中國喀斯特型鋁土礦的地質(zhì)特征與成礦物源研究的思考

侯瑩玲

（廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，廣東 茂名 525000）

0 引言

鋁土礦通常指的是由三水鋁石、一水硬鋁石和一水軟鋁石、各類黏土礦物以及含鐵礦物、少量鈦礦物等組成的混合物。實(shí)際生產(chǎn)中，鋁土礦指的是達(dá)到工業(yè)品位的，由一水硬鋁石、一水軟鋁石和三水鋁石為主要礦物組成的礦石的統(tǒng)稱。我國鋁土礦的產(chǎn)量世界排名居第4 位，僅次于澳大利亞、幾內(nèi)亞、巴西，但是我國鋁土礦產(chǎn)量只占世界總量的1/10。我國是工業(yè)制造大國，也是世界上最大的鋁消耗國，但是我國鋁土礦品位低，鋁煉制水平相對(duì)落后，所以目前我國鋁土礦半數(shù)以上依賴進(jìn)口，2012—2020 年我國進(jìn)口鋁土礦規(guī)模呈波動(dòng)上漲趨勢(shì)（圖1），深入認(rèn)識(shí)中國鋁土礦的地質(zhì)特征及成礦物源，對(duì)進(jìn)一步開展鋁土礦勘查具有重要指示意義。

圖1 2012—2020 年我國鋁土礦進(jìn)口規(guī)模及增速

1 鋁土礦分類

由于對(duì)鋁土礦進(jìn)行分類時(shí)所考慮的因素不同，目前仍存在多種鋁土礦的分類方案，例如，有人根據(jù)鋁土礦礦體形態(tài)將鋁土礦分為平伏狀礦床、層間礦床及囊狀礦床。有人按照成因?qū)X土礦分為紅土型、化學(xué)沉積型、熱液型和生物成因型。還有人根據(jù)下伏基巖類型將鋁土礦分為產(chǎn)于鋁硅酸鹽巖之上的紅土型和產(chǎn)于碳酸鹽巖風(fēng)化面之上的喀斯特型鋁土礦，這也是目前應(yīng)用最廣泛的分類方法。杜遠(yuǎn)生等[1]提出以鋁土礦沉積物等物源和沉積、成礦作用為依據(jù)的中國鋁土礦床分類方案，包括原地或準(zhǔn)原地殘坡積物成因的紅土型和喀斯特型，以及異地物源沉積成因的沉積型。

2 中國鋁土礦的分布

我國鋁土礦可分為喀斯特型、堆積型和紅土型，從形成時(shí)代來看，古生代、中生代和新生代皆有鋁土礦產(chǎn)出，其中查明資源儲(chǔ)量超億噸的主成礦期為晚石炭世、第四紀(jì)、早二疊世、晚二疊世和早石炭世。

總體來看，我國鋁土礦在分布上具有分布范圍廣，儲(chǔ)量及產(chǎn)地相對(duì)集中的特點(diǎn)，每種類型的鋁土礦又具有各自分布特征（表1）。古生代形成的鋁土礦基本為喀斯特型鋁土礦，這也是我國最主要的鋁土礦類型，占鋁土礦總儲(chǔ)量的80%以上，此類礦床的礦石為硬水鋁石型，代表礦床為華北地區(qū)鋁土礦、桂西鋁土礦、黔中黔北鋁土礦；堆積型和紅土型主要形成時(shí)代為第四紀(jì)，此類礦床的礦石為三水鋁石型，主要產(chǎn)地為海南蓬萊、福建漳浦、廣東雷州半島等熱帶、亞熱帶地區(qū)；堆積型鋁土礦形成于第四紀(jì)，礦石為硬水鋁石型，以桂西地區(qū)礦床最為典型，廣西是少數(shù)擁有全部鋁土礦類型的地區(qū)。

表1 中國鋁土礦的時(shí)代及分布

3 我國喀斯特型鋁土礦的地質(zhì)特征

喀斯特型鋁土礦是我國鋁土礦的最重要的類型，與世界其他喀斯特型鋁土礦一樣，我國喀斯特型鋁土礦也具有典型的“炭質(zhì)頁巖（煤）-鋁-鐵”結(jié)構(gòu)[2-3]。煤、鋁土礦、鐵礦空間上緊密共生，且三者的規(guī)模和發(fā)育程度往往互為消長(zhǎng)關(guān)系。下伏的鐵質(zhì)層多為雜色含鐵質(zhì)鋁土巖、黃鐵礦及菱鐵礦團(tuán)塊，暴露地表后可風(fēng)化為褐鐵礦、赤鐵礦等，當(dāng)發(fā)育較好時(shí)，在華北地區(qū)形成“山西式鐵礦”，華南地區(qū)則形成“清鎮(zhèn)式鐵礦”[4]。

