Application of Mineral Automatic Quantitative Analysis System in the Petrology and Mineralogy Analysis of Aluminiferous Rock Series: Taking Taiyuan Formation in the Longdong area as an example

含铝岩系由一套自下而上为富铁的铝土质泥岩、铝土岩、富碳/硅的铝土质泥岩组成，其广泛分布在华北陆块古生界的地层中，是研究铝土岩重要的沉积序列^[1]。其中，铝土岩主要由Al、Fe和Ti的氢氧化物和氧化物组成，是一种形成于潮湿的热带—亚热带气候的地表风化产物，主要矿物成分为三水铝石、软水铝石和硬水铝石^[2]。我国的铝土岩主要分为喀斯特型和红土型两种，产于碳酸盐岩古喀斯特面之上的称为喀斯特（沉积型）铝土岩，产于铝硅酸盐岩之上的称为红土型铝土岩^[2⁃3]。其中华北地区赋存于奥陶系或寒武系风化壳上部、石炭系底部的铝土岩属于喀斯特型铝土岩，主要的铝质矿物为硬水铝石^[4⁃6]。鄂尔多斯盆地奥陶系顶部风化壳具有较厚的铝土岩沉积，近两年来，将该段铝土岩作为储层的研究成果陆续报道^[7⁃10]，这些研究认为铝土岩是一种比较少见的非常规储集层，有望成为天然气勘探的新领域。目前，陇东地区太原组含铝岩系矿物组成以及赋存状态的研究仍相对薄弱，加强铝土岩储层的基础矿物学研究能为储层研究提供充实的科学依据。

含铝岩系中的矿物颗粒细小，组成成分复杂，往往同一种矿物具有不同的形貌特点，而不同的矿物有时又具有相同的形貌特征，这就导致在使用光学显微镜观察矿物时，带来许多不便。研究者无法明确划分矿物种类，查清矿物的共生、连生和包裹关系特征，同时，受到主观判断的影响，在矿物含量和分布等定量统计结果误差较大。目前，研究矿物组成的方法还有X射线衍射分析（XRD）、电子探针分析（EPMA）、带能谱的扫描电镜（SEM-EDS）、短波红外光谱分析（SWIR）、差热和热重分析（DTA/TG）等，XRD、SWIR可以获取矿物或元素组成的平均结果^[11⁃12]，EPMA、SEM-EDS可以观测微米甚至纳米尺度的形貌结构、化学元素信息^[13⁃14]，DTA/TG可以鉴定矿物结构、半定量分析矿物的含量^[15]。然而，上述手段在获取矿物组成、矿物颗粒形状、共生关系等一些量化参数上不能同时兼备，而且对于矿物成分复杂的样品很难做到全面、系统地量化观测。

近年来，矿物自动定量分析系统在地质、石油及环境等方向显现出广泛的应用前景，目前，于全球市场中所研发推出的全自动矿物分析系统，其主要厂商和型号涵盖了QEMSCAN、MAPS、AMICS以及 TIMA等。其中，TIMA是一种以扫描电镜及能谱分析为基础的岩石矿物全自动化定量分析系统，其优点是能在微米尺度上进行矿物成分与结构的定量分析^[16]。本文利用捷克泰思肯电镜公司（TESCAN）的全自动矿物分析系统TIMA（TESCAN Integrated Mineral Analyzer），结合薄片观察等手段，完成陇东地区太原组含铝岩系矿物组分分析，查明矿物组成及其赋存状态，详细测定矿石中矿物的元素种类、含量，并讨论其成因、总结矿物演化序列。

鄂尔多斯盆地作为我国中西部重要的沉积盆地，其地质构造具有显著的区域特征。该盆地位于华北地台西缘，基底由太古代至早元古代结晶岩系构成，属于典型的多旋回演化型克拉通盆地。在燕山运动至喜马拉雅运动期间，受区域构造隆升作用影响，盆地形成了显著的东西向构造分异，具体表现为西侧构造坡度较陡、东侧相对平缓的形态特征。盆地的构造形态特征可分为北部伊盟隆起、东部晋西挠褶带、中部伊陕斜坡、南部渭北隆起、西部天环凹陷和西缘逆冲带六个构造单元^[17]，其中陇东地区位于伊陕斜坡西南缘（图1）。

Figure 1.  Structural zoning map of the Ordos Basin and location of the study area (modified from reference [17])

