贵州省沉积型铝土矿“移硅沉铁富铝”成矿模式探讨

杨 涛，黄 波，2，朱和书，马力克

(1.贵州理工学院 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550003；2.贵州有色金属和核工业地质勘查局物化探总队，贵州 都匀 558000；3.贵州省地质资料馆，贵州 贵阳 550000)

0 引言

铝土矿是贵州省的优势矿种之一，其资源丰富、矿石质量好、分布广泛、矿床规模大。截至2018年，贵州省铝土矿矿产地为136处，已查明资源储量矿区69个，其中超大型4个，大型矿区4个，中型矿区17个，小型矿区44个；累计查明资源储量10.4亿吨，全国排名第三(资料来源：贵州省自然资源厅2019年7月2日公布)。贵州省铝土矿分布相对集中，沉积型是其主要的矿床类型，深入其成矿规律和资源潜力，科学指导深部找矿，制定资源开发战略等具重要意义。

1 矿床类型

根据《铝土矿、冶镁菱镁矿地质勘查规范》(DZ/T 0200-2002)[1]，铝土矿矿床类型分为沉积型、堆积型和红土型，贵州铝土矿以沉积型为主，少见堆积型，目前未见有红土型矿床[2-3]。沉积型根据侵蚀面的不同，分为两个亚类，即产于碳酸盐岩侵蚀面和产于碎屑岩侵蚀面上的矿床(表1)。

2 矿床特征

2.1 矿床特征

2.1.1 空间分布

根据前人对贵州铝土矿研究成果[2-4]，划分了4个成矿区带(矿集区)：黔北的务(川)—正(安)—道(真)矿集区、黔东的凯里—黄平矿集区、黔中的遵义—息烽矿集区和清镇—修文矿集区(图1)。

2.1.2 矿床特征

贵州省重要的4个成矿区带(矿集区)上铝土矿主要特征见表2。

表1 贵州沉积型和堆积型铝土矿基本特点Table 1 Basic characteristics of sedimentary and accumulative bauxite deposits in Guizhou

图1 贵州铝土矿床(矿点)及矿集区(带)分布示意图(据杨涛等，2020)Fig.1 Distribution sketch map of bauxite deposits and ore concentration areas in Guizhou[2]1—矿集区范围及编号(Ⅰ—务—正—道矿集区 Ⅱ—遵义—息烽矿集区 Ⅲ—清镇—修文矿集区 Ⅳ—凯里—黄平矿集区) 2—超大型矿床 3—大型矿床 4—中型矿床 5—小型矿床 6—矿点

2.2 典型矿床

贵州铝土矿主要集中于4个矿集区的黔中清镇—修文矿集区和黔北务—正—道矿集区[2-4]，笔者选取了清镇猫场超大型铝土矿和务川瓦厂坪大型铝土矿为典型矿床代表。

表2 贵州省铝土矿床特征Table 2 Bauxite deposit characteristics in Guizhou

1)清镇猫场超大型铝土矿矿床

矿区位于清镇市北西约20 km处，黔北隆起区之织金穹盆构造变形区，NE向与SN向构造交接部位；出露地层主要为古生代—中生代碳酸盐岩-碎屑岩建造，地层产状平缓，褶皱和断裂发育，三岔河断裂褶皱带大威岭背斜的北西部。含矿岩系主要为下石炭统九架炉组(C1jj)，下伏地层为寒武系娄山关组白云岩，上覆地层为下石炭统摆佐组白云岩，含矿岩系一般自上而下分为三段(表3)，上段为铝土矿主要产出层位，主要为铝土矿(岩)、黏土岩及碳质黏土岩，常为(半)土状、碎屑状及致密状铝土矿组合，厚0.3～25 m，一般厚5～8 m；中段为致密状高铁铝土矿和少量铁质黏土岩-铁绿泥石，厚0～17 m，一般厚1～3 m；下段为铁矿系，有铁质黏土岩—致密状赤铁矿，厚0～11 m，一般厚1～3 m，可构成具工业价值的铁矿层。

