與巖漿作用有關(guān)的鐵礦床研究進(jìn)展

劉俊玉，李大鵬，程光鎖，王樹星，董學(xué)

(1.山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276826；2.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013)

地質(zhì)與礦產(chǎn)

與巖漿作用有關(guān)的鐵礦床研究進(jìn)展

劉俊玉1，李大鵬2，程光鎖2，王樹星1，董學(xué)1

(1.山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276826；2.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013)

與巖漿作用有關(guān)的鐵礦是一類有重要經(jīng)濟(jì)意義的礦床類型，通過搜集近10年來國內(nèi)外相關(guān)鐵礦的研究成果，總結(jié)了這類鐵礦的新觀點(diǎn)、新認(rèn)識(shí)，系統(tǒng)介紹了其成礦區(qū)域構(gòu)造背景、成礦物質(zhì)來源，并重點(diǎn)探討了成礦元素富集機(jī)制。

鐵礦；巖漿作用；區(qū)域構(gòu)造背景；成礦物質(zhì)來源；元素遷移富集機(jī)制

0 引言

作為人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要礦產(chǎn)資源，鐵礦資源是世界上需求量最多的一種金屬，被廣泛用于建筑、重工、機(jī)械、船舶、家居等各個(gè)領(lǐng)域。3500年前，人類便開始了鐵礦石的開采和鐵器的使用，恩格斯曾說過“人類從野蠻時(shí)代過渡到文明時(shí)代的重要標(biāo)志就是鐵礦石的冶煉”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2009年底，全球鐵資源量約為1964億t，其中工業(yè)儲(chǔ)量930億t。北半球的鐵工業(yè)儲(chǔ)量約為600億t，約占全球工業(yè)儲(chǔ)量的64.5%；南半球?yàn)?30億t，約占35.5%。全球鐵礦資源豐富的國家主要有巴西、澳大利亞、加拿大、俄羅斯、中國、美國和烏克蘭等國家，其中，巴西和澳大利亞的鐵礦石品位一般較高，而且一般埋藏淺，開采成本低，使得這些國家成為全球主要的鐵礦石供應(yīng)國。相比之下，我國鐵礦資源雖然儲(chǔ)量較大，但稟賦不佳，多以貧礦為主，富鐵礦石短缺，主要依賴進(jìn)口。作為全世界最大的鋼鐵消費(fèi)國和鐵礦石進(jìn)口國，我國每年的鐵礦石需求量占世界總需求量的50%以上。并且，隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，對(duì)于原材料的需求逐年增加，資源短缺，尤其是鐵礦資源短缺的現(xiàn)實(shí)也日益凸顯。因此，針對(duì)我國鐵礦資源的極度短缺的現(xiàn)狀，加強(qiáng)進(jìn)一步的鐵礦資源勘查工作，尋找新的大型鐵礦床基地，是一項(xiàng)迫切的關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展命脈的艱巨任務(wù)。

與巖漿作用有關(guān)的鐵礦床多與深部巖漿系統(tǒng)有關(guān)，其分布廣泛，種類繁多，成因復(fù)雜，一直是礦床學(xué)研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外科學(xué)家們普遍認(rèn)識(shí)到此類礦床的形成涉及巖漿深部作用、火山巖與巖漿熱液的形 成與演化、成礦元素富集與成礦巖漿-流體形成、富礦巖漿侵位并成礦、礦漿熱液蝕變與礦化等一系列過程[1-11]，而且具有多階段疊加成礦的特點(diǎn)[10-17]。經(jīng)過60余年的發(fā)展，有關(guān)此類鐵礦床的科學(xué)研究工作已取得了大量的成果。

1 代表性礦床

1.1 IOCG 型礦床

IOCG型礦床是指鐵氧化物-銅-金礦床，Iron oxide- copper- gold Deposits，前人將此類礦床定義為含有大量鐵氧化物(磁鐵礦/赤鐵礦)、伴有銅、金以及鈾和稀土元素的一類礦物組合變化較大、與巖漿-構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)的礦床[18-19]。

