華北東南緣霍邱群BIF的SEM-EDS和XRD研究及其地質(zhì)意義

王安東， 萬(wàn)建軍， 劉 磊， 胡飛平， 張雪芬， 賴小東， 丁 寧

(1. 東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，江西 南昌 330013;2. 東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013;3. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026;4. 安徽地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001)

條帶狀鐵建造(Banded Iron Formation，簡(jiǎn)稱BIF)是前寒武紀(jì)地殼的重要組成部分，是地球演化特定階段的產(chǎn)物，具有不可重復(fù)性。BIF 中的鐵礦(石)是全球也是我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的主要鐵礦石來(lái)源，占全球鐵礦石資源儲(chǔ)量的70%以上(Isley，1995)。世界上最早的BIF 形成于38 億年，集中出現(xiàn)在35～18 億年。BIF 中富鐵層和富硅層相互交替出現(xiàn)，記錄了地球早期豐富的巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈地球化學(xué)信息，為地質(zhì)演化、環(huán)境變遷和海陸時(shí)空轉(zhuǎn)化等關(guān)鍵性地球科學(xué)問題研究提供了極佳的天然實(shí)驗(yàn)室(Gross，1980;Klein，2005;王長(zhǎng)樂等，2012;張連昌等，2012;Zhai et al.，2013;肖光榮等，2013)。根據(jù)BIF 形成的地質(zhì)構(gòu)造背景、巖石規(guī)模及巖石組合特征，Gross (1980)將BIF 分為阿爾戈馬(Algoma)和蘇必利爾湖(Superior)型兩大類。阿爾戈馬型BIF 礦床主要分布在太古代花崗-綠巖帶內(nèi)，與火山活動(dòng)密切相關(guān)，規(guī)模相對(duì)較小，多認(rèn)為形成于島弧、弧后盆地及裂谷帶等深水古海洋環(huán)境，時(shí)代上較老且以中-晚太古代為主。而蘇必利爾湖型BIF 礦床通常發(fā)育在被動(dòng)大陸邊緣或穩(wěn)定克拉通盆地的淺海沉積環(huán)境，規(guī)模較大，多形成于古元古代，一般與火山活動(dòng)無(wú)直接關(guān)系(Gross，1980;Klein，2005;王長(zhǎng)樂等，2012;張連昌等，2012)。此外，這兩類鐵礦床在變質(zhì)程度、地球化學(xué)特征和形成時(shí)的物理化學(xué)環(huán)境上也存在顯著差異。因此，加強(qiáng)對(duì)前寒武紀(jì)BIF 的研究不僅具有重要的理論意義，也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

華北克拉通(NCC)是中國(guó)的三大克拉通之一，也是我國(guó)BIF 的主要產(chǎn)區(qū)。前人對(duì)鞍山-本溪、五臺(tái)-呂梁山、密云-冀東、魯西-魯東、霍邱-舞陽(yáng)及內(nèi)蒙古固陽(yáng)地區(qū)的BIF 開展了大量深入的構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)、年代學(xué)和地球化學(xué)研究(Zhai et al.，1990;賴小東等，2012;李志紅等，2012;王長(zhǎng)樂等，2012;萬(wàn)渝生等，2012;楊曉勇等，2012;張連昌等，2012;Zhang et al.，2012;劉磊等，2013;Liu et al. ，2013 )。本文研究的霍邱鐵礦位于華北克拉通東南緣，已探明儲(chǔ)量17 億噸，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量十分可觀，位居華東之首，是馬鞍山鋼鐵公司的主要鐵礦石來(lái)源之一。先后有不少研究者在這一區(qū)域開展了開展了大量卓有成效的研究(亓潤(rùn)章，1987;陳躍志等，1988;Wan et al.，2010;楊曉勇等，2012;劉磊等，2013;Liu et al.，2013;黃華等，2013)。但是，在一些重要地質(zhì)學(xué)問題，如BIF礦床的類型以及成礦物質(zhì)來(lái)源等方面，還在巨大爭(zhēng)議。掃描電鏡(SEM)可以將樣品放大幾千倍，同時(shí)配合X 射線能量散射能譜儀(EDS)，可以快速完成對(duì)被測(cè)試樣品的微區(qū)原位分析，目前這一方法在礦床學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用(Rush et al.，2002;李凱月等，2013)，而多晶X 射線衍射(XRD)在礦物定性分析中具有不可比擬的地位。本文首次對(duì)這一區(qū)域的BIF 開展SEM-EDS 和多晶XRD 研究，以期探討它們的微區(qū)特征及其所蘊(yùn)含的地質(zhì)學(xué)意義。

