青海開心嶺二疊紀鐵礦床富磁鐵礦體的地質特征及成因分析

趙振明,陳守建,計文化,張更新,查顯鋒,張海軍

(1.西安地質礦產研究所,陜西 西安 710054;2.中國科學院 青藏高原研究所,北京 100101;3.中國地質大學地球科學與資源學院,北京 100083)

開心嶺地區位于青藏高原腹地北羌塘構造區,在晚古生代具有特殊的構造古地理環境,形成煤和其他多種金屬礦產。該地區下二疊統開心嶺群由青海石油局1957年命名,由扎日根組、諾日巴尕日保組和九十道班組三個巖石地層單位組成,以灰巖、碎屑巖、灰巖夾碎屑巖沉積為主要特征,屬濱-淺海準地臺型沉積,厚1730.3 m(劉廣才,1993)。早二疊世開心嶺的生物性質,與華南棲霞組及茅口組的生物面貌具有廣泛的對比性;晚二疊世烏麗群與藏北雙湖的熱覺茶卡組、昌都的妥壩組同屬一個含煤構造帶,可直接同華南龍潭組及長興組比較(劉廣才和田琪,1993)。早二疊世諾日巴尕日保組火山巖遭受過一定程度的蝕變變質作用,地球化學特征表明其起源于正常地幔或富集地幔源區受到地殼混染,形成環境以島弧環境為主(任二峰等,2011)。北羌塘坳陷是以華力西期開心嶺-雜多隆起帶為基底,經過晚三疊世昌都前陸盆地沉積、早侏羅世斷陷盆地火山-沉積,于中侏羅世與索縣-左貢斷坳聯合為一體,形成北羌塘-昌都巨型坳陷型盆地(賈建稱,2008)。早-中二疊世隨著玄武質、安山質巖漿的噴發,沱沱河地區發生了一次(或更多) 海底熱水成礦事件(楊志明等,2008)。

近年來由于國際鐵礦石價格的上漲和我國對鐵礦石需求的增加,在我國境內尋找富鐵礦床已經成為找礦和科研的重要工作。青藏高原腹地開心嶺高海拔地區,高品位富磁鐵礦的開采,作為該地區主要的金屬礦產之一,所揭示的大量礦床地質信息,為研究工作提供了重要依據。本文擬從地層與古地理環境出發,結合野外的實際工作和地表礦體的地質特征,以及采集樣品的檢測分析結果,重點對開心嶺鐵礦床中富磁鐵礦體的物質來源和形成機制作以探討,為下一步的找礦工作和深部的勘探工作提供依據。

1 礦區地質特征

開心嶺鐵礦床位于青藏高原沱沱河南,唐古拉山鎮沿109國道向南約10 km處(圖1)。在大地構造位置上屬晚古生代羌塘陸塊內的開心嶺-烏麗島弧帶,成礦區屬三江北成礦帶西段的扎多-開心嶺鐵多金屬帶。青海省地質礦產局(1997)將開心嶺群的扎日根組時代厘定為晚石炭世-早二疊世,根據二疊紀三分標準并結合新的地質工作成果,礦區主要地層劃分見圖1和表1,即晚石炭世-中二疊世的開心嶺群,晚二疊世的烏麗群和晚三疊世的結扎群。

開心嶺群的扎日根組為灰白-深灰色碳酸鹽巖,諾日巴尕日保組為雜色碎屑巖夾泥巖、灰巖及不穩定火山巖,九十道班組為灰-深灰色碳酸鹽巖夾少許碎屑巖。三個地層組的正層型剖面為諾日巴納保剖面(E92°21′,N34°04′)(圖1),厚度分別為大于349.69 m、大于1112.77 m、338.57 m。從野外實測的區域地質剖面和巖石組合來看,開心嶺群主體為海相環境;烏麗群則進入海陸過渡相,出現煤層,古生物研究也確定烏里群為晚二疊世海陸交互相含煤巖系(廖卓庭和徐均濤,2002),結扎群主體為陸相,以陸源碎屑巖為主。磁鐵礦體產于開心嶺群諾日巴尕日保組的火山巖地層中。在構造方面,該地區總體為一個大的向斜,核部為結扎群波里拉組的碎屑巖。煤礦和鐵礦所在的南部地區存在兩個小的背斜和兩個小的向斜,煤礦層和鐵礦層被后期構造強烈改變,局部被斷層錯斷。

圖1 開心嶺鐵礦區域地質和交通圖(根據1:25萬沱沱河幅地質圖,李洪普等(2012)和實際資料編繪)Fig.1 The geological map of the Kaixinling iron deposit

表1 開心嶺地區主要地層單元及沉積環境Table1 The main stratum units and sediment environments in the Kaixinling Area

該地區自發現煤層以來,之后又發現了多個磁鐵礦礦點、銅礦點和鋅礦點。青藏鐵路開通后,相關單位在該地區進行了探槽施工和鉆探工作,煤礦和磁鐵礦現在進行了小規模的開采。開心嶺鐵礦床主要由Fe1、Fe2、Fe4及CZ299-1-2四個礦段組成(圖1),2007～2009年開展的鐵礦勘查工作,在Fe1礦段圈出3條鐵礦體,Fe2礦段(施工1個鉆孔ZK1)圈出4條鐵礦體,Fe4礦段(施工3個鉆孔ZK2、ZK3、ZK3)圈出1條鐵礦體和4條鋅礦體,CZ299-1-2礦段內有1條鐵礦體和1條鋅礦體。對9 條鐵礦體估算出333＋334鐵礦石資源量383.05×104t(王賢孝等,2011;李洪普等,2012)。

