广西平果堆积铝土矿岩溶地貌演化与成矿作用.pdf

第42卷第3期 中南大学学报自然科学版 Vol.42 No.3 2011 年 3 月 Journal of Central South University Science and Technology Mar. 2011 广西平果堆积铝土矿岩溶地貌演化与成矿作用 祝瑞勤 1, 2，奚小双1，吴堑虹1，杨震1, 2 中南大学 地球科学与信息物理工程学院，湖南 长沙，410083； 2. 长沙有色冶金设计研究院，湖南 长沙，410011 摘要研究了广西平果堆积铝土矿岩溶地貌演化与成矿作用。研究结果表明广西平果堆积铝土矿风化程度的发 展对应于矿区岩溶地貌的演化；地貌分带是矿区岩溶演化的基本规律之一；随着地貌演化过程中岩溶类型的顺序 发展，地貌分带形态的变化趋向于不规则；矿区岩溶类型分带对应不同的水系结构，分带地貌演化反映水系发展 过程，从水系演化关系指示矿区岩溶在地壳抬升过程中多旋回活动的特征；通过对比那豆与太平教美矿区，发 现堆积矿的分布形态随地貌演化趋向于分散和不均匀，堆积矿成分的变化趋势符合风化过程的一般规律；堆积矿 的氧化铝含量经历了从上升到下降的变化过程，与地下岩溶演化程度密切相关；根据岩溶地貌初步恢复了矿区地 下小流域水系分布形态，发现岩溶水系发育程度是形成地貌差异和堆积矿变化的基本原因。 关键词广西平果铝土矿；岩溶地貌演化；塔状峰林；岩溶流域水系 中图分类号P611.2 文献标志码A 文章编号1672−7207201103−0744−08 Karst land evolution and mineralization of accumulative bauxite in Pingguo Bauxite Ore, Guangxi ZHU Rui-qin1, 2, XI Xiao-shuang1, WU Qian-hong1, YANG Zhen1, 2 1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Changsha Engineering and Research Institute of Nonferrous Metallurgy, Changsha 410011, China Abstract The karst land evolution and mineralization of accumulative bauxite in Pingguo, Guangxi was studied. The results show that the weathering degree of accumulative bauxite deposit in Pingguo Bauxite Ore corresponds to the evolution of karst land. The land zonation is one of karst evolution laws. With the development of karst types in geomorphic evolution process land, zonation morphology tends to be irregular. Zonations of karst land corresponds to different underground stream structures, and the evolution of landscape zonation reflects the development process of stream system. Therefore, evolution of underground stream system indicates the features of karst multi-cycle activities during the process of crustal uplift. Compared with the characteristics