铝土矿及伴生关键金属矿床的岩石(矿石)组成、成矿序列及成矿机理

大陆风化是地球表层系统中的关键过程,涉及多种能量形式(太阳能、风能、化学能和重力势能)和物理化学过程,是地球化学元素在地球不同层面(如岩石圈、水圈、生物圈和大气圈)之间迁移和重新分配的基础。在此过程中,异常的元素富集可形成工业级的风化淋滤矿床。风化淋滤矿床可进一步区分出风化矿床和沉积—淋滤型矿床2种类型。传统的矿床学和沉积学研究方法在理解风化淋滤矿床形成过程中存在局限性,特别是在解析成矿阶段和动态成矿过程方面仍不甚明晰,导致该类型矿床在基础研究和勘查方面长期存在亟待解决的一批问题。本研究在厘清大陆风化作用、风化壳(古风化壳)、土壤(古土壤)等概念的基础之上,对现代风化淋滤剖面(如广西贵港三水铝石矿床)和古老风化淋滤型矿床(如中国华南地区早石炭世—晚二叠世铝土矿床及沉积淋滤型稀土矿床)开展了系统的沉积学分析与对比工作。研究发现,风化淋滤矿床的结构组分主要包括碎屑、团粒与包粒、块状黏土等结构类型,分别对应碎屑状、包粒状、致密状矿石的形成。成岩过程主要依赖于氧化物矿物及黏土质的胶结与填隙作用。基于上述认识,提出了风化淋滤矿床的淋滤序列和剖面结构划分方案。该方案以风化剖面中渗流带与潜流带作为基本的划分依据,进一步区分出风化矿床序列与沉积—淋滤型矿床序列,两者主要以是否出现沉积单位作为主要识别标志。以古气候为主线分析了风化淋滤矿床的成因机理,并结合近年来质量平衡计算相关成果,总结了淋滤过程中元素迁移规律,将风化淋滤型矿床的成矿过程概括为成矿母质形成、成矿物质风化和后期改造3个阶段。

黔北旦坪铝土矿床胶体包粒成因及其形成时间估算

世界大多数铝土矿床中均发育有同心层状的颗粒结构,其生长过程记录了铝土矿成矿相关信息,具备重建铝土矿成矿环境的潜力。区别于碳酸盐岩鲕粒,对铝土矿床中这种类似鲕粒的多圈层包粒结构的研究还不够深入,其基本的定义、成因与生长时限均不明确,亟待进一步研究。针对这一问题,结合现代热带氧化土剖面中淀积黏化层产出包粒结构这一特点,对黔北务川—正安—道真(务正道)地区旦坪矿区下二叠统铝土矿开展了相关研究,提出将铝土矿同心层状结构命名为“胶体包粒结构”。本研究在对旦坪铝土矿床典型含矿岩系剖面地质特征研究基础上,重点对其中的胶体包粒开展了研究。旦坪铝土矿中的胶体包粒由不同类型的核心及周围交替出现的铝赤铁矿、勃姆石圈层组成。采用二分值法对包粒圆度进行了统计,分析结果显示其圆度以圆形、近圆形为主。归一化处理包粒圈层范围为11.2~319.5μm。对胶体包粒圈层数目的统计发现,其层数以1~3层为主。基于以上统计数据,研究使用Fick第一定律及其拓展式对铝土矿胶体包粒生长时间进行估算,并尝试构建其扩散生长模型。胶体包粒生长时间计算结果表明:胶体包粒内铝赤铁矿圈层的形成时间为0.1~96.9年,勃姆石圈层的形成时间为0.2~143.6年。微观尺度胶体包粒(粒径0.1~0.4 mm)的形成时间约为0.6~481.2年;手标本尺度胶体包粒(粒径2.0~5.0 mm)的形成时间为1178~7364年。预估铝土矿中各尺度胶体包粒(粒径0.1~5.0 mm)的形成时间为0.6~7364年。以上研究结果表明,胶体包粒结构与铝土矿形成过程中淋滤作用之间存在较为复杂的联系:互层状圈层的形成指示了旦坪地区含铝土矿地层中胶体包粒的周期性凝聚作用,从微观上刻画了周期性的成矿节律。胶体包粒形成过程中铝的地球化学行为可能是主导因素,其行为特征主要受到风化剖面中有机酸浓度、氧化还原条件、圈层矿物表面电荷属性等关键控制条件对羟基铝和交换铝的吸附富集过程的影响。

