沉积变质改造型铁矿的成矿作用分析

刘 磊,乔冠军,柳长峰,周志广,

(1.中国地质大学 (北京)地球科学与资源学院,北京100083;2.山东省泰安市东平县公路局,山东泰安271500;3中国地质大学 (北京)地质调查研究院,北京100083)

沉积变质改造型铁矿床顾名思义是指经历了沉积,变质,改造三个阶段。其中一种重要类型的矿床为形成于前寒武纪的铁矿床,其矿石组成由硅质 (碧玉、燧石、石英)和铁质 (赤铁矿、磁铁矿)薄层呈互层状,又称铁-硅建造、条带状铁建造 (简称B IF)。最近有人研究认为B IF型铁矿与海底热水喷流沉积作用有关,其为成矿提供了铁质来源。

1 大地构造背景与热水喷流成矿

沉积变质型铁矿一般认为铁质来源为海底火山作用,然后运移到合适部位沉积成矿,一般产于太古代的火山喷发盆地构造环境,先是火山喷发,携带大量成矿物质,然后地貌影响,成矿物质向四周运移,在适当的部位和物理化学条件下,沉积成矿,并表现出成矿的矿物相分带特征。李志红[1]在研究鞍山B IF矿床时,为Fe质来源提供了同位素方面的证据:B IF的Fe同位素成分与Eu异常存在非常明显地正相关关系,这清楚地表明鞍本地区BIF中铁的来源与海底火山热液活动有关。

对于沉积变质型铁矿 (B IF),现在有学者指出可能与海底热水喷流作用有关[2],主要是海底热水喷流为成矿提供了铁质来源。公认的看法是,热水沉积成矿是海底 (湖底)深部高密度的硅质热卤水通过同沉积断裂上涌,携带大量的Fe、Cu、Pb、Zn等成矿物质,喷出海底地表与冷水混合,在喷口附近形成沉积成矿作用。最近,人们认为含硫铁矿建造并非原始沉积相,而是后来交代成因,属后生作用形成,氧化物相铁矿建造中硫化物和金矿化是矿化化热液运移和沉淀作用的结果[3]。本文描述改造型铁矿层不是通常沉积成因的铁矿建造。

2 低温渗流成矿的沉积建造特征

一般认为全球前寒武纪B IF成因具有普遍性,B IF是古海洋的化学沉积,同时具有明显的火山热液的贡献。李志红在这方面也提供了更充足的同位素证据,条带状铁建造 K2O、Na20、CaO、M gO、A l2O3、TiO2等组分的含量非常低,表明B IF中碎屑组分很少。同时,B IF的页岩标准化REE配分模式呈现海水和海底热液特征的La、Eu、Y正异常和Ce负异常,表明B IF是古海洋的化学沉积。

此类矿床主要形成于前寒武纪,条带状铁矿建造是以硅、铁质为主的化学沉积物,其中可夹杂一些次要的胶体物质和少量同沉积黏土矿物,形成于火山间歇期或宁静期。由于裂谷盆地构造环境和化学环境的不均一性,可形成硫化物相(强还原环境)、碳酸盐相 (还原环境)、硅酸盐相(还原环境)和氧化物相 (Fe3O4到 Fe2O3代表从还原环境过渡到氧化环境)。

对前寒武纪铁矿的建造特征,前人有过详细的归纳。根据矿床的形成时代和含矿建造的不同,可以简化分为分为阿尔戈马型 (A lgoma)和苏必利尔型 (Superior)。

阿尔戈马型铁矿特征:铁矿主要形成于新太古代以前,铁矿的形成在空间和时间上与优地槽海底火山活动密切相关,大多发育于绿岩带上。铁矿主要与绿岩带中上部的火山碎屑岩相伴生,并靠近浊积岩组合。此类铁矿建造的硫化物相或碳酸盐相产在靠近火山中心处,氧化物相通常远离火山中心,硅酸盐相位于两者之间。铁矿常由灰色、浅黑绿色铁质燧石和赤铁矿或磁铁矿组成窄条带状。

