河北長凝鐵礦床地質(zhì)特征及成礦規(guī)律研究

江 飛，胡興優(yōu)，韓業(yè)尚，雷姣穎，孟兆濤

(中冶一局城市安全與地下空間研究院有限公司，河北 秦皇島市 066000)

0 引言

礦區(qū)位于河北省東部，灤南縣北側(cè)與灤縣的馬城、司家營鐵礦接壤，為冀東司馬長鐵礦帶一部分，長凝鐵礦是在航磁異?；A(chǔ)上，以1∶1萬地磁測(cè)量圈定磁異常，通過鉆孔驗(yàn)證而發(fā)現(xiàn)。隨著我國富鐵礦找礦工作的開展[1]，對(duì)河北遵化—長凝一帶進(jìn)行風(fēng)化淋濾型富鐵礦進(jìn)行普查，將冀東地區(qū)沉積變質(zhì)鐵礦劃分為三個(gè)含礦層位：即遷西群、單塔子群及朱杖子群，其中礦區(qū)為單塔子群白廟子組。礦區(qū)內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育，其中，緊密復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜是區(qū)內(nèi)鐵礦控礦構(gòu)造。

目前，區(qū)內(nèi)獅子營—葛代坨鐵礦帶勘查程度較高，基本達(dá)到200 m工程間距，但深部仍有一定的遠(yuǎn)景資源量，東沙窩異常與獅子營異常相當(dāng)，除現(xiàn)在獲得資源量，深部潛在資源量2.5億噸，長凝鐵礦預(yù)計(jì)總資源量可觀。前些年，眾多學(xué)者對(duì)鐵礦床進(jìn)行了不同方面的研究，如徐璐平[2]對(duì)冀東主要鐵礦類型與控礦因素進(jìn)行了對(duì)比分析，指出冀東地區(qū)以沉積變質(zhì)性鐵礦為主；張?zhí)忑埖萚3]分析了重磁異常與鐵礦分布的關(guān)系；許英霞等[4]通過地球物理方法，建立了司家營鐵礦找礦模型。由于當(dāng)時(shí)的開采條件、勘查深度的限制，對(duì)司家營南區(qū)、大賈莊區(qū)以及馬城深覆蓋區(qū)未得到驗(yàn)證。本文根據(jù)河北省已探明鐵礦床類型[5]，在冀東地區(qū)重點(diǎn)查證沉積變質(zhì)型鐵礦床，開展深覆蓋礦產(chǎn)區(qū)長凝鐵礦深部成礦規(guī)律的研究，進(jìn)一步探討冀東鐵礦賦礦層位特征、控礦構(gòu)造、礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，總結(jié)成礦規(guī)律，預(yù)測(cè)深部成礦前景。

1 區(qū)域構(gòu)造

研究區(qū)地處華北地區(qū)東北端次級(jí)構(gòu)造單元——燕山臺(tái)褶帶的的古老隆起區(qū)，強(qiáng)烈褶皺是區(qū)內(nèi)基底構(gòu)造特點(diǎn)[6-7]。冀東基底地層分為五個(gè)構(gòu)造單元：Ⅰ—遷安隆起區(qū)，Ⅱ—遵化—遷西復(fù)式褶皺區(qū)，Ⅲ—司馬長—陽山復(fù)式褶皺區(qū)，Ⅳ—都山復(fù)式背斜區(qū)，Ⅴ—山海關(guān)隆起區(qū)。其中長凝鐵礦位于Ⅲ—司馬長—陽山復(fù)式褶皺區(qū)南端(圖1)。

圖1 冀東基底構(gòu)造格局示意圖

強(qiáng)烈褶皺是區(qū)內(nèi)基底構(gòu)造特點(diǎn)，陽山—司、馬復(fù)式向斜構(gòu)造控制鐵礦帶的空間分布，褶皺軸面走向近SN，傾向西，傾角37°～61°。褶皺構(gòu)造由獅子營向斜、葛代砣向斜、東沙窩向斜及南營子背斜、小洛營背斜、任各莊背斜組成。向斜控制了鐵礦的空間分布、規(guī)模、形態(tài)及產(chǎn)狀，背斜控制了含礦巖系的空間分布。

含鐵建造原始展布近EW向，由于后期構(gòu)造變形，迭加改造的不均衡，北區(qū)含鐵建造以EW向?yàn)橹?，基本保留了早期?gòu)造線方向，南區(qū)近SN向，晚期構(gòu)造迭加改造較明顯。

