魯西地區鐵礦類型特征及成礦譜系

郝興中, 孫斌, 張文, 王巧云, 郭艷, 高華麗, 王麗娟

(山東省地質調查院, 濟南 250014)

礦床成礦譜系研究是揭示一定區域內地質歷史發展過程中成礦作用演化軌跡和時空結構的重要手段[1-2],對于確定目標區礦床種類、成因類型、礦體規模等具有十分重要的意義;深入研究成礦譜系可以為成礦預測及礦床勘查提供重要的決策依據。

山東省是中國礦業大省,礦產資源豐富,勘查開發歷史悠久。自中華人民共和國成立以來,山東省礦產勘查和科研工作取得了巨大進展,形成了金、鐵、煤和金剛石等多個全國著名的礦集區[3];其中鐵礦成礦地質條件優越,礦床分布十分廣泛;截至2022年底,山東省已發現和探明的鐵礦床(點)共計302處,分布于除東營市和濱州市之外的其他14個地市。魯西地區鐵礦分布尤為廣泛,已發現有鐵礦礦產地251處,其中大、中型規模為82處[4],多集中分布于濟南、泰安、臨沂和淄博等地;魯東地區有鐵礦產地51處,礦床規模多為中、小型,且呈區域分散分布。

魯西地區鐵礦類型較多,成礦時代跨度較大,在鐵礦勘查過程中,對其成礦背景、礦床特征、成礦規律、找礦標志、成礦預測、礦床成因和勘查方法等方面研究較為深入,但針對魯西地區的鐵礦成礦譜系研究尚未深入開展[5-11]。由于鐵礦的形成是與其相關的成礦要素間高度耦合的產物;在各個地質歷史時期內,在各種類型鐵礦形成過程中,與之相關的成礦要素的差異性十分顯著,因此,研究上述各種類型成礦要素對鐵礦形成中所起到的控制作用十分必要,加之鐵礦是中國緊缺的大宗礦種之一;系統開展鐵礦成礦譜系研究對于提升研究區鐵礦成礦預測水平和指導區內鐵礦勘查工作具有重要的促進作用[12-16],進而對提升山東省鐵礦保障能力也具有十分重要的意義。在通過綜合梳理魯西地區各種鐵礦類型特征,重點分析成礦地質條件、控礦要素、成礦規律及礦床成因的基礎上,以地質演化史為軸線,建立該區鐵礦成礦譜系,為魯西地區勘查和研究奠定科研基礎并提供勘查依據。

1 區域地質背景

研究區大地構造位置屬華北板塊(Ⅰ)、魯西隆起區(Ⅱ)、魯中隆起(Ⅲ)和魯西南潛隆起(Ⅲ)。區域地層發育較為齊全,巖漿活動頻繁,構造運動強烈。研究區內出露有太古界、元古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、白堊系及新生界。區域巖漿巖具有“區域成帶性、多旋回性和多成因性”特征[5],以新太古代酸性侵入巖和燕山晚期中基性侵入巖為主,在空間上呈現區域成帶的分布特點,在時間上表現為多旋回活動的特點,同時具有多成因的特點。區域地表構造形跡以北西向斷裂為主,北東向斷裂為輔[3];斷裂展布規律性明顯,以基底隆起為核部,斷裂呈“放射狀展布、同心環狀展布”2種型式[17-18];區域構造特征表現為基底以褶皺為主,蓋層以單斜地層為主的特征,斷裂構造發育,中、新生代斷陷盆地相間分布。研究區鐵礦位置及其類型如圖1所示。

魯西地區發育有沉積變質型鐵礦(即BIF型)、接觸交代型鐵礦(即矽卡巖型)、熱液交代充填-風化淋濾型鐵礦、沉積型鐵礦和巖漿型鐵礦等多個類型[6-7,19];其中沉積變質型鐵礦和接觸交代型鐵礦在魯西地區占有極其重要的地位,如韓旺鐵礦床、蒼嶧鐵礦帶、東平—汶上鐵礦帶、張家洼鐵礦床、金嶺鐵礦田和濟南鐵礦田等是山東省主要鐵礦石產地。

