桂西平果地区沉积型铝土矿含矿岩系沉积环境：元素地球化学判别

廉吕型，李学森，王泽，卢光辉，徐海棚，姚双秋，尹本纯，黎家龙，周业泉

桂西平果地区沉积型铝土矿含矿岩系沉积环境：元素地球化学判别

廉吕型1，李学森1，王泽1，卢光辉2，徐海棚2，姚双秋2，尹本纯2，黎家龙2，周业泉2

（1.桂林理工大学地球科学学院，广西 桂林 541004；2.广西壮族自治区二七四地质队，广西 北海 536005）

桂西平果地区沉积型铝土矿含矿岩系由下至上为典型的“铁-铝-煤”结构，为厘定其沉积环境，本次工作通过对6个钻孔的37件岩心样品进行元素地球化学测试并计算典型的沉积环境地球化学指标，研究得出不同层位主微量元素的统计学特征及其沉积地质意义，结果表明：含矿岩系的Rb/K值、Sr含量值以及V/Zr、Zr/Cu、V/Cr、Ni/Co、V/(V+Ni)、U/Th值指示平果地区沉积型铝土矿含矿岩系沉积早期为陆相沉积，中后期为海陆过渡相沉积，含矿岩系是在区域性海侵过程中从陆相逐步转换为海陆过渡相的背景下依次沉积建造而成。

沉积环境；铝土矿；平果

桂西地区发育岩溶堆积型和沉积型两种铝土矿，前者目前是矿山开采的主要对象，后者则是潜在的接替资源。经过三十多年的开采，岩溶堆积型铝土矿资源已日趋殆尽，矿山供矿压力愈来愈大，勘查沉积型铝土矿资源已迫在眉睫。对于沉积型矿床的成矿预测和勘查评价而言，沉积环境厘定和沉积相带划分是首要的基础工作。前人已对桂西地区沉积型铝土矿的沉积环境做了一些探索性的研究工作，如（张启连等，2016）通过野外地质调查及对桂西二叠系铝土岩钻孔样品微量元素地球化学数据分析，得出桂西二叠系铝土岩为陆相环境沉积的结论。

平果矿区沉积型铝土矿含矿岩系成层性好，纵向上可划分为3层，即由下至上分别为铁铝岩、铝土矿、炭质泥岩（局部相变为煤层），但能指示沉积环境与沉积相的沉积学标志存在多义性，“铁-铝-煤”沉积体系中原生沉积构造稀少，且矿石中豆鲕粒的成因存在争议（胡旭等，2013；程顺波等，2020），这套含矿岩系的成矿物质究竟源自何方、如何搬运而来、沉积环境条件如何等科学问题亟待解决。目前，虽然已有学者对平果矿区的沉积型铝土矿（苏煜，1985；陈其英和兰文波，1991；李晓峰和吴堑虹，2013；项广鑫等，2013）开展过相关方面的一些研究工作，但是已发表的成果并没有指明样品的具体采样层位和采样的地质依据，而且样品数量太少，测试数据有限，这种情况下取得的地质认识可靠性有待商榷。元素地球化学是判别沉积环境条件的重要方法，为此，我们在对那端、太平新圩、教美三个沉积型铝土矿矿区进行野外地质调查的基础上，对矿区6个钻孔铝土矿含矿岩系的岩心按照层位关系、岩石学特征进行系统采样，并对筛选出的37件样品进行主微量元素地球化学测试与数据分析，以期为厘定平果矿区铝土矿含矿岩系沉积环境补充扎实的地球化学证据。

图1 桂西大地构造示意图（张起钻，2011）

1 地质概况

1.1 区域构造位置

桂西上二叠统合山组沉积型铝土矿成矿带位于右江盆地内，大地构造上位于华南加里东褶皱系右江印支褶皱带之靖西-田东隆起，处于康滇古陆的东南侧、云开古陆的北西侧，其西北为峨眉山大火成岩省，南为古特提斯北缘的哀牢越北隆起（图1）。

1.2 研究区地质

1.2.1 地层

研究区出露的地层主要为泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、白垩系、古近系以及第四系（图2），区域地层简表如表1。

表1 区域地层简表

其中，合山组下段（P31）顶部的微晶灰岩、花斑状灰岩、条带状灰岩、碳质灰岩、含燧石结核灰岩及生物碎屑灰岩为含矿岩系的顶板，茅口组（P2）生物碎屑灰岩或含生物碎屑灰岩为含矿岩系的底板。

