山东昌邑-安丘铁成矿带BIF铁矿地球化学及矿床成因

李衣鑫,康志强,刘汉栋,王巧云

(1.桂林理工大学 地球科学学院,广西 桂林 541006;2.山东省地质调查院,济南 250013)

0 引 言

前寒武纪条带状铁建造(BIF)是指由富铁矿物(以磁铁矿为主)和脉石矿物(以石英为主)组成的条带状或条纹状构造的化学沉积岩[1-2], 在全球广泛分布于太古宙—古元古代(3.8～1.9 Ga)[3], 以2.7～2.0 Ga最为发育[1,4-5], 它是早期地壳的重要组成部分, 反映当时地质环境和地壳演化特点。 BIF根据其形成时代及含矿建造, 划分为Algoma型及Superior型[6]: Algoma型主要产于太古宙, 通常形成于岛弧、 弧后盆地或克拉通内裂谷带中, 与海底火山活动关系密切; Superio型主要产于古元古代, 一般形成于浅海环境且与沉积作用密切相关, 且其沉积规模远大于Algoma型[6-7]。 我国从20世纪50年代开始对BIF展开了系统的研究[8]。大量地质学家研究发现,我国BIF主要发育于华北克拉通边缘及其裂谷带,且多形成于新太古代—古元古代,矿石以贫矿为主,富矿较少,矿床多为Algoma型(如辽宁鞍-本地区、 河北冀东地区、 山西五台山地区)为主, 仅山西吕梁地区的袁家村铁矿定为Superior型[9-16], 但至今尚有争议。

昌邑-安丘地区是山东中部重要的铁成矿区,成因类型主要有沉积变质型(BIF)、岩浆熔离型和岩浆期后热液型[17], 岩浆期后热液型铁矿主要分布于成矿区的北部, 沉积变质型铁矿分布于中南部,岩浆熔离型铁矿零星分布于东、南部。对于昌邑-安丘地区BIF型铁矿,前人主要进行了地质特征及找矿方向、 找矿前景研究[17-22]。对成矿物质来源、矿床成因等方面研究较少。Lan等[15]研究认为, 矿床形成于2 240～2 193 Ma的古元古代粉子山群, 经历了约1 864 Ma的角闪岩相变质作用, 是古元古代形成的袁家村式铁矿; 王惠初等[23]认为昌邑-安丘地区含铁建造的形成时代为新太古代早期(～2.7 Ga), 形成于与岛弧相关的构造环境; 兰廷广等[24]认为矿床为形成于有较多碎屑物质和较少热液的大陆裂陷环境; 王金辉等[25]研究认为莲花山铁矿原岩为次岩屑砂岩,为火山岩和海水共同作用的产物。

本文以昌邑-安丘地区BIF铁矿为关注点,通过矿床地质、地球化学研究,揭示研究区古元古代BIF铁矿的地质特征,探讨该区BIF的成因和成矿物质来源。

1 区域地质背景

昌邑-安丘地区位于胶东半岛西侧的莱州西南部、昌邑东部、平度西北部、安丘东北部,在大地构造位置上属于华北板块东缘的胶北隆起西南部,西与沂沭断裂带毗邻(图1)。区域上出露的地层主要为新太古代胶东岩群、古元古代粉子山群和荆山群以及中、新生代地层。荆山群分布于东部,粉子山群分布于西部二者多以断层接触。荆山群与粉子山群为同时异相的沉积变质组合[26],荆山群岩性组合为高铝片岩、变粒岩、大理岩、含石墨岩系、片麻岩、透辉岩等,变质程度达高角闪岩相-麻粒岩相;粉子山群为区域BIF含矿岩系,主要岩性为大理岩、黑云斜长变粒岩、石榴石黑云变粒岩、透闪岩、石墨透闪岩、浅粒岩、斜长角闪岩、磁铁石英岩、矽线黑云片岩等,变质程度为绿片岩相-低角闪岩相[15,23-28],粉子山群锆石SHRIMP U-Pb年龄2 200 Ma[28],时代为古元古代,形成于浅滨海相的大陆边缘环境[29]。

侵入岩主要为中生代晚侏罗世玲珑二长花岗岩以及燕山晚期脉岩。东辛庄-莲花山铁矿玲珑花岗岩与铁矿层直接接触,对矿层的产状影响较大[30];燕山期脉岩主要为辉绿岩脉、石英脉、伟晶岩脉,多顺层侵入,部分与矿层有一定的交角,破坏矿层的连续性。

