与岩浆作用有关的铁矿床研究进展

刘俊玉，李大鹏，程光锁，王树星，董学

(1.山东省第八地质矿产勘查院，山东 日照 276826；2.山东省地质科学研究院，山东 济南 250013)

地质与矿产

与岩浆作用有关的铁矿床研究进展

刘俊玉1，李大鹏2，程光锁2，王树星1，董学1

(1.山东省第八地质矿产勘查院，山东 日照 276826；2.山东省地质科学研究院，山东 济南 250013)

与岩浆作用有关的铁矿是一类有重要经济意义的矿床类型，通过搜集近10年来国内外相关铁矿的研究成果，总结了这类铁矿的新观点、新认识，系统介绍了其成矿区域构造背景、成矿物质来源，并重点探讨了成矿元素富集机制。

铁矿；岩浆作用；区域构造背景；成矿物质来源；元素迁移富集机制

0 引言

作为人类社会赖以生存和发展的重要矿产资源，铁矿资源是世界上需求量最多的一种金属，被广泛用于建筑、重工、机械、船舶、家居等各个领域。3500年前，人类便开始了铁矿石的开采和铁器的使用，恩格斯曾说过“人类从野蛮时代过渡到文明时代的重要标志就是铁矿石的冶炼”。据统计，截至2009年底，全球铁资源量约为1964亿t，其中工业储量930亿t。北半球的铁工业储量约为600亿t，约占全球工业储量的64.5%；南半球为330亿t，约占35.5%。全球铁矿资源丰富的国家主要有巴西、澳大利亚、加拿大、俄罗斯、中国、美国和乌克兰等国家，其中，巴西和澳大利亚的铁矿石品位一般较高，而且一般埋藏浅，开采成本低，使得这些国家成为全球主要的铁矿石供应国。相比之下，我国铁矿资源虽然储量较大，但禀赋不佳，多以贫矿为主，富铁矿石短缺，主要依赖进口。作为全世界最大的钢铁消费国和铁矿石进口国，我国每年的铁矿石需求量占世界总需求量的50%以上。并且，随着我国经济的持续高速发展，对于原材料的需求逐年增加，资源短缺，尤其是铁矿资源短缺的现实也日益凸显。因此，针对我国铁矿资源的极度短缺的现状，加强进一步的铁矿资源勘查工作，寻找新的大型铁矿床基地，是一项迫切的关系到国家经济发展命脉的艰巨任务。

与岩浆作用有关的铁矿床多与深部岩浆系统有关，其分布广泛，种类繁多，成因复杂，一直是矿床学研究的热点。国内外科学家们普遍认识到此类矿床的形成涉及岩浆深部作用、火山岩与岩浆热液的形 成与演化、成矿元素富集与成矿岩浆-流体形成、富矿岩浆侵位并成矿、矿浆热液蚀变与矿化等一系列过程[1-11]，而且具有多阶段叠加成矿的特点[10-17]。经过60余年的发展，有关此类铁矿床的科学研究工作已取得了大量的成果。

1 代表性矿床

1.1 IOCG 型矿床

IOCG型矿床是指铁氧化物-铜-金矿床，Iron oxide- copper- gold Deposits，前人将此类矿床定义为含有大量铁氧化物(磁铁矿/赤铁矿)、伴有铜、金以及铀和稀土元素的一类矿物组合变化较大、与岩浆-构造活动有关的矿床[18-19]。

从成矿时代上来看，尽管前人将其限定在元古宙[18]，但目前已有资料表明，这类矿床从太古宙到新生代均有产出，并且除了普遍富Fe-Cu-Au-U-REE外，很多矿床还富含Co,Ag,Mo,Bi,Te以及Sn,W,Pb,Zn等[19-20]。关于IOCG型矿床的时空分布特点，毛景文等曾做过详细的总结。目前报道的形成时间最早的IOCG型矿床位于巴西的Carajas地区，其形成于太古宙的新太古代，大约为2350～2750Ma[20]。元古宙是IOCG型矿床发育的主要时期，包括澳大利亚的大多数IOCG型矿床、加拿大Wernecke 和Great Bear 地区、美国的Missouri 和 San Francisco地区的IOCG型矿床，以及芬兰的MiSi和Kolari地区和我国内蒙古的白云鄂博铁-稀土矿[20]，这些矿床的成矿时代普遍集中于1900～1600Ma。古生代的此类矿床相对较少，在伊朗的Bafq地区的IOCG型矿床形成于515～529Ma[8]。新生代的此类矿床主要形成在南美大陆西部的秘鲁和智利(165～112Ma)[19]以及阿根廷的Arizario和 Lindero地区。

