邯邢地區(qū)綦村閃長質(zhì)雜巖體中磁鐵礦的成因礦物學(xué)研究

金雅楠，張聚全，梁 賢，李 清，吳偉哲，范琳琳，白富生，文金芳

河北地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050031

0 引言

磁鐵礦是鐵的主要存在形式，常以副礦物的形式廣泛存在于三大類巖石之中，其中鐵元素常以變價形式存在[1-7]。通過前人大量的工作研究表明，磁鐵礦的成分和結(jié)構(gòu)可以良好的反應(yīng)成礦的溫度和氧逸度[3,7,8-12]，同時也是氧化還原過程中重要的調(diào)節(jié)劑、緩沖劑，對巖石的氧化還原特征具有指示性意義。因此，對于磁鐵礦成分的研究可以直接反應(yīng)巖漿氧化還原反應(yīng)特性，與成巖成礦過程密切相關(guān)，我們可以通過氧逸度的計算來判定巖漿的成因、演化和巖漿熱液成礦[13-20]。

冀南邯邢地區(qū)是我國重要的大型矽卡巖型鐵礦富集區(qū)，其礦床規(guī)模大，礦石品位高，是中國富鐵礦石的重要來源。前人對白澗和西石門等鐵礦的成因方面做過詳細(xì)的研究和討論，并建立相關(guān)的成礦模型，但在仍未從根本上解決邯邢式鐵礦的成因問題，鐵礦成礦過程和物質(zhì)來源等問題仍存在諸多爭議[21-24]。綦村巖體是邯邢地區(qū)一個重要的成礦巖體，其中賦存了大中小型礦床11個。本次研究在詳細(xì)巖相學(xué)觀察的基礎(chǔ)上，較為系統(tǒng)地對綦村巖體中不同巖性中的磁鐵礦及與磁鐵礦共生的鈦鐵礦進行了電子探針成分分析，并應(yīng)用成因礦物學(xué)方法分析了磁鐵礦的成分標(biāo)型特征，使用Lepage等[25]制作的EXCEL表格進行氧逸度計算，獲得有關(guān)巖漿氧逸度的信息[26]，從而探討了邯邢式鐵礦的成因與成礦過程。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

邯邢地區(qū)位于華北克拉通中部太行山南段，其中矽卡巖型鐵礦廣泛分布，東側(cè)是太行山山前斷裂，西側(cè)為西柏峪深大斷裂帶[27,28]。由于受到西北部贊皇隆起的控制，區(qū)域內(nèi)地層由西北向東南傾伏，本區(qū)地層從老到新依次為太古宙贊皇群，中元古代長城系，早古生代的寒武系和奧陶系，晚古生代的石炭系和二疊系，中生代三疊系以及新生代地層，控礦地層主要是奧陶統(tǒng)馬家溝組碳酸鹽巖[29](圖1)。邯邢地區(qū)自西向東分布著八個主要巖體，按照其空間位置可劃分為西部、中部和東部3大巖漿巖帶，其中西部巖漿巖帶主要為符山巖體；中部主要為綦村巖體、礦山巖體、武安巖體和固鎮(zhèn)巖體，東部主要為新城巖體、鼓山巖體和洪山巖體[30]，其中中部為邯邢地區(qū)主要的成礦帶，綦村巖體位于中部巖漿帶的北端。

圖1 邯邢地區(qū)區(qū)域構(gòu)造示意圖(修改自Zhang 等，2015[31])

2 綦村巖體地質(zhì)特征

綦村礦田位于邯邢成礦區(qū)北部，受到構(gòu)造巖漿隆起的控制，隆起區(qū)出露巖體主要為角閃閃長巖和閃長巖，區(qū)域斷裂的走向主要為NE、SN、NNE、NWW—NW。綦村巖體分布范圍廣，地質(zhì)特征復(fù)雜，東起柳莊南至馬莊，西邊可達(dá)賈莊、北邊延伸至大沙河，分布面積約有40 km2(圖2)。本次研究為圖2所示的4個采樣點，分別對其中磁鐵礦單礦物以及磁鐵礦—鈦鐵礦共生礦物對進行成分分析，并進行了成因礦物學(xué)研究。

