江西新余式铁矿田变质作用基本特征❋

王晓颖,周建廷,李 婷

(江西省地质矿产勘查开发局赣西地质调查大队,南昌 330030)

分布在江西省中部的新余式沉积变质磁铁石英岩型铁矿,自上世纪五十年代经航磁测量发现以后,历经半个多世纪的地质勘查工作,现已查明其为江西省具有重要资源潜力的铁矿田,经济价值极为可观。以往的大规模地质勘查工作,主要在矿田地层划分、构造特征、矿层赋存形态与矿石类型及其变化等方面获得了勘查成果和认识;总结的成矿规律为进一步扩大找矿范围,拓展第二空间深部找矿提供了可借鉴的经验。本文着重对以往勘查中涉及较少的铁矿床变质作用特征进行探讨,以从多方面丰富和深化对其成矿特征的认识。

1 区域构造地质背景

新余式铁矿田地处华南东部加里东造山带罗霄—武夷隆起北缘武功山前缘逆冲推覆带。西起萍乡,经宜春、新余、安福、峡江,东至吉水一带,断续延长达100余千米。含铁层位为中南华世杨家桥群下坊组,下伏地层为早南华世杨家桥群上施组、青白口纪潭头群库里组、神山组;上覆地层为晚南华世大沙江组、震旦纪乐昌峡群坝里组、老虎塘组及寒武纪八村群,共同构成华南裂陷海槽巨厚的海相复理石沉积。经历加里东期的强烈造山活动,在与晋宁期造山形成的扬子板块陆缘对接过程中,沿逆冲推覆拼贴带产生强烈褶皱变形和绿片岩相- 低角闪岩相变质,以及武功山复式花岗岩体的侵入[1],构成钦杭结合带东段南侧武功山变质岩带[2]。含矿层段分布、区域变质岩带及其变质作用是赋存于下坊组中磁铁石英岩型变质铁矿成矿的主要控制因素。

2 矿田含铁岩系变形特征

区域构造变形变质岩带表现为多期次、多方向、多型式的叠加褶皱:早期表现为深成流褶皱,晚期形成浅表开阔褶皱,是造山过程中受不同变形期构造应力作用,岩层在深埋条件下遭受变形,岩矿颗粒的粒内、粒间运动或塑性流动变形的结果,同时也控制了铁矿层的空间形态、贫富变化和展布。矿田东段的矿集区,依据其变形演化关系,划分四期褶皱变形[3](图1)。

第一期(F1):受近水平挤压作用,以层理(S0)为变形面,形成走向北东东,轴面北倾,南翼倒转的近平卧大型同斜褶皱及早期片理(S1),形成北部新余神山倒转背形和南部里坑复式向形褶曲。

图1 江西新余式铁矿田东段地质构造图(据文献[3]修编)Fig.1 Geological structural map of the eastern segment of Xinyu t ype iron ore field, Jiangxi Province

第二期(F2):受F1的制约,以层面及S1 为变形面,在北东东-南西西向水平挤压作用下,由于塑性流动而产生强烈韧性推覆剪切,形成北北西向不同规模的复杂褶皱叠加,以形态各异、简繁更叠的各种不协调背形、向形褶曲最为特征(图2)。层内存在锥状—剑鞘状、舌状—饼状鞘褶皱,发育由千糜状、片状矿物构成规模不等的剪切滑动面。

第三期(F3):以F2轴面构造为变形面,形成北北西轴向小型被动滑褶皱。常出现“单闭合钩状”褶皱,在F2上叠加。

第四期(F4):在前期褶皱基础上,形成轴向呈北东向,枢纽向南西倾状,呈左形侧列式展布,显示柔性减弱、固结增高而形成简单开阔褶皱和穹形隆起。

3 含铁岩段变质岩石特征

新余式铁矿层赋存于南华系中部下坊组内,原始定义为底部深灰色含砾凝灰质砂岩;下部含砾凝灰质片岩;中部条带状磁铁石英片岩、磁铁石英岩等;上部炭质绢云千枚岩。总厚度144.5 m。含铁岩段指下坊组中部浅变质岩组成的层段,自下至上的层序为:①含磁铁石榴二云石英片岩;②具粒状变晶结构和条带状构造的磁铁石英岩;③绿泥石磁铁石英片岩;④绿泥石(堇青石)石英片岩;⑤金云母白云母石英片岩;⑥透闪透辉石岩(钙镁质岩变质而成);⑦含黄铁矿白云母金云母石英片岩。

