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(4): 595-604
Zhang Qilian, Liang Yuping, Yu Wenchao, Du Yuansheng. (2016)Sedimentary environment of allites in the Permian Heshan Formation in western Guangxi[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(4): 595-604. DOI:10.7605/gdlxb.2016.04.044  
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桂西地区二叠系合山组铝土岩的沉积环境*
张启连1, 梁裕平1, 余文超2, 杜远生2
1 广西地质调查院,广西南宁 530023
2 中国地质大学(武汉)地球科学学院,湖北武汉 430074

第一作者简介 张启连,男,1966年生,高级工程师,从事矿产勘查工作。E-mail: 258839931@qq.com。

收稿日期:2016-02-24
基金:*中国地质调查局计划项目“南岭成矿带地质矿产调查”子项目“桂西整装勘查区铝土矿床成因与富集规律研究”(编号:12120113064200)
摘要

桂西地区二叠系合山组铝土岩的沉积环境存在海相、陆相之争。通过对桂西二叠系铝土岩的区域调查及钻孔样品微量元素地球化学数据的分析,认为桂西二叠系铝土岩产出于陆相环境。从铝土岩分布情况看,桂西二叠纪各孤立碳酸盐岩台地上均广泛分布铝土岩沉积,该区域产出特征证明矿层是在碳酸盐岩台地全部暴露地表的环境下形成的。从铝土岩层与下伏茅口组灰岩的接触关系来看,铝土岩层底部存在茅口组灰岩砾石,在部分剖面尚见下伏茅口组灰岩中充填铝土岩等现象,说明铝土岩矿化过程直接于茅口组灰岩的古喀斯特面上完成。此外,在矿层中发现古植物根茎化石也是铝土岩形成于陆相环境的有力证据。从微量元素地球化学结果来看,来自铝土岩层样品的硼含量均小于 10×10-6, Sr/Ba值范围为 0.29~1.61,平均值为 0.92, Rb/K值范围为 0.0011~0.0025,平均值为 0.0017,以上指标结合 V/Zr-Zr/Cu图解的判别,结果均指示铝土岩形成于陆相淡水环境。

关键词: 桂西; 合山组; 铝土岩; 沉积环境; 古盐度
中图分类号:P588.24,P611.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)04-0595-10
Sedimentary environment of allites in the Permian Heshan Formation in western Guangxi
Zhang Qilian1, Liang Yuping1, Yu Wenchao2, Du Yuansheng2
1 Guangxi Institute of Geological Survey,Nanning 530023,Guangxi
2 School of Earth Sciences,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,Hubei;

About the first author Zhang Qilian,born in 1966,senior engineer,is engaged in mineral exploration. E-mail:258839931@qq.com.

Fund:[Financially supported by the subproject of China Geological Survey(CGS)“Geological and mineral resources suvery of Nanling Metallogenic Belt”-“Formation and enrichment regularities of bauxite deposit in integrated exploration area of West Guangxi”(No.12120113064200)]
Abstract

There exists a controversy about the sedimentary environment of the allites in the Permian Heshan Formation in western Guangxi: Land environment or marine environment? Based on the field investigation and geochemical data of samples from the Permian allites, we believed that the Permian allites in western Guangxi were deposited in the land environment. That the allites distributed continuously and widely on the isolated carbonate platforms in the Permian in western Guangxi indicated that the bausite ore beds were formed in an exposed carbonate platform environment. According to the contact between the allites and the carbonate substratum of the Maokou Formation, there existed carbonate gravels in the bottom of allites formation, and it could be seen that the allites filled the carbonate substratum in some sections, and this indicated that the bauxitization occured directly on the ancient karst surface. Additionally, the acient plant fossils in the bauxite ore beds also revealed the allites were formed in land environment. Combined with the V/Zr-Zr/Cu discriminant plot, the geochemical data of the allite samples, Boron contents lower than 10×10-6, Sr/Ba range of 0.291.61 with the mean of 0.92, Rb/K range of 0.00110.0025 with the mean of 0.0017, indicated that the allites in the Permian Heshan Formation in western Guangxi were formed in the land freshwater environment.