2 礦區(qū)地質(zhì)

2.1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境

灤縣成鐵盆地是以灤縣為中心的鐵礦帶，灤縣鐵盆地含鐵建造并不是分布盆地所有部分，而是斷續(xù)分布在某些地區(qū)，含鐵建造變化很大，除后期構(gòu)造作用[8]外，含鐵建造僅形成于大盆地內(nèi)半封閉性次級(jí)小盆地——成鐵盆地中。

從層序上看，本區(qū)太古界底部以拉斑玄武巖為主，中部以鈣堿性系列為主，隨著島弧的發(fā)育，中酸性火山巖增加，基性火山巖減少以至完全被中酸性火山巖所取代，表現(xiàn)了一個(gè)典型島弧漸進(jìn)演化過程。

從空間分布上看，本區(qū)陸源沉積物很少，多見于含鐵建造上部及上覆巖層，拉斑玄武質(zhì)火山巖主要分布灤縣盆地北部，鈣堿性英安質(zhì)火山巖分布灤縣盆地南區(qū)?？梢姙纯h成鐵盆地當(dāng)時(shí)處于島弧北部——相當(dāng)于島弧外緣，為一套玄武質(zhì)和英安質(zhì)、安山質(zhì)的火山碎屑巖組合。

從礦石質(zhì)量看，付團(tuán)店鐵礦石中w(TFe)為27%～29%，司家營北區(qū)的w(TFe)=30%，南區(qū)的w(TFe)=32%，馬城的w(TFe)=35%，自南向北有逐漸降低的趨勢(shì)，造成礦石質(zhì)量差異主要原因除沉積環(huán)境差異外，還與物源地遠(yuǎn)近有關(guān)，南區(qū)靠物源地故全鐵品位較高。

2.2 礦區(qū)磁異常特征

以500 nT圈定礦區(qū)異常[9-10]由三部分組成：前麻地異常(M1)、南營子—葛代坨異常(M2)、東沙窩異常(M3)。北端為大面積負(fù)值異常帶，總體走向近EW向，長軸6900 m，寬3560 m，異常面積18 km2(圖2)。

1)前麻地異常(M1)：以500 nT圈定，東西長2400 m，寬700 m。由近EW向兩個(gè)眼鏡狀低緩異常組成。西側(cè)為M1-1，異常強(qiáng)度5000 nT，東側(cè)為M1-2，異常強(qiáng)度4000 nT。單體異?？傮w近SN向或NW向。分別控制Ⅺ、Ⅻ號(hào)礦體。

2)南營子—葛代坨異常(M2)：以500 nT圈定，南北長1400～2700 m，東西寬2500 m。由1個(gè)近NE向側(cè)臥葫蘆狀異常組成，西側(cè)南營子異常M2-1，異常面積2.80 km2，異常強(qiáng)度7000 nT，葛代坨異常M2-2位于M2-1北東葫蘆頂為1.3 km2橢圓形異常，異常強(qiáng)度4000 nT。M2-1控制南營子礦體，M2-2控制葛代坨礦體。

3)東沙窩異常：以500 nT圈定，南北長2500 m，寬1250 m，異常面積2 km2，長軸北端NNE向，南端SSE向。異常強(qiáng)度4500 nT，異常梯度西陡東緩。

圖2 長凝礦區(qū)ΔZ下延500 m化極等值線平面圖

3 礦體特征

3.1 鐵礦體分布特征

全區(qū)已揭露控制礦體18個(gè)(表1)。其中，南營子礦體3個(gè)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)、葛代坨5個(gè)(Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ)、東沙窩礦體4個(gè)(Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ)、前麻地—張廟礦體6個(gè)(XIII～XVIII)。礦體總體呈近SN向，北端偏西或偏東，為平行長條狀，向東突出弧形透鏡狀產(chǎn)出(圖3)。

表1 礦體空間分布形態(tài)及規(guī)模

圖3 長凝礦區(qū)綜合地質(zhì)平面圖

從縱剖面(圖4)上看，南營子礦體總體呈南端揚(yáng)起，向北傾伏，雁行斜列狀分布，傾伏角11°～14°。葛代坨礦體仍保留早期軸面近EW向開闊褶曲行跡，受兩期構(gòu)造疊加影響，葛代坨礦體總體表現(xiàn)北端揚(yáng)起，向南傾伏，傾角12°～18°(圖5)。東沙窩礦體傾角40°～63°，走向北端較緩，向南較陡，礦體呈似層狀，透鏡狀產(chǎn)出，多夾石，具膨脹窄縮分支變薄尖滅現(xiàn)象，礦體與圍巖整合接觸，同步褶曲、撓曲發(fā)育。