1 地質(zhì)背景及樣品

安徽霍邱BIF 產(chǎn)于華北克拉通東南緣霍邱群中，現(xiàn)已在周集、李老莊、吳集、張莊、陶壩、班臺(tái)子等地發(fā)現(xiàn)大型鐵礦床10 余處(劉磊等，2013)。鐵礦體均賦存于一套晚太古代中-高級(jí)變質(zhì)作用的含鐵建造中，且被后期沉積物所覆蓋，主要礦石類型有菱鎂礦-磁鐵礦石、蛇紋石-磁鐵礦石、石英-磁鐵礦石、閃石石英-磁鐵礦石和閃石類-磁鐵礦石，條帶(條紋)狀構(gòu)造構(gòu)造明顯，鐵質(zhì)條帶和硅質(zhì)條帶交互式出現(xiàn)。

霍邱群1973年由安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局建群并一直沿用至今，但是長(zhǎng)期以來(lái)由于對(duì)構(gòu)造格架認(rèn)識(shí)上的差異，各單位建立的地層層序并不完全一致。亓潤(rùn)章等(1982)將霍邱群自上而下劃分為四個(gè)巖組，依次為:(1)李老莊組，下端為混合花崗巖，黑云斜長(zhǎng)片麻巖夾少量斜長(zhǎng)角閃巖和黑云片巖;中段為含礦帶，有少量白云質(zhì)大理巖及片巖;上段為黑云斜長(zhǎng)片麻巖，黑云角閃片麻巖，黑云片巖和斜長(zhǎng)角閃巖。(2)吳集組，下端為巨厚條帶狀混合巖、黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖，夾石榴黑云片巖、變粒巖、二云片巖及含礦層;中段為黑云斜長(zhǎng)片麻巖，混合巖，含石榴黑云變粒巖，黑云片巖及BIF 層;上段以混合巖為主，夾斜長(zhǎng)角閃巖、黑云片巖和石榴黑云變粒巖薄層。(3)周集組，下端以混合巖為主，夾少量斜長(zhǎng)角閃巖、黑云變粒巖、片巖和BIF 層;上段為大理巖和含礦層。(4)張莊組，下端為混合巖化黑云斜長(zhǎng)片麻巖，夾二云片巖、斜長(zhǎng)角閃巖;上段為含礦層及黑云片巖、斜長(zhǎng)片麻巖和混合巖，并認(rèn)為霍邱群原巖建造具有類復(fù)理石性質(zhì)的特征。但Wan 等(2010)卻認(rèn)為霍邱群及各巖組巖石發(fā)生了強(qiáng)烈的變質(zhì)變形作用，并不具有地層學(xué)上的群組特征。筆者贊成Wan et al. (2010)的觀點(diǎn)，主要依據(jù)有霍邱群局部發(fā)生了大規(guī)模的混合巖化作用，具有較高的變質(zhì)程度，以及部分斜長(zhǎng)片麻巖具有TTG 巖石的特征(可能與變質(zhì)表殼巖之間早期是侵入接觸關(guān)系，后來(lái)一起共同發(fā)生了變質(zhì)變形作用而混雜在一起)?；羟馚IF 以?shī)A層的形式與斜長(zhǎng)角閃巖、花崗質(zhì)片麻巖和大理巖等巖石之間相互共生。Wan 等(2010)和楊曉勇等(2012)通過原位鋯石年代學(xué)研究認(rèn)為霍邱群中的斜長(zhǎng)角閃巖(變基性火山巖)和TTG 片麻巖(變酸性侵入巖)主要形成于～2.7 Ga，并認(rèn)為以?shī)A層形式存在的霍邱BIF 也形成于這一時(shí)代。

