.,2006;Liu Xuefei et al.,2012,2013;Zhou Jintao et al.,2022;Liu Lei et al.,2023;刘蕾等,2023;Zhao Lihua et al.,2023)。除矿物组合外,含铝岩系中铝土矿矿床的沉积环境在元素指标方面(张启连等,2016;樊钰超,2017;贾永斌等,2021;赵晓东等,2021;廉吕型,2022;Zhao Lihua et al.,2023)及含铝岩系岩性结构构造特征等方面均有不同程度研究(刘平等,2014,2022)。

目前,对于含铝岩系中矿物组合研究主要针对单个矿区或典型矿床开展研究工作,没有对不同时代、不同成铝带及成因类型之间进行对比,更未系统总结矿物组合特征与其沉积环境的耦合关系。笔者等对华南不同成铝区带和不同时代内含铝岩系中矿物组合差异进行系统对比,对于华南沉积型铝土矿矿床成因亚类划分及成矿机制约束有一定的理论意义。

1 含铝岩系矿物合及矿物成因

含铝岩系中铝矿物组合主要有铝矿物、黏土矿物、铁矿物等。铝矿物以一水硬铝石、一水软铝石、三水铝石为主。黏土矿物组合主要以伊利石、绿泥石、高岭石为主。铁矿物以黄铁矿、菱铁矿、赤铁矿为主。笔者等主要论述重点集中在黏土矿物和铁矿物,因此对于铝矿物成因进行简单总结。

1.1 铝矿物

目前对于一水硬铝石成因研究主要有三种观点。简单结晶成因(D’Argenid et al,1995;Liu Xuefei et al.,2010,2013,2017;刘学飞,2012),在成岩阶段结晶形成一水硬铝石;变质成因(李启津,1987;Temur Sedat et al.,2006),在红土化阶段形成的三水铝石在浅变质作用下形成一水硬铝石,其中有一水软铝石中间产物产生(刘学飞等,2012);风化成因,三水铝铝石转化为一水硬铝石是一种自然现象,能够自发进行,或是高岭石在风化过程中脱硅,脱出的SiO2由Al2O3代替形成一水硬铝石(刘学飞等,2012)。三水铝石形成主要有两种观点,分别是风化作用(Sidibe Moussa et al.,2019)、简单结晶形成(刘学飞等,2012;王庆飞等,2012)。

1.2 黏土矿物

含铝岩系中黏土矿物组合主要以伊利石、绿泥石、高岭石为主。黏土矿物之间可以相互转化,主要取决于环境中的酸碱度变化。

伊利石成因主要有两种观点,分别是风化成因、陆源成因。风化成因是由母岩中云母、长石等矿物经历风化作用形成(高天祥,2019)。陆源成因,主要是继承母岩中的伊利石,经过短距离搬运至沉积区,以碎屑状为主,表面有轻微磨圆情况(廖士范等,1991)。

绿泥石是由于铁、镁元素形成的硅酸盐矿物,在含铝岩系中其成因有三种观点,分别是自生成因、变质成因、陆源成因。自生成因指在碱性(pH=7～9)和还原(Eh<0)条件下,有足够的Fe、Mg元素供给形成绿泥石(Liu Xuefei et al.,2010)。变质成因指变质作用或低温热液蚀变作用影响下形成,该成因会导致周边围岩或含铝岩系出现蚀变现象。陆源成因是指在成矿前期,由源区经过距离的搬运迁移至沉积区形成,以碎屑状为主,有不同程度磨圆(高天祥,2019)。另外,一水硬铝石在铁镁质流体供给的情况下也会转化形成绿泥石(崔滔等,2013;高天祥,2019;龙珍等,2021)。同时有学者认为绿泥石形成与海水成因有密切联系(李普涛等,2008;Wang Qingfei et al.,2010;Liu Xuefei et al.,2010;章颖等,2015;王瑞雪,2019)。

高岭石是含铝岩系中常见的黏土矿物,高岭石在成岩早期、成岩期以及成岩后期均可形成(刘学飞等,2012;Yang Shujuan et al.,2022)。成岩早期形成的高岭石,主要是由基岩的伊利石页岩在红土化阶段转化形成高岭石(崔滔等,2013),这种成因在渝南—黔北地区普遍出现,黔中地区有少数出现。成岩期经历的风化淋滤作用也能使其他黏土矿物逐渐转化形成高岭石(高天翔,2019)。成岩后期的高岭石,通常经历复“硅化作用”形成(盛章琪,1989)。在含铝岩系中可以说高岭石的形成极为复杂。

