铝土矿地质与成因研究进展.pdf

第 48 卷第 3 期 2012 年 5 月 地质与勘探 GEOLOGY AND EXPLORATION Vol． 48No． 3 May， 2012 铝土矿专栏 ［收稿日期］ 2011 －12 －10; ［修订日期］ 2012 －01 －18; ［责任编辑］ 郝情情。 ［基金项目］ 河南省覆盖区铝 粘 土矿资源潜力评价和找矿技术研究项目 项目编号 编号 资［ 2010］矿评 01 －12 －13 号 ; 广西地质 矿产勘查开发局地质勘查项目 编号 桂地矿技 【2008】 02 号 ; 豫西铝土矿成矿物质来源研究 项目编号 41102048 和新世纪优秀人才支撑计 划 项目编号 NCET －10 －0752 资助。 ［第一作者］ 王庆飞 1978 年 － ， 男， 副教授， 现主要从事固体矿产和数学地质等方面研究。E － mailwqf cugb． edu． cn。 铝土矿地质与成因研究进展 王庆飞 1 ， 邓 军 1， 刘学飞1， 张起钻2， 李中明3 ， 康 微 1， 蔡书慧1 ， 李 宁 1 1． 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京100083; 2． 广西壮族自治区地质矿产勘查开发局，广西南宁530023; 3． 河南省地质调查院，河南郑州450000 ［ 摘要］ 我国铝土矿矿产时空分布广， 类型多样， 铝土矿地质与成因研究对促进铝土矿地质学发 展有重要意义。本文从铝土矿矿床分类、 铝土矿的矿体形态与内部结构、 矿体层序、 物质组成、 物质来 源、 成矿环境和成因机制等方面， 综述了国内外铝土矿地质学的研究进展， 阐释了我国铝土矿的部分特 征， 提出了近年我国铝土矿研究的部分新方法与观点; 应用铝土矿中碎屑锆石 U － Pb 和 Lu － Hf 同位素 特征，判识了多个喀斯特型铝土矿集中区的物质来源， 提出多数喀斯特型铝土矿多具有异源特征， 与区 域重大地质事件具有成因联系， 是洋陆俯冲、 大陆漂移以及集中风化等多因耦合的结果。提出了我国喀 斯特型铝土矿迁移机制， 认为华北板内铝土矿 山西、 河南 成因机制主体为 “离子结晶与碎屑沉积” 综 合成因; 而华南铝土矿 贵州、 广西 成因机制主体为 “离子结晶” 成因。 ［ 关键词］ 中国铝土矿分类物质演化物质来源成矿环境 成因机制 ［ 中图分类号］ P618［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 0495 －5331 2012 03 －0430 －19 Wang Qing － fei， Deng Jun， Liu Xue － fei， Zhang Qi － zuan， Li Zhong － ming， Kang Wei， Cai Shu － hui， Li Ning． Review on research of bauxite geology and genesis in China［ J］ ． Geology and Explora- tion， 2012， 48 3 0430 －0448． 1引言 铝土矿是在潮湿的热带 － 亚热带气候条件下地 表风化作用的产物， 富含 Al、 Fe 和 Ti 的氢氧化物和 氧化物 Brdossy， 1982;Brdossy and Aleva，1990; D＇Argenio and Mindszenty， 1995;Calagari and Abedi- ni， 2007;Deng et al． ，2010 。铝土矿是金属铝的 主要原料， 其用量占世界铝土矿总产量的 90 以 上， 铝土矿还可应用于耐火材料、 研磨材料、 化学制 品及高铝水泥的加工。2008 年世界铝土矿储量为 270 亿 t， 几内亚、 澳大利亚、 越南的储量居世界前 3 位， 其中中国铝土矿储量占世界总储量的 3。 2008 年世界铝土矿产量为 2． 11 亿 t， 生产铝土矿的 国家有澳大利亚、 几内亚、 巴西、 中国、 印度等国家， 其中中国生产的铝土矿占世界总量的 10。2008 年世界原铝产量为 3926． 39 万 t， 美国、 俄罗斯、 加拿 大、 中国等国家是原铝生产大国， 其中中国原铝产量 占世界原铝总产量的 34 数据来自Mineral Com- modity Summaries ， 2008，2009 。