王慶飛，鄧 軍，劉學(xué)飛，張起鉆，李中明，康 微，蔡書慧，李 寧

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，北京 100083; 2.廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，廣西南寧 530023; 3.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南鄭州 450000)

1 引言

鋁土礦是在潮濕的熱帶-亞熱帶氣候條件下地表風(fēng)化作用的產(chǎn)物，富含Al、Fe和Ti的氫氧化物和氧化物(Bárdossy，1982;Bárdossy and Aleva，1990; D＇Argenio and Mindszenty，1995;Calagari and Abedini，2007;Deng et al.，2010)。鋁土礦是金屬鋁的主要原料，其用量占世界鋁土礦總產(chǎn)量的90%以上，鋁土礦還可應(yīng)用于耐火材料、研磨材料、化學(xué)制品及高鋁水泥的加工。2008年世界鋁土礦儲量為270億t，幾內(nèi)亞、澳大利亞、越南的儲量居世界前3位，其中中國鋁土礦儲量占世界總儲量的3%。2008年世界鋁土礦產(chǎn)量為2.11億t，生產(chǎn)鋁土礦的國家有澳大利亞、幾內(nèi)亞、巴西、中國、印度等國家，其中中國生產(chǎn)的鋁土礦占世界總量的10%。2008年世界原鋁產(chǎn)量為3926.39萬t，美國、俄羅斯、加拿大、中國等國家是原鋁生產(chǎn)大國，其中中國原鋁產(chǎn)量占世界原鋁總產(chǎn)量的34%(數(shù)據(jù)來自《Mineral Commodity Summaries》，2008，2009)?？傮w而言，中國鋁土礦資源儲量不多，但是需求量巨大;從而深入認識中國鋁土礦成因與分布規(guī)律，大力開展鋁土礦勘查有重要現(xiàn)實意義。中國鋁土礦分布的時空范圍較廣，成因類型多樣，成礦過程復(fù)雜，影響因素多;對中國鋁土礦成因的深入揭示對于發(fā)展鋁土礦成礦理論有重要作用。

國際鋁土礦研究主體起步于20世紀初期，在近一個世紀研究中，前人從鋁土礦礦床地質(zhì)特征、類型劃分、物質(zhì)組成、物質(zhì)來源與成因理論等多個方面做了系統(tǒng)探索，深入揭示了鋁土礦成礦環(huán)境與成礦過程，取得了重大的成果。與國際鋁土礦相比，中國鋁土礦研究起步相對較晚;經(jīng)過幾代研究者的持續(xù)工作，在物質(zhì)組成、礦床成因等方面的研究都有較大進展;但是由于成礦過程與物質(zhì)賦存狀態(tài)復(fù)雜，研究難度較大;在物質(zhì)來源、成礦方式等方面也存在諸多爭議。本文綜述了國內(nèi)外鋁土礦研究的主要研究方法與進展，初步提出了中國鋁土礦成礦的一些新觀點。

2 鋁土礦礦床分類

2.1 分類體系

鋁土礦的分類經(jīng)歷了長達一個世紀的探索與研究。諸多國內(nèi)外學(xué)者通過鋁土礦的物質(zhì)組成、礦體形態(tài)、地質(zhì)產(chǎn)狀、基巖類型、礦床成因以及產(chǎn)出大地構(gòu)造背景等對鋁土礦展開了詳細的分類研究。

最早區(qū)分不同類型鋁土礦的主要依據(jù)是礦石的礦物和化學(xué)組成(Lapparent，1930;Schneiderhohn，1944;Konta，1958)。但是由于大多數(shù)鋁土礦都具有不一樣的化學(xué)和礦物組成特征，因此該分類結(jié)果只能將鋁土礦地球化學(xué)和礦物學(xué)方面區(qū)分開。Peive(1947)首先認識到礦體所在大地構(gòu)造位置的重要性，所以根據(jù)大地構(gòu)造背景將鋁土礦進行了分類。但構(gòu)造背景分類也存在不足之處，即大地構(gòu)造過程只能間接地影響鋁土礦礦化過程，不能作為標準區(qū)分開各類鋁土礦。之后，鋁土礦礦體形狀和地質(zhì)產(chǎn)狀被列為鋁土礦分類的標準 (Harder and Greig，1960;Patterson，1967;Grubb，1973;Patterson et al.，1986);該分類模型的優(yōu)點為其反映了礦體形狀和位置的真正差別，然而模糊性仍然存在。此外，一些純成因分類也被提到(Vikulova，1946; Bushinsky， 1975; Saposhnikov， 1975; Kirpal，1977);成因分類的一個共同缺點即一些標準都是演繹和理論化的，野外實際的應(yīng)用性較差。

目前，應(yīng)用最廣泛的是根據(jù)基巖來分類。根據(jù)基巖類型，鋁土礦主要分為喀斯特型和紅土型兩類。產(chǎn)于碳酸鹽巖古喀斯特面之上的稱為喀斯特型鋁土礦，產(chǎn)于鋁硅酸鹽巖之上的稱為紅土型(Bárdossy and Aleva，1990;D’Argenio and Mindszenty，1995)。喀斯特型鋁土礦據(jù)其產(chǎn)出大地構(gòu)造背景又可劃分為板內(nèi)喀斯特型鋁土礦和造山帶型鋁土礦;其中，造山帶型鋁土礦占喀斯特型鋁土礦總量約85%(D’Argenio and Mindszenty，1995)。應(yīng)用基巖分類的本質(zhì)觀念是基巖或者母巖的組成物質(zhì)影響著礦體的形態(tài)、物質(zhì)組成與巖石學(xué)特征礦體。因此，近年來，根據(jù)基巖類型進行的鋁土礦分類被廣泛應(yīng)用在世界各地鋁土礦研究中(Horbe and Costa，1999;Mordberg，2001;Laskou，2003;Mameli et al.，2007;Deng et al.，2010)。

2.2 中國鋁土礦礦床分布與類型

我國鋁土礦產(chǎn)于古生界、中生界和新生界各地層之中，以石炭紀和二疊紀鋁土礦分布最廣;石炭紀鋁土礦大量分布于華北準地臺上，二疊紀鋁土礦則大量分布于揚子和華南準地臺上(表1)。

依據(jù)基巖類型，我國鋁土礦主體可以分為兩種類型。第一類為喀斯特型鋁土礦，含鋁礦物主要為硬水鋁石，也稱為硬水鋁石喀斯特型鋁土礦。喀斯特型鋁土礦占據(jù)我國鋁土礦總資源量的85%以上，主體分部在山西、河南、貴州和廣西等地區(qū)(Wang et al.，2010;劉學(xué)飛，2011)。第二類為紅土型鋁土礦，主要分布在桂中、福建漳浦、廣東雷州半島和海南蓬萊等地，主要含鋁礦物為三水鋁石，也稱三水鋁石紅土型鋁土礦。其中，桂中地區(qū)紅土型鋁土礦鐵含量較高，也稱之為高鐵紅土型鋁土礦。

我國鋁土礦的工業(yè)類型主要包括高鐵型鋁土礦、高鐵低硫型鋁土礦、高硫型鋁土礦、低鐵低硫型鋁土礦和中、高鐵型鋁土礦，其中以高鐵鋁土礦和低鐵低硫型鋁土礦為主導(dǎo)。我國鋁土礦發(fā)育地層時代、主要分布地區(qū)、自然類型、工業(yè)類型以及成因類型見表1。

3 礦體結(jié)構(gòu)與共生礦產(chǎn)

含礦巖系層序與礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究有助于理解鋁土礦的形成過程。目前，主要借助沉積學(xué)、層序地層學(xué)、沉積古地理、礦田構(gòu)造、地貌地形學(xué)、巖溶學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計等多學(xué)科綜合研究，進行探索鋁土礦層序格架和解析礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征(圖1)。

