華北地臺北緣綠巖帶型鐵磷礦地質及綜合利用前景

夏學惠，楊輝艷，魏詳松

(中化地質礦山總局地質研究院，河北涿州072754)

華北地臺北緣綠巖帶型鐵磷礦地質及綜合利用前景

夏學惠，楊輝艷，魏詳松

(中化地質礦山總局地質研究院，河北涿州072754)

通過對華北地臺北緣綠巖帶型鐵磷礦成礦構造環境、含礦建造、礦床地球化學等幾個方面的研究認為，該類礦床含礦建造原巖主要為島弧－拉斑玄武巖，變質后容礦巖石屬堿性－鐵質、鐵鎂質系列。容礦巖石中主微量元素明顯不和諧，巖石中不相容元素明顯富集(Ba、Sr、Zr、P)，相容元素(Cr、Co、Ni)虧損。稀土元素含量高，模式圖為向右傾斜平滑曲線，Ce輕度負異常。根據目前我國北方內生低品位共生鐵磷礦開發利用情況，華北地臺綠巖帶型鐵磷礦綜合利用前景可觀。

綠巖帶型鐵磷礦地球化學綜合利用華北地臺北緣

Xia Xue－hui，Yang Hui－yan，Wei Xiang－song．Geology and comprehensive utilization of the greenstone belt iron－phosphate deposits in the northern margin of the North China platform［J］．Geology and Exploration，2012，48(5):0876－0883．

0 引言

華北地臺綠巖帶及綠巖帶型金礦前人進行了較深入的研究，取得了很多成果(王時麒，1989;徐光榮，1990;馬文念，1992;沈保豐等，1991，1993，1996，1997;胡鳳翔，2002;李俊建等，2005;王虹等，2005;宋建潮等，2008)。但對綠巖帶型鐵磷礦卻研究的較少，僅對中國北方前寒武紀磷礦地質、區域成礦規律和招兵溝鐵磷礦綜合利用進行了研究(東野脈興，1989;夏學惠，2005)，本文在前人綠巖帶研究的基礎上，開展了綠巖帶型鐵磷礦的研究。華北地臺綠巖帶型鐵磷礦作為一個低品位綜合型礦床開展的研究，對指導中國北方缺磷地區綜合找礦具有指導意義，對開展鐵磷綜合利用具有明顯的經濟意義。

1 華北綠巖帶型鐵磷礦產出構造位置及分布

綠巖帶型磷礦主要分布在華北地臺北緣，產于太古宙克拉通陸核區，即華北陸核、遼吉南部－朝鮮北部陸核、山東陸核。這些古陸核系由綠巖－花崗巖地體和深變質的高級區組成(圖1)。綠巖帶呈大小不等長條狀或不則規狀分布在同構造期的花崗巖或灰色片麻巖內，綠巖帶巖序的下部廣泛發育厚層變質鎂鐵質火山巖，有時夾少量的變質超鎂鐵質巖。綠巖帶巖序常由一個或多個火山－沉積旋回組成(沈保豐，1997)，每個旋回都是由變質鎂鐵質火山巖－變質安山質－流紋質火山巖－變質沉積巖系所組成。

華北地臺可能由始太古代或古太古代的古陸核增生拼貼而成(陸松年，1996)。在這些不連續的古陸核之間或其邊緣，分布著規模不等的綠巖帶，而且從陸核向外，綠巖帶有逐漸增生的趨勢。分布在華北地臺的前寒武綠巖帶，在形成后經受著古元古末期呂梁期的最終克拉通化，華力西期西伯力亞板塊的碰撞、拼貼和印支－燕山期濱太平洋大陸邊緣活動的影響，使早先形成的綠巖帶發生活化改造，由此反應出中國綠巖帶及其成礦作用的特色。

