向奉祥,孫亢
(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司,重慶 400013)
國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋁土質(zhì)泥巖的研究較少,一般認(rèn)為鋁土質(zhì)泥巖為鋁土礦成礦的中間階段,即風(fēng)化產(chǎn)物的成土階段[1]。對(duì)于鋁含量高但是并未形成鋁土礦的鋁土質(zhì)泥巖并沒(méi)有詳細(xì)的研究。本文在深入了解區(qū)域內(nèi)相關(guān)煤田地質(zhì)勘查資料和鋁土礦形成原因的基礎(chǔ)上,結(jié)合沉積構(gòu)造,鉆井巖芯垂向沉積序列,地球化學(xué)特征,礦床學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域展開(kāi)鋁土質(zhì)泥巖成因分析的研究工作,并通過(guò)對(duì)比分析研究區(qū)內(nèi)鋁土質(zhì)泥巖未能形成鋁土礦的原因。
研究區(qū)內(nèi),鋁土質(zhì)泥巖位于龍?zhí)督M下段,與峨眉山玄武巖呈平行不整合,將龍?zhí)督M分為上、下兩段[2]。
龍?zhí)督M(P3l)上段:巖屑細(xì)砂巖、粉砂巖、含泥礫巖屑細(xì)砂巖、粘土巖夾海相碳酸鹽巖和煤層,厚130 m 左右。
龍?zhí)督M(P3l)下段:中細(xì)粒巖屑砂巖、粉砂巖、水云母粘土巖夾海相碳酸鹽巖和煤層,底部為鋁土質(zhì)粘土巖,厚100 m 左右。
通過(guò)對(duì)織金地區(qū)上二疊統(tǒng)沉積相資料的研究總結(jié),結(jié)合本區(qū)鉆井資料的系統(tǒng)研究,根據(jù)巖石學(xué)、沉積學(xué)及地球物理學(xué)、沉積地球化學(xué)、古生物學(xué)等綜合研究,結(jié)合沉積相標(biāo)志,在龍?zhí)督M中識(shí)別出三角洲、障壁砂壩—瀉湖、碳酸鹽潮坪3 種沉積類型、6 種沉積亞相和10 種沉積微相(表1)。

表1 研究區(qū)沉積相類型
龍?zhí)督M早期受東吳運(yùn)動(dòng)的影響,研究區(qū)在抬升為陸的同時(shí),峨眉山玄武巖在研究區(qū)西部噴發(fā)。較長(zhǎng)時(shí)間的西部峨眉山玄武巖的噴發(fā)及大面積的風(fēng)化剝蝕造成了研究區(qū)龍?zhí)对缙谖鞅备摺⒛蠔|低的古地貌環(huán)境[3]。此時(shí),由于板塊運(yùn)動(dòng)影響,貴州東部及南部出現(xiàn)大規(guī)模的海侵,海水侵入到研究區(qū),在研究區(qū)內(nèi)開(kāi)始海侵作用下的沉積。
龍?zhí)督M下部頻繁出現(xiàn)泥巖、粉砂巖—灰?guī)r、硅質(zhì)巖的過(guò)度表明了此期間為脈動(dòng)式海侵作用。在海侵作用過(guò)程中,由于墮卻、珠藏、官寨、沙窩一線原有的波狀凸起古地勢(shì)阻礙海水的流動(dòng),研究區(qū)內(nèi)形成了障壁—瀉湖的沉積相。研究區(qū)內(nèi)瀉湖—潮坪相厚度為120 m 左右,表明海侵作用的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)[4](圖2)。

圖1 龍?zhí)对缙诔练e相分布圖

圖2 Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2 相互之間關(guān)系圖解