of Nadou and TaipingJiaomei accumulative bauxite deposits, the distribution patterns of accumulative bauxite gradually become disperse and heterogeneous with the evolution of topography. The changing trends of accumulative bauxite composition meet the basic laws of weathering process. Al2O3 content changes from up to down during the evolution of the accumulative bauxite. This is closely related to the evolution degree of underground karst. Based on the karst land patterns, the distribution patterns of underground stream system is reconstructed in small karst watershed, the degree of development of karst stream system is the basic reason for topography differences and accumulative bauxite changes. Key words Pingguo Bauxite Ore; karst land evolution; towering peaks; stream system of karst watershed 收稿日期2010−07−11；修回日期2010−09−16 基金项目中国铝业集团重要科研项目GX2007CAQB01 通信作者祝瑞勤1963−，男，江苏扬中人，博士研究生，教授级高级工程师，从事成矿构造研究；电话0731-85864887；E-mail zhurq 第 3 期 祝瑞勤，等广西平果堆积铝土矿岩溶地貌演化与成矿作用 745 广西平果堆积铝土矿是由二叠纪原生铝土矿经过 剥蚀风化形成的次生矿床[1]。矿区处在云贵高原边缘 的桂西地区，是岩溶侵蚀强烈的地区[2]，矿区堆积矿 表现了与岩溶侵蚀早期地系二元结构的控制[3]。平果 矿区岩溶地貌的演化是小流域水系的发展演化，由此 决定矿区岩溶地貌与堆积矿分布特征。在桂西和周边 地区，堆积型铝土矿分布广泛[4]，因此，对堆积矿岩 溶地貌环境和成矿作用进行研究具有普遍意义。 在此， 本文通过对平果矿区岩溶地貌演化的研究，发现堆积 矿成矿的重要条件和机制，并分析堆积矿演化特征和 成矿规律。 1 矿区岩溶地貌发育程度和演化关系 平果矿区岩溶地貌分带地质图见图 1。从图 1 可 见平果堆积型铝土矿分布在原生矿层圈闭的背斜内 部，那豆矿区和太平教美矿区是 2 个由背斜分隔的 主要分矿区。这 2 个矿区都有确定的岩溶地貌分带， 按照从翼部往核部的顺序，那豆矿区划分为丘陵峰丛 带和峰林峰丛带， 太平教美矿区划分为丘陵峰丛带、 锥状−塔状峰林带、峰林峰丛带。这 2 个矿区的分带 都保持了翼部丘陵与核部峰林地貌的基本特征，但具 体情况有明显差异。那豆矿区分带比较规则，太平 教美矿区分带形态不规则； 后者翼部宽度比前者的小， 但核部带宽度大很多，且发育大范围的塔状峰林，前 者很少出现，而以锥状峰林为主。 岩溶地貌分带表示的岩溶发育程度变化是背斜差 异剥蚀的结果，背斜核部岩溶程度总是比翼部的高。 对比 2 个矿区发现太平教美矿区核部广泛分布塔 状峰林， 表示岩溶发育程度明显比那豆矿区核部的高。 这 2 个矿区的背斜出露规模差别较大，那豆背斜核部 地层是石炭系岩关阶，太平教美背斜核部地层是泥 盆系东岗岭组，根据矿区实测地层柱状图，估算这 2 个矿区的剥蚀地层厚度相差 300400 m，背斜宽度相 差 3 倍。