从华南贵州地区铝土矿沉积中的碎屑锆石年龄谱来看, 除黔中修文地区下石炭统九架炉组铝土矿沉积中出现838 Ma年龄主峰外(图 3-A), 贵州其他地区与层位的铝土矿沉积中均出现明显的约960 Ma的主年龄峰值(图 3-B, 3-D, 3-E)。2个次级年龄峰值~550 Ma和~2450 Ma在贵州铝土矿沉积中广泛存在, 此外, 在黔北遵义地区下石炭统九架炉组铝土矿沉积中出现了446± 12 Ma的最小年龄峰值(图 3-B), 在黔北务正道地区大竹园组铝土矿沉积中尚出现了1745± 11 Ma的次级年龄峰值(图 3-D)。贵州铝土矿沉积的下伏碎屑岩地层中的碎屑锆石年龄谱展现出与各对应的上覆铝土矿层间类似的碎屑锆石年龄谱分布特征(图 3), 这种相似性证明了贵州铝土矿沉积中的碎屑锆石物源对下伏碎屑岩地层具有继承性。

图 3

Fig.3

Figure Option ViewDownloadNew Window

图 3 华南贵州地区铝土矿沉积及下伏碎屑岩地层中碎屑锆石年龄谱 A— 黔中修文地区下石炭统九架炉组铝土矿(Wang et al., 2018); B— 黔北遵义地区下石炭统九架炉组铝土矿(Xiong et al., 2020); C— 黔北地区下— 中奥陶统湄潭组细砂岩(Xiong et al., 2020); D— 黔北务正道地区下二叠统大竹园组铝土矿(Gu et al., 2013b; 金中国等, 2013; 赵芝等, 2013; 余文超等, 2014a); E— 黔东南凯里地区下二叠统大竹园组铝土矿(Wang et al., 2018); F— 黔北务正道地区下志留统韩家店组细砂岩(Gu et al., 2013b; 余文超等, 2014a)Fig.3 Detrital ziron U-Pb age specturms for bauxite deposits and their underlying clastic rocks in Guizhou Province, South China

广西地区铝土矿的2种类型分别是上二叠统合山组底部原生铝土矿和第四系铝土矿, 其中第四系铝土矿又可分为桂西地区主要来源于上二叠统合山组原生铝土矿垮塌形成的次生堆积型(岩溶型萨伦托亚型)铝土矿(刘长龄, 1988; 祝瑞勤等, 2004; 蔡书慧等, 2012; 余文超等, 2014b)及桂中地区三水铝石沉积(邓军, 2006)。桂西地区不同矿点的上二叠统合山组原生铝土矿中碎屑锆石年龄谱均显示单一峰值特征, 主峰集中于261± 3 Ma(图 4-A)。与之相对, 桂中地区第四系三水铝石沉积中的碎屑锆石年龄谱组成更加复杂, 年龄主峰出现在101± 1 Ma, 此外还具有261 Ma、448 Ma、1847 Ma及2459 Ma等4个次级年龄峰值(图 4-B), 其中261 Ma峰值可以与上二叠统合山组铝土矿中的年龄主峰对应。

图 4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 4 华南广西地区铝土矿沉积中碎屑锆石年龄谱 A— 桂西地区上二叠统合山组铝土矿(Deng et al., 2010; Yu et al., 2016; Hou et al., 2017); B— 桂中地区第四系三水铝石沉积 (Yang et al., 2018)Fig.4 Detrital ziron U-Pb age specturms for bauxite deposits in Guangxi, South China