國道西側的第一和第二礦段（Fe1、Fe2礦段）,礦石以致密塊狀、浸染狀或層狀(條帶狀)磁鐵礦型礦石為主,另有少量角礫狀礦石;東側礦石以赤鐵礦為主,含有少量磁鐵礦、褐鐵礦,呈火山角礫狀的膠結物狀或以鐵礦化沉積凝灰巖產出。鐵礦石礦物主要為赤鐵礦、磁鐵礦、針鐵礦、鈦鐵礦,脈石、蝕變礦物主要為綠泥石、綠簾石、方解石、長石、石英、絹云母等。

區域上安山巖建造為主要含礦層,礦體賦存于安山巖、安山質火山角礫巖和含鐵粉砂巖中。此外,玄武巖、輝綠巖、閃長巖和沉積凝灰巖也含鐵。礦體呈透鏡狀、長條狀等,走向北西-南東,傾向北東,傾角約40°,斷層附近傾角較大,礦區小背斜南側傾向南偏西。

本文研究區位于第一礦段,礦體圍巖為火山巖和灰巖,礦體的走向與地層一致。含礦地層,西北-東南方向延伸超過7.5 km,地表厚近2.0 km。從采坑和磁鐵礦的地表露頭看,礦層有 5～6層,單層向東延伸超過 1 km,向西被第四系覆蓋,類型有層狀和致密塊狀,單層最厚達16 m,最薄為1 m。從大小近10個采坑揭露的礦體的厚度、深度分析,第一礦段和第二礦段在地表下可能連在一起。據估算,至2011年9月,已開采的礦石總量約有20～30萬噸或更多,其磁鐵礦的儲量可觀,可能超過現有該地區四個礦段提交的儲量。

2 樣品的采集

采樣剖面1(圖2)為一采礦礦坑，位于開心嶺煤礦西側的低洼地帶(圖1上五角星),剖面位置:E92°16.45′,N34°09.33′,H4740 m。地層屬開心嶺群諾日巴尕日保組,其總體傾向為25°,剖面從北向南依次為①泥質灰巖;②10 m煤層;③ 14.4 m 層狀磁鐵礦礦層(2010815k02樣品);④5 m褐紅色赤鐵礦礦層(2010815k01樣品);⑤22 m暗綠色蝕變輝綠玢巖(2011090402樣品);⑥ 16.0 m層狀磁鐵礦礦層(2010815k03樣品);⑦灰巖,具斷層。

采樣剖面 2(圖2)也為一采礦礦坑，位于剖面 1東南方向 1.20 km 處(圖1下五角星),剖面位置:E92°16.969′,N34°08.737′,H4781 m,地層同樣屬諾日巴尕日保組,為第一礦段一個礦體向東南方向延伸部分。地層和礦層傾向西南,是煤層南側一個小背斜的一翼。剖面從南向北依次為①砂巖;②赤鐵礦條帶近于平行,寬小于0.5 mm。2011090401為致密塊狀富磁鐵礦石樣品(圖3b),深灰色,強金屬光澤,標本具兩條白色細脈,脈寬小于0.5 mm,強磁性。

圖2 開心嶺磁鐵礦層實測剖面圖Fig.2 The profiles of the magnetite ore beds in the Kaixinling area

3 樣品的實驗測試分析與結果

對采集的5塊樣品進行了薄片、光片和電子探針光片的磨制,并進行顯微鏡薄片、光片鑒定、光譜半定量檢測、X射線衍射半定量檢測、化學簡相分析、鐵礦石物相定量分析、電子探針檢測、激光拉曼光譜分析及富磁鐵礦樣品TFe的外檢分析。其中除了TFe外檢分析在國土資源部西安礦產資源監督檢測中心完成外，其他均在西安地質礦產研究所實驗測試中心進行。層,厚5.50 m;③輝綠玢巖,厚4.20 m;④致密塊狀富磁鐵礦礦層,厚1.5 m (2011090401樣品);⑤灰巖,未見底。

圖3 開心嶺富磁鐵礦石照片Fig.3 The photos of the rich magnetite ores in the Kaixinling area

2010815k01 為赤鐵礦樣品,褐紅色,土塊狀,無層理,比重小,轉動可看到發亮礦物。2010815k02為磁鐵礦樣品,深黑色,細粒狀,染手,金屬光澤,強磁性。2010815k03為磁鐵礦樣品,多層產出,標本總厚 15.0 cm(圖3a),深色層與淺色層相間出現,深色層厚1.0～3.5 cm,淺色層厚0.1～0.2 cm,層與層呈近平行,淺色層局部具波狀,順層局部出現氣孔,截面為0.5 cm×1.0 cm,孔中具亮色疑為碳酸鹽結晶物,單層細粒狀,染手,金屬光澤,強磁性。2011090402為蝕變輝綠玢巖樣品,灰綠色,局部可見褐色,可見深色輝石,綠色綠簾石,具白色條帶,

3.1 顯微結構特征

對3個礦石樣品和輝綠玢巖樣品進行偏光顯微鏡鑒定,結果如下（圖4）：

2010815k01 樣品為赤鐵礦礦石。礦石中金屬礦物主要是赤鐵礦,具褐鐵礦化。赤鐵礦集合體呈斑塊狀分布,斑塊間為石膏充填,組成斑塊狀構造。局部赤鐵礦可見板狀、集合體呈斑塊狀不均勻分布于礦石中,含量約 20%～30%。脈石主要為石膏,呈板狀,其集合體分布于赤鐵礦的斑塊間和間隙內。鏡下石膏呈無色,受氧化鐵混染呈黃褐色,干涉色為較低的黃白-灰色,折射率大于樹膠,表明是向硬石膏過渡的中間種屬(即部分脫水的石膏),含量約為 50%～60%。其他脈石,有呈星散狀產出的石英(含量約 5%左右)和小鱗片狀的黏土礦物,含量約 5%左右。除此之外，可見重晶石板狀晶體產于赤鐵礦的斑塊中,及少量的碳酸鹽礦物和黏土礦物伴生。

