韓智昕,袁金浩,魯孝瑞
矽卡巖礦床在全球廣泛分布,矽卡巖型鐵礦是我國(guó)富鐵礦的主要來(lái)源,占整個(gè)富鐵礦的50%以上。鐵礦是山東省重要礦產(chǎn)資源之一,截至2015 年底,全省累計(jì)探獲鐵礦床(點(diǎn))290處,累計(jì)查明鐵礦石資源量67.78 億噸,但多為貧鐵礦石,矽卡巖型富鐵礦石(TFe ≥50%)約8.70 億t,僅占鐵礦石總量的12.85%,集中分布于淄博金嶺、萊蕪、濟(jì)南、潘店4個(gè)成礦區(qū),并具有“規(guī)模大、品位高、分布集中”的特點(diǎn)。
隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的迅猛發(fā)展,國(guó)產(chǎn)富鐵礦石遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求,大量依賴進(jìn)口,我國(guó)鐵礦石對(duì)外依存度已達(dá)80%以上,對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。再加上礦山基建周期長(zhǎng),建設(shè)滯后,出現(xiàn)了產(chǎn)量與實(shí)際需求量差距巨大的問(wèn)題。提高鐵礦資源保障程度,是我國(guó)目前一項(xiàng)重要任務(wù)。淄博—萊蕪地區(qū)碳酸鹽巖地層分布廣泛,燕山期巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,具備形成矽卡巖型鐵礦的條件。近年來(lái),山東省地質(zhì)工作者在該地區(qū)開(kāi)展的鐵礦勘查中取得重大進(jìn)展,如萊蕪張家洼地區(qū)深部新增鐵礦石資源量1 億余噸,張家洼鐵礦位于山東萊蕪礦集區(qū),距離山東萊蕪區(qū)城北8km 處,行政區(qū)劃屬于萊蕪區(qū)張家洼街道辦事處管轄范圍,該礦屬大型鐵礦床,鐵礦儲(chǔ)量達(dá)到兩億噸以上,分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)主要礦床,且周?chē)植贾T多礦山,都屬于中大型規(guī)模的矽卡巖型鐵礦床。下文中主要對(duì)該礦地質(zhì)特征進(jìn)行分析探討,希望能對(duì)區(qū)內(nèi)找礦工作提供一些有效指導(dǎo)。
山東省位于華北克拉通東南部,屬于中生代環(huán)太平洋金屬成礦帶的一部分。作為中生代巖漿活動(dòng)和流體運(yùn)移主要通道的郯廬斷裂,將山東分成了魯東和魯西兩個(gè)地塊(圖1)。魯西地塊地處郯廬斷裂帶(沂沭斷裂帶)以西,東南與蘇魯一大別超高壓碰撞帶相鄰。其結(jié)晶基底為新太古代泰山群和古元古代花崗巖類(lèi)。其中泰山群主要由斜長(zhǎng)角閃巖,黑云母麻粒巖和TTG 巖類(lèi)組成。上覆蓋層為古生代、中生代和新生代的碳酸鹽巖、碎屑巖以及火山巖。古生界主要由陸表海相古生代寒武系-中下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖夾碎屑巖 中石炭統(tǒng)二疊統(tǒng)-上海相地層和陸相含煤碎屑巖建造;中生界發(fā)育侏羅系一白堊系,為一套陸相碎屑巖建造,缺失三疊系;新生界主要為陸源碎屑沉積夾火山巖為主。魯西地區(qū)斷裂構(gòu)造非常發(fā)育,特別是受到郯廬斷裂的影響,斷裂構(gòu)造格局非常醒目,主要呈NW 向延伸?;滋┥饺鹤冑|(zhì)巖系形成了一系列軸向呈NWW 或NW 向?yàn)橹鞯膹?fù)背斜和復(fù)向斜構(gòu)造。