澳洲鐵礦床研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

江思宏，梁清玲，白大明，聶鳳軍，劉翼飛，陳春良

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 國(guó)土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京, 100037

內(nèi)容提要：澳大利亞是世界上鐵礦石資源最為豐富的國(guó)家之一，其鐵礦床主要產(chǎn)在西澳皮爾巴拉地區(qū)，有三種類型，分別是: ① 賦存在條帶狀含鐵建造(BIF)中的層狀鐵礦床(BID),② 產(chǎn)在古河道中的河道型鐵礦床(CID)，和 ③ 主要由BID受侵蝕崩塌或沖積形成的碎屑型鐵礦床(DID)，以前兩種類型為主。BID型鐵礦通常品位高，規(guī)模大，是本區(qū)最為重要的礦床類型，其礦床成因尚存在爭(zhēng)論，主要有三種觀點(diǎn)，分別是表生—變質(zhì)模式、同造山的熱液模式和深成—表生模式。CID型鐵礦由于其規(guī)模較大和容易開(kāi)采，因此在西澳的鐵礦石開(kāi)采中占有很重要的地位，礦石以球粒狀構(gòu)造和富含鐵化的木屑為主要特點(diǎn)。關(guān)于CID型礦床的成因，爭(zhēng)議較大，觀點(diǎn)甚多。一些學(xué)者認(rèn)為CID型礦床的形成受特定條件(包括氣候、地表風(fēng)化和地質(zhì)背景)的控制；而有些學(xué)者則認(rèn)為CID型礦床形成于一個(gè)富含有機(jī)酸的飽和地下水的加積河道內(nèi)，與鐵的原位溶解和再沉淀有關(guān)。礦化發(fā)生在古地下水—大氣界面，因此受地下水位的控制。由于對(duì)鐵礦的礦床成因沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，因此對(duì)指導(dǎo)找礦產(chǎn)生了較大影響。

2012年度，中國(guó)鐵礦石的進(jìn)口總量達(dá)7.436億噸，其中從澳大利亞進(jìn)口3.5146億噸，占中國(guó)鐵礦石進(jìn)口總量的47.26%，創(chuàng)下進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)的最高紀(jì)錄(閻瑞霞，2013)。澳大利亞作為世界上鐵礦石資源最為豐富的國(guó)家之一，所有的州都有鐵礦床產(chǎn)出，但90%的鐵礦石資源量和產(chǎn)量都來(lái)自西澳洲皮爾巴拉克拉通(Pilbara craton)的哈默斯利省(Hamersley Province)，澳大利亞資源量超過(guò)10億噸的18處鐵礦均產(chǎn)在這里(圖1)，這里也是世界上主要鐵礦省之一(Jaques et al., 2002；Jaireth and Huleatt, 2010)，其鐵礦石資源總量估計(jì)有400億噸(Morris and Kneeshaw，2011)。近年來(lái)在西澳伊爾崗克拉通(Yilagarn craton)也發(fā)現(xiàn)了一些鐵礦床(圖1)，但是規(guī)模和品位都不及皮爾巴拉地區(qū)的鐵礦。皮爾巴拉地區(qū)的鐵礦以赤鐵礦為主，磁鐵礦很少。相比較而言，伊爾崗克拉通上鐵礦石的磁鐵礦含量較高，被認(rèn)為是與更高級(jí)的區(qū)域變質(zhì)作用有關(guān)(Morris and Kneeshaw，2011)。

圖 1 澳大利亞鐵礦分布圖(引自Jaireth and Huleat，2010)Fig. 1 Australian Iron mineral resources(after Jaireth and Huleat，2010)

皮爾巴拉地區(qū)的鐵礦有三種類型，分別是：① 賦存在條帶狀含鐵建造(Banded Iron Formation， BIF)中的層狀鐵礦床(bedded iron deposit， BID)，礦石中的礦物主要為赤鐵礦和赤鐵礦—針鐵礦；② 產(chǎn)在古河道中的河道型鐵礦床(channel iron deposit， CID)，礦石中的礦物主要為針鐵礦—赤鐵礦，③ 主要由BID受侵蝕崩塌或沖積形成的碎屑型鐵礦床(detrital iron deposit， DID)，量少，礦石中的礦物主要為赤鐵礦—針鐵礦(Ramanaidou et al.，2003; Morris and Ramanaidou，2007)。BID型鐵礦規(guī)模大，品位高，對(duì)其研究最多；CID型礦床相對(duì)較為簡(jiǎn)單，規(guī)模和資源量相對(duì)較小，研究也相對(duì)較少。而對(duì)DID型鐵礦，盡管也是一種礦床類型，但是作為單一鐵礦床產(chǎn)出的非常少，而且單個(gè)礦床規(guī)模小，從200～1000萬(wàn)噸，其資源總量大約只有5億噸，年產(chǎn)量也僅有約500萬(wàn)噸，與皮爾巴拉地區(qū)每年2～3億噸的鐵礦石總產(chǎn)量相比，幾乎可以忽略不計(jì)(Morris and Ramanaidou，2007)。由于DID型鐵礦成因相對(duì)簡(jiǎn)單，因此也很少有文章對(duì)其專門(mén)進(jìn)行論述。

鑒于澳洲鐵礦主要產(chǎn)于皮爾巴拉地區(qū)，而對(duì)鐵礦床的研究也主要集中在這個(gè)地區(qū)，因此，可以說(shuō)皮爾巴拉地區(qū)哈默斯利盆地鐵礦床的研究現(xiàn)狀基本上就代表了澳洲地區(qū)鐵礦床的研究現(xiàn)狀。

我們?cè)趫?zhí)行國(guó)家地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“澳洲—印度克拉通成礦區(qū)地質(zhì)背景與成礦規(guī)律研究”(項(xiàng)目編號(hào)：1212011120325)期間，對(duì)澳洲皮爾巴拉地區(qū)鐵礦床的有關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)收集和整理，對(duì)該區(qū)鐵礦床成礦規(guī)律的研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，這不僅提高了我們對(duì)前寒武紀(jì)BIF型鐵礦床成礦規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為國(guó)內(nèi)BIF型鐵礦床的找礦提供借鑒，而且為國(guó)內(nèi)企業(yè)走出去在西澳開(kāi)展鐵礦床的找礦勘查提供基礎(chǔ)信息和理論指導(dǎo)。

