山東昌邑-安丘鐵成礦帶BIF鐵礦地球化學及礦床成因

李衣鑫,康志強,劉漢棟,王巧云

(1.桂林理工大學 地球科學學院,廣西 桂林 541006;2.山東省地質調查院,濟南 250013)

0 引 言

前寒武紀條帶狀鐵建造(BIF)是指由富鐵礦物(以磁鐵礦為主)和脈石礦物(以石英為主)組成的條帶狀或條紋狀構造的化學沉積巖[1-2], 在全球廣泛分布于太古宙—古元古代(3.8～1.9 Ga)[3], 以2.7～2.0 Ga最為發育[1,4-5], 它是早期地殼的重要組成部分, 反映當時地質環境和地殼演化特點。 BIF根據其形成時代及含礦建造, 劃分為Algoma型及Superior型[6]: Algoma型主要產于太古宙, 通常形成于島弧、 弧后盆地或克拉通內裂谷帶中, 與海底火山活動關系密切; Superio型主要產于古元古代, 一般形成于淺海環境且與沉積作用密切相關, 且其沉積規模遠大于Algoma型[6-7]。 我國從20世紀50年代開始對BIF展開了系統的研究[8]。大量地質學家研究發現,我國BIF主要發育于華北克拉通邊緣及其裂谷帶,且多形成于新太古代—古元古代,礦石以貧礦為主,富礦較少,礦床多為Algoma型(如遼寧鞍-本地區、 河北冀東地區、 山西五臺山地區)為主, 僅山西呂梁地區的袁家村鐵礦定為Superior型[9-16], 但至今尚有爭議。

昌邑-安丘地區是山東中部重要的鐵成礦區,成因類型主要有沉積變質型(BIF)、巖漿熔離型和巖漿期后熱液型[17], 巖漿期后熱液型鐵礦主要分布于成礦區的北部, 沉積變質型鐵礦分布于中南部,巖漿熔離型鐵礦零星分布于東、南部。對于昌邑-安丘地區BIF型鐵礦,前人主要進行了地質特征及找礦方向、 找礦前景研究[17-22]。對成礦物質來源、礦床成因等方面研究較少。Lan等[15]研究認為, 礦床形成于2 240～2 193 Ma的古元古代粉子山群, 經歷了約1 864 Ma的角閃巖相變質作用, 是古元古代形成的袁家村式鐵礦; 王惠初等[23]認為昌邑-安丘地區含鐵建造的形成時代為新太古代早期(～2.7 Ga), 形成于與島弧相關的構造環境; 蘭廷廣等[24]認為礦床為形成于有較多碎屑物質和較少熱液的大陸裂陷環境; 王金輝等[25]研究認為蓮花山鐵礦原巖為次巖屑砂巖,為火山巖和海水共同作用的產物。

本文以昌邑-安丘地區BIF鐵礦為關注點,通過礦床地質、地球化學研究,揭示研究區古元古代BIF鐵礦的地質特征,探討該區BIF的成因和成礦物質來源。

1 區域地質背景

昌邑-安丘地區位于膠東半島西側的萊州西南部、昌邑東部、平度西北部、安丘東北部,在大地構造位置上屬于華北板塊東緣的膠北隆起西南部,西與沂沭斷裂帶毗鄰(圖1)。區域上出露的地層主要為新太古代膠東巖群、古元古代粉子山群和荊山群以及中、新生代地層。荊山群分布于東部,粉子山群分布于西部二者多以斷層接觸。荊山群與粉子山群為同時異相的沉積變質組合[26],荊山群巖性組合為高鋁片巖、變粒巖、大理巖、含石墨巖系、片麻巖、透輝巖等,變質程度達高角閃巖相-麻粒巖相;粉子山群為區域BIF含礦巖系,主要巖性為大理巖、黑云斜長變粒巖、石榴石黑云變粒巖、透閃巖、石墨透閃巖、淺粒巖、斜長角閃巖、磁鐵石英巖、矽線黑云片巖等,變質程度為綠片巖相-低角閃巖相[15,23-28],粉子山群鋯石SHRIMP U-Pb年齡2 200 Ma[28],時代為古元古代,形成于淺濱海相的大陸邊緣環境[29]。

