豫西卢氏张家山铁矿成矿模式及矿床成因研究

关会明，石伟民，覃初礼

(1．广西壮族自治区地质调查院，广西 南宁 530023；2．中国-东盟地学合作中心(南宁)，广西 南宁 530023)

0 引言

张家山铁矿床是位于卢氏—栾川Fe-Mo-W-Pb-Zn成矿带上新发现的1个褐铁矿床，前人对其矿床地质、矿体特征、矿石矿物及元素富集都做过较为详尽的研究[1-2]，但对其矿床成因争议较大，一种认为是中低温热液成因的铁多金属硫化物经风化淋滤形成[2]，一种认为是海相沉积—风化淋滤成因[1]。本文通过详细的野外地质勘查，结合元素富集特征、矿物赋存状态及成矿物质来源等方面研究，判断成矿环境及铁矿形成过程，对其成因进行客观的认识，并在其基础上建立成矿模式和找矿方向研究。

1 矿区地质背景

矿区内出露地层主要包括中元古界官道口群巡检司组、杜关组、白术沟组和龙家园组，震旦系东坡组和第四系(图1)。巡检司组分布在矿区北部张家山—中庙沟脑—后河—黄岭头一带，为一套碳酸盐岩系，主体为白云岩和燧石条带、燧石条带、燧石层规律重复；杜关组主要岩性为一套碳酸盐岩夹碎屑沉积建造，岩性以灰色、灰白色、灰褐色板状、千枚状绢云石英白云岩、白云质大理岩、夹绢云白云石千枚岩、炭质绢云千枚岩及变质粉砂岩；白术沟组主要为一套细碎屑岩沉积岩系，岩性为炭质千枚岩、绢云千枚岩、粉砂质板岩等。震旦系东坡组为矿区铁矿床主要赋矿层位，主要为一套细碎屑岩沉积岩系(或称黑色岩系)，其岩性为变质粉砂岩、粉砂质板岩、千枚状板岩、绢云千枚岩、含褐铁绢云千枚岩、炭质千枚岩夹有中厚层白云质灰岩透镜体。

图1 张家山铁矿区域地质图Fig.1 Regional and geological map of Zhangjiashan iron deposit1—第四系 2—震旦系东坡组 3—巡检司组 4—龙家园组 5—白术沟组6—地质界线 7—断层 8—推测断层 9—花岗斑岩 10—铁矿体

区内断裂构造十分发育，由西向东，大致可以分为两组：NWW向断裂和NNW向断裂，以NWW向为主(图2)。矿区褶皱构造非常发育，受区内马超营断裂带影响，各类向斜、背斜、倒转向斜和倒转背斜发育。曹新志等对区内做了系统研究[1]，认为张家山矿区控矿构造格架为“两向夹一背”的倒转复式向形，铁矿体与地层同步倒转褶皱，并且在倒转褶皱的转折端虚脱部位使沉积铁矿层加厚，有利铁矿质进一步富集成矿。

图2 张家山矿区地质略图Fig.2 Geological sketch map of Zhangjiashan mining area1—第四系全新统 2—震旦系东坡组 3—官道口群杜关云组 4—官道口群巡检司组 5—地质界线 6—断层 7—矿体位置及编号

2 矿床地质特征

2.1 矿体特征

张家山矿段共目前发现主要有5个矿体，其中301、302、303号矿体规模较大，其他规模较小。矿体主要以似层状、层状、蜂窝状产出在白术沟组含炭质千枚岩、含炭质千枚状板岩和千枚状变质粉砂岩中(图3)。矿体走向主要为NNW向产出，产状受地层、断裂及褶皱构造综合控制。矿体厚度为0.8～11.5 m，变化较大，沿走向连续性较差。

图3 张家山矿床303号铁矿体第27勘探线剖面示意图(据文献[3])Fig.3 Schematic section map of iron orebody 303# along prospecting line No.27 in Zhangjiashan deposit[3]

301、302、303号3条矿体位于⑥号倒转褶皱的两翼，走向上连续性差，铁矿化较好。赋矿围岩主要为千枚状板岩、粉砂质板岩，矿体与围岩呈渐变接触关系。301号矿体总体走向113°，倾角52°，沿走向长约200 m，真厚度为0.88～2.84 m；w(TFe)为15.95%～51.34%，w(Mo)为0.027%～0.104%。302矿体总体走向113°，厚度变化较大，真厚度为0.90～11.48 m，平均厚5.60 m，倾向上矿体延伸100～180 m，主要呈透镜状、厚层状。303铁矿体长度约400 m，真厚度为1.10～9.32 m，平均厚5.51 m，沿倾向延伸200～370 m，呈透镜状和厚层状，走向110°。

