自然鐵研究進(jìn)展

張全紅 張興軍 欒紀(jì)昊

（1甘肅恒通路橋工程有限公司，甘肅 蘭州 730070；2甘肅省高等級公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心，甘肅 蘭州 730070）

金屬元素多以氧化物、硫化物等形式存在，而單質(zhì)金屬或合金則由于形成條件苛刻而比較少見，因此它們往往為寄主巖石成因的重要標(biāo)志。目前報導(dǎo)的自然單質(zhì)礦物及合金有自然鐵、自然銅、自然金、鉻鐵合金、銅鋅合金、銥鐵鎳合金等[1]～[4][9]。一直以來對自然鐵的研究都是自然金屬研究中的難點和薄弱區(qū)，究其原因為：Fe的化學(xué)性質(zhì)較之Cu、Au等活潑，更易形成氧化物及硫化物，對形成及保存條件的要求更苛刻，且自然界含量極少，難以發(fā)現(xiàn)。自然鐵往往代表了特殊的成巖環(huán)境，它們除少數(shù)為天外成因及沉積成因外，多與地球深部物質(zhì)活動相關(guān)，如熱液活動、火山活動。因此自然單質(zhì)及合金的研究對寄主巖石的成因環(huán)境以及大地構(gòu)造背景有著重要的意義。

1 自然鐵及其合金的研究進(jìn)展

自然鐵最早是1970年在格陵蘭西海岸玄武巖中由諾登斯科德首次發(fā)現(xiàn)的。國內(nèi)有關(guān)自然鐵的報道集中在上世紀(jì)80年代到本世紀(jì)初，國內(nèi)最早報導(dǎo)自然鐵的學(xué)者為劉秀清在1984年對某地熔結(jié)凝灰?guī)r中自然鐵的報導(dǎo)[3]，認(rèn)為自然鐵是在火山噴發(fā)時發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成的；之后于1987年張良鉅在小秦嶺九號石英脈中發(fā)現(xiàn)了自然鐵，提出了含金石英脈型自然鐵類型[4][5]；同年張之燊報導(dǎo)了火山（自然）鐵球的特征，自然鐵存在于火山通道相，認(rèn)為自然鐵形成于地殼深部巖漿房[6]；1995年周再幌發(fā)現(xiàn)了賦存于多金屬硫鐵礦床中的自然鐵[7]；2000年鄭建平在金伯利巖中發(fā)現(xiàn)了自然鐵-房鐵礦組合的文象交生體[8]；2002年白文吉報導(dǎo)了西藏蛇綠巖中二種合金礦物新變種[9]；2003年趙磊在金伯利巖中發(fā)現(xiàn)了碳硅自然鐵球狀體，并發(fā)現(xiàn)了自然鐵球體背散射圖像下的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)[10]；同年馮有利報導(dǎo)了石榴石二輝橄欖巖中橄欖石中的自然鐵[11]；2004年白文吉等在蛇綠巖中發(fā)現(xiàn)了自然鐵-方鐵礦組合[12]～[15]。近十年來鮮有有關(guān)自然鐵的報導(dǎo)，2010年劉顯凡報導(dǎo)了含鉻自然鐵及富含硅鋁的自然鐵[16]。

國內(nèi)外關(guān)于自然鐵的報導(dǎo)較少，而所報道的自然鐵產(chǎn)狀及結(jié)構(gòu)形態(tài)等卻多種多樣。其寄主巖石有：橄欖巖、熔結(jié)凝灰?guī)r、蛇綠巖、石英脈及多金屬硫鐵礦床等；其結(jié)構(gòu)除重砂挑選的自然鐵外有：文象交生體（圖1A）、圓球狀（圖1B）、網(wǎng)格狀（圖1C）及火焰狀（圖1D）等。

