豫西盧氏張家山鐵礦成礦模式及礦床成因研究

關(guān)會(huì)明，石偉民，覃初禮

(1．廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，廣西 南寧 530023；2．中國(guó)-東盟地學(xué)合作中心(南寧)，廣西 南寧 530023)

0 引言

張家山鐵礦床是位于盧氏—欒川Fe-Mo-W-Pb-Zn成礦帶上新發(fā)現(xiàn)的1個(gè)褐鐵礦床，前人對(duì)其礦床地質(zhì)、礦體特征、礦石礦物及元素富集都做過(guò)較為詳盡的研究[1-2]，但對(duì)其礦床成因爭(zhēng)議較大，一種認(rèn)為是中低溫?zé)嵋撼梢虻蔫F多金屬硫化物經(jīng)風(fēng)化淋濾形成[2]，一種認(rèn)為是海相沉積—風(fēng)化淋濾成因[1]。本文通過(guò)詳細(xì)的野外地質(zhì)勘查，結(jié)合元素富集特征、礦物賦存狀態(tài)及成礦物質(zhì)來(lái)源等方面研究，判斷成礦環(huán)境及鐵礦形成過(guò)程，對(duì)其成因進(jìn)行客觀的認(rèn)識(shí)，并在其基礎(chǔ)上建立成礦模式和找礦方向研究。

1 礦區(qū)地質(zhì)背景

礦區(qū)內(nèi)出露地層主要包括中元古界官道口群巡檢司組、杜關(guān)組、白術(shù)溝組和龍家園組，震旦系東坡組和第四系(圖1)。巡檢司組分布在礦區(qū)北部張家山—中廟溝腦—后河—黃嶺頭一帶，為一套碳酸鹽巖系，主體為白云巖和燧石條帶、燧石條帶、燧石層規(guī)律重復(fù)；杜關(guān)組主要巖性為一套碳酸鹽巖夾碎屑沉積建造，巖性以灰色、灰白色、灰褐色板狀、千枚狀絹云石英白云巖、白云質(zhì)大理巖、夾絹云白云石千枚巖、炭質(zhì)絹云千枚巖及變質(zhì)粉砂巖；白術(shù)溝組主要為一套細(xì)碎屑巖沉積巖系，巖性為炭質(zhì)千枚巖、絹云千枚巖、粉砂質(zhì)板巖等。震旦系東坡組為礦區(qū)鐵礦床主要賦礦層位，主要為一套細(xì)碎屑巖沉積巖系(或稱(chēng)黑色巖系)，其巖性為變質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖、千枚狀板巖、絹云千枚巖、含褐鐵絹云千枚巖、炭質(zhì)千枚巖夾有中厚層白云質(zhì)灰?guī)r透鏡體。

圖1 張家山鐵礦區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional and geological map of Zhangjiashan iron deposit1—第四系 2—震旦系東坡組 3—巡檢司組 4—龍家園組 5—白術(shù)溝組6—地質(zhì)界線(xiàn) 7—斷層 8—推測(cè)斷層 9—花崗斑巖 10—鐵礦體

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，由西向東，大致可以分為兩組：NWW向斷裂和NNW向斷裂，以NWW向?yàn)橹?圖2)。礦區(qū)褶皺構(gòu)造非常發(fā)育，受區(qū)內(nèi)馬超營(yíng)斷裂帶影響，各類(lèi)向斜、背斜、倒轉(zhuǎn)向斜和倒轉(zhuǎn)背斜發(fā)育。曹新志等對(duì)區(qū)內(nèi)做了系統(tǒng)研究[1]，認(rèn)為張家山礦區(qū)控礦構(gòu)造格架為“兩向夾一背”的倒轉(zhuǎn)復(fù)式向形，鐵礦體與地層同步倒轉(zhuǎn)褶皺，并且在倒轉(zhuǎn)褶皺的轉(zhuǎn)折端虛脫部位使沉積鐵礦層加厚，有利鐵礦質(zhì)進(jìn)一步富集成礦。

圖2 張家山礦區(qū)地質(zhì)略圖Fig.2 Geological sketch map of Zhangjiashan mining area1—第四系全新統(tǒng) 2—震旦系東坡組 3—官道口群杜關(guān)云組 4—官道口群巡檢司組 5—地質(zhì)界線(xiàn) 6—斷層 7—礦體位置及編號(hào)

