河北武安礦山村礦田鐵礦的稀土元素特征及其地質意義

杜高峰，戴塔根，鄒海洋，李文斌，胡援越

(1．中南大學 有色金屬成礦預測教育部重點實驗室，長沙 410083；2．中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083；3．中國五礦邯邢礦業邯鄲地質勘查設計有限公司，邯鄲 056000)

礦山村礦田位于華北地臺南緣邯邢矽卡巖鐵礦成礦帶的北東，系邯邢鐵礦成礦帶內重要礦田之一。礦田內鐵礦體多產于巖體外接觸帶上，同時也有一些鐵礦體就位于巖體內部，前者以玉石洼鐵礦為代表，后者以五家子鐵礦為代表。礦山村礦田開發時間較早，研究程度較高，累積了豐富的地質資料。前人研究[1?2]顯示礦山村巖體由中性及偏堿性巖類構成，包括二長閃長巖、含輝石二長巖及角閃二長巖，另外，還發育少量正長細晶巖脈。這些中性及偏堿性巖類是邯邢式矽卡巖磁鐵礦床的成礦母巖，礦田內鐵礦的形成與普遍發育的鈉長石化關系密切，成礦流體與地?；蛏畈苛黧w有明顯的親緣關系[1?3]。目前，對區內就位于巖體內部的鐵礦尚未開展過系統研究，因此，本文作者以五家子鐵礦及玉石洼鐵礦為對象，開展稀土元素地球化學研究，探討不同就位環境對鐵礦成礦物、化條件的制約及其地質意義。

1 區域地質背景

華北地臺中生代屬濱西太平洋大陸邊緣活動帶，以陸內擠壓造山為主，形成了包括魯西隆起區和太行隆起區在內的大規模北北東向隆起，巖漿活動頻繁，為矽卡巖型鐵礦大規模成礦提供了理想的成礦地質條件[1]。邯邢矽卡巖鐵礦成礦帶地處太行隆起區東側與華北沉降帶的過渡帶，區域內廣泛發育的中奧陶統地層為一套海相碳酸鹽巖地層，以灰巖為主。本區與成礦有關的中性巖漿巖按形成時間可分為3期：燕山早期的輝長?閃長巖、輝石閃長巖、角閃閃長巖；燕山中期的黑云母閃長巖、閃長巖和二長巖等；燕山晚期的鈉質正長巖、霓輝正長巖、閃長玢巖和二長花崗巖等。其中，與本區成礦關系最密切的是燕山中期閃長巖[2]。

2 典型礦床地質特征

礦山村礦田位于武安縣城北西13 km處。礦田內主要出露有奧陶系、石炭系和二疊系地層(見圖1)。下奧陶統分布于礦田西部；中奧陶統分布于礦田的中部及南部，常見中奧陶統以捕擄體形式賦存于巖體內部。石炭系和二疊系均出露于礦田東南部。礦田內主要發育北北東向斷裂。礦田內大面積出露礦山村復式巖體，出露面積達35 km2，巖性主要為閃長巖、二長閃長巖和二長巖等。

圖 1 河北武安礦山村礦田地質簡圖(據邯邢冶金礦山管理局地質隊 1986)：1—中奧陶統灰巖；2—中石炭統碎屑巖；3—早二疊統砂巖；4—晚二疊統粉砂巖；5—燕山期閃長巖類；6—燕山期二長巖類；7—鐵礦；8—斷裂帶；9—村鎮；10—研究區Fig. 1 Geological sketch map of Kuangshancun ore-field in Wu’an: 1—Middle Ordovician limestone; 2—Middle Carboniferous clastic rock; 3—Early Permian Series sandstone; 4—Late Permian Series siltstone; 5—Yanshan diorites; 6—Yanshan monzonite;7—Iron deposit; 8—Fault belt; 9—Town; 10—Research area

玉石洼鐵礦位于礦田南部，礦區出露均為中奧陶統灰巖，礦山村巖體在礦區內隱伏于中奧陶統灰巖之下，并向南小角度傾伏。礦體產于礦山村閃長巖體與中奧陶灰巖的接觸帶內(見圖2(a))，礦體的形態和產狀受接觸帶控制，呈似層狀，走向NW-SE，傾向SW，傾角10°～25°。礦體頂板多為灰巖，局部為矽卡巖和大理巖；底板多為閃長巖，局部為矽卡巖。礦石的礦物組合較簡單，金屬礦物以磁鐵礦為主，少量黃鐵礦、假象赤鐵礦及黃銅礦等；脈石礦物主要為透輝石、透閃石和方解石，少量蛇紋石、金云母和陽起石等。礦石具自形?半自形粒狀和它形粒狀結構；礦石構造以條帶狀及浸染狀構造為主，致密塊狀及斑點狀構造次之。

