劉加強(qiáng)，王訓(xùn)練，周洪瑞，高金漢，于 蕾，鄭 楠，毛志芳

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

1 引言

鋁土礦是多種金屬礦產(chǎn)(如鋁、鎵)的重要原料(Laskou，1991;Evans，1993;Calagari，2007;Mameli et al.，2007;Liu et al.，2010)。根據(jù)鋁土礦下伏巖石類型的差異，可劃分為喀斯特型鋁土礦和紅土型鋁土礦兩種主要類型?？λ固匦弯X土礦下伏地層為灰?guī)r，紅土型鋁土礦下伏地層則為鋁硅酸鹽。對紅土型鋁土礦結(jié)構(gòu)、組分的研究表明，其源巖大多為下伏巖層(Bárdossy and Aleva，1990;Horbe and Costa，1999;Mutakyahwa et al.，2003)。相比而言，喀斯特型鋁土礦成礦過程則復(fù)雜的多(Mordberg，2001; ?ztürk and Hein，2002;Laskou，2003;Karada? et al.，2009;Deng et al.，2010)。通過巖石結(jié)構(gòu)、組分來判別其源巖很難得到正確的結(jié)論。正因如此，國內(nèi)外很多學(xué)者對喀斯特型鋁土礦進(jìn)行了大量的研究(Schroll and Sauer，1968;?zlü，1983;MacLean and Kranidiotis，1987;MacLean，1987;MacLean et al.， 1997;Kurtz et al.，2000;Panahi et al.，2000;孟健寅等，2011)，以明確其源巖及成礦機(jī)理，在這種背景之下，許多新的方法引入到鋁土礦的研究之中。

云南素有“有色金屬王國”、“礦業(yè)大省”的美譽(yù)，其鋁土礦探明儲量3650萬噸，其中80%分布在滇東南文山州境內(nèi)，目前已探明的鋁土礦資源主要分布在該地區(qū)的丘北縣、硯山縣、文山縣、西疇縣、廣南縣及麻栗坡縣境內(nèi)。

本文試圖通過對滇東南地區(qū)鋁土礦的地球化學(xué)特征進(jìn)行研究，以查明鋁土礦成礦物質(zhì)來源，為下一步的勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

峨眉山大火成巖省是目前中國唯一公認(rèn)的地幔柱成因大火成巖省，主要巖石類型為基性玄武巖及基性侵入巖(Zhou et al.，2002;Zhong et al.，2003)，還有部分長英質(zhì)巖漿巖(如A型花崗巖)及流紋巖(Zhong et al.，2007;Shellnutt and Zhou，2007)，這些酸性侵入巖及噴出巖出露在位于峨眉山大火成巖省內(nèi)帶的攀枝花和西昌地區(qū)(Shellnutt and Zhou，2007)。

滇東南地區(qū)處于揚(yáng)子地臺西南，大地構(gòu)造單元屬于華南褶皺系滇東南褶皺帶，位于峨眉山大火成巖省的外帶(He et al.，2006;Xu et al.，2008)(圖1)。研究區(qū)出露寒武系、志留系、石炭系、二疊系、三疊系和第四系(圖2a)，主要以上古生界和新生界三疊系為主，玄武巖主要分布于研究區(qū)西部，為峨眉山玄武巖。上二疊統(tǒng)吳家坪階下部主要為一套鋁土礦、鐵鋁巖、砂巖、粉砂巖、(炭質(zhì))泥巖及煤的沉積。

圖1 峨眉山大火成巖省地質(zhì)簡圖(據(jù)He et al.，2006; Xu et al.，2008;Deng et al.，2011修改)Fig 1 Geological sketch map of the Emeishan LIP (after He et al.，2006;Xu et al.，2008;Deng et al.，2011).1-峨眉山玄武巖;2-長英質(zhì)巖漿巖;3-主要斷裂;4-城市; 5-玄武巖分區(qū);6-國界;7-省界;8-研究區(qū)1-Emeishan basalt;2-flesic Magmatic rocks;3-main fault;4-city;5 -basalt zone bounary;6-country boundary;7-provincial boundary;8 -study area