鄂尔多斯盆地早古生代经历了稳定的克拉通盆地演化过程，其构造格局主要受早期构造运动的制约。盆地西南缘发育了独特的L型中央古隆起构造带，研究区域正位于该古隆起构造单元内。在沉积环境方面，古隆起东侧主要表现为陆表海碳酸盐岩沉积体系，而西侧和南侧则发育秦祁海陆缘海相碳酸盐岩沉积体系。至奥陶纪晚期，受加里东构造运动的强烈影响，盆地整体经历了显著的构造抬升过程。中央古隆起经历了长达1.3亿年的强烈剥蚀，形成了巨厚的古风化壳，成为含铝物质的主要物质来源^[18]。晚石炭世时期，盆地在区域拉张构造体制作用下进入整体沉降阶段。在本溪期，受海侵作用影响，海水自东向西逐步推进，导致中央古隆起的分布范围持续收缩。沉积记录显示，本溪组地层呈现出明显的超覆特征，其沉积中心向西南和东北两个方向逐步扩展。盆地东北部主要是浅海陆棚、潟湖和潮坪沉积，此时盆地西南部的中央古隆起位于岩溶高地，没有接受本溪组沉积，以表生风化作用为主^[10]。早二叠世太原期，随着海侵作用的持续加强，中央古隆起逐渐被海水淹没并向南迁移。在此期间，盆地中部和东部区域主要发育浅海陆棚相和滨岸相沉积体系，而西南部古隆起区则沉积了太原组地层，其沉积环境以潮坪—潟湖相为主，并在潟湖环境中形成了一套含铝岩系地层。至晚二叠世山西期，受南北两侧板块俯冲作用的强烈影响，华北地块发生区域性隆升，导致海水全面退出，盆地由此转化为典型的内陆盆地沉积环境。

陇东地区构造上位于鄂尔多斯盆地中央古隆起核部东缘，其地质演化过程具有典型的克拉通盆地特征。在早石炭世时期，受加里东期构造运动的强烈改造，陇东地区经历了长期风化剥蚀作用，导致上、下古生界之间发育了一套完整的风化壳层。值得注意的是，风化壳的年代分布呈现出明显的空间分带性：随着向古隆起核部靠近，出露地层年代逐渐变老。这些风化产物在古隆起周缘的负地形区发生堆积，为该区域含铝岩系的形成提供了重要的物质基础。研究区古生界地层系统完整，其层序特征如下：下古生界包括寒武系毛庄组、徐庄组、张夏组、三山子组以及奥陶系马家沟组；上古生界发育二叠系太原组、山西组、石盒子组和石千峰组。其中，志留系、泥盆系及石炭系地层在研究区普遍缺失。本文重点研究的太原组目的层平均厚度约30米，其与下伏古生界碳酸盐岩古风化壳之间表现为平行不整合接触关系。从古隆起边缘向核部方向，奥陶系和寒武系地层呈现逐渐缺失的特征，同时地层出露年代具有逐渐变老的规律性变化，与上覆二叠系山西组则表现为整合接触关系（图2）。

Figure 2.  Profile structure of the bauxite rock series from the Permian Taiyuan Formation in the Longdong area of the Ordos Basin

南珺祥等^[8]研究发现，陇东地区太原组的含铝岩系具有层状、粒屑等构造和晶粒、凝胶等结构，主要矿物以隐晶质及隐晶质集合体形式出现，根据矿物组成和结构构造特征建立了五段式的沉积序列，从下到上依次为：A.以伊利石为主的铁质铝土质泥岩（1.5 m），B.以绿泥石、伊利石、硬水铝石为主的铝土质泥岩（2.5 m），C.土状、多孔构造的铝土岩（6.0 m），D.富含硅质的铝土岩（1.4 m），E.炭质泥岩和煤岩（1.2 m）。而前人^[5,19]研究表明，华北地区铝土岩的沉积序列自下而上为铁质、铝质、硅质、炭质矿物，所以，陇东地区含铝岩系的沉积序列、岩石学特征等与华北地台铝土岩具有一致的相似性。

采集陇东地区60个二叠系太原组含铝岩系样品，用于岩石学观察、矿物成分分析。这些样品主要取自L47井、L58井孔隙度丰富的铝土岩和致密状铝土质泥岩。铝土岩勘探尚处于起步阶段，仅L47井、L58井等有岩心。其中，L47井太原组铝土岩试气获无阻流量67.38×10⁴ m³/d高产气流，L47井样品来自井壁取心，L58井太原组铝土岩为全取心段。选择的样品用透射光显微镜和TIMA综合矿物识别进行检测，用透射光和反射光显微镜观察53张，TIMA矿物识别11张。

