安徽蕪湖市錢村鐵礦磁鐵礦元素地球化學(xué)特征及礦床成因意義

馮庭錄，鮑雷，呂呈，庾江華

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局322地質(zhì)隊，安徽馬鞍山 243000）

0 引言

磁鐵礦廣泛分布于各種巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖中，同時也作為礦石礦物或主要金屬礦物廣泛存在于各類熱液礦床中。磁鐵礦中通常含有一系列微量元素，如Mg、Al、Ti、V、Cr、Zn、Mn、Co、Ni、Si、Ca、Sn等[1～4]。微量元素的含量不僅受控于磁鐵礦本身晶體化學(xué)性質(zhì)，同時也受控于磁鐵礦沉淀時的物理化學(xué)條件，如流體組成、溫度、氧逸度、硫逸度以及水巖反應(yīng)程度等[5]的影響。因此對磁鐵礦元素組成的研究可以反映與磁鐵礦形成相關(guān)的巖體或流體的物理化學(xué)條件。大量研究也表明，磁鐵礦的微量元素組成還可以用來指示其形成環(huán)境、礦床類型及礦床成因[6]。

寧蕪礦集區(qū)是長江中下游成礦帶七大礦集區(qū)之一，區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育中生代燕山期中性火山巖組合，火山巖由老至新分為龍王山、大王山、姑山和娘娘山等四組[7～9]，并且發(fā)育眾多與火山巖及中生代中酸性侵入巖有關(guān)的鐵礦，目前已發(fā)現(xiàn)大小礦床30余處及數(shù)十個礦化點(diǎn)。礦集區(qū)主要分為三個礦田：以梅山鐵礦、吉山鐵礦為主的北部梅山礦田，以凹山鐵礦、陶村鐵礦、和尚橋鐵礦及東山鐵礦為主的中部凹山-陶村礦田，以姑山鐵礦、白象山鐵礦為主的南部鐘姑礦田，而雍鎮(zhèn)礦田位于寧蕪礦集區(qū)的西南部，近年來在該礦田內(nèi)相繼發(fā)現(xiàn)多個中型鐵礦床，隨著勘探工作的進(jìn)行，該區(qū)域深部還顯現(xiàn)出良好的銅、金成礦潛力[10]。錢村鐵礦床是雍鎮(zhèn)礦田內(nèi)代表性鐵礦床之一，通過了解單個礦床的形成條件對于理解整個礦田的形成過程以及往后的找礦勘探工作具有重要的指導(dǎo)意義。本文擬通過錢村鐵礦中主要的礦石礦物-磁鐵礦的地球化學(xué)特征揭示礦床形成時的物理化學(xué)條件變化，并探討礦床成因。

1 礦床地質(zhì)特征

錢村礦床位于寧蕪礦集區(qū)雍鎮(zhèn)礦田，大地構(gòu)造位置位于下?lián)P子板塊北緣的寧蕪火山盆地西南側(cè)。礦區(qū)全為第四系覆蓋，下伏地層為晚白堊世赤山組、中三疊世周沖村組、黃馬青組，個別鉆孔見古近紀(jì)地層（圖1）。三疊系中統(tǒng)周沖村組主要為一套碳酸鹽巖和膏鹽層，僅見錢村礦區(qū)8線的ZKP-826孔的捕虜體中，巖石均已變質(zhì)，巖性為塊狀灰?guī)r，均已變質(zhì)為微粒狀大理巖，是礦床的賦礦層位之一。中統(tǒng)黃馬青組主要為青灰夾紫紅色含鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r或薄層灰?guī)r，水平微層理發(fā)育，大部分已變質(zhì)成各種角巖，常由于巖體破壞而發(fā)育不全，其上段是礦床的主要賦礦層位。古近系、新近系上部為棕黃-灰綠色泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、含礫泥巖、含礫粉砂巖；下部為砂礫石層粘土，巖石膠結(jié)疏松，具微細(xì)水平或交錯層理。

圖1 錢村礦床地質(zhì)簡圖（錢仕龍等，2017）Figure 1.Geological sketch of the Qiancun ore deposit (after Qian Shi-long et al.,2017)