圖4 南營子礦體縱剖面圖

圖5 葛代坨礦體縱剖面圖

區(qū)內(nèi)礦體總體呈近SN向，北端偏西或偏東。由于受早期南北擠壓應(yīng)力和晚期EW向擠壓應(yīng)力疊加影響，礦體兩翼具拉長變薄甚至沿傾斜拉斷，弧形彎曲，呈斷續(xù)層狀分布。剖面上呈平行似層狀，兩翼緊密，轉(zhuǎn)折端呈尖窄的楔形、鉤狀。

3.2 礦石特征

本區(qū)主要含鐵礦物為褐鐵礦、赤鐵礦、假象赤鐵礦、磁鐵礦。褐鐵礦及少量赤鐵礦賦存在風(fēng)化殘坡積層中，其厚度為10～15 m，赤鐵礦、假象赤鐵礦石賦存于基巖面以下60～184 m、-500 m至-625 m高程以上部位，以下為原生磁鐵礦石。按礦石中主要脈石礦物種類分為，石英巖型、閃石型(透閃石-陽起石)、普通角閃石型、石榴石型及輝石型(圖6)。以閃石型為主體，石英巖型分布普通，但規(guī)模小，石榴石型、輝石型、分布零星[11]，多沿Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ號(hào)礦體下部分布。

圖6 礦石類型顯微照片

4 成礦規(guī)律

4.1 控礦因素分析

4.1.1 古構(gòu)造控礦

成礦物質(zhì)是礦床形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，古構(gòu)造是礦床沉淀儲(chǔ)存的良好場(chǎng)所[12-13]。灤縣成鐵盆地北側(cè)有遷安隆起，起了攔蓄沉積物壩的作用。成鐵盆地內(nèi)由于物質(zhì)差異運(yùn)動(dòng)形成一系列小隆起，造就次級(jí)成鐵盆地形成，次級(jí)成鐵盆地有利于成礦物質(zhì)的沉淀。盆地南側(cè)存在一條近EW向火山盆地，火山噴發(fā)源源不斷提供了成礦物質(zhì)。

4.1.2 盆地控礦

成鐵盆地內(nèi)不是所有部位都有礦，形成礦的部位往往是那些半封閉狀態(tài)的次級(jí)盆地，如張莊-沈官營-下康各莊，灤縣司家營-馬城、長凝-中堡王莊。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定的前提下，隨著盆地的演化，出現(xiàn)動(dòng)-靜-動(dòng)構(gòu)造旋回背景，沉積了薄層-厚層-薄層鐵礦層。司家營-馬城、長凝-中堡王莊一帶，靠近物源地，沉淀幅度大、規(guī)模大、盆地封閉性好，海水流動(dòng)性小，含鐵溶液易濃縮，一般易形成礦床規(guī)模大、礦層厚、埋藏深。

4.1.3 地層控礦

區(qū)內(nèi)鐵礦位于基性、中性火山巖向中酸性、酸性火山巖過渡地段，過渡期末期即位于黑云(或角閃)片麻巖夾斜長角閃巖向二長變粒巖、長英變粒巖、黑云變粒巖過渡期長英變粒巖中，并被中酸性火山碎屑凝灰質(zhì)粉砂巖、沉積巖所覆蓋。自下而上原始沉積韻律：基性—中基性火山巖→中酸性—酸性火山巖，沉積巖由少到多。區(qū)內(nèi)具一個(gè)完整火山沉積旋回，表明火山活動(dòng)的間歇期，由一種火山巖向另一種火山巖過渡期，由火山巖向沉積巖的過渡期，是鐵礦沉淀的有利時(shí)機(jī)。