雖然前人對(duì)霍邱群開展了大量研究，但是在一些重要的科學(xué)問題如霍邱BIF 的類型及成礦物質(zhì)來(lái)源上尚未形成統(tǒng)一看法。如亓潤(rùn)章(1987)認(rèn)為霍邱群BIF 類似于蘇必利爾湖型，而楊曉勇等(2012)認(rèn)為其屬于阿爾戈馬型和蘇必利爾湖型之間的過渡型BIF。為了更好地制約霍邱群BIF 的類型和成因，本文首次對(duì)采自張莊和班臺(tái)子鉆孔中的BIF 樣品進(jìn)行了SEM-EDS 和XRD 分析。研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖可參照?qǐng)D1。張莊BIF 樣品采自ZK62 鉆孔137 ～138 m 深度，而班臺(tái)子BIF 樣品采自ZK64鉆孔175 ～176 m 深度。有關(guān)巖芯照片可參見圖2，按照Trendall 等(1970)的分類方案，張莊BIF 屬于中等條帶型;而班臺(tái)子BIF 條帶相對(duì)較小，屬于微條帶。詳細(xì)的巖石學(xué)研究可參考楊曉勇等(2012)，黃華等(2013)，劉磊等(2013)及Liu 等(2013)，本文不再贅述。

2 分析測(cè)試方法

圖1 安徽霍邱鐵礦田地質(zhì)礦產(chǎn)圖(張莊-班臺(tái)子部分)Fig.1 The geological diagram of the Huoqiu BIF

圖2 鉆孔巖芯BIF 樣品Fig.2 The photography of the Huoqiu BIF samples

本次研究先后利用東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地的SEM-EDS 和多晶XRD 對(duì)張莊和班臺(tái)子的巖芯BIF 樣品進(jìn)行了分析測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過程如下:在SEM-EDS 分析之前，首先將樣品進(jìn)行隨機(jī)粉碎，選擇破裂面新鮮、平坦的碎塊，尺寸在1 cm ×1 cm ×1 cm 到2 cm ×2 cm ×2 cm 之間為宜。選擇好碎塊樣品并編好號(hào)后裝入干燥器皿中等待鍍金和上機(jī)測(cè)試。在噴金之前，用導(dǎo)電膠對(duì)樣品進(jìn)行固定，并用錫紙將所有樣品待測(cè)面盡量墊平和等高。鍍完金以后，將待測(cè)樣品固定在樣品臺(tái)上并放入掃描電鏡樣品室，用不同放大倍數(shù)在待測(cè)面上尋找分析點(diǎn)。尋找到合適分析點(diǎn)后，對(duì)其進(jìn)行EDS 能譜分析，然后再利用掃描電鏡進(jìn)行照相。通過這些過程可以得到:(1)SEM 圖像;(2)能譜分析點(diǎn)位圖像;(3)元素能譜圖和(4)元素含量分析報(bào)告。分析過程中所使用的掃描電鏡為捷克FEI 公司所生產(chǎn)，儀器型號(hào)為NNS450;能譜為英國(guó)牛津儀器公司生產(chǎn)的X-Max 電制冷X 射線能譜儀。值得提出的是，相比早期使用的儀器，本次分析有以下優(yōu)點(diǎn):(1)可以分析原子序數(shù)小于11 的元素，特別是C 和O 元素;(2)測(cè)試所用能譜儀準(zhǔn)確度較高，可以半定量計(jì)算出所測(cè)物質(zhì)的元素含量及原子百分比，從而可以推測(cè)被測(cè)樣品中可能存在的礦物。

多晶XRD 的分析過程如下:首先無(wú)污染地將待測(cè)樣品用粉碎球磨機(jī)粉碎至分析所需要的粒度，然后連同標(biāo)準(zhǔn)樣品一起裝到樣品靶上，進(jìn)行X 射線衍射分析，獲得分析圖譜。測(cè)試所用儀器為德國(guó)布魯克公司所生產(chǎn)，儀器型號(hào)為D8-A25。有關(guān)分析結(jié)果可見表1，圖3，圖4 和圖5。