侵入巖主要為中生代晚侏羅世玲瓏二長花崗巖以及燕山晚期脈巖。東辛莊-蓮花山鐵礦玲瓏花崗巖與鐵礦層直接接觸,對礦層的產狀影響較大[30];燕山期脈巖主要為輝綠巖脈、石英脈、偉晶巖脈,多順層侵入,部分與礦層有一定的交角,破壞礦層的連續性。

基底構造線總體方向30°,褶皺構造和斷裂構造均較發育。褶皺構造主要見于前寒武紀結晶基底中,如在東辛莊礦床西南端粉子山群的背斜軸向北東30°左右,軸面傾向北西,傾角75°,控制了東辛莊礦床的分布[15，24]。斷裂構造包括北北東向、北東向以及北西向斷裂,其中北北東向斷裂主要是昌邑-大店斷裂,是沂沭斷裂帶最東邊的一條重要斷裂,走向20°左右,傾向西,西側發育中、新生代地層,東側發育荊山群、粉子山群地層和玲瓏花崗巖;北東向斷裂比較發育,走向30°左右,主要西傾,兩側為粉子山群含鐵變質巖系及荊山群與粉子山群界線,其構造線與萊州-安丘鐵成礦區方向及地層產狀一致;北西向斷裂分布于研究區中南部,走向320°～330°,形成較晚,橫截鐵礦體,對鐵礦連續性起破壞作用。

2 礦床地質特征

昌邑-安丘地區BIF型鐵礦呈北東向展布,自北至南分布有小灰埠、新河、鄭家坡、東辛莊、蓮花山、搭連營、周格莊、常家屯、吳溝、戴家官莊等中、小型鐵礦。不同鐵礦床中礦體規模、數量、產狀、品位略有不同,但上下盤圍巖、礦石類型基本一致。礦體受粉子山群小宋組地層控制,一般由數個至十余個礦體組成,礦體呈似層狀、透鏡狀,多以單斜形態產出,部分礦體受玲瓏花崗巖體侵位影響,形態呈“背形”(圖2),不同礦體平行或斜列分布,礦體與頂底板界限清晰,沿走向、傾向具分支復合、尖滅再現、膨大狹縮現象,單個礦體長度數十至千余米,傾斜延深數十至數百米。礦體總體走向北東,傾向以南東為主,部分礦段或礦體傾向北西,傾角變化較大,自0°～80°皆有出現,礦體頂底板圍巖為斜長角閃巖(圖3a)、含石榴角閃黑云斜長變粒巖(圖3b)等,礦體與圍巖界線清晰。

礦石礦物以磁鐵礦為主，少量黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦、赤鐵礦,脈石礦物有石英、角閃石、黑云母、透閃石、石榴子石等。根據礦物種類、含量可劃分為角閃磁鐵石英巖、透閃磁鐵石英巖、含石榴角閃磁鐵石英巖等,以角閃磁鐵石英巖為主,其余少量。具粒狀變晶結構、柱粒狀變晶結構和鱗片粒狀變晶結構,條帶狀、條紋狀和塊狀構造。

角閃磁鐵石英巖(圖4a): 條帶條紋狀構造, 柱粒狀變晶結構, 由石英、 磁鐵礦和角閃石等組成。 石英他形粒狀, 粒徑0.1～0.3 mm, 含量40%～45%,定向分布; 磁鐵礦半自形-他形粒狀, 粒徑0.05～0.2 mm,含量25%～30%;角閃石半自形-他形柱狀,大小一般在0.1～0.3 mm,含量30%±,常被陽起石、綠簾石等交代,發育鐵質和硅質條紋條帶,二者為彼此消長關系。

圖1 昌邑-安丘地區基巖地質略圖(據文獻[20,25]修改)

