华北克拉通南缘石炭系本溪组铁-铝黏土矿物质来源：以河南三门峡大安铝黏土矿床为例*

刘学飞 王庆飞 马 遥 李中明 赵利华 周智慧 刘百顺 马欣莉

1 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083 2 河南省地质调查院，河南郑州 450001

1 概述

华北克拉通在中奥陶世至晚石炭世(445—300iMa)之间一直暴露于地表，经历了强烈的喀斯特化作用、风化作用和铁-铝黏土矿化作用(Liuetal.,2013;Wangetal.,2016;Yuetal.,2019)，形成了中国著名的山西式铁矿和超过30×108it的铝黏土矿(王庆飞等，2012)。华北石炭系本溪组铁-铝黏土矿成因研究起始于20世纪50年代，其中，物质来源一直是研究中的热点。关于其物质来源一直存在较多争论，传统观点主要包括：(1)底板奥陶系马家沟组碳酸盐岩是铁-铝黏土矿主要物质来源(赵运发和柴东浩，2002;袁跃清，2005;贺淑琴等，2007)；(2)成矿前发育于克拉通内部的前寒武系古陆变质岩为铝黏土矿成矿提供物源(刘长龄和时子祯，1985;卢静文等，1997)；(3)底板马家沟组碳酸盐岩和前寒武系古陆变质岩共同为铝黏土矿化提供物质来源(刘长龄，1992;杜大年，1995;吴国炎，1996;孟健寅等，2011)。近年来，碎屑锆石U-Pb定年和Hf同位素分析以及碎屑金红石微量元素组成被广泛应用于华北石炭系喀斯特型铝土矿物源研究中，结果证实了北秦岭造山带中火成岩和变质岩以及华北北缘火成岩和变质岩为铝黏土矿提供重要成矿物质(Wangetal.,2010;Liuetal.,2014;Wangetal.,2016;Zhao and Liu，2019)。

图 1 华北克拉通中铝黏土矿分布(a)、河南三门峡地区地质图及大安铝黏土矿位置(b)Fig.1 Distribution of bauxite and clay deposits in North China Craton(a)，and geological map and location of Da’an bauxite and clay deposit in Sanmenxia area，Henan Province(b)

华北石炭系喀斯特型铝黏土矿的形成经历了复杂的风化、搬运以及沉淀过程(Liuetal.,2013)。矿石中碎屑锆石、金红石的研究尽管能指示铝土矿物质来源范围，但是由于锆石和金红石在不同岩石类型中分布的不均一性，导致研究结果并不能完全限定铝土矿的成矿母岩。通过微区矿物学分析寻找风化残留的微量矿物是喀斯特型铝土矿物质来源探索的重要方法之一(Mindszenty，1984;Dunkl，1992;D′Argenio and Mindszenty，1995;Liuetal.,2010)。另外，前期研究中对本溪组底部铁质黏土和铁矿与上部铝黏土矿之间是否为同一来源讨论较少。笔者在前期研究过程中发现华北石炭系本溪组中底部铁质黏土和铁矿层具有明显的原地和近原地风化成因特征，而上部铝黏土矿具有明显的沉积层理结构，显示异地来源特征(刘学飞，2011)。基于上述研究现状，本研究选取华北板块南缘大安铝黏土矿为研究对象，通过系统的微区矿物特征和元素地球化学特征分析，探索本溪组内部铁-铝黏土矿物质来源纵向变化特征，进一步揭示华北石炭系本溪组铁-铝黏土矿形成过程。

2 区域地质与矿床地质

华北克拉通南缘为秦岭造山带，北部为中亚造山带，东侧为太平洋板块(Wangetal.,2018;Dengetal.,2020;图 1-a)。华北克拉通形成于1800iMa至1900iMa之前，其中太古界岩石的年龄可高达3.8iGa，大多数克拉通生长发生在2.9—2.5iGa之间，随后在克拉通结晶基底形成之前遭受了多次改造(Zhaietal.,2007;Zhaoetal.,2010;Zhao and Zhai，2013;Kuskyetal.,2016)。在元古代—古生代(1300—445iMa)之间，华北克拉通整体处于静止状态，并有巨量的海洋沉积物沉积于基底之上(Wangetal.,2018)。在中奥陶世—晚石炭世(445—315iMa)之间，华北克拉通整体抬升出露地表，遭受了强烈的喀斯特化和风化作用，形成了著名的风化成因的山西式铁矿和大规模的铝黏土矿(Wangetal.,2010，2018;Liuetal.,2013; Wangetal.,2016)。晚石炭世(320—300iMa)，北秦岭岛弧向华北克拉通南缘挤压导致其南缘抬升，随后北秦岭造山带为华北内部铝黏土矿化提供了大规模成矿物质(Wangetal.,2016)。与此同时，古亚洲洋洋壳向华北北缘俯冲，引起大规模岩浆作用和火山活动，由此形成的火成岩也是铝黏土矿的重要物质来源(Liuetal.,2014;Zhao and Liu，2019)。在铝黏土矿形成之后，华北克拉通自北向南被海水淹没，巨量的海相沉积物覆盖于铝黏土矿之上(Wangetal.,2018)。

