中祁连大白石头沟钛铁矿床地质特征与成因探讨

魏本赞，卢辉雄，汪 冰，张 恩

核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002

0 引言

钛（Ti）是地壳中分布最广和丰度高（6.32×10-3）的元素之一［1］.目前，国内主要利用的有钛铁矿（FeTiO3）、金红石（TiO2）和钛磁铁矿〔（Fe，Ti）3O4〕.国内钛矿床类型主要有3种［2］：1）变质基性岩（榴辉石）中含金红石原生矿床；2）与基性岩有关的伴共生钒、钛磁铁矿床；3）金红石内陆砂矿床.

大白石头沟钛磁铁矿位于中祁连托莱南山北缘（图1）.2012年，在中祁连托莱南山北缘大白石头地区发现了3处航空磁异常.经航磁异常查证，发现航磁异常由磁铁矿化所引起，并伴有钛矿化①伍显红.青海省天峻县大白石头沟一带1∶5万航磁异常查证报告.2014..该地区钛矿物组分、赋存状态、矿床成因、钛磁铁矿物质来源等问题一直存在争议［3-15］，制约着该地区地质矿产勘查进度与相关研究工作.

图1 祁连县大白石头沟地区地质简图Fig.1 Geological sketch map of Dabaishitougou area in Qilian County

笔者在详细分析大白石头沟地区矿产地质特征的基础上，通过钛矿物岩相观察、电子探针及人工重砂等分析手段，厘定了钛矿物赋存状态、矿石结构、化学组分及矿物含量等矿物学特征，初步探讨钛磁矿物质来源及成矿模式，以期为后续的勘查及研究工作提供理论依据.

1 矿区地质背景

1.1 大地构造位置

大白石头沟地区大地构造位置位于秦祁昆造山系中祁连微陆块，三级构造单元属中祁连岩浆弧带；成矿区带属于中祁连加里东期钨、稀有金属、铜、钛、锑、金成矿带.

1.2 地层

研究区属祁连-北秦岭地层分区中祁连地层小区（图1）.区内东部出露古元古界托赖岩群（Pt1T），西部出露中元古界长城系湟中群磨石沟组（Ch m）片岩段（Ch m1）和石英岩段（Ch m2）.托赖岩群分为片麻岩组（Pt1T1）和片岩组（Pt1T2），该地层岩石中普遍出现石榴石、微斜长石、褐色黑云母、角闪石、石英、白云母等变质矿物，其变质程度为低角闪岩相，原岩为一套成熟度较高的基性火山岩、泥砂质碎屑岩类.中元古界长城系湟中群磨石沟组主要分布于研究区西北部，出露片岩段（Ch m1）、石英岩段（Ch m2）及碳酸盐岩段（Ch m3）.磨石沟组受区域低温动力变质作用的影响，岩石中普遍具有石榴石、黑云母、白云母、绿色角闪石、斜长石、石英等变质矿物，其变质程度为高绿片岩相.岩石中出现绿泥石、绢云母、石英等变质矿物，原岩为一套泥岩、长石石英砂岩、石英砂岩夹灰岩及基性火山岩建造.

1.3 构造

区内北西向韧-脆性构造极为发育，主要发育3组断裂构造，分别为NW向、近E-W向和NE向断裂.其中，NW向韧性剪切构造为主体构造，伴随北西向韧性剪切构造发育浅层次的脆性断裂构造.该期构造形成时期较早，后期活动特征较明显，且多具左行压扭性特征.矿化体与NW向韧-脆性构造密切相关，构造对矿化体具有明显的控制和改造作用.

1.4 侵入岩

区内侵入岩发育，主要为伟晶岩脉，呈脉状、团块状，分布范围较广，侵入时期主要有新元古代、奥陶纪、志留纪和泥盆纪.

火山活动起始于古元古代，终止于奥陶纪.火山岩以不同产状赋存于各时代地层中，特别在古元古界托赖岩群、中元古界长城系磨石沟组及下奥陶统阴沟群中均发育海相喷发的中基性火山岩，岩性主要为玄武岩、玄武质角砾熔岩、凝灰岩，多见枕状构造，海相喷发特征明显.

2 矿床地质及矿石特征

2.1 矿化体地质特征

区内共发现3条钛矿化体（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），分别产于古元古界托赖岩群片麻岩段、中元古界湟中群磨石沟组片岩岩段和石英岩段.

Ⅰ号钛矿化体：产于中元古界长城系湟中群磨石沟组片岩岩段（图2），呈北东向条带状展布，长度600 m，宽度4～9 m，产状与地层产状基本一致.矿化体围岩为黑云石英片岩.矿化体长约600 m，厚度3.90～9.85 m，平均厚度6.50 m；TFe品位为8.45×10-2～16.0×10-2，平均品位12.24×10-2；TiO2品位为1.65×10-2～4.75×10-2，平均品位3.12×10-2.