3.1 礦體層序

(1)華北鋁土礦:含礦巖系層序組成嚴格受喀斯特地形控制。以華北G層鋁土礦溶斗和溶洼型礦體為例，論述其含礦巖系層序特征。在溶斗內(nèi)部，自下到上包括鋁質(zhì)粘土、豆鮞狀鋁土礦、塊狀鋁土礦、鋁土質(zhì)粘土、碳質(zhì)泥頁巖、砂巖/灰?guī)r(頂板);在溶斗周圍隆起處，自下而上包括風(fēng)化殼(鐵質(zhì)粘土)、塊狀鋁土礦、鋁土質(zhì)粘土巖、碳質(zhì)泥頁巖、砂巖/灰?guī)r(頂板);在局部地形更高的區(qū)域，層序中缺失了鋁土礦層，自下而上包括風(fēng)化殼(鐵質(zhì)粘土)、鋁土質(zhì)粘土巖、砂巖/灰?guī)r(頂板)，或者沒有地層記錄，直接與頂板接觸。在溶洼為主的古地形中，在溶洼內(nèi)部，層序自下而上包括鋁質(zhì)粘土(含菱鐵礦粘土)、豆鮞狀鋁土礦、粘土質(zhì)鋁土礦/粘土巖/碳質(zhì)泥頁巖、塊狀鋁土礦、鋁質(zhì)粘土巖、碳質(zhì)泥頁巖、砂巖/灰?guī)r(頂板);向溶洼開口方向延伸層序組成變的簡單，自下而上包括鐵質(zhì)粘土、塊狀鋁土礦、鋁土質(zhì)粘土、碳質(zhì)泥頁巖、頂板砂巖/灰?guī)r(圖2)。鋁土礦體的層序特征反映了不同部位的氧化—還原條件的不同。

表1 中國鋁土礦時代、分布及其類型Table 1 Metallogenic epochs，distribution and types of bauxite deposits in China

圖1 鋁土礦研究框架圖Fig.1 Framework diagram of bauxite study methods

圖2 華北溶洼型鋁土礦層序組成示意圖Fig.2 Sketch illustrating bauxite horizons in the karstic depression in North China1-白云巖;2-泥質(zhì)白云巖;3-灰?guī)r;4-粗砂巖;5-砂巖;6-泥砂巖;7-泥頁巖;8-豆鮞粒鋁土礦;9-塊狀鋁土礦; 10-鋁質(zhì)粘土;11-鐵質(zhì)粘土;12-碳質(zhì)泥巖;13-雜色泥頁巖;14-鐵錳質(zhì)團塊;15-鋁質(zhì)泥巖;16-鐵質(zhì)風(fēng)化殼;17-煤層1-dolostone;2-muddy dolostone;3-limestone;4-gritstone;5-sandstone;6-siltstone;7-clay-shale;8-beansoolitic bauxite;9-massive bauxite;10-aluminum clay;11-irony rock;12-carbonaceous mudstone;13-variegated clay shale; 14-mass of iron and manganese;15-aluminum mudstone;16-irony weathering;17-coal seam

(2)桂西鋁土礦:桂西喀斯特型鋁土礦包括二疊系沉積型和第四系堆積型兩種類型的鋁土礦。二疊系沉積型鋁土礦賦存于二疊系三合組底部，茅口組古喀斯特面之上。鋁土礦含礦層序受古喀斯特地形地貌控制(圖3)。含礦巖系主體由下部的鐵質(zhì)粘土巖/鐵帽和上部的含鋁巖系組成;含鋁巖系中鋁土礦層數(shù)受古喀斯特地貌的控制，在以喀斯特洼地中，經(jīng)常包含兩個鋁土礦-碳質(zhì)泥巖/粘土巖旋回;局部地區(qū)也包含三個鋁土礦-碳質(zhì)泥巖/粘土巖旋回;在巖溶高地處，通常只包含一個鋁土礦-碳質(zhì)泥巖/粘土巖旋回。堆積鋁土礦礦體賦存于巖溶洼地內(nèi)第四系更新統(tǒng)巖溶堆積紅土層中(圖4)。含礦層序從底向上包括紅土層、堆積型鋁土礦和上部粘土層;反映了第四紀紅土化過程與礦石堆積過程的共同發(fā)展。

(3)貴州鋁土礦:貴州鋁土礦主體賦存于晚石炭世九架爐組中，主要包括兩種剖面類型(劉平，1995)。第一類型為鐵質(zhì)巖-鋁質(zhì)巖類型。該類型剖面下部主要為鐵質(zhì)粘土巖、綠泥石粘土巖、綠泥石巖，常夾塊狀、豆鮞狀的赤鐵礦、綠泥石鐵礦、菱鐵礦及褐鐵礦透鏡體和結(jié)核，局部構(gòu)成鐵礦體，并時與黃鐵礦體共生。剖面的中上部為鋁質(zhì)巖，包括各種類型的鋁土礦和鋁土巖，常夾粘土巖，偶爾有炭質(zhì)粘土巖和劣質(zhì)煤。第二類型為粘土巖-鋁質(zhì)巖類型。下部主要為伊利石粘土巖，常含星點狀、結(jié)核狀、致密塊狀黃鐵礦，局部構(gòu)成工業(yè)礦體;中上部有各種鋁質(zhì)巖夾粘土巖，偶爾夾炭質(zhì)粘土巖和劣質(zhì)煤;該此類剖面結(jié)構(gòu)在全區(qū)范圍內(nèi)普遍發(fā)育。

(4)桂中鋁土礦:鋁土礦和高嶺土礦共生。桂中紅土型鋁土礦主要分布在泥盆系、石炭系碳酸巖溶準平原內(nèi)低丘、矮嶺和臺地的第四系紅土層中，具有明顯的垂向分帶性。自下向上依次為:灰?guī)r、粘土層、鋁土礦層、表土層。但由于第四紀的水動力條件，使得各地的鋁土礦有明顯差異，主要體現(xiàn)在垂直分帶的差異。剖面類型主要包括如下幾種:①底板灰?guī)r之上為表層土，此種剖面類型的礦點含礦石較少，無開發(fā)價值;②底板灰?guī)r之上為鋁土礦層，鋁土礦含礦率較高，通常達到中等含礦強度;③底板灰?guī)r之上為粘土層、鋁土礦層;④自下而上為粘土層、鋁土礦層、表層土或沒有表層土;⑤ 單一的鋁土礦層;⑥高嶺土層、表層土。

3.2 品位-噸位曲線

含鋁巖系中多存在幾種礦石類型:粘土巖、鐵礦、粘土質(zhì)鐵礦、粘土質(zhì)鋁土礦、鋁土礦;很多情況下，各種類型礦石存在過渡層位;并且根據(jù)鋁土礦的質(zhì)量不同，有多種不同的工業(yè)用途;從而建立礦體的品位-噸位模型可以為礦區(qū)礦石開采提供基礎(chǔ)依據(jù)。在此，介紹一個簡便的計算方法;公式(1)為基于個數(shù)-規(guī)模模型的礦石儲量估算分形模型(FMRE-NS)(Wang et al，2010a):

圖3 桂西二疊系鋁土礦含礦巖系層序組成特征Fig.3 Columns showing the stratigraphic sequence of Permian bauxite horizons in the karstic depression in western Guangxi ProvinceA-平果高基鋁土礦;B-平果太平11號礦體;C、D-平果那沙37號鋁土礦體; 1-粉砂巖;2-粉砂質(zhì)泥巖;3-炭質(zhì)頁巖;4-泥頁巖;5-炭質(zhì)泥頁巖;6-鈣質(zhì)泥頁巖;7-鋁土巖;8-粘土巖; 9-灰?guī)r;10-泥質(zhì)灰?guī)r;11-鐵帽;12-鋁土礦A-Gaoji bauxite deposit in Pingguo County;B-No.11 orebody in Taiping bauxite deposit in Pingguo County;C，D-No.37 orebody of Nasha bauxite deposit in Pingguo County;1-aleuvite;2-silty mudstones;3-carbonaceous shale;4-clay-shale;5-carbonaceous clay-shale; 6-calciumclay-shale;7-bauxitite;8-claystone;9-limestone;10-argillaceouslimestone;11-gossan;12-bauxite