1 研究歷史

皮爾巴拉地區(qū)的鐵礦找礦工作始于上世紀(jì)初。1909年，西澳政府地質(zhì)學(xué)家吉布·梅特蘭(Gibb Maitland)報(bào)道了哈默斯利山脈(Hamersley Range)有BIF (Miller，1976)。1921年，西澳州地質(zhì)學(xué)家陶寶特(H.W.B. Talbot)也在哈默斯利山脈發(fā)現(xiàn)了富集的含鐵建造。但是直到1957年，兩位澳大利亞的探礦者斯坦·赫爾蒂奇(Stan Hilditch)和查理斯·沃爾曼(Charles Worman)才在鯨背山(Mt. Whaleback)發(fā)現(xiàn)了富鐵礦石，從此拉開(kāi)了該區(qū)鐵礦的找礦大幕，并一直延續(xù)到現(xiàn)在。

隨著皮爾巴拉地區(qū)鐵礦床的相繼發(fā)現(xiàn)，對(duì)其研究工作也從上個(gè)世紀(jì)60年代起逐步開(kāi)展起來(lái)。1976～1994年，由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)研究院(CSIRO)與澳大利亞礦業(yè)研究會(huì)(AMIRA)共同發(fā)起、資助的對(duì)哈默斯利省鐵礦床的研究，取得了豐碩的成果。R. C. Morris 和 A. F. Trendall 對(duì)產(chǎn)出在哈默斯利盆地的鐵礦床做了大量開(kāi)創(chuàng)性研究(Lascelles, 2012b)，提出了BID型和CID型鐵礦床的成礦模式。從上世紀(jì)90年代末開(kāi)始，一些學(xué)者對(duì)BID型鐵礦床的傳統(tǒng)成因模式提出挑戰(zhàn)，認(rèn)為屬于深成熱液成因(Taylor et al.，2001；Hagemann et al., 2007)。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著全球(尤其是中國(guó))對(duì)鐵礦石需求的大幅增長(zhǎng)，對(duì)BID型鐵礦床的研究也進(jìn)入了一個(gè)新的階段，利用新技術(shù)、新方法對(duì)BID型鐵礦床開(kāi)展了深入的研究，加深了對(duì)該類型鐵礦床成礦規(guī)律的認(rèn)識(shí)和理解(Hagemann et al., 2007)，但是對(duì)礦床成因的爭(zhēng)論依然非常激烈(Morris and Kneeshaw，2011)。對(duì)CID型鐵礦床的成因也同樣存在爭(zhēng)議。

2011年，Morris and Kneeshaw在《Australian Journal of Earth Sciences》雜志上發(fā)表了對(duì)西澳哈默斯利BIF容礦的鐵礦床成因模式的評(píng)論，系統(tǒng)總結(jié)了BID型鐵礦的特點(diǎn)(Morris and Kneeshaw，2011)。該篇文章作為2011年度在《Australian Journal of Earth Sciences》雜志上刊登的最優(yōu)秀的經(jīng)濟(jì)地質(zhì)論文，獲得了澳大利亞地質(zhì)學(xué)會(huì)(GSA)授予的愛(ài)德華茲獎(jiǎng)(A. B. Edwards Medal)。

2 地質(zhì)背景

西澳皮爾巴拉克拉通被認(rèn)為保存了世界上最為完整的太古宙巖石(3.51～2.85Ga)，由綠巖和花崗巖組成，其上被一套含有BIF的火山—沉積巖所覆蓋(Rasmussen et al., 2005)。這些BIF產(chǎn)于皮爾巴拉克拉通南部的哈默斯利盆地，它是一個(gè)長(zhǎng)近600 km，最寬處達(dá)350 km的長(zhǎng)軸呈北西西向的一個(gè)橢圓形盆地，面積大約15萬(wàn)km2。該盆地是由皮爾巴拉克拉通南部邊緣在新太古代—古元古代時(shí)期伸展發(fā)育形成的(Tyler and Thorne, 1990)。盆地沉積環(huán)境為海相和河流相，沉積時(shí)間大約在2775～1843Ma，主要巖性為硅質(zhì)碎屑巖、BIF、白云巖、鎂鐵質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)火山巖。

哈默斯利盆地中沉積的最古老地層為福特斯庫(kù)群(Fortescue Group，沉積時(shí)間為2775～2600Ma)，不整合覆蓋在皮爾巴拉克拉通基底巖石之上，巖性主要為基性熔巖、科馬提巖、長(zhǎng)英質(zhì)火山巖、凝灰?guī)r和泥巖，沉積厚度超過(guò)4500m。其上整合沉積的是哈默斯利群(Hamersley Group)，主要巖性為BIF、碳酸鹽巖、頁(yè)巖和酸性火山巖。這套巖層是哈默斯利地區(qū)鐵礦的主要賦礦層位，出露面積超過(guò)60000 km2(Morris, 1980)，沉積時(shí)間為2600～2450Ma(Barley et al., 1992, 1997; Trendall et al., 1998；Brown et al., 2004；Morris and Kneeshaw，2011)，沉積厚度約2400m，其中含鐵建造(BIF)的沉積厚度約為1145m，約占整個(gè)地層厚度的48%。這些BIF中鐵的含量大約在30%左右。哈默斯利群有3套含鐵建造，BID型鐵礦主要產(chǎn)于馬拉曼巴含鐵建造(Marra Mamba Iron Formation)和布洛克曼含鐵建造(Brockman Iron Formation)中，其沉積厚度分別為230m 和620m。在哈默斯利群上面的是整合沉積的圖里克里克群(Turee Creek Group，沉積時(shí)間為2450～2300Ma)，其主要巖性為頁(yè)巖、砂巖、粉砂巖、礫巖和碳酸鹽巖，沉積厚度大約為5000m。上述這三個(gè)群地層共同組成了布魯斯山超群(Mt. Bruce Supergroup)，沉積巖總厚度近13.5 km。這套地層記錄了盆地的發(fā)育從最初的裂谷到穩(wěn)定的臺(tái)地階段，再到最后由于構(gòu)造活動(dòng)不斷增強(qiáng)從而形成一些淺水沉積(Tyler and Thorne, 1990)。在布魯斯山超群上面不整合沉積了維魯群，它記錄了由陸地淺海向深水沉積的變化，構(gòu)造環(huán)境從活動(dòng)大陸邊緣向前陸盆地的轉(zhuǎn)變(Tyler and Thorne, 1990)。

