弓长岭铁矿床二矿区黑云母变粒岩稀土微量元素特征及其指示意义

吴明刚,夏建明

(1. 中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100； 2. 烟台黄金职业学院，山东 烟台 265401； 3. 东北大学秦皇岛分校资源与材料学院，河北 秦皇岛 066004)

0 前 言

弓长岭铁矿床二矿区位于鞍山-本溪地区中部，华北板块东北端，以鞍山式铁矿闻名，其中富铁矿尤为突出，但由于该区地质作用的复杂性与漫长性，使原有地质特征被叠加改造，新的地质特征被添加，为铁矿床的研究带来重重阻力。黑云母变粒岩层(K层)贯穿全区，为二矿区的标志层，为条带状磁铁矿石主要围岩之一(见图1)，查明该层黑云母变粒岩原岩及成岩环境对铁矿床成矿环境及富铁矿成矿机研究制意义重大。前人对其进行的相关研究结论不一，原岩恢复方面研究结论集中在中酸性凝灰岩、含火山灰的中酸性火山熔岩、英安质火山碎屑沉积岩、大陆岛弧杂砂岩和中酸性英安质凝灰岩；形成环境则有大陆边缘的陆棚浅海环境、动荡的浅海环境、大陆岛弧和弧后盆地等[1-7]。上述研究对黑云母变粒岩的原岩恢复和形成环境的分析侧重于基础地质特征和岩石化学特征，对稀土元素特征及分析涉及较少。稀土元素作为一组特殊的微量元素，地球化学性质极为相似，在地质-地球化学作用过程中整体活动，除经受岩浆熔融外，整体组成特征基本不被破坏[8]。其独特的地球化学特征，在变质岩原岩恢复及原岩成岩环境判别中应用广泛[9]。本文在总结前人研究成果的基础上，对二矿区黑云母变粒岩的稀土微量元素特征进行了相应的分析和研究，认为其原岩为陆相沉积杂砂岩，沉积环境为大陆岛弧氧化环境。

1 矿区地质特征

弓长岭铁矿床赋存于太古代绿岩带内，根据矿体出露位置共分4个矿区：一矿区、二矿区、三矿区和老岭-八盘岭矿区(包括老弓长岭、独木、哑叭岭和八盘岭)，其中二矿区位于弓长岭背斜的北翼，寒岭断裂与老岭断裂之间，呈单斜状残留体产于大片混合花岗岩中，弓长岭铁矿床二矿区地质特征见图1。

1.第四系；2.下奥陶统；3.上下混合岩；4.硅质岩；5.斜长角闪岩；6.黑云变粒岩(K层)；7.绿泥角闪片岩；8.绿泥云母片岩；9.底部角闪岩；10.较富铁矿石；11.条带状磁铁石英岩；12.类矽片岩；13.长英岩脉；14.实测及推测断层；15.横向断层；16.勘探线

矿区出露地层主要为太古宙鞍山群茨沟组，其岩性主要为斜长角闪岩、黑云变粒岩、片麻岩夹磁铁石英岩，厚度>2 000 m，是主要含铁层位。含铁层位自下而上划分为6层：底部角闪岩、底部片岩、下含铁带、中部黑云母变粒岩带(K层)、上含铁带和硅质岩层[4]。①底部角闪岩，主要由斜长角闪岩、黑云母角闪岩和绿泥角闪岩等组成，局部夹有薄层的磁铁石英岩；②底部片岩，主要由绿泥云母片岩、石英云母片岩、石英绿泥片岩和滑石片岩等组成；③下含铁带，主要由Fe1铁矿层，中部钠长角闪岩、磁铁角闪岩和绿泥角闪片岩等，Fe2铁矿层组成；④中部黑云母变粒岩带(K层)主要由黑云变粒岩和Fe3铁矿夹层组成[10]；⑤上含铁带主要由Fe4铁矿层、下斜长角闪岩、Fe5铁矿层、上斜长角闪岩和Fe6铁矿层组成，其中Fe6铁矿层为本矿区最厚的一层铁矿，且有大量的富铁矿石产出；⑥硅质岩层主要由白云母石英片岩、石英岩和透闪石英岩等组成[11]。

矿区两侧被寒岭断裂和偏岭断裂切割，构造发育，褶皱和断裂齐全，控制着矿体的形成和分布，褶皱为反“S”形弓长岭背斜北翼，对铁矿层的控制不明显，断层为一系列走向断层(如大砬子走向逆断层、F3走向正断层和T6断层等)和横向断层(大砬子横断层F1，横断层N1、N2和N4等)[12]。

研究表明，矿区至少存在2种类型花岗岩，一类为2.99 Ga左右形成的弓长岭片麻状花岗岩，形成于条带状磁铁石英岩之前，岩石呈灰白色，矿物组合为斜长石、钾长石、石英和少量黑云母；另一类为2.5 Ga左右形成的麻峪花岗岩，形成于条带状磁铁石英岩之后，包括较早的钠质花岗岩和较晚的钾质花岗岩，岩石呈灰白色或肉红色，矿物组合为微斜长石、石英和少量云母等[13]。

