山西铝土矿成矿因素探讨.pdf

2 0 0 2年 1 2月 第 3 1卷第 6期 有色矿 山 No nf e r r o u s M i n e s De c ． ， 2 0 0 2 VO 1 ． 31 NO． 6 山西铝土矿成矿 因素探讨 赵运 发 ，柴 东浩2 1 ．山西铝 厂 ， 山西 河津 0 4 3 3 0 0 ； 2 ．山西 省地 质科学研 究所， 山西 太原 0 3 0 0 0 6 [ 关键词 ]古纬 度 ；古气候 ；风化 源岩 ；氢氧同位 素 [ 摘要]山西铝土矿是堆积 一沉积在长期风化的华北碳酸盐台地上的古风化壳型或古风化壳型稀有稀土铝 土矿 。风化源岩 即基底碳酸 盐岩及其 过渡岩石 。风化壳是“ 台地 ” 隆升后 由南纬 经赤道 向北 纬漂 移过程 中所 形成 ， 但三水铝矿体的最初成形可能在 1 0 。 N附近， 即山西地块石炭纪相对滞留的古纬度。成壳时的年平均气温， 以氢氧 同位 素计温 ， 为 3 2 ． 4 ～3 3 ． 1 ℃ ， 属热带一 亚热带气候 。 [ 中图分类号]P 6 1 7 [ 文献标识码]A [ 文章编号 ]1 0 0 2 8 9 5 1 2 0 0 2 0 6 0 0 0 1 0 5 Di s c u s s i o n o n o r e f o r m i ng f a c t o r s o f S ha nx i b a u x i t e ZH AO Yu n f a ，CHA I Do n g h a o 1 ． S h a n x i Al u mi n u m P l a n t ，He j i n 0 4 3 3 0 0 ， C h i n a；2 ． T h e I n s t i t u t e o f G e o l o g i c a l S c i e n c e of S h a n x i ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 6 ，C h i n a Ke y wo r d spa l e ol a t i t u de；pa l e o c l i ma t e；ma nt l e of or i gi na l r o c k；o xy hy d r o g e n i s ot o p e Ab s t r a c t Sh a n xi b a uxi t e ，a pa l e r e s i d u um o r p a l e r e s i d uu m R E b a u x i t e ，i s a g g r a d e d s e d i me nt a t e d o n t he c a r b o n a t e t a b l e l a nd o f No r t h Ch i n a whi c h i s we a t h e r e d o v e r a l o n g p e r i o d．The m a n t l e o f o r i gi n a l r o c k i s t h e ba s e c a r b on a t e r o c k a nd t r a n s i t i o n r o c k．The f o r ma t i o n o f r e s i d uu m i s a f l o a t i n g pr o c e s s f r o m s o ut h t o n o r t h l a t i t u d e t hr o u g h t he e q ua t o r a f t e r b ul ge o f t h e t a bl e l a n d， b ut t h e o r i gi na l f or m a t i o n o f g i b b s t i t e m a y b e n e a r by 1 0。 N， wh i c h i s t h e p a l e o l a t i t u d e t h a t t h e c a r b o n i f e r o u s p e r i o d l a n d b l o c k o f S h a n x i i s r e l a t i v e l y d e t a i n e d ．