豫北安林地区矽卡岩型铁矿床硫和铅同位素特征及其意义

2021-07-31郭大鹏袁跃清赵彦巧

矿产与地质 2021年3期

郭大鹏，袁跃清，赵彦巧

(1.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心，河南郑州 450016；2.河南省有色金属地质矿产局第一地质大队，河南郑州 450016)

0 引言

接触交代型铁矿床是我国主要的铁矿床类型之一，且以富矿为主，约占全国富铁矿储量的50%[1]。河南省安林地区铁矿区位于河南省北部，与河北省邯邢地区相接，是华北地区重要的接触交代型(矽卡岩型)铁矿基地，属于邯邢式铁矿，具有品位高、埋藏浅、矿石成分简单、易加工的特点。虽然目前对邯邢式铁矿进行了大量的研究[2-3]，但是仍然存在一些关键的科学问题有待解决，如成矿作用与膏岩层的关系问题，提供了矿化剂还是改变了其物理化学条件导致铁的迁移或沉淀[4]？铁是来自于岩体还是地层中的硅铁建造？总体上，相比于邯邢地区，安林地区矽卡岩铁矿的研究程度较低，目前只有少数论文对该地区铁矿的成因进行了研究，而尚未对硫和铅同位素进行研究，这在很大程度上限制了研究者对成矿物质来源的认识。本文试图通过对安林地区邯邢式铁矿S、Pb同位素的研究，为成矿物质来源以及膏岩层在铁矿成矿过程中的作用提供重要信息。

1 区域地质背景

研究区位于位于华北克拉通的中东部、太行山复背斜东翼南段[5](图1)。区域地层主要为前寒武系登封群变质岩基底以及不整合于前寒武系基底之上的寒武纪—奥陶纪地层[6]。中奥陶统马家沟组(O2m)碎屑岩-碳酸盐岩地层与研究区矽卡岩铁矿的成矿关系极为密切。除碳酸盐岩和泥质岩石外，该组地层中还有多层蒸发岩，组成厚度不等的韵律层，总厚度从几十到百余米不等[7]。

图1 华北克拉通邯邢式铁矿分布略图[4]

2 研究区地质特征

研究区内岀露的地层由老至新有中太古界登封群、中元古界汝阳群、古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三叠系等。其中，中奥陶统马家沟组第三段(O2m3)与第五段(O2m5)与铁矿床关系极为密切。在中奥陶统马家沟组第一段(O2m1)、第三段(O2m3)中下部及第四段(O2m4)角砾状泥灰质白云岩中广泛分布有膏岩层。

区内构造总体特征以断块隆升为主体构造格局，以脆性断裂为主，为隐伏-半隐伏断裂。其中以天喜镇-磊口NW向断裂构造岩浆岩带最重要，控制了区内的主要岩浆活动和成矿作用。

区内岩浆岩发育，同位素年龄为135～76 Ma，属燕山中晚期产物[8-10]。以中性岩为主，碱性岩次之，超基性岩最少，岩浆岩受NW向断裂控制，由NW向SE有从偏基性至偏碱性变化的趋势。这种变化特征与邯邢地区岩体岩性空间变化特征一致[11]。

区内岩浆岩在地表以长条形、椭圆形及近圆形为特征(图2)。深部多为复杂的似层状侵入体，主体产于中奥陶统底部，围岩主要为奥陶系中统马家沟组灰岩，局部侵位至上二叠统的顶部。岩床底面平坦，顶面起伏较大[12]。

3 矿床地质特征

安林地区铁矿床是典型的矽卡岩型铁矿床，矿床(点)分布广泛，已发现50余处，与岩体分布相一致，呈带状分布，可划分为东、西两个矿带。东矿带由李珍、泉门、下庄、杨家庄矿区组成；西矿带由东冶、石村、晋家庄、东街矿区组成(图2)。东矿带以李珍铁矿为代表，铁矿体主要赋存于闪长玢岩与中奥陶统马家沟组灰岩接触带的矽卡岩中，围岩蚀变有矽卡岩化、大理岩化、绿泥石化等。西矿带以东冶铁矿为代表，铁矿体赋存于闪长岩、角闪闪长岩与灰岩接触带中(图3、图4)，矿化呈不连续带状分布，与接触带走向一致。

