鄂西泥盆纪沉积铁矿成矿元素和主要伴生元素分布规律

刘云勇, 姚敬劬, 万传辉

(中南冶金地质研究所,湖北 宜昌 443003)

鄂西泥盆纪沉积铁矿成矿元素和主要伴生元素分布规律

刘云勇, 姚敬劬, 万传辉

(中南冶金地质研究所,湖北 宜昌 443003)

对鄂西泥盆纪沉积铁矿中成矿元素Fe和主要伴生元素P、S、Ca、Mg、Si、Al的分布规律进行了研究,查明了这些元素在不同矿床和矿层,沿矿层的走向和倾向,由地表至地下含量的变化,揭示了影响各类元素含量的古地理、沉积相、氧化还原及生物化学条件,这对在该区寻找富矿、低磷矿和自熔性矿将有所启示。

铁矿;元素分布;鄂西

鄂西是中国泥盆纪海相沉积铁矿(宁乡式铁矿)最主要的矿区,已发现矿产地93处,查明44处,查明资源量20亿t(图1)。铁矿产于上泥盆统黄家磴组和写经寺组中,自下而上共有4层铁矿产出,分别命名为Fe1、Fe2、Fe3、Fe4,其中以Fe3矿层最重要。鄂西铁矿虽然量大,但因矿石品质以贫铁、高磷、酸性为主,所以在铁矿市场中处于劣势,影响了该区铁矿的规模开发。为了在区内寻找富矿、含磷较低的矿和自熔性矿,笔者研究了该区铁矿主要成矿元素Fe和主要伴生元素P、S、Ca、Mg、Si、Al的分布规律。研究成果不仅对地质勘查有所启示,而且能加深对这一类型铁矿床地球化学特征的认知。

图1 鄂西泥盆纪沉积铁矿分布图Fig.1 Distribution map of Devonian sedimentary iron deposits in western Hubei1.第四系;2.侏罗系;3.二叠系;4.志留系;5.寒武系;6.中型;7.白垩系;8.三叠系;9.石炭系、泥盆系并层;10.奥陶系;11.震旦系;12.大型。矿区编号:1.官庄铁矿;2.松木坪铁矿;3.马鞍山铁矿;4.杨柳池铁矿;5.火烧坪铁矿;6.青岗坪铁矿;7.石板坡铁矿;8.黄粮坪铁矿;9.谢家坪铁矿;10.龙角坝铁矿;11.龙坪铁矿;12.田家坪铁矿;13.瓦屋场铁矿;14.仙人岩铁矿;15.黑石板铁矿;16.官店铁矿;17.伍家河铁矿；18.长潭河铁矿;19.铁厂坝铁矿;20.太平口铁矿;21.十八格铁矿。

1 铁

1.1 铁在鄂西成矿区不同矿区中的含量

鄂西成矿区不同铁矿中TFe含量分布图(图2)表明,成矿元素铁在区内铁矿中含量高低分布具有如下的规律性。

图2 湖北省恩施—宜昌地区高磷赤铁矿TFe含量分布图Fig.2 Map of TFe content distribution of high-phosphorus hematite ore in Enshi-Yichang area

(1) 不同矿区中铁的平均含量虽在总体上较为接近,但仍然存在着贫和富的差异:平均含铁最高的矿区(47.65%)和最低的矿区(29.34%)相差18.31%,差距为0.6倍。

(2) 以>TFe44%为界,可圈定出十八格、铁厂湾—官店、黄粮坪、松木坪等四个富铁区域;以<34%为界,可圈出白庙岭、尹家村—马虎坪、朝阳坪等三个贫铁区域,富铁区域和贫铁区域相间分布。

(3) 以富铁区为中心向外,矿区中铁的含量逐步下降,以贫铁区为中心向外,矿区铁的含量逐步升高,两者之间存在较为宽阔的过渡区,过渡区铁矿的铁含量为38%左右。

(4) 富铁区域大多位于写经寺期岩相古地理的远滨坡地带,产于页岩夹灰岩砂岩微相和灰岩夹页岩砂岩微相中。贫铁区主要位于沉积盆地南北边缘地带的远滨高地带和远滨坪地带,赋矿岩相主要为砂岩夹页岩灰岩微相。

1.2 铁在不同矿层中的含量

表1 不同矿层铁平均品位(%)对比

图3 不同矿层TFe平均品位Fig.3 TFe average contents of different ore beds

1.3 铁在同一矿层中的含量

同一矿层在全区范围内含铁量高低有差异,产生上述贫富分区现象;在一个矿区范围内,同一矿层含铁量沿走向、倾向和厚度方向均有一些变化,但变化的幅度不大,变化系数一般为10%～20%。

