安徽西部霍邱周油坊鐵礦床地球化學(xué)特征及成因*

潘仙敏，楊　強(qiáng)，羅　通

(1 江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局916大隊(duì)，九江 332100)(2 安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局311地質(zhì)隊(duì)，安慶 246000)(3 安徽省淮北礦業(yè)集團(tuán)海孜煤礦，淮北 235000)

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安徽西部霍邱周油坊鐵礦床地球化學(xué)特征及成因*

潘仙敏1，楊強(qiáng)2，羅通3

(1 江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局916大隊(duì)，九江 332100)(2 安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局311地質(zhì)隊(duì)，安慶 246000)(3 安徽省淮北礦業(yè)集團(tuán)海孜煤礦，淮北 235000)

摘要：周油坊鐵礦床位于華北地臺(tái)南緣皖西霍邱鐵礦田中部，含礦地層位于新太古界變質(zhì)巖系上部，礦石中的鐵礦物主要為鏡鐵礦和磁鐵礦。通過研究該礦床礦石和圍巖的地球化學(xué)特征，探討礦床的成礦物質(zhì)來源、成礦古地理環(huán)境及富鐵礦的成因。結(jié)果表明，周油坊礦床的主要成礦物質(zhì)來源于混合了海底火山熱液的高溫海水，形成于大洋島弧與大陸之間有陸源物質(zhì)輸入的弧后陸前還原海洋環(huán)境，初步認(rèn)為該礦床為原始沉積變質(zhì)型富鐵礦。

關(guān)鍵詞：鐵礦床；富鐵礦；地球化學(xué)特征；周油坊；霍邱

前寒武系巖石中發(fā)現(xiàn)的細(xì)條帶狀硅質(zhì)赤鐵礦礦床，主要由化學(xué)(或生物化學(xué))沉積的燧石和富鐵的氧化物、碳酸鹽、硅酸鹽或硫化物薄層組成。古元古代為條帶狀含鐵建造(BIF)產(chǎn)出的高峰期，發(fā)育于鄰近太古宙克拉通邊界的古元古代盆地或地槽中，其形成與海底熱液噴流作用有關(guān)，主要發(fā)育時(shí)期為2.6～1.8 Ga之間[1]。條帶狀含鐵建造(BIF)主要分阿爾戈馬型(Algoma)和蘇必利爾型(Superior)[2]，這兩種類型的礦床是世界上最主要的鐵礦資源。我國從中太古界(如冀東地區(qū))到新太古界(如霍邱地區(qū)、鞍本地區(qū)、冀東地區(qū))均產(chǎn)巨大的條帶狀含鐵建造礦床。

前人已對霍邱BIF型鐵礦地層劃分[3]、變質(zhì)作用[4-5]、地質(zhì)構(gòu)造[6]、地質(zhì)年代學(xué)[7-8]、地球化學(xué)[9-11]等方面進(jìn)行了研究，但研究程度仍不如其他地區(qū)的BIF型鐵礦，且有關(guān)該區(qū)的富鐵礦成因尚未報(bào)道。本文介紹霍邱礦田周油坊鐵礦床的成礦地質(zhì)背景及地質(zhì)特征，在對鐵礦石和圍巖主量、稀土和微量元素特征研究的基礎(chǔ)上，探討周油坊鐵礦床的成礦物質(zhì)來源、成礦古地理環(huán)境及成礦模式，進(jìn)而討論該礦床貧鐵礦石中富鐵礦石的成因。