滇東南地區(qū)自石炭紀(jì)至中二疊世時處于穩(wěn)定的揚(yáng)子克拉通區(qū)，屬于陸表海環(huán)境，廣泛發(fā)育海相碳酸鹽巖、白云巖及硅質(zhì)巖。中二疊世末期，由于峨眉山地幔柱的活動導(dǎo)致了該地區(qū)地殼的抬升，大量玄武巖噴露地表，東吳運(yùn)動的第一幕開始，這使得下伏灰?guī)r和峨眉山玄武巖暴露地表并遭受風(fēng)化剝蝕，在灰?guī)r剝蝕地區(qū)形成了喀斯特地貌。隨后的晚二疊世海侵又使得風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物淹沒并被搬運(yùn)到喀斯特低洼區(qū)形成了鋁土礦沉積。

3 礦床地質(zhì)特征

研究區(qū)含鋁巖系自下而上依次為鐵質(zhì)巖-鐵質(zhì)泥巖-鐵鋁巖-鋁質(zhì)巖-炭質(zhì)泥巖(圖2b)，鋁土礦體賦存于上二疊統(tǒng)吳家坪階下部，其下伏地層為峨眉山玄武巖組、陽新組或上石炭統(tǒng)黃龍組。丘北水米沖、硯山平遠(yuǎn)街、文山者黑沖一帶，含鋁巖段中含有較多的凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粘土巖(馮曉宏等，2009)。礦體形態(tài)及厚度隨基底起伏變化而相應(yīng)的減薄或增厚，表明鋁土礦厚度分布受古地形地貌控制。

研究區(qū)鋁土礦的結(jié)構(gòu)主要有致密狀(圖3a)、碎屑狀(圖3b，圖3c)、豆鮞狀(圖3d)等，塊狀構(gòu)造，局部呈條帶狀構(gòu)造。礦體中產(chǎn)出鱗木、蘆木等植物化石碎屑說明鋁土礦物質(zhì)經(jīng)過一段距離的搬運(yùn)。鋁土礦礦石中含有較多鋯石、金紅石、石榴石、電氣石、剛玉、鈮鉭鐵礦、磁鐵礦、銳鈦礦、毒砂等與巖漿有關(guān)的礦物(馮曉宏等，2009)。

4 采樣與測試方法

本文對丘北縣古城礦區(qū)鋁土礦層及下伏灰?guī)r進(jìn)行系統(tǒng)采樣，共系統(tǒng)采集鋁土礦樣品19件，灰?guī)r樣品1件，系統(tǒng)采樣剖面位置及采樣位置見圖2。

本文對所采20件樣品進(jìn)行全巖分析，將所有樣品用瑪瑙研缽研磨到200目以下，測試工作由河北廊坊地質(zhì)調(diào)查所完成。常量元素(除FeO)用X射線熒光光譜分析測定，儀器為帕那科公司X熒光光譜儀;FeO含量用50ml定滴管采用重鉻酸鉀滴定法測定;微量元素和稀土元素含量用X Sersies 2等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定完成。

5 地球化學(xué)特征

滇東南地區(qū)晚二疊世吳家坪早期主要沉積鋁土礦、鐵鋁巖、砂巖、粉砂巖、(炭質(zhì))泥巖和煤。本文選取了19件鋁土礦及1件灰?guī)r樣品進(jìn)行主量元素測試，選取其中6件鋁土礦及1件灰?guī)r樣品進(jìn)行微量和稀土元素測試，測試結(jié)果見表1～3。

5.1 主量元素

鋁土礦主量元素SiO2(3.8～37.5 wt%)，F(xiàn)e2O3(0.69～29.98wt%)，Al2O3(31.5～67.63 wt%)，TiO2(1.73～11.13 wt%)及FeO(0.18～3.04 wt%)的含量較高，且變化范圍較大，但堿性元素(K2O+ Na2O)的含量卻很低(0.04% ～1.74%)。在Al2O3-Fe2O3和Al2O3-SiO2圖解中表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4)，說明在鋁土礦化過程中隨著Al元素含量的增加，F(xiàn)e2O3和SiO2的含量降低。