基底构造线总体方向30°,褶皱构造和断裂构造均较发育。褶皱构造主要见于前寒武纪结晶基底中,如在东辛庄矿床西南端粉子山群的背斜轴向北东30°左右,轴面倾向北西,倾角75°,控制了东辛庄矿床的分布[15，24]。断裂构造包括北北东向、北东向以及北西向断裂,其中北北东向断裂主要是昌邑-大店断裂,是沂沭断裂带最东边的一条重要断裂,走向20°左右,倾向西,西侧发育中、新生代地层,东侧发育荆山群、粉子山群地层和玲珑花岗岩;北东向断裂比较发育,走向30°左右,主要西倾,两侧为粉子山群含铁变质岩系及荆山群与粉子山群界线,其构造线与莱州-安丘铁成矿区方向及地层产状一致;北西向断裂分布于研究区中南部,走向320°～330°,形成较晚,横截铁矿体,对铁矿连续性起破坏作用。

2 矿床地质特征

昌邑-安丘地区BIF型铁矿呈北东向展布,自北至南分布有小灰埠、新河、郑家坡、东辛庄、莲花山、搭连营、周格庄、常家屯、吴沟、戴家官庄等中、小型铁矿。不同铁矿床中矿体规模、数量、产状、品位略有不同,但上下盘围岩、矿石类型基本一致。矿体受粉子山群小宋组地层控制,一般由数个至十余个矿体组成,矿体呈似层状、透镜状,多以单斜形态产出,部分矿体受玲珑花岗岩体侵位影响,形态呈“背形”(图2),不同矿体平行或斜列分布,矿体与顶底板界限清晰,沿走向、倾向具分支复合、尖灭再现、膨大狭缩现象,单个矿体长度数十至千余米,倾斜延深数十至数百米。矿体总体走向北东,倾向以南东为主,部分矿段或矿体倾向北西,倾角变化较大,自0°～80°皆有出现,矿体顶底板围岩为斜长角闪岩(图3a)、含石榴角闪黑云斜长变粒岩(图3b)等,矿体与围岩界线清晰。

矿石矿物以磁铁矿为主，少量黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿、赤铁矿,脉石矿物有石英、角闪石、黑云母、透闪石、石榴子石等。根据矿物种类、含量可划分为角闪磁铁石英岩、透闪磁铁石英岩、含石榴角闪磁铁石英岩等,以角闪磁铁石英岩为主,其余少量。具粒状变晶结构、柱粒状变晶结构和鳞片粒状变晶结构,条带状、条纹状和块状构造。

角闪磁铁石英岩(图4a): 条带条纹状构造, 柱粒状变晶结构, 由石英、 磁铁矿和角闪石等组成。 石英他形粒状, 粒径0.1～0.3 mm, 含量40%～45%,定向分布; 磁铁矿半自形-他形粒状, 粒径0.05～0.2 mm,含量25%～30%;角闪石半自形-他形柱状,大小一般在0.1～0.3 mm,含量30%±,常被阳起石、绿帘石等交代,发育铁质和硅质条纹条带,二者为彼此消长关系。

图1 昌邑-安丘地区基岩地质略图(据文献[20,25]修改)

透闪磁铁石英岩(图4b):条带状、块状构造,柱粒状变晶结构,主要由石英、磁铁矿、透闪石等组成, 零星黄铁矿、 赤铁矿。 石英他形粒状,大小一般在0.1～0.3 mm,部分0.3～0.5 mm,个别达1～2 mm,呈镶嵌状、定向分布,可见波状消光,含量60%～65%;磁铁矿半自形-他形粒状,大小一般在0.1～0.3 mm,部分0.3～0.5 mm,少量0.5～1 mm,镶嵌状分布,集合体不规则堆状分布, 含量20%～25%; 透闪石半自形-他形柱状, 大小一般在0.01～0.1 mm, 部分0.1～0.2 mm,少量0.2～0.3 mm,呈星散状、略显定向分布,集合体不规则堆状分布,含量15%～20%。

图2 东辛庄铁矿床106线剖面图(据文献[30]修改)

含石榴磁铁黑云石英岩(图4c):条带状构造,鳞片粒状变晶结构,主要由石榴石、黑云母、石英、磁铁矿组成,见零星黄铁矿。石英他形粒状,大小约0.2 mm,颗粒边界圆滑,含量50%±;黑云母片状, 鳞片大小在0.2 mm±, 最大0.5 mm, 定向分布,分布于石榴石、 石英间隙, 含量约25%; 磁铁矿半自形-他形粒状, 粒径0.01～0.2 mm,呈条带状分布,含量约20%;石榴子石半自形-他形粒状,粒径0.2 mm±,最大达2.4 mm,为铁铝榴石,包含石英、磁铁矿颗粒,石榴子石周围常包围黑云母,含量约5%。

