劉恩法,曹高社,邢舟,孫鳳余,杜欣,周紅春,陳永才

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001；2.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

上石炭統(tǒng)-下二疊統(tǒng)本溪組含鋁巖系是華北陸塊長時期沉積間斷后再次沉積的最底部地層，與下伏寒武系或奧陶系碳酸鹽巖地層呈平行不整合接觸[1]。本溪組含鋁巖系的物源區(qū)一直是學(xué)者們關(guān)注的重點，早期多認為“近源”基底碳酸鹽巖是其來源[2-3]，或附近“古陸”的鋁硅酸鹽[4]，或兩者的混合[5]。LA-ICP-MS微區(qū)分析技術(shù)用于碎屑鋯石U-Pb同位素定年后，學(xué)者們對本溪組含鋁巖系的物源區(qū)有了重要認識[6-12]：北部內(nèi)蒙古隆起和南側(cè)北秦嶺造山帶是本溪組含鋁巖系的主要物源區(qū)；不同物源區(qū)對不同地區(qū)含鋁巖系的物源貢獻差異較大。

物源區(qū)的物質(zhì)如何搬運到沉積區(qū)，不同學(xué)者有不同見解?；诒鞠M含鋁巖系的物源區(qū)相對較遠，部分學(xué)者認為本溪組含鋁巖系形成過程中存在兩個時期：含鋁巖系形成前，巖石在北秦嶺造山帶或內(nèi)蒙古隆起產(chǎn)生化學(xué)風(fēng)化，形成紅土化物質(zhì);海平面上升期，將分布于物源區(qū)的紅土化物質(zhì)搬運至沉積盆地中，形成含鋁巖系[13]。碎屑物質(zhì)經(jīng)歷長距離遷移后，不可能僅沉積黏土顆粒，更應(yīng)沉積具有一定成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度的碎屑物，這一事實已在華北陸塊北部本溪組沉積中表現(xiàn)的非常明顯[14]。LIU J等[7]認為本溪組含鋁巖系中的碎屑物主要是風(fēng)力搬運的，但碎屑鋯石揭示的顆粒粒徑遠大于20 μm[8-11]，而粒徑20 μm以上的顆粒在空氣中懸浮的時間很短，難以長距離搬運[15]。

含鋁巖系是一種特殊的沉積建造，可能由原巖不同程度降解形成[16-17]，降解過程會強烈改造原巖的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，因此，揭示本溪組的沉積和構(gòu)造環(huán)境等地質(zhì)信息，對含鋁巖系的原巖恢復(fù)非常必要。但這方面的研究不多，不僅影響了本溪組含鋁巖系形成機理的研究，也影響了該時期沉積環(huán)境、沉積物搬運方式等的研究。

本文以華北陸塊南部豫西偃龍地區(qū)ZK0008鉆孔為研究對象，系統(tǒng)采集本溪組含鋁巖系樣品，依據(jù)土壤化學(xué)基本原理，利用多種測試方法分析本溪組含鋁巖系礦物成因及礦物垂向變化的原因，進而恢復(fù)原巖并討論其地質(zhì)意義。

1 地質(zhì)背景與研究方法

偃(師)龍(門)地區(qū)位于華北板塊南部(圖1(a))，該區(qū)本溪組含鋁巖系富集高品位的鋁土礦[17]，下伏地層為中奧陶統(tǒng)馬家溝組碳酸鹽巖，因此，本溪組鋁土礦應(yīng)屬于巖溶型鋁土礦[16]。含鋁巖系厚度一般為1.3～13.3 m，局部厚度大于80 m，礦物成分主要由含鋁礦物、黏土礦物、含鐵礦物和含鈦礦物組成[17]。ZK0008鉆孔位于該區(qū)中部(圖1(b))，含鋁巖系厚度為20.6 m，根據(jù)巖性差異，分下、中、上3層：下部為(灰)黑色鋁土質(zhì)泥巖；中部為灰色豆鮞狀鋁土礦層，夾兩層鋁土質(zhì)泥巖；上部為黑色紋層狀鋁土質(zhì)泥巖，碳質(zhì)含量較高，向上逐漸過渡為太原組底部煤線層(圖1(c))。