图2 安林地区铁矿床分布地质简图Fig.2 Geological sketch map of iron deposit distribution in Anlin area

图3 李珍铁矿磁铁矿体与大理岩化灰岩界线明显Fig.3 The clear boundary between the magnetite orebody and marbled limestone in Lizhen iron deposit

图4 南岭铁矿体位于闪长岩与灰岩接触带Fig.4 Nanling iron orebody in the contact zone of diorite and limestone

安林地区矽卡岩铁矿体产于闪长岩、闪长玢岩与中奥陶统马家沟组灰岩的接触带中，矿体的形态和规模严格受接触带的控制，矿体厚度变化较大，大、中型矿床的矿体形态为似层状、透镜状或扁豆状(图5)，小型矿床的矿体形态多为叉状、囊状、楔状等[13](图6)。

图5 泉门矿床5勘探线剖面示意图Fig.5 Sectional sketch map of the prospecting line No.5 in Quanmen deposit1—第四系黄土 2—中奥陶统灰岩 3—闪长岩 4—矽卡岩 5—磁铁矿

图6 吴家井矿床4勘探线剖面示意图Fig.6 Sectional sketch map of the prospecting line No.4 in Wujiajing deposit1—大理岩 2—矽卡岩 3—闪长岩 4—闪长斑岩 5—磁铁矿

矿石主要金属矿物有磁铁矿，次要金属矿物有黄铁矿、赤铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿，脉石矿物有石榴子石、透辉石、方解石、阳起石、绿泥石等。矿石结构主要有自形、半自形、他形粒状结构等。矿石构造有致密块状、条带状、浸染状构造。

区内矽卡岩矿床的围岩均有蚀变，蚀变程度与矿床规模有关，矿床规模越大，蚀变程度越强。围岩蚀变种类繁多，主要有矽卡岩化、大理岩化，其次有绿泥石化、碳酸盐化等。

从矿体到围岩，金属矿物组合、矿化蚀变和矿石构造均呈现出分带特征：金属成矿元素分别为与内矽卡岩带共生磁铁矿，与外矽卡岩带共生黄铁矿；蚀变类型由岩体的钾化、硅化、云英岩化，过渡为内接触带附近绿帘石化、透辉石化，再到外接触带围岩的石榴子石化，以及晚期的绿泥石化、碳酸盐化；矿石构造表现为致密块状—条带状—浸染状的分布规律。

根据矿石的结构和蚀变矿物的共生组合特征，安林地区铁矿成矿作用可划分为三个成矿阶段。①矽卡岩期：通过热液交代作用，铁有少量以磁铁矿形式析出，形成含浸染状磁铁矿的透辉石、钙铁榴石、钙铝榴石矽卡岩。②热液成矿期：通过强烈的热液作用，铁大量以磁铁矿形式出现，富集在接触带或围岩的裂隙中，构成工业矿体，形成角闪石、阳起石、透闪石、绿帘石等矿物组合。③后热液期：铁多以菱铁矿、镜铁矿形式出现，呈脉状与方解石共生穿插于前期岩石矿物中。发育有绿泥石化、绢云母化和碳酸盐化等低温热液蚀变。

4 样品采集与分析方法

本次研究的样品从李珍、晋家庄、东冶和石村4个铁矿区的坑道和地表采坑中采集磁铁矿石样品15件，样品经粉碎、过筛、清洗、干燥后，在双目镜下挑选纯度大于98%的黄铁矿单矿物，组合成样重大于5g的分析样品，然后将挑选后的单矿物样品研磨至200目，送实验室测定其硫同位素组成。同时从李珍、晋家庄、东冶3个矿区单矿物样品中选出10件送实验室进行了铅同位素测定。样品测试分析由核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。