1區(qū)域地質(zhì)背景

霍邱鐵礦田處于華北地臺(tái)南緣，分布在合肥坳陷西北部，皖西霍邱縣西北周集—重新集一帶，即淮河南岸四十里長山東側(cè)的Ⅱ級(jí)階地。礦田南北向展布約40 km，東西2～8 km，主要由李樓、周油坊、草樓、重新集等礦床組成(圖1)。鉆孔揭露霍邱礦田發(fā)育混合巖化區(qū)域變質(zhì)巖系—霍邱群，太古宙霍邱群系一套區(qū)域變質(zhì)的片麻巖、變粒巖、片巖、大理巖、斜長角閃巖類巖石，混合巖化較強(qiáng)烈[4]，總厚約3.3 km。自南向北呈一由北西向漸轉(zhuǎn)為北東向的弧形，南部收斂，北部舒展，由圖1可知含礦帶的展布與向西凸出的弧形構(gòu)造方向一致?；羟袢簞澐譃榛▓@組、吳集組和周集組三個(gè)巖石地層組，為中基性火山沉積旋回[3]，各組之間均為整合接觸。地層表現(xiàn)為一復(fù)式向斜，由大致平行排列的周集倒轉(zhuǎn)向斜、李老莊向斜、范橋向斜等次級(jí)構(gòu)造組成，南緣為南北向展布的海槽條帶狀硅鐵建造。

圖1　安徽霍邱鐵礦田地質(zhì)略圖 (安徽省地礦局313地質(zhì)隊(duì)資料?修編)Fig.1　Generalized geologic map of the Huoqiu iron orefield, Anhui province1-第四系；2-下白堊統(tǒng)；3-上侏羅統(tǒng)；4-震旦系；5-青白口系；6-鳳陽群；7-周集組上段；8-周集組下段；9-吳集組上段；10-吳集組下段；11-花園組；12-鐵礦體；13-地質(zhì)界線；14-不整合界線；15-斷層；16-工作區(qū)

2礦床地質(zhì)特征

2.1礦體特征

礦體被厚73.99～196.18 m的第四系覆蓋，因受周集倒轉(zhuǎn)向斜控制，鐵礦體均集中分布于周集倒轉(zhuǎn)向斜兩翼[11]，礦床內(nèi)上、下礦帶的礦體在礦體層數(shù)、形態(tài)和產(chǎn)狀方面均有相似之處，各礦帶上部礦體均為透鏡體狀，中部礦體為似層狀，底部礦體為層狀。含礦巖段位于新太古界變質(zhì)巖系上部，由兩次成礦旋回形成自下而上呈鐵的碳酸鹽相—硅酸鹽相—氧化物相含礦建造，即位于海相復(fù)理式建造與富鎂碳酸鹽建造之間，呈明顯帶狀分布。礦體由于受硅鐵質(zhì)巖控制一般呈層狀或似層狀，礦體產(chǎn)狀變化穩(wěn)定，厚度沿走向及傾向變化穩(wěn)定(圖2)。礦區(qū)內(nèi)含礦巖組呈西傾的單斜構(gòu)造，由S向N逐漸變薄，淺部產(chǎn)狀陡峻，構(gòu)成直立片理帶，傾角70°～80°，深部產(chǎn)狀變緩，局部有變厚的趨勢，深部有向上翹起的趨勢。另有一條平移的F1斷層切割礦體，F(xiàn)1斷層走向約280°，傾向NNE，傾角約85°(圖2)，該斷層不但具平移性質(zhì)，且在上盤相對下降的同時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，使礦體產(chǎn)狀變陡，埋深增大，斷層破碎帶內(nèi)巖石破碎，裂隙發(fā)育。無明顯大的斷裂構(gòu)造切穿礦體，礦體受構(gòu)造的影響不大。礦區(qū)內(nèi)巖漿巖均為巖脈，沿?cái)嗔殉涮?。主要巖性有云英巖化花崗巖、偉晶巖、細(xì)?；◢弾r、斜長花崗巖和輝綠巖等。脈巖對礦體具有切割破壞作用。

周油坊鐵礦床可分為Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ七個(gè)含礦帶，其中上礦帶由Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ、Ⅲ號(hào)礦體組成，下礦帶由Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ號(hào)礦體組成(圖2)。下礦帶Ⅴ、Ⅵ號(hào)為主礦體，其中Ⅴ號(hào)礦體分布于8～63線，走向長3610 m，沿傾向控制斜長92～429 m，最大真厚度31.26 m，礦體平均厚度9.48 m。Ⅵ號(hào)礦體貫穿全礦區(qū)，控制長3670 m，控制斜長138～667 m，最大真厚度76.84 m，礦體平均厚度29.79 m。