矿床由5个矿体组成，最大矿体东西长约4.5 km，南北宽0.5～2.5 km，呈似层状产出，一般为单层，局部主矿层上下部有小透镜矿体产出，形态受基底古岩溶地貌制约，厚度也相应变化；主要为(半)土状、碎屑状及致密状，其次为豆鲕状。致密状具致密块状结构、细微碎结构；碎屑状主要为砂(砾)屑结构，次棱角—次圆状，块状构造；土状结构疏松，具隐晶质结构、土状结构，块状构造。矿物组分为土状—半土状：主要成分为隐晶质一水硬铝石及少量高岭石、水云母、黄铁矿等；碎屑状主要为一水硬铝石，碎屑颗粒间充填物也为一水硬铝石，其次少量高岭石、水云母等；致密状主要为一水硬铝石及少量高岭石、水云母、黄铁矿、菱铁矿等。矿床为古岩溶湖泊相沉积，由湖岸到湖心具滨湖相、浅湖相和深湖相环带特征，纵向上自下而上为赤铁矿-绿泥石黏土岩相-菱铁矿质-铝土矿相的沉积序列，含矿岩系厚度越大则矿层越厚。

表3 清镇猫场铝土矿特征Table 3 Characteristics of Maochang bauxite deposit in Qingzhen

2)务川瓦厂坪大型铝土矿床

矿区位于务川县城北部偏东约44 km，为黔北隆起区之凤冈SN向隔槽式褶皱变形区，属NNE向务川—正安—道真成矿带的栗园—鹿池向斜内。出露地层主要有志留系、石炭系、二叠系、三叠系碳酸盐岩-碎屑岩建造。构造简单，褶皱主要为鹿池向斜，断裂构造主要为NE向贯穿矿区的岩风阡断裂，倾向NW，倾角较陡的正断层，对矿体具破坏性。含矿岩系为中二叠统梁山组，上覆地层为中二叠统栖霞组灰岩，下伏地层为上石炭统黄龙组灰岩或下志留统韩家店组泥岩、砂页岩。含矿岩系下部为黏土岩、黄铁矿、含铁绿泥石岩，偶夹赤铁矿或菱铁矿透镜体；中部为主要含矿岩系，多为致密块状、半土状、碎屑状、豆鲕状铝土矿及铝土质页岩；上部为碳(钙)质页岩等黏土岩，厚0～13 m。

矿体露头沿鹿池向斜向NE呈“U”型逐渐分开，南西端收缩，宽1.5～3 km，产状与地层基本一致，呈层状、似层状，常见一层矿，由于岩风阡断层的错断，矿区分为东西两个矿段。东矿段为向斜东翼，露头长4.2 km，厚0～3.9 m，平均厚2.4 m，矿石中w(Al2O3)为57.4%～77.3%，多数大于70%，Al/Si比值为3～46，多大于10。西矿段分布于向斜西翼，露头长4km，呈层状产出，产状与围岩一致，连续性较好，厚0.5～1.9 m，平均厚1.5 m，w(Al2O3)平均为63.9%、w(Fe2O3)=5.2%，w(SiO2)=8.8%，Al/Si比值为7.3。矿石组成以含铝矿物为主，其次为少量高岭石、水云母和含铁绿泥石等，含铝矿物主要一水硬铝石、一水软铝石、三水铝石及胶铝石。矿石由泥晶基质和粒屑对应结构：复粒屑结构及重结晶结构；构造以土状、半土状及碎屑状为主，其次为豆状、鲕状。

3 成因机制

3.1 铝质的初步富集—红土化风化壳

广西运动末期—海西期运动，贵州地壳由海相向陆内造山发展，使黔东—黔中—黔北地区整体隆升，形成了晚志留—石炭世的风化剥蚀期，湿热的低纬度环境促进了地表岩石接受广泛的风化剥蚀，淋滤出易迁元素，残留了以硅铝铁氧化物含量占80%±的红土化风化壳(表4、表5)，使铝质得到初步富集，要转化为铝土矿，必须有使硅铁质降低含量而铝质增加的重要“移硅沉铁富铝”的元素迁移和富集过程。

3.2 前人“移硅沉铁富铝”实验及相关认识

腐殖酸是广泛存在自然界中具弱酸—还原性的复杂有机酸，陈覆安(2011)[6]通过对风化壳阶段样品(表5、表6)在碳酸—腐殖酸下进行实验(用蒸馏水通CO2与腐殖酸配制，温度在23°C±3°C下进行，pH用稀HCl和稀NaOH控制，岩样用1.0 g于50 mL烧杯中，搅拌，浸泡，放置一定时间后测试)。

表4 红土化风化壳的化学成分Table 4 Chemical composition of laterite-type weathering crust

表5 实验岩样中主要矿物组成Table 5 Main mineral composition of experimental rock samples

1)首先对风化母岩(Al-1和Al-2)、风化高岭石黏土岩(Al-3)及铝铁岩(Al-4)进行实验，在不同浓度的腐殖酸(10 mg/50 mL、25 mg/50 mL及50 mg/50 mL)中迁移实验得出：腐殖酸浓度越高对Si、Fe迁移能力越强。

