山東萊蕪地區牛泉鐵礦成礦地質特征及成因探討

王云燕，徐韶輝，吳秉祿

(1.山東省第一地質礦產勘查院，山東省富鐵礦勘查技術開發工程實驗室，山東 濟南 250100；2.山東省第六地質礦產勘查院，山東 威海 264200)

0 引言

矽卡巖型鐵礦屬于熱液接觸交代成因礦床，一般認為與矽卡巖鐵礦關系密切的侵入巖都發育強烈的蝕變，其蝕變程度與成礦規模成正比，鐵質的來源主要是受高溫富揮發性流體影響而使得圍巖中暗色礦物等分解后析出大量鐵質[1-2]。在華北克拉通范圍內的魯中、冀西南、豫東北、晉東南等地區，廣泛分布著矽卡巖型鐵礦床，如河北白澗、山西狐堰山、河南大王莊、山東淄博、萊蕪、濟南、齊河-禹城等。鐵礦主要賦存于燕山期閃長巖、二長巖和奧陶紀碳酸鹽巖的接觸帶內部及其附近。因這類鐵礦在河北邯鄲-邢臺地區分布較為集中，又稱為邯邢式鐵礦[3]。萊蕪地區牛泉鐵礦是一個較為典型的“邯邢式”矽卡巖鐵礦，初步判斷其形成于早白堊世，與華北克拉通破壞峰期時間基本一致，屬于克拉通破壞的產物。前人對萊蕪鐵礦集區張家洼鐵礦研究報道較多[4-9]，但鮮有人對張家洼鐵礦西南5km處的牛泉鐵礦進行研究。本文在前人勘查工作的基礎上，詳細介紹了牛泉鐵礦地質特征，并對其礦床成因進行了初步探討。

1 成礦地質背景

牛泉鐵礦位于華北克拉通東部的魯西地塊萊蕪地區，郯廬斷裂帶以西、蘭考-聊城斷裂以東、東南與蘇魯—大別超高壓變質帶相接[10]。研究區所處大地構造位置隸屬于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)。

研究區發育的結晶基底主要為新太古代泰山巖群和元古代花崗巖類，出露的地層主要為古生代的碳酸鹽巖、中生代碎屑巖沉積地層以及新生代沉積物[11-12]，其中奧陶紀馬家溝群碳酸鹽巖與成礦關系密切。研究區經過多期構造疊加，形成以NWW—NW向為主的構造體系。區域內主要發育中生代巖體，巖性以閃長巖和二長巖為主，高鎂閃長巖通常認為起源于殼幔混合[13]，控制了區內的鐵及多金屬礦化。萊蕪鐵礦集區是魯西最大的矽卡巖鐵礦富集區，鐵礦主要分布在萊蕪斷陷盆地中(圖1)，其北部的泰安-大王莊斷裂、東部的銅冶店-孫祖斷裂和南部的塔子-石門官莊斷裂控制著盆地的形成與發展[14]。礦體主要賦存于二長閃長巖與奧陶紀馬家溝群碳酸鹽巖及石炭-二疊紀砂頁巖接觸帶附近。礦集區出露巖體主要有礦山巖體、角峪巖體、金牛山巖體和鐵銅溝巖體，其中礦山巖體為角閃石二長巖，與成礦關系最為密切，在其周邊形成了多個矽卡巖型鐵礦床，鐵礦資源量超過5億t。礦山巖體出露面積近9km2，成巖年齡約為131Ma[15]。圍巖蝕變主要有矽卡巖化、鈉質交代和熱變質作用[16]。礦體形態似層狀為主，礦石以致密塊狀為主，礦石主要為磁鐵礦，伴生銅等。

1—白堊系；2—侏羅系；3—二疊系；4—石炭系；5—奧陶系；6—寒武系；7—泰山巖群；8—東明生單元輝石閃長巖；9—實測及推斷地質界線；10—不整合界線；11—背斜；12—向斜；13—正斷層及產狀；14—逆斷層及產狀；15—推測斷層；16—地層產狀；17—鐵礦床；18—研究區范圍

2 研究區地質特征

2.1 地層

區內全被第四系覆蓋，根據該區已施工的鉆孔及鄰區資料，研究區內地層由老至新依次為奧陶紀馬家溝群、石炭紀本溪組、古近紀大汶口組及第四系。

奧陶紀馬家溝群五陽山組分布于研究區的東部，以厚層純灰巖為主，上部和底部含燧石結核，中間夾數層角礫狀或條帶狀泥質灰巖，白云質灰巖、豹皮狀灰巖等。最大厚度370.57m(夾閃長巖)，由于閃長巖侵位，最薄僅11.50m，一般200m左右。該段與成礦關系密切，是主要的成礦圍巖。