圖 2 哈默斯利盆地沉積速率(引自Trendall等, 2004)Fig. 2 Depositional rates of the Hamersley basin(after Trendall et al., 2004)

哈默斯利盆地的BIF是由微晶狀硅質(zhì)巖和鐵氧化物組成的細(xì)紋層狀化學(xué)沉積物于2.60～2.45Ga沉積在一個(gè)緩慢沉降的大陸邊緣(Morris，1985; Barley et al.， 1997)。沉積作用發(fā)生在一個(gè)大型的構(gòu)造—巖漿事件期間，BIF中的Fe和Si是在一個(gè)或多個(gè)大型海底熱液活動(dòng)增強(qiáng)期間由富含F(xiàn)e和Si的低氧海水逐漸上涌到大陸架沉淀形成的(Barley et al.，1997)。盆地沉積學(xué)與鋯石年代學(xué)研究表明，福特斯庫(kù)群和哈默斯利群上部沉積速率較快，而哈默斯利群中部沉積速率相對(duì)較慢，反應(yīng)早期盆地快速沉降的特點(diǎn)，到了后期盆地沉降速率發(fā)生較大變化(圖2)。對(duì)不同巖性的沉積速率研究表明，哈默斯利群中BIF、碳酸鹽和頁(yè)巖的沉積速率具有較大差別，其平均沉積速率分別為：約180 m/Ma、12 m/Ma和5 m/Ma(Trendall et al., 2004)，因此，總的來(lái)說(shuō)，BIF是在盆地快速沉降期間沉積形成的。

哈默斯利省的區(qū)域構(gòu)造特征是北部變形弱，南部變形強(qiáng)。哈默斯利省北部的沉積巖地層基本未受變質(zhì)，向南緩傾(傾角只有幾度)；靠近中部為一些走向北至北西的開(kāi)闊褶皺，地層緩傾斜；靠近南部邊緣，地層中等到強(qiáng)烈褶皺并局部倒轉(zhuǎn)，是鐵礦床的主要產(chǎn)地(Harmsworth et al., 1990；Brown et al., 2004)。區(qū)域地層大致經(jīng)歷了5期變形，從D1到D5(Brown et al., 2004; Powell and Martin, 1996; Ronaszecki, 1992)。早期變形(D1)可能與成巖作用有關(guān)，形成一些中等規(guī)模的張性構(gòu)造，沒(méi)有明顯的地層重復(fù)或者缺失，推測(cè)發(fā)生在 2450 Ma之后不久(哈默斯利群沉積結(jié)束)。第二期變形為奧夫薩爾米亞造山運(yùn)動(dòng)(Ophthalmia orogeny)(D2)，開(kāi)始于皮爾巴拉和伊爾崗克拉通之間的南北向匯聚，發(fā)生于約 2439～2209 Ma之間(Trendall et al., 1998)。第三期變形(D3)持續(xù)了大約400 Ma，至少包括兩期事件，一期是隆起和剝蝕事件，另外一期是褶皺事件。第四期變形為卡普里考恩造山運(yùn)動(dòng)(Capricorn orogeny)(D4)，大約發(fā)生在1700～1650 Ma，是伊爾崗和皮爾巴拉克拉通斜向碰撞的結(jié)果(Tyler and Thorne, 1990)。第五期變形，緊接著在卡普里考恩造山運(yùn)動(dòng)之后，區(qū)域上發(fā)生了右旋斷裂和局部的褶皺(D5)。由奧夫薩爾米亞造山運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的區(qū)域變質(zhì)作用在哈默斯利省北部的變質(zhì)程度最低(葡萄石—綠纖石相)，向南變質(zhì)程度逐漸增加，達(dá)到綠片巖相(Smith et al., 1982)。

哈默斯利省地區(qū)巖漿活動(dòng)相對(duì)較弱，出露的侵入巖主要為一些基性巖脈。另外，在新太古代—古元古代的地層中也有一些火山巖分布。

3 BID型礦床

3.1 礦床特點(diǎn)

西澳皮爾巴拉地區(qū)的BID型鐵礦主要產(chǎn)在哈默斯利盆地的南部，并且絕大多數(shù)產(chǎn)在布羅克曼含鐵建造(Brockman Iron Formation)分布區(qū)，少量產(chǎn)在馬拉曼巴含鐵建造(Marra Mamba Iron Formation)分布區(qū)(圖3)，與這些BIF地層關(guān)系非常密切。

BID型礦床又可以進(jìn)一步細(xì)分為兩種不同的礦石類型：即中生代—古新世由表生作用形成的假像赤鐵礦—針鐵礦(martite-goethite，縮寫(xiě)M-G)礦石(圖4a)和大約2.0Ga形成的高品位的假像赤鐵礦—微板狀赤鐵礦(martite-microplaty hematite， 縮寫(xiě)M-mplH)礦石(Morris and Kneeshaw，2011)(圖4b)。表生作用形成的M-G礦石在澳大利亞以外并不常見(jiàn)，而M-mplH 礦石則是世界范圍內(nèi)主要的鐵礦石資源。

Morris and Kneeshaw(2011)總結(jié)了BID型礦床具有如下特點(diǎn)：① 規(guī)模：?jiǎn)蝹€(gè)礦床的鐵礦石(品位>64%)儲(chǔ)量從幾千噸到30億噸，沿走向延伸可達(dá)7 km甚至更多，寬達(dá)4 km，通常在不到1m的范圍內(nèi)就可以從礦石(>55% Fe)突變到BIF(<30% Fe)；② 礦石的純度：礦石以三價(jià)鐵氧化物為主，還有少量殘余的鋁/硅質(zhì)成分，外來(lái)成分極其罕見(jiàn)；③ 礦石的氧化狀態(tài)：盡管有一些規(guī)模較小的礦床以磁鐵礦為主，還有一些是磁鐵礦和赤鐵礦，但是世界范圍內(nèi)的鐵礦石主要是由氧化的赤鐵礦或赤鐵礦—針鐵礦組成。盡管它們具有氧化特征，但是通常它們都延伸到大氣能夠影響到的深度之下，而且淺部礦石與深部礦石在礦物組成上沒(méi)有明顯的區(qū)別；④ 地層細(xì)節(jié)的保存：礦石中常見(jiàn)原巖層理，從厚層理到微層理。