本次共采集有12 個(gè)織金礦區(qū)文家壩井田鉆孔的鋁土質(zhì)泥巖,將12 個(gè)樣品研磨到200 目,在105 ℃下烘干2 h 之后對(duì)樣品進(jìn)行地球化學(xué)分析,分析在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與測(cè)試中心完成。主量元素分析采用XRF 分析法,采取無(wú)變量精確定量測(cè)得,使用儀器ME-XRF06。微量元素和稀土元素以ICP-MS 測(cè)定,為近似定量,使用儀器ME-MS81 型電感耦合等離子質(zhì)普計(jì)。
1)研究區(qū)常量元素含量
12 個(gè)鋁土質(zhì)泥巖樣品中,常量元素以Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、Na2O、K2O、MgO 及CaO 為主(表2)。可以看出,鋁土質(zhì)泥巖中Al2O3、SiO2、Fe2O3含量最高,其次為TiO2。

表2 樣品常量元素成分及含量(×10-2)
2)Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2的關(guān)系圖解如圖2,Al2O3與SiO2的相關(guān)性系數(shù)R2為0.042,相關(guān)性系數(shù)較低,尚未達(dá)到鋁土礦中Al2O3與SiO2的負(fù)相關(guān)性。Al2O3與Fe2O3的相關(guān)性系數(shù)R2為0.068,相關(guān)性系數(shù)較低。SiO2與Fe2O3相關(guān)性系數(shù)R2為0.805,相關(guān)性較高。
在鋁土礦中,Al2O3與SiO2呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性,鋁土礦的成礦過(guò)程是去硅除鐵富鋁的過(guò)程,且Al2O3較高,這都表明研究區(qū)鋁土質(zhì)泥巖未達(dá)到鋁土礦的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。玄武巖中TiO2的平均含量為2.1%~3.4%,TiO2在風(fēng)化過(guò)程其含量基本保持不變,因而Al2O3/TiO2的值可以用來(lái)反應(yīng)物源的性質(zhì)。從Al2O3—TiO2的關(guān)系圖解中可以看出,其R2=0.862,其值較高,表明Al2O3與TiO2相關(guān)性較好,這反映了研究區(qū)鋁土質(zhì)泥巖的物源的一致性[5-6]。
沉積巖中微量元素的分析能夠?yàn)槌练e環(huán)境的分析提供物理標(biāo)志和生物標(biāo)注所不及的地球化學(xué)標(biāo)志。母巖的性質(zhì)在一定程度上決定了風(fēng)化產(chǎn)物的元素組成,因此鋁土質(zhì)泥巖中微量元素的組成對(duì)成巖母巖的分析有一定的指導(dǎo)意義。
1)研究區(qū)微量元素組分及含量
研究區(qū)鋁土質(zhì)泥巖的微量元素主要測(cè)得微量元素為L(zhǎng)i、Be…Th、U 等26 種元素,其中只有V(20.5—268.5×10-6)、Ni(12.90—174.80×10-6)、Cu(33—195.8×10-6)、Zn(23.2—180.7×10-6)、Sr(29.6—536.5×10-6)、Ba(12—695.6×10-6)含量超過(guò)100×10-6,其余微量元素均<100×10-6。經(jīng)過(guò)對(duì)比樣品微量元素Sc、V、Co、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Bi 的平均含量高于上地殼對(duì)應(yīng)元素平均含量,富集的微量元素中Sc、V、Co、Ni 均為親(超)基性巖漿元素。
(1)Sr/Cu 指示古氣候