圖1 山東省主要鐵礦礦產地分布圖Fig.1 Distribution map of main iron ore mineral lands in Shandong Province

2 鐵礦成礦地質特征

根據礦床成因類型劃分,魯西地區鐵礦分布范圍較廣,形成時代跨度極大,各類型鐵礦成礦時空分布特征詳述如下。

2.1 空間分布特征

魯西地區鐵礦空間分布具有“不同類型鐵礦區域分散、同種類型鐵礦集中成帶”的鮮明特征(圖2、表1)?！安煌愋丸F礦區域分散”——即研究區鐵礦床從北向南、由西至東均有分布,在濟南市、淄博市、濰坊市、聊城市、泰安市、臨沂市、濟寧市、菏澤市、棗莊市、德州市等地區均有不同規模和類型的鐵礦床(點)產出,其中菏澤市、德州市、聊城市在近年來鐵礦勘查中取得了較大找礦進展和突破,發現了多處鐵礦床(礦點)?！巴N類型鐵礦集中成帶”——即鐵礦床按照各自成因類型和產出狀態集中分布于濟南城區東部、萊蕪地區,淄博市金嶺、淄河、韓旺地區,臨沂市蘭陵、銅井地區、泰安市東平地區,濟寧市嶧城、汶上、顏店、金鄉、嘉祥和梁山地區,德州市齊河和禹城地區,聊城市高唐地區,菏澤市單縣地區等。

圖2 魯西地區主要鐵礦類型及礦床分布圖Fig.2 Distribution of main iron ore types and deposits in western Shandong

表1 魯西地區主要鐵礦類型及其空間分布特征表Table 1 Table of main iron ore types and spatial distribution characteristics in western Shandong

以沉積變質型和接觸交代型鐵礦為例,前者位于臨沂市、棗莊市、淄博市、濟寧市、泰安市和菏澤市等地區,屬貧鐵礦(TFe品位區間為25%～30%),其中多數鐵礦床規模屬中-大型,該類型鐵礦是全省貧鐵礦石主要來源基地;后者位于濟南市、萊蕪區、淄博市、德州市、臨沂市等地區,屬富鐵礦(TFe品位區間為45%～65%),其中眾多鐵礦床可達大中型規模,是山東省富鐵礦石的主要來源。

2.2 時間分布特征

魯西地區各種類型鐵礦成礦時代跨度極大,從新太古代、古生代至中生代均有分布(部分見表2)。就鐵礦資源量和開發利用現狀而言,研究區內沉積變質型鐵礦資源總量最多,接觸交代型鐵礦次之,其他類型鐵礦資源量較少;由此可知,新太古代和早白堊世是研究區鐵礦最為重要的成礦期;除表2中鐵礦類型外,產于魯西隆起區中南部地區的南石、八塊石沉積型鐵礦形成于晚石炭世[6];產于沂沭斷裂帶中段的肖家溝、宿山巖漿型鈦鐵礦形成于新太古代[20]。各類鐵礦的時空分布特征差異性是由地質演化史中多種地質事件經成礦作用及其后的改造作用等共同作用所致。

表2 魯西地區鐵礦時間分布特征Table 2 Time distribution characteristics of iron ore in western Shandong

3 典型鐵礦床特征

本次研究工作通過選擇魯西地區各種類型典型鐵礦床進行剖析,在梳理其成礦地質背景和礦床特征的基礎上,進而對其鐵礦控礦要素、賦礦特征、成礦規律和成礦譜系進行綜合研究。

3.1 沉積變質型鐵礦

該類型鐵礦是魯西地區最重要的鐵礦類型之一,為前寒武紀沉積變質作用的地質產物,主要由硅質和鐵質成分交替發育并形成條帶狀含礦建造[30-35];研究區該類型鐵礦共有韓旺式、蒼嶧式、楊莊式和濟寧式共4種類型,均為新太古代變質地層控礦(所屬賦礦層位分別為泰山巖群雁翎關組、山草峪組和柳杭組,濟寧巖群顏店組);鑒于蒼嶧式鐵礦的資源量最大,部分礦床開發程度高。因此,選擇蒼嶧鐵礦帶中王埝溝鐵礦床進行剖析。

