第一作者简介 吴波,男, 1981年生,高级工程师,在读同等学力博士研究生,现从事地质矿产勘查和研究工作。 E-mail: 1208834071@qq.com。
贵州龙里地区发育早石炭世杜内期“丰源层”铝土矿。通过收集龙里地区地质钻孔资料,结合实测剖面和踏勘地质点资料,统计含铝岩系厚度、矿体厚度、品位、铝硅比数据,利用 Surfer 8.0成图软件,采用微地貌编图的方法,还原早石炭世杜内期含铝岩系古地貌,发现本区古喀斯特岩溶洼地 2处,丰源层铝土矿产于水场—比孟—草原—高坡一带的古喀斯特岩溶洼地中。微地貌进一步研究表明,品位较高的碎屑状、豆鲕状铝土矿位于古喀斯特岩溶洼地的中心部位,品位较低的致密状铝土矿则分布于其中心和边缘。本区古地理研究表明,龙里地区早石炭世杜内期丰源层铝土矿的含矿岩系形成环境为海陆交互相,由北至南依次为发育陆相、古喀斯特岩溶洼地相和海相,古喀斯特岩溶洼相为丰源层铝土矿的形成提供了有利的沉积就位场所。
About the first author Wu Bo,born in 1981,senior engineer,is a Ph.D. candidate with same academic level. Now he is currently engaged in mineral exploration and research. E-mail: 1208834071@qq.com.
In the Longli area of Guizhou,the Early Carboniferous Tournaisian “Fengyuan layer” bauxite was developed. In this paper,based on the geological boreholes,measured profiles and exploration geological point data in study area,the thickness of the aluminous rock series and the ore was calculated. The data of volume thickness,ore grade,and Al/Si ratio were used by Surfer 8.0 mapping software and the method of microgeomorphology mapping to restore the paleogeomorphology of the Early Carboniferous Tournaisian aluminous rock series. Two paleokarst depressions were found in this area. Fengyuan layer bauxite was produced in paleokarst depressions along the Shuichang-Bimeng-Caoyuan-Gaopo area. Further research on microgeomorphology shows that the high-grade clastic and bean oolitic bauxite is located in the center of paleokarst depressions,while the low-grade dense bauxite is distributed in the center and margin. The paleogeographic research shows that the formation environment of bauxite aluminous