豫西偃龙地区本溪组含铝岩系的原岩恢复及其地质意义

刘恩法,曹高社,邢舟,孙凤余,杜欣,周红春,陈永才

(1.河南省地质矿产勘查开发局 第四地质勘查院，河南 郑州 450001；2.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

上石炭统-下二叠统本溪组含铝岩系是华北陆块长时期沉积间断后再次沉积的最底部地层，与下伏寒武系或奥陶系碳酸盐岩地层呈平行不整合接触[1]。本溪组含铝岩系的物源区一直是学者们关注的重点，早期多认为“近源”基底碳酸盐岩是其来源[2-3]，或附近“古陆”的铝硅酸盐[4]，或两者的混合[5]。LA-ICP-MS微区分析技术用于碎屑锆石U-Pb同位素定年后，学者们对本溪组含铝岩系的物源区有了重要认识[6-12]：北部内蒙古隆起和南侧北秦岭造山带是本溪组含铝岩系的主要物源区；不同物源区对不同地区含铝岩系的物源贡献差异较大。

物源区的物质如何搬运到沉积区，不同学者有不同见解。基于本溪组含铝岩系的物源区相对较远，部分学者认为本溪组含铝岩系形成过程中存在两个时期：含铝岩系形成前，岩石在北秦岭造山带或内蒙古隆起产生化学风化，形成红土化物质;海平面上升期，将分布于物源区的红土化物质搬运至沉积盆地中，形成含铝岩系[13]。碎屑物质经历长距离迁移后，不可能仅沉积黏土颗粒，更应沉积具有一定成分成熟度和结构成熟度的碎屑物，这一事实已在华北陆块北部本溪组沉积中表现的非常明显[14]。LIU J等[7]认为本溪组含铝岩系中的碎屑物主要是风力搬运的，但碎屑锆石揭示的颗粒粒径远大于20 μm[8-11]，而粒径20 μm以上的颗粒在空气中悬浮的时间很短，难以长距离搬运[15]。

含铝岩系是一种特殊的沉积建造，可能由原岩不同程度降解形成[16-17]，降解过程会强烈改造原岩的矿物成分和结构构造，因此，揭示本溪组的沉积和构造环境等地质信息，对含铝岩系的原岩恢复非常必要。但这方面的研究不多，不仅影响了本溪组含铝岩系形成机理的研究，也影响了该时期沉积环境、沉积物搬运方式等的研究。

本文以华北陆块南部豫西偃龙地区ZK0008钻孔为研究对象，系统采集本溪组含铝岩系样品，依据土壤化学基本原理，利用多种测试方法分析本溪组含铝岩系矿物成因及矿物垂向变化的原因，进而恢复原岩并讨论其地质意义。

1 地质背景与研究方法

偃(师)龙(门)地区位于华北板块南部(图1(a))，该区本溪组含铝岩系富集高品位的铝土矿[17]，下伏地层为中奥陶统马家沟组碳酸盐岩，因此，本溪组铝土矿应属于岩溶型铝土矿[16]。含铝岩系厚度一般为1.3～13.3 m，局部厚度大于80 m，矿物成分主要由含铝矿物、黏土矿物、含铁矿物和含钛矿物组成[17]。ZK0008钻孔位于该区中部(图1(b))，含铝岩系厚度为20.6 m，根据岩性差异，分下、中、上3层：下部为(灰)黑色铝土质泥岩；中部为灰色豆鲕状铝土矿层，夹两层铝土质泥岩；上部为黑色纹层状铝土质泥岩，碳质含量较高，向上逐渐过渡为太原组底部煤线层(图1(c))。

(a)研究区地质简图；(b)ZK0008钻孔采样位置；(c)ZK0008钻孔本溪组柱状图;Q-第四系；P1-下二叠统；C2-P1b-上石炭统-下二叠统本溪组；O2m-中奥陶统马家沟组；-寒武系；Pt1-古元古界；Ar-太古宇

利用X射线衍射(XRD)分析含铝岩系的矿物成分及其垂向变化，利用偏光显微镜和带能谱的电子显微镜(SEM/EDS)分析含铝岩系中矿物的赋存状态；利用全岩地球化学分析，确定含铝岩系中不同活动性元素的含量及其垂向变化，进而分析含铝岩系的矿物成因及矿物垂向上变化的原因，利用沉积学和土壤化学原理对该区含铝岩系的原岩进行恢复，并进一步讨论其地质意义。

