东南极南查尔斯王子山条带状含铁建造(BIF)的基本特征及成矿潜力

2021-11-26淼刘晓春

地质力学学报 2021年5期

关键词：含铁查尔斯铁矿

李淼刘晓春

1.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081;

2.中国地质调查局极地地质研究中心,北京 100081;

3.自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室,北京 100081

0 引言

2020年,一场席卷全球的新冠疫情导致除中国以外的全球主要经济体出现明显衰退,波罗的海指数显示中国铁矿石需求呈现首次连续三年增长的趋势,表明国内经济发展进一步企稳和逐渐恢复。然而,中国自身铁矿石品位低,资源禀赋较差、开发利用成本高,导致近年来国内铁矿石对外依存度持续居高不下;另一方面,以澳大利亚力拓(RIO)、必和必拓(BHP)和巴西淡水河谷(VALE)三大公司为代表的巨头促使全球铁矿供应格局向着更为垄断和集中的方向发展(赵立群等,2020)。面对风起云涌的日益复杂的国际形势,本着未雨绸缪的出发点,进一步摸清南极地区铁矿石矿产资源的分布、成矿地质背景和成矿潜力具有长远的极其重要的战略意义。

在整个南极大陆,除西福尔丘陵 (Vestfold Hills)、威尔克斯地 (Wilkes Land) 和邦杰丘陵(Bunger Hills)等局部地区有少量含铁建造及其转石外,在毛德皇后地(Dronning Maud Land)中西部的紫苏花岗岩侵入体的接触带中也发现有少量脉状铁矿石,而主要的前寒武纪含铁建造出露在南查尔斯王子山 (Southern Princes Charles Mountains)和恩德比地(Enderby Land) (Tingey, 1990;陈廷愚,1996)。其中南查尔斯王子山被认为是最具铁矿资源潜力的地区,也是距中国科考站最近的矿产资源,距离中山站约600 km,相对来说也是最便于运输和开发利用的矿产资源。文章重点总结了南查尔斯王子山条带状含铁建造(BIF)的基本特征,综合该区基础地质和包括航磁异常、高精度磁异常等在内的地球物理资料,初步探讨了该含铁建造的成矿潜力和资源利用价值,继而为南极地区将来潜在的可开发资源的综合利用提供地质依据。

1 区域地质背景

查尔斯王子山是在1947年美国海军飞机高空跳伞演习中首次被发现的,并在1954年由澳大利亚南极考察队命名。查尔斯王子山沿兰伯特冰川 (Lambert Glacier) -埃默里冰架 (Amery Ice Shelf)流域的西缘出露,总体延伸长度超过500 km,基本上是东南极地盾出露最好的连续露头(图1a)。在地貌上查尔斯王子山呈离散的冰原岛峰和陡峭的平顶山分布在东南极兰伯特冰川-埃默里冰架的西缘,其地貌景观明显受兰伯特冰川及其支流的控制,而兰伯特冰川最终汇入埃默里冰架并与普里兹湾(Prydz Bay)相连接(Tingey, 1982)。

图1 查尔斯王子山-普里兹湾地区地质简图和鲁克地体地质简图(图中黑色区域为岩石露头)Fig.1 Geological sketch map of the Prince Charles Moutains-Prydz Bay region showing its location in East Antarctica(a) and Geological sketch map of the Ruker terrane(b)a is after Liu, 2009; b is modified after Phillips et al., 2005; The black areas represent outcrops.

根据已有的地质年代学数据 (Mikhalsky et al., 2001; Phillips et al., 2006; Boger et al., 2006; 刘晓春,2009),查尔斯王子山从北向南依次可以划分为中—新元古代雷纳杂岩(Rayner Complex)、中元古代费希尔地体(Fisher Terrane)、古元古代兰伯特地体(Lambert Terrane)和太古宙鲁克地体(Ruker Terrane)。

