東南極南查爾斯王子山條帶狀含鐵建造(BIF)的基本特征及成礦潛力

李 淼劉曉春

1.中國地質科學院地質力學研究所,北京 100081;

2.中國地質調查局極地地質研究中心,北京 100081;

3.自然資源部古地磁與古構造重建重點實驗室,北京 100081

0 引言

2020年,一場席卷全球的新冠疫情導致除中國以外的全球主要經濟體出現明顯衰退,波羅的海指數顯示中國鐵礦石需求呈現首次連續三年增長的趨勢,表明國內經濟發展進一步企穩和逐漸恢復。然而,中國自身鐵礦石品位低,資源稟賦較差、開發利用成本高,導致近年來國內鐵礦石對外依存度持續居高不下;另一方面,以澳大利亞力拓(RIO)、必和必拓(BHP)和巴西淡水河谷(VALE)三大公司為代表的巨頭促使全球鐵礦供應格局向著更為壟斷和集中的方向發展(趙立群等,2020)。面對風起云涌的日益復雜的國際形勢,本著未雨綢繆的出發點,進一步摸清南極地區鐵礦石礦產資源的分布、成礦地質背景和成礦潛力具有長遠的極其重要的戰略意義。

在整個南極大陸,除西福爾丘陵 (Vestfold Hills)、威爾克斯地 (Wilkes Land) 和邦杰丘陵(Bunger Hills)等局部地區有少量含鐵建造及其轉石外,在毛德皇后地(Dronning Maud Land)中西部的紫蘇花崗巖侵入體的接觸帶中也發現有少量脈狀鐵礦石,而主要的前寒武紀含鐵建造出露在南查爾斯王子山 (Southern Princes Charles Mountains)和恩德比地(Enderby Land) (Tingey, 1990;陳廷愚,1996)。其中南查爾斯王子山被認為是最具鐵礦資源潛力的地區,也是距中國科考站最近的礦產資源,距離中山站約600 km,相對來說也是最便于運輸和開發利用的礦產資源。文章重點總結了南查爾斯王子山條帶狀含鐵建造(BIF)的基本特征,綜合該區基礎地質和包括航磁異常、高精度磁異常等在內的地球物理資料,初步探討了該含鐵建造的成礦潛力和資源利用價值,繼而為南極地區將來潛在的可開發資源的綜合利用提供地質依據。

1 區域地質背景

查爾斯王子山是在1947年美國海軍飛機高空跳傘演習中首次被發現的,并在1954年由澳大利亞南極考察隊命名。查爾斯王子山沿蘭伯特冰川 (Lambert Glacier) -埃默里冰架 (Amery Ice Shelf)流域的西緣出露,總體延伸長度超過500 km,基本上是東南極地盾出露最好的連續露頭(圖1a)。在地貌上查爾斯王子山呈離散的冰原島峰和陡峭的平頂山分布在東南極蘭伯特冰川-埃默里冰架的西緣,其地貌景觀明顯受蘭伯特冰川及其支流的控制,而蘭伯特冰川最終匯入埃默里冰架并與普里茲灣(Prydz Bay)相連接(Tingey, 1982)。

圖1 查爾斯王子山-普里茲灣地區地質簡圖和魯克地體地質簡圖(圖中黑色區域為巖石露頭)Fig.1 Geological sketch map of the Prince Charles Moutains-Prydz Bay region showing its location in East Antarctica(a) and Geological sketch map of the Ruker terrane(b)a is after Liu, 2009; b is modified after Phillips et al., 2005; The black areas represent outcrops.

根據已有的地質年代學數據 (Mikhalsky et al., 2001; Phillips et al., 2006; Boger et al., 2006; 劉曉春,2009),查爾斯王子山從北向南依次可以劃分為中—新元古代雷納雜巖(Rayner Complex)、中元古代費希爾地體(Fisher Terrane)、古元古代蘭伯特地體(Lambert Terrane)和太古宙魯克地體(Ruker Terrane)。

雷納雜巖主要由長英質-鎂鐵質正片麻巖夾副片麻巖和花崗巖、紫蘇花崗巖組成,總體經歷了格林維爾期麻粒巖相變質、變形和大量巖漿作用,之后經過泛非期變質作用改造并伴隨有花崗巖和偉晶巖侵位,一般可達麻粒巖相 (Carson et al., 2000; Boger et al., 2002; Halpin et al., 2007, 2012; Morrissey et al., 2015, 2016)。費希爾地體主要為變質侵入巖、變質雙峰式鈣堿性火山巖和變沉積巖組成,經歷了比雷納雜巖變質程度更低的格林維爾期變質作用 (Beliatsky et al., 1994; Mikhalsky et al., 1996,1999),并且在變泥質巖中發現有泛非期變質作用改造 (De Vries Van Leeuwen et al., 2019)。蘭伯特地體由古元古代正片麻巖、變沉積巖和少量花崗巖脈組成,記錄了格林維爾期巖漿變質作用 (Corvino et al., 2008; Phillips et al., 2009),南部正片麻巖發現有泛非期變質作用改造和花崗巖侵入(Boger et al., 2008)。

