几内亚红土型三水铝土矿.doc

几内亚红土型三水铝土矿成矿条件及成矿规律探讨（张荣亮 东北大学）摘要： 通过对几内亚红土型三水铝土矿勘探，从古气候、古地理，以及母岩来分析红土化和铝土矿化的过程，指出几内亚铝土矿矿床主要分布在非洲大陆西北部的西非克拉通内的成矿地形中，且具备良好的成矿条件。在古气候条件的作用下，古陆上的成矿母岩经过风化淋滤，其中的K、Na、Ca、Mg等元素大多数被淋失，Fe、Al、Ti、Si等元素相对富集。通过对铝土矿成分及其围岩物质组分的分析，几内亚博凯桑加雷迪地区的红土化和铝土矿化作用，主要是由不同种类的多种环境因素所引起的。该地区从中生界基性火山岩喷发后形成的粒玄岩和玄武岩为成矿母岩，经过漫长的风化淋滤过程，形成了大规模的红土型三水铝土矿。关键词：三水铝土矿、古气候、古地理、成矿母岩、铝土矿化 几内亚富含红土型三水型铝土矿，2005年以来随着中国企业对几内亚境内铝土矿资源勘查以来，几内亚铝土矿潜在储量比已探明的储量要高出很多，根据已有的勘查资料估算，几内亚铝土矿储量将占世界的一半以上，甚至达到世界储量的2/3。多年来，关铝土矿的成因问题，不同国家的专家、学者根据特定条件下的成矿模式提出了各种假说（布申斯基，1984；G巴多西，1990；王小兵等，2009）。其中，最为著名的有：红土成因论、红土-沉积论、钙红土论和化学成因论，对铝土矿的成因给出了一定的解释。经过近年来对几内亚博凯桑加雷迪地区的铝土矿开展地质勘探和地质资料研究的基础上，对地层和岩石组合方面进行了综合研究，对该地区红土型铝土矿的成矿条件及成矿规律进行了一定的探索，初步得出了一些规律。1 几内亚几内亚共和国位于西非西岸，全境分4个自然区：西部（称下几内亚）为狭长的沿海平原。中部（中几内亚）为平均海拔900米的富塔贾隆高原，西非3条主要河流尼日尔河、塞内加尔河和冈比亚河均发源于此，被称为“西非水塔”。东北部（上几内亚）为平均海拔约300米的台地。东南部为几内亚高原，有海拔1752米的宁巴山，为全境最高峰。沿海地区为热带季风气候，内地为热带草原气候，如图1。几内亚红土型三水铝土矿主要在下几内亚和中几内亚的结合部的博凯桑加雷迪地区，北纬1011附近。该地区属于中低山区，位于西非克拉通西部边缘，几内亚沿海晚古生界沉降区。区域构造线总体走向为北北西向，并以一个规模较大的向斜盆地和多级断裂构造为主。红色区域为博凯桑加雷迪地区图1 地理位置图2 区域地质非洲大陆主要由前寒武纪基底和古生代新生代盖层构成。构造演化也分为前寒武纪基底形成阶段和盖层及大断裂的发展阶段。前寒武纪基底计有西非、中非、西尼罗（West Nile Craton）及南非克拉通。据统计非洲约有百分之五十七的面积为前寒武纪地层所占有，它由变质程度不同的岩石组成，并受到不同程度混合岩化和花岗岩化作用的影响。年代愈老，变质程度愈深。这些地层和岩石记录了非洲前寒武纪漫长岁月中的地质历史和演化，并形成很多世界著名的大型金属矿床。几内亚位于非洲大陆西北部的西非克拉通内。全国除西部大西洋沿岸有新生界覆盖晚古生代陆源碎屑岩外，其它均为太古界变质岩系以及其中分布的混合花岗岩和绿岩带。在境内的坎布依片岩（Kambui schists）中的方铅矿及独居石同位素年龄值为28903020百万年参考文献：非洲地质楚旭春，地图出版社，1982。博凯桑加雷迪地区内主要地层为上元古界基底和古生界海相沉积及火山喷发形成的盖层二部分组成。而地表被分布广泛的铁帽所覆盖，岩层露头少见，一般零星分布于沟谷中。其地质特征分别为：上元古界（Pt2cl）： 主要岩性为薄层状粉砂岩、粘土岩、白云质灰岩、凝灰岩、石英岩及冰碛岩等。奥陶系/志留系（OScl）：主要岩性为砾岩、砂岩、粉砂岩、泥质岩等。构成向斜的两翼。泥盆系（Dcl）： 主要岩性为砂岩、粉砂岩、泥质岩。第四系（Qsa/Qsl）：主要为呈不规则状分布于大西洋沿岸冲积平原的含沙质粘土，以及大的水系两侧的卵石、沙粘土等。