2 样品及分析条件

对ZK0008钻孔含铝岩系自下而上连续采集17个样品，样品编号和岩性见图1(c)，样品均进行XRD分析和地球化学全分析，并对下部铝土质泥岩(ZK0008-9)和中部豆鲕状铝土矿(ZK0008-23)进行SEM/EDS分析。

XRD和SEM/EDS分析均在河南理工大学河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室完成。XRD仪为AXS有限公司产D8 ADVANCE，测试电压、电流、温度分别为40 KV，25 mA，25 ℃，管扫描宽度为3°～90°，连续扫描；SEM为日本电子株式会社产JSM-6390LV，样品镀金膜；EDS为英国牛津仪器公司产ZNCA-ZNERAGY250。

岩石化学全分析在湖北省地质实验测试中心完成，其中氧化物用波长色散型荧光光谱仪PW2440，采用铑靶，电压电流机内温度真空度分别为30～60 kV，60～120 mA，30 ℃，30 Pa，高纯氩甲烷混合气流量为0.017 L/min，相对标准偏差小于0.9%。稀土元素和微量元素分析采用X7电感耦合等离子质谱仪，功率、冷却气流量、雾化气流量分别为1 200 W，13.0 L/min，1.0 L/min，相对标准偏差小于8%。

3 矿物成分与赋存方式

根据ZK0008钻孔垂向上的岩性变化，可将该钻孔含铝岩系分为3层，下部和上部为铝土质泥岩，中部为豆鲕状铝土矿层，含两层铝土质泥岩夹层(图1(c))。

3.1 矿物成分

XRD分析结果(图2)表明，下部铝土质泥岩的主要矿物成分为伊利石，也显示有白云母和蒙脱石特征峰。

中部豆鲕状铝土矿有两层铝土质泥岩夹层，将豆鲕状铝土矿层分为上中下3个分层，7个豆鲕状铝土矿样品均显示峰形尖锐、强度高的硬水铝石特征衍射峰，且硬水铝石主强峰由下部向上部分层增强。此外，豆鲕状铝土矿中，普遍具有锐钛矿和黄铁矿的主要衍射峰。

豆鲕状铝土矿层中普遍存在黏土矿物，下部豆鲕状铝土矿分层(ZK0008-17,ZK0008-18)有伊利石和高岭石特征峰及高级次衍射峰，但高岭石峰强不高，其他高级次衍射峰表现不明显。中部豆鲕状铝土矿分层(ZK0008-21,ZK0008-23)有峰形尖锐的高岭石特征峰、明显的鲕绿泥石特征峰和较微弱的伊利石特征峰。上部豆鲕状铝土矿分层(ZK0008-32,ZK0008-35,ZK0008-38)具有鲕绿泥石的特征峰。

中部豆鲕状铝土矿层中夹有两层铝土质泥岩，在XRD图谱中，伊利石特征衍射峰和高级次衍射峰明显(ZK0008-20,ZK0008-27,ZK0008-30)，上部铝土质泥岩夹层具有叶蜡石特征衍射峰(ZK0008-27,ZK0008-30)和高岭石特征衍射峰(ZK0008-30)。

I-伊利石；Ch-鲕绿泥石；D-硬水铝石；A-锐钛矿；K-高岭石；C-方解石；P-黄铁矿；M-白云母；Mo-蒙脱石；Py-叶蜡石

根据上述XRD分析，ZK0008钻孔下部铝土质泥岩的矿物成分主要为伊利石，含有一定量的白云母；中部豆鲕状铝土矿层的矿物成分以硬水铝石为主，含有锐钛矿和鲕绿泥石，两层铝土质泥岩夹层的矿物成分主要为伊利石；上部铝土质泥岩的矿物成分以高岭石为主，普遍含有叶蜡石，泥岩夹层中含有叶蜡石和高岭石。

因此，研究区ZK0008钻孔本溪组含铝岩系除上部铝土质泥岩外，可划分为3个铝土质泥岩豆鲕状铝土矿序列。下部序列中铝土质泥岩以伊利石为主，上部序列中铝土质泥岩以伊利石和高岭石为主。