從成礦時(shí)代上來看，盡管前人將其限定在元古宙[18]，但目前已有資料表明，這類礦床從太古宙到新生代均有產(chǎn)出，并且除了普遍富Fe-Cu-Au-U-REE外，很多礦床還富含Co,Ag,Mo,Bi,Te以及Sn,W,Pb,Zn等[19-20]。關(guān)于IOCG型礦床的時(shí)空分布特點(diǎn)，毛景文等曾做過詳細(xì)的總結(jié)。目前報(bào)道的形成時(shí)間最早的IOCG型礦床位于巴西的Carajas地區(qū)，其形成于太古宙的新太古代，大約為2350～2750Ma[20]。元古宙是IOCG型礦床發(fā)育的主要時(shí)期，包括澳大利亞的大多數(shù)IOCG型礦床、加拿大Wernecke 和Great Bear 地區(qū)、美國的Missouri 和 San Francisco地區(qū)的IOCG型礦床，以及芬蘭的MiSi和Kolari地區(qū)和我國內(nèi)蒙古的白云鄂博鐵-稀土礦[20]，這些礦床的成礦時(shí)代普遍集中于1900～1600Ma。古生代的此類礦床相對(duì)較少，在伊朗的Bafq地區(qū)的IOCG型礦床形成于515～529Ma[8]。新生代的此類礦床主要形成在南美大陸西部的秘魯和智利(165～112Ma)[19]以及阿根廷的Arizario和 Lindero地區(qū)。

從構(gòu)造背景方面來講，IOCG型礦床多產(chǎn)于伸展構(gòu)造環(huán)境下的克拉通或者大陸邊緣環(huán)境[18，20，21]。毛景文等將IOCG型礦床形成的構(gòu)造背景歸為3類：與巖漿作用有關(guān)的陸殼板塊內(nèi)部，與中基性巖漿作用有關(guān)的大陸邊緣、褶斷和推覆構(gòu)造帶[20]。

IOCG型礦的礦床成因一直頗具爭(zhēng)議，主要集中在巖漿成因[18，19]和巖漿加熱的流體成因[22，23]。但I(xiàn)OCG型礦床的成礦系統(tǒng)是極為復(fù)雜的，單一模式很難解釋，更可能是經(jīng)歷了疊加成礦作用等復(fù)雜的成礦過程[14-16]。

1.2 Kiruna 型鐵礦

Kiruna 型礦床的提出起源于瑞典Kiruna地區(qū)的磁鐵礦床，這類鐵礦床普遍產(chǎn)出于古元古代-中元古代的火山巖中。由于鐵和磷的高度富集而罕見，并得到世界范圍內(nèi)地質(zhì)學(xué)者的廣泛關(guān)注[24-28]。概括來講，此類礦床的特征有以下幾點(diǎn)：在礦石礦物組合方面，以磁鐵礦+(赤鐵礦)+磷灰石+陽起石為主；礦體產(chǎn)出方面，礦體賦存于中基性火山巖中；近礦圍巖交代蝕變方面，靠近礦體的圍巖局部被呈脈狀的矽卡巖礦物交代；磁鐵礦礦物學(xué)方面，以高磷低鈦為特征。

