中祁連大白石頭溝鈦鐵礦床地質特征與成因探討

魏本贊，盧輝雄，汪 冰，張 恩

核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002

0 引言

鈦（Ti）是地殼中分布最廣和豐度高（6.32×10-3）的元素之一［1］.目前，國內主要利用的有鈦鐵礦（FeTiO3）、金紅石（TiO2）和鈦磁鐵礦〔（Fe，Ti）3O4〕.國內鈦礦床類型主要有3種［2］：1）變質基性巖（榴輝石）中含金紅石原生礦床；2）與基性巖有關的伴共生釩、鈦磁鐵礦床；3）金紅石內陸砂礦床.

大白石頭溝鈦磁鐵礦位于中祁連托萊南山北緣（圖1）.2012年，在中祁連托萊南山北緣大白石頭地區(qū)發(fā)現了3處航空磁異常.經航磁異常查證，發(fā)現航磁異常由磁鐵礦化所引起，并伴有鈦礦化①伍顯紅.青海省天峻縣大白石頭溝一帶1∶5萬航磁異常查證報告.2014..該地區(qū)鈦礦物組分、賦存狀態(tài)、礦床成因、鈦磁鐵礦物質來源等問題一直存在爭議［3-15］，制約著該地區(qū)地質礦產勘查進度與相關研究工作.

圖1 祁連縣大白石頭溝地區(qū)地質簡圖Fig.1 Geological sketch map of Dabaishitougou area in Qilian County

筆者在詳細分析大白石頭溝地區(qū)礦產地質特征的基礎上，通過鈦礦物巖相觀察、電子探針及人工重砂等分析手段，厘定了鈦礦物賦存狀態(tài)、礦石結構、化學組分及礦物含量等礦物學特征，初步探討鈦磁礦物質來源及成礦模式，以期為后續(xù)的勘查及研究工作提供理論依據.

1 礦區(qū)地質背景

1.1 大地構造位置

大白石頭溝地區(qū)大地構造位置位于秦祁昆造山系中祁連微陸塊，三級構造單元屬中祁連巖漿弧帶；成礦區(qū)帶屬于中祁連加里東期鎢、稀有金屬、銅、鈦、銻、金成礦帶.

1.2 地層

研究區(qū)屬祁連-北秦嶺地層分區(qū)中祁連地層小區(qū)（圖1）.區(qū)內東部出露古元古界托賴巖群（Pt1T），西部出露中元古界長城系湟中群磨石溝組（Ch m）片巖段（Ch m1）和石英巖段（Ch m2）.托賴巖群分為片麻巖組（Pt1T1）和片巖組（Pt1T2），該地層巖石中普遍出現石榴石、微斜長石、褐色黑云母、角閃石、石英、白云母等變質礦物，其變質程度為低角閃巖相，原巖為一套成熟度較高的基性火山巖、泥砂質碎屑巖類.中元古界長城系湟中群磨石溝組主要分布于研究區(qū)西北部，出露片巖段（Ch m1）、石英巖段（Ch m2）及碳酸鹽巖段（Ch m3）.磨石溝組受區(qū)域低溫動力變質作用的影響，巖石中普遍具有石榴石、黑云母、白云母、綠色角閃石、斜長石、石英等變質礦物，其變質程度為高綠片巖相.巖石中出現綠泥石、絹云母、石英等變質礦物，原巖為一套泥巖、長石石英砂巖、石英砂巖夾灰?guī)r及基性火山巖建造.

1.3 構造

區(qū)內北西向韌-脆性構造極為發(fā)育，主要發(fā)育3組斷裂構造，分別為NW向、近E-W向和NE向斷裂.其中，NW向韌性剪切構造為主體構造，伴隨北西向韌性剪切構造發(fā)育淺層次的脆性斷裂構造.該期構造形成時期較早，后期活動特征較明顯，且多具左行壓扭性特征.礦化體與NW向韌-脆性構造密切相關，構造對礦化體具有明顯的控制和改造作用.