圖2 勘探線剖面圖：(a)—玉石洼鐵礦10#勘探線剖面圖；(b)—五家子鐵礦 7#勘探線剖面圖；1—中奧陶統灰巖；2—燕山期閃長巖類；3—矽卡巖；4—礦體；5—鉆孔及編號Fig. 2 Prospecting line profile maps: (a) Prospecting line 10#profile map of Yushiwa iron deposit; (b) Prospecting line 7#profile map of Wujiazhi iron deposit; 1—Middle Ordovician limestone; 2—Yanshan diorites; 3—Skarn; 4—Orebody; 5—Drilling and number

五家子鐵礦位于礦田中部，礦區內廣泛出露燕山期閃長巖，局部見中奧陶統灰巖捕虜體，呈透鏡狀產出，其長軸呈近南北向展布，傾向東，傾角15°～35°。該鐵礦由多個礦體構成，部分礦體沿灰巖捕虜體與閃長巖接觸帶產出，其形體和產狀受接觸帶控制(見圖2(b))；而大多數礦體遠離接觸帶，呈透鏡狀或脈狀直接賦存于巖體或灰巖捕虜體的裂隙中，這些礦脈走向NE～SW，傾向SE，傾角10°～25°。五家子鐵礦金屬礦物以磁鐵礦為主，少量黃鐵礦、黃銅礦及鏡鐵礦等。脈石礦物則以綠泥石為主，其次有高嶺土、方柱石和綠簾石等。礦石結構以自形?半自形粒狀和它形粒狀為主；礦石構造多為致密塊狀或條帶狀構造，角礫構造、浸染狀和斑點狀構造次之。

3 樣品的選取與分析測試

通過詳細的野外工作，分別在玉石洼鐵礦和礦山村五家子礦區采集了具有代表性的致密塊狀磁鐵礦樣品，破碎至75 μm。樣品送國土資源部長沙礦產資源監督檢測中心檢測。采用等離子體質譜法分析，檢測方法為DZG20.01?1991，使用儀器為ICP-MS全譜儀，室內溫度為22 ℃，相對濕度為65%。

4 稀土元素分析結果

共分析了12件巖礦石樣品(見表1)。稀土元素的球粒隕石標準化采用 Boynton數據[4]。樣品的稀土元素地球化學特征如下。

玉石洼鐵礦致密磁鐵礦樣品 2件，稀土總含量∑w(REE)變化范圍為 10.195×10?6～11.615×10?6，稀土配分模式為右傾輕稀土富集型(見圖 3)，w(LREE)/w(HREE)比值為 11.639～13.160，(La/Yb)N為 11.566～16.638，具極弱的負 Eu 異常(δ(Eu)為 0.844～0.957)。五家子鐵礦3件脈狀致密磁鐵礦樣品的稀土總含量變化范圍為 44.412×10?6～49.840×10?6，稀土配分模式為右傾輕稀土富集型(見圖4)，w(LREE)/w(HREE)比值為 4.387～5.724，(La/Yb)N為 2.969～5.717，具有明顯的負異常(δ(Eu)為 0.306～0.438)。

圖3 玉石洼礦區鐵礦石的REE配分圖Fig. 3 REE distribution of ores from Yushiwa iron ore area

表1 典型樣品稀土元素分析結果Table 1 Analytical results of REE of typical samples

圖4 五家子礦區鐵礦石的REE配分圖Fig. 4 REE distribution of ores from Wujiazhi iron ore area

4件礦山村巖體樣品的稀土總量為123.400×106～145.580×10?6，明顯高于磁鐵礦稀土總量，但稀土配分模式為右傾輕稀土富集型(見圖5)，與磁鐵礦鐵礦類似，w(LREE)/w(HREE)=6.911～9.759，(La/Yb)N為6.303～13.424，銪負異常不明顯(δ(Eu)為 0.801～1.053)。

5 討論

圖5 兩礦區巖體樣品的REE配分圖Fig. 5 REE distribution of host rocks from two iron ore areas

圖6 鞍山—本溪地區BIF型鐵礦石的REE配分圖[7?8]Fig. 6 PAAS-normalized REE diagram of BIF from Anshan—Benxi area[7?8]

礦石稀土元素特征反映成礦流體特性[5?6]。我國鞍山式沉積鐵礦以及世界上其他的BIF型鐵礦稀土元素特征均顯示輕稀土元素相對虧損、重稀土相對富集，無明顯Ce異常，具強烈的Eu 正異常，反映出早前寒武紀海洋化學沉積特點[7?8](見圖 6)。而礦山村礦田內邯邢式磁鐵礦樣品稀土組成總體特征顯示較富集輕稀土和具有中等、弱的銪負異常，呈右傾式輕稀土富集型展布。可見不同類型的磁鐵礦鐵礦石稀土元素特征區別明顯。礦山村礦田內鐵礦石與巖體稀土配分模式相近，均為右傾模式、富集輕稀土，表明區內鐵礦石稀土來源與巖漿巖聯系密切。