含铁岩段原岩由粉砂—粘土质岩为主夹铁质、钙镁质岩类构成,岩石化学成分如表1所示。海侵期含铁岩段有由粘土、硅铁、细碎屑沉积逐渐向化学沉积阶段转变的特征,反映岩石化学成熟度指数Al2O3 /(Na2O+K2O)比值为 2.25～8.33,平均4.14,指示沉积物接近源区,成熟度较低,沉积环境较稳定,且分异现象明显。含铁岩段沉积时受海平面不断升高的影响,除含铁矿物由氧化物过渡为硫化物外,岩石成分表明还曾有过含Ca、Mg、M n质的短暂沉积期。

含铁岩段的主要岩石稀土元素含量及参数如表2所示,稀土元素总量(∑ REE)较高,为(226.2～333.82)×10-6,平均值为275.37× 10-6,稀土配分曲线呈左高右低的轻稀土富集型,轻稀土分镏程度高, (La/Sm)N为3.89～4.93,重稀土分镏程度稍低,(Gd/Yb)N为1.28～1.66,δEu均小于0.7,铕亏损明显,表明原岩沉积时,海盆可能处于构造活动频繁的欠稳定大陆边缘环境。

含铁岩段岩类与含铁矿物相序存在演变的相关性(表3)。原始含铁岩段沉积过程中,受海盆振荡、海水逐渐加深等因素控制,铁矿形成主要受介质的p H、Eh 条件支配。镜铁矿形成于pH值较低的浅水氧化环境;磁铁矿形成于p H值增高的半氧化环境;菱铁矿形成于少游离氧的初始还原环境;黄铁矿形成于基本无游离氧的还原环境。在适当的p H值范围内,当 Eh 值较高时沉积铁的氧化物,随着 Eh值的减小,逐渐为含铁的碳酸盐和硫化物所取代,形成含铁矿物分带相序[4]。含铁岩段经变质作用形成的矿物平衡共生组合为:1 Ser+Chl+Sps+Mt+Qtz;2 Ser+Sps+M t+Qtz+(Bt);3 M s+Cal(Dol)+Qtz;4 Ser+Chl+Qtz+(Bt);5 Ab+Qtz;6 Chl+M t+Qtz;7 Ser+Sps+Qtz+(M t);8 Ser(Ms)+Chl+Cal+Qtz+(Pl);9 Ser(M s)+Chl+M t+Qtz+(Pl);10 Chl+Cal+Mt+Qtz+(Ms);11 Chl+Cal+Sps+M t+Qtz+(Ms);12 Chl+Cal+Sps+M t+Ms+Qtz。

图2 新余式铁矿田良山铁矿区(部分)地质略图及78线剖面图(据①赣西地质调查大队,江西省新余市良山铁矿区中深部接替资源勘查启示,2010。综合编制)Fig.2 Geological sketch and section of NO.78 prospecting line of Liangshan iron deposit of Xinyu type ore field

表1 新余式铁矿田含铁岩段岩石化学成分(% )Table 1 Chemical compositions of the ore-bearing members in Xinyu type iron ore field(% )

(Ab-钠长石;Bt-黑云母;Chl-绿泥石;Cal-方解石;Dol-白云石;Mt-磁铁矿;Ms-白云母;Pl-斜长石;Qtz-石英;Ser-绢云母;Sps-锰铝榴石)

表2 新余式铁矿田含铁岩段岩石稀土元素含量及其参数(10- 6)Table 2 REE contents and parameters of the iron-bearing members in Xinyu type iron ore field(10- 6)

表3 新余式铁矿田含铁岩段铁矿物相序表(10- 6)Table 3 Iron mineral phase sequences of the iron-bearing members in Xinyu type iron ore field(10- 6)

