中国喀斯特型铝土矿的地质特征与成矿物源研究的思考

侯莹玲

（广东石油化工学院石油工程学院，广东 茂名 525000）

0 引言

铝土矿通常指的是由三水铝石、一水硬铝石和一水软铝石、各类黏土矿物以及含铁矿物、少量钛矿物等组成的混合物。实际生产中，铝土矿指的是达到工业品位的，由一水硬铝石、一水软铝石和三水铝石为主要矿物组成的矿石的统称。我国铝土矿的产量世界排名居第4 位，仅次于澳大利亚、几内亚、巴西，但是我国铝土矿产量只占世界总量的1/10。我国是工业制造大国，也是世界上最大的铝消耗国，但是我国铝土矿品位低，铝炼制水平相对落后，所以目前我国铝土矿半数以上依赖进口，2012—2020 年我国进口铝土矿规模呈波动上涨趋势（图1），深入认识中国铝土矿的地质特征及成矿物源，对进一步开展铝土矿勘查具有重要指示意义。

图1 2012—2020 年我国铝土矿进口规模及增速

1 铝土矿分类

由于对铝土矿进行分类时所考虑的因素不同，目前仍存在多种铝土矿的分类方案，例如，有人根据铝土矿矿体形态将铝土矿分为平伏状矿床、层间矿床及囊状矿床。有人按照成因将铝土矿分为红土型、化学沉积型、热液型和生物成因型。还有人根据下伏基岩类型将铝土矿分为产于铝硅酸盐岩之上的红土型和产于碳酸盐岩风化面之上的喀斯特型铝土矿，这也是目前应用最广泛的分类方法。杜远生等[1]提出以铝土矿沉积物等物源和沉积、成矿作用为依据的中国铝土矿床分类方案，包括原地或准原地残坡积物成因的红土型和喀斯特型，以及异地物源沉积成因的沉积型。

2 中国铝土矿的分布

我国铝土矿可分为喀斯特型、堆积型和红土型，从形成时代来看，古生代、中生代和新生代皆有铝土矿产出，其中查明资源储量超亿吨的主成矿期为晚石炭世、第四纪、早二叠世、晚二叠世和早石炭世。

总体来看，我国铝土矿在分布上具有分布范围广，储量及产地相对集中的特点，每种类型的铝土矿又具有各自分布特征（表1）。古生代形成的铝土矿基本为喀斯特型铝土矿，这也是我国最主要的铝土矿类型，占铝土矿总储量的80%以上，此类矿床的矿石为硬水铝石型，代表矿床为华北地区铝土矿、桂西铝土矿、黔中黔北铝土矿；堆积型和红土型主要形成时代为第四纪，此类矿床的矿石为三水铝石型，主要产地为海南蓬莱、福建漳浦、广东雷州半岛等热带、亚热带地区；堆积型铝土矿形成于第四纪，矿石为硬水铝石型，以桂西地区矿床最为典型，广西是少数拥有全部铝土矿类型的地区。

表1 中国铝土矿的时代及分布

3 我国喀斯特型铝土矿的地质特征

喀斯特型铝土矿是我国铝土矿的最重要的类型，与世界其他喀斯特型铝土矿一样，我国喀斯特型铝土矿也具有典型的“炭质页岩（煤）-铝-铁”结构[2-3]。煤、铝土矿、铁矿空间上紧密共生，且三者的规模和发育程度往往互为消长关系。下伏的铁质层多为杂色含铁质铝土岩、黄铁矿及菱铁矿团块，暴露地表后可风化为褐铁矿、赤铁矿等，当发育较好时，在华北地区形成“山西式铁矿”，华南地区则形成“清镇式铁矿”[4]。

华北喀斯特型铝土矿矿床规模多为大-中型，多为隐伏矿，矿石为低硫或低铁型，矿石主要为硬水铝石型，Al2O3含量为 50%~70%，铝硅比（A/S）介于 4~10[5]。

贵州喀斯特型铝土矿包括两种剖面类型[6]，分别为铁质岩-铝质岩类型和黏土岩-铝质岩类型。矿床规模以大-中型为主，矿石主要为硬水铝石型，Al2O3含量平均 45%~80%，A/S 为 4~11[5]。

桂西喀斯特型铝土矿在喀斯特洼地中经常包含两个或三个铝土矿-黏土岩旋回；在高地处只包含一个铝土矿-黏土岩旋回甚至不发育铝土矿（图2）。桂西铝土矿具有喀斯特型铝土矿和岩溶堆积型铝土矿共生的独特组合。矿床规模主要为大-中型，以地表浅部矿和部分隐伏矿为主，矿石多为高铁-硬水铝石型，Al2O3含量为 40%~60%，A/S 较高，一般为 4~15[3，5]。

图2 桂西喀斯特型铝土矿典型剖面

喀斯特型铝土矿剖面的矿物也具有明显变化规律[3]。例如，桂西那豆剖面从顶到底，石英、黏土矿物和一水铝石的含量呈此消彼长的关系，剖面上部石英和黏土矿物含量高，越接近铝土矿层，黏土矿物的总量越大，当出现一水铝石后黏土矿物和石英总量又逐渐降低。

4 成矿物源研究及思考

铝土矿物源研究是铝土矿理论研究的难点，尤其是喀斯特型铝土矿的物源问题，已有大量学者进行了相关的研究，提出可能为我国喀斯特型铝土矿提供成矿物质的岩石类型包括：基底碳酸盐岩、铁镁质岩、酸性火山岩或混合来源（表2）。