1.3 铁矿物

含铝岩系中铁矿物组合主要以黄铁矿、菱铁矿、赤铁矿为主。铁矿物之间的演化取决于环境中的氧化还原变化。

黄铁矿通常形成于碱性(pH>7)和还原(Eh<-0.2)条件下(Liu Xuefei et al.,2013)。研究认为草莓状黄铁矿形成于成矿阶段,结晶程度好的黄铁矿形成于成矿后期阶段(黄渊孝,2019)。有学者发现含铝岩系中黄铁矿形成与海水侵入和岩浆流体有密切联系(D’Argenio et al.,1995;Chen Peiwen et al.,2022)。菱铁矿呈颗粒状,说明形成于成矿前(刘学飞等,2012)。以流体、脉状形式填充空洞,可能是由于成矿后期在还原环境下产生的Fe2+与有机质降解生成的CO2结合形成(高天祥,2019)。

赤铁矿由原岩风化后释放Fe元素,在pH>7、Eh>0.2条件下结晶形成(D’Argenio et al.,1995;Temur Sedat et al.,2006);或由早期形成的部分黄铁矿和菱铁矿在氧化条件下形成赤铁矿(高天祥,2019)。赤铁矿形成分为成岩早期和成岩晚期两个阶段。成岩早期形成的赤铁矿分布在岩系底部,成岩晚期形成的赤铁矿分布在岩系裂隙中,由富Fe的流体形成赤铁矿(赵利华,2020)。

2 华南地区铝土矿矿床及其矿物组合特征

华南地区是中国铝土矿矿床重要聚集地,分布范围集中,分布类型多,跨度大,成矿时间长,矿物组合复杂且存在明显差异性。前人借助矿物学特征和矿物组合约束华南地区铝土矿矿床分布规律及成因(殷科华,2009;Ling Kunyue et al.,2013;黄孝渊,2019;王瑞雪,2019;崔滔等,2021),研究矿物组合演化规律等方面(廖士范等,1991;余文超,2017)。虽有不同学者对不同成铝区的矿物组合进行了研究,但对不同成铝区矿物组合特征及沉积环境的差异仍缺乏系统总结。

2.1 华南地区铝土矿矿床概况

华南铝土矿矿床主要集中于4个省份,分别是重庆、贵州、云南、广西。有5条成铝区带,分别是渝南—黔北、黔中、滇中、滇东南—桂西以及桂中成铝带(高兰等,2014,2015;孙莉等,2018)(图1)。类型有3种,分别是沉积型、堆积型和红土型。

沉积型铝土矿矿床成矿时代是石炭纪(C)和二叠纪(P)。早石炭世(C1)形成的铝土矿矿床赋矿层位是九架炉组(C1jj)分布在黔中成铝带上遵义、修文及清镇地区;早二叠世(P1)形成的铝土矿矿床赋矿层位是大竹园组(P1d),分布在渝南—黔北成铝带上重庆南川—武隆地区、黔北务正道地区;中二叠世(P2)形成的铝土矿矿床赋矿层位是梁山组(P2l),分布在滇中成铝带上昆明、玉溪地区;晚二叠世(P3)形成的铝土矿矿床赋矿层位有龙潭组(P3l)和合山组(P3h),龙潭组分布在滇东南—桂西成铝带上滇东南地区,合山组分布在滇东南—桂西成铝带上桂西地区。堆积型和红土型铝土矿矿床成矿时代是第四纪(Q),赋矿层位是更新统(Qp),堆积型铝土矿矿床分布在滇东南—桂西成铝带滇东南地区和桂西地区,红土型分布在桂中成铝带贵港地区。

因为铝土矿矿床矿石在形成过程中除了有一水硬铝石、一水软铝石、三水铝石等铝矿物组成外(王孚恩,1984;廖士范等,1991;Sun Xuefei et al.,2023),还伴生有大量的黏土矿物和铁矿物,导致不同成铝带以及不同成矿时间的矿物组合有所差异(表1)。