Key words: western Guangxi; Heshan Formation; allite; sedimentary environment; paleosalinity

铝土岩沉积成矿的核心是成矿母质在强烈化学风化作用下, 由于元素迁移能力的差异而发生Al、Fe、Ti等元素的富集及其他杂质元素(如碱金属及碱土金属)的流失(D'Argenio and Mindszenty, 1995), 当铝土岩中Al含量及铝硅比满足工业利用要求时, 将铝土岩称为铝土矿。桂西地区是中国最重要的铝土矿产地之一, 该地区的铝土矿主要有2种赋存形式, 包括上二叠统合山组底部原生铝土矿及第四系次生铝土矿, 其中次生铝土矿来源于原生矿层的再次破碎风化过程, 因此次生矿石质量得以提高。依据Bardossy(1982)分类方法, 桂西地区铝土矿均属岩溶型铝土矿, 因其底板地层均为碳酸盐岩。依据矿床特征, 可细分为上二叠统合山组底部地中海亚型矿床及第四系萨伦托亚型矿床。近年来, 针对桂西铝土岩进行了大量研究, 在矿物学(Wang et al., 2010; 蔡书慧等, 2012; Liu et al., 2012), 成矿过程(Yu et al., 2014), 成矿物质来源(Deng et al., 2010; 侯莹铃等, 2014)等方面取得了进展。在成矿环境研究方面, Wang 等(2010)根据铝土岩内的稀土矿物, 如氟菱钙铈矿[CaCe1.1La0.9(CO3)3 F2], 证明铝土岩在形成过程中曾经经历了强烈的化学风化, 该过程是在强氧化且酸性环境中完成的。根据二叠系铝土岩内一水硬铝石、鲕绿泥石及锐钛矿的矿物组合, Liu 等(2012)认为当铝土岩进入沉积阶段时, 埋藏环境转变为还原且碱性环境。目前对于二叠系铝土岩沉积时水体环境仍然存在较大争议, 主要分为海相环境及陆相环境2种观点。持海相成因观点的研究者多侧重于铝土岩的微观构造及稀土元素研究, 认为古红土通过古河流搬运到海湾中沉积(李启津等, 1981; 戴塔根等, 2003), 并认为铝土岩中的鲕豆状结构和粒序层理是高能浅水带的产物。而持陆相成因观点的主要证据来自铝土岩中豆鲕颗粒的微观特征及铝土岩分布特征。根据铝土岩中的豆鲕往往无陆源碎屑作为核心, 且常见干缩裂纹并包裹赤铁矿或褐铁矿包壳的现象, 而认为铝土岩中的豆鲕均为在大气条件下以胶体形式生成的(廖士范和梁同荣, 1989)。桂中地区三水铝土矿现代成矿作用充分印证豆鲕陆相成因的观点(谌建国等, 1999; 邓军, 2006); 王恩孚(1979)从铝土岩的分布、铝土矿的赋存特点, 结合现代正在进行的成矿作用, 论证了铝土岩的陆相成因机理; 苏煜(1985)注意到桂西平果矿区铝土岩上下顶板的凹凸不平和沉积超覆现象, 同时发现了铝土岩上部富含植物及其根茎化石; 黄乃和等(1994)对合山二叠系煤矿进行了细致研究, 发现了古土壤层和大量的植物化石, 认为存在沉积间断面, 并结合煤层中的微量元素测试分析认为该区的煤及其底板的铝土岩均为陆相沉积, 否定了合山煤矿"海相成因“的传统观点。值得指出的是, 持海相观点的研究者极少提供铝土岩产出的宏观佐证, 而持陆相成因观点的研究者虽然考虑到了铝土岩的产出特征, 但对铝土岩中微量元素等研究尚有欠缺。本研究从区域范围角度上进行了大范围的考察, 针对铝土岩产出特征、岩相变化收集了大量的野外证据, 并选择部分铝土岩(矿)及相关地层样品进行分析测试, 认为陆相成因的观点与铝土岩的野外产出特征及微量元素地球化学证据相吻合。