圖4 桂西堆積型鋁土礦層序特征Fig.4 Stratigraphic column showing sequence of the Quaternary bauxite in the bauxite deposit of western Guangxi Province1-第四紀覆蓋物;2-紅土;3-石灰?guī)r;4-鋁土礦; 5-石灰?guī)r碎片;6-取樣1-Quaternary covers;2-halloysit;3-limestone;4-bauxite; 5-limestone fragments;6-sampling

式中Oa為礦化帶質(zhì)量，ρ為礦石密度，A為礦體面積，Ui為分形模型中第i段礦化厚度的分界值，Di為相應(yīng)的分維值。

平均品位-邊界品位模型公式為(Wang et al，2010b):

式中Gm為礦石的平均品位，Gc為礦石的邊界品位，Gi為模型中第i段的分界品位，Gmax為礦石中元素最大含量，Ci為第i段個數(shù)-規(guī)模(N-S)分形模型的常數(shù)。

噸位-邊界品位模型公式(Wang et al，2010b):

式中O為礦石量，Gc為邊界品位，Ga最小非零品位。

以山西某鋁土礦為例，研究了礦體的品位-噸位模型，進一步揭示了礦體結(jié)構(gòu)的特征(圖7)。礦區(qū)共收集135個鉆孔數(shù)據(jù)，厚度范圍為0.50～7.78 m，Al2O3含量范圍為43.24% ～74.11%，A/S范圍為2.66%～37.86%。礦體厚度的個數(shù)-規(guī)模模型如圖5所示，可用4段直線進行擬合。已知研究區(qū)礦體的面積為10000 m2，礦石密度為3.8 g/cm3，根據(jù)公式(1)計算可得礦石噸位為84950.03 t。在A/ S的N-S分形模型中，可用4段直線進行擬合。通過公式(2)獲得A/S的平均品位與邊界品位之間的關(guān)系。根據(jù)公式(3)得到A/S的礦石噸位與邊界品位之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。礦區(qū)的品位-噸位曲線揭示隨著礦石品位(A/S)的升高，礦石量急劇下降。

圖5 寬草坪鋁土礦厚度N－S分形圖(原始數(shù)據(jù)來自山西省第三地質(zhì)工程勘察院，2002)Fig.5 Number－size model for orebody thickness in the Kuancaoping bauxite deposit (The original data are from the Third Institute of Geological Engineering Exploration of Shanxi Province，2002)

3.3 共生礦產(chǎn)

不同類型的鋁土礦床由于成礦條件不同，其共生礦產(chǎn)種類也不一樣。我國喀斯特型(沉積型)鋁土礦共生礦產(chǎn)種類最多，其上覆地層中常產(chǎn)有煤、熔劑灰?guī)r、油頁巖等;在含鋁巖系中共生有耐火粘土、鐵礬土、鐵礦、硫鐵礦等，其中以耐火粘土和鐵礬土為主;低鐵、低硫高品級的鋁土礦其本身也就是高鋁耐火粘土礦。我國喀斯特型(堆積型)鋁土礦共生礦產(chǎn)主要為低品位三水鋁石礦。紅土型中通常共生有高嶺土和鈷土礦。

(1)耐火粘土礦:耐火粘土礦是喀斯特型(沉積型)鋁土礦中重要的共生礦產(chǎn)，通常和鋁土礦是同層位相變或者互相夾層的關(guān)系。我國耐火粘土主要分布在山西、河南、河北、山東和內(nèi)蒙古省區(qū)的喀斯特型鋁土礦中，約占總數(shù)的85%，次有貴州、遼寧、四川和云南等(馬興，1987)。耐火粘土礦的工業(yè)價值大小視鋁土礦床的規(guī)模而定;若礦床以鋁土礦為主，則耐火粘土為次要礦產(chǎn)，若鋁土礦規(guī)模小，則礦床以耐火粘土為主。低鐵低硫型高級鋁土礦也是高鋁耐火粘土礦，經(jīng)濟價值更大。另外，我國獨特的桂中高鐵紅土型鋁土礦層頂部共生一層硬質(zhì)粘土礦值得關(guān)注;其主要礦物為高嶺石。

(2)鐵礦:通常賦存于喀斯特型(沉積型)鋁(粘)土礦之下，底板碳酸鹽風(fēng)化面之上。在華北地臺之上稱為“山西式鐵礦”，在貴州稱為“清鎮(zhèn)式鐵礦”。礦體延伸長度可達數(shù)十米到數(shù)百米不等;厚度一般為1～2m。該類型鐵礦資源量巨大，但目前綜合利用程度較低。

(3)硫鐵礦:硫鐵礦產(chǎn)出情況有兩種，一種是產(chǎn)于喀斯特型(沉積型)鋁土礦頂?shù)撞空惩翈r中，呈星點狀、團塊狀;礦石礦物由黃鐵礦和粘土礦物組成;該類型硫鐵礦廣泛分布于我國喀斯特型(沉積型)鋁土礦中。我國喀斯特型鋁土礦中共生硫鐵礦綜合利用程度不高。

(4)鐵礬土:鐵礬土與鋁土礦或粘土礦通常共生在一起，主要分布于華北地區(qū)的山西、河南、內(nèi)蒙古、河北等省區(qū)。礦體賦存于上石炭統(tǒng)本溪組下部含礦巖系中，在高鋁粘土層之下。

(5)低品位三水鋁石礦:該類型低品位共生礦產(chǎn)主要分布在我國桂西第四系喀斯特型(堆積型)鋁土礦中。堆積型鋁土礦賦存于第四紅土層中;在紅土層中存在大量三水鋁石;其中約33%的含礦巖系達到邊界品位;其最低溶出率達到96%(龍寶林和劉云華，2005)。該三水鋁石礦具有溶出性能好、冶煉成本低，經(jīng)濟價值高等優(yōu)點。桂西是我國重要的三水鋁石資源產(chǎn)地，具有良好的綜合利用前景。

(6)石灰?guī)r:石灰?guī)r通常為喀斯特型鋁土礦的重要共生礦產(chǎn)之一。在我國與喀斯特型鋁土礦共生的石灰?guī)r分布比較廣泛，儲量相當豐富。在貴州和廣西有黃龍灰?guī)r、棲霞灰?guī)r和長興灰?guī)r等;在華北地臺之上有寒武-奧陶系灰?guī)r、石炭系本溪組二段中灰?guī)r。更重要的是我國桂中紅土型鋁土礦中底板也共生有大規(guī)模的石灰?guī)r礦產(chǎn)。

(7)鈷土礦:我國海南島-福建沿海一帶分布的紅土型鋁土礦床中普遍共生有淋濾殘坡積鈷土礦。

(8)油頁巖:主要分布在華北地臺之上，產(chǎn)出層位為太原組和山西組。礦層層數(shù)3～6層。最下面的油頁巖距鋁土礦層僅數(shù)米或十余米，含油率為3～7%。

(9)煤:煤是我國喀斯特型(沉積型)鋁土礦的重要共生礦產(chǎn)之一;其主要出現(xiàn)于含鋁巖系頂部。煤系的分布規(guī)律嚴格受古喀斯特地形的控制;煤系通常出現(xiàn)在喀斯特洼地地形中的鋁土礦頂部，在全國喀斯特型(沉積型)鋁土礦中均有分布。

(10)錳鐵礦(或含錳菱鐵礦)。主要分布在華北地區(qū)二疊系地層中的下石盒子頂部或上石盒子底部，含礦層4～6層，礦體呈似層狀、透鏡狀。延長一般數(shù)十米至數(shù)百米，最長3000余米。厚度0.2～5.71m，一般0.5～1m。淺部由含錳的褐鐵礦、赤鐵礦組成，深部為菱鐵礦。