总体而言， 中国 铝土矿资源储量不多， 但是需求量巨大; 从而深入认 识中国铝土矿成因与分布规律， 大力开展铝土矿勘 查有重要现实意义。中国铝土矿分布的时空范围较 广， 成因类型多样， 成矿过程复杂， 影响因素多; 对中 国铝土矿成因的深入揭示对于发展铝土矿成矿理论 有重要作用。 国际铝土矿研究主体起步于 20 世纪初期， 在近 一个世纪研究中， 前人从铝土矿矿床地质特征、 类型 划分、 物质组成、 物质来源与成因理论等多个方面做 了系统探索， 深入揭示了铝土矿成矿环境与成矿过 程， 取得了重大的成果。与国际铝土矿相比， 中国铝 土矿研究起步相对较晚; 经过几代研究者的持续工 作， 在物质组成、 矿床成因等方面的研究都有较大进 034 展; 但是由于成矿过程与物质赋存状态复杂， 研究难 度较大; 在物质来源、 成矿方式等方面也存在诸多争 议。本文综述了国内外铝土矿研究的主要研究方法 与进展， 初步提出了中国铝土矿成矿的一些新观点。 2铝土矿矿床分类 2． 1分类体系 铝土矿的分类经历了长达一个世纪的探索与研 究。诸多国内外学者通过铝土矿的物质组成、 矿体 形态、 地质产状、 基岩类型、 矿床成因以及产出大地 构造背景等对铝土矿展开了详细的分类研究。 最早区分不同类型铝土矿的主要依据是矿石的 矿物和化学组成 Lapparent，1930;Schneiderhohn， 1944;Konta， 1958 。但是由于大多数铝土矿都具 有不一样的化学和矿物组成特征， 因此该分类结果 只能将铝土矿地球化学和矿物学方面区分开。 Peive 1947 首先认识到矿体所在大地构造位置的 重要性， 所以根据大地构造背景将铝土矿进行了分 类。但构造背景分类也存在不足之处， 即大地构造 过程只能间接地影响铝土矿矿化过程， 不能作为标 准区分开各类铝土矿。之后， 铝土矿矿体形状和地 质产状被列为铝土矿分类的标准 Harder and Greig， 1960;Patterson，1967;Grubb，1973;Patter- son et al． ， 1986 ; 该分类模型的优点为其反映了矿 体形状和位置的真正差别， 然而模糊性仍然存在。 此外， 一些纯成因分类也被提到 Vikulova，1946; Bushinsky， 1975; Saposhnikov， 1975; Kirpal， 1977 ; 成因分类的一个共同缺点即一些标准都是 演绎和理论化的， 野外实际的应用性较差。 目前， 应用最广泛的是根据基岩来分类。根据 基岩类型， 铝土矿主要分为喀斯特型和红土型两类。 产于碳酸盐岩古喀斯特面之上的称为喀斯特型铝土 矿， 产于铝硅酸盐岩之上的称为红土型 Brdossy and Aleva， 1990; D’ Argenio and Mindszenty， 1995 。 喀斯特型铝土矿据其产出大地构造背景又可划分为 板内喀斯特型铝土矿和造山带型铝土矿; 其中， 造山 带型铝土矿占喀斯特型铝土矿总量约 85 D’ Ar- genio and Mindszenty， 1995 。应用基岩分类的本质 观念是基岩或者母岩的组成物质影响着矿体的形 态、 物质组成与岩石学特征矿体。因此， 近年来， 根 据基岩类型进行的铝土矿分类被广泛应用在世界各 地铝土矿研究中 Horbe and Costa，1999; Mordberg， 2001; Laskou，2003; Mameli et al． ，2007; Deng et al． ， 2010 。 2． 2中国铝土矿矿床分布与类型 我国铝土矿产于古生界、 中生界和新生界各地 层之中， 以石炭纪和二叠纪铝土矿分布最广; 石炭纪 铝土矿大量分布于华北准地台上， 二叠纪铝土矿则 大量分布于扬子和华南准地台上 表 1 。 依据基岩类型， 我国铝土矿主体可以分为两种 类型。第一类为喀斯特型铝土矿， 含铝矿物主要为 硬水铝石， 也称为硬水铝石喀斯特型铝土矿。喀斯 特型铝土矿占据我国铝土矿总资源量的 85 以上， 主体分部在山西、 河南、 贵州和广西等地区 Wang et al． ， 2010; 刘学飞， 2011 。第二类为红土型铝土 矿， 主要分布在桂中、 福建漳浦、 广东雷州半岛和海 南蓬莱等地， 主要含铝矿物为三水铝石， 也称三水铝 石红土型铝土矿。