伍 月，汪寅夫，劉 琦，安 帥，劉 欣

( 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng) 110032 )

0 引言

大臺(tái)溝鐵礦床位于遼寧省本溪市橋頭鎮(zhèn)，是中國(guó)近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的最大的鞍山式鐵礦床。該礦床為隱伏的超大型鐵礦床，埋深為1.10～1.20 km，已控制礦體延長(zhǎng)2.00 km，最大延深為0.84 km，最大寬度為1.10 km。礦體總體為近直立的厚板狀體，夾石很少，為單一礦體。

鞍山—本溪地區(qū)是特大型、大型鐵礦分布集中區(qū)。20世紀(jì)80年代，開(kāi)始該地區(qū)條帶狀鐵礦的地質(zhì)年代和地球化學(xué)特征研究，探討鐵礦床成因[1]。沈保豐[2]研究鞍山—本溪地區(qū)的地層和構(gòu)造，推斷華北陸臺(tái)綠巖帶的演化趨勢(shì)。人們主要通過(guò)全巖主量元素和微量元素分析、稀土元素分析，討論大臺(tái)溝鐵礦的地質(zhì)特征[3]、找礦標(biāo)志及成礦模式[4-5]，了解鐵礦的主要物質(zhì)組成及成礦條件，采用Fe同位素跟蹤研究成礦物質(zhì)來(lái)源。

筆者采集大臺(tái)溝鐵礦2個(gè)鉆孔中不同位置的樣品，根據(jù)顯微特征觀察結(jié)果，分析礦區(qū)礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造系統(tǒng)；結(jié)合X線衍射分析結(jié)果，還原礦石從淺部到深部氧化作用的過(guò)程；利用電子探針?lè)椒ǚ治鲋髁吭睾拖⊥猎氐厍蚧瘜W(xué)特征分布規(guī)律，探討礦物質(zhì)來(lái)源和沉積環(huán)境，為大臺(tái)溝鐵礦研究提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

遼寧省鞍山—本溪地區(qū)大地構(gòu)造處于華北陸塊北緣東段，屬于膠遼臺(tái)隆太子河—渾江臺(tái)陷，四級(jí)構(gòu)造單元為遼陽(yáng)—本溪凹陷。該地區(qū)為中國(guó)太古宙花崗巖—綠巖帶的主要分布區(qū)之一。大臺(tái)溝鐵礦區(qū)位于鞍山—本溪鐵礦成礦帶東部，南距南芬鐵礦10 km，西距弓長(zhǎng)嶺鐵礦20 km，東距思山鐵礦10 km，北距北臺(tái)鐵礦10 km。礦區(qū)地表分布大面積的沉積蓋層，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。

礦石類型為磁鐵石英巖(磁鐵礦石)、赤鐵石英巖(赤鐵礦石)及其過(guò)渡類型的磁鐵赤鐵石英巖(混合礦石)。礦石品位較均勻，礦床有害雜質(zhì)含量低。2 km深度以上鐵礦石資源總量超過(guò)30億t，根據(jù)磁異常推斷，礦體長(zhǎng)度為1.44 km，寬度為1.03 km，延伸為1.50 km，預(yù)測(cè)資源量為76億t。

2 礦物學(xué)特征

2.1 巖相學(xué)特征

對(duì)采集的ZKB5、ZKC6鉆孔(見(jiàn)圖1)中不同位置的樣品分別進(jìn)行巖石薄片和光片鑒定。

圖1 遼寧中太古代綠巖帶中鐵礦分布(據(jù)文獻(xiàn)[1]修改)Fig.1 Distribution map of iron ore in the Middle Archean greenstone belt in Liaoning(modified by reference [1])

2.1.1 上部

綠泥絹云片巖為鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)、鑲嵌粒狀變晶結(jié)構(gòu)，呈片理構(gòu)造；主要礦物成分為絹云母、綠泥石及少量赤鐵礦等；赤鐵礦呈浸染狀、團(tuán)塊狀、破碎狀分布，多數(shù)呈細(xì)粒集合體，礦物為長(zhǎng)柱狀晶形，少數(shù)為板狀晶形，赤鐵礦破碎后裂隙中充填綠泥石；厚度較薄，一般小于10 m。

