沉積變質改造型鐵礦的成礦作用分析

劉 磊,喬冠軍,柳長峰,周志廣,

(1.中國地質大學 (北京)地球科學與資源學院,北京100083;2.山東省泰安市東平縣公路局,山東泰安271500;3中國地質大學 (北京)地質調查研究院,北京100083)

沉積變質改造型鐵礦床顧名思義是指經歷了沉積,變質,改造三個階段。其中一種重要類型的礦床為形成于前寒武紀的鐵礦床,其礦石組成由硅質 (碧玉、燧石、石英)和鐵質 (赤鐵礦、磁鐵礦)薄層呈互層狀,又稱鐵-硅建造、條帶狀鐵建造 (簡稱B IF)。最近有人研究認為B IF型鐵礦與海底熱水噴流沉積作用有關,其為成礦提供了鐵質來源。

1 大地構造背景與熱水噴流成礦

沉積變質型鐵礦一般認為鐵質來源為海底火山作用,然后運移到合適部位沉積成礦,一般產于太古代的火山噴發盆地構造環境,先是火山噴發,攜帶大量成礦物質,然后地貌影響,成礦物質向四周運移,在適當的部位和物理化學條件下,沉積成礦,并表現出成礦的礦物相分帶特征。李志紅[1]在研究鞍山B IF礦床時,為Fe質來源提供了同位素方面的證據:B IF的Fe同位素成分與Eu異常存在非常明顯地正相關關系,這清楚地表明鞍本地區BIF中鐵的來源與海底火山熱液活動有關。

對于沉積變質型鐵礦 (B IF),現在有學者指出可能與海底熱水噴流作用有關[2],主要是海底熱水噴流為成礦提供了鐵質來源。公認的看法是,熱水沉積成礦是海底 (湖底)深部高密度的硅質熱鹵水通過同沉積斷裂上涌,攜帶大量的Fe、Cu、Pb、Zn等成礦物質,噴出海底地表與冷水混合,在噴口附近形成沉積成礦作用。最近,人們認為含硫鐵礦建造并非原始沉積相,而是后來交代成因,屬后生作用形成,氧化物相鐵礦建造中硫化物和金礦化是礦化化熱液運移和沉淀作用的結果[3]。本文描述改造型鐵礦層不是通常沉積成因的鐵礦建造。

2 低溫滲流成礦的沉積建造特征

一般認為全球前寒武紀B IF成因具有普遍性,B IF是古海洋的化學沉積,同時具有明顯的火山熱液的貢獻。李志紅在這方面也提供了更充足的同位素證據,條帶狀鐵建造 K2O、Na20、CaO、M gO、A l2O3、TiO2等組分的含量非常低,表明B IF中碎屑組分很少。同時,B IF的頁巖標準化REE配分模式呈現海水和海底熱液特征的La、Eu、Y正異常和Ce負異常,表明B IF是古海洋的化學沉積。

此類礦床主要形成于前寒武紀,條帶狀鐵礦建造是以硅、鐵質為主的化學沉積物,其中可夾雜一些次要的膠體物質和少量同沉積黏土礦物,形成于火山間歇期或寧靜期。由于裂谷盆地構造環境和化學環境的不均一性,可形成硫化物相(強還原環境)、碳酸鹽相 (還原環境)、硅酸鹽相(還原環境)和氧化物相 (Fe3O4到 Fe2O3代表從還原環境過渡到氧化環境)。

對前寒武紀鐵礦的建造特征,前人有過詳細的歸納。根據礦床的形成時代和含礦建造的不同,可以簡化分為分為阿爾戈馬型 (A lgoma)和蘇必利爾型 (Superior)。

阿爾戈馬型鐵礦特征:鐵礦主要形成于新太古代以前,鐵礦的形成在空間和時間上與優地槽海底火山活動密切相關,大多發育于綠巖帶上。鐵礦主要與綠巖帶中上部的火山碎屑巖相伴生,并靠近濁積巖組合。此類鐵礦建造的硫化物相或碳酸鹽相產在靠近火山中心處,氧化物相通常遠離火山中心,硅酸鹽相位于兩者之間。鐵礦常由灰色、淺黑綠色鐵質燧石和赤鐵礦或磁鐵礦組成窄條帶狀。