透閃磁鐵石英巖(圖4b):條帶狀、塊狀構造,柱粒狀變晶結構,主要由石英、磁鐵礦、透閃石等組成, 零星黃鐵礦、 赤鐵礦。 石英他形粒狀,大小一般在0.1～0.3 mm,部分0.3～0.5 mm,個別達1～2 mm,呈鑲嵌狀、定向分布,可見波狀消光,含量60%～65%;磁鐵礦半自形-他形粒狀,大小一般在0.1～0.3 mm,部分0.3～0.5 mm,少量0.5～1 mm,鑲嵌狀分布,集合體不規則堆狀分布, 含量20%～25%; 透閃石半自形-他形柱狀, 大小一般在0.01～0.1 mm, 部分0.1～0.2 mm,少量0.2～0.3 mm,呈星散狀、略顯定向分布,集合體不規則堆狀分布,含量15%～20%。

圖2 東辛莊鐵礦床106線剖面圖(據文獻[30]修改)

含石榴磁鐵黑云石英巖(圖4c):條帶狀構造,鱗片粒狀變晶結構,主要由石榴石、黑云母、石英、磁鐵礦組成,見零星黃鐵礦。石英他形粒狀,大小約0.2 mm,顆粒邊界圓滑,含量50%±;黑云母片狀, 鱗片大小在0.2 mm±, 最大0.5 mm, 定向分布,分布于石榴石、 石英間隙, 含量約25%; 磁鐵礦半自形-他形粒狀, 粒徑0.01～0.2 mm,呈條帶狀分布,含量約20%;石榴子石半自形-他形粒狀,粒徑0.2 mm±,最大達2.4 mm,為鐵鋁榴石,包含石英、磁鐵礦顆粒,石榴子石周圍常包圍黑云母,含量約5%。

3 樣品采集及分析結果

3.1 樣品采集及分析方法

用于主量、微量和稀土元素測試的樣品采自鄭家坡、新河、周格莊、蓮花山鐵礦,部分采自鉆孔巖心新鮮礦石,均無明顯的風化作用。樣品采自主礦體的角閃磁鐵石英巖或透閃磁鐵石英巖礦石。

圖3 昌邑-安丘地區鐵礦圍巖手標本及鏡下照片

圖4 昌邑-安丘地區鐵礦石手標本及鏡下照片

經鏡下巖礦鑒定后, 選出新鮮無后期脈體充填的樣品,粉碎至200目(0.75 mm)進行主量元素、 微量元素和稀土元素測試分析。 主量元素測試在山東省第四地質礦產勘查院實驗測試中心完成,采用帕納科Axios熒光光譜儀測試, FeO運用重鉻酸鉀容量法, CO2非水滴定法, S碘量滴定法,H2O+重量法測試,分析誤差小于2%。 微量元素和稀土元素分析在中國冶金地質總局山東局測試中心完成,采用Xseries 2電感耦合等離子體質譜儀測試, 測試方法和依據為《電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)分析方法通則》(DZ/T 0223—2001)。

3.2 分析結果

主量元素分析結果見表1。本區BIF的主要氧化物為TFe2O3、SiO2, TFe2O3含量在38.92%～55.35%(平均49.56%), SiO2在36.27%～46.83%(平均41.78%), SiO2含量與全鐵含量呈反消長關系, 當SiO2含量升高時, 全鐵含量就降低; MgO含量在0.93%～2.93%, 平均1.55%; CaO含量0.68%～3.97%, 平均1.59%; TiO2為0.05%～0.21%, 平均0.12%;Al2O3含量相對較高, 為0.53%～4.47%, 平均2.13%; Na2O含量在0.05%～0.34%, 平均0.15%; K2O含量0.08%～0.89%, 平均0.28%; MnO含量0.02%～0.22%, 平均0.06%; P2O5含量0.01%～0.05%, 平均0.03%。 與遼寧弓長嶺、 冀東[24]等典型BIF相比, TFe2O3、 SiO2含量上沒有明顯差別, 但TFe2O3含量略低, Al2O3、 TiO2、 Na2O、 K2O含量明顯高于上述典型鐵礦, 暗示較多的碎屑物質參與了本礦的形成。 A-C-FM圖解被廣泛應用于變質巖原巖成分的研究, 該圖解能區分較多的原巖類型, 包括各種沉積巖和火成巖, 并且計算結果不易受交代作用的影響[31]。在該圖解中, 昌邑-安丘地區BIF鐵礦石的投點均落在膠體化學沉積巖區域(圖5)。