蒼嶧鐵礦帶屬特大型鐵礦帶,受山草峪組變質巖系控制[36-43],其鐵礦層具有“多層性發育、連續性產出”的特征。王埝溝鐵礦床地處蒼嶧鐵礦帶東部,共發育2條主礦帶5個礦體(其北翼發育3個礦體,南翼發育2個礦體,圖3),呈層狀、似層狀[44];鐵礦體沿走向或傾向呈舒緩波狀延展,產出穩定,局部具膨脹狹縮、分支復合現象,且向形構造控礦特征明顯。該鐵礦帶頂底板為黑云角閃片巖或黑云變粒巖,礦體厚約23.84 m,平均品位TFe為31.92%。鐵礦石類型為石英(角閃)磁鐵礦礦石。

圖3 王埝溝鐵礦區鐵礦示意圖[44]Fig.3 Schematic diagram of iron ore in Wangniangou iron ore area[44]

3.2 接觸交代型鐵礦

該類型鐵礦可分為與中基性侵入巖相關的接觸交代型鐵礦床(主要分布于濟南、萊蕪、淄博、德州和臨沂等地區)和與中酸性侵入巖相關的接觸交代型鐵礦床(主要分布于蘭陵、沂南等地區)[45-51];前者礦床規模較大,是研究區內富鐵礦主要開發對象;而后者礦床規模較小,多為銅金(鐵)伴生礦床;本次研究選擇張家洼鐵礦床作為典型礦床進行剖析。

張家洼礦床是研究區規模最大的接觸交代型鐵礦床,共分為張家洼、小官莊和港里3個礦段,各礦段主要礦體形態特征見圖4和表3。鐵礦體賦存于馬家溝群與閃長巖體的接觸帶及其附近地段(如石炭紀本溪組等),礦體主要受接觸帶及層間不整合構造控制,呈似層狀、透鏡狀產出;礦床蝕變分帶特征顯著,如矽卡巖化、鈉長石化、透輝石化、蛇紋石化、大理巖化和角巖化等現象明顯。鐵礦石TFe平均品位約47%,礦石以致密塊狀磁鐵礦石為主,兼有浸染狀磁鐵礦石等。

圖4 張家洼礦段及小官莊礦段地質剖面圖[6]Fig.4 Geological section of Zhangjiawa ore section and Xiaoguanzhuang ore section[6]

表3 張家洼鐵礦床各礦段主要礦體特征表Table 3 Characteristics of main ore bodies in each ore section of Zhangjiawa iron deposit

3.3 熱液交代充填-風化淋濾型鐵礦

該類型鐵礦始稱“朱崖式”鐵礦(其后亦稱“淄河式”鐵礦),位于魯中隆起中北部淄河一帶,其典型礦床有店子鐵礦、朱崖鐵礦、黑旺鐵礦等,其礦床成因為早白堊世中基性巖漿生成中低溫含礦熱液,經交代充填作用在淄河斷裂帶構造系統中充填富集,此后在風化淋濾作用下形成菱鐵礦體和褐鐵礦體。本次研究以店子鐵礦為例進行剖析。

店子鐵礦床為隱伏礦,沿北北東向淄河主干斷裂東西兩側分布;該礦床主要賦存于炒米店組灰巖中,次為三山子組白云巖中,斷裂東側發育10個礦體,西側發育1個礦體,礦帶總長約3 500 m,寬750～1 500 m[6,52]。鐵礦體呈似層狀和扁豆狀,受斷裂和層間構造控制特征顯著,該鐵礦總厚度變化較大,數米到數十米的礦體均有分布,各礦帶大致呈平行展布(圖5)。鐵礦石TFe品位區間為40%～55%,褐鐵礦品位為45.52%,菱鐵礦品位為29.70%。該類型鐵礦體層數較多,分布較穩定,具有一定工業價值。

圖5 青州店子鐵礦剖面簡圖[52]Fig.5 Profile diagram of Dianzi iron bodies in Qingzhou[52]