a—大安矿床内溶斗岩溶地貌，铝土矿主要分布于溶斗内部；b—大安矿床内一溶斗中本溪组含矿岩系地层组成，自下而上包括底板白云岩、铁质黏土/风化壳、铝土矿、铝质黏土，D1-1～D1-2: 样品采集位置及编号；c—大安矿床内局部高地本溪组含矿岩系层序组成，自下而上包括底板白云岩、风化壳、铝质黏土岩和顶板砂岩，D-1～D-10: 样品采集位置及编号；d—风化壳与铁质白云岩呈渐变接触，与铝质黏土岩呈突变接触；e—铝土矿矿石的碎屑结构和鲕粒结构；f—铝土矿矿石中的硬水铝石豆粒图 2 河南三门峡大安铝黏土矿含矿岩系野外地质、样品采集位置及铝土矿矿石显微镜下特征Fig.2 Field geological characteristics，sampling locations，and microscopic characteristics of bauxite ore of Da’an bauxite and clay deposit in Sanmenxia area，Henan Province

图 3 河南三门峡大安溶斗型铝土矿物质(铁，铝和黏土) 空间分布规律示意图Fig.3 Schematic diagram showing the bauxite materials(Fe，Al，and clay)distribution in a karstic doline at Da’an in Sanmenxia area，Henan Province

三门峡地区位于华北克拉通南缘，赋存有大规模的石炭系本溪组铁-铝黏土矿(图 1-b)。该地区由于大规模的采矿作用，地层出露完整，有利于详细的野外矿床地质特征调查。该地区石炭系本溪组含矿岩系组成自底板向上依次包括底板碳酸盐岩、铁质风化壳(铁质黏土层或者铁矿层)、铝土矿层或者铝黏土矿夹层、铝质黏土矿层和顶板砂岩或者灰岩(图 2，图 3)。该地区铁-铝黏土矿的产出严格受喀斯特地形地貌的控制(图 2-a，2-b)。风化型铁矿和含赤铁矿、针铁矿黏土层主要赋存于喀斯特地貌的隆起部位(图 2-d)，而在喀斯特地貌的洼地主要以含菱铁矿和黄铁矿的黏土层为主(图 2-b)。铝土矿主要赋存在喀斯特洼地中，在喀斯特洼地的底部通常发育豆鲕状铝土矿，向上逐步变为块状铝土矿；在喀斯特洼地附近的喀斯特高地，铝土矿层相对较薄，局部地区缺失铝土矿矿石，而以铝质黏土矿为主(图 2-c)。铝质黏土矿通常出现在铝土矿层之上，或者少量夹层于铝土矿内部。受喀斯特地形地貌的控制，铝土矿通常呈透镜状、似层状和层状产出(图 2-a，2-b；图 3)。矿石结构在铝土矿层底部以豆粒和鲕粒结构为主；在铝土矿层顶部矿物颗粒细小，通常呈隐晶质结构(图 2-e，2-f)。碎屑结构普遍发育在铝土矿矿石中，指示复杂的沉积和搬运过程(图 2-e)；硬水铝石集合体在铝土矿矿石中发育，指示硬水铝石可能存在多期形成和改造(图 2-f)。