其中， 桂中地区红土型铝土矿铁 含量较高， 也称之为高铁红土型铝土矿。 我国铝土矿的工业类型主要包括高铁型铝土 矿、 高铁低硫型铝土矿、 高硫型铝土矿、 低铁低硫型 铝土矿和中、 高铁型铝土矿， 其中以高铁铝土矿和低 铁低硫型铝土矿为主导。我国铝土矿发育地层时 代、 主要分布地区、 自然类型、 工业类型以及成因类 型见表 1。 3矿体结构与共生矿产 含矿岩系层序与矿体内部结构的研究有助于理 解铝土矿的形成过程。目前， 主要借助沉积学、 层序 地层学、 沉积古地理、 矿田构造、 地貌地形学、 岩溶学 和数理统计等多学科综合研究， 进行探索铝土矿层 序格架和解析矿体内部结构特征 图 1 。 3． 1矿体层序 1华北铝土矿 含矿岩系层序组成严格受喀 斯特地形控制。以华北 G 层铝土矿溶斗和溶洼型 矿体为例， 论述其含矿岩系层序特征。在溶斗内部， 自下到上包括铝质粘土、 豆鲕状铝土矿、 块状铝土 矿、 铝土质粘土、 碳质泥页岩、 砂岩/灰岩 顶板 ; 在 溶斗周围隆起处， 自下而上包括风化壳 铁质粘 土 、 块状铝土矿、 铝土质粘土岩、 碳质泥页岩、 砂 岩/灰岩 顶板 ; 在局部地形更高的区域， 层序中缺 失了铝土矿层， 自下而上包括风化壳 铁质粘土 、 铝土质粘土岩、 砂岩/灰岩 顶板 ， 或者没有地层记 录， 直接与顶板接触。在溶洼为主的古地形中， 在溶 洼内部， 层序自下而上包括铝质粘土 含菱铁矿粘 土 、 豆鲕状铝土矿、粘土质铝土矿/粘土岩/碳质泥 134 第 3 期王庆飞等 铝土矿地质与成因研究进展 表 1中国铝土矿时代、 分布及其类型 Table 1Metallogenic epochs，distribution and types of bauxite deposits in China 地层时代主要矿区自然类型工业类型成因类型 第四纪桂西平果、 那坡、 田阳、 靖西等硬水铝石型高铁型铝土矿喀斯特型 堆积型 更新世桂中的贵港、 横县、 宾阳、 来宾、 武鸣等三水铝石型高铁型铝土矿钙红土型 第三纪福建漳浦， 广东雷州半岛， 海南蓬莱三水铝石型 高铁低硫型铝土矿红土型 晚二叠世 广西田阳、 平果， 湖南保靖、 怀化， 陕西西乡硬水铝石型高硫型铝土矿喀斯特型 沉积型 早二叠世 湖南泸溪、 慈利， 四川南川， 辽宁本溪田师付等硬水铝石型 低铁低硫型铝土矿 喀斯特型 沉积型 晚石炭世 贵州开阳、 息峰、 遵义， 河南张瑶院、 杜家沟、 新安郁山、 山西平陆， 陕西铜川、 白河 硬水铝石型 低铁低硫型铝土矿 喀斯特型 沉积型 中石炭世 辽宁本溪、 复州湾， 山东淄博， 河北唐山、 滦县， 陕西府谷， 四川昭化等硬水铝石型 中、 高铁型铝土矿喀斯特型 沉积型 图 1铝土矿研究框架图 Fig． 1Framework diagram of bauxite study s 页岩、 块状铝土矿、 铝质粘土岩、 碳质泥页岩、 砂岩/ 灰岩 顶板 ; 向溶洼开口方向延伸层序组成变的简 单， 自下而上包括铁质粘土、 块状铝土矿、 铝土质粘 土、 碳质泥页岩、 顶板砂岩/灰岩 图 2 。铝土矿体的 层序特征反映了不同部位的氧化还原条件的不同。 2桂西铝土矿 桂西喀斯特型铝土矿包括二 叠系沉积型和第四系堆积型两种类型的铝土矿。二 叠系沉积型铝土矿赋存于二叠系三合组底部， 茅口 组古喀斯特面之上。铝土矿含矿层序受古喀斯特地 形地貌控制 图 3 。含矿岩系主体由下部的铁质粘 土岩/铁帽和上部的含铝岩系组成; 含铝岩系中铝土 矿层数受古喀斯特地貌的控制， 在以喀斯特洼地中， 234 地质与勘探2012 年 图 2华北溶洼型铝土矿层序组成示意图 Fig． 2Sketch illustrating bauxite horizons in the karstic depression in North China 1 － 白云岩; 2 － 泥质白云岩; 3 － 灰岩; 4 － 粗砂岩; 5 － 砂岩; 6 － 泥砂岩; 7 － 泥页岩; 8 － 豆鲕粒铝土矿; 9 － 块状铝土矿; 10 － 铝质粘土; 11 － 铁质粘土; 12 － 碳质泥岩; 13 － 杂色泥页岩; 14 － 铁锰质团块; 15 － 铝质泥岩; 16 － 铁质风化壳; 17 － 煤层 1 － dolostone; 2 － muddy dolostone; 