雷纳杂岩主要由长英质-镁铁质正片麻岩夹副片麻岩和花岗岩、紫苏花岗岩组成,总体经历了格林维尔期麻粒岩相变质、变形和大量岩浆作用,之后经过泛非期变质作用改造并伴随有花岗岩和伟晶岩侵位,一般可达麻粒岩相 (Carson et al., 2000; Boger et al., 2002; Halpin et al., 2007, 2012; Morrissey et al., 2015, 2016)。费希尔地体主要为变质侵入岩、变质双峰式钙碱性火山岩和变沉积岩组成,经历了比雷纳杂岩变质程度更低的格林维尔期变质作用 (Beliatsky et al., 1994; Mikhalsky et al., 1996,1999),并且在变泥质岩中发现有泛非期变质作用改造 (De Vries Van Leeuwen et al., 2019)。兰伯特地体由古元古代正片麻岩、变沉积岩和少量花岗岩脉组成,记录了格林维尔期岩浆变质作用 (Corvino et al., 2008; Phillips et al., 2009),南部正片麻岩发现有泛非期变质作用改造和花岗岩侵入(Boger et al., 2008)。

鲁克地体主要由太古宙鲁克杂岩(又称廷吉杂岩(Tingey Complex))组成,其主体由中太古代(3190～3170Ma)花岗质片麻岩基底构成(Boger et al., 2006;Mikhalsky et al., 2006),上覆门席斯群(Menzies Group)、斯蒂尼尔群(Stinear Group)、鲁克群(Ruker Group)和Sodruzhestvo群四个不同时代的变质沉积岩和变质火山岩系列(图1b,图2;Phillips et al., 2005, 2006, 2007)。门席斯群主要为中太古代(3150 Ma之后沉积)砾岩、石英岩、泥质或钙质变沉积岩和角闪岩;斯蒂尼尔群为新太古代(2800 Ma之后沉积)石英岩;鲁克群为古元古代(2500 Ma之后沉积)绿片岩相镁铁质-长英质变质火山岩、变质粗玄岩岩床、变泥质片岩、板岩、千枚岩和条带状铁矿石;Sodruzhestvo群为一套推测时代为中—新元古代(1040 Ma之后沉积)、成分更偏钙质的绿片岩相变质沉积岩组合,包括变泥质岩、钙质片岩、千枚岩和板岩,含少量大理岩、石英岩和变质砾岩(Mikhalsky et al., 2001),该岩石系列局部保留了波痕构造和交错层理等原始沉积构造的特征(Phillips et al., 2005)。有证据表明鲁克地体的基底和上覆门席斯群盖层在太古代(2790～2770Ma)一起发生了高角闪岩相变质作用,随后伴有2650Ma的伟晶岩脉侵入 (Boger et al., 2006)。在泛非期发生了包括Sodruzhestvo群在内的低角闪岩相-绿片岩相变质作用,伴随局部花岗岩的侵位(Mikhalsky et al., 2001)。

图2 南查尔斯王子山年代地层学划分(据Phillips et al., 2006修改)Fig.2 Regional chronostratigraphic division for the southern Prince Charles Mountains(modified after Phillips et al., 2006)

2 南查尔斯王子山BIF的基本特征

2.1 地质产状

南查尔斯王子山最主要的条带状含铁建造呈北西走向,出露在鲁克山(Mount Ruker)的鲁克群变沉积岩层序中,不整合覆盖在鲁克山东端的太古宙花岗质片麻岩之上(图3)。变质沉积岩序列可分为上部火山-沉积岩系和下部火山岩系。这些岩石均以构造板片的形式出现,构造方向与面理一致,优势走向北西向,向南西倾,倾角30°～75°,显示了构造叠加和逆冲构造作用的影响(Mikhalsky et al., 2001)。

图3 鲁克山地质简图(Mikhalsky et al., 2001)Fig.3 Geological sketch map of Mount Ruker(Mikhalsky et al., 2001)

上部火山-沉积岩系由磁铁矿-云母-石英板岩(变泥质岩)、绿泥石-云母-石英板岩和石英岩(变质凝灰岩、凝灰质砂岩、砂岩)、方解石-云母-斜长石-石英板岩(长英质变质火山岩)、变质砾岩和凝灰质角砾岩组成;下部火山岩系主要由黑绿色—灰绿色变质玄武岩和绿泥石-阳起石片岩(40%)、变质中酸性火山岩(20%)、变质粗玄岩(25%)和条带状含铁建造(15%)组成。条带状含铁建造呈透镜状或薄层状出露在火山岩系的下部,主体含铁建造(碧玉岩)总厚度达400m(Ravich et al., 1982; Mikhalsky et al., 2001)。较薄的矿层夹绿泥石-碳酸盐片岩、钙质石英岩、变质砂岩、变质粉砂岩和变质基性火山岩,可见铁矿层与硅质岩层同时发生褶皱变形,如半波纵弯褶皱、扁平同心褶皱和尖顶褶皱等 (Mikhalsky et al., 2001)。在条带状含铁建造的顶部近构造接触带的部位可见含铁建造和变质辉长岩之间呈侵入接触的构造关系,变质辉长岩侵入到碧玉铁质岩形成0.3～0.5m的冷凝边 (Ravich et al., 1982)。此外,接触带中的变质基性岩被强烈剪切变形成绿片岩相岩石,片理平行于周围的含铁岩石。

