鄂西泥盆紀沉積鐵礦成礦元素和主要伴生元素分布規律

劉云勇, 姚敬劬, 萬傳輝

(中南冶金地質研究所,湖北 宜昌 443003)

鄂西泥盆紀沉積鐵礦成礦元素和主要伴生元素分布規律

劉云勇, 姚敬劬, 萬傳輝

(中南冶金地質研究所,湖北 宜昌 443003)

對鄂西泥盆紀沉積鐵礦中成礦元素Fe和主要伴生元素P、S、Ca、Mg、Si、Al的分布規律進行了研究,查明了這些元素在不同礦床和礦層,沿礦層的走向和傾向,由地表至地下含量的變化,揭示了影響各類元素含量的古地理、沉積相、氧化還原及生物化學條件,這對在該區尋找富礦、低磷礦和自熔性礦將有所啟示。

鐵礦;元素分布;鄂西

鄂西是中國泥盆紀海相沉積鐵礦(寧鄉式鐵礦)最主要的礦區,已發現礦產地93處,查明44處,查明資源量20億t(圖1)。鐵礦產于上泥盆統黃家磴組和寫經寺組中,自下而上共有4層鐵礦產出,分別命名為Fe1、Fe2、Fe3、Fe4,其中以Fe3礦層最重要。鄂西鐵礦雖然量大,但因礦石品質以貧鐵、高磷、酸性為主,所以在鐵礦市場中處于劣勢,影響了該區鐵礦的規模開發。為了在區內尋找富礦、含磷較低的礦和自熔性礦,筆者研究了該區鐵礦主要成礦元素Fe和主要伴生元素P、S、Ca、Mg、Si、Al的分布規律。研究成果不僅對地質勘查有所啟示,而且能加深對這一類型鐵礦床地球化學特征的認知。

圖1 鄂西泥盆紀沉積鐵礦分布圖Fig.1 Distribution map of Devonian sedimentary iron deposits in western Hubei1.第四系;2.侏羅系;3.二疊系;4.志留系;5.寒武系;6.中型;7.白堊系;8.三疊系;9.石炭系、泥盆系并層;10.奧陶系;11.震旦系;12.大型。礦區編號:1.官莊鐵礦;2.松木坪鐵礦;3.馬鞍山鐵礦;4.楊柳池鐵礦;5.火燒坪鐵礦;6.青崗坪鐵礦;7.石板坡鐵礦;8.黃糧坪鐵礦;9.謝家坪鐵礦;10.龍角壩鐵礦;11.龍坪鐵礦;12.田家坪鐵礦;13.瓦屋場鐵礦;14.仙人巖鐵礦;15.黑石板鐵礦;16.官店鐵礦;17.伍家河鐵礦；18.長潭河鐵礦;19.鐵廠壩鐵礦;20.太平口鐵礦;21.十八格鐵礦。

1 鐵

1.1 鐵在鄂西成礦區不同礦區中的含量

鄂西成礦區不同鐵礦中TFe含量分布圖(圖2)表明,成礦元素鐵在區內鐵礦中含量高低分布具有如下的規律性。

圖2 湖北省恩施—宜昌地區高磷赤鐵礦TFe含量分布圖Fig.2 Map of TFe content distribution of high-phosphorus hematite ore in Enshi-Yichang area

(1) 不同礦區中鐵的平均含量雖在總體上較為接近,但仍然存在著貧和富的差異:平均含鐵最高的礦區(47.65%)和最低的礦區(29.34%)相差18.31%,差距為0.6倍。

(2) 以>TFe44%為界,可圈定出十八格、鐵廠灣—官店、黃糧坪、松木坪等四個富鐵區域;以<34%為界,可圈出白廟嶺、尹家村—馬虎坪、朝陽坪等三個貧鐵區域,富鐵區域和貧鐵區域相間分布。