Th e a n n u a l a v e r a g e t e mp e r a t u r e i s 3 2． 4～3 3 ． 1 ℃i n t h e p r o c e s s o f t h e f o r ma t i o n o f t h e s u b e r u s t a 1 ．wh i c h i s c o u n t e d b y o x y hy dr o g e n i so t o pe ． I t b e l o ng s a mo ng t r o pi c a l s ub t r o p i c a l c l i ma t e． 山西铝土矿位于奥陶系中统碳酸盐岩古侵蚀面 之上， 石炭一二叠纪 含煤 岩 系之下， 俗称“ G层铝土 矿 山西式铁矿” 的一套 岩石组合。这套组 合现 已 公认为古 风 化壳成 矿 的陆相 沉积矿 床_ 1 J 。就 山 西铝土矿 而 言， 应 归 为古 风化 壳 型稀 有 稀 土铝 土 矿_ 3 J ， 属陆相堆 积一沉积矿 床。这类风化壳矿 床成 矿过程所涉及 的主要 问题 风化环境 古纬度 、 古 气候 及风化源岩。 [ 收稿日期]2 0 0 2 0 4 2 6 [ 修订 日期 ]2 0 0 2 1 0 2 0 [ 作者简介]赵运发 1 9 6 8一 ， 男， 湖北洪湖人， 工程师 从事矿 山技术工作 。 1 成矿古纬度 山西铝土矿形成 时的古纬度主要是通过对铝土 矿或铝土岩的古地磁测试来认知的。测试样品围绕 北纬 3 8 。 带采取 ， 在 1 4个点上共采取 了 1 5 3块 定向 样品， 而实际测试为 9 4块。样 品剩磁测试分别在 日 本神户大学低温 中心 7 0块 和 中国科学院地 球物 理研 究所古地 磁实验室 2 4块 进 行。由于 铝土矿 中载磁矿物 的复杂性 ， 经 测试分 析， 只有 4个矿 区 阳泉太湖石 、 五 台天和 、 宁武宽草坪和柳林兰家山 能统计较好的剩磁分量， 换算 为同一参考点， 即阳泉 参考点 1 1 3 ． 6 。 E ， 3 7 ． 7 。 N 所求 出的 4个矿区铝土矿 的特征剩磁方向及古地磁极、 古纬度见表 1 。由表 1 维普资讯 2 有色矿 山 2 0 0 2年 第 3 1 卷 可知， 山西铝土矿统一的特征剩磁方 向， 偏角 D 为 3 4 8 ． 8 。 ， 倾角工 为 3 6 ． 0 。 ， 古纬度 p l a t 为 2 0 ． 0 。 ； 古 地磁 极位 置， 经 度 为 3 2 5 ． 5 。 ， 纬 度 为 6 9 ． 8 。 ， a 9 5 为 2 1． 8 。 。 表 1 山西铝土 矿最终古地磁 数据表 注 n一 代表负极性样 品， n’ 代表 正极 性样品 。 为 了能较准确的卡住 山西铝土矿形成时的古纬 度及其漂移变化， 中国地质科学院地质 力学研究所 杨振宇博士对 山西铝土矿上覆石炭纪含煤岩系及下 伏奥陶纪碳酸盐岩 已获得 的古地磁数据进行了重新 整理和换算， 结果见表 2 。表 2中的古 纬度是 以 阳 泉为参考点所求 出的同地质时代的特征剩磁方 向和 古纬度， 表明华北陆块在中奥陶世时， 河南焦作地 区 处于 2 2 ． 6 。 S ， 鄂 尔多斯处于 1 4 ． 4 。 S 。以太原西 山为 参考点 1 1 2 ． 5 。 E ， 3 7 ． 8 。 N 则寒武 纪时 阿拉 善陆块 为 2 2 ． 1 。 S ， 奥 陶纪 时为 3 ． 4 。 S 张 振法等， 1 9 9 7 ， 之 后向北漂移到赤道 附近， 赤道 附近是 铝土矿得 以形 成的最佳古地理环境， 柳林兰家 山铝土矿 中就 保留 有 2 。 N的古纬度记录。至石炭纪时， “ 陆块 ” 漂 移到 了北纬 表 2 ， 太原 西 山 为 9 ． 8 。 N 林 万 智等， 1 9 8 4 ， 陕西韩城地 区为 9 ． 6 0 N 吴汉宇， 1 9 9 0 ， 内蒙 古阿左旗地区为 1 9 ． 6 。 N 黄宝春等， 1 9 9 4 。另据刘 育燕 等 1 9 9 3 研 究 J ， 以 介 休 为 参 考 点 1 1 2 。 E ， 3 7 。 