廣西龍州地區雙層含鋁巖系地質特征與找礦意義

韋 訪, 黃文芳, 羅家元, 黃家雄, 蒙家鋒

(廣西壯族自治區地質調查院,廣西南寧530023)

0 引 言

廣西鋁土礦集中分布在桂西和桂西南:在桂西主要分布于平果、德保、田東、田陽、靖西一帶,因其位于大明山古陸北緣,稱為北礦帶;在桂西南主要分布于龍州—崇左—扶綏一帶,位于大明山古陸南緣,稱為南礦帶(韋訪等,2022)。位于南礦帶最西端的龍州金龍—武德地區的鋁土礦因為缺失合山組礦源層且都安組含礦巖系分布較少,加之該區與桂西平果及靖西等地堆積鋁土礦的礦石礦物、結構構造與地球化學特征差異較多,所以在堆積鋁土礦礦源層方面缺少共識。

鄧軍(2011)在研究金龍堆積鋁土礦時認為泥盆系融縣組與下石炭統都安組不整合界面上發育的沉積鋁土巖(礦)是其礦源層;韋訪等(2017)通過金龍堆積鋁土礦地球化學研究,認為金龍礦床主要物質來源于下伏地層融縣組;李平初(2013)認為合山組與茅口組、都安組與融縣組之間發育的古風化殼是沉積型鋁土礦形成的關鍵,但合山組在該區僅零星出露,原生鋁土巖(礦)露頭較少,已探明的堆積礦床與之距離較遠,難以明確其成生關系;梁裕平等(2018)通過對比金龍礦區沉積與堆積兩種類型礦石結構構造及常量、微量元素特征,認為都安組沉積鋁土巖不應是堆積鋁土礦的主要礦源層,金龍地區可能存在二疊系合山組鋁土巖(礦)。

近年在該區開展調查時發現龍州金龍—武德地區存在合山組和都安組2層含鋁巖系,在分析含礦巖系巖性特征的基礎上采集代表性巖(礦)石,通過鏡下礦石礦物觀察與地球化學元素分析測試,并與堆積鋁土礦進行對比分析,厘清研究區堆積鋁土礦礦源層,探索沉積鋁土礦找礦新方向。

1 研究區地質特征

研究區大地構造位于華南板塊南華活動帶右江褶皺系之西大明山凸起西部(圖1)。區域上,地層發育較齊全,沉積類型繁多,除奧陶系和志留系缺失外,震旦—第四系均有不同程度的分布。前泥盆系為盆地相碎屑巖沉積,發育復理石建造;泥盆系—下三疊統為淺海碳酸鹽巖臺地沉積,廣泛發育碳酸鹽巖,局部夾基性-酸性火山碎屑巖及含鐵鋁煤系建造;中三疊統為弧后盆地碎屑巖復理石沉積;上三疊統—第四系為陸緣活動帶陸相盆地型沉積。研究區內僅見少量中基性-酸性火山巖出露,巖性以細碧巖、角斑巖、熔巖、凝灰熔巖為主(鄧軍,2011;李小林,2011;黃國民等,2018)。

圖1 龍州地區地質簡圖1-第四系;2-白堊系;3-三疊系;4-二疊系;5-石炭系;6-泥盆系;7-寒武系;8-國界線;9-地質界線;10-平行不整合界線;11-角度不整合界線;12-斷層;13-堆積鋁土礦體;14-都安組;15-合山組;16-收集采樣點;17-本次采樣點Fig. 1 Geological map of Longzhou area

該區經過地槽—地臺—再生地槽的多次演變,形成多個沉積間斷面。其中,金龍—武德一帶受柳江運動影響,巖關期(杜內期)早期龍州金龍、崇左渠舊等地小面積出露古陸,因遠離剝蝕區,僅出露部位接受剝蝕,形成古紅土風化殼;吳家坪期(合山期)早期東吳運動使研究區二度隆起成陸,地層遭受長期風化剝蝕,造成中二疊統茅口組與上二疊統合山組古風化殼發育較厚,含鋁巖系層序相對完整。隨著地殼的上升,研究區第四系再度隆起,古風化殼經受淋濾、崩塌、破碎等作用,在酸性氧化環境中,易溶物質Ca、Mg、K、Na、S、C等淋失,Si部分淋失,Fe、Al相對富集,最終聚集于巖溶洼地、谷地和坡地中,與紅土混雜堆積形成堆積型一水硬鋁土礦床(李建領等,2016)。