(3) 以富鐵區為中心向外,礦區中鐵的含量逐步下降,以貧鐵區為中心向外,礦區鐵的含量逐步升高,兩者之間存在較為寬闊的過渡區,過渡區鐵礦的鐵含量為38%左右。

(4) 富鐵區域大多位于寫經寺期巖相古地理的遠濱坡地帶,產于頁巖夾灰巖砂巖微相和灰巖夾頁巖砂巖微相中。貧鐵區主要位于沉積盆地南北邊緣地帶的遠濱高地帶和遠濱坪地帶,賦礦巖相主要為砂巖夾頁巖灰巖微相。

1.2 鐵在不同礦層中的含量

表1 不同礦層鐵平均品位(%)對比

圖3 不同礦層TFe平均品位Fig.3 TFe average contents of different ore beds

1.3 鐵在同一礦層中的含量

同一礦層在全區范圍內含鐵量高低有差異,產生上述貧富分區現象;在一個礦區范圍內,同一礦層含鐵量沿走向、傾向和厚度方向均有一些變化,但變化的幅度不大,變化系數一般為10%～20%。

1.4 鐵在地表樣和深部樣中的含量變化

為研究地表風化作用對礦石品位的影響,對部分礦區地表樣和深部樣的鐵的含量進行了比較(表2)。由表2知,仙人巖、謝家坪、太平口、石板坡四個礦區地表樣的品位無一例外地高于深部樣,變化率+1.79%～+29.16%,說明表生氧化作用對鄂西寧鄉式鐵礦礦石品位的影響是存在的,有一定的富集作用。其中最為明顯的是太平口鐵礦,地表樣TFe含量為40.62%,明顯高于地下樣(31.45%)。表生氧化作用對礦石質量的影響與礦石類型有一定的關系,鮞綠泥石菱鐵礦礦石存在比較明顯的表生富集作用,赤鐵礦石則作用不明顯。

2 磷

2.1 磷在不同礦區中的含量

恩施—宜昌高磷赤鐵礦以含磷高為特征,但是各礦區的含磷量并非“鐵板一塊”都很高,而是存在著高低差異,最大差距可達2.39倍。不同礦區磷含量的變化系數要大于鐵含量的變化系數,磷鐵的相關系數也很低(r=-0.202),表明磷元素的集散不與鐵同步,磷的集散有其獨立性。

全區不同礦區中磷含量的分布圖(圖4)表明,磷含量存在貧富差異現象:含磷高的礦區和含磷相對較低的礦區分別聚集,形成高磷區和低磷區。以P>1.3%為界,可圈出白廟嶺和馬鞍山兩個高磷區,以P<0.6%為界可圈出官莊、謝家坪、伍家河等三個低磷區。由高磷區中心向外,磷含量依次降低為1.2%、1.1%和1.0%;由低磷區中心向外,磷含量依次升高為0.7%、0.8%。在低磷區與高磷區之間,有著較為寬闊的過渡區,分布在該區的鐵礦磷的含量為0.8%～1.0%。對比礦區磷含量與其產出的古地理條件,發現了高磷區一般分布在古水深40～60 m的區域,礦石中古生物化石較為豐富;低磷區分布在水深<40 m或>60 m的區域,礦石中古生物化石相對較少。

2.2 磷在不同礦層中的含量

據不完全統計,P在Fe1、Fe2、Fe3、Fe4四個不同礦層中的平均含量分別為:1.10%、0.845%、0.857%、0.795%。以Fe1礦層含磷量最高,Fe2、Fe3礦層含磷量近似,Fe4礦層含磷量最低。

2.3 磷在同一礦層中的含量

同一礦層在不同礦區含磷量有高低差異,例如同為Fe3礦層有的礦區含磷高達1.44,有的礦區含磷0.424。在一個礦區的范圍內同一礦層沿走向、傾向和厚度方向含量也有變化。如官店礦區CK1鉆孔從Fe3礦層頂部至底部所采的10個樣中,含磷最高為1.64%,最低為0.761%,相差1.16倍,變化系數為27.43%。落雁山礦區Fe3礦層含磷沿走向變化較小,沿傾向變化較大。總體上礦層中磷含量的變化較TFe含量變化明顯。