图2 I号钛矿化地段地质简图Fig.2 Geological sketch map of No.I titanium mineralization

Ⅱ号钛矿化体：产于古元古界托赖岩群片麻岩段，出露岩性主要为斜长片麻岩，夹黑云斜长片麻岩，矿化体与地层产状一致，产状为244°∠82°.矿化体呈层状北西向展布，控制长度300 m，厚度3.10～10.56 m，平均厚度6.57 m；TFe品位为10.25×10-2～13.7×10-2，平均品位11.33×10-2；TiO2品位为1.55×10-2～2.9×10-2，平均品位1.98×10-2.

Ⅲ号钛矿化体：产于中元古界长城系湟中群磨石沟组石英岩段黑云石英片岩中，矿化体与围岩岩层产状稳定，倾向南西，倾角71～74°.矿化体呈北西向展布，长度100 m，宽2 m，矿化体产状为197°∠74°，与地层产状一致.TFe平均品位为11.39×10-2；TiO2平均品位为2.11×10-2.

2.2 矿石特征研究

钛矿床类型复杂多样，为准确厘定钛矿物赋存状态、矿石结构、化学组分及矿物含量等特征，先后运用了岩相观察、化探分析、电子探针及人工重砂等分析手段.研究结果表明，该地区钛矿化富集以钛磁铁矿为主，并含少量的钛铁矿和微量金红石等（图3）.

图3 钛磁铁矿矿石显微照片Fig.3 Microphotographs of titanium magnetite ores

2.2.1 矿相显微分析

黑云母石英片岩：灰黑色，鳞片粒状变晶结构，片状构造.岩石主要矿物成分为石英、黑云母，其次含少量白云母和金属矿物（图3a）.金属矿物（包括铁质粉末等）含量1%～9%（图3b），多呈他形—不规则粒状，有些呈粉末状集合体，主要呈零星散状或定向条带状分布于岩石中.

黑云母斜长片麻岩：其特征与斜长片麻岩差异不大，但黑云母等暗色矿物含量明显增多.岩石多为灰黑色、黑色，鳞片粒状变晶结构，片麻状构造（图3c）.主要矿物成分为石英、斜长石、黑云母，其次含少量白云母、角闪石和金属矿物，副矿物有石榴石.金属矿物含量不足3%（图3d），个别标本可达7%，以磁铁矿为主；石榴石含量一般在1%～5%之间，多为晶簇，大小一般在2～5 mm，多呈浅褐红色，应为铁铝榴石.

通过岩相观察，镜下可以确定矿石中含有少量的黄铁矿、磁铁矿，而磁铁矿、含钛磁铁矿在镜下特征相似而难以区分.为进一步确定钛矿物的赋存状态，需借助矿物电子探针分析及人工重砂分析等技术手段，分析对象为与矿床成因关系密切的黄铁矿、磁铁矿、钛铁矿等.

2.2.2 电子探针成分分析

矿石电子探针分析结果见表1.从表中可知，矿石各样品测点成分平均值：FeO 77.78%，SiO20.07%，TiO211%，Al2O30.09%，MnO 0.37%，CaO0.07%；除FeO、TiO2外，其他元素含量甚微.研究区矿石中FeO、TiO2的含量与磁铁矿中的含量呈正相关关系，与Al2O3呈负相关关系.据资料显示，钛铁矿的MgO含量比磁铁矿的高，而Al2O3含量比磁铁矿的低，矿物在结晶时，Mg趋向于钛铁矿，而A l趋向于磁铁矿.大白石头沟钛磁铁矿存在Mg低Al高的特点，钛磁铁矿化学式为（Fe，Ti）3O4，其TiO2的理论含量为12%～16%.表1中样品测点TiO2成分平均值与钛磁铁矿的理论化学成分基本一致，间接地印证了钛矿物主要是钛磁铁矿.

表1 钛磁铁矿石电子探针分析数据Table 1 EPMA results of titanium magnetite ores

研究区内钛磁铁矿中TiO2含量较高，与内蒙古羊蹄子山钛矿床类似［16］.TiO2变化范围较大，其含量与形成的温度、压力密切有关，反映了钛磁铁矿成矿的复杂性.大白石头沟钛磁铁矿化体中普遍出现了副矿物铁铝榴石，副矿物的出现也印证了矿床变质成因的特点［17］.

2.2.3 人工重砂分析

通过人工重砂分析了研究区内矿石中矿物类型、含量及占比情况（表2）.矿石类型以钛磁铁矿为主（5.70%～8.29%），次为钛铁矿（0.15%～0.67%），金红石矿微量.钛磁铁矿与钛铁矿共生，呈半自形—自形粒状集合体填充在脉石矿物颗粒之间，金属光泽，高硬度，粒径0.01～0.40 mm.