1.4 铁在地表样和深部样中的含量变化

为研究地表风化作用对矿石品位的影响,对部分矿区地表样和深部样的铁的含量进行了比较(表2)。由表2知,仙人岩、谢家坪、太平口、石板坡四个矿区地表样的品位无一例外地高于深部样,变化率+1.79%～+29.16%,说明表生氧化作用对鄂西宁乡式铁矿矿石品位的影响是存在的,有一定的富集作用。其中最为明显的是太平口铁矿,地表样TFe含量为40.62%,明显高于地下样(31.45%)。表生氧化作用对矿石质量的影响与矿石类型有一定的关系,鲕绿泥石菱铁矿矿石存在比较明显的表生富集作用,赤铁矿石则作用不明显。

2 磷

2.1 磷在不同矿区中的含量

恩施—宜昌高磷赤铁矿以含磷高为特征,但是各矿区的含磷量并非“铁板一块”都很高,而是存在着高低差异,最大差距可达2.39倍。不同矿区磷含量的变化系数要大于铁含量的变化系数,磷铁的相关系数也很低(r=-0.202),表明磷元素的集散不与铁同步,磷的集散有其独立性。

全区不同矿区中磷含量的分布图(图4)表明,磷含量存在贫富差异现象:含磷高的矿区和含磷相对较低的矿区分别聚集,形成高磷区和低磷区。以P>1.3%为界,可圈出白庙岭和马鞍山两个高磷区,以P<0.6%为界可圈出官庄、谢家坪、伍家河等三个低磷区。由高磷区中心向外,磷含量依次降低为1.2%、1.1%和1.0%;由低磷区中心向外,磷含量依次升高为0.7%、0.8%。在低磷区与高磷区之间,有着较为宽阔的过渡区,分布在该区的铁矿磷的含量为0.8%～1.0%。对比矿区磷含量与其产出的古地理条件,发现了高磷区一般分布在古水深40～60 m的区域,矿石中古生物化石较为丰富;低磷区分布在水深<40 m或>60 m的区域,矿石中古生物化石相对较少。

2.2 磷在不同矿层中的含量

据不完全统计,P在Fe1、Fe2、Fe3、Fe4四个不同矿层中的平均含量分别为:1.10%、0.845%、0.857%、0.795%。以Fe1矿层含磷量最高,Fe2、Fe3矿层含磷量近似,Fe4矿层含磷量最低。

2.3 磷在同一矿层中的含量

同一矿层在不同矿区含磷量有高低差异,例如同为Fe3矿层有的矿区含磷高达1.44,有的矿区含磷0.424。在一个矿区的范围内同一矿层沿走向、倾向和厚度方向含量也有变化。如官店矿区CK1钻孔从Fe3矿层顶部至底部所采的10个样中,含磷最高为1.64%,最低为0.761%,相差1.16倍,变化系数为27.43%。落雁山矿区Fe3矿层含磷沿走向变化较小,沿倾向变化较大。总体上矿层中磷含量的变化较TFe含量变化明显。

表2 地表和深部样品成分比较

2.4 磷在地表样和深部样中含量的变化

磷在地表样和深部样中含量的变化见仙人岩矿区的统计结果:140个地表样磷平均含量为0.821%;11个深部样磷平均含量为0.67%,地表样含磷较深部样高,变化率为+22.54%。本区铁矿中的磷以胶磷矿形式存在,胶磷矿在表生风化作用中性质比较稳定。据测定,磷酸钙在20℃水中的溶解度仅为2×10-3～3×10-3g/100 g,属于基本不溶。随着铁矿层中易溶组分的流失,磷相对富集。磷在氧化带中富集的现象在磷块岩型磷矿床中常见,风化作用可使P2O5的含量可提高5～10个百分点。本区铁矿中磷含量的变化也符合磷在表生作用中的地球化学性质。

磷是鄂西铁矿主要的有害元素,磷的分布存在自然分异现象,有的矿区含磷高,有的矿区含磷低。含磷高低与成矿区的水深条件及生物活动繁盛程度有关。同一矿层中含磷量的变化系数一般为15%～40%,要大于铁含量的变化系数。地表氧化带,矿石中磷的含量有所提高。