4 礦物組成與演化序列

礦物組成及其形成演化過程的研究主要是通過顯微鏡觀察、X衍射分析(XRD)、掃描電鏡-能譜分析(SEM-EDS)、電子探針分析(EPMA)、差熱/熱重分析(DTA/TG)、紅外光譜分析(FTIR)和重砂礦物挑選多種手段綜合分析探索(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)，不同鋁土礦集中區(qū)的礦石礦物組成存在較大差異。

目前為止，從華北鋁土礦礦石中識別出礦物類型有30余種。吳國炎(1996)將豫西鋁土礦中礦物歸納為五大類型:Ⅰ-鋁礦物，包括硬水鋁石、勃姆石和三水鋁石;Ⅱ-粘土礦物，包括伊利石、高嶺石、蒙脫石、綠泥石、葉蠟石、地開石、埃洛石;Ⅲ-鐵礦物，包括赤鐵礦、針鐵礦、菱鐵礦、黃鐵礦、磁鐵礦、鉭鐵礦;Ⅳ-鈦礦物，包括金紅石、銳鈦礦和板鈦礦;Ⅴ-其他微量礦物，鋯石、電氣石、硫磷鋁鍶礦、明礬石、方解石、石英、長石等。華北鋁土礦總體上是以硅鋁鈦礦物為主，但是不同地區(qū)有不同的礦物組合反映不同的成礦特征(溫同想，1996;吳國炎，1996)。礦物形成階段大概可以劃分為四個階段:陸源期、同生期、成礦期、成礦后期和表生期。

多種方法綜合分析了桂西喀斯特型鋁土礦中礦物組成。分析結(jié)果顯示組成二疊系喀斯特型(沉積型)鋁土礦礦石的礦物包括硬水鋁石、鮞綠泥石、銳鈦礦、赤鐵礦、(鋁)針鐵礦、高齡石、黃鐵礦、金紅石、伊利石、石英、鋯石、鈦鐵礦、磁鐵礦、磷灰石、白鈦石、方鉛礦、褐鐵礦、黃銅礦、白云母;第四系喀斯特型(堆積型)鋁土礦礦石的礦物包括硬水鋁石、赤鐵礦、高齡石、銳鈦礦、(鋁)針鐵礦、鮞綠泥石、伊利石、葉臘石、三水鋁石、石英、伊蒙混層、金紅石、鋯石、白鈦石、方鉛礦、磷灰石、鈦鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、黃銅礦、白云母和少量固溶體系列。從沉積型鋁土礦向堆積型鋁土礦轉(zhuǎn)化過程中，礦石中鮞綠泥石大量溶解，高嶺石、赤鐵礦、(鋁)針鐵礦、伊利石、葉臘石、三水鋁石大量結(jié)晶形成。綜合礦物組合特征和成因闡釋，將桂西喀斯特型鋁土礦中礦物的形成演化劃分為物質(zhì)準備期、初次表生期、同生期和二次表生期。

貴州喀斯特型鋁土礦的礦石礦物主要是硬水鋁石;此外，還有少量的勃姆石。自生礦物主要有高嶺石、伊利石和銳鈦礦，次有鮞綠泥石、黃鐵礦、菱鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦、重晶石和石膏。伴生的陸源碎屑礦物主要包括高嶺石、蒙脫石、伊利石、白云母、長石及錯石、電氣石、磷灰石等重礦物。礦物生成階段主要包括陸源碎屑、早期成巖、晚期成巖及表生成巖等四個階段(孫建宏和陳其英，1992)。

桂中、海南以及福建等地鋁土礦均為三水鋁石紅土型鋁土礦，主要組成礦物包括三水鋁石、高嶺石、針鐵礦、赤鐵礦和銳鈦礦等(陳世益等，1992)。

喀斯特型鋁土礦中礦物組合特征可以揭示其成礦環(huán)境和成因機制(D’Argenio and Mindszenty，1995;Mongelli and Acquafredda，1999;Mongelli，2002;Temur and Kansun，2006)。中國華北(山西、河南等)喀斯特型鋁土礦和華南(桂西、貴州等)喀斯特型鋁土礦礦物組成的差異指示了區(qū)域鋁土礦形成環(huán)境和機制的差異(張起鉆，2011;劉學(xué)飛，2011)。鋁土礦演化的多階段更是造就了礦物組成的復(fù)雜性;例如，桂西第四系喀斯特型鋁土礦為二疊系喀斯特型鋁土礦經(jīng)過再一次風(fēng)化作用而形成;礦石中出現(xiàn)了二價鐵礦物(鮞綠泥石)和三價鐵礦物(赤鐵礦)共生的現(xiàn)象(Liu et al.，2010)。

5 元素特征與伴生礦產(chǎn)

鋁土礦研究中主要利用壓片法-X射線熒光光譜(XRF)、等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、容量法和重量法等多種方法對礦石中常量-微量-稀土元素進行分析(圖1)。借助統(tǒng)計分析、相關(guān)性分析和聚類分析等方法對礦石中元素協(xié)同變化規(guī)律進行解析，并且結(jié)合電子探針分析等確定鋁土礦中微量元素分布規(guī)律和賦存狀態(tài)。

5.1 元素組成與空間變化

國外學(xué)者對鋁土礦元素組成與化學(xué)行為研究的主要目的是查明元素組成和變化規(guī)律、探索成礦過程中元素遷移行為、確定惰性元素組成、探討成礦期氧化-還原環(huán)境(Horbe and Costa，1999;Mordberg，2001;?ztürk and Hein，2002;Emmerich and Smykatz -kloss，2002;Laskou et al.，2005;Garcia-Guineaa et al.，2005;Cornell and Schwertmann，2006;Mameli and Oggiano，2007)。鋁土礦中元素富集狀態(tài)主要特征可以初步總結(jié)為:

(1)礦石的主量元素組成與變化特征受礦石礦物組成的制約，由于賦存狀態(tài)和元素地球化學(xué)行為屬性的不同，多種元素空間分布呈現(xiàn)出多樣性，同一元素分布具有空間性變化(圖8)。如河南省郁山喀斯特型鋁土礦ZK1910鉆孔，Al2O3與H2O+在底板灰?guī)r、鋁質(zhì)粘土巖、含鋁菱鐵礦、豆鮞鋁土礦和塊狀鋁土礦中呈現(xiàn)了一致的變化規(guī)律;在頂部鋁質(zhì)粘土巖中則完全變化相反。SiO2與K2O在底板灰?guī)r、鋁質(zhì)粘土巖、含鋁菱鐵礦、豆鮞狀鋁土礦和塊狀鋁土礦中具有相似的變化規(guī)律，在以伊利石為主的粘土質(zhì)鋁土礦中變化較大，而在頂部鋁質(zhì)粘土巖(成分復(fù)雜，包括伊利石、高嶺石、綠泥石等)中基本互為消長變化。FeO、MgO、MnO共存于菱鐵礦中，具有一致性。微量元素Li、Rb、Cs整體上具有一致的變化規(guī)律;堿土元素Ba、Be具有一致的變化規(guī)律。B變化比較獨立，在局部粘土礦物含量較高的層中中與Bi、Ba等元素具有類似的變化規(guī)律。親硫元素Cu、Zn、Ga和Bi變化各不相同;Zn在局部層中與Ni有一致的變化規(guī)律;酸土元素Zr、Hf、Nb、Ta、W以及放射性元素U、Th在整個剖面中均具有一致的變化規(guī)律。對于豆鮞狀鋁土礦(B層)和塊狀鋁土礦而言(D層)而言，多種元素的含量和空間變化不同(REE、Sr等)均不相同，反映了鋁土礦來源存在差異。

(2)不同地區(qū)的喀斯特型鋁土礦地球化學(xué)元素的空間分布特征互有差異:Mameli等(2007)研究了意大利撒丁島Nurra鋁土礦床，其礦石礦物包括高嶺石，勃姆石，赤鐵礦和銳鈦礦等，并且發(fā)現(xiàn)鋁土化過程都是從表層向下的，同時伴隨Al2O3和TiO2的富集以及SiO2和Fe2O3的缺失。Calagari和Abedini (2007)研究了伊朗二疊-三疊系Kanisheeteh鋁土礦床地球化學(xué)特征，研究顯示Fe2O3和SiO2濃度變化最大，而Al2O3在風(fēng)化剖面中上部比較富集。

