青海开心岭二叠纪铁矿床富磁铁矿体的地质特征及成因分析

赵振明,陈守建,计文化,张更新,查显锋,张海军

(1.西安地质矿产研究所,陕西 西安 710054;2.中国科学院 青藏高原研究所,北京 100101;3.中国地质大学地球科学与资源学院,北京 100083)

开心岭地区位于青藏高原腹地北羌塘构造区,在晚古生代具有特殊的构造古地理环境,形成煤和其他多种金属矿产。该地区下二叠统开心岭群由青海石油局1957年命名,由扎日根组、诺日巴尕日保组和九十道班组三个岩石地层单位组成,以灰岩、碎屑岩、灰岩夹碎屑岩沉积为主要特征,属滨-浅海准地台型沉积,厚1730.3 m(刘广才,1993)。早二叠世开心岭的生物性质,与华南栖霞组及茅口组的生物面貌具有广泛的对比性;晚二叠世乌丽群与藏北双湖的热觉茶卡组、昌都的妥坝组同属一个含煤构造带,可直接同华南龙潭组及长兴组比较(刘广才和田琪,1993)。早二叠世诺日巴尕日保组火山岩遭受过一定程度的蚀变变质作用,地球化学特征表明其起源于正常地幔或富集地幔源区受到地壳混染,形成环境以岛弧环境为主(任二峰等,2011)。北羌塘坳陷是以华力西期开心岭-杂多隆起带为基底,经过晚三叠世昌都前陆盆地沉积、早侏罗世断陷盆地火山-沉积,于中侏罗世与索县-左贡断坳联合为一体,形成北羌塘-昌都巨型坳陷型盆地(贾建称,2008)。早-中二叠世随着玄武质、安山质岩浆的喷发,沱沱河地区发生了一次(或更多) 海底热水成矿事件(杨志明等,2008)。

近年来由于国际铁矿石价格的上涨和我国对铁矿石需求的增加,在我国境内寻找富铁矿床已经成为找矿和科研的重要工作。青藏高原腹地开心岭高海拔地区,高品位富磁铁矿的开采,作为该地区主要的金属矿产之一,所揭示的大量矿床地质信息,为研究工作提供了重要依据。本文拟从地层与古地理环境出发,结合野外的实际工作和地表矿体的地质特征,以及采集样品的检测分析结果,重点对开心岭铁矿床中富磁铁矿体的物质来源和形成机制作以探讨,为下一步的找矿工作和深部的勘探工作提供依据。

1 矿区地质特征

开心岭铁矿床位于青藏高原沱沱河南,唐古拉山镇沿109国道向南约10 km处(图1)。在大地构造位置上属晚古生代羌塘陆块内的开心岭-乌丽岛弧带,成矿区属三江北成矿带西段的扎多-开心岭铁多金属带。青海省地质矿产局(1997)将开心岭群的扎日根组时代厘定为晚石炭世-早二叠世,根据二叠纪三分标准并结合新的地质工作成果,矿区主要地层划分见图1和表1,即晚石炭世-中二叠世的开心岭群,晚二叠世的乌丽群和晚三叠世的结扎群。

开心岭群的扎日根组为灰白-深灰色碳酸盐岩,诺日巴尕日保组为杂色碎屑岩夹泥岩、灰岩及不稳定火山岩,九十道班组为灰-深灰色碳酸盐岩夹少许碎屑岩。三个地层组的正层型剖面为诺日巴纳保剖面(E92°21′,N34°04′)(图1),厚度分别为大于349.69 m、大于1112.77 m、338.57 m。从野外实测的区域地质剖面和岩石组合来看,开心岭群主体为海相环境;乌丽群则进入海陆过渡相,出现煤层,古生物研究也确定乌里群为晚二叠世海陆交互相含煤岩系(廖卓庭和徐均涛,2002),结扎群主体为陆相,以陆源碎屑岩为主。磁铁矿体产于开心岭群诺日巴尕日保组的火山岩地层中。在构造方面,该地区总体为一个大的向斜,核部为结扎群波里拉组的碎屑岩。煤矿和铁矿所在的南部地区存在两个小的背斜和两个小的向斜,煤矿层和铁矿层被后期构造强烈改变,局部被断层错断。

图1 开心岭铁矿区域地质和交通图(根据1:25万沱沱河幅地质图,李洪普等(2012)和实际资料编绘)Fig.1 The geological map of the Kaixinling iron deposit

表1 开心岭地区主要地层单元及沉积环境Table1 The main stratum units and sediment environments in the Kaixinling Area

该地区自发现煤层以来,之后又发现了多个磁铁矿矿点、铜矿点和锌矿点。青藏铁路开通后,相关单位在该地区进行了探槽施工和钻探工作,煤矿和磁铁矿现在进行了小规模的开采。开心岭铁矿床主要由Fe1、Fe2、Fe4及CZ299-1-2四个矿段组成(图1),2007～2009年开展的铁矿勘查工作,在Fe1矿段圈出3条铁矿体,Fe2矿段(施工1个钻孔ZK1)圈出4条铁矿体,Fe4矿段(施工3个钻孔ZK2、ZK3、ZK3)圈出1条铁矿体和4条锌矿体,CZ299-1-2矿段内有1条铁矿体和1条锌矿体。对9 条铁矿体估算出333＋334铁矿石资源量383.05×104t(王贤孝等,2011;李洪普等,2012)。