4.1.4 褶皺對(duì)鐵礦的控制

強(qiáng)烈褶皺是本區(qū)基底構(gòu)造的特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)緊密復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜控制了鐵礦帶、鐵礦體的空間分布、形態(tài)、規(guī)模和產(chǎn)狀。之所以受向斜構(gòu)造的控制，是因?yàn)楹F建造形成后，由于側(cè)向擠壓力的作用，發(fā)生褶皺，分散的含鐵物質(zhì)，從褶皺翼部向轉(zhuǎn)折端遷移。褶皺定形后，在漫長的地史發(fā)展中，背斜構(gòu)造轉(zhuǎn)折端附近的礦體，因風(fēng)化剝蝕而遭破壞，向斜構(gòu)造中的礦體不易被風(fēng)化剝蝕而得以保存。褶皺軸面總體近SN，軸面西傾或東傾。向斜形態(tài)較復(fù)雜，呈緊密線型，轉(zhuǎn)折端呈尖棱楔形。由于晚期構(gòu)造迭加在早期構(gòu)造上，改造不徹底，在平面上使褶皺軸面呈近SN向弧形，在剖面上也具一定波狀起伏變化?？v切面圖上礦體形態(tài)仍保留有早期復(fù)式褶皺的構(gòu)造行跡(圖7)，現(xiàn)有鉆孔巖心上常見到形態(tài)各異的小型褶曲構(gòu)造(圖8)，說明基底地層存在復(fù)雜褶皺構(gòu)造。

圖7 長凝鐵礦AW350 m縱剖面圖

圖8 長凝鐵礦巖心褶曲

獅子營向斜控制Ⅱ、Ⅲ號(hào)礦體，葛代砣向斜控制Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ號(hào)礦體，東沙窩向斜控制Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ號(hào)礦體。

4.1.5 斷裂對(duì)鐵礦的控制

長凝鐵礦形成后，元古代接受長城系大洪峪組短暫沉積，以后受青龍河斷裂影響東盤上升隆起、拉張形成開放系統(tǒng)，接受風(fēng)化剝蝕氧化淋濾作用，在新生代新近紀(jì)形成風(fēng)化殼。由于第四紀(jì)EW向長凝斷裂、倴城斷裂活動(dòng)造成長凝鐵礦呈地塹式下落，接受厚達(dá)400～500 m第四系沉積，鐵礦隨即被覆蓋。

太古代晚期，地殼巖石已固結(jié)，地殼巖石進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期。地殼巖石變形主要為剛性形變，以斷裂為主，以后經(jīng)構(gòu)造迭加，形成區(qū)內(nèi)NNE向、NE向、近EW向斷裂(圖3)，使礦體位移，破壞了礦體的連續(xù)性和完整性。

4.1.6 變質(zhì)作用對(duì)鐵礦的控制作用

區(qū)內(nèi)變質(zhì)巖已達(dá)綠片巖相。區(qū)域變質(zhì)作用對(duì)礦體的形態(tài)、厚度、礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造都產(chǎn)生一定的影響，一是沉積礦物組合被改造成相應(yīng)的變質(zhì)礦物組合，二是礦物隱晶質(zhì)、細(xì)晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)重結(jié)晶作用，礦物顆粒增大，由隱晶質(zhì)變成顯晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、條紋—條帶構(gòu)造保留下來。在區(qū)域變質(zhì)條件下，礦物處于塑性狀態(tài)，產(chǎn)生塑性變形或流動(dòng)，使得礦體厚度增大，礦石品位也有一定變化，但礦體規(guī)模不會(huì)發(fā)生根本改變。

4.1.7 混合巖化作用對(duì)鐵礦的控制作用

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)的降水量空間插值對(duì)比研究——以甘肅省為例 李純斌,劉永峰,吳 靜，等Ⅳ(12)

混合巖化作用方式有兩種：注入作用和滲濾交代作用[14]。注入作用主要是沿巖石層間裂隙呈脈狀貫入，滲濾交代主要是沿巖石顆粒間隙均勻滲透交代使礦物顆粒增大?；旌蠋r化作用具有明顯的選擇性交代作用，對(duì)以長英質(zhì)礦物為主的巖石易混合巖化，鐵鎂礦物為主的巖石，不易混合巖化。長英脈體易沿礦層夾層特別是長英礦物為主的夾層貫入；一方面長英脈體的貫入沖亂了礦層的形態(tài)、產(chǎn)狀，起著一定的破壞作用，另一方面長英脈體的貫入使礦物顆粒增大重結(jié)晶，改變了礦石條帶構(gòu)造特征，使條帶狀礦石變?yōu)槠闋畹V石。在緊靠磁鐵石英巖的混合花崗巖中常有松散粗粒的磁鐵礦或黑云母團(tuán)塊狀集合體。