rock series in the Fengyuan strata of the Early Carboniferous Tournaisian is a continent-marine transitional facies,including continental facies,paleokarst depression facies and marine facies from north to south. The karst bottomland provides a favorable depositional site for the formation of Fengyuan layer bauxite.
贵州铝土矿主要形成于晚古生代石炭纪和二叠纪(刘幼平等, 2010; 刘平和廖友常, 2012)。近年来, 不少学者对贵州铝土矿进行了研究, 其内容归纳起来包括铝土矿的沉积环境与沉积相(崔滔等, 2014; 刘辰生等, 2014); 铝土矿物源及地球化学特征(金中国等, 2009; 张信伦等, 2018; 吴波等, 2020); 铝土矿的成矿机制及成矿作用(刘平, 1999; 金中国等, 2009, 2013; 杜远生等, 2014); 铝土矿的形成时代(刘平, 1993; 黄兴等, 2013; 陈启飞等, 2017; 马荣等, 2019)等。贵州石炭纪铝土矿按含铝岩系时代划分为黔中龙里地区早石炭世杜内期丰源层铝土矿(FYB)和黔中清镇、修文及遵义地区早石炭世韦宪期九架炉组(C1jj)铝土矿。龙里地区丰源层铝土矿是贵州乃至整个中国发现的成矿时代最早的铝土矿, 由于其分布范围仅局限于贵州龙里地区, 对龙里地区开展丰源层铝土矿研究意义特殊。作者运用定量的岩相古地理学方法, 对龙里地区开展铝土矿微地貌研究, 并通过编制含铝岩系等厚曲线图, 建立了龙里地区早石炭世杜内期铝土矿含铝岩系岩相古地理图, 对丰富贵州早石炭世铝土矿成矿理论具有重要的地质意义。
贵州龙里地区大地构造位置位于扬子陆块黔北隆起区和黔南凹陷区结合部位(戴传固等, 2017)。根据贵州省铝土矿成矿区带划分方案, 龙里地区属于鄂渝湘黔前陆褶断冲断带渝南— 黔中铝土矿成矿区黔中铝土矿成矿带龙里早石炭世杜内晚期铝土矿成矿亚带(翁申富等, 2019)。早古生代, 区内沉积海相碳酸盐岩、陆源碎屑岩, 为铝土矿成矿提供了丰富的矿质母岩, 成为聚铝盆地底板, 决定了原型成铝盆地的形态和规模。晚古生代起, 贵州处于离散构造背景, 自泥盆纪开始进入陆内裂陷阶段, 并在早泥盆世晚期至早石炭世中期, 大致以息烽— 开阳— 瓮安一线为界分为黔南凹陷和黔北隆起, 丰源层铝土矿产于黔北隆起区和黔南凹陷区的结合部位(图 1)。
龙里地区出露地层由老到新依次为上泥盆统高坡场组(D3g)、者王组(D3z), 革老河组(D3gl), 下石炭统汤耙沟组(C1t)、丰源层铝土矿(FYB)、祥摆组(C1x)、旧司组(C1j)、上司组(C1s)及第四系。区内褶皱、断裂构造总体呈北北东向展布, 向斜构造控制了本区铝土矿的产出。研究区丰源层铝土矿含铝岩系分布大致以龙里县城为中心, 其分布北至高铺, 南至高坡, 东至麻芝铺, 西至水场, 分布面积约600 km2。丰源层铝土矿(FYB)主要分于草原西北一带的长金坪— 白岩— 上马店— 谷郎所围限的地区, 其间分布有黔陶、丰源铝土矿床, 分布面积约50 km2(图 1)。
区域上丰源层含铝岩系厚度变化较大, 从西向东表现为: 西北谷洒一带, 含铝岩系厚度一般3~10 m, 铝土矿体厚一般2~3 m; 东至草原一带, 含铝岩系变薄, 厚度一般2~5 m, 铝土矿体厚一般1 m; 再往东至长岭岗一带, 含矿岩系逐渐变薄, 一般在1 m左右, 铝土矿体尖灭。由北向南表现为: 北部比孟一带, 含铝岩系较薄, 铁质含量较高, 无铝土矿体产出; 至草原一带, 含铝岩系逐渐增厚, 形成豆鲕状、碎屑状铝土矿体; 再往南至摆省一带, 含铝岩系逐渐消失(图 2)。