圖2 綦村巖體地質(zhì)圖(修改自Deng 等,2015[32])

3 巖相學(xué)特征

本次對邯邢地區(qū)綦村巖體的主要巖石類型進行巖相學(xué)分析，主要包括斑狀黑云母輝石角閃閃長巖、閃長巖、二長巖、石英二長巖、黑云母閃長巖和輝石角閃閃長玢巖。

樣品ST17-2-1a的巖性為斑狀黑云母輝石角閃閃長巖，巖石呈灰黑色，似斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造(圖3a)。其主要礦物為斜長石和角閃石，次要礦物為輝石和黑云母，副礦物為磁鐵礦。斜長石呈灰白色粒狀，含量較高，可達(dá)到60%左右；角閃石斑晶呈長柱狀，含量在30%左右，其斑晶顏色、形態(tài)清晰可見。輝石含量約5%；在單偏光鏡下黑云母呈棕褐色，含量在5%左右，粒徑大小為0.2×0.3 mm～0.5×1 mm，角閃石顆粒大小為0.1×0.2 mm～1×2.5 mm。

樣品ST17-6-4d的巖性為閃長巖，顏色呈深灰色，具中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造(圖3b)。主要礦物為斜長石和角閃石，次要礦物為輝石、黑云母和少量石英等。其中斜長石呈灰白色，粒徑小，含量在65%左右；角閃石呈長柱狀，含量為30%，在正交偏光鏡下可以清楚觀察到解理，粒徑0.3×0.4 mm～1×3 mm，石英呈它形充填其中，含量<5%。

樣品ST17-1-3a的巖性為二長巖，顏色呈現(xiàn)出淺灰紅色，具有粒狀結(jié)構(gòu)和似斑狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)造則以塊狀構(gòu)造為主(圖3c)。主要礦物斜長石和鉀長石，二者含量大致相等，并含有少量石英。其中斜長石自形程度較好約占40%，鉀長石占50%左右；暗色礦物則以角閃石和黑云母為主，角閃石大小為0.1×0.2 mm～0.4×0.5 mm，含量<10%。

樣品ST17-1-6的巖性為石英二長巖，礦物種類、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等都與二長巖相似，石英含量相對較高(>5%)，是一種向花崗巖過度的巖石類型(圖3d)。

樣品ST17-1-1a的巖性為黑云母閃長巖，顏色呈灰白色，具有半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造(圖3e)。主要礦物為斜長石和角閃石，次要礦物為黑云母、輝石和少量的石英，副礦物以磁鐵礦為主。斜長石含量約65%，角閃石粒徑為0.1 mm×0.2 mm，含量約占25%，黑云母、輝石含量<5%。

樣品ST17-1-4a的樣品巖性為輝石角閃閃長玢巖，顏色以灰黑色為主，具有斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造(圖3f)。主要礦物為斜長石、角閃石和輝石，次要礦物為黑云母、石英等。圖中斜長石具有明顯的聚片雙晶，自形程度好，含量在60%左右；角閃石約占25%；輝石大小為0.1 mm×0.5 mm，含量約10%。石英含量<5%，副礦物為磁鐵礦。

Mag-磁鐵礦；Ilm-鈦鐵礦；Amp-角閃石；Bi-黑云母；Pl-斜長石；Kf-鉀長石；Qtz-石英；Px-輝石 a-斑狀黑云母輝石角閃閃長巖(單偏光)；b-閃長巖(正交偏光)；c-二長巖(正交偏光)；d-石英二長巖(正交偏光)；e-黑云母閃長巖(正交偏光)；f-輝石角閃閃長玢巖(正交偏光)；g-石英二長巖磁鐵礦-鈦鐵礦背散射圖像；h-黑云母閃長巖磁鐵礦-鈦鐵礦背散射圖像；i-角閃閃長巖磁鐵礦-鈦鐵礦背散射圖像