表2 中国典型喀斯特型铝土矿矿物质来源研究统计

前人研究具有如下特点：①绝大多数学者都是直接利用铝土矿为对象进行物源研究，而忽视了与铝土矿紧密共生的炭质页岩或铁质层。②研究手段相对单一，目前大多数学者对铝土矿的物源分析主要基于不活动元素，如稀土配分模式、A/S 等分析。从表2 可以看出，前人在同一个地区利用相同的手段进行研究却得出相互矛盾的结论。

以桂西地区为例，许多学者认为桂西铝土矿的成矿母岩为基底茅口组灰岩，主要是基于铝土矿和灰岩具有相似的稀土元素配分模式[15]，但是铝土矿中分离的锆石棱角分明，与灰岩中磨圆较好的锆石完全不同，这无法用茅口组灰岩假说解释。

万兵等[16]提出桂西喀斯特型铝土矿的主要成矿物质来源于附近古陆，主要依据是铝土矿矿床围绕古陆周缘分布，且其与古陆上的各类岩石的混合风化产物的铝、硅、铁、钛氧化物特征相似。他认为茅口灰岩中Al2O3平均含量为0.245%，东吴运动引起的短暂的沉积间断不足以使茅口组灰岩风化形成规模巨大的铝土矿。但是，李普涛等[19]在对桂西地区岩相古地理与构造演化分析后提出，在晚二叠世铝土矿成矿期间，桂西地区的古陆实际都被巨厚灰岩覆盖，所谓“古陆说”与“基底说”的观点并无本质区别。

为何铝土矿地球化学在物源示踪时存在多解性和局限性？铝土矿的成矿过程，本身就是岩石红土化（或钙红土化）的过程，在此过程中，K、Na、Ca 等活动元素被淋滤迁移出风化壳，而稀土元素（rare earth element, REE）、Al、Fe、Ti 等不活动元素则随风化红土原地残留并逐渐富集。但是喀斯特型铝土矿的成矿过程是长期剥蚀、风化、搬运和沉积等地表作用的综合，这一过程甚至可能有有机质和微生物的介入[20]，传统的不活动元素可能发生迁移。余文超[12]研究发现，Si 在成矿过程中呈现丢失的行为；Al 在碎屑状、疏松状、豆鲕状矿石中均呈现出迁出的特征，而在致密状铝土矿中却呈现迁入的现象；Fe 在横向变化中均表现出不同的特征。所以，利用不活动元素进行铝土矿的源区示踪存在多解性和局限性，这可能也是前人在桂西铝土矿的物源研究中获得相互矛盾结论的原因之一。

随着同位素年代学向微区高精度方向发展，锆石U-Pb 年代学及原位Hf-O 同位素研究也应用到了喀斯特型铝土矿的物源研究。在铝土矿的复杂成矿过程中，碎屑锆石可继承源区的大量信息。但是碎屑锆石年代学数据所反映的物源信息也存在一定局限性。由于碎屑锆石会优先反映具有大量锆石的物源提供者，如中-酸性岩浆岩、火山灰等，但是无法反映玄武岩、泥灰岩等缺乏锆石物源提供者的信息。这就需要结合区域地质背景，尤其是Nd 同位素对物源信息加以综合判别。

另外，直接利用地球化学对遭受了强烈化学反应的铝土矿源区进行示踪难度太大，结论的客观性和可靠性差。因此，有人提出利用铝土矿共生的碎屑岩进行物源研究[3]。但是在喀斯特型铝土矿的形成中，铝土矿和碎屑岩的沉积环境发生变化[12]，包括沉积水深、水动力等，二者的物源是否完全一致还需研究，而二者关系的判别也需要元素地球化学及同位素年代学的研究。

铝土矿是岩石极端风化条件下的产物，化学风化的强度也影响着元素的性质，从而影响着源区性质的判定。选择风化程度较低的样品进行铝土矿的物源示踪研究，将获得更多有用的信息，所以判断含铝碎屑岩系的化学风化程度也非常关键。目前有如下几种化学风化指标：硅钛指数、威格特残积指数、硅铝比、风化指数、化学风化指数、化学蚀变指数（CIA）等。CIA 是目前最常用的衡量化学风化程度的指数，它能为如何合理地选择样品进行物源研究提供一个有用的参考标准。

喀斯特型铝土矿的物源示踪，归根结底是沉积物源研究。不管在沉积前还是沉积后，沉积物都会受到不同程度的地质改造，加上沉积物源的多样性以及各种分析测试方法的局限性，这些因素决定仅用单一分析手段进行物源判别。因此，综合岩相学、矿床学、地球化学和同位素年代学等多学科研究，可能会取得更好的源区示踪效果。

5 结语

本文从铝土矿矿床分类、矿床分布、铝土矿的矿床内部结构及矿体层序阐释了我国铝土矿的地质特征，对我国喀斯特型铝土矿物源研究的进展进行综述，主要有以下两个结论。

（1）我国铝土矿主要包括喀斯特型和红土型两种类型的铝土矿，其中以喀斯特型铝土矿为主。喀斯特型铝土矿主要为硬水铝石型，具有典型的“炭质页岩（煤）-铝-铁”结构。

（2）由于喀斯特型铝土矿成因的复杂性，各地矿床的成矿物质都有多种观点，主要包括：基底碳酸盐岩、铁镁质岩石、酸性火山岩或者混合来源。本文认为用单一的不活动性元素、稀土元素的对比分析并不能有效解决喀斯特型铝土矿的物源争议，综合岩相学、矿床学、地球化学和同位素年代学等多学科研究，可能会取得更好的源区示踪效果。