龙里地区丰源层铝土矿床位于草原乡西侧, 矿床呈条块状, 南北长7.5 km, 东西宽6.5 km, 面积约40 km2。中心坐标: 东经106° 51'11″、北纬26° 21'06″, 矿床规模为小型。矿区地层由老到新依次为上泥盆统高坡场组(D3g)、者王组(D3z)、革老河组(D3gl)、丰源层铝土矿(FYB)、下石炭统祥摆组(C1x)。矿区位于龙里箱状背斜中段, 轴向近南北, 次级褶皱构造不发育, 呈平缓的单斜构造, 产状平缓。南部倾向北东为主, 北部倾向北北西, 倾角0° ~13° 。矿区铝土矿赋存于下石炭统祥摆组之下, 上泥盆统者王组之上。矿区发现9个矿体, 矿体平面形态呈不规则状, 剖面形态呈层状、似层状, 单矿体长280~1450 m, 宽150~1100 m, 厚0.71~3.37 m。矿石Al2O3含量45.46%~79.26%, 平均63.76%; SiO2含量1.08%~37.87%, Fe2O3含量0.71%~17.43%, 平均5.47%。矿区矿石矿物组成主要为一水硬铝石, 其次为黏土矿物及少量石英、褐铁矿等。矿石结构有微— 泥晶砂屑结构(原生结构)、碎屑状结构(次生结构), 矿石构造主要有块状构造、致密状构, 也有少量半土状构造、蜂窝状构造。矿石自然类型主要为鲕状铝土矿、碎屑状铝土矿, 同时见致密状铝土矿分布在鲕状、碎屑状铝土矿上部和下部(图 3)。
通过采用Surfer 8.0编图软件, 将收集的已施工钻孔、踏勘点、实测剖面、实测剥土等含铝岩系厚度统计数据, 结合插值法自动生成数据点, 利用编图软件中表面图、等值线图功能模块, 自动生成含铝岩系微地貌图、含铝岩系等厚曲线图。将收集的已施工见矿钻孔矿体厚度、品位、铝硅比值统计数据, 自动生成数据点, 利用编图软件等值线图功能模块, 自动生成矿体等厚曲线图、矿体品位等值线图、矿体铝硅比等值线图。其中含铝岩系微地貌图、含铝岩系等厚曲线图采用含铝岩系厚度值统计点158个(表 1), 包括收集钻孔105个、实测剖面6个、实测剥土9个、实测踏勘点4个、插值点34个。矿体等厚曲线图、矿体品位等值线图、矿体铝硅比等值线图等采用钻孔的矿体厚度、品位、铝硅比值统计点58个(表 2), 其中碎屑状13个、豆鲕状13个、致密状32个, 无插值点。
通过对研究区微地貌编图, 发现古喀斯特岩溶洼地2处(图 4)。其中1处岩溶洼地位于龙里以北高铺— 谷脚一线, 岩溶洼地呈北东向分布, 呈大小不等的串珠状岩溶洼地群分布, 该岩溶洼地内目前尚未发现有工业价值的铝土矿床分布, 面积约40 km2。另1处岩溶洼地位于龙里西南水场— 比孟— 草原— 高坡一带, 岩溶洼地呈不规则状分布, 该岩溶洼地内分布有黔陶、丰源铝土矿床, 矿石质量好, 分布面积约110 km2。
研究区含铝岩系厚度等值线图(图 5)显示, 研究区含铝岩系较厚地段集中分布于水场— 草原— 高坡一带, 形成黔陶、丰源铝土矿床, 含铝岩系继续沿北东向经比孟延伸至高铺一带, 但无工业价值的矿体产出; 龙里县城以南, 草原以西至长岭岗一带含铝岩系缓慢变薄, 至摆省— 云雾一线逐渐尖灭, 说明喀斯特岩溶洼地外缘地势相对平坦; 永乐— 猫场— 哪旁以北缺失丰源层铝土矿(FYB), 可能由于接近古陆边缘, 无合适沉积场所导致。