表2 地表和深部樣品成分比較

2.4 磷在地表樣和深部樣中含量的變化

磷在地表樣和深部樣中含量的變化見仙人巖礦區的統計結果:140個地表樣磷平均含量為0.821%;11個深部樣磷平均含量為0.67%,地表樣含磷較深部樣高,變化率為+22.54%。本區鐵礦中的磷以膠磷礦形式存在,膠磷礦在表生風化作用中性質比較穩定。據測定,磷酸鈣在20℃水中的溶解度僅為2×10-3～3×10-3g/100 g,屬于基本不溶。隨著鐵礦層中易溶組分的流失,磷相對富集。磷在氧化帶中富集的現象在磷塊巖型磷礦床中常見,風化作用可使P2O5的含量可提高5～10個百分點。本區鐵礦中磷含量的變化也符合磷在表生作用中的地球化學性質。

磷是鄂西鐵礦主要的有害元素,磷的分布存在自然分異現象,有的礦區含磷高,有的礦區含磷低。含磷高低與成礦區的水深條件及生物活動繁盛程度有關。同一礦層中含磷量的變化系數一般為15%～40%,要大于鐵含量的變化系數。地表氧化帶,礦石中磷的含量有所提高。

3 硫

3.1 硫在不同礦區中的含量

各礦區含硫量分布圖(圖4)表明,礦石中總體含硫很低,大多在×10-4這一數量級,但是出現四個含量高的區域(官莊、仙人巖、太平口、龍角壩),在這些區域中礦區硫的含量超過0.1%,最高達0.738%。高硫區域以外,硫的含量均很低,為0.02%～0.06%,其中尹家村—黑石板、鐵廠灣地區含硫最低(S<0.02%)。

3.2 硫在不同礦層中的含量

硫在不同礦層中的平均含量見圖5。由圖5知,Fe1、Fe2、Fe3礦層含硫量相近,分別為0.04%、0.02%、0.05%,處在×10-4數量級,而Fe4礦層硫含量為0.325%,明顯高于其他礦層,且要高出一個數量級。上述四個含硫高的礦區有三個礦區(仙人巖、太平口、龍角壩)Fe4礦層為主礦層。

3.3 硫在同一礦層中的含量

據官店鐵礦及落雁山鐵礦研究,硫含量在Fe3礦層中沿走向、傾向和厚度方向都有所變化,變化系數7.70%～35.42%,大多數樣品硫的含量一般不會超過0.1%,因此分布比較均勻。

圖4 主要伴生元素含量分布圖Fig.4 Map of major associated elements distribution

圖5 不同礦層平均含硫量Fig.5 Sulfur contents of different ore beds

3.4 硫在地表樣和地下樣中的含量

據仙人巖、謝家坪兩個鐵礦統計,地表樣硫的含量明顯低于地下樣(表2)。仙人巖礦區地表樣含硫平均0.083%,深部樣含硫平均0.439%,地表樣相對于地下樣硫含量的變化率為-80.70%。謝家坪鐵礦Fe2礦層地表樣含硫0.024%,地下樣含硫0.085%,地表樣相對于地下樣硫含量的變化率為-71.76%;謝家坪Fe3礦層地表樣含硫0.015%,地下樣含硫0.11%,地表樣相對地下樣硫的變化率為-86.36%。由此可見,本區鐵礦地表樣因風化作用造成硫的流失現象普遍且強烈,硫的流失率為-71.76%～-86.36%。

鄂西鐵礦中硫的含量一般很低,屬于低硫礦石。但Fe4礦層硫含量高,這是由成礦時氧化還原環境所決定的,Fe4中礦層形成時處于還原環境硫易形成黃鐵礦沉淀。地表氧化帶由于硫的流失,導致礦石含硫降低。