苏必利尔型铁矿特征:铁矿主要分布在古元古代地槽区,形成于具冒地槽性质的开阔海盆中,常有火山活动。其建造层序特征自下而上一般为:白云岩、石英岩、红色或黑色铁质页岩、铁矿建造、黑色页岩和泥质板岩,铁质建造一般产在上述层序的下部。在某些地段铁矿建造和基底岩石之间被石英岩、粗砂岩和页岩隔开,铁矿层呈条带状铁矿石。氧化物相主要为磁铁矿或赤铁矿,碳酸盐相以菱铁矿为主,并有磁铁矿和铁硅酸盐类矿物伴生。硫化物相主要是黄铁矿,常含细粒的富硅质泥岩。这类矿床主要分布在加拿大地盾的克科兰德湖地区、美国的佛米利思地区、原苏联的库尔斯克磁异常区,我国的鞍山-本溪地区、冀东地区、五台地区等。其矿物相分带见图1。

前人研究表明,条带状铁矿建造是以硅、铁质为主的化学沉积物,其中可夹杂一些次要的胶体物质和少量同沉积黏土矿物,形成于火山间歇期或宁静期。由于裂谷盆地构造环境和化学环境的不均一性,可形成硫化物相,碳酸盐相、硅酸盐相和氧化物相。目前比较公认的模式是,热水沉积成矿是海底 (湖底)深部高密度的硅质热卤水通过同沉积断裂上涌,携带大量的 Fe、Cu、Pb、Zn等成矿物质,喷出海底地表与冷水混合,在喷口附近产生成矿作用。阿尔戈马型B IF和苏必利尔型B IF可能分别属于近喷口和远离喷口的热水喷流沉积矿床。

图1 沉积铁矿床铁矿物相分带示意图 (据姚凤良)

3 区域变质对矿床的改造

3.1 变质作用因素

一般认为变质矿床的形成下列因素控制:含矿建造;变质作用热液体系;适当的构造条件。三个条件中,含矿建造处于主导地位。

含矿建造的含矿性是形成变质矿床的物质基础。变质作用是一定的含矿建造在一定阶段,在适当的构造环境内形成,经历某一变质作用形成的一套区域性的有规律性的变质岩石组合。对于前寒武纪的B IF铁矿床,其形成可能与基性的海底火山活动有关,其含矿建造的意义甚至超过正常沉积的产物[4]。

变质作用中的变质热液成分是在变质过程中产生的,部分来源于原岩粒间所含的水分,部分来源于矿物质之间脱水反应所析出,此外还有裂隙水及地下水循环有关。主要是 H2O,还常含有CO2、S、O、F、Cl等易挥发分,这些能形成粒间溶液和流动热液,促进岩石中的各种组分进行重新分配组合,并能通过溶液进行迁移搬运,使元素重新聚散。

构造应力所产生的变形是区域变质作用中的一个重要方面。在强烈的变形中,褶皱轴部或倾末端地层显著变厚膨胀,并且次一级的构造裂隙发育,有利于含矿热液活动二形成富矿体。其次构造应力引起的各种断裂带和破碎带,因为裂隙发育,岩石破碎,有利于成矿物质再次活化,元素再次聚集形成富矿。

3.2 变质作用

根据大量资料来看,前寒武纪铁矿均遭受了不同程度的区域变质作用,而这种改造作用基本是在封闭体系中进行的,作用结果主要表现在矿层总体化学成分不变,而矿物相的重新组合,具有以下基本特点。

1)变质级别。条带状含铁建造往往产出于一个旋回的顶部,与绿岩带中上部的火山碎屑岩相伴生,并靠近浊积岩组合。阿尔戈马型铁矿一般都经受了绿片岩相和角闪岩相的变质作用。矿床一般有一系列的透镜状矿体构造规模巨大的矿带。苏必利尔型铁矿大多数铁矿未遭受变质或受浅变质 (绿片岩相),部分可达角闪岩相。一般在进化的区域变质作用过程中,铁的活动性增加,而在退化的区域变质作用中,铁的活动性降低,这也是大型前寒武纪沉积变质铁矿一般产于浅变质岩带中的原因。

2)矿石矿物相转变。对于受变质矿床主要取决于原矿床类型;对于变成矿床来讲,主要取决于变质发生的物理化学条件,变质原岩组成和原矿床类型。对于硅铁建造的矿床来说,其原始物质一般认为是胶体形式沉积的含铁的燧石,经轻微变质成为含细小的红色半透明镜铁矿鳞片的碧玉岩,后来经过更深层次的稍微还原环境下即为变质形成磁铁石英岩。