圖3g～3i分為樣品ST17-1-6、樣品ST17-1-1d和樣品ST17-2-3a的背散射圖像，鏡下可以清楚地觀察到樣品中磁鐵礦—鈦鐵礦礦物對的共生關(guān)系。其中磁鐵礦的自形程度較高，顆粒較大，以自形—半自形為主，在背散射下礦物顏色呈現(xiàn)出亮灰色，礦物表面較光滑，含有不規(guī)則裂紋，部分磁鐵礦表面發(fā)育有微小孔洞現(xiàn)象；鈦鐵礦顏色為淺灰色，呈條狀或片狀分布于磁鐵礦的裂理中。磁鐵礦顆粒大小為0.04×0.05 mm～0.06×0.08 mm。

4 結(jié)果

本次研究對綦村巖體中的磁鐵礦—鈦鐵礦礦物以及磁鐵礦單礦物進行電子探針分析(表略，備索)。此次實驗是在河北地質(zhì)大學(xué)電子探針實驗室進行的，儀器的型號為JEOL-JXA-8230，具體的工作環(huán)境為：加速電壓15 KV，探針電流為20 nA，束斑的直徑為5 μm。

4.1 磁鐵礦

磁鐵礦是綦村巖體中常見的副礦物之一，具有他形粒狀結(jié)構(gòu)，粒徑為0.1～0.4 mm，自形程度較高。背散射下礦物顏色呈亮灰色，周圍分布角閃石和黑云母，常與鈦鐵礦共生(圖4)。共生礦物對中磁鐵礦w(FeO)81.5%～90.64%，平均86.07%；w(SiO2)0～0.86%，平均0.43%；w(TiO2)0.08%～0.58%，平均0.36%；w(Al2O3)0.01%～0.27%，平均0.28%；w(MnO)0.02%～0.43%，平均0.23%；w(MgO)0～0.51%，平均0.26%；w(CaO)0～1.5%，平均0.75%；w(Cr2O3)0～4.98%，平均0.68%；w(V2O3)0.25%～0.44%，平均0.35%；Na2O、K2O、NiO的平均含量都小于0.1%。

圖4a：Ⅰ-沉積變質(zhì)—接觸交代磁鐵礦；Ⅱa-超基性—基性—中性巖漿磁鐵礦；Ⅱb-酸性—堿性巖漿磁鐵礦[34]；灰色標(biāo)識數(shù)據(jù)來自文獻[36]

4.2 鈦鐵礦

鈦鐵礦在背散射下呈淺灰色，多以片狀、板狀分散于磁鐵礦之中(圖4)。w(FeO)2.24%～61.54%，平均31.89%；w(SiO2)0～30.63%，平均15.32%；w(TiO2)25.97%～50.9%，平均38.44%；w(Al2O3)0～2.55%，平均1.28%；w(MnO)0～10.35%，平均5.18%；w(MgO)0～8.02%，平均4.01%；w(CaO)0.01%～27.94%，平均10.98%；w(Na2O)0～0.07%，平均0.04%；w(K2O)為0～0.07%，平均0.04%；w(Cr2O3)0～0.34%，平均0.17%；w(NiO)0～0.06%，平均0.03%；w(V2O3)0～2.55%，平均1.28%。

5 討論

5.1 磁鐵礦的成因類型

徐國風(fēng)[33]通過對磁鐵礦成分特征進行統(tǒng)計，總結(jié)出了不同類型礦床中磁鐵礦的主、微量元素特征，后有學(xué)者[34-36]根據(jù)TiO2、Al2O3、MgO、MnO的含量建立了相應(yīng)的磁鐵礦成因判別圖解。本次將綦村地區(qū)相關(guān)磁鐵礦樣品數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的投圖，其中白澗礦床數(shù)據(jù)為前人所獲[37]，投圖結(jié)果可見圖4。