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 礦體特征

張家山礦段共目前發(fā)現(xiàn)主要有5個(gè)礦體，其中301、302、303號(hào)礦體規(guī)模較大，其他規(guī)模較小。礦體主要以似層狀、層狀、蜂窩狀產(chǎn)出在白術(shù)溝組含炭質(zhì)千枚巖、含炭質(zhì)千枚狀板巖和千枚狀變質(zhì)粉砂巖中(圖3)。礦體走向主要為NNW向產(chǎn)出，產(chǎn)狀受地層、斷裂及褶皺構(gòu)造綜合控制。礦體厚度為0.8～11.5 m，變化較大，沿走向連續(xù)性較差。

圖3 張家山礦床303號(hào)鐵礦體第27勘探線(xiàn)剖面示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[3])Fig.3 Schematic section map of iron orebody 303# along prospecting line No.27 in Zhangjiashan deposit[3]

301、302、303號(hào)3條礦體位于⑥號(hào)倒轉(zhuǎn)褶皺的兩翼，走向上連續(xù)性差，鐵礦化較好。賦礦圍巖主要為千枚狀板巖、粉砂質(zhì)板巖，礦體與圍巖呈漸變接觸關(guān)系。301號(hào)礦體總體走向113°，傾角52°，沿走向長(zhǎng)約200 m，真厚度為0.88～2.84 m；w(TFe)為15.95%～51.34%，w(Mo)為0.027%～0.104%。302礦體總體走向113°，厚度變化較大，真厚度為0.90～11.48 m，平均厚5.60 m，傾向上礦體延伸100～180 m，主要呈透鏡狀、厚層狀。303鐵礦體長(zhǎng)度約400 m，真厚度為1.10～9.32 m，平均厚5.51 m，沿傾向延伸200～370 m，呈透鏡狀和厚層狀，走向110°。

2.2 礦石礦物特征

本次對(duì)采自礦區(qū)302號(hào)礦體的8件鐵礦石樣品，進(jìn)行鏡下鑒定、XRD及電子探針等工作(圖4)，礦石礦物組成主要為褐鐵礦、針鐵礦、赤鐵礦和少量黃鐵礦，非金屬礦物主要有石英、方解石、絹云母、白云母、高嶺石及少量滑石、蛭石、伊利石和綠泥石等。

圖4 張家山鐵礦褐鐵礦礦石XRD譜圖Fig.4 XRD spectrum diagram of limonite ore in Zhangjiashan deposit

礦石結(jié)構(gòu)類(lèi)型較多，主要以膠狀結(jié)構(gòu)為主，其次為鮞狀結(jié)構(gòu)、鱗片狀結(jié)構(gòu)、紋層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、交代殘余結(jié)構(gòu)、網(wǎng)脈狀結(jié)構(gòu)、揉皺結(jié)構(gòu)和假象結(jié)構(gòu)等，鏡下主要礦石結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。礦石構(gòu)造主要包括了層狀(圖5a)、致密塊狀(圖5b)、角礫狀(圖5c)和塊狀構(gòu)造(圖5d)，礦化較好的部分集中發(fā)育在破碎帶中，可能發(fā)生重新膠結(jié)，產(chǎn)生了角礫狀、塊狀、骨架狀結(jié)構(gòu)礦石及土狀結(jié)構(gòu)。

圖5 張家山鐵礦床礦石特征Fig.5 Ore characteristics in Zhangjiashan iron deposit(a)層狀礦石 (b)致密塊狀礦石 (c)角礫狀礦石 (d)塊狀礦石

3 礦床地球化學(xué)特征

張家山褐鐵礦石主量元素、微量元素和稀土元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)：

表1 張家山褐鐵礦石主量元素、微量元素和稀土元素分析結(jié)果Table 1 Analysis data of major， trace and rare earth elements of limonite ores in Zhangjiashan deposit

1)主量元素：工作區(qū)褐鐵礦石中w(SiO2)的變化范圍為2.86%～45.65%，平均值為9.82%；w(Al2O3)的變化范圍為0.54%～11.47%，平均值為3.41%；w(Fe2O3)的變化范圍為14.66%～60.55%，平均值為42.25%；w(FeO)的變化范圍為0.06%～0.53%，平均值為0.11%；w(CaO)的變化范圍為0.72%～44.03%，平均值為22.90%；w(MgO)的變化范圍為0.35%～2.17%，平均值為0.98%；w(Na2O)的變化范圍為0.03%～0.14%，平均值為0.05%；w(K2O)的變化范圍為0.02%～3.89%，平均值為0.85%；w(TiO2)的變化范圍為0.01%～0.57%，平均值為0.12%；w(MnO)的變化范圍為0.05%～1.99%，平均值為0.52%；w(P2O5)的變化范圍為0.32%～4.04%，平均值為1.76%；SiO2/Al2O3比值變化范圍在0.92～6.26之間，平均比值為2.97，其比值一般較低(一般小于4)。LOI值為5.25%～29.37%，平均值為17.46%，表明褐鐵礦石中炭質(zhì)含量可能較高。