3 岩浆岩区域内岩浆岩分为火山岩和侵入岩两类，其中火山岩主要为上元古界和中生界的中基性岩类，侵入岩主要为古生界和中生界的酸性、中基性及超基性岩类。其特征分述如下：3.1 火山岩上元古界海相基性火山岩（Pt2b）：主要为细碧岩（碧玉岩）、玄武玢岩、粒玄岩、凝灰岩夹定向角砾岩等。分布于上元古界（Pt2cl）地层内。上元古界中基性火山岩（Pt2r）：为碱性长石流纹岩。分布于上元古界（ Pt2cl）地层内，与海相基性火山岩（Pt2b）相邻。中生界基性火山岩（Mzd）：主要为粒玄岩、玄武岩等。呈枝杈状分布，呈多层状产出于泥盆系（Dcl）地层中。为区域的主要成矿母岩。3.2 侵入岩古生界中基性酸性侵入岩（Pzgd）：主要为黑云母花岗岩、角闪石岩、云英闪长岩等。受北西向构造控制，呈北西南东向串珠状分布于区域的中东部。侵入于上元古界（Pt2cl）和奥陶系/志留系（OScl）地层内，且局部被中生界基性火山岩（Mzd）覆盖。古生界基性侵入岩（Pzgbb）：主要为辉长岩（辉绿岩）、苏长辉长岩、角闪辉长岩等。与上元古界地层（Pt2cl）、海相基性火山岩（Pt2b）及古生界中基性酸性侵入岩（Pzgd）呈侵入关系。中生界超基性岩（Mzp）：为橄榄岩和纯橄榄岩小岩株，与上元古界地层（Pt2cl）及中生界基性火山岩（Mzd）呈侵入关系。4 地质年代的证据在几内亚开展资源勘探过程中，在绢云母（化）粉砂质泥岩（OSjms）中均发现了“正形贝科腕足类”化石（图片1），为确定该岩性的地质年代为志留/奥陶系（OS）地层提供了直接依据；还在多处发现了粒玄岩与上覆赋矿岩系呈渐变接触，下伏地层呈似整合接触关系（图片2），为确定本矿区的成矿母岩主要为基性火山岩提供了直接依据。图片1正形贝科腕足类化石绢云母（化）粉砂质泥岩（OSjms）：灰黄色，泥、砂质结构，薄层状构造。主要矿物为泥质成分含量3480%；次之为石英含量726%，绢云母含量1054%；少量斜长石、铁质、金红石、榍石等。铁质成分多为赤铁矿，呈隐晶质胶状零散分布。粒玄岩粉砂质泥岩等、粉砂质泥岩等图片2 粒玄岩与下伏岩层接触关系4 几内亚博凯桑加雷迪地区的成矿条件几内亚博凯桑加雷迪地区的红土化和铝土矿化作用，主要是由不同种类的多种环境因素所引起的。该地区从中生界基性火山岩喷发后形成的粒玄岩和玄武岩，经过漫长的风化淋滤过程，形成了大规模的红土型铝土矿。以下从古气候、古地理，以及母岩来分析红土化和铝土矿化的过程。4.1 古气候根据Boulange(1984)和Hieronymus(1985)的著作，铝土矿化的气候条件概况如下。年平均温度高于22。年降雨量超过1200mm，分布为911个月的多雨季节和13个月的较干旱季节。根据Frakes（1979）的古气候综合分析，Parrish等人（1982）的中生代与新生代古雨量分布图，以及Rowley等人（1985）的石炭纪古雨量分布图，红土和铝土矿的形成强度，随着温度和雨量增加而增强。因此，与全球干冷时期相比，预期全球湿热时期形成铝土矿更多。从上图可见，第三纪的气候是一个十分重要的因素，很大一部分红土型铝土矿矿床是在这一地质时期生成的。铝土矿矿物的侵蚀和再沉积可能发生在铝土矿形成的第一阶段不久之后。再沉积单元的进一步铝土矿化在整个晚第三纪中都持续不断，因为那时古气候条件仍是有利的。在更新世间冰期之后，现在的气候条件似乎又允许这种矿化过程的继续进行。根据以上热带气候及其与地表铝土矿矿床的关系可见，形成铝土矿的地区主要集中在季风型气候的区域，而且形成红土型铝土矿形成的气候条件基本都是相似的，而几内亚所处的位置正处于红土型铝土矿丰富的富集地区。通过纵向和横向的古气候的资料可见，在能够形成红土型铝土矿的地方，相似的气候条件是主导因素，几内亚从区域气候条件看是具备形成大面积铝土矿的。4.1.1 植被几内亚地处低纬度，属热带季风气候，故气候湿热；风向以西风为主，主要是从西面大西洋吹来的海风。