對比兩礦區鐵礦石稀土元素特征可以看出：五家子鐵礦稀土總量較高，輕、重稀土分餾程度低，具有明顯負 Eu異常；而玉石洼鐵礦稀土含量較低、輕、重稀土分餾程度高。

岳書倉和徐曉春[9]的研究表明：稀土元素主要以REE3+絡離子賦存于溶液中，其穩定性隨溫度降低而減弱，且HREE3+相對LREE3+穩定性降幅較大，導致稀土元素總量隨著溫度下降而減少，但分餾程度隨溫度的降低而提高。樣品稀土總量和分餾程度的區別反映了五家子礦區成礦溫度應高于玉石洼礦區。

徐曉春等[10]發現：硅酸鹽熔體?蒸氣相共存體系中，稀土元素在含 Cl?溶液與熔體之間的分配系數主要取決于溶液中 Cl?的摩爾濃度以及溶液與熔體平衡時的壓力，正Eu異常對應低壓下低Cl?濃度的弱氧化性流體，負 Eu異常對應高壓下富 Cl?的還原性流體[11?12]。玉石洼鐵礦極弱的銪異常，顯示成礦流體為低壓下低 Cl?濃度的弱氧化性流體，而五家子顯示出來較高的負銪異常，則暗示五家子磁鐵礦成礦熱液流體可能為相對較高壓力條件下分異形成的富 Cl?還原性流體。

研究表明：在氧逸度較高的條件下，Ce3+易被氧化為Ce4+，而Ce4+的溶解度很小，易脫離溶液體系，使整個溶液體系虧損[13?14]。玉石洼礦區磁鐵礦負δ(Ce)異常，顯示其成礦流體的氧逸度高于五家子礦區的，結合δ(Eu)異常反映出兩者氧化?還原條件的差別，推測五家子鐵礦形成于還原性環境，相對玉石洼鐵礦，其成礦溫度和壓力可能更高。

五家子礦區多見鐵礦體侵入巖體內部及灰巖捕虜體內部(見圖 7)，如圖 7(a)中條帶狀磁鐵礦體侵入巖體，與巖體界線分明，無過渡蝕變帶；圖7(b)中則可見由致密塊狀磁鐵礦體與灰巖接觸，形成明顯的烘烤邊。湖北大冶、程潮及安慶銅鐵礦床中亦發育類似特征的鐵礦體，被視為礦漿成礦類型[15?16]。

模擬實驗顯示，在高溫(850～1 300 ℃)、高壓(300～600 MPa)條件下，閃長巖+灰巖+Fe2O3熔融冷卻后結晶產生磁鐵礦質玻璃[17?18]。范良伍等[19]據此提出安慶銅鐵礦床中形態具有巖漿成因特征的磁鐵礦，系月山閃長質巖漿上侵過程中吞噬和同化大量灰巖，因溫度和壓力的下降，致使大量 Fe3O4從巖漿中析出，從而富集成礦，認為該類磁鐵礦非氣成?熱液期雙交代的產物，而是巖漿成因。

區內碳同位素組成研究顯示，部分磁鐵礦 δ(13C)值偏低，混入地殼有機碳是造成樣品 δ(13C)值偏低的原因之一[3, 20]，因此，不排除因被閃長質巖漿捕虜和同化，當 Fe3O4從巖漿中析出富集時，灰巖中有機碳混入，導致部分鐵礦石δ(13C)值偏低的可能性。

綜上所述，五家子鐵礦就位環境特殊，產于巖體內部，稀土元素特征表明其成礦流體具有相對高溫和高壓條件、富Cl及具還原性的特征，相對接觸交代機制，安慶銅鐵礦床中早期磁鐵礦帶成礦機理更適合解釋五家子巖體內部鐵礦的形成機制，即巖漿在上侵過程中俘虜和同化大量CaCO3，當溫度和壓力條件發生

圖7 鐵礦產出狀態野外照片：(a), (b)—磁鐵礦體呈脈狀侵入圍巖及形成烘烤邊Fig. 7 Pictures of iron deposit: (a) , (b)—Magnetite body being vein-like intruded into wall rock and formed optalic border

變化時，大量 Fe3O4從巖漿中析出，富集形成礦漿就位成礦。不同的成礦機制是造成兩類鐵礦石稀土特征差異的主要原因，位于外接觸帶上的玉石洼鐵礦，經歷氣成?熱液期雙交代，熱液體系內稀土元素消耗殆盡，并因溫度下降，REE3+的絡離子失穩分餾，相對前者稀土含量降低，輕、重稀土分餾明顯。

6 結論

1) 就位于巖體內部的五家子鐵礦與就位于巖體與灰巖接觸帶內的玉石洼鐵礦的礦石均為輕稀土富集、配分模式右傾，與巖體特征接近，顯示與巖漿熱液具有親緣性。

2) 五家子鐵礦與玉石洼鐵礦礦石在稀土總量、稀土配分模式、輕、重稀土分餾及銪異常等特征上具有明顯區別，表明兩者在溫度、壓力和成礦流體性質等方面存在差異。

3) 結合現場觀察及前人相關研究成果，推測礦山村礦田可能存在兩種不同的成礦方式，即矽卡巖型接觸雙交代成礦和巖漿成因的礦漿貫入型成礦。

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