2010815k02 樣品為磁鐵礦礦石。具條帶狀構造,由浸染狀和致密狀的相間平行條帶組成,常呈致密狀條帶橫穿浸染條帶(礦石磁性強,金屬礦物主要是磁鐵礦),說明礦石可能有富化的作用。礦石中主要金屬礦物為磁鐵礦等,含量約為 85%;脈石主要為石英,含量約為 15%,以填隙為主產出,局部可見脈狀。此外,局部可見有細脈狀的長石和角閃石。

2010815k03 樣品為磁鐵礦礦石。該礦石與2010815k02樣品相似,具有浸染帶和致密狀條帶平行相間組成條帶狀構造,和致密條帶橫穿浸染條帶的現象。金屬礦物主要為磁鐵礦(標本有強磁性),據 X衍射分析含有少量赤鐵礦,金屬礦物含量約85%;脈石以石英為主,含量約為 15%,充填于金屬礦物間隙中,局部出現少量角閃石、斜長石等。

2011090402 樣品為蝕變輝綠玢巖。斑狀結構,致密塊狀構造。斑晶主要為斜長石(已蝕變為綠簾石、黝簾石、絹云母),保留有長石的自形-半自形外形輪廓。顆粒大小主要在0.5～1.0 mm之間,少量＞1.0 mm;其次為單斜輝石(蝕變為綠泥石和簾石,局部伴隨有磁鐵礦)。基質粒度細小,一般＜0.2 mm(據蝕變礦物推測),成分與斑晶相同(也由斜長石和單斜輝石組成),已蝕變為綠簾石、黝簾石、綠泥石、絹云母。磁鐵礦為副礦物和蝕變析出物,呈星散狀分布,常與蝕變暗色礦物相伴。葡萄石呈脈狀沿裂隙充填,是巖漿后期熱液活動產物。巖石遭受風化鐵染,薄片中常見褐鐵礦染現象(其成分為褐鐵礦、黏土質和雜質。薄片中不透明黑色部分),表明巖石含鐵質較高。

3.2 光譜半定量檢測分析、X射線衍射分析

對4個礦石樣品和1個圍巖樣品,進行光譜半定量檢測分析,結果見表2。結果顯示除 Fe外,含Cu、Ni、V、Zn、Ti等,5個樣品 V最高為 0.03%,換算為V2O5為0.05%,達不到邊界品位0.1%。Ti最高為 0.8%,換算為 TiO2為 1.33%,達到邊界品位1.0%。

用D/max-2500X射線對標本樣品進行分析,結果見表3。2010815k01樣品,赤鐵礦為 26%,石膏59%,石英6%,伊利石4%,蒙脫石3%,重晶石1%,未檢出1%;2010815k02樣品,磁鐵礦95%,赤鐵礦3%,未檢出2%;2010815k03樣品,磁鐵礦87%,赤鐵礦為4%,石英3%,石墨2%,角閃石3%,未檢出1%。分析結果表明，在 2010815k03樣品檢測出染手礦物石墨,這是與礦床成因有關的重要礦物之一。

為了進一步了解石墨,用化學分析的副樣對2010815k02、2010815k03、2011090401和2011090402四個樣品,進行X衍射檢測分析(表3)。結果為,前兩個樣品除其他礦物,石墨<1%。2011090401樣品,磁鐵礦 76%,赤鐵礦為 18%,石英 5%,未檢出 1%;2011090402樣品,石英 12%,斜長石57%,綠泥石18%,綠簾石10%,方解石1%,未檢出2%。從結果來看,2010815k02磁鐵礦樣品可能同樣含石墨。

表2 光譜半定量檢測分析結果(%)Table2 The results of semiquantitative spectrometric analysis(%)

圖4 赤鐵礦和磁鐵礦與蝕變輝綠玢巖薄片顯微鏡鑒定結果照片Fig.4 The microscopical photos of the hematite,magnetite and altered allgovite

表3 X射線衍射分析結果(%)Table3 Results of X-ray diffraction analysis(%)

3.3 化學分析

為了確定樣品中Fe、Mn、TiO2的含量,對樣品進行了化學簡項分析。TFe采用容量法;Mn采用全譜直讀離子體光譜儀ICP;TiO2采用分光光度法(比色法)。

分析五個樣品中,TFe分別為22.20%、66.30%、64.00%、63.87%、7.98%(表4)。Mn在 2010815k01樣品無檢出,在 2010815k02和2010815k03樣品含量為0.17%,TiO2在2011090401和2011090402兩個樣品為0.03%、0.88%,沒有達到邊界品位。上述檢測結果結合野外實際產出情況,說明磁鐵礦礦石中的釩、鈦含量較低達不到釩、鈦磁鐵礦的標準。對2010815k02、2010815k03和2011090401三個樣品命名為富磁鐵礦石,所代表的地質體為富磁鐵礦體。

在圖4顯微鏡照片中,2010815k02、2010815k03磁鐵礦樣品局部出現深色條帶磁鐵礦與淺色條帶石英相間,大多區域主要為深色的磁鐵礦條帶(圖3a)。在淺色條帶中,主要礦物石英、角閃石和方解石同樣含鐵。成分純凈的石英可能含有磁鐵礦、赤鐵礦和針鐵礦微包裹體,角閃石和方解石也可能含有一定比例的 Fe元素(北京大學地質系巖礦教研室,1979),對全鐵有貢獻。

為了驗證三個富磁鐵礦石樣品全鐵化學分析的準確性,將三個樣品的副樣送至國土資源部西安礦產資源監督檢測中心用重鉻酸鉀容量法進行外檢。外檢結果顯示:三個樣品外檢化學分析結果與西安地質礦產研究所實驗測試中心化學分析結果誤差分別為:0.45%、0.25%、0.17%(表4),在誤差允許的范圍內,證實原化學分析結果可靠。

