晋西北兴县地区铝土矿层准沉积期古气候及其沉积环境研究

董挨管，张尚清，钟庄华，刘雪娇，刘 朔

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

1. 山西省地质调查院，山西 太原 030006；2. 河北地质大学 资源学院，河北 石家庄 050031；3. 山西省第三地质工程勘察院，山西 晋中 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

晋西北兴县地区铝土矿层准沉积期古气候及其沉积环境研究

董挨管1，张尚清2，钟庄华3，刘雪娇2，刘 朔2

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

1. 山西省地质调查院，山西 太原 030006；2. 河北地质大学 资源学院，河北 石家庄 050031；3. 山西省第三地质工程勘察院，山西 晋中 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

论文对晋西北兴县地区石炭系本溪组铝土矿钻孔中的岩心样品进行了主量元素和稀土元素分析，探讨了铝土矿成矿期兴县地区的古气候以及沉积环境。区内铝土矿样品的化学蚀变指数（CIA）在（98.61～99.88）范围之间；样品中稀土元素富集，ΣREE平均含量为4997.56×10-6，轻稀土富集，Eu、Ce异常范围分别在（0.44～0.61），（0.44～1.81）。通过地球化学的定量计算得到铝土矿中的CIA值，表明兴县地区铝土矿形成的古气候条件为化学风化作用极强的湿润气候环境。从铝土矿稀土元素的特征LREE/HREE比值和Ce异常情况显示，铝土矿形成于海陆过渡相环境。

铝土矿；古气候； 沉积环境；晋西北地区

古喀斯特型铝土矿一般多形成于热带-亚热带的炎热潮湿环境，对气候条件和堆积环境均有严格限制[1-2]。晋西北铝土矿是华北喀斯特型铝土矿的典型代表，前人对区内的铝土矿沉积古地理环境、成矿环境及成矿物质来源进行了详尽的研究[3-6]。杨振宇（1997）等人通过研究阳泉等地区的铝土矿在晚石炭期华北地台剩磁方向和古纬度特征，发现山西地区的铝土矿在中奥陶世华北地块隆起后由南纬中低纬度经过赤道向北纬中低纬度的漂移过程中形成的，因而认为低纬度的湿热环境是山西铝土矿得以形成的重要因素[7-8]。

然而对于铝土矿堆积前后沉积环境，主要是依靠古纬度、沉积相特征等一些间接的证据加以佐证。运用地球化学手段定量分析，以进一步了解晋西北兴县地区铝土矿形成古气候特征以及沉积环境。

一、区域地质背景

兴县地区铝土矿大地构造位置处于塔里木-华北板块的三级构造单元——山西地块[9]。区内矿体整体受到燕山期吕梁隆起的影响，使得地层总体呈向西倾斜的单斜构造[10-11]，倾角10°～18°，一般小于15°。区内出露地层主要有下古生界寒武系、奥陶系；上古生界石炭系、二叠系；中生界三叠系；新生界新近系、第四系；未见岩浆岩（见图1）。

兴县铝土矿赋存于石炭系本溪组中。石炭系本溪组呈平行不整合在奥陶系凹凸不平的灰岩古风化壳之上，是一套由喀斯特洼地-泻湖环境下沉积的填平补齐式铁铝岩系[4-6]。由山西式铁矿、铁矾土、铝土岩及铝土质页岩组成；太原组中上部是一套滨岸沼泽-浅海台坪交替出现的三角洲环境沉积的砂岩、页岩、煤和石灰岩组合。

图1 山西兴县地区地质构造简图

二、样品采集与测试处理

本次研究中的样品全部采集于不同钻孔中的岩心，以防止现代表生作用对矿体后期改造，从而影响古气候和沉积环境的恢复。对20件铝土矿样品进行主量元素、稀土元素分析。其中主量元素测试在山西省三水实验测试中心完成，所用仪器为日本理学公司生产的波长色散全自动X射线荧光光谱仪（ZSXPrimusⅡ型），测试方法采用固态 X 射线荧光光谱法(XRF)，分析精度优于3%；稀土元素测试在中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室完成，所用仪器为PE公司生产的电感耦合等离子质谱法(ICPMS)，分析精度优于5%。测试结果见表1、表2。

表1 兴县地区铝土矿主量元素(%)分析结果

表2 兴县地区铝土矿稀土元素(×10-6)分析结果

续表

三、地球化学特征

（一）铝土矿主量元素特征

本区铝土矿样品主要由Al2O3、SiO2、Fe2O3和TiO2组成，四者的平均总含量占到总成分的83.72%。其中Al2O3（53.67%～73.76%）含量高，平均为63.58%；SiO2（3.76%～11.25%）含量较少，平均为7.47%；Fe2O3（3.7%～20.19%）含量变化范围较大，平均为10.12%；TiO2（2.08%～3.01%）含量低且变化范围比较稳定，平均为2.55%。另外其他主量元素MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5含量低，分别为 （0.16%～0.46%）、（0.08%～0.60%）、（0.004%～0.31%）、（0.06～0.69%）。S（0.01%～0.82%）主要用来衡量铝土矿工业类型，本区铝土矿主要为低硫型矿石[12]。铝硅比值(A/S)变化较大，为5.25～18.04，说明其矿石品质不同。

铝土矿Al2O3和TiO2（r = 0.85）之间高正相关（表3），Al2O3和Fe2O3（r = -0.88）、Fe2O3与TiO2（r = -0.81）之间为高负相关。这三组具有高度相关的组合可能表明，在强风化作用下，去铁作用的同时残余的Al、Ti富集。Al2O3和TiO2最容易迁移到沉积岩中，由于其非常低的地壳上部的分配系数和存留时间，因此它们可以反应源岩的情况[13]。