圖2　安徽霍邱鐵礦田周油坊鐵礦床地質(zhì)略圖 (安徽省地礦局313地質(zhì)隊(duì)資料?改繪)Fig.2　Generalized geologic map of the Zhouyoufang iron deposit in the Huoqiu iron orefield, Anhui province1-白云石大理巖；2-白云石英片巖；3-斜長黑云片巖；4-鐵閃片巖；5-巖相界線；6-礦體界線；7-礦體編號(hào)；8-勘探線位置及編號(hào)；9-鉆孔位置及編號(hào)；10-采樣位置

2.2礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造

礦石主要為變晶結(jié)構(gòu)，次為交代結(jié)構(gòu)和壓碎結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造以條帶狀和浸染狀構(gòu)造為主，二者常復(fù)合在一起或呈相互過渡，次為斑點(diǎn)狀構(gòu)造、片狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造。淺部礦石氧化作用較強(qiáng)烈，主要分布于古風(fēng)化殼內(nèi)，其次分布在深部構(gòu)造破裂帶內(nèi)。區(qū)內(nèi)由南向北氧化帶的下限埋深逐漸增大，厚度逐漸變薄。

2.3礦石礦物

礦石中的鐵礦物主要為鏡鐵礦、磁鐵礦，偶有少量赤鐵礦和褐鐵礦等。

鏡鐵礦：呈鋼灰—銀灰色，多為半自形—他形片狀或粒狀，具明亮的鏡面(圖3a)，鏡下白色微帶藍(lán)灰色，非均質(zhì)性清晰，常有2～3組片狀雙晶，雙晶紋清晰，消光均勻(圖3c)，一般大小為0.05 mm×0.15 mm～0.3 mm×1.2 mm。

磁鐵礦：呈灰色、微帶玫瑰色，半金屬光澤，多呈半自形—他形，粒徑0.05～0.5 mm。脈石礦物主要為石英及閃石類礦物，少量黑云母、白云母等(圖3b、圖3d)。石英粒度0.2～0.5 mm，閃石類礦物主要為普通角閃石、鐵閃石、少量透閃石、陽起石、藍(lán)閃石等，呈柱狀、粒狀、纖維狀，粒徑0.3～1.0 mm。

圖3　周油坊鐵礦床鏡鐵礦(a, c)、磁鐵礦(b,d)手標(biāo)本及鏡下特征Fig.3　Hand specimens and microscopic characteristics of specularite(a, c)and magnetite(b,d) in the Zhouyoufang iron deposit Mt-磁鐵礦；Hem-鏡鐵礦；Qrt-石英

3地球化學(xué)特征

研究測試的12件樣品均采自周油坊鐵礦區(qū)坑道。TK-01、DLY-01、YM-01、YM-02采自-350中段南11P號(hào)穿脈，TK-02、TK-03、DLY-02、YM-03采自-410中段南11R號(hào)穿脈，TK-04、DLY-03、DLY-04、YM-04采自-470中段南11P號(hào)穿脈(圖2中0號(hào)勘探線附近，各中段地質(zhì)平面圖略)。樣品均較新鮮，無明顯風(fēng)化和細(xì)脈充填現(xiàn)象。

3.1礦石地球化學(xué)特征

表1　周油坊鐵礦床鐵礦石的主量元素(%)

注：樣品化學(xué)分析經(jīng)中國地質(zhì)大學(xué)( 北京) 地學(xué)實(shí)驗(yàn)中心測試完成，主量元素利用ICP-AES法進(jìn)行測試，RSD<2%，微量元素(含稀土元素)利用ICP-MS法進(jìn)行測試，RSD<3%；"-"代表未測出；標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)文獻(xiàn)[12]，下同。