(3)惰性元素的確定一直是地球化學(xué)研究的重點，但是不同地區(qū)的鋁土礦中確定的惰性元素基本類似。Calagari and Abedini(2007)研究了伊朗Azarbaidjan西部，布坎東部的Kanisheeteh鋁土礦的地球化學(xué)異常，得出Al2O3、Fe2O3和SiO2含量變動范圍較大，而元素Zr、Hf、Ti、V在礦化過程中保持穩(wěn)定。我國喀斯特型鋁土礦近期研究顯示Zr、Hf、Nb和Ta為鋁土礦化過程中最穩(wěn)定元素組合(劉學(xué)飛，2011)。

(4)雖然鋁土礦層自下而上是一個逐次沉積形成的，但是利用地球化學(xué)的垂向分布來反演成礦過程是一個很難的途徑;Wang et al.(2011)提出喀斯特型鋁土礦元素垂向分布受到的成礦前古氧化還原條件和喀斯特演化過程的聯(lián)合制約，而不是成礦期成礦條件。

5.2 伴生礦產(chǎn)與賦存狀態(tài)

鋁土礦是REE、Ga、Sc、Ti、Li等金屬礦產(chǎn)的主要來源之一 (Bárdossy，1982;Laskou，1991; Combes et al.，1993;Evans，1993;Calagari and Abedini，2007;Liu et al.，2010)。這些元素主要為鋁土礦中伴生礦產(chǎn)資源。我國鋁土礦中伴生礦產(chǎn)資源豐富，目前研究成果顯示鋁土礦中伴生元素主要包括Ti、Ga、V、Li、Sc、Nb、Ta和REE。富集元素的空間分布比較復(fù)雜，尚需進一步查清;如富集的微量元素在含鋁巖系的不同層位含量不同;在山西鋁土礦集中區(qū)，元素Ga在上部粘土巖中的含量高于下部鋁土礦，而稀土元素則正好相反。

圖8 豫西郁山鉆孔1910含礦巖系剖面中常－微量、稀土元素垂向變化圖譜Fig.8 Vertical variation spectra of major，trace and rare earth elements of the bauxitic profile from drill hole 1910 in Yushan bauxite mining area in western HenanA-粘土巖;B-塊狀鋁土礦;C-粘土質(zhì)鋁土礦;D-豆鮞狀鋁土礦;E-含菱鐵礦粘土;F-鋁質(zhì)粘土;G-底板灰?guī)rA-clay rock;B-massive bauxite;C-clayey bauxite;D-pisolitic bauxite;E-siderite-bearing clay; F-bauxitic clay;G-underlying limestone

伴生組分在鋁土礦中賦存狀態(tài)有待進一步查清;綜合利用開采的伴生礦產(chǎn)只有Ga，其余伴生礦產(chǎn)均沒有進行工業(yè)化的綜合利用。以稀土元素為例，國內(nèi)外對鋁土礦中稀土元素的特征及其賦存和分布狀態(tài)做了長期探索(Bardossy et al，1976;Mordberg，1996;Mongelli，1999)。國外研究者普遍認為鋁土礦石中的REE主要以獨立礦物存在。Mongelli (1997)研究意大利西部阿普利亞區(qū)的喀斯特型鋁土礦時，發(fā)現(xiàn)了富含稀土元素的鈣-鈰氟碳酸鹽礦物，這些鈣質(zhì)-碳氟化合物主要包括:氟菱鈣鈰礦［REE2Ca(CO3)3F2］、氟維鈣鈰礦［REE3Ca2(CO)5F3］、直氟碳鈣稀土礦［REECa3(CO3)2］、方鈰礦［CeO2］等。Mordberg(1999)研究俄羅斯 Timan中部的鋁土礦風(fēng)化剖面時，發(fā)現(xiàn)其中伴生大量稀土礦物，分別是纖磷鈣鋁礦［CaAl3(PO4)2(OH，H2O)6］、磷鋁鍶石［SrAl3(PO4)2(OH，H2O)6］和菱磷鋁鍶石 -磷鈣鋁石［(Sr，Ca)Al3(OH)6(SO4) (PO4)］。Horbe(1999)以巴西亞馬孫州Pitinga地區(qū)的一個紅土剖面為例，研究了Sn-Zr-Th-Nb-Y-REE等元素的地球化學(xué)演化過程，發(fā)現(xiàn)了部分稀土礦物，包括磷釔礦［YPO4］、釷礦［ThSiO4］、氟碳鈰礦［(Ce，La)(CO3)F］、氟鈰礦［(Ce，La)F3］和針磷釔鉺礦［YPO4·nH2O］。Mordberg(2000)研究了俄國刁曼島Schugorsk鋁土礦，發(fā)現(xiàn)礦石中稀土礦物主要包括菱磷鋁鍶石［SrAl3(PO4)(SO4)(OH)6］、磷鋁鍶石［SrAl3(PO4)2(OH，H2O)6］、水磷鋁鉛礦［PbAl3(PO4)2(OH，H2O)6］、磷鉛鋁礬［PbAl3(PO4)(SO4)(OH)6］、磷鋁鈰礦［CeAl3(PO4)2(OH，H2O)6］、氟菱鈰鈣礦［Ca(Ce，La)(CO3)2F］、羥碳鈰礦［Ca(Ce，La)(CO3)2F］、氟碳鈰礦［(Ce，La)(CO3)F］、氟碳鑭礦［(La，Ce)(CO3)F］、氟碳釔礦［(Y，Ce)(CO3)F］、方鈰石［CeO2］等。Laskou (2003)研究希臘Parnassos-Ghiona鋁土礦中稀土元素特征時，發(fā)現(xiàn)了以下稀土礦物:磷鑭鐠礦［(Y，REE)PO4· H2O］、磷鋁鈰礦［CeAl3(PO4)2(OH)6］、針磷釔鉺礦［(Y，REE)PO4·2H2O］、磷釔礦［(Y，REE)PO4］。Mameli(2007)研究意大利撒丁島一些鋁土礦的地質(zhì)、地球化學(xué)以及礦物學(xué)特征時，發(fā)現(xiàn)鋁土礦中稀土礦物為氟碳鈰礦族礦物。

