大臺溝鐵礦礦物成分特征及磁鐵礦成因

伍 月，汪寅夫，劉 琦，安 帥，劉 欣

( 中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110032 )

0 引言

大臺溝鐵礦床位于遼寧省本溪市橋頭鎮，是中國近年來發現的最大的鞍山式鐵礦床。該礦床為隱伏的超大型鐵礦床，埋深為1.10～1.20 km，已控制礦體延長2.00 km，最大延深為0.84 km，最大寬度為1.10 km。礦體總體為近直立的厚板狀體，夾石很少，為單一礦體。

鞍山—本溪地區是特大型、大型鐵礦分布集中區。20世紀80年代，開始該地區條帶狀鐵礦的地質年代和地球化學特征研究，探討鐵礦床成因[1]。沈保豐[2]研究鞍山—本溪地區的地層和構造，推斷華北陸臺綠巖帶的演化趨勢。人們主要通過全巖主量元素和微量元素分析、稀土元素分析，討論大臺溝鐵礦的地質特征[3]、找礦標志及成礦模式[4-5]，了解鐵礦的主要物質組成及成礦條件，采用Fe同位素跟蹤研究成礦物質來源。

筆者采集大臺溝鐵礦2個鉆孔中不同位置的樣品，根據顯微特征觀察結果，分析礦區礦石結構構造系統；結合X線衍射分析結果，還原礦石從淺部到深部氧化作用的過程；利用電子探針方法分析主量元素和稀土元素地球化學特征分布規律，探討礦物質來源和沉積環境，為大臺溝鐵礦研究提供依據。

1 區域地質背景

遼寧省鞍山—本溪地區大地構造處于華北陸塊北緣東段，屬于膠遼臺隆太子河—渾江臺陷，四級構造單元為遼陽—本溪凹陷。該地區為中國太古宙花崗巖—綠巖帶的主要分布區之一。大臺溝鐵礦區位于鞍山—本溪鐵礦成礦帶東部，南距南芬鐵礦10 km，西距弓長嶺鐵礦20 km，東距思山鐵礦10 km，北距北臺鐵礦10 km。礦區地表分布大面積的沉積蓋層，地質構造簡單，斷裂構造不發育。

礦石類型為磁鐵石英巖(磁鐵礦石)、赤鐵石英巖(赤鐵礦石)及其過渡類型的磁鐵赤鐵石英巖(混合礦石)。礦石品位較均勻，礦床有害雜質含量低。2 km深度以上鐵礦石資源總量超過30億t，根據磁異常推斷，礦體長度為1.44 km，寬度為1.03 km，延伸為1.50 km，預測資源量為76億t。

2 礦物學特征

2.1 巖相學特征

對采集的ZKB5、ZKC6鉆孔(見圖1)中不同位置的樣品分別進行巖石薄片和光片鑒定。

圖1 遼寧中太古代綠巖帶中鐵礦分布(據文獻[1]修改)Fig.1 Distribution map of iron ore in the Middle Archean greenstone belt in Liaoning(modified by reference [1])

2.1.1 上部

綠泥絹云片巖為鱗片粒狀變晶結構、鑲嵌粒狀變晶結構，呈片理構造；主要礦物成分為絹云母、綠泥石及少量赤鐵礦等；赤鐵礦呈浸染狀、團塊狀、破碎狀分布，多數呈細粒集合體，礦物為長柱狀晶形，少數為板狀晶形，赤鐵礦破碎后裂隙中充填綠泥石；厚度較薄，一般小于10 m。

條帶狀(含鐵)石英巖的鐵礦物質量分數很低，為鑲嵌粒狀變晶結構，呈條帶狀構造；主要礦物成分為石英，少量為赤鐵礦及方解石，石英呈條帶狀分布；赤鐵礦呈極細條帶或透鏡狀分布，為極細粒狀集合體，礦物多為它形粒狀，少數為板狀晶形；方解石多呈脈狀分布。

2.1.2 中部

條帶狀磁鐵石英巖為粒狀變晶結構、鱗片粒狀變晶結構，呈條帶狀構造；主要礦物成分為磁鐵礦、石英，少量為赤鐵礦、方解石、透閃石和綠泥石等。磁鐵礦(見圖2)呈自形—半自形及它形粒狀。赤鐵礦在磁鐵礦集合體條帶中呈浸染狀分布，為半自形—自形板狀晶形，可見交代磁鐵礦現象。

圖2 研究區磁鐵礦石(光片)Fig.2 Magnetite in the research area(polished section)