表1 昌邑-安丘地區BIF鐵礦石主量元素分析結果

昌邑-安丘地區13個鐵礦樣品稀土元素分析結果見表2, 經PAAS標準化后的REE+Y配分曲線如圖6所示。BIF樣品稀土總量較低, ∑REE+Y=(16.16～37.91)×10-6,平均26.24×10-6, 明顯低于澳大利亞沉積巖的平均稀土總量184.8×10-6[32]; 昌邑-安丘地區BIF鐵礦石在稀土元素PAAS標準化圖解中的配分模式極為一致, PAAS標準化的稀土配分曲線左傾。LREE/HREE平均值為1.92、 (La/Yb)PAAS=0.57～0.94(平均0.69)和Eu正異常(Eu/Eu*=1.54～1.98, 平均1.74), 除個別樣品外,顯示La正異常(La/La*=0.62～1.21,平均1.03)、 Y正異常(Y/Y*=1.09～1.82,平均1.38); Ce負異常(Ce/Ce*=0.76～0.89，平均 0.81)， Y/Ho值為30.71～48.55。與遼寧弓長嶺(Eu/Eu*=3.28[24])、冀東遷安(Eu/Eu*=2.08[24])山西五臺(Eu/Eu*=2.37[24])等典型太古宙BIF相比,昌邑-安丘地區BIF顯示較小的Eu正異常。

圖5 A-C-FM判別圖解(底圖據文獻[31])

昌邑-安丘地區鐵礦石的微量元素含量見表2,圖7為微量元素原始地幔標準化蛛網圖。大離子親石元素Rb含量為(2.11～32)×10-6(平均10.68×10-6),Sr為(9.5～263.5)×10-6(平均66.71×10-6),Ba為(13.1～167.4)×10-6(平均58.29×10-6); 高場強元素Nb含量為(0.70～3.30)×10-6(平均1.73×10-6),Ta為(0.03～0.98)×10-6(平均0.26×10-6),Zr為(12.0～33.5)×10-6(平均18.25×10-6),Hf為(0.36～1.07)×10-6,平均0.62×10-6,Th含量較高((0.35～2.24)×10-6, 平均1.24×10-6),U為(0.14～0.65)×10-6(平均0.35×10-6),Ti為(268～1 243)×10-6(平均653×10-6; 過渡元素Sc含量較高((1.0～13.5)×10-6, 平均4.33×10-6), V為(8.7～54.9)×10-6(平均29.57×10-6),Cr為(7.4～37.1)×10-6(平均18.43×10-6),Co為(1.0～15.6)×10-6(平均7.28×10-6),Ni為(7.8～27.9)×10-6(平均19.4×10-6)。 Sr/Ba值為0.31～20.11, 6件樣品小于1, 7件樣品大于1, 平均2.4; Ti/V值為12.77～39.94, 僅1件樣品<13, 平均24.77; Co/Zn值為0.01～0.46(平均0.18), Ni/Zn值為0.12～1.45(平均0.48), 與熱液成因BIF的Co/Zn(0.03～0.15)、 Ni/Zn(0.08～0.78)值相近。 大離子親石元素Sr和Ba總體表現為虧損,僅個別樣品富集; Nb、Ta、Ti、Zr虧損, Sc、Th、Hf、U、P、K、Pb、Nd、Sm、V、Cr、Co、Ni、Zn等元素富集。

表2 昌邑-安丘地區BIF鐵礦石微量元素及稀土元素分析結果

圖6 昌邑-安丘地區鐵礦石稀土元素PAAS標準化配分圖(PAAS值據文獻[30])

