黔中地区铁质岩-铝质岩

作者:上海地矿珠宝玉石检测中心 胡家燕

早石炭世大圹期旧司时的铁质岩-铝质岩类,它是由”黔中隆起”区的碳酸盐岩经长期钙红土(Terra rosa)化作用后形成的钙红土风化壳,在大圹早期旧司时海浸形成的半封闭泻湖环境中,经过分解及水解、结晶、搬运和沉积而成一套完整的钙红土风化壳再沉积型岩类。清镇式赤铁矿、修文式赤铁矿、修文式铝土矿就产于这套沉积岩中。

铁质岩-铝质岩具有各种类型的岩石结构,揭示不同结构所代表的岩石形成机理,它从一侧面反映了铁、铝矿床形成的条件。
一、铁质岩-铝质岩类的基本特性
铁质岩-铝质岩在旧司段的沉积层序,上部为铝质岩类,下部为铁质岩类,沉积厚度变化受下覆岩溶地形制约,如清镇林歹地区达25米,修文干坝地区仅7米左右。

1、铁质岩类

一般厚度在2-5米,由赤铁矿组成,呈扁透镜状,结核状产出,有的地段赤铁矿逐步过渡为鳞绿泥石岩、赤铁矿-砂砾屑铝土矿、砂砾屑铝土矿-鳞绿泥石岩、鳞绿泥石-粘土岩等,通过对清镇、云雾山两地赤铁矿大体积综合取样分析(表1)属优质铁矿石。修文小山坝地区铁质岩上部有一层2米厚的铝土质高岭石粘土岩、高岭石粘土岩,铁质岩假整合于中上寒武统娄山关群白云岩的岩溶面上,清镇林歹地区铁质岩上部为2米厚的铝土矿层,9米厚的含粉砂水云母-高岭石粘土岩伴有大量结核状体赤铁矿分布,假整合于中寒武统石冷水组白云岩的岩溶面上。

表1 赤铁矿化学成分(%)

成分

产地

TFe SiO2 Al2O3 CaO MgO S P As
清镇 57.03 6.04 6.14 0.23 0.97 0.02 0.045 0.004
云雾山 56.44 7.34 5.45 0.70 1.65 0.042 0.029 0.003

2、铝质岩

由各种结构类型的铝土矿及铝土质高岭石粘土岩、高岭石–水云母粘土岩组成,在炭质粘土岩种拌有黄铁矿、菱铁矿。

铝土矿一般厚度为2-4米,矿物成分主要由硬铝石组成,碎屑状电气石、锆石、独居石、锐铁矿、金红石均匀分布,在铝土矿之中并有部分自形的锐钛矿产出。

铝土矿按结构类型分为四种:

(1) 重结晶硬铝石铝土矿(土状铝土矿):灰白色、白色疏松土状,含少量铝土矿碎屑,Al2O3/SiO2<7。

(2) 泥晶硬铝石铝土矿(致密状铝土矿):灰色、黄灰色、灰黄色、致密块状,含少量铝土矿碎屑,Al2O3/SiO2<5。

(3) 碎屑状铝土矿:灰色、黄灰色、白灰色,由砾、砂状铝土矿碎屑和鲕粒组成,Al2O3/SiO2=5-7。

(4) 藻铝土矿:灰色、灰白色、灰黄色,由藻迭层石、核形石组成,Al2O3/SiO2=5-7。

二、铁质岩-铝质岩形成机理

钙红土化作用形成的钙红土风化壳,是形成黔中地区铁质岩-铝质岩的物质基础,钙红土风化壳在水体中经过分解及水解、结晶、搬运和沉积是形成各种岩石的关键,半封闭的泻湖为钙红土的解体及产物提供了良好的分选、沉积环境,因此铁质岩-铝质岩的成因为风化壳再沉积型。