皮爾巴拉地區(qū)典型的BID型鐵礦包括：世界上最大的露天鐵礦山——鯨背山(Mt. Whaleback)、湯姆普拉爾斯山(Mt. Tom Price)和帕拉伯杜-查納(Paraburdoo-Channar)、哈默斯利(Hamersley)、西安吉拉斯(West Angelas)、采礦區(qū)C(Mining Area C)、吉姆布勒巴(Jimblebar)、霍普當(dāng)斯(Hope Downs)、所羅門(mén)(Solomon)、迪普達(dá)爾·簡(jiǎn)(Deepdale J)、巴爾毛拉爾南部(Balmoral Southern)、巴爾毛拉爾中部(Balmoral Central)、開(kāi)普蘭姆伯特(Cape Lambert)、帕杜(Pardoo)和圣誕小溪(Christmas Creek)等大型鐵礦床。

3.2 BID型礦床成因

最初，哈默斯利省的這些BID型鐵礦床都被認(rèn)為是表生成因，與古近紀(jì)的風(fēng)化作用有關(guān)(Macleod，1966)。后來(lái)，由于對(duì)礦石礦物學(xué)、BIF以及整個(gè)哈默斯利省地質(zhì)歷史的詳細(xì)研究，對(duì)這一古近紀(jì)成礦時(shí)代和表生成因結(jié)論提出了疑問(wèn)，King(1989)認(rèn)為是同生成因，而Tyler and Thorne(1990)和Powell 等(1999)認(rèn)為完全是深成成因，Kneeshaw(1975)認(rèn)為是深成模式但是有后期的表生作用疊加。

總的來(lái)說(shuō)，大致有三種不同的模式來(lái)解釋哈默斯利省鐵礦床的成因，分別是表生—變質(zhì)模式、同造山的熱液模式和深成—表生模式，下面分別予以介紹。

3.2.1 表生—變質(zhì)模式

圖 3 哈默斯利盆地布魯克曼含鐵建造(Brockman Iron Formation)和馬拉曼巴含鐵建造的出露區(qū)域及其內(nèi)產(chǎn)出的主要BID型鐵礦床(引自Morris and Kneeshaw, 2011).Fig. 3 Main outcrop areas of the Brockman Iron Formation and the Marra Mamba Iron Formation with their important BID deposits(after Morris and Kneeshaw, 2011)

圖 4 (a)表生M—G礦石主要由假像赤鐵礦(M)和針鐵礦組成，以及少量的碳酸鹽(Gc)、石英(Gqtz)和硅酸鹽；(b)M-mplH礦石由假像赤鐵礦和原生赤鐵礦組成，在基質(zhì)中見(jiàn)到多孔的微板狀赤鐵礦(引自Morris and Kneeshaw, 2011)Fig. 4 (a) Supergene M-G ore comprising martite (M) with goethite after carbonate (Gc), quartz (Gqtz), and silicates; (b) M-mplH ore comprising martite and primary hematite in a matrix of porous microplaty hematite(after Morris and Kneeshaw,2011)

圖 5 BID型鐵礦的表生和表生—變質(zhì)成因模型示意圖(引自Morris and Kneeshaw, 2011)(注：圖中的假像磁鐵礦，英文名Kenomagnetite，化學(xué)式：Fe3-xO4，它是介于磁鐵礦和磁赤鐵礦之間的一個(gè)過(guò)渡體，Morris，1980)Fig. 5 Schematic of supergene and supergene metamorphic genetic modelling for the BID deposits (after Morris and Kneeshaw, 2011)

基于對(duì)哈默斯利省鐵礦床的長(zhǎng)期研究，Morris(1985)曾提出了一個(gè)被廣泛接受的表生—變質(zhì)成礦模型，建立了M-G礦石的表生模式(supergene model)和M-mplH礦石的表生—變質(zhì)模式(supergene-metamorphic model)(圖5)。Morris(1985)和Morris and Kneeshaw(2011)認(rèn)為最初在2±0.2Ga在哈默斯利省發(fā)生了BIF的表生富集，這些M-G礦石形成于古元古代大氣能夠到達(dá)的位置，受季節(jié)性氧化的電化學(xué)反應(yīng)在BIF母巖(陰極)的滲流帶通過(guò)導(dǎo)電的磁鐵礦層到深部反應(yīng)帶(陽(yáng)極)，硅質(zhì)和碳酸鹽被古元古代風(fēng)化面下的靠近地表的大氣降水淋濾掉。這些M-G礦石在元古宙約80～100℃的區(qū)域變質(zhì)作用/成巖作用過(guò)程中，在局部熱液環(huán)境中從基質(zhì)針鐵礦中形成微板狀赤鐵礦(mplH)，并從殘余的針鐵礦中形成M-mplH礦石。在白堊紀(jì)—古新世由于暴露和侵蝕，發(fā)生了表生富集，形成了第二期的M-G礦石，受到地下水的淋濾和侵蝕，帶走了大量殘余的針鐵礦，留下了低磷的赤鐵礦礦石，形成了Mt. Whaleback 和Mt. Tom Price 礦床中不含針鐵礦的M-mplH礦石。而在Paraburdoo 礦床中的M-mplH—針鐵礦礦石中，殘余的針鐵礦很常見(jiàn)，說(shuō)明該礦床是近期才暴露出來(lái)，沒(méi)有受到表生作用的改造。但是，Goode(2012)認(rèn)為，哈默斯利盆地富含針鐵礦的礦體可能與中生代晚期—古近紀(jì)地表下的深層風(fēng)化作用有關(guān)。在這個(gè)模型中，微板狀赤鐵礦(mplH)的形成包括兩個(gè)階段，① 在古元古代風(fēng)化面之下靠近地表的地下水通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)使得BIF發(fā)生表生富集，形成假像赤鐵礦—針鐵礦，② 深達(dá)5km的埋藏變質(zhì)作用使得假像赤鐵礦—針鐵礦變成微板狀赤鐵礦(Harmsworth et al., 1990)，并在中生代的表生作用下，使得BIF(35%TFe)變成高品位的鐵礦石(>65%TFe)。