为进一步探讨不同类型铝土矿(碎屑状、豆鲕状、致密状)分布与矿体厚度、矿体品位及矿体铝硅比的关系, 分别在矿体等厚曲线图、矿体品位等值线图、矿体铝硅比等值线图上投影碎屑状、豆鲕状、致密状铝土矿数据点, 形成龙里地区丰源层铝土矿体厚度、品位、铝硅比等值线图(图 6)。结果表明: (1)碎屑状铝土矿主要分布于古喀斯特岩溶洼地中部及边缘, 主要位于谷郎— 水落洞一带, 矿体厚度与碎屑状铝土矿分布无直接关系; 豆鲕状铝土矿主要分布于古喀斯特岩溶洼地中心, 边缘几乎无豆鲕状铝土矿的形成(图 6-a)。说明矿体厚度大更有利于其形成, 且中心部位更有利于地下水的汇集, 对铝土矿产生更强的淋滤作用; 致密状铝土矿在古喀斯特岩溶洼地中部及边缘均有分布, 且其与矿体厚度无直接关系; (2)品位较高矿体位于古喀斯特岩溶洼地的中心部位, 品位较低矿体则分布于古喀斯特岩溶洼地的边缘(图 6-b)。说明中心部位铝土矿脱硅脱硫强, 边缘部位脱硅脱硫弱, 这与矿体铝硅比基本相一致; 根据矿体品位等值线图及矿体铝硅比等值线图综合分析认为该岩溶洼地存在2个较明显的古岩溶漏斗, 古岩溶漏斗直接导致了黔陶、丰源铝土矿床的形成; (3)铝硅比值较高矿体位于古喀斯特岩溶洼地的中心部位, 其主要分布于谷洒、谷郎以东一带; 铝硅比值较低矿体则分布于古喀斯特岩溶洼地的边缘(图 6-c)。说明古喀斯特岩溶漏斗中心更有利于脱硅脱硫, 地下水不断的淋滤作用带走了大量易溶于水的Fe、Si、Mg、Ca等元素, 而难溶于水的Al、Ti等元素则相对富集(吴波等, 2020), 从而导致优质铝土矿的形成。
微地貌提供了铝土矿沉积场所。本区在海西期, 尤其是晚泥盆世至早石炭世, 发生陆内隆升作用, 基底地层经风化剥蚀、溶蚀作用, 形成了准溶原地貌, 在岩溶面上发育形成了数量众多、规模不一的岩溶洼地, 随着早石炭世海侵的发展, 这些岩溶洼地成为铝土矿沉积就位的空间场所。
微地貌控制了铝土矿的形态。古岩溶洼地的形态和规模控制了铝土矿沉积阶段古红土物质积聚的数量、规模、厚度和堆积形态, 单个岩溶负地形展布规模大、深度大, 积聚的古红土物质数量多、规模大、厚度大, 形成的含铝岩系相应的规模和厚度较大。
微地貌决定了铝土矿成矿的品质。不同微地貌决定了铝土矿的品质好坏, 致密状铝土矿在岩溶洼地的中部及边缘均有分布, 碎屑状铝土矿分布于岩溶洼地漏斗附近, 岩溶漏斗中心部位往往有大量的豆鲕状铝土矿产出, 说明漏斗中心淋滤作用更强, 更有利于脱硅脱硫, 导致优质铝土矿的形成。
5.1.1 划分依据
结合前面所述研究区丰源层铝土矿底板地层的分布、丰源层含铝岩系的厚度及其分布特征、沉积物的岩石组合特征等多种因素对含铝岩系形成时期的岩相古地理进行划分。
1)根据丰源层含铝岩系底板地层划分陆相、海相和过渡相区。
龙里地区北部大致以龙洞堡— 永乐— 三元一线为界, 以北地区丰源层含铝岩系缺失, 其底板地层为高坡场组白云岩, 缺失者王组、革老河组、丰源层铝土矿, 祥摆组直接平行整合于其上。可以直接确定该线以北为陆相古陆剥蚀区, 以南为海陆交互相或海相区。龙里地区南部大致以摆省为界, 向东至湾寨— 羊场— 巩固一带, 底板地层为汤耙沟组浅海沉积灰岩, 缺失者王组、革老河组、丰源层铝土矿, 祥摆组直接平行整合于其上。可以确定该线以南为大片浅海区域。龙里地区中部底板地层为者王组或革老河组, 之上为丰源层铝土矿或丰源层含铝岩系, 则代表了海陆交互相的广大区域。
2)根据丰源层含铝岩系的厚度及其分布、沉积物的岩石组合特征将海陆交互相进一步划分为古喀斯特岩溶洼地重点发育区和古喀斯特岩溶洼地一般发育区。
龙里地区中部发育了大小不等的古喀斯特岩溶洼地, 形成特殊的古喀斯特岩溶洼地相区, 这些岩溶洼地为含铝岩系提供了良好的沉积场所。按照含铝岩系厚度的变化, 以丰源层含铝岩系厚度为零的等值线圈定陆相/过渡相分界线、过渡相/海相分界线。含铝岩系厚度大于1 m的区域, 其剖面上岩石组合特征自上而下为黏土岩— 铝土质黏土岩— 铝土矿— 铁质黏土岩, 将其确定为古喀斯特岩溶洼地重点发育区, 主要分布于水场— 比孟— 草原— 高坡一带, 并向北东延伸至高铺一带结束。含铝岩系厚度小于1 m的区域, 其剖面上岩石组合特征自上而下为黏土岩— 铝土质黏土岩— 黏土岩, 将其确定为古喀斯特岩溶洼地一般发育区, 主要分布于比孟— 草原一线以东大片地区。