由于鲁克山基岩露头有限,地势险峻,加之已经完成的野外工作也非常有限,造成有关条带状铁矿建造的具体厚度的估算仍有很大的不确定性。Soloviev et al.(1967) 在基岩露头 (73°38′S;68°40′E)发现的含铁建造层厚约70m;England and Langworthy(1975)则估计了一个可见的750m厚的条带状含铁矿建造,但这一厚度可能远大于含铁建造 (矿层)的真实厚度;Ravich et al.(1982)曾描述鲁克山含条带状铁矿层位的总厚度近400 m,其在鲁克山最东端连续陡崖的一个大的露头(长1km、厚100～150m)中识别出30～50m厚的含铁建造。Ravich et al.(1982)认为含铁建造与层状片岩(石英片岩、石英-绿泥石片岩和云母-绿泥石片岩)、微粒石英岩和变质基性岩呈互层产出,含铁建造呈薄层状,强烈褶皱变形,轴面为北西—南东向60°～70°。由此可见,鲁克山不同地点的含铁建造厚度应有所差异,大致位于30 m至70 m之间。

2.2 矿石矿物特征

鲁克山条带状含铁建造呈灰黑色和淡紫黑色,主要由1～2cm厚的不透明矿物层和2～3cm厚的石英层组成。不透明矿物层主要由粒度从0.05mm到0.8～1.0mm不等的具粒状变晶结构的磁铁矿和褐铁矿以3∶2的比例呈多面聚集体组成,在不透明矿物层中,可见透镜状淡色的不超过2～3mm的微纹层,由石英和微小的半自形的不透明矿物组成(Ravich et al., 1982)。主要的石英层包含呈透镜状产出的粒状磁铁矿和褐铁矿颗粒聚集体(15%～20%),或作为不规则包裹体出现在石英层中。在一些不透明矿物层中,镜下可见赤铁矿被磁铁矿取代,磁铁矿和赤铁矿又被褐铁矿取代的现象(Ravich et al., 1982)。

除了石英和不透明矿物外,含铁建造还包含菱铁矿、铁白云石、白云石和方解石等碳酸盐矿物以及钠闪石、微斜长石和钠长石,有些岩石还含有黑硬绿泥石和磷灰石(Mikhalsky et al., 2001)。针状、长柱状或呈聚合变晶集合体的钠闪石和微斜长石、钠长石和云母被包裹在主要的薄层中;钠长石和微斜长石通常以薄层状分布在不透明矿物层与石英接触的部位;大量的次生碳酸盐矿物大多沿岩层层面分布,局部可见菱铁矿聚集在磁铁矿集合体周围(Ravich et al., 1982)。在角砾岩化的含铁建造中,含铁建造甚至与石英聚合体、方解石和菱铁矿相胶结,最大的角砾还包含了黄铁矿和重结晶的赤铁矿 (Ravich et al., 1982)。

对一些含铁建造的矿石化学分析显示SiO2含量为29.8%～61.4%,全铁含量24.1%～45.9%,平均为33.5% (Tingey, 1991),其他氧化物的总量不超过6%～7%,S和P的含量均较低,此外含有0.2%的Ni,Cu、Cr、Co、Zr的含量在0.001%～0.01%之间(Ravich et al., 1982),Pb和Zn含量也较低 (Mikhalsky et al., 2001)。