3 硫

3.1 硫在不同矿区中的含量

各矿区含硫量分布图(图4)表明,矿石中总体含硫很低,大多在×10-4这一数量级,但是出现四个含量高的区域(官庄、仙人岩、太平口、龙角坝),在这些区域中矿区硫的含量超过0.1%,最高达0.738%。高硫区域以外,硫的含量均很低,为0.02%～0.06%,其中尹家村—黑石板、铁厂湾地区含硫最低(S<0.02%)。

3.2 硫在不同矿层中的含量

硫在不同矿层中的平均含量见图5。由图5知,Fe1、Fe2、Fe3矿层含硫量相近,分别为0.04%、0.02%、0.05%,处在×10-4数量级,而Fe4矿层硫含量为0.325%,明显高于其他矿层,且要高出一个数量级。上述四个含硫高的矿区有三个矿区(仙人岩、太平口、龙角坝)Fe4矿层为主矿层。

3.3 硫在同一矿层中的含量

据官店铁矿及落雁山铁矿研究,硫含量在Fe3矿层中沿走向、倾向和厚度方向都有所变化,变化系数7.70%～35.42%,大多数样品硫的含量一般不会超过0.1%,因此分布比较均匀。

图4 主要伴生元素含量分布图Fig.4 Map of major associated elements distribution

图5 不同矿层平均含硫量Fig.5 Sulfur contents of different ore beds

3.4 硫在地表样和地下样中的含量

据仙人岩、谢家坪两个铁矿统计,地表样硫的含量明显低于地下样(表2)。仙人岩矿区地表样含硫平均0.083%,深部样含硫平均0.439%,地表样相对于地下样硫含量的变化率为-80.70%。谢家坪铁矿Fe2矿层地表样含硫0.024%,地下样含硫0.085%,地表样相对于地下样硫含量的变化率为-71.76%;谢家坪Fe3矿层地表样含硫0.015%,地下样含硫0.11%,地表样相对地下样硫的变化率为-86.36%。由此可见,本区铁矿地表样因风化作用造成硫的流失现象普遍且强烈,硫的流失率为-71.76%～-86.36%。

鄂西铁矿中硫的含量一般很低,属于低硫矿石。但Fe4矿层硫含量高,这是由成矿时氧化还原环境所决定的,Fe4中矿层形成时处于还原环境硫易形成黄铁矿沉淀。地表氧化带由于硫的流失,导致矿石含硫降低。

4 钙与镁

4.1 钙

全区钙的含量分布图(图4)表明,钙的分布有比较明显的规律:高钙区(CaO>8%)主要分布在东部宜昌地区,火烧坪、青岗坪、官庄、松木坪一带,西部恩施地区除尹家村、伍家河、火烧堡一带含钙较高外,其余地区含钙都不高,属中钙区(CaO 8%～2%)。而南部清水湄、朝阳坪、杨家坊一带含钙低,属于低钙区(CaO<2%)。对照Fe3成矿期岩相分布图,本区钙的含量分布与微相区的分布基本吻合。高钙区位于铁质岩—页岩—灰岩微相区,中钙区位于铁质岩—页岩—砂岩微相区,或铁质岩—砂岩—页岩微相区,而低钙区位于铁质岩—砂岩微相区。

CaO在不同矿层中的平均含量:Fe1矿层缺数据,Fe2矿层2.02%,Fe3矿层7.91%,Fe4矿层4.66%,以Fe3矿层含钙最高,这与Fe3成矿期有较多碳酸盐沉积有关。在一个矿区内钙在同一矿层中分布不很均匀,官庄矿区Fe3矿层自顶部到底部CaO的含量变化介于2.39%～8.79%,变化系数为44.12%。落雁山矿区沿走向CaO的含量变化较小,为2.90%～6.13%,变化系数22.79%;沿倾向变化较大,为2.47%～12.00%,变化系数达86.28%。

据仙人岩、谢家坪铁矿研究,矿石CaO含量地表样和地下样有差别,地表样CaO的含量普遍低于地下样,地下样对地表样CaO含量的变化率为-27.92%～-70.07%。造成这种情况的原因是矿石中含钙碳酸盐(方解石、白云石、菱铁矿)在风化作用中易分解使钙流失。与硫相比,钙的流失作用较弱,地表样中钙仍保持一定的含量。

4.2 镁

本区铁矿MgO分布见图4。铁矿中含MgO普遍较低,最常见的含量为1.0%～2.0%,在区域上仍可分出含镁高的地区和含镁低的地区。含镁高的地区(MgO>2.0%)出现在火烧坪、松木坪一带,含镁低的地区(MgO<0.4%)出现在白庙岭一带。含镁高的地区位于Fe3成矿期铁质岩—页岩—灰岩微相区,含镁低的地区位于铁质岩—砂岩微相区。