2.2 構造

研究區構造較為簡單，僅見杜官莊-南宮斷裂和茂盛堂斷裂，推測為成礦期后形成，對礦體的完整性起破壞作用。茂盛堂斷裂位于研究區西部的23～27勘探線間，南延至西尚莊有出露，局部見擠壓破碎帶和地層走向不連續現象，顯示了本斷裂為先張后壓多次構造活動的特征，表現為上盤下降，下盤上升，總體表現為一左行正斷層。由于第四系覆蓋，研究區內地表未出露，但磁力線彎曲特征明顯指示出斷裂構造的存在。杜官莊-南宮斷裂在研究區東南部有出露，由于第四系覆蓋，區內地表未出露，但前人電測深工作與鉆探工作均證實了該斷裂的存在。

2.3 巖漿巖

2.3.1 侵入巖

區內巖漿巖出露較少，僅在研究區東南部出露少量燕山晚期閃長巖，鉆孔揭露資料顯示，有大量閃長巖大致順層侵入于馬家溝群灰巖中，推測其為礦山巖體的西南延伸部分，屬礦山巖體邊緣相巖體。巖石類型有輝石閃長巖、角閃閃長巖、閃長巖，局部見正長閃長巖。研究區施工的33個鉆孔中均見到了閃長巖，單工程閃長巖最大厚度434.70m，深部均未完全控制。閃長巖的分布總體表現為南部與東部較厚，北部與西部較薄，大致與礦山礦體的厚度規律相同。

閃長巖主要為半自形細粒結構或似斑狀結構，塊狀構造。主要礦物成分為斜長石、普通角閃石等。斜長石為中拉長石，半自形長板狀，斑晶為板狀晶體，環帶狀構造，鉀長石化、鈉長石化形成鑲邊(凈邊)結構、變嵌晶結構，含量75%～80%。普通角閃石斑晶一般為灰綠色，其他為綠色。多色性極其明顯，沿邊緣及節理有黑云母發育，含量5%～10%。黑云母呈片狀、褐色，具明顯的多色性，一般在巖石中呈輝石、角閃石的反應邊出現，幾乎每一個晶體中均含有磁鐵礦的包體，含量5%左右。

輝石閃長巖呈灰—灰白色，半自形中—細粒結構，塊狀構造。主要礦物成分為斜長石、透輝石、普通角閃石等。

2.3.2 脈巖

閃長玢巖主要分布于研究區的西部，順層侵入于圍巖中。巖石呈似斑狀結構，礦物成分與礦物特征基本與閃長巖相同，為與閃長巖同源的脈巖相。

1—本溪組；2—馬家溝群八陡組；3—馬家溝群閣莊組；4—馬家溝群五陽山組；5—燕山期閃長巖；6—燕山期閃長玢巖；7—燕山期蝕變閃長巖；8—礦體水平投影位置；9—不整合界面；10—地質界線；11—推測斷層；12—礦區范圍

3 礦床地質特征

3.1 礦體特征

礦床由3個礦體組成，由上至下編號分別為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ。礦體一般產于燕山晚期閃長巖與矽卡巖化碳酸鹽巖的接觸帶上，個別礦體產于閃長巖或大理巖中。礦體形態總體較簡單，大多呈似層狀產出，Ⅲ礦體為主礦體(圖2)。

Ⅲ礦體由15～27線共5條勘探線25個鉆孔控制，規模1500m(走向)×1000m(傾向)，為礦床主礦體。礦體主要沿閃長巖與矽卡巖化碳酸鹽巖的接觸帶產出，局部賦存于矽卡巖或大理巖中，總體形態仍為似層狀。礦體在平面上被F4,F5兩條斷裂切割為西段、南段與東北段3部分。

1—奧陶紀馬家溝群；2—閃長巖；3—鉆孔位置及編號；4—斷層及編號；5—礦體及編號

西段是指F4斷裂以西的礦體，由27線控制，雖然礦體厚度較小，但品位較高。該段礦體總體走向NW，傾向NE，傾角一般15°左右，受F4斷裂影響，埋深最淺。礦段北部走向NW，向南至ZK2702孔附近有輕微褶曲現象，其軸向NE，西北翼地層走向NW，傾向NE，傾角近40°；東南翼地層走向NNW，傾向NEE，傾角近50°。