TIMA测试分析在西北大学地质学系大陆动力学实验室的矿物定量分析系统（TIMA3 XGHM）完成，该系统主体为TESCAN MIRA 3扫描电镜，同时搭载9个探测器，包括4个EDAX（Element 30）高通量硅漂移探测器（探测面积30 mm²；600 kcps）；镜筒内BSE和SE探测器；超快速YAG闪烁体BSE探测器；二次电子Everhart-Thornley型探测器和可伸缩阴极荧光探测器（350~850 nm）^[16]。在自动化矿物分析前，将这些样品薄片在真空下先进行碳涂层处理。本次分析采用高分辨扫描模式，其BSE成像和能谱系统可以分析小至0.2 μm的矿物成分，适用于处理结构复杂、组成多样的地质样品，也可用于矿物颗粒较小，需要高精度鉴定的样品，比如本次实验样品。该模式下检测结果精确度高，耗时140 h。

样品的TIMA矿物分析结果见图3。结果表明，L47井上部泥岩的矿物组成为高岭石、黄铁矿、伊利石，和少量的电气石、鲕绿泥石等其他矿物，高岭石含量为89.47%，黄铁矿含量6.92%，伊利石含量1.39%；中部泥质铝土岩的矿物组成为硬水铝石、鲕绿泥石和少量的电气石、菱铁矿等其他矿物，硬水铝石含量57.06%，鲕绿泥石含量32.42%，其中，样品中孔洞、裂缝体积占比0.37%，中部铝土岩的矿物组成为硬水铝石、菱铁矿和少量的鲕绿泥石、伊利石等其他矿物，硬水铝石含量79.80%，菱铁矿含量11.35%，鲕绿泥石含量2.98%，孔洞、裂缝占比0.75%。下部泥岩的矿物组成为伊利石、黄铁矿和少量的其他矿物，伊利石含量93.11%，黄铁矿含量6.58%。L58井的样品是泥质铝土岩和铝土岩，结果显示，上部泥质铝土岩的矿物组成为硬水铝石、高岭石和少量的伊利石、黄铁矿等其他矿物，硬水铝石含量55.42%，高岭石含量33.88%，伊利石含量变化1.78%，孔洞、裂缝占比0.60%；中部铝土岩样品的矿物组成为硬水铝石、锐钛矿和少量的其他矿物，硬水铝石含量92.42%~95.53%，锐钛矿含量1.12%~1.61%，孔洞、裂缝体积占比都较高，为2.21%~5.32%。因此，陇东地区含铝岩系主要矿物成分为硬水铝石、菱铁矿、黄铁矿、锐钛矿、鲕绿泥石、伊利石、高岭石等。上部的泥岩组成是高岭石、黄铁矿和伊利石，中部的泥质铝土岩矿物组成是硬水铝石、高岭石和鲕绿泥石，中部的铝土岩矿物组成是硬水铝石和少量锐钛矿，下部的泥岩矿物组成是伊利石、黄铁矿。其中，铝土岩段的孔洞、裂缝体积占比高，最高为5.32%。

Figure 3.  Mineral species and composition (volume percentage) and elemental composition (mass percentage)

L47井上部泥岩O含量为48.34%，Al、Si含量均约占18%，Al/Si接近1，S、Fe含量约占6%，H含量为1.31%，其他元素约占0.37%；中部泥质铝土岩O含量约为49.47%，Al含量为32.07%，Si含量为3.61%，Fe含量为12.44%，H含量为1.02%，其他元素约占1.06%；中部铝土岩O含量为48.57%，Al含量为35.15%，Si含量为0.88%，Fe含量为12.78%，H含量为1.29%，其他元素约占0.75%；下部泥岩O含量为41.91%，Al、Si含量均约占18%，Al/Si接近1，S、Fe含量约占6%，K含量为8.66%，H含量为0.40%，其他元素约占0.92%（图3e）。L58井上部泥质铝土岩O含量为52.68%，Al含量为34.8%，Si含量为7.98%，S含量为0.91%，Fe含量为0.88%，H含量为1.54%，其他元素约占0.68%；三个中部铝土岩样品（从上到下）O含量分别为52.07%、50.71%、51.72%，Al含量分别为43.09%、42.08%、42.21%，Ti含量分别为0.88%、0.79%、1.43%，H含量分别为1.61%、1.57%、1.57%，其他元素含量分别为0.22%、0.17%、0.07%（图3j）。