(a)研究區(qū)地質(zhì)簡圖；(b)ZK0008鉆孔采樣位置；(c)ZK0008鉆孔本溪組柱狀圖;Q-第四系；P1-下二疊統(tǒng)；C2-P1b-上石炭統(tǒng)-下二疊統(tǒng)本溪組；O2m-中奧陶統(tǒng)馬家溝組；-寒武系；Pt1-古元古界；Ar-太古宇

利用X射線衍射(XRD)分析含鋁巖系的礦物成分及其垂向變化，利用偏光顯微鏡和帶能譜的電子顯微鏡(SEM/EDS)分析含鋁巖系中礦物的賦存狀態(tài)；利用全巖地球化學(xué)分析，確定含鋁巖系中不同活動性元素的含量及其垂向變化，進而分析含鋁巖系的礦物成因及礦物垂向上變化的原因，利用沉積學(xué)和土壤化學(xué)原理對該區(qū)含鋁巖系的原巖進行恢復(fù)，并進一步討論其地質(zhì)意義。

2 樣品及分析條件

對ZK0008鉆孔含鋁巖系自下而上連續(xù)采集17個樣品，樣品編號和巖性見圖1(c)，樣品均進行XRD分析和地球化學(xué)全分析，并對下部鋁土質(zhì)泥巖(ZK0008-9)和中部豆鮞狀鋁土礦(ZK0008-23)進行SEM/EDS分析。

XRD和SEM/EDS分析均在河南理工大學(xué)河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室完成。XRD儀為AXS有限公司產(chǎn)D8 ADVANCE，測試電壓、電流、溫度分別為40 KV，25 mA，25 ℃，管掃描寬度為3°～90°，連續(xù)掃描；SEM為日本電子株式會社產(chǎn)JSM-6390LV，樣品鍍金膜；EDS為英國牛津儀器公司產(chǎn)ZNCA-ZNERAGY250。

巖石化學(xué)全分析在湖北省地質(zhì)實驗測試中心完成，其中氧化物用波長色散型熒光光譜儀PW2440，采用銠靶，電壓電流機內(nèi)溫度真空度分別為30～60 kV，60～120 mA，30 ℃，30 Pa，高純氬甲烷混合氣流量為0.017 L/min，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.9%。稀土元素和微量元素分析采用X7電感耦合等離子質(zhì)譜儀，功率、冷卻氣流量、霧化氣流量分別為1 200 W，13.0 L/min，1.0 L/min，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于8%。

3 礦物成分與賦存方式

根據(jù)ZK0008鉆孔垂向上的巖性變化，可將該鉆孔含鋁巖系分為3層，下部和上部為鋁土質(zhì)泥巖，中部為豆鮞狀鋁土礦層，含兩層鋁土質(zhì)泥巖夾層(圖1(c))。

3.1 礦物成分

XRD分析結(jié)果(圖2)表明，下部鋁土質(zhì)泥巖的主要礦物成分為伊利石，也顯示有白云母和蒙脫石特征峰。

中部豆鮞狀鋁土礦有兩層鋁土質(zhì)泥巖夾層，將豆鮞狀鋁土礦層分為上中下3個分層，7個豆鮞狀鋁土礦樣品均顯示峰形尖銳、強度高的硬水鋁石特征衍射峰，且硬水鋁石主強峰由下部向上部分層增強。此外，豆鮞狀鋁土礦中，普遍具有銳鈦礦和黃鐵礦的主要衍射峰。

豆鮞狀鋁土礦層中普遍存在黏土礦物，下部豆鮞狀鋁土礦分層(ZK0008-17,ZK0008-18)有伊利石和高嶺石特征峰及高級次衍射峰，但高嶺石峰強不高，其他高級次衍射峰表現(xiàn)不明顯。中部豆鮞狀鋁土礦分層(ZK0008-21,ZK0008-23)有峰形尖銳的高嶺石特征峰、明顯的鮞綠泥石特征峰和較微弱的伊利石特征峰。上部豆鮞狀鋁土礦分層(ZK0008-32,ZK0008-35,ZK0008-38)具有鮞綠泥石的特征峰。

中部豆鮞狀鋁土礦層中夾有兩層鋁土質(zhì)泥巖，在XRD圖譜中，伊利石特征衍射峰和高級次衍射峰明顯(ZK0008-20,ZK0008-27,ZK0008-30)，上部鋁土質(zhì)泥巖夾層具有葉蠟石特征衍射峰(ZK0008-27,ZK0008-30)和高嶺石特征衍射峰(ZK0008-30)。

