鲁西地区铁矿类型特征及成矿谱系

郝兴中, 孙斌, 张文, 王巧云, 郭艳, 高华丽, 王丽娟

(山东省地质调查院, 济南 250014)

矿床成矿谱系研究是揭示一定区域内地质历史发展过程中成矿作用演化轨迹和时空结构的重要手段[1-2],对于确定目标区矿床种类、成因类型、矿体规模等具有十分重要的意义;深入研究成矿谱系可以为成矿预测及矿床勘查提供重要的决策依据。

山东省是中国矿业大省,矿产资源丰富,勘查开发历史悠久。自中华人民共和国成立以来,山东省矿产勘查和科研工作取得了巨大进展,形成了金、铁、煤和金刚石等多个全国著名的矿集区[3];其中铁矿成矿地质条件优越,矿床分布十分广泛;截至2022年底,山东省已发现和探明的铁矿床(点)共计302处,分布于除东营市和滨州市之外的其他14个地市。鲁西地区铁矿分布尤为广泛,已发现有铁矿矿产地251处,其中大、中型规模为82处[4],多集中分布于济南、泰安、临沂和淄博等地;鲁东地区有铁矿产地51处,矿床规模多为中、小型,且呈区域分散分布。

鲁西地区铁矿类型较多,成矿时代跨度较大,在铁矿勘查过程中,对其成矿背景、矿床特征、成矿规律、找矿标志、成矿预测、矿床成因和勘查方法等方面研究较为深入,但针对鲁西地区的铁矿成矿谱系研究尚未深入开展[5-11]。由于铁矿的形成是与其相关的成矿要素间高度耦合的产物;在各个地质历史时期内,在各种类型铁矿形成过程中,与之相关的成矿要素的差异性十分显著,因此,研究上述各种类型成矿要素对铁矿形成中所起到的控制作用十分必要,加之铁矿是中国紧缺的大宗矿种之一;系统开展铁矿成矿谱系研究对于提升研究区铁矿成矿预测水平和指导区内铁矿勘查工作具有重要的促进作用[12-16],进而对提升山东省铁矿保障能力也具有十分重要的意义。在通过综合梳理鲁西地区各种铁矿类型特征,重点分析成矿地质条件、控矿要素、成矿规律及矿床成因的基础上,以地质演化史为轴线,建立该区铁矿成矿谱系,为鲁西地区勘查和研究奠定科研基础并提供勘查依据。

1 区域地质背景

研究区大地构造位置属华北板块(Ⅰ)、鲁西隆起区(Ⅱ)、鲁中隆起(Ⅲ)和鲁西南潜隆起(Ⅲ)。区域地层发育较为齐全,岩浆活动频繁,构造运动强烈。研究区内出露有太古界、元古界、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、白垩系及新生界。区域岩浆岩具有“区域成带性、多旋回性和多成因性”特征[5],以新太古代酸性侵入岩和燕山晚期中基性侵入岩为主,在空间上呈现区域成带的分布特点,在时间上表现为多旋回活动的特点,同时具有多成因的特点。区域地表构造形迹以北西向断裂为主,北东向断裂为辅[3];断裂展布规律性明显,以基底隆起为核部,断裂呈“放射状展布、同心环状展布”2种型式[17-18];区域构造特征表现为基底以褶皱为主,盖层以单斜地层为主的特征,断裂构造发育,中、新生代断陷盆地相间分布。研究区铁矿位置及其类型如图1所示。

鲁西地区发育有沉积变质型铁矿(即BIF型)、接触交代型铁矿(即矽卡岩型)、热液交代充填-风化淋滤型铁矿、沉积型铁矿和岩浆型铁矿等多个类型[6-7,19];其中沉积变质型铁矿和接触交代型铁矿在鲁西地区占有极其重要的地位,如韩旺铁矿床、苍峄铁矿带、东平—汶上铁矿带、张家洼铁矿床、金岭铁矿田和济南铁矿田等是山东省主要铁矿石产地。