2)不同pH值条件下的铝硅铁迁移试验(表6)表明：① 在碳酸-腐殖酸水体中Si、Fe迁移活性明显大于Al的活性，从而利于Si、Fe迁移；② 在偏酸—还原性条件下，Si、Fe迁移分异明显，即偏酸性条件下Si迁移作用较强，而Fe迁移则偏向于中性水体，表明腐殖酸在铝土矿形成过程中的积极作用。

表6 碳酸-腐殖酸体系中不同pH值下岩样中Al2O3、SiO2和Fe2O3迁移实验Table 6 Migration experiment of Al2O3， SiO2 and Fe2O3 of rock samples under different pH values in carbonic acid and humic acid system

3)腐殖酸对成矿母岩中Al的胶溶和护胶作用试验(表7)：① 上清液为真溶液或胶体溶液，加酸处理后明显增高，促进了Al(OH)3胶体的溶解和Al3+的释放；② 搅拌后的上层清液中Al2O3高得多，显示了腐殖酸对铝土母岩中铝的溶胶和护胶作用，而未溶解的铁质因比重较大，先沉淀于底部。

总之，具弱酸—还原性的腐殖酸在沼泽环境中促进SiO2、Fe2+、Fe3+、Al3+离子的溶解和迁移，对铝土矿中的铝质重溶、迁移、沉淀和胶状铝土矿的形成具重要作用，使红土化风化壳(红矿)变白富铝(白矿)的过程，促进“移硅沉铁富铝” 的元素迁移与富集，从而形成铝土矿。

3.3 成因机制

贵州铝土矿以沉积型为主，前人对成因机制研究较多[2-8]，主要以刘幼平等[3]为代表提出的红土化风化、迁移就位及表生富集三个阶段；金中国等[7-8]认为铝土矿的形成是一个脱硅、去铁、降硫及富铝过程。

区内矿石类型多为土状—半土状、碎屑状及致密块状，表明经过了风化、搬运及沉积过程；赋矿岩系为晚古生代中晚期地层，古地理环境为黔中、黔东和黔北泻湖盆(湾)中富含生物的弱酸—还原沉积环境[2-9]，是广西运动末期—海西运动的抬升，地表岩石接受风化剥蚀，残留了以铝硅铁氧化物为主的红土化风化壳，经流水搬运到泻湖盆(湾)等沉积背景中经过“移硅沉铁富铝”的元素迁移与富集过程[2]，使铝进一步富集于下石炭统九架炉组—中下二叠统大竹园组、梁山组中形成铝土矿。

表7 浸泡20天后用不同方法处理后测定的Al2O3含量Table 7 Determination of Al2O3 content after 20 days of soaking with different treatment methods

4 讨论

1)铝是地壳中最丰富的金属元素之一，成为主要的造岩矿物而广泛分布于多种岩石中[10]，在特定条件下因出露地表接受风化剥蚀，淋滤出易迁元素，残留了以铝硅铁氧化物约占80%的红土化风化壳，是铝土矿形成的前提，要转化为铝土矿，其“硅铁”氧化物要降到10%±、而Al2O3富集到60%±的常规铝土矿；从理论上将Si、Fe完全移(沉)出，w(Al2O3)也不超过80%，而矿层中有的高达90%[3]，与常见的胶状铝土矿对应的富铝过程，因此“移硅沉铁富铝”是从红土化风化壳转化为铝土矿的关键。

2)广西运动末期—海西运动的陆内造山发展(表8)，晚古生代早期的贵州地处南北纬度0°～10°之间潮湿多雨的热带气候条件下[2-9]，植被发育，生物繁盛，使早古生代—晚古生代早期地层接受风化剥蚀，淋滤出易迁元素，残留以铝硅铁氧化物为主的红土化风化壳，铝质得到初步富集。经流水搬运集中于富含古生物沉积的泻湖盆(湾)中弱酸—还原性环境，由于晚古生代早中期陆内造山背景下的地壳较稳定，形成了黔中—黔东—黔北地区大范围冲积平原亚相、冲积扇亚相、滨浅湖亚相及沼泽亚相环境下的厚层—巨厚层连续沉积层[2-12，14]，为中大型—超大型矿集区的形成提供了有利条件。

