豫北安林地區(qū)矽卡巖型鐵礦床硫和鉛同位素特征及其意義

郭大鵬，袁躍清，趙彥巧

(1.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450016；2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016)

0 引言

接觸交代型鐵礦床是我國主要的鐵礦床類型之一，且以富礦為主，約占全國富鐵礦儲量的50%[1]。河南省安林地區(qū)鐵礦區(qū)位于河南省北部，與河北省邯邢地區(qū)相接，是華北地區(qū)重要的接觸交代型(矽卡巖型)鐵礦基地，屬于邯邢式鐵礦，具有品位高、埋藏淺、礦石成分簡單、易加工的特點(diǎn)。雖然目前對邯邢式鐵礦進(jìn)行了大量的研究[2-3]，但是仍然存在一些關(guān)鍵的科學(xué)問題有待解決，如成礦作用與膏巖層的關(guān)系問題，提供了礦化劑還是改變了其物理化學(xué)條件導(dǎo)致鐵的遷移或沉淀[4]？鐵是來自于巖體還是地層中的硅鐵建造？總體上，相比于邯邢地區(qū)，安林地區(qū)矽卡巖鐵礦的研究程度較低，目前只有少數(shù)論文對該地區(qū)鐵礦的成因進(jìn)行了研究，而尚未對硫和鉛同位素進(jìn)行研究，這在很大程度上限制了研究者對成礦物質(zhì)來源的認(rèn)識。本文試圖通過對安林地區(qū)邯邢式鐵礦S、Pb同位素的研究，為成礦物質(zhì)來源以及膏巖層在鐵礦成礦過程中的作用提供重要信息。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于位于華北克拉通的中東部、太行山復(fù)背斜東翼南段[5](圖1)。區(qū)域地層主要為前寒武系登封群變質(zhì)巖基底以及不整合于前寒武系基底之上的寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)地層[6]。中奧陶統(tǒng)馬家溝組(O2m)碎屑巖-碳酸鹽巖地層與研究區(qū)矽卡巖鐵礦的成礦關(guān)系極為密切。除碳酸鹽巖和泥質(zhì)巖石外，該組地層中還有多層蒸發(fā)巖，組成厚度不等的韻律層，總厚度從幾十到百余米不等[7]。

圖1 華北克拉通邯邢式鐵礦分布略圖[4]

2 研究區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)內(nèi)岀露的地層由老至新有中太古界登封群、中元古界汝陽群、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系等。其中，中奧陶統(tǒng)馬家溝組第三段(O2m3)與第五段(O2m5)與鐵礦床關(guān)系極為密切。在中奧陶統(tǒng)馬家溝組第一段(O2m1)、第三段(O2m3)中下部及第四段(O2m4)角礫狀泥灰質(zhì)白云巖中廣泛分布有膏巖層。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造總體特征以斷塊隆升為主體構(gòu)造格局，以脆性斷裂為主，為隱伏-半隱伏斷裂。其中以天喜鎮(zhèn)-磊口NW向斷裂構(gòu)造巖漿巖帶最重要，控制了區(qū)內(nèi)的主要巖漿活動(dòng)和成礦作用。

區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育，同位素年齡為135～76 Ma，屬燕山中晚期產(chǎn)物[8-10]。以中性巖為主，堿性巖次之，超基性巖最少，巖漿巖受NW向斷裂控制，由NW向SE有從偏基性至偏堿性變化的趨勢。這種變化特征與邯邢地區(qū)巖體巖性空間變化特征一致[11]。

區(qū)內(nèi)巖漿巖在地表以長條形、橢圓形及近圓形為特征(圖2)。深部多為復(fù)雜的似層狀侵入體，主體產(chǎn)于中奧陶統(tǒng)底部，圍巖主要為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r，局部侵位至上二疊統(tǒng)的頂部。巖床底面平坦，頂面起伏較大[12]。

3 礦床地質(zhì)特征

安林地區(qū)鐵礦床是典型的矽卡巖型鐵礦床，礦床(點(diǎn))分布廣泛，已發(fā)現(xiàn)50余處，與巖體分布相一致，呈帶狀分布，可劃分為東、西兩個(gè)礦帶。東礦帶由李珍、泉門、下莊、楊家莊礦區(qū)組成；西礦帶由東冶、石村、晉家莊、東街礦區(qū)組成(圖2)。東礦帶以李珍鐵礦為代表，鐵礦體主要賦存于閃長玢巖與中奧陶統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r接觸帶的矽卡巖中，圍巖蝕變有矽卡巖化、大理巖化、綠泥石化等。西礦帶以東冶鐵礦為代表，鐵礦體賦存于閃長巖、角閃閃長巖與灰?guī)r接觸帶中(圖3、圖4)，礦化呈不連續(xù)帶狀分布，與接觸帶走向一致。