镁在不同矿层中的含量:Fe1矿层缺数据,Fe2矿层1.04%,Fe3矿层1.24%,Fe4矿层1.60%,自Fe2-Fe4矿层,镁的含量似逐步增多。一个矿区范围内同一矿层中镁的分布比较均匀,据官店矿区和落雁山矿区的资料,MgO含量沿矿层不同方向的变化系数为18.25%～24.68%。

据仙人岩矿区资料,MgO也存在地表流失的现象,流失率-8.70%～-59.35%。

钙与镁的含量是决定矿石的酸碱性的主要因素之一,钙镁含量取决于成矿时的沉积微相,产于铁质岩—页岩—灰岩微相区的铁矿含钙镁高,产于铁质岩—页岩—砂岩微相区和产于铁质岩—砂岩微相区的含钙镁低。

5 硅与铝

5.1 硅

全区SiO2含量分布图(图4)表明,不同矿区硅含量差别明显,含硅最高的矿区(锯齿岩SiO2含量36.06%)与含硅最低的矿区(火烧坪SiO2含量9.12%)硅含量相差2.95倍。含硅高的矿区和含硅低的矿区分别聚集,形成高硅区和低硅区,高硅区有两个:北部的位于白庙岭、锯齿岩一带,南部的位于朝阳坪、清水湄一带,两区含SiO2均>25%;低硅区位于东部火烧坪、官庄、松木坪矿区所在面积较大的区域,以及中部龙角坝、石崖坪、官店一带。两区SiO2的含量均<13%。在高硅区与低硅区之间的矿区含硅一般在15%～21%。

本区SiO2与CaO分布似有互补关系,SiO2含量高的区域一般含CaO较低,如白庙岭、锯齿岩、朝阳坪、清水湄等矿区。反之含CaO高的矿区SiO2含量较低,如火烧坪、官庄、青岗坪、松木坪等矿区。

硅的分布受Fe3成矿期沉积微相控制,分布于铁质岩—页岩—碳酸盐微相区的矿区含SiO2较低,分布于铁质岩—砂岩微相区的矿区含硅很高,分布于铁质岩—页岩—砂岩微相和铁质岩—砂岩—页岩微相的矿区含硅量中等。

不同矿层中硅的平均含量如下:Fe1矿层14.09%,Fe2矿层29.84%,Fe3矿层15.99%,Fe4矿层18.72%。Fe2矿层多产于砂岩夹页岩岩层中,矿石中石英碎屑甚多,因此含SiO2特别高。Fe3矿层形成时沉积相较为复杂,不同微相含SiO2高低差别较大,全层平均,处于中等水平。Fe4矿层形成时,钙质碳酸盐沉积阶段已经基本结束,取而代之的是铁质碳酸盐沉积和鲕绿泥石沉积,因此含SiO2相对也较多。

一个矿区范围内同一矿层中,SiO2沿走向、倾向、厚度方向的变化一般比较小,SiO2的变化系数19.11%～24.77%。对比地表样和地下样SiO2的含量,未发现明显的规律性,有的矿区地表样高于地下样,有的矿区则相反。

5.2 铝

各矿区中Al2O3含量的分布图(图4)表明,在铁厂湾、谢家坪一带存在一个高铝区(Al2O3含量超过10%),白庙岭一带存在一个低铝区,Al2O3含量<4%。其他区域中的矿区含Al2O34%～10%。铝的分布与Fe3成矿期沉积微相分布有关,高铝区分布于铁质岩—页岩—砂岩微相区,低铝区分布于铁质岩—砂岩—页岩微相区和铁质岩—砂岩微相区。

不同矿层中Al2O3的含量:Fe1矿层缺数据、Fe2矿层7.81%,Fe3矿层6.80%,Fe4矿层8.41%。Fe3层矿石中常含较多钙质矿物,粘土矿物含量相对较少,使其含Al2O3最低。Fe2层中脉石主要为石英和粘土矿物,故含铝量高于Fe3层。Fe4层中的铝除含在粘土矿物中外,还含在鲕绿泥石中,由于鲕绿泥石的量大,使Fe4层含铝最高。

