古风化壳型铝土矿中稀土元素地球化学特征

矿 产 勘 查MINERAL EXPI.ORATION 第10卷第5期
2019年5月Vol. 10 No.5May ,2019古风化壳型铝土矿中稀土元素地球化学特征
宋立方，杜登峰，李献龙，王利兵
（河北省地矿局第九地质大队地质勘查院，邢台 054000）
摘要为了研究古风化壳型铝土矿中稀土元素的含量及地球化学特征，探讨稀土元素对古风化壳型铝土矿的成
因及成矿环境的指示意义。

本文以山西沁源县高家山铝土矿、贵州修文小山坝铝土矿、广西靖西县念寅
铝土矿、河南申家沟铝土矿为例，并结合前人的研究成果，认为铝土矿的成矿物质来源可能来自底板碳酸
盐岩。

根据《矿产资源工业要求手册》风化壳型稀土矿边界品位REO>0.07%,上述四个矿床铝土矿中稀
土含量大多达到或超过标准，具有巨大的潜在经济价值。

关键词铝土矿稀土古风化壳地球化学
中图分类号:P595 文献标识码：A 文章编号：1674-7801（2019）05-1141-06
0引言
铝土矿是金属铝的重要来源,根据基岩的类型， 我国的铝土矿主要分为古风化壳型（又称喀斯特型 铝土矿）和红土型。

产于碳酸盐岩古喀斯特界面之
上的为喀斯特型铝土矿，产于铝硅酸盐之上的称为
红土型铝土矿。

其中98%以上的铝土矿储量是古
风化壳型铝土矿，已查明的矿床主要集中分布在华 北、中南、西南三个地区，其中山西占全国总储量的 36. 36%,贵州占全国总储量的21.76%,河南占全国
矿石总储量的14. 40%,河北占全国矿石总储量的 0.93%。

石炭纪古风化壳铝土矿占全国铝土矿石总
储量的73.71%（廖士范和梁同荣，1991）。

目前在
山西、贵州、广西、河南、河北古风化壳型铝土矿中均 有发现稀土元素富集；根据《矿产资源工业要求手 册》2010：风化壳型稀土矿床边界品位为REO>
0. 07%,工业品位REO>0. 1%,多处铝土矿床稀土
含量超过边界品位，部分接近甚至超过工业品位数
值。

本文选取四个主要产铝土矿省份以山西沁源县 高家山铝土矿，贵州修文小山坝铝土砺，广西靖西县
念寅铝土矿，河南申家沟铝土矿为例并结合前人的
研究成果讨论古风化壳型铝土矿中稀土元素的地球 化学特征。

1矿床地质概况1. 1咼家山铝土矿床
该矿床位于山西省沁源县城西北高家山村一 带，沁水盆地铝土矿集中区。

区内出露地层主要有： 第四系（Q4）沉积物，二叠系（P ）—石炭系（C ）页岩、 砂岩、灰岩、底部铝土矿含矿岩系，奥陶系中统（。

2）
碳酸盐岩等；缺失志留系（S ）和泥盆系（D ）。

区内
构造不发育.地层呈单斜产出，未见大规模岩浆活动 痕迹。

铝土矿含矿岩系赋存于石炭系本溪组（C?b ） 中下部，上覆地层为太原组（C 3t ）；与下伏地层奥陶 系（0J 中统呈假整合接触；主要由铁铝质岩组成。

铁质岩以下部赤铁矿、褐铁矿（山西式铁矿）、铁质
粘土岩为主，呈深褐色直接覆盖于奥陶系灰岩古风
化壳面上，呈透镜状，或似层状产出，厚约0. 38 ~3. 70 m,平均厚约5.22 m ；铝质岩，由中部铝土矿、 铝土岩，上部粘土岩等组成。

中部铝土矿。

其中铝 土矿呈灰-深灰及褐黄色多具鲫状、粗糙状、碎屑状 结构，块状构造；矿体呈层状、似层状产出，厚约 0. 70 m~5.46 m,平均厚约 2. 36 m 。

自下而上有铁质岩一铝质岩一硅质岩的沉积规［收稿日期］2019-02-12
［第一作者简介］宋立方，男.1977年生，学士，工程师，从事矿产地质勘査及管理工作；E-maiI ：357694901@ 。