國內(nèi)研究者一般認為REE主要以兩種形式存在:以離子狀態(tài)吸附在硬水鋁石、三水鋁石、高嶺石等粘土礦物表面和以類質(zhì)同象代換存在于硬水鋁石、三水鋁石等主要礦物中，以獨立礦物存在比較少見。陳代演等(1997)對貴州若干鋁土礦中(林歹、長沖河、小山壩及茍江等)的稀土元素研究表明，整個黔中成礦帶鋁土礦含礦巖系中稀土元素主要呈離子狀態(tài)吸附在一些主要礦物表面。王銀喜等(2000)對山西中部、西部和東部約20個鋁土礦床進行了觀察和研究，發(fā)現(xiàn)了華北古風(fēng)化殼型稀有稀土礦床，REE以離子狀態(tài)吸附在鋁土和粘土礦物的表面。柴東浩等(2001)研究山西某鋁土礦中稀有稀土元素時，提出了山西鋁土礦為稀有稀土(或含稀有稀土)型鋁土礦床，也就是古風(fēng)化殼吸附型稀有稀土(或含稀有稀土)型鋁土礦。王銀喜等(2003)在山西沁源大峪、平陸曹川、寧武、陽泉、五臺白家莊等鋁土礦區(qū)發(fā)現(xiàn)了山西古風(fēng)化殼型稀土金屬礦床，屬風(fēng)化殼離子吸附型，REE不是以單礦物形式存在，而是以離子狀態(tài)吸附在鋁土和粘土礦物表面。李中明等(2007)在河南郁山礦區(qū)首次發(fā)現(xiàn)了河南省古風(fēng)化殼型稀土礦層，該稀土礦層(體)與鋁土礦密切共生，初步認為該礦層屬古風(fēng)化殼吸附型輕稀土礦床。葉霖等(2007)研究貴州修文小山壩鋁土礦，認為礦石中REE富集與Al含量密切相關(guān)，REE是在風(fēng)化成礦過程被鋁礦物(硬水鋁石等)、粘土礦物等吸附。李宏建等(2002)研究認為山西鋁土礦中的稀有、稀土元素呈分散狀態(tài)分布在硬水鋁石、高嶺石等鋁硅礦物中，礦床屬于風(fēng)化殼型鋁土礦和古風(fēng)化殼稀有、稀土元素礦床。庹必陽等(2007)研究認為在礦石中稀土元素呈分散狀態(tài)被吸附在硬水鋁石、高嶺石等粘土礦物的周際或之間。楊軍臣等(2004)對山西鋁土礦及庹必陽等(2007)對貴州鋁土礦中硬水鋁石、高嶺石等礦物進行X射線能譜分析，檢測出部分礦物中含微量的La、Ce、Yb、Nd等元素，但含量很低(含量在儀器靈敏度0. 1% 以下)，難于進行定量分析;X射線能譜定性分析時，大多數(shù)礦物中含微量的稀土元素，并且分布較均勻，認為礦石中伴生的稀土元素以獨立礦物形式存在的可能性很小;另外，鋁土礦中伴生的稀土元素用化學(xué)方法處理，浸出率都很低。Wang et al. (2010)研究桂西二疊系喀斯特型鋁土礦過程中，發(fā)現(xiàn)了氟菱鈣鈰礦和針磷銥鉺礦兩種獨立的稀土礦物;證實局部地區(qū)的部分稀土礦物會以獨立稀土礦物存在?？梢?，目前國內(nèi)鋁土礦中稀土元素的賦存狀態(tài)一直以來仍難以給出確定回答，選礦試驗的結(jié)論證實稀土元素以吸附態(tài)存在的可能性不大，同時以獨立稀土礦物存在的量有限，以類質(zhì)同像替換的可能性最大。

6 成礦物質(zhì)來源

鋁土礦物質(zhì)來源的研究是鋁土礦理論研究中的難點部分。對紅土型鋁土礦而言，可以直接根據(jù)紅土型鋁土礦的物質(zhì)組成和礦石結(jié)構(gòu)得知它們與潛在的母巖間的關(guān)系(Bardossy and Aleva，1990;Horbe and Costa，1999);但是對于喀斯特型鋁土礦則不然，因為喀斯特型鋁土礦的形成過程比較復(fù)雜。國外許多學(xué)者通過對喀斯特型鋁土礦開展地質(zhì)學(xué)、巖相學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)綜合研究進行追蹤成礦母巖(Mordberg，2001;?ztürk and Hein，2002;Laskou，2003;Laskou et al.，2005;Mameli et al.，2007)。近年來諸多地球化學(xué)手段被提出并應(yīng)用于喀斯特型鋁土礦的物源探索研究中(表2)，比如，元素Ni-Cr對數(shù)雙變量圖解(Schroll and Sauer，1968)、元素Ga -Zr-Cr三角圖解(?zlü，1983)、微量元素富集系數(shù)(R)(?zlü，1983)、Eu/Eu*-TiO2/Al2O3-Ti/Cr圖解(Mongelli，1993;Mameli et al.，2007)和穩(wěn)定元素的比率(MacLean and Kranidiotis，1987;MacLean，1990;MacLean and Barrett，1993;Kurtz et al.，2000; Calagari and Abedini，2007)等。通過大量研究，提出可能為喀斯特型鋁土礦提供成礦物質(zhì)的巖石類型包括:碳酸鹽巖(MacLean et al.，1997;Wang et al.，2008)、基巖巖屑(Bardossy，1982)、火山灰(Lyew-Ayee，1986;Morelli et al.，2000)、風(fēng)搬運物質(zhì)(Pye，1988;Brimhall et al.，1988)以及鐵鎂質(zhì)巖石(Calagari and Abedini，2007;Mameli et al.，2007)。

由于鋁土礦化作用過程中，元素的活動行為受母巖成分、元素在母巖中賦存形式、元素化學(xué)性質(zhì)、成礦物理化學(xué)條件、成巖和后期改造等諸多因素的影響(Mordberg，1996);因而，僅僅利用元素地球化學(xué)圖解判識鋁土礦物質(zhì)來源具有一定不確定性。另外，不同地區(qū)鋁土礦中微量元素組成和變化規(guī)律不一致，根據(jù)局部地區(qū)鋁土礦地球化學(xué)特征所建立的地球化學(xué)圖解來判識其它地區(qū)鋁土礦物質(zhì)來源也具有一定不可靠性。從而，喀斯特型鋁土礦的物源探索需要新的研究手段。

鋯石廣泛存在于各類巖石中，并具有富含U和Th、低普通Pb、以及非常高的封閉溫度和礦物穩(wěn)定性這些特性，使其成為研究巖石成因和地質(zhì)事件形成時代的重要礦物(鄭永飛等，2003)。隨著近年來同位素年代學(xué)向微區(qū)高精度方向發(fā)展，鋯石的離子探針(SHRIMP)與激光探針(LA-ICP-MS)等成為目前U-Pb同位素定年的重要手段;再配合鋯石背散射電子圖像(BSE)或陰極發(fā)光圖像(CL)、氧同位素、微量元素成分等方面的資料;鋯石研究已經(jīng)在示蹤變質(zhì)效應(yīng)、巖漿混合、巖石成因、地殼形成和沉積源區(qū)等方面取得了突出進展(Ross 1992;Pell et al.，1997;Sircombe and Freeman 1999;Xu et al.，2001;Cawood et al.，2002;Gao et al.，2004; Hawkesworth and Kemp 2006)。

基于礦石礦物和地球化學(xué)特征進行詳細研究，基于鋯石SHRIMP U-Pb定年和Lu-Hf同位素特征，加上成因礦物學(xué)與地球化學(xué)約束，綜合探討不同礦帶鋁土礦成礦物質(zhì)的來源范圍，合理推斷多種源巖對鋁土礦成礦物質(zhì)的貢獻作用，是鋁土礦物質(zhì)來源研究的有效手段(圖1)。

表2 喀斯特型鋁土礦礦床地質(zhì)特征和物源示蹤方法表Table 2 Geological features and denoting methods for parent rocks of karstic bauxite deposits

對國內(nèi)喀斯特型鋁土礦物質(zhì)來源前人做過大量研究，取得一定認識;但是觀點較多，結(jié)論不統(tǒng)一。華北喀斯特型鋁土礦的物質(zhì)來源存在以下三種觀點:(1)成礦物質(zhì)來源于底板碳酸鹽巖(范法明，1989;吳國炎，1997;郭連紅，2003;袁躍清，2005;豐愷，1992;賀淑琴，2007)。該觀點認為碳酸鹽巖雖然鋁含量低，但風(fēng)化剝(溶)蝕的厚度大，可以提供足夠物源。(2)成礦物質(zhì)來源于古陸。研究者提出在華北喀斯特型鋁土礦帶周緣曾存在多個小型古陸，如箕山古島、嵩山古島、五臺山古島等，該觀點認為所有鋁土礦床均圍繞古陸分布，古陸上各種鋁硅酸鹽巖的鋁含量高，可以提供足夠物源(劉長齡，1985;盧靜文，1997)。(3)成礦物質(zhì)為混合來源(范忠仁，1989;施和生，1989;劉長齡，1988，1992;王紹龍，1992;杜大年，1995;孟祥化等，1987;吳國炎，1996;溫同想，1996)。該觀點認為華北喀斯特型鋁土礦的成礦物質(zhì)來自底板碳酸鹽巖和礦集區(qū)內(nèi)部古陸巖石兩個部分。