南段指F5斷裂以南的礦體，又可分為東、西兩部分，受F5斷裂影響，礦體埋深較淺。東部由ZK2321等3個孔控制，礦體走向NE，傾向NW，傾角17°～29°，東陡西緩。西部由ZK1919孔控制，礦體走向NNW，傾向NEE，傾角9°左右。

東北段指被F4與F5兩斷裂所夾的礦體，由17個鉆孔控制，是本礦體乃至本礦床的最重要組成部分。總體走向20°～30°，傾向330°～340°，傾角較平緩，一般10°～20°，東南部相對較陡，局部傾角可達30°以上。由于受礦體所處構造位置、巖漿巖侵入及后期構造活動影響，不同部位礦體的產狀變化較大，表現為：在本段的西部靠近F4斷裂附近，形成軸向近EW，軸線分別通過ZK2303，ZK2307孔的舒緩褶曲；在西側南部，形成NNW軸向的褶曲，西北翼產狀較陡，東南翼產狀舒緩；西側中部形成軸向NNW向的2個較緊密褶曲；西南部礦體軸向由ZK1915孔向ZK1507孔由NNE向逐漸變為NWW向，且產狀較緩，底板等高線由礦體內部向邊部呈逐漸撒開之勢。

礦體埋深328.94(ZK2702)～597.16m(ZK2303)，產出標高-162.69(ZK2702)～-434.74m(ZK2303)。若不考慮后期構造影響，總體表現為東部埋深小，西部埋深大，單工程礦體厚0.69～29.52m，平均厚5.60m，厚度變化系數131.06%，屬厚度變化復雜型礦體。厚度變化基本無規律，但可圈出由ZK2301，ZK2321兩孔控制的厚度近30m和由ZK2109，ZK1905，ZK16控制的厚度大于10m的肥大礦段。單樣品TFe品位20.16%～60.86%，平均40.49%，品位變化系數28.43%，屬有用組分均勻型礦體。品位變化總體表現為西南部較高，其他部位變化不大。礦體內部結構較簡單，一般為單層礦，夾石巖性全為矽卡巖，鉛直厚度1.69m。估算鐵礦石資源量2219.0萬t，占礦床總資源量的93.43%。其中控制的內蘊經濟資源量(332)691.2萬t，推斷的內蘊經濟資源量(333)1527.8萬t，分別占礦床相應類別資源量的100%和90.74%。

3.2 礦石特征

3.2.1 礦物成分

礦石礦物主要為磁鐵礦，其次為赤鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦，少量黃銅礦、硫銅鈷礦、輝銅礦、自然銅等。

磁鐵礦多為半自形粒狀，次為自形或他形粒狀，晶體大小多在0.05～0.30mm間，最大可達1mm，最小0.004mm，主要呈塊狀或條帶狀集合體產出，其次呈顆粒狀與脈石礦物相間產出，少量呈包體狀分布于蛇紋石、金云母內，為主要礦石礦物。沿裂紋常有方解石、金屬硫化物充填，在氧化條件下常被赤鐵礦交代而形成假象赤鐵礦。含量25%～80%，一般50%左右。

赤鐵礦系交代磁鐵礦或磁鐵礦氧化而成，其分布基本與磁鐵礦一致，一般順磁鐵礦的間隙、裂隙、解理產出，出現在氧化礦石中。氧化不徹底時呈赤鐵礦假象與磁鐵礦相伴產出。一般含量3%左右，僅研究區西部的個別鉆孔假象赤鐵礦含量較高，如Ⅰ礦體局部含量達30%左右，Ⅲ礦體局部含量約20%。

3.2.2 礦石的結構、構造

礦石結構主要為他形—半自形粒狀結構，礦石構造以致密塊狀構造為主，主要礦石礦物磁鐵礦、赤鐵礦呈致密塊狀分布，這種構造的礦石一般品位較高。

表1 牛泉鐵礦礦石特征一覽表

3.3 礦體圍巖及蝕變特征

3.3.1 礦體圍巖

礦體的頂板圍巖主要為大理巖、矽卡巖，閃長巖，偶見泥質白云質灰巖和角礫巖；底板圍巖多為矽卡巖，偶見大理巖。礦體與圍巖產狀基本一致，界線較清晰。局部矽卡巖中鐵質含量較高，礦體與圍巖呈漸變關系。

大理巖：灰—灰白色，中—細粒花崗變晶結構，層狀、塊狀構造。主要礦物成分為方解石。常因發生蛇紋石化、綠泥石化、透輝石化等蝕變而帶綠色色調。

閃長巖：灰白色，中—細粒結構，塊狀構造。主要礦物成分為斜長石、角閃石。常見透輝石化、綠簾石化、綠泥石化、碳酸巖化等巖石蝕變。

矽卡巖：暗綠色或灰綠色，花崗變晶結構或變嵌晶結構，塊狀構造。矽卡巖礦物主要有透輝石、鈣鐵石榴子石、方柱石，少量橄欖石、綠簾石等。當礦體有分支現象，矽卡巖同時作為圍巖與夾石存在時，常含浸染狀、條帶狀磁鐵礦，可稱為含鐵矽卡巖。