2.3 地球化学特征及成因

最新的地球化学研究表明,鲁克山条带状含铁建造具有低Al、Zr、Hf和Sc含量的特点,稀土总量较低,亏损Nd,稀土配分模式与镁铁质变火山岩类似,说明条带状含铁建造的形成过程可能与变质火山岩有联系 (Ernst and Bau, 2021),在铁建造的分类上属于介于苏必利尔湖型含铁建造和阿尔戈马型含铁建造之间的过渡类型(Mikhalsky et al., 2001)。燧石层富集Ni并具有高Ba/Sr比值,类似其他早前寒武纪条带状含铁建造的特征(Ernst and Bau, 2021)。页岩标准化稀土配分模式图中表现为类似于现代海水的稀土配分模式,如亏损轻稀土,富集重稀土,具有La、Gd和Y正异常等地球化学特征;但是相对海水又显示具有Eu正异常、无Ce 异常 (Ernst and Bau, 2021)。这些特征表明高温热液作用在大气圈-水圈处于还原条件下,将REE和Y元素加入到海水之中。高于球粒陨石的Y/Ho比值表明含铁建造的条带并不是铁质沉积之后分离形成的,而是原始同沉积构造作用形成的 (Ernst and Bau, 2021)。因此,南查尔斯王子山条带状含铁建造可能是由海底热液喷流形成的,为热水沉积成因。每次海底热液喷溢活动都造成Si和Fe依次先后沉淀,分别形成硅质层和铁质层。海底热液喷气的周期性活动形成了具明显条带状构造的含铁建造,一套韵律层也相应地代表了一次海底热液喷溢活动。

3 查尔斯王子山的磁异常特征

由于南极大陆98%的地表面积被冰雪覆盖,基岩露头出露极其有限,因此基于地球物理学上的航空重力、磁力和冰雷达等探测手段对于进一步认识南极冰下大陆的基底特征、构造格架及构造演化有重大意义。

早期对查尔斯王子山-埃默里冰架的航磁调查表明,航空磁测数据显示出两条宽度约5～10 km的正磁异常条带,并从南查尔斯王子山鲁克山地区向西延伸约120～180 km,该异常被认为是向西延伸的条带状含铁矿建造引起的 (Ravich et al., 1982)。Golynsky et al.(2002)收集了近五十多年来的航空磁测资料,汇编出了最完整的南极航磁轨迹图和磁异常图;基于兰伯特冰川-查尔斯王子山脉地区详细的航磁数据,利用ER Mapper软件系统(Earth Resource Mapping, 1995),完成了该地区的地质和构造历史磁异常图像(图4a)。从图中可以看出,北查尔斯王子山地磁构造呈北东向展布,南查尔斯王子山最显著的磁异常是呈近东西向展布,与鲁克山条带状含铁建造有关(Golynsky et al., 2002)。

图4 埃默里冰架、兰伯特冰川及查尔斯王子山地区航磁异常图和南查尔斯王子山鲁克地体磁异常区划分图Fig.4 Colour shaded-relief map of the magnetic anomalies for the Amery Ice Shelf, Lambert Glacier and Prince Charles Mountains(a) and Magnetic signature of the geophysical domains in the southern Prince Charles Mountains(b)a is modified after Golynsky et al., 2002; b is modified after McLean et al., 2008.

南查尔斯王子山鲁克山地区的磁异常走向呈东西向,长约130 km,明显具有高强度、高振幅、长波长的特征,磁异常的峰值为3351 nT,南侧边缘则显示较陡的地磁梯度异常;而周边其他地区主要为短波长、低振幅、低地磁梯度异常(Golynsky et al., 2002,2006; McLean et al., 2008)。根据磁异常特征,McLean et al.(2008)还将南查尔斯王子山划分为四个区域,由东北向西南依次划分为东北区、高磁异常区、低磁异常区和高振幅区,分别代表不同的磁场强度、结构和构造方向(图4b)。其中,高振幅区包括了伯德山、鲁克山和贝利斯山等地的露头,在鲁克山的北北东端具有最陡的地磁变化梯度(642 nT/km),振幅最高达4500 nT,该区域最明显的特征是有两条宽约10 km的东西向展布的高磁异常区域,北部的一条大约50 km长并向西收窄约5 km,南侧的一条相对略长并向西方向延伸60 km (McLean et al., 2008),这两条磁异常带对应鲁克山条带状含铁建造的空间展布。另外,鲁克山条带状含铁建造279件样品的磁化率在(118～80830) ×10-5SI之间,平均为27483×10-5SI(McLean et al., 2008)。