虽然华北地区铝土矿沉积均位于相同层位, 即上石炭统本溪组与中奥陶统马家沟组之间的不整合界面上, 但依据其所处板块位置可分为华北板块内部、北部与南部3个不同区域(图 1)。在华北板块内部(图 5-A), 年龄主峰出现在455 Ma, 此外还有324 Ma、1015 Ma、1944 Ma和2487 Ma等4个次级年龄峰值。在华北板块北部(图 5-B), 年龄主峰出现在308 Ma, 此外还有434 Ma、1934 Ma和2474 Ma等3个次级年龄峰值。在华北板块南部(图 5-C), 年龄主峰出现在438 Ma, 此外还有983 Ma和2465 Ma 2个次级年龄峰值。对比以上3组年龄谱数据可见, 华北板块南部与北部铝土矿沉积中碎屑锆石年龄谱差异较大, 而中部铝土矿沉积年龄谱呈现出南部与北部年龄谱混合的特征。

图 5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 5 华北地区铝土矿沉积中碎屑锆石年龄谱 A— 华北板块内部铝土矿沉积(Wang et al., 2010; Liu et al., 2014; Wang et al., 2016); B— 华北板块北部铝土矿沉积(Liu et al., 2014; Wang et al., 2016); C— 华北板块南部铝土矿沉积(Cai et al., 2015; Zhao and Liu, 2019)Fig.5 Detrital ziron U-Pb age specturms for bauxite deposits in North China

碎屑锆石年代学物源研究理论的基本假设是剥蚀区形成的风化碎屑物质随搬运作用进入沉积盆地, 盆地中的沉积物继承了剥蚀区岩层中的抗风化能力较强的重矿物组分(其中尤以锆石为代表), 因此可以通过分析沉积盆地中地层的碎屑锆石年龄谱来反推剥蚀区物源情况(Fedo et al., 2003; Sharman and Malkowski, 2020)。在铝土矿沉积中使用碎屑锆石年代学研究方法时因此也需要满足2个前提条件: (1)化学稳定性, 锆石等重矿物在强烈地球化学风化环境中仍然能保持矿物的稳定性, 并且其中的U-Pb同位素体系仍然保持封闭; (2)物理继承性, 以锆石为代表的重矿物组分会在搬运作用中随着风化成矿母质一起发生迁移。

虽然早期有学者认为锆石在热带酸性土壤中会发生明显溶解作用(Colin et al., 1993), 但对喀麦隆南部恩西米(Nsimi, 位于北纬3° , 属典型的近赤道热带地区)地区(Delattre et al., 2007)及巴西亚马逊盆地(Balan et al., 2001)中的现代热带风化剖面中锆石颗粒的研究发现, 溶蚀作用仅局限于部分锆石颗粒, 这些锆石在地质演化史中均出现了较强辐射破坏(radiation-damaged), 而其他未经过蚀变的锆石颗粒即使在热带红土中仍然能保持化学稳定性。从中国主要铝土矿沉积中的Zr含量(μ g/g)与Al₂O₃含量(wt. %)(图 6-A)、TiO₂含量(wt. %)(图 6-B)地球化学图解中可见, 不同地区不同时代铝土矿沉积中Zr-Al₂O₃(r=+0.45~+0.86)及Zr-TiO₂(r=+0.60~+0.93)均显示出正相关关系, 但所有铝土矿沉积未显示出统一的整体正相关趋势, 这说明不同物质来源的铝土矿沉积中地球化学稳定元素的相关趋势存在差异。此外Zr-Al₂O₃(r=+0.45, p(α )< 0.01, n=104)及Zr-TiO₂(r=+0.60, p(α )< 0.01, n=104)最低的正相关值出现在广西中部第四系三水铝石样品中, 这也可能与该处铝土矿沉积多重物质来源有关(Chen et al., 2018; Yang et al., 2018)。此外, 针对澳大利亚红土剖面的系统地球化学研究也发现, 部分矿物如钍石和氟碳酸盐矿物的溶解可能会造成Zr和Th元素在风化剖面中的迁移(Du et al., 2012)。