在化学风化过程中,碳酸盐岩产生分解,Mg、Ca等碱土金属以重碳酸盐(如CaCO3+H2O+CO2→Ca(HCO3)2)及可溶性氯化物(如CaCl2)、硫酸盐(如CaSO4)随水体带走,残留物为不易溶解的铝硅酸盐、铁的氢氧化物和钛的氧化物等,它们成为钙红土的主要成分。通过对寒武纪碳酸盐岩岩溶面上近代钙红土的分析,它们属尚未水解的产物。钙红土矿物成分主要由粘土矿物及铁质组成,水云母和高岭石为显微鳞片状,含量达70%,氢氧化铁是均匀细小质点状褐铁矿与粘土矿物混杂,含量达30%,钙`红土化学成分富含Si、Fe、Al、K、Ti(表2)。钙红土中留有碎屑状的稳定矿物组分,如电气石、锆石、金红石、锐铁矿、独居石、白云母等。

表2 近代钙红土化学成分(%)

成分

编号

SiO2 Al2O3 Fe2O3 K2O TiO2 Na2O CaO MgO CO2 H2O+
1 29.94 23.20 22.10   1.16 0.11 1.92 3.44 2.94  
2 26.44 21.07 32.96 0.32 1.15 0.08 0.07 1.66 0.80 8.56

由于PH、Eh值、生物作用、温度等因素影响,作为钙红土重要组成的铝硅酸盐矿物水云母及高岭石在水体中进一步水解。水云母在酸性介质条件下转变为高岭石,变化方程式为:

2KAl5Si7O20(OH)4+2H++2HCO3-+13H2O→5Al2Si2O5[OH]4+H4SiO4+2K++2HCO3-

在表生条件下钙红土风化壳的透水性,湿热的气候,半封闭的泻湖水体的淡化和潮汐作用是控制钙红土水解的主要因素。当介质处于弱酸性、若碱性的时候,加速了高岭石的水解,并向胶态非晶质及显微晶粒状三水铝石转化,高岭石在去硅化作用同时被三水铝石的交代,实质上是一种富铝排硅过程,这种作用导致三水铝石富集,变化方程式为:Al2Si2O5[OH]4+H2O→2Al(OH)3+2SiO2,SiO2是胶体被水迁移。

由于潮汐作用,早期的三水铝石逐渐形成碎屑状的三水铝石泥,脱离变化中的钙红土在水体中搬运,再沉积形成各种结构类型的三水铝石铝土矿。

当PH在6.6-6.8的弱酸性介质条件下,胶体SiO2及胶体Al2O3将产生凝聚和沉淀作用,形成高岭石粘土岩沉积。当PH>7.8时,碱金属K+与胶体SiO2及Al2O3将凝聚形成水云母粘土岩沉积。

钙红土中的褐铁矿在有机质和生物作用下,随着钙红土层厚度的增大由氧化环境转变为还原环境,促使Fe3+还原成Fe2+,并形成一种胶体从钙土中迁出,在泻湖边缘的氧化带中形成赤铁矿的沉积。在过渡带中往往形成赤铁矿和鳞绿泥石的嵌晶现象。赤铁矿、鳞绿泥石由于属早期胶体搬运沉积,因此钙红土中的稳定碎屑矿物组分含量甚少。

钙红土中富集的钛矿物,大部分以碎屑状进入以三水铝土矿为主的沉积物中,也有部分形成钛的氢氧化物(TiO2nH2O)转移,在成岩作用下形成自形程度较高的锐钛矿晶粒,往往成粒状集合体分布。

成岩及后生作用中,由于压力和温度的变化,铁质岩-铝质岩产生低级变质改造作用。岩石出现变晶结构、重结晶结构及扭曲、变形现象。组成矿物产生变化,三水铝石失水重结晶转变为硬铝石,随着作用的加强硬铝石自形程度增长。高岭石部分向叶腊石转化,出现叶腊石逐步替代高岭石现象。水云母部分转变为鳞片绢云母并出现结晶片状白云母。白云母出现2M1-3T型,白云母晶轴b0<9。高岭石结晶指数达1.23。赤铁矿局部转变为磁铁矿,大部分变得十分致密。

