晉西北興縣地區鋁土礦層準沉積期古氣候及其沉積環境研究

董挨管，張尚清，鐘莊華，劉雪嬌，劉 朔

DONG Ai-guan1, ZHANG Shang-qing2, ZHONG Zhuang-hua3, LIU Xue-jiao2, LIU Shuo2

1. 山西省地質調查院，山西 太原 030006；2. 河北地質大學 資源學院，河北 石家莊 050031；3. 山西省第三地質工程勘察院，山西 晉中 030620

1. Shanxi Institute of Geological Survey, Taiyuan, Shanxi 030006; 2. Hebei GEO University, Shijiazhuang, Hebei 050031; 3. Third Institute of Shanxi Geological Engineering Investigation, Jinzhong, Shanxi 030620

晉西北興縣地區鋁土礦層準沉積期古氣候及其沉積環境研究

董挨管1，張尚清2，鐘莊華3，劉雪嬌2，劉 朔2

DONG Ai-guan1, ZHANG Shang-qing2, ZHONG Zhuang-hua3, LIU Xue-jiao2, LIU Shuo2

1. 山西省地質調查院，山西 太原 030006；2. 河北地質大學 資源學院，河北 石家莊 050031；3. 山西省第三地質工程勘察院，山西 晉中 030620

1. Shanxi Institute of Geological Survey, Taiyuan, Shanxi 030006; 2. Hebei GEO University, Shijiazhuang, Hebei 050031; 3. Third Institute of Shanxi Geological Engineering Investigation, Jinzhong, Shanxi 030620

論文對晉西北興縣地區石炭系本溪組鋁土礦鉆孔中的巖心樣品進行了主量元素和稀土元素分析，探討了鋁土礦成礦期興縣地區的古氣候以及沉積環境。區內鋁土礦樣品的化學蝕變指數（CIA）在（98.61～99.88）范圍之間；樣品中稀土元素富集，ΣREE平均含量為4997.56×10-6，輕稀土富集，Eu、Ce異常范圍分別在（0.44～0.61），（0.44～1.81）。通過地球化學的定量計算得到鋁土礦中的CIA值，表明興縣地區鋁土礦形成的古氣候條件為化學風化作用極強的濕潤氣候環境。從鋁土礦稀土元素的特征LREE/HREE比值和Ce異常情況顯示，鋁土礦形成于海陸過渡相環境。

鋁土礦；古氣候； 沉積環境；晉西北地區

古喀斯特型鋁土礦一般多形成于熱帶-亞熱帶的炎熱潮濕環境，對氣候條件和堆積環境均有嚴格限制[1-2]。晉西北鋁土礦是華北喀斯特型鋁土礦的典型代表，前人對區內的鋁土礦沉積古地理環境、成礦環境及成礦物質來源進行了詳盡的研究[3-6]。楊振宇（1997）等人通過研究陽泉等地區的鋁土礦在晚石炭期華北地臺剩磁方向和古緯度特征，發現山西地區的鋁土礦在中奧陶世華北地塊隆起后由南緯中低緯度經過赤道向北緯中低緯度的漂移過程中形成的，因而認為低緯度的濕熱環境是山西鋁土礦得以形成的重要因素[7-8]。

然而對于鋁土礦堆積前后沉積環境，主要是依靠古緯度、沉積相特征等一些間接的證據加以佐證。運用地球化學手段定量分析，以進一步了解晉西北興縣地區鋁土礦形成古氣候特征以及沉積環境。

一、區域地質背景

興縣地區鋁土礦大地構造位置處于塔里木-華北板塊的三級構造單元——山西地塊[9]。區內礦體整體受到燕山期呂梁隆起的影響，使得地層總體呈向西傾斜的單斜構造[10-11]，傾角10°～18°，一般小于15°。區內出露地層主要有下古生界寒武系、奧陶系；上古生界石炭系、二疊系；中生界三疊系；新生界新近系、第四系；未見巖漿巖（見圖1）。

興縣鋁土礦賦存于石炭系本溪組中。石炭系本溪組呈平行不整合在奧陶系凹凸不平的灰巖古風化殼之上，是一套由喀斯特洼地-瀉湖環境下沉積的填平補齊式鐵鋁巖系[4-6]。由山西式鐵礦、鐵礬土、鋁土巖及鋁土質頁巖組成；太原組中上部是一套濱岸沼澤-淺海臺坪交替出現的三角洲環境沉積的砂巖、頁巖、煤和石灰巖組合。