硫同位素测试：将挑选好的黄铁矿单矿物样品与Cu2O按一定比例研磨、混合均匀后，置于真空状态下高温加热进行氧化反应生成SO2，用冷冻法进行收集，然后用MAT-251气体同位素质谱仪分析硫同位素组成，采用V-CDT国际标准，分析精度为±0.2‰。

铅同位素测试：将样品用混合酸分解，然后用树脂交换法分离出铅，在相对湿度36%和室温20℃的条件下，利用ISOPROBE-T热电离同位素质谱仪进行铅同位素比值测量，208Pb/204Pb、207Pb/204Pb、206Pb/204Pb比值误差小于0.05‰。

5 稳定同位素地球化学特征

5.1 硫同位素

安林地区矽卡岩铁矿床矿石中主要金属矿物为磁铁矿、黄铁矿，还有少量的赤铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿等。矿石中大部分硫化物为黄铁矿，以浸染状、细脉状出现，局部比较富集，说明成矿流体性质为还原性，硫化物的δ34S，特别是黄铁矿的δ34S可以近似地代表成矿流体的总硫同位素组成。因此，安林地区铁矿成矿流体中总硫的同位素可以用黄铁矿δ34S值代表。

从安林地区铁矿床黄铁矿δ34S组成分布频率直方图(图7)看出，硫同位素组成δ34S为11.8‰～16.2‰，极差为4.4‰，平均值为13.75‰，比较均一，呈塔式分布，与邯邢地区磁铁矿床中黄铁矿δ34S(11.6‰～18.7‰)相一致(表1)。从安林地区铁矿石硫同位素与自然界中硫同位素图(图8)可以看出，岩浆成因的硫化物δ34S值为-0.6‰～11.5‰，海水中的硫酸盐δ34S为19.5‰～22.0‰，本次测得磁铁矿石中黄铁矿δ34S介于岩浆硫与沉积膏盐硫之间，更偏向于岩浆硫(表2)。这显示研究区的成矿物质具有岩浆源硫特征，且富集重硫，说明成矿物质在运移过程中混入了其他高34S的物质。因此，安林地区在岩浆热液活动过程中，汲取了地下热水及膏盐层中部分34S，使得其34S更为富集，这与安林地区中奥陶统中膏盐层广泛分布相一致。

表1 邯邢地区各磁铁矿床硫同位素组成[14]Table 1 Sulfur isotopic composition of various magnetite deposits in Han-Xing area[14]

表2 安林地区铁矿床硫同位素测试结果Table 2 List of sulfur isotope analysis data of iron deposits in Anlin area

图7 安林地区铁矿床黄铁矿δ34S分布频率直方图 (为了对比，图中将邯邢地区铁矿石硫同位素一并列出)Fig.7 Histogram of δ34S distribution frequency of pyrites from iron deposits in Anlin area

图8 安林地区铁矿石与自然界硫同位素对比图[15]Fig.8 Sulfur isotope comparison map of iron ores in Anlin area and natural sulfur[15]

5.2 铅同位素

从安林地区不同铁矿区铁矿床中采集的黄铁矿铅同位素测试结果(表3)可以看出，本次测定不同铁矿区的铅同位素比较接近，且都相当稳定，206Pb/204Pb比值为17.057～18.537，平均值为17.546，极差为1.480；207Pb/204Pb比值为15.343～15.582，平均值为15.440，极差为0.239；208Pb/204Pb比值为37.053～38.398，平均值为37.601，极差为1.345。

在安林地区铁矿床矿石中黄铁矿Pb同位素结果显示，在Zartman铅同位素构造模式207Pb/204Pb -206Pb/204Pb图解中(图9)，样品集中落在地幔铅演化线附近，跨越了下地壳和地幔铅增长线，具有混源的特征，可以认为这些铅来源于地幔与下地壳的混合。

