大台沟铁矿矿物成分特征及磁铁矿成因

2020-12-30汪寅夫

东北石油大学学报 2020年6期

伍月，汪寅夫，刘琦，安帅，刘欣

( 中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳 110032 )

0 引言

大台沟铁矿床位于辽宁省本溪市桥头镇，是中国近年来发现的最大的鞍山式铁矿床。该矿床为隐伏的超大型铁矿床，埋深为1.10～1.20 km，已控制矿体延长2.00 km，最大延深为0.84 km，最大宽度为1.10 km。矿体总体为近直立的厚板状体，夹石很少，为单一矿体。

鞍山—本溪地区是特大型、大型铁矿分布集中区。20世纪80年代，开始该地区条带状铁矿的地质年代和地球化学特征研究，探讨铁矿床成因[1]。沈保丰[2]研究鞍山—本溪地区的地层和构造，推断华北陆台绿岩带的演化趋势。人们主要通过全岩主量元素和微量元素分析、稀土元素分析，讨论大台沟铁矿的地质特征[3]、找矿标志及成矿模式[4-5]，了解铁矿的主要物质组成及成矿条件，采用Fe同位素跟踪研究成矿物质来源。

笔者采集大台沟铁矿2个钻孔中不同位置的样品，根据显微特征观察结果，分析矿区矿石结构构造系统；结合X线衍射分析结果，还原矿石从浅部到深部氧化作用的过程；利用电子探针方法分析主量元素和稀土元素地球化学特征分布规律，探讨矿物质来源和沉积环境，为大台沟铁矿研究提供依据。

1 区域地质背景

辽宁省鞍山—本溪地区大地构造处于华北陆块北缘东段，属于胶辽台隆太子河—浑江台陷，四级构造单元为辽阳—本溪凹陷。该地区为中国太古宙花岗岩—绿岩带的主要分布区之一。大台沟铁矿区位于鞍山—本溪铁矿成矿带东部，南距南芬铁矿10 km，西距弓长岭铁矿20 km，东距思山铁矿10 km，北距北台铁矿10 km。矿区地表分布大面积的沉积盖层，地质构造简单，断裂构造不发育。

矿石类型为磁铁石英岩(磁铁矿石)、赤铁石英岩(赤铁矿石)及其过渡类型的磁铁赤铁石英岩(混合矿石)。矿石品位较均匀，矿床有害杂质含量低。2 km深度以上铁矿石资源总量超过30亿t，根据磁异常推断，矿体长度为1.44 km，宽度为1.03 km，延伸为1.50 km，预测资源量为76亿t。

2 矿物学特征

2.1 岩相学特征

对采集的ZKB5、ZKC6钻孔(见图1)中不同位置的样品分别进行岩石薄片和光片鉴定。

图1 辽宁中太古代绿岩带中铁矿分布(据文献[1]修改)Fig.1 Distribution map of iron ore in the Middle Archean greenstone belt in Liaoning(modified by reference [1])

2.1.1 上部

绿泥绢云片岩为鳞片粒状变晶结构、镶嵌粒状变晶结构，呈片理构造；主要矿物成分为绢云母、绿泥石及少量赤铁矿等；赤铁矿呈浸染状、团块状、破碎状分布，多数呈细粒集合体，矿物为长柱状晶形，少数为板状晶形，赤铁矿破碎后裂隙中充填绿泥石；厚度较薄，一般小于10 m。

条带状(含铁)石英岩的铁矿物质量分数很低，为镶嵌粒状变晶结构，呈条带状构造；主要矿物成分为石英，少量为赤铁矿及方解石，石英呈条带状分布；赤铁矿呈极细条带或透镜状分布，为极细粒状集合体，矿物多为它形粒状，少数为板状晶形；方解石多呈脉状分布。

2.1.2 中部

条带状磁铁石英岩为粒状变晶结构、鳞片粒状变晶结构，呈条带状构造；主要矿物成分为磁铁矿、石英，少量为赤铁矿、方解石、透闪石和绿泥石等。磁铁矿(见图2)呈自形—半自形及它形粒状。赤铁矿在磁铁矿集合体条带中呈浸染状分布，为半自形—自形板状晶形，可见交代磁铁矿现象。