国道西侧的第一和第二矿段（Fe1、Fe2矿段）,矿石以致密块状、浸染状或层状(条带状)磁铁矿型矿石为主,另有少量角砾状矿石;东侧矿石以赤铁矿为主,含有少量磁铁矿、褐铁矿,呈火山角砾状的胶结物状或以铁矿化沉积凝灰岩产出。铁矿石矿物主要为赤铁矿、磁铁矿、针铁矿、钛铁矿,脉石、蚀变矿物主要为绿泥石、绿帘石、方解石、长石、石英、绢云母等。

区域上安山岩建造为主要含矿层,矿体赋存于安山岩、安山质火山角砾岩和含铁粉砂岩中。此外,玄武岩、辉绿岩、闪长岩和沉积凝灰岩也含铁。矿体呈透镜状、长条状等,走向北西-南东,倾向北东,倾角约40°,断层附近倾角较大,矿区小背斜南侧倾向南偏西。

本文研究区位于第一矿段,矿体围岩为火山岩和灰岩,矿体的走向与地层一致。含矿地层,西北-东南方向延伸超过7.5 km,地表厚近2.0 km。从采坑和磁铁矿的地表露头看,矿层有 5～6层,单层向东延伸超过 1 km,向西被第四系覆盖,类型有层状和致密块状,单层最厚达16 m,最薄为1 m。从大小近10个采坑揭露的矿体的厚度、深度分析,第一矿段和第二矿段在地表下可能连在一起。据估算,至2011年9月,已开采的矿石总量约有20～30万吨或更多,其磁铁矿的储量可观,可能超过现有该地区四个矿段提交的储量。

2 样品的采集

采样剖面1(图2)为一采矿矿坑，位于开心岭煤矿西侧的低洼地带(图1上五角星),剖面位置:E92°16.45′,N34°09.33′,H4740 m。地层属开心岭群诺日巴尕日保组,其总体倾向为25°,剖面从北向南依次为①泥质灰岩;②10 m煤层;③ 14.4 m 层状磁铁矿矿层(2010815k02样品);④5 m褐红色赤铁矿矿层(2010815k01样品);⑤22 m暗绿色蚀变辉绿玢岩(2011090402样品);⑥ 16.0 m层状磁铁矿矿层(2010815k03样品);⑦灰岩,具断层。

采样剖面 2(图2)也为一采矿矿坑，位于剖面 1东南方向 1.20 km 处(图1下五角星),剖面位置:E92°16.969′,N34°08.737′,H4781 m,地层同样属诺日巴尕日保组,为第一矿段一个矿体向东南方向延伸部分。地层和矿层倾向西南,是煤层南侧一个小背斜的一翼。剖面从南向北依次为①砂岩;②赤铁矿条带近于平行,宽小于0.5 mm。2011090401为致密块状富磁铁矿石样品(图3b),深灰色,强金属光泽,标本具两条白色细脉,脉宽小于0.5 mm,强磁性。

图2 开心岭磁铁矿层实测剖面图Fig.2 The profiles of the magnetite ore beds in the Kaixinling area

3 样品的实验测试分析与结果

对采集的5块样品进行了薄片、光片和电子探针光片的磨制,并进行显微镜薄片、光片鉴定、光谱半定量检测、X射线衍射半定量检测、化学简相分析、铁矿石物相定量分析、电子探针检测、激光拉曼光谱分析及富磁铁矿样品TFe的外检分析。其中除了TFe外检分析在国土资源部西安矿产资源监督检测中心完成外，其他均在西安地质矿产研究所实验测试中心进行。层,厚5.50 m;③辉绿玢岩,厚4.20 m;④致密块状富磁铁矿矿层,厚1.5 m (2011090401样品);⑤灰岩,未见底。

图3 开心岭富磁铁矿石照片Fig.3 The photos of the rich magnetite ores in the Kaixinling area

2010815k01 为赤铁矿样品,褐红色,土块状,无层理,比重小,转动可看到发亮矿物。2010815k02为磁铁矿样品,深黑色,细粒状,染手,金属光泽,强磁性。2010815k03为磁铁矿样品,多层产出,标本总厚 15.0 cm(图3a),深色层与浅色层相间出现,深色层厚1.0～3.5 cm,浅色层厚0.1～0.2 cm,层与层呈近平行,浅色层局部具波状,顺层局部出现气孔,截面为0.5 cm×1.0 cm,孔中具亮色疑为碳酸盐结晶物,单层细粒状,染手,金属光泽,强磁性。2011090402为蚀变辉绿玢岩样品,灰绿色,局部可见褐色,可见深色辉石,绿色绿帘石,具白色条带,

3.1 显微结构特征

对3个矿石样品和辉绿玢岩样品进行偏光显微镜鉴定,结果如下（图4）：

2010815k01 样品为赤铁矿矿石。矿石中金属矿物主要是赤铁矿,具褐铁矿化。赤铁矿集合体呈斑块状分布,斑块间为石膏充填,组成斑块状构造。局部赤铁矿可见板状、集合体呈斑块状不均匀分布于矿石中,含量约 20%～30%。脉石主要为石膏,呈板状,其集合体分布于赤铁矿的斑块间和间隙内。镜下石膏呈无色,受氧化铁混染呈黄褐色,干涉色为较低的黄白-灰色,折射率大于树胶,表明是向硬石膏过渡的中间种属(即部分脱水的石膏),含量约为 50%～60%。其他脉石,有呈星散状产出的石英(含量约 5%左右)和小鳞片状的黏土矿物,含量约 5%左右。除此之外，可见重晶石板状晶体产于赤铁矿的斑块中,及少量的碳酸盐矿物和黏土矿物伴生。