图9 安林地区铁矿床矿石铅同位素组成图[16]Fig.9 Lead isotope composition diagram of ores from iron deposits in Anlin area[16]A—地幔 B—造山带 C—上地壳 D—下地壳

根据安林地区黄铁矿的铅同位素分析数据(表3)换算成Δβ和Δγ值。从铅同位素Δβ - Δγ成因分类图解[14](图10)可以看出，有6个样品铅同位素落入地幔源铅，有2个样品铅同位素落入造山带铅和2个样品铅同位素落入上地壳与地幔混合的俯冲带铅。样品Δβ - Δγ值可以指示出铁矿石铅的来源主要与岩浆作用有关，为地幔源物质，并受上地壳铅的混入。因此，说明该区成矿物质为壳幔混源。

表3 安林地区铁矿床铅同位素测试结果 Table 3 List of lead isotope analysis data of iron deposits in Anlin area

由图9和图10可见，铅同位素主要与岩浆活动有关，总体显示以幔源铅为主，混有地壳铅的特征。

图10 安林地区铁矿床矿石铅同位素Δβ - Δγ成因分类图解[17]Fig.10 Lead isotope Δβ - Δγ genetic classification diagram of ores from iron deposits in Anlin area[17]

6 讨论

黄铁矿的S同位素分析结果显示，安林地区铁矿床δ34S介于岩浆硫与沉积膏盐硫之间，黄铁矿硫具有岩浆源硫和沉积膏盐硫双重特征，说明可能有膏岩层的加入提供了重硫。已有多位学者根据硫同位素以及铁矿与含膏岩层的密切空间关系，认为中国东部的矽卡岩型铁矿和玢岩型铁矿的形成与膏岩层关系密切，膏岩层在铁矿形成过程中发挥了重要的作用[18-19]。安林地区中奥陶统中下部广泛分布有膏盐层，岩浆向上侵位通过该套地层时同化混染部分地层物质，从而造成了硫同位素值偏高的特征，汲取的膏盐层中有益组分，不仅仅为成矿物质的活化迁移提供了矿化剂，可能还为铁质的氧化富集沉淀提供了氧化障[4]。因此，本次S同位素研究结果表明，安林地区矽卡岩铁矿成矿物质中黄铁矿硫主要来自于岩浆，膏盐层对成矿硫源有一定贡献。

黄铁矿的Pb同位素暗示了Pb主要为幔源，有少量下地壳的混入。前人研究表明，安林地区含矿闪长岩起源于地幔熔融交代岩石圈形成的原始岩浆[10]，这与本次研究黄铁矿的Pb同位素测试结果一致。当然，岩浆提供物质来源的途径可能有两种：一是直接由岩浆分异作用形成富铁流体；二是晚期的含矿热液淋滤已固结的岩浆岩中的铁使得成矿流体的铁浓度进一步升高，从而为铁的沉淀奠定了物质基础[4]。但不管何种方式，铁的最初来源均为含矿的闪长岩，而闪长岩是来自于交代的地幔，因此，本次研究的Pb同位素数据也进一步为前人的推测提供了同位素证据。另外，锆石测年结果发现，其中3颗新太古代—古元古代的锆石U-Pb年龄[10]，这也暗示了岩体侵位过程中有下地壳物质的混入，尽管目前尚不清楚下地壳物质是以何种形式混入的。所以本次研究的黄铁矿Pb同位素成分落在地幔和上地壳之间进一步证明了成矿物质主要来自地幔，并且有下地壳物质的混入。

总之，安林地区S、Pb同位素分析结果表明，S和Pb均为混合成因，部分来自于岩浆岩，部分来自于地壳。成矿物质起源于交代岩石圈的地幔初始岩浆富含水、CO2挥发分，而膏盐层可能提供了矿化剂，并为铁矿的形成创造了物理化学条件。