图2 研究区磁铁矿石(光片)Fig.2 Magnetite in the research area(polished section)

条带状赤铁石英岩(见图3)为粒状镶嵌变晶结构，呈条带状构造；主要矿物成分为赤铁矿、石英、磁铁矿、方解石和绿泥石等。赤铁矿呈稠密浸染状、局部呈粒状集合体，矿物多为它形粒状，少数为板状晶形，一部分为交代磁铁矿而形成；磁铁矿为半自形—它形粒状，呈交代残留的孤岛状分布在赤铁矿中；方解石呈脉状、团块状、条带状、胶结物状分布，主要分布于后期裂隙及破碎带。

图3 研究区赤铁石英岩(薄片)Fig.3 Hematite quartzite in the research area(thin section)

角砾状赤铁石英岩见于赤铁矿石层间；砾石杂乱分布，主要成分为石英岩、条带状赤铁石英岩，胶结物为铁质、硅质。

条带状磁铁石英岩(见图4)为镶嵌粒状变晶结构、鳞片柱粒状变晶结构，呈条带状构造；主要矿物成分为磁铁矿、赤铁矿、石英、方解石、绿泥石、绢云母和透闪石等。赤铁矿呈稠密浸染状和局部呈粒状集合体的不规则的带状、线状分布(见图5)，多数为交代磁铁矿而形成，分布于磁铁矿边缘；磁铁赤铁矿(见图6)呈稠密浸染状、粒状集合体，为它形粒状晶形，赤铁矿交代磁铁矿较发育，被赤铁矿交代后在赤铁矿中呈残留孤鸟状分布。

图4 研究区磁铁石英岩(薄片)Fig.4 Magnetite quartzite in the research area(thin section)

图5 研究区赤铁矿(光片)Fig.5 Hematite in the research area(polished section)

图6 研究区磁铁赤铁矿石(光片)Fig.6 Hematite magnetite in the research area(polished section)

透闪磁铁石英岩(见图7)为镶嵌粒状变晶结构、柱粒状变晶结构、鳞片粒状变晶结构，呈条带状构造；主要矿物成分为磁铁矿、石英、赤铁矿、透闪石、方解石和绢云母等。

图7 研究区透闪磁铁石英岩(薄片)Fig.7 Tremolite magnetite quartzite in the research area(thin section)

2.1.3 下部

含磁铁绢云(绿泥)石英片岩为鳞片粒状变晶结构、粒状变晶结构，呈条带状构造、片状构造；矿物成分为石英、绢云母、绿泥石，少量为磁铁矿、方解石。

绿泥(绢云)石英片岩为鳞片粒状变晶结构，呈片状构造；矿物成分为石英、绢云母、绿泥石、电气石，少量为磁铁矿、方解石。

2.2 X线衍射鉴定

根据X线粉晶衍射鉴定结果，在1.44～1.68 km深度中，矿石矿物为赤铁矿，赤铁矿最高质量分数为63.1%，最低为1.3%，平均为20.0%。

在1.70～1.82 km深度中，矿石含赤铁矿和磁铁矿矿物，其中赤铁矿质量分数在1.9%～11.8%之间，磁铁矿质量分数在8.3%～24.6%之间；在1.70 km深度处，赤铁矿质量分数为11.8%，磁铁矿质量分数为8.3%，其余以磁铁矿为主。在1.84～2.00 km深度中，矿石为磁铁矿矿物，质量分数为14.0%～34.0%，平均为20.0%。总体上，从1.44→1.70→1.82→2.00 km深度，铁矿石类型从赤铁矿石→赤铁磁铁矿石→磁铁矿石转变，矿石从浅部到深部氧化作用逐渐减弱[6]。

2.3 稀土元素特征

大台沟磁铁矿样品稀土元素质量分数见表1。由表1可以看出，磁铁矿矿石的稀土总量变化范围很大，ΣREE为(19.191～100.808)×10-6；LREE/HREE为7.267～25.626；LaN/YbN为0.495～0.892。磁铁矿轻稀土相对亏损，重稀土相对富集，Eu显示正异常(见图8)，δEu为2.692～4.738，Ce显示正异常，δCe为2.319～15.808。这些特征与现代大洋中脊、红海等[7]热水流体及其富含金属的化学沉积物相似[8-10]，反映大台沟磁铁矿矿床在成因上与海底火山作用有关。