圖1 自然鐵結(jié)構(gòu)類型

2 不同環(huán)境自然鐵元素的差異

對自然鐵的研究尚未形成系統(tǒng)的研究方法，各學(xué)者對所發(fā)現(xiàn)自然鐵的研究，方法各有不同，但電子探針對自然鐵元素組成的分析是較為普遍的。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)不同成因環(huán)境下的自然鐵在元素組成上存在著較大的差異。已報導(dǎo)的自然鐵中大多以鐵為主要元素，并含少量其他元素，即Fe含量在95%以上的自然鐵，該類自然鐵往往含微量的Ni、Co、Cu、Mn、Si等元素，且不同成因環(huán)境的自然鐵所含的微量元素不同，除以上較為常見的微量元素外，還含有Au、Ag、Pt、Zn等元素(表1)。少量自然鐵以合金形式存在，包括鐵猛合金、硅鐵合金、鉻鐵合金、及鉻鐵鎳三項合金等，F(xiàn)e在一定條件下會和與其化學(xué)性質(zhì)相近的元素如Mn、Ni、Cr等，相結(jié)合形成合金，目前鐵的合金報導(dǎo)較少，其中2002年白文吉報道了西藏蛇綠巖地幔橄欖巖中的鉻鐵鎳合金及銥鐵鎳合金，其中鉻鐵鎳合金Fe含量35.58%，Cr含量21.86%，Ni含量41.62%，銥鐵鎳合金Fe含量14.8%，Ir含量37.4%，Ni含量48.8%（表1中,8、9）；之后又于2004年對西藏羅布莎地區(qū)自然鐵的研究中，發(fā)現(xiàn)了自然鐵中Mn含量6.05%，Si含量1.05%，為含猛自然鐵（表1中，4）；滇西地區(qū)富堿斑巖中發(fā)現(xiàn)的含鉻自然鐵，F(xiàn)e含量77.71%，Cr含量19.06%（表1中，10）。自然鐵元素組合一定層度上可以反映自然鐵形成環(huán)境及巖漿源區(qū)，如鉻鐵合金、及鉻鐵鎳三項合金，Cr作為地幔標(biāo)型元素，因此含鉻自然鐵可作為地幔物質(zhì)的標(biāo)型礦物[16]，合金的形成可能與地球成核過程中滯留于地幔中地核物質(zhì)有關(guān)，反映了在深部地幔鐵和鉻結(jié)合的可能[9]；又如硅鐵合金可能是液態(tài)鐵的地核與下地幔硅酸鹽之間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物等[17];飄落沉積成因的自然鐵元素組成中含有少量O（表1中，12）[18]。目前對自然鐵及其合金元素組成的研究仍比較薄弱，某種環(huán)境下形成的自然鐵并沒有標(biāo)準(zhǔn)的元素組成及含量，仍然需要更多的案例去例證和總結(jié)。

3 自然鐵成因進(jìn)展

目前報道的自然鐵的成因有多種，國內(nèi)最早探討自然鐵成因是1984年劉秀清對熔結(jié)凝灰?guī)r中自然鐵成因的探討，根據(jù)自然鐵寄主巖石環(huán)境及其元素組成，提出該自然鐵是在火山噴發(fā)時熾熱的硫化物熔融體氧化分解還原的產(chǎn)物，并提出了相關(guān)反應(yīng)式FeS（磁黃鐵礦）+O2==2SO2↑ +Fe或 FeS2（黃鐵礦）+2O2==2SO2↑ +Fe[3]；之后張之燊在對賦存于火上通道項或進(jìn)火山口的火山（自然）鐵球的研究中認(rèn)為，自然鐵是地殼深部巖漿房融離的產(chǎn)物，當(dāng)巖漿攜帶(自然)鐵球沿通道上升到地表時,一方面受到氧化作用,另一方面由于溫度和壓力下降,(自然)鐵球內(nèi)核自然鐵內(nèi)聚力加大,在火口及其周圍保持一定的溫度,使鐵球外形得以形成[6]；1995年周再晃在對內(nèi)蒙古東升廟多金屬硫鐵礦床中自然鐵的研究中，提出了3種成因類型：（1）自然鐵的形成可能是鐵的硫化物(黃鐵礦、白鐵礦、磁黃鐵礦等)和游離氧作用的結(jié)果。與劉秀清的觀點相一致。（2）富硫等氣體的鐵硅質(zhì)熔漿中的FeO在富堿的碳酸鹽淺海盆地中,碳酸鹽巖因受地慢深處高溫狀態(tài)的鐵硅質(zhì)熔漿,同熔分解出的碳,與FeO反應(yīng)并使其中的Fe還原,形成自然鐵，其反應(yīng)式為：2FeO+C==2Fe+CO2↑；（3）富鐵質(zhì)的橄欖玄武巖(或含鐵橄欖石斑晶細(xì)碧角斑巖)漿,沿海底裂谷噴溢沉積變質(zhì)而成其反應(yīng)式為：Fe2SiO4(鐵橄欖石)→2Fe(自然鐵)+Si02(石英)+O2↑[7]。2000年鄭建平提出了自然鐵-偏離正常礦物化學(xué)成分礦物的交生體,是深部地幔柱上升的含鐵和方鐵礦流體不均勻地與巖石圈中橄欖巖發(fā)生反應(yīng)并經(jīng)固溶體分離的結(jié)果[8]；之后白文吉先后報道了西藏蛇綠巖地幔橄欖巖中的鉻鐵鎳合金、銥鐵鎳合金、硅鐵合金及自然鐵方鐵礦組合，認(rèn)為自然鐵及其合金形成于核幔邊界帶[9][12]～[15]；2010年劉顯凡對滇西地區(qū)富堿斑巖中自然鐵的研究中認(rèn)為自然鐵的形成與幔源流體有關(guān)[16]。另外少數(shù)觀點闡述了賦存與沉積巖中的自然鐵的成因，如形成于富碳的煤系地層由有機(jī)質(zhì)還原而來[5]，由宇宙塵埃中原生鐵粒子飄落洋盆后沉積保存等[18]。