中国铝土矿成矿作用的物质来源与深时环境因素:进展与讨论

铝土矿是工业上可供利用的铝矿石总称,可视为陆表化学风化作用的终极产物。作为一种战略性大宗矿产,当前我国铝土矿使用总量的60%以上依赖于进口铝土矿石,铝土矿及其伴生的其他金属资源对国家资源安全的重要性突出。铝土矿化作用、红土化作用、热带成壤作用是热带风化作用的不同表现形式,主控因素包括适宜的气候(温度、降水)、侵蚀速率、母岩、时间、植被、地形地貌等。三者之间存在联系,但区别也较为显著,主要体现在时间尺度和沉积作用复杂程度两方面。红土化作用或热带成壤作用可能包含在铝土矿化作用的某一阶段。中国铝土矿资源主要集中在晚古生代,在不同地区存在不同的物质来源,可概括为:稳定的板块内部原地-准原地物源、板块边缘异地火山活动物源、板块边缘造山带异地物源3种主要类型。物源成分则可能来自于下伏沉积岩基底或板块边缘火山弧物质,或者两者的混合供给。不同成矿物质来源的铝土矿中保存了特征明显的碎屑锆石年代学分布规律,且在一定程度上决定了不同地区铝土矿床的地球化学组成特征,其中TiO_(2)含量变化显著,可视为潜在的物源指标。中国晚古生代铝土矿化作用除特殊的大地构造背景外,古气候、海平面变化、古水文条件等深时环境因素也需加以考量。在古气候条件类似的情况下,通过使用逻辑回归模型计算,本文认为区域构造活动性是中国铝土矿形成的关键因素,决定了铝土矿成矿物质来源和构造抬升强度等成矿条件。海平面变化为次级因素,相对较低的海平面条件能够促使成矿母质更强烈的暴露和淋滤,形成优质的铝土矿资源。

黔北务正道地区铝土矿沉积相与矿石品质的关系

在论述黔北务正道地区铝土矿成矿地质背景的基础上,根据古盐度(B)质量分数显示和古地貌特征,认为研究区北部的道真一带是一个"十字形"的半封闭式的古海湾沉积环境,南部属陆上沉积环境。相带划分表明:以滨海相沉积环境下形成的铝土矿矿石品质较好,以中高铝、中高铝硅比为特征;形成于滨岸湿地相的铝土矿次之,矿石品质以中铝、中铝硅比为特征;形成于坡积相的铝土矿矿石品质欠佳,以低铝、低铝硅比为特征。由坡积相向滨岸湿地相过渡的铝土矿矿石品质逐渐变富;而滨海相中铝土矿在其中心地带品质好,向浅海相过渡其矿石品质逐渐变贫。铝土矿矿石品质的规律变化,反映了研究区铝土矿的赋存富集严格受沉积相的制约而呈环状、条带状分布的特点。

务正道铝土矿基底古地貌与矿石品质的关系——以务川大竹园铝土矿床为例

本文以贵州务正道地区务川大竹园铝土矿床为例,对其岩相古地理进行总结,并对基底古地貌与铝土矿品质的关系进行分析。研究认为,务正道铝土矿受沉积环境的制约,呈环状分布于滨湖相、三角洲相和浅湖相的沉积环境中,其中以浅湖相环境下形成的铝土矿质量较优,而滨湖相和三角洲相环境下形成的铝土矿则质量欠佳。铝土矿含矿岩系赋存在基底页岩或碳酸盐岩准平原化地貌之上,铝土矿的品质不仅受物源供给、沉积环境的制约,而且还与准平原化地貌特征密切相关,在基底古地貌低凹处三氧化二铝含量较高,铝硅比值较大;基底古地形地貌即坑洼形态、大小、深度控制了铝土矿体的展布范围、产出形态、贫富变化及其形成规模。

遵义仙人岩铝土矿赋存富集与古岩溶地貌的关系

本文以遵义仙人岩铝土矿床为例,对其古岩溶坑洼与含矿岩系厚度及铝土矿赋存富集相关关系进行分析,以探寻此类矿床应如何实施深部钻探工程对深部矿体进行探索和揭露。

黔北务正道铝土矿矿床特征及成矿模式——以务川大竹园铝土矿床为例

本文以黔北务川大竹园铝土矿床为例,对其矿体厚度、矿石品位沿走向和倾向变化特征进行分析,对矿石质量、矿石矿物、结构构造及矿石自然类型和工业类型进行了阐述。通过大量勘探成果资料分析认为,大竹园铝土矿床铝土矿的形成,为一个完整的"母岩—风化—再沉积—成矿—改造—成熟—保存"模式。