1 地质背景

桂西地区是右江盆地的主体部分, 右江盆地是在华南加里东造山带夷平的基础上再次裂陷形成的, 为金沙江— 红河— 马江缝合带与杨子板块之间的大陆边缘盆地(杜远生等, 2013)。广泛出露古生代— 第四纪地层, 早古生代盖层沉积主要为寒武系, 零星出露, 西部为厚800, m的碳酸盐岩夹碎屑岩, 往东过渡为厚近万米的陆源复理石碎屑岩, 广西运动后沉积泥盆系至中三叠统, 早泥盆世初形成稳定的盖层沉积, 下泥盆统角度不整合于寒武系之上, 呈现由东往西超覆现象。早泥盆世晚期, 地壳开始产生张裂, 在此拉张机制的构造背景下, 逐步形成许多大小不一的浅水碳酸盐岩孤立台地和深水台沟, 形成棋盘式的台地、台间裂陷槽间裂的沉积格局, 构成“ 台、沟” 相间的古地理景观, 此现象维持到早三叠世(广西壮族自治区地质矿产局, 1985)。台地相地区一般形成浅海碳酸盐岩为主的沉积建造; 在沟槽相或盆地相沉积区内, 形成深水的硅质— 泥质— 灰质的混合沉积, 并夹基性— 中性火山岩建造(杜远生等, 2013)。

桂西地区发育完整的二叠系剖面, 二叠系最大厚度可达2~3, km( 图1)。在台地相区, 中二叠统茅口组及下二叠统合山组之间存在平行不整合接触, 在合山组底部发育铝土岩沉积。中二叠统茅口组以中— 厚层生屑灰岩及微晶灰岩为主, 厚度范围为260~500, m; 上二叠统合山组下部存在铝土矿层— 泥岩— 泥灰岩沉积序列, 向上逐渐变为中— 薄层生屑灰岩。一般认为, 桂西地区中— 上二叠系间不整合是东吴运动的结果。中二叠世晚期, 华南地区发生大规模海退, 除全球性的海平面下降因素影响之外, 华南板块内部峨眉山火山岩的活动所造成的区域地壳抬升可能是东吴运动发生的主要原因, 从而导致了大规模的海退现象(He et al., 2003, 2010)。在桂西地区, 东吴运动使得孤立碳酸盐岩台地发生暴露及风化, 为铝土岩的形成提供了基本条件。

图1 桂西地区二叠系分布及剖面和钻孔位置Fig.1 Distribution of the Permian and locations of sections and drilling cores in western Guangxi

2 合山组铝土岩地质特征

中国铝土岩的上覆地层普遍为由黏土岩、泥岩及煤层(线)组成的海侵沉积序列, 但底板岩性各不相同。华北地区铝土岩直接底板普遍发育黏土岩(李启津等, 1983), 间接底板为灰岩。贵州务正道及遵义地区铝土矿直接底板为黏土岩, 间接底板则较为复杂, 有泥质岩, 亦有灰岩或白云岩(雷志远等, 2013)。广西二叠系铝土岩的直接底板绝大多数为灰岩( 图 2, 图3), 少数地区为黏土岩, 此类黏土岩据本次观察研究, 发育有铁质壳包裹的豆鲕及次生的高岭土, 推测原岩应为铝土岩, 受淋滤作用、上部铝土岩脱硅作用影响, 二氧化硅向下渗入导致铝土岩演变为黏土岩。二叠系合山组底部铝土岩上覆岩层正常层序一般为铝土质泥岩、泥岩夹煤(层)线, 向上为泥灰岩至含燧石灰岩。铝土岩以深灰色为主, 少数呈灰色、灰绿色, 氧化后表面呈褐黄色— 褐红色, 内部仍保持深灰色— 灰色。

