澳大利亞西部鐵礦成因探討

王鐵軍，商木元

（中鋼集團(tuán)天津地質(zhì)研究院，天津300181）

0 引言

澳大利亞西部的鐵礦資源十分豐富，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為西澳鐵礦主要產(chǎn)于西部克拉通古元古界哈默斯利群中，屬風(fēng)化殼型富鐵礦。

澳大利亞出露的地層主要為前寒武系變質(zhì)巖，包括太古宇和元古宇。西部克拉通主要由皮爾巴拉和伊爾加恩地塊組成。太古宇主要分布于西部克拉通的皮爾巴拉和伊爾加恩地塊，為基性和超基性火山巖組成的綠巖帶。古元古代最早的沉積發(fā)育于皮爾巴拉南部的哈默斯利盆地和加斯科因地塊，為一套巨厚的含鐵沉積建造，厚度可達(dá)2 559m，含多層鐵礦。

近年在澳大利亞西部的皮爾巴拉和伊爾加恩地塊中，已發(fā)現(xiàn)多個(gè)超大型鐵礦［1］，其地表主要為赤鐵礦，向深部原生礦石以磁鐵礦為主，西澳大利亞的原生鐵礦以磁鐵礦為主，原生條帶狀磁鐵礦石在西澳深部總資源量中所占比例遠(yuǎn)高于紅礦。部分礦區(qū)鐵礦層外圍賦存大量的塊狀硫化物礦床或金礦床，它們與鐵礦層相伴生。

1 西澳條帶狀鐵礦特征（以 Weld range鐵礦為例）

1．1 礦床地質(zhì)特征

澳大利亞西部一些鐵礦地表多為紅礦，但其深部均為黑礦（磁鐵礦），筆者對西澳Weld range等地區(qū)的鐵礦實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，既使地表以赤鐵礦為主的礦體也具有不同程度的磁性，完全氧化的礦石磁性弱，氧化作用不完全的礦石中含有一定比例的磁鐵礦，其礦石磁性增強(qiáng)。

西澳鐵礦以條帶狀硅鐵建造（BIF）為主（圖1），在近地表的氧化帶中，條帶狀磁鐵礦氧化為紅礦。Weld range等地的硅鐵建造地層產(chǎn)狀較陡，走向NE。富鐵礦（w（TFe）＞58%）寬20～50m，貧鐵礦（w（TFe）＝30%～50%）寬50～100m。

通過礦相顯微鏡的觀察可見，Weld Range鐵礦區(qū)的紅礦并非原生赤鐵礦，而是由磁鐵礦氧化而來。在地表氧化帶硅質(zhì)含量較高的貧鐵礦仍然以磁鐵礦為主，其氧化程度較低。而富鐵礦石的氧化程度高，磁性較弱。在顯微鏡中可以清楚看到：赤鐵礦中有許多磁鐵礦的殘晶，赤鐵礦往往顯示出磁鐵礦的外形，顯然是交代磁鐵礦形成的。研究表明，本區(qū)假象赤鐵礦有2種成因，其主體為表生氧化成因。較富的條帶狀硅鐵礦石在地表氧化過程中硅質(zhì)被淋濾，經(jīng)過充分氧化后紅礦的品位明顯增高。

1．2 鐵礦石化學(xué)成分特征

上層鐵礦與下層條帶狀鐵礦有明顯的成分差異，下層鐵礦為較純的條帶狀磁鐵硅質(zhì)巖，上層條帶狀鐵礦中含較多的Al2O3和結(jié)構(gòu)水，尤其在w（TFe）＝20%～30%的貧鐵礦石中，w（Al2O3）＝15%～22%，同時(shí)其燒失量達(dá)10%～12．4%；上層鐵礦可能是火山灰或黏土沉積與鐵質(zhì)沉積互層形成的條帶狀構(gòu)造。而下層鐵礦則是火山噴氣后快速沉積的純硅質(zhì)層與鐵質(zhì)沉積互層形成的條帶狀構(gòu)造。圖2中，上下層鐵礦TFe－SiO2關(guān)系曲線顯示為2個(gè)不同的演化系列，下層較純的硅鐵建造顯示為純硅質(zhì)層至純鐵質(zhì)層完整的化學(xué)成分演化系列；上層硅黏土沉積－鐵建造則顯示純鐵質(zhì)層中硅質(zhì)含量增高，而黏土層中w（Al2O3）增高，且w（SiO2）＜60．1%，上層鐵礦隨著鐵含量增高礦石中w（Al2O3）明顯降低（圖3），富鐵礦層中上層鐵礦w（Al2O3）也略高于下層鐵礦，表明上層鐵礦沉積時(shí) Al3＋較高。