關(guān)于此類礦床成因的討論開始于20世紀(jì)初期，Crane和Geijer研究了位于瑞典和美國的Kiruna 型礦床，通過詳細(xì)的野外地質(zhì)研究，他們認(rèn)為此類富鐵-磷的礦床形成于后期巖漿熱液的交代作用[24-25]。Frietsch 和 perdahl研究了位于塔圖許島的磁鐵礦-磷灰石-陽起石型鐵礦石，認(rèn)為其形成于塔圖許深成巖體的揮發(fā)流體[29]。Mackin指出美國猶他州(Utah)的Iron Springs 磁鐵礦床形成于巖漿后期的基性巖盤(intermediate composition laccoliths)的蝕變作用，他指出磁鐵礦體是在巖漿作用后期，隨著巖漿的冷卻作用形成的[2]。Panno和Hood研究了位于美國Missouri著名的Pilot Knob Kiruna 型鐵礦，認(rèn)為其形成與凝灰?guī)r和沉積巖之間的熱液交代作用[30]。Hildebrand通過豐富的礦物學(xué)、地球化學(xué)資料，討論了位于加拿大西北的Great Bear 巖漿帶內(nèi)的Kiruna 型鐵礦的成因及其與賦礦中性次火山巖的關(guān)系。他認(rèn)為安山質(zhì)火山巖快速的脫水作用和揮發(fā)作用造成了鐵和磷的富集，并且作為一種超臨界流體析出，隨著不斷的升華作用，流體相富集流動(dòng)到侵入體的表面[31]。Bookstrom指出位于智利EI Romeral 地區(qū)Kiruna 型鐵礦床的形成與中性淺成侵入巖有關(guān)[26]。一直以來，Paràk認(rèn)為Kiruna 鐵礦與侵入-巖漿作用無關(guān)，而是由于火山噴出—變質(zhì)沉積作用形成的，此觀點(diǎn)的主要論據(jù)是宏觀上的局部礦體呈層狀產(chǎn)出和其他的沉積結(jié)構(gòu)[32-34]。然而類似的現(xiàn)象在Great Bear 巖漿帶[31，35]以及St. Francois山[30]地區(qū)的Kiruna 型礦床內(nèi)都有發(fā)現(xiàn)，有明顯的證據(jù)指出礦體的這種似層狀的產(chǎn)出狀態(tài)是由于礦體替換了古老的沉積巖或者火山巖所致[31，35]。針對(duì)于Paràk的觀點(diǎn)，F(xiàn)rietsch從Kiruna 型鐵礦的賦礦巖石、交代蝕變的賦礦巖石、礦石和賦礦巖石的接觸關(guān)系以及礦石中的磷灰石等方面對(duì)其進(jìn)行了反駁，他認(rèn)為此類礦床應(yīng)為巖漿成因[36]。后來，F(xiàn)rietsch and Perdahl又通過詳細(xì)的微量元素地球化學(xué)資料補(bǔ)充證明了Kiruna 型鐵礦的巖漿成因，認(rèn)為Kiruna 型鐵礦受構(gòu)造-巖漿共同控制，其形成經(jīng)歷了從古元古代到新近紀(jì)的漫長(zhǎng)過程，元古宙的礦體主要產(chǎn)于克拉通地塊中，而后期的主要礦體發(fā)育于褶皺帶中[37]?？偟膩碚f，暫不討論具體的成礦元素富集機(jī)制，從目前來看，多數(shù)地質(zhì)學(xué)者接受了Kiruna 型鐵礦的巖漿成因。

2 共識(shí)與爭(zhēng)論

2.1 區(qū)域構(gòu)造背景

2014年的研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)與巖漿作用有關(guān)的鐵礦床分布于先后經(jīng)歷了碰撞擠壓和撞后拉伸作用的大陸邊緣或者克拉通環(huán)境[18，21，38]，大部分此類礦床都是分布于大陸邊緣的主要構(gòu)造帶內(nèi)，比如：智利北部的Cretaceous鐵礦床，伊朗的Bafq鐵礦[39]，美國密蘇里州的Francois組火山巖中的鐵礦床，西澳大利亞Yilgarn克拉通內(nèi)的Madoonga鐵礦以及我國長(zhǎng)江中下游地區(qū)的玢巖鐵礦等[2]。Frietsch認(rèn)為是這些構(gòu)造、特別是伸展構(gòu)造控制了各個(gè)成礦帶的巖漿富礦流(熔)體系統(tǒng)[29，36，37]。無論是陸陸碰撞亦或洋殼俯沖作用，過程中都存在一種由早期擠壓環(huán)境向晚期拉伸環(huán)境的轉(zhuǎn)變，而恰恰這種擠壓作用和拉伸作用是控制成巖與成礦的主要?jiǎng)恿?。通常認(rèn)為擠壓環(huán)境有利于形成大型巖漿房[10]，因?yàn)閿D壓的構(gòu)造環(huán)境可以通過深部地質(zhì)過程熱使得殼-幔系統(tǒng)發(fā)生重熔或者部分熔融而形成巖漿，并且還可通過阻止深部巖漿侵位上升而控制火山作用，所以一般在這樣的擠壓環(huán)境下，容易形成規(guī)模更大、更深的巖漿房、有利于深部巖漿的氣相飽和及分離結(jié)晶，并可以產(chǎn)生大量的熱液流體[10，40，41]。而后期的拉伸階段則恰恰為富礦巖漿、流體上升與侵位提供了動(dòng)力和空間，很多巖漿型鐵礦床就形成于這些拉伸環(huán)境下的陸殼拆沉或陸內(nèi)裂谷形成這個(gè)階段[19-20]。