表4 礦石和圍巖化學分析結果(%)Table4 Ore metal contents of the ores and the allgovite(%)

3.4 鐵礦石物相分析

對鐵礦石(含輝綠玢巖)進行物相分析,分析流程為,取0.5 g的試樣磁選分離,磁性部分為磁鐵礦和磁黃鐵礦,即mFe部分。非磁性部分用2 mol/L乙酸,水浴浸取1～2 h,過濾,溶液為菱鐵礦。殘渣用4 mol/L HCl、3% SnCl2,水浴浸取2 h,過濾,溶液為赤鐵礦和褐鐵礦。殘渣用王水分解,過濾,溶液為黃鐵礦。殘渣為硅酸鐵。然后,對5個樣品進行化學分析,與原化學分析結果對比,誤差為分別為0.04%、0.04%、0.06%、0.02%和0.02%,結果見表5。

綜合 2011090402輝綠玢巖光片鑒定(圖4)、X射線衍射分析(表3)、化學分析 (表4)和物相分析結果,在表5中1.04%的mFe疑為磁鐵礦,說明磁鐵礦體附近的輝綠玢巖,全鐵含量高且具有一定量的磁鐵礦礦物。

表5 鐵礦石物相分析結果(%)Table5 The phase analysis results of the iron ores(%)

3.5 富磁鐵礦礦石2010815K03樣品電子探針檢測

為了確定代表礦物的結構和形態,對富磁鐵礦礦石2010815K03樣品進行探針分析,實驗在西安地質礦產研究所實驗測試中心電子探針檢測實驗室JEOL JXA-8230儀器上進行。背散射圖像見圖5,檢測結果見表6。

對磁鐵礦礦石中6種重要礦物方解石、氟磷灰石、磁鐵礦、石英、普通輝石、方鉛礦進行了定量分析。在圖5中,圖5a,b為方解石,在磁鐵礦晶體的層與層之間,結合薄片照片(圖4),手標本中的淺色層或淺色條帶為方解石、石英、角閃石等(圖3a);圖5c為氟磷灰石,自形程度低,六邊形不完整,在磁鐵礦晶體之間空隙生長;在圖5a方解石的所在層位的上下位置,磁鐵礦自形程度高,為四邊形,擬為八面體的一個截面,圖5d為磁鐵礦晶體的環帶,可能反映了晶體繼續生長加大的過程;圖5e為石英,自形程度低,同樣在磁鐵礦晶體之間空隙生長;圖5f,g為普通輝石,普通輝石作為巖漿巖中最常見的輝石種類,見于基性巖、超基性巖和結晶巖中(北京大學地質系巖礦教研室,1979);圖5h為方鉛礦，在磁鐵礦晶體顆粒之間,可能在磁鐵礦晶體結晶之后結晶。

4 石墨的激光拉曼和電子探針檢測分析

4.1 樣品來源和實驗條件

X衍射分析發現富磁鐵礦石2010815k02、2010815k03含石墨,為了確定該礦石確實含石墨,對樣品進行激光拉曼光譜分析。激光拉曼光譜分析的樣品來自化學分析的粉末樣品,實驗在西安地質礦產研究所實驗測試中心激光拉曼探針儀Renishaw invia上進行。試樣樣品數量 10個(本文樣品7個)。

4.2 激光拉曼檢測結果

實驗檢測結果見表7。7個激光拉曼檢測點中包括2010815k01赤鐵礦樣品2個檢測點,1個赤鐵礦點,1個針鐵礦含磁鐵礦點;2010815k02、2010815k03磁鐵礦樣品,分別檢測到標準的磁鐵礦,在送檢的樣品中未發現石墨,但這并不否定上文 X衍射分析的準確性;在 2011090401磁鐵礦樣品中,檢測到針鐵礦含磁鐵礦和石墨;在2011090402輝綠玢巖樣品中,檢測到鈉長石含石墨,石墨含鈉長石的兩個點。

表6 開心嶺磁鐵礦2010815k03樣品電子探針測試結果Table6 The EMPA results of the magnetites in sample 2010815k03 from the Kaixinling area

圖5 開心嶺磁鐵礦2010815k03樣品電子探針背散射圖像Fig.5 Backscattering images of the magnetites in sample 2010815k03 from the Kaixinling area

表7 激光拉曼檢測結果Table7 The results of Laser-Raman spectrum

圖6 2011090402樣品輝綠玢巖激光拉曼探針檢測發現石墨照片(照片中心)Fig.6 The graphites in the altered allgovite by Laser-Raman spectrum

4.3 石墨在磁鐵礦和圍巖樣品中的確認

在2011090401和2011090402樣品中發現石墨(圖6),圖6a中心是2011090402樣品的0009檢測點,圖6b中心是0010檢測點,檢測點代表范圍為1 μm,前者是鈉長石含石墨,后者是石墨含鈉長石。這兩個檢測點和2011090401樣品的0008檢測點的波譜曲線圖見圖7。

總而言之，使用模擬人進行醫學模擬教學是醫學教育不可或缺的方法，應用于急診、麻醉等領域有很大的作用，對全科醫學研究生的培養和教學有非常好的效果，對模擬人課程體系和教學內容進行深入的探討分析，能夠為醫學教學提供更多更好的幫助。

在波譜曲線圖中,圖7a中 666位移為磁鐵礦,小于500位移的220、291、407,以及1349為針鐵礦的位移,石墨的特征雙峰為1349和1603,由于受針鐵礦 1349位移的疊加,使得石墨在縱軸(Conuts記數)同高的特征雙峰的左峰變高。圖7b左半部分為鈉長石,右半部分為石墨的特征雙峰,檢測點鈉長石多于石墨,實驗結果:鈉長石,含石墨;圖7c與圖7b相反,石墨的特征雙峰在縱軸高于鈉長石,實驗結果:石墨,含鈉長石。