黔北遵义团溪铝土矿勘探网密度探讨

以黔北遵义团溪铝土矿后槽矿区一矿块为例,用50m×50m工程间距进行施工成果与100m×50m和100m×100m工程间距施工成果,对其矿体厚度、矿体形态、主要化学成分含量及储量变化进行分析对比,以探寻此类矿床应如何选择工程间距,才能更合理准确地对矿体进行圈定控制,以满足矿山开采设计的要求。通过资料分析对比认为,对黔北喀斯特型沉积铝土矿进行勘查而言,以≤50m×50m工程间距控制矿体并求取储量,效果较为理想。

煤矿勘查中瓦斯现场解析时间确定方法探索——以贵州省桐梓县洪村坝-大竹坝煤矿大竹坝井田为例

煤矿勘查工作中瓦斯现场解析时间确定直接关系到煤层瓦斯气体含量的值,进而影响煤矿开采巷道和安全防护措施设计,本文就瓦斯现场解析时间的确定进行煤层瓦斯气体含量计算,得出与传统瓦斯现场解析时间的确定对比,本文建议的瓦斯现场解析时间的确定瓦斯气体含量提高了163%,煤层由高级瓦斯升高到超级瓦斯,为煤矿开采提供可行的资料保证。

贵州大竹园大型铝土矿稀土元素地球化学特征及其意义

贵州大竹园大型铝土矿是中国近年来取得重要找矿进展的大型铝土矿之一。以采自大竹园矿区栗园向斜不同部位铝土矿、铝土岩和黏土岩的样品为研究对象,分析了这些样品的稀土元素含量(质量分数)特征及空间分布特征,研究了稀土元素含量与铝土矿质量及成矿过程的关系,最后就稀土元素对于成因和环境的指示意义进行了讨论。结果表明:铝土矿、铝土岩和黏土岩稀土元素总含量(不包括Y)分别为107.07×10-6、185.00×10-6和246.28×10-6,依次增高,说明铝土矿的成矿过程是一个稀土元素贫化的过程,也是Eu异常和Ce异常趋于增大的过程,即相对于黏土岩来说,铝土矿具有高Eu异常、Ce异常的特征;相对于重稀土元素来说,无论是栗园向斜西翼还是东翼,铝土矿轻稀土元素相对富集,且轻稀土元素含量以及La与Yb含量之比均随深度变浅而增加;单纯利用稀土元素图解不能有效反映成矿物质的来源,但可以大体反映含矿岩系形成于海相或海陆过渡相环境;大竹园大型铝土矿与黔北其他铝土矿一样,总体上属于沉积型,可能与古喀斯特化过程、古风化过程有关。

黔北务正道地区早二叠世铝土矿成矿模式

黔北务正道(务川—正安—道真)地区,早二叠世沉积型铝土矿形成于黔北平原近海的一个半封闭海湾环境,冰期低海平面时期与中扬子海湾分离成为滨岸湖泊,间冰期高海平面时期与中扬子海湾连通。古地理单元可分为黔北平原、滨岸平原、滨岸湿地和半封闭海湾等单元。准同生和后期含矿岩系的暴露、淋滤是铝土矿形成的主要控制因素。土状及半土状铝土矿(包括土状及半土状的碎屑和豆鲕矿石)是含矿岩系准同生和后期暴露期间淋滤而成的,而致密状矿石是没有经过淋滤或弱淋滤形成的。碎屑状铝土矿是盆地内部泥裂破碎再沉积形成的;豆鲕状矿石是盆地内部胶体凝聚而成的。务正道铝土矿的动态成矿模式表明铝土矿主要形成于两次准同生淋滤期,因此铝土矿找矿应重点选择滨岸湿地、具有明显淋滤作用发育的地区。