根据泥质岩中特征变质矿物,可划分为绢云母—绿泥石带和黑云母带。绢云母—绿泥石带的典型变质矿物组合为:Ser+Chl+Ab+Qtz。黑云母带的典型变质矿物组合为:Ser+Sps+Bt+M t+Qtz。黑云母出现的可能变质反应为:6绢云母+3绿泥石→6黑云母+3富铝镁绿泥石+14石英+8H2O。

4 含铁岩系变形与变质作用的相关性

新余式铁矿田的岩层,在造山期受构造应力场、地热流场作用和控制下产生变形,构成复杂的共存关系。

第一期褶皱变形,主要受水平挤压作用驱动,形成简单弯褶皱,随区域构造应力场的持续挤压,形成紧密同斜褶皱和层内褶皱,产生早期片理,形成Ser+Chl+Ab+Qtz为主的绿片岩相(绿泥石带)变质矿物组合。

第二期褶皱变形,受局部构造应力急剧增强而产生的增温效应,致使含铁岩段和含铁层呈半塑性—塑性流动状态,伴随较强的顺层韧性剪切变形,产生多种形态的次级褶皱(图3),伴随新生黑云母(金云母)、锰铝榴石、斜长石、黄铁矿等变质矿物组合,形成增温的进变质绿片岩相(黑云母带),其变质反应为:绢云母+绿泥石+石英→锰铝榴石+黑云母+H2O 或黑硬绿泥石+多硅白云母→黑云母+绿泥石+石英+H2O。

含铁岩段岩石化学成分(表1)表明,经增温变质反应,富含Mg 质的泥质岩类,形成富含金云母(富Mg云母类)白云母片岩;白云岩因Ca、Mg与带入的Si、H2O结合而形成透闪透辉石岩;原岩富Al和Fe、M n较高,形成锰铝榴石、堇青石;大量Si形成石英;K与Fe组成黑云母和与Si结合形成斜长石;Ca与Ti组成榍石;P与Ca结合形成磷灰石,在绿泥石带基础上,新生成大量变质矿物并共生,构成渐进变质的黑云母带。

第三期褶皱变形,由于构造变形、变质温度、变质压力逐渐下降,塑性流动被剪切滑劈作用所代替,开始由塑性变形向脆性变形发展,主要形成相似型滑动褶皱,局部由剪切挤压所导致的拉张部位,由压1-含磁铁矿绢云母千枚岩;2-含磁铁矿黑云母石英片岩;3-铁矿层;4-绿泥石英千枚岩;5-透闪石透辉石岩;6-含黄铁矿绢云母石英千枚岩溶石英及云母等矿物充填。期后可能开始产生较普遍的退变质,有黑云母、石榴石的绿泥石化,绿泥石变斑晶中残留黑云母结晶时Ti沉淀所形成的金红石针状晶体等。

图3 新余式铁矿田良山铁矿区铁矿层褶皱形态剖面图[3]Fig.3 Profile show ing fold shapes of iron layers in Liangshan,iron doposit of Xinyu type ore field

第四期褶皱变形,受造山后期区域构造应力、地热流值降低,岩石固结程度增强,形成简单弯褶和膝折带。矿田中变质岩系存在的硬绿泥石,认为是在封闭系统内,浅表褶皱过程中层间错动摩擦产生较强压应力和热量所形成的重结晶变质矿物[6]。

5 新余式铁矿形成过程

新余式铁矿含铁岩系的原岩为一套浅海相砂质、粉砂质、粘土质、碳酸盐类夹含炭质沉积建造,初始含铁岩层主要在江南古陆块晋宁期造山后,经剥蚀准平原化,含铁地质体(晋宁期花岗岩、古火山岩等)受强烈风化作用,铁质经水解后,呈微粒悬浮状态,与粘土物质混合后转入近地表水中,以淋蚀作用形成溶液,被运移至邻近海域,在海底频繁震荡的环境下,形成含低铁锰质的海湾沉积。