4.4 兩種主要富磁鐵礦石中石墨單礦物電子探針分析

為了證實石墨單礦物的存在及其礦物結構和形態，對樣品進行電子探針分析。實驗在西安地質礦產研究所實驗測試中心電子探針檢測實驗室進行。本次分析的兩個樣品為 2010815k03層狀磁鐵礦石電子探針光片和2011090401致密塊狀磁鐵礦石電子探針光片。實驗室專門對兩個光片中石墨單礦物進行尋找并確認。COMPO背散射圖像,SEI二次電子圖像(形貌)照片見圖8,數據見表8。

把 2010815k03樣品放大到 1000倍,在磁鐵礦顆粒的邊部發現石墨,此外還發現綠泥石,印證了X衍射分析;2011090401樣品放大到400倍發現石墨,其周圍除磁鐵礦外,還有磷灰石、石英、白云石和方解石。因此,可以肯定2011090401樣品標本中，上文提到的白色細脈為碳酸鹽巖。由于電子探針檢測時給光片表面噴鍍的碳膜為微米級的細粉,所以不可能形成圖8照片的大小和形態。

從這些礦物的組合分析,石墨的形成可能是變質或蝕變作用形成。其形成過程中,包括磁鐵礦的形成可能發生過一定的化學反應。兩種特征型富磁鐵礦石中既有巖漿的成分,又具有灰巖的成分,形成位置可能為灰巖與火成巖的接觸帶。綜合野外磁鐵礦石染手現象和室內分析測試結果,石墨真實存在于開心嶺鐵礦床富磁鐵礦石和圍巖中。

圖7 開心嶺磁鐵礦礦石和圍巖樣品激光拉曼光譜分析波譜圖Fig.7 The Laser-Raman spectrum results of the magnetite ore and the wall rock in the Kaixinling area

表8 開心嶺富磁鐵礦電子探針測試結果Table8 The electron probe results of the rich magnetite ores in the Kaixinling area

圖8 開心嶺富磁鐵礦樣品電子探針圖像Fig.8 The electron probe scanning images of the rich magnetite ores in the Kaixinling area

5 成因討論

5.1 國內外研究概況

磁鐵礦(Fe3O4)通過地質、生物或化學過程在缺氧條件下形成(Coker et al.,2007):①巖漿結晶分異作用,如安徽安慶銅鐵礦床中的磁鐵礦帶(范良伍等,2008),攀枝花巖漿型釩鈦磁鐵礦礦床(龔榮洲等,2000)。②熱液蝕變作用、沉積變質作用,如遼寧鳳城翁泉溝硼鐵礦床中的磁鐵礦的成礦過程包括了沉積變質和后期熱液蝕變作用(王慧媛和彭曉雷,2008),河北阜平雜巖中變質新生的磁鐵礦出現于變基性巖、中性巖、酸性巖和變沉積巖中(任留東等,2009)。這兩種作用就是Coker et al.(2007)認為的地質過程。③生物成因作用,磁鐵礦可以在生物體內自然合成(錢霞,2008),在地下及海洋沉積物中,菱鐵礦(FeCO3)和磁鐵礦(Fe3O4)的形成過程中,還原細菌扮演了重要的角色(Roh et al.,2003),美國中南部的俄克拉荷馬州(Elmore et al.,1987),美國新澤西州Ancora地區(Schumann et al.,2008)發現源于生物的磁鐵礦晶體。在中國遼寧弓長嶺鐵礦貧鐵礦石和富鐵礦石中均發現細菌(李曙光等,1983)。④化學過程,指前寒武紀條帶狀磁鐵礦(banded iron formations,BIFs)(Klein,2005)。

在特殊的物理、化學條件和構造背景條件下形成。①在巖漿分異作用(magmatic differentiation)高級階段,硫達到飽和狀態后,響應于磁鐵礦的結晶作用(Maier et al.,2003)。②在低溫環境(50～300 ),℃橄欖石與水反應,產物是富 Mg的利蛇紋石(lizardite)和磁鐵礦;在高溫環境(400～600 ),℃生成富Mg的葉蛇紋石(antigorite),磁鐵礦和氫氣(Evans,2010)。③磁鐵礦是一種具有重要意義地幔水化作用的副產物,在俯沖帶上部,產生長波地磁異常(Blakely et al.,2005)。④在對流流體相互作用下磁鐵礦的再結晶作用(Shau et al.,1993)。在具有穩定剩磁的陸地火成巖中(Hodych,1982)。⑤磁鐵礦的結晶與硫酸鹽有關(Liang et al.,2009;Sun et al.,2004)。

5.2 開心嶺富磁鐵礦與海相火山巖的關系

開心嶺富磁鐵礦的形成與海底(濱淺海古地理環境)巖漿噴發的事件有關。楊志明等(2008)在開心嶺采集到的富磁鐵礦樣品,與筆者采集到的樣品相同,都具有清晰沉積層理 (圖3a),筆者暫時稱其層狀富磁鐵礦石。楊志明等(2008)稱其為“含鐵建造”,并認為是赤鐵礦、磁鐵礦及硅質組分等組成的沉積物未固結時,玄武質、安山質巖漿噴發,形成以赤鐵礦為主的含鐵角礫巖(熔積巖)。這種海底熱水成礦事件,靠近巖漿噴發中心的部位，則以 VMS(volcanogenic massive sulfide火山成因塊狀硫化物)型礦床的形式產出,遠離巖漿噴發中心則可能以熱水噴流沉積型礦床的形式產出。如果這種觀點是正確的,那么,這個時期應該存在兩期成礦,即沉積特征磁鐵礦和角礫巖特征赤鐵礦或褐鐵礦。本文研究的應是第一期,而且遠離海底火山口。此外,鉆探工作在兩個礦段（Fe2、Fe4二四礦段）鐵礦層下探到鋅礦體,礦物為碳酸鋅、硫酸鋅等(李洪普等,2012),又發現隱伏銅礦體(王賢孝等,2011),筆者在野外國道東的地層中和國道西的采坑中也見到孔雀石,這可能證明開心嶺鐵礦床主體為VMS型礦床,只是VMS型礦床的代表礦物黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦、閃鋅礦和方鉛礦等在后期熱液條件下已經蝕變成氧化物或硫酸巖。