1.2.2 构造

研究区位于右江复式向斜的中部，因受到NE-SW向的应力挤压作用，形成了主要为NW-SE向的构造格架（图2）。

区内褶皱轴向主要为NW-SE向、近EW，轴向为NW-SE向的有旧城背斜、太平新圩向斜、那豆背斜，轴向近EW向的为果化背斜。褶皱两翼倾角较为平缓，地层倾角一般在10°～20°，褶皱两翼局部达40°。区内褶皱属于对称褶皱，呈现出背斜宽缓，向斜紧闭的特征。区内背斜剥蚀程度皆较大，如旧城背斜及果化背斜，泥盆系地层已被剥蚀出露较大范围，那豆背斜次之。

区内断裂主要为EW-SE向，次之为NE-SW向，亦有若干断裂呈近EW向。区内断裂纵横交错，对区内铝土矿矿体的规模及形态造成一定影响。

1.2.3 岩浆岩

区内基本没有岩浆岩出露。

图2 广西平果地区地质简图

1.第四系；2.古近系；3.白垩系；4.三叠系；5.二叠系；6.石炭系；7.泥盆系；8.断裂；9.地质界线10.钻孔位置

1.3 含矿岩系特征

桂西地区沉积型铝土矿产出于二叠系上统合山组下段（P31）的底部，茅口组（P2）的平行不整合面之上，其含矿岩系受古风化壳的地形地貌控制。矿床含矿岩系从下至上主要呈现为“铁-铝-煤”的结构（图3a），即下部为铁铝岩，中部为铝土矿矿体，上部为高铝的煤或炭质泥（页）岩；部分钻孔缺失“铁铝岩”这一层位，如教美矿区ZKJ16孔（图4）。通常含矿岩系顶板为上二叠统合山组上段（P32）的含生物碎屑灰岩、微晶灰岩或花斑状灰岩，底板则为茅口组（P2）生物碎屑灰岩。

本次工作通过对若干钻孔与地表揭露工程编录资料进行整理统计，得出各矿区含矿岩系的主要岩石类型及特征如下：

煤层（图3a）呈黑色，泥质结构，无层理，主要成分为粘土矿物、炭质，易污手，手捏具滑腻感。

图3 铝土矿含矿岩系及茅口组灰岩照片

a.“铁-铝-煤”结构，那端BT30401；b.炭质泥岩，教美D2002；（.块状铝土矿，太平新圩D2004；d.豆鲕状铝土矿，那端D2005；（e.茅口组灰岩及不整合面，教美D6301

炭质泥（页）岩（图3b）呈灰黑-黑色，泥质结构，薄层-极薄层构造，亦有层理不清者（页岩具明显页理，质脆）。主要矿物成分都为粘土矿物、炭质，泥岩极易污手，常见大量星点状黄铁矿散布。

铝土矿分为块状、豆鲕状及砂屑状。块状铝土矿（图3c）风化面常呈红褐色，新鲜面呈灰色-褐灰色，粉砂-细沙结构，块状构造；豆鲕状铝土矿（图3d）呈青灰色，豆鲕状结构，块状-似层状构造；砂屑状铝土矿呈灰色、青灰色、偶夹浅黄色，砂屑结构为主，局部见豆鲕状结构，块状构造。主要成分都为铝铁质矿物及泥质，常见黄铁矿呈星点状散布，部分呈团块状，个别钻孔可见铁质浸染面，呈铁红色。

图4 教美矿区钻孔ZKJ16含矿岩系岩芯照片

铁铝岩呈褐黄色，砂屑状结构、豆状结构，块状构造，个别孔位见蜂窝状构造，成分为赤铁矿、褐铁矿、水铝石等。铁铝岩层厚一般不足0.5m，多为0.2～0.3m，且在部分钻孔缺失。

2 样品来源与分析

样品来源于三个矿区各选取的两个钻孔（图2），分别为那端矿区的ZKN331和ZKN347、太平新圩矿区的ZKT24和ZKT150以及教美矿区的ZKJ16和ZKJ32。采样按岩性层位进行，同一层位内，样长一般为1.5m，不足1.5m者则取完作为一个样。初步采样数量为43件（图5），后期送样时筛选出较典型的样品（37件，表2）进行分析测试，选样层位为上二叠统合山组下部的“铁-铝-煤”（即由下至上分别为铁铝岩、铝土矿以及炭质泥岩或煤）三个层位和中二叠统茅口组生物碎屑灰岩。