3 － limestone; 4 － gritstone; 5 － sandstone; 6 － siltstone; 7 － clay － shale; 8 － beansoolitic bauxite; 9 － massive bauxite; 10 － aluminum clay; 11 － irony rock; 12 － carbonaceous mudstone; 13 － variegated clay shale; 14 － mass of iron and manganese; 15 － aluminum mudstone; 16 － irony weathering; 17 － coal seam 经常包含两个铝土矿 － 碳质泥岩/粘土岩旋回; 局部 地区也包含三个铝土矿 － 碳质泥岩/粘土岩旋回; 在 岩溶高地处， 通常只包含一个铝土矿 － 碳质泥岩/粘 土岩旋回。堆积铝土矿矿体赋存于岩溶洼地内第四 系更新统岩溶堆积红土层中 图 4 。含矿层序从底 向上包括红土层、 堆积型铝土矿和上部粘土层; 反映 了第四纪红土化过程与矿石堆积过程的共同发展。 3贵州铝土矿 贵州铝土矿主体赋存于晚石 炭世九架炉组中， 主要包括两种剖面类型 刘平， 1995 。第一类型为铁质岩 － 铝质岩类型。该类型 剖面下部主要为铁质粘土岩、 绿泥石粘土岩、 绿泥石 岩， 常夹块状、 豆鲕状的赤铁矿、 绿泥石铁矿、 菱铁矿 及褐铁矿透镜体和结核， 局部构成铁矿体， 并时与黄 铁矿体共生。剖面的中上部为铝质岩， 包括各种类 型的铝土矿和铝土岩， 常夹粘土岩， 偶尔有炭质粘土 岩和劣质煤。第二类型为粘土岩 － 铝质岩类型。下 部主要为伊利石粘土岩， 常含星点状、 结核状、 致密 块状黄铁矿， 局部构成工业矿体; 中上部有各种铝质 岩夹粘土岩， 偶尔夹炭质粘土岩和劣质煤; 该此类剖 面结构在全区范围内普遍发育。 4桂中铝土矿 铝土矿和高岭土矿共生。桂 中红土型铝土矿主要分布在泥盆系、 石炭系碳酸岩 溶准平原内低丘、 矮岭和台地的第四系红土层中， 具 有明显的垂向分带性。自下向上依次为 灰岩、 粘土 层、 铝土矿层、 表土层。但由于第四纪的水动力条 件， 使得各地的铝土矿有明显差异， 主要体现在垂直 分带的差异。剖面类型主要包括如下几种 ① 底板 灰岩之上为表层土， 此种剖面类型的矿点含矿石较 少， 无开发价值; ② 底板灰岩之上为铝土矿层， 铝土 矿含矿率较高， 通常达到中等含矿强度; ③ 底板灰 岩之上为粘土层、 铝土矿层; ④ 自下而上为粘土层、 铝土矿层、 表层土或没有表层土; ⑤ 单一的铝土矿 层; ⑥ 高岭土层、 表层土。 3． 2品位 － 吨位曲线 含铝岩系中多存在几种矿石类型 粘土岩、 铁 矿、 粘土质铁矿、 粘土质铝土矿、 铝土矿; 很多情况 下， 各种类型矿石存在过渡层位; 并且根据铝土矿的 质量不同， 有多种不同的工业用途; 从而建立矿体的 品位 － 吨位模型可以为矿区矿石开采提供基础依 据。在此， 介绍一个简便的计算方法; 公式 1 为基 于个数 － 规模模型的矿石储量估算分形模型 FM- RE － NS Wang et al， 2010a 334 第 3 期王庆飞等 铝土矿地质与成因研究进展 图 3桂西二叠系铝土矿含矿岩系层序组成特征 Fig． 3Columns showing the stratigraphic sequence of Permian bauxite horizons in the karstic depression in western Guangxi Province A － 平果高基铝土矿; B － 平果太平 11 号矿体; C、 D － 平果那沙 37 号铝土矿体; 1 － 粉砂岩; 2 － 粉砂质泥岩; 3 － 炭质页岩; 4 － 泥页岩; 5 － 炭质泥页岩; 6 － 钙质泥页岩; 7 － 铝土岩; 8 － 粘土岩; 9 － 灰岩; 10 － 泥质灰岩; 11 － 铁帽; 12 － 铝土矿 A － Gaoji bauxite deposit in Pingguo County;B － No． 11 orebody in Taiping bauxite deposit in Pingguo County;C， D － No． 