综上所述，陇东地区含铝岩系主要矿物成分为硬水铝石、菱铁矿、锐钛矿、黄铁矿、伊利石、高岭石、鲕绿泥石，其中，L47井中铝土岩的矿物成分较为复杂，夹杂着铁质矿物如菱铁矿、鲕绿泥石等，元素组成中Fe含量较高，而L58井中铝土岩的矿物成分较为单一，以硬水铝石为主夹杂少量的锐钛矿。另外，铝土岩段中的孔洞、裂缝体积占比高。

在铝土岩中硬水铝石是主要的矿石矿物，其结晶程度差，晶粒细小，大多数是以隐晶质不定形的集合体为主，特征复杂，先根据单偏光下颜色分为褐色、浅褐色、浅白色三种（图4a）。存在形式主要是基质和颗粒，基质主要是褐色与浅褐色硬水铝石混合，含有少量的黑色硬水铝石，孔隙多出现于浅白色硬水铝石区域。颗粒主要分为豆粒和鲕粒，豆粒是由浅白色硬水铝石和浅褐色硬水铝石组成，形成明显的明暗条带（图4i），在豆粒中心见有不规则颗粒黄铁矿分布于浅白色硬水铝石中（图4c）。鲕粒的核部一般是鲕绿泥石、高岭石等矿物，边部是硬水铝石，由内向外可分为浅褐色硬水铝石，褐色硬水铝石（图4i）。硬水铝石中包含大量小的锐钛矿和黄铁矿颗粒，并且与菱铁矿共生形成假鲕（图5d~f），均为同一时期形成。

Figure 4.  Transmission light images, TESCAN Integrated Mineral Analyzer (TIMA) mineral phases map, and scanning electron microscope (SEM) images of diaspore, sedimentary kaolinite, and oolitic chlorite of the bauxite rock series in the Longdong area

Figure 5.  Transmission light images, TIMA mineral phases map, and SEM images of siderite, oolitic chlorite, diaspore, illite, pyrite, and diagenetic kaolinite of the bauxite rock series in the Longdong area

高岭石一般出现在上部铝土质泥岩中，在铝土岩段也可出现。主要分为两期，分别是沉积高岭石和成岩高岭石。沉积高岭石单偏光主要以棕色或褐黑色为主，以隐晶质集合体形式存在，呈不规则致密团块状，团块有时断续相连（图4a，b）。成岩高岭石在单偏光下主要呈浅白、亮白色，可见结晶较好、粒度较大的高岭石晶体，充填在硬水铝石集合体的孔隙中，与硬水铝石形貌特征相同，二者接触的边界处硬水铝石具有明显的溶蚀现象（图5j，k）。此外，在沉积高岭石中可见团块状和星点状的黄铁矿（图4a，b）。另外，沉积高岭石多以基质的形式存在，其中包含大量的硬水铝石团块，而成岩高岭石充填在菱铁矿溶蚀后的孔洞中或者以颗粒的形式分布在硬水铝石基质中（图5k），说明沉积高岭石在硬水铝石形成之前，成岩高岭石在硬水铝石形成之后。

伊利石一般出现在下部铝土质泥岩中，单偏光呈浅褐色，以基质的形式存在，包含有大量细粒状黄铁矿（图5g，h）。在铝土岩段也少量出现，主要与硬水铝石、沉积高岭石共生，以基质的形式存在（图4b），与沉积高岭石形貌相似，说明下部的伊利石可能由早期的沉积高岭石转变而来。

黄铁矿出现在含铝岩系的各个层位，是典型的自生沉积成因矿物。通过显微镜下的形态特征观察和TIMA矿物分析发现，黄铁矿主要呈颗粒状和团块状，总体结晶较差，可以见到结晶较好的立方体黄铁矿（图5g）。分散的细粒状黄铁矿不规则地分布在隐晶质高岭石、硬水铝石、伊利石中（图4b，c、图5i）。

锐钛矿是主要的钛氧化物，它与硬水铝石共生关系密切，硬水铝石包裹锐钛矿颗粒，且在硬水铝石的孔隙、裂缝处，发现大量锐钛矿颗粒，有一定磨圆度，说明锐钛矿与硬水铝石在同一时期形成（图4e，f）。此外，锐钛矿的能谱分析显示为Ti、O、Al元素，说明锐钛矿形成过程中Al离子大量存在。