4 鈣與鎂

4.1 鈣

全區鈣的含量分布圖(圖4)表明,鈣的分布有比較明顯的規律:高鈣區(CaO>8%)主要分布在東部宜昌地區,火燒坪、青崗坪、官莊、松木坪一帶,西部恩施地區除尹家村、伍家河、火燒堡一帶含鈣較高外,其余地區含鈣都不高,屬中鈣區(CaO 8%～2%)。而南部清水湄、朝陽坪、楊家坊一帶含鈣低,屬于低鈣區(CaO<2%)。對照Fe3成礦期巖相分布圖,本區鈣的含量分布與微相區的分布基本吻合。高鈣區位于鐵質巖—頁巖—灰巖微相區,中鈣區位于鐵質巖—頁巖—砂巖微相區,或鐵質巖—砂巖—頁巖微相區,而低鈣區位于鐵質巖—砂巖微相區。

CaO在不同礦層中的平均含量:Fe1礦層缺數據,Fe2礦層2.02%,Fe3礦層7.91%,Fe4礦層4.66%,以Fe3礦層含鈣最高,這與Fe3成礦期有較多碳酸鹽沉積有關。在一個礦區內鈣在同一礦層中分布不很均勻,官莊礦區Fe3礦層自頂部到底部CaO的含量變化介于2.39%～8.79%,變化系數為44.12%。落雁山礦區沿走向CaO的含量變化較小,為2.90%～6.13%,變化系數22.79%;沿傾向變化較大,為2.47%～12.00%,變化系數達86.28%。

據仙人巖、謝家坪鐵礦研究,礦石CaO含量地表樣和地下樣有差別,地表樣CaO的含量普遍低于地下樣,地下樣對地表樣CaO含量的變化率為-27.92%～-70.07%。造成這種情況的原因是礦石中含鈣碳酸鹽(方解石、白云石、菱鐵礦)在風化作用中易分解使鈣流失。與硫相比,鈣的流失作用較弱,地表樣中鈣仍保持一定的含量。

4.2 鎂

本區鐵礦MgO分布見圖4。鐵礦中含MgO普遍較低,最常見的含量為1.0%～2.0%,在區域上仍可分出含鎂高的地區和含鎂低的地區。含鎂高的地區(MgO>2.0%)出現在火燒坪、松木坪一帶,含鎂低的地區(MgO<0.4%)出現在白廟嶺一帶。含鎂高的地區位于Fe3成礦期鐵質巖—頁巖—灰巖微相區,含鎂低的地區位于鐵質巖—砂巖微相區。

鎂在不同礦層中的含量:Fe1礦層缺數據,Fe2礦層1.04%,Fe3礦層1.24%,Fe4礦層1.60%,自Fe2-Fe4礦層,鎂的含量似逐步增多。一個礦區范圍內同一礦層中鎂的分布比較均勻,據官店礦區和落雁山礦區的資料,MgO含量沿礦層不同方向的變化系數為18.25%～24.68%。

據仙人巖礦區資料,MgO也存在地表流失的現象,流失率-8.70%～-59.35%。

鈣與鎂的含量是決定礦石的酸堿性的主要因素之一,鈣鎂含量取決于成礦時的沉積微相,產于鐵質巖—頁巖—灰巖微相區的鐵礦含鈣鎂高,產于鐵質巖—頁巖—砂巖微相區和產于鐵質巖—砂巖微相區的含鈣鎂低。

5 硅與鋁

5.1 硅

全區SiO2含量分布圖(圖4)表明,不同礦區硅含量差別明顯,含硅最高的礦區(鋸齒巖SiO2含量36.06%)與含硅最低的礦區(火燒坪SiO2含量9.12%)硅含量相差2.95倍。含硅高的礦區和含硅低的礦區分別聚集,形成高硅區和低硅區,高硅區有兩個:北部的位于白廟嶺、鋸齒巖一帶,南部的位于朝陽坪、清水湄一帶,兩區含SiO2均>25%;低硅區位于東部火燒坪、官莊、松木坪礦區所在面積較大的區域,以及中部龍角壩、石崖坪、官店一帶。兩區SiO2的含量均<13%。在高硅區與低硅區之間的礦區含硅一般在15%～21%。