石英型鐵礦石稀土元素總量(∑REE+Y)為7.78×10-6，閃石型鐵礦石的稀土總量(∑REE+Y)為7.31×10-6，與石英型鐵礦石稀土總量接近。富鐵礦石(TK-03)和富鐵礦石(TK-04)的稀土總量(∑REE+Y)分別為4.00×10-6和6.23×10-6。表1中異常值算法見文獻(xiàn)[13]，用Post Archean Australian Shale(簡稱PAAS)[12]對以上四類鐵礦石的稀土元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(圖4a)，發(fā)現(xiàn)鐵礦石樣品稀土元素特征相似，稀土總量較低(平均值6.33×10-6)，LREE含量平均為4.35×10-6，HREE含量平均為0.55×10-6，LREE相對富集，HREE相對虧損，LREE/HREE為3.76～10.71，平均7.86，分餾明顯；La正異常(La/La*=1.15～1.51)， Eu正異常(Eu/Eu*=2.78～3.18)和Y正異常(Y/Y*=1.76～2.00)，Y/Ho為47.50～50.00，平均48.33。這種稀土總量較低、Eu與Y呈正異常及Y/Ho較高的特征與其他地區(qū)的BIF具有相似性[14-15]。

3.2圍巖地球化學(xué)特征

4討論

4.1成礦物質(zhì)來源

鐵礦石中Al2O3(2.84%～6.36%)高于鞍本地區(qū)鐵礦石的Al2O3(0.09%～1.80%)[1]，指示周油坊鐵礦較鞍本地區(qū)有更多陸源碎屑物質(zhì)加入，但總體含量仍較低，說明加入的碎屑物質(zhì)有限。

Eu的正異?？芍甘竞５谉嵋夯顒?dòng)，這與現(xiàn)代“黑煙囪”型高溫海底熱液的Eu正異常表現(xiàn)一致[16-18]，Klein(2005)[1]與Kato et al.(2006)[19]認(rèn)為Eu的正異常程度與海水中釋放的高溫?zé)嵋憾嗌儆嘘P(guān)。圖4a中四類鐵礦石Eu正異常明顯，表明周油坊鐵礦在成礦作用過程中有較多的高溫?zé)嵋狠斎搿3+和Ho3+離子半徑雖相近，但由于各自表層絡(luò)合能力的差異導(dǎo)致海水中Ho的沉淀速率高出Y近1倍，據(jù)此，Y/Ho可反演太古代海洋沉積環(huán)境[20-21]，研究區(qū)鐵礦石Y/Ho(表1)均大于上地殼Y/Ho平均值27[22]，介于海水的Y/Ho(44～74)之間[13，17]，說明周油坊鐵礦形成于海水與高溫?zé)嵋旱幕旌?其中海水貢獻(xiàn)略大)，屬于海洋化學(xué)沉積。大理巖的Y/Ho為31.25～40.00，介于陸源碎屑Y/Ho(26)和古元古代表層海水Y/Ho的下限值(44)之間，其主要物質(zhì)來源既不是單一的陸源碎屑，也不同于海水，可能與海底熱液有關(guān)。結(jié)合鐵礦石具有較高的Eu異常峰值，成礦與火山作用有關(guān)，所以混合了海底火山熱液的高溫海水是周油坊鐵礦床的主要成礦物質(zhì)來源。分散在礦源層的流體及其他物質(zhì)來源對成礦物質(zhì)來源貢獻(xiàn)，需要通過同位素年代學(xué)進(jìn)一步研究。