2 含礦巖系與礦石礦物特征

研究區上泥盆統融縣組不整合面之上的都安組和中二疊統茅口組不整合面之上的合山組均發育厚度不等的鋁土巖(礦),為研究區的含礦巖系。具體巖性組合見表1。

表1 龍州地區含鋁巖系特征

該區兩層含礦巖系中的鋁土礦、鐵鋁巖和鐵鋁質泥巖光薄片鏡下觀測結果顯示,礦物主要為一水硬鋁石(圖2a、c)(熊星等,2014)、高嶺石(圖2a)、(鮞)綠泥石(圖2e),其次為赤鐵礦(針鐵礦)集合體(圖2b、d)和碎屑(巖屑、玻屑、礫屑)(圖2a、b、f)礦物,普遍存在大量(鐵)凝膠(圖2c、d、e),合山組鐵鋁巖中的礫屑存在少量二代粒屑。

圖2 龍州地區含鋁巖系礦物特征(a)、(b)DN-1碎屑狀鋁鐵質巖(變余熔結凝灰結構);(c)、(d)ND-2 含礫鐵鋁巖;(e)DN-2鮞狀鋁土礦;(f)ND-3 含礫鐵鋁巖Fig. 2 Mineral characteristics of Longzhou aluminium-bearing rock series(a), (b) DN-1 clastic alfa-ferric rock (blasto welded tuff); (c), (d) ND-2 gravelly ferralite; (e) DN-2 oolitic bauxite; (f) ND-3 gravelly ferralite

3 含礦巖系地球化學元素特征

對龍州金龍—水口地區2個含鋁巖系進行系統采樣,采集塊狀鋁土礦石樣1件、鐵鋁巖樣3件、鐵鋁質泥巖樣2件,共6件(表2、圖3)。

表2 樣品信息

圖3 合山組(a)和都安組(b)采樣剖面圖1-融縣組;2-都安組;3-茅口組;4-合山組;5-灰巖;6-泥灰巖;7-白云質灰巖;8-灰質白云巖;9-鋁土礦;10-含礫鐵鋁巖;11-鐵鋁質泥巖;12-浮土層;13-產狀;14-采樣點;15-含礦巖系及編號Fig. 3 Columnar comparison of the sampling sections of the Heshan Formation (a) and the Du′an Formation (b)

對樣品進行微觀鑒定和微量、稀土元素分析。常量元素檢測采用熔融-X射線熒光光譜法,檢出限為0.01%;稀土、微量元素檢測采用電感耦合等離子體質譜法,分析相對誤差為5%～10%。

3.1 常量元素特征

合山組、都安組鋁土巖(礦)主要由Al2O3、SiO2、Fe2O3、灼失量和TiO2組成(表3)。

表3 龍州地區鋁土礦(巖)常量元素質量分數

(1)合山組鋁土巖(礦):w(Al2O3)為34.62%～38.80%,平均值為36.58%;w(SiO2)為20.32%～28.94%,平均值為24.22%;w(Fe2O3)為21.73%～30.49%,平均值為26.75%;灼失量為7.46%～8.99%,平均值為8.16%;w(TiO2)為2.28%～3.44%,平均值為2.67%;鋁硅比(A/S)為1.26～1.91,平均值為1.55。

(2)都安組鋁土巖(礦):w(Al2O3)為33.59%～43.31%,平均值為38.11%;w(SiO2)為12.81%～30.70%,平均值為20.46%;w(Fe2O3)為16.25%～39.00%,平均值為27.01%;灼失量為8.24%～10.11%,平均值為9.14%;w(TiO2)為2.42%～3.54%,平均值為2.90%;鋁硅比(A/S)為1.24～3.38,平均值為2.10。