3 样品采集及分析方法

本研究在详实的野外地质调查基础上，对三门峡地区大安铝黏土矿床进行典型样品采集(图 2-b，2-c)，并展开系统的矿物学和地球化学分析。全岩X粉晶衍射(XRD)测试在中石油勘探开发科学研究院实验中心粉晶衍射室完成；使用仪器为日本理学 D/Mac-RC，试验条件为：CuKα1靶，电压40ikV，电流80imA，石墨单色器，扫描方式为连续扫描，扫描速度8°/min，狭缝DS=SS=1°，环境温度18i℃，湿度30%。扫描电镜分析在中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室扫描电镜室完成；使用仪器为HITACHI S-450，压力1ibar，温度 21±0.5i℃，湿度46%±1%。电子探针分析在中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室电子探针室完成； 使用仪器为JCXA_733，电压15ikV，电流1×10-8iA，电子束斑大小1iμm。样品全岩常量、微量和稀土元素组成分析在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所的廊坊地质与勘探实验室完成。常量元素(除了FeO、H2O+和CO2)和一些微量元素(Ba、Cr、Rb、Sr、V、S、Zn、Zr)用X荧光(XRF)方法测定，分析仪器为Phillips PW1400；FeO含量采用重铬酸钾滴定法测定，H2O+含量用重量分析法测定，CO2含量用电位法测定。微量元素(Be、Bi、Cs、Cu、Ga、Li、Hf、Nb、Ni、Sc、Th、Ta、U、W)和稀土元素分析采用感应耦合等离子体质谱分析仪(ICP-MS)完成。常量元素的分析精度不大于0.1iwt.%，微量和稀土元素分析精度不大于2iμg/g(除Ba、Cr、Rb、Sr、V和S，它们的精度分别为5、5、5、5、5和50iμg/g)。

D：铝石；I：伊利石；Ha：埃洛石；A：锐钛矿；R：金红石；Go：针铁矿；H：赤铁矿；P：黄铁矿； J：黄钾铁矾；K：高岭石；G：三水铝石；S：菱铁矿图 4 河南三门峡大安铝黏土矿含矿岩系中典型样品XRD图谱Fig.4 XRD pattern of typical samples of Da’an bauxite and clay deposit in Sanmenxia area，Henan Province

4 矿物组成与微区研究

a，b—电子探针(BSE)照片显示大安铝黏土矿层底部(样品D-6)发育碳化硅、自然硅、硅铁矿和铬铁矿； c，d—扫描电镜(SEM)照片显示铝黏土矿层中(样品D-6)碳化硅表面具有明显的磨圆和侵蚀作用图 5 河南三门峡大安铝黏土矿微区矿物分析Fig.5 Microanalysis of minerals in Da’an bauxite and clay deposit in Sanmenxia area，Henan Province

表 1 河南三门峡大安黏土矿中碳硅石电子探针分析结果(单位：wt.%)Table1 Electron probe analysis results of moissanite in Da’an clay deposit in Sanmenxia area，Henan Province(Unit: wt.%)

5 元素地球化学特征

本研究对大安矿区一个含铝岩系剖面的常量、微量和稀土元素地球化学组成进行分析(表 2)。分析结果显示铝质黏土矿的常量元素氧化物以SiO2(30.41iwt.%～52.9iwt.%)、Al2O3(21.86iwt.%～30.06iwt.%)、Fe2O3(0.88iwt.%～12.01iwt.%)、K2O(6.76iwt.%～7.50iwt.%)、TiO2(0.90iwt.%～2.00iwt.%)为主，此外含有少量FeO、MgO、CaO、P2O5；铁质黏土层中常量元素氧化物以SiO2(28.68iwt.%～39.90iwt.%)、Al2O3(28.22iwt.%～30.72iwt.%)、Fe2O3(12.46iwt.%～22.47iwt.%)为主。微量元素蜘蛛网图显示底板白云岩和半风化白云岩具有类似的微量元素组成和变化趋势，相对于上地壳元素组成，白云岩中富集B元素，其余元素整体呈现亏损特征(图 6-a)。风化壳中微量元素相对于底板白云岩整体富集，其中，B、S、Cu、Zn，F、Li，Rb和Sr富集程度较高(图 6-a)。铝质黏土矿中微量元素组成变化规律基本一致，与风化壳具有不同的微量元素组成(图 6-b)。元素Li、B、S呈现明显富集，Ni、Cu、Zn明显亏损，高场强元素Zr、Hf、Nb、Ta、W呈现富集特征。

大安铝黏土矿中稀土元素配分曲线见图 7，显示底板白云岩与半风化白云岩以及铁质风化壳具有一致的稀土元素配分曲线，并在底板白云岩向铁质风化壳过渡中整体呈现富集特征。铝质黏土矿中稀土元素组成特征与铁质风化壳明显不同，铝质黏土矿中稀土含量明显高于铁质风化壳中稀土含量，而且铝质黏土矿中稀土元素配分曲线呈典型的右倾型特征，体现出明显的轻重稀土分异特征。