3.4 巖漿型鐵礦

該類型鐵礦集中發育于沂沭斷裂帶中段及其周鄰地段,經勘查有肖家溝鈦鐵礦、宿山鈦鐵礦、秦家莊鈦鐵礦等;該類型鈦鐵礦床與新太古代幔源分異型侵入巖體關系密切,其中富鈦和鐵質成分的輝長角閃巖巖體與礦床成因有著直接聯系[53-54]。本次研究以肖家溝鈦鐵礦床作為典型礦床進行剖析。

肖家溝鈦鐵礦床成礦地質體為含鈦鐵礦角閃輝長巖,巖體圍巖為二長花崗巖;礦體總體走向為45°,傾向南東。礦體平面形態呈較規則的脈狀(圖6),長度約1 600 m;寬度約180 m,礦體延深多大于200 m,礦體南東側較陡,北西側相對較緩;礦石平均品位TiO28.68%、TFe 18.46%[55],品位變化均勻。

圖6 肖家溝鈦鐵礦聯合剖面圖[55]Fig.6 Joint section of Xiaojiagou ilmenite iron bodies[55]

3.5 沉積型鐵礦

該類型鐵礦屬晚石炭世沉積-殘積型鐵礦床,零星分布于淄博、臨沂等地的沉積盆地內;礦體產于中奧陶世灰巖風化殼上及本溪組底部(圖7);該類型鐵礦有棗莊南石鐵礦(屬小型規模),礦體呈透鏡狀、結核狀,產狀平緩,厚度多不穩定,礦體規模小。礦石礦物為(呈結核狀或團塊狀)赤鐵礦、褐鐵礦[56],脈石礦物主要為(呈塊狀、結核狀)黏土質礦物及長石、石英等碎屑物,礦石TFe品位20%～35%,礦體含礦率低,因其規模小、品位低,所以工業價值較小。

4 鐵礦控礦要素分析

由前文論述可知,魯西地區各類成礦作用在研究區形成了新太古代沉積變質型鐵礦床和巖漿型礦床、晚石炭世沉積型鐵礦床、早白堊世接觸交代型鐵礦床和熱液交代充填-風化淋濾型鐵礦床。綜合以往地質學者研究成果[46,57-60],研究區各類型鐵礦的控礦要素見表4。

5 魯西區域地質演化及成礦構造環境

根據區域地質研究成果,魯西地區經歷了漫長的地質演化發展史,具有地層發育、巖漿活動頻繁、構造運動強烈的特點。

5.1 魯西區域地質演化

根據《中國礦產地質志·山東卷·鐵鈦礦產》(2019)[4]、《中國區域地質志·山東志》(2021)[61]及其相關研究成果[62-65]表明,魯西地區經歷了漫長而復雜的地質演化史,在各個構造時期內產生了不同類型的地質構造樣式,且在研究區的不同地段(如菏澤、泰山、臨沂和濰坊等地區)形成了各具特色的地層、構造、巖漿巖等地質產物(圖8),為形成各種類型鐵礦及其他種類礦床提供了地質要素基礎,其中在多個特定的地質單元中發生的重大地質事件,如新太古代海底火山噴發、中新元古代變質變形活動、晚石炭世地層沉積、早白堊世巖漿侵入和華北克拉通破壞構造活動等對于形成鐵礦具有極其重要的作用。

圖7 石炭系-二疊系含礦性示意圖[56]Fig.7 Schematic diagram of Carboniferous-Permian ore-bearing potential[56]

表4 魯西地區鐵礦類型及控礦要素劃分表Table 4 Classification of iron ore types and ore-controlling elements in western Shandong Province

前寒武紀魯西陸塊地殼形成與演化主要經歷了中太古代陸核形成、新太古代陸殼增生,其中在新太古代早期幔源巖漿侵位形成超基性層狀侵入體,伴有火山噴發形成表殼巖系;中晚期伸展構造活動發生了幔源基性-超基性巖漿侵位作用。

早古生代魯西地區發育了寒武紀和奧陶紀碳酸鹽巖地層,缺失了志留紀和泥盆紀地層,晚古生代發育有石炭紀和二疊紀(含煤)碎屑巖地層。

中生代時期魯西地區發育有三疊紀、侏羅紀和白堊紀地層,其中侏羅紀和白堊紀地層分布比較廣泛。受揚子板塊拼合、太平洋板塊俯沖和構造域轉化等一系列構造運動影響,研究區燕山期巖漿活動強烈。