4.2鐵礦石REE示蹤

成礦作用過程中對Ce的差異性氧化作用及Ce富集在含磁鐵石英云母片巖中的LREE含量較大(含磁鐵石英云母片巖Ce平均值55.03×10-6，高于鐵礦石Ce平均值2.04×10-6)，使其LREE/HREE(平均值20.10)高于大理巖的LREE/HREE(平均值12.97)和鐵礦石的LREE/HREE(平均值7.86)。Ce含量變化及LREE/HREE由鐵礦石—含磁鐵石英云母片巖增高的趨勢可代表氧化程度的增強(qiáng)，有利于含磁鐵石英云母片巖在鐵質(zhì)析出過程中對LREE的吸附。周油坊鐵礦石LREE相對富集、HREE相對虧損的特征與其他BIF型鐵礦石的LREE虧損、HREE富集特征的反差，可能是鐵質(zhì)沉淀析出過程中由于氧化程度的差異導(dǎo)致LREE差異性吸附的緣故。生物媒介的氧化是影響鐵質(zhì)沉淀析出的主要因素之一[23-24]，陸源碎屑和生物是影響LREE分布的主要因素。如前文所述，陸源碎屑物質(zhì)加入稍有差異，結(jié)合研究區(qū)含鐵建造中曾多次發(fā)現(xiàn)微體化石及線狀石墨?，說明巖石形成時(shí)有有機(jī)物參與，可能在有足夠鐵質(zhì)來源的條件下使鐵參與鐵硅溶液，推測研究區(qū)LREE這種特殊的REE分配型式可能是相對于其他BIF有更多陸源物質(zhì)輸入及生物氧化作用引起。

表2　周油坊鐵礦床大理巖、含磁鐵石英云母片巖主量元素(%)、稀土元素和微量元素(×10-6)分析結(jié)果

4.3成礦古地理環(huán)境

含磁鐵石英云母片巖的稀土元素配分型式顯示，HREE與LREE具有明顯分餾的右傾特征(圖4c)。LREE的富集或虧損程度可指示沉積環(huán)境，形成于深海平原、洋中脊的巖石幾乎不受陸源物質(zhì)的影響而表現(xiàn)出LREE虧損，形成于靠近大陸邊緣的巖石受陸源物質(zhì)的影響較大而表現(xiàn)出LREE富集[30]。周油坊鐵礦床應(yīng)形成于邊緣海環(huán)境。當(dāng)變質(zhì)程度低于角閃巖相時(shí)，REE不發(fā)生明顯遷移[31]，所以含磁鐵石英云母片巖REE配分模式與大理巖較吻合，應(yīng)是繼承了原巖的REE特征，根據(jù)含磁鐵石英云母片巖的稀土元素原巖恢復(fù)圖解判別其原巖應(yīng)為粘土巖(圖5)，由構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖6)可知，含磁鐵石英云母片巖具有大陸邊緣與大洋島弧的雙重特征，表明周油坊礦床形成于介于大洋島弧與大陸之間的弧后陸前盆地。

由于受沉積建造控制，研究區(qū)含礦巖系與大理巖關(guān)系密切，周油坊礦床大理巖高場強(qiáng)元素Zr、Ta、Th和U含量低(表2)，表明其主要物質(zhì)來源為海相沉積。Ce/Ce*可靈敏地反應(yīng)沉積環(huán)境變化[32]，鐵礦石Ce/Ce*(0.87～1.03)低于大理巖Ce/Ce*(1.03～1.07)，表明以白云石大理巖為礦體頂板的礦石建造原始環(huán)境為相對還原的海相沉積。

Ce對氧化、還原條件的改變反應(yīng)較敏感[32-33]，溶解在海水中的Ce3+在氧化環(huán)境下形成難溶的Ce4+導(dǎo)致水體Ce虧損，Ce的負(fù)異常通常指示水體屬氧化環(huán)境[34-35]。如圖7所示，鐵礦石未落入Ce異常區(qū)，Ce負(fù)異常缺失，顯示沉積環(huán)境為低氧逸度或缺氧的還原海洋，這與前人對早前寒武紀(jì)屬缺氧環(huán)境的研究一致[15，36]，為海水中大量富集Fe2+提供有利條件，為后續(xù)BIF沉淀提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