从构造背景方面来讲，IOCG型矿床多产于伸展构造环境下的克拉通或者大陆边缘环境[18，20，21]。毛景文等将IOCG型矿床形成的构造背景归为3类：与岩浆作用有关的陆壳板块内部，与中基性岩浆作用有关的大陆边缘、褶断和推覆构造带[20]。

IOCG型矿的矿床成因一直颇具争议，主要集中在岩浆成因[18，19]和岩浆加热的流体成因[22，23]。但IOCG型矿床的成矿系统是极为复杂的，单一模式很难解释，更可能是经历了叠加成矿作用等复杂的成矿过程[14-16]。

1.2 Kiruna 型铁矿

Kiruna 型矿床的提出起源于瑞典Kiruna地区的磁铁矿床，这类铁矿床普遍产出于古元古代-中元古代的火山岩中。由于铁和磷的高度富集而罕见，并得到世界范围内地质学者的广泛关注[24-28]。概括来讲，此类矿床的特征有以下几点：在矿石矿物组合方面，以磁铁矿+(赤铁矿)+磷灰石+阳起石为主；矿体产出方面，矿体赋存于中基性火山岩中；近矿围岩交代蚀变方面，靠近矿体的围岩局部被呈脉状的矽卡岩矿物交代；磁铁矿矿物学方面，以高磷低钛为特征。

关于此类矿床成因的讨论开始于20世纪初期，Crane和Geijer研究了位于瑞典和美国的Kiruna 型矿床，通过详细的野外地质研究，他们认为此类富铁-磷的矿床形成于后期岩浆热液的交代作用[24-25]。Frietsch 和 perdahl研究了位于塔图许岛的磁铁矿-磷灰石-阳起石型铁矿石，认为其形成于塔图许深成岩体的挥发流体[29]。Mackin指出美国犹他州(Utah)的Iron Springs 磁铁矿床形成于岩浆后期的基性岩盘(intermediate composition laccoliths)的蚀变作用，他指出磁铁矿体是在岩浆作用后期，随着岩浆的冷却作用形成的[2]。Panno和Hood研究了位于美国Missouri著名的Pilot Knob Kiruna 型铁矿，认为其形成与凝灰岩和沉积岩之间的热液交代作用[30]。Hildebrand通过丰富的矿物学、地球化学资料，讨论了位于加拿大西北的Great Bear 岩浆带内的Kiruna 型铁矿的成因及其与赋矿中性次火山岩的关系。他认为安山质火山岩快速的脱水作用和挥发作用造成了铁和磷的富集，并且作为一种超临界流体析出，随着不断的升华作用，流体相富集流动到侵入体的表面[31]。Bookstrom指出位于智利EI Romeral 地区Kiruna 型铁矿床的形成与中性浅成侵入岩有关[26]。一直以来，Paràk认为Kiruna 铁矿与侵入-岩浆作用无关，而是由于火山喷出—变质沉积作用形成的，此观点的主要论据是宏观上的局部矿体呈层状产出和其他的沉积结构[32-34]。然而类似的现象在Great Bear 岩浆带[31，35]以及St. Francois山[30]地区的Kiruna 型矿床内都有发现，有明显的证据指出矿体的这种似层状的产出状态是由于矿体替换了古老的沉积岩或者火山岩所致[31，35]。针对于Paràk的观点，Frietsch从Kiruna 型铁矿的赋矿岩石、交代蚀变的赋矿岩石、矿石和赋矿岩石的接触关系以及矿石中的磷灰石等方面对其进行了反驳，他认为此类矿床应为岩浆成因[36]。后来，Frietsch and Perdahl又通过详细的微量元素地球化学资料补充证明了Kiruna 型铁矿的岩浆成因，认为Kiruna 型铁矿受构造-岩浆共同控制，其形成经历了从古元古代到新近纪的漫长过程，元古宙的矿体主要产于克拉通地块中，而后期的主要矿体发育于褶皱带中[37]。总的来说，暂不讨论具体的成矿元素富集机制，从目前来看，多数地质学者接受了Kiruna 型铁矿的岩浆成因。