表1 华南铝土矿矿床矿物组合

2.2 沉积型铝土矿矿床矿物组合

渝南—黔北成铝带含铝岩系分为三段:下段以铝土岩为主,中段以铝土矿为主,上段以铝土岩为主(雷志远等,2007)。在黔北地区大部分大竹园组(P1d)下伏地层是下志留统韩家店组(S1hj)页岩,部分地区大竹园组(P1d)下伏地层为下石炭统黄龙组(C1h)灰岩为主,上覆地层为中二叠统梁山组(P2l)炭质页岩。据统计,发现渝南—黔北新民矿区含铝岩系矿物组合存在矿物分带性(龙珍等,2021)(图2c)。铝矿物以一水硬铝石、一水软铝石为主分布在含铝岩系中部或偏中上部;黏土矿物以伊利石、绿泥石及高岭石为主分布在含铝岩系底部和顶部,见蒙脱石和叶蜡石;铁矿物见赤铁矿、黄铁矿、针铁矿、褐铁矿、菱铁矿及磁铁矿。渝南—黔北成铝带矿物组合以一水硬铝石、伊利石、绿泥石、高岭石为主。

滇中成铝带含铝岩系分为三段:下段主要以黏土岩为主;中段以铝土矿为主,夹杂少量黏土岩;上段以黏土岩为主。下伏基于以灰岩为主。铝矿物以一水硬铝石及一水软铝石为主分布在含铝岩系中部。黏土矿物以伊利石、绿泥石、高岭石和地开石为主,但地开石属于高岭石族矿物。伊利石分布在顶部、绿泥石分布在矿体顶部,高岭石分布在含铝岩系底部、中部、顶部。铁矿物见赤铁矿为主,稳定性差。滇中成铝带矿物组合以一水硬铝石、伊利石、绿泥石和高岭石为主(图2d)。

滇东南—桂西成铝带含铝岩性分为三段:下部铁质岩、铁铝岩,中部是铝土矿,上部是黏土岩或炭质黏土岩、铝土岩;含铝岩系中见层理,岩石破碎,矿石中含有黄铁矿。因赋矿层位不同,滇东南地区铝土矿矿床称“铁厂式”铝土矿矿床,赋矿层位为龙潭组(P3l)(崔银亮等,2018);在桂西地区铝土矿矿床称“平果式”铝土矿矿床,赋矿层位为合山组(P3h)。铝矿物以一水硬铝石为主分布在含铝岩系中部;黏土矿物以绿泥石、高岭石为主,高岭石主要分布在铝土矿矿体底部和顶部,铝土矿矿体中少见; 绿泥石分布在铝土矿矿体底部。铁矿物以赤铁矿、褐铁矿出现在滇东南地区,零散分布,或出现在岩石表面,不稳定(崔银亮等,2018)。黄铁矿、菱铁矿出现在桂西地区,是桂西地区典型特征。桂西地区黄铁矿主要分布在铝土矿矿体底部并且向上逐渐减少(王瑞雪,2019);矿石中有少量黄铁矿分布呈星点状分布,与铝矿物共生(于蕾,2012)。菱铁矿则是各层有分布(黄渊孝,2019)。“铁厂式”铝土矿矿床以一水硬铝石、绿泥石和高岭石为特征,如大铁矿区(图2e)。“平果式”铝土矿矿床以一水硬铝石、绿泥石、高岭石、黄铁矿和菱铁矿为主,如平果矿区(图2f)。

综上所述,不同成铝带上矿物带组合之间存在差异性。一水硬铝石和高岭石是各成铝带上所共同含有的矿物。黏土矿物组合中伊利石和绿泥石有所不同。伊利石的差异性可能与下伏基岩及环境变化有关。绿泥石的差异性可能与下伏基岩、Fe、Mg供给、环境变化有关系。铁矿物组合差异性主要是在赤铁矿、黄铁矿和菱铁矿。黔中在清镇—修文一带底部稳定存在赤铁矿层,其他成铝带的铝土矿矿床中赤铁矿并未出现明显得分层,与沉积环境过程氧化还原条件变化有关。黄铁矿和菱铁矿组合主要出现在桂西地区,单独黄铁矿在其他成铝带上出现含量有所差异,这可能与形成过程环境还原条件变化、Fe元素及有机质影响有关。