铁矿建造的沉积碳酸盐的变质取决于赤铁矿的存在,其中变质作用的流体主要是CO2组成。变质热液活动中因CO2、SiO2等组分的带出而发生了铁的进一步富集。

一般在镜下可以看见石英包裹磁铁矿或磁铁矿镶嵌在石英颗粒之间,与石英犬牙交错,互相镶嵌,说明石英和磁铁矿石经过重结晶形成的。经历这一改造,矿石颗粒增大,同时品位提高。

3)富集成矿。最近黎爱国等[5]在讨论鞍山市富铁矿成因时,综合前人观点提出了这种条带状磁铁矿的的富矿成因有以下两种模式:被动式富集和主动式富集。被动式,即为变质水热液富化成矿,变质水热液沿着岩石中的裂隙、空隙活动,吸收周围岩石中的成矿物质“搬运”到适宜的地点成矿。主动式,即即自催化与互催化说,过饱和-成核-消耗循环,产生出更多的条带状铁氧化物沉淀,通过溶解-迁移-成核-生长反馈,形成富铁矿。有学者指出这种变质作用为一种自组织成矿作用[6]。

变质作用使得有用的铁矿物在特定的地方富集,无用的矿物元素迁出,而达到硅铁分离,去硅存铁结果,形成了鞍山本溪地区特有的“鞍山式”富铁矿[7]。

4)矿石结构构造变化。原先的沉积结构经历变质后转变为变质结构。

5)矿体形态及产状变化。在经历构造应力变质过程中,矿体变质后以层状、似层状、马鞍状、不规则状为主、矿体物质低应力区的核部相对集中,高应力区变薄。在平面上矿床沿构造带呈带状分布,在应力方向转折区和应力大小变化去。

4 矿床的后期构造改造

4.1 构造改造分类:

矿床是地质作用的历史产物,矿床形成以后又经历了各种变化和改造:一些矿床的组成和产状发生显著变化;一些矿床经受后来的强烈破坏而消失;一些矿床被保存下来。翟裕生等[8]认为矿床被保存或被破坏,取决于两方面的因素:一是矿床所经历的地质历史和所处的地质环境即控制因素;二是矿床自身地质特征所决定的抗拒改造的能力,即矿床的物理化学稳定性。

按照翟裕生等对矿床后期变化的分类,矿床的变化主要有:变形、变质、变位、变品位、变规模;而其遭受改变的结果主要表现为保存、部分保存、转变类型、消亡。

矿床的形态变化。主要受到构造变形影响,构造变形样式不同,就有不同的矿体空间变化。主要的构造变形样式有:

挤压型:挠曲、褶曲、紧密褶皱、压扁、逆掩错断。

拉张型:拉断、裂开、拉长、石香肠、阶梯状正断层。

走滑型:错断、糜棱岩化、千糜岩化。

矿床的质量变化。对于层状的沉积变质型铁矿床来说,矿石矿物的再活化差异性迁移和矿体的物理化学变化就会很发育。对于原生的条带状磁铁矿而言,经过表生氧化过程之后,磁铁矿矿石变为赤铁矿矿石,SiO2、磷、硫等被下渗的大气降水淋滤带走,有害杂质相对减少,相对提高了矿石含铁量和矿石质量。

矿床的空间位置变化。是由于外界构造作用,使得矿体空间埋深发生变化。一是由于受大地构造和区域构造影响,矿体向深部转移,并遭受高温高压下的变质作用;二是矿床形成后由于构造运动使地壳抬升,矿床向浅部转移,若抬升剧烈,可能使矿体出露地表,遭受风化剥蚀。

矿床的品位改变。矿体的深部转移和浅部转移过程中,由于物理化学条件的变化,使矿石与周围介质发生反应,从而改变了矿石的成分、结构构造,矿石的品味发生不同程度的改变。

矿床的规模改变。矿床在后期改造过程中,可能使得矿床物质再次活化,发生转移,在某些部位聚集,在某些部位分散,在地表浅部遭受剥蚀,从而使得单个矿体的规模发生改变,矿床储量不同程度的改变。

4.2 层状矿体的改造

对于沉积变质型铁矿而言,沉积形成的矿层形态主要表现为层状、似层状,出现厚度不均。其原因之一可能与沉积成矿的地形影响有关;二是在区域变质作用造成矿体在不同应力区出现集中和分散,使得矿体呈现鞍状,局部地区由于应力影响出现膨大和缩小现象。变质作用使矿体结构构造和空间品位发生变化,但对总体矿层的产状影响有限。构造对沉积作用形成的层状矿体来说,主要表现为对矿体形态和空间位置的改变。