图1 山东省主要铁矿矿产地分布图Fig.1 Distribution map of main iron ore mineral lands in Shandong Province

2 铁矿成矿地质特征

根据矿床成因类型划分,鲁西地区铁矿分布范围较广,形成时代跨度极大,各类型铁矿成矿时空分布特征详述如下。

2.1 空间分布特征

鲁西地区铁矿空间分布具有“不同类型铁矿区域分散、同种类型铁矿集中成带”的鲜明特征(图2、表1)。“不同类型铁矿区域分散”——即研究区铁矿床从北向南、由西至东均有分布,在济南市、淄博市、潍坊市、聊城市、泰安市、临沂市、济宁市、菏泽市、枣庄市、德州市等地区均有不同规模和类型的铁矿床(点)产出,其中菏泽市、德州市、聊城市在近年来铁矿勘查中取得了较大找矿进展和突破,发现了多处铁矿床(矿点)。“同种类型铁矿集中成带”——即铁矿床按照各自成因类型和产出状态集中分布于济南城区东部、莱芜地区,淄博市金岭、淄河、韩旺地区,临沂市兰陵、铜井地区、泰安市东平地区,济宁市峄城、汶上、颜店、金乡、嘉祥和梁山地区,德州市齐河和禹城地区,聊城市高唐地区,菏泽市单县地区等。

图2 鲁西地区主要铁矿类型及矿床分布图Fig.2 Distribution of main iron ore types and deposits in western Shandong

表1 鲁西地区主要铁矿类型及其空间分布特征表Table 1 Table of main iron ore types and spatial distribution characteristics in western Shandong

以沉积变质型和接触交代型铁矿为例,前者位于临沂市、枣庄市、淄博市、济宁市、泰安市和菏泽市等地区,属贫铁矿(TFe品位区间为25%～30%),其中多数铁矿床规模属中-大型,该类型铁矿是全省贫铁矿石主要来源基地;后者位于济南市、莱芜区、淄博市、德州市、临沂市等地区,属富铁矿(TFe品位区间为45%～65%),其中众多铁矿床可达大中型规模,是山东省富铁矿石的主要来源。

2.2 时间分布特征

鲁西地区各种类型铁矿成矿时代跨度极大,从新太古代、古生代至中生代均有分布(部分见表2)。就铁矿资源量和开发利用现状而言,研究区内沉积变质型铁矿资源总量最多,接触交代型铁矿次之,其他类型铁矿资源量较少;由此可知,新太古代和早白垩世是研究区铁矿最为重要的成矿期;除表2中铁矿类型外,产于鲁西隆起区中南部地区的南石、八块石沉积型铁矿形成于晚石炭世[6];产于沂沭断裂带中段的肖家沟、宿山岩浆型钛铁矿形成于新太古代[20]。各类铁矿的时空分布特征差异性是由地质演化史中多种地质事件经成矿作用及其后的改造作用等共同作用所致。

表2 鲁西地区铁矿时间分布特征Table 2 Time distribution characteristics of iron ore in western Shandong

3 典型铁矿床特征

本次研究工作通过选择鲁西地区各种类型典型铁矿床进行剖析,在梳理其成矿地质背景和矿床特征的基础上,进而对其铁矿控矿要素、赋矿特征、成矿规律和成矿谱系进行综合研究。

3.1 沉积变质型铁矿

该类型铁矿是鲁西地区最重要的铁矿类型之一,为前寒武纪沉积变质作用的地质产物,主要由硅质和铁质成分交替发育并形成条带状含矿建造[30-35];研究区该类型铁矿共有韩旺式、苍峄式、杨庄式和济宁式共4种类型,均为新太古代变质地层控矿(所属赋矿层位分别为泰山岩群雁翎关组、山草峪组和柳杭组,济宁岩群颜店组);鉴于苍峄式铁矿的资源量最大,部分矿床开发程度高。因此,选择苍峄铁矿带中王埝沟铁矿床进行剖析。