2.2 矿石矿物特征

本次对采自矿区302号矿体的8件铁矿石样品，进行镜下鉴定、XRD及电子探针等工作(图4)，矿石矿物组成主要为褐铁矿、针铁矿、赤铁矿和少量黄铁矿，非金属矿物主要有石英、方解石、绢云母、白云母、高岭石及少量滑石、蛭石、伊利石和绿泥石等。

图4 张家山铁矿褐铁矿矿石XRD谱图Fig.4 XRD spectrum diagram of limonite ore in Zhangjiashan deposit

矿石结构类型较多，主要以胶状结构为主，其次为鲕状结构、鳞片状结构、纹层状结构、碎裂结构、交代残余结构、网脉状结构、揉皱结构和假象结构等，镜下主要矿石结构见图5。矿石构造主要包括了层状(图5a)、致密块状(图5b)、角砾状(图5c)和块状构造(图5d)，矿化较好的部分集中发育在破碎带中，可能发生重新胶结，产生了角砾状、块状、骨架状结构矿石及土状结构。

图5 张家山铁矿床矿石特征Fig.5 Ore characteristics in Zhangjiashan iron deposit(a)层状矿石 (b)致密块状矿石 (c)角砾状矿石 (d)块状矿石

3 矿床地球化学特征

张家山褐铁矿石主量元素、微量元素和稀土元素分析结果见表1。

由表1可见：

表1 张家山褐铁矿石主量元素、微量元素和稀土元素分析结果Table 1 Analysis data of major， trace and rare earth elements of limonite ores in Zhangjiashan deposit

1)主量元素：工作区褐铁矿石中w(SiO2)的变化范围为2.86%～45.65%，平均值为9.82%；w(Al2O3)的变化范围为0.54%～11.47%，平均值为3.41%；w(Fe2O3)的变化范围为14.66%～60.55%，平均值为42.25%；w(FeO)的变化范围为0.06%～0.53%，平均值为0.11%；w(CaO)的变化范围为0.72%～44.03%，平均值为22.90%；w(MgO)的变化范围为0.35%～2.17%，平均值为0.98%；w(Na2O)的变化范围为0.03%～0.14%，平均值为0.05%；w(K2O)的变化范围为0.02%～3.89%，平均值为0.85%；w(TiO2)的变化范围为0.01%～0.57%，平均值为0.12%；w(MnO)的变化范围为0.05%～1.99%，平均值为0.52%；w(P2O5)的变化范围为0.32%～4.04%，平均值为1.76%；SiO2/Al2O3比值变化范围在0.92～6.26之间，平均比值为2.97，其比值一般较低(一般小于4)。LOI值为5.25%～29.37%，平均值为17.46%，表明褐铁矿石中炭质含量可能较高。

2)微量元素：由图6a可见，褐铁矿石的微量元素富集大离子亲石元素U，亏损Nb、Ti等元素。(Ni/Co)N比值为6.95～236.48，远大于3，可以认为其为陆源沉积型铁矿[4]。(V/Cr)N比值为0.04～82，围岩的(V/Cr)N比值为0.9～5.95，可以发现大部分炭质千枚状板岩形成于贫氧或缺氧环境，但有部分也指示出了富氧和次富氧环境。(U/Th)N比值为0.48～59.50，变化系数均较大，氧化环境、贫氧环境和缺氧环境都有出现，认为当时的沉积环境变化较大，反映炭质千枚状板岩和铁矿石具有相同的物质来源和沉积环境。矿区含炭质千枚岩中该比值大多数均小于1，显示为正常海水沉积特征[1，5]；矿石仅有1个样品大于l，其余均小于l，显示为正常海水沉积特征。V/(V+Ni)比值为0.01～0.75，大部分小于0.46，少部分大于0.57，形成环境可能以氧化环境为主，静海和缺氧环境次之，推测铁矿原生矿物可能以氧化环境的褐铁矿或赤铁矿为主，还原环境的黄铁矿次之[6]。

3)稀土元素：由图6b可见，含量相对较低，按照褐铁矿石稀土元素特征，将其分为a类和b类。

图6 张家山褐铁矿石微量元素原始地幔蛛网图(a)与稀土元素球粒陨石标准化配分图(b)(据文献[7])Fig.6 Spider diagram of primitive mantle-normalized trace elements (a) andchondrite-normalized REE distribution pattern map (b) of limonite ores in Zhangjiashan deposit

a类：相对于b类有较小的ΣREE值，w(ΣREE)的变化范围为9.09×10-6～21.11×10-6，平均值为14.25×10-6；w(LREE)为6.90×10-6～15.11×10-6，平均值为10.84×10-6；w(HREE)为2.19×10-6～6×10-6，平均值为3.40×10-6；LREE/HREE比值为2.1～3.36。δEu值介于0.58～1.38之间，负异常较明显。

b类：相对于a类有较大的ΣREE值，w(ΣREE)的变化范围为54.72×10-6～184.87×10-6，平均值为132.75×10-6；w(LREE)为45.32×10-6～159.09×10-6，平均值为103.96×10-6；w(HREE)为9.4×10-6～51.20×10-6，平均值为28.79×10-6；LREE/HREE比值在4.4～6.17之间，轻稀土相对富集。