2010815k02 样品为磁铁矿矿石。具条带状构造,由浸染状和致密状的相间平行条带组成,常呈致密状条带横穿浸染条带(矿石磁性强,金属矿物主要是磁铁矿),说明矿石可能有富化的作用。矿石中主要金属矿物为磁铁矿等,含量约为 85%;脉石主要为石英,含量约为 15%,以填隙为主产出,局部可见脉状。此外,局部可见有细脉状的长石和角闪石。

2010815k03 样品为磁铁矿矿石。该矿石与2010815k02样品相似,具有浸染带和致密状条带平行相间组成条带状构造,和致密条带横穿浸染条带的现象。金属矿物主要为磁铁矿(标本有强磁性),据 X衍射分析含有少量赤铁矿,金属矿物含量约85%;脉石以石英为主,含量约为 15%,充填于金属矿物间隙中,局部出现少量角闪石、斜长石等。

2011090402 样品为蚀变辉绿玢岩。斑状结构,致密块状构造。斑晶主要为斜长石(已蚀变为绿帘石、黝帘石、绢云母),保留有长石的自形-半自形外形轮廓。颗粒大小主要在0.5～1.0 mm之间,少量＞1.0 mm;其次为单斜辉石(蚀变为绿泥石和帘石,局部伴随有磁铁矿)。基质粒度细小,一般＜0.2 mm(据蚀变矿物推测),成分与斑晶相同(也由斜长石和单斜辉石组成),已蚀变为绿帘石、黝帘石、绿泥石、绢云母。磁铁矿为副矿物和蚀变析出物,呈星散状分布,常与蚀变暗色矿物相伴。葡萄石呈脉状沿裂隙充填,是岩浆后期热液活动产物。岩石遭受风化铁染,薄片中常见褐铁矿染现象(其成分为褐铁矿、黏土质和杂质。薄片中不透明黑色部分),表明岩石含铁质较高。

3.2 光谱半定量检测分析、X射线衍射分析

对4个矿石样品和1个围岩样品,进行光谱半定量检测分析,结果见表2。结果显示除 Fe外,含Cu、Ni、V、Zn、Ti等,5个样品 V最高为 0.03%,换算为V2O5为0.05%,达不到边界品位0.1%。Ti最高为 0.8%,换算为 TiO2为 1.33%,达到边界品位1.0%。

用D/max-2500X射线对标本样品进行分析,结果见表3。2010815k01样品,赤铁矿为 26%,石膏59%,石英6%,伊利石4%,蒙脱石3%,重晶石1%,未检出1%;2010815k02样品,磁铁矿95%,赤铁矿3%,未检出2%;2010815k03样品,磁铁矿87%,赤铁矿为4%,石英3%,石墨2%,角闪石3%,未检出1%。分析结果表明，在 2010815k03样品检测出染手矿物石墨,这是与矿床成因有关的重要矿物之一。

为了进一步了解石墨,用化学分析的副样对2010815k02、2010815k03、2011090401和2011090402四个样品,进行X衍射检测分析(表3)。结果为,前两个样品除其他矿物,石墨<1%。2011090401样品,磁铁矿 76%,赤铁矿为 18%,石英 5%,未检出 1%;2011090402样品,石英 12%,斜长石57%,绿泥石18%,绿帘石10%,方解石1%,未检出2%。从结果来看,2010815k02磁铁矿样品可能同样含石墨。

表2 光谱半定量检测分析结果(%)Table2 The results of semiquantitative spectrometric analysis(%)

图4 赤铁矿和磁铁矿与蚀变辉绿玢岩薄片显微镜鉴定结果照片Fig.4 The microscopical photos of the hematite,magnetite and altered allgovite

表3 X射线衍射分析结果(%)Table3 Results of X-ray diffraction analysis(%)

3.3 化学分析

为了确定样品中Fe、Mn、TiO2的含量,对样品进行了化学简项分析。TFe采用容量法;Mn采用全谱直读离子体光谱仪ICP;TiO2采用分光光度法(比色法)。

分析五个样品中,TFe分别为22.20%、66.30%、64.00%、63.87%、7.98%(表4)。Mn在 2010815k01样品无检出,在 2010815k02和2010815k03样品含量为0.17%,TiO2在2011090401和2011090402两个样品为0.03%、0.88%,没有达到边界品位。上述检测结果结合野外实际产出情况,说明磁铁矿矿石中的钒、钛含量较低达不到钒、钛磁铁矿的标准。对2010815k02、2010815k03和2011090401三个样品命名为富磁铁矿石,所代表的地质体为富磁铁矿体。

在图4显微镜照片中,2010815k02、2010815k03磁铁矿样品局部出现深色条带磁铁矿与浅色条带石英相间,大多区域主要为深色的磁铁矿条带(图3a)。在浅色条带中,主要矿物石英、角闪石和方解石同样含铁。成分纯净的石英可能含有磁铁矿、赤铁矿和针铁矿微包裹体,角闪石和方解石也可能含有一定比例的 Fe元素(北京大学地质系岩矿教研室,1979),对全铁有贡献。