图 6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 6 中国主要铝土矿沉积中Zr元素含量与Al2O3、TiO2含量的二元图解 数据来源: 黔北遵义地区下石炭统九架炉铝土矿(Weng et al., 2019), 黔北务正道地区下石炭统大竹园铝土矿(Gu et al., 2013a; Wang et al., 2013), 广西西部上二叠统合山组铝土矿(Yu et al., 2014; Liu et al., 2017), 广西中部第四系三水铝石(Chen et al., 2018; Yang et al., 2018), 华北地区上石炭统本溪组铝土矿(Wang et al., 2012; Liu et al., 2013)Fig.6 Binary diagrams for Zr-Al2O3 and Zr-TiO2 in main bauxite deposits in China

对比中国主要铝土矿沉积与基底碎屑岩地层中的锆石年龄谱可见, 一些研究案例, 如黔北遵义地区下石炭统九架炉组铝土矿与下— 中奥陶统湄潭组细砂岩夹层(图 3-B, 3-C)、黔北至黔东南地区下二叠统大竹园组铝土矿与下志留统韩家店组细砂岩夹层(图 3-D, 3-E, 3-F)中的碎屑锆石年龄谱均高度相似, 这证明从碎屑组分源岩到铝土矿的演变过程中, 碎屑锆石组分表现出良好的物理继承性。但是铝土矿中的碎屑锆石年代学数据所反映出的物源信息也存在一定局限性, 由于碎屑锆石具有继承性, 会优先反映保存了大量锆石的物源提供者, 如粗碎屑岩、岩浆岩、火山灰等, 但是对于那些缺乏锆石的物源提供者, 如细碎屑岩、泥灰岩等则难以仅凭碎屑锆石年龄信息得到反映。这就需要通过诸如区域地质背景、元素地球化学示踪等方法对物源信息加以综合判别。例如在针对黔北务正道地区(余文超等, 2014a)、黔北遵义地区(Xiong et al., 2020)、桂西地区(Yu et al., 2016)等地的铝土矿沉积物源研究过程中, 均通过质量平衡计算等方法对基底地层或邻近区域地层(以碳酸盐岩沉积为主)的物源贡献情况进行了评估, 认为这些地层对铝土矿沉积的贡献量有限, 往往不能成为主要的物源贡献者。针对华北地区铝土矿系中黏土层的研究则表明, 本溪组底部铁矿和铁质黏土岩主要来自下伏马家沟组灰岩的风化物质贡献(刘学飞等, 2020)。

综上所述, 针对现代风化剖面中锆石颗粒及古风化壳中地球化学特征的研究均证明锆石在强烈化学风化作用下仍然具有稳定性, 且锆石在风化母质搬运过程及风化过程中具有显著物理迁移与风化残余特征。因此碎屑锆石年代学方法可以应用于铝土矿沉积物源研究中, 但是需要排除那些具有明显溶蚀现象及不谐和(谐和度小于90%)的锆石U-Pb年龄数据点。此外, 碎屑锆石年代学物源示踪方法目前尚难以反映铝土矿沉积中的全部物源信息, 对含有大量锆石的物源贡献者, 如中— 粗粒碎屑岩地层、岩浆岩或火山灰物质等对象示踪效果较好, 而对于那些完全由碳酸盐岩或细碎屑岩组成的地层则难以进行示踪。因此, 在对铝土矿沉积使用碎屑锆石年代学方法进行物源研究时, 仍需要结合区域地质情况及地球化学示踪结果进行综合分析。

4.2.1 华南贵州地区铝土矿沉积— — 板块内部原地— 准原地物源实例

华南贵州省内不同地区与时代的铝土矿沉积目前均已取得碎屑锆石年龄数据, 从部分矿床底部的碎屑岩地层内也获得了相应的碎屑锆石数据, 因此具备较好的数据积累来进行物源对比与模式建立工作(图 7)。

图 7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 7 华南贵州地区石炭纪— 二叠纪铝土矿沉积分布及古地理恢复 A— 古地理分布特征与物源模式; B— 黔北至黔中地区铝土矿形成时期古地貌展布与铝土矿形成位置。修改自Yu et al.(2019)Fig.7 Palaeogeography reconstruction and the Carboniferous and Permian bauxite deposits in Guizhou, South China