苍峄铁矿带属特大型铁矿带,受山草峪组变质岩系控制[36-43],其铁矿层具有“多层性发育、连续性产出”的特征。王埝沟铁矿床地处苍峄铁矿带东部,共发育2条主矿带5个矿体(其北翼发育3个矿体,南翼发育2个矿体,图3),呈层状、似层状[44];铁矿体沿走向或倾向呈舒缓波状延展,产出稳定,局部具膨胀狭缩、分支复合现象,且向形构造控矿特征明显。该铁矿带顶底板为黑云角闪片岩或黑云变粒岩,矿体厚约23.84 m,平均品位TFe为31.92%。铁矿石类型为石英(角闪)磁铁矿矿石。

图3 王埝沟铁矿区铁矿示意图[44]Fig.3 Schematic diagram of iron ore in Wangniangou iron ore area[44]

3.2 接触交代型铁矿

该类型铁矿可分为与中基性侵入岩相关的接触交代型铁矿床(主要分布于济南、莱芜、淄博、德州和临沂等地区)和与中酸性侵入岩相关的接触交代型铁矿床(主要分布于兰陵、沂南等地区)[45-51];前者矿床规模较大,是研究区内富铁矿主要开发对象;而后者矿床规模较小,多为铜金(铁)伴生矿床;本次研究选择张家洼铁矿床作为典型矿床进行剖析。

张家洼矿床是研究区规模最大的接触交代型铁矿床,共分为张家洼、小官庄和港里3个矿段,各矿段主要矿体形态特征见图4和表3。铁矿体赋存于马家沟群与闪长岩体的接触带及其附近地段(如石炭纪本溪组等),矿体主要受接触带及层间不整合构造控制,呈似层状、透镜状产出;矿床蚀变分带特征显著,如矽卡岩化、钠长石化、透辉石化、蛇纹石化、大理岩化和角岩化等现象明显。铁矿石TFe平均品位约47%,矿石以致密块状磁铁矿石为主,兼有浸染状磁铁矿石等。

图4 张家洼矿段及小官庄矿段地质剖面图[6]Fig.4 Geological section of Zhangjiawa ore section and Xiaoguanzhuang ore section[6]

表3 张家洼铁矿床各矿段主要矿体特征表Table 3 Characteristics of main ore bodies in each ore section of Zhangjiawa iron deposit

3.3 热液交代充填-风化淋滤型铁矿

该类型铁矿始称“朱崖式”铁矿(其后亦称“淄河式”铁矿),位于鲁中隆起中北部淄河一带,其典型矿床有店子铁矿、朱崖铁矿、黑旺铁矿等,其矿床成因为早白垩世中基性岩浆生成中低温含矿热液,经交代充填作用在淄河断裂带构造系统中充填富集,此后在风化淋滤作用下形成菱铁矿体和褐铁矿体。本次研究以店子铁矿为例进行剖析。

店子铁矿床为隐伏矿,沿北北东向淄河主干断裂东西两侧分布;该矿床主要赋存于炒米店组灰岩中,次为三山子组白云岩中,断裂东侧发育10个矿体,西侧发育1个矿体,矿带总长约3 500 m,宽750～1 500 m[6,52]。铁矿体呈似层状和扁豆状,受断裂和层间构造控制特征显著,该铁矿总厚度变化较大,数米到数十米的矿体均有分布,各矿带大致呈平行展布(图5)。铁矿石TFe品位区间为40%～55%,褐铁矿品位为45.52%,菱铁矿品位为29.70%。该类型铁矿体层数较多,分布较稳定,具有一定工业价值。

图5 青州店子铁矿剖面简图[52]Fig.5 Profile diagram of Dianzi iron bodies in Qingzhou[52]

3.4 岩浆型铁矿

该类型铁矿集中发育于沂沭断裂带中段及其周邻地段,经勘查有肖家沟钛铁矿、宿山钛铁矿、秦家庄钛铁矿等;该类型钛铁矿床与新太古代幔源分异型侵入岩体关系密切,其中富钛和铁质成分的辉长角闪岩岩体与矿床成因有着直接联系[53-54]。本次研究以肖家沟钛铁矿床作为典型矿床进行剖析。