1141
矿勘查2019年中华人共列P04T产鳌湮分*禾8B
图1高家山铝土矿、小山坝铝土矿、靖西念寅铝土矿、申家沟铝土矿分布示意图
律,呈层状产出；由于基底古岩溶地貌形态制约，厚度变化大约2.00-9.54m,平均厚度5.22m（叶枫等,2015）0
1.2小山坝铝土矿
该矿床位于贵阳市北西方向30km处,北起银厂坡，南至挖泥坑，全长7km,矿体产状平缓，似层状产出。

其中，下石炭统九架炉组（C,j）,该层上段为灰色铝土质泥岩、粘土岩、粉砂岩夹炭质页岩及劣质煤线具层理，厚约1.00-3.00m0中段为含铝矿段包括中部土状半土状铝土矿层及上下致密块状铝土岩。

下段为含铁岩段,为紫红色铁质粘土岩，铁质粘土页岩，夹有赤铁矿透镜体，该层上覆地层为摆佐组（C,b）：±段为结晶灰岩夹泥岩，下段为白云岩,共厚6~22m。

下伏地层为中一上寒武系娄山关群（e2.3ls）由白云岩组成，与上覆地层九架炉组成喀斯特平行不整合接触关系（廖士范和梁同荣,1991；叶霖等，2007）0
1.3靖西念寅铝土矿
该矿位于靖西县境内新坏念寅附近，区内出露有上寒武统、泥盆系（D）、石炭系（C）、二叠系（P）、三叠系（T）、白垩系（K）、古近系（E）、新近系（N）及第四系（Q）,其中二叠系合山组（P山）底部产沉积铝土矿，第四系更新统产堆积型铝土矿一般认为堆积型铝土矿由合山组（P山）底部经历-系列物理、风化作用改造形成。

合山组（P山）底部原生铝土矿不整合于下二叠统茅口组（Pjn）灰岩顶部的侵蚀面上，该层铝土矿岩系岩性自下而上为:下部为褐黄、灰黑色碎屑胶状原生铝土矿厚约0.5m~2m,中部为灰黑色块状原生铝土矿，厚约0~6m,上部为黑灰色鮪状铝土矿，其中有不规则空隙，厚0~1m,一般30~40cm（林宇等,2014）0
1142
第10卷第5期宋立方等:古风化壳型铝土矿中稀土元素地球化学特征
表1高家山，念寅，小山坝，申家沟铝土矿（岩）REE分析
矿区
样品
编号
岩性La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
LREE/
8Ce
5REE
HREE
SEu
GJS-1铝土矿27550755.418633 5.2326 2.9814 2.42 6.73 1.17.43 1.041123.317.210.050.94 GJS-2铝土矿71.714414.953.213 3.0315.2 2.6514.3 2.46 6.39 1.17.191350.12 5.960.07 1.01 GJS〜3铝土矿31750666.322944.67.7537.3 4.8622.2 3.729.91 1.6810.7 1.531262.612.740.060.8
高家山
GJS-4铝土矿1282422372.714.1 2.815.7 2.4714.2 2.62 6.88 1.137.080.96533.649.460.061 GJS-5铝土矿15032734.412625.5 4.824.4 3.6720.5 3.669.3 1.479.2 1.22741.129.090.06 1.06 M9607灰岩 5.128.29 1.26 3.110.680.0980.340.0450.180.0320.0730.0150.0690.000919.3124.580.060.76 0116-11粘土岩24.9346.76 5.6219.21 3.820.74 3.920.M 4.120.88 2.580.4 2.780.36116.76 6.450.060.92 0116-3铝土矿46.17124.429.9338.897.35 1.43&82 1.519.31 1.8550.73 4.870.67260.95 6.970.05 1.34 0120-2铝土矿214.91782.847.61182.6640.077.7443.19 5.4431.56 6.0115.77 1.9911.96 1.591393.310.860.06 1.79小山坝
0119-2粘土岩52.375.588.6428.84 4.99 1.06 6.38 1.187.81 1.69 5.510.81 5.60.79201.18 5.760.060.78 0116-1粘土岩125.47238.9328.1298.9116.33 2.8413.75 1.8410.62 2.08 6.330.88 6.560.96553.6211.870.060.93白云岩9.619.72 2.4710.55 2.470.37 2.250.38 1.990.380.880.130.680.1151.98 6.640.050.95 TC1-1铝土矿28737863.924250.19.358.910.25&913.540.5 5.835.3 5.41258.8 4.510.050.65 TC1-2铝土矿80.517613.845.919.5 3.921.9 5.837.68.427.2 4.934.45484.8 2.340.06 1.17念寅
TC1-3铝土矿47.6196.5826.89.6 1.79.1210.8 2.2 6.8 1.17.6 1.1330.97.130.05 2.22 Pm02~12灰岩 3.2 3.10.6 2.30.50.10.80.20.80.20.50.10.30.112.8 4.220.050.5 5~2~H铝土矿2&843.2 5.6719 4.060.88 4.67 1.077.17 1.46 4.430.76 4.940.78126.89 4.020.060.77 5~3~H铝土矿12218025.383.112.7 2.099.97 1.539.43 2.02 6.69 1.248.28 1.33465.6810.50.050.74 5~4~H粘土岩14118424.374.79.78 1.719.28 1.37&34 1.91&39 1.19&14 1.33473.4411.480.050.7申家沟
5~5~H粘土岩10320025.191.614.5 2.111.2 1.629.44 1.92 6.06 1.04 6.83 1.09475.511.130.050.92 5~6~H粘土岩13523732.111519.8 3.3616.4 2.4213.4 2.718.21 1.419.19 1.47597.479.820.060.84 5~7~H灰岩24.143.3 6.8727.3 6.12 1.24 6.09 1.1 6.58 1.32 3.860.62 3.90.62133.02 4.520.060.8
1.4申家沟铝土矿
该矿位于登封市告成镇申家沟一带,嵩箕铝土成矿区;该区出露地层从下到上、自老而新为：寒武系（e）、奥陶系中统（02）、石炭系上统（C2）、二叠系（P）及新生界第四系（Q）等。