图2 桂西扶绥— 平果地区钻孔ZK15108、ZK4353及ZK5602岩性柱及Sr/Ba、Rb/K微量元素指标反映的古盐度变化Fig.2 Lithological columns and paleosalinity change shown by the rare element indicators of Sr/Ba, Rb/K in Drilling Cores ZK15108, ZK4353 and ZK5602 in Fusui-Pingguo area of western Guangxi

图3 桂西二叠系合山组铝土岩野外露头照片Fig.3 Outcrop photos of allites in the Permian Heshan Formation, western Guangxi

铝土岩内所含主要矿物为水铝石、黄铁矿、黏土矿物, 副矿物为锆石、白铁矿、锐钛矿、白钛石等(余文超等, 2014)。水铝石以一水硬铝石为主, 次之为一水软铝石(勃姆石)、胶铝矿, 一水硬铝石呈他形粒状、板状, 粒径多在0.005~0.01, mm之间。黄铁矿大多呈半自形、自形的立方体或五角十二面体状; 少量呈不规则的他形粒状、球粒状, 不均匀地分布于矿石中, 呈稀疏浸染状, 部分聚集形成不规则的草莓状、斑团等集合体, 黄铁矿粒径0.001~0.8, mm, 一般在0.02~0.12, mm间; 集合体大小1~16, mm不等。黏土矿物主要为高岭石、绢云母、叶蜡石等硅铝酸盐类矿物, 呈现微鳞片状, 与水铝石紧密共生。当水铝石矿物含量大于45%时, 铝土岩达到铝土矿的质量要求, 而黄铁矿含量大于20%时, 铝土岩达到硫铁矿的质量要求, 但无论是铝土矿还是硫铁矿, 主要矿物均为水铝石、黏土矿物和黄铁矿。

3 研究资料与方法

由于暴露地表的铝土岩层露头受到强烈现代风化淋滤作用改造, 本次研究的样品取自钻孔ZK15108、ZK4353及ZK5602, 钻孔位置见 图1。ZK15108及ZK4353等2个钻孔均位于扶绥县山圩镇附近, 其中ZK15108孔铝土岩层埋深达180, m, 超过桂西地区土壤层的最大氧化深度150, m, ZK4353孔铝土岩埋深22, m, 尽管埋藏浅, 但大部分含S大于4%(次生铝土矿S一般为0.044%~0.500%, 铝土岩S一般为3%~5%)(Yu et al., 2014), 且未见褐铁矿, 表明受到氧化淋滤作用程度较轻, 两者样品具有代表性。ZK5602位于平果县那豆矿区, 埋深20, m。

ZK4353孔中的二叠系铝土岩层厚约3, m, 与上覆合山组黑色碳质泥岩呈整合接触关系, 矿层顶部黏土岩与碳质泥岩存在过渡接触; 下伏地层为茅口组灰白色含生物碎屑灰岩, 与铝土岩层之间为平行不整合接触, 茅口组灰岩中出现充填灰色铝土岩的溶洞。铝土岩分为可以用颜色和矿石结构明显区分的上下两部分, 下层0.5, m紫红色碎屑状矿石与上层2.5, m灰白色— 灰色半土状或碎屑状矿石, 采集样品共计6块, 沿铝土岩由下向上顺序编号依次为ZK4353-3至ZK4353-8。位于山圩镇东南的ZK15108孔的铝土岩厚约9, m, 与下伏灰白色茅口组灰岩呈平行不整合接触, 铝土岩下部约7.5, m为紫红色碎屑状矿石, 上部1.5, m为灰黑色块状矿石, 其中含有较多黄铁矿团块, 在该钻井中采集样品7块, 沿矿层由下向上编号依次为ZK15108-1至ZK15108-7。平果县那豆矿区的ZK5602孔中未见铝土岩沉积, 合山组下部厚约4, m的钙质泥岩及泥灰岩层直接覆盖在茅口组灰岩之上, 钙质泥岩段向上出现灰黑色泥灰岩, 在钙质泥岩及泥灰岩段采集样品共25块, 编号顺序从ZK5602-25开始, 依次向上至泥灰岩段上部样品ZK5602-1。