表1 滇東南地區(qū)鋁土礦及灰?guī)r常量組成(wt%)Table 1 Major element compositions of bauxite ores and limestone in southeastern Yunnan Province(wt%)

表2 滇東南地區(qū)鋁土礦及灰?guī)r微量元素組成(×10－6)Table 2 Trace element compositions of bauxite ores and limestone，southeastern Yunnan Province(×10－6)

表3 滇東南地區(qū)鋁土礦及灰?guī)r稀土元素組成(×10－6)Table 3 Rare earth elements compositions of bauxite ores and limestone，southeastern Yunnan Province(×10－6)

圖4 滇東南地區(qū)上二疊統(tǒng)吳家坪階下部鋁土礦Al2O3－Fe2O3與SiO2－Al2O3相關(guān)性圖解Fig.4 Binary diagrams showing correlations between Al2O3－Fe2O3and Al2O3－SiO2in the lower Wujiapingian of upper Permian，Southeastern Yunnan Province

5.2 微量元素

在所有的微量元素中，除 V(505.5×10-6～1213×10-6))，Cr(164.9×10-6～226.9×10-6)，Sr (67.19×10-6～557.9×10-6)，Zr(404×10-6～618 ×10-6)，Ba(32.87×10-6～191.7×10-6)的含量較高外，其他的微量元素含量較少。

在大陸上地殼標(biāo)準(zhǔn)化圖解(圖5a)中，鋁土礦與峨眉山玄武巖有相似的配分曲線:均明顯富集Cu、Zn、V、Zr、Hf、Nb、Ta、U等元素，強(qiáng)烈虧損Ni、Cs等元素。下伏灰?guī)r在上述圖解表現(xiàn)與鋁土礦差異較大，微量元素均顯示虧損。鋁土礦原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖中(圖5b)仍顯示與峨眉山玄武巖的相似性:均強(qiáng)烈富集Zr、Hf、Nb、Ta、Th、U元素，強(qiáng)烈虧損Ni元素，其特征與灰?guī)r差異較大。雖然在上地殼標(biāo)準(zhǔn)化圖和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖中，鋁土礦表現(xiàn)出不同的形態(tài)特征，但都富集Zr、Hf、Nb、Ta、U元素。

通過對鋁土礦微量元素相關(guān)性進(jìn)行分析(圖6)可以看出:TiO2與Zr、Hf、Nb、Ta等元素相關(guān)性較好，且Zr-Hf、Nb-Ta之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系。這表明Zr、Hf、Nb、Ta等高場強(qiáng)元素在滇東南地區(qū)鋁土礦礦化過程中較為穩(wěn)定。

圖5 滇東南地區(qū)鋁土礦微量元素上地殼(a)、原始地幔標(biāo)(b)準(zhǔn)化圖解(原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)來自McDonough and Sun，1995;上地殼標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)來自Rudnick and Gao，2003;玄武巖數(shù)據(jù)來自Hanski et al.，2010)Fig.5 Continental－crust－normalized pattern (a)and primitive－mantle－normalized pattern(b)of trace elements(Primitive－mantle normalization values are from McDonough and Sun，1995;Continentalcrust normalization values are from Rudnick and Gao，2003;data of basalts are from Hanski，et al.，2010)1-峨眉山玄武巖;2-滇東南鋁土礦;3-下伏灰?guī)r1-Emeishan basalts;2-bauxite ores;3-underlying limestone

圖6 滇東南地區(qū)鋁土礦微量元素相關(guān)性圖解Fig.6 Diagrams showing correlations among trace elements from bauxite deposit，southeastern Yunnan Province