圖2 安林地區(qū)鐵礦床分布地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological sketch map of iron deposit distribution in Anlin area

圖3 李珍鐵礦磁鐵礦體與大理巖化灰?guī)r界線明顯Fig.3 The clear boundary between the magnetite orebody and marbled limestone in Lizhen iron deposit

圖4 南嶺鐵礦體位于閃長巖與灰?guī)r接觸帶Fig.4 Nanling iron orebody in the contact zone of diorite and limestone

安林地區(qū)矽卡巖鐵礦體產(chǎn)于閃長巖、閃長玢巖與中奧陶統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r的接觸帶中，礦體的形態(tài)和規(guī)模嚴(yán)格受接觸帶的控制，礦體厚度變化較大，大、中型礦床的礦體形態(tài)為似層狀、透鏡狀或扁豆?fàn)?圖5)，小型礦床的礦體形態(tài)多為叉狀、囊狀、楔狀等[13](圖6)。

圖5 泉門礦床5勘探線剖面示意圖Fig.5 Sectional sketch map of the prospecting line No.5 in Quanmen deposit1—第四系黃土 2—中奧陶統(tǒng)灰?guī)r 3—閃長巖 4—矽卡巖 5—磁鐵礦

圖6 吳家井礦床4勘探線剖面示意圖Fig.6 Sectional sketch map of the prospecting line No.4 in Wujiajing deposit1—大理巖 2—矽卡巖 3—閃長巖 4—閃長斑巖 5—磁鐵礦

礦石主要金屬礦物有磁鐵礦，次要金屬礦物有黃鐵礦、赤鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦，脈石礦物有石榴子石、透輝石、方解石、陽起石、綠泥石等。礦石結(jié)構(gòu)主要有自形、半自形、他形粒狀結(jié)構(gòu)等。礦石構(gòu)造有致密塊狀、條帶狀、浸染狀構(gòu)造。

區(qū)內(nèi)矽卡巖礦床的圍巖均有蝕變，蝕變程度與礦床規(guī)模有關(guān)，礦床規(guī)模越大，蝕變程度越強(qiáng)。圍巖蝕變種類繁多，主要有矽卡巖化、大理巖化，其次有綠泥石化、碳酸鹽化等。

從礦體到圍巖，金屬礦物組合、礦化蝕變和礦石構(gòu)造均呈現(xiàn)出分帶特征：金屬成礦元素分別為與內(nèi)矽卡巖帶共生磁鐵礦，與外矽卡巖帶共生黃鐵礦；蝕變類型由巖體的鉀化、硅化、云英巖化，過渡為內(nèi)接觸帶附近綠簾石化、透輝石化，再到外接觸帶圍巖的石榴子石化，以及晚期的綠泥石化、碳酸鹽化；礦石構(gòu)造表現(xiàn)為致密塊狀—條帶狀—浸染狀的分布規(guī)律。

根據(jù)礦石的結(jié)構(gòu)和蝕變礦物的共生組合特征，安林地區(qū)鐵礦成礦作用可劃分為三個(gè)成礦階段。①矽卡巖期：通過熱液交代作用，鐵有少量以磁鐵礦形式析出，形成含浸染狀磁鐵礦的透輝石、鈣鐵榴石、鈣鋁榴石矽卡巖。②熱液成礦期：通過強(qiáng)烈的熱液作用，鐵大量以磁鐵礦形式出現(xiàn)，富集在接觸帶或圍巖的裂隙中，構(gòu)成工業(yè)礦體，形成角閃石、陽起石、透閃石、綠簾石等礦物組合。③后熱液期：鐵多以菱鐵礦、鏡鐵礦形式出現(xiàn)，呈脈狀與方解石共生穿插于前期巖石礦物中。發(fā)育有綠泥石化、絹云母化和碳酸鹽化等低溫?zé)嵋何g變。

4 樣品采集與分析方法

本次研究的樣品從李珍、晉家莊、東冶和石村4個(gè)鐵礦區(qū)的坑道和地表采坑中采集磁鐵礦石樣品15件，樣品經(jīng)粉碎、過篩、清洗、干燥后，在雙目鏡下挑選純度大于98%的黃鐵礦單礦物，組合成樣重大于5g的分析樣品，然后將挑選后的單礦物樣品研磨至200目，送實(shí)驗(yàn)室測定其硫同位素組成。同時(shí)從李珍、晉家莊、東冶3個(gè)礦區(qū)單礦物樣品中選出10件送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了鉛同位素測定。樣品測試分析由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成。

硫同位素測試：將挑選好的黃鐵礦單礦物樣品與Cu2O按一定比例研磨、混合均勻后，置于真空狀態(tài)下高溫加熱進(jìn)行氧化反應(yīng)生成SO2，用冷凍法進(jìn)行收集，然后用MAT-251氣體同位素質(zhì)譜儀分析硫同位素組成，采用V-CDT國際標(biāo)準(zhǔn)，分析精度為±0.2‰。