從圖4a中可看出大部分磁鐵礦都落點于酸性—堿性巖漿磁鐵礦區(qū)域內(nèi)，黑云母角閃閃長巖和閃長巖落于超基性—基性—中性巖漿磁鐵礦區(qū)域內(nèi)，有個別點落于沉積變質(zhì)—接觸交代磁鐵礦區(qū)。磁鐵礦作為副礦物，本應(yīng)落點于超基性—基性—中性巖漿區(qū)域，投圖結(jié)果卻顯示大部分為酸性—堿性磁鐵礦，表明磁鐵礦結(jié)晶較晚，其結(jié)晶的時期為巖漿分異晚期的熱液階段到巖漿熱液的過渡階段，所以特征與酸性—堿性巖漿熱液階段的磁鐵礦相似；圖4b顯示大部分磁鐵礦落點于花崗巖區(qū)，個別點落于輝長巖區(qū)、閃長巖區(qū)和與超基性巖有關(guān)的碳酸鹽區(qū)。但投圖顯示的花崗巖區(qū)與實際為閃長巖中的磁鐵礦不相符，可能與磁鐵礦結(jié)晶較晚有關(guān)，其巖性特征向酸性巖過渡；圖4c表明磁鐵礦主要落于副礦物型區(qū)域內(nèi)，小部分落在了巖漿型、火山型和沉積變質(zhì)性區(qū)域，說明綦村巖體中的磁鐵礦主要以副礦物的形式存在。白澗地區(qū)巖體磁鐵礦具有相同的特征，而礦體中磁鐵礦則主要落點于沉積變質(zhì)—接觸交代型磁鐵礦區(qū)域內(nèi)。

在投圖過程中發(fā)現(xiàn)綦村巖體中輝石閃長巖樣品之間存在不同，整體分布上與其它綦村地區(qū)樣品有明顯差異。據(jù)圖4a～4c投圖顯示，部分輝石閃長巖與白澗地區(qū)接觸帶磁鐵礦具有相同的成分特征，表明區(qū)域內(nèi)輝石閃長巖可能是成礦母巖。

5.2 磁鐵礦的形成條件

磁鐵礦是氧化還原過程中重要的調(diào)節(jié)劑、緩沖劑，對巖石的氧化還原特征具有指示性意義。溫度和氧逸度是控制鐵礦形成環(huán)境的關(guān)鍵因素[21]。早在20世紀(jì)60年代初，有國內(nèi)外學(xué)者把Fe-Ti氧化物作為氧逸度計，并在火成巖和變質(zhì)巖中得到廣泛應(yīng)用，如：Anderson、Carmichael、Lindsley、Stormer、Spencer和Powell等人提出并改進磁鐵礦—鈦鐵礦共生礦物對氧逸度的計算方法[38-44]。現(xiàn)如今Lepage等詳細(xì)的總結(jié)了前人的研究成果，并制作了相應(yīng)的EXCEL計算表格，得到學(xué)者們廣泛運用[25]。

本次選取邯邢地區(qū)綦村巖體中磁鐵礦—鈦鐵礦礦物對進行成分分析(表略，備索)，利用Lepage等制作的鐵鈦氧化物溫度—氧逸度EXCEL表格來計算形成時的溫度和氧逸度，用于投圖的為各種計算方法的平均值。從圖5中可以看出幾乎所有磁鐵礦分布于MH和NNO緩沖線之間，有極個別超過MH緩沖線，都為高氧逸度巖石。前人在研究本區(qū)域鐵礦成礦過程發(fā)現(xiàn)成礦巖體具有高鎂特征，高氧逸度的成礦流體在交代富鎂碳酸鹽過程中產(chǎn)生鐵質(zhì)沉淀可形成磁鐵礦床。因此，高氧逸度是控制成巖成礦的關(guān)鍵因素[43]。

MH為Fe2O3-Fe3O4緩沖劑的緩沖線；NNO為Ni-NiO緩沖劑的緩沖線；FMQ為Fe2SiO4-Fe3O4-SiO4緩沖劑的緩沖線；WM為FeO-Fe3O4緩沖劑的緩沖線；IW為Fe-FeO緩沖劑的緩沖線，IQF為Fe-SiO2-FeSiO4緩沖劑的緩沖線

對區(qū)域內(nèi)7種不同巖石類型對比研究發(fā)現(xiàn)，斑狀閃長巖具有較高的溫度和氧逸度，黑云母閃長巖中的磁鐵礦—鈦鐵礦礦物對的溫度和氧逸度較前者稍低，大部分的石英二長巖、角閃閃長巖、斑狀石英角閃閃長巖和輝石閃長巖中的磁鐵礦—鈦鐵礦溫度和氧逸度較前兩者低。整體呈現(xiàn)出從斑狀閃長巖—黑云母角閃閃長巖—輝石閃長巖—角閃閃長巖磁鐵礦—鈦鐵礦的平衡溫度依次降低，并且氧逸度也伴隨降低的趨勢。