太古宙綠巖帶型磷礦主要產于綠巖建造內，含磷巖系賦存于阜平群下部，含磷巖組包括冀東單塔子群白廟組，山西靈丘繁峙群，遼西建平群小塔子溝組及其它地區相當層位的巖組。據東野脈興(1989)收集太古宙測年資料，單塔子群南店子組斜長角閃巖、黑云片麻巖中的角閃石和全巖測得KAr同位素年齡為2435Ma(天津地礦所)和2745Ma (河北區調二隊)，建平群測得鋯石年齡為2200～2300Ma(東北地區區域地層表)，華北地臺綠巖帶的原巖形成年齡應相當于2500Ma。所產磷礦與綠巖帶基性火山巖及超鎂鐵質、鎂鐵質巖有關。中國綠巖帶型磷礦主要分布在河北、遼寧、吉林、山西、山東等省，但以河北、遼寧等地磷礦質量最佳。代表性礦床主要有河北豐寧招兵溝磷礦、遼寧建平勿蘭烏蘇磷礦、山東掖縣磷礦、山西靈丘平型關磷礦、繁峙磷礦等。

圖1 華北地臺太古宇綠巖帶分布略圖(據沈保豐等，1997)Fig．1 Sketch map showing the Archean greenstone belt distribution in the North

2 含磷建造與原巖性質

華北地臺太古宙變質雜巖構成最古老的基底，大多分布在華北陸核、遼吉南部陸核、山東陸核、鄂爾多斯陸核和淮陽陸核等古陸核區，其中前三個陸核已發現有綠巖帶型磷礦。

太古宙綠巖帶具有全球一致性，大體都可以(Anhaeusser，1971)理想柱狀剖面作為對比的依據，但各地綠巖帶類型又有較大差異，理想剖面中可缺某一個組合或某個組合發育不完全。中國上述產有磷礦的綠巖建造組合，具有綠巖帶的基本特點，也是由下部超基性巖群、中部鈣堿性火山巖群和上部沉積巖構成的三位一體的巖石組合，但下部超基性巖群不發育。

現以華北陸核豐寧鐵磷礦、遼吉南部陸核建平鐵磷礦為例，闡述含磷巖系的原巖性質和含磷綠巖建造特點。

豐寧鐵磷礦產于太古宇單塔子群白廟子組。單塔子群主要由黑云斜長片麻巖夾斜長角閃巖、條帶狀磁鐵石英巖及少量大理巖組成，厚度8500～14000m。自下而上劃分為白廟子組、鳳凰咀組和南店子組。

白廟子組:以各種變粒巖和斜長角閃巖為主，夾磁鐵石英巖，鐵閃磁鐵石英巖，厚度大于3500m。以基性火山巖為主，含有超鎂鐵質、鎂鐵質巖，具有綠巖帶剖面下部巖群的特點。該層為主要含磷巖系。

鳳凰咀組:主要以斜長角閃巖、角閃斜長片麻巖、變粒巖為主，夾多層透鏡狀大理巖、角閃磁鐵石英巖，厚4000m。

南店子組:以黑云斜長片麻巖，各種片巖，斜長角閃巖為主，夾大理巖透鏡體。厚1000～2000m。

白廟子組含磷巖系出現五層含磷層，含磷巖石為閃輝鈦磁鐵磷灰巖、磷灰角閃片麻巖、磷灰黑云角閃巖等，單層厚1～35m，最厚達140m，其原巖系鐵鎂質巖和鐵質巖;其它為斜長角閃巖、斜長片麻巖等，其原巖為基性到酸性火山巖，這套含磷巖系地層及巖石組合，近似于綠巖帶剖面下部火山巖群特點。從含磷巖系化學成分看，巖礦石SiO2含量低，一般小于40%，TiO2與FeO+Fe2O3含量高，前者可達6．57%，后者在15%以上，最高達26%，屬于鐵鎂質與鐵質巖范圍。