为了验证三个富磁铁矿石样品全铁化学分析的准确性,将三个样品的副样送至国土资源部西安矿产资源监督检测中心用重铬酸钾容量法进行外检。外检结果显示:三个样品外检化学分析结果与西安地质矿产研究所实验测试中心化学分析结果误差分别为:0.45%、0.25%、0.17%(表4),在误差允许的范围内,证实原化学分析结果可靠。

表4 矿石和围岩化学分析结果(%)Table4 Ore metal contents of the ores and the allgovite(%)

3.4 铁矿石物相分析

对铁矿石(含辉绿玢岩)进行物相分析,分析流程为,取0.5 g的试样磁选分离,磁性部分为磁铁矿和磁黄铁矿,即mFe部分。非磁性部分用2 mol/L乙酸,水浴浸取1～2 h,过滤,溶液为菱铁矿。残渣用4 mol/L HCl、3% SnCl2,水浴浸取2 h,过滤,溶液为赤铁矿和褐铁矿。残渣用王水分解,过滤,溶液为黄铁矿。残渣为硅酸铁。然后,对5个样品进行化学分析,与原化学分析结果对比,误差为分别为0.04%、0.04%、0.06%、0.02%和0.02%,结果见表5。

综合 2011090402辉绿玢岩光片鉴定(图4)、X射线衍射分析(表3)、化学分析 (表4)和物相分析结果,在表5中1.04%的mFe疑为磁铁矿,说明磁铁矿体附近的辉绿玢岩,全铁含量高且具有一定量的磁铁矿矿物。

表5 铁矿石物相分析结果(%)Table5 The phase analysis results of the iron ores(%)

3.5 富磁铁矿矿石2010815K03样品电子探针检测

为了确定代表矿物的结构和形态,对富磁铁矿矿石2010815K03样品进行探针分析,实验在西安地质矿产研究所实验测试中心电子探针检测实验室JEOL JXA-8230仪器上进行。背散射图像见图5,检测结果见表6。

对磁铁矿矿石中6种重要矿物方解石、氟磷灰石、磁铁矿、石英、普通辉石、方铅矿进行了定量分析。在图5中,图5a,b为方解石,在磁铁矿晶体的层与层之间,结合薄片照片(图4),手标本中的浅色层或浅色条带为方解石、石英、角闪石等(图3a);图5c为氟磷灰石,自形程度低,六边形不完整,在磁铁矿晶体之间空隙生长;在图5a方解石的所在层位的上下位置,磁铁矿自形程度高,为四边形,拟为八面体的一个截面,图5d为磁铁矿晶体的环带,可能反映了晶体继续生长加大的过程;图5e为石英,自形程度低,同样在磁铁矿晶体之间空隙生长;图5f,g为普通辉石,普通辉石作为岩浆岩中最常见的辉石种类,见于基性岩、超基性岩和结晶岩中(北京大学地质系岩矿教研室,1979);图5h为方铅矿，在磁铁矿晶体颗粒之间,可能在磁铁矿晶体结晶之后结晶。

4 石墨的激光拉曼和电子探针检测分析

4.1 样品来源和实验条件

X衍射分析发现富磁铁矿石2010815k02、2010815k03含石墨,为了确定该矿石确实含石墨,对样品进行激光拉曼光谱分析。激光拉曼光谱分析的样品来自化学分析的粉末样品,实验在西安地质矿产研究所实验测试中心激光拉曼探针仪Renishaw invia上进行。试样样品数量 10个(本文样品7个)。

4.2 激光拉曼检测结果

实验检测结果见表7。7个激光拉曼检测点中包括2010815k01赤铁矿样品2个检测点,1个赤铁矿点,1个针铁矿含磁铁矿点;2010815k02、2010815k03磁铁矿样品,分别检测到标准的磁铁矿,在送检的样品中未发现石墨,但这并不否定上文 X衍射分析的准确性;在 2011090401磁铁矿样品中,检测到针铁矿含磁铁矿和石墨;在2011090402辉绿玢岩样品中,检测到钠长石含石墨,石墨含钠长石的两个点。

表6 开心岭磁铁矿2010815k03样品电子探针测试结果Table6 The EMPA results of the magnetites in sample 2010815k03 from the Kaixinling area

图5 开心岭磁铁矿2010815k03样品电子探针背散射图像Fig.5 Backscattering images of the magnetites in sample 2010815k03 from the Kaixinling area

表7 激光拉曼检测结果Table7 The results of Laser-Raman spectrum

图6 2011090402样品辉绿玢岩激光拉曼探针检测发现石墨照片(照片中心)Fig.6 The graphites in the altered allgovite by Laser-Raman spectrum

4.3 石墨在磁铁矿和围岩样品中的确认

在2011090401和2011090402样品中发现石墨(图6),图6a中心是2011090402样品的0009检测点,图6b中心是0010检测点,检测点代表范围为1 μm,前者是钠长石含石墨,后者是石墨含钠长石。这两个检测点和2011090401样品的0008检测点的波谱曲线图见图7。

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在波谱曲线图中,图7a中 666位移为磁铁矿,小于500位移的220、291、407,以及1349为针铁矿的位移,石墨的特征双峰为1349和1603,由于受针铁矿 1349位移的叠加,使得石墨在纵轴(Conuts记数)同高的特征双峰的左峰变高。图7b左半部分为钠长石,右半部分为石墨的特征双峰,检测点钠长石多于石墨,实验结果:钠长石,含石墨;图7c与图7b相反,石墨的特征双峰在纵轴高于钠长石,实验结果:石墨,含钠长石。

