秦皇島北吳莊磁鐵礦的特征及地質(zhì)意義

江林波，李 珍，江林林，江林強(qiáng)

(1.核工業(yè)261大隊(duì)，江西鷹潭 334400;2.中國地質(zhì)大學(xué)，湖北武漢 430074;3.東華理工大學(xué)，江西撫州 344000; 4.九江學(xué)院，江西九江 332000)

柳江盆地自燕山運(yùn)動(dòng)以來，巖漿活動(dòng)劇烈，巖漿巖十分發(fā)育，從基性到酸性，從侵入到噴出廣見于柳江盆地，且在斑狀花崗巖與奧陶系灰?guī)r的接觸帶上已發(fā)現(xiàn)多個(gè)磁鐵礦、銅鐵礦、鉛鋅礦等礦點(diǎn)，證明該接觸帶具有形成矽卡巖型多金屬礦的有利地質(zhì)條件。

磁鐵礦是種重要的礦物原料，在自然界中分布也非常的廣泛，但在不同類型的巖石中以副礦物的形式出現(xiàn)的磁鐵礦彼此之間的成分差別各異。可以引導(dǎo)我們認(rèn)識(shí)未知的礦床，這對(duì)于礦石的尋找、勘查和評(píng)價(jià)起到不可忽視的作用。

磁鐵礦石是重要的鐵礦石之一，自然界的磁鐵礦可以廣泛地在各種地質(zhì)條件下形成，不同成因的磁鐵石的標(biāo)型和特征也不盡相同(如沉積變質(zhì)與巖漿變質(zhì)成因的爭論，沉積—熱液，低溫?zé)嵋号c沉積變質(zhì)成因的爭論，火山成因與接觸交代成因的爭論等)(王斌等，2013)。最近幾年，稀土元素研究廣泛應(yīng)用于示蹤源區(qū)、成礦作用以及沉積環(huán)境等科研方面，本文利用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)(LA-ICP-MS)對(duì)該區(qū)不同鐵礦體和不同類型的礦石中磁鐵礦單礦物進(jìn)行了詳細(xì)的稀土元素分析，為探討研究區(qū)磁鐵礦的物質(zhì)來源、形成環(huán)境和富鐵礦成因提供信息(李曙光，1982;楊秀清等，2012)。

1 礦床地質(zhì)特征

秦皇島北吳莊位于柳江向斜盆地西側(cè);該礦床同樣經(jīng)歷了多期成礦作用，燕山期是本礦床的主要成礦時(shí)期(左全獅等，2013)。由于燕山期響山斑狀花崗巖的大面積產(chǎn)出，侵入到下奧陶統(tǒng)亮甲山組、中寒武統(tǒng)的碳酸鹽地層中，形成了走向大致為NS方向的斑狀花崗巖體與碳酸鹽接觸帶(施繼錫等，1980)。沿該接觸帶向南、北兩側(cè)都產(chǎn)出了大小不一的多個(gè)矽卡巖型銅鐵礦、鐵礦以及鉛鋅礦等，主要有花廠峪村銅磁鐵礦、花廠峪楊崖溝含銅磁鐵礦、山神廟拿子峪鐵礦、黑石峪鉛鋅礦以及溫泉堡鉛礦等(劉錫文等，1994)。

該區(qū)西南部有沉積變質(zhì)型榆關(guān)中型鐵礦，西北部有中型廟溝變質(zhì)巖型鐵礦。這兩個(gè)較大的鐵礦在時(shí)間上主要受太古代、晚元古代地層控制。廟溝鐵礦主要受太古宙遷西群三屯營組控制;榆關(guān)鐵礦主要受太古宙雙山子群次榆山組控制。在空間上該區(qū)鐵礦均分布在花崗巖體及花崗斑巖體周圍，廟溝鐵礦分布在響山巖體西北部邊緣，榆關(guān)鐵礦產(chǎn)于兔兒山巖體周圍，在東南部的后石湖巖體周圍也產(chǎn)出大量的銅、鐵等多金屬礦床和礦點(diǎn)。

本次研究的是矽卡巖型礦床，礦床的基本特征是:

(1)礦床主要產(chǎn)生于酸性侵入體(花崗巖、花崗閃長巖等)與石灰?guī)r或白云巖的接觸地帶(該地帶通常形成矽卡巖)。這是因?yàn)榻淮饔门c圍巖的化學(xué)活潑性有關(guān)，而石灰?guī)r、白云巖等比砂巖、頁巖的性質(zhì)活潑得多。

(2)當(dāng)含礦揮發(fā)氣體和熱水溶液在高溫條件下與石灰?guī)r接觸時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成有用的礦床。

(3)圍巖產(chǎn)生顯著的矽卡巖化現(xiàn)象，所以矽卡巖是尋找這類礦床的重要標(biāo)志。

(4)與此相關(guān)的礦產(chǎn)多為金屬礦產(chǎn)，如鐵、銅、錫、鋅、鎢、鉬、鈹?shù)?。此外還有水晶、硼礦(李曙光，1982;楊秀清等，2012)。

2 樣品采集及分析方法

樣品采集于秦皇島北吳莊柳江向斜盆地西側(cè)的吳莊矽卡巖礦床，共5件，編號(hào)WZ代表吳莊，樣品為塊狀構(gòu)造，采集于巖石新鮮面，沒有明顯的風(fēng)化，主要成分由磁鐵礦和石英組成，其它礦物成分較少。在挑選單礦物，把挑出來的單礦物固定于貼有雙面膠的玻璃板上加PVC環(huán)，澆注環(huán)氧樹脂，待固化后取下磨拋至每個(gè)樣品露出一個(gè)光面。每次測定前，都要對(duì)樣品靶進(jìn)行拋光，然后分別用酒精和高純水沖洗，最后用高純氬氣吹干，以消除磁鐵礦氧化和污染對(duì)測定的影響。

本實(shí)驗(yàn)是在中國地質(zhì)大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。采用Geolas 205M 193 nm ArF準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)(德國Microlas公司)與Aglient 7500a ICPQMS(日本Aglient公司)聯(lián)用的LA-ICP-MS系統(tǒng)。表1列出了激光剝蝕系統(tǒng)和ICP-MS的儀器操作條件。

3 實(shí)驗(yàn)與討論

秦皇島吳莊5個(gè)磁鐵礦樣品稀土元素分析結(jié)果見表2，39號(hào)元素Y與重稀土元素Ho離子半徑相似，具有相似的地球化學(xué)特征(Rollison，2000)。最近，一些學(xué)者經(jīng)常利用REEs和Y研究前寒武紀(jì)條帶狀鐵建造(簡稱BIFs)(Klein，2005;Dessing et al.，2009;Frei et al，2007;Zhang XJ et al，2011)。在下面的討論中，REEs和Y都是使用太古界后平均澳人利亞沉積巖(Post Archean Australian Shale，簡稱PAAS)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(Mclennan，1989)，如圖1。

表1 LA-ICP-MS儀器操作條件Table 1 Operating conditions of LA-ICP-MS measurements

圖1 磁鐵礦PAAS標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖Fig.1 PAAS-normalized REEs patterns for magnetites

稀土金屬具有的一些特征，它們是性質(zhì)極相似的地球化學(xué)元素組，在地質(zhì)、地球化學(xué)作用過程中作為一個(gè)整體而活動(dòng);它們的分餾作用能靈敏地反映地質(zhì)、地球化學(xué)過程的性質(zhì)(良好的示蹤劑);稀土元素除受巖漿熔融作用外，其它地質(zhì)作用基本上不破壞它的整體組成的穩(wěn)定性(李紹柄，1979);稀土元素非常穩(wěn)定，一般認(rèn)為其含量不受成巖作用的影響，因此可代表源區(qū)的稀土元素特征。研究區(qū)所有樣品中磁鐵礦稀土元素總量都比較高，呈現(xiàn)輕稀土相對(duì)富集，重稀土相對(duì)虧損的分餾模式(La/ YbPAAS=11.34～35.02，平均24.75)，具明顯的Eu異常，輕微的 Y異常，比較高 Y/Ho(Y/Ho= 19.54～29.79，平均24.12)，大部分樣品都有La正異常。具有與其他綠巖帶BIFs相似的稀土元素特征(Zhang et al，2011;李志紅等，2008，2010;翟明國等，1989)。研究區(qū)所有樣品中磁鐵礦都表現(xiàn)出明顯的陸殼特征，La和Y正異常，比較高的Y/Ho比值，輕稀土富集，重稀土虧損(楊秀清等，2012)?，F(xiàn)代海水Y/Ho為44～74，球粒隕石平均為28(Bau et al，1996)，碎屑物質(zhì)(長英質(zhì)和玄武質(zhì)地殼)平均為26(Bolhar et al，2005)，研究區(qū)樣品Y/Ho平均為24.12(變化范圍為19.54～29.79)，接近于碎屑物質(zhì)，表明研究區(qū)BIFs繼承了地殼碎屑物質(zhì)特征，沉積過程中有大量陸源碎屑的加入，是一種典型的陸殼沉積巖。