而热带季风气候对成矿特别有利，Al赋存在古风化壳中，持续的潮湿气候有利于植物的大量繁殖，使得土壤中含有大量有机质和腐植酸，有利于对风化壳进行脱硅改造，达到铝土矿的富集。马吉斯塔（布申斯基，1984）研究认为，Al2O3几乎完全沉淀于近中性介质中（pH值为4.58.2），且在酸性或者碱性条件下容易被溶解，当pH值在5.07.3时，溶液里Al2O3的含量不超过1mg/L，而当pH值在4.58.2时，溶液里Al2O3的含量不超过6mg/L，并绘制了溶解曲线（图2）。氧化铝与腐植酸易结合形成稳定的草酸络合物，使氧化铝在pH值大于7的溶液内也不至于沉淀。这就为红土型古风化壳中的铝、铁氧化物的搬运迁移提供了足够的护胶剂，并为后期铝土矿层的淋滤脱硅、进而达到铝土矿的次生富集作用提供了保障（柴峰等，2003）。4.1.2水文地质由于水是化学风化的主要营力之一，显然，水文地质条件在铝土矿矿床的形成中起着决定性的作用。为了有效地淋滤和脱除溶解物，需要有特别良好的泄水条件；为此母岩的渗透性好就是一个基本条件。通过在几内亚开展地质勘探工作过程中发现，一般情况下，在大的山顶宽缓平台矿石品位较低，在低缓的山顶或山坡处矿石品位较高。由此可见，在低缓的山顶或山坡处由于泄水条件好，从而加速了淋滤脱硅，有利于铝土矿富集；在大的山顶宽缓平台，由于泄水条件不好，直接影响淋滤脱硅，并影响了铝土矿的富集。4.2 古地理几内亚博凯桑加雷迪地块沿断裂线的多次沉降，和周围台地多次上升。红土型风化产物从台地上剥蚀并被水冲入断落当地地块中。桑加雷迪台地比周围山谷高出80130m。该台地的顶部海拔高度为200240m，高原的边缘由陡峭的斜坡形成，没有垂直的悬崖。波利昆和马尔姆对结构所作的研究表明，地壳稳定与沉降交替重复会造成粗粒碎屑物的堆积。而到最后阶段，博凯桑加雷迪地块被抬升并向东偏斜。随着铝土矿化作用的继续，于是就形成了很厚的优质铝土矿矿床。4.3 母岩因素母岩因素，是贯穿整个红土化铝土矿化过程的稳定性因素，它在很大程度上控制着化学、矿物学和结构特征。根据区域地质得知，中生界基性火山岩（Mzd）为区域的主要成矿母岩，主要为粒玄岩、玄武岩等。呈枝杈状分布，呈多层状产出于泥盆系（Dcl）地层中。5 铝土矿的矿物组成和化学成分5.1 铝土矿的矿物成分和化学成分铝土矿主要矿物成分由主要矿物为三水铝石、次为（铝）针铁矿、赤铁矿、少量石英、高岭石、锐钛矿、钛铁矿、金红石。个别样品见有微量的一水软铝石、磷灰石、电气石、方解石、锆英石、伊利石等矿物。铝土矿的化学成分为Al2O3、Fe2O3，二者通常在70以上。除烧失量外，还有少量SiO2、TiO2、K2O、Na2O、CaO、MgO、P2O5、S、总碳、有机碳、MnO、V、Cr、Zr、Ga、Zn等。铝土矿组合样分析结果统计表1。表1 几内亚铝土矿化学成分(wt.%)SiO2Fe2O3Al2O3CaOTiO2K2OSP2O5灼减总碳2.5430.4840.220.062.170.040.0280.2424.020.17采用XRD和化学分析研究了铝土矿的矿物组成，主要矿物的定量结果见表2。表2 几内亚铝土矿物组成分析结果(wt.%)三水铝石A1(OH)3赤铁矿Fe2O3铝针铁矿Fe1-xA1xOOH高岭石Al4Si4O10(OH)84H2O石英SiO2一水软铝石-AlO(OH)有机物54.6016.7018.803.301.100.30.145.2 有效氧化铝和可反应硅国内传统评价三水铝土矿质量的主要化学成分为：Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、Al/Si及LOI，由于三水铝石矿的低温拜耳法的溶出工艺（溶出温度为145）与一水硬铝石的高温溶出工艺（溶出温度为260）不一样，因此在国外通常采用的评价三水铝石矿的主要化学成分为AAl2O3、RSiO2、Fe2O3、TiO2及LOI。AAl2O3为有效氧化铝，RSiO2为可反应硅。