條帶狀(含鐵)石英巖的鐵礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，為鑲嵌粒狀變晶結(jié)構(gòu)，呈條帶狀構(gòu)造；主要礦物成分為石英，少量為赤鐵礦及方解石，石英呈條帶狀分布；赤鐵礦呈極細(xì)條帶或透鏡狀分布，為極細(xì)粒狀集合體，礦物多為它形粒狀，少數(shù)為板狀晶形；方解石多呈脈狀分布。

2.1.2 中部

條帶狀磁鐵石英巖為粒狀變晶結(jié)構(gòu)、鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，呈條帶狀構(gòu)造；主要礦物成分為磁鐵礦、石英，少量為赤鐵礦、方解石、透閃石和綠泥石等。磁鐵礦(見(jiàn)圖2)呈自形—半自形及它形粒狀。赤鐵礦在磁鐵礦集合體條帶中呈浸染狀分布，為半自形—自形板狀晶形，可見(jiàn)交代磁鐵礦現(xiàn)象。

圖2 研究區(qū)磁鐵礦石(光片)Fig.2 Magnetite in the research area(polished section)

條帶狀赤鐵石英巖(見(jiàn)圖3)為粒狀鑲嵌變晶結(jié)構(gòu)，呈條帶狀構(gòu)造；主要礦物成分為赤鐵礦、石英、磁鐵礦、方解石和綠泥石等。赤鐵礦呈稠密浸染狀、局部呈粒狀集合體，礦物多為它形粒狀，少數(shù)為板狀晶形，一部分為交代磁鐵礦而形成；磁鐵礦為半自形—它形粒狀，呈交代殘留的孤島狀分布在赤鐵礦中；方解石呈脈狀、團(tuán)塊狀、條帶狀、膠結(jié)物狀分布，主要分布于后期裂隙及破碎帶。

圖3 研究區(qū)赤鐵石英巖(薄片)Fig.3 Hematite quartzite in the research area(thin section)

角礫狀赤鐵石英巖見(jiàn)于赤鐵礦石層間；礫石雜亂分布，主要成分為石英巖、條帶狀赤鐵石英巖，膠結(jié)物為鐵質(zhì)、硅質(zhì)。

條帶狀磁鐵石英巖(見(jiàn)圖4)為鑲嵌粒狀變晶結(jié)構(gòu)、鱗片柱粒狀變晶結(jié)構(gòu)，呈條帶狀構(gòu)造；主要礦物成分為磁鐵礦、赤鐵礦、石英、方解石、綠泥石、絹云母和透閃石等。赤鐵礦呈稠密浸染狀和局部呈粒狀集合體的不規(guī)則的帶狀、線狀分布(見(jiàn)圖5)，多數(shù)為交代磁鐵礦而形成，分布于磁鐵礦邊緣；磁鐵赤鐵礦(見(jiàn)圖6)呈稠密浸染狀、粒狀集合體，為它形粒狀晶形，赤鐵礦交代磁鐵礦較發(fā)育，被赤鐵礦交代后在赤鐵礦中呈殘留孤鳥(niǎo)狀分布。

圖4 研究區(qū)磁鐵石英巖(薄片)Fig.4 Magnetite quartzite in the research area(thin section)

圖5 研究區(qū)赤鐵礦(光片)Fig.5 Hematite in the research area(polished section)

圖6 研究區(qū)磁鐵赤鐵礦石(光片)Fig.6 Hematite magnetite in the research area(polished section)

透閃磁鐵石英巖(見(jiàn)圖7)為鑲嵌粒狀變晶結(jié)構(gòu)、柱粒狀變晶結(jié)構(gòu)、鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，呈條帶狀構(gòu)造；主要礦物成分為磁鐵礦、石英、赤鐵礦、透閃石、方解石和絹云母等。