圖1 Weld Range礦區(qū)鐵礦體野外照片F(xiàn)ig．1 Photo of Fe ore body in Weld Range

表1 西澳CUE地區(qū)某鐵礦鉆孔分析數(shù)據(jù)Table 1 Analysis of samples from drill holes in CUE area of the west Australia

圖2 CUE地區(qū)某鐵礦上、下層鐵礦TFe－SiO2關(guān)系圖Fig．2 TFe－SiO2Polt of upper and lower ore layers of Fe deposit in CUE area

圖3 CUE地區(qū)某鐵礦上層鐵礦TFe－Al2O3關(guān)系圖Fig．3 TFe－Al2O3Plot of upper ore layer of a Fe deposit in CUE area

2 中國鞍山式鐵礦與西澳鐵礦特征對比

我國鞍山式鐵礦以受變質(zhì)沉積型鐵硅質(zhì)建造礦床為主，多為大型礦床，主要產(chǎn)于華北地臺(tái)，如吉林東南部、鞍山—本溪、冀東—北京、內(nèi)蒙古南部和地臺(tái)南緣的許昌—霍丘、魯中地區(qū)。鞍本地區(qū)的鞍山式鐵礦賦存于新太古界鞍山群中。鐵礦以貧鐵礦為主，w（TFe）＝31．28%～34．79%，局部有富鐵礦體，w（TFe）＝49．65%～64．81%。礦體呈層狀、似層狀，主要為含鐵石英巖，個(gè)別地段也有含鐵角閃巖。礦石致密塊狀和條帶狀，一般條帶寬1～10mm，礦石可分為角閃石－磁鐵礦－石英、磁鐵－石英、赤鐵－石英等礦物組合。富鐵礦石以致密塊狀赤鐵礦、磁鐵礦為主，還有疏松狀磁鐵礦。

鞍山群厚度巨大。下部由黑云斜長片麻巖、角閃黑云斜長片麻巖組成，有斜長角閃巖和輝石角閃巖的夾層。上部黑云變粒巖及各種角閃質(zhì)類巖石增多，并含有硅質(zhì)變質(zhì)鐵礦層或含鐵建造，即鞍山式鐵礦。局部見有少量鎂質(zhì)大理巖透鏡體或夾層。變質(zhì)程度較深，形成時(shí)代為新太古代（2 500～2 800 Ma）［3］。

我國鞍山式鐵礦與澳大利亞西部鐵礦具有相似的原始沉積環(huán)境和火山沉積建造，都屬于海底火山噴氣成因［2］；含鐵建造主要由碧玉鐵質(zhì)巖、磁鐵礦石英巖、燧石鐵質(zhì)巖等組成，其特征是磁鐵礦、赤鐵礦層與碧玉巖、石英巖、燧石巖共生，構(gòu)成條帶狀或紋層狀構(gòu)造。

我國鞍山式鐵礦與澳大利亞西部鐵礦也在明顯的差異：

（1）根據(jù)同位素年齡數(shù)據(jù)，鞍山式鐵礦層位的形成時(shí)代為新太古代（2 500～2 800Ma）［3］；而澳大利亞西部鐵礦則形成于古元古代早期的成鐵紀(jì)，同位素年齡2 300～2 500Ma。

（2）鞍山式鐵礦的圍巖經(jīng)歷了多期變質(zhì)作用，較早期的變質(zhì)作用達(dá)到角閃巖相；而西澳鐵礦為綠片巖相成低綠片巖相變質(zhì)。

競爭性選拔干部是指根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)班子和干部隊(duì)伍建設(shè)需要，采用公開選拔、公推提名、競爭上崗、公推競崗、公推直選、差額選拔、公開選調(diào)等方式集中擇優(yōu)選拔和選調(diào)干部，是新時(shí)期干部選拔任用方式的一項(xiàng)重要改革，是培養(yǎng)選拔優(yōu)秀年輕干部的重要舉措，同時(shí)也是我黨對新時(shí)期干部工作提出的新要求。深入分析競爭性選拔干部的現(xiàn)狀特點(diǎn)，結(jié)合國有企業(yè)的實(shí)際特點(diǎn)，統(tǒng)籌謀劃競爭性選拔干部的工作思路和發(fā)展途徑，對于推進(jìn)這項(xiàng)工作的經(jīng)?；⒅贫然?、科學(xué)化，提高企業(yè)選人用人公信度和組織工作滿意度具有重要意義。