條帶狀赤鐵石英巖(見圖3)為粒狀鑲嵌變晶結構，呈條帶狀構造；主要礦物成分為赤鐵礦、石英、磁鐵礦、方解石和綠泥石等。赤鐵礦呈稠密浸染狀、局部呈粒狀集合體，礦物多為它形粒狀，少數為板狀晶形，一部分為交代磁鐵礦而形成；磁鐵礦為半自形—它形粒狀，呈交代殘留的孤島狀分布在赤鐵礦中；方解石呈脈狀、團塊狀、條帶狀、膠結物狀分布，主要分布于后期裂隙及破碎帶。

圖3 研究區赤鐵石英巖(薄片)Fig.3 Hematite quartzite in the research area(thin section)

角礫狀赤鐵石英巖見于赤鐵礦石層間；礫石雜亂分布，主要成分為石英巖、條帶狀赤鐵石英巖，膠結物為鐵質、硅質。

條帶狀磁鐵石英巖(見圖4)為鑲嵌粒狀變晶結構、鱗片柱粒狀變晶結構，呈條帶狀構造；主要礦物成分為磁鐵礦、赤鐵礦、石英、方解石、綠泥石、絹云母和透閃石等。赤鐵礦呈稠密浸染狀和局部呈粒狀集合體的不規則的帶狀、線狀分布(見圖5)，多數為交代磁鐵礦而形成，分布于磁鐵礦邊緣；磁鐵赤鐵礦(見圖6)呈稠密浸染狀、粒狀集合體，為它形粒狀晶形，赤鐵礦交代磁鐵礦較發育，被赤鐵礦交代后在赤鐵礦中呈殘留孤鳥狀分布。

圖4 研究區磁鐵石英巖(薄片)Fig.4 Magnetite quartzite in the research area(thin section)

圖5 研究區赤鐵礦(光片)Fig.5 Hematite in the research area(polished section)

圖6 研究區磁鐵赤鐵礦石(光片)Fig.6 Hematite magnetite in the research area(polished section)

透閃磁鐵石英巖(見圖7)為鑲嵌粒狀變晶結構、柱粒狀變晶結構、鱗片粒狀變晶結構，呈條帶狀構造；主要礦物成分為磁鐵礦、石英、赤鐵礦、透閃石、方解石和絹云母等。

圖7 研究區透閃磁鐵石英巖(薄片)Fig.7 Tremolite magnetite quartzite in the research area(thin section)

2.1.3 下部

含磁鐵絹云(綠泥)石英片巖為鱗片粒狀變晶結構、粒狀變晶結構，呈條帶狀構造、片狀構造；礦物成分為石英、絹云母、綠泥石，少量為磁鐵礦、方解石。

綠泥(絹云)石英片巖為鱗片粒狀變晶結構，呈片狀構造；礦物成分為石英、絹云母、綠泥石、電氣石，少量為磁鐵礦、方解石。

2.2 X線衍射鑒定

根據X線粉晶衍射鑒定結果，在1.44～1.68 km深度中，礦石礦物為赤鐵礦，赤鐵礦最高質量分數為63.1%，最低為1.3%，平均為20.0%。

在1.70～1.82 km深度中，礦石含赤鐵礦和磁鐵礦礦物，其中赤鐵礦質量分數在1.9%～11.8%之間，磁鐵礦質量分數在8.3%～24.6%之間；在1.70 km深度處，赤鐵礦質量分數為11.8%，磁鐵礦質量分數為8.3%，其余以磁鐵礦為主。在1.84～2.00 km深度中，礦石為磁鐵礦礦物，質量分數為14.0%～34.0%，平均為20.0%。總體上，從1.44→1.70→1.82→2.00 km深度，鐵礦石類型從赤鐵礦石→赤鐵磁鐵礦石→磁鐵礦石轉變，礦石從淺部到深部氧化作用逐漸減弱[6]。

2.3 稀土元素特征

大臺溝磁鐵礦樣品稀土元素質量分數見表1。由表1可以看出，磁鐵礦礦石的稀土總量變化范圍很大，ΣREE為(19.191～100.808)×10-6；LREE/HREE為7.267～25.626；LaN/YbN為0.495～0.892。磁鐵礦輕稀土相對虧損，重稀土相對富集，Eu顯示正異常(見圖8)，δEu為2.692～4.738，Ce顯示正異常，δCe為2.319～15.808。這些特征與現代大洋中脊、紅海等[7]熱水流體及其富含金屬的化學沉積物相似[8-10]，反映大臺溝磁鐵礦礦床在成因上與海底火山作用有關。