构造对矿床的形态和空间位置的改造主要涉及褶皱变形、韧性剪切改造和断裂改造三个方面。

1)褶皱变形。褶皱变形对沉积层状矿体的改造表现为矿体形态的改变,在局部可能使矿体出现膨涨和缩小。同时使得物质在挤压构造应力下,物质成分的活化迁移,由高应力区向低应力区迁移。

第一,由于发生褶皱的岩层能干性不一,从而在岩层之间形成不同类型的空间类型。在脆性岩层、塑性岩层与负荷性岩层的组合中,总体特征是脆性岩层容易形成破裂裂隙,塑性岩层和负荷性岩层容易在裂隙充填愈合。

对于沉积变质性铁矿而言,其沉积建造特征表现为硅铁建造,硅质和铁质相当于脆性岩层和塑性岩层,在褶皱变形中硅质和铁质均可能发生活化运移在低应力区集中,正因如此,在矿石的显微结构中可以看见石英和磁铁矿呈镶嵌状,其次从野外勘探看出,矿体在某些部位呈现透镜状和膨缩现象,也说明了石英和磁铁矿都可能在褶皱变形中发生运移。

除了褶皱可引起矿体物质向核部聚集外,交叉的节理或裂隙也可以产生破裂空间,从而使物质向低应力区聚集,在交叉部位形成矿瘤。因此要正确分析矿体的成因是受褶皱控制还是其他因素影响。

第二,在局部层间不一致的滑动过程中,形成层间张开,形成局部膨大富集。

第三,褶皱变形可能有多期作用,对原先沉积作用形成的层状矿体而言,在后来多期褶皱变形中,可以有不同强度褶皱的叠加,可以有不同方向褶皱的叠加,形成了非常复杂的矿体形态。

在强烈的褶皱变形中,由于构造变形总伴随着热作用,使得成矿物质呈现不同程度的活化,从而造成成矿物质的化学迁移和物理迁移,迁移表现为成矿物质由高压应力区域向低压应力区域迁移,同时由于物质的活化程度和迁移能力的差异,形成了具一定规律的分带性。

第四,平面上的变化,褶皱变形对矿体的改造在平面上使矿体也随着出现厚度、产状的变化。

2)韧性剪切改造。张瑞华[9]在研究歪头山铁矿时,发现从褶皱不同部位铁矿体的厚度来看,各部位矿体厚度不均匀,甚至尖灭。这除了褶皱本身的影响外,韧性剪切作用占了主导地位。进而认为该区不仅褶皱改造了已有矿床,而且褶皱可以演变到韧性剪切带,韧性剪切带晚期的韧脆性变形更加大了矿体运移幅度,韧性变形形成的一系列透镜状矿体,进一步发生韧脆性变形而发生拉断以及大规模迁移、错位,从而形成褶皱和韧性剪切带共同对矿床进行了改造。

3)断裂改造。断裂构造对矿体的改造主要表现在矿体空间位置的改变。

第一,剖面变化。矿体在剖面上的总体变化表现为矿体埋深加大或抬升出露地表,其中主要由正断层和逆断层的作用,造成两盘相对的上升和下降,从而使得矿体被错断,矿体的空间位置发生变化。

对于地壳浅层次埋藏不深的沉积型层状矿体来说,矿床形成后,断裂构造在浅表一般表现为脆性力学性质,因此本文不深入讨论,仅就浅表层次的断裂的安德森模式进行讨论,根据断层的应力机制,上下盘运动学关系,可以分为如下基本类型。

正断层,通常此类断层主要出于拉张构造体制下,形成地堑和地垒构造形式,以上盘相对下降、下盘相对上升为其主要特征,通常断层幅度较大,矿体被错断。正断层作用通常使得矿体在埋深上加大或减小,因此在矿体产状弄清后,厘清断层面的倾角和断层错动的位移,就可以推测出矿体的三维空间位置。此外对于阶梯状正断层,应详细分析的阶梯状断层的规律、位移大小和方向,才能做出正确的推断。在断层产状转折点,形成局部矿体富集。