平果矿区地形剖面见图 2。从图 2 可见这 2 个矿区的地形标高比较接近，而背斜核部地层层位不 同，同时，区域构造分析矿区处在复式向斜的北东 图 1 平果矿区岩溶地貌分带地质图 Fig.1 Geological map of karst land zonations at Pingguo Ore Deposit 中南大学学报自然科学版 第 42 卷 746 图 2 平果矿区地形剖面图 Fig.2 Topographic profile of Pingguo Ore Deposit 翼[5]，所以，背斜规模差异是褶皱标高不同导致剥蚀 程度发生变化。这同时说明矿区是处在共同的侵蚀基 准面控制下， 这 2 个矿区地表发生的侵蚀具有同时性。 在那豆矿区地貌分带反映的岩溶发育程度，是通 过岩溶年龄类型的连续变化表现的[6]，但是，在太 平教美矿区岩溶年龄与地貌分带不完全对应。在背 斜核部峰林峰丛地貌比两侧的锥状−塔状峰林地貌更 年轻，但是，核部出露的泥盆纪地层表明这里侵蚀深 度是最大的。 那豆和太平教美矿区两翼地貌不对称， 是背斜轴面产状向南西倾斜的构造控制的原因。 2 矿区堆积矿演化与成分变化 虽然经过多年地质勘探，但仍然不能保证平果矿 区堆积矿的分布没有遗漏。为了全面掌握堆积矿的分 布特征，采用遥感方法来补充矿区成矿信息。经过反 复试验和现场解译，获取了矿区堆积矿遥感预测图， 以展示堆积矿的整体分布状态[7]见图 1。遥感解译新 获取的堆积矿主要分布在太平教美矿区的核部区 域， 使得原来分离的矿区显示了背斜控矿的完整形态。 堆积矿在翼部丘陵带是连续分布的，在峰林带呈均匀 分散分布，到核部中心分布不均匀，密度降低。与那 豆矿区相比，太平矿区丘陵带堆积矿发育不完整，没 有内侧带，但是，峰林带堆积矿在较大宽度内稳定 分布。 堆积矿是原生矿再风化形成的，它们的矿化成分 具有相关性。对矿区堆积矿稀土元素进行研究发现 那豆矿区和太平矿区的稀土元素特征参数和配分模式 是比较一致的见表 1、图 3，均为 V 型模式，普遍具 有轻稀土轻微富集而重稀土相对亏损的特点。 Eu 均表 现为中度负异常；Ce 基本上表现为正异常。目前，对 平果原生矿的物质来源存在争议，还有待于进一步研 究确定[8]。但稀土元素对比分析结果表明原生矿物质 来源是一致的，因此，堆积矿发生再风化的速率应该 是相近的[9]。 原生矿存在多种矿石类型分带，它们的矿化成分 是不均匀的，但是，经过对全矿区堆积矿矿化数据进 行统计求取平均值，发现所表现的堆积矿成分的变化 反映了风化程度的差别。平果矿区堆积矿矿化数据统 计的频率分布图见图 4。从图 4 可见堆积矿的基本 矿化特征是堆积矿中硅含量低的频数增加，而铝含 量高的频数增加，二者呈负相关关系，铁含量低的频 数有增加趋势，但在较宽范围内含量稳定，表示堆积 矿在风化演化中硅含量降低，铝含量总体趋势增加， 铁的流失不稳定，符合风化作用中元素变化的基本特 征[10−11]。对那豆矿区各分带堆积矿矿化数据进行统计 后求平均值，得出从翼部到核部各分带矿化的变化规 律是当铝含量升高时，硅含量下降；当铁含量下降 时，铝硅质量比上升表 2。说明堆积矿成分按照地貌 分带发生的变化，与风化程度演化造成的成分变化是 一致的，矿区地貌分带反映了岩溶发育程度的变化。 对太平矿区堆积矿分带的已有矿化数据进行统计 后求平均值发现从翼部到核部，铝含量基本持平， 硅含量下降，铁含量升高，铝硅质量比升高见表 2。 说明铝发生流失，但是，比硅的流失要弱，而铁则以 沉积为主。与那豆矿区对比，相同的分带太平矿区的 铝含量较低，硅含量较高，铁含量明显增加。其原因 可能是太平翼部丘陵堆积矿多为残积矿，风化程度 偏低， 而太平核部实际上包含了翼部内侧部分， 同时， 太平矿区统计数据中缺少核部中心地区资料，使得硅 含量偏高；此外，石英集中而铝机械流失[12]，铁的增 加可能与原生矿成分有关。比较 2 个矿区内部的变化 趋势发现硅含量都下降，下降幅度相差不大；但铝 的变化幅度差别明显，在太平矿区铝含量下降；铁的 变化不稳定，不能反映演化特征。