（3）鞍山式富鐵礦大部分是在條帶狀磁鐵礦、赤鐵礦貧礦基礎(chǔ)上通過后期變質(zhì)作用使得鐵礦物在特定部位富集，其他礦物則向外遷移，達(dá)到硅鐵分離，去硅存鐵的效果，形成了鞍本地區(qū)的富鐵礦［3］；而西澳大利亞鐵礦基本保存了原始沉積建造的特征，變質(zhì)階段很少發(fā)生貧化與富集，西澳大利亞的富鐵礦成因與我國鞍山式鐵礦完全不同。

3 西澳條帶狀硅鐵建造（BIF）成因

西澳大利亞發(fā)現(xiàn)多個(gè)世界級特大型鐵礦床，西澳鐵礦以條帶狀硅鐵建造為特征，屬于早前寒武紀(jì)條帶狀硅鐵建造，同位素年齡2 300～2 500Ma。

前寒武紀(jì)條帶狀硅鐵建造（BIF）是地球早期特有的化學(xué)沉積建造類型，條帶式硅鐵質(zhì)沉積的最大特點(diǎn)是硅質(zhì)和鐵質(zhì)交替沉積（Schopf and Klein，1992；Gross，1965；Castro，1994）。硅質(zhì)主要為SiO2，鐵質(zhì)主要為Fe2O3和Fe3O4。李延河等［3］根據(jù)我國華北地臺(tái)早前寒武紀(jì)條帶狀硅鐵建造（BIFs）中硅和硫同位素研究結(jié)果，認(rèn)為前寒武紀(jì)條帶狀硅 鐵建造（BIFs）是由海底熱液噴氣作用形成的，一個(gè)硅鐵韻律層代表了一個(gè)海底噴氣活動(dòng)旋回［4］。

澳大利亞古元古代硅鐵建造與我國華北地臺(tái)的新太古代硅鐵建造具有相似的成因環(huán)境，由于西澳鐵礦一般為綠片巖相低溫變質(zhì)巖相，其原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造保存完整，硅鐵韻律層代表了原始沉積，硅質(zhì)層以細(xì)粒蛋白石形式沉淀，粒度小于10μm，而磁鐵礦層中礦物粒度＞30μm，其粒度一般40～80μm（圖4），表明硅質(zhì)層屬于火山噴發(fā)后的快速沉積，而鐵質(zhì)條帶代表噴發(fā)的間隙期，其沉積速度相對緩慢。因此，西澳鐵礦是典型的海底熱液噴氣作用成因。由于火山和海底噴氣活動(dòng)非常強(qiáng)烈，高溫巖漿熱液中H4SiO4和Fe2＋的濃度較高，熱水溶液噴發(fā)到海底以后，由于溫度突然下降，SiO2在海水中達(dá)到高過飽和狀態(tài)，SiO2首先快速沉淀下來形成較純的硅質(zhì)層。隨著溫度下降和pH值、Eh值升高，F(xiàn)e3O4等隨后沉淀，形成磁鐵礦層。海底熱液噴氣的周期性活動(dòng)形成了規(guī)律性的硅鐵韻律層。

圖4 Weld Range礦區(qū)條帶狀磁鐵礦顯微照片F(xiàn)ig．4 Micrscopic Photo of BIF in Weld Range

新太古代晚期至古元古代早期（2 600～2 300 Ma），地球大氣為火山型大氣Ⅰ（H2O，CO2，SO2，N2，CH4）向Ⅱ型大氣（H2O－CO2）過渡階段［5］。大氣中CO2分壓很高（據(jù)估計(jì)可達(dá)到30×105Pa），與其平衡的海水pH值為3．5～4；SiO2的沉積需要較低的pH值環(huán)境，而鐵的氫氧化物的沉積則需要較高的pH值環(huán)境（3價(jià)鐵pH值＞3；2價(jià)鐵pH值≥5）。所以，硅質(zhì)巖和鐵質(zhì)巖的交替沉積說明當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境的pH值處于一種交替變化之中。主要由酸性的海水溶解硅酸鹽巖，使pH值升高；火山噴發(fā)、噴氣酸性物質(zhì)進(jìn)入原始海洋，又使pH值降低。所以，硅鐵條帶狀構(gòu)造代表著火山噴發(fā)期和火山間歇期的交替，其中小的韻律層可能與季節(jié)溫度的變化有關(guān)。