2.3 堆积型铝土矿矿床矿物组合

堆积型铝土矿矿床是由原生矿层再次经历表生作用改造形成,分布在滇东南和桂西地区(赵俊彩,2013)。含铝岩系分为三段:下段为黏土岩;中段为铝土矿;上段为黏土岩(图2g)。铝土矿矿体主要由大小不等的矿石块体、碎屑及黏土形成,含有铁锰质结核(周方,2010;章颖等,2015;崔银亮等,2018;徐勇等,2021)。下伏基岩为灰岩。滇东南地区与桂西地区铝土矿矿床之间的区别,主要是继承的原生矿层有所不同。滇东南地区堆积型铝土矿矿床又称“买酒坪式”铝土矿矿床。铝矿物主要以一水硬铝石为主分布于含铝岩系中部,一水软铝石和三水铝石含量很少。黏土矿物以高岭石为主,高岭石分布含铝岩系底部和顶部,其中叶蜡石在滇东南地区出现,据学者研究发现含铝岩系中叶蜡石与低温热液活动有关(戴塔根等,2016)。铁矿物以赤铁矿出现为主,在含铝岩系中分布零散,不稳定。“买酒瓶式”以一水硬铝石、高岭石、叶蜡石、赤铁矿和锐钛矿为主。桂西地区堆积型铝土矿矿床以一水硬铝石、高岭石和赤铁矿为主。

2.4 红土型铝土矿矿床矿物组合

红土型铝土矿矿床是经历红土化作用后形成的铝土矿矿床,分布在贵港地区,因此又称“贵港式”铝土矿矿床(王毅哲,2021)。含铝岩性分为三段:下段为黏土(红土),中段为铝土矿,上段为黏土(红土)。含铝岩系岩石以红褐色为典型特征,矿石块体大小不等,分选差,以豆鲕和包壳结构为主(王佳奇,2013;王毅哲,2021)。基岩主要以灰岩为主。铝矿物主要是三水铝石分布在含铝岩中部。黏土矿物以高岭石为主,分布在含铝岩系底部和顶部,其次是伊利石,分布于含铝岩系最底部。铁矿物以赤铁矿和针铁矿为主,但在含铝岩系中零散分布,不稳定。红土型矿物组合以三水铝石、伊利石、高岭石为主(图2h)。

3 沉积型铝土矿矿床矿物组合对沉积环境指示

众所周知,沉积型铝土矿矿床矿物组合复杂,其沉积环境复杂。相对沉积型铝土矿矿床而言,堆积型和红土型铝土矿矿床矿物组合单一,其沉积环境单一。因此,本节主要针对沉积型铝土矿矿床沉积环境进行讨论。沉积型铝土矿矿床中铝矿物主要以一水硬铝石为主,因此矿物组合差异主要是黏土矿物和铁矿物(廖士范等,1991;Liu Xuefei et al.,2013;赵晓东等,2021)。

由于志留纪末期的加里东运动影响,上扬子地区上升为古陆,长时间接受风化剥蚀并且处于准平原化阶段,为华南地区铝土矿矿床积累了大量铝土矿原始物质(黄兴等,2013),同时石炭纪—二叠纪的海进海退循环控制海平面变化和古地理格局变化,导致地下水位波动对铝土矿原始物质改造(Nicholls et al.,2010;Rotzoll et al.,2012;Yu Wenchao et al.,2019;杜远生等,2020)。铝土矿矿床在原始物质堆积—成矿—后期改造形成体系中,受沉积环境参数(pH、Eh、盐度)影响,导致微量元素比值(B/Ga、Sr/Ba、V/Zr、U/Th)蕴含了丰富的沉积环境信息(Degens et al.,1957;邓宏文等,1993;Maslov et al.,2011;黄智龙等,2014;张天福等,2016;张启连等,2016;崔银亮等,2018;薛洪富等,2019;张祥玉等,2021;Wang Yizhi et al.,2021)。