根據(jù)前人的研究成果,一般認(rèn)為Cr、Ni、Mn、Cu、Fe、Ba、Br、Co、Cs、Hf、Rb、Sc、Th 為喜濕性元素;Sr、B、Au、Ta、Zn、Mo 為喜干性元素[5-6]。研究區(qū)Sr/Cu 值為0.7~6 之間,介于1~10 之間,表明鋁土質(zhì)泥巖形成的古氣候?yàn)闇嘏瘽駶?rùn)氣候。
(2)Sr/Ba 指示古鹽度
陸相沉積物中Sr/Ba 值<1;海相沉積物Sr/Ba 值>1。在海陸過(guò)度地區(qū)及有大量陸源碎屑注入的濱海及淺海地區(qū)中0.6<Sr/Ba <1[5-6]。研究區(qū)中0.35 <Sr/Ba <1.95,表明研究區(qū)巖層的形成環(huán)境較為復(fù)雜,鋁土質(zhì)泥巖形成時(shí)期海水鹽度發(fā)生頻繁變化,結(jié)合研究區(qū)內(nèi)沉積相類型,正好符合瀉湖環(huán)境。
(3)&U、Th/U、V/(V+Ni)指示氧化—還原性
&U >1 為表明缺氧環(huán)境;&U <1 表明正常水體環(huán)境。0<Th/U <2 表明缺氧環(huán)境;Th/U >2 表明為還原環(huán)境[5-6]。V/(V+Ni)>0.84 為厭氧環(huán)境。0.6 < V/(V+Ni)<0.82 為不強(qiáng)的厭氧環(huán)境。0.46 < V/(V+Ni)<0.6 為弱的貧氧環(huán)境[5-6]。經(jīng)計(jì)算,研究區(qū)內(nèi)0.63 <&U <1.8,3.1 <Th/U <6.4,0.32 <V/(V+Ni)<0.94。0.63 <&U <1.8 表明為正常水體—缺氧環(huán)境;3.1 <Th/U <6.4 表明為還原環(huán)境;0.32 <V/(V+Ni)<0.94 表明為貧氧—厭氧環(huán)境。以上三個(gè)指標(biāo)均表明研究區(qū)鋁土質(zhì)泥巖在還原條件下沉積形成。
由于稀土元素在河水及海水中不可溶,含量很低,因而碎屑巖中稀土元素含量來(lái)源于物源區(qū)的母巖當(dāng)中,因此稀土元素能用于成巖的物質(zhì)來(lái)源和反演成礦作用的過(guò)程[7-9]。
研究區(qū)稀土元素含量及化學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 研究區(qū)稀土元素含量及化學(xué)參數(shù)
總體來(lái)看,泥巖樣品中稀土元素總量w(∑REE)為16.42~804.86×10-6(不包含Y),平均為213.53×10-6,與文家壩玄武巖稀土元素總量:296.28×10-6較為接近。一般認(rèn)為δCe >0.6 為海相沉積環(huán)境,研究區(qū)0.6 <δCe <1.41,均大于0.6,表明其均在海相的沉積環(huán)境下形成。δEu <1 為負(fù)異常,指示還原環(huán)境;δEu >1 為正異常,指示氧化環(huán)境。研究區(qū)采集的樣品中δEu 變化范圍為:0.44 <δEu <1.77,平均值為0.83 <1,δEu 值負(fù)異常,表明鋁土質(zhì)泥巖形成于還原環(huán)境下。
8 個(gè)泥巖樣品中REE 分布趨勢(shì)基本一致,表明泥巖的形成具有同一物源性。將稀土元素北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化[10],得出REE 曲線(圖3),泥巖的REE 分布與文家壩玄武巖的REE 有較為相似的分布趨勢(shì)(圖3),這表明樣品的物源很有可能是峨眉山玄武巖。為了探討物源區(qū)的巖性特征,以w(∑REE) 為橫坐標(biāo)、w(La)/w(Yb) 為縱坐標(biāo),采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系成圖并與已知母巖的落點(diǎn)區(qū)域?qū)Ρ萚11](圖4),樣品集中分布在堿性玄武巖區(qū),少量分布在花崗巖及沉積巖區(qū)域,表明泥巖的物源主要為堿性玄武巖,并有少量花崗巖與沉積巖混入。