37 orebody of Nasha bauxite deposit in Pingguo County; 1 － aleuvite; 2 － silty mudstones; 3 － carbonaceous shale; 4 － clay － shale; 5 － carbonaceous clay － shale; 6 － calciumclay － shale; 7 － bauxitite; 8 － claystone; 9 － limestone; 10 － argillaceouslimestone; 11 － gossan; 12 － bauxite 434 地质与勘探2012 年 图 4桂西堆积型铝土矿层序特征 Fig． 4Stratigraphic column showing sequence of the Quaternary bauxite in the bauxite deposit of western Guangxi Province 1 － 第四纪覆盖物; 2 － 红土; 3 － 石灰岩; 4 － 铝土矿; 5 － 石灰岩碎片; 6 － 取样 1 － Quaternary covers; 2 － halloysit; 3 － limestone; 4 － bauxite; 5 － limestone fragments; 6 － sampling Oa ρAUD1     1 D1 U1－D1 2 － U1－D1 1 1 － D1 Σ n－1 i 2 Di∏ n－1 i 2 UDi－Di－1 i 1 － Di U1－Di i1 － U1－Di i     1 式中 Oa为矿化带质量， ρ 为矿石密度， A 为矿体面 积， Ui为分形模型中第 i 段矿化厚度的分界值， D i 为相应的分维值。 平均品位 － 边界品位模型公式为 Wang et al， 2010b Gm CiDi 1 － Di G 1－Di i1 －G1－Di c Σ n j i1 CjDj 1 － Dj G 1－Dj j1 －G1－Dj j CiG－Di c － CnG－Dn max 2 式中 Gm为矿石的平均品位， Gc 为矿石的边界品位， Gi为模型中第 i 段的分界品位， Gmax为矿石中元素 最大含量， Ci为第 i 段个数 － 规模 N － S 分形模型 的常数。 吨位 － 边界品位模型公式 Wang et al， 2010b O OaG －Di c G －D1 a ∏ i j 2 GDj－Dj－1 j 3 式中 O 为矿石量， Gc为边界品位， Ga最小非零品 位。 以山西某铝土矿为例， 研究了矿体的品位 － 吨 位模型， 进一步揭示了矿体结构的特征 图 7 。矿 区共收集 135 个钻孔数据， 厚度范围为 0． 50 ～7． 78 m， Al2O3含量范围为 43． 24 ～ 74． 11， A/S 范围 为 2. 66 ～37． 86。矿体厚度的个数 － 规模模型 如图 5 所示， 可用 4 段直线进行拟合。已知研究区 矿体的面积为 10000 m2， 矿石密度为 3． 8 g/cm3 ， 根 据公式 1 计算可得矿石吨位为 84950． 03 t。在 A/ S 的 N － S 分形模型中， 可用 4 段直线进行拟合。通 过公式 2 获得 A/S 的平均品位与边界品位之间的 关系。根据公式 3 得到 A/S 的矿石吨位与边界品 位之间的关系曲线， 如图 6 所示。矿区的品位 － 吨 位曲线揭示随着矿石品位 A/S 的升高， 矿石量急 剧下降。 图 5宽草坪铝土矿厚度 N － S 分形图 原始数据 来自山西省第三地质工程勘察院， 2002 Fig． 5Number － size model for orebody thickness in the Kuancaoping bauxite deposit The original data are from the Third Institute of Geological Engineering Exploration of Shanxi Province， 2002 534 第 3 期王庆飞等 铝土矿地质与成因研究进展 3． 3共生矿产 不同类型的铝土矿床由于成矿条件不同， 其共 生矿产种类也不一样。