4.4 两种主要富磁铁矿石中石墨单矿物电子探针分析

为了证实石墨单矿物的存在及其矿物结构和形态，对样品进行电子探针分析。实验在西安地质矿产研究所实验测试中心电子探针检测实验室进行。本次分析的两个样品为 2010815k03层状磁铁矿石电子探针光片和2011090401致密块状磁铁矿石电子探针光片。实验室专门对两个光片中石墨单矿物进行寻找并确认。COMPO背散射图像,SEI二次电子图像(形貌)照片见图8,数据见表8。

把 2010815k03样品放大到 1000倍,在磁铁矿颗粒的边部发现石墨,此外还发现绿泥石,印证了X衍射分析;2011090401样品放大到400倍发现石墨,其周围除磁铁矿外,还有磷灰石、石英、白云石和方解石。因此,可以肯定2011090401样品标本中，上文提到的白色细脉为碳酸盐岩。由于电子探针检测时给光片表面喷镀的碳膜为微米级的细粉,所以不可能形成图8照片的大小和形态。

从这些矿物的组合分析,石墨的形成可能是变质或蚀变作用形成。其形成过程中,包括磁铁矿的形成可能发生过一定的化学反应。两种特征型富磁铁矿石中既有岩浆的成分,又具有灰岩的成分,形成位置可能为灰岩与火成岩的接触带。综合野外磁铁矿石染手现象和室内分析测试结果,石墨真实存在于开心岭铁矿床富磁铁矿石和围岩中。

图7 开心岭磁铁矿矿石和围岩样品激光拉曼光谱分析波谱图Fig.7 The Laser-Raman spectrum results of the magnetite ore and the wall rock in the Kaixinling area

表8 开心岭富磁铁矿电子探针测试结果Table8 The electron probe results of the rich magnetite ores in the Kaixinling area

图8 开心岭富磁铁矿样品电子探针图像Fig.8 The electron probe scanning images of the rich magnetite ores in the Kaixinling area

5 成因讨论

5.1 国内外研究概况

磁铁矿(Fe3O4)通过地质、生物或化学过程在缺氧条件下形成(Coker et al.,2007):①岩浆结晶分异作用,如安徽安庆铜铁矿床中的磁铁矿带(范良伍等,2008),攀枝花岩浆型钒钛磁铁矿矿床(龚荣洲等,2000)。②热液蚀变作用、沉积变质作用,如辽宁凤城翁泉沟硼铁矿床中的磁铁矿的成矿过程包括了沉积变质和后期热液蚀变作用(王慧媛和彭晓雷,2008),河北阜平杂岩中变质新生的磁铁矿出现于变基性岩、中性岩、酸性岩和变沉积岩中(任留东等,2009)。这两种作用就是Coker et al.(2007)认为的地质过程。③生物成因作用,磁铁矿可以在生物体内自然合成(钱霞,2008),在地下及海洋沉积物中,菱铁矿(FeCO3)和磁铁矿(Fe3O4)的形成过程中,还原细菌扮演了重要的角色(Roh et al.,2003),美国中南部的俄克拉荷马州(Elmore et al.,1987),美国新泽西州Ancora地区(Schumann et al.,2008)发现源于生物的磁铁矿晶体。在中国辽宁弓长岭铁矿贫铁矿石和富铁矿石中均发现细菌(李曙光等,1983)。④化学过程,指前寒武纪条带状磁铁矿(banded iron formations,BIFs)(Klein,2005)。

在特殊的物理、化学条件和构造背景条件下形成。①在岩浆分异作用(magmatic differentiation)高级阶段,硫达到饱和状态后,响应于磁铁矿的结晶作用(Maier et al.,2003)。②在低温环境(50～300 ),℃橄榄石与水反应,产物是富 Mg的利蛇纹石(lizardite)和磁铁矿;在高温环境(400～600 ),℃生成富Mg的叶蛇纹石(antigorite),磁铁矿和氢气(Evans,2010)。③磁铁矿是一种具有重要意义地幔水化作用的副产物,在俯冲带上部,产生长波地磁异常(Blakely et al.,2005)。④在对流流体相互作用下磁铁矿的再结晶作用(Shau et al.,1993)。在具有稳定剩磁的陆地火成岩中(Hodych,1982)。⑤磁铁矿的结晶与硫酸盐有关(Liang et al.,2009;Sun et al.,2004)。

5.2 开心岭富磁铁矿与海相火山岩的关系

开心岭富磁铁矿的形成与海底(滨浅海古地理环境)岩浆喷发的事件有关。杨志明等(2008)在开心岭采集到的富磁铁矿样品,与笔者采集到的样品相同,都具有清晰沉积层理 (图3a),笔者暂时称其层状富磁铁矿石。杨志明等(2008)称其为“含铁建造”,并认为是赤铁矿、磁铁矿及硅质组分等组成的沉积物未固结时,玄武质、安山质岩浆喷发,形成以赤铁矿为主的含铁角砾岩(熔积岩)。这种海底热水成矿事件,靠近岩浆喷发中心的部位，则以 VMS(volcanogenic massive sulfide火山成因块状硫化物)型矿床的形式产出,远离岩浆喷发中心则可能以热水喷流沉积型矿床的形式产出。如果这种观点是正确的,那么,这个时期应该存在两期成矿,即沉积特征磁铁矿和角砾岩特征赤铁矿或褐铁矿。本文研究的应是第一期,而且远离海底火山口。此外,钻探工作在两个矿段（Fe2、Fe4二四矿段）铁矿层下探到锌矿体,矿物为碳酸锌、硫酸锌等(李洪普等,2012),又发现隐伏铜矿体(王贤孝等,2011),笔者在野外国道东的地层中和国道西的采坑中也见到孔雀石,这可能证明开心岭铁矿床主体为VMS型矿床,只是VMS型矿床的代表矿物黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿、闪锌矿和方铅矿等在后期热液条件下已经蚀变成氧化物或硫酸岩。