桂西喀斯特型鋁土礦物質(zhì)來源經(jīng)歷了長時間的探索(韋國深，1999;戴塔根等，2003;王力等，2004)。但是，二疊系沉積型鋁土礦的母巖類型一直備受爭議，桂西鋁土礦的物質(zhì)來源有三種觀點: (1)基底來源(Cao，1982;張起鉆，1999;王力等，2004)。多數(shù)學(xué)者通過對比鋁土礦與下部碳酸鹽巖中的穩(wěn)定元素比值得出礦體下部的碳酸鹽巖是主要的成礦母巖。(2)鐵鎂質(zhì)巖來源(羅強，1989;陳其英和蘭文波，1991)。部分學(xué)者認為二疊系中的鐵鎂質(zhì)巖為成礦提供了部分成礦物質(zhì);理論依據(jù)是鋁土礦礦石中微量元素和鐵鎂質(zhì)巖石中微量元素比值類似。(3)古陸來源(Li and Yang，1996)，少部分學(xué)者認為古陸中的變質(zhì)巖系列是成礦母巖，理論依據(jù)是鋁土礦圍繞古陸分布。

貴州喀斯特型鋁土礦物質(zhì)來源同樣經(jīng)歷了長時間的研究探索。綜合前人對貴州鋁土礦物質(zhì)來源研究成果，可歸納為以下兩點:基底來源(劉平，1987;汪生杰和楊文會，1987;廖示范，1989;陳履安，1991;馮學(xué)嵐，1997;劉平，2001;程鵬林，2004;葉霖等，2007)。該觀點的主要內(nèi)容為黔中隆起后的碳酸鹽巖和頁巖基底，經(jīng)過長期溶蝕作用在溶坑洼中初步富集成零星分散的鋁土礦。但是由于不同礦帶的基底碳酸鹽巖以及碎屑巖的種類不同，所以不同礦區(qū)中鋁土礦的物質(zhì)來源雖然均來自基底，但巖石類型有差異。玄武巖來源(梁同榮和廖示范，1989)，位于川南南川、東山上二疊統(tǒng)玄武巖風(fēng)化的鋁土礦、古紅土型鋁土礦最為典型，該處由鋁土礦向下逐漸過渡為玄武巖，是原地殘積的鋁土礦。

國內(nèi)鋁土礦最新研究進展是創(chuàng)建了喀斯特型鋁土礦物質(zhì)來源研究方法體系，首次應(yīng)用鋁土礦中碎屑鋯石U-Pb和Lu-Hf同位素特征，提出LogZr/ Hf-LogNb/Ta雙變量物源判識圖解，綜合評價風(fēng)化源巖類型及其對成礦的貢獻。提出了鋁土礦的物質(zhì)來源與大型構(gòu)造—巖漿活動有密切關(guān)系，是異源搬運的觀點(Deng et al.，2010;Liu et al.，2010)。對河南、山西兩省八個鋁土礦碎屑鋯石年齡進行了測定，碎屑鋯石年齡主體集中分布在新元古代(812～956Ma)和古生代(414～455Ma)兩個階段;源巖主體來自于分布在北秦嶺造山帶內(nèi)部的巖漿巖。

7 成礦古地理與成礦環(huán)境

7.1 成礦期古地理

成礦古地理條件是影響成礦環(huán)境的重要因素。以往學(xué)者通過沉積層序、沉積構(gòu)造、化石面貌、微量元素、同位素等特征對重點礦集區(qū)鋁土礦沉積環(huán)境進行劃分研究。吳國炎(1996)對豫西喀斯特型鋁土礦沉積環(huán)境進行了全面的歸納總結(jié)分析;根據(jù)巖性組合，沉積構(gòu)造以及微量元素等特征將全區(qū)中石炭統(tǒng)(下段)分為3大相組，4個相和10個微相。部分研究者也通過區(qū)域?qū)有蚪M成對比研究構(gòu)建了成礦期巖相古地理圖(吳國炎，1996;溫同想，1996)。前人研究證實研究區(qū)存在秦嶺古陸、中條山古陸與嵩箕古陸等，它們對巖溶洼地的發(fā)育有重要控制作用。成礦期研究區(qū)的地形整體西南高、東北低，這種古地理格局控制了鋁土礦和粘土礦的分帶性。

盡管已經(jīng)存在豐富的研究資料，但是沉積期巖相古地理特征還遠沒有揭示。根據(jù)最新研究成果來看，根據(jù)礦體結(jié)構(gòu)，可以將與成礦有關(guān)的古環(huán)境與古地理大致分為三期。一是成礦前的巖溶喀斯特地貌;二是成礦過程有可能不是一個持續(xù)的過程，中間存在間隔期，間隔期的古地理框架與成礦前的喀斯特地貌有關(guān);三是成礦后(末)期的沉積地貌格架。三個沉積階段的古地理特征需要進一步闡釋。由于現(xiàn)今豫西地區(qū)底板碳酸鹽巖地層基本水平，其可以代表晚石炭紀的地形基本輪廓。因此，本文對河南邊莊礦區(qū)成礦前的巖溶喀斯特地貌進行了初步的研究，在礦區(qū)內(nèi)共測量40個控制點和剖面11條，來查清礦區(qū)尺度內(nèi)洼地、高地層序和礦體的空間展布規(guī)律。成礦前地貌總體具有多階梯式隆凹相間結(jié)構(gòu)。邊莊礦區(qū)主體為溶洼和溶溝地貌控礦。根據(jù)底板高程的差異，將礦區(qū)分為三階;每一階分高地、半高地和洼地三種古地貌，第一階的高地與第二階的洼地的高程相似，第二階的高地與第三階的洼地的高程相似(圖9)。

圖9 河南邊莊鋁土礦礦區(qū)古地貌格架圖Fig.9 Map showing paleo－terrain framework of the Bianzhuang bauxite district in Henan Province

7.2 成礦環(huán)境

鋁土礦中礦物類型、地球化學(xué)特征以及礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造等對成礦環(huán)境有重要的制約(圖1)。目前，喀斯特型鋁土礦的形成環(huán)境主要包括“氧化滲流型”和“還原潛水型”兩種類型?！皾B流型”環(huán)境中的鋁土礦主要礦物類型以三水鋁石/一水軟鋁石、高嶺石、針鐵礦和赤鐵礦為主;礦石中可能富集微量元素V、Co、Ni、Cr、Zr和REE;礦石一般呈紅色和紅褐色;礦石結(jié)構(gòu)以環(huán)帶狀鮞粒結(jié)構(gòu)為主，鮞粒與基質(zhì)為逐漸過渡?！皾撍汀杯h(huán)境中鋁土礦主要礦物類型以硬水鋁石/一水軟鋁石、鮞綠泥石、菱鐵礦、黃鐵礦為主，部分礦石中含有少量的針鐵礦;礦石一般呈白色或者灰白色;礦石結(jié)構(gòu)以環(huán)帶狀鮞粒結(jié)構(gòu)、豆粒結(jié)構(gòu)、復(fù)鮞粒結(jié)構(gòu)和碎屑結(jié)構(gòu)為主，豆鮞粒和碎屑單元通常與基質(zhì)之間為突變接觸。

通常情況下，多數(shù)喀斯特型鋁土礦并不包含與上述兩種環(huán)境中鋁土礦非常一致的礦石、礦物和元素組成特征。通過礦石顏色、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物類型和元素組成特征等反映的鋁土礦沉積/成礦環(huán)境非常復(fù)雜;多為兩種成礦環(huán)境間的過渡帶環(huán)境。對于造山帶環(huán)境中的喀斯特型鋁土礦，由于造山作用導(dǎo)致地形高俊，高差較大，鋁土礦的形成環(huán)境主體為“滲流型”，或者靠近“滲流型”;而板內(nèi)環(huán)境中的喀斯特型鋁土礦，通常以“潛水型”，或者靠近“潛水型”環(huán)境為主。但是，如果板內(nèi)碳酸鹽巖臺地受到造山作用的影響而引起隆升，也會出現(xiàn)“滲流型”型鋁土礦。我國鋁土礦成礦環(huán)境復(fù)雜，除桂西第四系堆積型鋁土礦外，主體均為板塊內(nèi)部“潛水型”環(huán)境;桂西第四系堆積型鋁土礦為“滲流型”環(huán)境(圖10)。