2.2 成礦物質(zhì)來源

在成礦物質(zhì)來源方面，與巖漿作用有關(guān)的鐵礦床的成礦元素和巖漿系統(tǒng)密切相關(guān)。尤其是近年來，隨著科技水平的進(jìn)步，尤其是隨著高精度實(shí)驗(yàn)分析儀器的使用，越來越多的地學(xué)工作者發(fā)現(xiàn)，這類礦床的成礦元素來源于深部巖漿過程，主要來源于上地幔巖漿系統(tǒng)[27-29，37]。Yaxley認(rèn)為中上地幔頂部的榴輝巖容易在特定的物理?xiàng)l件下(3.5GPa，1300℃)與深部軟流圈地幔發(fā)生同熔作用，就會(huì)在上地幔形成富鐵、鈉和鎂的鐵鎂橄欖巖，繼而這套橄欖巖受熱發(fā)生部分熔融，而形成富鈉、富鐵的玄武質(zhì)巖漿[42]。而這套富鐵的玄武巖漿，經(jīng)過后期的巖漿結(jié)晶分異作用或液態(tài)不混溶作用(熔離作用)，就可能形成富鐵流(熔)體，最終參與成礦作用。

2.3 成礦元素富集機(jī)制

在成礦元素富集機(jī)制方面，雖然有研究認(rèn)為與巖漿作用有關(guān)的鐵礦床與侵入-巖漿作用無關(guān)，而是由于火山噴出—變質(zhì)沉積作用形成的[32-34，43]，但更多的研究還是支持其為巖漿成因[29，36-37]，并得到了學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可。但是，不容否認(rèn)，巖漿過程中成礦物質(zhì)的運(yùn)移、富集機(jī)制一直飽受爭(zhēng)議、觀點(diǎn)不一。目前歸納來看，主要有以下4種觀點(diǎn)：①巖漿分異作用；②巖漿熔離作用；③流體萃取作用；④高溫?zé)嵋旱V化作用。

(1)巖漿分異作用

這個(gè)觀點(diǎn)主要認(rèn)為成礦物質(zhì)來源于巖漿演化的過程中，鐵以氧化物的形式隨著巖漿的不斷結(jié)晶分異作用而分離，最后形成富礦的巖漿或者富含鐵質(zhì)的高溫巖漿熱液，并交代填充圍巖，參與成礦[44-45]。田競(jìng)亞和胡秀蓉通過詳細(xì)的地球化學(xué)研究認(rèn)為四川攀西地區(qū)產(chǎn)于(超)鎂鐵質(zhì)雜巖體中的釩鈦磁鐵礦是形成于巖漿演化過程中與重力有關(guān)的結(jié)晶分異作用，并稱之為巖漿分異獲巖漿分凝型礦床[46]。范良伍等系統(tǒng)地總結(jié)了前人的相關(guān)成果，并在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)長(zhǎng)江中下游的安慶鐵(銅)礦的深入研究，提出安慶鐵礦早期大規(guī)模的磁鐵礦體形成于巖漿結(jié)晶分異作用，成礦元素是在巖漿結(jié)晶分異演化過程中富集、沉淀、成礦的[47]。余金杰和毛景文通過研究認(rèn)為，寧蕪地區(qū)的玢巖型鐵礦床的成礦巖漿來源于上地幔的部分熔融[44]，后由于這套巖漿按Fenner分離結(jié)晶趨勢(shì)[48]發(fā)生結(jié)晶分異作用而形成富鐵巖漿[49]。肖慶華等通過詳細(xì)的年代學(xué)和礦物學(xué)研究，提出香山西銅鎳-鈦鐵礦床可能是由于玄武質(zhì)巖漿經(jīng)歷了強(qiáng)烈的結(jié)晶分異作用，形成了鈦鐵氧化物富集的殘余巖漿，后來受地殼混染作用影響，在巖漿上侵過程中的殘余巖漿的氧逸度提高，并發(fā)生了鈦-鐵氧化物的結(jié)晶分異[45]。同時(shí)他認(rèn)為即便是普通的(拉斑)玄武質(zhì)巖漿，通過有利的分異演化過程也可以形成大型鈦鐵礦床。