表3 铝土矿主量元素相关性分析表

（二） 铝土矿稀土元素特征

本区铝土矿样品稀土总量较高，∑REE=3548.53×10-6～10281.20×10-6，平均值：4997.56×10-6；轻稀土总量较高，∑LREE=3211.33×10-6～9788.08×10-6，平均值：4634.75×10-6；重稀土总量较低，∑HREE=204.44×10-6～553.42×10-6，平均值：359.52×10-6；轻重稀土分馏程度较高，∑LREE/∑HREE=8.00～19.85。

稀土元素的含量采用球粒陨石标准值（Boynton，1984）进行标准化[14]，稀土配分模式图为向右倾斜的斜率不等的弱“V”字型曲线，说明稀土元素分馏程度不等，属轻稀土富集型。从图2中明显反映出铝土矿中稀土元素富集LREE，亏损HREE，轻稀土明显比重稀土的斜率大，Eu异常变化范围在0.44～0.61之间，具中等铕负异常。然而Ce异常变化范围大，大多数铝土矿样品显示Ce正或负异常，范围在0.44～1.81之间，具中等铈负异常—中等铈正异常说明部分铝土矿成矿物质可能受到海水影响[15]。

图2 晋西北地区本溪组铝土矿稀土元素配分型式图

四、讨论

（一）CIA对成矿古气候的指示

化学蚀变指数（Chemical Index of Alteration，简称CIA），常被用来研究物源区风化程度的判别以及沉积期古气候环境的手段之一[16-17]。该方法最早是由Nesbitt和Young（1982）基于Wedepoh（1969）对上地壳矿物构成的估计而提出的。由于岩石在化学风化过程中，Na、K、Ca等碱金属、碱土金属元素以离子形式随地表流体大量流失，导致残余的Al元素富集，所以风化产物中主成分A12O3的摩尔质量分数会随化学风化的强度而变化。据此Nesbitt等人通过CIA指数来定量的反映物源区风化程度。近年来，国内外学者将CIA指数多用于沉积物沉积时古气候环境的判别[17-19]（详见表4）。由于铝土岩本身是细粒碎屑沉积岩，其形成过程主要受到化学风化因素的影响，因此本次我们将其CIA指数应用于对铝土矿的研究。

依据对不同钻孔中岩心的20个样品主量元素数据，计算可得出研究区内铝土矿CIA指数范围为98.61～99.88，对应表4中CIA在85～100范围值之中。而如此高CIA值反应本区铝土矿形成在化学风化最强烈的条件下，说明当时古气候为极度炎热潮湿的气候条件下形成的。这种认识进一步直接证明了杨振宇等人[7-8]研究认为湿热环境是山西铝土矿得以形成的重要条件。

表4 CIA指数范围与古气候环境对应表

（二）稀土元素对沉积环境的指示

近年来国内外学者利用稀土元素特有的地球化学属性对岩石特征以及地质现象进行了合理的推断[17,22]。沉积物经历了在风化作用、沉积作用，甚至低级变质作用过程中，稀土元素的分馏和迁移基本保持不变。因此铝土矿作为一种沉积矿产，可以使用其中稀土元素的特性如LREE/HREE与δCe来推断成矿环境。

LREE/HREE全面反映REE的分馏程度，在相同或相近岩石的不同沉积相中，大陆沉积物LREE含量比海洋沉积物高，即陆相富集轻稀土LREE/HREE比值较大，而海相沉积物比值较小。有关研究表明海水沉积物LREE/HREE一般小于10，海陆过渡相LREE/HREE在10～30之间，而黄土及陆相沉积物LREE/HREE比值较大在30以上[23]。从本区20个稀土样品来看，有3个样品LREE/HREE≤10，其余样品LREE/HREE均在10～20之间，上述分析结果表明本区铝土矿形成于海陆过渡相环境。

海洋中稀土元素最明显的特点是Ce负异常[24-25]。这是由于Ce相对于其他REE的分馏从海洋中迁移出的速度较低，当Ce3+进入海水中发生水解作用，从而变成Ce4+，碱性条件下以CeO2的形式从溶液中沉淀出来，其他的REE仍然保持正三价态，并且在溶液中丢失这些REE时，其他单个REE并没有发生明显的分馏。从稀土配分模式图（图2）可以看出，海相碳酸盐岩均显示Ce负异常，而铝土矿则以Ce正异常居多。华北铝土矿在沉积阶段受到了在晚石炭世早期以太原组半沟灰岩为代表的石炭纪大规模海侵的影响[5-6]。本区铝土矿中Ce异常范围在0.44～1.81之间，所以这种正、负异常的变化也反映了海陆过渡相特点。

五、结论

通过计算晋西北兴县地区20个钻孔岩心样品的CIA指数，其范围在98.61～99.88之间，结合已有的古纬度和地磁证据，表明本区铝土矿形成的古气候条件为化学风化作用极强的湿润气候环境中。

从晋西北兴县地区铝土矿中稀土元素的配分模式图、LREE/HREE的比值情况以及Ce异常综合分析来看，区内铝土矿形成时受到了海侵作用的影响，兴县地区铝土矿形成时整体上处于海陆过渡相环境。

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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

山西省兴县测区1∶50000区域地质调查项目资助。

董挨管（1964—），男，山西临汾人，高级工程师，主要从事区域地质调查工作。张尚清（1991—），男，山西晋中人，构造地质学专业硕士研究生（通讯作者）。

（责任编辑：刘格云）