海南岛北部新生代火山岩风化成矿作用地球化学研究

【摘要】：新生代是海南岛北部火山活动的强烈时期,火山岩分布广,出露面积大,自古近纪始新世以来,曾发生多期多次火山活动,火山喷发时断时续,一直延至第四纪全新世。出露于琼州海峡以南地区的海南岛北部及东部,平面上呈“7”字形展布,面积超过4000km2,占全岛陆域面积的19.5%,岩性以基性岩为主；在区域构造上主要分布于王五-文教深大断裂两侧,以北侧为主。 海南岛北部地处北纬20。左右,属于热带地区,濒临海洋,受季风和台风影响较大,降水充足,天气炎热,气候季节变化和昼夜变化较大,风化作用强烈,镁、硅等元素的流失形成了大量的现代火山岩风化壳。这些风化壳由三水铝石、水针铁矿、针铁矿、高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石等矿物组成,部分地段形成的铝土矿、褐铁矿等矿床具有工业价值。据有关资料统计,海南岛火山岩地区风化形成的三水型铝土矿资源探明储量2500万吨、褐铁矿资源达1亿多吨、钴金属量1万多吨,同时伴生镍、镓、铬、铜等多种有价元素,这些新生代火山岩风化淋滤作用形成的矿产资源是一个典型的风化型矿产资源宝库,也是仍在形成的矿产资源,成矿过程比较清晰,是研究风化成矿作用的天然实验室。尽管区域地质工作程度较高,前人在区域地质、环境地质、区域矿产(侧重于油气)、工程地质做了大量的工作,取得了许多重要成果,但对区域火山岩风化成矿作用研究较少,在一些关键性的问题尚未解决。 本文以海南岛北部新生代火山岩及其风化壳形成的矿产资源作为研究对象,对区域新生代火山岩地质学、岩石矿物学、岩石化学,风化壳组成,风化型矿产的地质、地球化学特征特别是通过褐铁矿、铝土矿、钻土矿典型矿床地质特征,矿床地球化学剖析的基础上,研究了区域火山岩风化作用过程中元素迁移规律、控制因素,结合风化作用过程中矿物成分的变化探讨了区域风化成矿作用,为风化型矿产的研究和开发提供参考。 1海南岛北部新生代火山岩活动强烈,可分为11个期次；古近纪、新近纪火山岩除石马村组出露地表外大部分隐伏于地下,第四纪除早更新世隐伏于地下外大都出露于地表。 区域火山岩在热带季风性气候条件下发生风化作用,风化壳的厚度自东向西总体表现厚-薄-厚-薄的相间分布,火山岩时代者古老者风化壳厚,火山岩风化壳厚度受风化作用时间的影响,与火山岩的年龄成正相关关系；风化壳也是区域褐铁矿、铝土矿、钴土矿等风化型矿产的含矿层位。 2根据区域成矿元素组合、成矿母岩、微地形地貌等不同以及矿床(点)空间的展布位置,将区域风化型矿产划分为南北两个成矿带。南北矿带主要以王五-文教断裂带为界,北侧主要为多文组火山岩风化形成褐铁矿为代表;南侧主要以蓬莱-居丁-南阳一带第三纪石马村组-石门沟组为代表铝、钴、铬矿床为代表组成的南矿带。 褐铁矿主要分布在北矿带的多文组火山岩风化壳中,在临高-澄迈一带规模大。矿体受地形控制,山顶山坡较厚,山脚和低洼处逐渐尖灭；矿体主要由豆粒状褐铁矿和块状褐铁矿组成,全铁的含量一般30%左右,最高可达57%0铝土矿主要分布南矿带的文昌蓬莱地区第三纪石马村组-石门沟组火山岩风化壳中,矿体呈复碟状,受地形控制。矿层厚度一般30至60cm,主要矿体部分达4-5m,表层覆盖红土层厚度一般1-2m；矿石主要为三水铝石,含矿率一般400kg/m3左右,最高达1000kg/m3以上。钴土矿常与褐铁矿、铝土矿共伴生在一起,分布南矿带的文昌蓬莱地区第三纪石马村组-石门沟组火山岩风化壳中,主要分布在定安及文昌一带,产状受地形控制；主要矿物有铝土矿、褐铁矿、钴土矿组成；钴土矿主要集中在含矿层的下部,含矿率变化大,一般5-15kg/m3,最低lkg/m3,最高达124kg/m3。钴土矿呈片状、豆粒状和珊瑚状,胶状、结核状构造,一般0.5-3cm：矿物成分主要为锂硬锰矿,含钴3.13-8.45%。 3风化过程中主量元素地质特征及元素地球化学行为 褐铁矿、铝土矿、钴土矿等风化剖面的化学组分以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主要,三者合计在72.18%-84.58%之间。SiO2含量范围在15.46%-50.46%之间,平均为30.45%；A1203含量在7.82%-36.56%之间,平均为19.94%；Fe2O3含量在7.46%-58.19%之间,平均为28.33%。全铁含量平均为28.33%,远高于上地壳5%含量,表明区域在热带地区红土化作用强烈。与此相反,风化剖面中一些易溶组分如CaO、Na2O、K2O、MgO含量较低,均低于1%。这种铁铝富集以及伴生强烈的化学风化作用的是对地处热带地区气候条件的响应。