圖8 大臺溝磁鐵礦稀土元素標準化圖解Fig.8 REE standardized graphic of Dataigou Magnetite

表1 大臺溝磁鐵礦樣品稀土元素質量分數Table 1 REE mass fraction of Dataigou Magnetite

2.4 電子探針測試結果

經過顯微鏡鑒定，將待測樣品噴炭后進行電子探針測試。探針片制備[11]和電子探針測試由沈陽地質調查中心實驗測試中心完成，電子探針儀器型號為JXA-8100，分析過程中的加速電壓為15 kV，電流為20 nA，束斑直徑為5 μm，標樣采用天然礦物或合成金屬國家標準[12]，分析精度為0.01%。磁鐵礦二次電子像見圖9，40倍鏡下磁鐵礦呈條帶狀分布(見圖9(a))，600倍鏡下可清晰觀察磁鐵礦顆粒(見圖9(b))，在表面精確選擇測試點。

圖9 研究區磁鐵礦二次電子像Fig.9 Magnetite secondary electron image in the research area

大臺溝磁鐵礦石電子探針測試結果見表2。由表2可以看出，磁鐵礦單礦物電子探針測試的TiO2質量分數為0.005%～0.089%，Al2O3質量分數為0.004%～0.073%，MgO質量分數為0.002%～0.036%，MnO質量分數為0.035%～0.188%。根據各種成因類型磁鐵礦中磁鐵礦的化學成分[13]，沉積變質礦床磁鐵礦中的TiO2質量分數為0～1.200%，MgO和MnO質量分數較高，Al2O3質量分數較低，大臺溝磁鐵礦與之相似。TiO2在磁鐵礦中普遍存在且變化范圍較大，質量分數與形成的溫度、壓力密切相關，可以有效反映磁鐵礦的形成條件[14]，無論是在成巖作用還是成礦作用過程中，隨溫度和壓力降低，磁鐵礦從高質量分數TiO2向低質量分數TiO2方向演化，反映它們對不同地質作用具有明顯專屬性[15]。

續表2

將大臺溝磁鐵礦電子探針的測試結果投點到TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)成因圖解[16](見圖10)，樣品主要落在沉積變質型范圍內[17]，少量分布在火山巖型(玢巖型)區域內，大臺溝磁鐵礦成因與火山、沉積變質有關[18-19]。與后期花崗巖侵入和區域變形變質作用使鐵礦層遭受破壞和改造、成因屬于火山—沉積變質改造礦床結論[20-21]相符。

圖10 磁鐵礦TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)成因圖解Fig.10 Magnetite TiO2-Al2O3-(MgO+MnO) genesis diagram

3 磁鐵礦成因

大臺溝磁鐵礦稀土配分曲線呈輕稀土元素相對虧損、重稀土元素相對富集，Eu顯示明顯正異常。Eu正異常屬于海底高溫熱液的特點。大臺溝鐵礦與海底高溫熱液特征相似，進一步說明大臺溝鐵礦與前寒武紀海洋沉積有關。

DANIELSON A等[23]和HUSTON D L等[24]認為Algoma型鐵礦具有較大的Eu(Eu>1.8)，其成因與火山活動密切，而Superior型鐵礦的Eu相對較小(Eu<1.8)，與火山活動無明顯關系。大臺溝磁鐵礦中Eu正異常且大于1.8，說明該地區BIF型鐵礦(條帶狀鐵建造)的形成與海底熱液組分的輸入有關[25]，與鞍山—本溪地區BIF型鐵礦為Algoma型鐵礦的結論相符[26]。因此，大臺溝磁鐵礦成礦物質來源于海底火山熱液。

大臺溝鐵礦的磁鐵礦具有低鈦性，巖漿礦床磁鐵礦的TiO2質量分數為3.550%～21.720%，接觸交代礦床的為0.070%～0.400%，沉積變質礦床的為0～1.200%。大臺溝磁鐵礦中的TiO2質量分數為0.005%～0.089%，與弓長嶺鐵礦床的TiO2質量分數相似[27]。由TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)成因圖解可知，大臺溝鐵礦床中磁鐵礦的成因屬于火山—沉積變質改造礦床。

4 結論

(1)大臺溝鐵礦的鐵礦石分布上部為綠泥絹云片巖、條帶狀(含鐵)石英巖；中部為鐵礦層；下部為含磁鐵絹云(綠泥)石英片巖、鐵礦石。鐵礦石類型從赤鐵礦石→赤鐵磁鐵礦石→磁鐵礦石演變，礦石從淺部到深部氧化作用逐漸減弱。

(2)大臺溝鐵礦中磁鐵礦具有低鈦性，輕稀土元素相對虧損，重稀土元素相對富集，Eu顯示明顯正異常，說明成礦物質來源于海底火山熱液，成因屬于火山—沉積變質改造礦床。