4 条带状含铁建造的成矿潜力分析

航磁异常通常是BIF在区域上最有效的找矿标志,在矿产勘查中得到广泛应用。高精度磁测通常可以作为铁矿体空间形态和矿石质量的重要判断依据,一般来说,高磁异常梯度带对应矿体顶板位置,指示矿体的倾向,梯度带的缓急与铁矿体倾角相关;高磁异常的宽度,指示了磁铁矿体或矿体群分布范围;磁异常的极值大小,预示矿体稳定性和深部延伸规模(曾瑞垠等, 2020)。

由于目前缺乏实地踏勘路线及测量资料,文中试图通过利用高精度磁测资料对南查尔斯王子山条带状含铁建造进行资源量预测,并对其成矿潜力做简要分析。通过对航磁异常区的磁测剖面测量,圈定出鲁克山条带状含铁建造包含北侧矿体和南侧矿体两个异常带(McLean et al., 2008;图4b)。利用航空磁测资料对查尔斯王子山做三维反演模拟的结果表明,北侧矿体为层状结构,走向近东西向,长约50 km,并以约45°角向南倾斜至地表深度7 km以下,厚度约为2 km;南侧矿体为一个较厚(约5km)的地质体,也是向南陡倾,在地表以下约8 km处突然尖灭 (McLean et al., 2008)。根据鲁克山条带状含铁建造的矿床地质特征及产出环境,结合物探特征等建立了该地区沉积变质型铁矿预测模型,见表1所示。

表1 南查尔斯王子山鲁克地体条带状含铁建造铁矿预测模型Table 1 The metallogenetic prospect model of iron ore in banded iron formation in the Ruker Terrane, southern Prince Charles Mountains

通常来说,铁矿石的论证并达到工业指标为边界品位TFe为10.00%,工业品位TFe为13.00%,可采厚度2.00 m,夹石剔除厚度2.00 m(万平益等, 2020)。鲁克山条带状含铁建造中铁矿石标本的铁矿石品位在24.1%～45.9%之间,平均为33.5%(Tingey, 1990),厚度30～70 m,完全达到工业可采化标准。

资源量预测主要参考了万平益等(2020)运用的方法和参数。鲁克山条带状铁建造矿体平均倾角为45°,属于陡倾斜产出矿体,采用垂直投影面积计算截面积;利用对航磁异常区的磁测剖面测量的矿体面积进行圈算,求出预测矿体截面积(S);预测真面积(S′)=预测矿体截面积(S) /sin45°。预测矿体体积(V′)=预测真面积(S′)×含铁矿体的估算厚度。预测矿石量(Q′)=预测矿体体积(V′)×矿石平均小体重(T)。其中,矿区磁异常预测资源量计算时,参考类似的沉积型铁矿石小体重与品位的线性相关关系,即:铁矿石小体重值=2.74+0.026×铁品位 (边荣春等, 2014),可以得出鲁克山条带状含铁建造的平均矿石小体重(T)为2.75 t/m3。含铁矿体的估算厚度按照30～70m计算。

按照以上方法分别计算南北两条矿体的资源量,得出北侧矿石总体资源量在408～953亿吨,南侧矿石总体资源量在560～1307亿吨,南查尔斯王子山铁矿石总资源量大致为968～2258亿吨(表2)。因此,从成矿规模上来说,该铁矿石还是具有超大型铁矿的成矿规模。虽然航磁异常推测深度达7～8km,但目前铁矿的勘探深度主要集中在地表以下1000 m 深度以浅(刘群等,2013),比如具有明显的层控性的鞍本地区铁矿,许多大型、超大型铁矿床勘探程度一般控制在沿倾斜延伸500～700 m(张朋等,2012)。因此,对南查尔斯王子山的铁矿资源来说,目前可开采的资源量在128～299亿吨(按照最大勘探深度1000 m计算可采资源量)。然而,由于南查尔斯王子山距离海岸过于遥远,加之南极地区总体气候条件比较恶劣,从经济学角度来说其总体开采和运输成本较高。鉴于《南极条约》对南极的开发和利用仅仅以科学研究为目的的局限性,南查尔斯王子山的铁矿资源目前仍属于不可开采的区域范围。

表2 南查尔斯王子山鲁克地体条带状含铁建造铁矿预测资源量Table 2 The potential resource of iron ore in banded iron formation in the Ruker Terrane,southern Prince Charles Mountains