山东齐河-禹城地区“禹城式”富铁矿地质特征与成矿模式

王怀洪，李秀章，沈立军，朱裕振，周明磊

(1.山东省煤田地质局，山东 济南 250104；2.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 济南 250104；3.山东省地质调查院，山东 济南 250014)

0 引言

2013年以来，山东齐河-禹城地区取得深部矽卡岩型富铁矿重大新发现[1]，先后发现李屯[2]、大张[3]和郭店[4]铁矿床，前期研究表明该区富铁矿床为接触交代型(矽卡岩型)矿床[5-8]，与鲁西地区莱芜张家洼[9-10]、淄博金岭[11]、济南张马屯[12]等，乃至河北邯邢[13-14]、山西平顺等[15]矽卡岩型铁矿特征具一定的相似性，但随着齐河-禹城地区富铁矿勘查及研究工作的推进，该区富铁矿矿床及矿体特征与华北地区矽卡岩型矿床也有一定的差异，本文系统总结了齐河-禹城地区富铁矿床地质特征，分析了与华北地区邯邢式和莱芜式铁矿的异同，在此基础上提出了“禹城式”矽卡岩型铁矿亚类，并初步建立了其成矿模式。

1 区域地质背景

齐河-禹城地区富铁位于山东省西北部，行政区划隶属德州市的齐河县、禹城市，聊城市的茌平区、高唐县管辖。大地构造位置主要属华北板块(Ⅰ)—鲁西隆起区(Ⅱ)—鲁中隆起(Ⅲ)—泰山-济南断隆(Ⅳ)—齐河潜凸起(Ⅴ)(图1)。

1—二级构造单元边界；2—三级构造单元边界；3—四级构造单元边界；4—五级构造单元边界；5—不整合界线；6—构造单元编号；7—凹陷区；8—隆起区；9—黄河北煤田；10—整装勘查区；11—李屯矿区；临邑潜凹陷；惠民潜凹陷；莘县潜凹陷；安乐潜凹陷；乐平铺潜凹陷；泰山凸起；博山凸起；肥城凹陷；阳谷潜凸起；茌平潜凸起；齐河潜凸起；邹平-周村凹陷；泰莱凹陷；F6—齐河-广饶断裂(齐广断裂)；F7—聊城-兰考断裂(聊考断裂)图1 齐河-禹城地区大地构造位置图

1.1 地层

研究区属鲁西地层分区，地层发育较全，区域上大面积被第四系覆盖，仅在黄河以南部分地区出露寒武纪-奥陶纪地层；综合区域调查、矿产勘查资料等，地层由老至新为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新近系及第四系(图2)。

1—第四系；2—石炭系-二叠系；3—奥陶系；4—寒武系；5—泰山岩群；6—闪长岩体；7—辉长岩体；8—磁铁矿体;9—实测断层；10—推断断层；11—钻孔及编号；12—齐河-禹城铁矿区图2 齐河-禹城地区区域地质简图

1.2 构造

区域断裂构造发育且较复杂，褶曲构造次之，总体表现为南浅北深的单斜构造形态，以断块构造为主要特征。区内主要的区域性断裂为齐河-广饶断裂带(简称齐广断裂)，该断裂是鲁西地块与济阳拗陷区的分界性断裂，为一条被第四系覆盖的隐伏断裂。东西长约300km，宽5～10km，由2～3条断裂组成，为阶梯状断裂组合带。

1.3 岩浆岩

区域内岩浆岩分布较广泛，以中生代侵入岩为主，主要分布在济南市区—历城—章丘一带、以及齐河、禹城—茌平一带；其他时代岩浆岩发育较少。中生代岩浆岩以燕山晚期侵入岩为主，主要为济南杂岩体及其西部隐伏产出的李屯岩体、潘店岩体和大张岩体等。主要岩石类型为闪长岩类和辉长岩类，最新侵入层位为二叠系。

2 典型矿床特征

齐河-禹城地区现发现的富铁矿床主要为李屯、大张、郭店3处。

2.1 李屯铁矿

区内第四系广泛覆盖，根据钻探揭露地层由老到新依次为石炭纪—二叠纪月门沟群、二叠纪石盒子群、新近系、第四系，未见月门沟群本溪组铝土岩，地震等地球物理解译推断外围深部赋存寒武系、奥陶系。区内构造以断裂构造为主，各断层的性质与产状主要受齐广断裂、刘集断层及务头断层等区域性断裂构造的控制。区内岩浆岩为隐伏产出，根据物探成果推断及钻探揭露，区内岩体主要为李屯岩体，岩性以中基性岩为主，主要为闪长岩类和辉长岩类；根据邻区(袁营普查区)钻孔情况在闪长岩下揭露酸性侵入岩，岩性主要为二长花岗岩、正长花岗岩[2,16]。