4 西澳富鐵礦的地表氧化與富集作用

4．1 磁鐵礦的氧化遷移機(jī)理

大氣中少量氧溶解于水，因此地表水和地下水具有較強(qiáng)的氧化能力。近地表?xiàng)l件下磁鐵礦發(fā)生氧化，生成赤鐵礦或磁赤鐵礦［3］，當(dāng)快速氧化為赤鐵礦時(shí)，磁鐵礦晶格被破壞。

磁鐵礦的分子式為Fe3O4，亦可表達(dá)為FeO·Fe2O3，在水的作用下磁鐵礦中的Fe2＋被完全氧化，形成褐鐵礦，而磁鐵礦中的Fe2O3則保持不變。鐵礦層中發(fā)生如下氧化反應(yīng)：

O2＋4FeO＋6H2O＝4Fe（OH）3（褐鐵礦）

褐鐵礦的分子式可表達(dá)為Fe2O3·3H2O，因此一個(gè)Fe2＋離子氧化形成一個(gè)Fe3＋，其對應(yīng)形成1．5個(gè)分子的結(jié)構(gòu)水。

磁鐵礦完全氧化為褐鐵礦情況下，其Fe2O3與結(jié)構(gòu)水質(zhì)量比應(yīng)為：（160＋80）／27＝8．9。

計(jì)算公式中，160為磁鐵礦中Fe2O3的分子質(zhì)量，80為磁鐵礦氧化過程Fe2＋氧化為Fe3＋對應(yīng)0．5個(gè)Fe2O3的分子質(zhì)量，27為上述反應(yīng)式中對應(yīng)的1．5個(gè)水分子的分子質(zhì)量。

圖5 下層鐵礦鐵含量與燒失量關(guān)系Fig．5 Plot showing Fe%－ignition loss for the lower ore layer

表1中，上層鐵礦鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與燒失的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系不明顯，下層純硅鐵建造鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與燒失的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系呈明顯的正相關(guān)，即隨鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高燒失量亦有增加，燒失量應(yīng)主要來自含鐵礦物中的結(jié)構(gòu)水；因此，根據(jù)燒失量可以估算磁鐵礦的氧化程度。

圖5中，下層鐵礦鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與燒失量成正比，根據(jù)比例關(guān)系估算下層鐵礦磁鐵礦的氧化率為60%～80%，部分樣品完全氧化；表明西澳CUE地區(qū)某鐵礦區(qū)地表的氧化較為徹底，只有少量殘留磁鐵礦或磁赤鐵礦，根據(jù)鉆孔巖心觀察氧化帶的深度達(dá)100m左右。

4．2 氧化帶硅質(zhì)遷移與環(huán)境及物理化學(xué)條件

在潛水面以上的滲透帶中，SiO2由于雨水的淋濾作用不斷地流失。雖然Si的溶解度很低，但雨水中沒有SiO2及其他鹽類離子；所以當(dāng)雨水流經(jīng)硅鋁酸鹽土?xí)r，會(huì)溶解一定量的硅酸根和SiO2。在雨水的不斷淋濾下，從硅鐵建造中帶走的硅質(zhì)遠(yuǎn)大于鐵質(zhì)等更難溶物質(zhì)。由于大量的硅經(jīng)淋濾而流失，鐵在礦體中的相對含量明顯地增加。

降雨量大，且有旱、雨季之分的區(qū)域最有利于硅質(zhì)淋濾。旱季的土壤干燥，大量氧氣進(jìn)入土壤，將土里的鐵氧化為3價(jià)氧化型鐵；雨季的大量雨水將硅淋濾掉，將鐵等難溶物質(zhì)保留下來。雨季和旱季的交替變化最有利于鐵的積累和硅的淋失。

潛水面對去硅作用有明顯的影響。潛水面以下水中的硅是飽和的，所以雨水的去硅富鐵作用只到潛水面為止。只有位于潛水面以上的滲透帶才有去硅作用的發(fā)生。高差太大的山區(qū)和高差太小的平原地帶都不利于去硅作用的進(jìn)行，比較有利的是高差不太大的丘陵地帶，有利于形成高質(zhì)量、較厚的風(fēng)化淋濾層。

在地表弱酸性水體中，影響SiO2溶解度的主要因素是溫度和pH值。水的pH值對SiO2溶解度有一定的影響，如常溫下，pH＝5時(shí)，SiO2的溶解量為109mg／L；而pH＝6時(shí)，SiO2的溶解量增加到218mg／L。