本區SiO2與CaO分布似有互補關系,SiO2含量高的區域一般含CaO較低,如白廟嶺、鋸齒巖、朝陽坪、清水湄等礦區。反之含CaO高的礦區SiO2含量較低,如火燒坪、官莊、青崗坪、松木坪等礦區。

硅的分布受Fe3成礦期沉積微相控制,分布于鐵質巖—頁巖—碳酸鹽微相區的礦區含SiO2較低,分布于鐵質巖—砂巖微相區的礦區含硅很高,分布于鐵質巖—頁巖—砂巖微相和鐵質巖—砂巖—頁巖微相的礦區含硅量中等。

不同礦層中硅的平均含量如下:Fe1礦層14.09%,Fe2礦層29.84%,Fe3礦層15.99%,Fe4礦層18.72%。Fe2礦層多產于砂巖夾頁巖巖層中,礦石中石英碎屑甚多,因此含SiO2特別高。Fe3礦層形成時沉積相較為復雜,不同微相含SiO2高低差別較大,全層平均,處于中等水平。Fe4礦層形成時,鈣質碳酸鹽沉積階段已經基本結束,取而代之的是鐵質碳酸鹽沉積和鮞綠泥石沉積,因此含SiO2相對也較多。

一個礦區范圍內同一礦層中,SiO2沿走向、傾向、厚度方向的變化一般比較小,SiO2的變化系數19.11%～24.77%。對比地表樣和地下樣SiO2的含量,未發現明顯的規律性,有的礦區地表樣高于地下樣,有的礦區則相反。

5.2 鋁

各礦區中Al2O3含量的分布圖(圖4)表明,在鐵廠灣、謝家坪一帶存在一個高鋁區(Al2O3含量超過10%),白廟嶺一帶存在一個低鋁區,Al2O3含量<4%。其他區域中的礦區含Al2O34%～10%。鋁的分布與Fe3成礦期沉積微相分布有關,高鋁區分布于鐵質巖—頁巖—砂巖微相區,低鋁區分布于鐵質巖—砂巖—頁巖微相區和鐵質巖—砂巖微相區。

不同礦層中Al2O3的含量:Fe1礦層缺數據、Fe2礦層7.81%,Fe3礦層6.80%,Fe4礦層8.41%。Fe3層礦石中常含較多鈣質礦物,粘土礦物含量相對較少,使其含Al2O3最低。Fe2層中脈石主要為石英和粘土礦物,故含鋁量高于Fe3層。Fe4層中的鋁除含在粘土礦物中外,還含在鮞綠泥石中,由于鮞綠泥石的量大,使Fe4層含鋁最高。

鋁在地表樣和地下樣中的含量沒有顯示出明顯的規律,有的礦區地表樣含鋁高于地下樣,有的礦區則相反。

硅鋁是造成礦石酸性的主要元素。硅鋁的含量一般與鈣鎂的含量有互補關系,也受成礦時巖相古地理條件的控制,產于鐵質巖—頁巖—灰巖微相區的含硅鋁較低。

6 影響元素分布的因素

綜上所述,將本區鐵礦中成礦元素和主要伴生元素的分布特征及主要控制因素列于表3。

元素的分布受元素本身的地球化學性質及鐵礦形成時沉積環境的控制[1]。不同的沉積環境古水深、水能量、水介質的Eh-pH、元素活度、生物繁衍程度都有差別,造成了元素的沉積分異。本區元素的分布主要受古地貌、沉積微相、氧化還原條件及生物作用的控制[2]。