通過礦石與容礦巖石的巖石化學分析結果及尼格里系數圖解表明，大部分黑云角閃巖、角閃黑云片麻巖、斜長角閃巖等巖石的al－alk值小于16，C值小于24～26，在al－alk:C的圖解上落點于細碧巖－玄武巖區，同時K值多界于0．20～0．35間，表明更接近于安山玄武巖－玄武巖。

建平鐵磷礦產于太古宇建平群小塔子溝組。小塔子溝組自上而下以一套角閃斜長混合巖夾黑云變粒巖、含磷變閃長巖及含磷角閃巖、條帶狀角閃磁鐵石英巖為主。

小塔子溝組含磷巖系下部為黑云斜長片麻巖，角閃斜長片麻巖及混合巖夾麻粒巖，磁鐵石英巖扁豆體。其中普遍含有輝石及紫蘇輝石等。上部以角閃斜長片麻巖飛黑云角閃斜長片麻巖及混合巖為主，夾黑云斜長變粒巖及磁鐵石英巖，角閃質巖石相當發育，含磷灰石斑雜狀混合巖賦存在其中。

根據FeO/MgO圖解(圖2a)和FeO/MgO對FeO圖解(圖2b)，判別該群中的斜長角閃巖的原巖巖漿系列，屬于拉斑玄武巖系，而且主要是相當于島弧－拉斑玄武巖，看來該群中的含Na2O較高的細碧巖是拉斑玄武巖巖漿的分異產物。根據原巖恢復結果，結合地層剖面的分析，該群的原巖建造，是以類似于島弧－拉斑玄武巖系列的中基性火山巖為主的火山熔巖、火山碎屑沉積巖系。近似于綠巖帶剖面中下部火山巖特點。

遼吉地區太古代的含磷巖系與華北陸核區含磷巖系有所不同，都是含磷基性、超基性巖侵入體，它們是以淺成、超淺成的巖株、巖床、巖墻與巖脈等不同形態產出。在遼、吉地區太古界出露地區均有分布，根據巖石的礦物組合、化學成分、產狀與構造的特點，把這些巖體分為三類:第一類為單礦物含磷超基性巖－含磷角閃巖、含磷輝石巖，它以綏中縣木掀溝、靖宇縣天合興含磷超基性巖為代表;第二類為含磷基性巖－含磷輝長巖，此類多呈橢圓形、透鏡狀等形態，以巖株、巖床產出，由建平縣勿蘭烏蘇、簸箕山含磷巖體為代表;第三類為脈狀含磷基性巖－超基性巖與脈狀磷灰巖，它往往以脈狀貫入在早期含磷巖體內部或者在它的邊緣。前兩類已形成有工業價值的低品位磷礦，后一類由于規模較小，分布局限未發現單獨形成礦化體，只是與其他含磷巖體一起構成礦體的一部分。

圖2 遼吉地區綠巖帶SiO2－FeO/MgO(a)和FeO/MgO－FeO(b)圖解①Fig．2 SiO2－FeO/MgO(a)and FeO/MgO－FeO (b)diagrams for the greenstone belt inthe Liangning－Jilin area①

3 巖石地球化學特征

3．1 主元素化學特征

從綠巖帶巖石化學成分(表1)可看出，含礦巖石SiO2含量低，多數變化在32．75%～39．39%之間，一般小于40%，屬超基性巖范疇。個別混合巖與片麻巖在SiO249．53%～58．39%間。TiO2與FeO+ Fe2O3含量高，前者可達6．57%，后者在19%以上，最高達28%，屬于鐵質、鎂鐵質巖范圍。將各個礦區的巖(礦)石化學成分投在(Mg/TFe)與(TFe+Mg)/ Si變異圖(圖3)中，絕大部分落入鐵質區，個別落入鐵鎂質區。巖石中K2O+Na2O含量變化在1．89%～9．21%，在堿金屬與硅變異圖中(圖4)，投點均在強堿質區，反應出與礦化有關的巖石堿質含量較高，規律性明顯。含磷巖石相當于堿性鐵質超基性巖類。