圖7 昌邑-安丘地區鐵礦石微量元素原始地幔標準化蛛網圖

4 成礦物質來源及礦床成因討論

國內外學者對BIF鐵建造的成礦物質來源尚存在一定的爭議, 但是近年來隨著對BIF中礦石和圍巖地球化學研究的深入,多數學者趨向于認為BIF的成礦物質來自海底熱液和海水[33]。

已有的研究表明, 熱液流體中通常富集Fe和Si組分,而Al、Ti等組分反映了陸源物質的加入[34]。 昌邑-安丘地區BIF鐵礦化學成分均主要是SiO2、TFe2O3, SiO2+TFe2O3含量在83.57%～95.60%, 平均91.34%, 變化較大,平均值較華北克拉通典型BIF鐵礦(遼寧弓長嶺、 冀東遷安、 山西五臺)低, 且含有較多的Al2O3(平均2.13%)和TiO2(平均0.12%), 暗示昌邑-安丘地區BIF原巖為有較多陸緣碎屑物質加入的化學沉積巖。 化學沉積物中較高的CaO/(CaO+MgO)值(≈0.8)可能說明了其遭受到來自于擴張洋中脊和活動噴口附近海水和玄武巖相互反應形成的熱液流體的疊加[35], 研究區礦石中CaO/(CaO+MgO)值為0.39～0.63, 平均0.49,明顯小于0.8, 說明昌邑-安丘地區BIF鐵礦可能形成于遠離擴張洋中脊或者火山噴口的位置。 一般認為沉積變質鐵礦的SiO2/Al2O3值應小于10, 火山沉積變質鐵礦的SiO2/Al2O3值應大于10[36]。 昌邑-安丘地區BIF的SiO2/Al2O3值變化為10.76～84.09, 平均值26.58, 表明昌邑鐵礦是有較多陸源物質參與的條帶狀鐵礦床。

研究表明, 經PAAS標準化的現代海水REE表現為輕稀土虧損, 重稀土富集, La和Y正異常, Ce負異常, 深海高溫熱液表現為明顯的Eu的正異常。從圖6、表2可知, 昌邑-安丘地區BIF鐵礦石PAAS標準化的稀土配分曲線左傾, 具La正異常(La/La*平均1.03)和Y正異常異常(Y/Y*平均1.38), Ce負異常(Ce/Ce*平均0.81), 明顯的正Eu異常(Eu/Eu*平均1.74), 顯示BIF是前寒武紀海洋化學沉積的產物, 并且稀土元素來源于高溫火山熱液和海水的混合。前人研究認為, Eu異常的大小可以代表混合溶液中高溫熱液的相對貢獻量, 也就是說, 釋放到海水中的高溫熱液越多, Eu的正異常越明顯。與火山活動關系密切的Algoma型鐵礦具有較大的Eu正異常(>1.8)[24], 而與火山活動無明顯關系的Superior型鐵礦具有相對較弱的Eu正異常(<1.8)[15]。 研究區BIF的Eu正異常均小于1.8, 強度較華北克拉通太古宙BIF(遼寧弓長嶺、 冀東遷安、 山西五臺等)明顯偏低, 暗示研究區BIF成礦高溫熱液參與相對較少, 距離火山噴氣熱液口較遠或火山活動較弱, 可能屬于Superior型鐵礦, 與CaO/(CaO+MgO)值結論一致。Y3+和Ho3+因具有相近的離子半徑而被認為具有相近的地球化學行為, 但由于表層絡合能力的不同, 使得Ho從海水中沉淀的速率比Y約高2倍, Y/Ho值可作為區別成礦物質來源的重要指標, 研究表明, 球粒隕石的Y/Ho值為26～28, 陸殼巖石及外生碎屑的Y/Ho值28左右, 現代海水的Y/Ho值為43～80[35]。研究區Y/Ho值變化于30.71～48.55,平均37.49,介于陸緣碎屑物和海水的Y/Ho值之間,但更接近于海水的Y/Ho值,由于極少量的碎屑物質就會降低海洋化學沉積物的Y/Ho值[34],進一步證實成礦物質來源于火山熱液和海水的混合溶液, 但遭受了陸源碎屑物質混染。熱液流體的(La/Yb)PAAS> 1, 而海水和熱液混合則會導致(La/Yb)PAAS<1, 所以(La/Yb)PAAS值可以用來示蹤BIF的成礦物質來源[35]。研究區BIF的(La/Yb)PAAS值為0.57～0.94, 平均值為0.69(表2), 明顯具有海水和熱液混合的特征。