古生界及中新生界的褶皺構(gòu)造很不發(fā)育,且形態(tài)簡(jiǎn)單,多為平緩的單斜或?qū)捑忛_(kāi)闊的向斜與背斜構(gòu)造。研究區(qū)作為中國(guó)太平洋中生代構(gòu)造-巖漿巖帶的重要組成部分,中生代侵入巖廣泛發(fā)育,其中,萊蕪雜巖體、金嶺巖體及濟(jì)南雜巖體等為其代表性巖體(圖1),在此階段生成了大量具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的礦產(chǎn)。
圖1 魯西地區(qū)地質(zhì)圖
太古宇變質(zhì)巖在區(qū)域上較為發(fā)育。同時(shí)發(fā)育石炭系二疊系、奧陶系、寒武系、白堊系、侏羅系與新生代砂礫巖(河湖相)。下面展開(kāi)具體分析:
泰山群變質(zhì)巖(太古宙):是區(qū)域上重要的基底巖石,TTG巖石、黑云母麻粒巖與斜長(zhǎng)角閃巖是其主要組成;
寒武系:主要發(fā)育夾灰?guī)r透鏡體的巖石,在區(qū)內(nèi)具有很小的出露面積。
奧陶系:類(lèi)似于淄博金嶺鐵礦,也是重要的成礦圍巖,白云巖與灰?guī)r是其主要巖性特征。
石炭–二疊系:夾砂巖的頁(yè)巖以及砂巖是其主要組成,約200m的厚度,主要包括石盒子組、山西組以及太原組和本溪組。
侏羅系:砂巖以及頁(yè)巖和砂質(zhì)頁(yè)巖是其主要組成,細(xì)砂巖分布于下部,在該區(qū)具有較小的出露面積。
白堊系:熔巖(安山質(zhì))以及砂礫巖(凝灰質(zhì))角礫安山巖是其主要巖性特征,在區(qū)內(nèi)具有較小的出露面積。
古近系:砂巖以及粉砂巖(紅色粘土質(zhì))是其主要組成,石膏在灰綠砂巖局部發(fā)育,經(jīng)過(guò)鉆孔驗(yàn)證,具有較大的厚度。
第四系:坡積層以及沖積層是其主要組成。
萊蕪盆地屬于斷陷盆地,山脈以及大斷裂在四周作為分界。斷裂構(gòu)造在盆地當(dāng)中非常發(fā)育,褶皺構(gòu)造發(fā)育相對(duì)次之,泰安–孝義斷層與泰安–蔡莊斷層是區(qū)內(nèi)的主要斷裂構(gòu)造,主要在盆地北部發(fā)育,同時(shí)還發(fā)育石門(mén)官莊–勸禮斷層,該斷層分布于南部,這些斷層對(duì)該盆地起著明顯的控制作用。
在盆地中部地帶發(fā)育褶皺構(gòu)造,主要為盆地東南部的八里溝向斜和盆地中部的礦山弧形背斜,該背斜是區(qū)內(nèi)重要的控礦構(gòu)造,在構(gòu)造較為薄弱的區(qū)域上發(fā)育礦床。在該背斜的傾沒(méi)處發(fā)育張家洼礦床,背斜向礦區(qū)內(nèi)延伸,呈現(xiàn)北北西向走向特點(diǎn)并不斷傾沒(méi)。
(1)泰安-孝義弧形斷層與泰安-蔡莊斷層,彼此相鄰,呈現(xiàn)平行走向特點(diǎn),斷層起于西部的泰安,并經(jīng)過(guò)銅冶店、上水河與大王莊一帶,止于東部區(qū)域上的孝義,合并之后,向東部的蔡莊進(jìn)行延伸,表現(xiàn)為突起向北的弧形斷裂帶,約為50km 長(zhǎng),斷層面均向弧內(nèi)進(jìn)行傾斜,約為80°的傾角,形成盆地當(dāng)中北側(cè)區(qū)域的上的弧形邊界,泰山群是其主要北盤(pán),中新生界以及古生界分布于南盤(pán)。
(2)石門(mén)官莊-勸禮斷層:起始于石門(mén)官莊,歷經(jīng)塔子與勸禮到達(dá)站里,約為15km 長(zhǎng),呈現(xiàn)東西向走向,向北側(cè)方向傾斜,具有陡峭的傾角特點(diǎn),形成盆地南部的邊界地帶,下古生界構(gòu)成南盤(pán),新生界構(gòu)成北盤(pán)。