黔中成铝带含铝岩系中见层理和冲刷沟槽,在清镇—修文一带铝矿系中砂砾状、粉砂状铝土矿出现于含铝岩系上部和下部,胶状结构铝土矿出现于中部,碎屑分选性差,岩系中存在破碎的有机质或植物碎片,上述属于陆相环境沉积特征,存在洪控特点(高道德,1992,1996)。黏土矿物高岭石和伊利石呈胶状、片状产出,属于沉积成因,蠕虫状结构属于成矿后期重结晶形成(刘克云,1985)。矿石中伊利石呈碎片状,属于继承性伊利石,来源于下伏基岩或围岩(廖士范等,1991)。自下而上伊利石含量减少,高岭石含量增加,其高岭石由伊利石风化作用形成或铝矿物经历复硅化作用形成(廖士范等,1991;Luo Chaokun et al.,2022)。铁矿物以赤铁矿为主,赤铁矿与一水硬铝石相互成同心纹层,说明赤铁矿由针铁矿在红土化阶段脱水形成,底部稳定的赤铁矿层,它们可能是成矿早期湖泊相或海相沉积产物(廖士范等,1991)。含铝岩系中B/Ga和V/Zr整体数据显示,铝土岩B/Ga平均值(2.28)和铝土岩V/Zr平均值(0.3)均显示沉积环境处于陆相环境(图3、图5a、图7),铁质岩V/Zr平均值(0.85)处于海相。Sr/Ba和Th/U整体数据显示,Sr/Ba平均值(铝土岩3.04,铁质岩2.44)和Th/U平均值(铝土岩3.18,铁质岩1.78)均显示黔中沉积环境处于海陆过渡相(图4a、图6a、图7)。综上所述,黔中沉积环境属于陆相河流—湖泊沉积环境(图7),虽然有部分数据显示处于海相或海陆过渡相,可能是气候和水体补给造成沉积环境中水体盐度变化,同时海侵阶段海水改造,均导致微量元素指标呈海相或海陆过渡相特征(廖士范等,1991;高道德,1992)。

图3 部分华南铝土矿矿床B/Ga 比值(参考值来源:张天福等,2016;)

图4 华南铝土矿矿床Sr/Ba比值(参考值:Wang Aihui et al.,2021)

图5 华南铝土矿矿床V/Zr比值(参考值来源:Maslov et al.,2011)

图6 华南铝土矿矿床Th/U比值(参考值:黄智龙等,2014;崔银亮等,2018)

图7 华南铝土矿矿床矿物组合和沉积环境

图8 华南铝土矿矿床成因类型(据崔银亮等,2018;杜远生等,2020;许箭琪等,2020修改)

渝南—黔北成铝带含铝岩系以致密状、碎屑状、豆鲕状、土状—半土状结构为主,致密状铝土矿分布在下部,碎屑状、豆鲕状铝土矿分布在中部,土状—半土状铝土矿分布在上部(雷志远,2021;崔滔,2013)。黏土矿物伊利石呈碎片状且结晶程度低,说明经过短距离搬运至盆地形成,属于碎屑成因;自生成因伊利石呈鳞片状集合体,结晶程度高,是由长石、云母矿物分解流失K+,在碱性还原环境中形成或在能够提供足够多得K+的海侵阶段形成(余文超等,2014)。渝南—黔北成铝带靠近局限海湾,海侵阶段海水带来Fe、Mg元素在碱性还原条件下可形成绿泥石,另外孔隙水或裂隙水富含Fe、Mg元素在碱性还原条件也能形成绿泥石(崔滔等,2013;高天祥,2019;龙珍等,2021)。高岭石分布最广,呈陆源碎屑假象、隐晶质、胶状集合体,与铝矿物共生,高岭石形态反映出铝土矿矿床形成阶段复杂,若淋滤作用和风化作用强烈,在排水条件良好情况下,黏土矿物进一步发生脱硅作用形成铝矿物(廖士范等,1991;高天祥,2019)。含铝岩系中Sr/Ba、V/Zr和Th/U整体数据显示,Sr/Ba平均值(铝土岩3.04)、V/Zr平均值(铝土岩0.58)和Th/U平均值(铝土岩5.28)均处于主要陆相—过渡相沉积环境(图4a、图5a、图6a、图7),而少数微量元素比值偏向海相沉积环境。B/Ga(铝土岩2.44)平均值显示呈陆相环境(图3、图7)。综上所述,渝南—黔北沉积环境处于海陆过渡相,如潮坪沉积环境(图7),与海水能够发生水体更替(杜远生等,2013;崔滔,2013)。