圖3 霍邱群BIF 代表性SEM 圖像Fig.3 Representative SEM images for the Huoqiu BIF samples

3 分析結(jié)果

雖然SEM-EDS 是半定量分析結(jié)果，且輕元素的測(cè)定結(jié)果誤差相對(duì)重元素偏大。但是結(jié)合前人大量的巖石學(xué)研究成果(亓潤(rùn)章等，1982;亓潤(rùn)章，1987;楊曉勇等，2012;黃華等，2013;劉磊等，2013)，采用劉宏等(2011)所推薦的方法，再結(jié)合多晶XRD 定性分析，本次研究仍然獲得了有科學(xué)意義的結(jié)果。在數(shù)據(jù)處理方法上，由于所測(cè)金屬陽(yáng)離子原子序數(shù)較大(分析誤差相對(duì)較小)，因此在計(jì)算時(shí)采用金屬陽(yáng)離子參照法。首先，按照1∶2剔除Si和O 比(石英);若金屬元素除了Fe 以外，只存在Al 元素，則推測(cè)其中有Al2SiO5礦物(藍(lán)晶石或矽線石)(亓潤(rùn)章，1987);若金屬元素除了Fe 和Al 以外，還存在Na 和/或K，且比例接近1∶1，則推測(cè)其中存在長(zhǎng)石;若金屬元素除了Fe 以外，金屬元素主要有Mg 和Ca，根據(jù)Mg 和Ca 比例關(guān)系推測(cè)為菱鎂礦、方解石或白云石。此外，若金屬元素Ca，F(xiàn)e，Na，K，Mg，Al 均存在，且(Ca +Na +K)∶ (Mg +Fe+Al)摩爾比值在2∶5到3∶5左右時(shí)，推測(cè)分析點(diǎn)中存在角閃石。根據(jù)上述方法，本次研究發(fā)現(xiàn)BIF主要存在的礦物可能有磁鐵礦，方解石，白云石，Al2SiO5礦物(藍(lán)晶石或矽線石)，角閃石，長(zhǎng)石，石英，菱鐵礦等(表1)。與前人的巖石學(xué)研究結(jié)果完全一致，也與華北大部分地區(qū)的BIF 研究結(jié)果相一致。

圖4 霍邱群BIF 代表性EDS 圖像Fig.4 Representative EDS images for the Huoqiu BIF samples

圖5 霍邱群BIF 的XRD 圖像Fig.5 XRD images for the Huoqiu BIF samples

值得注意的是，根據(jù)元素和電價(jià)守恒原則，本次分析測(cè)試的O 和Fe 元素比大部分在1∶1左右，有的略高于1∶1，理論上似乎表明除了極少部分為磁鐵礦之外，大部分應(yīng)該為氧化亞鐵(方鐵礦)。但是，以下幾方面證據(jù)表明，這些鐵的氧化物主要為磁鐵礦，可能少部分鐵元素以其它形式存在，如黃鐵礦、菱鐵礦和赤鐵礦等。(1)Schwertman 等(1991)研究證實(shí)FeO(方鐵礦)在低溫下不穩(wěn)定，易分解形成磁鐵礦和單質(zhì)鐵，只有在570 ℃以上才能穩(wěn)定存在，顯然與區(qū)域地質(zhì)背景條件不符;(2)所測(cè)試樣品礦物粉末的顏色以黑色和棕黑色為主，未見(粉)紅色，外觀上與磁鐵礦一致，而不同于赤鐵礦的顏色;(3)所測(cè)試樣品顯示出一定的鐵磁性，這與磁鐵礦的物理性質(zhì)相吻合，不同于赤鐵礦;(4)多晶XRD 分析結(jié)果顯示被測(cè)試粉末樣品的衍射峰與磁鐵礦和石英的特征峰可以對(duì)比，也證實(shí)所研究樣品中主要為磁鐵礦和石英(圖5);(5)本次分析結(jié)果與前人的礦物學(xué)和巖石學(xué)研究結(jié)果也完全一致。造成O 元素和Fe 元素比值相對(duì)磁鐵礦中O/Fe 元素理論比值過低的主要原因可能是O 元素屬于輕元素，在測(cè)試過程中誤差較大，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果系統(tǒng)偏低所致。

4 地質(zhì)意義

近些年來(lái)，有不少研究者嘗試將SEM-EDS 用于礦床學(xué)研究(謝玉玲等，2004;劉宏等，2011;李凱月等，2013)，這些研究為礦床尤其是金屬礦床的形成過程提供重要制約。本研究首次將SEMEDS 和多晶XRD 分析技術(shù)用于華北東南緣霍邱群BIF，結(jié)合前人的研究成果，可以為霍邱BIF 的成因提供重要制約。