由于溶出温度在145时不能破坏铝针铁矿中铝和铁的晶格，因此该部分的铝不参与溶出，为此有效氧化铝的含量更直观的反应了三水铝石中能被溶出的含量；同理，在拜耳法的溶出工艺中三水铝石中不是所有的硅都参与反应，例如石英就不参与反应，主要是高岭石中的硅参与反应，为此可反应硅也能更直观的反应了三水铝石中参与反应的硅的含量。有效氧化铝和可反应硅比国内传统的全铝和全硅的化学成分的分析更能反应三水铝石矿的品质。5.3 化学成分的相互关系经统计，AAl2O3与LOI呈正相关，AAl2O3与RSiO2和Fe2O3呈负相关。如图3。从含矿岩系化学成分的垂直分布来看，AAl2O3含量一般矿层顶板较低，矿层中部最高，RSiO2和Fe2O3相反，在矿体中含量最低，这主要与酸性溶液的后期脱硅作用有关，图3 含矿岩系物质组分相关图由于铝土矿是通过风化和红土化作用形成的，当地的地貌在铝土矿形成和再分配中发挥了作用。Boffa-Santou-Houda地区强大的垂直风化剖面，是随品位变化而形成，品位随深度变化而变化，正如图4.18中常规铝土矿一旁的井下浓度所阐释。6 三水型铝土矿的成矿规律和找矿标志6.1 矿化富集规律几内亚博凯桑加雷迪地区开展地质勘探过程中，为研究本区铝土矿的矿化富集规律，编录了赋矿岩系出露齐全的地质剖面。赋矿岩系沿垂向至上而下形成不同岩（矿）性体（层）为：铁帽红土（铝土矿主要赋存层位）铁质粘土粘土粉砂质粘土。见图4。图4 赋矿岩系地质剖面示意图沿赋矿岩系垂向，等间距分布5条采样剖面，分别系统采集物相分析和化学全分析。沿赋矿岩系沿垂向不同岩性体的矿物组分特征见表3、图5。表3 赋矿岩系平均矿物组分一览表岩石名称平均矿物组分含量（）三水铝石赤铁矿（铝针铁矿）高岭石白云母石英针铁矿钛矿物铁帽344731.70.704红土32413.22133.7铁质粘5粘土7426331794粉砂质粘土32122840113风化粒玄岩346434.9113图5 赋矿岩系矿物组分垂直分带直方图如表3、图5所示，构成铁帽、红土的主要矿物为三水铝石、赤铁矿（铝针铁矿）；构成铁质粘土主要矿物为白（水）云母、高岭石、三水铝石、赤铁矿（铝针铁矿），次之为石英、针铁矿，该层与上下层位比较明显具有过渡带特征；粘土、粉砂质粘土主要为石英、白（水）云母、高岭石矿物成分构成；风化粒玄岩为白（水）云母、高岭石富集带。根据不同岩性体内矿物组分特征判断，粒玄岩风化的初始阶段，主要是白（水）云母、高岭石化过程；随着风化程度的逐渐加强，白（水）云母、高岭石中的铝质成分形成三水铝石，在有利地段铝矿物不断富集成矿。铁质成分形成赤铁矿、针铁矿（铝针铁矿），硅质成分多流失，或多以石英矿物的形式富集在粘土、粉砂质粘土中。沿赋矿岩系沿垂向不同岩性体的化学成分特征见表4、图6。表4 赋矿岩系平均化学成分一览表岩石名称平均化学成分含量（）AI2O3Fe2O3FeOSiO2TiO2SP2O5K2ONa2OCaOMgO铁帽28.9445.810.133.341.60.0560.340.120.020.040.04红土28.4942.590.195.121.640.0850.220.130.680.291.8铁质粘土26.4517.340.2751.171.510.020.083.540.140.070.19粘土19.2710.110.3956.681.240.0770.083.320.10.050.25粉砂质粘土7.274.350.3967.270.840.010.081.70.230.060.18风化粒玄岩17.914.943.5169.931.910.0110.092.720.260.060.17粒玄岩15.378.246.5754.231.340.070.190.430.1711.147.93图6 赋矿岩系化学成分垂直分带直方图依据表4、图6所示，构成赋矿岩系的主要化学成分为Al2O3、Fe2O3 及SiO2，次要化学成分为FeO、TiO2、S、P2O5、K2O、Na2O、CaO、MgO等。其中构成铁帽、红土的主要化学成分为Al2O3、Fe2O3；构成