I-伊利石；Ch-鮞綠泥石；D-硬水鋁石；A-銳鈦礦；K-高嶺石；C-方解石；P-黃鐵礦；M-白云母；Mo-蒙脫石；Py-葉蠟石

根據(jù)上述XRD分析，ZK0008鉆孔下部鋁土質(zhì)泥巖的礦物成分主要為伊利石，含有一定量的白云母；中部豆鮞狀鋁土礦層的礦物成分以硬水鋁石為主，含有銳鈦礦和鮞綠泥石，兩層鋁土質(zhì)泥巖夾層的礦物成分主要為伊利石；上部鋁土質(zhì)泥巖的礦物成分以高嶺石為主，普遍含有葉蠟石，泥巖夾層中含有葉蠟石和高嶺石。

因此，研究區(qū)ZK0008鉆孔本溪組含鋁巖系除上部鋁土質(zhì)泥巖外，可劃分為3個鋁土質(zhì)泥巖豆鮞狀鋁土礦序列。下部序列中鋁土質(zhì)泥巖以伊利石為主，上部序列中鋁土質(zhì)泥巖以伊利石和高嶺石為主。

3.2 含鋁巖系中礦物的賦存方式

巖石薄片觀察結(jié)果表明，下部鋁土質(zhì)泥巖的黏土礦物伊利石主要以隱晶質(zhì)集合體存在，少量薄板狀或不規(guī)則粒狀伊利石微晶分散在隱晶質(zhì)集合體中，結(jié)晶較好的伊利石細脈也可見(圖3(a))；中部豆鮞狀鋁土礦主要由扁豆?fàn)疃辊b組成，其間為隱晶質(zhì)硬水鋁石，扁豆?fàn)疃辊b主要由硬水鋁石微晶組成，有些豆鮞的核部和邊部存在結(jié)晶較好的高嶺石礦物(圖3(b))；掃描電鏡下，鋁土質(zhì)泥巖和豆鮞狀鋁土礦均為隱晶質(zhì)集合體，呈斷續(xù)相連、邊緣不規(guī)則的團塊狀，結(jié)晶較好的晶體主要出現(xiàn)在隱晶質(zhì)集合體內(nèi)部大小不一的不規(guī)則孔洞中，不同之處在于，鋁土質(zhì)泥巖以伊利石為主(圖3(c)，3(d)，3(e))，豆鮞狀鋁土礦主要為硬水鋁石(圖3(f)，3(g)，3(h))。

(a)鋁土質(zhì)泥巖(ZK0008-9)巖石薄片特征(單偏光)；(b)豆鮞狀鋁土礦(ZK0008-23)巖石薄片特征(單偏光)；(c)鋁土質(zhì)泥巖(ZK0008-9)掃描電鏡特征；(d)鋁土質(zhì)泥巖(ZK0008-9)孔洞中伊利石晶體能譜特征；(e)鋁土質(zhì)泥巖(ZK0008-9)伊利石隱晶質(zhì)集合體能譜特征；(f)豆鮞狀鋁土礦(ZK0008-23)掃描電鏡特征；(g)豆鮞狀鋁土礦(ZK0008-23)硬水鋁石隱晶質(zhì)集合體能譜特征；(h)豆鮞狀鋁土礦(ZK0008-23)孔洞中硬水鋁石晶體能譜特征；Ⅲ-伊利石隱晶質(zhì)集合體；m-Ⅲ-伊利石微晶；Ⅲ-伊利石晶體；Kl-高嶺石晶體；c-Dsp-硬水鋁石隱晶質(zhì)集合體；m-Dsp-硬水鋁石微晶；Dsp-硬水鋁石晶體