2 样品处理

本次研究选取弓长岭铁矿床二矿区K层10件黑云母变粒岩，对其进行详细的镜下观察，并送样至澳实分析检测(广州)有限公司进行稀土微量元素含量分析。分析采用等离子体质谱仪(ICP-MS)进行ME-MS81(硼酸锂熔融、等离子质谱定量)化验，总体分析精度优于5%。

3 黑云母变粒岩稀土微量元素特征

弓长岭铁矿床二矿区K层厚70～180 m，走向120°～160°，倾向北东，倾角60°～85°，主要由黑云母变粒岩组成，夹有黑云角闪变粒岩、黑云钠长变粒岩、钠长角闪变粒岩和磁铁石英岩(Fe3)薄层。其中黑云母变粒岩主要为片麻状构造，鳞片粒状变晶结构，主要含斜长石、石英和黑云母，局部存在磷灰石、锆石、榍石和电气石，个别样品含有碳酸盐岩，常见绢云母化和绿泥石化[11]。

弓长岭铁矿床二矿区10件黑云母变粒岩稀土微量元素测试结果见表1，其中球粒陨石标准采用Taylor等(1985)的数据[14]，铕异常与铈异常分别采用δEu=2EuN/(SmN+GdN)，δCe=2CeN/(LaN+PrN)进行计算。

二矿区10件黑云母变粒岩稀土元素总量∑REE范围为69.83×10-6～138.04×10-6，均值110.37×10-6，稀土配分模式为右倾型；LREE范围为60.52×10-6～127.27×10-6，均值100.97×10-6；HREE范围为7.41×10-6～10.91×10-6，均值9.40×10-6；LREE/HREE比值6.50～12.88；(La/Yb)N比值5.72～5.23(见表1)，由此得出二矿区轻稀土富集，重稀土亏损，轻、重稀土分异明显，显示较高的分异程度。δEu范围0.80～0.96，均值0.86，呈弱负异常，表明其原岩形成与热液活动关系不密切，δCe范围0.90～0.95，均值0.92，具极弱的负异常，反映弱还原-氧化环境；微量元素原始地幔标准化蛛网图具体表现在亏损高场强元素Nb、P和大离子亲石元素Ba、Sr，高场强元素P可能由变质作用过程中在磷灰石等矿物的结晶分异引起[6]，亏损大离子亲石元素Ba、Sr，Y/Ho值范围为24.33～7.35，均值26.33，接近于上地壳平均值27，表明二矿区黑云母变粒岩原岩形成环境较浅，可能来源于上地壳(见图2～3)。

表1 黑云母变粒岩稀土微量元素含量及特征值参数 ×10-6

图2 稀土元素球粒陨石标准化分布形式

图3 微量元素原始地幔标准化蛛网

4 原岩恢复及沉积环境判别

4.1 原岩恢复

本区K层黑云母变粒岩的原岩恢复长期以来一直争议不断。20世纪80年代，孙岱生等[1]通过黑云母与斜长石、石英等形成的变余微层理构造，认为黑云母变粒岩原岩为中酸性凝灰岩经区域变质而成。李曙光等[2]通过岩相及矿物组成、岩石化学和微量元素特征等方面研究认为二矿区黑云母石英钠长变粒岩(K层)的物质来源不是单一的，一部分为火山熔岩，另一部分可能是火山灰，原岩应为为含火山灰的中酸性火山熔岩，沉积环境为大陆边缘的陆棚浅海环境。万渝生等[3]综合分析程裕淇[4]、陈光远等[5]的研究成果认为K层黑云母变粒岩组原岩为英安质火山碎屑沉积岩，沉积环境为动荡的浅海环境。21世纪初，王恩德等[6]通过岩石化学和微量元素特征等方面的研究认为，二矿区黑云母变粒岩原岩来源于上地壳，岩性为大陆岛弧杂砂岩。陈继宏等[7]通过主量元素特征图解分析认为黑云母变粒岩原岩为中酸性英安质凝灰岩。

稀土元素中，Sm/Nd比值是反映物质来源和的∑REE分馏程度重要参数，如地幔为0.260～0.375，大洋玄武岩为0.234～0.425，而源于壳层的花岗岩类以及各类沉积岩一般小于0.3，该区黑云母变粒岩Sm/Nd=0.17～0.22，均值0.18，属于源于壳层的花岗岩类以及各类沉积岩[15]。研究区中，在一些露头上可见明显的微层理、递变层理、斜层理等现象[1,16]；在黑云母变粒岩中，部分矿物存在不同程度的磨圆度[7]，且部分学者测得二矿区黑云变粒岩锆石年龄集中于2.5 Ga～2.7 Ga[13,17]，早于鞍山-本溪地区条带状硅铁建造年龄2.5 Ga[18]。综合以上结论，二矿区黑云母变粒岩原岩为沉积岩而不是火成岩。稀土元素La/Yb-REE图解显示(见图4)，原岩表现为砂质岩或杂砂岩；黑云母变粒岩岩石主量元素化学成分分析结果(见表2)及[(Al+Fe+Ti)/3-K]-[(Al+Fe+Ti)/3-Na]图解的分析(见图5)进一步表明二矿区黑云母变粒岩的原岩为杂砂岩。