構(gòu)造上，錢村鐵礦位于裕-湯復(fù)背斜的核部，核部地層為三疊系中統(tǒng)，兩翼為黃馬青組，石英閃長巖巖體沿背斜部侵入。構(gòu)造形態(tài)相對簡單，常被上侵的巖脈所破壞，物探資料分析顯示礦區(qū)內(nèi)有二組北西或近東西斷裂構(gòu)造。錢村礦區(qū)內(nèi)的巖漿巖為具較強(qiáng)鈉長石化的閃長巖類巖體，沿著背斜核部侵入，查區(qū)內(nèi)埋深大。閃長巖體與圍巖接觸面產(chǎn)狀和地層產(chǎn)狀大體一致或夾角很小，傾角一般小于45°，為侵入接觸。

錢村礦床是單一的磁鐵礦礦床，目前共圈定了磁鐵礦礦體8個，編號為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。礦體整體賦存標(biāo)高-98.69～-1099.91m，除Ⅲ號磁鐵礦礦體分布于三疊系黃馬青組三段地層中，產(chǎn)出標(biāo)高相對較高外，主礦體（Ⅱ-2、Ⅱ-1號礦體）均賦在閃長玢巖與黃馬青組一段泥巖、鈣質(zhì)泥巖的接觸帶地層中，賦存標(biāo)高一般為-350～-700m。礦體在接觸帶中有多層近平行產(chǎn)出，巖體隆起的部位礦層較薄，凹陷的部位礦層較厚。礦體形態(tài)比較簡單，呈薄層狀、似層狀、透鏡狀，主要受接觸帶及地層產(chǎn)狀聯(lián)合控制，礦體走向約15°，與構(gòu)造軸向一致，且沿走向向南傾伏，向北抬升（傾伏角10°～20°）（圖2）。礦體傾向約285°，傾角約5°～45°。鐵礦石中礦石礦物主要為磁鐵礦，次要為赤鐵礦、穆磁鐵礦，金屬礦物還有部分黃鐵礦及少量的黃銅礦、斑銅礦、褐鐵礦等，脈石礦物主要為方解石（含白云石）、次要為黑云母、粘土礦物、石英。礦石構(gòu)造主要有塊狀構(gòu)造、稠密或稀疏浸染狀構(gòu)造、脈狀、角礫狀構(gòu)造等。

圖2 錢村鐵礦8線剖面圖Figure 2.Line 8 section of the Qiancun iron ore deposit

2 樣品特征及測試方法

磁鐵礦（Fe3O4）是錢村鐵礦中主要的礦石礦物，呈鐵黑色，強(qiáng)磁性，根據(jù)磁鐵礦礦石產(chǎn)出特征的不同，可分為塊狀、浸染狀、脈狀、角礫狀四種礦石類型（圖3）。塊狀礦石中磁鐵礦呈粗粒自形～半自形結(jié)構(gòu)，顆粒邊緣多被赤鐵礦交代（圖3a）；浸染狀礦石中磁鐵礦呈分散粒狀分布，半自形～他形結(jié)構(gòu)，磁鐵礦顆粒呈破碎狀，多被方解石脈穿切（圖3b）；脈狀礦石主要組成除磁鐵礦之外還有黃鐵礦、斑銅礦及石英，其中磁鐵礦呈粗粒結(jié)構(gòu)，斑銅礦及黃鐵礦分布于磁鐵礦粒間隙中（圖3c）。角礫狀礦石也是該礦床中重要的礦石類型之一，其角礫成分可以是圍巖，如閃長玢巖、灰?guī)r、泥巖、鈉長石角巖等，也可以是先期交代作用形成的方解石磁鐵礦或脈狀充填的方解石磁鐵礦、赤鐵礦，膠結(jié)物多為方解石、磁鐵礦及少量的石英和粘土礦物，磁鐵礦呈稀疏浸染狀分布于膠結(jié)物中，呈細(xì)粒半自形～他形結(jié)構(gòu)（圖3d）。

選取代表性樣品磨制成探針片，在光學(xué)顯微鏡下仔細(xì)觀察后，圈出合適點(diǎn)位進(jìn)行磁鐵礦LA-ICP-MS微量分析工作。微量元素分析實驗在合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院礦床成因與勘察技術(shù)研究中心（ODEC）利用LA-ICP-MS完成，激光剝蝕系統(tǒng)為CetacAnalyte HE，ICP MS為Agilent7900，分析斑束大小為30～40um，使用多外標(biāo)（NIST612，GSD-1G，BCR-2G，GSE-1G）無內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行元素含量校正[11]，分析元素為Mg，Al，Si，Ca，Sc，Ti，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu,Zn，Ga，Ge，Rb，Sr，Y，Zr，Nb，Mo，Sn，Hf,Ta，Th。