1.4 侵入巖

區(qū)內侵入巖發(fā)育，主要為偉晶巖脈，呈脈狀、團塊狀，分布范圍較廣，侵入時期主要有新元古代、奧陶紀、志留紀和泥盆紀.

火山活動起始于古元古代，終止于奧陶紀.火山巖以不同產狀賦存于各時代地層中，特別在古元古界托賴巖群、中元古界長城系磨石溝組及下奧陶統陰溝群中均發(fā)育海相噴發(fā)的中基性火山巖，巖性主要為玄武巖、玄武質角礫熔巖、凝灰?guī)r，多見枕狀構造，海相噴發(fā)特征明顯.

2 礦床地質及礦石特征

2.1 礦化體地質特征

區(qū)內共發(fā)現3條鈦礦化體（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），分別產于古元古界托賴巖群片麻巖段、中元古界湟中群磨石溝組片巖巖段和石英巖段.

Ⅰ號鈦礦化體：產于中元古界長城系湟中群磨石溝組片巖巖段（圖2），呈北東向條帶狀展布，長度600 m，寬度4～9 m，產狀與地層產狀基本一致.礦化體圍巖為黑云石英片巖.礦化體長約600 m，厚度3.90～9.85 m，平均厚度6.50 m；TFe品位為8.45×10-2～16.0×10-2，平均品位12.24×10-2；TiO2品位為1.65×10-2～4.75×10-2，平均品位3.12×10-2.

圖2 I號鈦礦化地段地質簡圖Fig.2 Geological sketch map of No.I titanium mineralization

Ⅱ號鈦礦化體：產于古元古界托賴巖群片麻巖段，出露巖性主要為斜長片麻巖，夾黑云斜長片麻巖，礦化體與地層產狀一致，產狀為244°∠82°.礦化體呈層狀北西向展布，控制長度300 m，厚度3.10～10.56 m，平均厚度6.57 m；TFe品位為10.25×10-2～13.7×10-2，平均品位11.33×10-2；TiO2品位為1.55×10-2～2.9×10-2，平均品位1.98×10-2.

Ⅲ號鈦礦化體：產于中元古界長城系湟中群磨石溝組石英巖段黑云石英片巖中，礦化體與圍巖巖層產狀穩(wěn)定，傾向南西，傾角71～74°.礦化體呈北西向展布，長度100 m，寬2 m，礦化體產狀為197°∠74°，與地層產狀一致.TFe平均品位為11.39×10-2；TiO2平均品位為2.11×10-2.

2.2 礦石特征研究

鈦礦床類型復雜多樣，為準確厘定鈦礦物賦存狀態(tài)、礦石結構、化學組分及礦物含量等特征，先后運用了巖相觀察、化探分析、電子探針及人工重砂等分析手段.研究結果表明，該地區(qū)鈦礦化富集以鈦磁鐵礦為主，并含少量的鈦鐵礦和微量金紅石等（圖3）.

圖3 鈦磁鐵礦礦石顯微照片Fig.3 Microphotographs of titanium magnetite ores

2.2.1 礦相顯微分析

黑云母石英片巖：灰黑色，鱗片粒狀變晶結構，片狀構造.巖石主要礦物成分為石英、黑云母，其次含少量白云母和金屬礦物（圖3a）.金屬礦物（包括鐵質粉末等）含量1%～9%（圖3b），多呈他形—不規(guī)則粒狀，有些呈粉末狀集合體，主要呈零星散狀或定向條帶狀分布于巖石中.

黑云母斜長片麻巖：其特征與斜長片麻巖差異不大，但黑云母等暗色礦物含量明顯增多.巖石多為灰黑色、黑色，鱗片粒狀變晶結構，片麻狀構造（圖3c）.主要礦物成分為石英、斜長石、黑云母，其次含少量白云母、角閃石和金屬礦物，副礦物有石榴石.金屬礦物含量不足3%（圖3d），個別標本可達7%，以磁鐵礦為主；石榴石含量一般在1%～5%之間，多為晶簇，大小一般在2～5 mm，多呈淺褐紅色，應為鐵鋁榴石.