綠巖帶中變質火山巖類的主元素含量基本上可同國外太古宙綠巖帶中相應的巖石對比，見表1。綠巖帶中變質堿性－鐵質火山巖(含礦巖石)主元素含量除SiO2偏低、TFe、P2O5明顯偏高外，其它成分與太古宙綠巖帶拉斑玄武巖接近。

表1 太古宙綠巖帶型磷礦巖(礦)石化學成分(%)Table1 Petrochemical composition of the Archaean greenstone belt iron－phosphate deposits

圖3 華北綠巖帶型磷礦巖(礦)石Mg/TFe與(TFe+Mg)/Si變異圖Fig．3 Variation of Mg/TFe and TFe+Mg/Siin the greenstone belt

3．2 綠巖帶型磷礦微量元素特征

圖4 綠巖帶型磷礦Na2O+K2O與SiO2變異圖Fig．4 Variation of SiO2－K2O+Na2O of

綠巖帶型磷礦主要微量元素見表2。由表2分析可知，親鐵元素V變化范圍為(310～570)× 10－6，Cr的變化范圍為(11．1～34．3)×10－6，Co的質量分數為(44．3～70．3)×10－6，Ni的質量分數變化為(14．7～102)×10－6。總的來看，與維諾格拉夫元素在基性巖中的豐度值比較，容礦巖石V明顯偏高，礦化巖石中V含量高出超基性巖中的豐度值的20倍。Cr、Co、Ni的含量則明顯偏低。

大離子親石元素Sr的質量分數變化在(343～2365)×10－6，Ba的質量分數變化在(289～4388)× 10－6，遠遠高于其在基性和超基性巖中的背景含量，尤其在礦化巖石中高度富集。

表2 微量元素分析結果(ωB/10－6)Table2 Trace element contents(ωB/10－6)

不活動組分Zr在超基性巖中的背景值為100× 10－6，在超基性巖中質量分數為30×10－6，本區Zr質量分數變化在(46．9～105)×10－6，Ga在基性巖中背景值為18×10－6，本區Ga的質量分數為(12．3～66．9)×10－6，多高于背景值。

總的來看，巖石中不相容元素明顯富集(Ba、Sr、Zr、P)，尤其是Ba、Sr，相容元素(Cr、Co、Ni等)明顯虧損。對含礦巖體不同類型巖石微量元素經原始地幔標準化后作蛛網圖，從圖5中可見，不同類型巖石曲線形態基本一致，且呈“W”形變化，分配形式與玄武巖相似，Cr、Ni相對一般超基性巖來說較低，相對原始巖漿(Cr≥1000×10－6，Ni≥400×10－6)更低。反應該類容礦巖石獨特的演化特征。

對比容礦巖石中主要元素與微量元素的關系，可以看出二者間的不和諧性，超基性巖中豐度高的元素Cr、Ni、Co等含量卻低，而中酸性巖中富集的元素卻含量高。這些特點是綠巖帶型磷礦容礦堿性－鐵質鐵鎂質巖所特有的，是磷、鐵富集的重要因素。

圖5 微量元素蛛網圖Fig．5 Primiti mantle－normalized trace element patterns

3．3 綠巖帶型磷礦稀土元素特征

巖石稀土元素分析見表3，不同類型容礦巖石稀土元素含量變化不大。稀土元素總量∑REE為(129．97～1126．52)×10－6，除個別樣品稀土總量低于200×10－6以外，絕大多數大于200×10－6，含磷鈦磁鐵礦角閃巖中∑REE高達1126．52×10－6，與正常同類巖石相比，稀土總量明顯偏高。LREE/HREE值為3．95～19．33，顯示輕稀土元素高度富集，尤其是建平磷礦，LREE/HREE值均在12．31以上。δEu值為0．77～1．38，Eu無明顯異常，其δEu平均值與堿性玄武巖(δEu=1．08)接近，說明火山巖漿來源于地殼深部。由于主、微量元素的不和諧性，從而造成黑云角閃巖中大量磷灰石的晶出，并使得游離REE3+元素優先進入磷灰石晶格，從而造成稀土元素在含礦巖石中的高度富集。