鉛同位素測試：將樣品用混合酸分解，然后用樹脂交換法分離出鉛，在相對濕度36%和室溫20℃的條件下，利用ISOPROBE-T熱電離同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行鉛同位素比值測量，208Pb/204Pb、207Pb/204Pb、206Pb/204Pb比值誤差小于0.05‰。

5 穩(wěn)定同位素地球化學(xué)特征

5.1 硫同位素

安林地區(qū)矽卡巖鐵礦床礦石中主要金屬礦物為磁鐵礦、黃鐵礦，還有少量的赤鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦等。礦石中大部分硫化物為黃鐵礦，以浸染狀、細(xì)脈狀出現(xiàn)，局部比較富集，說明成礦流體性質(zhì)為還原性，硫化物的δ34S，特別是黃鐵礦的δ34S可以近似地代表成礦流體的總硫同位素組成。因此，安林地區(qū)鐵礦成礦流體中總硫的同位素可以用黃鐵礦δ34S值代表。

從安林地區(qū)鐵礦床黃鐵礦δ34S組成分布頻率直方圖(圖7)看出，硫同位素組成δ34S為11.8‰～16.2‰，極差為4.4‰，平均值為13.75‰，比較均一，呈塔式分布，與邯邢地區(qū)磁鐵礦床中黃鐵礦δ34S(11.6‰～18.7‰)相一致(表1)。從安林地區(qū)鐵礦石硫同位素與自然界中硫同位素圖(圖8)可以看出，巖漿成因的硫化物δ34S值為-0.6‰～11.5‰，海水中的硫酸鹽δ34S為19.5‰～22.0‰，本次測得磁鐵礦石中黃鐵礦δ34S介于巖漿硫與沉積膏鹽硫之間，更偏向于巖漿硫(表2)。這顯示研究區(qū)的成礦物質(zhì)具有巖漿源硫特征，且富集重硫，說明成礦物質(zhì)在運(yùn)移過程中混入了其他高34S的物質(zhì)。因此，安林地區(qū)在巖漿熱液活動(dòng)過程中，汲取了地下熱水及膏鹽層中部分34S，使得其34S更為富集，這與安林地區(qū)中奧陶統(tǒng)中膏鹽層廣泛分布相一致。

表1 邯邢地區(qū)各磁鐵礦床硫同位素組成[14]Table 1 Sulfur isotopic composition of various magnetite deposits in Han-Xing area[14]

表2 安林地區(qū)鐵礦床硫同位素測試結(jié)果Table 2 List of sulfur isotope analysis data of iron deposits in Anlin area

圖7 安林地區(qū)鐵礦床黃鐵礦δ34S分布頻率直方圖 (為了對比，圖中將邯邢地區(qū)鐵礦石硫同位素一并列出)Fig.7 Histogram of δ34S distribution frequency of pyrites from iron deposits in Anlin area

圖8 安林地區(qū)鐵礦石與自然界硫同位素對比圖[15]Fig.8 Sulfur isotope comparison map of iron ores in Anlin area and natural sulfur[15]

5.2 鉛同位素

從安林地區(qū)不同鐵礦區(qū)鐵礦床中采集的黃鐵礦鉛同位素測試結(jié)果(表3)可以看出，本次測定不同鐵礦區(qū)的鉛同位素比較接近，且都相當(dāng)穩(wěn)定，206Pb/204Pb比值為17.057～18.537，平均值為17.546，極差為1.480；207Pb/204Pb比值為15.343～15.582，平均值為15.440，極差為0.239；208Pb/204Pb比值為37.053～38.398，平均值為37.601，極差為1.345。

在安林地區(qū)鐵礦床礦石中黃鐵礦Pb同位素結(jié)果顯示，在Zartman鉛同位素構(gòu)造模式207Pb/204Pb -206Pb/204Pb圖解中(圖9)，樣品集中落在地幔鉛演化線附近，跨越了下地殼和地幔鉛增長線，具有混源的特征，可以認(rèn)為這些鉛來源于地幔與下地殼的混合。

圖9 安林地區(qū)鐵礦床礦石鉛同位素組成圖[16]Fig.9 Lead isotope composition diagram of ores from iron deposits in Anlin area[16]A—地幔 B—造山帶 C—上地殼 D—下地殼

根據(jù)安林地區(qū)黃鐵礦的鉛同位素分析數(shù)據(jù)(表3)換算成Δβ和Δγ值。從鉛同位素Δβ - Δγ成因分類圖解[14](圖10)可以看出，有6個(gè)樣品鉛同位素落入地幔源鉛，有2個(gè)樣品鉛同位素落入造山帶鉛和2個(gè)樣品鉛同位素落入上地殼與地?；旌系母_帶鉛。樣品Δβ - Δγ值可以指示出鐵礦石鉛的來源主要與巖漿作用有關(guān)，為地幔源物質(zhì)，并受上地殼鉛的混入。因此，說明該區(qū)成礦物質(zhì)為殼?；煸?。

