东平县旧县地区铁矿床特征及矿床成因

李宗成，刘彦，田晓明，于本秀，王莉，曲守全，张念朋，程凤

(1.山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安 271000；2.平邑县自然资源和规划局，山东 平邑 273300)

0 引言

旧县地区位于东平县城区西北约30km处，隶属旧县乡管辖；铁矿位于东平-汶上铁矿带北部[1]。1971—1975年，地质部航空物探大队完成了1∶5万航空磁测工作[2]，发现汶上-东平-阿城航磁异常带。该成矿带已探明铁矿资源量4.62亿t，大中型铁矿有彭集铁矿、梁林铁矿、大牛铁矿、水河铁矿、化肥厂铁矿、冯家庄铁矿、洪范池铁矿等。2008年12月，山东省第五地质矿产勘查院在区内开展了普查，提交了《山东省东平县旧县地区铁矿普查报告》；进行了地质草测、高精度磁测、钻探，采取各类样品198件，后经钻孔验证未见矿。

2009年对2008年所取得的地质物探资料进行反复研究，认为矿体倾向应为NE,施工钻孔于706.80～714.50m见到铁矿体，矿体视厚度为7.70m，TFe平均品位24.55%，mFe平均品位18.25%；证实了该异常为矿致异常。

2014—2016年，继续在该区开展普查及续作工作。完成主要工作量1∶1万地质填图14.34km2；1∶2000高精度磁测剖面16.2km；钻探5324.18m/5孔；井中三分量磁测5311.9m/5孔；基本分析样124件，岩矿鉴定7件，组合分析1件，物相分析1件，小体重3件。旧县铁矿矿体露头埋深约420m，地表磁异常和矿体露头位置偏移较大，前期工作未能揭露矿体，本次工作在积累吸收经验和教训的基础上取得找矿突破。求得区内铁矿资源量315.2万t。

1 区域地质背景

大地构造位置位于华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)泰山-济南断隆(Ⅳ)泰山凸起(Ⅴ)西南部[3]。自下而上发育新太古代泰山岩群(隐伏)[4]、古生代寒武纪长清群、寒武-奥陶纪九龙群及第四系。基岩露头分布于东平湖东岸低山丘陵，第四系分布于地势低洼地段。构造、岩浆岩不发育(图1)。

1—临沂组；2—大站组；3—三山子组；4—炒米店组；5—崮山组；6—张夏组；7—铜汉庄单元石英闪长玢岩；8—铁矿体投影位置及编号；9—实测及推测正断层图1 东平县旧县地区地质简图

2 矿区地质特征

2.1 地层

泰山岩群仅发育山草峪组，岩层走向320°～330°，倾向一般为SW，倾角70°，局部向NE陡倾。岩石发育片麻理，局部发育片理，岩性为灰黑色黑云变粒岩、角闪变粒岩，夹少量条带状角闪石英岩、条带状磁铁角闪石英岩、斜长角闪岩、斜长角闪片岩等。其中条带状磁铁石英岩为主要的含矿岩系。岩石属区域变质岩类，原岩属中酸性、基性火山碎屑岩。根据区域对比资料[5]，该层厚度大于2000m。矿区变质岩石为变粒岩夹磁铁石英岩硅铁建造，是矿区内的主要含矿层位。变质岩组合以黑云变粒岩、黑云斜长变粒岩为主，夹黑云片岩、磁铁角闪石英岩等，变质程度达低角闪岩相[6]。

古生代寒武纪长清群分布于东平湖东侧，零星出露东平湖西侧；出露长清群朱砂洞组、馒头组，倾向NW—NE，倾角3°；岩性有白云岩、灰质白云岩、紫红色页岩，夹云泥岩、泥云岩、灰岩和砂岩；厚约230m。寒武-奥陶纪九龙群主要分布在东平湖东，出露于剥蚀丘陵的中上部；倾向350°～10°，倾角3°～5°，主要发育有张夏组、崮山组、炒米店组、三山子组，为浅海相沉积，岩性主要有灰色厚层—巨厚层鲕粒灰岩、生物碎屑灰岩、薄板状疙瘩状、链条状灰岩夹页岩、薄层竹叶状—准竹叶状灰岩等[7]；厚约355m。

第四系分布于山间低洼地带、河道两侧，发育大站组、临沂组。主要岩性为黏土、砂层、含砾黏土层、砂砾层等。

2.2 构造

区域主要发育大吉城-旧县断裂以及朱庄断裂；大吉城-旧县断裂分布于旧县北—大吉城—孟楼一带，从区内西北部穿过，南部隐伏发育，推断区域长度10km左右，走向NNE，倾向NW，倾角70°，为正断层；破碎带由断层角砾岩、灰质碎裂岩等组成。