N ， 则华北 陆块 P 2时的古 纬度为 2 0 ． 1 o N， 以太 原西 山为参考 点， 则阿拉 善地块 P 】时 的古 纬度 为 1 4 ． 2 。 N， P 2时 为 1 5 ． 2 。 N， T 】时 为 1 9 ． 0 。 N， T 2时 为 2 3 ． 1 o N， T 时为 3 0 ． 2 。 N 张振法等， 1 9 9 7 。 表 2 山西地块石炭系和奥陶系古地磁极位置及古纬度 注 表 中古地 磁数据均 已换 算为 阳泉参 考点 1 1 3 ． 6 * E， 3 7 ． 7 。 N 以上古地 磁研 究证 明， 包括 山西 地块 程 浴淇 等， 1 9 9 4 在内的华北陆块 板块 ， 它的古 纬度是漂 移变化的， 而 山西铝土矿 正是在“ 陆块” 的漂移变化 中所形成。据最初的三水铝矿体 的全面形成可能在 石炭纪相对滞 留的古纬度 ， 即 1 0 。 N 附近[ ， 与地处 杨子陆块 的贵 州铝土 矿石炭 纪 时相对滞 留的古 纬 度【 ， 即 8 。 ～1 4 。 s是一致的。 此外据统计， 近 代全球红土型铝土矿概分布于 南北纬 0 。 ～3 0 。 ， 以 0 。 ～1 0 。 为主 占 9 0 ％ ， 表明 自古 生代以来全 球铝土 矿形成 的纬度 范 围基 本是 一致 的 。 2 成矿古气候 山西铝土矿 的成矿古气候受控于前述成矿古纬 度。但古气候温度的具体测量 目前主要是通过对铝 土矿主要物质组分硬水铝石和高岭石的氢氧 同 位素测 量 来 实 现 的。根 据 相 关 研 究 刘 巽 峰 等， 1 9 9 0 ， 由风化作用形成 的硬 水铝石， 其 氧同位素组 维普资讯 第 6期 赵运发等 山西铝土矿成矿因素探讨 3 成只决定于形成初期 的淋溶水 ， 而不受形成后 各种 介质的影响， 因此依据硬 水铝石的氧 同位 素测 定值 协 0 可以用 D a n s g a a r o l 1 9 6 4 年平均气温 t 线 性方程， 即 0 0 ． 6 9 5 t 一1 3 ． 6来求解铝土矿形 成时的淋溶水温度 。山西铝土矿硬水铝石的氧同位 素测定值及形成温度 的计算结果见表 3 。 由表 3可 知 山西铝土 矿成矿 的最高年 平均气 温 为 3 6 ． 4 E， 最低 为 2 9 ． 5 ℃， 与贵州铝土矿硬水铝石氧 同位素测 温结果 3 3 ． 4 ～4 0 ． 1 ℃ 【 j 大 同小异 。 铝土矿 中高 岭 石 的形 成 温 度 由 H P T a y l o r 1 9 7 4 同位素分馏方 程， 即 1 0 0 l n a2 ． 5 31 0 。 T 4 ． 9 0求出。式 中 a为同位素分馏系数， 由3 1 8 O 、 3 D 、 O 3 D 求解而 来 郑淑 蕙等， 1 9 8 5 ； 易发 成， 1 9 8 7 ， 计算结果见表 4 。 由表 4可知 铝土矿 中 高岭石 的形成温度为 1 2 ～4 9 ℃。另据作者计算 柴 东浩等， 1 9 9 7 ， 河南巩义铝土矿 中高岭石的形成温 度为 3 3 ℃， 贵州铝土矿为 8 ～5 9 ℃ ， 辽宁本溪 B层铝 土矿 为 2 5 ℃， 四川乐山玄武岩 P 风化红土为 3 1 ℃， 福建漳浦玄武岩 Q 近代红土铝土矿 为 1 7 ℃， 贵州 修文碳酸盐岩近代风化红土中高岭石 的形成温度为 3 9 ℃ 。 研究铝土矿的学者关于形成红土 钙红土 铝土 矿气候条件的共识是 ， 年最 优平均 气温 为 2 6 ℃， 最 热平均为 3 0 ℃， 最冷平均 为 2 0 ℃， 雨 季地 表温度为 2 0 ～3 0 ℃， 旱季 地表 温 度为 3 5 ～4 5 ℃ 梅格 尼 恩， 1 9 6 6 ； r H 布 申斯 基， 1 9 7 5 ； 辛 尼钦， 1 9 7 6 ； G 巴杜 西， 1 9 8 2 ； 廖士范等， 1 9 9 0 。 需要 补充说明的是 ， 尽管众多的实验及研究表 明， 高岭石具有较好的同位素保存性， 但 由于大气降 水， 特别是古生代大 气降水的同位 素组成 受古 特提 斯海 黄汲清， 1 9 8 7 ； 陈智梁， 1 9 9 2 ， 以及 山西地块诸 多 自然因素的控制， 所 以上述高岭石 ， 以及硬水铝石 的测温数据只是一种近 似表 达， 今后还 需要更多的 数据积累。 