5.2 成礦構造環境

綜合以往地質研究成果[6,51],研究區地處中國大陸東部,經歷了太古代、中新元古代、古生代及中新生代共4期主要構造階段。本次研究工作僅對與魯西地區鐵礦形成密切相關的太古代、古生代及中新生代的構造背景與成礦構造環境進行簡述。

新太古代時期陸殼較薄,且該時期陸殼增生現象顯著,超基性(基性)巖漿大規模噴發,巖漿中還有大量的鐵鎂質成分,劇烈且頻繁的巖漿活動、構造運動、沉積作用及大氣環境等因素共同作用下形成了沉積變質型鐵礦和巖漿型鐵礦。

圖8 研究區主要地段構造演化時空流程圖[61]Fig.8 Space-time process of tectonic evolution in main sections of the study area[61]

古生代時期,魯西地區各單元受沉降抬升、海進海退和河湖發育影響,發育沉積了海相碳酸巖系和陸相碎屑巖系為主的兩類地層。早古生代時期,沉積的巨厚碳酸鹽巖地層為接觸交代型鐵礦形成提供了地層條件。晚古生代時期,大量含煤細碎屑巖地層為接觸交代型鐵礦形成提供了有利的蓋層構造。在中奧陶世末,加里東運動使魯西地塊整體抬升為陸地,至晚石炭世整體下沉并接受了海陸交互相沉積,期間在地表普遍形成了紅土型古風化殼和沉積型鐵礦。

中新生代構造階段,受印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動的持續影響,魯西陸塊經受了多次力學性質變化,發育了大規模的盆嶺構造和脆性斷裂,并形成多期次的斷裂構造,構成了魯西地區呈北西向、北東向和近東西向以張性斷裂為主的構造體系,并誘發了深部巖漿底辟侵位。在宏觀上形成了眾多斷隆及凹陷相間產出的構造樣式,在微觀上眾多相互連通的構造系統為與巖漿活動引起的大規模成礦作用提供了構造條件,如研究區在早白堊世時期形成的接觸交代型和熱液交代充填-風化淋濾型等鐵礦是該效應的重要體現之一。

6 區域鐵礦床成礦譜系

在梳理魯西地區成礦譜系研究成果[5-6,41,65-67]的基礎上,本次研究通過對區域地質背景進行梳理,通過研究鐵礦成礦地質條件、剖析典型礦床、闡述鐵礦控礦要素,綜合研究與區域地質構造背景和成礦環境過程中的沉積地層、巖漿活動、構造運動等要素的成因聯系,綜合構建了研究區區域礦床成礦譜系(圖9)。研究表明魯西地區各種類型鐵礦床的形成受區域地質條件中不同時空演化的限制;在時間維上,常與特定時期地層發育、構造運動、巖漿巖活動或變質作用等有關;在空間維上,與特定的大地構造背景、沉積巖建造、變質巖建造或巖漿巖建造等有著密切的對應關系。區域成礦地質背景是成礦事件發生的先決條件,各種有利的地層、構造、巖漿巖條件控制著不同成因類型鐵礦的形成。

圖9 魯西地區鐵礦區域成礦譜系簡圖Fig.9 Schematic diagram of regional metallogenic pedigree of iron ore in west Shandong

在新太古代魯西地區大量且頻繁的海底火山噴發和大氣變化等因素形成了大規模條帶狀含鐵建造[68],在區域變質作用下最終形成了沉積變質型鐵礦,其后的含鈦鐵組分基性巖漿侵入活動形成了肖家溝式鈦鐵礦床。隨著地質演化持續進行,在寒武紀和奧陶紀時期沉積了巨厚層碳酸鹽巖地層,其中奧陶紀馬家溝群是此后形成接觸交代型等鐵礦的重要條件;其后發生了地殼抬升,缺失了志留紀和泥盆紀地層,在石炭紀至二疊紀時期沉積了大面積碎屑巖地層,并在晚石炭世形成了山西式沉積型鐵礦。在早白堊時期發生了大規模的巖漿侵入事件,其中在濟南、萊蕪、淄博、德州等地的中基性巖漿活動與該區馬家溝群發生了接觸交代作用形成了萊蕪式鐵礦床,在臨沂(如蓮子汪、銅井)等地的中酸性巖漿侵入活動形成了蓮子汪式鐵礦床;在淄河地區的中基性巖漿侵入活動和此后風化淋濾共同作用下形成了朱崖式鐵礦床。需要說明的是,在漫長的地質歷史時期,各地質時期地層沉積、構造活動、巖漿作用對部分前期已形成的鐵礦有著不同程度的改造作用。