火山喷气—热液形成的部分铁质直接进入水体,造成海盆水体酸化,与陆源区迁入的水体相混,由于浓度、氧化还原电位及酸碱度的差异,平衡条件被破坏,硅质、粘土质和铁质分离,铁的化合物溶解度减小,有利于铁硅物质在溶解能力较强的酸性水体中析离沉淀。硅以胶体形式沉淀;铁以高价Fe(O H)3和含水的Fe2+和Fe3+胶团等形式构成,由于受沉淀环境制约依次组成硅酸盐、碳酸盐、硫化物的含铁矿物相序组合。铁与硅胶基本可以同时沉淀,但也并非严格同时(实验证明硅凝胶在水体中比铁沉淀速度慢),还受海底振荡和水体(溶液)中硅铁周期性补给量影响,造成硅、铁相间的黑白条带状铁矿层①江西省地质矿产局,江西省区域矿产总结,1989(内部出版)。。

随沉积作用演化,海盆下降,水体加深,上覆沉积物不断增加,处于快速下沉阶段,温度、压力梯度和地热增温率都较低,在成岩阶段,高价氢氧化铁脱水,逐渐转变为含水针铁矿。在造山期,由于构造应力场和地热流场的作用,产生区域变形变质,呈现多期构造变形,含铁岩段形成多种类型的紧密褶皱和层间拖褶曲等塑性变形,铁矿层和围岩普通发生“红绸舞”形叠“之”状、“叠瓦”状、“蘑菇”状等形态各异的层间褶曲,原始单层矿经折叠缩短叠加,褶皱转折端圆滑,褶而不断,转而不裂,在矿层所形成的向形顶厚褶曲部位明显加厚,如安福灯盏窝矿区矿层最厚处可达129.40 m(钻孔垂直假厚)。由于剪切扭动派生的挤压及其垂直方向的拉伸,含铁组份通过变质分熔发生分异,在拉张部位淀积富集,含铁品位可增高5～10%,矿石品位(TFe)达35～40%。

构造变形与变质作用对铁矿物相改造,铁质得到进一步富集。含铁层在区域构造应力场和地热流场作用过程中,变质水和含K、Na、Ca离子溶液的参与促使原始矿相中铁质发生系列变化。水在高温高压下可以解离,解离水维持一定氧分压,起到氧化剂作用,随氧化作用增强,将低价铁氧化形成磁铁矿。碱性溶液除能促使硅酸聚合(去硅作用),还可提高Fe2+的氧化速度和能力,较小的氧分压即可将Fe2+氧化成Fe3+。变质过程中铁质的转变还表现为针铁矿脱水变为赤铁矿;部分赤铁矿、菱铁矿转变为磁铁矿;赤铁矿、菱铁矿在温度升高、PH值增大、Eh 值降低时,形成磁铁矿②长春地质学院《全国变质图件编制与研究》论文集, 1981(内部资料)。。因此,磁铁石英岩型矿石中还残存少量赤铁矿、菱铁矿等。但变质铁矿层中磁铁矿最主要的形成方式,是原始氧化物相沉积的磁铁质胶团,经变质作用脱水、重结晶加大,并保持原始层状及矿相位置富集形成。

6 结 语

江西新余式硅铁质沉积变质型铁矿田,赋存于南华纪中期杨家桥群下坊组,分布于华南加里东造山带北缘,扬子陆块东南缘的逆冲推覆变质岩带。原始含铁岩系为活动大陆边缘裂陷海槽的复理石沉积建造,铁质主要来源于赣北晋宁期形成的古陆块区,裂陷海盆,海底火山活动提供了部分铁质。原始含铁岩段,铁矿物呈镜铁矿—磁铁矿—菱铁矿—黄铁矿相序及其变化,主要受沉积时水体深度不同所产生介质pH、Eh 的影响,受氧化至还原环境制约所致。之后,含铁岩段经造山期区域变形变质,形成强度、规模不等的四期变形与多期褶皱叠加,并伴随变质作用,其中以第二期变形变质为最,形成低温、动力绿片岩相变质,与成矿关系最为密切。褶皱叠加变形和塑性流动使矿层厚度增大或变薄甚至尖灭;变形变质作用还促使含铁矿物脱水,形成含铁矿液交代生成新矿物,含铁品位增高。主要含铁矿物转变表现为磁铁质胶团重结晶,并保持原始层状及铁矿相序部位富集,最终形成新余式磁铁石英岩沉积变质型铁矿床(田)。

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