4 含鋁巖系礦物成因

結(jié)合巖石薄片觀察和SEM/EDS分析，可知ZK0008鉆孔含鋁巖系礦物成分主要為硬水鋁石和黏土礦物。黏土礦物在含鋁巖系中普遍存在，但主要存在于鋁土質(zhì)泥巖中，且相同層位中黏土礦物成分相同，不同層位黏土礦物成分差異較大。黏土礦物主要以隱晶質(zhì)集合體存在，隱晶質(zhì)集合體中散布有微晶，少量結(jié)晶較好的黏土礦物或呈細脈狀，或與硬水鋁石晶體相交織。顯然，含鋁巖系中黏土礦物不可能是機械破碎、搬運、再沉積形成的[18]，應(yīng)是自生黏土礦物。含鋁巖系中的硬水鋁石，一般認為是成巖過程中由三水鋁石脫水轉(zhuǎn)化而來[16]，但在土壤化學(xué)過程中，是原巖徹底降解的產(chǎn)物[16,19]。因此，含鋁巖系中的礦物及其集合體不是原始沉積顆粒，應(yīng)是原巖不同程度的降解產(chǎn)物，亦即不同程度富鐵鋁化的產(chǎn)物[16-17]。同時，可根據(jù)土壤化學(xué)基本原理，分析樣品中元素含量，進而判斷原巖降解程度和礦物成因。

通過全巖化學(xué)元素(所分析的樣品與XRD的相對應(yīng))聚類分析(圖4(a))可以看出：相對難遷移元素Th，Zr，Al，Hf，Ti，Nb，Cr，Ta，U，V主要富集在豆鮞狀鋁土礦中，且在最上部豆鮞狀鋁土礦層中含量最高(圖4(c))；相對易遷移元素Ba，Be，Si，P，Mg，Rb，K，Na，Cs，Sr，REE主要富集于鋁土質(zhì)泥巖中(圖4(d))。這些都表明豆鮞狀鋁土礦相對于鋁土質(zhì)泥巖降解(富鐵鋁化)程度高，硅酸鹽礦物已被徹底分解，硅也徹底淋失，已達到富鐵鋁化最后階段，主要礦物為三水鋁石(成巖過程中轉(zhuǎn)化為硬水鋁石)，F(xiàn)e3+含量較少，與后期成巖過程中Fe3+還原為Fe2+且局部富集或流失有關(guān)[19]。鋁土質(zhì)泥巖為原巖強烈風(fēng)化，破壞硅酸鹽礦物，硅以游離硅酸形式析出，同時在酸性條件下，F(xiàn)e3+,Al3+也有活化，通過合成反應(yīng)生成高嶺石和葉蠟石[19]，僅達到脫硅階段。下部鋁土質(zhì)泥巖和中部豆鮞狀鋁土礦層的鋁土質(zhì)泥巖夾層中黏土礦物主要為伊利石的原因可能為,含鋁巖系成巖過程中在堿性條件下高嶺石中K+向下淋濾遷移轉(zhuǎn)變而來[20]。

(a)含鋁巖系元素聚類分析；(b)自然伽馬曲線；(c)難遷移元素含量垂向變化；(d)易遷移元素含量垂向變化

由圖4(c)可知，Al與Th，U正相關(guān)關(guān)系顯著，因此，ZK0008鉆孔難遷移元素含量變化曲線(圖4(c))與自然伽馬曲線(圖4(b))非常相似，均表現(xiàn)為向上折線式增大，在最上部豆鮞狀鋁土礦層達到最大值，繼而上部鋁土質(zhì)泥巖層急劇下降。由于鋁含量與富鐵鋁化程度密切相關(guān)，因此，鋁含量變化曲線與自然伽馬曲線垂向上變化可以反映含鋁巖系垂向上富鐵鋁化程度的差異。上述曲線由低到高3個折線式變化旋回恰與鋁土質(zhì)泥巖→豆鮞狀鋁土礦層的3個序列相吻合。每個序列均與典型富鐵鋁化剖面非常相似[5]，即含鋁巖系是由多個富鐵鋁化剖面疊置而成的。

5 含鋁巖系原巖恢復(fù)及其地質(zhì)意義

根據(jù)含鋁巖系的高鋁硅含量，可以確定含鋁巖系的原巖為鋁硅酸鹽礦物，由于含鋁巖系礦物組成中不存在難風(fēng)化的石英，且不存在原生黏土礦物，因此含鋁巖系的原巖應(yīng)是成分成熟度很低的巖石，碎屑成分應(yīng)主要為長石和/或巖屑。根據(jù)本溪組含鋁巖系中碎屑鋯石粒徑92～239 μm，平均158 μm[10]，且根據(jù)“水力等效(hydraulic equivalence)”原則[21]，含鋁巖系的原巖可能為成分成熟度很低的細砂-粉砂巖。由于統(tǒng)計的碎屑鋯石粒徑大于32 μm，小于32 μm的鋯石均未參與粒度統(tǒng)計，因此含鋁巖系的原巖應(yīng)當(dāng)是成分成熟度很低的粉砂巖。