3)在完整的铝土矿垂直剖面，顶部常为劣质煤或灰黑色碳(钙)质页岩类，铝土矿多产于中上部，向下则向铁矿系过渡，多为赤铁矿、菱铁矿、含铁绿泥石-富铁黏土岩等，表明生物沉积及湿热弱酸—还原性环境；与余文超等[13]、杜远生等[15]根据铝土矿层古生物特征确定为偏酸—还原性环境对应。盛章琪等[16]、席善峰等[17]在常见矿层中生物碎屑(如角质层、丝状体、根系等)和碎屑矿物(如云母、长石及鲕粒等)被一水硬铝石交代，中上部颜色变浅(“白化”)，铁质则下沉于矿层下部并向紫红—褐红色转化(“红化”，如清镇长冲铝土矿底部铁矿层中w(TFe)=51%～64%[2-3]，使红土化风化壳中氧化铁从20%±富集了3倍)，也是沉积型较堆积型中铁含量低原因 [ 堆积型w(Fe2O3)=16%～25%，与表1和表4中红土对应，缺少了“沉铁”作用 ]，表明丰富的生物沉积与弱酸—还原性环境对“移硅沉铁富铝”的重要作用。

表8 贵州省晚古生代—新生代构造相和主要成矿作用Table 8 Late Paleozoic-Cenozoic tectonic lithoface and the main mineralization in Guizhou

4)原地残留的富铝古风化壳，形成堆积型矿床，此类矿床在贵州铝土矿中少得多，规模也较小。因此在泻湖海盆中经过“移硅沉铁富铝”后形成的沉积型是主要矿床类型，规模也比堆积型大得多。

5)铝土矿的形成经过了漫长过程，从下伏地层的寒武系到上覆的中二叠统(或下石炭统)，大致经历了150～200 Ma[2-3]，使“移硅沉铁富铝”的元素迁移与富集较彻底，赋矿地层主要为下石炭统九架炉组和中下二叠统大竹园组、梁山组，早石炭世—早中二叠世是铝土矿床形成的特定时期。

6)从红土化风化壳转变为铝土矿，关键在于富含生物的弱酸—还原性沉积环境中进行“移硅沉铁富铝”的元素迁移与富集，并在泻湖盆(湾)等最为集中，为形成大型—超大型矿集区提供了有利条件。在洋陆转换海相背景下的新元古代—早古生代不利于红土化风化壳形成[2-9]；中晚二叠世大规模峨眉山玄武岩喷发(从贵州西部到东部的瓮安—都匀残留玄武岩来看，喷发范围约10万km2)到三叠系广泛海相沉积是红土化风化壳的间断期[2-12]；燕山—喜山运动，转化为隆升背景下的前陆盆地—磨拉石盆地—山间盆地环境(表8)，改变利于铝土矿的成矿背景；虽然地壳抬升而接受剥蚀形成风化壳，仅为初步富铝的红土化过程，但没有经过关键的“移硅沉铁富铝”过程，不再形成大规模铝土矿。

7)铝土矿的形成过程中也富集了不易迁移的镓(Ga)、钪(Sc)、锂(Li)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)及钨(W)等元素[2，3，8，19]，如w(Ga)可达0.01%±，w(LiO2)最高达0.58%(边界品位为0.5%)，w(W2O3)最高达0.33%(边界品位为0.12%)[19]，成为有用伴生元素，尤其在中大型以上矿床中值得评价可能存在的稀有、稀散等有用元素，提高综合利用价值。

5 结语

1)地表岩石接受风化剥蚀产生以铝硅铁氧化物为主的红土化风化壳是铝土矿形成的前提，要形成大型—超大型矿床，还须经过关键的富含生物弱酸—还原性沉积环境中进行Si、Fe和Al元素的迁移与富集，即“移硅沉铁富铝”过程，促进Si移出和Fe下沉矿层底部，使铝质进一步得到富集形成铝土矿。

2)广西运动末期—海西运动使贵州地壳向陆内造山发展，使早期地层接受风化剥蚀，在湿热的低纬度环境中产生红土化风化壳，是铝土矿形成的前提条件；经过流水搬运集中于黔中、黔东及黔北泻湖盆(湾)中富含生物沉积的弱酸—还原性环境中进行关键“移硅沉铁富铝”的元素迁移与富集过程，由于晚古生代早中期背景下的地壳稳定，形成了厚层—巨厚层富铝的连续沉积层，造就了贵州重要的中大型—超大型矿集区。

3)贵州铝土矿大多数属于沉积型矿床，主要产于下石炭统九架炉组—中下二叠统大竹园组、梁山组中，早石炭—早中二叠世是铝土矿形成的特定时期。因此，晚古生代中晚期地层中还可能存在隐伏铝土矿，还可能存在新的大型—超大型矿集区，在全国范围内更可能存在相近条件下大规模铝土矿矿集区。