表3 安林地區(qū)鐵礦床鉛同位素測試結(jié)果 Table 3 List of lead isotope analysis data of iron deposits in Anlin area

由圖9和圖10可見，鉛同位素主要與巖漿活動(dòng)有關(guān)，總體顯示以幔源鉛為主，混有地殼鉛的特征。

圖10 安林地區(qū)鐵礦床礦石鉛同位素Δβ - Δγ成因分類圖解[17]Fig.10 Lead isotope Δβ - Δγ genetic classification diagram of ores from iron deposits in Anlin area[17]

6 討論

黃鐵礦的S同位素分析結(jié)果顯示，安林地區(qū)鐵礦床δ34S介于巖漿硫與沉積膏鹽硫之間，黃鐵礦硫具有巖漿源硫和沉積膏鹽硫雙重特征，說明可能有膏巖層的加入提供了重硫。已有多位學(xué)者根據(jù)硫同位素以及鐵礦與含膏巖層的密切空間關(guān)系，認(rèn)為中國東部的矽卡巖型鐵礦和玢巖型鐵礦的形成與膏巖層關(guān)系密切，膏巖層在鐵礦形成過程中發(fā)揮了重要的作用[18-19]。安林地區(qū)中奧陶統(tǒng)中下部廣泛分布有膏鹽層，巖漿向上侵位通過該套地層時(shí)同化混染部分地層物質(zhì)，從而造成了硫同位素值偏高的特征，汲取的膏鹽層中有益組分，不僅僅為成礦物質(zhì)的活化遷移提供了礦化劑，可能還為鐵質(zhì)的氧化富集沉淀提供了氧化障[4]。因此，本次S同位素研究結(jié)果表明，安林地區(qū)矽卡巖鐵礦成礦物質(zhì)中黃鐵礦硫主要來自于巖漿，膏鹽層對成礦硫源有一定貢獻(xiàn)。

黃鐵礦的Pb同位素暗示了Pb主要為幔源，有少量下地殼的混入。前人研究表明，安林地區(qū)含礦閃長巖起源于地幔熔融交代巖石圈形成的原始巖漿[10]，這與本次研究黃鐵礦的Pb同位素測試結(jié)果一致。當(dāng)然，巖漿提供物質(zhì)來源的途徑可能有兩種：一是直接由巖漿分異作用形成富鐵流體；二是晚期的含礦熱液淋濾已固結(jié)的巖漿巖中的鐵使得成礦流體的鐵濃度進(jìn)一步升高，從而為鐵的沉淀奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。但不管何種方式，鐵的最初來源均為含礦的閃長巖，而閃長巖是來自于交代的地幔，因此，本次研究的Pb同位素?cái)?shù)據(jù)也進(jìn)一步為前人的推測提供了同位素證據(jù)。另外，鋯石測年結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中3顆新太古代—古元古代的鋯石U-Pb年齡[10]，這也暗示了巖體侵位過程中有下地殼物質(zhì)的混入，盡管目前尚不清楚下地殼物質(zhì)是以何種形式混入的。所以本次研究的黃鐵礦Pb同位素成分落在地幔和上地殼之間進(jìn)一步證明了成礦物質(zhì)主要來自地幔，并且有下地殼物質(zhì)的混入。

總之，安林地區(qū)S、Pb同位素分析結(jié)果表明，S和Pb均為混合成因，部分來自于巖漿巖，部分來自于地殼。成礦物質(zhì)起源于交代巖石圈的地幔初始巖漿富含水、CO2揮發(fā)分，而膏鹽層可能提供了礦化劑，并為鐵礦的形成創(chuàng)造了物理化學(xué)條件。

7 結(jié)論

1)安林地區(qū)矽卡巖型磁鐵礦床中黃鐵礦S同位素成分說明，成礦過程中的硫源主要為幔源巖漿提供，與此同時(shí)深部幔源巖漿向上侵位的過程中，同化混染了中奧陶統(tǒng)中的膏鹽層，并為本區(qū)的成礦提供了部分硫來源。

2)黃鐵礦的Pb同位素成分說明安林地區(qū)矽卡巖礦床鉛的來源應(yīng)以幔源鉛為主，并混有殼源鉛組分，這也從另一角度說明了區(qū)內(nèi)巖漿侵入過程中，同化和吸取了部分圍巖(尤其是奧陶紀(jì)地層)的成礦物質(zhì)。換言之，該區(qū)成礦物質(zhì)主要來源于上地幔，并有殼源的混入，為殼?；煸?。