成分成熟度很低的粉砂巖沉積要求物源區(qū)是近源，或有快速搬運和快速沉積遠源，或海平面快速上升，并能夠達到物源區(qū)[22]。由于研究區(qū)附近不可能存在本溪組沉積時期的“古隆起”和/或巖漿巖[23]，且根據(jù)碎屑鋯石LA-ICP-MS U-Pb測年，并輔以Hf同位素測定，ZK0008鉆孔含鋁巖系的物源區(qū)主要為北秦嶺造山帶[10]，說明這些長石和/或巖屑不是近源，而是來源于秦嶺造山帶。根據(jù)恢復(fù)的含鋁巖系原巖碎屑粒徑和含鋁巖系上部鋁土質(zhì)泥巖普遍殘留的紋層構(gòu)造判斷，原巖沉積時水動力較弱，因此它們也不是較強水動力攜帶和快速搬運的。

研究結(jié)果表明，華北陸塊在晚古生代存在幕式突發(fā)海侵事件，導(dǎo)致海平面大幅抬升[24]，可以推測，本溪組沉積時期的突發(fā)式海侵可能達到了北秦嶺造山帶的山前地區(qū)，來源于北秦嶺的碎屑物質(zhì)沒有充分的時間進行風(fēng)化，碎屑組分主要為長石和/或巖屑，由于陸表海海底坡度極緩，緩慢海退可將這些長石和/或巖屑帶到離物源區(qū)很遠的區(qū)域進行沉積。

當(dāng)海退使本溪組原始沉積物暴露地表時，原始松散沉積物(土壤)在濕熱多雨的氣候條件下[25]，產(chǎn)生快速徹底的富鐵鋁化[16]，使得易遷移元素流失和難遷移元素富集，形成一個上部為三水鋁石，下部為高嶺石的富鐵鋁化剖面[16,19]。在海平面升降旋回中，已發(fā)生富鐵鋁化的巖層上部會沉積新的沉積物，富鐵鋁化作用也會被限制或終止。當(dāng)海平面下降使得新的沉積物暴露地表時，富鐵鋁化作用可以再次發(fā)生，因此可以造成多個富鐵鋁化剖面的疊置。上部鋁土質(zhì)泥巖原始沉積的紋層發(fā)育，碳質(zhì)含量高，并漸變?yōu)楸∶簩?，表明海平面逐漸上升[24]導(dǎo)致富鐵鋁化程度降低，保留了原始沉積構(gòu)造，使含鋁巖系的富鐵鋁化結(jié)束。

6 結(jié) 論

(1)華北陸塊南部偃龍地區(qū)本溪組含鋁巖系的礦物成分主要由硬水鋁石和黏土礦物組成，呈隱晶質(zhì)集合體或微晶存在，在隱晶質(zhì)集合體內(nèi)部存在大小不一的不規(guī)則孔洞，其中充填有少量結(jié)晶較好的晶體。

(2)豆鮞狀鋁土礦中富集難遷移元素，鋁土質(zhì)泥巖中富集易遷移元素。

(3)偃龍地區(qū)本溪組含鋁巖系的原巖主要是成分成熟度很低的粉砂巖，碎屑成分主要由來自北秦嶺造山帶的長石和/或巖屑組成，含鋁巖系中礦物成分的垂向變化是原巖不同程度富鐵鋁化的結(jié)果。

(4)突發(fā)式的快速海侵可以到達北秦嶺造山帶的山前地區(qū)，緩慢的海退將來自秦嶺造山帶的長石和/或巖屑帶到離物源區(qū)較遠的區(qū)域進行沉積。在濕熱多雨的氣候條件下，原始沉積物暴露地表時，產(chǎn)生快速徹底的富鐵鋁化作用，形成典型的富鐵鋁化剖面，海平面的升降旋回造成本溪組含鋁巖系多個富鐵鋁化剖面疊置。