(1) 鐵富集于寫經寺期遠濱坡地環境。周圍古陸帶入的鐵質,經遠濱高地和遠濱坪地到達遠濱坡地帶聚集并沉積,主要鐵礦和高品位鐵礦都分布在這一地帶。賦鐵巖相為灰巖夾頁巖砂巖微相和頁巖夾灰巖砂巖微相。

(2) 磷的分布受成礦期生物作用強弱的控制,在水深40～60 m的遠濱坪地環境中生物繁衍最旺盛,富磷作用明顯,造成礦石中含磷高。較之水淺的遠濱高地(20～40 m)區域和較之水深的遠濱洼地(60～100 m)區域,因生物繁盛程度相對較弱,導致礦石中含磷較低。

(3) 硫的分布受沉積時氧化還原條件的控制,Fe1、Fe2形成于近濱氧化環境,Fe3礦層形成于遠濱氧化環境,鐵礦物以赤鐵礦為主,硫含量普遍較低。Fe4礦層形成于遠濱弱氧化—弱還原環境,鐵礦物除赤鐵礦外,出現大量鮞綠泥石、菱鐵礦,硫易以FeS2形式沉淀,導致礦石含硫量高。凡是以Fe4為主礦層的礦區,硫的平均含量都明顯高。

(4) CaO、MgO、SiO2、Al2O3的分布受Fe3成礦期沉積微相的控制:產于鐵質巖—頁巖—灰巖微相中的鐵礦含CaO和MgO含量較高,含Al2O3中等,含SiO2較低;產于鐵質巖—砂巖微相中的鐵礦含硅很高,Al2O3、CaO、MgO的含量均低;產于鐵質巖—頁巖—砂巖微相和鐵質巖—砂巖—頁巖微相中的鐵礦含鋁較高,鈣、鎂含量較低,硅含量中等—偏高。

表3 元素的分布特征和控制因素

7 找礦啟示

(1) 富鐵礦預測區可設在TFe含量分布圖中TFe含量>40%的區域,并處于成礦古地理環境為遠濱坡地的范圍內,沉積微相為寫經寺期頁巖夾灰巖砂巖微相和灰巖夾頁巖砂巖微相區。

(2) 含磷較低的鐵礦預測區可設在P含量分布圖P<0.7%的范圍內,巖相古地理古水深20～40 m或>60 m的區域。

(3) 自熔性礦預測區可設在CaO含量分布圖CaO>10%,SiO2含量分布圖SiO2<15%的范圍內,并處于鐵質巖—頁巖—灰巖微相的區域。

[1] 劉英俊,曹勵明,李兆麟,等.元素地球化學[M].北京:科學出版社,1984:77-86,442-450,458-471.

[2] 秦元奎,邊敏,楊宏偉,等.鄂西泥盆紀沉積鐵礦成礦巖相古地理條件分析[J].資源環境與工程,2015,29(2):132-139.

(責任編輯：于繼紅)

Distribution Law of the Ore-forming Element and Major Associated Elementsin the Devonian Sedimentary Iron Deposits,Western Hubei

LIU Yunyong, YAO Jingqu, WAN Chuanhui

(CentralSouthInstituteofGeologyandMetallurgy,Yichang,Hubei443003)

Distribution law of ore-forming element Fe and major associated elements P,S,Ca,Mg,Si,Al in the Devonian sedimentary iron deposits of western Hubei were investigated。 The paper determines the feature of the elements contents in different deposits and beds,along strike and dip,from surface to subsurface in same ore bed. The study results reveal that various elements contents are controlled by palaeogeography,sedimentary facies,condition of oxidation-reduction and biochemistry effect,guiding the prospecting for rich,low phosphorus,and self-melted ores in this area.

iron deposit; element distribution; western Hubei

2015-05-25;改回日期:2015-07-07

劉云勇(1968-),男,高級工程師,地質礦產勘查專業,從事地質礦產研究工作。E-mail:330439402@qq.com

P618.31

A

1671-1211(2016)01-0017-08

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601004

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.1333.024.html 數字出版日期:2015-12-17 13:33