5.3 稀土元素

總體上看，滇東南地區(qū)鋁土礦的稀土元素總量(ΣREE)、輕稀土元素含量(ΣLREE)和重稀土元素含量(ΣHREE)與其下伏灰?guī)r相比明顯富集。鋁土礦ΣLREE(268.64×10-6～563.41×10-6)含量明顯高于ΣHREE(25.68×10-6～54.63×10-6)，其ΣLREE/ΣHREE為7.72～15.48。而下伏灰?guī)r的ΣREE為 6.45×10-6，ΣLREE值為 3.58×10-6，ΣHREE值為 2.87×10-6，LREE/HREE值僅為1.25。經(jīng)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后，鋁土礦Ce/Ce×值介于0.81～3.92之間(平均值1.93)，Eu/Eu×值為0.92～1.09，峨眉山玄武巖的Ce/Ce×值(0.97～1.12)和Eu/Eu×值(0.80～1.25)(平均為0.98)與鋁土礦相近。而下伏灰?guī)r對應(yīng)值分別為0.27和 0.74，顯示具有強(qiáng)烈的負(fù)Ce異常和Eu異常。

鋁土礦球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線(圖7)中，鋁土礦與峨眉山玄武巖配分曲線趨勢一致，均富集輕稀土元素，而下伏灰?guī)r標(biāo)準(zhǔn)化曲線則較為平坦。

6 成礦物質(zhì)來源

Al、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr及Ni等地球化學(xué)元素因其在風(fēng)化過程中相對穩(wěn)定(MacLean and Kranidiotis，1987;Kurtz et al.，2000;Panahi et al.，2000;Mc-Donough and Sun，1995)，被越來越多的學(xué)者應(yīng)用于鋁土礦源巖的研究之中。此外，REE和微量元素的分布形態(tài)及其相關(guān)元素的參數(shù)也是識別鋁土礦源巖的重要方法。

圖7 滇東南地區(qū)鋁土礦球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解(球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)引自Sun and McDonough，1989;玄武巖數(shù)據(jù)據(jù)Hanski et al.，2010)Fig 7 Chondrite－normalized REE patterns of bauxite Ores，southeastern Yunnan.(chondrite－normalized data after Sun and McDonough，1989;data of basalts are from Hanski et al.，2010)1-峨眉山玄武巖;2-滇東南鋁土礦;3-下伏灰?guī)r1-Emeishan basalts;2-bauxite Ores;3-underlying limestone

LogCr-LogNi可以較好的識別鋁土礦的類型及其物質(zhì)來源(Schroll and Sauer，1968)。滇東南地區(qū)的鋁土礦Cr值變化范圍較小，介于164.9× 10-6～226.9×10-6，LogCr-LogNi圖(圖8)可以看出，鋁土礦投在紅土型鋁土礦和喀斯特型鋁土礦之間，接近玄武巖區(qū)，表明其物質(zhì)來源主要為玄武巖。

圖8 滇東南地區(qū)鋁土礦LogCr－LogNi圖解(底圖據(jù)Schroll and Sauer，1968)Fig.8 Plot of LogNi verse LogCr of bauxite ores，southeastern Yunnan Province(base map from Schroll and Sauer，1968)

鋁土礦中Zr、Hf、Nb、Ta等元素較為穩(wěn)定，其比值(Zr/Hf、Nb/Ta)與母巖中穩(wěn)定元素比值相似，通過Zr-Hf，Nb-Ta圖可以很好的判別鋁土礦的源巖(MacLean and Kranidiotis，1 9 8 7;Valeton et al.， 1987)。滇東南地區(qū)位于峨眉山大火成巖省的外帶，在研究區(qū)及周邊地區(qū)廣泛分布峨眉山玄武巖和過鋁質(zhì)花崗巖。將前人所發(fā)表的峨眉山玄武巖、過鋁質(zhì)花崗巖數(shù)據(jù)及本次研究所采集的樣品數(shù)據(jù)投在Zr-Hf，Nb-Ta圖(圖9)中發(fā)現(xiàn)，滇東南地區(qū)鋁土礦與峨眉山玄武巖及灰?guī)r有很好的線性關(guān)系，而與矮郎河過鋁質(zhì)花崗巖相關(guān)性不強(qiáng)，說明峨眉山玄武巖或下伏灰?guī)r可能為其物質(zhì)來源。

