鋁從何而來——中國特色的風化沉積型鋁土礦產

今天,鋁已成為現代社會中用途最多、最普遍且最廉價的金屬,毫不誇張地說,我們的生活早已被鋁及其合金製品所包圍:大到航空航天、建築、運輸,小到電線、包裝材料、料理用具等等。鋁的廣泛應用離不開它的一些優良特性,例如低密度、高抗拉強度和延展性、良好的導電導熱性、以及優良的抗腐蝕性等等。但是,鋁的大範圍使用還得益於其便宜的價格。早在150年前,單質鋁的價格比黃金還要貴重,被當時的人們認為是一種稀有且昂貴的元素。而事實上,鋁元素並不稀有,它的丰度在地殼中位列第三,僅次於氧和硅,是地殼中含量最豐富的金屬元素(含量約8%),廣泛分佈於超過270餘種礦物中。

我國的鋁土礦成礦事件在地質歷史時期的分佈與全球鋁土礦成礦作用強度變化趨勢有較大差異,該數據可以通過鋁土礦的儲量與時代之間的關係計算出來。我國前新生代的鋁土礦資源集中形成於石炭紀和二疊紀,而在世界其他地區,該時段內鋁土礦成礦作用減弱或停止。在歐美大陸東海岸地區(東歐臺地邊緣),早石炭世發育鋁土礦沉積,晚石炭世後,僅有小規模鋁土礦及鋁質黏土巖沉積。

早二疊世期間,鋁土礦沉積在Pangea大陸上完全消失。而在我國,早石炭世,在貴州省中部至北部地區發育大規模鋁土礦沉積。晚石炭世,在華北地區仍然有大規模鋁土礦沉積。晚石炭世至早二疊世,貴州省東部、北部至重慶南部亦見重要鋁土礦沉積。到中-晚二疊世,鋁土礦沉積重新在世界範圍內出現,且集中於低緯度Cimmeria地塊群,而此時,我國中上二疊統之交的鋁土礦大量出現在桂西-滇東碳酸鹽巖臺地區域。鋁土礦沉積成為我國在石炭紀至二疊紀所形成的極具特色的風化沉積礦產。

鋁從何而來——中國特色的風化沉積型鋁土礦產


中國晚古生代鋁土礦的成因——陸表風化淋濾作用。

早前研究者將中國早石炭世至中二疊世鋁土礦成礦事件解釋成華南與華北板塊在石炭紀至二疊紀持續處於古熱帶氣候控制下,與西特提斯低緯度區域在晚古生代冰期乾旱化的古氣候演化模式存在顯著差異。目前相當一部分研究者認為晚古生代冰期時的氣候變化主控因素是大氣二氧化碳含量變化,但西特提斯低緯度地區的古氣候記錄受到諸多區域尺度因素的影響,如Pangea中央山脈的構造隆升作用、Pangea聚合作用導致的陸地面積與海洋麵積比例上升、Pangea的超大陸性導致的水汽輸送阻礙等。而晚古生代時期的華南、華北板塊遠離主要古大陸且位於東特提斯低緯度地區,出現與西特提斯迥異的古地理環境和沉積記錄。

在石炭紀至二疊紀,華南板塊處於東特提斯低緯度地區,Montañez and Poulsen(2013)認為由於氣候緩衝效應,即使是在冰室時期,低緯度仍可以保持著較為溫暖的古海水溫度(25 ± 5℃)。從沉積記錄來看,低緯度地區對晚古生代冰期高緯度的冰川消長存在遠程響應效應,華南地區石炭紀至早二疊世海相碳酸鹽巖的碳同位素及沉積序列研究將海相碳酸鹽巖無機碳同位素正漂移、同沉積古岩溶面與冰期事件聯繫起來,分別代表冰期控制下有機碳埋藏量的增加與高頻次海平面升降變化,這些現象與當時同處低緯度地區的其他沉積盆地沉積記錄相耦合。從構造演化史的角度來看,處於揚子板塊與華夏板塊匯聚背景下,起始於晚奧陶世的陸內造山運動(廣西運動),造成了華南大部分區域的隆升與暴露,直到早泥盆世大規模海侵才結束了這一大範圍暴露。而在另一些地區,如黔北、黔中地區,直到石炭紀或二疊紀方才結束暴露剝蝕,重新出現海相沉積。綜合古氣候、海平面升降及古構造條件來看,東特提斯地區熱帶氣候下長期穩定的暴露與剝蝕條件為華南板塊在石炭紀至二疊紀形成大規模鋁土礦成礦作用提供了有利條件。

在華南地區,黔中-黔北遵義地區九架爐組鋁土礦形成於早石炭世,黔北務川、正安、道真(務-正-道)地區至渝南地區大竹園組鋁土礦形成於早二疊世,桂西至雲南東部地區合山組鋁土礦形成於晚二疊世;在華北地區,主要鋁土礦含礦層位形成於晚石炭世本溪組底部。

中國鋁土礦主要成礦時代與世界其他地區的這種重大差異指示晚古生代冰期時期東特提斯地區與Pangea大陸古氣候可能存在顯著差異,東特提斯地區以高年均降雨量及季節性乾旱氣候為主,Pangea大陸碎屑沉積岩反映出寒冷乾旱的古氣候特徵。這個推論得到了中國石炭紀至二疊紀碎屑岩地層中古氣候恢復指標的進一步證實。華南地區鋁土礦沉積主要形成於近岸喀斯特平原或喀斯特山地古地理環境,在這些區域,地下水水位變化與海平面升降緊密相關。

在晚古生代冰期,由於岡瓦納冰蓋系統進退所引發的高頻次海平面升降導致了上述區域煤與鋁土礦沉積的旋迴性變化,在鋁土礦內部也出現了滲流型與潛流型鋁土礦層的旋迴性變化。在間冰期,高濃度的大氣二氧化碳、高海平面、高水位的地下水、較低的降雨量與較低的植被覆蓋導致紅土化作用產生大量成礦母質,但是較差的淋濾作用條件阻止了鋁土礦的進一步形成。

在冰期,得益於低海平面、低水位的地下水、高降雨量及更多的植被覆蓋,風化母質被徹底淋濾形成鋁土礦。因此,晚古生代冰期時華南板塊與華北板塊特殊的全球構造位置、古地理環境、古氣候與海平面升降特徵等諸多因素耦合是中國鋁土礦沉積集中產出在石炭紀與二疊紀的關鍵控制因素。



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