2)微量元素：由圖6a可見(jiàn)，褐鐵礦石的微量元素富集大離子親石元素U，虧損Nb、Ti等元素。(Ni/Co)N比值為6.95～236.48，遠(yuǎn)大于3，可以認(rèn)為其為陸源沉積型鐵礦[4]。(V/Cr)N比值為0.04～82，圍巖的(V/Cr)N比值為0.9～5.95，可以發(fā)現(xiàn)大部分炭質(zhì)千枚狀板巖形成于貧氧或缺氧環(huán)境，但有部分也指示出了富氧和次富氧環(huán)境。(U/Th)N比值為0.48～59.50，變化系數(shù)均較大，氧化環(huán)境、貧氧環(huán)境和缺氧環(huán)境都有出現(xiàn)，認(rèn)為當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境變化較大，反映炭質(zhì)千枚狀板巖和鐵礦石具有相同的物質(zhì)來(lái)源和沉積環(huán)境。礦區(qū)含炭質(zhì)千枚巖中該比值大多數(shù)均小于1，顯示為正常海水沉積特征[1，5]；礦石僅有1個(gè)樣品大于l，其余均小于l，顯示為正常海水沉積特征。V/(V+Ni)比值為0.01～0.75，大部分小于0.46，少部分大于0.57，形成環(huán)境可能以氧化環(huán)境為主，靜海和缺氧環(huán)境次之，推測(cè)鐵礦原生礦物可能以氧化環(huán)境的褐鐵礦或赤鐵礦為主，還原環(huán)境的黃鐵礦次之[6]。

3)稀土元素：由圖6b可見(jiàn)，含量相對(duì)較低，按照褐鐵礦石稀土元素特征，將其分為a類(lèi)和b類(lèi)。

圖6 張家山褐鐵礦石微量元素原始地幔蛛網(wǎng)圖(a)與稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖(b)(據(jù)文獻(xiàn)[7])Fig.6 Spider diagram of primitive mantle-normalized trace elements (a) andchondrite-normalized REE distribution pattern map (b) of limonite ores in Zhangjiashan deposit

a類(lèi)：相對(duì)于b類(lèi)有較小的ΣREE值，w(ΣREE)的變化范圍為9.09×10-6～21.11×10-6，平均值為14.25×10-6；w(LREE)為6.90×10-6～15.11×10-6，平均值為10.84×10-6；w(HREE)為2.19×10-6～6×10-6，平均值為3.40×10-6；LREE/HREE比值為2.1～3.36。δEu值介于0.58～1.38之間，負(fù)異常較明顯。

b類(lèi)：相對(duì)于a類(lèi)有較大的ΣREE值，w(ΣREE)的變化范圍為54.72×10-6～184.87×10-6，平均值為132.75×10-6；w(LREE)為45.32×10-6～159.09×10-6，平均值為103.96×10-6；w(HREE)為9.4×10-6～51.20×10-6，平均值為28.79×10-6；LREE/HREE比值在4.4～6.17之間，輕稀土相對(duì)富集。

4 討論

4.1 礦床成因

通過(guò)研究礦區(qū)和礦體地質(zhì)特征、礦石礦物特征、礦床地球化學(xué)特征及元素富集和賦存狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)礦體賦礦圍巖主要為東坡組，礦體主要呈層狀、似層狀賦存在炭質(zhì)千枚狀板巖，該套地層上部間夾有白云質(zhì)灰?guī)r，表明其沉積環(huán)境應(yīng)以靜海還原為主，但局部地區(qū)應(yīng)有海平面動(dòng)蕩活動(dòng)發(fā)生；馬超營(yíng)斷裂帶對(duì)礦區(qū)構(gòu)造變形作用明顯，該斷裂帶在中生代燕山期強(qiáng)烈的擠壓逆沖活動(dòng)，對(duì)東坡組發(fā)生的強(qiáng)烈的擠壓變形作用，形成大量的向斜、背斜、倒轉(zhuǎn)向斜和倒轉(zhuǎn)背斜，同時(shí)在褶皺的轉(zhuǎn)折段礦體明顯加厚，富集，說(shuō)明區(qū)域構(gòu)造對(duì)礦體形成有一定的控制作用；礦石礦物組成相對(duì)簡(jiǎn)單，主要為褐鐵礦、赤鐵礦和針鐵礦；礦石元素組合復(fù)雜，除Fe以外，Mo、Cd、Zn、Ni、Se、V、Ga、U、P和Sb等元素富集，尤其是Mo、Cd、Zn、Ni、Se、V和U都已達(dá)到邊界品位，甚至最低工業(yè)品位。