根據(jù)Morris and Kneeshaw(2011)提出的這個(gè)模式，假像赤鐵礦—針鐵礦是在哈默斯利群和圖利克里克群沉積之后由于地下水循環(huán)形成的，并在此之后埋藏在維魯群下部接受變質(zhì)作用，從而形成微板狀赤鐵礦礦石。但是，在維魯群底部礫巖層中發(fā)現(xiàn)了微板狀赤鐵礦碎屑顆粒，使得表生模式遇到了挑戰(zhàn)，因?yàn)闆](méi)有證據(jù)表明，在圖利克里克群和維魯群沉積巖之間，有厚達(dá)5km的巖石被剝蝕掉。相反，盆地分析表明(Powell et al., 1999)，維魯群下部與波爾吉達(dá)組和圖利克里克群都是沉積在同一前陸盆地，以致一些微板狀赤鐵礦礦體是在奧夫薩爾米亞造山運(yùn)動(dòng)期間形成的。在紐曼地區(qū)，靠近與D2同期或稍后形成的赤鐵礦—石英脈，赤鐵礦直接交代了含磁鐵礦—石英的BIF，這說(shuō)明流體運(yùn)移和礦化是與奧夫薩爾米亞期構(gòu)造事件同時(shí)發(fā)生的，Powell等(1999)等因此提出了同造山熱液成因模式。而Lascelles(2012a)認(rèn)為，這些高品位的M-G鐵礦床的鐵礦石里沒(méi)有指示曾經(jīng)含有硅質(zhì)條帶，因此可能本來(lái)就不含硅質(zhì)條帶，所以也就不存在這些硅質(zhì)條帶被表生作用淋濾掉。

Morris and Kneeshaw(2012)反駁認(rèn)為，Paraburdoo 礫巖中的沉積針鐵礦可能是最近風(fēng)化形成的，而不是古元古代，并且這些礫巖甚至有可能是有礦業(yè)公司在早期填圖時(shí)搞錯(cuò)了，而把它放在了Mount McGrath組里面。

3.2.2 同造山熱液模型

Powell等(1999)用同造山熱液模型(synorogenic hydrothermal model)來(lái)解釋BID礦床的成因，認(rèn)為富含赤鐵礦的礦石不是形成于埋藏變質(zhì)作用，而是由早古元古宙造山作用期間氧化的熱液流體(>200-400℃)和還原的BIF反應(yīng)的結(jié)果。他們認(rèn)為，不僅哈默斯利盆地南緣的富含赤鐵礦的礦石形成于大約2450～2200 Ma 的奧夫薩爾米亞造山運(yùn)動(dòng)，而且還認(rèn)為M-G礦石也可能是微板狀赤鐵礦礦石的低溫變體，并且形成在遠(yuǎn)離造山前鋒。Li等(2000)基于廣泛的古地磁研究，拓展了這個(gè)模型，并提出了M-mplH礦石形成或重結(jié)晶的兩個(gè)主要階段，一個(gè)可能與奧夫薩爾米亞造山運(yùn)動(dòng)有關(guān)，另外一個(gè)與1800～1650 Ma 的阿詩(shī)伯頓造山運(yùn)動(dòng)(Ashburton Orogeny)有關(guān)，成礦受隆起山脈到前陸盆地驅(qū)動(dòng)的盆地?zé)崃黧w與更冷的大氣降水的混合作用控制。

3.2.3 深成—表生模式

基于對(duì)哈默斯利省高品位赤鐵礦床的系統(tǒng)研究，Taylor等(2001)提出了M-mplH礦石的深成—表生模式(hypogene-supergene model)，認(rèn)為本區(qū)鐵礦床受元古代時(shí)期隆起和伸展階段形成的正斷層系統(tǒng)控制，赤鐵礦石賦存在布魯克曼含鐵建造里，成礦是由于脈石礦物多階段不斷從主巖中遷出，致使鐵在殘余物中富集，并認(rèn)為這些高品位鐵礦的形成經(jīng)歷了4個(gè)主要階段：第1階段是深成作用階段，由相對(duì)還原的、低溫(150～250℃)、咸的盆地?zé)崃黧w從BIF中帶走了所有的自由Si，剩下鐵氧化物、碳酸鹽、鎂硅酸鹽和凝灰質(zhì)，鐵礦物的氧化狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生明顯改變。第2階段是深部大氣降水循環(huán)作用階段，大氣降水向下深循環(huán)，磁鐵礦—菱鐵礦組合被氧化成赤鐵礦—鐵白云石，形成了特征的微板狀赤鐵礦，并且磁鐵礦也轉(zhuǎn)變成了假像赤鐵礦。成礦流體中溫，低鹽度，具有氧化性，表明很可能來(lái)自地表。第3階段為淋濾階段，從BIF中帶走了殘余的碳酸鹽脈石礦物，留下了磁鐵礦—磷灰石或赤鐵礦—磷灰石礦物組合，并夾有富鎂的頁(yè)巖條帶。第4階段為表生作用階段，與現(xiàn)代風(fēng)化作用沒(méi)有區(qū)別，但是在現(xiàn)在的地表下面穿透很深。鎂硅酸鹽轉(zhuǎn)變成高嶺土殘余，大大減薄了頁(yè)巖條帶，磷灰石被破壞，較深的風(fēng)化作用又淋濾帶走了Ca和P，最終產(chǎn)物是具有微板狀結(jié)構(gòu)的多孔狀赤鐵礦石，夾有高嶺石化頁(yè)巖(Taylor et al., 2001)。根據(jù)Taylor等 (2001)的研究成果, 主要礦化作用的時(shí)間發(fā)生在2210～1840 Ma，即在奧夫薩爾米亞造山運(yùn)動(dòng)之后，阿詩(shī)伯頓造山運(yùn)動(dòng)之前。