通過巖相觀察，鏡下可以確定礦石中含有少量的黃鐵礦、磁鐵礦，而磁鐵礦、含鈦磁鐵礦在鏡下特征相似而難以區(qū)分.為進一步確定鈦礦物的賦存狀態(tài)，需借助礦物電子探針分析及人工重砂分析等技術手段，分析對象為與礦床成因關系密切的黃鐵礦、磁鐵礦、鈦鐵礦等.

2.2.2 電子探針成分分析

礦石電子探針分析結果見表1.從表中可知，礦石各樣品測點成分平均值：FeO 77.78%，SiO20.07%，TiO211%，Al2O30.09%，MnO 0.37%，CaO0.07%；除FeO、TiO2外，其他元素含量甚微.研究區(qū)礦石中FeO、TiO2的含量與磁鐵礦中的含量呈正相關關系，與Al2O3呈負相關關系.據資料顯示，鈦鐵礦的MgO含量比磁鐵礦的高，而Al2O3含量比磁鐵礦的低，礦物在結晶時，Mg趨向于鈦鐵礦，而A l趨向于磁鐵礦.大白石頭溝鈦磁鐵礦存在Mg低Al高的特點，鈦磁鐵礦化學式為（Fe，Ti）3O4，其TiO2的理論含量為12%～16%.表1中樣品測點TiO2成分平均值與鈦磁鐵礦的理論化學成分基本一致，間接地印證了鈦礦物主要是鈦磁鐵礦.

表1 鈦磁鐵礦石電子探針分析數據Table 1 EPMA results of titanium magnetite ores

研究區(qū)內鈦磁鐵礦中TiO2含量較高，與內蒙古羊蹄子山鈦礦床類似［16］.TiO2變化范圍較大，其含量與形成的溫度、壓力密切有關，反映了鈦磁鐵礦成礦的復雜性.大白石頭溝鈦磁鐵礦化體中普遍出現了副礦物鐵鋁榴石，副礦物的出現也印證了礦床變質成因的特點［17］.

2.2.3 人工重砂分析

通過人工重砂分析了研究區(qū)內礦石中礦物類型、含量及占比情況（表2）.礦石類型以鈦磁鐵礦為主（5.70%～8.29%），次為鈦鐵礦（0.15%～0.67%），金紅石礦微量.鈦磁鐵礦與鈦鐵礦共生，呈半自形—自形粒狀集合體填充在脈石礦物顆粒之間，金屬光澤，高硬度，粒徑0.01～0.40 mm.

3 成因探討

3.1 鈦礦物來源

目前，針對鈦礦物質形成許多學者提出了不同觀點，主要有以下2種：1）鈦磁鐵礦是巖漿晚期結晶的產物［18-19］；2）鈦磁鐵礦是磁鐵礦早期分離結晶后堆晶形成，即來自早期超基性—基性富鈦質火山巖［20］.

大白石頭溝地區(qū)鈦礦化體周邊均發(fā)育大量規(guī)模不等的偉晶巖脈，這一特點引起了學者們對偉晶巖脈是否提供礦源的思考.依據1∶5 000巖石地球化學調查資料，對區(qū)內各類巖石的地球化學特征進行統計分析.比較各類巖石中Ti元素的含量，在花崗偉晶巖中，Ti元素含量為1 327×10-6，顯著低于全區(qū)背景值（3 958.2×10-6），但略低于花崗巖（維氏，1962）的平均含量；在角閃石巖中，Ti元素含量為6 669×10-6，顯著高于全區(qū)背景值，但略低于基性巖（維氏，1962）的平均含量；其他巖石中，Ti元素含量均相差不大，與全區(qū)背景值相接近，也與地殼巖石的豐度基本一致.因此，鈦礦物來自花崗巖體（或偉晶巖）觀點基本排除.