3 样品采集及分析结果

3.1 样品采集及分析方法

用于主量、微量和稀土元素测试的样品采自郑家坡、新河、周格庄、莲花山铁矿,部分采自钻孔岩心新鲜矿石,均无明显的风化作用。样品采自主矿体的角闪磁铁石英岩或透闪磁铁石英岩矿石。

图3 昌邑-安丘地区铁矿围岩手标本及镜下照片

图4 昌邑-安丘地区铁矿石手标本及镜下照片

经镜下岩矿鉴定后, 选出新鲜无后期脉体充填的样品,粉碎至200目(0.75 mm)进行主量元素、 微量元素和稀土元素测试分析。 主量元素测试在山东省第四地质矿产勘查院实验测试中心完成,采用帕纳科Axios荧光光谱仪测试, FeO运用重铬酸钾容量法, CO2非水滴定法, S碘量滴定法,H2O+重量法测试,分析误差小于2%。 微量元素和稀土元素分析在中国冶金地质总局山东局测试中心完成,采用Xseries 2电感耦合等离子体质谱仪测试, 测试方法和依据为《电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析方法通则》(DZ/T 0223—2001)。

3.2 分析结果

主量元素分析结果见表1。本区BIF的主要氧化物为TFe2O3、SiO2, TFe2O3含量在38.92%～55.35%(平均49.56%), SiO2在36.27%～46.83%(平均41.78%), SiO2含量与全铁含量呈反消长关系, 当SiO2含量升高时, 全铁含量就降低; MgO含量在0.93%～2.93%, 平均1.55%; CaO含量0.68%～3.97%, 平均1.59%; TiO2为0.05%～0.21%, 平均0.12%;Al2O3含量相对较高, 为0.53%～4.47%, 平均2.13%; Na2O含量在0.05%～0.34%, 平均0.15%; K2O含量0.08%～0.89%, 平均0.28%; MnO含量0.02%～0.22%, 平均0.06%; P2O5含量0.01%～0.05%, 平均0.03%。 与辽宁弓长岭、 冀东[24]等典型BIF相比, TFe2O3、 SiO2含量上没有明显差别, 但TFe2O3含量略低, Al2O3、 TiO2、 Na2O、 K2O含量明显高于上述典型铁矿, 暗示较多的碎屑物质参与了本矿的形成。 A-C-FM图解被广泛应用于变质岩原岩成分的研究, 该图解能区分较多的原岩类型, 包括各种沉积岩和火成岩, 并且计算结果不易受交代作用的影响[31]。在该图解中, 昌邑-安丘地区BIF铁矿石的投点均落在胶体化学沉积岩区域(图5)。

表1 昌邑-安丘地区BIF铁矿石主量元素分析结果

昌邑-安丘地区13个铁矿样品稀土元素分析结果见表2, 经PAAS标准化后的REE+Y配分曲线如图6所示。BIF样品稀土总量较低, ∑REE+Y=(16.16～37.91)×10-6,平均26.24×10-6, 明显低于澳大利亚沉积岩的平均稀土总量184.8×10-6[32]; 昌邑-安丘地区BIF铁矿石在稀土元素PAAS标准化图解中的配分模式极为一致, PAAS标准化的稀土配分曲线左倾。LREE/HREE平均值为1.92、 (La/Yb)PAAS=0.57～0.94(平均0.69)和Eu正异常(Eu/Eu*=1.54～1.98, 平均1.74), 除个别样品外,显示La正异常(La/La*=0.62～1.21,平均1.03)、 Y正异常(Y/Y*=1.09～1.82,平均1.38); Ce负异常(Ce/Ce*=0.76～0.89，平均 0.81)， Y/Ho值为30.71～48.55。与辽宁弓长岭(Eu/Eu*=3.28[24])、冀东迁安(Eu/Eu*=2.08[24])山西五台(Eu/Eu*=2.37[24])等典型太古宙BIF相比,昌邑-安丘地区BIF显示较小的Eu正异常。

图5 A-C-FM判别图解(底图据文献[31])