矿区构造不发育。

区内含矿岩系为石炭系本溪组（C2b）,铝土矿的厚度变化受奥陶系中上统马家沟组（O?m）古岩溶地形控制。

本溪组含矿岩系自下而上岩性为:紫红色、深褐色土状、多孔状铁质粘土岩一富铁铝土矿；黄褐色、土黄、灰色、灰白色鲫状铝土矿及粘土岩;浅灰色硬质耐火粘土矿；黑色伊利石粘土岩一粘土岩（涂恩照,2018）o 2矿床稀土元素地球化学特征
稀土元素（REE）在原子结构，晶体化学性质上的相似性,使得稀土元素在自然界是密切共生；同时由于稀土元素在晶体的化学性质、元素碱性、元素电价、形成络合物能力和离子吸附力等存在差异，造成稀土元素在自然界发生分异；它们的运动和组合特征是一定的地质与物理化学条件的反映。

反之，可以根据地质体中的稀土元素组合特征来解释追踪地质过程的物理化学条件，这是稀土元素的作为地球化学指示剂的理论依据（陈德潜和陈刚，1990）。

本文采用的铝土矿稀土元素的配分曲线图采用球粒陨石标准值（Boyton,1984）统一进行标准化后成图。

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矿产勘查2019年
2.1高家山铝土矿床
高家山含矿岩系中5件铝土矿样品和I件底板
灰岩样品稀土元素含量及参数见表1高家山铝土
矿样品XREE的值范围为350.12x106~1262.55x
1（
严（平均值802.15x10"）,XLREE值为299.83x
10"~1170.65x10_6（平均值736.48x10'6）,Z
HREE值为50.29x10"~91.90x10"6（平均值65.67
xlO"6）。

测试结果显示铝土矿中稀土元素总量高，
并且轻稀土含量较高，底板灰岩ZREE含量最低
ZLREE/ZHREE值范围 5.96-17.21,均值为
10.89,轻重稀土分懈明显，REE配分曲线总体右倾
明显。