圖9 不同類型巖石的Zr－Hf和Nb－Ta圖解(玄武巖數(shù)據(jù)據(jù)Hanski et al.，2010;花崗巖數(shù)據(jù)據(jù)Shellnutt and Zhou，2007)Fig.9 Zr－Hf and Nb－Ta diagrams for different types of rocks(basalts data from Hanski et al.，2010;granite data from Shellnutt and Zhou，2007)1-下伏灰?guī)r;2-滇東南鋁土礦;3-金平峨眉山玄武巖;4-越北峨眉山玄武巖;5-矮郎河過鋁質(zhì)花崗巖1-underlying limestone;2-bauxite ores;3-Jinping Emeishan basalts;4-North Vietnam Emeishan basalts; 5-Ai Langhe Peraluminous granites

由于下伏灰?guī)r與鋁土礦的微量元素、稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化配分模式差異很大，與峨眉山玄武巖則相似。稀土元素Eu/Eu*在整個含鋁巖系中很穩(wěn)定，可以作為判別物質(zhì)來源的指標(biāo)(Mameli et al.，2007)。滇東南地區(qū)鋁土礦、玄武巖和灰?guī)r的Eu/Eu*值分別為0.92～1.09、0.80～1.25和0.74，可見鋁土礦的主要物質(zhì)來源為玄武巖，而灰?guī)r為母巖的可能性較小。

此外，研究區(qū)的丘北水米沖、硯山平遠(yuǎn)街、文山者黑沖一帶，含鋁巖段中含有較多的凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粘土巖，且礦石中可見鋯石、金紅石、石榴石、電氣石、剛玉、鈮鉭鐵礦、磁鐵礦、銳鈦礦、毒砂等與巖漿有關(guān)的礦物(馮曉宏等，2009)。這些特征都說明與巖漿作用有關(guān)的玄武巖是鋁土礦的主要物質(zhì)來源。

通過對上述對鋁土礦巖石學(xué)、礦物學(xué)及地球化學(xué)特征的研究，認(rèn)為峨眉山玄武巖是滇東南地區(qū)晚二疊世吳家坪早期鋁土礦沉積的主要物質(zhì)來源。

7 結(jié)論

(1)滇東南鋁土礦常量元素主要由 SiO2、Fe2O3、Al2O3、TiO2和FeO組成，Al2O3與 Fe2O3和SiO2均表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系;鋁土礦中富集Zr、Hf、Nb、Ta、U元素，TiO2與Zr、Hf、Nb、Ta等元素相關(guān)性較好，且Zr-Hf、Nb-Ta之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，表明Zr、Hf、Nb、Ta等高場強(qiáng)元素在滇東南地區(qū)鋁土礦礦化過程中較為穩(wěn)定;鋁土礦球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線與峨眉山玄武巖配分曲線趨勢一致，均富集輕稀土元素，而與下伏灰?guī)r差異較大。

(2)鋁土礦在LogCr-LogNi圖中，投在紅土型鋁土礦和喀斯特型鋁土礦之間，且靠近玄武巖區(qū);鋁土礦Zr-Hf、Nb-Ta與峨眉山玄武巖呈線性關(guān)系，而與矮郎河過鋁質(zhì)花崗巖的相關(guān)性不強(qiáng);含鋁巖段中含有較多的凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粘土巖，礦石中可見鋯石、金紅石、石榴石、電氣石、剛玉、鈮鉭鐵礦、磁鐵礦、銳鈦礦、毒砂等與巖漿有關(guān)的礦物。上述特征表明滇東南地區(qū)晚二疊世吳家坪早期沉積型鋁土礦主要物質(zhì)來源為峨眉山玄武巖。

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