昌邑-安丘地区铁矿石的微量元素含量见表2,图7为微量元素原始地幔标准化蛛网图。大离子亲石元素Rb含量为(2.11～32)×10-6(平均10.68×10-6),Sr为(9.5～263.5)×10-6(平均66.71×10-6),Ba为(13.1～167.4)×10-6(平均58.29×10-6); 高场强元素Nb含量为(0.70～3.30)×10-6(平均1.73×10-6),Ta为(0.03～0.98)×10-6(平均0.26×10-6),Zr为(12.0～33.5)×10-6(平均18.25×10-6),Hf为(0.36～1.07)×10-6,平均0.62×10-6,Th含量较高((0.35～2.24)×10-6, 平均1.24×10-6),U为(0.14～0.65)×10-6(平均0.35×10-6),Ti为(268～1 243)×10-6(平均653×10-6; 过渡元素Sc含量较高((1.0～13.5)×10-6, 平均4.33×10-6), V为(8.7～54.9)×10-6(平均29.57×10-6),Cr为(7.4～37.1)×10-6(平均18.43×10-6),Co为(1.0～15.6)×10-6(平均7.28×10-6),Ni为(7.8～27.9)×10-6(平均19.4×10-6)。 Sr/Ba值为0.31～20.11, 6件样品小于1, 7件样品大于1, 平均2.4; Ti/V值为12.77～39.94, 仅1件样品<13, 平均24.77; Co/Zn值为0.01～0.46(平均0.18), Ni/Zn值为0.12～1.45(平均0.48), 与热液成因BIF的Co/Zn(0.03～0.15)、 Ni/Zn(0.08～0.78)值相近。 大离子亲石元素Sr和Ba总体表现为亏损,仅个别样品富集; Nb、Ta、Ti、Zr亏损, Sc、Th、Hf、U、P、K、Pb、Nd、Sm、V、Cr、Co、Ni、Zn等元素富集。

表2 昌邑-安丘地区BIF铁矿石微量元素及稀土元素分析结果

图6 昌邑-安丘地区铁矿石稀土元素PAAS标准化配分图(PAAS值据文献[30])

图7 昌邑-安丘地区铁矿石微量元素原始地幔标准化蛛网图

4 成矿物质来源及矿床成因讨论

国内外学者对BIF铁建造的成矿物质来源尚存在一定的争议, 但是近年来随着对BIF中矿石和围岩地球化学研究的深入,多数学者趋向于认为BIF的成矿物质来自海底热液和海水[33]。

已有的研究表明, 热液流体中通常富集Fe和Si组分,而Al、Ti等组分反映了陆源物质的加入[34]。 昌邑-安丘地区BIF铁矿化学成分均主要是SiO2、TFe2O3, SiO2+TFe2O3含量在83.57%～95.60%, 平均91.34%, 变化较大,平均值较华北克拉通典型BIF铁矿(辽宁弓长岭、 冀东迁安、 山西五台)低, 且含有较多的Al2O3(平均2.13%)和TiO2(平均0.12%), 暗示昌邑-安丘地区BIF原岩为有较多陆缘碎屑物质加入的化学沉积岩。 化学沉积物中较高的CaO/(CaO+MgO)值(≈0.8)可能说明了其遭受到来自于扩张洋中脊和活动喷口附近海水和玄武岩相互反应形成的热液流体的叠加[35], 研究区矿石中CaO/(CaO+MgO)值为0.39～0.63, 平均0.49,明显小于0.8, 说明昌邑-安丘地区BIF铁矿可能形成于远离扩张洋中脊或者火山喷口的位置。 一般认为沉积变质铁矿的SiO2/Al2O3值应小于10, 火山沉积变质铁矿的SiO2/Al2O3值应大于10[36]。 昌邑-安丘地区BIF的SiO2/Al2O3值变化为10.76～84.09, 平均值26.58, 表明昌邑铁矿是有较多陆源物质参与的条带状铁矿床。