(3)八里溝向斜:分布于礦山弧形背斜的南部區(qū)上,兩者相鄰,向斜起始于西部的八里溝,延伸向東部區(qū)以上,主要表現(xiàn)為近東西向走向向北東東向轉(zhuǎn)變,長(zhǎng)度達(dá)到10km 左右。侏羅系分布于軸部,石炭系與二疊系共同組成兩翼,南側(cè)翼部是萊蕪地區(qū)重要的煤田區(qū)。
區(qū)內(nèi)有著較為激烈的巖漿活動(dòng),主要形成時(shí)代包括太古代以及中生代和新生代幾個(gè)時(shí)期,尤其是中生代火山活動(dòng)最為強(qiáng)烈,由多數(shù)含礦巖體在這一階段形成。
(1)礦山巖體:隨著礦山弧形背斜走向進(jìn)行侵入,主要侵位形成背斜核部,該巖體在區(qū)內(nèi)有著非常大的規(guī)模,達(dá)到15km長(zhǎng),約為4km 寬,屬于一個(gè)巖蓋,和石炭二疊系以及中奧陶系呈現(xiàn)侵入接觸關(guān)系,黑云母閃長(zhǎng)巖以及黑云母輝石閃長(zhǎng)巖是其中間相主要巖相特征,輝石閃長(zhǎng)巖以及黑云母閃長(zhǎng)巖主要分布于邊緣地帶,是由于堿質(zhì)變質(zhì)交代所形成,和中間相表現(xiàn)為表逐漸過(guò)度關(guān)系,沒(méi)有明顯的分相,有多處大型的矽卡巖磁鐵礦床隨著巖體接觸帶形成,礦山巖體是該區(qū)當(dāng)中重要的控礦巖體。
(2)角峪巖體:石門(mén)官莊—?jiǎng)穸Y斷層對(duì)其起著明顯的控制作用,東西約有13km 長(zhǎng),南北達(dá)到3km 的寬度,屬于一個(gè)巖床或者巖蓋,向奧陶系侵入,并呈現(xiàn)順層侵入的特點(diǎn)。黑云母閃長(zhǎng)巖以及黑云母二輝閃長(zhǎng)巖是巖體主相,正長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖以及閃長(zhǎng)巖分布于邊緣地帶,有一些矽卡巖磁鐵礦呈小型分布于巖體接觸帶。
(3)金牛山巖體 :分布于盆地北側(cè)的弧形斷裂對(duì)其起著明顯的控制作用,在出露范圍上約有8km 長(zhǎng),約為4km 寬,是一個(gè)形態(tài)復(fù)雜的巖蓋,向奧陶系與寒武系之間侵入,閃長(zhǎng)巖以及黑云母閃長(zhǎng)巖是其主要的巖性特征,閃長(zhǎng)玢巖相對(duì)較少,小中型的矽卡巖磁鐵礦分布于接觸帶上。
(4)鐵銅溝巖體:由弧形斷裂向東南部方向延伸以及和東西方向斷層相互交匯部位所控制,整個(gè)巖體呈現(xiàn)巖枝狀不規(guī)則產(chǎn)出,約為兩千米長(zhǎng),0.5km 寬,向石炭系奧陶系侵入。黑云母閃長(zhǎng)巖以及黑云母二輝閃長(zhǎng)巖是其主要巖性特征。正長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖以及閃長(zhǎng)巖分布于局部,小、中型的矽卡巖磁鐵礦床分布于接觸帶上。
以上這些巖體巖石類(lèi)型和副礦物呈現(xiàn)類(lèi)似特點(diǎn),具有同源巖漿分異特征,通過(guò)分析地質(zhì)構(gòu)造,金牛山巖體,礦山巖體以及角峪巖體在深部區(qū)域上呈現(xiàn)相連特征。
由于區(qū)內(nèi)熱變質(zhì)因素、矽卡巖化影響以及礦化熱液因素作用,礦區(qū)圍巖在類(lèi)型方面,主要表現(xiàn)為以下特征:
堿質(zhì)交代作用:在閃長(zhǎng)巖體邊緣部位較為發(fā)育,并發(fā)育于巖體的頂部,在遠(yuǎn)離接觸帶區(qū)域上不斷變?nèi)酰瑓^(qū)內(nèi)礦化和堿質(zhì)交代作用在空間上具有緊密的關(guān)聯(lián)性,可作為重要的找礦標(biāo)志。堿質(zhì)交代在厚度方面,一般為十幾米至幾十米不等。
熱變質(zhì)作用:由于巖漿侵入以及散發(fā)因素影響,頁(yè)巖、砂巖、灰?guī)r等受到熱變質(zhì),尤其是頁(yè)巖灰?guī)r出現(xiàn)更為明顯的變質(zhì)作用。大理巖是由于灰?guī)r(奧陶系)重結(jié)晶所形成。板巖是由于頁(yè)巖(石炭系)變質(zhì)所形成,變質(zhì)帶達(dá)到200m 的厚度范圍。與巖體接觸部位還發(fā)育有接觸交代作用。
張家洼鐵礦床主要包括礦床3 個(gè)以及礦體34 個(gè),奧陶系大理巖和閃長(zhǎng)巖相互接觸部位,以及奧陶系和石炭系假整合面是礦床的主要賦存部位,在礦山巖體北側(cè)傾伏端弧形分布三個(gè)礦床,三個(gè)礦床均達(dá)到1km 左右的延伸,深部礦體中,主要礦體為Ⅰ、Ⅱ3、Ⅱ4 和Ⅱ5 礦體,占總儲(chǔ)量94%。 礦體賦存部位主要是閃長(zhǎng)巖與奧陶系大理巖的接觸帶。
Ⅰ礦體位于Ⅰ礦床、礦山弧形背斜的東翼,礦體形態(tài)為透鏡狀,局部為馬鞍狀。走向控制長(zhǎng)1100m,傾向延伸1100m,賦存標(biāo)高-150m ~-1100m。礦體走向294°,傾向北東。傾角10°~75°,在-450m 標(biāo)高以上傾角在10°~35°之間,向下逐漸變陡,-450m 標(biāo)高以下傾角在45°~60°之間,局部?jī)A角為75°。厚度區(qū)間為2.00m ~100.95m,平均厚度35.01m。厚度變化系數(shù)為103%,礦體形態(tài)復(fù)雜程度為復(fù)雜。TFe 品位區(qū)間為20.11%~63.23%,TFe 平均品位37.44%,TFe 品位變化系數(shù)46%,有用組分分布均勻。
Ⅱ3 礦體位于Ⅱ礦床、礦山弧形背斜的西翼,礦體形態(tài)為似層狀,礦體控制走向長(zhǎng)1400m,傾向最大延伸1350m,賦存標(biāo)高-300m ~-1020m。走向17°,傾向北西,-400m 標(biāo)高以上傾角10°~30°,-400m 標(biāo)高以下30°~40°,礦體厚度區(qū)間為1.98m ~78.71m,平均16.46m,厚度變化系數(shù)108.8%,礦體形態(tài)復(fù)雜程度為復(fù)雜。TFe 品位區(qū)間為21.86%~67.16%,平均品位46.68%,TFe 品位變化系數(shù)33.20%,有用組分分布均勻。
(1)他形半自形粒狀結(jié)構(gòu),是礦石的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn),同時(shí)還有壓碎結(jié)構(gòu)以及交代殘余結(jié)構(gòu),粉狀浸染狀,角礫狀,致密塊狀是礦石的主要構(gòu)造特點(diǎn)。
(2)礦石當(dāng)中的主要金屬礦物成分達(dá)到60%以上,同時(shí)還有40%的脈石礦物,磁鐵礦是主要的金屬礦物,達(dá)到90%以上,另外有少量的黃鐵礦、赤鐵礦、自然銅、褐鐵礦、黃銅礦等。并有微量的斑銅礦、磁黃鐵礦以及輝銅礦和銅蘭等,透閃石、透輝石、蛇紋石、方解石、蛇紋石以及綠泥石是主要的脈石礦物。
礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及地下水活動(dòng)和礦石的氧化程度有著非常緊密的關(guān)聯(lián)性,通常致密的礦石氧化程度相對(duì)較低,而發(fā)育裂隙,結(jié)構(gòu)松散的礦石具有較高的氧化程度,在大理巖頂板、地下水活動(dòng)較強(qiáng)的層位礦石氧化程度較高,磁鐵礦石是礦石的主要自然類(lèi)型,鐵礦石是主要的工業(yè)類(lèi)型。
萊蕪張家洼鐵礦床是中生代燕山晚期閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿侵入奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r中發(fā)生接觸交代作用而形成的礦床,圍巖蝕變作用強(qiáng)烈。
(1)近礦巖體自變質(zhì)和蝕變作用。自變質(zhì)作用主要表現(xiàn)為閃長(zhǎng)巖的堿質(zhì)交代作用,斜長(zhǎng)石的鉀長(zhǎng)石化、鈉長(zhǎng)石化、角閃石的透輝石化,形成淡紅色的正長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖和淡綠色的透輝石化閃長(zhǎng)巖。堿質(zhì)交代作用主要發(fā)育在閃長(zhǎng)巖體的頂部和邊部,向深處逐漸減弱或消失。蝕變作用主要為矽卡巖化、絹云母化、綠泥石化、高嶺土和葡萄石化。此作用使巖石中的K2O 含量相對(duì)較高,巖石變?yōu)槠珘A性。
(2)矽卡巖。巖體中的含礦熱液與灰?guī)r經(jīng)雙滲濾交代作用形成透閃石、透輝石、石榴子石、金云母等矽卡巖礦物集合體,構(gòu)成鈣鎂質(zhì)矽卡巖,以透輝石矽卡巖為主,石榴子石矽卡巖、金云母透輝石矽卡巖、綠簾石透閃石卡巖次之,廣泛發(fā)育與內(nèi)外接觸帶。透輝石矽卡巖主要由透輝石組成,含少量金云母、石榴子石、蛇紋石和磁鐵礦。MgO 含量接近20%,為鈣鎂矽卡巖,多發(fā)育在閃長(zhǎng)巖與灰?guī)r接觸帶上,與礦體關(guān)系密切。
(3)近礦灰?guī)r的熱變質(zhì)及熱液蝕變作用,由于熱變質(zhì)作用,使奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r不同程度重結(jié)晶,形成結(jié)晶灰?guī)r和各種大理巖。熱液蝕變作用主要是蛇紋石化、金云母化、蛭石綠泥石化和碳酸鹽化。蛇紋石化與礦化關(guān)系密切,蛇紋巖與礦體呈互層狀產(chǎn)出,礦石中的脈石礦物主要是蛇紋石,蛇紋石有三種,分別是纖維狀蛇紋石、葉蛇紋石和膠狀蛇紋石。
(4)石炭紀(jì)砂頁(yè)巖的變質(zhì)作用。主要表現(xiàn)為熱變質(zhì),石炭系頁(yè)巖變?yōu)榘鍘r、斑點(diǎn)板巖、紅柱石角巖、絹云母角巖、長(zhǎng)英角巖等,有時(shí)形成矽卡巖化板巖、砂巖。
(5)圍巖蝕變帶的劃分。張家洼鐵礦床礦體圍巖蝕變作用強(qiáng)烈,在成礦圍巖與侵入巖接觸帶及其附近,常形成厚度幾米至上百米的蝕變帶。從閃長(zhǎng)巖體到灰?guī)r可分為7 個(gè)蝕變帶:①蝕變閃長(zhǎng)巖帶。各種蝕變閃長(zhǎng)巖沿裂隙發(fā)生蝕變,主要為熱液蝕變;②矽卡巖化閃長(zhǎng)巖帶。包括矽卡巖化似斑狀閃長(zhǎng)巖、矽卡巖化正長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖等,多沿裂隙發(fā)育,疊加有熱液蝕變;③石榴子石透輝石矽卡巖帶。