逆断层,通常此类断层形成于挤压体制下,上盘相对上升,下盘相对下降。逆断层比较发育的地区通常形成一系列的逆断层,在剖面上表现为逆冲推覆构造,造成矿体在多个部位被错断,因此要详细研究区域断裂分布的格架,厘清断层运动的倾角和断层的位移距离,弄清断层发育的序列,从而弄清矿体被错断的具体部位和错断距离,推断出矿体在改造后的空间位置,为勘探提供依据。

走滑断层,走滑断层最显著特点表现为两盘水平错动,矿体被水平错动,因此一般在弄清矿体产状后,测定走滑运动的方向和错动位移,就可以确定矿体的具体分布。

第二,滑动面上的变化。在逆断层作用上,由于挤压应力使断层面形成一定的开放孔隙空间,成矿物质受到应力驱动由高应力区向低应力区转移,从而在断层面或层面上呈现矿体局部膨大和缩小的现象。

第三,平面变化。矿体在平面上的总体变化表现为矿体被各种不同大小级别的断裂所切割,使得矿体形态及其不规则,因此要详细分析断裂活动的顺序和断距、断层面的产状,结合矿体的产状得出矿体在三维空间的分布。

第四,复杂的改造形态。在原先矿体被褶皱基础上,矿体又经历断裂改造使矿体产状和空间位置变化复杂。

在褶皱变形叠加后期断裂改造过程中,褶皱核部和断裂产状变化、断裂迹线转弯、断裂性质发生改变处,形成开放扩张的空间,为一低应力区,在从而使得成矿物质发生物理和化学的迁移,在拉张开放空间矿体厚度加大,在挤压紧缩地段厚度剧减,形成局部高度富集矿体。同时由于断层错断,矿体在延伸方向上错位或者尖灭。

对于沉积变质型铁矿而言,其初始形成时代为太古代和元古代,后来发生强烈的构造运动,地壳造成地壳改造,初始矿床受到变质作用和构造变形的叠加作用,矿床或被富集,或改型,或埋深加大,或抬升剥蚀,形成现今所见的复杂的三维空间几何形态[10]。

5 总结

沉积变质改造型铁矿其成矿过程经历了一系列复杂的过程[11],其初始沉积成矿作用一般发生在太古代和元古代,主要与拉张构造体制下的海底火山喷发-热液喷流作用相关,经长期运移形成初始沉积型层状矿床,之后经历长期而广泛的区域变质作用,使得初始矿床的成矿物质发生物理转移和化学变化,矿床重新组合,形成富集型矿床。一般区域变质作用使矿床富集的同时,也发生矿体的构造动力迁移和构造改造,矿体发生几何形态改变,三维空间位置改变,矿床的规模和储量发生改变。因此应细致分析沉积—变质—改造的全部过程,弄清三种过程的作用规律,从定性和半定量方面加以全面分析,从而更加全面认识一个矿床的形成史。

[1] 李志红.辽宁省鞍山-本溪地区条带状含铁建造的Fe同位素地球化学研究[D].[博士论文]中国地质科学院,2007.

[2] 姚凤良,孙丰月.矿床学教程 [M].北京:地质出版社,2006.

[3] 张明,苏俊亮,王国峰,等.津巴布韦绿岩带中构造型铁矿成矿特征 [J].资源调查与环境,2009,30(1).

[4] 冯本智,杨天奇.变质成矿作用和变质铁矿床 [C].地质部铁矿地质培训班,我国主要类型铁矿地质理论及研究方法 [M].北京:地质出版社,1980.

[5] 黎爱国,王艳平,刘伟.“鞍山式”铁矿富矿的成因 [J].辽宁科技大学学报,2008,31(5).

[6] 刘洪波.鞍山式铁矿的地球化学自组织作用 [J].东北大学学报,1994,15(5).

[7] 周世泰.鞍山-本溪地区条带状铁矿地质 [M].北京:地质出版社,1994.

[8] 翟裕生,林新多,主编.矿田构造学 [M].北京:地质出版社,1993.

[9] 张瑞华,王守伦.本溪歪头山铁矿控矿构造的新认识韧性剪切带的控矿作用 [J].地质找矿论丛,1994,9(4).

[10] 汪国栋,宋雄.中国铁矿成矿地质特征和资源潜力 [J].地质找矿论丛,1996,11(4).

[11] 翟裕生,等.古陆边缘成矿系统 [M].北京:地质出版社,2002.