對(duì)于Taylor等(2001)提出的深成模式，Morris and Kneeshaw(2011)認(rèn)為存在如下缺點(diǎn)：① 礦床通常缺少流體通道，以及與成礦有關(guān)的圍巖蝕變；② 需要大量的二階鐵遷移到礦床沉積場(chǎng)所然后氧化成三價(jià)鐵再沉淀下來(lái)；③ 缺少成礦前的熱液礦物； ④ 在礦床中出現(xiàn)同時(shí)代的低溫相，如重結(jié)晶的針鐵礦，沒(méi)有被完全淋濾或強(qiáng)烈變質(zhì)。

從前人的研究成果中不難看出，要形成BID型鐵礦，首先是要有一個(gè)含鐵較高的礦源層，即BIF，其次是后期的改造，不管是變質(zhì)熱液、盆地鹵水、大氣降水還是表生作用，其實(shí)都需要流體對(duì)礦源層進(jìn)行改造。這種改造非常重要，沒(méi)有改造，成礦物質(zhì)不能進(jìn)一步富集，也就成不了富礦。而對(duì)一個(gè)具體的礦床來(lái)說(shuō)，其流體類型有可能是多種多樣的，有的是以盆地鹵水為主，有的是以變質(zhì)熱液為主，甚至還有的是以大氣降水為主，還有的是以表生作用為主，或者這幾種流體都很重要，共同作用形成了BID型鐵礦。

4 CID礦床

4.1 礦床特點(diǎn)

從全球范圍來(lái)看，除了哈薩克斯坦曾報(bào)道也發(fā)現(xiàn)有CID型鐵礦外(Morris and Ramanaidou，2007)，其他的所有CID型鐵礦都產(chǎn)在西澳的皮爾巴拉地區(qū)(圖6)，而且皮爾巴拉地區(qū)的CID型鐵礦比哈薩克斯坦的CID型鐵礦規(guī)模大、品位高。因此，可以說(shuō)為CID型鐵礦是皮爾巴拉地區(qū)所獨(dú)有的一種鐵礦床。

圖 6 皮爾巴拉地區(qū)CID型鐵礦床分布圖(引自Morris and Ramanaidou，2007) (圖中虛線X和Y分別代表兩個(gè)不同的河道分布范圍，可能與中新世氣候有關(guān))Fig. 6 Geological map showing the distribution of CID deposits in Pilbara region. The dashed lines marked X and Y outline two different channel distributions possibly related to Miocene weather patterns(after Morris and Ramanaidou，2007)

西澳皮爾巴拉地區(qū)CID型鐵礦的資源總量預(yù)計(jì)>70億噸。從1972年開(kāi)始在Robe古河道上游開(kāi)始開(kāi)采CID型鐵礦石，到2005年，開(kāi)采的CID型鐵礦石量占當(dāng)年哈默斯利省鐵礦石開(kāi)采總量的40%，并且在這之后這個(gè)比例還在逐年增加(Morris and Ramanaidou，2007)，可見(jiàn)CID型鐵礦在皮爾巴拉地區(qū)的鐵礦資源中占有很重要的地位。盡管其資源總量不及BID型鐵礦，但是由于其具有品位高(TFe含量>57%)和容易開(kāi)采的特點(diǎn)，因此每年的采礦量都很大。在國(guó)內(nèi)的相關(guān)報(bào)告和文獻(xiàn)中尚查不到每年從澳大利亞進(jìn)口的CID型鐵礦的礦石量。

哈默斯利省的CID型鐵礦主要產(chǎn)在Robe河和Marillana山谷(著名的Yandi鐵礦就產(chǎn)于這條古河道中)的古河道中(圖4)。礦體厚度1～100m，寬度從<1km到幾km不等。Robe古河道是最長(zhǎng)的，其產(chǎn)出的CID型鐵礦長(zhǎng)度超過(guò)150km，Marillana古河道保留的CID型鐵礦長(zhǎng)度達(dá)80km(Ramanaidou et al., 2003)。

圖 7 (a)CID型礦床似球粒狀(鮞粒和豆粒)鐵礦石，可見(jiàn)被淋濾的球粒(P)、鐵化木(W)和淋濾后遺留下的孔洞(V)；(b)Yandi 富含球粒(P)的CID型礦床中可見(jiàn)長(zhǎng)達(dá)4cm保存完好的針鐵礦化的木屑，還可見(jiàn)到孔洞中充填的硅質(zhì)(Si)；(c)Yandi礦床中由淋濾形成的富含針鐵礦的樣品中可見(jiàn)很多針鐵礦化的木屑(W)。所有照片都是在反射光下拍攝的(引自Morris and Ramanaidou，2007)Fig. 7 (a) CID comprising pelletoids (ooids and pisoids) with leached peloids (P), ferruginised wood (W), and porosity (V, voids) resulted from leaching; (b) Large (～ 4 cm long) well-preserved fragment of goethitised fossil wood in peloid-rich (P) CID from Yandi. Note also the infill silica in solution voids (Si) in the goethite matrix. (c) Leached goethite-rich sample from Yandi showing numerous fragments of goethitised wood. All photomicrographs are taken in reflected light(after Morris and Ramanaidou，2007)

根據(jù)巖相學(xué)研究結(jié)果，Morris and Ramanaidou(2007)將CID型礦石成分劃分為似球粒(pelletoid)、球粒(peloid)、木化石和基質(zhì)四部分。① 似球粒：是一種具有內(nèi)核和外殼的呈球粒狀的針鐵礦或赤鐵礦(圖7a)，大小從0.25～2mm的鮞粒到2～10mm的豆粒，是礦石的主要組成部分；② 球粒：通常是由細(xì)粒的針鐵礦組成，沒(méi)有明顯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其粒度一般要比伴生的似球粒大一些(圖7a、b)；③ 木化石：通常是指鐵化的木屑(圖7a、c)，保存了木質(zhì)結(jié)構(gòu)；④ 基質(zhì)：主要是少量孔狀的鐵質(zhì)。