本文研究的富磁铁矿,是否类似前寒武纪的“含铁建造”？Klein (2005)对澳大利亚和非洲等地前寒武纪的条带状含铁建造研究认为,碳元素和火山灰输入与海进海退过程中(动荡环境)有关;而国内前寒武纪的条带状含铁建造,鞍山式变质硅铁建造铁矿床围岩是变质岩且石英含量高,变质碳酸盐型铁矿床围岩为大理岩、千枚岩、板岩。笔者在东昆仑地区中-新元古界万保沟群地层中发现的富磁铁矿层,标本中条带相互穿插,有别于本文研究的矿石(图3a),在 200倍的电子探针照片中磁铁矿晶体不规则且不具有明显的分层特征(赵振明等,2012),也与本文研究的特征不同(图5)。笔者认为本文研究的磁铁矿是在稳定的海水中沉积而成。

5.3 辉绿玢岩和次火山岩与富磁铁矿的关系

笔者发现在野外磁铁矿层旁侧发育蚀变辉绿玢岩。王贤孝等(2011)认为是后期构造及次火山岩浆侵入活动的破坏改造作用强烈,(造成现在)矿体在地表及深部连续稳定性差。本文研究的磁铁矿矿体附近的蚀变辉绿玢岩,化学分析TFe为7.98%(表4),原始岩浆本身就为高铁质,光片照片中的葡萄石呈脉状沿裂隙充填(图4下左正交光照片),作为热液或蚀变矿物,是岩浆后期热液活动产物的证据,可能存在磁铁矿矿物(图4下右反光照片),X衍射分析发现绿泥石和绿帘石(表3),物相分析确定各矿物mFe(磁铁矿,磁黄铁矿)1.04%,菱铁矿0.68%,赤铁矿和褐铁矿4.77%,黄铁矿0.18%,硅酸铁1.33%的含量(表5)。电子探针检测在矿石中发现标准的方铅矿(PbS)(图5h、表6),方铅矿通常出现在热液矿脉或接触交代矿床中,在(图4)中 2010815k02、2010815k03样品显微镜薄片照片中,原先平行的磁铁矿层被垂直穿透,形成像竹子一样的短节,穿透层的主要矿物为磁铁矿,少量石英等,这些磁铁矿和少量石英就来自后期的经过蚀变的岩浆和热液。一次与成矿有关的次火山岩或浅成侵入岩岩浆作用事件对成矿有贡献,可能存在第三期成矿。开心岭富磁铁矿的形成类似上文提到的,辽宁凤城翁泉沟硼铁矿床中的磁铁矿以及海南石碌以赤铁矿为主的富铁矿矿床(火山-沉积变质,后期构造-岩浆事件的改造富集作用)(王智琳等,2011)的成矿过程。

刘永成等(2010)①刘永成，王进寿，张林等.2010.《青海扎日根地区区域矿产远景评价报告》比例尺：1∶50000，I46E012010（开心岭幅），I46E012011（雅西措幅），I46E013010（通天河沿幅）.青海省地质调查院.的研究结果表明，在开心岭煤矿(中心坐标为 E92°18′25″,N34°08′00″)南侧 1.3 km 处发现一面积为 0.05 km2的小型次火山岩体(黑云母粗面岩),岩体侵入于诺日巴尕日保组的基性火山岩中,侵入的构造部位为海底火山通道口中,附近围岩为火山角砾岩、集块岩。属于火山活动后期(与火山活动有关的)岩浆分异的产物。如果这一发现资料可靠,那么,当初的火山口的位置应在第二矿段的东南侧(图1)。

5.4 石墨的确定对矿床成因的指示意义

开心岭富磁铁矿的成因有两个关键的问题:第一,海相火山沉积过程中,加热的海水与沉积下来的岩浆的化学反应(李洪普等,2012),是否是变质作用;第二,后期岩浆热液改造或蚀变,产生新矿物,例如磁铁矿或石墨,又是否是变质作用？

通过本文的研究,确定了石墨的存在。在磁铁矿石中出现石墨,即石墨-磁铁矿,Scott et al.(1981)报道其组合形成在陨石坑中,研究认为在普通的球粒陨石风化层角砾岩中发现石墨和磁铁矿晶体组合,风化层角砾岩在陨石坑之前形成,石墨-磁铁矿中发现一种新的球粒陨石碎屑岩,石墨-磁铁矿可能来源于这种新的球粒陨石碎屑岩。