区内共圈定磁铁矿体5个(图3)，矿体呈似层状产出，大致产状240°∠21°，各矿体平均真厚度1.65～77.39m，矿床平均品位TFe为55.95%,mFe为50.65%。其中Ⅳ号主矿体赋存标高-1157.12m～-1259.33m，平均真厚度77.39m，矿体平均品位TFe为56.21%，mFe为51.16%，顶底板为矽卡岩或角岩(1)山东省煤田地质规划勘察研究院，山东省禹城市李屯铁矿普查(续作)报告，2020年。。

1—第四系+新近系；2—石炭系-二叠系；3—闪长岩体；4—富磁铁矿体；5—地质界线；6—角度不整合地质界线；7—钻孔位置及编号图3 李屯矿区矿体地质剖面图

矿石的结构、构造：矿石中金属矿物的结构主要为他形—半自形粒状结构为主，少量交代结构、填隙结构及包含结构等；矿石构造以致密块状构造为主，少量条带状、角砾状矿石等。

矿石矿物成分主要为磁铁矿，脉石矿物主要有黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿、透辉石、透闪石、阳起石、金云母、石榴子石、方解石等。磁铁矿结构以半自形—他形粒状为主，部分呈半自形粒状，粒度0.05～0.80mm，一般为0.15～0.20mm，不等粒，晶粒间常常致密接触，杂乱排列，主要以集合体形态呈致密块状构造，少量呈稠密浸染状或碎块状，呈灰色略带淡棕色，具均质性。

2.2 大张铁矿

大张矿区第四系全覆盖，根据已施工的钻孔资料揭露，区内地层自下而上赋存奥陶纪马家沟群、石炭纪本溪组及其石炭纪太原组、二叠纪山西组和石盒子组、新近系及第四系，与成矿有关的地层为奥陶纪马家沟群，区内本溪组铁铝岩系稳定发育，厚度8～48m。断裂构造较发育，主要为NNW—NW向，NNE—NE向两组，其中以NE向断裂最为发育。区内岩浆岩主要为大张岩体，岩性主要为闪长岩，在闪长岩内偶见被后期闪长玢岩脉穿插，岩体最高侵位于奥陶系，钻孔未穿透，厚度不详[3,5]。

区内圈定矿体1个(图4)，由6个钻孔控制，呈似层状，走向35°，倾向SE，倾角6°，赋存标高-716.39m～-825.45m，平均厚度13.20m，平均品位TFe为55.28%，mFe为51.99%；矿体围岩以大理岩化灰岩、矽卡岩为主(2)中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东省齐河大张地区铁矿普查(续作)报告，2020年。。

1—第四系；2—新近系；3—石炭系-二叠系；4—奥陶系；5—闪长岩体；6—富磁铁矿体；7—煤层；8—平行不整合地质界线；9—角度不整合地质界线；10—钻孔位置及编号图4 大张矿区矿体地质剖面图

矿石中结构主要有晶粒结构、交代结构、包含结构、镶边结构等，矿石构造主要有块状、条带状、浸染状矿石3种，以块状矿石为主。

矿石矿物以磁铁矿为主，局部矿石清晰可见黄铁矿、黄铜矿、镜铁矿、闪锌矿等，脉石矿物有角闪石、碳酸盐矿物、透辉石、金云母、石英、透闪石、阳起石等。

2.3 郭店铁矿

本区第四系广泛覆盖，根据钻孔揭露地层由老到新依次为：奥陶系、石炭纪—二叠纪月门沟群、二叠纪石盒子群、新近系、第四系，其中月门沟群本溪组等蚀变严重不易识别。区内构造以断裂构造为主，主要发育近SN向和近EW向两组断层，主要有莒镇断层、潘店断层和许楼断层。区内岩体主要为潘店岩体，岩性以中基性岩为主，主要为角闪闪长岩、角闪石英闪长岩、石英二长岩等，主要侵位于奥陶系和石炭系—二叠系，最上侵入部位为二叠纪石盒子群上部[4]。