3.2 含铝岩系中矿物的赋存方式

岩石薄片观察结果表明，下部铝土质泥岩的黏土矿物伊利石主要以隐晶质集合体存在，少量薄板状或不规则粒状伊利石微晶分散在隐晶质集合体中，结晶较好的伊利石细脉也可见(图3(a))；中部豆鲕状铝土矿主要由扁豆状豆鲕组成，其间为隐晶质硬水铝石，扁豆状豆鲕主要由硬水铝石微晶组成，有些豆鲕的核部和边部存在结晶较好的高岭石矿物(图3(b))；扫描电镜下，铝土质泥岩和豆鲕状铝土矿均为隐晶质集合体，呈断续相连、边缘不规则的团块状，结晶较好的晶体主要出现在隐晶质集合体内部大小不一的不规则孔洞中，不同之处在于，铝土质泥岩以伊利石为主(图3(c)，3(d)，3(e))，豆鲕状铝土矿主要为硬水铝石(图3(f)，3(g)，3(h))。

(a)铝土质泥岩(ZK0008-9)岩石薄片特征(单偏光)；(b)豆鲕状铝土矿(ZK0008-23)岩石薄片特征(单偏光)；(c)铝土质泥岩(ZK0008-9)扫描电镜特征；(d)铝土质泥岩(ZK0008-9)孔洞中伊利石晶体能谱特征；(e)铝土质泥岩(ZK0008-9)伊利石隐晶质集合体能谱特征；(f)豆鲕状铝土矿(ZK0008-23)扫描电镜特征；(g)豆鲕状铝土矿(ZK0008-23)硬水铝石隐晶质集合体能谱特征；(h)豆鲕状铝土矿(ZK0008-23)孔洞中硬水铝石晶体能谱特征；Ⅲ-伊利石隐晶质集合体；m-Ⅲ-伊利石微晶；Ⅲ-伊利石晶体；Kl-高岭石晶体；c-Dsp-硬水铝石隐晶质集合体；m-Dsp-硬水铝石微晶；Dsp-硬水铝石晶体

4 含铝岩系矿物成因

结合岩石薄片观察和SEM/EDS分析，可知ZK0008钻孔含铝岩系矿物成分主要为硬水铝石和黏土矿物。黏土矿物在含铝岩系中普遍存在，但主要存在于铝土质泥岩中，且相同层位中黏土矿物成分相同，不同层位黏土矿物成分差异较大。黏土矿物主要以隐晶质集合体存在，隐晶质集合体中散布有微晶，少量结晶较好的黏土矿物或呈细脉状，或与硬水铝石晶体相交织。显然，含铝岩系中黏土矿物不可能是机械破碎、搬运、再沉积形成的[18]，应是自生黏土矿物。含铝岩系中的硬水铝石，一般认为是成岩过程中由三水铝石脱水转化而来[16]，但在土壤化学过程中，是原岩彻底降解的产物[16,19]。因此，含铝岩系中的矿物及其集合体不是原始沉积颗粒，应是原岩不同程度的降解产物，亦即不同程度富铁铝化的产物[16-17]。同时，可根据土壤化学基本原理，分析样品中元素含量，进而判断原岩降解程度和矿物成因。

通过全岩化学元素(所分析的样品与XRD的相对应)聚类分析(图4(a))可以看出：相对难迁移元素Th，Zr，Al，Hf，Ti，Nb，Cr，Ta，U，V主要富集在豆鲕状铝土矿中，且在最上部豆鲕状铝土矿层中含量最高(图4(c))；相对易迁移元素Ba，Be，Si，P，Mg，Rb，K，Na，Cs，Sr，REE主要富集于铝土质泥岩中(图4(d))。这些都表明豆鲕状铝土矿相对于铝土质泥岩降解(富铁铝化)程度高，硅酸盐矿物已被彻底分解，硅也彻底淋失，已达到富铁铝化最后阶段，主要矿物为三水铝石(成岩过程中转化为硬水铝石)，Fe3+含量较少，与后期成岩过程中Fe3+还原为Fe2+且局部富集或流失有关[19]。铝土质泥岩为原岩强烈风化，破坏硅酸盐矿物，硅以游离硅酸形式析出，同时在酸性条件下，Fe3+,Al3+也有活化，通过合成反应生成高岭石和叶蜡石[19]，仅达到脱硅阶段。下部铝土质泥岩和中部豆鲕状铝土矿层的铝土质泥岩夹层中黏土矿物主要为伊利石的原因可能为,含铝岩系成岩过程中在碱性条件下高岭石中K+向下淋滤迁移转变而来[20]。