6Eu值为0.05~0.07,均值0.06,具有明显
的Eu负异常。

8Ce值为0.94-1.06,均值为0.96,
Ce异常不明显,为弱负异常。

2.2小山坝铝土矿
小山坝含矿岩系中5件铝土矿及粘土岩样品和
1件底板白云岩样品稀土元素含量及参数见表l o 小山坝铝土矿样品ZREE的值范围为201.18x10"
-1393.3x10_6（平均值505.16x10"）,ILREE值为101.08x10-6~1275.79x10-6（平均值457.41x 10f）,Z HREE值为15.68x10"~117.51X1（严（平均值47.75x10"）。

测试结果显示铝土矿中稀土元素总量高，并且轻稀土含量较高，底板灰岩ZREE 含量最低。

Z LREE/1HREE值为 5.76-11.87,均值为
&38,轻重稀土分憎明显，REE配分曲线总体右倾明显。

6Eu值为0.05~0.06,均值0.06,具有明显
的Eu负异常。

6Ce值为0.92-1.79,均值为1.15, 11442.3靖西念寅铝土矿
靖西念寅含矿岩系中3件铝土矿及粘土岩样品和1件底板茅口灰岩样品稀土元素含量及参数见表1靖西念寅铝土矿样品ZREE的值范围为330.9x 10_6~1258.Ox10「6（平均值691.50-6）,L LREE值为290.2x10-6-1030.3x10-6（平均值553.37x
10“）,Z HREE值为40.7x10'6~228.5xl0“（平均值13&13X10-6）,测试结果显示铝土矿中稀土元素总量高,并且轻稀土含量较高，底板灰岩ZREE 含量最低。

I LREE/X HREE值为 2.34~7.13,均值为
4.66,轻重稀土分憎明显，REE配分曲线总体右倾明显。

6Eu值为0.05~0.06,均值0.05,具有明显的Eu负异常。

6Ce值为0.65-2.22,均值为1.34,
Ce异常不明显，为弱正异常。

2.4申家沟铝土矿
申家沟含矿岩系中5件铝土矿及粘土岩样品和
1件底板灰岩样品稀土元素含量及参数见表1。

申家沟铝土矿样品Z REE的值为126.89x10~6~
597.47x10"（平均值427.8x10"）,Z LREE值为101.61x10_6~542.26x10-0（平均值388.17x10”），Z HREE值为25.28x10'6-55.21x10-6（平均值39.63x1（）"）。

测试结果显示铝土矿中稀土元素总量高,并且轻稀土含量较高，底板灰岩XREE含量最低，稀土配分曲线与铝土矿基本平行，倾向一致。

ZLREE/Z HREE值为 4.02-11.48,
均值为
第10卷第5期宋立方等:古风化壳型铝土矿中稀土元素地球化学特征
图3念寅铝土矿石稀土元素分配图
9.39,轻重稀土分憎明显.REE配分曲线总体右倾明显。

6Eu值为0.05~0.06,均值0.05,具有明显的Eu负异常。

8Ce值为0.70-0.92,均值为0.79, Ce异常不明显，为弱负异常。

3古风化壳铝土矿中稀土元素的特征和指示意义
ZREE是重要的REE地球化学参数之一，由附 表1可知四个不同地区铝土矿床中，稀土配分曲线总体趋势是底部灰岩不整合界面以上的铁质粘土岩和铝土矿FREE值相对较高，分布范围126.89X 10'6~1393.3x10%均值为597.23x10"。

底部的灰岩、白云岩ZREE值较低，分布范围12.8xl0"~ 133.02x10=,均值为54.28x10'%
沉积岩中REE含量随岩石类型不同而变化, Herrmaan（1970）按沉积岩的质量比例计算沉积岩中REE平均值为230x10"（杨守业和李从先,1999）。

本文四个不同地区同一成矿类型古风化壳型铝土矿的矿区铝土矿REE普遍偏高，而底板灰岩、白云岩较偏低;稀土元素分布模式总体相似，均为轻稀土元素富集，重稀土元素亏损型，轻重稀土分谓明显;分布曲线在轻稀土范围内具有较大的斜率，而在重稀土范围内较为平坦，具有明显的Eu负异常。

Ce异常不明显。

铝土矿物成分主要为高岭石、伊利石、以及少量残留的蒙脱石，颗粒极为细小，这种特点决定了它们能更充分地吸附稀土元素，又由于轻稀土元素离子半径比重稀土元素大，被吸附能力强（刘英俊和曹励明,1984）,故轻稀土元素更易于留聚.形成了轻稀土元素特别富集的特点。