蘇必利爾型鐵礦特征:鐵礦主要分布在古元古代地槽區,形成于具冒地槽性質的開闊海盆中,常有火山活動。其建造層序特征自下而上一般為:白云巖、石英巖、紅色或黑色鐵質頁巖、鐵礦建造、黑色頁巖和泥質板巖,鐵質建造一般產在上述層序的下部。在某些地段鐵礦建造和基底巖石之間被石英巖、粗砂巖和頁巖隔開,鐵礦層呈條帶狀鐵礦石。氧化物相主要為磁鐵礦或赤鐵礦,碳酸鹽相以菱鐵礦為主,并有磁鐵礦和鐵硅酸鹽類礦物伴生。硫化物相主要是黃鐵礦,常含細粒的富硅質泥巖。這類礦床主要分布在加拿大地盾的克科蘭德湖地區、美國的佛米利思地區、原蘇聯的庫爾斯克磁異常區,我國的鞍山-本溪地區、冀東地區、五臺地區等。其礦物相分帶見圖1。

前人研究表明,條帶狀鐵礦建造是以硅、鐵質為主的化學沉積物,其中可夾雜一些次要的膠體物質和少量同沉積黏土礦物,形成于火山間歇期或寧靜期。由于裂谷盆地構造環境和化學環境的不均一性,可形成硫化物相,碳酸鹽相、硅酸鹽相和氧化物相。目前比較公認的模式是,熱水沉積成礦是海底 (湖底)深部高密度的硅質熱鹵水通過同沉積斷裂上涌,攜帶大量的 Fe、Cu、Pb、Zn等成礦物質,噴出海底地表與冷水混合,在噴口附近產生成礦作用。阿爾戈馬型B IF和蘇必利爾型B IF可能分別屬于近噴口和遠離噴口的熱水噴流沉積礦床。

圖1 沉積鐵礦床鐵礦物相分帶示意圖 (據姚鳳良)

3 區域變質對礦床的改造

3.1 變質作用因素

一般認為變質礦床的形成下列因素控制:含礦建造;變質作用熱液體系;適當的構造條件。三個條件中,含礦建造處于主導地位。

含礦建造的含礦性是形成變質礦床的物質基礎。變質作用是一定的含礦建造在一定階段,在適當的構造環境內形成,經歷某一變質作用形成的一套區域性的有規律性的變質巖石組合。對于前寒武紀的B IF鐵礦床,其形成可能與基性的海底火山活動有關,其含礦建造的意義甚至超過正常沉積的產物[4]。

變質作用中的變質熱液成分是在變質過程中產生的,部分來源于原巖粒間所含的水分,部分來源于礦物質之間脫水反應所析出,此外還有裂隙水及地下水循環有關。主要是 H2O,還常含有CO2、S、O、F、Cl等易揮發分,這些能形成粒間溶液和流動熱液,促進巖石中的各種組分進行重新分配組合,并能通過溶液進行遷移搬運,使元素重新聚散。

構造應力所產生的變形是區域變質作用中的一個重要方面。在強烈的變形中,褶皺軸部或傾末端地層顯著變厚膨脹,并且次一級的構造裂隙發育,有利于含礦熱液活動二形成富礦體。其次構造應力引起的各種斷裂帶和破碎帶,因為裂隙發育,巖石破碎,有利于成礦物質再次活化,元素再次聚集形成富礦。

3.2 變質作用

根據大量資料來看,前寒武紀鐵礦均遭受了不同程度的區域變質作用,而這種改造作用基本是在封閉體系中進行的,作用結果主要表現在礦層總體化學成分不變,而礦物相的重新組合,具有以下基本特點。

1)變質級別。條帶狀含鐵建造往往產出于一個旋回的頂部,與綠巖帶中上部的火山碎屑巖相伴生,并靠近濁積巖組合。阿爾戈馬型鐵礦一般都經受了綠片巖相和角閃巖相的變質作用。礦床一般有一系列的透鏡狀礦體構造規模巨大的礦帶。蘇必利爾型鐵礦大多數鐵礦未遭受變質或受淺變質 (綠片巖相),部分可達角閃巖相。一般在進化的區域變質作用過程中,鐵的活動性增加,而在退化的區域變質作用中,鐵的活動性降低,這也是大型前寒武紀沉積變質鐵礦一般產于淺變質巖帶中的原因。