本文研究的富磁鐵礦,是否類似前寒武紀的“含鐵建造”？Klein (2005)對澳大利亞和非洲等地前寒武紀的條帶狀含鐵建造研究認為,碳元素和火山灰輸入與海進海退過程中(動蕩環境)有關;而國內前寒武紀的條帶狀含鐵建造,鞍山式變質硅鐵建造鐵礦床圍巖是變質巖且石英含量高,變質碳酸鹽型鐵礦床圍巖為大理巖、千枚巖、板巖。筆者在東昆侖地區中-新元古界萬保溝群地層中發現的富磁鐵礦層,標本中條帶相互穿插,有別于本文研究的礦石(圖3a),在 200倍的電子探針照片中磁鐵礦晶體不規則且不具有明顯的分層特征(趙振明等,2012),也與本文研究的特征不同(圖5)。筆者認為本文研究的磁鐵礦是在穩定的海水中沉積而成。

5.3 輝綠玢巖和次火山巖與富磁鐵礦的關系

筆者發現在野外磁鐵礦層旁側發育蝕變輝綠玢巖。王賢孝等(2011)認為是后期構造及次火山巖漿侵入活動的破壞改造作用強烈,(造成現在)礦體在地表及深部連續穩定性差。本文研究的磁鐵礦礦體附近的蝕變輝綠玢巖,化學分析TFe為7.98%(表4),原始巖漿本身就為高鐵質,光片照片中的葡萄石呈脈狀沿裂隙充填(圖4下左正交光照片),作為熱液或蝕變礦物,是巖漿后期熱液活動產物的證據,可能存在磁鐵礦礦物(圖4下右反光照片),X衍射分析發現綠泥石和綠簾石(表3),物相分析確定各礦物mFe(磁鐵礦,磁黃鐵礦)1.04%,菱鐵礦0.68%,赤鐵礦和褐鐵礦4.77%,黃鐵礦0.18%,硅酸鐵1.33%的含量(表5)。電子探針檢測在礦石中發現標準的方鉛礦(PbS)(圖5h、表6),方鉛礦通常出現在熱液礦脈或接觸交代礦床中,在(圖4)中 2010815k02、2010815k03樣品顯微鏡薄片照片中,原先平行的磁鐵礦層被垂直穿透,形成像竹子一樣的短節,穿透層的主要礦物為磁鐵礦,少量石英等,這些磁鐵礦和少量石英就來自后期的經過蝕變的巖漿和熱液。一次與成礦有關的次火山巖或淺成侵入巖巖漿作用事件對成礦有貢獻,可能存在第三期成礦。開心嶺富磁鐵礦的形成類似上文提到的,遼寧鳳城翁泉溝硼鐵礦床中的磁鐵礦以及海南石碌以赤鐵礦為主的富鐵礦礦床(火山-沉積變質,后期構造-巖漿事件的改造富集作用)(王智琳等,2011)的成礦過程。

劉永成等(2010)①劉永成，王進壽，張林等.2010.《青海扎日根地區區域礦產遠景評價報告》比例尺：1∶50000，I46E012010（開心嶺幅），I46E012011（雅西措幅），I46E013010（通天河沿幅）.青海省地質調查院.的研究結果表明，在開心嶺煤礦(中心坐標為 E92°18′25″,N34°08′00″)南側 1.3 km 處發現一面積為 0.05 km2的小型次火山巖體(黑云母粗面巖),巖體侵入于諾日巴尕日保組的基性火山巖中,侵入的構造部位為海底火山通道口中,附近圍巖為火山角礫巖、集塊巖。屬于火山活動后期(與火山活動有關的)巖漿分異的產物。如果這一發現資料可靠,那么,當初的火山口的位置應在第二礦段的東南側(圖1)。

5.4 石墨的確定對礦床成因的指示意義

開心嶺富磁鐵礦的成因有兩個關鍵的問題:第一,海相火山沉積過程中,加熱的海水與沉積下來的巖漿的化學反應(李洪普等,2012),是否是變質作用;第二,后期巖漿熱液改造或蝕變,產生新礦物,例如磁鐵礦或石墨,又是否是變質作用？

通過本文的研究,確定了石墨的存在。在磁鐵礦石中出現石墨,即石墨-磁鐵礦,Scott et al.(1981)報道其組合形成在隕石坑中,研究認為在普通的球粒隕石風化層角礫巖中發現石墨和磁鐵礦晶體組合,風化層角礫巖在隕石坑之前形成,石墨-磁鐵礦中發現一種新的球粒隕石碎屑巖,石墨-磁鐵礦可能來源于這種新的球粒隕石碎屑巖。