改造作用结果使铝土矿Al2O3/SiO2值产生变化,据不同地区铝土矿样品分析,麦坝铝土矿为6.7,林歹铝土矿为7.1,燕龙铝土矿为10.8,小山坝铝土矿为5.2,云雾山铝土矿为5.5。
三、铁质岩-铝质岩的结构类型及成因意义

1、铁质岩-铝质岩类结构类型

铁质岩-铝质岩类的结构按形成方式分为四种类型:

(1)胶体化学结构类型

A、显微鳞片结构

B、胶状结构

(2)生物作用结构类型

A、核形石结构

B、迭层石结构

C、藻团粒结构

D、藻包壳结构

(3)碎屑沉积个类型

A、塑性砂砾屑结构

B、刚性砂砾屑结构

C、鲕粒结构

D、粉砂砂状结构

E、层纹结构

(4)后期改造结构类型

A、粒状变晶结构

B、片状变晶结构

C、重结晶结构

D、溶蚀及晶洞结构

2、铁质岩-铝质岩类主要岩石结构的成因意义

(1)重结晶硬铝石铝土矿

岩石具重结晶半自形~自形显微粒状结构。矿物成分以显微粒状硬铝石为主,并又少量高岭石充填在重结晶作用和溶蚀作用形成的空洞中。少量铝土矿内碎屑不均匀地分布在岩石中。

三水铝石铝土矿成岩后期重结晶,三水铝石泥转变为半自形~自形显微粒状硬铝石,晶粒受应力作用产生波状消光。由于重结晶作用,促使硬铝石警惕净化,晶粒自形程度增高,晶粒虽十分细微(0.001~0.005mm),但晶粒均等,晶粒边界十分清晰,晶粒之间形成无数空洞,在晶间空洞四周的硬铝石结晶程度更高,部分空洞受后期溶蚀。空洞中往往有次生高岭石充填,岩石变为疏松土状。

(2)泥晶硬铝石铝土矿

岩石具重结晶半自形~他形显微粒状结构,局部地段粘土矿物富集成鳞片变晶结构。矿物成分以硬铝石为主,拌有显微鳞片状高岭石、水云母,少量铝土矿内碎屑不均匀分布在岩石中。

适宜于三水铝石泥为主要沉积条件,并拌有高岭石、水云母胶体化学沉积条件的互相作用下,形成含粘土质成分较高的三水铝石泥铝土矿,受后期重结晶作用矿物转变不甚明显,因而净化程度较低,机关晶洞及溶蚀空洞发育甚差,岩石具致密块状特征。

(3)碎屑状铝土矿

具塑性砂砾屑结构和刚性砂砾屑结构。由不规则状塑性砂砾状铝土矿内碎屑和磨圆度高的刚性砂砾屑铝土矿组成,被硬铝石、鳞绿泥石、赤铁矿胶结。具鲕状结构的鲕状铝土矿,鲕粒大小由0.2-0.5mm,由硬铝石和多水高岭石、水云母互相组成同心圆状相间,在铝土矿中的鲕粒以硬铝石为主,在粘土岩中的鲕粒以粘土矿物为主。鲕粒多具核心,由早期铝土矿碎屑及碎屑状电气石、锆石、金红石等组成。鲕粒间分布有大量的水云母、多水高岭石和鳞绿泥石等偏胶体矿物。在鲕粒状铝土矿中,经常见有磨圆度较高的各种结构的铝土矿内碎屑作核心。鲕粒常具破碎块状外形,还常出现生物作用的藻包壳。