圖1 山西興縣地區地質構造簡圖

二、樣品采集與測試處理

本次研究中的樣品全部采集于不同鉆孔中的巖心，以防止現代表生作用對礦體后期改造，從而影響古氣候和沉積環境的恢復。對20件鋁土礦樣品進行主量元素、稀土元素分析。其中主量元素測試在山西省三水實驗測試中心完成，所用儀器為日本理學公司生產的波長色散全自動X射線熒光光譜儀（ZSXPrimusⅡ型），測試方法采用固態 X 射線熒光光譜法(XRF)，分析精度優于3%；稀土元素測試在中國科學院海洋研究所海洋地質與環境重點實驗室完成，所用儀器為PE公司生產的電感耦合等離子質譜法(ICPMS)，分析精度優于5%。測試結果見表1、表2。

表1 興縣地區鋁土礦主量元素(%)分析結果

表2 興縣地區鋁土礦稀土元素(×10-6)分析結果

續表

三、地球化學特征

（一）鋁土礦主量元素特征

本區鋁土礦樣品主要由Al2O3、SiO2、Fe2O3和TiO2組成，四者的平均總含量占到總成分的83.72%。其中Al2O3（53.67%～73.76%）含量高，平均為63.58%；SiO2（3.76%～11.25%）含量較少，平均為7.47%；Fe2O3（3.7%～20.19%）含量變化范圍較大，平均為10.12%；TiO2（2.08%～3.01%）含量低且變化范圍比較穩定，平均為2.55%。另外其他主量元素MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5含量低，分別為 （0.16%～0.46%）、（0.08%～0.60%）、（0.004%～0.31%）、（0.06～0.69%）。S（0.01%～0.82%）主要用來衡量鋁土礦工業類型，本區鋁土礦主要為低硫型礦石[12]。鋁硅比值(A/S)變化較大，為5.25～18.04，說明其礦石品質不同。

鋁土礦Al2O3和TiO2（r = 0.85）之間高正相關（表3），Al2O3和Fe2O3（r = -0.88）、Fe2O3與TiO2（r = -0.81）之間為高負相關。這三組具有高度相關的組合可能表明，在強風化作用下，去鐵作用的同時殘余的Al、Ti富集。Al2O3和TiO2最容易遷移到沉積巖中，由于其非常低的地殼上部的分配系數和存留時間，因此它們可以反應源巖的情況[13]。

表3 鋁土礦主量元素相關性分析表

（二） 鋁土礦稀土元素特征

本區鋁土礦樣品稀土總量較高，∑REE=3548.53×10-6～10281.20×10-6，平均值：4997.56×10-6；輕稀土總量較高，∑LREE=3211.33×10-6～9788.08×10-6，平均值：4634.75×10-6；重稀土總量較低，∑HREE=204.44×10-6～553.42×10-6，平均值：359.52×10-6；輕重稀土分餾程度較高，∑LREE/∑HREE=8.00～19.85。

稀土元素的含量采用球粒隕石標準值（Boynton，1984）進行標準化[14]，稀土配分模式圖為向右傾斜的斜率不等的弱“V”字型曲線，說明稀土元素分餾程度不等，屬輕稀土富集型。從圖2中明顯反映出鋁土礦中稀土元素富集LREE，虧損HREE，輕稀土明顯比重稀土的斜率大，Eu異常變化范圍在0.44～0.61之間，具中等銪負異常。然而Ce異常變化范圍大，大多數鋁土礦樣品顯示Ce正或負異常，范圍在0.44～1.81之間，具中等鈰負異?！械肉嬚惓Ｕf明部分鋁土礦成礦物質可能受到海水影響[15]。

圖2 晉西北地區本溪組鋁土礦稀土元素配分型式圖

四、討論

（一）CIA對成礦古氣候的指示

化學蝕變指數（Chemical Index of Alteration，簡稱CIA），常被用來研究物源區風化程度的判別以及沉積期古氣候環境的手段之一[16-17]。該方法最早是由Nesbitt和Young（1982）基于Wedepoh（1969）對上地殼礦物構成的估計而提出的。由于巖石在化學風化過程中，Na、K、Ca等堿金屬、堿土金屬元素以離子形式隨地表流體大量流失，導致殘余的Al元素富集，所以風化產物中主成分A12O3的摩爾質量分數會隨化學風化的強度而變化。據此Nesbitt等人通過CIA指數來定量的反映物源區風化程度。近年來，國內外學者將CIA指數多用于沉積物沉積時古氣候環境的判別[17-19]（詳見表4）。由于鋁土巖本身是細粒碎屑沉積巖，其形成過程主要受到化學風化因素的影響，因此本次我們將其CIA指數應用于對鋁土礦的研究。