圖3 泥巖REE 配分模式圖

圖4 樣品w(La)/w(Yb)—w(∑REE)投點(diǎn)圖
鋁土質(zhì)泥巖的形成受沉積環(huán)境的影響較大,其主要的環(huán)境因素為:古氣候條件、古地貌條件、海平面升降三大因素的影響。
1)古氣候條件
根據(jù)古地磁,古海水等方面的綜合研究,認(rèn)為揚(yáng)子板塊晚二疊世時(shí)期古緯度為2.4°S,為南半球低緯度地區(qū),氣候炎熱,雨量充沛,植物茂盛,為熱帶—亞熱帶半落葉季雨林氣候[12]。研究區(qū)內(nèi),Sr/Cu 值為0.7~6,介于1~10 之間,進(jìn)一步表明鋁土質(zhì)泥巖形成的古氣候?yàn)闇嘏瘽駶?rùn)氣候。0.63 <&U <1.8,3.1 <Th/U <6.4,0.32 <V/(V+Ni)<0.94。0.63 <&U <1.8 表明為正常水體—缺氧環(huán)境。古氣候溫暖濕潤(rùn),使得裸露地表的峨眉山玄武巖遭受一般的物理、化學(xué)風(fēng)化作用、生物物理及生物化學(xué)的風(fēng)化作用,使得峨眉山玄武巖的鋁硅酸鹽礦物分解,被地表徑流帶入濱海地區(qū)開(kāi)始沉積,為鋁土質(zhì)泥巖形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。
2)古地貌、地質(zhì)條件
研究區(qū)在中二疊世晚期受到東吳運(yùn)動(dòng)玄武巖噴發(fā)之后處于相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造期,東吳運(yùn)動(dòng)使得茅口期沉積的灰?guī)r及此期間噴發(fā)的峨眉山玄武巖、龍?zhí)兑黄诙朊忌叫鋷r抬升,接受風(fēng)化剝蝕[3]。鋁土質(zhì)泥巖與茅口灰?guī)r及峨眉山玄武巖之間的不整合界面就是其直接的證據(jù)。在風(fēng)化剝蝕的沉積間斷期內(nèi),下伏地層遭受強(qiáng)烈風(fēng)化,為鋁質(zhì)的富集體提供了場(chǎng)所。同時(shí)大部分地區(qū)被夷平,整體坡度較小,一般在0.5°以下,極為平緩,使得研究區(qū)內(nèi)能形成大面積的潮上帶地區(qū),平緩的潮上帶緩坡SiO2較Al2O3更易流失,鋁質(zhì)更易富集。低幅度的海平面升降便可造成大面積的海水進(jìn)退,這也為研究區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M下段大面積形成鋁土質(zhì)泥巖提供了良好的地質(zhì)地貌基礎(chǔ)。
3)海平面升降
龍?zhí)对缙诎l(fā)生了晚二疊時(shí)期規(guī)模最大的海侵運(yùn)動(dòng),在研究區(qū)織金一帶形成了瀉湖—潮坪的沉積環(huán)境[4],在鋁土質(zhì)泥巖中見(jiàn)大量水平層理,表明其形成期間水動(dòng)力條件較弱,為潮上帶沉積特征,因而鋁土質(zhì)泥巖形成于潮上帶的泥坪微相之中。
鋁土質(zhì)泥巖中鋁的富集分為兩個(gè)階段:泥巖的沉積階段、泥巖的成巖階段。
1)沉積作用階段鋁的富集
由于峨眉山玄武巖噴發(fā)的多期次性、復(fù)雜性[13],結(jié)合研究區(qū)內(nèi)峨眉山玄武巖的分布(有的茅口組灰?guī)r假整合峨眉山玄武巖;有的茅口組灰?guī)r直接假整合鋁土質(zhì)泥巖),筆者認(rèn)為可將峨眉山玄武巖的風(fēng)化產(chǎn)物分為原地殘積型風(fēng)化物、異地搬運(yùn)型風(fēng)化物。