我国喀斯特型 沉积型 铝 土矿共生矿产种类最多， 其上覆地层中常产有煤、 熔 剂灰岩、 油页岩等; 在含铝岩系中共生有耐火粘土、 铁矾土、 铁矿、 硫铁矿等， 其中以耐火粘土和铁矾土 为主; 低铁、 低硫高品级的铝土矿其本身也就是高铝 耐火粘土矿。我国喀斯特型 堆积型 铝土矿共生 矿产主要为低品位三水铝石矿。红土型中通常共生 有高岭土和钴土矿。 1耐火粘土矿 耐火粘土矿是喀斯特型 沉 积型 铝土矿中重要的共生矿产， 通常和铝土矿是 同层位相变或者互相夹层的关系。我国耐火粘土主 要分布在山西、 河南、 河北、 山东和内蒙古省区的喀 斯特型铝土矿中， 约占总数的 85， 次有贵州、 辽 宁、 四川和云南等 马兴， 1987 。耐火粘土矿的工 业价值大小视铝土矿床的规模而定; 若矿床以铝土 矿为主， 则耐火粘土为次要矿产， 若铝土矿规模小， 则矿床以耐火粘土为主。低铁低硫型高级铝土矿也 是高铝耐火粘土矿， 经济价值更大。另外， 我国独特 的桂中高铁红土型铝土矿层顶部共生一层硬质粘土 矿值得关注; 其主要矿物为高岭石。 2铁矿 通常赋存于喀斯特型 沉积型 铝 粘 土矿之下， 底板碳酸盐风化面之上。在华北地 台之上称为 “山西式铁矿” ， 在贵州称为“清镇式铁 矿” 。矿体延伸长度可达数十米到数百米不等; 厚 度一般为 1 ～2m。该类型铁矿资源量巨大， 但目前 综合利用程度较低。 3硫铁矿 硫铁矿产出情况有两种， 一种是产 于喀斯特型 沉积型 铝土矿顶底部粘土岩中， 呈星 点状、 团块状; 矿石矿物由黄铁矿和粘土矿物组成; 该类型硫铁矿广泛分布于我国喀斯特型 沉积型 铝土矿中。我国喀斯特型铝土矿中共生硫铁矿综合 利用程度不高。 4铁矾土 铁矾土与铝土矿或粘土矿通常共 生在一起， 主要分布于华北地区的山西、 河南、 内蒙 古、 河北等省区。矿体赋存于上石炭统本溪组下部 含矿岩系中， 在高铝粘土层之下。 5低品位三水铝石矿 该类型低品位共生矿 产主要分布在我国桂西第四系喀斯特型 堆积型 铝土矿中。堆积型铝土矿赋存于第四红土层中; 在 红土层中存在大量三水铝石; 其中约 33 的含矿岩 系达到边界品位; 其最低溶出率达到 96 龙宝林 和刘云华， 2005 。该三水铝石矿具有溶出性能好、 634 地质与勘探2012 年 冶炼成本低， 经济价值高等优点。桂西是我国重要 的三水铝石资源产地， 具有良好的综合利用前景。 6石灰岩 石灰岩通常为喀斯特型铝土矿的 重要共生矿产之一。在我国与喀斯特型铝土矿共生 的石灰岩分布比较广泛， 储量相当丰富。在贵州和 广西有黄龙灰岩、 栖霞灰岩和长兴灰岩等; 在华北地 台之上有寒武 － 奥陶系灰岩、 石炭系本溪组二段中 灰岩。更重要的是我国桂中红土型铝土矿中底板也 共生有大规模的石灰岩矿产。 7钴土矿 我国海南岛 － 福建沿海一带分布 的红土型铝土矿床中普遍共生有淋滤残坡积钴土 矿。 8油页岩 主要分布在华北地台之上， 产出层 位为太原组和山西组。矿层层数 3 ～ 6 层。最下面 的油页岩距铝土矿层仅数米或十余米， 含油率为 3 ～7。 9煤 煤是我国喀斯特型 沉积型 铝土矿的 重要共生矿产之一; 其主要出现于含铝岩系顶部。 煤系的分布规律严格受古喀斯特地形的控制; 煤系 通常出现在喀斯特洼地地形中的铝土矿顶部， 在全 国喀斯特型 沉积型 铝土矿中均有分布。 10锰铁矿 或含锰菱铁矿 。主要分布在华 北地区二叠系地层中的下石盒子顶部或上石盒子底 部， 含矿层 4 ～6 层， 矿体呈似层状、 透镜状。延长一 般数十米至数百米， 最长 3000 余米。厚度 0． 2 ～ 5. 71m， 一般 0． 5 ～1m。浅部由含锰的褐铁矿、 赤铁 矿组成， 深部为菱铁矿。 4矿物组成与演化序列 矿物组成及其形成演化过程的研究主要是通过 显微镜观察、 X 衍射分析 XRD 、 扫描电镜 － 能谱分 析 SEM －EDS 、 电子探针分析 EPMA 、 差热/热重 分析 DTA/TG 、 红外光谱分析 FTIR 和重砂矿物挑 选多种手段综合分析探索 图 1 。研究发现， 不同铝 土矿集中区的矿石矿物组成存在较大差异。 目前为止， 从华北铝土矿矿石中识别出矿物类 型有 30 余种。