研究表明,火山巖和海相沉積物的Sr/Ba值大于1,陸源沉積巖的Sr/Ba值小于1[36],研究區鐵礦石的Sr/Ba值介于0.31～20.11,變化較大,既有火山巖和海相沉積物特征,又具有陸緣沉積巖特征;Ti/V值常用來區分成礦物質來源和條帶狀鐵礦的成因類型,鐵質頁巖Ti/V值變化于1.33～10.9,火山建造為13～85[36],昌邑-安丘地區鐵礦石Ti/V值在12.77～39.94,平均24.77,與火山建造一致,暗示研究區BIF成礦與海底火山作用有關。作為親鐵元素的Cr、Co、Ni在化學沉積過程中對金屬來源具有很好的示蹤意義[37],昌邑-安丘地區BIF鐵礦石富集Cr、Co、Ni和Zn等元素,該特征可能與沉積盆地同時期的火山活動有關[26]。BIF中Th、Hf和Sc等高場強元素指示碎屑物質的加入,研究區礦石中Th、Hf和Sc元素含量較高,同樣暗示了成礦過程中陸緣碎屑物質的加入。在微量元素標準化蛛網圖上Ta、Nb、Zr、Ti的負異常以及高K、Rb含量也指示可能受到了地殼物質的混染。

鐵鋁榴石在礦石中和圍巖中的出現也從礦物學上證明富鋁沉積物(泥質或粘土)的存在。碎屑物質或泥質的參與表明昌邑鐵礦的沉積環境比較淺或者較為動蕩。

總之,昌邑-安丘地區BIF鐵礦為火山沉積礦床,成礦物質來源于海水和高溫熱液的混合,但有較多陸緣碎屑物質的加入,可能屬于遠離火山噴口的Superior型鐵礦。

5 結 論

(1)昌邑-安丘地區BIF鐵礦賦存于古元古代粉子山群變質巖系中,礦體呈透鏡狀、似層狀,以角閃磁鐵石英巖為主要礦石類型,變質程度為綠片巖相-低角閃巖相。

(2)鐵礦石主要由SiO2和TFe2O3組成, Al2O3、TiO2含量較高,Sr/Ba值變化較大,礦石中Th、Hf和Sc元素含量較高,礦石和圍巖中皆含有石榴石(鐵鋁榴石)等富鋁礦物,顯示主要為化學沉積但有較多陸緣碎屑物質加入。

(3)SiO2/Al2O3、Ti/V值較大,經PAAS標準化后的稀土元素配分模式表現為輕稀土虧損、重稀土富集,并且具有明顯的La、Y和Eu正異常,Ce負異常, (La/Yb)PAAS<1； 較高的Y/Ho值, 高Cr、Co和Ni含量, 表明該地區的BIF形成時有海水和熱液的雙重參與,證明了它們是海水和熱液流體混合液經過化學沉積而形成的,成礦物質來源于海底火山活動,屬沉積變質型條帶狀鐵礦床。

(4)CaO/(CaO+MgO)值平均0.49、 Eu/Eu*值平均1.74, 暗示該區BIF成礦距離火山噴氣熱液口較遠或火山活動較弱, 可能屬于Superior型鐵礦。

(5)與華北太古宙典型BIF鐵礦比較,昌邑-安丘地區BIF中含陸源碎屑物質較多,Eu正異常較小,高溫熱液對成礦物質的貢獻較少。