肖家沟钛铁矿床成矿地质体为含钛铁矿角闪辉长岩,岩体围岩为二长花岗岩;矿体总体走向为45°,倾向南东。矿体平面形态呈较规则的脉状(图6),长度约1 600 m;宽度约180 m,矿体延深多大于200 m,矿体南东侧较陡,北西侧相对较缓;矿石平均品位TiO28.68%、TFe 18.46%[55],品位变化均匀。

图6 肖家沟钛铁矿联合剖面图[55]Fig.6 Joint section of Xiaojiagou ilmenite iron bodies[55]

3.5 沉积型铁矿

该类型铁矿属晚石炭世沉积-残积型铁矿床,零星分布于淄博、临沂等地的沉积盆地内;矿体产于中奥陶世灰岩风化壳上及本溪组底部(图7);该类型铁矿有枣庄南石铁矿(属小型规模),矿体呈透镜状、结核状,产状平缓,厚度多不稳定,矿体规模小。矿石矿物为(呈结核状或团块状)赤铁矿、褐铁矿[56],脉石矿物主要为(呈块状、结核状)黏土质矿物及长石、石英等碎屑物,矿石TFe品位20%～35%,矿体含矿率低,因其规模小、品位低,所以工业价值较小。

4 铁矿控矿要素分析

由前文论述可知,鲁西地区各类成矿作用在研究区形成了新太古代沉积变质型铁矿床和岩浆型矿床、晚石炭世沉积型铁矿床、早白垩世接触交代型铁矿床和热液交代充填-风化淋滤型铁矿床。综合以往地质学者研究成果[46,57-60],研究区各类型铁矿的控矿要素见表4。

5 鲁西区域地质演化及成矿构造环境

根据区域地质研究成果,鲁西地区经历了漫长的地质演化发展史,具有地层发育、岩浆活动频繁、构造运动强烈的特点。

5.1 鲁西区域地质演化

根据《中国矿产地质志·山东卷·铁钛矿产》(2019)[4]、《中国区域地质志·山东志》(2021)[61]及其相关研究成果[62-65]表明,鲁西地区经历了漫长而复杂的地质演化史,在各个构造时期内产生了不同类型的地质构造样式,且在研究区的不同地段(如菏泽、泰山、临沂和潍坊等地区)形成了各具特色的地层、构造、岩浆岩等地质产物(图8),为形成各种类型铁矿及其他种类矿床提供了地质要素基础,其中在多个特定的地质单元中发生的重大地质事件,如新太古代海底火山喷发、中新元古代变质变形活动、晚石炭世地层沉积、早白垩世岩浆侵入和华北克拉通破坏构造活动等对于形成铁矿具有极其重要的作用。

图7 石炭系-二叠系含矿性示意图[56]Fig.7 Schematic diagram of Carboniferous-Permian ore-bearing potential[56]

表4 鲁西地区铁矿类型及控矿要素划分表Table 4 Classification of iron ore types and ore-controlling elements in western Shandong Province

前寒武纪鲁西陆块地壳形成与演化主要经历了中太古代陆核形成、新太古代陆壳增生,其中在新太古代早期幔源岩浆侵位形成超基性层状侵入体,伴有火山喷发形成表壳岩系;中晚期伸展构造活动发生了幔源基性-超基性岩浆侵位作用。

早古生代鲁西地区发育了寒武纪和奥陶纪碳酸盐岩地层,缺失了志留纪和泥盆纪地层,晚古生代发育有石炭纪和二叠纪(含煤)碎屑岩地层。

中生代时期鲁西地区发育有三叠纪、侏罗纪和白垩纪地层,其中侏罗纪和白垩纪地层分布比较广泛。受扬子板块拼合、太平洋板块俯冲和构造域转化等一系列构造运动影响,研究区燕山期岩浆活动强烈。