在容礦巖石稀土元素模式圖6中，綠巖帶型容礦巖石稀土配分曲線為較平緩向右傾斜的曲線。不同地區不同類型容礦巖石稀土配分曲線基本一致，曲線均顯示Ce輕度負異常。

圖6 綠巖帶型磷礦容礦巖石稀土元素模式圖Fig．6 REE pattern for host rocks of greenstone belt iron－phosphate deposits

表3 稀土元素分析結果(ωB/10－6)Table3 Analysis results of the rare earth elements(ωB/10－6)

4 礦體賦存特征

太古宙綠巖帶型鐵磷礦主要分布在遼寧、河北、山東、山西等省，代表性礦床有河北豐寧招兵溝、前營磷礦、遼寧建平勿蘭烏蘇磷礦、山東掖縣、山西靈丘磷礦等。磷礦體主要賦存在黑云角閃巖、角閃黑云片麻巖、斜長角閃巖中，含鐵磷礦化地段長約5～6km，寬100～2000m。礦體呈層狀，大的透鏡狀，產狀與地層產狀基本一致。礦體一般斷續分布，長250～1440m，厚1．0～102m不等。礦石類型、結構、礦物組成及鐵磷含量見表4。

綠巖帶型磷礦巖礦石SiO2含量低，一般小于40%，TiO2與FeO+Fe2O3含量高。變質后的含礦巖石屬于鐵質、鐵鎂質巖范圍。其原巖屬鈣堿性系列火山巖，與現代島孤拉斑玄武巖相似。礦石與圍巖是按P2O5含量劃分的，二者界線不甚明顯。磷灰石含量與鐵鎂硅酸鹽礦物、鈦鐵金屬礦物含量成正相關關系，顯示磷的親鐵性。表明它們有成因上的聯系。綠巖帶型鐵磷礦床特點是層控性明顯，綠巖建造控礦，綠巖帶就是鐵磷礦成礦帶。

表4 綠巖帶型磷礦礦石類型、礦物成分及結構構造Table4 Ore types，mineral component and structure of the greenstone belt iron－phosphate deposits

因此，可以認為，我國綠巖帶型磷礦是古板塊構造作用的結果，屬板塊構造成礦模式(Condie，1981; Tarney，1982;Windley，1984)，它們是源于鎂鐵質巖石的部分熔融形成的，后經綠片巖相變質作用，使鐵磷進一步富集。

5 綜合利用前景

中國北方低品位磷礦中一般都含有Fe、Ti、V、稀土等有益伴生組分，有的伴生元素和礦物超過了磷礦的價值，構成了綜合性－多元素－低品位的大型或超大型礦床，潛在價值大;大部分礦體裸露地表，適于露天開采，露采儲量約占80%左右，礦石易磨易選，選廠基建投資小;可就地采選、制肥、利用，交通運距短，這些優勢將不同程度地補償了北方內生磷礦礦石低貧的劣勢。在“以優補劣”的經營方針指導下，使得大部分磷礦能得到合理開發利用。

建平烏蘭烏蘇已建成浮選能力160(萬t/a)和60(萬t/a)的選廠，入選原礦品位TFe＞10．0%，P2O5＞3．5%;豐寧招兵溝建成浮選能力300(萬t/ a)，入選原礦品位TFe＞12．0%，P2O52．5%;隆化韓營建成浮選能力300(萬t/a)的磷選廠，入選原礦品位TFe＞8．0%，P2O52．5%;隆化建龍建成浮選能力400(萬t/a)的磷選廠，入選原礦品位TFe＞10．0%，P2O52．5%;灤平地區建成500萬噸的選廠，綜合回收鐵、磷。隨著鐵磷綜合利用的開發，北方低品位磷礦開發趨勢不斷擴大。開發利用北方低品位鐵磷資源經濟價值與社會效益前景可觀。