國內報道,主要是遼寧弓長嶺富磁鐵礦床中石墨的研究。弓長嶺鐵礦為前寒武紀(3.1 Ga)條帶狀磁鐵石英巖型沉積變質鐵礦(李曙光等,1983),是在太古宙海盆中的熱水沉積環境中化學沉淀的產物(蔣少涌等,1992)。弓長嶺磁鐵富礦TFe的平均品位為64.77% (與開心嶺富磁鐵礦品位接近),磁鐵石英巖TFe的平均品位為32.15%。磁鐵富礦由熱液交代條帶狀磁鐵石英巖去硅作用而形成(劉軍和靳淑韻,2010)。弓長嶺鐵礦中的石墨是原始泥質沉積物經區域變質作用形成,在石墨存在的條件下,鐵氧化物的賦存形式是磁鐵礦(夏建明等,2011)。先前的研究認為,前寒武紀條帶狀含鐵建造,是一種在缺氧的條件下的化學沉積,有火山物質的加入,很少有變質礦物(Klein,2005)。也富磁鐵礦、含石墨,但時代不一致,開心嶺富磁鐵與弓長嶺富磁鐵礦床相似，開心嶺富磁鐵礦中礦為晚古生代二疊紀。筆者認為,開心嶺富磁鐵礦用單一的成因是無法解釋的,應該是多成因:海相火山(巖漿作用)沉積(沉積環境、物理化學條件、沉積中的變質作用)、熱液蝕變(后期的變質作用),石墨可能在這一過程中產生。同樣,弓長嶺型富磁鐵礦床既具有原始沉積的特點,又具有熱液再造的特征,含石墨富礦的原始沉積物含有相當數量的碳酸鹽,該富礦是多成因的:沉積階段、區域變質階段和熱液階段(李曙光,1982),弓長嶺鐵礦磁鐵富礦中的石墨是由原生沉積的菱鐵礦,在強還原條件下經變質分解形成的,原始礦石可能是一種含大量菱鐵礦的碳酸鹽型鐵礦石(李曙光等,1983)。

開心嶺富磁鐵礦中的石墨與弓長嶺富磁鐵礦中的石墨成因,具有非常相似的方面,至少可以肯定,石墨的存在證明開心嶺富磁鐵礦在“海相火山沉積”中存在化學反應,而這種化學反應本身就是變質作用。夏楚林等(2011)認為區域低溫動力變質作用,包括開心嶺群、二疊紀烏麗群、三疊紀結扎群,普遍達到低綠片巖相變質程度。

5.5 海相火山沉積過程中的變質作用

第一,沉積學方面的證據。開心嶺富磁鐵礦石,在野外產出上具明顯層狀特征,標本中深色礦物磁鐵礦和淺色礦物石英、角閃石相間出現(圖4)。對單層磁鐵礦電子探針繼續放大后(圖5a,b)發現方解石,還發現石英顆粒在磁鐵礦的顆粒間隙中(圖5e,f)。對2010815k02樣品、2010815k03樣品的顯微鏡照片（圖4）繼續分析,在沉積作用之后,又有磁鐵礦的層狀脈或石英脈垂直穿透此前形成的層面,筆者認為這是沉積作用過程即將完成或已經完成之后的蝕變作用,這種作用在一定的物理化學條件下,由其他先前形成的礦物經過化學反應生成磁鐵礦,或者先前的磁鐵礦晶體繼續生長加大(圖5d)。

沉積變質形成粗粒磁鐵礦,熱液蝕變形成細粒磁鐵礦和網脈狀磁鐵礦(王慧媛和彭曉雷,2008)。本文層狀磁鐵礦可能是在沉積變質過程中形成,而垂直層面的網脈狀磁鐵礦可能是在熱液蝕變過程中形成(圖5d)。筆者認為蝕變作用也應該是一種變質作用,任二峰等(2011)稱為“蝕變變質作用”,這對富礦的形成極其重要。

在流體參與下的沉積變質作用,磁鐵礦的形成與相對弱應變體系中特殊的流體成分造成的退變改造有關(任留東等,2008)。沉積作用發生后,要產生變質反應,必須具備一定的物理化學條件。對于變質反應過程,此前的研究認為,在有水的環境中,黑云母、角閃石的進一步深熔轉化形成磁鐵礦,變質反應形成的磁鐵礦,關鍵在于是否有適量的鐵組分的遷移和富集(任留東等,2009)。開心嶺地區在二疊紀時期為濱淺海環境,具備發生變質反應的必要條件:有海水。盡管沒有發現黑云母,但發現角閃石、綠泥石、綠簾石含鐵礦物(表3,圖4),因此沉積變質作用應該是存在的。此外,變質反應也可形成磁鐵礦并與構造事件有關。在意大利境內西部阿爾卑斯山的超基性巖石中,磁鐵礦礦床可能是鉻鐵礦原始礦石轉化的產物(Rossetti et al.,2009),這種鉻鐵礦到磁鐵礦的轉變(交代變質作用)發生在阿爾卑斯山造山的早期。美國紐約北部東西方向的奧內達加(Onondaga)石灰石(limestone)地區,磁鐵礦顆粒來源于改變和替換了的黃鐵礦顆粒(framboids),區域尺度的磁化作用與流體介質事件的發生,與晚古生代構造應力發生的時間是一致的(Suk et al.,1990)。開心嶺地區明顯存在一次重要的構造事件,這一事件與成礦的關系還須進一步研究。

第二,磁鐵礦與赤鐵礦的同時出現是沉積變質過程的反映。在巖石剝露時期,赤鐵礦和磁鐵礦沉淀物由無水地幔橄欖巖脫氫-氧化作用產生(Hwang et al.,2008);磁鐵礦發生氧化反應部分轉變為磁赤鐵礦是最普遍的氧化反應之一(肖波和潘永信,2006);赤鐵礦晶體是來自磁鐵礦的轉化的直接產物(Barbosa and Lagoeiro,2010);逆化學反應也成立,在一定的物理條件下,赤鐵礦轉化為磁鐵礦。加熱改變T-fO2(溫度-氧逸度)條件,導致赤鐵礦-磁鐵礦層中,赤鐵礦的減少,磁鐵礦的形成(Brownlee et al.,2010);磁鐵礦和赤鐵礦是沉積類型礦床中普通的礦物(Dupuis and Beaudoin,2011)。開心嶺磁鐵礦床,兩種礦物的同時出現可能反映了沉積變質過程,磁鐵礦晶體的環帶構造(圖5d),可能本身就反映了沉積變質過程中,晶體顆粒繼續生長加大的再結晶過程(Shau et al.,1993)。