4 讨论

4.1 矿床成因

通过研究矿区和矿体地质特征、矿石矿物特征、矿床地球化学特征及元素富集和赋存状态，发现矿体赋矿围岩主要为东坡组，矿体主要呈层状、似层状赋存在炭质千枚状板岩，该套地层上部间夹有白云质灰岩，表明其沉积环境应以静海还原为主，但局部地区应有海平面动荡活动发生；马超营断裂带对矿区构造变形作用明显，该断裂带在中生代燕山期强烈的挤压逆冲活动，对东坡组发生的强烈的挤压变形作用，形成大量的向斜、背斜、倒转向斜和倒转背斜，同时在褶皱的转折段矿体明显加厚，富集，说明区域构造对矿体形成有一定的控制作用；矿石矿物组成相对简单，主要为褐铁矿、赤铁矿和针铁矿；矿石元素组合复杂，除Fe以外，Mo、Cd、Zn、Ni、Se、V、Ga、U、P和Sb等元素富集，尤其是Mo、Cd、Zn、Ni、Se、V和U都已达到边界品位，甚至最低工业品位。

另外，褐铁矿石主要由SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3组成，元素含量变化较大。Al2O3、K2O和P2O5的含量通常用来判别铁矿的物质来源，陆源沉积型铁矿通常富Al2O3(4.07%)、K2O(0.6%～1.34%)和P2O5(0.46%)，且w(SiO2)/w(Al2O3)<5、w(K2O)>w(Na2O)[8-10]。张家山铁矿的Al2O3变化较大，除ZHY01-3中w(Al2O3)>4.07%，其他样品均w(Al2O3)<4.01%；w(K2O)平均为0.85%；w(P2O5)平均为1.76%；w(SiO2)/w(Al2O3)比值大部分小于5，平均值为2.97；w(K2O)/w(Na2O)比值除DJL-2外，均≥1，平均值为12.81。以上特征可初步认为张家山铁矿物质来源主要为陆源碎屑[11-12]，但可能有少量的海底火山物质参与。微量元素和稀土元素特征表明，矿石的成矿物质来自于陆源碎屑沉积，矿石的稀土元素及微量元素组成相对复杂，相对应指示的褐铁矿原始矿物并非只有黄铁矿。因此通过本次研究认为，张家山铁矿床成因可归于沉积—风化淋滤型铁矿。

4.2 成矿模式

成矿过程总体上可以分为两期：原始沉积富集期和风化淋滤成矿期，成矿模式见图7。

图7 张家山铁矿成矿模式示意图Fig.7 Metallogenic model map of Zhangjiashan iron deposit1—含黄铁矿炭质泥岩 2—含菱铁矿泥岩夹灰岩团块 3—炭质板岩 4—大理岩 5—次级断裂带 6—铁矿体

原始沉积富集期：原始沉积富集过程与成岩过程中，华北南缘古陆隆起和断陷作用，罗圈期出现断陷深切海盆沉积，出现快速海侵事件，由原先的浅海环境变成深海缺氧环境。在该环境下，来自南北两侧的陆源成矿物质，如Fe、Mo、Ni等，在缺氧富硫以及有机物很多的环境下，铁主要以胶状黄铁矿(少数为自形黄铁矿)形式同生富集于黑色岩系(如炭质泥岩、炭质页岩)中，同时大量的Mo、Cd、Zn、Ni、Se、V、Ga和U等元素以类质同相或离子吸附状态富集于黄铁矿、黏土质矿物和炭质中间。

风化淋滤成矿期：真正意义上的张家山铁矿床形成于该期，马超营断裂带在燕山期发生了强烈的挤压逆冲过程，在矿区形成大量的褶皱、断裂等构造，使得原生铁矿物由于构造运动暴露在氧化环境中。后期富含硫的黄铁矿及富含碳酸根的菱铁矿在淋滤作用下氧化形成褐铁矿，并使其在构造破碎带或褶皱转折段等有利成矿部位再次富集变厚，最终成矿。

5 结论

1)张家山铁矿石主要成分为褐铁矿，针铁矿、赤铁矿和少量黄铁矿；矿石结构以胶状结构为主，矿石构造主要包括了层状、角砾状和块状构造。

2)张家山铁矿主量、微量、稀土元素特征表明该矿床成矿物质主要来自陆源碎屑，但可能有少量海底火山物质参与，矿床成因为沉积—风化淋滤型铁矿。

3)综合研究认为，张家山铁矿成矿过程大致可以分为两次，即原始沉积富集期和风化淋滤成矿期。