郭店矿区实施钻孔1个(图5)，自PZK1钻孔1444.44m开始见到富铁矿体，到1542.19m处出矿，共揭露5层铁矿体。视厚度为56.94m，平均品位为TFe 51.82%，mFe 47.20%，矿体深部延伸未封闭(3)山东省地质调查院，山东省齐河-禹城矿集区找矿预测报告，2019年。。

1—第四系；2—新近系；3—二叠系；4—奥陶系；5—矽卡岩；6—闪长岩体；7—富磁铁矿体;8—地质界线；9—平行不整合地质界线图5 郭店矿区矿体地质剖面图

矿石结构主要为粒状结构、交代残余结构、共生边结构、充填结构、网脉状结构、包含结构等，矿石构造主要为致密块状构造、浸染状构造、脉状构造、角砾状构造等。

矿石的矿物成分主要为磁铁矿，粒度0.05～0.5mm，含量一般50%～70%，最高可达90%以上，其次还有黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿等矿石矿物出现，脉石矿物主要有石榴子石、透辉石、透闪石、方解石、绿泥石、黑云母等。

3 成矿特征及综合对比

3.1 成矿地质特征

构造背景：齐河-禹城地区富铁矿位于华北克拉通东南缘，构造背景为鲁西隆起区—泰山-济南断隆—齐河潜凸起西北部，靠近北部华北拗陷区—济阳坳陷—惠民潜断陷—临邑潜凹陷，富铁矿宏观上分布在断隆区和断陷区的交接处。

成矿岩体：综合李屯、大张、郭店3处矿床，富铁矿成矿岩体岩性主要为辉绿岩、闪长岩(图6a)、角闪闪长岩(图6b)、石英二长闪长岩、石英二长岩，成岩年龄122～127Ma，成岩时代属燕山晚期早白垩世。

地层围岩：李屯铁矿围岩主要为石炭纪—二叠纪月门沟群碎屑岩(图6c)，南部大张铁矿围岩主要为奥陶纪马家沟群灰岩，中部郭店铁矿矿体在岩体与地层接触带附近，马家沟群灰岩、石炭纪—二叠纪月门沟群碎屑岩均有发现，李屯、大张铁矿石炭系—二叠系中均揭露薄煤层或煤线。

控矿构造：区内主要控矿构造为层间构造、接触带构造、捕掳体构造等，目前钻孔揭露情况来看层间虚脱构造控制矿体规模最大，体现出了大规模异地成矿的构造分布特征。

矿体形态规模：矿体形态多呈似层状，单矿体最大揭露厚度99.56m(4)山东省禹城市李屯铁矿普查(续作)报告，山东省煤田地质规划勘察研究院，2020年。，矿体平均厚度一般1.65～77.39m。

矿石结构：矿石构造以粒状结构为主，另有交代结构、包含结构、填隙结构、增生结构和环带结构等，并见流动构造(图6d)。南部大张铁矿磁铁矿物自形程度较高，总体表现为在岩体与灰岩接触带内磁铁矿物自形程度较好，在角岩带内磁铁矿物自形程度较低。

矿石构造：以致密块状构造为主(图6d)，另有浸染状构造、气孔状构造、脉状构造、角砾状构造等。气孔状构造磁铁矿矿石中气孔大小不一，孔径约0.5～5mm，大部分<2mm，气孔有时被后期黄铁矿、透闪石等矿物充填。

金属矿物：矿石中金属矿物以磁铁矿为主(图6d、图6f、图6g)，黄铁矿、磁黄铁矿次之，另见少量黄铜矿、白铁矿、辉铜矿、辉钼矿等。一类磁铁矿主要呈浸染状、脉状分布于石榴子石透辉石矽卡岩中(图6e)；另一类主要呈致密块状、脉状分布于大理岩和角岩中。

a—闪长岩；b—角闪闪长岩；c—矿石与围岩；d—磁铁矿石；e—矽卡岩；f—磁铁矿石中金属矿物；g—磁铁矿石中金属矿物；h—磁铁矿石中脉石矿物；i—角岩化铝土岩；j—磁铁矿石中赤铁矿；Mt—磁铁矿；Py—黄铁矿；Ccp—黄铜矿；Tl—透闪石；Di—透辉石；Hem—赤铁矿图6 齐河-禹城地区铁矿床典型岩石及矿石照片