關(guān)于霍邱群BIF 的成礦物質(zhì)來(lái)源，至今尚無(wú)定論。主要是哪一種來(lái)源占主導(dǎo)，是來(lái)源于大陸風(fēng)化，還是來(lái)源于海底熱液作用?前者常與火山-沉積作用有關(guān)，BIF 一般與基性火山巖和酸性侵入巖形成夾層;而后者通常與沉積作用相關(guān)，BIF 主要分布在沉積碎屑巖和碳酸鹽巖之間。對(duì)與BIF 呈夾層的斜長(zhǎng)角閃巖和花崗質(zhì)片麻巖研究發(fā)現(xiàn)，它們具有島弧玄武巖和島弧花崗巖的特征(Liu et al.，2013)，因此可以推測(cè)霍邱BIF 主要與海底熱液作用密切相關(guān)，而大陸風(fēng)化產(chǎn)物的貢獻(xiàn)很少，類似于阿爾戈馬型BIF。大量研究顯示華北前寒武紀(jì)BIF主要是阿爾戈馬型，形成時(shí)代上以中-晚太古代為主，與全球其它克拉通的阿爾戈馬型BIF 成因類似。此外，陸源風(fēng)化形成的BIF 一般具有相對(duì)高的Al2O3含量(Liu et al.，2012)，而前人及本文研究結(jié)果均顯示Al2O3含量相對(duì)較低也暗示陸殼物質(zhì)來(lái)源較少。阿爾戈馬型BIF 形成的構(gòu)造背景通常認(rèn)為與島弧、弧后盆地及古裂谷帶有關(guān)，考慮到以下幾個(gè)因素:(1)研究區(qū)位于克拉通邊緣;(2)有古老殘留鋯石存在，且鋯石Hf 同位素初始值以負(fù)值為主;(3)存在少量的(變)沉積物夾層;(4)變基性巖和變酸性侵入巖顯示出巖漿弧巖石的特征，筆者認(rèn)為霍邱群BIF 形成于弧后盆地環(huán)境，在形成過程中有少量大陸風(fēng)化物質(zhì)的卷入，類似于冀東石人溝和遼寧本溪歪頭山BIF 的形成構(gòu)造背景(代堰锫等，2012;Zhang et al.，2012)。

霍邱群BIF 中的鐵以磁鐵礦為主，與華北其它區(qū)域的BIF 一致。這表明鐵建造沉積時(shí)海水處于相對(duì)缺氧環(huán)境，而缺氧環(huán)境正是BIF 形成的必要條件之一(Klein，2005)。近年來(lái)，也有不少學(xué)者認(rèn)為微生物礦化作用對(duì)前寒武紀(jì)BIF 的形成起到重要作用(Li et al.，202;吳文芳等，2012)?？傊?，無(wú)論是哪種成因機(jī)制，通過對(duì)前寒武紀(jì)BIF 的深入研究都有助于了解地球早期的水圈、大氣圈和生物圈演化信息。

長(zhǎng)期以來(lái)，一直認(rèn)為霍邱群和其東南邊的五河群在地質(zhì)上可以對(duì)比，但是至今尚未在五河群中發(fā)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的BIF。楊曉勇等(2012)根據(jù)霍邱群和五河群變質(zhì)程度的差異，認(rèn)為這兩者之間存在顯著差異。最新的年代學(xué)和巖石學(xué)研究結(jié)果也顯示這兩者不僅在基底形成時(shí)代，而且在變質(zhì)程度上也存在顯著差異(Liu et al.，2009;劉貽燦等，2012;王安東，2012;Wang et al.，2012a，2012b，2013)，如霍邱地區(qū)變侵入巖年齡以～2.7 Ga 為主，變質(zhì)程度相對(duì)較低;而五河地區(qū)變侵入巖年齡以為～2.5 Ga為主，變質(zhì)程度相對(duì)較高。但是兩者之間是否可以對(duì)比，還有待更多研究工作的開展。無(wú)疑，兩者之間深入的對(duì)比研究對(duì)五河群基礎(chǔ)地質(zhì)研究和鐵礦床的勘探都具有重要意義。

表1 班臺(tái)子和張莊BIF 的SEM-EDS 分析結(jié)果列表Table 1 The SEM-EDS analytical results of BIFs from Bantaizi and Zhangzhuang

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