綜上，周油坊鐵礦床應(yīng)形成于介于大洋島弧與大陸之間有陸源物質(zhì)輸入的弧后陸前還原海洋環(huán)境。

圖5　含磁鐵石英云母片巖稀土元素原巖恢復(fù)圖[25-26]Fig.5　REE protolith reconstruction diagrams of magnetite-bearing quartz-mica schist

圖6　含磁鐵石英云母片巖構(gòu)造環(huán)境判別圖[27-28]Fig.6　Tectonic setting discrimination diagrams of magnetite-bearing quartz-mica schist

圖7　周油坊鐵礦石Ce/Ce*-Pr/Pr*判別圖[29]Fig.7　Ce/Ce* vs. Pr/Pr* discrimination diagram of iron ores from the Zhouyoufang iron deposit

4.4富鐵礦成因

周油坊鐵礦床富鐵礦局部賦存于貧鐵礦層中，富鐵礦單層厚度1.5～2.5 m，分布不連續(xù)，目前尚未發(fā)現(xiàn)獨(dú)立富礦層，但探討貧鐵礦石中富鐵礦石的成因具有現(xiàn)實(shí)意義。

5結(jié)論

周油坊鐵礦礦石和圍巖地球化學(xué)特征表明，該礦床成礦物質(zhì)來源可能為混合了海底火山熱液的較高溫海水，形成于大洋島弧與大陸之間有陸源物質(zhì)輸入的弧后陸前還原海洋環(huán)境。熱液對周油坊富鐵礦的成因貢獻(xiàn)不大，貧鐵礦、富鐵礦屬同一沉積環(huán)境下的產(chǎn)物，造成鐵質(zhì)富集的因素可能與原始沉積建造或沉積時(shí)鐵質(zhì)供給有關(guān)，周油坊富鐵礦為原始沉積變質(zhì)型富鐵礦。

注釋

?安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì). 安徽省霍邱縣周油坊鐵礦勘探地質(zhì)報(bào)告(內(nèi)部資料). 2009.

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DOI：10.16788/j.hddz.32-1865/P.2016.01.007

* 收稿日期：2015-04-17改回日期：2015-06-15責(zé)任編輯：譚桂麗

基金項(xiàng)目：江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地質(zhì)科研項(xiàng)目(編號(hào)：201187)資助。

第一作者簡介：潘仙敏，1990年生，男，助理工程師，主要從事固體礦產(chǎn)勘查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、科研及成礦預(yù)測工作。

中圖分類號(hào)：P618.31; P618.7; P595

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-1871(2016)01-052-09

Geochemical characteristics and genesis of the Zhouyoufang iron deposit in Huoqiu County, western Anhui Province

PAN Xian-min1， YANG Qiang2， LUO Tong3

(1No.916GeologicalParty,JiangxiBureauofGeologyandMineralExploration,Jiujiang332100,China) (2No.311GeologicalParty,AnhuiBureauofGeologyandMineralExploration,Anqing246000,China) (3HaiziCoalMineHuaibeiMiningGroupCo.,Ltd.Huaibei235000,China)

Abstract：The Zhouyoufang iron deposit in the central part of the Huqiu iron orefield of western Anhui Province is tectonically located in the southern margin of North China platform, with ore-bearing strata developed in the upper part of the Neo-Archaean metamorphic series. Its iron-bearing minerals include specularite and magnetite. The study discussed the ore-forming material sources, metallogenic paleogeographic environment and genesis of the deposit through studying of the geochemical characteristics for ores and county rocks. The results show that the main ore-forming material sources of the Zhouyoufang iron deposit derived mainly from the high temperature seawater mixed with submarine volcanic hydrothermal and the deposit formed in a reducing marine environment of back-arc and foreland between oceanic island arc and continent. It can be preliminarily concluded that the deposit was a primary sedimentogenic metamorphic iron-rich deposit.

Key words:iron deposit; iron-rich ore; geochemical characteristics; Zhouyoufang; Huoqiu County