5.2 成矿构造环境

综合以往地质研究成果[6,51],研究区地处中国大陆东部,经历了太古代、中新元古代、古生代及中新生代共4期主要构造阶段。本次研究工作仅对与鲁西地区铁矿形成密切相关的太古代、古生代及中新生代的构造背景与成矿构造环境进行简述。

新太古代时期陆壳较薄,且该时期陆壳增生现象显著,超基性(基性)岩浆大规模喷发,岩浆中还有大量的铁镁质成分,剧烈且频繁的岩浆活动、构造运动、沉积作用及大气环境等因素共同作用下形成了沉积变质型铁矿和岩浆型铁矿。

图8 研究区主要地段构造演化时空流程图[61]Fig.8 Space-time process of tectonic evolution in main sections of the study area[61]

古生代时期,鲁西地区各单元受沉降抬升、海进海退和河湖发育影响,发育沉积了海相碳酸岩系和陆相碎屑岩系为主的两类地层。早古生代时期,沉积的巨厚碳酸盐岩地层为接触交代型铁矿形成提供了地层条件。晚古生代时期,大量含煤细碎屑岩地层为接触交代型铁矿形成提供了有利的盖层构造。在中奥陶世末,加里东运动使鲁西地块整体抬升为陆地,至晚石炭世整体下沉并接受了海陆交互相沉积,期间在地表普遍形成了红土型古风化壳和沉积型铁矿。

中新生代构造阶段,受印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动的持续影响,鲁西陆块经受了多次力学性质变化,发育了大规模的盆岭构造和脆性断裂,并形成多期次的断裂构造,构成了鲁西地区呈北西向、北东向和近东西向以张性断裂为主的构造体系,并诱发了深部岩浆底辟侵位。在宏观上形成了众多断隆及凹陷相间产出的构造样式,在微观上众多相互连通的构造系统为与岩浆活动引起的大规模成矿作用提供了构造条件,如研究区在早白垩世时期形成的接触交代型和热液交代充填-风化淋滤型等铁矿是该效应的重要体现之一。

6 区域铁矿床成矿谱系

在梳理鲁西地区成矿谱系研究成果[5-6,41,65-67]的基础上,本次研究通过对区域地质背景进行梳理,通过研究铁矿成矿地质条件、剖析典型矿床、阐述铁矿控矿要素,综合研究与区域地质构造背景和成矿环境过程中的沉积地层、岩浆活动、构造运动等要素的成因联系,综合构建了研究区区域矿床成矿谱系(图9)。研究表明鲁西地区各种类型铁矿床的形成受区域地质条件中不同时空演化的限制;在时间维上,常与特定时期地层发育、构造运动、岩浆岩活动或变质作用等有关;在空间维上,与特定的大地构造背景、沉积岩建造、变质岩建造或岩浆岩建造等有着密切的对应关系。区域成矿地质背景是成矿事件发生的先决条件,各种有利的地层、构造、岩浆岩条件控制着不同成因类型铁矿的形成。

图9 鲁西地区铁矿区域成矿谱系简图Fig.9 Schematic diagram of regional metallogenic pedigree of iron ore in west Shandong

在新太古代鲁西地区大量且频繁的海底火山喷发和大气变化等因素形成了大规模条带状含铁建造[68],在区域变质作用下最终形成了沉积变质型铁矿,其后的含钛铁组分基性岩浆侵入活动形成了肖家沟式钛铁矿床。随着地质演化持续进行,在寒武纪和奥陶纪时期沉积了巨厚层碳酸盐岩地层,其中奥陶纪马家沟群是此后形成接触交代型等铁矿的重要条件;其后发生了地壳抬升,缺失了志留纪和泥盆纪地层,在石炭纪至二叠纪时期沉积了大面积碎屑岩地层,并在晚石炭世形成了山西式沉积型铁矿。在早白垩时期发生了大规模的岩浆侵入事件,其中在济南、莱芜、淄博、德州等地的中基性岩浆活动与该区马家沟群发生了接触交代作用形成了莱芜式铁矿床,在临沂(如莲子汪、铜井)等地的中酸性岩浆侵入活动形成了莲子汪式铁矿床;在淄河地区的中基性岩浆侵入活动和此后风化淋滤共同作用下形成了朱崖式铁矿床。需要说明的是,在漫长的地质历史时期,各地质时期地层沉积、构造活动、岩浆作用对部分前期已形成的铁矿有着不同程度的改造作用。