国内报道,主要是辽宁弓长岭富磁铁矿床中石墨的研究。弓长岭铁矿为前寒武纪(3.1 Ga)条带状磁铁石英岩型沉积变质铁矿(李曙光等,1983),是在太古宙海盆中的热水沉积环境中化学沉淀的产物(蒋少涌等,1992)。弓长岭磁铁富矿TFe的平均品位为64.77% (与开心岭富磁铁矿品位接近),磁铁石英岩TFe的平均品位为32.15%。磁铁富矿由热液交代条带状磁铁石英岩去硅作用而形成(刘军和靳淑韵,2010)。弓长岭铁矿中的石墨是原始泥质沉积物经区域变质作用形成,在石墨存在的条件下,铁氧化物的赋存形式是磁铁矿(夏建明等,2011)。先前的研究认为,前寒武纪条带状含铁建造,是一种在缺氧的条件下的化学沉积,有火山物质的加入,很少有变质矿物(Klein,2005)。也富磁铁矿、含石墨,但时代不一致,开心岭富磁铁与弓长岭富磁铁矿床相似，开心岭富磁铁矿中矿为晚古生代二叠纪。笔者认为,开心岭富磁铁矿用单一的成因是无法解释的,应该是多成因:海相火山(岩浆作用)沉积(沉积环境、物理化学条件、沉积中的变质作用)、热液蚀变(后期的变质作用),石墨可能在这一过程中产生。同样,弓长岭型富磁铁矿床既具有原始沉积的特点,又具有热液再造的特征,含石墨富矿的原始沉积物含有相当数量的碳酸盐,该富矿是多成因的:沉积阶段、区域变质阶段和热液阶段(李曙光,1982),弓长岭铁矿磁铁富矿中的石墨是由原生沉积的菱铁矿,在强还原条件下经变质分解形成的,原始矿石可能是一种含大量菱铁矿的碳酸盐型铁矿石(李曙光等,1983)。

开心岭富磁铁矿中的石墨与弓长岭富磁铁矿中的石墨成因,具有非常相似的方面,至少可以肯定,石墨的存在证明开心岭富磁铁矿在“海相火山沉积”中存在化学反应,而这种化学反应本身就是变质作用。夏楚林等(2011)认为区域低温动力变质作用,包括开心岭群、二叠纪乌丽群、三叠纪结扎群,普遍达到低绿片岩相变质程度。

5.5 海相火山沉积过程中的变质作用

第一,沉积学方面的证据。开心岭富磁铁矿石,在野外产出上具明显层状特征,标本中深色矿物磁铁矿和浅色矿物石英、角闪石相间出现(图4)。对单层磁铁矿电子探针继续放大后(图5a,b)发现方解石,还发现石英颗粒在磁铁矿的颗粒间隙中(图5e,f)。对2010815k02样品、2010815k03样品的显微镜照片（图4）继续分析,在沉积作用之后,又有磁铁矿的层状脉或石英脉垂直穿透此前形成的层面,笔者认为这是沉积作用过程即将完成或已经完成之后的蚀变作用,这种作用在一定的物理化学条件下,由其他先前形成的矿物经过化学反应生成磁铁矿,或者先前的磁铁矿晶体继续生长加大(图5d)。

沉积变质形成粗粒磁铁矿,热液蚀变形成细粒磁铁矿和网脉状磁铁矿(王慧媛和彭晓雷,2008)。本文层状磁铁矿可能是在沉积变质过程中形成,而垂直层面的网脉状磁铁矿可能是在热液蚀变过程中形成(图5d)。笔者认为蚀变作用也应该是一种变质作用,任二峰等(2011)称为“蚀变变质作用”,这对富矿的形成极其重要。

在流体参与下的沉积变质作用,磁铁矿的形成与相对弱应变体系中特殊的流体成分造成的退变改造有关(任留东等,2008)。沉积作用发生后,要产生变质反应,必须具备一定的物理化学条件。对于变质反应过程,此前的研究认为,在有水的环境中,黑云母、角闪石的进一步深熔转化形成磁铁矿,变质反应形成的磁铁矿,关键在于是否有适量的铁组分的迁移和富集(任留东等,2009)。开心岭地区在二叠纪时期为滨浅海环境,具备发生变质反应的必要条件:有海水。尽管没有发现黑云母,但发现角闪石、绿泥石、绿帘石含铁矿物(表3,图4),因此沉积变质作用应该是存在的。此外,变质反应也可形成磁铁矿并与构造事件有关。在意大利境内西部阿尔卑斯山的超基性岩石中,磁铁矿矿床可能是铬铁矿原始矿石转化的产物(Rossetti et al.,2009),这种铬铁矿到磁铁矿的转变(交代变质作用)发生在阿尔卑斯山造山的早期。美国纽约北部东西方向的奥内达加(Onondaga)石灰石(limestone)地区,磁铁矿颗粒来源于改变和替换了的黄铁矿颗粒(framboids),区域尺度的磁化作用与流体介质事件的发生,与晚古生代构造应力发生的时间是一致的(Suk et al.,1990)。开心岭地区明显存在一次重要的构造事件,这一事件与成矿的关系还须进一步研究。

第二,磁铁矿与赤铁矿的同时出现是沉积变质过程的反映。在岩石剥露时期,赤铁矿和磁铁矿沉淀物由无水地幔橄榄岩脱氢-氧化作用产生(Hwang et al.,2008);磁铁矿发生氧化反应部分转变为磁赤铁矿是最普遍的氧化反应之一(肖波和潘永信,2006);赤铁矿晶体是来自磁铁矿的转化的直接产物(Barbosa and Lagoeiro,2010);逆化学反应也成立,在一定的物理条件下,赤铁矿转化为磁铁矿。加热改变T-fO2(温度-氧逸度)条件,导致赤铁矿-磁铁矿层中,赤铁矿的减少,磁铁矿的形成(Brownlee et al.,2010);磁铁矿和赤铁矿是沉积类型矿床中普通的矿物(Dupuis and Beaudoin,2011)。开心岭磁铁矿床,两种矿物的同时出现可能反映了沉积变质过程,磁铁矿晶体的环带构造(图5d),可能本身就反映了沉积变质过程中,晶体颗粒继续生长加大的再结晶过程(Shau et al.,1993)。