溫度也對SiO2溶解度有影響，與玉髓平衡的地表水，其SiO2的溶解度與溫度相關(guān)，平衡方程如下［6］：

式中，c（SiO2）為SiO2的濃度，單位為10－6mol／L，溫度10～25℃時(shí)，SiO2溶解度約1．1×10－5～1．7×10－5mol／L。

澳大利亞西部在較長的地質(zhì)時(shí)期內(nèi)保持低山丘陵地貌、亞熱帶旱雨季相間的氣候等綜合條件［7］，這是條帶狀鐵礦形成地表富集層的關(guān)鍵。西澳年平均降水量500ml（假設(shè)沒有地表徑流，全部降水滲入地下），年平均氣溫20℃，雨水中SiO2的溶解度約1．5×10－5mol／L，Weld range鐵礦原生富礦層的全鐵平均值w（TFe）＝47%，對應(yīng)的w（SiO2）＝22%，當(dāng)富礦的w（TFe）＞60%時(shí)，對應(yīng)的w（SiO2）＝5%，因此地表富鐵礦層原生礦石中約17%的SiO2被淋失（鐵礦石體重按3．8計(jì)算）。以此推算，形成1m的富集帶需要風(fēng)化淋濾1．2～1．6Ma，形成50 m深的淋濾礦化富集帶需要約60～90Ma，如果考慮雨水形成一定比例的地表徑流，則淋濾富集帶的形成需要更長的時(shí)間。因此整個(gè)中生代以來地殼抬升有限、處于長期穩(wěn)定的陸相低山丘陵環(huán)境是澳大利亞鐵礦地表風(fēng)化帶在原生富鐵礦基礎(chǔ)上進(jìn)一步富集，形成氧化帶型富鐵礦的特有條件。

5 結(jié)論與討論

澳大利亞西部發(fā)育多個(gè)儲(chǔ)量超過50億t的世界級鐵礦，這些鐵礦以條帶狀硅鐵建造為特征，形成于新太古代末—古元古代（2 500～2 300Ma），這些硅鐵建造是典型的海底熱液噴氣成因。澳大利亞西部硅鐵建造與我國華北地臺(tái)硅鐵建造存在顯著差異；西澳太古代地層變質(zhì)程度較低，屬于低綠片巖相；硅鐵沉積建造厚度巨大（厚度可達(dá)2 559m），因此西澳鐵礦儲(chǔ)量巨大；并且西澳硅鐵建造內(nèi)大都含較厚的富礦體（品位45%～60%）。

由于特殊的氣候條件和長期穩(wěn)定的低山丘陵環(huán)境，使原生富鐵礦在地表?xiàng)l件下進(jìn)一步富集，形成淋濾富集帶型富鐵礦，在鐵礦層產(chǎn)狀平緩的地區(qū)，品位超過60%的富鐵礦單個(gè)礦體儲(chǔ)量超過10億t，而在鐵礦層產(chǎn)狀較陡的地區(qū)，淋濾富集帶型富鐵礦儲(chǔ)量相對小些，而品位在40%～60%間的原生鐵礦儲(chǔ)量巨大。

［1］方宗旺．澳大利亞鐵礦開發(fā)現(xiàn)狀及未來趨勢分析［J］．現(xiàn)代礦業(yè)，2009（1）：23－26．

［2］李延河，侯可軍，萬德芳，等．前寒武紀(jì)條帶狀硅鐵建造的形成機(jī)制與地球早期的大氣和海洋［J］．地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010（9）：1359－1373．

［3］黎愛國，王艷平，劉偉．“鞍山式”鐵礦富礦的成因［J］．遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（5）：462－465．

［4］沈其韓，宋會(huì)俠，楊崇輝，等．山西五臺(tái)山和冀東遷安地區(qū)條帶狀鐵礦的巖石化學(xué)特征及其地質(zhì)意義［J］．巖石礦物學(xué)雜志，2011，30（2）：161－171．

［5］廖永巖．地球科學(xué)原理［M］．北京：海洋出版社，2007．

［6］張生，李統(tǒng)錦．二氧化硅溶解度方程和地溫計(jì)［J］．地質(zhì)科技情報(bào)，1997，16（1）：53－58．

［7］周波濤，趙平，翦知湣，等．澳大利亞板塊漂移對南半球氣候與環(huán)境影響的數(shù)值模擬［J］．科學(xué)通報(bào)，2005（9）：904－911．