生物成因作用的必要條件在開心嶺地區是具備的:①海洋沉積物中(Roh et al.,2003),開心嶺地區屬濱-淺海沉積環境。②磁鐵礦顆粒晶體形狀很好(Stolz et al.,1986)或良好(Mann et al.,1984)(圖5)。③磁鐵礦地區硫酸巖富集(Sakaguchi et al.,1993),本文2010815k01樣品含石膏(CaSO4·2H2O)為 59%。④在缺氧或弱氧化條件的海底(Stolz et al.,1986;Lovley et al.,1987;Bazylinski et al.,1988;Karlin et al.,1987)。⑤碳酸鹽地區的俯沖帶(Wood et al.,1990),存在碳氫化合物(Elmore et al.,1987)。筆者在進行激光拉曼光譜分析時,實驗人員發現粉末樣品加熱到 80 ℃時出現炭化,這方面研究需要進一步的確認,本文暫不涉及。

5.6 開心嶺高品位富磁鐵礦的形成

開心嶺鐵礦床中富磁鐵礦的形成與國內其他礦床具有相似的地方。四川攀枝花釩鈦磁鐵礦礦床致密塊狀型礦體,與圍巖接觸關系清楚,TFe 58.72%、55.74%、55.26%,是在深部構造控制下,深部巖漿房的熔離作用與淺部巖漿房分異作用的結果(李文臣,1992)。新疆雅滿蘇鐵礦,其TFe為28.3%～55.3%,為海底火山噴溢熔離型礦床,巖漿噴發之后保持了一段相對平靜的海相沉積環境(張洪武和謝麗霞,2001)。內蒙古黑鷹山鐵礦,礦床類型為火山噴發沉積熱液改造型鐵礦床,TFe 56.02%、62.27%、40.71%(楊冰林,2010),主要礦石TFe品位為,59.27%、59.78%、59.55%(劉金長,1997)。山東金嶺鐵礦床類型為接觸交代矽卡巖型,礦石TFe品位為50.00%～56.65%(徐西雷等,2001)。遼寧弓長嶺沉積變質鐵礦(李曙光,1982)磁鐵富礦TFe的平均品位為64.77%(劉軍和靳淑韻,2010)。

開心嶺地區的磁鐵礦,通過上述大量實際資料的討論,筆者認為在形成過程中,包含了幾個重要的背景條件,①濱-淺海的構造古地理環境,即具有流體水的存在;②海底火山巖漿的噴發作用,在海底形成噴出巖和淺成侵入巖;③巖漿作用,高溫的巖漿將海水加熱,海底熱水的循環過程改變物理化學條件,如溫度-氧逸度等條件;④巖漿中的磁鐵礦在海底熱水沉積富集;⑤沉積后的含磁鐵礦層位中非磁鐵礦礦物,在特殊的物理化學條件下,按照一定化學反應過程,生成新的磁鐵礦和代表性礦物石墨,同時,原先沉積的磁鐵礦晶體的繼續生長加大,使磁鐵礦繼續變富;⑥熱液的持續作用,產生熱液蝕變,形成新的細脈磁鐵礦,石英細脈,垂直穿越先前沉積變質作用形成的磁鐵礦層位,再次使磁鐵礦礦物富集,這樣,在礦石中磁鐵礦高達 90%左右,TFe達到65%左右[90%×168/(168+64)= 65%]。

本文研究的兩層磁鐵礦共厚約 30 m(圖2),按照向下延伸 30 m,(Fe2-2礦體經鉆孔驗證,向深部延伸深達250 m,李洪普等,2012),從采坑的露頭看不止這一深度,水平方向延伸 2000 m(實際可能還要長),體積為 180×104m3,根據磁鐵礦的比重4.9～5.2 t/m3,或鐵的比重7.8 t/m3參考上述品位,初步估算,儲量約為 900萬噸,保守估算為 300～500萬噸,部分地段鋅、銅也達到工業品位。因此,該礦床在現在開采的同時,有必要繼續對重要地段的深部進行適當的加密勘探,為下一步的繼續開采和研究工作提供依據。

6 結 論

開心嶺地區晚古生代二疊紀鐵礦床富磁鐵礦體位于煤層的下部層位,磁鐵礦石TFe品位為66.30%、64.00%、63.87%。礦石具有層狀、致密塊狀特征。層狀礦石中具有深色礦物磁鐵礦與淺色礦物石英、角閃石和方解石相間出現的薄層。致密塊狀礦石具有方解石、白云石和石英組成的細脈。礦體形成的古地理環境、地層、礦石和圍巖特征表明,富磁鐵礦的形成與海底火山沉積變質作用及后期熱液蝕變作用有關,可能是在海底,在一定的構造條件下,巖漿噴發或侵入之后,由于海水的參與,來自巖漿或海底熱液中的磁鐵礦在海底一定的物理化學環境中沉積富集而成。

致謝:本文的野外工作得到開心嶺鐵礦的協助,在此表示感謝！本文作者向西安地質礦產研究所實驗測試中心和國土資源部西安礦產資源監督檢測中心,參與本文研究工作的所有實驗測試人員和審閱本文的專家表示感謝！注:本文涉及的礦石、礦化標本,薄片、電子探針片和化學分析的副樣等,筆者都已完整保存,愿無償向國內學術界提供,以作進一步的研究。

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