5.3 不同巖性磁鐵礦成分對比

對邯邢地區(qū)綦村巖體中不同巖性磁鐵礦的化學(xué)成分進行對比研究，選取磁鐵礦中的主要特征組分TiO2、V2O3、Al2O3、MnO進行協(xié)變投圖(圖6)。

TiO2：通過圖6a可以觀察到本區(qū)TiO2的含量主要集中分布在0.2～0.6wt.%，其中輝石閃長巖中TiO2的分布表現(xiàn)出較大的差異，分別位于0～0.2wt.%的較低區(qū)間和0.5～0.8wt.%的較高區(qū)間。Ti含量的高低對成礦溫度具有一定的指示作用，表明二者可能為不同期次形成的。

圖6 不同巖性磁鐵礦成分對比

V2O3：根據(jù)圖6b可以看出閃長巖中V2O3的含量與其他巖性相比具有較高成分特征，其次為黑云母角閃閃長巖和輝石角閃閃長玢巖，存在區(qū)間分別為0.5～0.7wt.%和0.45～0.6wt.%，輝石閃長巖樣品中V2O3的含量分布相對分散，剩余其他巖性V2O3的含量主要分布在0.25～0.45wt.%之間，平均含量為0.34wt.%。

Al2O3：圖6c中可以看出除個別輝石閃長巖樣品外，其余巖性Al2O3的含量分布集中，區(qū)間為0～0.5wt.%之間，平均含量為0.17wt.%。

MnO：圖6d中可以觀察到個別斑狀石英角閃閃長巖MnO含量高，其次為輝石閃長巖，對應(yīng)在各個區(qū)間都有分布，彼此之間含量相差較多，剩余其他巖性和部分輝石閃長巖MnO的含量主要分布于0～0.15wt.%，平均為0.06wt.%。

綜上所述，我們發(fā)現(xiàn)，研究樣品中Ti的含量整體呈現(xiàn)出連續(xù)下降的趨勢，說明在成礦過程中溫度不斷降低，可能與成礦熱液運移相關(guān)，磁鐵礦有從巖漿型到熱液型的變化趨勢；根據(jù)徐國風(fēng)等對磁鐵礦標(biāo)性特征研究表明，TiO2、V2O3、Al2O3、MnO組分整體表現(xiàn)為在基性巖和超基性巖中的含量要高于堿性巖，可能與具有較高的形成溫度、類質(zhì)同象作用有關(guān)[31]。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)圖5投圖結(jié)果表明，綦村巖體中的磁鐵礦整體具有典型的副礦物型磁鐵礦特征，部分樣品顯示出從副礦物型到矽卡巖型礦床過渡的趨勢。但是在輝石閃長巖樣品中有部分樣品與其他樣品存在明顯差異，經(jīng)過投圖對比發(fā)現(xiàn)與白澗地區(qū)接觸帶磁鐵礦具有相同成分特征，可能為成礦母巖。

(2)由于磁鐵礦—鈦鐵礦礦物對氧逸度計算結(jié)果更接近于巖石的真實氧逸度，用于進一步研究成巖和成礦過程中氧逸度的大小，從而確定巖石的氧逸度。結(jié)果表明，溫度分布區(qū)間為522.1℃～700.7℃，氧逸度區(qū)間為-21.23～-14.6。根據(jù)圖6顯示，幾乎所有的磁鐵礦分布在NNO和MH緩沖線之間，說明為高氧逸度巖石，高氧逸度的巖漿在結(jié)晶分異過程中更有利于成礦。

(3)根據(jù)不同巖性磁鐵礦TiO2含量對比顯示，主要分布在0.2～0.6wt.%，整體上呈現(xiàn)出連續(xù)變化趨勢，說明成礦過程中溫度不斷降低，可能與成礦熱液運移相關(guān)，磁鐵礦有從巖漿型到熱液型的變化趨勢。