铝在地表样和地下样中的含量没有显示出明显的规律,有的矿区地表样含铝高于地下样,有的矿区则相反。

硅铝是造成矿石酸性的主要元素。硅铝的含量一般与钙镁的含量有互补关系,也受成矿时岩相古地理条件的控制,产于铁质岩—页岩—灰岩微相区的含硅铝较低。

6 影响元素分布的因素

综上所述,将本区铁矿中成矿元素和主要伴生元素的分布特征及主要控制因素列于表3。

元素的分布受元素本身的地球化学性质及铁矿形成时沉积环境的控制[1]。不同的沉积环境古水深、水能量、水介质的Eh-pH、元素活度、生物繁衍程度都有差别,造成了元素的沉积分异。本区元素的分布主要受古地貌、沉积微相、氧化还原条件及生物作用的控制[2]。

(1) 铁富集于写经寺期远滨坡地环境。周围古陆带入的铁质,经远滨高地和远滨坪地到达远滨坡地带聚集并沉积,主要铁矿和高品位铁矿都分布在这一地带。赋铁岩相为灰岩夹页岩砂岩微相和页岩夹灰岩砂岩微相。

(2) 磷的分布受成矿期生物作用强弱的控制,在水深40～60 m的远滨坪地环境中生物繁衍最旺盛,富磷作用明显,造成矿石中含磷高。较之水浅的远滨高地(20～40 m)区域和较之水深的远滨洼地(60～100 m)区域,因生物繁盛程度相对较弱,导致矿石中含磷较低。

(3) 硫的分布受沉积时氧化还原条件的控制,Fe1、Fe2形成于近滨氧化环境,Fe3矿层形成于远滨氧化环境,铁矿物以赤铁矿为主,硫含量普遍较低。Fe4矿层形成于远滨弱氧化—弱还原环境,铁矿物除赤铁矿外,出现大量鲕绿泥石、菱铁矿,硫易以FeS2形式沉淀,导致矿石含硫量高。凡是以Fe4为主矿层的矿区,硫的平均含量都明显高。

(4) CaO、MgO、SiO2、Al2O3的分布受Fe3成矿期沉积微相的控制:产于铁质岩—页岩—灰岩微相中的铁矿含CaO和MgO含量较高,含Al2O3中等,含SiO2较低;产于铁质岩—砂岩微相中的铁矿含硅很高,Al2O3、CaO、MgO的含量均低;产于铁质岩—页岩—砂岩微相和铁质岩—砂岩—页岩微相中的铁矿含铝较高,钙、镁含量较低,硅含量中等—偏高。

表3 元素的分布特征和控制因素

7 找矿启示

(1) 富铁矿预测区可设在TFe含量分布图中TFe含量>40%的区域,并处于成矿古地理环境为远滨坡地的范围内,沉积微相为写经寺期页岩夹灰岩砂岩微相和灰岩夹页岩砂岩微相区。

(2) 含磷较低的铁矿预测区可设在P含量分布图P<0.7%的范围内,岩相古地理古水深20～40 m或>60 m的区域。

(3) 自熔性矿预测区可设在CaO含量分布图CaO>10%,SiO2含量分布图SiO2<15%的范围内,并处于铁质岩—页岩—灰岩微相的区域。

[1] 刘英俊,曹励明,李兆麟,等.元素地球化学[M].北京:科学出版社,1984:77-86,442-450,458-471.

[2] 秦元奎,边敏,杨宏伟,等.鄂西泥盆纪沉积铁矿成矿岩相古地理条件分析[J].资源环境与工程,2015,29(2):132-139.

(责任编辑：于继红)

Distribution Law of the Ore-forming Element and Major Associated Elementsin the Devonian Sedimentary Iron Deposits,Western Hubei

LIU Yunyong, YAO Jingqu, WAN Chuanhui

(CentralSouthInstituteofGeologyandMetallurgy,Yichang,Hubei443003)

Distribution law of ore-forming element Fe and major associated elements P,S,Ca,Mg,Si,Al in the Devonian sedimentary iron deposits of western Hubei were investigated。 The paper determines the feature of the elements contents in different deposits and beds,along strike and dip,from surface to subsurface in same ore bed. The study results reveal that various elements contents are controlled by palaeogeography,sedimentary facies,condition of oxidation-reduction and biochemistry effect,guiding the prospecting for rich,low phosphorus,and self-melted ores in this area.

iron deposit; element distribution; western Hubei

2015-05-25;改回日期:2015-07-07

刘云勇(1968-),男,高级工程师,地质矿产勘查专业,从事地质矿产研究工作。E-mail:330439402@qq.com

P618.31

A

1671-1211(2016)01-0017-08

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601004

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.1333.024.html 数字出版日期:2015-12-17 13:33