表 3 铝 土矿 中硬水 铝石的形成 温度 样号 采样矿 区 。 。 0‰ 形成温度 样号 采样矿 区 。 。 0‰ 形成 温度 S MOW ℃ S MOW ℃ T K0 1 宁武宽草坪 7 ． 1 7 2 9 ． 9 TX 0 1 孝义克俄 7 ． 2 3 3 0． 0 T K0 2 宁武宽草坪 1 1 ． 7 9 3 1 ， 4 8 3 0 6 孝义克俄 7 ． 9 0 3 0 ． 9 TS 0 1 娄烦石槽 9 ． 0 7 3 2 ． 6 S X 0 9 孝义宜兴 9 ． 6 3 3 3 ， 4 TS 0 2 娄烦石槽8 ． 0 8 3 1 ， 2 T 9 6 0 7 交 口后务城8 ． 0 0 3 1 ， 1 TD 0 1 沁源大峪8 ． 7 1 3 2 ． 1 T 9 6 0 2 交 口南岭上8 ． 5 4 3 1 ． 8 TD 0 2 沁源大峪 9 ． 2 7 3 2 ． 9 T9 6 2 0 交 口庞子洼8 ． 5 8 3 1 ， 9 TC 0 1 平陆曹 川 9 ． 9 4 3 3 ． 9 T 9 6 2 2 交 口庞子洼 1 1 ， 6 8 3 6 ． 4 TC 0 2 平陆曹 川 1 0 ． 1 8 3 4 ． 2 T 2 0 1 汾西诸神沟 9 ． 9 7 3 3 ． 9 C C 1 平陆曹 川 1 0 ． 2 3 3 4 ． 3 q q 0 1 五台天和8 ． 6 7 3 2 ． 0 S J 9 4 保德张家沟 1 0 ． 8 1 3 5 ． 1 T B 0 1 阳泉太湖石 9 ． 6 4 3 3 ． 4 T G0 1 兴县关家崖 9 ． 2 5 3 2 ． 9 TB 0 2 阳泉太湖石 9 ． 2 8 3 2 ． 9 X 0 0 5 兴县车家庄8 ． 8 7 3 2 ． 3 T B 0 5 阳泉太湖石 9 ． 8 0 3 3 ． 7 TL 0 1 柳林兰家 山 9 ． 2 5 3 2 ． 5 T B 2 0 1 阳泉太湖石8 ． 1 3 3 1 ． 3 TL 0 2 柳林兰家 山 6 ． 9 2 2 9 ． 5 TB 2 0 2 阳泉太湖石 7 ． 1 9 2 9 ． 9 TL 0 3 柳林兰家 山 7 ． 6 0 3 0 ． 5 S N4 6 阳泉 白家庄 9 ． 8 0 3 3 ． 7 注 ①样号 8 3 0 6及 S X 0 9据廖士范 1 9 9 1 ， 样号 X 0 0 5据 刘长龄等 1 9 8 6 ， 样号 C C 1及 S J 9 4据卢静文等 1 9 9 7 ； ②形成温度均 由作者 柴东 浩计 算。 接证据 J ． B． C o me r e t a 1 ． ， 1 9 8 0 一样， 对于古代 红 3 J或矿源 岩 土型铝土矿， 通过示踪， 特别是对碎屑状铝土矿、 铝 正像源 自年轻火 山岩红土型铝土矿可以选用抗 土岩及粘土岩的 同位 素年龄 示踪， 还是 有可能提供 风化能力强的矿物同位素年龄来提供风化源岩的直 逼近源岩年龄 、 或者至少能提供 哪种源岩的可能性 维普资讯 4 有色矿 山 2 0 0 2年 第 3 1卷 表 4 铝 土矿 中高岭 石 的形成 温度 注 样号 S X0 2据廖 士范等 1 9 9 0 。 较大一些的数据证据的。基于此。 作者试做 了 1 6件 稀释质谱法 KAr 年 龄， 测 定结果如表 5 。 由表 5 可知， 1 6年 KAr 样 品的年龄值范 围为 2 6 8 ． 6 2 3 ． 1 5 ～6 8 3 ． 9 52 0 ． 7 4 Ma 。比照 国际 地层 时代 表 J ． W ． C o wi e e t a 1 ． ， 1 9 8 9 ； W ． B． Ha r l a n d e t a 1 ． ， 1 9 8 9 和 中国地层 时代 表 王鸿祯等， 1 9 9 0 可 知 小 于 3 2 5 Ma的 KA r 年 龄 为 Ar 丢 失年龄 ； 3 2 5 ～ 3 5 5 Ma为 山西 铝 土 矿 的 成 岩 年 龄 柴 东 浩 等， 1 9 9 8 ； 3 5 5 ～5 7 0 Ma为 D一∈的年龄值 ， 而大 于 5 7 0 Ma 的 KA r年龄则 有可能是 比 山西铝土 矿基 底地层更为古老的源岩 年龄。共 有 4件， 其中原平 石墙非矿粘土岩为 6 6 7 ． 