非金属矿物：矿石中非金属矿物主要为石榴子石、透辉石、金云母、透闪石、阳起石、绿帘石、绿泥石、石英、方解石等(图6h)。石榴子石环带结构发育，可见被绿帘石、绿泥石等矿物交代的现象。

矿石品位：矿体单样品最高品位TFe为68.85%，mFe为67.07%，李屯铁矿矿体平均品位TFe为55.95%、mFe为50.65%；郭店地区平均品位TFe为51.82%，mFe为47.20%；大张地区矿体平均品位TFe为55.28%，mFe为51.99%。

伴生元素：矿石中主要伴生元素为S，个别样品Cu、Co、P等元素达到伴生组分评价指标要求，但平均含量均未达指标要求；磁铁矿石光谱分析结果见表1；铁质超常富集，伴生元素相对较少。

表1 齐河—禹城地区磁铁矿石光谱分析结果表 单位：×10-6

围岩蚀变：地层内蚀变主要为石榴子石化、透辉石化、透闪石化、绿帘石化、蛇纹石化、绿泥石化等，岩体发育钠长石化、绢云母化、绿帘石化等，以钠长石化最为强烈、普遍，另见碳酸盐化普遍发育于后期裂隙内。岩体及矿体附近碎屑岩角岩化明显，上覆煤层普遍发生焦化或烧变。

蚀变分带：闪长岩→钠化闪长岩→石榴子石矽卡岩化闪长岩→石榴子石透辉石矽卡岩化闪长岩→透辉石矽卡岩化闪长岩→绿帘石化闪长岩→磁铁矿矿体→大理岩化→角岩化→碎屑岩，李屯矿区由于未揭露灰岩地层，未见大理岩化，岩体蚀变以钠长石化最为普遍，石榴子石、透辉石等矽卡岩化带较窄，但在郭店矿区闪长岩体发育厚度超过100m的强矽卡岩化蚀变带，地层内矽卡岩化带较窄。

成矿物质来源：齐河-禹城地区磁铁矿石中黄铁矿的δ34S值为3.6×10-3～19.8×10-3，均值为12.6×10-3(表2)，明显远高于岩浆硫同位素组成[17]，而低于周边奥陶纪等沉积岩硫同位素组成(26.9×10-3～28.6×10-3)[18]及本溪组铝土层内沉积铁矿、泥岩中硫同位素(+16.83×10-3～+30.10×10-3)[19]，显示了其二元混合特征(图7)；华北地台广泛分布晚石炭世本溪组铁铝岩系[20]，在齐河-禹城地区大张矿区内亦揭露8～48m的本溪组，但李屯矿区内缺失石炭系底部的本溪组铝土页岩和山西式铁矿，郭店矿区内铝土岩普遍角岩化，且岩石内铁质缺失(图6i)，这可能是由于岩浆热液成矿过程中融合改造了该沉积地层中的铁质，促进了矿质的进一步富集，形成了高品位的厚层富磁铁矿。同时在郭店矿区1400余米深度的矿体内发现赤铁矿(图6j)，这可能为融合本溪组内铁质的残余，进一步佐证了成矿物质可能有沉积铁质的加入。

表2 齐河-禹城地区黄铁矿中硫同位素组成

图7 齐河-禹城地区及周边矿石、围岩S同位素特征对比图(莱芜地区数据，文献[9])

成矿流体温度：根据区内流体包裹体显微测温结果，矽卡岩阶段石榴子石气相包裹体均一温度535.1～>550℃，显著高于鲁西淄博金岭等铁矿石榴子石内气相包裹体的均一温度为356.3～420.2℃[11]，较高的成矿流体温度可能与上覆石炭纪—二叠纪地层屏蔽保温作用有关。

3.2 华北地区矽卡岩铁矿对比

20世纪70年代以来，邯邢式、莱芜式铁矿作为矽卡岩型铁矿的重要矿床式，得到了地质学者的广泛关注，前人从成矿地质条件[13]、时控层控特征[21]、控矿构造要素[22]、蚀变矿物[23]等各方面进行了系统的总结，由于其特征的相似性亦有作为同一种矿床类型进行研究[24]，近年山东齐河-禹城地区新发现3处矽卡岩型富铁矿床，初步研究表明其为接触交代型(矽卡岩型)矿床[2,4,16]，但同时也发现了其邯邢式、莱芜式铁矿的多处不同之处，有必要将该区铁矿作为一种不同的矿床式或矿床亚式——“禹城式”进行研究，其主要成矿特征及规律对比见表3。