菱铁矿主要出现于下部铝土质泥岩，单偏光下浅灰色，颜色一般较硬水铝石更亮。此外，发现菱铁矿孔隙中充填针状鲕绿泥石（图5a~c）。菱铁矿与硬水铝石共生形成具有明暗环带的假鲕粒，两者相互包裹，而且硬水铝石零星分布于菱铁矿中，结合普遍发育的鲕粒形态（图5f），说明菱铁矿形成于成矿早期。

鲕绿泥石是Fe含量较高的绿泥石，常见于沉积岩中，是一种含水层状铝硅酸盐。鲕绿泥石分为两类，一类在岩石薄片中难以观察，通过TIMA分析发现其常作为鲕粒、豆粒的基质及胶结物（图4g，h）。另一类为晚期鲕绿泥石，呈晶型很好的针状晶体（图5a，b，l），形成早于菱铁矿。

综上所述，陇东地区含铝岩系的铝矿物主要是硬水铝石，根据其形貌特征，可分为褐色、浅褐色、浅白色三种。黏土矿物主要为高岭石，伊利石和少量绿泥石。高岭石存在两期，一期是隐晶质集合体形式的沉积高岭石，一期是与硬水铝石形貌特征相同的成岩高岭石。伊利石与硬水铝石、沉积高岭石混合交织，以基质的形式存在，并且与沉积高岭石形貌特征相同。鲕绿泥石也分为两期，早期的鲕绿泥石常作为鲕粒、豆粒的基质及胶结物的一部分，晚期的鲕绿泥石呈晶型很好的针状晶体。铁矿物主要是黄铁矿和菱铁矿，黄铁矿主要呈颗粒状和团块状，总体结晶较差；菱铁矿与硬水铝石共生形成具有明暗环带的假鲕粒，两者相互包裹。钛矿物主要是锐钛矿，硬水铝石与锐钛矿相互包裹穿插，共生关系密切。

前人研究发现，华北地区铝土岩的矿物种类丰富^[5,19]，包括硬水铝石、软水铝石、三水铝石、高岭石、伊利石、绿泥石、云母、锐钛矿、金红石、黄铁矿、赤铁矿、菱铁矿、磁铁矿、电气石、锆石、石英、长石、方解石等三十余种矿物，根据矿物化学元素组成不同，可分为五大类型：含铝矿物，含铁矿物，含钛矿物，黏土矿物，其他矿物。本次研究按照五大类型进行分类。

陇东地区铝土岩中的主要铝矿物是硬水铝石，软水铝石和三水铝石在此次研究中没有发现，说明可能在早期形成，后期在还原条件下改造转化为硬水铝石^[19]。此外，陇东地区没有经历抬升改造，所以没有形成表生条件下的矿物。目前铝土岩中硬水铝石的成因有三种：变质成因^[20]，三水铝石受挤压脱水形成软水铝石，软水铝石在变质作用下形成硬水铝石；风化成因^[21]，该成因目前在实际铝土岩研究中鲜有例证，暂不论证；简单成岩成因^{[2⁃4,22⁃23]}，该观点认为硬水铝石直接在成岩过程中形成，不存在矿物转化。目前，变质成因和成岩成因已被普遍认可；其中，由软水铝石转化形成的硬水铝石，在其周围岩石可发现变质作用的证据，比如底板的碳酸盐岩变质为大理岩^[20]。这种转化形成的硬水铝石往往化学元素组成单一，而直接形成的硬水铝石则具有更复杂的元素成分。

硬水铝石的能谱结果表明，晶体中含有少量的Ti、Si和Fe元素，并且研究区含铝岩系底部奥陶系马家沟组的碳酸盐岩没有变质现象；同时，硬水铝石表现出较差的结晶特性，其晶体粒度普遍较小，主要呈现隐晶质不定形的集合体形态，并与锐钛矿形成紧密共生关系。这些矿物学特征表明，陇东地区铝土岩中的硬水铝石主要为成岩过程中的结晶产物^[6,24⁃26]，而且含铝岩系下部有大量的黄铁矿和菱铁矿，说明上部铝土岩形成于还原环境，可能存在Fe离子向下迁移的现象^[4]。