圖7 研究區(qū)透閃磁鐵石英巖(薄片)Fig.7 Tremolite magnetite quartzite in the research area(thin section)

2.1.3 下部

含磁鐵絹云(綠泥)石英片巖為鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)、粒狀變晶結(jié)構(gòu)，呈條帶狀構(gòu)造、片狀構(gòu)造；礦物成分為石英、絹云母、綠泥石，少量為磁鐵礦、方解石。

綠泥(絹云)石英片巖為鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，呈片狀構(gòu)造；礦物成分為石英、絹云母、綠泥石、電氣石，少量為磁鐵礦、方解石。

2.2 X線衍射鑒定

根據(jù)X線粉晶衍射鑒定結(jié)果，在1.44～1.68 km深度中，礦石礦物為赤鐵礦，赤鐵礦最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.1%，最低為1.3%，平均為20.0%。

在1.70～1.82 km深度中，礦石含赤鐵礦和磁鐵礦礦物，其中赤鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.9%～11.8%之間，磁鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8.3%～24.6%之間；在1.70 km深度處，赤鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.8%，磁鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.3%，其余以磁鐵礦為主。在1.84～2.00 km深度中，礦石為磁鐵礦礦物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.0%～34.0%，平均為20.0%。總體上，從1.44→1.70→1.82→2.00 km深度，鐵礦石類型從赤鐵礦石→赤鐵磁鐵礦石→磁鐵礦石轉(zhuǎn)變，礦石從淺部到深部氧化作用逐漸減弱[6]。

2.3 稀土元素特征

大臺(tái)溝磁鐵礦樣品稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。由表1可以看出，磁鐵礦礦石的稀土總量變化范圍很大，ΣREE為(19.191～100.808)×10-6；LREE/HREE為7.267～25.626；LaN/YbN為0.495～0.892。磁鐵礦輕稀土相對(duì)虧損，重稀土相對(duì)富集，Eu顯示正異常(見(jiàn)圖8)，δEu為2.692～4.738，Ce顯示正異常，δCe為2.319～15.808。這些特征與現(xiàn)代大洋中脊、紅海等[7]熱水流體及其富含金屬的化學(xué)沉積物相似[8-10]，反映大臺(tái)溝磁鐵礦礦床在成因上與海底火山作用有關(guān)。

圖8 大臺(tái)溝磁鐵礦稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化圖解Fig.8 REE standardized graphic of Dataigou Magnetite

表1 大臺(tái)溝磁鐵礦樣品稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 REE mass fraction of Dataigou Magnetite

2.4 電子探針測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)顯微鏡鑒定，將待測(cè)樣品噴炭后進(jìn)行電子探針測(cè)試。探針片制備[11]和電子探針測(cè)試由沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成，電子探針儀器型號(hào)為JXA-8100，分析過(guò)程中的加速電壓為15 kV，電流為20 nA，束斑直徑為5 μm，標(biāo)樣采用天然礦物或合成金屬國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12]，分析精度為0.01%。磁鐵礦二次電子像見(jiàn)圖9，40倍鏡下磁鐵礦呈條帶狀分布(見(jiàn)圖9(a))，600倍鏡下可清晰觀察磁鐵礦顆粒(見(jiàn)圖9(b))，在表面精確選擇測(cè)試點(diǎn)。

圖9 研究區(qū)磁鐵礦二次電子像Fig.9 Magnetite secondary electron image in the research area

大臺(tái)溝磁鐵礦石電子探針測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，磁鐵礦單礦物電子探針測(cè)試的TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%～0.089%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.004%～0.073%，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002%～0.036%，MnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.035%～0.188%。根據(jù)各種成因類型磁鐵礦中磁鐵礦的化學(xué)成分[13]，沉積變質(zhì)礦床磁鐵礦中的TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～1.200%，MgO和MnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，大臺(tái)溝磁鐵礦與之相似。TiO2在磁鐵礦中普遍存在且變化范圍較大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)與形成的溫度、壓力密切相關(guān)，可以有效反映磁鐵礦的形成條件[14]，無(wú)論是在成巖作用還是成礦作用過(guò)程中，隨溫度和壓力降低，磁鐵礦從高質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiO2向低質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiO2方向演化，反映它們對(duì)不同地質(zhì)作用具有明顯專屬性[15]。

