貴州織金文家壩地區鋁土質泥巖成因分析

向奉祥，孫亢

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 400013）

0 引言

國內外對于鋁土質泥巖的研究較少，一般認為鋁土質泥巖為鋁土礦成礦的中間階段，即風化產物的成土階段[1]。對于鋁含量高但是并未形成鋁土礦的鋁土質泥巖并沒有詳細的研究。本文在深入了解區域內相關煤田地質勘查資料和鋁土礦形成原因的基礎上，結合沉積構造，鉆井巖芯垂向沉積序列，地球化學特征，礦床學等相關領域展開鋁土質泥巖成因分析的研究工作，并通過對比分析研究區內鋁土質泥巖未能形成鋁土礦的原因。

1 研究區沉積相類型及沉積環境

1.1 地層

研究區內，鋁土質泥巖位于龍潭組下段，與峨眉山玄武巖呈平行不整合，將龍潭組分為上、下兩段[2]。

龍潭組（P3l）上段：巖屑細砂巖、粉砂巖、含泥礫巖屑細砂巖、粘土巖夾海相碳酸鹽巖和煤層，厚130 m 左右。

龍潭組（P3l）下段：中細粒巖屑砂巖、粉砂巖、水云母粘土巖夾海相碳酸鹽巖和煤層，底部為鋁土質粘土巖，厚100 m 左右。

1.2 沉積相類型

通過對織金地區上二疊統沉積相資料的研究總結，結合本區鉆井資料的系統研究，根據巖石學、沉積學及地球物理學、沉積地球化學、古生物學等綜合研究，結合沉積相標志，在龍潭組中識別出三角洲、障壁砂壩—瀉湖、碳酸鹽潮坪3 種沉積類型、6 種沉積亞相和10 種沉積微相（表1）。

表1 研究區沉積相類型

1.3 研究區龍潭組早期沉積環境

龍潭組早期受東吳運動的影響，研究區在抬升為陸的同時，峨眉山玄武巖在研究區西部噴發。較長時間的西部峨眉山玄武巖的噴發及大面積的風化剝蝕造成了研究區龍潭早期西北高、南東低的古地貌環境[3]。此時，由于板塊運動影響，貴州東部及南部出現大規模的海侵，海水侵入到研究區，在研究區內開始海侵作用下的沉積。

龍潭組下部頻繁出現泥巖、粉砂巖—灰巖、硅質巖的過度表明了此期間為脈動式海侵作用。在海侵作用過程中，由于墮卻、珠藏、官寨、沙窩一線原有的波狀凸起古地勢阻礙海水的流動，研究區內形成了障壁—瀉湖的沉積相。研究區內瀉湖—潮坪相厚度為120 m 左右，表明海侵作用的持續時間較長[4]（圖2）。

圖1 龍潭早期沉積相分布圖

圖2 Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2 相互之間關系圖解

2 鋁土質泥巖地球化學特征

本次共采集有12 個織金礦區文家壩井田鉆孔的鋁土質泥巖，將12 個樣品研磨到200 目，在105 ℃下烘干2 h 之后對樣品進行地球化學分析，分析在中國礦業大學現代分析與測試中心完成。主量元素分析采用XRF 分析法，采取無變量精確定量測得，使用儀器ME-XRF06。微量元素和稀土元素以ICP-MS 測定，為近似定量，使用儀器ME-MS81 型電感耦合等離子質普計。

2.1 常量元素地球化學特征

1）研究區常量元素含量

12 個鋁土質泥巖樣品中，常量元素以Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、Na2O、K2O、MgO 及CaO 為主（表2）?？梢钥闯?，鋁土質泥巖中Al2O3、SiO2、Fe2O3含量最高，其次為TiO2。

表2 樣品常量元素成分及含量（×10-2）

2）Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2的關系圖解如圖2，Al2O3與SiO2的相關性系數R2為0.042，相關性系數較低，尚未達到鋁土礦中Al2O3與SiO2的負相關性。Al2O3與Fe2O3的相關性系數R2為0.068，相關性系數較低。SiO2與Fe2O3相關性系數R2為0.805，相關性較高。

在鋁土礦中，Al2O3與SiO2呈現負相關性，鋁土礦的成礦過程是去硅除鐵富鋁的過程，且Al2O3較高，這都表明研究區鋁土質泥巖未達到鋁土礦的經濟價值。玄武巖中TiO2的平均含量為2.1%～3.4%，TiO2在風化過程其含量基本保持不變，因而Al2O3/TiO2的值可以用來反應物源的性質。從Al2O3—TiO2的關系圖解中可以看出，其R2=0.862，其值較高，表明Al2O3與TiO2相關性較好，這反映了研究區鋁土質泥巖的物源的一致性[5-6]。