伊利石、高岭石和少量的鲕绿泥石是研究区含铝岩系中的黏土矿物；其中下部以伊利石为主，上部以高岭石为主。

伊利石是下部铝土质泥岩的主要黏土矿物，探讨伊利石的形成过程，对铝土岩的形成有一定的启示意义，伊利石在地表环境中较为常见，在过去几十年里，人们对伊利石的成因进行了大量的实验分析^[27]。目前，对伊利石的成因有三种认识：（1）风化成因，认为伊利石由云母转化形成，该过程中矿物结构无明显变化^[28]；或由钾长石/斜长石转化形成，该过程中矿物结构有明显变化^[28⁃29]。（2）流体/热液蚀变成因，提出伊利石可由高岭石/绿泥石等其他黏土类矿物在钾活性高的条件下形成^[28]；或在K⁺活性高的环境中，伊利石直接形成于裂缝和孔隙中^[30⁃31]。（3）自生沉积成因，认为伊利石作为一种自生矿物，广泛存在于半干旱环境的多种铝硅质碎屑沉积岩中^[28,32⁃33]。

国内外铝土岩研究实例的分析发现，大部分地区铝土岩中的黏土矿物主要为高岭石，伊利石含量往往很少^[34⁃37]，仅在意大利撒丁岛西部的铝土岩底部发现黏土矿物主要为伊利石^[38]。而陇东地区含铝岩系中的伊利石主要出现于底部，有少量出现于中部的高岭石基质中，其形貌特征主要是致密的隐晶质集合体，或以脉状形式存在于高岭石基质中（图4b、图5g），这表明底部的伊利石可能由风化后形成的早期高岭石被富钾流体交代后形成。底部泥岩段致密，物性差，而在泄水条件变差时，富钾流体才有可能在系统中长期保存下来。因此，在还原条件下，泄水条件变差，并主要被阻滞在太原组下部泥岩中，才发生高岭石向伊利石的转变。而中部铝土岩或铝土质泥岩段物性较好，虽然在富铁铝化过程中，也存在K⁺向下淋滤迁移，但由于泄水条件较好，K⁺只能短时间地保留在体系中，仅存在少量的高岭石向伊利石的转变。因此，伊利石主要是流体蚀变成因。

高岭石作为含铝岩系中最常见的黏土矿物，可能形成于风化残留过程，同生期和后生期^[3]。此外，许多研究实例发现铝土岩被硅化形成了成岩高岭石的现象^[2,39⁃40]。陇东地区的含铝岩系分布在奥陶系碳酸盐岩的风化壳中，本次研究中发现两种类型的高岭石，分别为沉积高岭石和成岩高岭石。沉积高岭石出现于含铝岩系的上部和中部（图4b），是典型的风化过程的产物；成岩高岭石以集合体形式赋存于硬水铝石集合体的孔隙中，呈现硬水铝石的形貌特征，在两者接触边界上，硬水铝石溶蚀明显（图5j），说明该类型高岭石可能是后生期硬水铝石在富硅流体作用下发生硅化形成的。

鲕绿泥石是铁含量较高的绿泥石，鲕绿泥石在还原环境（8<pH<10，Eh<-0.2）和低压条件下形成^[3,20]。在陇东地区的铝土岩中，鲕绿泥石含量占比在黏土矿物中较低，发现两种类型的鲕绿泥石。早期鲕绿泥石以碎屑的形式被包裹在基质中或者以亮色微晶形式出现在豆鲕核部，呈隐晶质（图4h），表明其是在喀斯特环境下，经过一段距离的迁移到达成矿场所，属于成矿早期。与菱铁矿共生的鲕绿泥石呈针状，属于晚期形成，其Fe离子来源可能与菱铁矿溶蚀有关。

本次研究发现的铁矿物主要有菱铁矿和黄铁矿，菱铁矿作为硬水铝石的共生矿物一般集中在含铝岩系铝土岩段下部，多以豆、鲕状结构为特征，说明菱铁矿形成于成矿早期。铝土岩中的黄铁矿由海水带入喀斯特洼地而形成，与有机质、碎屑状铁的氧化物/氢氧化物关系密切^[3,41⁃42]，也与硬水铝石共生关系密切，出现在含铝岩系的各层位，而且在底部泥岩中发现大量黄铁矿，是典型的自生沉积成因矿物，说明黄铁矿比硬水铝石形成时期稍早。