續(xù)表2

將大臺(tái)溝磁鐵礦電子探針的測(cè)試結(jié)果投點(diǎn)到TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)成因圖解[16](見(jiàn)圖10)，樣品主要落在沉積變質(zhì)型范圍內(nèi)[17]，少量分布在火山巖型(玢巖型)區(qū)域內(nèi)，大臺(tái)溝磁鐵礦成因與火山、沉積變質(zhì)有關(guān)[18-19]。與后期花崗巖侵入和區(qū)域變形變質(zhì)作用使鐵礦層遭受破壞和改造、成因?qū)儆诨鹕健练e變質(zhì)改造礦床結(jié)論[20-21]相符。

圖10 磁鐵礦TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)成因圖解Fig.10 Magnetite TiO2-Al2O3-(MgO+MnO) genesis diagram

3 磁鐵礦成因

大臺(tái)溝磁鐵礦稀土配分曲線呈輕稀土元素相對(duì)虧損、重稀土元素相對(duì)富集，Eu顯示明顯正異常。Eu正異常屬于海底高溫?zé)嵋旱奶攸c(diǎn)。大臺(tái)溝鐵礦與海底高溫?zé)嵋禾卣飨嗨疲M(jìn)一步說(shuō)明大臺(tái)溝鐵礦與前寒武紀(jì)海洋沉積有關(guān)。

DANIELSON A等[23]和HUSTON D L等[24]認(rèn)為Algoma型鐵礦具有較大的Eu(Eu>1.8)，其成因與火山活動(dòng)密切，而Superior型鐵礦的Eu相對(duì)較小(Eu<1.8)，與火山活動(dòng)無(wú)明顯關(guān)系。大臺(tái)溝磁鐵礦中Eu正異常且大于1.8，說(shuō)明該地區(qū)BIF型鐵礦(條帶狀鐵建造)的形成與海底熱液組分的輸入有關(guān)[25]，與鞍山—本溪地區(qū)BIF型鐵礦為Algoma型鐵礦的結(jié)論相符[26]。因此，大臺(tái)溝磁鐵礦成礦物質(zhì)來(lái)源于海底火山熱液。

大臺(tái)溝鐵礦的磁鐵礦具有低鈦性，巖漿礦床磁鐵礦的TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.550%～21.720%，接觸交代礦床的為0.070%～0.400%，沉積變質(zhì)礦床的為0～1.200%。大臺(tái)溝磁鐵礦中的TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%～0.089%，與弓長(zhǎng)嶺鐵礦床的TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)相似[27]。由TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)成因圖解可知，大臺(tái)溝鐵礦床中磁鐵礦的成因?qū)儆诨鹕健练e變質(zhì)改造礦床。

4 結(jié)論

(1)大臺(tái)溝鐵礦的鐵礦石分布上部為綠泥絹云片巖、條帶狀(含鐵)石英巖；中部為鐵礦層；下部為含磁鐵絹云(綠泥)石英片巖、鐵礦石。鐵礦石類型從赤鐵礦石→赤鐵磁鐵礦石→磁鐵礦石演變，礦石從淺部到深部氧化作用逐漸減弱。

(2)大臺(tái)溝鐵礦中磁鐵礦具有低鈦性，輕稀土元素相對(duì)虧損，重稀土元素相對(duì)富集，Eu顯示明顯正異常，說(shuō)明成礦物質(zhì)來(lái)源于海底火山熱液，成因?qū)儆诨鹕健练e變質(zhì)改造礦床。