滇东南—桂西成铝带含铝岩系中见层理,岩石破碎,桂西地区铝土矿矿床以豆鲕状结构为主,底部见黄铁矿层,各层含有菱铁矿(黄孝渊,2019;王瑞雪,2019)。滇东南地区高岭石呈隐晶质、片状产出,可能形成于成岩早期和成岩阶段,充填于空洞中的高岭石,可能形成于成岩后期阶段(于蕾,2012)。桂西地区黏土矿物绿泥石划分为2个世代,早代绿泥石呈胶状,是直接结晶形成;晚世代绿泥石呈片状,在成岩阶段由其他黏土矿物转化形成(程顺波等,2020)。桂西地区高岭石在风化阶段形成呈他形集合体,在成岩阶段形成呈片状,成矿后期一水硬铝石发生脱硅化形成高岭石(黄孝渊,2019;程顺波等,2020)。黄铁矿分为成矿作用阶段和后生作用阶段生成,前者处于还原环境中受有机质影响(黄孝渊,2019),后者是受热液和海水影响形成(Chen Peiwen et al.,2022)。桂西东罗地区菱铁矿出现两期,成矿早期菱铁矿形成于淡水环境,菱铁矿纯度高,成矿后期菱铁矿形成于海水环境(王瑞雪,2019)。含铝岩系中Sr/Ba、V/Zr和Th/U整体数据显示,Sr/Ba平均值(铝土岩5.2,铁质岩5.96)、V/Zr平均值(铝土岩0.74,铁质岩0.81)和Th/U平均值(铝土岩4.36,铁质岩3.54)均处于海陆过渡沉积环境(图4b、图5b、图6b、图7),少数数据处于陆相和海相沉积环境。综述所述,沉积环境处于海陆过渡相,如潮坪环境(图7),沉积环境受海水影响且沉积环境水体出现淡水化现象(崔银亮等,2018)。

沉积型铝土矿矿床处于陆相或海陆过渡相沉积环境。黔中成铝带上以伊利石、高岭石、赤铁矿为特征,可能处于陆相河流—湖泊沉积环境。渝南—黔北成铝带、滇中成铝带、滇东南—桂西以伊利石、绿泥石、高岭石、黄铁矿、菱铁矿,说明沉积环境与海水有交换,处于海陆过渡相潮坪沉积环境。

4 铝土矿矿床成因类型与矿物组合

铝土矿矿床分类历史久远,划分类型多,依据有所不同。国外学者据铝土矿成因大致划分为喀斯特型、红土型和齐赫文型,针对于喀斯特型没有将其进行细分,该类型铝土矿矿床包含原地、准原地和异地搬运的沉积型(Bardossy G.,1982)。国内学者继承前人基础上结合中国铝土矿矿床在大地构造上的特征分为地台—准地台和地槽,地台—准地台又分为沉积型、堆积型和红土型(刘长龄,1987,2013)。国内学者针国外划分方案重新整理后,总结红土型包括无上覆地层覆盖、在碳酸盐岩喀斯特地貌之上的铝土矿矿床,沉积型分原地或准原地残积坡型铝土矿矿床、异地搬运沉积型铝土矿矿床(廖士范等,1991)。基于上述铝土矿矿床分类,依据物源、基底以及风化壳,铝土矿矿床进一步完善细致划分为近现代红土型、古红土型、近现代喀斯特型、古喀斯特型、准平原洼地新、高喀斯特漏斗—峡谷型、低喀斯特洼地型、碳酸盐岩台地型(杜远生等,2020)。综上所述,目前国内外铝土矿矿床类型的分类逐渐趋于精细化。