3 成因探讨

3.1 钛矿物来源

目前，针对钛矿物质形成许多学者提出了不同观点，主要有以下2种：1）钛磁铁矿是岩浆晚期结晶的产物［18-19］；2）钛磁铁矿是磁铁矿早期分离结晶后堆晶形成，即来自早期超基性—基性富钛质火山岩［20］.

大白石头沟地区钛矿化体周边均发育大量规模不等的伟晶岩脉，这一特点引起了学者们对伟晶岩脉是否提供矿源的思考.依据1∶5 000岩石地球化学调查资料，对区内各类岩石的地球化学特征进行统计分析.比较各类岩石中Ti元素的含量，在花岗伟晶岩中，Ti元素含量为1 327×10-6，显著低于全区背景值（3 958.2×10-6），但略低于花岗岩（维氏，1962）的平均含量；在角闪石岩中，Ti元素含量为6 669×10-6，显著高于全区背景值，但略低于基性岩（维氏，1962）的平均含量；其他岩石中，Ti元素含量均相差不大，与全区背景值相接近，也与地壳岩石的丰度基本一致.因此，钛矿物来自花岗岩体（或伟晶岩）观点基本排除.

结合矿区地质背景、矿化体特征、矿石特征等，笔者认为该区钛磁铁矿成矿物质主要来源于超基性—基性富钛质火山岩，即火山活动中，钛矿物经过了分离-结晶过程，遇到氧化还原障，堆晶沉淀富集成矿.依据如下.

1）区域上火山岩主要分布在古元古界托赖岩群、长城系磨石沟组及下奥陶统阴沟群等地层，这些地层中均可见有海相喷发的中基性火山岩.火山喷发韵律多，岩相可分为喷溢、爆发和沉积相.岩石类型极为复杂，主要岩性有枕状玄武岩、蚀变玄武岩、石英拉斑玄武岩、玄武质角砾熔岩、玄武安山岩、玻基安山岩、蚀变辉石安山岩、玻基安山岩、基性晶屑岩屑含角砾凝灰岩、沉晶屑岩屑凝灰岩.岩石富含Ti、Fe等元素，且普遍经历了构造改造、变形变质.

2）钛矿物富集不局限于某个地层，在不同时代的地层中均可见，且在部分岩组中出现Ti、Fe元素的富集.例如，早奥陶世阴沟群火山岩组是中祁连蛇绿混杂岩带中海相火山岩型多金属矿重要的含矿岩系，该群中发现了多处火山喷流-沉积型铁矿床、矿点，且Ti、Fe、Co、Mn、V等元素呈高背景或偏高态势.

3）区内多数地层Ti、Fe等元素呈高背景值，并在局部地段富集成矿，矿化体具似层状、透镜状特点，符合“火山喷流-沉积”型矿床特征.

3.2 成矿模式

根据火山喷流-沉积的成矿理论，其喷流系统主要有管道相、近喷口喷流沉积岩相、远离喷口正常沉积岩相等.

研究区古构造环境主要为岛弧作用模式，成矿作用主要与海底火山-热液活动相关，主矿体形成于火山喷发间歇期，并处在岛弧/弧后盆地或克拉通内部裂谷带中.随着中祁连大洋裂谷的形成，来自海洋底部富含Ti、Fe流体沿着喷发管道上升，并在运移过程中不断演化为高浓度的成矿流体，这些流体显示出以地幔流体为主，混有少量大气降水，通常以多阶段形式在剪切带内交代-沉淀成矿.其次，在区域变质作用下，富Ti、Fe成矿流体进一步发生富集作用；接着，在晚奥陶世区域构造-岩浆作用下，Ti、Fe成矿元素再一次变质富集而形成低品位的钛磁铁矿化体；最后，经过多期断裂构造的改造作用，形成了矿化体似层状、透镜状特点（图4）.

4 结论

（1）钛磁铁矿化体主要产于古元古界托赖岩群片麻岩、中元古代湟中群磨石沟组片岩和石英岩中，受岩性控制明显.

（2）通过岩相观察、电子探针及人工重砂等分析手段，厘定了矿石矿物以钛磁铁矿为主，含少量钛铁矿和微量金红石等.

（3）根据钛磁铁矿成矿地质特征及赋存状态，印证了伟晶岩体不是成矿物质的物源体，成矿物质主要源于火山喷发带来的富钛质超基性—基性火山；矿化类型属于火山喷流-沉积型.

（4）笔者查阅了大量的地质勘查资料与文献，钛磁铁矿在中祁连托莱南山大白石头沟地区富集成矿尚属首次.因此，本研究成果可为后续的勘查及相关工作提供理论依据.