软水铝石和硬水铝石是喀斯特型铝土矿中广泛存在的矿石矿物，尽管诸多研究从不同角度探讨了他们的矿物成因，但他们的形成机制却仍具争议。地球化学大数据统计结果显示，软水铝石型铝土矿（boehmite-type bauxite，BTB）和硬水铝石型铝土矿（diaspore-type bauxite，DTB）的微量元素含量存在显著差异，指示两者可能具有不同的物质来源及成矿环境，这为研究软水铝石和硬水铝石的矿物成因提供了窗口。

基于此，我校地球科学与资源学院博士生亓辉在袁国礼教授的指导下，系统收集了全球BTB和DTB的地球化学大数据，利用机器学习方法中的随机森林模型分别筛选出了BTB和DTB的特征微量元素组合。在此基础之上，分析了两者的物源和成矿条件差异，明确了影响BTB和DTB形成的主要因素及其内在联系，最终揭示了软水铝石和硬水铝石的地质成因。研究取得了以下创新认识：

基于随机森林模型结果，地球化学大数据统计分析表明，BTB更富集Ni、V、Co、Cr，且与基性岩具有相似的(La/Yb)_N和Ga/Al，而DTB更富集U、Th、Zr、Hf，且与中酸性岩具有相似的(La/Yb)_N和Ga/Al（图1），指示BTB的物质来源可能主要为风化的基性岩，而DTB的物质来源可能主要为风化的中酸性岩。

喀斯特型铝土矿主要由火成岩经原位风化形成的红土型铝土矿搬运至喀斯特地区沉积而成。基于地球化学大数据的Zr-Cr-Ga和Ni/Zr-Cr/Zr图解均显示，BTB与基性岩及其风化形成的红土型铝土矿特征一致，而DTB与中酸性岩及其风化形成的红土型铝土矿特征一致（图2）。该结果进一步表明，BTB的原始物质主要来源于风化的基性岩，而DTB的原始物质主要来源于风化的中酸性岩，BTB或DTB的形成可能受控于原始物质来源中的微量元素组成。

此外，大数据统计分析结果还显示，多数BTB的V/(V+Ni)显著低于DTB，指示BTB主要形成于相对氧化环境，而DTB主要形成于相对还原环境。同时，BTB母岩中的V/(V+Ni)显著低于DTB母岩，表明BTB和DTB的V/(V+Ni)比值继承自风化母岩，显著影响了BTB和DTB形成过程中的氧化还原条件。进一步评估Ni含量与Fe³⁺/Fe²⁺的关系发现，高Ni含量有利于促进形成更加氧化的环境（图3）。

综合前人对BTB和DTB中矿物组合的研究，提出了软水铝石和硬水铝石形成的地球化学机制。在BTB和DTB的形成过程中，以三水铝石为主要铝矿物的风化物质被搬运至喀斯特地区。风化母岩中微量元素（例如Ni）的存在影响了三水铝石脱水时的氧化还原条件，在氧化环境中（-0.1 < Eh < 0.4），三水铝石脱水生成软水铝石，而在还原环境中（-0.4 < Eh ≤ -0.1），三水铝石脱水生成硬水铝石（图4）。

研究通过机器学习与地球化学大数据统计分析，首次提出物源中地球化学组分对软水铝石和硬水铝石形成的重要影响，为未来软水铝石和硬水铝石成因的深入研究提供了新方向。同时，本研究也是应用地球化学大数据结合机器学习研究矿物成因的成功案例，展现出了该方法在未来矿物学和矿床学研究中的巨大潜力和广阔前景。

图1 BTB和DTB的微量元素组合特征

图2 喀斯特型铝土矿（BTB和DTB）、红土型铝土矿和火成岩之间的关系

图3 BTB和DTB的特征比值及微量元素含量分布

图4 软水铝石和硬水铝石形成时的Eh-pH范围

本研究得到国家重点研发计划（2022YFC2903402, 2022YFC2903400）、国家自然科学基金（41872100）和河北省战略性关键矿产研究协同创新中心的联合资助。以上研究成果发表在国际矿物学权威期刊《American Mineralogist》上，Qi, H., Zhang, S.Q., Lv, K.N., Yuan, G.L.*, Dong, P.P., Li, Y.J., Li, J., Liu, X.F., 2025. Formation mechanism of boehmite and diaspore in karstic bauxites: Trace element geochemistry in source materials using a large sample geochemical dataset and a random forest model. American Mineralogist, 110 (8): 1269–1279.

全文链接：https://doi.org/10.2138/am-2024-9499