依據對不同鉆孔中巖心的20個樣品主量元素數據，計算可得出研究區內鋁土礦CIA指數范圍為98.61～99.88，對應表4中CIA在85～100范圍值之中。而如此高CIA值反應本區鋁土礦形成在化學風化最強烈的條件下，說明當時古氣候為極度炎熱潮濕的氣候條件下形成的。這種認識進一步直接證明了楊振宇等人[7-8]研究認為濕熱環境是山西鋁土礦得以形成的重要條件。

表4 CIA指數范圍與古氣候環境對應表

（二）稀土元素對沉積環境的指示

近年來國內外學者利用稀土元素特有的地球化學屬性對巖石特征以及地質現象進行了合理的推斷[17,22]。沉積物經歷了在風化作用、沉積作用，甚至低級變質作用過程中，稀土元素的分餾和遷移基本保持不變。因此鋁土礦作為一種沉積礦產，可以使用其中稀土元素的特性如LREE/HREE與δCe來推斷成礦環境。

LREE/HREE全面反映REE的分餾程度，在相同或相近巖石的不同沉積相中，大陸沉積物LREE含量比海洋沉積物高，即陸相富集輕稀土LREE/HREE比值較大，而海相沉積物比值較小。有關研究表明海水沉積物LREE/HREE一般小于10，海陸過渡相LREE/HREE在10～30之間，而黃土及陸相沉積物LREE/HREE比值較大在30以上[23]。從本區20個稀土樣品來看，有3個樣品LREE/HREE≤10，其余樣品LREE/HREE均在10～20之間，上述分析結果表明本區鋁土礦形成于海陸過渡相環境。

海洋中稀土元素最明顯的特點是Ce負異常[24-25]。這是由于Ce相對于其他REE的分餾從海洋中遷移出的速度較低，當Ce3+進入海水中發生水解作用，從而變成Ce4+，堿性條件下以CeO2的形式從溶液中沉淀出來，其他的REE仍然保持正三價態，并且在溶液中丟失這些REE時，其他單個REE并沒有發生明顯的分餾。從稀土配分模式圖（圖2）可以看出，海相碳酸鹽巖均顯示Ce負異常，而鋁土礦則以Ce正異常居多。華北鋁土礦在沉積階段受到了在晚石炭世早期以太原組半溝灰巖為代表的石炭紀大規模海侵的影響[5-6]。本區鋁土礦中Ce異常范圍在0.44～1.81之間，所以這種正、負異常的變化也反映了海陸過渡相特點。

五、結論

通過計算晉西北興縣地區20個鉆孔巖心樣品的CIA指數，其范圍在98.61～99.88之間，結合已有的古緯度和地磁證據，表明本區鋁土礦形成的古氣候條件為化學風化作用極強的濕潤氣候環境中。

從晉西北興縣地區鋁土礦中稀土元素的配分模式圖、LREE/HREE的比值情況以及Ce異常綜合分析來看，區內鋁土礦形成時受到了海侵作用的影響，興縣地區鋁土礦形成時整體上處于海陸過渡相環境。

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The Palaoclimate and Metallogenic Environment Research during Sedimentary Bauxite Layer in Xing County District in Northwest of Shanxi Province

The integrated information of major elements and rare earth elements from drilling core samples of bauxite beds in Benxi formation, was measured to investigate the palaoclimate and depositional environment during the formation process of bauxite. The chemical index of alteration(CIA) of bauxite samples revealed that the CIA range of (98.61-99.88); The bauxite samples enrich rare earth elements, the average content of REE is 4997.56× 10-6, LREE enrichment, abnormal Eu and abnormal Ce were in the range of (0.44-0.61), (0.44-1.81). By quantitative calculation of geochemistry, the high CIA value in bauxite indicated a humid climate environment with strong chemical weathering during the formation process of bauxite in Xing area. From the LREE/HREE ratio, Ce anomaly in bauxite at this area, the bauxite formed an environment which was transitional facies.

Bauxite; paleoclimate; metallogenic environment; Northwestern Shanxi province

P595

A

1007-6875(2017)05-0001-06

10.13937/j.cnki.hbdzdxxb.2017.05.001

山西省興縣測區1∶50000區域地質調查項目資助。

董挨管（1964—），男，山西臨汾人，高級工程師，主要從事區域地質調查工作。張尚清（1991—），男，山西晉中人，構造地質學專業碩士研究生（通訊作者）。

（責任編輯：劉格云）