按成因划分,华南地区铝土矿矿床种类有沉积型、堆积型和红土型三种。大类上沉积型铝土矿矿床和堆积型铝土矿矿床均属于一水硬铝石矿床,因此铝矿物以一水硬铝石为主。而沉积型铝土矿矿床中黏土矿物以高岭石、伊利石、绿泥石为主,铁矿物以黄铁矿、菱铁矿及赤铁矿为主。沉积型铝土矿矿床典型特征是一水硬铝石、伊利石、绿泥石和含有Fe2+所形成的矿物(黄铁矿、菱铁矿、绿泥石)。堆积型铝土矿矿床与沉积型铝土矿矿床相比较,堆积型铝土矿矿床矿物组合单一。堆积型铝土矿矿床黏土矿物以高岭石为主,铁矿物以赤铁矿为主,但在含矿岩系中零散分布,不稳定,其类型典型的特征是一水硬铝石和高岭石。红土型铝土矿矿床属于三水铝石矿床,铝矿物以三水铝石为主,黏土矿物以伊利石、高岭石为主,铁矿物以赤铁矿为主。红土型铝土矿矿床中赤铁矿零散分布于含铝岩系,稳定性差。红土型铝土矿矿床典型的特征是三水铝石、伊利石、高岭石等矿物。综上所述,一水硬铝石主要存在沉积型和堆积型,三水铝石存在红土型;伊利石、绿泥石、高岭石主要存在沉积型,高岭石主要存在堆积型和红土型,其中堆积型和红土型中伊利石极少存在,绿泥石甚至不存在。

沉积型铝土矿矿床以及基底岩性特征可以进一步分为“遵义式”、“修文式”、“大竹园式”、“平果式”等(杜远生等,2020)。通过矿物组合差异进行系统对比,发现矿物组合能反映铝土矿矿床成因的亚类。在早石炭世期间,黏土矿物以伊利石、高岭石为主,铁矿物以赤铁矿为主。从矿物组合分析,以伊利石、高岭石为特征的铝土矿矿床,可定为“遵义式”铝土矿矿床。以伊利石、高岭石、赤铁矿为特征的铝土矿矿床,可定为“修文式”铝土矿矿床。在二叠纪期间,黏土矿物以伊利石、绿泥石、高岭石为主,铁矿物以黄铁矿、菱铁矿为主。从矿物组合分析,以伊利石、绿泥石、高岭石为特征的铝土矿矿床,可定为“大竹园式”铝土矿矿床。以绿泥石、高岭石为特征的铝土矿矿床,可以定为“铁厂式”铝土矿矿床。以几个绿泥石、高岭石、黄铁矿及菱铁矿为特征的铝土矿矿床,可定为“平果式”铝土矿矿床。

综上所述,铝土矿矿床在不同成矿时间和不同成铝带上的亚类区别于黏土矿物组合不同。铝土矿矿床在同一成矿时间和同一成铝带上的两种不同亚类的区别在于铁矿物组合不同,如黔中成铝带上“遵义式”和“修文式”铝土矿矿床,滇东南—桂西成铝带上“铁厂式”和“平果式”铝土矿矿床。

5 结论

(1) 矿物组合时空分布存在差异性。伊利石主要分布在早石炭世黔中、二叠纪渝南—黔北和滇中、第四纪桂中成铝带;绿泥石主要分布在二叠纪渝南—黔北、滇中和滇东南—桂西成铝带;高岭石时空分布广泛。赤铁矿在含铝岩系中零分布,但是在黔中清镇—修文地区底部稳定存在。黄铁矿、菱铁矿主要分布在滇东南—桂西成铝带桂西地区含铝岩系底部。

(2)矿物组合能够反映沉积环境。高岭石、赤铁矿组合指示陆相河流—湖泊沉积环境,伊利石、绿泥石、菱铁矿、黄铁矿组合指示海陆过渡相潮坪沉积环境。伊利石和绿泥石均形成碱性环境,高岭石形成酸性环境,说明环境中存在酸碱性更替。黄铁矿、菱铁矿形成还原环境,赤铁矿形成氧化环境。

(3) 矿物组合能够反映铝土矿矿床类型。沉积型以一水硬铝石、伊利石、绿泥石、高岭石为特征;堆积型以一水硬铝石、高岭石为特征;红土型以三水铝石、伊利石、高岭石为特征。沉积型亚类中“遵义式”以伊利石、高岭石为特征,“修文式”以伊利石、高岭石、赤铁矿为特征、“大竹园式”和滇中以伊利石、绿泥石、高岭石为特征,“铁厂式”以绿泥石、高岭石为特征,“平果式”以绿泥石、高岭石、黄铁矿、菱铁矿为特征。

致谢：感谢评审专家对论文提出的宝贵建议以及各位老师和同门在写作过程中提供的帮助,在此表示衷心的感谢!