5 31 7 ． 3 3 Ma ， 宁武宽草坪 绿泥石铝土矿为 6 2 3 ． 6 21 4 ． 3 5 Ma ， 而此二矿区同 处于宁武 向斜北 东端， 区内不仅有陆源碎 屑岩 的局 部堆积， 而且原平石墙样品中还有绢云母碎 片， 从陆 源碎屑岩的砾石主要为燧石看 ， 可能是来 自中新元 古界的青 白口系和蓟县系。阳泉太湖石北采场碎屑 状粘土岩的年龄为 6 8 3 ． 9 52 0 ． 7 4 Ma ， 孝义克俄南 采场 碎 屑状 铝 土 岩 的年 龄 为 5 9 7 ． 3 71 2 ． 7 0 Ma 。 从两矿 区的区域地质判 断， 它 们也是 中新元 古代地 层的年龄反映。 根据以上 KAr 年龄组合， 结合前人对区 内奥 陶系的岩相古地理 研究[ 8 -- 9 ] 。 以及粘土 岩 中 B 、 L i 、 s r 、 Rb 等微量元素所提供 的物质 来源 信息[ 加] ， 目前 的年龄值支持 山西铝土矿的风化源岩 主要应由基底 碳酸盐岩 主为奥陶系， 次为寒武 系， 再次为青 白 口系和蓟县系经红土／ 钙红土化作用所形成， 同 位素年龄大 于 1 8 0 0 Ma的古陆变 质岩来源 目前 尚 难 证 实 。 维普资讯 第 6期 赵运发等 山西铝土矿成矿 因素探讨 5 注 B 9 5 0 1 、 B K0 4和 B 9 5 0 3由北 京大学地 质学系实验室测试 ， 标准偏差 2 ， 其余 由中国地质科学院地 质所七室测试 ， 标 准差 1 。 4 结论 受加里 东运 动影响而隆升， 包括 山西地块 在内 的华北陆块 地台 ， 隆升之初处于南纬 2 2 ． 6 。 S ， 是 一 个山地形碳酸盐 台地 许效松等， 1 9 9 6 ， 之后随着 古特斯海 黄 汲清等， 1 9 8 7 ； A． M． C森 格 ； 陈智梁 ， 1 9 9 4 的渐次闭合， “ 台地” 逐渐 向北漂移， 大约在 0 。 ～ 1 0 。 N累积形成了以三水铝矿 为主体的红土／ 钙红 土型铝土矿。 以及与之密 切相关的风化壳 吸附型稀 有稀土矿。根据硬水铝石及高岭石的氢氧同位素地 质计温。 铝土矿风化成矿的年平均气温为 3 2 ． 4 “ C或 3 3 ． 1 ℃。风化母岩主要为基底碳 酸盐岩 含过渡岩 石及盐类沉积 。现今 的一水硬铝 石铝土矿是原三 水铝矿堆积 沉积后埋藏变 质作用的结果 ， 属地 中海铝土矿成矿带的晚古生代部分 。 [ 参考文献] [ 1 ] 刘 中凡 ， 杜 雅 君 ． 我 国 铝 土 矿 资 源 分 析 [ J ] 2 0 0 0 ， 1 2 81 2． 廖士范， 梁同荣． 中国铝土矿地质学[ M] ． 贵阳 贵州科 技 出版社 ， 1 9 9 0 ， 1 26 4 ． 柴 东浩 ， 屈值 明， 陈汉 成等 ． 山西铝 土矿 中 稀有 稀土 元 素的新 发现及工业 意义 [ J ] ． 轻 金属， 2 0 0 1 ， 6 61 1 ． 刘育燕， 杨巍然， 森永速男等． 华北、 秦岭及杨子陆块的 若干古 地磁研 究结 果 [ J ] ． 地球 科学 一中 国地质大 学学 报 ， 1 9 9 3 ， 1 8 5 6 3 5 6 4 1 ． 杨振宇 ， 马醒 华 ， 孙知 明等 ． 豫北 地 区早古 生 代古 地磁 研 究的初 步 结 果 [ J ] ． 科 学 通 报 ， 1 9 9 7 ， 4 2 4 4 0 1 4 05． 王俊达， 李华梅． 贵州石炭纪古纬度与铝土矿[ J ] ． 地球 化学 ， 1 9 9 8 ， 2 7 6 5 7 55 7 8 ． 刘巽峰， 王庆生， 陈有能等 ． 黔北铝土矿 [ M] ． 贵阳 贵 州人民 出版社 ， 1 9 9 0 ， 1 3 1 1 3 6 ． 山西 省区域地 质调查 队 ． 山西 的奥陶 系[ R] ． 1 9 8 0 ． 山西 省地质 科学 研 究所 ． 山西 奥 陶纪岩 相 古地 理研 究 [ R] ． 1 9 8 4 ． 轻 金 属 ， [ 1 0 ] 山西地质矿 产勘查 开发局 - 山西铝 土矿矿床 成 因和 矿 床模式研 究 [ R] ． 1 9 9 7 ． 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 ； 维普资讯