黔北务正道地区早二叠世铝土矿沉积古地理及其控矿意义

通过野外地质调查、手标本观察、底板地层分布和矿体—含矿层厚度分析,对黔北务正道(务川—正安—道真)地区铝土矿沉积古地理及其与铝土矿成矿之间的关系进行了研究。结果表明:(1)铝土矿沉积盆地北以武隆为界,西北至南川,东至沿河,南至绥阳—凤冈一线;(2)研究区古地貌具南高北低的特点,沉积相带可分为海湾中心和滨岸湿地两部分,优质的铝土矿区均位于滨岸湿地;(3)沉积古地理决定了含矿层的厚度,但并不直接控制高品位铝土矿的形成,只有在其余成矿条件都适合的情况下,古地理通过控制铝土矿的沉积环境间接控制高品位铝土矿的形成。

黔北务正道地区铝土矿基础地质与成矿作用研究进展

务正道地区铝土矿底板地层黄龙组类化石及铝土矿层大竹园组、梁山组的孢粉化石限定,大竹园组的时代为早二叠世。大竹园组铝土矿的沉积环境为向北半封闭的海湾或海泛湖。铝土矿形成于低纬度热带气候条件下,气候具旱季、雨季之分,盆地水体为弱酸性还原条件,陆地植物生态系统和盆地微生物生态系统对铝土矿的形成起了重要作用。铝土矿的主要物源为志留系韩家店组和石炭系黄龙组双重物源。陆源区风化的铝质通过胶体作用搬运到盆地中形成铝土质岩。铝土矿层形成之后,又经历了多期次暴露地表的风化淋滤。淋滤作用分别在渗流带和潜流带形成土状、半土状铝土矿和致密状铝土矿,盆地内部铝土岩破碎和胶体凝聚分别形成碎屑状、豆鲕状铝土矿。风化过程中多数元素发生了不同程度的丢失,而SiO2的流失程度明显大于Al2O3,从而形成铝土矿矿层。因此,盆地的沉积体系和古地理控制了铝土矿矿系的分布范围和厚度,多期次的淋滤作用控制了铝土矿的品质和矿层的厚度。

黔北铝土矿不同类型矿石地球化学特征及其对成矿作用的指示

黔北务川-正安-道真铝土矿带是我国铝土矿重要的成矿带之一。矿床中发育有4种典型的矿石类型:致密状、碎屑状、豆鲕状和土状。通过对不同类型矿石及矿体下伏高Al黏土岩和志留系韩家店组泥质岩的系统元素地球化学研究,采用元素质量平衡的示踪方法,对矿床的成因进行了探讨。研究表明,成矿作用发生于开阔海岸环境、与多频次海进-海退循环对陆缘古风化剖面的侵蚀作用有关;海进-还原过程导致了古风化剖面中部大量黄铁矿等硫化物的形成,而随后的海退-氧化过程产生高硫酸介质水溶液,使得杂质元素大量移出和铝土矿化发生;强酸溶液带出的大量元素随环境向pH值中性化和氧逸度下降条件的演化,以化学沉淀形式形成了杂质元素含量相对较高的致密状矿石,而海进-海退循环对碎屑状-豆鲕状矿石的多期次改造,导致了土状矿石的形成。

黔北地区铝土矿形成的地质时代

在黔北地区铝土矿层之下的黄龙组灰岩中采获了大量时代意义很强的类及非有孔虫化石。经鉴定,这些化石包括类5属13种,另有3个未定种,非有孔虫8属17种,另有9个未定种。在此基础上建立了两个带,自下而上为Pseudostaffella antiqua带和Profusulinella带,由此确定铝土矿层之下黄龙组时代为晚石炭世滑石板期至达拉期早期。此外,通过对区域上石炭纪至二叠纪层序地层及海平面变化的分析研究,确定研究区石炭纪末至中二叠世栖霞期早期为当时区域上海平面下降幅度最大的时期,继而判断铝土矿的形成时代应为石炭纪末至中二叠世栖霞期早期。