3 磁鐵礦地化特征

圖3 不同類型磁鐵礦鏡下特征：a.塊狀磁鐵礦；b.浸染狀磁鐵礦；c.脈狀磁鐵礦；d.角礫狀磁鐵礦Figure 3.Characteristics of different types of magnetite under microscope

磁鐵礦微量元素分析結(jié)果顯示，不同產(chǎn)狀磁鐵礦具有不同的微量元素組成，但總體分布趨勢相似（圖4），不同類型磁鐵礦中Cu、Y、Zr、Mo、Hf、Ta及Th等元素多低于檢測限,因此在表1 中僅列出檢測限以上的元素含量。對比四種類型磁鐵礦，塊狀磁鐵礦具有最高的Al2O3、V、Ni、Mn、Cr 及Ga 含量，但其FeO 含量最低（89.51%～92.75%）；脈狀磁鐵礦具有最低的MgO、Mn、Zn、Ga 及Sn 含量，但其Ti、V、Ni、Cr 含量較高；角礫狀磁鐵礦中Sn、Ga、Mn、Zn 含量相對較高，但Ni、Cr含量相對較低（圖4）；浸染狀磁鐵礦元素含量通常介于其他類型磁鐵礦元素含量之間，并且多表現(xiàn)出與角礫狀和脈狀磁鐵礦元素含量的相似性（圖3,4），且除塊狀磁鐵礦之外，其他類型磁鐵礦均具有相似的FeO含量（94.04%～96.13%）。并且不同磁鐵礦中Mn 與Zn，Ti與V，MgO與Mn表現(xiàn)出較明顯的正相關(guān)性。

圖4 磁鐵礦主微量元素含量蛛網(wǎng)圖Figure 4.Spider diagram of major and trace elements contents in magnetite

4 討論

4.1 控制磁鐵礦沉淀的因素

4.1.1 水巖作用

水巖相互作用對磁鐵礦成分的影響主要體現(xiàn)在磁鐵礦是否繼承圍巖的相關(guān)組分。例如，在與碳酸鹽地層強(qiáng)烈的水巖作用過程中，Ca、Mg、Mn 等元素易于在流體中富集[12]，而巖漿來源流體中通常富集Si，Al，Na，K，F(xiàn)e 等元素[13]，而這些元素在磁鐵礦結(jié)晶過程中具有相似的分配系數(shù)，因此Si+Ca、Mg+Mn等元素含量可以反映水巖反應(yīng)程度[14][15]。由圖6 可知，錢村鐵礦中不同類型磁鐵礦具有不同的Si+Ca、Mg+Mn組成，顯示不同類型礦石形成于不同程度的水巖反應(yīng)環(huán)境下，且塊狀磁鐵礦礦石形成時流體發(fā)生了更為廣泛的水巖反應(yīng)作用。

表1 磁鐵礦LA-ICP-MS分析結(jié)果Table 1.Results of LA-ICP-MS analysis of magnetite

續(xù)表1

圖5 不同類型磁鐵礦元素二元圖解Figure 5.Binary diagram of elements of different types of magnetite

圖6 a.Si+Ca-Mg+Mn圖解；b.Mn+Zn-Ti+V圖解Figure 6.(a) Diagram of Si+Ca-Mg+Mn；(b) Diagram of Mn+Zn-Ti+V

4.1.2 共生礦物組合

由于元素在不同礦物間的分配系數(shù)不同，例如親銅元素Co、Ni和Mo等更易進(jìn)入硫化物，從而降低共生磁鐵礦中Co、Ni和Mo的含量[16]，因此磁鐵礦的共生礦物組合可能會影響磁鐵礦中的元素含量。通過不同類型磁鐵礦礦石的鏡下觀察可得到，除脈狀磁鐵礦礦石共生礦物組合為磁鐵礦、斑銅礦、黃鐵礦以及方解石外，其他類型礦石礦物組合均為磁鐵礦和方解石、陽起石等鈣硅酸鹽礦物。因此脈狀磁鐵礦中具有最低的Ni、Cr、V、Ti等元素含量。由此可見，共生礦物組合對不同類型磁鐵礦化學(xué)特征具有重要的影響。