2 共识与争论

2.1 区域构造背景

2014年的研究发现大多数与岩浆作用有关的铁矿床分布于先后经历了碰撞挤压和撞后拉伸作用的大陆边缘或者克拉通环境[18，21，38]，大部分此类矿床都是分布于大陆边缘的主要构造带内，比如：智利北部的Cretaceous铁矿床，伊朗的Bafq铁矿[39]，美国密苏里州的Francois组火山岩中的铁矿床，西澳大利亚Yilgarn克拉通内的Madoonga铁矿以及我国长江中下游地区的玢岩铁矿等[2]。Frietsch认为是这些构造、特别是伸展构造控制了各个成矿带的岩浆富矿流(熔)体系统[29，36，37]。无论是陆陆碰撞亦或洋壳俯冲作用，过程中都存在一种由早期挤压环境向晚期拉伸环境的转变，而恰恰这种挤压作用和拉伸作用是控制成岩与成矿的主要动力。通常认为挤压环境有利于形成大型岩浆房[10]，因为挤压的构造环境可以通过深部地质过程热使得壳-幔系统发生重熔或者部分熔融而形成岩浆，并且还可通过阻止深部岩浆侵位上升而控制火山作用，所以一般在这样的挤压环境下，容易形成规模更大、更深的岩浆房、有利于深部岩浆的气相饱和及分离结晶，并可以产生大量的热液流体[10，40，41]。而后期的拉伸阶段则恰恰为富矿岩浆、流体上升与侵位提供了动力和空间，很多岩浆型铁矿床就形成于这些拉伸环境下的陆壳拆沉或陆内裂谷形成这个阶段[19-20]。

2.2 成矿物质来源

在成矿物质来源方面，与岩浆作用有关的铁矿床的成矿元素和岩浆系统密切相关。尤其是近年来，随着科技水平的进步，尤其是随着高精度实验分析仪器的使用，越来越多的地学工作者发现，这类矿床的成矿元素来源于深部岩浆过程，主要来源于上地幔岩浆系统[27-29，37]。Yaxley认为中上地幔顶部的榴辉岩容易在特定的物理条件下(3.5GPa，1300℃)与深部软流圈地幔发生同熔作用，就会在上地幔形成富铁、钠和镁的铁镁橄榄岩，继而这套橄榄岩受热发生部分熔融，而形成富钠、富铁的玄武质岩浆[42]。而这套富铁的玄武岩浆，经过后期的岩浆结晶分异作用或液态不混溶作用(熔离作用)，就可能形成富铁流(熔)体，最终参与成矿作用。

2.3 成矿元素富集机制

在成矿元素富集机制方面，虽然有研究认为与岩浆作用有关的铁矿床与侵入-岩浆作用无关，而是由于火山喷出—变质沉积作用形成的[32-34，43]，但更多的研究还是支持其为岩浆成因[29，36-37]，并得到了学术界的普遍认可。但是，不容否认，岩浆过程中成矿物质的运移、富集机制一直饱受争议、观点不一。目前归纳来看，主要有以下4种观点：①岩浆分异作用；②岩浆熔离作用；③流体萃取作用；④高温热液矿化作用。

(1)岩浆分异作用

这个观点主要认为成矿物质来源于岩浆演化的过程中，铁以氧化物的形式随着岩浆的不断结晶分异作用而分离，最后形成富矿的岩浆或者富含铁质的高温岩浆热液，并交代填充围岩，参与成矿[44-45]。田竞亚和胡秀蓉通过详细的地球化学研究认为四川攀西地区产于(超)镁铁质杂岩体中的钒钛磁铁矿是形成于岩浆演化过程中与重力有关的结晶分异作用，并称之为岩浆分异获岩浆分凝型矿床[46]。范良伍等系统地总结了前人的相关成果，并在此基础上，通过对长江中下游的安庆铁(铜)矿的深入研究，提出安庆铁矿早期大规模的磁铁矿体形成于岩浆结晶分异作用，成矿元素是在岩浆结晶分异演化过程中富集、沉淀、成矿的[47]。余金杰和毛景文通过研究认为，宁芜地区的玢岩型铁矿床的成矿岩浆来源于上地幔的部分熔融[44]，后由于这套岩浆按Fenner分离结晶趋势[48]发生结晶分异作用而形成富铁岩浆[49]。肖庆华等通过详细的年代学和矿物学研究，提出香山西铜镍-钛铁矿床可能是由于玄武质岩浆经历了强烈的结晶分异作用，形成了钛铁氧化物富集的残余岩浆，后来受地壳混染作用影响，在岩浆上侵过程中的残余岩浆的氧逸度提高，并发生了钛-铁氧化物的结晶分异[45]。同时他认为即便是普通的(拉斑)玄武质岩浆，通过有利的分异演化过程也可以形成大型钛铁矿床。

