广西靖西三合沉积铝土矿成矿环境研究

韦 访，周 辉，李活松，蒙家锋，覃良朝，黄光琼

(1.广西壮族自治区地质调查院， 广西 南宁 5300023；2.南宁学院，广西 南宁 530299 )

1 引言

桂西沉积型铝土矿床主要分布于广西西部地区的百色市，包括平果、靖西-田东-田阳和那坡三个主要成矿区。桂西铝土矿研究大致可分为两个阶段，第一阶段为20世纪80—90年代，对桂西铝土矿的研究较多集中在堆积型矿床方面，仅有刘长岭(1989，1991)、廖士范(1986，1986，1994，1998)、李启津(1981，1984，1987，1996)等少数学者对桂西沉积型铝土矿床类型和矿物特征做了初步论述与探索研究。第二阶段为21世纪以来，较多学者从微量、稀土地球化学特征(王力 等，2004；张启连 等，2020；俞缙 等，2009；王岩 等，2015；林宇 等，2014)、矿床成因(王庆飞 等，2012；李普涛，2014)物质来源(王文鹏，2016；乔龙，2016；余文超，2017)及沉积环境(张启连 等，2016)、矿物锆石年龄测定等方面研究了沉积铝土矿地质特征与沉积成矿模式。纵观桂西整个铝土矿研究可见几点不足之处：1.研究矿床的局限性和代表性不足，多数学者均集中于平果地区铝土矿床的研究，较少涉及桂西地区其他矿床(点)的研究；2.沉积铝土矿成矿物质来源、沉积环境等重大问题仍存在争议与分歧；3.矿石矿物的研究多以堆积铝土矿石为主，缺乏原生沉积铝土矿矿石矿物的微观观察与研究。本文试图从沉积铝土矿矿物微观特征与微量元素地球化学特征探讨其对成矿环境的约束作用，以期对本区的沉积铝土矿勘查起到一定的指导作用，同时进一步丰富完善桂西铝土矿成矿理论。

2 研究区地质特征

研究区区域上位于华南准地台右江再生地槽靖西-田东隆起区西部，新圩向斜的南西翼-四定向斜的北东端。成矿区带上位于滨太平洋成矿域南华成矿亚省桂西-黔西南-滇东南北部(右江地槽)Au-Sb-Hg-Ag-Mn-Al-Sn-Cu-Ti-Te-稀土-煤-石油-水晶成矿带之大新-武鸣 Sn-Cu-Pb-Zn-Mn-Al-煤成矿区内。区域地层出露有寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系及第四系，区域内褶皱、断裂构造发育，构造变形较为复杂。褶皱构造控制铝土矿的分布，断裂构造对铝土矿床影响较大。褶皱构造主要表现为三个向斜构造，为必窿向斜、三东向斜、坡塘向斜，断裂构造以北西向与近东西向、北东向为主，次级小断层较发育(图1)。

图1 靖西三合地区地质简图Fig.1 Geological sketch map of Sanhe town of Jingxi county1—马坪组；2—栖霞组；3—茅口组；4—合山组；5—马脚岭组；6—地质界线；7—断裂及编号；8—原生矿矿体露头；9—采样点

3 含矿岩系与矿石矿物特征

通常将含某种矿物或矿石的地层称为“含矿岩系”或“含矿建造”，本区含矿岩系为合山组，具有“铁-铝-泥-灰”的特点，即合山组与茅口组从不整合界面往上可细分为8个岩性段：

②褐黄色、褐红色中-薄层状铁铝质泥岩，该层泥质含量较高，铝硅比大多未达到工业矿石标准(图2a、b)。

图2 含矿岩系矿石矿物特征Fig.2 Mineral characteristics of ore-bearing rock seriesa—含矿层序(三东矿段)；b—沉积铝土矿露头点(必隆矿段)；c—铝土矿矿及上部岩性特征(坡塘矿段)；d—铝土矿中豆鲕粒及黄铁矿团块；e—鲕粒结构特征(镜下)；f—矿石中变余火山物质(碎屑铝土矿)；g—水硬铝石与凝胶共生交代作用(块状铝土矿)