結合礦區(qū)地質背景、礦化體特征、礦石特征等，筆者認為該區(qū)鈦磁鐵礦成礦物質主要來源于超基性—基性富鈦質火山巖，即火山活動中，鈦礦物經過了分離-結晶過程，遇到氧化還原障，堆晶沉淀富集成礦.依據如下.

1）區(qū)域上火山巖主要分布在古元古界托賴巖群、長城系磨石溝組及下奧陶統陰溝群等地層，這些地層中均可見有海相噴發(fā)的中基性火山巖.火山噴發(fā)韻律多，巖相可分為噴溢、爆發(fā)和沉積相.巖石類型極為復雜，主要巖性有枕狀玄武巖、蝕變玄武巖、石英拉斑玄武巖、玄武質角礫熔巖、玄武安山巖、玻基安山巖、蝕變輝石安山巖、玻基安山巖、基性晶屑巖屑含角礫凝灰?guī)r、沉晶屑巖屑凝灰?guī)r.巖石富含Ti、Fe等元素，且普遍經歷了構造改造、變形變質.

2）鈦礦物富集不局限于某個地層，在不同時代的地層中均可見，且在部分巖組中出現Ti、Fe元素的富集.例如，早奧陶世陰溝群火山巖組是中祁連蛇綠混雜巖帶中海相火山巖型多金屬礦重要的含礦巖系，該群中發(fā)現了多處火山噴流-沉積型鐵礦床、礦點，且Ti、Fe、Co、Mn、V等元素呈高背景或偏高態(tài)勢.

3）區(qū)內多數地層Ti、Fe等元素呈高背景值，并在局部地段富集成礦，礦化體具似層狀、透鏡狀特點，符合“火山噴流-沉積”型礦床特征.

3.2 成礦模式

根據火山噴流-沉積的成礦理論，其噴流系統主要有管道相、近噴口噴流沉積巖相、遠離噴口正常沉積巖相等.

研究區(qū)古構造環(huán)境主要為島弧作用模式，成礦作用主要與海底火山-熱液活動相關，主礦體形成于火山噴發(fā)間歇期，并處在島弧/弧后盆地或克拉通內部裂谷帶中.隨著中祁連大洋裂谷的形成，來自海洋底部富含Ti、Fe流體沿著噴發(fā)管道上升，并在運移過程中不斷演化為高濃度的成礦流體，這些流體顯示出以地幔流體為主，混有少量大氣降水，通常以多階段形式在剪切帶內交代-沉淀成礦.其次，在區(qū)域變質作用下，富Ti、Fe成礦流體進一步發(fā)生富集作用；接著，在晚奧陶世區(qū)域構造-巖漿作用下，Ti、Fe成礦元素再一次變質富集而形成低品位的鈦磁鐵礦化體；最后，經過多期斷裂構造的改造作用，形成了礦化體似層狀、透鏡狀特點（圖4）.

4 結論

（1）鈦磁鐵礦化體主要產于古元古界托賴巖群片麻巖、中元古代湟中群磨石溝組片巖和石英巖中，受巖性控制明顯.

（2）通過巖相觀察、電子探針及人工重砂等分析手段，厘定了礦石礦物以鈦磁鐵礦為主，含少量鈦鐵礦和微量金紅石等.

（3）根據鈦磁鐵礦成礦地質特征及賦存狀態(tài)，印證了偉晶巖體不是成礦物質的物源體，成礦物質主要源于火山噴發(fā)帶來的富鈦質超基性—基性火山；礦化類型屬于火山噴流-沉積型.

（4）筆者查閱了大量的地質勘查資料與文獻，鈦磁鐵礦在中祁連托萊南山大白石頭溝地區(qū)富集成礦尚屬首次.因此，本研究成果可為后續(xù)的勘查及相關工作提供理論依據.