黔北务正道地区铝土矿稀土元素地球化学特征

选取新模向斜的一个钻孔剖面,对铝土矿的矿物组成及稀土元素地球化学特征进行了研究。铝土矿矿石矿物以一水硬铝石为主,另有少量一水软铝石。其次为高岭石、绿泥石等黏土矿物,以及少量重矿物。此外,在含矿岩系近底部还发现有富集Ce元素的矿物氟菱钙铈矿[Ce2Ca(CO3)3F2]。从剖面顶部至底部,铝土矿中稀土元素含量呈逐渐增加的趋势,且稀土元素参数LaN/YbN、LaN/SmN和GdN/YbN的数值均随深度逐渐增大。说明从剖面顶部至底部,稀土元素的淋滤迁出逐渐减弱,且稀土元素间存在一定的分异。稀土元素间的分异可能由不同的含稀土元素矿物抗风化淋滤差异所致。铝土矿稀土元素配分模式表现为LREE明显富集、MREE中等-弱富集、HREE相对平坦的特征,且具有明显的正Ce异常。δCe异常值随深度增加逐渐减小,接近含矿岩系底部,δCe异常值再次增大。含矿岩系上部的Ce异常是由氧化条件下Ce3+向Ce4+转变并形成方铈矿(CeO2)所致。随着深度的增加,含矿岩系的氧化性逐渐减弱,从而δCe异常值逐渐减小。接近含矿岩系底部,由于氟菱钙铈矿[Ce2Ca(CO3)3F2]的形成,导致δCe异常值再次增大。氟菱钙铈矿的沉淀可通过氟化物络合物(CeF2+或CeCO3F0)与Ca2+和HCO3-发生反应来完成。

黔北地区铝土矿矿物学与地球化学特征

通过手标本观察、探针片镜下鉴定、XRD分析、扫描电镜分析等手段对黔北务川-正安-道真地区铝土矿的矿物学特征和地球化学特征进行研究。务正道铝土矿主要矿物为硬水铝石、高岭石、绿泥石、伊利石,次要矿物为软水铝石与黄铁矿,铝土矿常量元素以Al2O3、SiO2和TFe2O3为主,MgO和TiO2含量次之。风化过程中Zr、Cr、V、Li等微量元素明显富集,Zr和Hf以及Nb和Ta呈高度正相关关系。微量元素比值表明:务正道铝土矿是以韩家店组页岩为主,黄龙组灰岩为辅,并有其余物源混入的多物源体系。

黔北务正道地区早二叠世大竹园期岩相古地理及其对铝土矿的控矿意义

对黔北务正道地区早二叠世岩相古地理特征及其对铝土矿矿床的控矿意义进行了分析。认为位于赤道附近的炎热潮湿的古气候环境导致的红土化铁铝质古风化壳是铝土矿形成的先决条件;以页岩为主经长期化学风化形成的古剥蚀区为铝土矿的形成提供了丰富的成矿物质来源,而低凹的古地形地貌是沉积或堆积型铝土矿的最佳场所;在半封闭式的相对较为稳定的海湾相沉积环境下沉积铝土矿含矿岩系,早二叠世大竹园晚期,通过频繁的海进-海退循环,沉积区不断处于还原—氧化环境的交替变换之中,为铝土矿的形成提供了保障。

黔北务正道地区早二叠世铝土矿多期淋滤作用及其控矿意义

通过对黔北务正道地区安场向斜东南翼ZK288-16井中大竹园组铝土矿含矿岩系的沉积学分析,辨别出该口钻井记录下的包括两次准同生淋滤作用及一次后生淋滤作用在内的3次淋滤作用。土状-半土状铝土矿层是记录淋滤作用发生的标志性层位,与下伏岩(矿)层呈现渐变关系,说明土状-半土状铝土矿是由碎屑状或豆鲕状铝土岩(矿)经过淋滤作用转化而来,在此过程中,杂质元素被移除,铝元素相对富集而形成富矿,而碎屑状与豆鲕状铝土矿也经过不同程度的淋滤作用。区域上的钻孔对比表明,区域内这种多期淋滤作用对于提升矿石品质、控制矿层厚度具有重要意义。

黔北务正道地区铝土矿形成环境的古盐度识别

通过对黔北务川—正安—道真铝土矿中的B、Sr、Ba、V、Zr及其生物标志化合物的分析,对务正道地区铝土矿沉积环境的古盐度进行了研究。结果表明,铝土矿的沉积受到海洋环境的影响,主要形成于半咸水-淡水环境中。沉积环境为半封闭海湾,海侵使成矿区低盐度水体变为半咸水或咸水,随后陆地淡水输入等淡化作用将半咸水或咸水淡化,淡化的程度与范围取决于淡化时间的长短,经淡化后的水体在下一轮海侵中再次被咸化,水体的古盐度随海平面升降在淡水-咸水之间循环。