李普涛 等(2008、2009)采用光薄片观测、粉晶衍射、电子探针及电镜扫描等多种方法分析堆积铝土矿主要由铝矿物(硬水铝石、软水铝石、三水铝石)、粘土矿物(高岭石、鲕绿泥石)、铁类矿物(褐铁矿或针铁矿、赤铁矿)、钛矿物(锐钛矿或者金红石)和石英等矿物组成。本文发现本区沉积铝土矿矿物除上处矿物之外，还存在沸石和铁凝胶(陈群等，2019)。

①硬水铝石：硬水铝石的分子式和结构式分别为：Al2O3·H2O 或者 AlO(OH)，它是最主要的铝矿物和矿石矿物，也是高压拜尔法生产过程中能被利用的矿物，该矿物含量的多少直接决 定了矿石的开发利用价值。在显微镜下，该矿物呈灰白、灰、浅黄色，晶形以他形粒状或纤维状及细小柱状为主，解理十分发育，常呈板状、叶片状、鳞片状、针状、柱状，晶粒一般大于 0.001mm，但大多小于 0.3 mm(图3a)。

⑤针铁矿化学式为 FeOOH，标准情况下Fe占62.9%，O占27%，H2O 占10.1%。有时含混入物锰(可达5%)、铝等。在外观上呈褐色、灰黑色、黄褐色等，透光显微镜下呈红色、褐红色、橙色或黄褐色，晶体呈针状、纤维状或叶片状，有时可见豆状、鲕状、粒末状等集合体(图3d)。

图3 三合铝土矿石矿物特征Fig.3 Mineral characteristics of bauxite ores in Sanhe

4 采样与测试方法

本文对靖西三合沉积铝土矿层进行了较系统采样，采集岩(矿)层剖面3处，涵盖矿区三个矿段，涉及矿层不同矿石类型(块状铝土矿与碎屑状铝土矿)和含矿岩系上下顶底板，具有一定的代表性，采样信息和位置见(表1、图4)。

图4 采样剖面柱状对比图Fig.4 Columnar comparison diagram of the sampling section1—砾石；2—泥灰岩；3—灰岩；4—泥岩；5—炭质泥岩(煤)；6—铝土质泥岩；7—碎屑状铝土矿石；8—块状铝土矿石；9—铁质铝土质泥岩

表1 样品信息表Table 1 Information of samples

表2 靖西三合沉积铝土矿常量元素分析结果(%)①Table 2 Analytical results of the major element composition(%)of sedimentary bauxite mine in Sanhe town of Jingxi county(%)

表3 靖西三合沉积铝土矿微量元素分析结果(×10-6)②Table 3 Analytical results of trace elements compositions(x10-6)of sedimentary bauxite in Sanhe town of Jingxi county(×10-6)

5 微量元素特征

铝土矿中的微量元素是一组具有特殊地球化学属性的指示性元素，对研究矿物成矿环境具有较好的效果(王岩 等，2015；赵晓东 等，2021)。

从微量元素原始地幔标准蛛网图(图5a、b)来看，三合矿区微量元素中高场能亲石元素Ba相对亏损，Th、U明显富集，Ta、Nb相对富集，高能元素Zr、Hf亦相对富集，La相对亏损，Sr、Ti亏损最为强烈，底板铁质铝土质泥岩蛛网图形态与铝土矿基本相同，顶板铝土质泥灰岩蛛网图形态差异较大，表现为Ta、Nb、Zr、Hf相对亏损，Ti强烈亏损。邻区德保、新圩矿区沉积铝土矿蛛网图形态与之基本相同，仅平果地区沉积铝土矿表现为Ti的相对富集，表明本区沉积铝土矿具有相同的沉积环境。

图5 靖西三合及邻区沉积铝土矿微量元素原始地幔标准蛛网图(标准化数值用SunSS，McDonoughW F，1989)Fig.5 Primitive mantle-normalized trace element spider diagram of sedimentary bauxite mine in Sanhe town and the adjacent area