本次成矿谱系研究显示鲁西地区成矿作用呈现由简单到复杂、由单一矿种向多样矿种的演化特征(从新太古代的早期单一铁矿种,到早白垩世的晚期Fe、Au、Cu等成矿组合),同时具有局部时段集中成矿的特性;鲁西地区铁矿成矿特征与陈毓川等[69]关于华北板块区域矿床成矿谱系中矿床类型趋于多样、矿石建造趋于复杂、“层控”到“岩控”的变化、空间分布不平衡等特点具有高度的吻合性。

7 结论

(1)鲁西地区铁矿成矿地质条件优越,发育多种铁矿类型,分别为沉积变质型铁矿、接触交代型铁矿、热液交代充填-风化淋滤型铁矿、沉积型铁矿、岩浆型伴生铁矿等多个类型,其中沉积变质型铁矿、接触交代型铁矿是区内当前及今后相当长时期内铁矿勘查和开发最主要的类型。

(2)在新太古代频繁爆发的海底火山喷发和大气变化等因素导致了大规模条带状含铁建造的形成,其后又有含钛铁组分的基性岩浆侵入活动,形成了肖家沟式钛铁矿床。在寒武纪和奥陶纪时期沉积了碳酸盐岩地层,其中马家沟群是该时期重要地质单元。在石炭纪至二叠纪时期沉积了大面积碎屑岩地层,并在晚石炭世形成了山西式沉积型铁矿。在早白垩时期发生了大规模岩浆侵入事件,其中在济南、莱芜、淄博、德州等地的中基性岩浆活动与该区马家沟群发生了接触交代作用形成了莱芜式铁矿床,在临沂(如莲子汪、铜井)等地的中酸性岩浆活动形成了莲子汪式铁矿床;在淄河地区的中基性岩浆活动和其后风化淋滤共同作用下形成了朱崖式铁矿床。

(3)鲁西地区成矿谱系研究表明,随着地质历史的不断演化,研究区铁矿具有矿床类型趋于多样、矿石建造趋于复杂、由“层控”到“岩控”的演化趋势、空间分布不平衡的特点。研究区成矿地质条件优越,各类型铁矿在其形成过程中因所处时代地质条件的差异性而具有时代专属性,其中主要控矿要素有地层控矿、岩体控矿、构造控矿或多要素共同控矿。在新太古代时期形成了沉积变质型铁矿床(如韩旺式、苍峄式、杨庄式和济宁式铁矿)和岩浆型伴生铁矿床(如肖家沟式铁矿);在晚石炭世形成了沉积型铁矿床(如山西式铁矿),在早白垩世时期形成了接触交代型铁矿(如莱芜式铁矿床、莲子汪式铁矿床)、热液交代充填—风化淋滤型铁矿床(如朱崖式铁矿床)。成矿期构造及其期后构造对铁矿床的形成及改造作用显著。

(4)本次铁矿成矿谱系研究工作进一步阐述了研究区地质历史发展过程中成矿作用的演化轨迹及其时空结构,研究表明在漫长的地质演化过程中,鲁西地区各种类型铁矿的形成、改造及保存是在海底火山喷发、地层沉积、岩浆侵入、区域变质、构造运动、风化淋滤等地质及成矿作用高度耦合下形成的地质产物,通过在不同地质背景和成矿环境下开展深入研究,有针对性地进行矿产勘查工作,可极大地提升找矿效果。