2.2 微量元素地球化學特征

沉積巖中微量元素的分析能夠為沉積環境的分析提供物理標志和生物標注所不及的地球化學標志。母巖的性質在一定程度上決定了風化產物的元素組成，因此鋁土質泥巖中微量元素的組成對成巖母巖的分析有一定的指導意義。

1）研究區微量元素組分及含量

研究區鋁土質泥巖的微量元素主要測得微量元素為Li、Be…Th、U 等26 種元素，其中只有V（20.5—268.5×10-6）、Ni（12.90—174.80×10-6）、Cu（33—195.8×10-6）、Zn（23.2—180.7×10-6）、Sr（29.6—536.5×10-6）、Ba（12—695.6×10-6）含量超過100×10-6，其余微量元素均＜100×10-6。經過對比樣品微量元素Sc、V、Co、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Bi 的平均含量高于上地殼對應元素平均含量，富集的微量元素中Sc、V、Co、Ni 均為親（超）基性巖漿元素。

（1）Sr/Cu 指示古氣候

根據前人的研究成果，一般認為Cr、Ni、Mn、Cu、Fe、Ba、Br、Co、Cs、Hf、Rb、Sc、Th 為喜濕性元素；Sr、B、Au、Ta、Zn、Mo 為喜干性元素[5-6]。研究區Sr/Cu 值為0.7～6 之間，介于1～10 之間，表明鋁土質泥巖形成的古氣候為溫暖濕潤氣候。

（2）Sr/Ba 指示古鹽度

陸相沉積物中Sr/Ba 值＜1；海相沉積物Sr/Ba 值＞1。在海陸過度地區及有大量陸源碎屑注入的濱海及淺海地區中0.6＜Sr/Ba ＜1[5-6]。研究區中0.35 ＜Sr/Ba ＜1.95，表明研究區巖層的形成環境較為復雜，鋁土質泥巖形成時期海水鹽度發生頻繁變化，結合研究區內沉積相類型，正好符合瀉湖環境。

（3）＆U、Th/U、V/（V+Ni）指示氧化—還原性

＆U ＞1 為表明缺氧環境；＆U ＜1 表明正常水體環境。0＜Th/U ＜2 表明缺氧環境；Th/U ＞2 表明為還原環境[5-6]。V/（V+Ni）＞0.84 為厭氧環境。0.6 ＜ V/（V+Ni）＜0.82 為不強的厭氧環境。0.46 ＜ V/（V+Ni）＜0.6 為弱的貧氧環境[5-6]。經計算，研究區內0.63 ＜＆U ＜1.8，3.1 ＜Th/U ＜6.4，0.32 ＜V/（V+Ni）＜0.94。0.63 ＜＆U ＜1.8 表明為正常水體—缺氧環境；3.1 ＜Th/U ＜6.4 表明為還原環境；0.32 ＜V/（V+Ni）＜0.94 表明為貧氧—厭氧環境。以上三個指標均表明研究區鋁土質泥巖在還原條件下沉積形成。

2.3 稀土元素地球化學特征

由于稀土元素在河水及海水中不可溶，含量很低，因而碎屑巖中稀土元素含量來源于物源區的母巖當中，因此稀土元素能用于成巖的物質來源和反演成礦作用的過程[7-9]。

研究區稀土元素含量及化學參數見表3。

表3 研究區稀土元素含量及化學參數

總體來看，泥巖樣品中稀土元素總量w（∑REE）為16.42～804.86×10-6（不包含Y），平均為213.53×10-6，與文家壩玄武巖稀土元素總量：296.28×10-6較為接近。一般認為δCe ＞0.6 為海相沉積環境，研究區0.6 ＜δCe ＜1.41，均大于0.6，表明其均在海相的沉積環境下形成。δEu ＜1 為負異常，指示還原環境；δEu ＞1 為正異常，指示氧化環境。研究區采集的樣品中δEu 變化范圍為：0.44 ＜δEu ＜1.77，平均值為0.83 ＜1，δEu 值負異常，表明鋁土質泥巖形成于還原環境下。

8 個泥巖樣品中REE 分布趨勢基本一致，表明泥巖的形成具有同一物源性。將稀土元素北美頁巖標準化[10]，得出REE 曲線（圖3），泥巖的REE 分布與文家壩玄武巖的REE 有較為相似的分布趨勢（圖3），這表明樣品的物源很有可能是峨眉山玄武巖。為了探討物源區的巖性特征，以w(∑REE) 為橫坐標、w(La)/w(Yb) 為縱坐標，采用對數坐標系成圖并與已知母巖的落點區域對比[11]（圖4），樣品集中分布在堿性玄武巖區，少量分布在花崗巖及沉積巖區域，表明泥巖的物源主要為堿性玄武巖，并有少量花崗巖與沉積巖混入。