包括石榴子石透輝石矽卡巖、透輝石方柱石矽卡巖、綠簾石透輝石矽卡巖等,此帶不發(fā)育,常缺失;④透輝石矽卡巖帶。主要是透輝石矽卡巖,其次是有綠泥石透輝石矽卡巖等;⑤蛇紋石化大理巖帶。主要是蛇紋石化大理巖,包括蝕變大理巖及金云母、蛭石、綠泥石巖等;⑥大理巖帶。主要是奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r蝕變成大理巖;⑦板巖角巖帶。主要有石炭紀(jì)本溪組泥巖經(jīng)熱變質(zhì)作用而成。上述蝕變帶常發(fā)育不全,中間常有缺失。各帶的蝕變巖石與未蝕變巖石相比,除礦物組合上有較大差異外,在巖石化學(xué)組成上也有明顯的不同。根據(jù)各帶巖石的化學(xué)分析結(jié)果,SiO2、Al2O3含量自蝕變閃長(zhǎng)巖帶至板巖角巖帶,含量逐漸降低,表明其自閃長(zhǎng)巖帶出、進(jìn)入圍巖。CaO、MgO 含量自蝕變閃長(zhǎng)巖帶至板巖角巖帶逐漸增高,表明其自大理巖帶出,進(jìn)入閃長(zhǎng)巖。
在巖漿結(jié)晶過(guò)程分異以鐵元素為主的含礦熱液被石炭紀(jì)地層隔擋在馬家溝群灰?guī)r與閃長(zhǎng)巖接觸帶和石炭系與奧陶系平行不整合面兩個(gè)的封閉空間中,發(fā)生了以接觸交代為主的多種交代作用,首先產(chǎn)生矽卡巖化,在矽卡巖生成之后,大量的磁鐵礦結(jié)晶形成了磁鐵礦體。隨著溫度的降低礦化進(jìn)入熱液階段,伴隨有蛇紋石化和綠泥石化,形成蛇紋巖帶。此階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),有少量的脈狀磁鐵礦析出。根據(jù)張家洼礦床鐵礦賦存位置,板巖、角巖與大理巖可以作為找礦的巖石標(biāo)志。
由于燕山期強(qiáng)烈的構(gòu)造因素影響,促進(jìn)斷陷盆地構(gòu)造形成,礦山弧形背斜的形成為后期巖漿侵入提供了非常有利的條件。
中性閃長(zhǎng)巖巖漿,伴隨構(gòu)造因素影響,向礦山弧形背斜核部逐步侵入,為礦床提供了豐富的物質(zhì)來(lái)源。
礦山弧形背斜核部侵入過(guò)程,巖漿當(dāng)中富含Mg、Fe 等物質(zhì),基本凝固的閃長(zhǎng)巖巖漿隨著殘余的溶液,不斷隨著接觸帶上升。在有利的構(gòu)造以及圍巖部位出現(xiàn)交代作用,矽卡巖化的產(chǎn)生是開(kāi)始礦化階段的標(biāo)志。由于持續(xù)性的交代作用,溶液在溫度、濃度還有組分方面出現(xiàn)巨大改變,促進(jìn)磁鐵礦的形成。溶液最終呈現(xiàn)不斷降低的溫度特點(diǎn),其Mg 含量不斷增高,并不斷和圍巖出現(xiàn)交代,導(dǎo)致近礦圍巖當(dāng)中,有很多中低溫?zé)嵋鹤冑|(zhì)礦物形成,如綠泥石以及蛇紋石等。
其鎂質(zhì)的來(lái)源:鎂質(zhì)在成礦溶液當(dāng)中具有豐富的含量,由于交代作用的影響,促進(jìn)含鎂礦物形成,如網(wǎng)狀細(xì)網(wǎng)狀的白云石以及蛇紋石。同時(shí)原巖當(dāng)中也有鎂質(zhì),如白云質(zhì)灰?guī)r,由于熱變質(zhì)因素影響,逐漸向橄欖石大理巖進(jìn)行轉(zhuǎn)變,由于熱液影響,橄欖巖逐漸向蛇紋石轉(zhuǎn)變,礦石中的橄欖石假象依然存在。鎂質(zhì)在溶液當(dāng)中可能源自于深部巖漿,也可能因巖漿對(duì)深部區(qū)域上含Mg 圍巖進(jìn)行同化所形成。