从以上分析可看出 平果矿区堆积矿矿化随岩溶地貌演化的变化趋势开 始是铝含量增加，风化中铝流失较慢；岩溶地貌演化 到塔峰普遍发育的程度，使得铝的流失达到转折点， 即堆积矿中铝开始发生净流失。因此，矿区岩溶地貌 第 3 期 祝瑞勤，等广西平果堆积铝土矿岩溶地貌演化与成矿作用 747 表 1 太平、那豆矿区铝土矿稀土元素含量质量分数及特征参数 Table 1 Content and characteristic parameters of REE at Taiping and Nadou bauxite deposit w/10−6 矿区 样品号 La Ce Pr Nd Sm EuGdTbDyHoErTmYbLu w∑Ce/ w∑Y δwEu/ δwCe/ 324-5 56.47 238.90 9.70 33.15 7.25 1.34 11.38 2.32 17.23 3.37 10.34 1.71 10.96 1.65 5.88 1.232.22 328-7 62.19 223.20 17.50 67.39 15.05 2.18 14.10 2.86 23.08 4.88 15.91 2.88 20.08 3.02 4.46 3.371.57 319-5 121.70 414.90 23.67 78.10 15.68 2.33 15.91 2.52 16.71 3.33 10.46 1.77 11.55 1.68 10.27 1.531.72 太平 矿区 319-3 71.11 224.80 17.86 82.43 18.40 3.04 23.95 3.92 28.60 6.49 19.05 2.80 16.71 2.50 4.01 4.581.45 325-22 58.07 440.00 16.44 60.34 13.64 2.21 14.47 2.21 15.38 2.89 8.49 1.51 10.65 1.47 10.35 1.323.30 325-15 35.15 124.10 5.77 20.77 5.07 1.16 7.86 1.84 14.79 2.98 8.92 1.52 10.23 1.48 3.87 1.311.88 325-3 112.40 216.20 20.79 79.30 15.49 2.50 16.54 2.92 21.78 4.40 13.29 2.32 16.09 2.43 5.60 2.770.99 那豆区 325-11 77.70 194.60 9.66 29.30 5.31 1.03 9.41 2.71 32.32 8.92 29.81 4.98 30.59 4.47 2.58 2.061.44 注由中南大学地球科学与环境工程学院 ICPMS 实验室测定。 样品号1319-5; 2325-3; 3325-22; 4319-3; 5325-15; 6325-11; 7324-5; 8328-7 图 3 平果矿区堆积矿稀土元素模式 Fig.3 REE patterns of accumulative bauxite in Pingguo Ore Deposit a wAl2O3与频数的关系; b wSiO2与频数的关系; c wFe2O3与频数的关系 图 4 平果堆积矿成分含量频数直方图 Fig.4 Content histograms of accumulative bauxite at Pingguo Ore Deposit 中南大学学报自然科学版 第 42 卷 748 表 2 那豆、太平矿区各带堆积矿参数平均值 Table 2 Average results of accumulative bauxite in different zonations at Taiping and Nadou bauxite deposit w/ 矿区 矿区部位 样品数/个 Al2O3 SiO2 Fe2O3 wAl/wSi 翼部外侧带 3 371 60.14 6.16 15.58 12.60 翼部内侧带 2 373 62.53 4.49 14.70 20.93 那豆矿区 核部带 1 525 65.07 3.50 13.01 21.56 翼部带 1 947 52.52 7.05 23.16 16.79 太平矿区 核部带 1 496 51.38 4.91 26.22 18.47 演化中塔峰发育是堆积矿成分变化的重要地貌界线， 是铝含量变化的临界值。 