由于沉积环境的改变,早期形成的铝土矿破碎形成内碎屑。铝土矿内碎屑可分为二种,一种是搬运不远基本上处于原地的内碎屑,它主要为不规则状和揉皱状塑性铝土矿碎屑,它又被三水铝石泥所胶结,后期变为硬铝石。另一种是搬运距离较远磨圆度较高的刚性铝土矿砂砾屑,它由赤铁矿、鳞绿泥石和部分粘土矿物胶结。属纹状铝土矿碎屑具典型沉积构造。

鲕粒的形成与偏胶体粘土矿物密切相关,当粘土在形成鲕粒过程中,周期性的吸附三水铝石泥而构成同心层。在同一地段,鲕粒的同心层数目不等,它表明沉积环境变化较大,这也反映在鲕粒核心大小相差极为悬殊,甚至出现由气泡组成的核心。

(4)藻铝土矿

藻铝土矿主要由铝藻迭层石、核形石、藻团粒组成,矿物成分主要为硬铝石。破碎后的藻铝土矿碎块周围有厚薄不一的藻包壳,它由显微粒状硬铝石组成。

藻铝土矿主要与生物作用密切相关,碎屑状的三水铝石泥被兰绿藻胶结,构成各种形态的遗迹结构。

(5)铝土质粘土岩

铝土质粘土岩具鳞片变晶结构,它由显微鳞片变晶状的高岭石、水云母组成单一或混合类型。不规则团粒状硬铝石集合体及碎屑状铝土矿与粘土定向排列。有的岩石中白云母碎片大量定向排列。

由于三水铝石泥含量的减少核粘土凝聚沉淀作用的增加,三水铝石泥是不规则团粒产出在粘土当中。成岩后期改造和变晶作用,三水铝石泥转变成硬铝石,硬铝石晶粒大小与改造作用强弱明显有关,粘土矿物具变晶结构,岩石变得致密。

(6)鳞绿泥石岩

鳞绿泥石岩具鳞片变晶结构。鳞绿泥石片状晶体常与赤铁矿相嵌接,次生自形柱状硬铝石是胶状穿插或在晶洞中是晶簇产出。

鳞绿泥石代表了弱还原环境下得胶体化学沉积,硬铝石在封闭的还原环境中结晶生长,这种硬铝石不是由三水铝石重结晶形成,而是胶体化学结晶的产物。由于赤铁矿常沿鳞绿泥石晶粒交代,说明沉积环境有较大的改变。

(7)赤铁矿

由胶状及细微结晶的赤铁矿组成,构成不连续的厚度改变的透镜状、薄层状产出,部分呈结核状散布于粘土岩中。有时赤铁矿和鳞绿泥石呈相嵌结构,这种现象出现在过渡带中。

赤铁矿是胶体化学沉积的产物。赤铁矿形成于氧化环境中,成岩后期改造作用使赤铁矿变得更加致密,部分赤铁矿转变为磁铁矿。在赤铁矿层中无结晶自形柱状得硬铝石分布,这一点与鳞绿泥石中拌生的矿物有明显差异,说明硬铝石不能形成于氧化环境。
四、关于铁质岩-铝质岩成因的几点认识
1、黔中地区大圹组旧司段铁质岩-铝质岩的沉积层序表明,在泻湖水体中首先是Fe2O3、nH2O和SiO2·nH2O从钙红土中水解出来,构成下部鳞质岩类的沉积。

2、钙红土在水体中的进一步水解,在表生条件下形成三水铝石的结晶,由于三水铝石从高岭石的去硅化作用内形成的,高岭石的晶粒大小制约了三水铝石粒度变化,所以三水铝石粒特别细小而均等。

3、由于潮汐作用,原地形成的三水铝石碎裂成三水铝石泥,在水动力作用下发生迁移,在不同沉积环境下形成各种结构类型铝土矿,因此铝土矿主要是碎屑成因。

4、成岩作用及成长后期作用对三水铝石泥铝土矿进一步改造,三水铝石脱水重结晶转变为硬铝石铝土矿。

5、铁质岩-铝质岩形成大致经历了风化壳、水解、再沉积和后期改造四个阶段。

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