样品的微量元素分析使用Varian公司生产的820MS型ICP-MS完成, 前处理过程包括将200目的粉末样品采用HF-HNO3-HCl酸法消解, 蒸干后用稀硝酸稀释并定容, 测试误差小于5× 10-6。硼元素分析是先用四酸法消解粉末样品, 然后使用ICP-MS进行测定, 检出范围为10× 10-6~1000× 10-6。样品分析结果如 表1所示。

表1 桂西二叠系合山组铝土岩及相关岩石样品微量元素数据(10-6) Table1 Data of rare elements of samples from allites and related rocks in the Permian Heshan Formation in western Guangxi(10-6)
4 结果与讨论
4.1 合山组铝土岩沉积环境的宏观证据

4.1.1 铝土岩的分布特征 桂西地区铝土矿勘查资料表明, 二叠系铝土岩多为1层, 分布范围广, 层位稳定, 规模大, 地表露头一般延伸长数百米至数千米, 尖灭再现( 图 3-A)。二叠系铝土岩的展布受到后期构造活动的改造, 连续分布在桂西各个晚古生代地层构成的穹窿或复式背斜内次级向斜中。第四系萨伦托型铝土矿则赋存于次级背斜核部的碳酸盐岩岩溶洼地中, 除局部地段受河流、冲沟影响外, 次级背斜几乎所有地段的岩溶洼地均有数量不等的第四系萨伦托型铝土矿分布, 由于第四系萨伦托型铝土矿是铝土岩崩塌堆积的产物, 而各个洼地之间有峰座相隔不能连通。基于以上分析, 我们认为桂西地区的孤立碳酸盐台地上除部分区域处于古高地位置保持剥蚀状态而无铝土岩沉积外, 铝土岩在初始沉积时连续分布于整个台地范围内。若成矿母质是通过地表水搬运至局部海湾或潟湖中沉积, 则铝土岩在台地中应仅为局部分布。参考现代桂中地区的红土及三水铝石分布, 认为风化沉积物原地大面积堆积于贵港、宾阳、横县、武鸣等地的准平原地形中。

4.1.2 地层缺失的指示 合山组组内地层缺失主要存在2种情况, 第1种情况是在部分剖面, 铝土岩上覆岩层存在超覆现象, 合山组底部的岩性段如铝土质泥岩或泥岩夹煤(层)线缺失, 如在德保多敬剖面(剖面位置见 图1), 可见到合山组含燧石灰岩直接覆盖于铝土岩层之上( 图 3-B), 说明以古红土为主的成矿母质在铝土岩上部的泥岩形成时期到燧石灰岩形成时期的长时间内均有生成, 且大部分并未被完全搬运到海水中沉积, 覆盖于孤立台地表面的铝土质直到晚二叠世早期的一段时间之后才在海侵作用下被海水淹没, 间接证明了铝土岩在沉积阶段处于陆相环境。

第2种情况是铝土岩沉积缺失, 合山组下部钙质泥岩或泥灰岩直接覆盖于茅口组灰岩之上, 如平果矿区ZK5602孔所见。应代表古红土形成阶段— 准平原化过程中的古高地地形, 其上的古红土已被短距离搬运迁移至周边的低洼地段中去。地形高差造成铝土岩层局部缺失的现代实例是斐济的现代铝土矿, 该国为一火山岩岛国, 气侯炎热, 植物茂盛, 雨量充沛, 除山地外, 亦发育大片平原— 丘陵地貌。在低山地区, 仅局部地段的高地上产出风化型三水铝土矿层, 且规模小; 而在平原— 丘陵地区, 大部分平原区的腐质土之下、丘陵及其周边则存在大面积的三水铝土矿层分布, 表明在准平原化过程中可以形成规模大的红土层或三水铝土矿层。