对于下石炭统九架炉组铝土矿沉积而言, 黔中地区与黔北遵义地区铝土矿沉积均不整合覆盖在寒武系娄山关组白云岩之上, 但2套铝土矿的物源似存在一定差异(图 3-A, 3-B)。差异性主要表现在年龄主峰的不同, 黔中地区年龄主峰为~823 Ma。遵义地区年龄主峰为~962 Ma, 但其中也出现了~810 Ma的次级峰值。黔北遵义地区铝土矿内的年龄谱特征与下伏中奥陶统湄潭组碎屑岩地层的年龄谱特征相似性较大, 证明该地区铝土矿的物源存在来自于原地及准原地的奥陶系碎屑岩风化产物的贡献(Xiong et al., 2020)。通过对比年龄峰值, 黔中地区物源则可能来自更远的扬子板块西缘碎屑岩地层的风化物质输入(Wang et al., 2018)。黔北务正道地区与黔东南凯里— 黄平地区下二叠统大竹园组铝土矿具有一致的碎屑锆石年龄谱分布特征(图 3-D, 3-E), 与黔北与黔东南地区广泛分布的下志留统韩家店组碎屑岩中锆石年龄谱分布特征一致(图 3-F), 证明了两者的物源亲缘性(Gu et al., 2013b; 余文超等, 2014a)。黔北务正道地区大竹园组下伏基岩地层情况较为复杂, 同时包括了下志留统韩家店组碎屑岩及上石炭统黄龙组灰岩, 对于存在黄龙组灰岩残余的地区, 铝土矿沉积中仍然存在大量来源于韩家店组的锆石成分, 证明成矿母质在形成之后至少经过了中— 短距离片流— 面流形式搬运(搬运距离可能在数十千米至数米之间变化), 均匀覆盖于成矿盆地范围, 阻止了黄龙组灰岩的彻底风化剥蚀。

4.2.2 华南广西地区铝土矿沉积— — 异地火山灰物源与次生风化中物源变化实例

广泛分布于广西西部至云南东部地区的中二叠世与晚二叠世界线附近的铝土矿沉积具有相似的锆石年龄峰值特征, 其中以261 Ma附近的年龄占据统治性(90%以上)年龄组成(图 4-A), 该年龄与峨眉山大火成岩省的喷发年龄及华南板块与印支板块之间长山火山弧的活动年龄接近, 说明同时期火山活动产物为铝土矿的形成提供了重要物源(Deng et al., 2010; Yu et al., 2016; Hou et al., 2017)。结合中二叠世至晚二叠世的古地理恢复成果, 该类型铝土矿沉积区域被严格限定在右江盆地内部孤立碳酸盐岩台地区域(图 8-A), 孤立碳酸盐岩台地之外仍然存在连续的台间海槽沉积, 证明在当时只有孤立碳酸盐岩台地区域发生了暴露风化作用(Yu et al., 2016)。对于异地的火山碎屑物质如何越过台间海槽的阻碍, 进入到暴露的孤立碳酸盐岩台地区域的搬运机制较为合理的解释是: 火山灰物质通过大气输送降落在了发生暴露的碳酸盐岩台地区域(图 8-B), 之后通过原地淋滤作用形成了铝土矿沉积(Yu et al., 2016; Hou et al., 2017)。在该物源模型中, 火山灰物质从源区经过了上百千米的远搬运距离, 最终就位于铝土矿沉积区, 因此该研究案例中铝土矿物源是典型的异地来源。

图 8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 8 华南广西及邻区古地理图(A)及上二叠统合山组铝土矿物源模式图(B)(修改自Yu et al., 2016)Fig.8 Palaeogeography map(A)and provenance model for bauxite in the Upper Permian Heshan Formation, Guangxi, South China(modified from Yu et al., 2016)

图 9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 9 华南桂中地区第四系三水铝石沉积分布范围与物质来源示意(据Yang et al., 2018, 修改)Fig.9 Distribution and provenance directions of the Quaternary gibbsite deposits in central Guangxi, South China(modified from Yang et al., 2018)