另外，褐鐵礦石主要由SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3組成，元素含量變化較大。Al2O3、K2O和P2O5的含量通常用來(lái)判別鐵礦的物質(zhì)來(lái)源，陸源沉積型鐵礦通常富Al2O3(4.07%)、K2O(0.6%～1.34%)和P2O5(0.46%)，且w(SiO2)/w(Al2O3)<5、w(K2O)>w(Na2O)[8-10]。張家山鐵礦的Al2O3變化較大，除ZHY01-3中w(Al2O3)>4.07%，其他樣品均w(Al2O3)<4.01%；w(K2O)平均為0.85%；w(P2O5)平均為1.76%；w(SiO2)/w(Al2O3)比值大部分小于5，平均值為2.97；w(K2O)/w(Na2O)比值除DJL-2外，均≥1，平均值為12.81。以上特征可初步認(rèn)為張家山鐵礦物質(zhì)來(lái)源主要為陸源碎屑[11-12]，但可能有少量的海底火山物質(zhì)參與。微量元素和稀土元素特征表明，礦石的成礦物質(zhì)來(lái)自于陸源碎屑沉積，礦石的稀土元素及微量元素組成相對(duì)復(fù)雜，相對(duì)應(yīng)指示的褐鐵礦原始礦物并非只有黃鐵礦。因此通過(guò)本次研究認(rèn)為，張家山鐵礦床成因可歸于沉積—風(fēng)化淋濾型鐵礦。

4.2 成礦模式

成礦過(guò)程總體上可以分為兩期：原始沉積富集期和風(fēng)化淋濾成礦期，成礦模式見(jiàn)圖7。

圖7 張家山鐵礦成礦模式示意圖Fig.7 Metallogenic model map of Zhangjiashan iron deposit1—含黃鐵礦炭質(zhì)泥巖 2—含菱鐵礦泥巖夾灰?guī)r團(tuán)塊 3—炭質(zhì)板巖 4—大理巖 5—次級(jí)斷裂帶 6—鐵礦體

原始沉積富集期：原始沉積富集過(guò)程與成巖過(guò)程中，華北南緣古陸隆起和斷陷作用，羅圈期出現(xiàn)斷陷深切海盆沉積，出現(xiàn)快速海侵事件，由原先的淺海環(huán)境變成深海缺氧環(huán)境。在該環(huán)境下，來(lái)自南北兩側(cè)的陸源成礦物質(zhì)，如Fe、Mo、Ni等，在缺氧富硫以及有機(jī)物很多的環(huán)境下，鐵主要以膠狀黃鐵礦(少數(shù)為自形黃鐵礦)形式同生富集于黑色巖系(如炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖)中，同時(shí)大量的Mo、Cd、Zn、Ni、Se、V、Ga和U等元素以類(lèi)質(zhì)同相或離子吸附狀態(tài)富集于黃鐵礦、黏土質(zhì)礦物和炭質(zhì)中間。

風(fēng)化淋濾成礦期：真正意義上的張家山鐵礦床形成于該期，馬超營(yíng)斷裂帶在燕山期發(fā)生了強(qiáng)烈的擠壓逆沖過(guò)程，在礦區(qū)形成大量的褶皺、斷裂等構(gòu)造，使得原生鐵礦物由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)暴露在氧化環(huán)境中。后期富含硫的黃鐵礦及富含碳酸根的菱鐵礦在淋濾作用下氧化形成褐鐵礦，并使其在構(gòu)造破碎帶或褶皺轉(zhuǎn)折段等有利成礦部位再次富集變厚，最終成礦。

5 結(jié)論

1)張家山鐵礦石主要成分為褐鐵礦，針鐵礦、赤鐵礦和少量黃鐵礦；礦石結(jié)構(gòu)以膠狀結(jié)構(gòu)為主，礦石構(gòu)造主要包括了層狀、角礫狀和塊狀構(gòu)造。

2)張家山鐵礦主量、微量、稀土元素特征表明該礦床成礦物質(zhì)主要來(lái)自陸源碎屑，但可能有少量海底火山物質(zhì)參與，礦床成因?yàn)槌练e—風(fēng)化淋濾型鐵礦。

3)綜合研究認(rèn)為，張家山鐵礦成礦過(guò)程大致可以分為兩次，即原始沉積富集期和風(fēng)化淋濾成礦期。