4.1.3 铝土岩与下伏茅口组地层的接触关系 靖西县新甲大进村发现了1层二叠系铝土岩(剖面位置见 图1), 厚约4, m, 在与下伏茅口组灰岩接触面上保存有明显同沉积时期未固结的铝土岩物质灌入下伏喀斯特溶洞或裂隙的证据( 图 3-C), 灰岩中的溶蚀洞穴互相贯通, 均充填有鲕豆状铝土岩, 与砾岩上下的铝土岩相连接, 证明了铝土岩的原地风化过程。在靖西县新甲乡大进村附近采场中(剖面位置见 图1), 可以观察到铝土岩底部有大量的灰岩砾石, 砾石分选性较差, 定向性差, 粒径最大可达30, cm, 最小仅几厘米, 杂乱分布。经与底板茅口组灰岩进行对比, 发现砾石来自茅口组灰岩, 胶结物均为铝土岩( 图 3-D)。类似铝土岩(矿)灌注于底板灰岩溶蚀洞穴中的现象在桂西许多矿区均可见到。与之相对, 这种现象在现代岩溶地形中常见, 在碳酸盐岩为基岩的平原— 丘陵地区, 常见风化红土堆积于溶沟或塌陷漏斗中, 是陆相喀斯特地貌沉积的普遍特征。

4.1.4 铝土岩中的植物化石证据 植物化石在铝土岩中常见, 如在扶绥县柳桥矿区的ZK4353孔中就可见到零星的植物化石碎片( 图 4), 苏煜(1985)在研究平果铝土岩沉积环境时指出, 在铝土岩层特别是在其上部富含植物化石, 其中有些是植物根茎化石。植物化石的存在有力地支持铝土岩沉积于陆相环境下的观点。

图4 桂西扶绥地区钻孔ZK4353二叠系合山组铝土岩中保存的植物化石Fig. 4 Plant fossils in allites of the Permian Heshan Formation from the Drilling Core ZK4353 in Fusui area of western Guangxi

4.2 铝土岩微量元素特征

早期的研究者已发现沉积物中的硼(B)元素含量可以作为反映古盐度的指标(Potter et al., 1963)。因为硼元素在水体中主要以硼酸或有机络合物的形式存在, 而黏土矿物对于硼具有选择性吸收的特性, 在一定条件下黏土矿物能很快固定大量的硼且并不随溶液中硼浓度降低而解吸(Couch, 1971), 而黏土矿物对硼的吸附速率与水体中硼含量呈现正相关关系, 硼含量又与水体盐度呈正相关。一般而言, 陆相环境下硼含量多少于60× 10-6, 过渡相半咸水60× 10-6~100× 10-6, 海相咸水大于100× 10-6, 对扶绥ZK15108中的铝土岩采集的7个样品进行测试后发现, 硼含量除最底部一个样品达到10× 10-6外, 其余6个样品硼含量均小于检出限(10× 10-6), 铝土矿中极低的B含量指示合山组铝土岩应沉积于陆相环境。