图8 大台沟磁铁矿稀土元素标准化图解Fig.8 REE standardized graphic of Dataigou Magnetite

表1 大台沟磁铁矿样品稀土元素质量分数Table 1 REE mass fraction of Dataigou Magnetite

2.4 电子探针测试结果

经过显微镜鉴定，将待测样品喷炭后进行电子探针测试。探针片制备[11]和电子探针测试由沈阳地质调查中心实验测试中心完成，电子探针仪器型号为JXA-8100，分析过程中的加速电压为15 kV，电流为20 nA，束斑直径为5 μm，标样采用天然矿物或合成金属国家标准[12]，分析精度为0.01%。磁铁矿二次电子像见图9，40倍镜下磁铁矿呈条带状分布(见图9(a))，600倍镜下可清晰观察磁铁矿颗粒(见图9(b))，在表面精确选择测试点。

图9 研究区磁铁矿二次电子像Fig.9 Magnetite secondary electron image in the research area

大台沟磁铁矿石电子探针测试结果见表2。由表2可以看出，磁铁矿单矿物电子探针测试的TiO2质量分数为0.005%～0.089%，Al2O3质量分数为0.004%～0.073%，MgO质量分数为0.002%～0.036%，MnO质量分数为0.035%～0.188%。根据各种成因类型磁铁矿中磁铁矿的化学成分[13]，沉积变质矿床磁铁矿中的TiO2质量分数为0～1.200%，MgO和MnO质量分数较高，Al2O3质量分数较低，大台沟磁铁矿与之相似。TiO2在磁铁矿中普遍存在且变化范围较大，质量分数与形成的温度、压力密切相关，可以有效反映磁铁矿的形成条件[14]，无论是在成岩作用还是成矿作用过程中，随温度和压力降低，磁铁矿从高质量分数TiO2向低质量分数TiO2方向演化，反映它们对不同地质作用具有明显专属性[15]。

续表2

将大台沟磁铁矿电子探针的测试结果投点到TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)成因图解[16](见图10)，样品主要落在沉积变质型范围内[17]，少量分布在火山岩型(玢岩型)区域内，大台沟磁铁矿成因与火山、沉积变质有关[18-19]。与后期花岗岩侵入和区域变形变质作用使铁矿层遭受破坏和改造、成因属于火山—沉积变质改造矿床结论[20-21]相符。

图10 磁铁矿TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)成因图解Fig.10 Magnetite TiO2-Al2O3-(MgO+MnO) genesis diagram

3 磁铁矿成因

大台沟磁铁矿稀土配分曲线呈轻稀土元素相对亏损、重稀土元素相对富集，Eu显示明显正异常。Eu正异常属于海底高温热液的特点。大台沟铁矿与海底高温热液特征相似，进一步说明大台沟铁矿与前寒武纪海洋沉积有关。

DANIELSON A等[23]和HUSTON D L等[24]认为Algoma型铁矿具有较大的Eu(Eu>1.8)，其成因与火山活动密切，而Superior型铁矿的Eu相对较小(Eu<1.8)，与火山活动无明显关系。大台沟磁铁矿中Eu正异常且大于1.8，说明该地区BIF型铁矿(条带状铁建造)的形成与海底热液组分的输入有关[25]，与鞍山—本溪地区BIF型铁矿为Algoma型铁矿的结论相符[26]。因此，大台沟磁铁矿成矿物质来源于海底火山热液。

大台沟铁矿的磁铁矿具有低钛性，岩浆矿床磁铁矿的TiO2质量分数为3.550%～21.720%，接触交代矿床的为0.070%～0.400%，沉积变质矿床的为0～1.200%。大台沟磁铁矿中的TiO2质量分数为0.005%～0.089%，与弓长岭铁矿床的TiO2质量分数相似[27]。由TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)成因图解可知，大台沟铁矿床中磁铁矿的成因属于火山—沉积变质改造矿床。