最近一项研究探讨了分布于桂中地区(南宁— 宾阳— 贵港一带)的三水铝石结核中的锆石年龄谱分布(图9; Yang et al., 2018)。现代宾阳地区属亚热带湿润季风性气候, 年平均气温超过21℃, 年降雨量超过1500 mm, 满足铝土矿形成所需的基本气候条件(Price et al., 1997), 可视为现代正在形成的铝土矿沉积。在该地区三水铝石样品中出现了~100 Ma的年龄主峰(图 4-B), 被认为与邻近地区中新世花岗岩体的风化作用有关。此外, ~260 Ma的次级年龄峰值被认为是来自于原生二叠系铝土矿的风化再沉积作用, ~448 Ma、~966 Ma、~1847 Ma与~2459 Ma的次级年龄峰组合被认为来自于西部与南部高地暴露的中生代碎屑岩地层。该研究案例表明, 先成的铝土矿沉积在后期再次风化剥蚀的过程中, 风化产物中的重矿物组分会重新成为开放体系, 原先记录了异地物源的信号(~260 Ma)会被近源信号(~100 Ma)稀释, 该规律与河流碎屑沉积物中的锆石记录会随着流域内风化物质的输入而被极大改变的规律类似(Cawood et al., 2003)。

4.2.3 华北地区铝土矿沉积— — 板块边缘造山带异地物源实例

华北地区铝土矿沉积虽然均位于晚石炭世本溪组底部, 但碎屑锆石年龄谱所指示的物源在华北板块内部(图 5-A)、北部(图 5-B)与南部(图 5-C)具有显著差异。在华北板块南部, 晚石炭世发生隆起暴露剥蚀的北秦岭造山带为华北板块南部至内部提供了大量碎屑物源(Liu et al., 2013; Zhao and Liu, 2019), 在暴露的中奥陶统马家沟组灰岩表面所形成的岩溶负地形区域就位后发生了原地的风化淋滤作用, 形成铝土矿沉积, 其中保留有指示北秦岭造山带来源的~438 Ma碎屑锆石年龄主峰(图 5-C, 图 10-A)。此后, 华北板块北缘形成中亚造山带南部分支, 造成华北板块北缘一带出现隆起剥蚀, 为华北板块北部的铝土矿沉积提供了物质来源, 其中包含有~308 Ma的特征年龄主峰(图 5-B, 图 10-B), 南北方向双向输入的物源在华北板块内部发生汇聚, 因此华北板块内部铝土矿沉积中的碎屑锆石年龄谱兼具南部物源与北部物源的特征(图 5-A)(Wang et al., 2010; Wang et al., 2012; Liu et al., 2014; Cai et al., 2015; Wang et al., 2016)。虽然华北板块在晚奥陶世至晚石炭世长期处于较为稳定的构造背景, 在马家沟组灰岩地层上发育了准平原化的岩溶地貌, 但是仅依靠灰岩的风化物质无法为华北板块上的铝土矿沉积提供全部的铝质来源, 仅能形成矿系底部铁质黏土岩及铁矿沉积, 而环板块周缘发育的造山带区域的隆起暴露与风化剥蚀作用为中上部铝土矿层形成提供了成矿物质基础(刘学飞等, 2020)。

图 10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 10 华北板块晚石炭世铝土矿成矿期物源供给模式示意图(修改自Wang et al., 2016)Fig.10 Provenance model for the Late Carboniferous bauxite formation period in North China(modified from Wang et al., 2016)