除硼元素之外, 其他一些对水体盐度变化敏感的微量元素也可作为古盐度判别指标, 目前使用较多的包括Rb/K与Sr/Ba。沉积物中K2O含量与黏土矿物含量存在关联, 而水体中铷(Rb)元素一般以胶体形式悬浮于水体中, 当盆地水体盐度上升, 铷胶体因发生凝絮作用而被黏土物质与有机质吸附, 此时记录在沉积物中的Rb/K值上升, 一般认为当该比值大于1时代表海相沉积, 小于1时为海陆过渡相— 陆相沉积(Campbell and Williams, 1965; 王益友等, 1979)。锶(Sr)与钡(Ba)均为碱土金属元素, 具有相似的外层电子结构, 故二者化学性质相近, 在自然水体中均以2价阳离子形式存在, 均可形成难溶盐。在低盐度环境中, 锶与钡均以离子形式存在于水体中, 当盐度上升, 钡会首先以硫酸钡(BaSO4)形式沉淀, 此时水体中锶含量相对钡出现富集, 而当盐度持续上升, 锶离子也会以硫酸锶(SrSO4)形式沉淀。基于此原理, 沉积物中的Sr/Ba值与古盐度存在正相关关系。此外, 沉积物中V/Zr-Zr/Cu图解也被用来判别海水环境和淡水环境, 这主要是因为钒(V)元素在海相页岩沉积中富集而铜(Cu)元素在陆相页岩沉积中富集, 锆(Zr)元素由于其难迁移性在各类沉积物中均保持稳定, 因此V/Zr-Zr/Cu图解可对海相及陆相沉积物加以区分(Degens et al., 1957; Maslov et al., 2011)。上述微量元素对沉积环境的指示作用见 表2。以上反映古盐度的地球化学指标主要适用于细粒碎屑岩(Maslov et al., 2011)、泥灰岩(Hofer et al., 2011)或蒸发岩(Ortega-Gutierrez, 1984)样品, 并且这些不同类型样品的判别结果彼此之间可进行对比, 因为这些样品中均存在较高含量黏土矿物及有机质, 可确保判别指标的准确性。

表2 沉积环境的微量元素指标 Table2 Rare element indicators of sedimentary environments

样品中各类元素丰度变化范围较大, Ba含量范围为10× 10-6~160× 10-6, Rb含量范围为0.2× 10-6~19.1× 10-6, Sr含量变化为12× 10-6~2670× 10-6, V含量变化为15× 10-6~186× 10-6, Cu含量变化为1.2× 10-6~99.1× 10-6, Zr含量变化为6× 10-6~985× 10-6, K含量变化为133× 10-6~3486× 10-6(表1)。其中, 铝土岩(矿)样品中Rb、Sr、K元素含量较其他样品更低, 而V、Cu、Zr等元素含量较其他样品更高。这主要是由于在铝土岩形成过程中Rb、Sr和K元素迁移能力较强, 而V、Cu、Zr等元素更为稳定。

根据Sr/Ba及Rb/K值变化趋势及V/Zr-Zr/Cu图解( 图 2, 图5), 13个合山组铝土岩(矿)样品的Sr/Ba值范围为0.11~1.61, 平均值为0.92, Rb/K值范围为0.0011~0.0025, 平均值为0.0017, 指示淡水— 微咸水环境。在V/Zr-Zr/Cu图解中铝土岩样品点也均落在陆相沉积区域内, 而合山组泥灰岩样品均落在海相沉积区域内。

图5 桂西地区二叠系合山组铝土岩V/Zr-Zr/Cu沉积环境
二元判别图(修改自Maslov et al., 2011)Fig.5 V/Zr-Zr/Cu discriminant plot for sediment environments of allites in the Permian Heshan Formation, western Guangxi (modified from Maslov et al., 2011)

从前人对桂西铝土岩的原生矿物组合的研究结果来看, 二叠系铝土岩层内的矿物主要以一水硬铝石、一水软铝石(勃姆石)、高岭石及赤铁矿为主(Wang et al., 2011; Yu et al., 2014), 该矿物组合为陆相喀斯特地貌下铝土岩沉积的典型矿物组合, 指示碳酸盐岩基底在陆相暴露环境下经过强烈化学风化的过程。此外, 二叠系铝土岩层中的原生稀土矿物, 如氟菱钙铈矿[CaCe1.1La0.9(CO3)3F2], 也指示部分稀土元素首先从成矿母质中被淋滤出来, 之后随风化残余物质于古喀斯特地貌的低洼地区沉淀富集的过程(Wang et al., 2010)。