含铝矿岩系中稀土元素在垂向上呈现一定的变化规律：从顶部至底部粘土岩一铝土矿一铁质粘土岩，工REE、工LREE、工HREE质量呈逐渐增加的趋势.说明从剖面顶部至底部，稀土元素的淋滤迁出逐渐减弱，稀土元素间的分异可能是由不同含REE矿物抗风化淋滤性的差异导致（陈德潜和陈冈叽1990）o含铝岩系底部的铁质粘土岩稀土总量（REE）比上部的粘土岩较高，稀土元素（REE）和稀土总量（ZREE）与Fe有极密切的关联，在较强的氧化条件下，Fe”可以变成Fe（OH）3絮团与稀土元素沉淀，特别是与Ce共同沉淀可能形成稀土元素相对富集的沉积（郭世勤,1994）,致使与其共生的沉积物接受了大量的稀土元素。

8Eu能很灵敏地反映物源及形成环境的信息。

来自上地壳的稀土元素具有轻稀土富集、重稀土稳定和Eu具负异常的特征（陈德潜和陈刚，1990）。

本文的四个矿区底板碳酸盐岩、铁质泥岩、铝土矿、粘土岩等样品的稀土元素分布特征表现为轻稀土富集、重稀土相对稳定,Eu具负异常特征，这与上地壳和北美页岩稀土元素分布特征相似，表明其沉积物可能来源于上地壳。

4结论
沉积岩对其母岩的稀土元素具有很强的继承性，沉积物中REE组成最主要受物源的控制。

在风化、搬运、沉积、成岩其携带的物源区源岩信息一般不会丢失，因而可用REE作为一种重要的物源示踪物。

在指示含矿岩系物源区的指标中，稀土配分模式是最可靠的指标（杨守业等，1999）。

根据四个
1145
矿产勘查2019年
铝土矿区的底板碳酸盐岩和铝土矿矿石样品的稀土元素曲线对比图，以及SLREE/2HREEQREE及8Ce和8Eu等参数可看出：含铝岩系矿石样品中稀土元素的配分曲线特征与底板碳酸盐岩的很相似，均以轻稀土元素相对富集为特征，稀土元素配分曲线右倾型和倾斜程度基本相似，且一些稀土元素参数也同样很相近，如镐异常等,说明四个矿床成矿物质演化及矿物形成的物化条件基本相同，成矿物质来源与底板碳酸盐岩有密切的关系，即底板碳酸盐岩为铝土矿的形成提供了一定的成矿元素。

稀土(主要是轻稀土)在古风化壳型(喀斯特型)铝土矿的强烈富集，为古风化壳型稀有稀土矿床的形成基础。

目前除在以上本文研究的四个典型铝土矿发现较大规模的稀有稀土元素富集以外.在河北省武安暴庄铝土矿区、山两省阳泉地区、五台白家庄铝土矿区和河南省偃龙铝土矿等亦有稀有和稀土金属元素含量异常在古风化壳型铝土矿中存在。

并且其稀土元素含量大多达到或超过综合利用标准，具有巨大的潜在经济价值
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Geochemical Characteristics of Rare Earth
Elements in Paleoweathering Crust Bauxite
SONG Li-fang,DU Deng-feng,LI Xian-long,WANG Li-bing
(Ninth Geological Brigade of Hebei Geological and Mineral,Xin^tai054000)
Abstract；1n order to study lhe content and geoclieniic al chamcteristics of rare earth elements in Paleo-weathered crust-type bauxite,the significance of rare earth elements to the genesis and metallogenic environment of Paleo-weathered crust-type bauxite is discussed.This paper takes Shanxi County of Qinyuan(iaojiashan xiaoshanba bauxite bauxite,Guizhou,Guangxi Jingxi County read Yin bauxite,Henan Shen Jia Gon bauxite as example and combined with previous research results,that the ore—forming material sources of bauxite from bottom of carbonate rocks.According to the Manual of Industrial Requirements for Mineral Resources,the rare earth content of bauxite in the four deposits studied in this paper mostly meets or exceeds the comprehensive utilization standard,which has great potential economic value.
Key words:bauxite,rare-earth elements,Paleo weathered crust,geochemistry
1146。