原地殘積型風(fēng)化物為茅口灰?guī)r上部覆蓋峨眉山玄武巖地區(qū)。異地搬運(yùn)型風(fēng)化物為茅口灰?guī)r上部無(wú)峨眉山玄武巖覆蓋,風(fēng)化物主要為玄武巖風(fēng)化之后經(jīng)過(guò)搬運(yùn)而沉積下來(lái)的產(chǎn)物。峨眉山玄武巖經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用后形成的碎屑被地表徑流搬運(yùn),同期由于海侵作用,海平面上升,碎屑物質(zhì)被短距離地搬運(yùn)至海水中。風(fēng)化產(chǎn)物中的高嶺石粘土礦物粒度較細(xì),懸浮在海水中,只有在海水動(dòng)力條件較弱的地方才能沉積。此時(shí)海侵作用形成的瀉湖潮坪環(huán)境中,主要受潮汐水流的作用影響,在潮坪微相中的潮上帶由于水動(dòng)力條件較弱,海水中的高嶺石粘土礦物便在此處開(kāi)始沉積,接受成巖作用,形成泥巖。風(fēng)化、搬運(yùn)過(guò)程中,玄武巖的風(fēng)化形成的K+、Mg2+、Ca2+、Na+、Si2+等易溶性元素被淋濾帶走。沉積的風(fēng)化產(chǎn)物中主要為Al3+、Fe3+、Ti2+等不易溶解的元素形成的礦物。風(fēng)化作用過(guò)程及沉積作用過(guò)程中,使粘土巖中鋁的含量第一次增加(圖5)。

圖5 鋁土質(zhì)泥巖形成模式
2)成巖作用階段鋁的富集
粘土巖經(jīng)歷了沉積作用使鋁的含量第一次增加后便開(kāi)始了早期成巖作用。在潮上帶的特殊環(huán)境下,海水受潮汐作用的影響出現(xiàn)高潮水位和低潮水位,潮上帶僅受到高潮水位的影響,在高潮水位之后,其沉積物將暴露于地表的氧化環(huán)境下。在氧化環(huán)境中,粘土巖中未徹底風(fēng)化的巖屑開(kāi)始進(jìn)一步風(fēng)化。此時(shí)化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化占主導(dǎo)因素,溫暖濕潤(rùn)的氣候環(huán)境加快了風(fēng)化作用的過(guò)程;植物的生長(zhǎng)、微生物的作用加速了生物風(fēng)化的進(jìn)行。玄武巖屑風(fēng)化形成的易溶解的物質(zhì)Cl(Br、I)、S 及K+、Mg2+、Ca2+、Na+、硅質(zhì)流失。鋁、硅、鐵、鈦等富集,鐵形成黃鐵礦在泥巖中沉積,由于Al3+的不易溶性在區(qū)內(nèi)沉積。此為鋁的另一富集過(guò)程。
通過(guò)鋁的不易溶性得知,鋁只有在強(qiáng)堿(pH >10)或強(qiáng)酸(pH <4)的條件下才能溶解。在研究區(qū)內(nèi)的局部地區(qū)便可形成pH <4 的環(huán)境。溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境下,潮上帶泥坪中生長(zhǎng)大量植物,在植物的腐爛過(guò)程中形成大量的有機(jī)酸,使局部地區(qū)的pH <4。在強(qiáng)酸的環(huán)境下,部分巖屑及高嶺石粘土巖中的鋁被溶解出來(lái),在短距離搬運(yùn)之后沉積,形成鋁的另一富集方式。
在泥巖的沉積和成巖過(guò)程中,泥巖中鋁質(zhì)逐漸富集,在壓實(shí)作用下,泥巖中孔隙,孔隙水逐漸減少。隨后泥巖逐漸埋深,形成鋁土質(zhì)泥巖。
研究區(qū)內(nèi)只是形成鋁土質(zhì)泥巖,尚未形成鋁土礦。主要的原因分析如下:
1)峨眉山玄武巖風(fēng)化作用不徹底