2)礦石礦物相轉變。對于受變質礦床主要取決于原礦床類型;對于變成礦床來講,主要取決于變質發生的物理化學條件,變質原巖組成和原礦床類型。對于硅鐵建造的礦床來說,其原始物質一般認為是膠體形式沉積的含鐵的燧石,經輕微變質成為含細小的紅色半透明鏡鐵礦鱗片的碧玉巖,后來經過更深層次的稍微還原環境下即為變質形成磁鐵石英巖。

鐵礦建造的沉積碳酸鹽的變質取決于赤鐵礦的存在,其中變質作用的流體主要是CO2組成。變質熱液活動中因CO2、SiO2等組分的帶出而發生了鐵的進一步富集。

一般在鏡下可以看見石英包裹磁鐵礦或磁鐵礦鑲嵌在石英顆粒之間,與石英犬牙交錯,互相鑲嵌,說明石英和磁鐵礦石經過重結晶形成的。經歷這一改造,礦石顆粒增大,同時品位提高。

3)富集成礦。最近黎愛國等[5]在討論鞍山市富鐵礦成因時,綜合前人觀點提出了這種條帶狀磁鐵礦的的富礦成因有以下兩種模式:被動式富集和主動式富集。被動式,即為變質水熱液富化成礦,變質水熱液沿著巖石中的裂隙、空隙活動,吸收周圍巖石中的成礦物質“搬運”到適宜的地點成礦。主動式,即即自催化與互催化說,過飽和-成核-消耗循環,產生出更多的條帶狀鐵氧化物沉淀,通過溶解-遷移-成核-生長反饋,形成富鐵礦。有學者指出這種變質作用為一種自組織成礦作用[6]。

變質作用使得有用的鐵礦物在特定的地方富集,無用的礦物元素遷出,而達到硅鐵分離,去硅存鐵結果,形成了鞍山本溪地區特有的“鞍山式”富鐵礦[7]。

4)礦石結構構造變化。原先的沉積結構經歷變質后轉變為變質結構。

5)礦體形態及產狀變化。在經歷構造應力變質過程中,礦體變質后以層狀、似層狀、馬鞍狀、不規則狀為主、礦體物質低應力區的核部相對集中,高應力區變薄。在平面上礦床沿構造帶呈帶狀分布,在應力方向轉折區和應力大小變化去。

4 礦床的后期構造改造

4.1 構造改造分類:

礦床是地質作用的歷史產物,礦床形成以后又經歷了各種變化和改造:一些礦床的組成和產狀發生顯著變化;一些礦床經受后來的強烈破壞而消失;一些礦床被保存下來。翟裕生等[8]認為礦床被保存或被破壞,取決于兩方面的因素:一是礦床所經歷的地質歷史和所處的地質環境即控制因素;二是礦床自身地質特征所決定的抗拒改造的能力,即礦床的物理化學穩定性。

按照翟裕生等對礦床后期變化的分類,礦床的變化主要有:變形、變質、變位、變品位、變規模;而其遭受改變的結果主要表現為保存、部分保存、轉變類型、消亡。

礦床的形態變化。主要受到構造變形影響,構造變形樣式不同,就有不同的礦體空間變化。主要的構造變形樣式有:

擠壓型:撓曲、褶曲、緊密褶皺、壓扁、逆掩錯斷。

拉張型:拉斷、裂開、拉長、石香腸、階梯狀正斷層。

走滑型:錯斷、糜棱巖化、千糜巖化。

礦床的質量變化。對于層狀的沉積變質型鐵礦床來說,礦石礦物的再活化差異性遷移和礦體的物理化學變化就會很發育。對于原生的條帶狀磁鐵礦而言,經過表生氧化過程之后,磁鐵礦礦石變為赤鐵礦礦石,SiO2、磷、硫等被下滲的大氣降水淋濾帶走,有害雜質相對減少,相對提高了礦石含鐵量和礦石質量。

礦床的空間位置變化。是由于外界構造作用,使得礦體空間埋深發生變化。一是由于受大地構造和區域構造影響,礦體向深部轉移,并遭受高溫高壓下的變質作用;二是礦床形成后由于構造運動使地殼抬升,礦床向淺部轉移,若抬升劇烈,可能使礦體出露地表,遭受風化剝蝕。