4.1.3 氧化還原條件

V 為變價元素，一般V 具有+3，+4，+5 價，而只有V3+易于進(jìn)入磁鐵礦晶格中[17]，因此V含量能指示磁鐵礦形成時的氧化還原條件。錢村礦床中，不同類型的磁鐵礦中V 具有塊狀＞脈狀、浸染狀＞角礫狀的特征（圖5），顯示磁鐵礦沉淀于不同的氧化還原條件下。并且塊狀磁鐵礦形成時的氧逸度最低，而角礫狀磁鐵礦形成時的氧逸度最高，脈狀和角礫狀磁鐵礦形成時的氧逸度介于以上兩者之間[18]。

4.1.4 溫度

溫度是控制磁鐵礦中某些元素分配的因素之一。例如在巖漿系統(tǒng)中，磁鐵礦中的Al和Ti明顯正相關(guān)于溫度[19]。在熱液系統(tǒng)中，Ti和Al也表現(xiàn)出與溫度一定的正相關(guān)性，但往往熱液磁鐵礦受控于更多其他因素，而且在礦床尺度范圍類，磁鐵礦元素含量變化范圍可達(dá)數(shù)量級大小[17]。此外，統(tǒng)計規(guī)律顯示Ti+V、Al+Mn、Sn以及Ga也呈現(xiàn)出與溫度的正相關(guān)性[20]。另外，Ilton and Eugster (1989)實驗研究表明Cu、Zn、Mn傾向于富集于溫度較低的熱液中。LA-ICP-MS 分析結(jié)果顯示，錢村鐵礦床中塊狀和角礫狀磁鐵礦具有最高的Ti+V，且Sn、Ga 含量也相對較高，顯示這兩種類型礦石形成時的溫度相對較高（圖6）。

綜上所述，錢村鐵礦床磁鐵礦元素組成主要受控于水巖相互作用、共生礦物組合、流體的氧逸度及流體溫度，不同類型礦石形成時流體的物化條件不同。

4.2 礦床成因探討

大量研究表明，磁鐵礦微量元素組成，如Ni、Cr、Al、Mn、Ti、V、Ca、Si、Mg等，可以用來識別礦床成因[21]。在Ti-Ni/Cr 圖解上（圖7a），錢村礦床磁鐵礦大多落于熱液磁鐵礦區(qū)域，少量落于巖漿磁鐵礦區(qū)域，可能反映其流體具有一定的巖漿來源。在Ti+V-Al+Mn圖解上（圖7b），不同類型磁鐵礦的投點(diǎn)區(qū)域跨度較大，其中塊狀磁鐵礦均落于斑巖型礦床區(qū)域，浸染狀磁鐵礦均落于矽卡巖型礦床區(qū)域，角礫狀與脈狀磁鐵礦主要落于BIF、IOCG及矽卡巖型礦床的相交區(qū)域。這些特征說明錢村鐵礦既不同于斑巖型礦床（形成溫度較高），也不同于矽卡巖型礦床（發(fā)生廣泛的水巖反應(yīng)作用）。寧蕪地區(qū)接觸交代式鐵礦十分發(fā)育，而綜合錢村鐵礦礦石特征，本文認(rèn)為錢村鐵礦為一中高溫?zé)嵋航佑|交代礦床。大量落于斑巖型礦床區(qū)域的塊狀磁鐵礦可能指示該區(qū)具有一定的銅金礦床的成礦潛力。

圖7 磁鐵礦成因判別圖解a.Ti-Ni/Cr圖解；b.Ti+V-Al+Mn圖解Figure 7.Genetic discrimination diagram of magnetite：(a) Ti-Ni/Cr diagram；(b) Ti+V-Al+Mn diagram

5 結(jié)論

根據(jù)礦石產(chǎn)出特征，錢村鐵礦床中磁鐵礦礦石可分為四種類型，塊狀、浸染狀、脈狀及角礫狀，不同類型磁鐵礦主要微量元素分析結(jié)果顯示：不同產(chǎn)狀磁鐵礦具有不同的微量元素組成，但總體分布趨勢相似，說明其流體來源相同。磁鐵礦沉淀時的水巖作用程度、溫度、氧逸度以及共生礦物組成影響了不同類型磁鐵礦的化學(xué)組成，同時也說明磁鐵礦沉淀于物理化學(xué)條件不穩(wěn)定的流體環(huán)境。通過磁鐵礦的成因判別圖解，本文認(rèn)為錢村鐵礦為一巖漿熱液中高溫型接觸交代式礦床，而大量落于斑巖型礦床區(qū)域的塊狀磁鐵礦，可能指示本區(qū)具有一定的銅金礦床的成礦潛力。