鋁土礦石中鋁含量較高主要因?yàn)殇X的氫氧化物及氧化物含量較高,一水硬鋁石的形成需母巖的強(qiáng)烈且持久的風(fēng)化。研究區(qū)內(nèi)氣候溫暖濕潤(rùn),母巖可以經(jīng)歷強(qiáng)烈的風(fēng)化作用。但是西部峨眉山玄武巖噴發(fā)期間,或噴發(fā)之后不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),研究區(qū)內(nèi)便經(jīng)歷了晚二疊世時(shí)期的第一次海侵作用。峨眉山玄武巖風(fēng)化的碎屑物質(zhì)被地表徑流帶至研究區(qū)內(nèi)便開(kāi)始沉積,成巖。雖然泥巖沉積在潮上帶地區(qū)內(nèi)仍可以經(jīng)受風(fēng)化作用,但相對(duì)于鋁土礦的風(fēng)化時(shí)間還是較短,因而只形成了鋁含量較高的泥巖。
研究區(qū)位于貴州西部,距峨眉山玄武巖的噴發(fā)中心距離較近,玄武巖的風(fēng)化產(chǎn)物僅經(jīng)歷了短暫的搬運(yùn)之后便開(kāi)始沉積,進(jìn)一步造成母巖的風(fēng)化作用不徹底,鋁質(zhì)的富集達(dá)不到鋁土礦的要求。
2)峨眉山玄武巖的間隙性噴發(fā)
據(jù)統(tǒng)計(jì),貴州晚二疊世期間,峨眉山玄武巖噴發(fā)達(dá)30 多次,具多個(gè)噴發(fā)旋回[13]。研究區(qū)內(nèi)峨眉山玄武巖間隙性的噴發(fā),每次噴發(fā)的持續(xù)時(shí)間不一,同時(shí)其分布規(guī)律也較為復(fù)雜。噴發(fā)持續(xù)時(shí)間短導(dǎo)致物源的減少及不穩(wěn)定,經(jīng)河流搬運(yùn)至研究區(qū)的鋁含量高的風(fēng)化產(chǎn)物減少,且河流搬運(yùn)部分其他母巖的風(fēng)化產(chǎn)物,這將導(dǎo)致研究區(qū)鋁土質(zhì)泥巖厚度變薄,含雜質(zhì)較多。峨眉山玄武巖噴發(fā)的分布規(guī)律復(fù)雜同樣導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)不能形成鋁土礦。與此同時(shí),鋁土質(zhì)泥巖沉積區(qū)域內(nèi)由于受脈動(dòng)式海侵作用的影響,導(dǎo)致沉積相的不穩(wěn)定也造成鋁土質(zhì)泥巖中的鋁含量不能進(jìn)一步提高。
3)古構(gòu)造作用
鋁土礦的形成往往要經(jīng)歷抬升地表或地表附近接受進(jìn)一步的氧化淋濾。研究區(qū)內(nèi)鋁土質(zhì)泥巖在接受成巖作用后,受海退作用的影響,沉積環(huán)境向海退積,三角洲相覆蓋原過(guò)度相,使鋁土質(zhì)泥巖逐漸埋深。再次之后研究區(qū)內(nèi)并沒(méi)有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使其抬升接近地表接受氧化、淋濾,使鋁的含量進(jìn)一步富集。
本文基于鉆孔巖芯關(guān)于巖性變化的詳細(xì)描述,采集樣品的宏觀巖石學(xué)特征,結(jié)合地球化學(xué)特征及前人對(duì)于研究區(qū)相關(guān)工作、認(rèn)識(shí),對(duì)文家壩礦區(qū)沉積環(huán)境及鋁土質(zhì)泥巖成因做了詳細(xì)研究,分析得出鋁土質(zhì)泥巖物源為峨眉山玄武巖的風(fēng)化產(chǎn)物,鋁經(jīng)歷了3 個(gè)階段的富集,但最終因?yàn)槎朊忌叫鋷r的間歇性噴發(fā),噴發(fā)不徹底、不連續(xù),后續(xù)未經(jīng)歷構(gòu)造抬升作用而未能形成鋁土礦。希望通過(guò)本文的探討對(duì)貴州地區(qū)鋁土礦資源的形成條件,勘查預(yù)測(cè)工作產(chǎn)生積極意義。