图5 钻孔岩性柱及采样位置

采集的样品均委托澳实分析检测（广州）有限公司矿物实验室进行全岩分析，分析方法为X射线荧光光谱（XRF）及电感耦合等离子体质谱（ICP—MS）。分析结果见表3。

3 沉积环境判别

国外大量文献证明气候是控制铝土矿矿化强度和深度的主要因素之一，自古生代以来，全世界的铝土矿都分布在南北纬21°～26°之间，在气候炎热，潮湿多雨的亚热-热带气候条件下，由风化作用形成的（张肖，2021）。Rb/K、Sr含量、V/Zr和Zr/Cu是古盐度恢复即判别海陆环境常用的微量元素地球化学指标(宋立军等，2016，金中国等，2018）。V/Cr、Ni/Co、V/(V+Ni)及U/Th值可以用来判定氧化还原环境(王益友等，1979；Hatch and Leventhal, 1992；Jones and Manning, 1994；彭雪峰等，2012；赵长缨等，2015，宋立军等，2016）。现将这些微量元素判别指标及其判别含量范围总结如下（表4）。基于微量元素含量差异大小及岩性相近与否的原则，将铝土矿与铁铝岩样品并为一组，炭质泥岩与煤样品并为一组，对两组的微量元素数据进行分析，以期判定桂西地区沉积型铝土矿含矿岩系的沉积环境。

表2 样品编号及岩性

表3 铝土矿含矿岩系样品部分微量元素含量及沉积环境判别指标值（ωt./×10-6）

表4 沉积环境的微量元素指标

3.1 海陆环境

铝土矿含矿岩系各个样品Rb/K值及Sr含量值及变化曲线如图6所示。

图6 铝土矿含矿岩系Rb/K值（a）及Sr含量（b）海陆环境判别

（1）Rb/K值

铝土矿与铁铝岩的Rb/K值变化范围为0.004～0.008，平均值为0.005，指示铝土矿与铁铝岩为过渡相沉积；炭质泥岩与煤的Rb/K值变化范围为0.004～0.005，平均值为0.005，指示炭质泥岩与煤为过渡相沉积。

（2）Sr含量

铝土矿与铁铝岩的Sr含量（×10-6）变化范围为36.40～223.00，平均值为119.23，三个矿区铝土矿与铁铝岩样品的Sr含量都远小于300，指示为陆相沉积。炭质泥岩与煤的Sr含量（×10-6）变化范围为104.00～535.00，平均值为272.86，三个矿区炭质泥岩与煤样品的Sr含量都小于300，指示为陆相沉积。

（3）V/Zr值与Zr/Cu值

当V/Zr<0.5且Zr/Cu>10时，沉积环境为典型的陆相沉积（张启连等，2016），将37个样品的V/Zr值与Zr/Cu值投散点图（图7），可以看到，37个样品的V/Zr值中仅三个生物碎屑灰岩样品（J16-8，J32-8和T24-6）大于0.5，其他样品的都小于0.5；仅有三个生物碎屑灰岩样品（J16-8，J32-8和T24-6）和一个铝土矿样品（N331-3）的Zr/Cu值小于10，其他都大于10。V/Zr值和Zr/Cu值共同指示除了底板茅口组生物碎屑灰岩外，铝土矿含矿岩系（铁铝岩、铝土矿、炭质泥岩和煤）为典型的陆相沉积。

图7 铝土矿含矿岩系沉积环境V/Zr-Zr/Cu二元判别图

3.2 氧化还原条件

如图8，铝土矿与铁铝岩的V/Cr值全部远小于2（指示富氧环境），其变化范围为0.18～0.60，平均值为0.30；Ni/Co值变化范围为0.73～7.22，除了N347-6（值为6.29）、N347-5（值为6.43）和N347-4（值为7.22）三件样品大于5之外，其他样品都小于5，平均值为3.07（指示富氧环境）；V/(V+Ni)值变化范围为0.54～0.96，平均值为0.77（指示过渡环境）；U/Th值变化范围为0.16～0.97，平均值为0.35（指示富氧环境）。除了V/(V+Ni)值指示铁铝岩-铝土矿沉积环境为贫氧过渡环境外，V/Cr、Ni/Co及U/Th值都一致指示铁铝岩-铝土矿沉积环境为富氧环境，相对而言，V/Cr、Ni/Co值对缺氧或还原环境判别准确，V/(V+Ni) 及U/Th值次之（Jones and Manning, 1994；宋立军等，2016），故铁铝岩-铝土矿沉积环境更偏于富氧环境。