3 矿区岩溶水文地貌的成矿作用 岩溶地貌形态反映特定的水文结构型式，因此， 岩溶地貌类型的演化也是岩溶水文结构的演化[3]。在 平果矿区代表不同演化阶段的岩溶丘陵、峰丛和峰林 地貌对应不同的水文活动形式，丘陵地貌以地表斜坡 流水侵蚀为主，峰丛地貌发育垂直渗流侵蚀的岩溶作 用，峰林地貌是水平流水侵蚀形成的。平果矿区岩溶 村貌演化模式见图 5。其中峰林开始形成时为锥峰， 由于地下溶洞坍塌而转变为塔峰[2]。岩溶地貌演化伴 随地壳抬升的过程，初期原生矿层剥蚀时形成原始岩 溶表面，流水从地表转入地下产生垂直渗流形成峰丛 图 5a，地壳稳定时岩溶侵蚀达到潜水面使水平流水 成为主要侵蚀动力，峰丛边坡平行后退形成峰林洼 地[3, 13]图 5b，恒定的地下水位形成水平溶洞层[6]， 侵蚀塌陷形成塔峰图 5c。塔峰的成因可能有多 种[14]，因为太平矿区塔峰与锥峰是混合分布的，现场 观察是地下岩溶管道塌陷形成塔峰。但是，塔峰在那 豆矿区核部和太平教美矿区的泥盆系核部并不发 育，说明水平岩溶通道发育弱，这种差别表明矿区中 地下水系的发育程度是不均匀的。 平果矿区岩溶地貌总体上是按顺序分带分布 的，对应地貌分带的水文形式从翼部到核部是地表流 水，垂直渗流，水平流水，但它们不会同时出现在一 个平面上。因地壳上升形成地下多层岩溶的发展是普 遍存在的现象[15−17]，对应地下水位变化形成岩溶地貌 类型的转换[18]。平果矿区岩溶地貌的分带是岩溶多旋 回活动的结果[6]，核部峰林地貌形成于早期地壳稳定 阶段图 5bd，属于早期旋回的残留地貌，而翼部 丘陵和峰丛地貌形成于晚期地壳上升阶段图 5c， 是 后期岩溶旋回地貌， 对应矿区现代岩溶水系活动[19]图 5d。因为褶皱使多旋回叠加的地貌表现为水平分 带，但在核部峰林带中也发育峰丛地貌，是同位叠加 所致。 平果矿区堆积矿表面上与岩溶地貌的关系密切， 实际上堆积矿矿化直接受岩溶水文活动的控制，堆积 矿的演化伴随岩溶水文活动的演化。地表地貌控制堆 积矿的明显特征是丘陵堆积矿在地表流水单向搬运 中形成平面分选分带，洼地堆积矿从周围高地迁移汇 集，但其底部保存了早期堆积矿层。从丘陵到锥状峰 林阶段地下水系逐渐发育成熟，但处在地表的堆积矿 还没有与地下溶洞层直接接触， 堆积矿的流失率较低， 铝含量保持上升的趋势。而塔状峰林的发育表明地下 水平溶洞暴露至地表，这是早期地下水系活动通道， 堆积矿通过早期溶洞层可能明显增加流失率，使得铝 含量开始下降。总体上，平果矿区岩溶地貌演化保持 封闭环境，堆积矿成分变化指示风化加强的顺序，导 致铝集中和硅流失，类似于夷平面风化壳的条件。而 塔峰带指示地下水平溶洞层的出露增加了矿区开放程 度，特别是增加了铝机械流失的强度，成为堆积矿成 分变化的转折点。 4 矿区地下水系流域地质特征 岩溶地貌是统一在流域系统中具有联系的整 体[3, 20]，通过分析平果矿区的流域水系特征有可能发 现岩溶地貌完整的形态分布关系和演化特征，并进一 步认识矿区堆积矿的分布变化规律。平果矿区处于右 江流域中游，右江流向南东，大致平行于矿区背斜长 轴。矿区的岩溶地下水系属于受背斜控制的封闭型水 系[3]，因此，与地表水系方向应该是一致的。 平果矿区流域水系分布见图 6，太平矿区塔峰分 布密度等值线见图 7。因为塔峰是在地下水平溶洞塌 陷时形成的，因此，连续分布的塔峰区反映地下水系 流域的活动形态。