圖3 泥巖REE 配分模式圖

圖4 樣品w(La)/w(Yb)—w(∑REE)投點圖

3 鋁土質泥巖成因分析

3.1 鋁土質泥巖形成時期的沉積環境

鋁土質泥巖的形成受沉積環境的影響較大，其主要的環境因素為：古氣候條件、古地貌條件、海平面升降三大因素的影響。

1）古氣候條件

根據古地磁，古海水等方面的綜合研究，認為揚子板塊晚二疊世時期古緯度為2.4°S，為南半球低緯度地區，氣候炎熱，雨量充沛，植物茂盛，為熱帶—亞熱帶半落葉季雨林氣候[12]。研究區內，Sr/Cu 值為0.7～6，介于1～10 之間，進一步表明鋁土質泥巖形成的古氣候為溫暖濕潤氣候。0.63 ＜＆U ＜1.8，3.1 ＜Th/U ＜6.4，0.32 ＜V/（V+Ni）＜0.94。0.63 ＜＆U ＜1.8 表明為正常水體—缺氧環境。古氣候溫暖濕潤，使得裸露地表的峨眉山玄武巖遭受一般的物理、化學風化作用、生物物理及生物化學的風化作用，使得峨眉山玄武巖的鋁硅酸鹽礦物分解，被地表徑流帶入濱海地區開始沉積，為鋁土質泥巖形成提供物質基礎。

2）古地貌、地質條件

研究區在中二疊世晚期受到東吳運動玄武巖噴發之后處于相對穩定的構造期，東吳運動使得茅口期沉積的灰巖及此期間噴發的峨眉山玄武巖、龍潭一期峨眉山玄武巖抬升，接受風化剝蝕[3]。鋁土質泥巖與茅口灰巖及峨眉山玄武巖之間的不整合界面就是其直接的證據。在風化剝蝕的沉積間斷期內，下伏地層遭受強烈風化，為鋁質的富集體提供了場所。同時大部分地區被夷平，整體坡度較小，一般在0.5°以下，極為平緩，使得研究區內能形成大面積的潮上帶地區，平緩的潮上帶緩坡SiO2較Al2O3更易流失，鋁質更易富集。低幅度的海平面升降便可造成大面積的海水進退，這也為研究區內龍潭組下段大面積形成鋁土質泥巖提供了良好的地質地貌基礎。

3）海平面升降

龍潭早期發生了晚二疊時期規模最大的海侵運動，在研究區織金一帶形成了瀉湖—潮坪的沉積環境[4]，在鋁土質泥巖中見大量水平層理，表明其形成期間水動力條件較弱，為潮上帶沉積特征，因而鋁土質泥巖形成于潮上帶的泥坪微相之中。

3.2 鋁土質泥巖中鋁的富集

鋁土質泥巖中鋁的富集分為兩個階段：泥巖的沉積階段、泥巖的成巖階段。

1）沉積作用階段鋁的富集

由于峨眉山玄武巖噴發的多期次性、復雜性[13]，結合研究區內峨眉山玄武巖的分布（有的茅口組灰巖假整合峨眉山玄武巖；有的茅口組灰巖直接假整合鋁土質泥巖），筆者認為可將峨眉山玄武巖的風化產物分為原地殘積型風化物、異地搬運型風化物。

原地殘積型風化物為茅口灰巖上部覆蓋峨眉山玄武巖地區。異地搬運型風化物為茅口灰巖上部無峨眉山玄武巖覆蓋，風化物主要為玄武巖風化之后經過搬運而沉積下來的產物。峨眉山玄武巖經過風化作用后形成的碎屑被地表徑流搬運，同期由于海侵作用，海平面上升，碎屑物質被短距離地搬運至海水中。風化產物中的高嶺石粘土礦物粒度較細，懸浮在海水中，只有在海水動力條件較弱的地方才能沉積。此時海侵作用形成的瀉湖潮坪環境中，主要受潮汐水流的作用影響，在潮坪微相中的潮上帶由于水動力條件較弱，海水中的高嶺石粘土礦物便在此處開始沉積，接受成巖作用，形成泥巖。風化、搬運過程中，玄武巖的風化形成的K+、Mg2+、Ca2+、Na+、Si2+等易溶性元素被淋濾帶走。沉積的風化產物中主要為Al3+、Fe3+、Ti2+等不易溶解的元素形成的礦物。風化作用過程及沉積作用過程中，使粘土巖中鋁的含量第一次增加（圖5）。