(a)含铝岩系元素聚类分析；(b)自然伽马曲线；(c)难迁移元素含量垂向变化；(d)易迁移元素含量垂向变化

由图4(c)可知，Al与Th，U正相关关系显著，因此，ZK0008钻孔难迁移元素含量变化曲线(图4(c))与自然伽马曲线(图4(b))非常相似，均表现为向上折线式增大，在最上部豆鲕状铝土矿层达到最大值，继而上部铝土质泥岩层急剧下降。由于铝含量与富铁铝化程度密切相关，因此，铝含量变化曲线与自然伽马曲线垂向上变化可以反映含铝岩系垂向上富铁铝化程度的差异。上述曲线由低到高3个折线式变化旋回恰与铝土质泥岩→豆鲕状铝土矿层的3个序列相吻合。每个序列均与典型富铁铝化剖面非常相似[5]，即含铝岩系是由多个富铁铝化剖面叠置而成的。

5 含铝岩系原岩恢复及其地质意义

根据含铝岩系的高铝硅含量，可以确定含铝岩系的原岩为铝硅酸盐矿物，由于含铝岩系矿物组成中不存在难风化的石英，且不存在原生黏土矿物，因此含铝岩系的原岩应是成分成熟度很低的岩石，碎屑成分应主要为长石和/或岩屑。根据本溪组含铝岩系中碎屑锆石粒径92～239 μm，平均158 μm[10]，且根据“水力等效(hydraulic equivalence)”原则[21]，含铝岩系的原岩可能为成分成熟度很低的细砂-粉砂岩。由于统计的碎屑锆石粒径大于32 μm，小于32 μm的锆石均未参与粒度统计，因此含铝岩系的原岩应当是成分成熟度很低的粉砂岩。

成分成熟度很低的粉砂岩沉积要求物源区是近源，或有快速搬运和快速沉积远源，或海平面快速上升，并能够达到物源区[22]。由于研究区附近不可能存在本溪组沉积时期的“古隆起”和/或岩浆岩[23]，且根据碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb测年，并辅以Hf同位素测定，ZK0008钻孔含铝岩系的物源区主要为北秦岭造山带[10]，说明这些长石和/或岩屑不是近源，而是来源于秦岭造山带。根据恢复的含铝岩系原岩碎屑粒径和含铝岩系上部铝土质泥岩普遍残留的纹层构造判断，原岩沉积时水动力较弱，因此它们也不是较强水动力携带和快速搬运的。

研究结果表明，华北陆块在晚古生代存在幕式突发海侵事件，导致海平面大幅抬升[24]，可以推测，本溪组沉积时期的突发式海侵可能达到了北秦岭造山带的山前地区，来源于北秦岭的碎屑物质没有充分的时间进行风化，碎屑组分主要为长石和/或岩屑，由于陆表海海底坡度极缓，缓慢海退可将这些长石和/或岩屑带到离物源区很远的区域进行沉积。

当海退使本溪组原始沉积物暴露地表时，原始松散沉积物(土壤)在湿热多雨的气候条件下[25]，产生快速彻底的富铁铝化[16]，使得易迁移元素流失和难迁移元素富集，形成一个上部为三水铝石，下部为高岭石的富铁铝化剖面[16,19]。在海平面升降旋回中，已发生富铁铝化的岩层上部会沉积新的沉积物，富铁铝化作用也会被限制或终止。当海平面下降使得新的沉积物暴露地表时，富铁铝化作用可以再次发生，因此可以造成多个富铁铝化剖面的叠置。上部铝土质泥岩原始沉积的纹层发育，碳质含量高，并渐变为薄煤层，表明海平面逐渐上升[24]导致富铁铝化程度降低，保留了原始沉积构造，使含铝岩系的富铁铝化结束。

6 结 论

(1)华北陆块南部偃龙地区本溪组含铝岩系的矿物成分主要由硬水铝石和黏土矿物组成，呈隐晶质集合体或微晶存在，在隐晶质集合体内部存在大小不一的不规则孔洞，其中充填有少量结晶较好的晶体。

(2)豆鲕状铝土矿中富集难迁移元素，铝土质泥岩中富集易迁移元素。

(3)偃龙地区本溪组含铝岩系的原岩主要是成分成熟度很低的粉砂岩，碎屑成分主要由来自北秦岭造山带的长石和/或岩屑组成，含铝岩系中矿物成分的垂向变化是原岩不同程度富铁铝化的结果。

(4)突发式的快速海侵可以到达北秦岭造山带的山前地区，缓慢的海退将来自秦岭造山带的长石和/或岩屑带到离物源区较远的区域进行沉积。在湿热多雨的气候条件下，原始沉积物暴露地表时，产生快速彻底的富铁铝化作用，形成典型的富铁铝化剖面，海平面的升降旋回造成本溪组含铝岩系多个富铁铝化剖面叠置。