杜远生和余文超(2020)详细讨论了此前一些铝土矿床分类方案的优缺点。目前国际铝土矿研究中使用最为广泛是Bá rdossy分类方案, 该方案最大特色是通过铝土矿层基底岩性来对铝土矿类型进行区分。早期的分类方案以二元分类法为特色: 碳酸盐岩为基底的铝土矿床即为“ 岩溶型” , 以硅铝酸盐岩为基底的即为“ 红土型” (Bá rdossy, 1982)。这种分类方案以基岩岩性作为矿床中明确而能直接观察到的分类标准, 但是Bá rdossy(1994)又将以硅铝酸盐岩为基底的铝土矿床类型重新划分为原地残积的“ 红土型” 与异地物源“ 沉积型(或Tikhvin型)” , 并与“ 岩溶型” 形成并列关系(Bá rdossy, 1994), 这实际上造成了该分类方案中观察与解释并存的现象。此分类方案在中国铝土矿床研究中使用时遭遇到一些困难, 例如黔北务正道地区大竹园组铝土矿同时覆盖在黄龙组灰岩及韩家店组碎屑岩基底之上, 导致大竹园组铝土矿在Bá rdossy分类方案中难以找到合适的类型加以概括(Gu et al., 2013a; Li et al., 2020)。此外, 一些次级矿床分类方案之间具有重叠性, 例如黔北地区九架炉组铝土矿具有哈萨克斯坦亚型矿床含矿岩系由铝土矿和含铝土质黏土构成几层透镜体或巢状矿体及基岩表面强岩溶化的特点, 但同时也具有阿列日亚型下部为沉积黏土, 上部由含黏土的铝土矿过渡到铝土矿的二分性特点(Weng et al., 2019)。因此分类标准的模糊性与主观性导致在针对中国铝土矿床使用Bá rdossy分类方案时产生了一些混乱。

本次对中国主要铝土矿沉积中碎屑锆石年代学结果的收集整理工作显示, 无论是覆盖于碎屑岩基底的铝土矿沉积(如黔北务正道地区大竹园组铝土矿), 抑或是覆盖于碳酸盐岩基底的铝土矿沉积(如黔中至黔北遵义地区九架炉组铝土矿、桂西地区合山组铝土矿、桂中地区第四系三水铝石沉积、华北地区本溪组铝土矿), 其成矿物质来源均存在准原地或异地搬运的碎屑沉积物风化产物的显著参与。特别是碳酸盐岩为基底的铝土矿床中, 其物质来源可能比之前的认识更为复杂: 矿系底部的铁质黏土岩或铝土质黏土岩来源于碳酸盐岩风化残余物(Weng et al., 2019; 刘学飞等, 2020), 矿系中部和上部达到工业利用标准的铝土矿石则主要由硅铝酸盐岩风化产物经过搬运与原地淋滤作用过程形成。从这个意义上说, 铝土矿形成的物源是原地、准原地或异地的指标并不适合作为中国铝土矿床分类的判别标准。同样地, 以矿体形态和矿层内部结构的划分标准在实际使用的过程中也会造成一定混乱, 容易造成同物异名或异物同名的现象。

廖士范和梁同荣(1991)从实际情况出发, 提出了更为适合中国铝土矿沉积的矿床分类方案, 以“ 古风化壳型” 和“ 红土型” 作为基础分类, 将“ 红土型” 限定为“ 无上覆地层覆盖的近现代风化的铝土矿” , 而将其他所有铝土矿床统一归纳为“ 古风化壳型” 。该分类方案突破了基底岩性的分类条件, 强调了沉积环境因素对铝土矿床不同类型的控制作用。但是该分类方案在进行亚型划分时也大量使用了“ 原地” 、“ 准原地” 、“ 异地” 等物源距离判别指标及“ 淡水” 、“ 咸水” 及“ 海水” 等沉积环境指标, 造成物源因素的判别度不强, 且忽略了铝土矿淋滤作用的重要性, 其分类指导思想似乎为成矿物质在经过充分风化淋滤作用后, 再经过再沉积作用直接沉积成矿, 该观点与目前主流铝土矿成矿理论存在较大差异。综上所述, 结合近年来铝土矿研究中所取得的进展, 如何合理地在前人分类方案的基础上提出新的、更合理的分类方案是目前铝土矿研究中极为重要且亟待解决的问题, 杜远生和余文超(2020)所提出的新的分类方案即是一次初步而有益的尝试。