2.3 岩浆岩

仅发育中生代沂南序列铜汉庄单元[8]。岩性为闪长玢岩，出露于旧县乡东北，沿NNE向断裂呈脉状产出，呈近SN向展布，出露长度约1km，宽90～170m，面积约1.3km2。岩体围岩呈断层和侵入接触关系[9]。

2.4 岩矿石磁性参数

旧县地区大部分被第四系覆盖，地层岩性为灰岩或页岩类，泰山岩群隐伏于寒武纪地层之下，岩性主要为黑云变粒岩、花岗伟晶岩，成矿岩性为磁铁角闪石英岩[10]，主要岩矿石物(磁)性参数见表1。

该区岩矿石磁化率有明显差异，根据磁化率大小可将区内岩矿石分为两类，一类为低磁化率岩石，主要为花岗伟晶岩、黑云变粒岩、页岩、灰岩等，磁化率极低在100×10-6·4π·SI以下，剩余磁化强度极小不超过15×10-3A/m；另一类是高磁化率岩石，为磁铁角闪石英岩，磁化率值在22000×10-6·4π·SI之上，最大达102900×10-6·4π·SI，剩余磁化强度也较大，最低为3020×10-3A/m，最大达53300×10-3A/m。磁铁角闪石英岩的磁化率或是剩余磁化强度均高出灰岩和岩性为黑云变粒岩的围岩3～4个数量级，磁性差异特别大，该区具备利用高精度磁测方法寻找铁矿的地球物理前提条件[11]。

2.5 剖面磁异常特征

(1)平面磁异常特征。该地区1∶5000高精度磁测ΔT化极等值线平面图看(图2)，磁场等值线分布相对较均匀，等值线均匀性较好，圈出以东、北、西侧为低背景，中、南部相对较高，走向NW—SE近椭圆形异常1处。原始资料化极处理前异常中心峰值为535nT，化极处理后，异常整体向西北偏移200m左右，异常中心峰值增大为766nT，以1/2极大值圈定异常范围，异常总体形态基本不变，NW向呈近椭圆形，长1900m，短1000m。异常强度由中心向外围逐渐减弱，异常两翼等值线疏密程度近乎一致，可以推断引起该异常的磁性体的产状较陡，近乎直立。

表1 东平旧县地区岩矿石物(磁)性参数表

1—未见矿钻孔位置；2—见矿钻孔位置；3—勘探线位置及编号；4—磁异常等值线及数据图2 东平县旧县地区磁异常等值线平面图

1—实测化极曲线；2—反演拟合曲线；3—不融合面；4—地形曲线；5—寒武纪地层；6—泰山岩群山草峪组；7—推断磁性体及编号图3 东平县旧县地区高精度磁测ΔT化极等值线剖面图

(2)剖面磁异常特征。垂直异常走向施工了5条1∶2000高精度磁测剖面，剖面方位角60°，自北向南分别编号为19线、11线、3线、4线、12线。剖面间距为200m，沿异常长轴方向控制长度800m。利用中国地质大学开发的MAGS3.0软件对各条剖面进行了反演计算，具体结果见图3。

19线位于磁异常的最北端，方位角60°，点距10m，剖面总长度3300m。剖面异常与对应面积性异常特征相吻合，但在局部异常特征上反应更为突出，自剖面南西段从正常场进入异常区后，连续出现3处范围较大的异常区，其中磁场最大值出现在剖面中部，峰值为652nT。在剖面的NE异常梯度变化加大的区段有一范围较小的异常区。利用MAGS3.0软件进行人机交互二度半反演，磁异常由多个磁性体叠加引起，其中1、2、4号磁性体规模较小，3号磁性体规模较大，应是导致磁异常的主要磁性体，经反演计算，3号磁性体上顶埋深约520m，倾角87°，总磁化强度为70000×10-3A/m。

在对19线剖面资料处理的基础上，同样利用MAGS3.0软件对11线、3线、4线及12线剖面资料进行人机交互二度半反演，推断4个磁性体，其中1、2、4号磁性体规模较小，3号磁性体规模较大，经反演计算，3号磁性体上顶埋深约590m，倾角85°，总磁化强度为70000×10-3A/m；在3线剖面针对3号磁性体(对应地质控制的Ⅱ号铁矿体)曾施工ZK302和ZK308两个钻孔进行控制，结果是矿体沿倾向控制延深700m，倾向NE，倾角87°，矿体埋深434～1065m。矿体真厚度3.98～7.86m，平均真厚度5.92m。