礦床的品位改變。礦體的深部轉移和淺部轉移過程中,由于物理化學條件的變化,使礦石與周圍介質發生反應,從而改變了礦石的成分、結構構造,礦石的品味發生不同程度的改變。

礦床的規模改變。礦床在后期改造過程中,可能使得礦床物質再次活化,發生轉移,在某些部位聚集,在某些部位分散,在地表淺部遭受剝蝕,從而使得單個礦體的規模發生改變,礦床儲量不同程度的改變。

4.2 層狀礦體的改造

對于沉積變質型鐵礦而言,沉積形成的礦層形態主要表現為層狀、似層狀,出現厚度不均。其原因之一可能與沉積成礦的地形影響有關;二是在區域變質作用造成礦體在不同應力區出現集中和分散,使得礦體呈現鞍狀,局部地區由于應力影響出現膨大和縮小現象。變質作用使礦體結構構造和空間品位發生變化,但對總體礦層的產狀影響有限。構造對沉積作用形成的層狀礦體來說,主要表現為對礦體形態和空間位置的改變。

構造對礦床的形態和空間位置的改造主要涉及褶皺變形、韌性剪切改造和斷裂改造三個方面。

1)褶皺變形。褶皺變形對沉積層狀礦體的改造表現為礦體形態的改變,在局部可能使礦體出現膨漲和縮小。同時使得物質在擠壓構造應力下,物質成分的活化遷移,由高應力區向低應力區遷移。

第一,由于發生褶皺的巖層能干性不一,從而在巖層之間形成不同類型的空間類型。在脆性巖層、塑性巖層與負荷性巖層的組合中,總體特征是脆性巖層容易形成破裂裂隙,塑性巖層和負荷性巖層容易在裂隙充填愈合。

對于沉積變質性鐵礦而言,其沉積建造特征表現為硅鐵建造,硅質和鐵質相當于脆性巖層和塑性巖層,在褶皺變形中硅質和鐵質均可能發生活化運移在低應力區集中,正因如此,在礦石的顯微結構中可以看見石英和磁鐵礦呈鑲嵌狀,其次從野外勘探看出,礦體在某些部位呈現透鏡狀和膨縮現象,也說明了石英和磁鐵礦都可能在褶皺變形中發生運移。

除了褶皺可引起礦體物質向核部聚集外,交叉的節理或裂隙也可以產生破裂空間,從而使物質向低應力區聚集,在交叉部位形成礦瘤。因此要正確分析礦體的成因是受褶皺控制還是其他因素影響。

第二,在局部層間不一致的滑動過程中,形成層間張開,形成局部膨大富集。

第三,褶皺變形可能有多期作用,對原先沉積作用形成的層狀礦體而言,在后來多期褶皺變形中,可以有不同強度褶皺的疊加,可以有不同方向褶皺的疊加,形成了非常復雜的礦體形態。

在強烈的褶皺變形中,由于構造變形總伴隨著熱作用,使得成礦物質呈現不同程度的活化,從而造成成礦物質的化學遷移和物理遷移,遷移表現為成礦物質由高壓應力區域向低壓應力區域遷移,同時由于物質的活化程度和遷移能力的差異,形成了具一定規律的分帶性。

第四,平面上的變化,褶皺變形對礦體的改造在平面上使礦體也隨著出現厚度、產狀的變化。

2)韌性剪切改造。張瑞華[9]在研究歪頭山鐵礦時,發現從褶皺不同部位鐵礦體的厚度來看,各部位礦體厚度不均勻,甚至尖滅。這除了褶皺本身的影響外,韌性剪切作用占了主導地位。進而認為該區不僅褶皺改造了已有礦床,而且褶皺可以演變到韌性剪切帶,韌性剪切帶晚期的韌脆性變形更加大了礦體運移幅度,韌性變形形成的一系列透鏡狀礦體,進一步發生韌脆性變形而發生拉斷以及大規模遷移、錯位,從而形成褶皺和韌性剪切帶共同對礦床進行了改造。

3)斷裂改造。斷裂構造對礦體的改造主要表現在礦體空間位置的改變。

第一,剖面變化。礦體在剖面上的總體變化表現為礦體埋深加大或抬升出露地表,其中主要由正斷層和逆斷層的作用,造成兩盤相對的上升和下降,從而使得礦體被錯斷,礦體的空間位置發生變化。

對于地殼淺層次埋藏不深的沉積型層狀礦體來說,礦床形成后,斷裂構造在淺表一般表現為脆性力學性質,因此本文不深入討論,僅就淺表層次的斷裂的安德森模式進行討論,根據斷層的應力機制,上下盤運動學關系,可以分為如下基本類型。