本次成礦譜系研究顯示魯西地區成礦作用呈現由簡單到復雜、由單一礦種向多樣礦種的演化特征(從新太古代的早期單一鐵礦種,到早白堊世的晚期Fe、Au、Cu等成礦組合),同時具有局部時段集中成礦的特性;魯西地區鐵礦成礦特征與陳毓川等[69]關于華北板塊區域礦床成礦譜系中礦床類型趨于多樣、礦石建造趨于復雜、“層控”到“巖控”的變化、空間分布不平衡等特點具有高度的吻合性。

7 結論

(1)魯西地區鐵礦成礦地質條件優越,發育多種鐵礦類型,分別為沉積變質型鐵礦、接觸交代型鐵礦、熱液交代充填-風化淋濾型鐵礦、沉積型鐵礦、巖漿型伴生鐵礦等多個類型,其中沉積變質型鐵礦、接觸交代型鐵礦是區內當前及今后相當長時期內鐵礦勘查和開發最主要的類型。

(2)在新太古代頻繁爆發的海底火山噴發和大氣變化等因素導致了大規模條帶狀含鐵建造的形成,其后又有含鈦鐵組分的基性巖漿侵入活動,形成了肖家溝式鈦鐵礦床。在寒武紀和奧陶紀時期沉積了碳酸鹽巖地層,其中馬家溝群是該時期重要地質單元。在石炭紀至二疊紀時期沉積了大面積碎屑巖地層,并在晚石炭世形成了山西式沉積型鐵礦。在早白堊時期發生了大規模巖漿侵入事件,其中在濟南、萊蕪、淄博、德州等地的中基性巖漿活動與該區馬家溝群發生了接觸交代作用形成了萊蕪式鐵礦床,在臨沂(如蓮子汪、銅井)等地的中酸性巖漿活動形成了蓮子汪式鐵礦床;在淄河地區的中基性巖漿活動和其后風化淋濾共同作用下形成了朱崖式鐵礦床。

(3)魯西地區成礦譜系研究表明,隨著地質歷史的不斷演化,研究區鐵礦具有礦床類型趨于多樣、礦石建造趨于復雜、由“層控”到“巖控”的演化趨勢、空間分布不平衡的特點。研究區成礦地質條件優越,各類型鐵礦在其形成過程中因所處時代地質條件的差異性而具有時代專屬性,其中主要控礦要素有地層控礦、巖體控礦、構造控礦或多要素共同控礦。在新太古代時期形成了沉積變質型鐵礦床(如韓旺式、蒼嶧式、楊莊式和濟寧式鐵礦)和巖漿型伴生鐵礦床(如肖家溝式鐵礦);在晚石炭世形成了沉積型鐵礦床(如山西式鐵礦),在早白堊世時期形成了接觸交代型鐵礦(如萊蕪式鐵礦床、蓮子汪式鐵礦床)、熱液交代充填—風化淋濾型鐵礦床(如朱崖式鐵礦床)。成礦期構造及其期后構造對鐵礦床的形成及改造作用顯著。

(4)本次鐵礦成礦譜系研究工作進一步闡述了研究區地質歷史發展過程中成礦作用的演化軌跡及其時空結構,研究表明在漫長的地質演化過程中,魯西地區各種類型鐵礦的形成、改造及保存是在海底火山噴發、地層沉積、巖漿侵入、區域變質、構造運動、風化淋濾等地質及成礦作用高度耦合下形成的地質產物,通過在不同地質背景和成礦環境下開展深入研究,有針對性地進行礦產勘查工作,可極大地提升找礦效果。