2.6 磁性地质体的综合推断

综合平面磁异常特征和5条高精度磁测剖面的反演结果，推断本区磁异常的形成应是地下多个磁性体导致的。走向NW，沿走向异常长度大于1900m，宽度约1000m，1∶2000高精度磁测剖面沿走向实际控制长度800m。推断磁异常特征主要有1、2、3、4等4个主磁性体组成，其中3号磁性体引起的异常范围大、峰值高，沿平面异常是本区的主要磁性体，其他磁性体规模远小于主磁性体。以3号磁性体为例，在5条剖面控制范围内异常特征一致且连续，结合平面异常沿走向向两端仍有延续，总长度可达1900m，沿倾向延深大于700m，据3线施工的钻孔揭露矿体的真厚度为5.92m，三维立体表现出引起3号异常的磁性体规模巨大，矿石资源量丰富，具有良好的找(成)矿前景[12]。

3 铁矿体特征

3.1 铁矿体的分布

区内隐伏分布2个矿体(图4)，自西向东为Ⅰ、Ⅱ号矿体，Ⅱ号矿体为主矿体。矿体呈层状、似层状。赋存于泰山岩群山草峪组中下部，属沉积变质型铁矿，矿石为条带状磁铁石英岩、角闪磁铁石英岩。矿体与围岩产状一致，界线明显[13]。估算求得区内铁矿资源量共315.2万t，mFe平均品位20.13%，TFe平均品位23.64%。

1—寒武纪地层；2—山草峪组；3—不整合面；4—铁矿体及编号；5—钻孔编号及位置；6—单工程矿体厚度(m)/mFe品位(%)图4 旧县地区第3勘探线剖面图

Ⅰ号矿体赋存于泰山岩群山草峪组中下部，呈薄层状，走向NW，产状近直立，单工程控制，沿倾向控制斜深约200m，沿走向延伸约280m。矿体厚度1.04m，矿体mFe平均品位18.25%，TFe品位24.55%。

主矿体Ⅱ号矿体赋存于泰山岩群山草峪组中下部，由3个钻孔控制。矿体赋存标高-356m～-993m。矿体埋深512～1144m。矿体呈层状。矿体走向NW，倾向NE，倾角87°左右。沿倾向控制延深约640m，沿走向延伸约433m。矿体厚度1.44～7.86m，平均厚度4.43m。矿体mFe最高品位36.30%，最低品位15.12%，mFe平均品位20.22%；mFe品位变化系数48.41%，矿体TFe最高品位39.43%。最低品位17.43%，TFe平均品位23.60%,TFe品位变化系数55.45%。属品位变化均匀。Ⅱ号矿体铁矿资源量303.4万t。

3.2 矿石质量

3.2.1 矿石矿物成分

矿石的主要岩性为磁铁石英岩、角闪磁铁石英岩[14]。

(1)磁铁石英岩。主要矿物成分为石英、黑云母、角闪石、磁铁矿、斜长石等，粒径一般在1.00～1.50mm之间，岩石交代作用较为明显。

石英：无色透明，他形粒状变晶，集合体基本呈薄层状，具定向性排列，与岩石构造方向近一致，具波状消光现象。

角闪石：绿色—黄绿色，多色性明显，他形柱状、纤状变晶，大小不等，集合体略呈断续的定向分布，集合体与石英集合体相间分布。

黑云母：褐黄色，多色性明显，片状变晶，较为细小，常与角闪石共伴生，与角闪石一起构成条纹，具轻微碳酸盐矿物化蚀变。

斜长石：他形粒状变晶，颗粒较大，在岩石中多呈变斑晶，长轴方向与岩石构造方向略近一致，常被石英穿孔交代。

磁铁矿：黑色不透明，他形粒状，大小不等，多分布于角闪石间隙中，集合体与石英等集合体相间分布，具定向性排列，集合体略呈断续的条带状定向分布[15]。

(2)角闪磁铁石英岩。主要矿物成分为角闪石、石英、磁铁矿及极少许磷灰石，粒径1.00mm左右。

角闪石：绿色—黄绿色，多色性明显，他性柱状、纤状变晶，大小不等，晶粒间局部接触，集合体在岩石中略呈半定向排列，长轴方向与岩石构造方向一致。

石英：无色透明，他形粒状变晶，大小不等，分布于角闪石间隙中，集合体在岩石中略呈半定向排列，长轴方向与岩石构造方向略近一致。局部常常穿孔交代角闪石[16]。

磁铁矿：黑色不透明，他形粒状为主，少许呈半自形粒状，粒径最大约0.40mm，多分布于角闪石间隙中，少许呈包裹体分布于角闪石中、石英内部，晶粒间常常接触，集合体在岩石中略显杂乱—半定向。

