自然铁研究进展

张全红 张兴军 栾纪昊

（1甘肃恒通路桥工程有限公司，甘肃 兰州 730070；2甘肃省高等级公路养护工程研究中心，甘肃 兰州 730070）

金属元素多以氧化物、硫化物等形式存在，而单质金属或合金则由于形成条件苛刻而比较少见，因此它们往往为寄主岩石成因的重要标志。目前报导的自然单质矿物及合金有自然铁、自然铜、自然金、铬铁合金、铜锌合金、铱铁镍合金等[1]～[4][9]。一直以来对自然铁的研究都是自然金属研究中的难点和薄弱区，究其原因为：Fe的化学性质较之Cu、Au等活泼，更易形成氧化物及硫化物，对形成及保存条件的要求更苛刻，且自然界含量极少，难以发现。自然铁往往代表了特殊的成岩环境，它们除少数为天外成因及沉积成因外，多与地球深部物质活动相关，如热液活动、火山活动。因此自然单质及合金的研究对寄主岩石的成因环境以及大地构造背景有着重要的意义。

1 自然铁及其合金的研究进展

自然铁最早是1970年在格陵兰西海岸玄武岩中由诺登斯科德首次发现的。国内有关自然铁的报道集中在上世纪80年代到本世纪初，国内最早报导自然铁的学者为刘秀清在1984年对某地熔结凝灰岩中自然铁的报导[3]，认为自然铁是在火山喷发时发生氧化还原反应生成的；之后于1987年张良钜在小秦岭九号石英脉中发现了自然铁，提出了含金石英脉型自然铁类型[4][5]；同年张之燊报导了火山（自然）铁球的特征，自然铁存在于火山通道相，认为自然铁形成于地壳深部岩浆房[6]；1995年周再幌发现了赋存于多金属硫铁矿床中的自然铁[7]；2000年郑建平在金伯利岩中发现了自然铁-房铁矿组合的文象交生体[8]；2002年白文吉报导了西藏蛇绿岩中二种合金矿物新变种[9]；2003年赵磊在金伯利岩中发现了碳硅自然铁球状体，并发现了自然铁球体背散射图像下的网格状结构[10]；同年冯有利报导了石榴石二辉橄榄岩中橄榄石中的自然铁[11]；2004年白文吉等在蛇绿岩中发现了自然铁-方铁矿组合[12]～[15]。近十年来鲜有有关自然铁的报导，2010年刘显凡报导了含铬自然铁及富含硅铝的自然铁[16]。

国内外关于自然铁的报导较少，而所报道的自然铁产状及结构形态等却多种多样。其寄主岩石有：橄榄岩、熔结凝灰岩、蛇绿岩、石英脉及多金属硫铁矿床等；其结构除重砂挑选的自然铁外有：文象交生体（图1A）、圆球状（图1B）、网格状（图1C）及火焰状（图1D）等。