研究表明, 经PAAS标准化的现代海水REE表现为轻稀土亏损, 重稀土富集, La和Y正异常, Ce负异常, 深海高温热液表现为明显的Eu的正异常。从图6、表2可知, 昌邑-安丘地区BIF铁矿石PAAS标准化的稀土配分曲线左倾, 具La正异常(La/La*平均1.03)和Y正异常异常(Y/Y*平均1.38), Ce负异常(Ce/Ce*平均0.81), 明显的正Eu异常(Eu/Eu*平均1.74), 显示BIF是前寒武纪海洋化学沉积的产物, 并且稀土元素来源于高温火山热液和海水的混合。前人研究认为, Eu异常的大小可以代表混合溶液中高温热液的相对贡献量, 也就是说, 释放到海水中的高温热液越多, Eu的正异常越明显。与火山活动关系密切的Algoma型铁矿具有较大的Eu正异常(>1.8)[24], 而与火山活动无明显关系的Superior型铁矿具有相对较弱的Eu正异常(<1.8)[15]。 研究区BIF的Eu正异常均小于1.8, 强度较华北克拉通太古宙BIF(辽宁弓长岭、 冀东迁安、 山西五台等)明显偏低, 暗示研究区BIF成矿高温热液参与相对较少, 距离火山喷气热液口较远或火山活动较弱, 可能属于Superior型铁矿, 与CaO/(CaO+MgO)值结论一致。Y3+和Ho3+因具有相近的离子半径而被认为具有相近的地球化学行为, 但由于表层络合能力的不同, 使得Ho从海水中沉淀的速率比Y约高2倍, Y/Ho值可作为区别成矿物质来源的重要指标, 研究表明, 球粒陨石的Y/Ho值为26～28, 陆壳岩石及外生碎屑的Y/Ho值28左右, 现代海水的Y/Ho值为43～80[35]。研究区Y/Ho值变化于30.71～48.55,平均37.49,介于陆缘碎屑物和海水的Y/Ho值之间,但更接近于海水的Y/Ho值,由于极少量的碎屑物质就会降低海洋化学沉积物的Y/Ho值[34],进一步证实成矿物质来源于火山热液和海水的混合溶液, 但遭受了陆源碎屑物质混染。热液流体的(La/Yb)PAAS> 1, 而海水和热液混合则会导致(La/Yb)PAAS<1, 所以(La/Yb)PAAS值可以用来示踪BIF的成矿物质来源[35]。研究区BIF的(La/Yb)PAAS值为0.57～0.94, 平均值为0.69(表2), 明显具有海水和热液混合的特征。

研究表明,火山岩和海相沉积物的Sr/Ba值大于1,陆源沉积岩的Sr/Ba值小于1[36],研究区铁矿石的Sr/Ba值介于0.31～20.11,变化较大,既有火山岩和海相沉积物特征,又具有陆缘沉积岩特征;Ti/V值常用来区分成矿物质来源和条带状铁矿的成因类型,铁质页岩Ti/V值变化于1.33～10.9,火山建造为13～85[36],昌邑-安丘地区铁矿石Ti/V值在12.77～39.94,平均24.77,与火山建造一致,暗示研究区BIF成矿与海底火山作用有关。作为亲铁元素的Cr、Co、Ni在化学沉积过程中对金属来源具有很好的示踪意义[37],昌邑-安丘地区BIF铁矿石富集Cr、Co、Ni和Zn等元素,该特征可能与沉积盆地同时期的火山活动有关[26]。BIF中Th、Hf和Sc等高场强元素指示碎屑物质的加入,研究区矿石中Th、Hf和Sc元素含量较高,同样暗示了成矿过程中陆缘碎屑物质的加入。在微量元素标准化蛛网图上Ta、Nb、Zr、Ti的负异常以及高K、Rb含量也指示可能受到了地壳物质的混染。

铁铝榴石在矿石中和围岩中的出现也从矿物学上证明富铝沉积物(泥质或粘土)的存在。碎屑物质或泥质的参与表明昌邑铁矿的沉积环境比较浅或者较为动荡。

总之,昌邑-安丘地区BIF铁矿为火山沉积矿床,成矿物质来源于海水和高温热液的混合,但有较多陆缘碎屑物质的加入,可能属于远离火山喷口的Superior型铁矿。

5 结 论

(1)昌邑-安丘地区BIF铁矿赋存于古元古代粉子山群变质岩系中,矿体呈透镜状、似层状,以角闪磁铁石英岩为主要矿石类型,变质程度为绿片岩相-低角闪岩相。

(2)铁矿石主要由SiO2和TFe2O3组成, Al2O3、TiO2含量较高,Sr/Ba值变化较大,矿石中Th、Hf和Sc元素含量较高,矿石和围岩中皆含有石榴石(铁铝榴石)等富铝矿物,显示主要为化学沉积但有较多陆缘碎屑物质加入。

(3)SiO2/Al2O3、Ti/V值较大,经PAAS标准化后的稀土元素配分模式表现为轻稀土亏损、重稀土富集,并且具有明显的La、Y和Eu正异常,Ce负异常, (La/Yb)PAAS<1； 较高的Y/Ho值, 高Cr、Co和Ni含量, 表明该地区的BIF形成时有海水和热液的双重参与,证明了它们是海水和热液流体混合液经过化学沉积而形成的,成矿物质来源于海底火山活动,属沉积变质型条带状铁矿床。

(4)CaO/(CaO+MgO)值平均0.49、 Eu/Eu*值平均1.74, 暗示该区BIF成矿距离火山喷气热液口较远或火山活动较弱, 可能属于Superior型铁矿。

(5)与华北太古宙典型BIF铁矿比较,昌邑-安丘地区BIF中含陆源碎屑物质较多,Eu正异常较小,高温热液对成矿物质的贡献较少。