吴国炎 1996 将豫西铝土矿中矿物 归纳为五大类型 Ⅰ － 铝矿物， 包括硬水铝石、 勃姆 石和三水铝石; Ⅱ － 粘土矿物， 包括伊利石、 高岭石、 蒙脱石、 绿泥石、 叶蜡石、 地开石、 埃洛石; Ⅲ － 铁矿 物， 包括赤铁矿、 针铁矿、 菱铁矿、 黄铁矿、 磁铁矿、 钽 铁矿; Ⅳ － 钛矿物， 包括金红石、 锐钛矿和板钛矿; Ⅴ － 其他微量矿物， 锆石、 电气石、 硫磷铝锶矿、 明矾 石、 方解石、 石英、 长石等。华北铝土矿总体上是以 硅铝钛矿物为主， 但是不同地区有不同的矿物组合 反映不 同 的 成 矿 特 征 温 同 想， 1996; 吴 国 炎， 1996 。矿物形成阶段大概可以划分为四个阶段 陆源期、 同生期、 成矿期、 成矿后期和表生期。 多种方法综合分析了桂西喀斯特型铝土矿中矿 物组成。分析结果显示组成二叠系喀斯特型 沉积 型 铝土矿矿石的矿物包括硬水铝石、 鲕绿泥石、 锐 钛矿、 赤铁矿、 铝 针铁矿、 高龄石、 黄铁矿、 金红 石、 伊利石、 石英、 锆石、 钛铁矿、 磁铁矿、 磷灰石、 白 钛石、 方铅矿、 褐铁矿、 黄铜矿、 白云母; 第四系喀斯 特型 堆积型 铝土矿矿石的矿物包括硬水铝石、 赤 铁矿、 高龄石、 锐钛矿、 铝 针铁矿、 鲕绿泥石、 伊利 石、 叶腊石、 三水铝石、 石英、 伊蒙混层、 金红石、 锆 石、 白钛石、 方铅矿、 磷灰石、 钛铁矿、 磁铁矿、 褐铁 矿、 黄铜矿、 白云母和少量固溶体系列。从沉积型铝 土矿向堆积型铝土矿转化过程中， 矿石中鲕绿泥石 大量溶解， 高岭石、 赤铁矿、 铝 针铁矿、 伊利石、 叶 腊石、 三水铝石大量结晶形成。综合矿物组合特征 和成因阐释， 将桂西喀斯特型铝土矿中矿物的形成 演化划分为物质准备期、 初次表生期、 同生期和二次 表生期。 贵州喀斯特型铝土矿的矿石矿物主要是硬水铝 石; 此外， 还有少量的勃姆石。自生矿物主要有高岭 石、 伊利石和锐钛矿， 次有鲕绿泥石、 黄铁矿、 菱铁 矿、 赤铁矿、 针铁矿、 重晶石和石膏。伴生的陆源碎 屑矿物主要包括高岭石、 蒙脱石、 伊利石、 白云母、 长 石及错石、 电气石、 磷灰石等重矿物。矿物生成阶段 主要包括陆源碎屑、 早期成岩、 晚期成岩及表生成岩 等四个阶段 孙建宏和陈其英， 1992 。 桂中、 海南以及福建等地铝土矿均为三水铝石 红土型铝土矿， 主要组成矿物包括三水铝石、 高岭 石、 针铁矿、 赤铁矿和锐钛矿等 陈世益等， 1992 。 喀斯特型铝土矿中矿物组合特征可以揭示其成 矿环境和成因机制 D’Argenio and Mindszenty， 1995;Mongelli and Acquafredda，1999;Mongelli， 2002;Temur and Kansun， 2006 。中国华北 山西、 河南等 喀斯特型铝土矿和华南 桂西、 贵州等 喀 斯特型铝土矿矿物组成的差异指示了区域铝土矿形 成环境 和 机 制 的 差 异 张 起 钻， 2011; 刘 学 飞， 2011 。铝土矿演化的多阶段更是造就了矿物组成 的复杂性; 例如， 桂西第四系喀斯特型铝土矿为二叠 系喀斯特型铝土矿经过再一次风化作用而形成; 矿 石中出现了二价铁矿物 鲕绿泥石 和三价铁矿物 赤铁矿 共生的现象 Liu et al． ， 2010 。 734 第 3 期王庆飞等 铝土矿地质与成因研究进展 5元素特征与伴生矿产 铝土矿研究中主要利用压片法 － X 射线荧光光 谱 XRF 、 等离子体质谱法 ICP － MS 、 容量法和重 量法等多种方法对矿石中常量 － 微量 － 稀土元素进 行分析 图 1 。借助统计分析、 相关性分析和聚类 分析等方法对矿石中元素协同变化规律进行解析， 并且结合电子探针分析等确定铝土矿中微量元素分 布规律和赋存状态。 5． 1元素组成与空间变化 国外学者对铝土矿元素组成与化学行为研究的 主要目的是查明元素组成和变化规律、 探索成矿过 程中元素迁移行为、 确定惰性元素组成、 探讨成矿期 氧化 － 还原环境 Horbe and Costa， 1999; Mordberg， 2001; ztrk and Hein， 2002; Emmerich and Smykatz － kloss， 2002; Laskou et al． ， 2005; Garcia － Guineaa et al． ， 2005; Cornell and Schwertmann， 2006; Mameli and Oggiano， 2007 。