從表2可以得出，該樣品中鐵的含量較高，其次銅鋅的也較高，稀土金屬的總的含量不高，但種類較多。矽卡巖型鐵礦雖不排除部分礦床的鐵來自巖體的圍巖，但大多數(shù)礦床的鐵質(zhì)是巖漿熱液帶入的，巖體富鈉及鈉化蝕變作用有利于鐵質(zhì)進(jìn)入熱液。當(dāng)巖體侵位于中、淺部位的碳酸巖鹽等有利圍巖冷凝結(jié)晶時(shí)，巖漿中的揮發(fā)組分開始向巖體的頂部及邊部集中，在早期高溫階段(超臨界狀態(tài))流體通過雙交代或滲濾交代作用形成干矽卡巖(Müller et al，2003;Rusk et al，2009)其后因溫度降低沿接觸帶上升的接近臨界狀態(tài)的富鐵流體與圍巖(包括干矽卡巖)交代形成濕矽卡巖礦物組合及磁鐵礦，即鐵礦的主要形成階段;在更晚階段則形成伴生的赤鐵礦、錫石等氧化物及銅、鉛、鋅的硫化物。因?yàn)榱璧刈匝嗌竭\(yùn)動(dòng)以來，巖漿活動(dòng)劇烈，巖漿巖十分發(fā)育，從基性到酸性，從侵入到噴出廣見于柳江盆地(李曙光，1982)。該區(qū)多金屬礦在空間上分布明顯受區(qū)域性斷裂或巖漿巖體的控制，該區(qū)已知控制多金屬礦形成的區(qū)域性斷裂有青龍-灤縣斷裂、灤縣-盧龍斷裂以及撫寧-牛心山斷裂等。

結(jié)果表明，所有樣品中磁鐵礦的稀土元素總量與Y具有的特征非常吻合:稀土元素總量較低，Y/ Ho比值較高;呈現(xiàn)重稀土相對(duì)富集、輕稀土相對(duì)虧損的分餾模式，大部分呈現(xiàn)La正異常，所有樣品都有明顯的Eu和Y正異常，這些特征表明研究區(qū)的磁鐵礦成礦物質(zhì)主要來源于海底高溫?zé)嵋汉秃Ｋ?。Tb和Tm同時(shí)也表現(xiàn)出某些異常的變化，地幔和下地殼巖石中的稀土元素各元素之間一般比較穩(wěn)定;因此Tb和Tm等元素在地殼上部或地表的地質(zhì)作用中，可能會(huì)表現(xiàn)出其特有而未被認(rèn)識(shí)和了解的地球化學(xué)性質(zhì)。

表2 磁鐵礦分析結(jié)果表Table 2 Analytical results of magnetites

4 結(jié)論

柳江盆地鐵礦床是我國典型的沉積變質(zhì)鐵礦。磁鐵礦稀土元素特征表明鐵質(zhì)來源于陸源碎屑物質(zhì)，鐵質(zhì)形成于還原海水環(huán)境;表明富鐵礦石磁鐵礦具有更明顯的熱液特征，是在貧鐵礦石的基礎(chǔ)上受熱液活動(dòng)形成的，這一認(rèn)識(shí)對(duì)于分析秦皇島吳莊磁鐵礦的形成及尋找礦源提供了更多信息。

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