图8 铝土矿与铁铝岩V/Cr(a)、Ni/Co(b)、V/(V+Ni)(c)和U/Th(d)氧化还原环境判别

图9 炭质泥岩与煤V/Cr(a)、Ni/Co(b)、V/(V+Ni)(c)和U/Th(d)氧化还原环境判别

如图9，炭质泥岩与煤的V/Cr值全部远小于2（指示富氧环境），其变化范围为0.10～1.20，7件样品平均值为0.75。Ni/Co值变化范围为1.25～9.13，除了T150-3（值为9.13）1件样品大于7之外，其他6件样品Ni/Co值都小于5，7件样品平均值为3.73（指示富氧环境）。V/(V+Ni)值变化范围为0.71～0.91，除了N331-1（值为0.836）和J32-6（值为0.710）两件样品值小于0.84之外，其他5件样品V/(V+Ni)值都大于0.84，7件样品平均值为0.84（指示贫氧-缺氧环境）。U/Th值变化范围为0.17～0.67，平均值为0.36（指示富氧环境）。除了V/(V+Ni)值指示炭质泥岩与煤的沉积环境为贫氧-缺氧环境外，V/Cr、Ni/Co及U/Th值都一致指示炭质泥岩与煤的沉积环境为富氧环境，如前所述，V/Cr、Ni/Co值对缺氧或还原环境判别准确，V/(V+Ni) 及U/Th值次之，故炭质泥岩与煤沉积环境更偏于富氧环境。

4 讨论

Rb/K值指示铝土矿与铁铝岩、炭质泥岩与煤都为过渡相沉积；Sr含量指示铝土矿与铁铝岩为陆相沉积，炭质泥岩与煤为过渡相偏陆相沉积；V/Zr值与Zr/Cu值指示除了部分生物碎屑灰岩样品外，其他铝土矿与铁铝岩、炭质泥岩与煤都为典型的陆相沉积；除了V/(V+Ni)值指示铝土矿与铁铝岩、炭质泥岩与煤的沉积环境为贫氧-缺氧过渡环境外，V/Cr、Ni/Co及U/Th值都一致指示铝土矿与铁铝岩、炭质泥岩与煤的沉积环境为富氧环境。

过渡相与陆相二者并不是决然对立的，当过渡相环境（如近岸局限泻湖）得到淡水的足够补充则微量元素沉积环境判别指标指示为陆相，反之，当其过渡蒸发或者受到潮汐或海侵影响时，盐度升高，分析结果则显示为过渡相甚至海相。

此次工作中，元素地球化学分析结果主要有以下几个特征：其一，所有样品的Rb/K则显示整个含矿岩系为过渡相（都介于0.004～0.006之间）；其二，每一个钻孔的各个判别指标变化曲线大体上都有一致的变化情况（通常在铝土矿的中间层位处下降，呈“V”形），这一沉积层序上的变化规律说明铝土矿沉积环境在沉积过程中是受到过扰动的；其三，从前期沉积的铝土矿和铁铝岩到后期沉积的炭质泥岩与煤，其样品的Sr含量由指示为陆相沉积过渡为指示为陆相-过渡相沉积，推测含矿岩系沉积环境的水体逐渐加深，这与晚二叠世铝土矿成矿物质沉积后的海侵事件是吻合的。加之矿层上部往往富含植物化石，因此，推测平果矿区沉积型铝土矿含矿岩系是在区域性海侵过程中从陆相逐步变为海陆过渡相潮坪环境的复杂沉积体系。

5 结论

桂西平果地区沉积型铝土矿含矿岩系具有典型的“铁-铝-煤”结构，本次工作通过计算37件岩心样品的沉积环境元素地球化学判别指标，对含矿岩系的沉积环境进行了判别，结果显示：Rb/K值指示含矿岩系为过渡相沉积、Sr含量值以及V/Zr、Zr/Cu指示含矿岩系为陆相沉积，V/Cr、Ni/Co、V/(V+Ni)、U/Th值指示含矿岩系沉积环境为富氧环境。钻孔不同沉积层序的地球化学特征变化说明铝土矿沉积环境是受到过扰动的，这与晚二叠世海侵事件吻合，结合野外岩石地层地质特征和前人研究，推断桂西平果地区沉积型铝土矿含矿岩系是在区域性海侵过程中从陆相逐步转变为海陆过渡相潮坪环境的复杂沉积体系。

Hatch J R, Leventhal J S 1992. Relationship between inferred redox potential of the depositional environment and geochemistry of the Upper Pennsylvanian (Missourian) Stark Shale Member of the Dennis Limestone, Wabaunsee County, Kansas, U.S.A. 99: 0-82.

Jones B, Manning D A C 1994. Comparison of geochemical indices used for the interpretation of palaeoredox conditions in ancient mudstones. Chemical Geology [J], 111: 111-129.