(3)常量元素分析結果顯示:2層鋁土巖(礦)的Al2O3含量大多低于鋁土礦一般工業邊界品位指標[w(Al2O3)>40%],鋁硅比僅部分達到邊界品位比值要求(1.8～2.6);2層鋁土巖(礦)中其他常量元素含量接近,化學蝕變指數(CIA)亦相近(接近100)。

3.2 稀土元素特征

分析龍州金龍—水口地區鋁土巖(礦)稀土元素含量數據(表4),發現以下特征。

表4 龍州地區鋁土礦(巖)稀土元素含量

(1)合山組沉積鋁土巖(礦):ΣREE為999～2 222 mg/kg,平均值為1 504 mg/kg;∑LREE為887～2 105 mg/kg,平均值為1 338 mg/kg;∑HREE為112～268 mg/kg,平均值為166 mg/kg?？傮w上看,輕稀土含量高于重稀土,輕/重稀土含量比值為3.82～18.0,平均值為9.90(>1);稀土配分曲線(圖4)顯示為輕稀土相對富集,重稀土相對虧損,輕、重稀土分異較明顯。δCe為1.50～7.10,平均值為3.42(>1);δEu為0.58～0.64,平均值為0.61(<1)(表4)。

圖4 鋁土巖(礦)石稀土元素球粒隕石標準化配分曲線(標準化數據據Sun et al.,1989)Fig. 4 Chondrite-normalized REE distribution curves for bauxite rock (ore)(Standardized data from Sun et al., 1989)

(2)都安組沉積鋁土巖(礦):ΣREE為229～389 mg/kg,平均值為295 mg/kg;∑LREE為157～346 mg/kg,平均值為249 mg/kg;∑HREE為35.0～71.3 mg/kg,平均值為46.5 mg/kg?？傮w上看,輕稀土含量高于重稀土,輕/重稀土含量比值為 2.21～8.00,平均值為5.81(>1);稀土配分曲線(圖4)表現為輕稀土元素較重稀土元素富集,呈右傾模式(李建領等,2016)。δCe為0.72～0.82,平均值為0.79(<1);δEu為0.74～1.02,平均值為0.84(<1)(表4)。

3.3 微量元素特征

表5、圖5顯示:都安組沉積鋁土巖(礦)微量元素中,親石元素Ba相對虧損,放射性元素Th、U明顯富集,稀散元素Ta、Nb相對富集,高能元素Zr、Hf相對富集,La相對虧損,Sr虧損最為強烈;合山組鋁土巖(礦)蛛網圖形態與之基本相同,僅表現為Y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu相對富集。

表5 龍州地區鋁土礦(巖)微量元素含量

圖5 鋁土巖(礦)微量元素分布對比圖(標準化數據據Sun et al.,1989)Fig. 5 Comparison of distribution of trace elements in bauxite rock (ore)(Standardized data from Sun et al.,1989)

4 討 論

4.1 成礦物質來源

在Fe2O3-Al2O3-SiO2分類命名三角圖(圖6)中,龍州金龍—水口地區堆積鋁土礦集中投影于鐵鋁巖-鋁鐵巖-鋁土礦-紅土交會區域內,合山組、都安組鋁土巖(礦)投影于紅土區域,與堆積鋁土礦投影區部分重疊和略鄰,顯示兩者均可能為堆積鋁土礦的礦源層。

圖6 Fe2O3-Al2O3-SiO2命名三角圖(據Aleva,1994)Fig. 6 Ternary naming diagram based on Fe2O3-Al2O3-SiO2(after Aleva, 1994)