6 成矿环境分析与讨论

6.1 含矿岩系剖面结构及岩性证据

从前述含矿岩系剖面结构与岩性特征可见，本区合山组自下而上，岩性由泥岩(铁铝质泥岩)→铁铝岩→铝土矿→炭质泥岩(煤)→灰岩，即“铁-铝-泥-灰”的特征，沉积环境具有从陆相到海相的转变。

6.2 矿物特征证据

目前，硬水铝石的成因主要有变质成因和表生成因两种观点。实验研究表明：在较高温度(200℃)和较大压强(100个大气压以上)的条件下，Al3+可直接结晶形成硬水铝石或经由三水铝石脱水形成硬水铝石(布申斯基，1984)，变质成因的硬水铝石具有晶型完整、粗大，矿石矿物较为纯净的特点(图3a)，沸石主要形成于低温热液阶段，其它一些特征矿物如(鲕)绿泥石、黄铁矿等矿物与硬水铝石的共生组合亦表明了成矿过程中发生了变质作用。曹信禹(1986)对桂西平果沉积型铝土矿研究，发现硬水铝石同高岭石矿物的交代，表明了硬水铝石的风化成因。三合矿石鲕粒中普遍存在硬水铝石与粘土矿物集合体(图2e)，同时铁凝胶与硬水铝石共生交代作用(图2g)进一步表明了硬水铝石为陆相风化淋滤产物。对于铝土矿中鲕豆粒的成因，国内外尚无统一认识，目前普遍被人们所接受的有胶体化学成因说、红土堆积成因说和古风化壳铝土矿成因说等。三合矿石中，鲕粒中存在铁质圈层和铝土质同心圈层，圈层多不规则，呈断续状，宽窄不一，这些特征显示原始鲕豆粒的形成与胶体化学沉淀作用有关；而在鲕粒中出现的龟裂纹(图3d)通常为外界的机械破碎或胶体颗粒脱水干燥所致。

6.3 微量元素地球化学特征证据

表4 沉积型铝土矿特征元素分析结果③Table 4 Analysis results of characteristic elements of sedimentary bauxite deposit

图6 三合沉积铝土矿Tu-U图解Fig.6 Tu-U diagram of sedimentary bauxite in Sanhe town of Jingxi county

表5 沉积环境的微量元素指标(俞缙 等，2009；张启连 等，2016；张明 等，2018；赵晓东 等，2021)Table 5 Rare element indicators of sedimentary environments(after Yu Jinetal，et al.，2009；Zhang Qilian，et al.，2016；Zhang Ming，et al.，2018；Zhao Xiaodong，et al，.2021)

图7 三合沉积铝土矿V/Zr-Zr/Cu 沉积环境二元判别图(修改自Maslov et al.，2011)Fig.7 V/Zr-Zr/Cu discriminant plot for sedimentary environments of sedimentary bauxite in Sanhe town of Jingxi county(modified after Maslov et al.，2011)

7 结论

(1)靖西三合地区沉积铝土矿含矿岩系自下而上岩性由泥岩(铁铝质泥岩)→铁铝岩→铝土矿→炭质泥岩(煤)→灰岩，具有“铁-铝-泥-灰”的特征，沉积环境由陆相到海相的转变。

(2)铝土矿石鲕粒与基质中大量存在的硬水铝石与粘土矿物集合表明了硬水铝石主要为风化成因；铁凝胶与硬水铝石共生交代作用进一步佐证硬水铝石为陆相风化淋滤产物。但沸石(鲕)绿泥石、黄铁矿等与硬水铝石的共生组合矿物表明了铝土矿成矿过程中发生了变质作用，部分硬水铝石可能来自变质成因。

(3)Be、Th及U微量元素分析显示铝土矿为红土化作用的结果，成矿物质来源即有原地残积亦有异地沉积，底板铁质铝土质泥岩为强烈红土化产物，顶板铝土质泥灰岩为还原环境下的产物。

(4)Ga、Sr、Ba微量元素与Sr/Ba、Rb/K、V/Zr、Zr/Cu比值分析表明原生铝土矿和底板铁质铝土质泥岩沉积环境为陆相，顶板铝土质泥灰岩更多表现为海相沉积。