灰巖：灰—深灰色，中細粒結構，塊狀構造，主要由方解石組成，多含泥質、白云質。由于受侵入巖影響，常見重結晶現象，使礦物顆粒變粗。

3.3.2 圍巖蝕變特征及分帶

蝕變礦物的種類、化學成分及共生組合，能反映圍巖、熱液流體的性質及形成條件。研究區圍巖蝕變主要有磁鐵礦化、黃鐵礦化、碳酸鹽化、鈉長石化、蛇紋石化、金云母化、綠泥石化等。上述蝕變現象，可能反映了成礦流體對圍巖的交代作用是一個連續變化過程。晚期蝕變一般疊加在早期蝕變之上，導致形成的巖石類型及礦物組合較為復雜，分帶性并不明顯。

根據鉆孔編錄資料分析礦物組合規律和圍巖蝕變特征，大致劃分了5個蝕變帶。

(1)蝕變大理巖帶：蝕變大理巖為灰白色，中—細粒花崗變晶結構或變嵌晶結構。常見蝕變為蛇紋石化、綠泥石化、透輝石化、橄欖石化等。蝕變大理巖常作為礦層的頂板出現，厚3～5m左右。

(2)矽卡巖帶：包括外帶的蛇紋石金云母巖帶和內帶的透灰石矽卡巖帶與方柱石矽卡巖帶。各種矽卡巖均呈暗灰色或灰綠色，具花崗變晶結構或變嵌晶結構。由礦物組合看，本區矽卡巖類型多屬鈣鎂質。早期矽卡巖多受后期熱液蝕變作用的疊加和改造，而形成具有復雜礦物組合的矽卡巖。該巖帶為主要含礦帶。

(3)鈉化矽卡巖化閃長巖帶：巖石一般呈肉紅色，略帶紫色色調。鈉長石化的表現形式是：斜長石牌號降低，有中更長石或中拉長石變為更鈉長石，鈉長石在斜長石四周呈反應邊或充填其粒間；普通角閃石褪變并被黑云母、綠泥石等礦物交代而析出鐵質；作為原巖的副礦物磁鐵礦含量降低，部分消失。

(4)矽卡巖化閃長巖帶：灰綠色，半自形粒狀結構或變余半自形粒狀結構。本帶為矽卡巖到蝕變閃長巖的過渡帶，與蝕變閃長巖的界線較為清晰，而與矽卡巖呈漸變關系。閃長巖的殘留部分肉眼尚可辨認。本帶分布較普遍但厚度不大。

(5)蝕變閃長巖帶：一般常見的蝕變有透輝石化、綠泥石化、碳酸鹽化，他們分別交代巖漿期形成的斜長石、普通角閃石、輝石等礦物。本帶厚度較大，與閃長巖呈漸變關系。

4 礦床成因

4.1 成礦期次

根據礦物蝕變及共生組合與相互交代關系，將礦床劃分為3個成礦階段。矽卡巖成礦階段、中低溫熱液成礦階段和表生成礦階段。其中矽卡巖成礦階段是本礦床的主要成礦階段，中低溫熱液成礦階段是本礦床的次要成礦階段(表2)。

4.2 成巖成礦時代

野外地質資料顯示萊蕪鐵礦集區矽卡巖鐵礦主要賦存于奧陶紀馬家溝群碳酸鹽巖與燕山晚期閃長巖接觸帶及其附近，根據穿插關系確定礦體形成時間略晚于致礦巖體形成時間，由此可根據致礦巖體的形成時間推斷礦床的大致形成時代。結合區內中生代侵入巖產出相關特征和前人對部分致礦巖體獲取的年齡測試數據，分析認為萊蕪鐵礦集區矽卡巖鐵礦形成于早白堊世(130～134Ma左右)，其形成于華北克拉通巖石圈減薄峰期，屬于克拉通破壞的產物(表3)。

表2 礦物生成順序表

表3 萊蕪礦集區礦致巖體成巖年齡一覽表[4]