图1 自然铁结构类型

2 不同环境自然铁元素的差异

对自然铁的研究尚未形成系统的研究方法，各学者对所发现自然铁的研究，方法各有不同，但电子探针对自然铁元素组成的分析是较为普遍的。统计发现不同成因环境下的自然铁在元素组成上存在着较大的差异。已报导的自然铁中大多以铁为主要元素，并含少量其他元素，即Fe含量在95%以上的自然铁，该类自然铁往往含微量的Ni、Co、Cu、Mn、Si等元素，且不同成因环境的自然铁所含的微量元素不同，除以上较为常见的微量元素外，还含有Au、Ag、Pt、Zn等元素(表1)。少量自然铁以合金形式存在，包括铁猛合金、硅铁合金、铬铁合金、及铬铁镍三项合金等，Fe在一定条件下会和与其化学性质相近的元素如Mn、Ni、Cr等，相结合形成合金，目前铁的合金报导较少，其中2002年白文吉报道了西藏蛇绿岩地幔橄榄岩中的铬铁镍合金及铱铁镍合金，其中铬铁镍合金Fe含量35.58%，Cr含量21.86%，Ni含量41.62%，铱铁镍合金Fe含量14.8%，Ir含量37.4%，Ni含量48.8%（表1中,8、9）；之后又于2004年对西藏罗布莎地区自然铁的研究中，发现了自然铁中Mn含量6.05%，Si含量1.05%，为含猛自然铁（表1中，4）；滇西地区富碱斑岩中发现的含铬自然铁，Fe含量77.71%，Cr含量19.06%（表1中，10）。自然铁元素组合一定层度上可以反映自然铁形成环境及岩浆源区，如铬铁合金、及铬铁镍三项合金，Cr作为地幔标型元素，因此含铬自然铁可作为地幔物质的标型矿物[16]，合金的形成可能与地球成核过程中滞留于地幔中地核物质有关，反映了在深部地幔铁和铬结合的可能[9]；又如硅铁合金可能是液态铁的地核与下地幔硅酸盐之间化学反应产物等[17];飘落沉积成因的自然铁元素组成中含有少量O（表1中，12）[18]。目前对自然铁及其合金元素组成的研究仍比较薄弱，某种环境下形成的自然铁并没有标准的元素组成及含量，仍然需要更多的案例去例证和总结。

3 自然铁成因进展

目前报道的自然铁的成因有多种，国内最早探讨自然铁成因是1984年刘秀清对熔结凝灰岩中自然铁成因的探讨，根据自然铁寄主岩石环境及其元素组成，提出该自然铁是在火山喷发时炽热的硫化物熔融体氧化分解还原的产物，并提出了相关反应式FeS（磁黄铁矿）+O2==2SO2↑ +Fe或 FeS2（黄铁矿）+2O2==2SO2↑ +Fe[3]；之后张之燊在对赋存于火上通道项或进火山口的火山（自然）铁球的研究中认为，自然铁是地壳深部岩浆房融离的产物，当岩浆携带(自然)铁球沿通道上升到地表时,一方面受到氧化作用,另一方面由于温度和压力下降,(自然)铁球内核自然铁内聚力加大,在火口及其周围保持一定的温度,使铁球外形得以形成[6]；1995年周再晃在对内蒙古东升庙多金属硫铁矿床中自然铁的研究中，提出了3种成因类型：（1）自然铁的形成可能是铁的硫化物(黄铁矿、白铁矿、磁黄铁矿等)和游离氧作用的结果。与刘秀清的观点相一致。（2）富硫等气体的铁硅质熔浆中的FeO在富碱的碳酸盐浅海盆地中,碳酸盐岩因受地慢深处高温状态的铁硅质熔浆,同熔分解出的碳,与FeO反应并使其中的Fe还原,形成自然铁，其反应式为：2FeO+C==2Fe+CO2↑；（3）富铁质的橄榄玄武岩(或含铁橄榄石斑晶细碧角斑岩)浆,沿海底裂谷喷溢沉积变质而成其反应式为：Fe2SiO4(铁橄榄石)→2Fe(自然铁)+Si02(石英)+O2↑[7]。2000年郑建平提出了自然铁-偏离正常矿物化学成分矿物的交生体,是深部地幔柱上升的含铁和方铁矿流体不均匀地与岩石圈中橄榄岩发生反应并经固溶体分离的结果[8]；之后白文吉先后报道了西藏蛇绿岩地幔橄榄岩中的铬铁镍合金、铱铁镍合金、硅铁合金及自然铁方铁矿组合，认为自然铁及其合金形成于核幔边界带[9][12]～[15]；2010年刘显凡对滇西地区富碱斑岩中自然铁的研究中认为自然铁的形成与幔源流体有关[16]。另外少数观点阐述了赋存与沉积岩中的自然铁的成因，如形成于富碳的煤系地层由有机质还原而来[5]，由宇宙尘埃中原生铁粒子飘落洋盆后沉积保存等[18]。