4.2 成礦機(jī)制探討

4.2.1 成礦物質(zhì)來源

研究區(qū)變質(zhì)鐵礦其成礦物質(zhì)來源于海底火山活動(dòng)，成礦方式為沉積作用。含鐵建造形成后，經(jīng)歷了變質(zhì)改造和構(gòu)造變形，它們兼具了火山、沉積和變質(zhì)礦床的多種屬性，屬于海底火山-沉積變質(zhì)鐵礦床。含鐵建造與火山巖建造在空間分布上一致，時(shí)間表現(xiàn)為成層的連續(xù)性，物質(zhì)成分相關(guān)性，含鐵建造是受火山噴發(fā)沉積旋回控制，含鐵建造下伏一套巨厚的分異良好的偏堿性火山巖組合，有可能提供豐富的鐵質(zhì)來源，鐵礦石中沒有陸源物質(zhì)混雜，含礦層僅夾少量陸源碎屑物。

4.2.2 成礦機(jī)制分析

依據(jù)磁鐵礦石英巖發(fā)育特點(diǎn)及形成機(jī)理[15]，該類礦床演化過程依次經(jīng)歷了成鐵盆地形成期—火山噴發(fā)沉積期—火山熄滅-氣液活動(dòng)期—構(gòu)造寧靜-鐵硅質(zhì)沉積期—含鐵建造覆蓋期—變質(zhì)改造和構(gòu)造變形期，形成了含礦巖系，隨后開始接受元古界長城系大洪峪組短暫的沉積與覆蓋。以后受青龍河深大斷裂影響，處于隆升時(shí)期，長期遭受機(jī)械剝蝕風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化淋濾作用，以至將長城系大洪峪組沉積物幾近剝蝕殆盡。在新生代新近紀(jì)初期，由于長凝斷裂和倴城斷裂使長凝次級(jí)成鐵盆地成地塹式下落，接受第四系厚達(dá)400～500 m堆積，本區(qū)鐵礦免受繼續(xù)剝蝕風(fēng)化作用，根據(jù)上述的成礦機(jī)制分析，礦床類型屬于沉積變質(zhì)型鐵礦(圖9)。

圖9 成礦機(jī)制示意圖

4.3 成礦規(guī)律

通過對(duì)長凝鐵礦床的地質(zhì)特征、控礦因素以及成礦機(jī)制分析，結(jié)合磁異常特征，礦區(qū)內(nèi)沉積變質(zhì)鐵礦成礦規(guī)律主要包括：

2)結(jié)合礦石類型及物質(zhì)成分分析，沉積變質(zhì)鐵礦產(chǎn)于斜長片麻巖、斜長角閃巖、角閃巖向長英變粒巖過渡地段。

3)受地層控礦因素影響，鐵質(zhì)來源于基性、富鈉的中基性到中酸性海底火山噴發(fā)作用，鐵礦富集在火山噴發(fā)間歇階段和巖性轉(zhuǎn)變階段。

4)大陸邊緣是鐵礦沉積的有利場(chǎng)所，含礦巖系常常表現(xiàn)淺海沉積特征，鐵質(zhì)來源和沉積環(huán)境決定礦層數(shù)和礦層厚度。一般以海進(jìn)一定階段為鐵質(zhì)沉積最有利環(huán)境。

5 結(jié)論

1)緊密復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜是區(qū)內(nèi)鐵礦控礦構(gòu)造，其中向斜控制了鐵礦的空間分布、規(guī)模、形態(tài)及產(chǎn)狀，背斜控制了含礦巖系的空間分布。

2)結(jié)合磁異常特征，研究區(qū)內(nèi)鐵礦體分布包括南營子礦體、葛代坨礦體、東沙窩礦體、前麻地礦體4個(gè)區(qū)帶，礦體總體呈近SN向，北端偏西或偏東，為平行長條狀，向東突出弧形透鏡狀產(chǎn)出。

3)研究區(qū)內(nèi)的成礦方式為沉積變質(zhì)作用，早期的海底火山活動(dòng)是研究區(qū)內(nèi)變質(zhì)鐵成礦物質(zhì)的主要來源，屬于海底火山-沉積變質(zhì)鐵礦床，含鐵建造與火山巖建造在空間分布上一致，受火山噴發(fā)沉積旋回控制。

4)結(jié)合區(qū)內(nèi)成礦機(jī)理分析，成礦主要受古構(gòu)造、盆地、地層等多方面的控制。