表 2 河南三门峡大安铝黏土矿常量、微量、稀土元素分析结果Table2 Major，trace，and rare earth element compositions of the analyzed samples in Da’an bauxite and clay deposit in Sanmenxia area，Henan Province

图 6 河南三门峡大安铝黏土矿微量元素蜘蛛网图Fig.6 The upper crust-normalized trace element diagrams(spidergram)of typical samples in Da’an bauxite and clay deposit in Sanmenxia area，Henan Province

图 7 河南三门峡大安铝黏土矿稀土元素配分曲线图Fig.7 The chondrite-normalized curves of rare earth elements in Da’an bauxite and clay deposit in Sanmenxia area，Henan Province

6 铁-铝黏土矿物质来源及形成过程

6.1 物质来源纵向变化

稳定元素比率以及稀土元素特征是风化型矿床传统的物质来源鉴定方法(Mongellietal.,2016)。其中，华北石炭系铁-铝黏土矿矿化过程中，TiO2、Zr、Hf、Nb和Ta被认为是稳定的元素组合(刘学飞，2011;孟健寅等，2011;Liuetal.,2013)。大安铝黏土矿中底部铁质风化壳与底板白云岩具有一致的微量元素和稀土元素特征，指示两者有明显的风化继承关系，说明风化壳是底板白云岩长期风化作用的结果，这与区域上其他铝黏土矿分析结果一致(刘学飞，2011)。而上部铝质黏土矿与下部铁质风化壳具有不同的微量元素和稀土元素组成以及稳定元素比率(例如Zr/TiO2、Hf/TiO2、Nb/TiO2、Ta/TiO2；图 8)指示二者并非同一物质来源，在黏土层底部发现大量的碳化硅等碎屑矿物进一步证实了该结论。因此，元素地球化学研究和微区矿物分析结果显示华北石炭系本溪组中底部铁质黏土层和上部铝黏土矿具有不同的物质来源。

6.2 铝黏土矿物质来源

图 8 河南三门峡大安铝黏土矿中元素双变量图解Fig.8 Diagram of element bivariate in Da’an bauxite and clay deposit in Sanmenxia area，Henan Province

关于华北石炭系铝黏土矿物质来源，前人已经有大量的工作和丰硕的认识。目前，大部分学者认为北秦岭造山带中950iMa和450iMa火成岩及前寒武变质岩是华北克拉通中南部铝黏土矿的重要物质来源(Wangetal.,2016;Zhao and Liu，2019)，而华北北缘320—200iMa侵入岩和变质岩是华北克拉通北部地区铝黏土矿的主要物质来源(Liuetal.,2014;Wangetal.,2018)。本研究在华北南缘大安铝黏土矿中发现了大量的碳化硅，对华北铝黏土矿物质来源具有重要指示意义。天然碳硅石(SiC)是Moissan(1904)在陨石中发现并以其姓名命名的矿物。经过1个世纪多的研究，碳硅石已经被广泛发现于多种岩石类型中，包括岩浆岩、火山岩、变质岩、沉积岩、蚀变岩、松散冲积物和红土型铝土矿(Kaminskiyetal.,1968，1969; Lyakhovich，1980; Qietal.,2007;Xuetal.,2008;Trumbulletal.,2009)。现今有多种碳硅石来源假设，包括陨石、金伯利岩、蛇纹岩、火山岩(Lyakhovich，1980;Trumbulletal.,2009)，但原生碳硅石只有在陨石、金伯利岩和蛇纹岩中被报道过(Bernatowiczetal.,1987;Tangetal.,1989;Leungetal.,1990;Mathezetal.,1995;Qietal.,2007;Xuetal.,2008;Trumbulletal.,2009)。结合前期研究，华北石炭系本溪组铝黏土矿已经在大安、贯沟和波茨等矿区发现碳化硅(刘学飞，2011)；而且在大安铝黏土矿中还发现与碳化硅共存的自然硅、硅铁矿和铬铁矿。大安、贯沟和波茨铝黏土矿均靠近北秦岭造山带；造山带内部的商丹缝合带和二郎坪群中均存在大量的蛇绿岩，二者形成时间均早于华北石炭系铝(黏)土矿。另外，在大别山造山带的蛇绿岩中已有原生碳化硅的报道(Xuetal.,2008)。依据碳化硅元素组成和矿物组合，结合区域对比研究，碳化硅与自然硅、硅铁矿、铬铁矿组合来自北秦岭造山带的蛇绿岩中(Xuetal.,1994;Laietal.,2003;徐树桐等，2005;Trumbulletal.,2009)。