3.2.2 矿石的结构构造

(1)矿石结构。矿石的主要结构类型有半自形—他形粒状变晶结构、半自形—自形粒状变晶结构。磁铁矿呈自形晶—他形晶粒状集合体，分布在脉石矿物集合体中或脉石矿物裂隙中，受一定外力作用，多呈条带状、豆荚状，连续分布，定向排列明显。此外，还有半自形鳞片状粒状变晶结构、细粒纤状花岗变晶结构等[17]。

(2)矿石构造。矿石构造主要为条纹—条带状构造，由磁铁矿与角闪石和石英等矿物呈集合体组成条纹或条带相间，条带宽度一般为0.1～1cm，少数2cm以上。

3.2.3 矿石化学成分及有益有害组分

区内矿石属贫铁矿石，矿石有用组分为mFe，TFe。根据物相分析，矿石中磁性铁(mFe)平均为33.11%，碳酸铁(cFe)平均为1.05%，赤(褐)铁(oFe)平均为2.46%，硫化铁(sFe)平均为0.16%，硅酸铁(siFe)平均为2.78%(表2)。

表2 物相分析结果表

根据组合分析样结果(表3)，矿石中有害组分S、P平均含量较低；S平均含量0.12%，P平均含量0.11%。金属元素含量均达不到铁矿石中伴生组分最低质量分数。

表3 组合分析结果登记表

3.3 矿石类型和品级

3.3.1 矿石自然类型

按组成矿石的主要铁矿物划分，矿石主要由磁铁矿组成，矿石类型为磁铁矿石。按矿石中脉石矿物的种类划分，矿石中的脉石矿物主要为石英和角闪石，矿石类型为石英型和闪石型铁矿石。按矿石的结构构造划分，矿石主要为粒状变晶结构，条带状构造，矿石类型为条纹—条带状铁矿石。本矿床矿石的自然类型为条纹—条带状石英闪石型磁铁矿石[18]。

3.3.2 矿石工业类型

研究区内铁矿石属需选工业矿石。Ⅱ号矿体mFe/TFe为85.68%，磁性需选铁矿石；Ⅰ号矿体mFe/TFe为74.30%，属弱磁性需选铁矿石。

3.4 矿体围岩和夹石

3.4.1 矿体围岩

矿体赋存在泰山岩群山草峪组中，矿体顶、底板岩性以黑云变粒岩为主，另有花岗伟晶岩。

黑云变粒岩：岩石呈灰黑色，中细粒鳞片粒状变晶结构，块状构造。主要组成矿物：斜长石(约占35%～50%)，石英(约占25%～35%)，黑云母(约占15%～25%)，角闪石、石榴石、磷灰石、方解石等少量。

花岗伟晶岩：呈脉状，厚度较大。岩石浅肉红色，伟晶结构，块状构造，主要组成矿物为微斜长石70%～80%、石英20%～30%，含少量斜长石、黑云母。部分斜长石分布在微斜长石粒间，发育细密聚片双晶，粒径0.1～0.3mm，局部发生绢云母化。

3.4.2 矿石夹层

Ⅱ号矿体内夹2层夹石，夹石岩性主要为黑云变粒岩及花岗伟晶岩。其中第1层夹石厚度为1.12m，TFe平均品位4.96%，mFe平均品位3.29%。第2层夹石厚度0.58m，TFe平均品位3.47%，mFe平均品位2.84%。

4 矿床成因及找矿标志

4.1 矿床成因

鲁西地区新太古代硅铁建造及其中的变质沉积型铁矿床是泰山岩群的一个组成部分，其与泰山岩群的形成演化过程是一致的。泰山岩群是发育在早期陆壳固结以后的稳定陆块上滨海—浅海环境的火山—碎屑沉积建造。在2700Ma前后，该建造经阜平运动的变质、变形作用的强烈改造，遭受区域性角闪岩相变质，同时受EW向挤压，发生较大规模的NW向褶皱和断裂，以后又有TTG钠质岩浆的侵入活动。

变质沉积铁矿成矿物质源于海底火山喷发作用，铁矿来源与基性火山活动关系密切。在海盆中，胶状氢氧化铁和二氧化硅交替沉积，形成互层状硅铁沉积建造，经受区域变质作用时，在热力和定向压力作用下，产生重结晶作用及片理化作用，形成磁铁矿、石英、角闪石等主要矿物。在矿石中长柱状矿物定向排列，磁铁矿及石英拉长，形成明显的条纹—条带状构造。根据该类铁矿成矿物质来源及形成机制，其成因应属于变质沉积型铁矿[19]。