表3 成矿特征及规律对比表

“禹城式”铁矿矿床分布主要受控于盆地边界断裂，矿体以接触带外部碎屑岩层间构造为厚大矿体主要赋存位置，主矿体赋存部位缺失灰岩及大理岩化带，以煤层或煤线的高温变质为重要找矿标志，以铁质巨量富集(全铁平均品位55%以上)、伴生元素较少(Co、Cu、Pb、Zn等伴生元素含量较低)为显著矿质富集特征，矽卡岩化强度与矿体规模无明显的正相关关系。综上，齐河-禹城地区铁矿与典型邯邢式、莱芜式铁矿相比，存在较大差异。

(1)品位、厚度及伴生元素不同，品位高、厚度大，伴生元素少。

(2)矿体赋存层位不同，石炭纪—二叠纪含煤岩系层间构造。

(3)矿体赋存形式不同，贯入式为主。并且矿石的流动构造显示固结成矿过程中存在迁移。

(4)围岩蚀变特征不同，含煤岩系高强度、大范围角岩化，无大理岩化，矽卡岩化强度低、范围窄。

(5)成矿物质来源不同，山西式铁矿物质可能参与了成矿。

(6)石炭纪—二叠纪地层起到屏蔽保温作用，促进接触交代充分进行。

4 成矿模式

早古生代早期华北板块处于构造扩张期，在板块内部陆表海环境下形成了以碳酸盐岩为主的稳定型沉积；早古生代晚期—晚古生代早期，秦岭-大别洋壳开始向华北板块之下俯冲，华北板块整体抬升，造成了晚奥陶世-泥盆纪沉积，形成加里东不整合面；早白垩纪，华北板块受岩石圈减薄、大规模地壳拉伸等多机制控制[25-27]，形成了一系列受断裂控制的断陷盆地，壳幔作用形成的混合岩浆[28-30]沿盆缘深大断裂上侵，混合岩浆侵位过程中发生结晶和冷却，导致富铁的岩浆热液出溶，受煤系的地层屏蔽作用，岩浆热液与煤系下奥陶纪碳酸盐岩发生了充分的接触交代作用，并可能改造了沉积地层内“山西式”铁矿，促使磁铁矿经历多期叠加富集，在层间构造等部位富集形成富磁铁矿(图8)。

1—石炭系-二叠系；2—奥陶系；3—寒武系；4—前寒武系;5—闪长岩体；6—煤层/煤线；7—磁铁矿体图8 “禹城式”铁矿成矿模式图

“禹城式”铁矿作为矽卡岩型铁矿的一个亚类，是矽卡岩型铁矿成矿过程中异地储矿的特殊形式，推断为接触交代作用过程进行巨量物质交换和石炭纪—二叠纪地层内部构造作用形成的巨型储矿空间综合作用的结果。在齐河-禹城地区，“禹城式”铁矿以李屯矿床最为典型，郭店矿床兼具传统矽卡岩铁矿和新亚类“禹城式”的特征，在大张矿床暂未发现“禹城式”矿床特征。随着勘查工作及研究的深入，“禹城式”铁矿必将进一步完善与修正。

5 结论

(1)齐河-禹城地区发现李屯、郭店、大张富铁矿床3处，控矿岩体以闪长岩为主，围岩地层主要为石炭系—二叠系，少量奥陶系，矿体呈似层状，粒状结构、块状构造为主，围岩具石榴子石化、透辉石化、透闪石化、绿帘石化、蛇纹石化、绿泥石化、钠长石化、绢云母化等蚀变。

(2)“禹城式”铁矿矿体以接触带外部碎屑岩层间构造为厚大矿体主要赋存位置，主矿体赋存部位缺失灰岩及大理岩化带，以铁质巨量富集、伴生元素较少为显著矿质富集特征，矽卡岩化强度与矿体规模无明显的正相关关系。

(3)早白垩纪，受华北板块岩石圈快速减薄、大规模地壳拉伸等多机制控制，形成了一系列断陷盆地，壳幔作用形成的混合岩浆沿盆缘深大断裂上侵，混合岩浆侵位过程中发生结晶和冷却，导致富铁的岩浆热液出溶，受上覆地层屏蔽作用，岩浆热液与围岩地层发生了充分的接触交代作用，并可能改造了沉积地层内“山西式”铁矿，促使磁铁矿经历多期叠加富集，在层间构造等部位富集形成富磁铁矿。