影响岩石风化作用过程的地球化学因素主要有：元素的物理化学性质、温度和水、pH值和氧化-还原电位(Eh)。 火山岩风化水解释放出来的二价铁离子在地表氧化环境下生成三价铁离子,而三价铁离子在pH=3时即生成氢氧化物沉积下来,最后形成针铁矿、褐铁矿等矿物。各种硅酸盐矿物如长石、辉石、角闪石、云母等可以通过风化作用转化为伊利石、高岭石、蒙脱石等粘土矿物。在热带地区,湿润炎热的气候条件,粘土矿物可以进一步风化作用发生再分解,使其中的硅铝分离,硅进入地下水淋失,铝在pH=5—9左右的弱酸性到弱碱性的环境下产生氢氧化铝沉淀,形成三水铝石型铝土矿。在造岩矿物锰主要以+2的形式存在,经风化作用,含锰矿物被水解,Mn2+从矿物中释放出来进入地表流体中。锰的沉淀主要受pH、Eh的影响。在pH小于7的环境下锰主要以离子化合物的形式溶解于水溶液中,在大于8的碱性环境下形成锰矿物沉淀下来；沉积作用过程中,铁和锰的分离主要受pH、Eh的控制。锰与氧的亲和力低于铁与氧的亲和力,因此在铁、锰溶液体系中,Mn2+氧化物比铁的同价氧化物稳定范围要大,因此在矿物水解过程中铁与锰常发生分离,在红土风化壳中铁的氧化物位于锰的氧化物的上部。氧化锰往往呈黑色皮壳状或被膜包裹于岩石的表面或充填于样式的裂隙中,这些黑色氧化物可以吸附状态的形式从风化岩石中淋滤出来的铜、钴、镍、锌等离子形成稳定的化合物或聚合体。在风化壳的上部由于pH比较低、Eh较高,在此环境中二价铁离子常被氧化为三价铁的氢氧化物发生沉淀,而后进一步脱水形成针铁矿、赤铁矿等矿物,在风化壳的顶部形成铁帽；于此同时,钴、镍、铜、锰等离子仍然以离子状态在水中向下渗透,当水溶液的pH大于8时,锰、钴、镍一起沉淀形成氧化物或含水的化合物,形成元素的垂直分带性。 4风化过程中稀土元素地球化学特征 在各风化剖面的稀土配分模式图上显示,表层红土层、含豆粒状褐铁矿、铝土矿层、含钴土矿层、铝土矿床、铝土质腐泥层的配分模式比较一致,仅是稀土元素含量差异,均是右倾、富集轻稀土,与本区域的火山熔岩的配分模式大体上相似。 在剖面的中上部的表层红土层、含矿层中轻重稀土分异程度逐渐增大表现为轻稀土比重稀土易于富集,轻稀土分异程度较高、重稀土分异程度较低；在白色腐泥层、半风化层轻重稀土分异程度减弱,轻稀土内部分异程度减弱甚至没有分异、重稀土内部分异程度明显增强,在风化作用的过程中重稀土较易淋失而轻稀土较易富集。 在剖面上部的红土层、含矿层、腐泥层以及半风化层中常发生6Ce发生正异常且从表层向深部呈先升高后下降的趋势、δEu表现为弱的负异常或无异常,说明在风化过程中剖面整体表现为氧化环境,上部表现出氧化较弱到白色腐泥层最强而后逐渐下降的变化趋势。 稀土元素的上述特征表明,剖面各层物质成分从上到下具有一定的继承性,它们之间具有成因联系,都是基岩通过风化作用过程在不同空间阶段形成的产物。 在铝土矿风化剖面的底部厚lm左右的全风化层中稀土总量高达2306.08ppm,达到了风化壳型稀土含量的工业品位,初步认为形成了稀土矿床,在本铝土矿区有可能也是一个大型稀土成矿远景区域,在今后的地质工作中应予以重视。 5矿区南北矿带对比及产生的原因 成矿元素组合不同,北矿带主要以铁为主伴生一定量的钴,主要以临高-澄迈褐铁矿为代表；南矿带主要以铝、钴为主要成矿元素,以文昌蓬莱矿产为代表。成矿母岩岩性和时代不同,北矿带成矿母岩主要为第四纪多文组火山岩；南矿带的成矿母岩新近纪中系统石马村组-石门沟组的火山岩。自然地理不同,褐铁矿成矿带多以火山岩台地为主的准平原地形,海拔30-80米,相对落差小,受台风影响较弱,降水较少且比较集中；南矿带铝、钴多金属矿带主要以火山盆地为主,相对落差较大,受台风影响频繁降水较多；同时影响地下水的活动性,而地下水的活动性决定了元素的迁移与走向。 6区域风化成矿作用 风化作用的开始是从造岩矿物的解体,已从鲍文反应序列的原理对玄武岩来说主要是从长石和辉石矿物的解体；其次是基质物质的脱硅作用,第三是铁、铝与硅的淋滤分离和迁移沉积的过程,残积的风化壳保留铁(三氧化二铁的水合物)、铝(三水铝石等)在地表形成铁铝质的风化壳或褐铁矿、铝土矿等。 风化壳各层的物质成分不同,三水铝石和针铁矿呈现出没有规律的变化,表土层、结核层、腐泥层和半风化层都有三水铝石出现；针铁矿主要出现于上部,铝土矿一般出现在针铁矿的下部。高岭石出现于所有的层位,且比例较高,加上绿泥石、伊丁石等矿物较多,说明风化壳还不成熟,多水高岭石或蒙脱石、埃洛石、水铝英石等中间产物的出现说明风化作用正在进行,距离以三水铝石为主要矿物成分为主的成熟风化壳还相差甚远。 在风化作用中元素的地球化学行为主要取决于这些元素的离子半径,相同半径的元素呈类质同相的的形式存在着痕量元素。