总结其成因大致可分为以下几种：①分布于金伯利岩或蛇绿岩，是由核幔分异作用或核幔边界化学反应生成[8][10][12]～[15]；②分布于硅质熔结凝灰岩中，由富铁的橄榄玄武岩岩浆经喷发（溢）-沉积变质过程中，经歧化反应分解形成[7]；③分布于超基性岩、基性岩中的铁矿物，由氧化还原条件的改变而形成的[4][5]；④分布于火山通道或近火山口的爆发-喷溢交替的中酸性岩中，在火山口适当的温度和氧逸度条件下形成，岩浆来源于地壳深部[6]。⑤沉积成因，寄主岩石为沉积岩[18]。尽管自然铁的成因各异，但他们的形成都是在缺氧的还原环境下，因此自然铁的发现可以作为还原环境的标志。

4 结论及展望

通过对自然铁的论述及总结，得出以下结论，（1）国内自然铁的研究仍然处于初级阶段，而且目前对自然铁的研究并没有得到重视；（2）不同成因背景下的自然铁具有不同的元素组成；（3）自然铁成因类型有多种，但同是形成于缺氧的还原环境。

自然铁作为自然界不易存在的自然单质金属，代表着特殊的成因环境，对自然铁进行研究有着重要的环境指示意义。然而因其存在数量少，而且不易发现及研究的特点，对自然铁的研究仍处于初级阶段，且目前并未得到重视。目前对自然铁的研究仍存在着很大的问题：国内各学者对自然铁的研究方法各异，并未形成系统的研究方法；因自然铁产出环境不同，没有明确的成因分类，也没有明确的指标来指示自然铁的分类；笔者对国内现有的报道进行了论述总结，但因为资料的局限性，对自然铁的归类可能并不准确，且不能准确的总结出各类自然铁的特点。笔者在此对自然铁的研究提出以下期望：（1）探究自然铁的研究方法，探索出适合自然铁寻找、提取及研究的方法；（2）探索出能代表自然铁形成环境的指标，以指导自然铁的分类；（3）对自然铁的研究，应从报导式转向研究式，从自然铁的形成环境、形成机理、运移过程等方便综合研究。

[1]谢玉玲,侯增谦,徐九华,袁忠信,白鸽,李小渝.四川冕宁-德昌稀土成矿带铜锌、铜锡合金矿物的发现及成因意义[J]. 中国科学(D辑:地球科学),2005,06:572-577.

[2]罗梅,王月文. 若尔盖巴西金矿床铜锌矿(Cu_2Zn)的发现及其地质意义[J]. 矿物学报,1999,01:20-22.

[3]刘秀清. 对某地熔结凝灰岩中自然铁(α-Fe)的确定及其形成的初步探讨[J]. 地质论评，1984,02:190-194.

[4]张良矩. 含金石英脉型矿床中自然铁的首次发现及其研究[J]. 地球科学,1987,12(04):374-380.

[5]张良钜. 小秦岭金硐岔金矿床九号石英脉中自然铁的发现及研究[J]. 地球科学,1987, 12(6):579-588.

[6]张之燊. 火山(自然)铁球特征及其地质意义[J].福建地质,1987,(01):20-24.

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[8]郑建平,路凤香,郑曙,任迎新. 地幔中自然铁-偏离正常矿物化学成分的矿物交生体与深源流—岩作用[J]. 地质科技情报,2000,02:27-30.

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[10]赵磊,郝金华,李剑,等. 金伯利岩中首次发现含硅碳自然铁球状体[J]. 地学前缘,2003,10(4):363-364.

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[14]白文吉,杨经绥,施倪承,等. 西藏罗布莎蛇绿岩地幔岩中首次发现超高压矿物方铁矿和自然铁[J]. 地质论评,2004,50（02）:184-188.

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[18]D.M. Pechersky, D.M. Gil’manova, A.Yu.Kazansky, 2013，Native iron in Quaternary deposits of the Darhad Basin. Russian Geology and Geophysics 54 (2013)1499–1514