北方磷礦大部分屬磁鐵礦－磷灰巖型礦石，特點為低品位磁鐵礦、低品位磷礦與低品位鈦鐵礦共生，含有少量硫鈷礦。通過對招兵溝鐵磷礦綜合選礦研究，實現了鐵、磷、鈦、硫、鈷礦的綜合利用，實現了低品位鐵、磷、鈦、鈷礦綜合回收利用產業化，其經濟價值顯著。

試驗確定磨礦細度－200目含量占87．5%(進入浮選細度－200目含量占90．3%)，獲得的工藝指標如下:濕式弱磁選回收磁鐵礦指標為，原礦品位TFe 10．72%，精礦產率13．44%，精礦品位TFe 64．86%，回收率52．12%。

磷礦實驗室閉路流程試驗選礦指標為，磨礦細度－200目含量47%，浮選溫度為20℃，原礦品位P2O53．34%，精礦產率9．75%、精礦品位P2O533．18%、回收率96．77%。

采用重－磁選工藝綜合回收該礦中的鈦鐵礦，工藝路線為，螺旋溜槽拋尾→搖床粗選→鈦鐵粗精礦→磨礦(磨礦細度為－200目含量25%～40%)→搖床精選→中強磁精選→鈦鐵精礦。

鈦鐵礦重選選礦試驗指標標為，原礦品位TiO24．50%、TFe 10．13%，精礦產率4．59%、精礦品位TiO242．53%、TFe 39．46%，TiO2回收率43．38%。重選鈦精礦經中強磁場(磁感應強度400mT)磁選，最終鈦鐵精礦品位TiO245．50%。

實驗室流程試驗選礦指標為:原礦品位Co 0．0114%、S有效1．07%，精礦產率1．52%，精礦品位Co 0．4117%、S有效44．76%，Co回收率53．49%、S有效回收率63．31%。

通過鐵磷礦選礦廠工業實施，達到綜合回收鐵、磷、鈦、硫、鈷等資源的目的，減少了選廠的尾礦排放量10%以上，選礦過程無環境污染，符合我國可持續發展戰略對磷礦和磷肥工業立足國內資源的要求，符合國家資源與環境及循環經濟政策。

［注釋］

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Geology and Comprehensive Utilization of the Greenstone Belt Iron－phosphate Deposit in the Northern Margin of North China Platform

XIA Xue－hui，YANG hui－yan，WEI Xiang－song
(China Chemical Geology and Mine Bureau Geology Research Institute，Zhuozhou，Hebei072754)

In this paper，we studied the metallotectonic environment，ore－bearing formation and geochemistry of the greenstone belt iron－phosphate deposits in the northern margin of the North China platform．The result shows that the island arc－chlorite is the main native rock，and the post metamorphic host rocks belong to alkali－ferruginous and femic series．The major and trace elements in host rock are inconsistent with each other．The incompatible elements such as Ba，Sr，Zr and P are obviously enriched，but the compatible elements Cr，Co and Ni are depleted．Contents of REE are relatively higher，enriched in LREE，and show a weak negative Ce anomaly．By analogy with the present exploitation situation of the low－grade endogenetic iron－phosphorite deposits in north China，there will be a good prospect of comprehensive utilization of greenstone belt iron－phosphate deposits in the northern margin of the north china platform．

greenstonebelt iron－phosphate deposit，geochemistry，comprehensive utilization，northern margin of north China platform

book=9,ebook=557

P618

A

0495－5331(2012)05－0876－8

2011－12－01;

2012－03－06;［責任編輯］郝情情。

中國地質調查局國土資源大調查項目(編碼:200310300002)資助。

夏學惠(1955年－)，男，教授級高工，主要從事礦床地質研究與評價工作。E－mail:xxh@hgdyy．com．cn。