宋立军, 刘池阳, 赵红格, 王建强, 张小龙. 2016. 鄂尔多斯地区黄旗口组地球化学特征及其沉积环境与构造背景[J]. 地球科学：中国地质大学学报.

金中国, 郑明泓, 刘玲, 骆军, 董光贵, 陈兴龙. 2018. 贵州福泉高洞铝土矿床成矿地质地球化学特征[J]. 地质与勘探, 54：522-534.

张启连, 梁裕平, 余文超, 杜远生. 2016. 桂西地区二叠系合山组铝土岩的沉积环境[J]. 古地理学报, 18: 595-604.

张起钻. 2011. 桂西铝土矿成矿模式与勘查技术 [M]. 中国地质大学（北京）.

彭雪峰, 汪立今, 姜丽萍. 2012. 准噶尔盆地东南缘芦草沟组油页岩元素地球化学特征及沉积环境指示意义[J]. 矿物岩石地球化学通报，121-127.

李晓峰, 吴堑虹. 2013. 广西平果原生铝土矿矿石微观组构和地球化学特征对成矿环境的示踪初探 [M]. 中南大学.

王益友, 郭文莹, 张国栋. 1979. 几种地球化学标志在金湖凹陷阜宁群沉积环境中的应用[J]. 同济大学学报(自然科学版)，54-63.

胡旭, 伊海生, 王刚, 欧莉华. 2013. 沉积型铝土矿鲕豆粒结构特征及其成因分析[J]. 重庆科技学院学报(自然科学版), 15: 5-9.

苏煜. 1985. 广西平果铝土矿沉积环境和成因初探. 桂林冶金地质学院学报 [J]. 315-321.

袁海军, 赵兵. 2012. 川西雅安-名山地区白垩系泥岩的地球化学特征及古气候探讨[J]. 沉积与特提斯地质，80-85.

赵长缨, 段立志, 马中豪. 2015. 上扬子地块北缘灯影组硅质岩系地球化学特征及其成因[J]. 西北地质, 000: 31-42.

郑荣才, 杨梅青. 1999. 鄂尔多斯盆地长6油层组古盐度研究[J]. 石油与天然气地质, 20: 20-25.

陈其英, 兰文波. 1991. 二叠纪平果铝土矿成矿物源问题[J]. 广西地质.

项广鑫, 刘琼, 吴堑虹, 李晓峰. 2013. 广西平果原生铝土矿的物源多样性[J]. 矿业工程研究, 28: 57-62.

张肖. 2021. 贵州省道真县桃园铝土矿床地质特征及找矿预测[J]. 四川地质学报, 41: 57-61.

李振清, 周洪瑞, 陈建强. 2001. 山东淄博地区上寒武统沉积地球化学特征及其层序地层学意义[J]. 现代地质, 15: 377-382.

程顺波, 刘阿睢, 李荣志, 韦义师, 刘君豪, 胥明. 2020. 桂西二叠纪喀斯特型铝土矿豆鲕特征及成因[J]. 华南地质与矿产, 36: 232-239.

Sedimentary Environment ofBauxite-bearing Rock Series in Pingguo,Western Guangxi:Elemental Geochemical Constraints

LIAN Lv-xing1LI Xue-sen1WANG Ze1Lu Guang-hui2Xu Hai-peng2Yao Shuang-qiu2Yin Ben-chun2Li Jia-long2Zhou Ye-quan2

(1-Guilin University of Technology, College of Earth Sciences, Guilin 541004; 2-No. 274 geological team of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Beihai 536005)

The sedimentary bauxite-bearing rock series in Pingguo area of western Guangxi is a typical iron-aluminum-coal structure from bottom to top. In order to determine its sedimentary environment, this paper carried out elemental geochemical tests on 37 core samples from 6 drilling holes and calculated typical sedimentary environment geochemical indicators. The statistical characteristics of major and trace elements in different horizons and their sedimentary geological significance were obtained. The Rb/K, Sr, V/Zr, Zr/Cu, V/Cr, Ni/Co, V/(V+Ni), U/Th values of bauxite-bearing rock series indicate that the early stage of deposition is continental deposition, whilethe middle and late stages deposition is marine-continental transitional deposition. The bauxite-bearing rock series were successively deposited and constructed under the background of the gradual transition from continental facies to marine-continental transitional facies in the process of regional transgression.

sedimentary environment, bauxite, Pingguo

P595

A

1006-0995（2022）04-0664-09

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.04.024

2022-02-28

廉吕型（1996— ），男，广西浦北人，硕士研究生，现主要从事沉积型矿床研究

李学森（1970— ），男，宁夏中卫人，博士，教授级高级工程师，研究方向：