華北喀斯特型鋁土礦礦床規(guī)模多為大-中型，多為隱伏礦，礦石為低硫或低鐵型，礦石主要為硬水鋁石型，Al2O3含量為 50%~70%，鋁硅比（A/S）介于 4~10[5]。

貴州喀斯特型鋁土礦包括兩種剖面類型[6]，分別為鐵質(zhì)巖-鋁質(zhì)巖類型和黏土巖-鋁質(zhì)巖類型。礦床規(guī)模以大-中型為主，礦石主要為硬水鋁石型，Al2O3含量平均 45%~80%，A/S 為 4~11[5]。

桂西喀斯特型鋁土礦在喀斯特洼地中經(jīng)常包含兩個(gè)或三個(gè)鋁土礦-黏土巖旋回；在高地處只包含一個(gè)鋁土礦-黏土巖旋回甚至不發(fā)育鋁土礦（圖2）。桂西鋁土礦具有喀斯特型鋁土礦和巖溶堆積型鋁土礦共生的獨(dú)特組合。礦床規(guī)模主要為大-中型，以地表淺部礦和部分隱伏礦為主，礦石多為高鐵-硬水鋁石型，Al2O3含量為 40%~60%，A/S 較高，一般為 4~15[3，5]。

圖2 桂西喀斯特型鋁土礦典型剖面

喀斯特型鋁土礦剖面的礦物也具有明顯變化規(guī)律[3]。例如，桂西那豆剖面從頂?shù)降祝ⅰね恋V物和一水鋁石的含量呈此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，剖面上部石英和黏土礦物含量高，越接近鋁土礦層，黏土礦物的總量越大，當(dāng)出現(xiàn)一水鋁石后黏土礦物和石英總量又逐漸降低。

4 成礦物源研究及思考

鋁土礦物源研究是鋁土礦理論研究的難點(diǎn)，尤其是喀斯特型鋁土礦的物源問題，已有大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，提出可能為我國喀斯特型鋁土礦提供成礦物質(zhì)的巖石類型包括：基底碳酸鹽巖、鐵鎂質(zhì)巖、酸性火山巖或混合來源（表2）。

表2 中國典型喀斯特型鋁土礦礦物質(zhì)來源研究統(tǒng)計(jì)

前人研究具有如下特點(diǎn)：①絕大多數(shù)學(xué)者都是直接利用鋁土礦為對(duì)象進(jìn)行物源研究，而忽視了與鋁土礦緊密共生的炭質(zhì)頁巖或鐵質(zhì)層。②研究手段相對(duì)單一，目前大多數(shù)學(xué)者對(duì)鋁土礦的物源分析主要基于不活動(dòng)元素，如稀土配分模式、A/S 等分析。從表2 可以看出，前人在同一個(gè)地區(qū)利用相同的手段進(jìn)行研究卻得出相互矛盾的結(jié)論。

以桂西地區(qū)為例，許多學(xué)者認(rèn)為桂西鋁土礦的成礦母巖為基底茅口組灰?guī)r，主要是基于鋁土礦和灰?guī)r具有相似的稀土元素配分模式[15]，但是鋁土礦中分離的鋯石棱角分明，與灰?guī)r中磨圓較好的鋯石完全不同，這無法用茅口組灰?guī)r假說解釋。

萬兵等[16]提出桂西喀斯特型鋁土礦的主要成礦物質(zhì)來源于附近古陸，主要依據(jù)是鋁土礦礦床圍繞古陸周緣分布，且其與古陸上的各類巖石的混合風(fēng)化產(chǎn)物的鋁、硅、鐵、鈦氧化物特征相似。他認(rèn)為茅口灰?guī)r中Al2O3平均含量為0.245%，東吳運(yùn)動(dòng)引起的短暫的沉積間斷不足以使茅口組灰?guī)r風(fēng)化形成規(guī)模巨大的鋁土礦。但是，李普濤等[19]在對(duì)桂西地區(qū)巖相古地理與構(gòu)造演化分析后提出，在晚二疊世鋁土礦成礦期間，桂西地區(qū)的古陸實(shí)際都被巨厚灰?guī)r覆蓋，所謂“古陸說”與“基底說”的觀點(diǎn)并無本質(zhì)區(qū)別。