铝土矿中元素富集状态主要特征 可以初步总结为 1 矿石的主量元素组成与变化特征受矿石矿 物组成的制约， 由于赋存状态和元素地球化学行为 属性的不同， 多种元素空间分布呈现出多样性， 同一 元素分布具有空间性变化 图 8 。如河南省郁山喀 斯特型铝土矿 ZK1910 钻孔，Al2O3与 H2O 在底板 灰岩、 铝质粘土岩、 含铝菱铁矿、 豆鲕铝土矿和块状 铝土矿中呈现了一致的变化规律; 在顶部铝质粘土 岩中则完全变化相反。SiO2与 K2O 在底板灰岩、 铝 质粘土岩、 含铝菱铁矿、 豆鲕状铝土矿和块状铝土矿 中具有相似的变化规律， 在以伊利石为主的粘土质 铝土矿中变化较大， 而在顶部铝质粘土岩 成分复 杂， 包括伊利石、 高岭石、 绿泥石等 中基本互为消 长变化。FeO、 MgO、 MnO 共存于菱铁矿中， 具有一 致性。微量元素 Li、 Rb、 Cs 整体上具有一致的变化 规律; 碱土元素 Ba、 Be 具有一致的变化规律。B 变 化比较独立， 在局部粘土矿物含量较高的层中中与 Bi、 Ba 等元素具有类似的变化规律。亲硫元素 Cu、 Zn、 Ga 和 Bi 变化各不相同; Zn 在局部层中与 Ni 有 一致的变化规律; 酸土元素 Zr、 Hf、 Nb、 Ta、 W 以及放 射性元素 U、 Th 在整个剖面中均具有一致的变化规 律。对于豆鲕状铝土矿 B 层 和块状铝土矿而言 D 层 而言， 多种元素的含量和空间变化不同 REE、 Sr 等 均不相同， 反映了铝土矿来源存在差 异。 2不同地区的喀斯特型铝土矿地球化学元素 的空间分布特征互有差异 Mameli 等 2007 研究了 意大利撒丁岛 Nurra 铝土矿床， 其矿石矿物包括高 岭石， 勃姆石， 赤铁矿和锐钛矿等， 并且发现铝土化 过程都是从表层向下的， 同时伴随 Al2O3和 TiO2的 富集以及 SiO2和 Fe2O3的缺失。Calagari 和 Abedini 2007 研究了伊朗二叠 － 三叠系 Kanisheeteh 铝土 矿床地球化学特征， 研究显示 Fe2O3和 SiO2浓度变 化最大， 而 Al2O3在风化剖面中上部比较富集。 3惰性元素的确定一直是地球化学研究的重 点， 但是不同地区的铝土矿中确定的惰性元素基本 类似。Calagari and Abedini 2007研 究 了 伊 朗 Azarbaidjan 西部， 布坎东部的 Kanisheeteh 铝土矿的 地球化学异常， 得出 Al2O3、 Fe2O3和 SiO2含量变动 范围较大， 而元素 Zr、 Hf、 Ti、 V 在矿化过程中保持稳 定。我国喀斯特型铝土矿近期研究显示 Zr、 Hf、 Nb 和 Ta 为铝土矿化过程中最稳定元素组合 刘学飞， 2011 。 4虽然铝土矿层自下而上是一个逐次沉积形 成的， 但是利用地球化学的垂向分布来反演成矿过 程是一个很难的途径; Wang et al． 2011 提出喀斯 特型铝土矿元素垂向分布受到的成矿前古氧化还原 条件和喀斯特演化过程的联合制约， 而不是成矿期 成矿条件。 5． 2伴生矿产与赋存状态 铝土矿是 REE、 Ga、 Sc、 Ti、 Li 等金属矿产的主 要 来 源 之 一 Brdossy， 1982; Laskou， 1991; Combes et al． ，1993;Evans，1993;Calagari and Abedini， 2007; Liu et al． ，2010 。这些元素主要为 铝土矿中伴生矿产资源。我国铝土矿中伴生矿产资 源丰富， 目前研究成果显示铝土矿中伴生元素主要 包括 Ti、 Ga、 V、 Li、 Sc、 Nb、 Ta 和 REE。富集元素的 空间分布比较复杂， 尚需进一步查清; 如富集的微量 元素在含铝岩系的不同层位含量不同; 在山西铝土 矿集中区， 元素 Ga 在上部粘土岩中的含量高于下 部铝土矿， 而稀土元素则正好相反。 伴生组分在铝土矿中赋存状态有待进一步查 清; 综合利用开采的伴生矿产只有 Ga， 其余伴生矿 产均没有进行工业化的综合利用。以稀土元素为 例， 国内外对铝土矿中稀土元素的特征及其赋存和 分布状态做了长期探索 Bardossy et al，1976; Mord- berg， 1996; Mongelli， 1999 。国外研究者普遍认为 铝土矿石中的 REE 主要以独立矿物存在。Mongell