Schroll (1968)、MacLean等(1997)、Ballouard等(2016)研究發現,Nb、Ta、Zr、Hf、Cr、Ni等元素的相關性及含量比值對鋁土礦床的成礦物質來源具有良好的指示作用。Nb-Ta(圖7a)、Hf-Zr(圖7b)圖解顯示龍州地區金龍—武德合山組、都安組沉積鋁土巖(礦)與堆積鋁土礦線性關系良好,說明合山組、都安組沉積鋁土巖(礦)均可能成為堆積鋁土礦的物質來源。

圖7 龍州地區 Nb-Ta(a)、Hf-Zr(b)、Ni-Cr(c)和Sm/Nd-Nb/Ta(d)相關性圖解(圖c據 Schroll,1968修編)Fig. 7 Correlation diagrams of Nb-Ta (a), Hf-Zr (b), Ni-Cr (c) and Sm/Nd-Nb/Ta (d) in Longzhou area(Fig. c modified from Schroll, 1968)

Cr、Ni因為在元素遷移中較為穩定,常作為追蹤元素使用。張正偉等(2012)、Zarasvandi等(2012)、Zhang等(2021)用lg Cr-lg Ni 值判別鋁土礦床的物質來源,因為不同類型鋁土礦成礦母巖的 lg Cr-lg Ni 值各具特點。據Schroll(1968)的lg Cr-lg Ni二元圖解,都安組樣品值全部落入巖溶型鋁土礦范圍內,合山組樣品值則落入玄武巖區,合山組、都安組樣品值投點并不集中且在不同分區,說明二者屬于不同類型的鋁土礦礦床;堆積鋁土礦除部分落入玄武巖、碳酸鹽巖區外,大多位于頁巖、板巖內,該區堆積鋁土礦的成礦物源則更顯復雜(圖7c),都安組具喀斯特型鋁土礦特征。

Sm/Nd-Nb/Ta圖解中(圖7d),合山組、都安組鋁土巖(礦)數據點較集中,位于堆積鋁土礦右下方略鄰處,說明合山組、都安組鋁土巖(礦)均可能為研究區堆積鋁土礦床的礦源層。

4.2 沉積環境

合山組鋁土巖(礦)中的Ga含量為42.7～64.5 mg/kg,平均值為50.2 mg/kg;Sr含量為52.3～68.1 mg/kg,平均值為59.3 mg/kg;Ba含量為12.8～61.3 mg/kg,平均值為30.4 mg/kg。都安組鋁土巖(礦)Ga含量為39.8～43.7 mg/kg,平均值為41.4 mg/kg;Sr含量為50.9～238 mg/kg,平均值為179 mg/kg;Ba含量為8.70～160 mg/kg,平均值為89.4 mg/kg。結果表明研究區合山組、都安組鋁土巖(礦)沉積環境均為陸相(表6、表7)。

表6 龍州地區沉積型鋁土礦特征元素分析結果

表7 沉積環境微量元素指標

范忠仁(1989)、陳代演等(1997)、文華國等(2008)和Wang等(2017)認為Sr/Ba、V/Zr比值的變化可反映成礦時期的古鹽度。合山組鋁土巖(礦)Sr/Ba比值為1.30～3.20,平均值為2.03;V/Zr比值為0.08～0.14,平均值為0.11;Zr/Cu含量比值為58.69～176.92,平均值為111.57。都安組鋁土巖(礦)Sr/Ba比值為0.50～2.80,平均值為1.62;V/Zr比值為0.09～0.24,平均值為0.14(表6)。上述元素指標除V/Zr比值外,均表明合山組、都安組鋁土巖(礦)為陸相沉積,V/Zr-Zr/Cu 沉積環境二元判別圖(圖8)亦清晰顯示研究區原生鋁土巖(礦)沉積環境為陸相。

圖8 龍州地區鋁土巖(礦)V/Zr-Zr/Cu 沉積環境(據Maslov et al.,2011修編)Fig. 8 V/Zr-Zr/Cu discriminant plot for sediment environment of bauxite rock (ore) in Longzhou area(modified from Maslov et al., 2011)