5.1.2 划分结果
丰源层铝土矿形成时岩相古地理由北向南依次划分为古陆剥蚀区、古喀斯特岩溶洼地发育区及海相区。(1)古陆剥蚀区: 龙洞堡— 永乐— 三元一线以北划为古陆剥蚀区, 该区域内无含铝岩系或局部残存少量含铝岩系, 以剥蚀为主。该区高坡场组与祥摆组呈假整合接触, 其间缺失者王组、革老河组、丰源层铝土矿和汤耙沟组。(2)古喀斯特岩溶洼地发育区(海陆交互相区): 分为古喀斯特岩溶洼地重点发育区、古喀斯特岩溶洼地一般发育区。其中古喀斯特岩溶洼地重点发育区主要分布于水场— 比孟— 草原— 高坡一带, 向北东延伸至高铺一带结束, 该区内黔陶、丰源铝土矿床质量较好, 含铝岩系上覆地层为祥摆组, 下伏地层为者王组; 古喀斯特岩溶洼地一般发育区位于比孟— 草原一线以东大片地区, 由于古地势缓慢抬升, 矿系变薄, 底板地层为革老河组, 缺失汤耙沟组。(3)海相区: 分布范围大致以摆省为界, 向东至湾寨— 羊场— 巩固一带, 海相区地层为汤耙沟组灰岩、祥摆组石英砂岩, 其间缺失丰源层铝土矿(图 7, 图 8)。
龙里地区位于黔北隆起和黔南凹陷的结合部位, 晚泥盆世受 “ 弗拉斯— 法门期” 地质事件的影响, 海水退致龙里草原南面一带, 北边为古陆剥蚀区, 南边为海, 其间大致以龙里为中心约1000 km2范围内处于海陆交互相区, 水场— 比孟— 草原— 高坡, 向北东延伸至高铺一带约350 km2范围内, 为古喀斯特岩溶洼地重点发育区, 这些岩溶洼地成为铝土矿沉积就位的空间场所。 龙里以东古地势逐渐升高, 但总体仍较平缓, 为古喀斯特岩溶洼地一般发育区。 至早石炭杜内晚期, 古地貌总体趋于平缓。 总体地形表现为北高南低, 北面为陆, 南面为海, 陆与海之间形成了晚泥盆世碳酸盐岩为基底的北东向古喀斯特岩溶洼地(海陆交互相区), 尤其是水场— 比孟— 草原— 高坡一带大致50 km2范围内, 溶坑发育密集, 岩溶漏斗广泛, 为丰源层铝土矿的形成提供有利场所, 黔陶、 丰源等铝土矿床即在此古喀斯特岩溶洼地形成。 龙里以东大片为宽缓地区, 尽管局部溶坑发育, 因其发育规模小, 含铝岩系厚度较小, 难以形成具有工业价值的铝土矿体。
通过收集以往大量钻孔资料, 结合野外实地调查、实测剖面及综合分析, 对龙里地区开展铝土矿微地貌研究。运用定量的岩相古地理学方法, 并通过编制含铝岩系等厚图, 通过综合分析, 建立了龙里地区早石炭世杜内期铝土矿含铝岩系岩相古地理图, 取得以下认识:
1)龙里地区早石炭世杜内期古地貌图显示, 该区发育古喀斯特岩溶洼地2处, 分别位于高铺一带和水场— 比孟— 草原— 高坡一带。龙里地区黔陶、丰源铝土矿床, 均位于水场— 比孟— 草原— 高坡一带的古喀斯特岩溶洼地。
2)岩溶洼地内普遍发育有碎屑状、豆鲕状、致密状铝土矿, 矿体严格受古喀斯特岩溶洼地控制。矿体品位较高的碎屑状、豆鲕状铝土矿位于古喀斯特岩溶洼地的中心部位, 品位较低的致密状铝土矿则分布于古喀斯特岩溶洼地的边缘。
3)丰源层铝土矿产于黔北古陆与黔南凹陷的结合部位, 其形成环境为海陆交互相, 由北至南依次为陆相、古喀斯特岩溶洼地相和海相。其中陆相为剥蚀区, 提供成矿母质, 古喀斯特岩溶洼地相为红土化物质的保存及铝土矿的形成提供了有利场所, 海相区阻断了丰源层铝土矿的形成。
致谢 中国地质大学(武汉)杜远生教授对文章的写作给予了充分的指导和帮助, 审稿专家对文章提出了建设性的修改意见, 在此一并表示衷心的感谢!
(责任编辑 李新坡; 英文审校 徐 杰)
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