4.3 成礦物質來源

成礦作用需要巨量含礦流體，而矽卡巖鐵礦的含礦流體到底是從致礦侵入體中析出還是來自于深部巖漿仍有很大爭議。觀點一認為矽卡巖型鐵礦的成礦流體主要來自與之關系密切的侵入巖，但隨著成礦流體的演化，可能有外部流體及組分進入成礦體系內，此結論已有大量穩定同位素數據支持。觀點二認為矽卡巖型鐵礦的鐵質來源可能具有多元性，但大多數此類礦床的鐵質來自于深部巖漿房，在淺地表巖體固結之后進入成礦體系。現有證據表明，矽卡巖鐵礦床內接觸帶鈉化交代常被認為是尋找富鐵礦床隱伏接觸帶和判斷有無礦化的有效標志之一。

韓鎏[17]認為，萊蕪鐵礦集區礦山巖體巖漿源區具富集特征，初始巖漿是在華北克拉通破壞環境下的含角閃石的尖晶石相二輝橄欖巖部分熔融形成，在巖漿演化的過程中發生分離結晶作用和地殼混染作用。趙一鳴等[1]認為萊蕪鐵礦集區成礦流體在淺地表混染了圍巖地層中的膏巖層物質，而矽卡巖鐵礦成礦系統中膏巖層物質的加入可能對鐵質等成礦物質的運移和沉淀起到積極的作用。

4.4 礦床成因

郝俊杰[18]認為，邯邢式鐵礦的成因模式可能不是傳統的接觸熱液交代成因礦床，矽卡巖型鐵礦的鐵質應該來源于深部含礦流體。數據顯示角閃石斑晶在15～20km深部巖漿房內結晶，巖漿侵位到7～10km形成淺部巖漿房時角閃石等褐色基質結晶，此時巖漿房接近固結—半固結狀態。隨著外來堿性富鐵流體注入使得巖漿房發生活化，隨后巖漿快速侵位并在1～3km處淺地表定位，此時因壓力迅速降低而使的成礦流體發生出溶現象，綠色角閃石也隨之形成。因此，外來堿性富鐵流體的注入促使巖漿快速侵位，高含水量和高氧逸度條件下成礦流體大量出溶，這些因素共同促進了矽卡巖鐵礦的形成。基于對張家洼鐵礦蝕變閃長巖中的三種角閃石進行的巖石礦物化學分析，金子梁[19]認為兩種巖漿成因角閃石的成分差異揭示了巖漿演化后期富Fe、富Cl流體的出溶現象，第三種角閃石為熱液成因的陽起石，其形成指示巖體中的鐵質在其遭受熱液流體交代過程中會向流體中遷移。此外唐超等[7]通過研究張家洼礦區富鐵礦石、新鮮閃長巖和蝕變閃長巖的全巖Fe同位素特征，指出成礦鐵質主要來源于巖漿大規模出溶的流體及后期流體對巖體的堿質交代作用。

結合區內中生代侵入巖產出相關特征和前人研究成果，分析認為萊蕪鐵礦集區牛泉鐵礦屬于典型的“邯邢式”矽卡巖鐵礦，礦床形成于早白堊世(130～134Ma)，其形成于華北克拉通破壞背景下的巖石圈減薄峰期，屬于克拉通破壞的產物。礦床的鐵質應該來源于巖漿大規模出溶的流體及后期流體對巖體的堿質交代，但不排除直接來源于深部含礦流體的可能，成礦流體在淺地表因混染了圍巖中的膏巖層物質，其鐵質在有利部位運移和沉淀。

5 結論

(1)牛泉鐵礦位于魯西地塊萊蕪鐵礦集區內，是一個較為典型的“邯邢式”矽卡巖鐵礦。礦床由3個礦體組成，礦體一般產于礦山巖體二長閃長巖與大理巖的接觸帶上，個別地段產于閃長巖或大理巖內。礦體形態總體較簡單，大多呈似層狀產出，其中Ⅲ礦體為主礦體，估算鐵礦石資源量2219.0萬t，占礦床總資源量的93.43%。

(2)圍巖蝕變主要有矽卡巖化、鈉質交代和熱變質作用。礦石主要為他形—半自形粒狀結構，以塊狀、條帶狀構造為主，礦石主要為磁鐵礦，其次為赤鐵礦，伴生銅等。

(3)結合區內中生代侵入巖產出相關特征和前人研究成果，分析認為萊蕪鐵礦集區牛泉鐵礦形成于早白堊世，其形成于華北克拉通破壞背景下的巖石圈減薄峰期，屬于克拉通破壞的產物。礦床的鐵質應該來源于巖漿大規模出溶的流體及后期流體對巖體的堿質交代，成礦流體在淺地表因混染了圍巖中的膏巖層物質，其鐵質在有利部位運移和沉淀。