CID型鐵礦具有如下特點(diǎn)，它們可能與礦床的成因有關(guān)(Morris and Ramanaidou，2007)：① CID型礦床是以河道為邊界的河流沉積礦床，目前僅發(fā)現(xiàn)于西澳和哈薩克斯坦，因此形成這種大型CID型礦床需要特殊的地質(zhì)條件，如富鐵的成礦物質(zhì)，有利的風(fēng)化條件；② 西澳的CID型鐵礦，幾乎見(jiàn)不到殘余的巖石結(jié)構(gòu)；③ CID礦床中數(shù)十億噸的球粒與其上下覆DID礦石中的幾千萬(wàn)噸的球粒形成了鮮明對(duì)比，這表明形成CID型鐵礦需要特殊的條件；④ 與缺少殘余的巖石結(jié)構(gòu)(如BIF)和BID礦石結(jié)構(gòu)相比，CID礦石中常見(jiàn)大量的保存完好的鐵化木碎屑(圖7)，這說(shuō)明原位的碎屑交代扮演了一種重要角色。

4.2 礦床成因

盡管哈默斯利省CID型鐵礦的勘探和開(kāi)采已經(jīng)有40多年的歷史了，但是關(guān)于CID型鐵礦的成因仍然存在爭(zhēng)議(Morris and Ramanaidou，2007)。主要觀點(diǎn)有：

(1)CID型鐵礦是河道中的碧玉鐵質(zhì)巖(jaspilite)碎屑交代與去硅化形成的(MacLeod et al.，1963)；

(2)主要是化學(xué)沉淀形成的沼鐵礦(bog iron ore)(Harms and Morgan，1964)；

(3)由BIF風(fēng)化形成的含鐵碎屑堆積的結(jié)果(Campana et al.，1964)；

(4)沼澤中含鐵沉積物和少量碎屑一起沉積的結(jié)果(Butler，1976)；

(5)河道中富鐵碎屑先聚集成一個(gè)核，然后進(jìn)一步沉淀鐵氧化物形成的(Hall and Kneeshaw，1990)；

(6)礦石中的似球粒是土壤成因，但是球粒是似球粒和木化石蝕變的結(jié)果(Stone，2005) ；

(7)是由富鐵碎屑、蝕變BIF和木頭堆積后經(jīng)過(guò)鐵質(zhì)交代作用形成的(Heim et al.，2006)；

(8)礦石中的似球粒成分主要是土壤成因，球粒是在層內(nèi)或表土中形成的，而由針鐵礦交代的木屑假像則多發(fā)生于固結(jié)的沉積物內(nèi)(Morris et al.，1993；Morris and Ramanaidou，2007)。

Morris and Ramanaidou(2007)認(rèn)為， CID礦床形成于中新世，主要礦石礦物是針鐵礦和赤鐵礦，形成于成熟地表的辮狀古河道，其原巖包括：前寒武紀(jì)花崗巖、火山巖、變質(zhì)沉積巖、BIF和含鐵的古近紀(jì)河谷沉積物；球粒狀礦石的核部為赤鐵礦，外面包裹有針鐵礦。并且，Morris and Ramanaidou(2007)認(rèn)為一些獨(dú)特條件的共同作用才形成了CID型礦床。

(1)獨(dú)特的氣候條件：推測(cè)在中新世時(shí)期，在哈默斯利盆地的地表很可能發(fā)育有一種容易被侵蝕的富鐵土壤，它形成于一個(gè)雨量中等、長(zhǎng)期溫暖、非季節(jié)性的氣候環(huán)境下。這種富鐵土壤可能以含鋁的針鐵礦為主，總體上缺少母巖結(jié)構(gòu)，并含有大量鐵化的細(xì)木屑或木炭。在沉積物內(nèi)，鐵泥與有機(jī)質(zhì)的反應(yīng)似乎使得二價(jià)鐵交代木屑，形成鐵化木屑。似球粒的增生膜表明這些球粒曾經(jīng)歷了多期的埋藏、鐵化，然后又重新暴露，反映了從干旱到多雨氣候的這種快速和經(jīng)常性的變化(Morris and Ramanaidou，2007)。從濕潤(rùn)到干旱氣候的周期性變化可能會(huì)延續(xù)上千年，或者更少一些，如果野火扮演一個(gè)重要的角色，使得地表的針鐵礦脫水后變成赤鐵礦(或者假像磁鐵礦—磁赤鐵礦)，然后沿著裂縫破碎，并隨著土壤滑動(dòng)，由于風(fēng)化作用而逐步降低顆粒的大小。顆粒的形狀和大小對(duì)運(yùn)移機(jī)制的影響很大，顯然球形顆粒要比不規(guī)則的顆粒運(yùn)移起來(lái)需要的力更小。CID型礦床似球粒的粒徑大小在1～3mm，表明這個(gè)范圍內(nèi)的顆粒是最容易聚集和遷移的。在中新世中期，皮爾巴拉地區(qū)的中心大約位于南緯31°，比現(xiàn)在位置更靠近南極10°左右，受向南和北西向延伸的海岸線影響。因此，其降水主要受兩個(gè)系統(tǒng)的影響，一個(gè)是一股冬季與南極有關(guān)的冷風(fēng)(就像今天西澳西南部那樣)與南赤道流有關(guān)的向北的海洋暖流相互作用，另一個(gè)是不受限制的印度尼西亞貫流(露紋流，Leeuwin Current)。這種雙氣候模式的相互作用可能使得陸內(nèi)的Yandi地區(qū)有比沿海更高的降水量，但是其周?chē)植康貐^(qū)卻在這個(gè)所需要的降水量之下。

(2)獨(dú)特的地表?xiàng)l件：在CID型礦石中，總體上缺少玉髓和粘土，表明風(fēng)化面主要是鐵的氧化物，而那些各種不同的非鐵成分可能在流向河道或在河道內(nèi)運(yùn)移過(guò)程中丟失了。在形成CID的時(shí)候，其地表可能生長(zhǎng)有獨(dú)特的植物，類似荒野的地方，并且地表很少有能夠識(shí)別出原始結(jié)構(gòu)的巖石碎屑?，F(xiàn)代找不到這種地表。在植被稀薄的情況下，河道沉積有可能會(huì)加速。在約 15～11 Ma，CID礦床形成時(shí)的海平面在大約150～0m。