中二叠世末期所发生的东吴运动导致华南大规模海退事件的发生, 海平面下降造成研究区内碳酸盐岩台地的暴露并开始接受大气降水主控的风化淋滤过程。右江盆地所处的古纬度在南纬5° 左右, 位于赤道多雨气候带(广西壮族自治区地质调查院, 2014), 炎热潮湿的气候有利于风化作用的进行。暴露的茅口组碳酸盐岩发生暴露风化, 与此同时, 来自峨眉山大火山岩省的火山灰物质(Deng et al., 2010)及来自西南方向的华南板块和印支板块在俯冲过程中生成的火山弧所产生的火山灰(Zhong et al., 2013; 侯莹铃等, 2014), 均降落在暴露的孤立碳酸盐岩台地上, 为铝土岩的形成提供了成矿母质。随着风化作用加剧, 碳酸盐岩及火山灰风化所产生的红土物质积累于岩溶负地形中, 成为铝土岩层形成的物质基础, 这些成矿母质历经红土化及铝土矿化作用, 最终形成覆盖于茅口组古喀斯特化表面之上的原生岩溶型铝土矿。该过程中大气降水应以淡水为特征, 因此铝土岩沉积均显示出淡水沉积特征, 在钻孔ZK15108及ZK4353中, 铝土岩层样品古盐度指标均指示淡水沉积环境。

铝土矿化过程结束于晚二叠世初期的海侵过程, 桂西地区大部分二叠系剖面上均出现合山组底部的铝土岩层向上覆的黑色钙(碳)质泥岩— 灰黑色泥灰岩— 深灰色灰岩转变的海侵序列, 部分剖面也存在铝土岩层缺失的现象, 合山组下部泥岩直接覆盖在茅口组灰岩之上(如ZK5602孔), 这与碳酸盐岩台地古喀斯特化导致的古地貌起伏不平现象有关。在合山组钙质(碳质)泥岩部分尚可观察到劣质煤线, 这种伴随着海侵事件的煤层或泥岩沉积, 被认为是与其直接上覆的海相灰岩为同一事件的沉积组合(李增学等, 2001, 2003; 邵龙义等, 2009)。通过对ZK5602孔的分析, 可见在海侵事件控制下的合山组下部钙质(炭质)泥岩和泥灰岩组合呈现出海水的古盐度特征, 与岩相所指示的海陆交互相至海相沉积环境相吻合。同时, 合山组下部泥岩及泥灰岩段所显示的灰黑色, 及其中含有大量有机质及小型介壳类生物化石碎片的现象, 也说明此时水体发生了咸化现象, 因为咸化的水体不仅有利于有机质的保存和富集, 也可促进氧化还原界面向上迁移和水体的密度分层(金强等, 2008; 文华国等, 2008)。

5 结论

1)桂西地区二叠系铝土岩的分布范围广, 遍布晚古生代碳酸盐岩台地, 其展布特征表明初始物质— — 古红土并未选择性地沉积于局部地段中, 而是覆盖于整个台地之上。因此可以认为, 铝土岩层是在台地暴露的条件下于整个台地范围内形成, 并非仅沉积于古海湾等局部区域。铝土岩中存在茅口组灰岩砾石以及下伏茅口组灰岩中存在的充填铝土岩的溶洞等现象, 证明铝土化过程直接于茅口组灰岩的古喀斯特面上完成, 同样也支持了二叠系铝土岩的陆相成因观点。此外, 铝土岩中发现的植物的根茎化石碎片也是陆相环境的有力证据。

2)来自桂西二叠系茅口组灰岩、合山组铝土岩及泥灰岩样品的微量元素地球化学分析表明, 硼含量及Sr/Ba、Rb/K、V/Zr及Zr/Cu等古盐度指标均指示铝土岩形成于陆相淡水环境中, 而茅口组灰岩及合山组泥灰岩样品形成于海水环境中。结合宏观地层及野外剖面证据, 可以认为桂西二叠系铝土岩形成于陆相环境中。

(责任编辑 李新坡)

作者声明没有竞争性利益冲突.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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