為何鋁土礦地球化學(xué)在物源示蹤時(shí)存在多解性和局限性？鋁土礦的成礦過程，本身就是巖石紅土化（或鈣紅土化）的過程，在此過程中，K、Na、Ca 等活動(dòng)元素被淋濾遷移出風(fēng)化殼，而稀土元素（rare earth element, REE）、Al、Fe、Ti 等不活動(dòng)元素則隨風(fēng)化紅土原地殘留并逐漸富集。但是喀斯特型鋁土礦的成礦過程是長(zhǎng)期剝蝕、風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積等地表作用的綜合，這一過程甚至可能有有機(jī)質(zhì)和微生物的介入[20]，傳統(tǒng)的不活動(dòng)元素可能發(fā)生遷移。余文超[12]研究發(fā)現(xiàn)，Si 在成礦過程中呈現(xiàn)丟失的行為；Al 在碎屑狀、疏松狀、豆鮞狀礦石中均呈現(xiàn)出遷出的特征，而在致密狀鋁土礦中卻呈現(xiàn)遷入的現(xiàn)象；Fe 在橫向變化中均表現(xiàn)出不同的特征。所以，利用不活動(dòng)元素進(jìn)行鋁土礦的源區(qū)示蹤存在多解性和局限性，這可能也是前人在桂西鋁土礦的物源研究中獲得相互矛盾結(jié)論的原因之一。

隨著同位素年代學(xué)向微區(qū)高精度方向發(fā)展，鋯石U-Pb 年代學(xué)及原位Hf-O 同位素研究也應(yīng)用到了喀斯特型鋁土礦的物源研究。在鋁土礦的復(fù)雜成礦過程中，碎屑鋯石可繼承源區(qū)的大量信息。但是碎屑鋯石年代學(xué)數(shù)據(jù)所反映的物源信息也存在一定局限性。由于碎屑鋯石會(huì)優(yōu)先反映具有大量鋯石的物源提供者，如中-酸性巖漿巖、火山灰等，但是無法反映玄武巖、泥灰?guī)r等缺乏鋯石物源提供者的信息。這就需要結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，尤其是Nd 同位素對(duì)物源信息加以綜合判別。

另外，直接利用地球化學(xué)對(duì)遭受了強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)的鋁土礦源區(qū)進(jìn)行示蹤難度太大，結(jié)論的客觀性和可靠性差。因此，有人提出利用鋁土礦共生的碎屑巖進(jìn)行物源研究[3]。但是在喀斯特型鋁土礦的形成中，鋁土礦和碎屑巖的沉積環(huán)境發(fā)生變化[12]，包括沉積水深、水動(dòng)力等，二者的物源是否完全一致還需研究，而二者關(guān)系的判別也需要元素地球化學(xué)及同位素年代學(xué)的研究。

鋁土礦是巖石極端風(fēng)化條件下的產(chǎn)物，化學(xué)風(fēng)化的強(qiáng)度也影響著元素的性質(zhì)，從而影響著源區(qū)性質(zhì)的判定。選擇風(fēng)化程度較低的樣品進(jìn)行鋁土礦的物源示蹤研究，將獲得更多有用的信息，所以判斷含鋁碎屑巖系的化學(xué)風(fēng)化程度也非常關(guān)鍵。目前有如下幾種化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)：硅鈦指數(shù)、威格特殘積指數(shù)、硅鋁比、風(fēng)化指數(shù)、化學(xué)風(fēng)化指數(shù)、化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）等。CIA 是目前最常用的衡量化學(xué)風(fēng)化程度的指數(shù)，它能為如何合理地選擇樣品進(jìn)行物源研究提供一個(gè)有用的參考標(biāo)準(zhǔn)。

喀斯特型鋁土礦的物源示蹤，歸根結(jié)底是沉積物源研究。不管在沉積前還是沉積后，沉積物都會(huì)受到不同程度的地質(zhì)改造，加上沉積物源的多樣性以及各種分析測(cè)試方法的局限性，這些因素決定僅用單一分析手段進(jìn)行物源判別。因此，綜合巖相學(xué)、礦床學(xué)、地球化學(xué)和同位素年代學(xué)等多學(xué)科研究，可能會(huì)取得更好的源區(qū)示蹤效果。

5 結(jié)語

本文從鋁土礦礦床分類、礦床分布、鋁土礦的礦床內(nèi)部結(jié)構(gòu)及礦體層序闡釋了我國鋁土礦的地質(zhì)特征，對(duì)我國喀斯特型鋁土礦物源研究的進(jìn)展進(jìn)行綜述，主要有以下兩個(gè)結(jié)論。

（1）我國鋁土礦主要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。喀斯特型鋁土礦主要為硬水鋁石型，具有典型的“炭質(zhì)頁巖（煤）-鋁-鐵”結(jié)構(gòu)。

（2）由于喀斯特型鋁土礦成因的復(fù)雜性，各地礦床的成礦物質(zhì)都有多種觀點(diǎn)，主要包括：基底碳酸鹽巖、鐵鎂質(zhì)巖石、酸性火山巖或者混合來源。本文認(rèn)為用單一的不活動(dòng)性元素、稀土元素的對(duì)比分析并不能有效解決喀斯特型鋁土礦的物源爭(zhēng)議，綜合巖相學(xué)、礦床學(xué)、地球化學(xué)和同位素年代學(xué)等多學(xué)科研究，可能會(huì)取得更好的源區(qū)示蹤效果。