(2)不混溶作用

不混溶作用，又称熔离作用，是形成矿浆(Ore magma)矿床的主要途径。矿浆型矿床的概念，是由J. E. Spurr在1923年最先提出的，是指由成矿元素浓度较高的残余岩浆侵入、冷却凝结形成的矿床。数十年来，随着认识的逐步深入，国内外科学家在矿浆的形成机理方面取得了大量的研究成果[2，27-18，35，50]。目前主要认为在深部岩浆作用的过程中，由于液态不混溶作用形成富铁岩浆(铁矿浆)，在岩浆作用晚期侵入在围岩中，以矿浆的形式参与成矿[12-13，20，27-28，51]。虽然前人普遍认为富铁岩浆形成于岩浆的不混溶作用[10，27-28]，但其具体的熔离机制一直困扰着学术界。Philpotts通过实验，认为富铁岩浆(矿浆)可以由富铁的硅酸盐岩浆经过强烈的熔离作用形成，并指出熔离过程中磷灰石起重要作用[52]。喻学惠通过实验指出，在高温高压下一些(铝)硅酸盐矿物(如：透辉石和金云母)有利于铁矿浆的熔离[53]。Hou等通过近年来的研究认为安徽姑山铁矿成矿母岩浆是玄武质岩浆在低氧逸度条件下，在深部发生单斜辉石和斜长石分离结晶作用后形成富铁的闪长质岩浆，后由于地层中磷的加入而发生富铁岩浆的熔离，他提出富磷的壳源混染作用是引发富铁岩浆熔离的主要机制之一[27-28]。

(3)流体萃取作用

中国科学院地球化学研究所宁芜玢岩小组通过研究认为，当温度高于400℃时，铁的溶解度容易随着温度的升高而降低，所以直接在岩浆系统中析出的高温流体中铁的溶解度一般很低，不足以形成富铁矿[54-55]。研究认为只有流体中的铁浓度在岩浆固化后、温度下降时才能提高，铁质可能来源于已固结的岩石，被岩浆流体交代，萃取而参与成矿[22-23，56]。

(4)高温热液矿化作用

与传统的矽卡岩型铁矿不同，中基性岩浆系统的热液矿化作用多与矿浆热液或高温岩浆气液有关[24-25，30]。比如我国的安徽梅山铁矿[12-13]、湖北张福山铁矿[57]、新疆的磁海铁矿[58]和查岗诺尔铁矿等，在成矿过程中普遍都经历了火山高温气液交代作用。薛春纪等从矿物学和岩石地球化学方面详细论述了磁海铁矿的热液成矿化学过程，他认为成矿流体的化学演化具有明显火山岩浆期后热液演化特点，成矿物质来自深源富碱玄武岩浆[58]。

3 结论

(1)几乎所有与岩浆作用有关的铁矿床都分布于有碰撞挤压和撞后拉伸作用的克拉通或者大陆边缘环境。

(2)其成矿元素来源于深部岩浆过程，主要来源于地幔岩浆系统。

(3)在成矿元素富集机制方面，学术界普遍接受为岩浆成因，但是岩浆过程中成矿物质的富集机制一直颇具争议，主要体现在岩浆分异作用、岩浆熔离作用、流体萃取作用和高温热液矿化作用等几方面。

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Research Progresses on Iron Deposits Related to Magmatism

LIU Junyu1, LI Dapeng2, CHENG Guangsuo2, WANG Shuxing1, DONG Xue1

(1. No.8 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Rizhao, 276826, China; 2.Shandong Institue of Geological Sciences, Shandong Jinan 250013, China)

Iron deposit related to magmatism has great significance in economy. Through collecting research achivements in China and abroad, research progresses on iron deposit mineralization related to magmatism has been summarized in this paper. Regional metallogenetic geological setting, ore-forming material sources and the dynamic mechanics on ore-formation element migration have been systematically introduced.

Iron ore deposit; magmatism；regional metallogenetic geological setting；ore-forming material sources；dynamic mechanics of ore-formation element migration

P588.125

：A

2014-02-21；

：2014-06-17；编辑：曹丽丽

中国地质调查局天山成矿带地质矿产调查评价项目(项目编号：1212011120497)和山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室开放基金(2013014)、山东省“泰山学者”建设工程专项经费联合资助的成果

刘俊玉(1964—)，男，山东沂南人，高级工程师，主要从事地质矿产研究工作；E-mai:liujunyu163@163.com。