圖5 鋁土質泥巖形成模式

2）成巖作用階段鋁的富集

粘土巖經歷了沉積作用使鋁的含量第一次增加后便開始了早期成巖作用。在潮上帶的特殊環境下，海水受潮汐作用的影響出現高潮水位和低潮水位，潮上帶僅受到高潮水位的影響，在高潮水位之后，其沉積物將暴露于地表的氧化環境下。在氧化環境中，粘土巖中未徹底風化的巖屑開始進一步風化。此時化學風化和生物風化占主導因素，溫暖濕潤的氣候環境加快了風化作用的過程；植物的生長、微生物的作用加速了生物風化的進行。玄武巖屑風化形成的易溶解的物質Cl（Br、I）、S 及K+、Mg2+、Ca2+、Na+、硅質流失。鋁、硅、鐵、鈦等富集，鐵形成黃鐵礦在泥巖中沉積，由于Al3+的不易溶性在區內沉積。此為鋁的另一富集過程。

通過鋁的不易溶性得知，鋁只有在強堿（pH ＞10）或強酸（pH ＜4）的條件下才能溶解。在研究區內的局部地區便可形成pH ＜4 的環境。溫暖濕潤的環境下，潮上帶泥坪中生長大量植物，在植物的腐爛過程中形成大量的有機酸，使局部地區的pH ＜4。在強酸的環境下，部分巖屑及高嶺石粘土巖中的鋁被溶解出來，在短距離搬運之后沉積，形成鋁的另一富集方式。

在泥巖的沉積和成巖過程中，泥巖中鋁質逐漸富集，在壓實作用下，泥巖中孔隙，孔隙水逐漸減少。隨后泥巖逐漸埋深，形成鋁土質泥巖。

3.3 研究區未形成鋁土礦的原因

研究區內只是形成鋁土質泥巖，尚未形成鋁土礦。主要的原因分析如下：

1）峨眉山玄武巖風化作用不徹底

鋁土礦石中鋁含量較高主要因為鋁的氫氧化物及氧化物含量較高，一水硬鋁石的形成需母巖的強烈且持久的風化。研究區內氣候溫暖濕潤，母巖可以經歷強烈的風化作用。但是西部峨眉山玄武巖噴發期間，或噴發之后不長的時間內，研究區內便經歷了晚二疊世時期的第一次海侵作用。峨眉山玄武巖風化的碎屑物質被地表徑流帶至研究區內便開始沉積，成巖。雖然泥巖沉積在潮上帶地區內仍可以經受風化作用，但相對于鋁土礦的風化時間還是較短，因而只形成了鋁含量較高的泥巖。

研究區位于貴州西部，距峨眉山玄武巖的噴發中心距離較近，玄武巖的風化產物僅經歷了短暫的搬運之后便開始沉積，進一步造成母巖的風化作用不徹底，鋁質的富集達不到鋁土礦的要求。

2）峨眉山玄武巖的間隙性噴發

據統計，貴州晚二疊世期間，峨眉山玄武巖噴發達30 多次，具多個噴發旋回[13]。研究區內峨眉山玄武巖間隙性的噴發，每次噴發的持續時間不一，同時其分布規律也較為復雜。噴發持續時間短導致物源的減少及不穩定，經河流搬運至研究區的鋁含量高的風化產物減少，且河流搬運部分其他母巖的風化產物，這將導致研究區鋁土質泥巖厚度變薄，含雜質較多。峨眉山玄武巖噴發的分布規律復雜同樣導致研究區內不能形成鋁土礦。與此同時，鋁土質泥巖沉積區域內由于受脈動式海侵作用的影響，導致沉積相的不穩定也造成鋁土質泥巖中的鋁含量不能進一步提高。

3）古構造作用

鋁土礦的形成往往要經歷抬升地表或地表附近接受進一步的氧化淋濾。研究區內鋁土質泥巖在接受成巖作用后，受海退作用的影響，沉積環境向海退積，三角洲相覆蓋原過度相，使鋁土質泥巖逐漸埋深。再次之后研究區內并沒有構造運動使其抬升接近地表接受氧化、淋濾，使鋁的含量進一步富集。

4 結語

本文基于鉆孔巖芯關于巖性變化的詳細描述，采集樣品的宏觀巖石學特征，結合地球化學特征及前人對于研究區相關工作、認識，對文家壩礦區沉積環境及鋁土質泥巖成因做了詳細研究，分析得出鋁土質泥巖物源為峨眉山玄武巖的風化產物，鋁經歷了3 個階段的富集，但最終因為峨眉山玄武巖的間歇性噴發，噴發不徹底、不連續，后續未經歷構造抬升作用而未能形成鋁土礦。希望通過本文的探討對貴州地區鋁土礦資源的形成條件，勘查預測工作產生積極意義。