生物成因作用的必要条件在开心岭地区是具备的:①海洋沉积物中(Roh et al.,2003),开心岭地区属滨-浅海沉积环境。②磁铁矿颗粒晶体形状很好(Stolz et al.,1986)或良好(Mann et al.,1984)(图5)。③磁铁矿地区硫酸岩富集(Sakaguchi et al.,1993),本文2010815k01样品含石膏(CaSO4·2H2O)为 59%。④在缺氧或弱氧化条件的海底(Stolz et al.,1986;Lovley et al.,1987;Bazylinski et al.,1988;Karlin et al.,1987)。⑤碳酸盐地区的俯冲带(Wood et al.,1990),存在碳氢化合物(Elmore et al.,1987)。笔者在进行激光拉曼光谱分析时,实验人员发现粉末样品加热到 80 ℃时出现炭化,这方面研究需要进一步的确认,本文暂不涉及。

5.6 开心岭高品位富磁铁矿的形成

开心岭铁矿床中富磁铁矿的形成与国内其他矿床具有相似的地方。四川攀枝花钒钛磁铁矿矿床致密块状型矿体,与围岩接触关系清楚,TFe 58.72%、55.74%、55.26%,是在深部构造控制下,深部岩浆房的熔离作用与浅部岩浆房分异作用的结果(李文臣,1992)。新疆雅满苏铁矿,其TFe为28.3%～55.3%,为海底火山喷溢熔离型矿床,岩浆喷发之后保持了一段相对平静的海相沉积环境(张洪武和谢丽霞,2001)。内蒙古黑鹰山铁矿,矿床类型为火山喷发沉积热液改造型铁矿床,TFe 56.02%、62.27%、40.71%(杨冰林,2010),主要矿石TFe品位为,59.27%、59.78%、59.55%(刘金长,1997)。山东金岭铁矿床类型为接触交代矽卡岩型,矿石TFe品位为50.00%～56.65%(徐西雷等,2001)。辽宁弓长岭沉积变质铁矿(李曙光,1982)磁铁富矿TFe的平均品位为64.77%(刘军和靳淑韵,2010)。

开心岭地区的磁铁矿,通过上述大量实际资料的讨论,笔者认为在形成过程中,包含了几个重要的背景条件,①滨-浅海的构造古地理环境,即具有流体水的存在;②海底火山岩浆的喷发作用,在海底形成喷出岩和浅成侵入岩;③岩浆作用,高温的岩浆将海水加热,海底热水的循环过程改变物理化学条件,如温度-氧逸度等条件;④岩浆中的磁铁矿在海底热水沉积富集;⑤沉积后的含磁铁矿层位中非磁铁矿矿物,在特殊的物理化学条件下,按照一定化学反应过程,生成新的磁铁矿和代表性矿物石墨,同时,原先沉积的磁铁矿晶体的继续生长加大,使磁铁矿继续变富;⑥热液的持续作用,产生热液蚀变,形成新的细脉磁铁矿,石英细脉,垂直穿越先前沉积变质作用形成的磁铁矿层位,再次使磁铁矿矿物富集,这样,在矿石中磁铁矿高达 90%左右,TFe达到65%左右[90%×168/(168+64)= 65%]。

本文研究的两层磁铁矿共厚约 30 m(图2),按照向下延伸 30 m,(Fe2-2矿体经钻孔验证,向深部延伸深达250 m,李洪普等,2012),从采坑的露头看不止这一深度,水平方向延伸 2000 m(实际可能还要长),体积为 180×104m3,根据磁铁矿的比重4.9～5.2 t/m3,或铁的比重7.8 t/m3参考上述品位,初步估算,储量约为 900万吨,保守估算为 300～500万吨,部分地段锌、铜也达到工业品位。因此,该矿床在现在开采的同时,有必要继续对重要地段的深部进行适当的加密勘探,为下一步的继续开采和研究工作提供依据。

6 结 论

开心岭地区晚古生代二叠纪铁矿床富磁铁矿体位于煤层的下部层位,磁铁矿石TFe品位为66.30%、64.00%、63.87%。矿石具有层状、致密块状特征。层状矿石中具有深色矿物磁铁矿与浅色矿物石英、角闪石和方解石相间出现的薄层。致密块状矿石具有方解石、白云石和石英组成的细脉。矿体形成的古地理环境、地层、矿石和围岩特征表明,富磁铁矿的形成与海底火山沉积变质作用及后期热液蚀变作用有关,可能是在海底,在一定的构造条件下,岩浆喷发或侵入之后,由于海水的参与,来自岩浆或海底热液中的磁铁矿在海底一定的物理化学环境中沉积富集而成。

致谢:本文的野外工作得到开心岭铁矿的协助,在此表示感谢！本文作者向西安地质矿产研究所实验测试中心和国土资源部西安矿产资源监督检测中心,参与本文研究工作的所有实验测试人员和审阅本文的专家表示感谢！注:本文涉及的矿石、矿化标本,薄片、电子探针片和化学分析的副样等,笔者都已完整保存,愿无偿向国内学术界提供,以作进一步的研究。

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