(2)不混溶作用

不混溶作用，又稱熔離作用，是形成礦漿(Ore magma)礦床的主要途徑。礦漿型礦床的概念，是由J. E. Spurr在1923年最先提出的，是指由成礦元素濃度較高的殘余巖漿侵入、冷卻凝結(jié)形成的礦床。數(shù)十年來，隨著認(rèn)識(shí)的逐步深入，國內(nèi)外科學(xué)家在礦漿的形成機(jī)理方面取得了大量的研究成果[2，27-18，35，50]。目前主要認(rèn)為在深部巖漿作用的過程中，由于液態(tài)不混溶作用形成富鐵巖漿(鐵礦漿)，在巖漿作用晚期侵入在圍巖中，以礦漿的形式參與成礦[12-13，20，27-28，51]。雖然前人普遍認(rèn)為富鐵巖漿形成于巖漿的不混溶作用[10，27-28]，但其具體的熔離機(jī)制一直困擾著學(xué)術(shù)界。Philpotts通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為富鐵巖漿(礦漿)可以由富鐵的硅酸鹽巖漿經(jīng)過強(qiáng)烈的熔離作用形成，并指出熔離過程中磷灰石起重要作用[52]。喻學(xué)惠通過實(shí)驗(yàn)指出，在高溫高壓下一些(鋁)硅酸鹽礦物(如：透輝石和金云母)有利于鐵礦漿的熔離[53]。Hou等通過近年來的研究認(rèn)為安徽姑山鐵礦成礦母巖漿是玄武質(zhì)巖漿在低氧逸度條件下，在深部發(fā)生單斜輝石和斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶作用后形成富鐵的閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿，后由于地層中磷的加入而發(fā)生富鐵巖漿的熔離，他提出富磷的殼源混染作用是引發(fā)富鐵巖漿熔離的主要機(jī)制之一[27-28]。

(3)流體萃取作用

中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所寧蕪玢巖小組通過研究認(rèn)為，當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，鐵的溶解度容易隨著溫度的升高而降低，所以直接在巖漿系統(tǒng)中析出的高溫流體中鐵的溶解度一般很低，不足以形成富鐵礦[54-55]。研究認(rèn)為只有流體中的鐵濃度在巖漿固化后、溫度下降時(shí)才能提高，鐵質(zhì)可能來源于已固結(jié)的巖石，被巖漿流體交代，萃取而參與成礦[22-23，56]。

(4)高溫?zé)嵋旱V化作用

與傳統(tǒng)的矽卡巖型鐵礦不同，中基性巖漿系統(tǒng)的熱液礦化作用多與礦漿熱液或高溫巖漿氣液有關(guān)[24-25，30]。比如我國的安徽梅山鐵礦[12-13]、湖北張福山鐵礦[57]、新疆的磁海鐵礦[58]和查崗諾爾鐵礦等，在成礦過程中普遍都經(jīng)歷了火山高溫氣液交代作用。薛春紀(jì)等從礦物學(xué)和巖石地球化學(xué)方面詳細(xì)論述了磁海鐵礦的熱液成礦化學(xué)過程，他認(rèn)為成礦流體的化學(xué)演化具有明顯火山巖漿期后熱液演化特點(diǎn)，成礦物質(zhì)來自深源富堿玄武巖漿[58]。

3 結(jié)論

(1)幾乎所有與巖漿作用有關(guān)的鐵礦床都分布于有碰撞擠壓和撞后拉伸作用的克拉通或者大陸邊緣環(huán)境。

(2)其成礦元素來源于深部巖漿過程，主要來源于地幔巖漿系統(tǒng)。

(3)在成礦元素富集機(jī)制方面，學(xué)術(shù)界普遍接受為巖漿成因，但是巖漿過程中成礦物質(zhì)的富集機(jī)制一直頗具爭(zhēng)議，主要體現(xiàn)在巖漿分異作用、巖漿熔離作用、流體萃取作用和高溫?zé)嵋旱V化作用等幾方面。

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Research Progresses on Iron Deposits Related to Magmatism

LIU Junyu1, LI Dapeng2, CHENG Guangsuo2, WANG Shuxing1, DONG Xue1

(1. No.8 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Rizhao, 276826, China; 2.Shandong Institue of Geological Sciences, Shandong Jinan 250013, China)

Iron deposit related to magmatism has great significance in economy. Through collecting research achivements in China and abroad, research progresses on iron deposit mineralization related to magmatism has been summarized in this paper. Regional metallogenetic geological setting, ore-forming material sources and the dynamic mechanics on ore-formation element migration have been systematically introduced.

Iron ore deposit; magmatism；regional metallogenetic geological setting；ore-forming material sources；dynamic mechanics of ore-formation element migration

P588.125

：A

2014-02-21；

：2014-06-17；編輯：曹麗麗

中國地質(zhì)調(diào)查局天山成礦帶地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：1212011120497)和山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2013014)、山東省“泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)聯(lián)合資助的成果

劉俊玉(1964—)，男，山東沂南人，高級(jí)工程師，主要從事地質(zhì)礦產(chǎn)研究工作；E-mai:liujunyu163@163.com。