8 成礦機制

嚴格意義上的成礦機制包括母巖的風(fēng)化機制、物質(zhì)搬運過程以及同生期等多個階段的礦石結(jié)構(gòu)與物質(zhì)演化過程。成礦母巖與礦物風(fēng)化的具體機制、速率與控制因素已被諸多學(xué)者討論，達到基本共識(Millot，1970;Lasaga and Kirkpatrick，1981);這里只強調(diào)搬運或者同生期的過程。

目前，喀斯特型鋁土礦形成機制主要包括三種類型:(1)紅土化作用形成含鋁物質(zhì)，之后含鋁物質(zhì)被搬運到碳酸鹽巖表面沉積形成鋁土礦;(2)風(fēng)化殼中含鋁溶液以化學(xué)形式搬運到喀斯特洼地中結(jié)晶形成鋁土礦;(3)碳酸鹽巖表面或者內(nèi)部鋁硅酸鹽巖鋁土礦化(紅土化)后原地堆積形成鋁土礦。在部分情況下，喀斯特型鋁土礦的形成是三種機制的共同作用或者以任何方式結(jié)合的產(chǎn)物。目前國外三種成因機制的鋁土礦均有報道，但是主體以第一種成因機制為主。并將該成因機制劃分為三個成礦階段(?ztürk et al.，2002;Muzaffer-Karada? et al.，2009):(1)物質(zhì)準備階段，該階段為母巖中礦物經(jīng)過風(fēng)化作用和紅土化作用使巖石中礦物分解釋放出各種離子，堿性堿土元素隨著風(fēng)化作用的進行逐漸流失，留下來的離子原地結(jié)晶形成氧化物和氫氧化物以及部分粘土礦物，這些礦物組成了鋁土礦的原始物質(zhì)。(2)物質(zhì)遷移階段，已形成的鋁土礦物質(zhì)經(jīng)過短距離的搬運在喀斯特洼地中沉積形成鋁土礦層。(3)后期改造階段，該階段是后成巖作用，變質(zhì)作用以及表生風(fēng)化淋濾作用過程，鋁土礦在這個階段是逐漸富集和優(yōu)化的階段(Bárdossy，1982;D’Argenio and Mindszenty，1995;Mordberg，2001;Laskou et al.，2005;Temur and Kansun，2006;Mameli et al.，2007;Bogatyrev and Zhukov，2009;Bogatyrev et al.，2009)。

圖10 喀斯特型鋁土礦成礦環(huán)境示意圖(據(jù)D’Argenio＆mindszenty，1995)Fig.10 Sketch showing ore－forming environment of the karstic bauxite deposit (after D’Argenio＆mindszenty，1995)

前人對中國喀斯特型鋁土礦的形成機制做過大量的探索研究，并且提出了多種成因理論。成因理論包括紅土或鈣紅土殘坡積(王恩孚，1985;范法明，1989;馬既民，1988，1991)、膠體化學(xué)沉積(張源有，1982)、紅土沉積(張源有，1982;李啟津，1985;陳廷臻，1985;劉長齡，1985，1988;吳國炎，1996;陳平，1997)和紅土-殘坡積沉積等理論(豐愷，1992)。

目前，喀斯特型鋁土礦成因機制探索一般為基于區(qū)域地質(zhì)演化、巖相古地理特征等，通過礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造研究、礦物成因分析、元素活動行為探討和元素賦存狀態(tài)的探索進行綜合討論探索(圖1)。最新研究進展顯示我國喀斯特型鋁土礦成因機制比較復(fù)雜，均與重大地質(zhì)事件密切相關(guān)。華北喀斯特型鋁土礦的形成是洋陸俯沖、大陸漂移和集中風(fēng)化的產(chǎn)物:中奧陶世(～450Ma)時期，古特提斯秦嶺洋向北俯沖與華北板塊碰撞，使得北秦嶺造山帶抬高，華北板塊形成南高北低的古地理格局;之后秦嶺造山帶經(jīng)歷了緩慢的抬升過程;在晚志留世到早泥盆世期間，華北板塊漂移至赤道附近，使得北秦嶺造山帶中出露的巖漿巖的高程有限，在有效的氣候下，得到集中的風(fēng)化;為后期鋁土礦形成準備了豐富的富鋁物質(zhì);早石炭世晚期，海平面上升，將分布于北秦嶺造山帶之上以及華北各古陸之上的富鋁物質(zhì)搬運至華北板塊內(nèi)部喀斯特洼地中形成鋁土礦。

地質(zhì)學(xué)、巖相學(xué)、地球化學(xué)和礦物學(xué)多學(xué)科綜合研究揭示了我國喀斯特型鋁土礦成因機制。華北板塊之上喀斯特型鋁土礦(山西、河南)中主要鋁礦物-硬水鋁石為簡單成巖結(jié)晶成因;而主要粘土礦物伊利石為風(fēng)化成因，為碎屑礦物(劉學(xué)飛，2011);故鋁土礦成因機制主體為“離子結(jié)晶與碎屑沉積”綜合成因。而華南鋁土礦(貴州、廣西)中主要鋁礦物-硬水鋁石也為簡單成巖結(jié)晶成因;主要粘土礦物鮞綠泥石與硬水鋁石密切共生(Liu et al.，2010);因此其鋁土礦成因機制主體為“離子結(jié)晶”成因。

9 結(jié)語

鋁土礦地質(zhì)與成因研究需要沉積學(xué)、表生地球化學(xué)、同位素地質(zhì)學(xué)、古氣候?qū)W多學(xué)科的綜合研究，也需要應(yīng)用多項現(xiàn)代測試手段。本論文系統(tǒng)綜述了國內(nèi)外鋁土礦研究方法與進展，總結(jié)了鋁土礦研究方法體系，并闡述了我國鋁土礦研究一些新認識，主要結(jié)論包括:

(1)我國鋁土礦主體包括喀斯特型和紅土型兩種類型的鋁土礦，其中以喀斯特型鋁土礦為主;紅土型鋁土礦剖面類型與形成環(huán)境條件密切相關(guān)?？λ固匦弯X土礦整體為硬水鋁石型，形成環(huán)境為堿性還原的“潛水型”環(huán)境中;礦體受到巖溶喀斯特微地形的控制，含礦巖系層序變化復(fù)雜，主體分為局部高地與局部洼地兩種類型;局部洼地產(chǎn)出的鋁土礦礦體較厚，部分剖面包括多個鋁土礦-粘土巖的沉積旋回。

(2)喀斯特型鋁土礦的成礦物質(zhì)普遍經(jīng)歷多個演化階段，造成了礦石礦物組成的復(fù)雜性和區(qū)域間的差異性;喀斯特型鋁土礦物質(zhì)來源呈多源性特征，整體物質(zhì)以異源搬運的;物質(zhì)遷移機制存在區(qū)域性差異;華北喀斯特型鋁土礦主體為碎屑沉積+離子結(jié)晶成因;而華南鋁土礦則主體為離子結(jié)晶為主。

(3)重要鋁土礦富集區(qū)都與重大地質(zhì)事件有關(guān);中國喀斯特型鋁土礦主體為洋陸俯沖、大陸漂移和集中風(fēng)化的結(jié)果。

本論文闡述了部分國內(nèi)鋁土礦研究一些新進展，但是在物質(zhì)組成、成礦過程與找礦標志方面仍然需要進一步深入討論研究:(1)層序組成與礦石礦物組成的區(qū)帶性變化及其成因;(2)伴生元素的賦存狀態(tài)與綜合利用;(3)具體的成礦過程需要進一步闡釋。此外，對于鋁土礦的找礦與勘探，地球化學(xué)、地球物理(重磁)與遙感信息對礦體存在及其富集度的指示性十分有限，有效的找礦標志仍需進一步探索。

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