太平矿区塔峰分布范围表现为南东 第 3 期 祝瑞勤，等广西平果堆积铝土矿岩溶地貌演化与成矿作用 749 a 早期垂直渗流作用下形成峰丛地貌；b 早期水平流水作用下形成锥状峰林地貌； c 后期地表抬升使溶洞塌陷形成塔状峰林地貌；d 地壳抬升后重新发育垂直渗流叠加新的峰丛地貌 图 5 平果矿区岩溶地貌演化模式 Fig.5 Evolution models of karst land at Pingguo Ore Deposit 图 6 平果矿区流域水系分布 Fig.6 Distribution of karst watershed at Pingguo Ore Deposit 向延伸的区带，指示对应的地下水系方向，与背斜轴 向平行，也与地表水系平行。在塔峰带北东侧与之平 行延伸的是泥盆纪核部带的锥峰带，与两侧塔峰带相 比为低级岩溶类型，因此，推测是地下分水岭位置图 6。太平塔峰带中部塔峰均匀分布，在接近核部分水 岭时变为分支状形态，表现了地下水系干流与支流的 关系。在翼部丘陵带一侧也分布分支水系，但宽度狭 窄，组成太平不对称地下羽状水系[3]。主干水系偏向 丘陵一侧可能与南西方向的右江排泄基准面有 关[6, 21]。在丘陵一侧非溶地层阻止岩溶发展，而分水 岭一侧是岩溶扩展的方向，造成水系不对称。太平与 教美之间地下分水岭沿背斜核部位置分布，是因为两 翼地层产状不同成为控制支流通道的因素[3]，并造成 单位100 m/km2 图 7 太平矿区塔峰分布密度等值线 Fig.7 Density contours of towering peaks at Taiping Ore Deposit 两侧矿区不对称，在教美矿区水系规模小。那豆矿区 岩溶地貌反映的水系特征是翼部地表流水发育，而 核部地下水系发育程度不高，只形成范围不大的锥峰 区。推测地下水系干流通过背斜核部，没有形成地下 分水岭。平果矿区短轴背斜是完全封闭型岩溶水系， 在上、下游的倾覆端都变为地表水，因此，太平矿区 的塔峰带整体为透镜状图 7，中部地下岩溶最发育， 向倾覆端减弱。矿区之间的对比结果说明在相同的 侵蚀基准面控制下，太平教美矿区形成与成熟地下 水系对应复杂地貌分带，而那豆矿区形成简单岩溶地 中南大学学报自然科学版 第 42 卷 750 貌形态，其丘陵地貌发育与右江河流地貌侵蚀强化 有关。 对矿区地下水系流域进行分析， 发现岩溶地貌的整 体分布形态变化的原因是堆积矿分布形态的变化也 是受岩溶地下水系控制。地下水系的形态和活动具有 特定的方式，因此，矿区堆积矿的分布规律可以通过 地下水系的活动性质进行研究。太平矿区成型的地下 水系流域使得堆积矿分布有向主干水系汇聚的趋势， 堆积矿在塔峰区范围内稳定分布，在分水岭带矿化呈 减弱的趋势，地下流域水系具有的落差使得溶洞之间 形成高差，在溶洞塌陷时变成地表的高差，形成地表 堆积矿迁移的方向。水系形态与边界条件和水系发育 程度有关，平果矿区的背斜构造决定了水系发育的封 闭型边界条件，形成羽状水系。那豆矿区与太平教 美矿区的水系发育程度差别较大，导致堆积矿的分布 形态明显不同，后者地下水系在核部区发育成熟，使 得洼地堆积矿广泛分布，挤占了丘陵堆积矿的空间。 那豆矿区规模小，地下水系不成熟，使得丘陵堆积矿 成为主要类型。 5 结论 1 从那豆矿区到太平矿区的岩溶地貌表现了演 化发展的关系。在岩溶地貌类型变化的同时，地貌分 带形态也在改变，在太平教美矿区核部还出现了岩 溶侵蚀程度与地貌类型演化顺序不对应的现象，反映 矿区地貌演化中地质因素发生的变化。 2 随着岩溶地貌发育程度的提高，堆积矿成分 发生相应的变化，符合土壤风化程度发展的规律。堆 积矿中铝含量经历了从升高到降低的过程，变化的转 折点以普遍发育塔峰为标志。 3 矿区岩溶地貌类型对应不同的岩溶水文型 式。矿区具有多旋回岩溶演化的特点，塔峰的发育因 为连通了早期溶洞层从而降低了矿区堆积矿的封闭程 度，可能造成堆积矿的机械流失而使铝含量下降。 4 水系发育程度是影响岩溶地貌分布形态的重 要因素。 矿区岩溶发育阶段岩溶地貌的发育是规则的， 但是，流域水系的发育造成岩溶地貌的分布不规则， 并且控制了堆积矿的整体分布形态和矿化程度。 参考文献 [1] G 巴多西，G J J 阿伯丁. 红土型铝土矿[M]. 沈阳 辽宁科学 技术出版社, 1994 148−155. 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