表2 黑云母变粒岩岩石化学成分分析结果 %

1.Ⅰ为斜长角闪岩；2.Ⅱ为砂质岩和杂砂岩区；3.Ⅲ为页岩和黏土岩区；4.Ⅳ为碳酸盐岩区

1.基性火山岩；2.亚杂砂岩；3.杂砂岩；4.页岩、泥质碳酸盐岩；5.长石砂岩

4.2 沉积环境判别

稀土微量元素研究中，V/Cr、Ni/Co和U/Th也是对沉积环境判别的可靠指标。在亚氧化环境、缺氧(还原)环境下，V/Cr、Ni/Co和U/Th分别大于4.25、7和1.25，小于2、5和0.75，分别对应氧化环境，在贫氧环境下分别在二者之间[19]。本区10件样品V/Cr=1.18～3.65，均值2.32；Ni/Co=2.85～6.11，均值3.81；U/Th=0.23～0.36，均值0.29，总体反映氧化沉积环境，这与δCe表现为极弱负异常一致。

Sr/Ba值常用来作为区分淡水和咸水沉积的标志[20]，一般认为，海洋沉积Sr/Ba>1,陆相沉积Sr/Ba<1[21]。本区10件黑云母变粒岩样品，除HB-5样品Sr/Ba=1.30，其余9件样品Sr/Ba=0.13～0.58，均值0.31，均小于1，总体显示为陆相沉积；同时，该区黑云母变粒岩REE显示轻稀土富集，贫重稀土，δEu有轻微的负异常，几乎无δCe异常，表明其物源区具有亲陆源性质[21]，综合表现为陆相沉积。

构造环境判别方面，该区10件黑云母变粒岩样品w(Th)=8.46×10-6～10.50×10-6，均值9.64×10-6；w(U)=1.96×10-6～3.53×10-6，均值2.81×10-6；Zr/Th=12.25～17.16，均值14.16；w(La)=13.3×10-6～31.6×10-6，均值24.7×10-6；Th/U=2.82～4.43，均值3.48；La/Y=1.01～2.33，均值1.87；Ti/Zr=20.87～27.17，均值23.60；Th/Sc=0.60～1.31，均值0.87；La/Sc=1.33～3.01，均值2.17；La/Th=1.44～3.25，均值2.58；w(Co)=9×10-6～22×10-6，均值16×10-6；w(Zr)=124×10-6～158×10-6，均值135.7×10-6。据杂砂岩构造环境判别框图(见图6)及不同构造环境稀土微量元素特征值对比(见表3)，二矿区黑云母变粒岩稀土微量元素特征值基本与大陆岛弧特征值一致。同时，在该区构造环境La/Sc-Ti/Zr判别图解中(见图7a)，5个样品点落于大陆岛弧中，3个点落于活动大陆边缘且靠近大陆岛弧部分，2个点落于二者之间；La-Th判别图解中(见图7b)，有9个样品点落于大陆岛弧[21]；综合以上结论，弓长岭铁矿床二矿区黑云母变粒岩原岩形成于大陆岛弧。

图6 杂砂岩构造环境判别图解

表3 不同构造环境稀土微量元素特征值对比

1.A为大洋岛弧；2.B为大陆岛弧；3.C为活动大陆边缘；4.D为被动大陆边缘

5 结 论

1)弓长岭铁矿床二矿区黑云母变粒岩稀土配分模式为右倾轻稀土富集型，LREE/HREE比值6.50～12.88.64，(La/Yb)N比值5.72～15.23，轻、重稀土分异明显，显示较高的分异程度，具较弱δEu负异常和极弱的δCe负异常，总体显示较高的分馏程度，微量元素方面亏损高场强元素Nb、P和大离子亲石元素Ba、Sr。

2)研究区黑云母变粒岩部分矿物存在不同程度的磨圆度，稀土元素La/Yb-REE图解和主量元素[(Al+Fe+Ti)/3-K]-[(Al+Fe+Ti)/3-Na]图解表明二矿区黑云母变粒岩的原岩为杂砂岩；且V/Cr、Ni/Co和U/Th指标反映了氧化沉积环境，与δCe表现为极弱负异常一致，Sr/Ba值显示出陆相沉积特征。

3)研究区黑云母变粒岩w(Th)、w(U)、Zr/Th和w(La)等元素特征值和构造环境La/Sc-Ti/Zr判别图显示结果均显示弓长岭铁矿床二矿区黑云母变粒岩原岩形成于大陆岛弧。