(3)獨(dú)特的地質(zhì)環(huán)境：這種貫穿全年的潛在的有利降水反過(guò)來(lái)又需要必要的地質(zhì)背景，即必須要有大量的含鐵建造(BIF)提供礦源。為什么在BID型鐵礦產(chǎn)出的地方幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)CID型鐵礦？主要原因一是BID礦床產(chǎn)出的地方褶皺緊密，導(dǎo)致BIF露頭較少，而在CID礦床產(chǎn)出的地方均為開(kāi)闊褶皺，BIF露頭面積大；二是BID型礦床表面不利于形成大量的CID礦床中常見(jiàn)的似球粒。

Heim等 (2006) 提出了BID型鐵礦成因的另外一種觀點(diǎn)。他們用(U—Th)/He 方法在Yandi CID型鐵礦里的自生針鐵礦中獲得的測(cè)年結(jié)果表明，頂部針鐵礦的形成年齡為約 18Ma，而底部針鐵礦的形成年齡為約5Ma，這說(shuō)明隨著深度加深，礦化卻有逐漸變年輕的趨勢(shì)。這一趨勢(shì)被認(rèn)為與西澳在新近紀(jì)的干旱化使得地下水面逐漸下降，針鐵礦在地下水—大氣界面沉積是一致的。成熟、寬闊和緩傾斜的古河道，說(shuō)明CID礦床所在流域曾經(jīng)歷了比西澳今天更為潮濕的環(huán)境。河床底部沉積的花粉也表明本區(qū)在早漸新世時(shí)期曾是一種更為寒冷和潮濕的氣候，而在這之后，河道加積表明氣候逐漸轉(zhuǎn)為干旱，之前地表風(fēng)化形成的碎屑被快速剝蝕、充填到河道里。這些碎屑多數(shù)是富鐵的巖屑(以前形成的鐵質(zhì)硬殼或者部分風(fēng)化的BIF)和木屑。為了避免植物碎屑被腐爛掉，要求河道加積必須非?？?，使得這些巖屑和木屑能夠被快速埋藏。因此，在干旱剛開(kāi)始的時(shí)候就必須發(fā)生加積，這樣也可以避免加積的河道被侵蝕。由于這些碎屑的形態(tài)和孔隙度/滲透率與周?chē)膰鷰r形成鮮明對(duì)比，因此加積的河道很可能還是地下水聚集和潛流的所在地。與大量埋藏的有機(jī)質(zhì)反應(yīng)能在河道內(nèi)產(chǎn)生具有還原性質(zhì)的酸性地下水，從而使富鐵碎屑發(fā)生部分溶解，被溶解的Fe2+很快又被氧化成Fe3+，然后在地下水—大氣界面作為針鐵礦膠結(jié)物再沉淀下來(lái)。有利于河道鐵化的地球化學(xué)條件也明顯促進(jìn)了木屑的鐵化。有機(jī)物質(zhì)被針鐵礦的假像交代需要地下水飽和，一方面能避免有機(jī)質(zhì)分解，另一方面能為交代作用連續(xù)提供離子。體積縮小產(chǎn)生的坍塌將破壞大的碎屑或鐵化木屑的原始結(jié)構(gòu)。隨著新近紀(jì)干旱程度逐漸增加，發(fā)生在地下水—大氣界面的鐵質(zhì)膠結(jié)作用明顯向下遷移，緊隨逐漸下降的地下水位。雖然構(gòu)造隆升也可以造成地下水位下降，但是沒(méi)有證據(jù)表明這一時(shí)期本區(qū)在抬升。河道的鐵化可能持續(xù)了整個(gè)新近紀(jì)?？傊?，鐵質(zhì)膠結(jié)作用受整個(gè)新近紀(jì)地下水位降低控制，針鐵礦的膠結(jié)發(fā)生在古地下水—大氣界面。因此，CID型礦床形成于一個(gè)富含有機(jī)酸的飽和地下水的加積河道內(nèi)，與鐵的原位溶解和再沉淀有關(guān)(Heim et al., 2006)。顯然，Heim等 (2006)沒(méi)有對(duì)CID礦石中為什么有這么多的球粒作出解釋，因此還需要進(jìn)一步的深化研究。

Macphail and Stone(2004)對(duì)Yandi CID 礦床的成因研究認(rèn)為，Yandi CID礦床的形成與沿皮爾巴拉海岸向南流的露紋流(Leeuwin Current)有關(guān)。很可能在晚漸新世—早中新世期間，隨著全球變暖，季節(jié)性的雨水增多，有利于形成CID型礦床。而到了早中新世晚期，氣候逐漸變干燥，從而有利于Yandi CID礦床的保存。

5 存在的主要問(wèn)題

(1)礦床成因研究方面：不難看出，無(wú)論是對(duì)皮爾巴拉地區(qū)哈默斯利盆地上的BID型鐵礦還是CID型鐵礦，其成因均存在很大爭(zhēng)議，尤其是對(duì)BID型礦床，盡管越來(lái)越多的證據(jù)顯示熱液活動(dòng)參與了成礦，并且可能是成礦的主導(dǎo)因素，但是依然存在一些不足(Morris and Kneeshaw，2011)，需要繼續(xù)深入研究，以便揭示BID礦床形成的真正機(jī)理。

(2)找礦模式方面：由于哈默斯利盆地上的鐵礦床中基本不含磁鐵礦，礦石磁性很弱或者沒(méi)有磁性，不能利用磁法來(lái)直接找礦，加上該地區(qū)地表露頭也不太好，因此找礦工作難度較大。盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不少大型鐵礦，也總結(jié)了一些找礦規(guī)律，但是這些規(guī)律在找礦尤其是隱伏礦的時(shí)候都有一定的局限性。利用近年來(lái)頗為流行的BID型礦床的深成模型和相關(guān)蝕變暈去找礦，至今也沒(méi)有獲得新的重大發(fā)現(xiàn)(Morris and Kneeshaw，2011)。歸根結(jié)底，可能還是對(duì)礦床的成因沒(méi)有完全搞清楚。