形成的硅铁建造经过区域变质作用后，铁矿层的形态仍保持其较完整、较稳定的层状特征，在延长、延深方向上，其厚度及形态一般均无很大变化。区域共经历了3期变质作用。

第一期变质作用发生于晚太古代，形成了本区泰山岩群变质岩石组合。变质基性岩中普遍出现的矿物组合为：普通角闪石+斜长石+石英，普通角闪石+黑云母+斜长石+铁铝榴石。变质泥质岩中出现了特征变质矿物十字石，矿物平衡共生组合为：普通角闪石+黑云母+斜长石+石英、黑云母+斜长石+石英+铁铝榴石+十字石。根据特征变质矿物以十字石为主，变质基性岩中角闪石+斜长石+铁铝榴石组合普遍及变质矿物成分、光性特征、矿物对测温资料，说明变质作用进入十字石—蓝晶石带。变质温度条件为500～600℃。递增变质作用不明显，属低温角闪岩相单相变质。该期变质作用以低角闪岩相为主，峰期局部达到高角闪岩相，晚期伴随有大规模的岩浆侵入活动。变质作用与构造变形密切相关，多表现为应力状态下的动态重结晶，岩石内的角闪石、黑云母、石英等定向明显，某些岩石中发育有线理构造，且线理拉伸方向多与片麻理走向一致，不同岩石中的矿物定向方位相同，表明研究区应力作用的继承性和稳定性。

第二期变质作用发生于早元古代初期。变质基性岩中出现的矿物平衡组合为：阳起石+透闪石+钠长石+石英。矿物组合反应变质作用属中压绿片岩相变质。推测变质温度条件为400～570℃。伴随着变质作用过程变形显著，侵入体片麻理化，地层局部片麻理化形成绿片岩。变质作用类型属中压区域动力热流变质作用。

第三期变质作用发生于早元古代末期，形成了本区浅部构造相糜棱岩带。在早元古代侵入体内形成了相对较弱的片麻理。糜棱带内长石表现为脆性变形，石英完全表型为塑性变形。新生矿物为绿帘石、绢云母、绿泥石。反映变质温度条件为350～500℃。推测变质作用属低绿片岩相变质。

4.2 找矿标志

根据矿床成因类型，结合铁矿床的具体特点，认为本区找矿标志有以下几个方面：

(1)地层标志：新太古代泰山岩群山草峪组变质地层是寻找“鞍山式”铁矿的有利层位。

(2)地球物理标志：高精度磁测结果表明，在磁铁矿体分布地段，可引起明显的高磁异常，经钻探验证，异常与矿体吻合较好。因此，磁异常是寻找“鞍山式”铁矿的间接标志。矿石具较强磁性是寻找该类矿床的一个重要物性特征。所以，在泰山岩群分布区的磁性异常是寻找该类型矿床的重要标志[20]。

(3)矿体的赋存特征标志：矿体呈层状、似层状、透镜状、串珠状产出。其产状大体与围岩片麻理产状一致，矿体沿走向多呈带状展布，其尖灭再现分支复合现象明显[21]。沿已有磁铁矿体走向追索是寻找“鞍山式”铁矿的重要标志。

5 结论

(1)在新太古代鲁西地区海底火山喷发进一步沉积之后；再进行剥蚀搬运沉积，喷发与沉积作用交替发生，在漫长的区域变质作用下，然后形成了含铁BIF型铁矿。铁矿在形成过程中经历了3期变质作用。在矿石中主要矿物磁铁矿、石英、角闪石等定向排列，形成明显的黑白相间条带状构造。

(2)矿床具层控特性。多呈层状、似层状、透镜状产出。产状与围岩片麻理产状一致，矿体沿走向多呈带状展布，尖灭再现分支复合现象明显。沿已有磁铁矿体走向追索是寻找“鞍山式”铁矿的重要标志，泰山岩群分布区的磁性异常也是寻找该类型矿床的重要标志。

(3)本区内隐伏有大规模山草峪组，主要岩石类型为黑云母变粒岩、黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩及角闪石英岩等。从1∶1万高精度磁测图和航磁异常图分析，区内磁异常长轴长约1200m，短轴约640m，异常峰值800nT，强度和规模均较大。经普查证实区内磁异常为矿致异常。综合分析认为，通过进一步工作有望扩大矿体规模。