6.3 铁-铝黏土矿形成过程

基于本研究认识，结合早期研究成果(Wangetal.,2010;刘学飞，2011;刘学飞等，2012;王庆飞等，2012;Wangetal.,2012，2016;Liuetal.,2013;Zhao and Liu，2019)，总结华北石炭系本溪组铁-铝黏土矿形成过程。在445—340iMa之间，华北克拉通位于北纬30i℃附近，华北板块内部巨厚的碳酸盐岩经历了长期的喀斯特化作用，形成了大范围的喀斯特型地貌；同时，也形成了碳酸盐岩之上的铁质黏土岩和铁矿层。在喀斯特隆起地区，形成以伊利石、高岭石、赤铁矿、针铁矿为主的铁质黏土层，局部可形成铁矿层(山西式铁矿)，而在喀斯特洼地中，则形成以黄铁矿、菱铁矿、伊利石为主的铁质黏土层(刘学飞，2011)。在340—320iMa之间，华北克拉通漂移至赤道附近，在温暖潮湿的环境下，地表风化作用加速，部分矿物被解离后释放出了大量的Al3+、Fe2+、Ti4+等。这些离子在喀斯特洼地中聚集于早期形成的铁质黏土层之上，在底板碳酸盐岩喀斯特化过程的影响下，于碱性和还原的环境中结晶形成了硬水铝石—菱铁矿—黄铁矿—锐钛矿集合体(刘学飞，2011)，进而形成了华北石炭系本溪组底部铁质黏土层之上普遍发育的豆鲕状铝土矿层(图 3)。在320—300iMa之间，华北克拉通南边受到北秦岭造山带的挤压，导致北秦岭造山带和华北南缘快速抬升，随后北秦岭表层大规模的风化物质被搬运至华北克拉通内部(Wangetal.,2016)。同时，在华北克拉通北缘由于古亚洲洋的俯冲作用，该地区发育大规模的岩浆侵入和火山活动，导致北缘地区也大规模抬升，大量的来自北缘的风化物质被搬运至华北克拉通内部(Zhao and Liu，2019)。赤道附近温暖潮湿的环境，火山活动导致的地表温度上升、风化作用加强、酸雨普降，以及微生物作用的参与导致地表母岩进行的彻底和快速的风化解离，风化过程中释放出来的离子受进一步的喀斯特化作用的影响，形成了以硬水铝石、锐钛矿、黄铁矿为主的铝土矿层，进而形成了大规模的喀斯特型铝黏土矿。

7 结论

结合前期研究成果，本研究对华北克拉通石炭系铁-铝黏土矿，尤其是南缘地区铁-铝黏土矿有如下认识：

1)华北克拉通南缘铁-铝黏土矿矿体特征主要受溶斗喀斯特地貌控制；本溪组含矿岩系自下而上包括底部铁质黏土和铁矿层、铝土矿及铝质黏土矿；铝土矿主要分布在溶斗洼地中，向溶斗两侧逐步减薄甚至消失。

2)溶斗洼地内铁质黏土层通常以含菱铁矿、黄铁矿和伊利石为主，而溶斗两侧高地上通常以赤铁矿、针铁矿、伊利石和高岭石为主；铝土矿以硬水铝石、锐钛矿及黄铁矿为主；铝质黏土矿以伊利石为主，局部发育黄钾铁矾。

3)矿物微区组成研究表明大安铝质黏土矿层底部发育大量的碳化硅和少部分自然硅、硅铁矿、铬铁矿，揭示北秦岭造山带内商丹缝合带和二郎坪群中的蛇绿岩也为铝黏土矿成矿提供了重要成矿物质。

4)底部铁质黏土层与上部铝黏土矿层稀土元素配分曲线以及稳定元素比率(例如Zr/TiO2、Hf/TiO2、Nb/TiO2、Ta/TiO2)存在明显差异，揭示二者为不同来源；底部铁质黏土岩和铁矿层为底板碳酸盐岩原地风化的产物。