陇东地区铝土岩中钛矿物主要是锐钛矿，锐钛矿的形成环境一般呈弱碱性，TiO₂丰富，温度和压力都较低^[43]。通过TIMA和SEM图像观察可以发现硬水铝石与锐钛矿共生关系密切，且在硬水铝石溶蚀的孔隙、裂缝处，发现锐钛矿存在（图4e，f）。说明锐钛矿是成矿期形成的，与硬水铝石的形成时代大致相同。

陇东地区含铝岩系中还包括电气石、长石、石英和方解石。其中电气石属于陆源期风化产物，是风化过程中重要的重砂矿物^[6]。长石、石英和方解石可能是风化残留物，也可能与后期热液活动密切相关。

华北铝土岩主要都包含铝、硅、钛矿物，但是地区不同，也存在不同的矿物组合，表现为成矿特征的不同^[5,19]。矿物形成阶段大概可以划分为五个阶段：陆源期、同生期、成矿期、成矿后期和表生期^[6]。陇东地区铝土岩的矿物演化序列研究近乎空白，本次研究在前人对华北铝土岩研究的基础上，结合多种研究手段对主要矿物类型成因进行了全面的解释，阐述陇东铝土岩主要组成矿物的演化序列。将陇东地区矿物形成时期大概划分为三个阶段：地表风化期、成矿期和后生期（表1）。

根据显微镜及TIMA观察结果，各矿物拥有不同的形态特征。沉积高岭石多以基质形式存在，其中包含硬水铝石团块和其他矿物（图4a，b），说明其形成时间较早，而成岩高岭石以豆粒的形式分布在硬水铝石基质中（图5j），证实成岩高岭石在硬水铝石形成之后；硬水铝石中含有大量小的锐钛矿颗粒，两者紧密共生（图4e，f），指示锐钛矿与硬水铝石形成时间相同；菱铁矿主要出现在含铝岩系底部的硬水铝石中，两者相互共生，具有豆鲕形态（图5d），说明其形成时间早；黄铁矿在含铝岩系的每个层位都有出现，在底部伊利石泥岩中大量出现（图5g），表明其形成时间早于硬水铝石；底部的伊利石与沉积高岭石具有相同的形貌特征（图5g），可能由早期沉积高岭石蚀变而来。依据矿物之间不同的穿插关系、不同的形貌特征和不同的空间位置，推断它们形成于不同成矿阶段。

地表风化期指陆源期之后，成矿期之前的时期，在这一时期，物质从物源区向成矿区搬运，形成于地表风化期的矿物主要是早期沉积高岭石；成矿期发生在沉积物被搬到成矿区后，硬水铝石开始大量结晶形成铝土岩，硬水铝石、锐钛矿、黄铁矿和鲕绿泥石均形成于成矿期，搬运来的早期鲕绿泥石、底部的菱铁矿和黄铁矿形成于成矿早期；在成矿过程中，底部早期沉积高岭石在富钾流体的作用下，转化为伊利石，而锐钛矿的形成和Ti元素的迁移影响不同时期形成的硬水铝石的特征。后生期是成矿期以后的埋藏阶段，对已经形成的铝土岩进行改造，在这一时期，形成一部分针状鲕绿泥石，部分硬水铝石由于受富硅流体的影响，发生硅化转化为成岩高岭石。

（1） 矿物自动分析系统（TIMA）分析显示，陇东地区含铝岩系的主要矿物成分有硬水铝石、高岭石、鲕绿泥石、伊利石、菱铁矿、锐钛矿、黄铁矿，含少量的电气石、方解石、长石、石英等矿物。L47井中铝土岩的矿物成分较为复杂，L58井中铝土岩的矿物成分较为单一，以硬水铝石为主。TIMA实验结果不仅能够精准分析矿物和元素含量，并且可清晰展示不同矿物之间的接触关系。

（2） 硬水铝石主要为成岩结晶成因。伊利石主体为流体蚀变的产物，由早期沉积高岭石在富钾流体交代形成。早期沉积高岭石为风化过程的产物，晚期成岩高岭石为硬水铝石被富硅流体硅化而成。锐钛矿和硬水铝石同期结晶形成于还原环境。早期的鲕绿泥石形成于喀斯特环境，并经过一段距离的运移到达成矿场所，晚期的鲕绿泥石形成与菱铁矿溶蚀有关。

（3） 陇东地区含铝岩系中矿物形成演化可总结为地表风化期、成矿期、后生期三个阶段。