總結(jié)其成因大致可分為以下幾種：①分布于金伯利巖或蛇綠巖，是由核幔分異作用或核幔邊界化學(xué)反應(yīng)生成[8][10][12]～[15]；②分布于硅質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r中，由富鐵的橄欖玄武巖巖漿經(jīng)噴發(fā)（溢）-沉積變質(zhì)過程中，經(jīng)歧化反應(yīng)分解形成[7]；③分布于超基性巖、基性巖中的鐵礦物，由氧化還原條件的改變而形成的[4][5]；④分布于火山通道或近火山口的爆發(fā)-噴溢交替的中酸性巖中，在火山口適當(dāng)?shù)臏囟群脱跻荻葪l件下形成，巖漿來源于地殼深部[6]。⑤沉積成因，寄主巖石為沉積巖[18]。盡管自然鐵的成因各異，但他們的形成都是在缺氧的還原環(huán)境下，因此自然鐵的發(fā)現(xiàn)可以作為還原環(huán)境的標(biāo)志。

4 結(jié)論及展望

通過對自然鐵的論述及總結(jié)，得出以下結(jié)論，（1）國內(nèi)自然鐵的研究仍然處于初級階段，而且目前對自然鐵的研究并沒有得到重視；（2）不同成因背景下的自然鐵具有不同的元素組成；（3）自然鐵成因類型有多種，但同是形成于缺氧的還原環(huán)境。

自然鐵作為自然界不易存在的自然單質(zhì)金屬，代表著特殊的成因環(huán)境，對自然鐵進(jìn)行研究有著重要的環(huán)境指示意義。然而因其存在數(shù)量少，而且不易發(fā)現(xiàn)及研究的特點，對自然鐵的研究仍處于初級階段，且目前并未得到重視。目前對自然鐵的研究仍存在著很大的問題：國內(nèi)各學(xué)者對自然鐵的研究方法各異，并未形成系統(tǒng)的研究方法；因自然鐵產(chǎn)出環(huán)境不同，沒有明確的成因分類，也沒有明確的指標(biāo)來指示自然鐵的分類；筆者對國內(nèi)現(xiàn)有的報道進(jìn)行了論述總結(jié)，但因為資料的局限性，對自然鐵的歸類可能并不準(zhǔn)確，且不能準(zhǔn)確的總結(jié)出各類自然鐵的特點。筆者在此對自然鐵的研究提出以下期望：（1）探究自然鐵的研究方法，探索出適合自然鐵尋找、提取及研究的方法；（2）探索出能代表自然鐵形成環(huán)境的指標(biāo)，以指導(dǎo)自然鐵的分類；（3）對自然鐵的研究，應(yīng)從報導(dǎo)式轉(zhuǎn)向研究式，從自然鐵的形成環(huán)境、形成機(jī)理、運(yùn)移過程等方便綜合研究。

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