正斷層,通常此類斷層主要出于拉張構造體制下,形成地塹和地壘構造形式,以上盤相對下降、下盤相對上升為其主要特征,通常斷層幅度較大,礦體被錯斷。正斷層作用通常使得礦體在埋深上加大或減小,因此在礦體產狀弄清后,厘清斷層面的傾角和斷層錯動的位移,就可以推測出礦體的三維空間位置。此外對于階梯狀正斷層,應詳細分析的階梯狀斷層的規律、位移大小和方向,才能做出正確的推斷。在斷層產狀轉折點,形成局部礦體富集。

逆斷層,通常此類斷層形成于擠壓體制下,上盤相對上升,下盤相對下降。逆斷層比較發育的地區通常形成一系列的逆斷層,在剖面上表現為逆沖推覆構造,造成礦體在多個部位被錯斷,因此要詳細研究區域斷裂分布的格架,厘清斷層運動的傾角和斷層的位移距離,弄清斷層發育的序列,從而弄清礦體被錯斷的具體部位和錯斷距離,推斷出礦體在改造后的空間位置,為勘探提供依據。

走滑斷層,走滑斷層最顯著特點表現為兩盤水平錯動,礦體被水平錯動,因此一般在弄清礦體產狀后,測定走滑運動的方向和錯動位移,就可以確定礦體的具體分布。

第二,滑動面上的變化。在逆斷層作用上,由于擠壓應力使斷層面形成一定的開放孔隙空間,成礦物質受到應力驅動由高應力區向低應力區轉移,從而在斷層面或層面上呈現礦體局部膨大和縮小的現象。

第三,平面變化。礦體在平面上的總體變化表現為礦體被各種不同大小級別的斷裂所切割,使得礦體形態及其不規則,因此要詳細分析斷裂活動的順序和斷距、斷層面的產狀,結合礦體的產狀得出礦體在三維空間的分布。

第四,復雜的改造形態。在原先礦體被褶皺基礎上,礦體又經歷斷裂改造使礦體產狀和空間位置變化復雜。

在褶皺變形疊加后期斷裂改造過程中,褶皺核部和斷裂產狀變化、斷裂跡線轉彎、斷裂性質發生改變處,形成開放擴張的空間,為一低應力區,在從而使得成礦物質發生物理和化學的遷移,在拉張開放空間礦體厚度加大,在擠壓緊縮地段厚度劇減,形成局部高度富集礦體。同時由于斷層錯斷,礦體在延伸方向上錯位或者尖滅。

對于沉積變質型鐵礦而言,其初始形成時代為太古代和元古代,后來發生強烈的構造運動,地殼造成地殼改造,初始礦床受到變質作用和構造變形的疊加作用,礦床或被富集,或改型,或埋深加大,或抬升剝蝕,形成現今所見的復雜的三維空間幾何形態[10]。

5 總結

沉積變質改造型鐵礦其成礦過程經歷了一系列復雜的過程[11],其初始沉積成礦作用一般發生在太古代和元古代,主要與拉張構造體制下的海底火山噴發-熱液噴流作用相關,經長期運移形成初始沉積型層狀礦床,之后經歷長期而廣泛的區域變質作用,使得初始礦床的成礦物質發生物理轉移和化學變化,礦床重新組合,形成富集型礦床。一般區域變質作用使礦床富集的同時,也發生礦體的構造動力遷移和構造改造,礦體發生幾何形態改變,三維空間位置改變,礦床的規模和儲量發生改變。因此應細致分析沉積—變質—改造的全部過程,弄清三種過程的作用規律,從定性和半定量方面加以全面分析,從而更加全面認識一個礦床的形成史。

[1] 李志紅.遼寧省鞍山-本溪地區條帶狀含鐵建造的Fe同位素地球化學研究[D].[博士論文]中國地質科學院,2007.

[2] 姚鳳良,孫豐月.礦床學教程 [M].北京:地質出版社,2006.

[3] 張明,蘇俊亮,王國峰,等.津巴布韋綠巖帶中構造型鐵礦成礦特征 [J].資源調查與環境,2009,30(1).

[4] 馮本智,楊天奇.變質成礦作用和變質鐵礦床 [C].地質部鐵礦地質培訓班,我國主要類型鐵礦地質理論及研究方法 [M].北京:地質出版社,1980.

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