Ce常用于沉積巖古海洋氧化-還原條件、沉積環境的判斷和示蹤。通常認為Ce正異常顯示氧化環境,因為在風化過程中,Ce可以由Ce3+變為Ce4+,后者在弱酸性條件下很容易發生水解而停留于原地,導致淋出溶液中Ce虧損,而殘積物中Ce富集(李沛剛等,2012;王巖等,2015;王澤等,2022)。合山組鋁土巖(礦)樣品的δCe為1.50～7.10,平均值為3.42(>1)(表4、表7),表現為氧化環境;都安組鋁土巖(礦)樣品的δCe為0.72～0.82,平均值為0.79(<1),顯示為還原環境。

4.3 成礦作用

Th/U含量比值是反映沉積環境的重要指標,McLennan 等(1991)、Chen 等(2016)曾提出物源區遭受強烈風化作用時Th/U含量比值>3,當Th/U含量比值<3 時則可能為源區母巖影響所致。研究區合山組鋁土巖(礦)Th/U含量比值為4.07～6.57(平均值為5.62),都安組鋁土巖(礦)Th/U含量比值為1.20～8.34(平均值為4.12)(表6、表7),表明鋁土巖(礦)物源區均遭受過較強的風化作用,多為混染或風化作用不徹底的產物(圖9)。

圖9 龍州地區鋁土巖(礦)Tu-U圖解二元判別圖(據Maslov et al.,2011修編)Fig. 9 Tu-U diagram of bauxite rock (ore) in Longzhou area(modified from Maslov et al., 2011)

不同沉積構造環境下的δEu差異顯著,因此常用于判別物質來源與沉積構造環境(林宇等,2014;王巖等,2015)。大洋島弧δEu為1.04±0.11,大陸島弧δEu為0.79±0.13,活動大陸邊緣δEu為0.60,被動大陸邊緣的雜砂巖和泥巖的δEu為0.56(李普濤等,2008;林宇等,2014;宋立方等,2019)。由表4可知,研究區合山組鋁土巖(礦)δEu為0.58～0.64(平均值為0.61),接近被動大陸邊緣的雜砂巖和泥巖的δEu值,都安組鋁土巖(礦)的δEu值為0.74～1.02(平均值為0.84)與活動大陸邊緣相近。

5 結 論

(1) 研究區合山組、都安組鋁土巖(礦)礦石礦物無顯著差異,主要為一水硬鋁石、高嶺石、(鮞)綠泥石,其次為赤鐵礦(針鐵礦)集合體和碎屑物(巖屑、玻屑、礫屑),普遍存在大量(鐵)凝膠。

(2) 合山組和都安組常量、微量、稀土元素特征及相關圖解顯示,鋁土巖(礦)均可能為研究區堆積鋁土礦的礦源層。

(3) Ni-Cr圖解顯示合山組鋁土巖(礦)可能來自于與火山物質有關的玄武巖,都安組鋁土巖(礦)來源于喀斯特巖溶,堆積鋁土礦除部分落入玄武巖、碳酸鹽巖區外,大多位于頁巖、板巖內,表明該區堆積鋁土礦存在多源性。

(4) 微量元素Be、Ga、Sr、Ba與Sr/Ba、V/Zr、Zr/Cu等沉積環境元素特征表明該區原生鋁土巖(礦)沉積環境為陸相;δCe分析顯示該區鋁土巖(礦)沉積環境有所不同,合山組表現為氧化環境,都安組則表現為還原環境。

(5) Th、U及其含量比值顯示研究區鋁土巖(礦)成礦以混合作用為主,并經歷了較強程度的風化作用;δEu分析表明合山組鋁土巖(礦)形成于被動大陸邊緣,都安組鋁土巖(礦)則形成于活動大陸邊緣。

(6) 該區合山組、都安組含鋁巖系均發育不同程度的鋁土巖(礦)層,相較而言合山組鋁土巖(礦)層厚度較大,但Al2O3含量與鋁硅比均較低;考慮到都安組鋁土巖(礦)部分樣品已達工業邊界指標,可作為沉積鋁土礦勘查的主要目的層,同時兼顧合山組含鋁巖系。