魯克地體主要由太古宙魯克雜巖(又稱廷吉雜巖(Tingey Complex))組成,其主體由中太古代(3190～3170Ma)花崗質片麻巖基底構成(Boger et al., 2006;Mikhalsky et al., 2006),上覆門席斯群(Menzies Group)、斯蒂尼爾群(Stinear Group)、魯克群(Ruker Group)和Sodruzhestvo群四個不同時代的變質沉積巖和變質火山巖系列(圖1b,圖2;Phillips et al., 2005, 2006, 2007)。門席斯群主要為中太古代(3150 Ma之后沉積)礫巖、石英巖、泥質或鈣質變沉積巖和角閃巖;斯蒂尼爾群為新太古代(2800 Ma之后沉積)石英巖;魯克群為古元古代(2500 Ma之后沉積)綠片巖相鎂鐵質-長英質變質火山巖、變質粗玄巖巖床、變泥質片巖、板巖、千枚巖和條帶狀鐵礦石;Sodruzhestvo群為一套推測時代為中—新元古代(1040 Ma之后沉積)、成分更偏鈣質的綠片巖相變質沉積巖組合,包括變泥質巖、鈣質片巖、千枚巖和板巖,含少量大理巖、石英巖和變質礫巖(Mikhalsky et al., 2001),該巖石系列局部保留了波痕構造和交錯層理等原始沉積構造的特征(Phillips et al., 2005)。有證據表明魯克地體的基底和上覆門席斯群蓋層在太古代(2790～2770Ma)一起發生了高角閃巖相變質作用,隨后伴有2650Ma的偉晶巖脈侵入 (Boger et al., 2006)。在泛非期發生了包括Sodruzhestvo群在內的低角閃巖相-綠片巖相變質作用,伴隨局部花崗巖的侵位(Mikhalsky et al., 2001)。

圖2 南查爾斯王子山年代地層學劃分(據Phillips et al., 2006修改)Fig.2 Regional chronostratigraphic division for the southern Prince Charles Mountains(modified after Phillips et al., 2006)

2 南查爾斯王子山BIF的基本特征

2.1 地質產狀

南查爾斯王子山最主要的條帶狀含鐵建造呈北西走向,出露在魯克山(Mount Ruker)的魯克群變沉積巖層序中,不整合覆蓋在魯克山東端的太古宙花崗質片麻巖之上(圖3)。變質沉積巖序列可分為上部火山-沉積巖系和下部火山巖系。這些巖石均以構造板片的形式出現,構造方向與面理一致,優勢走向北西向,向南西傾,傾角30°～75°,顯示了構造疊加和逆沖構造作用的影響(Mikhalsky et al., 2001)。

圖3 魯克山地質簡圖(Mikhalsky et al., 2001)Fig.3 Geological sketch map of Mount Ruker(Mikhalsky et al., 2001)

上部火山-沉積巖系由磁鐵礦-云母-石英板巖(變泥質巖)、綠泥石-云母-石英板巖和石英巖(變質凝灰巖、凝灰質砂巖、砂巖)、方解石-云母-斜長石-石英板巖(長英質變質火山巖)、變質礫巖和凝灰質角礫巖組成;下部火山巖系主要由黑綠色—灰綠色變質玄武巖和綠泥石-陽起石片巖(40%)、變質中酸性火山巖(20%)、變質粗玄巖(25%)和條帶狀含鐵建造(15%)組成。條帶狀含鐵建造呈透鏡狀或薄層狀出露在火山巖系的下部,主體含鐵建造(碧玉巖)總厚度達400m(Ravich et al., 1982; Mikhalsky et al., 2001)。 較薄的礦層夾綠泥石-碳酸鹽片巖、鈣質石英巖、變質砂巖、變質粉砂巖和變質基性火山巖,可見鐵礦層與硅質巖層同時發生褶皺變形,如半波縱彎褶皺、扁平同心褶皺和尖頂褶皺等 (Mikhalsky et al., 2001)。在條帶狀含鐵建造的頂部近構造接觸帶的部位可見含鐵建造和變質輝長巖之間呈侵入接觸的構造關系,變質輝長巖侵入到碧玉鐵質巖形成0.3～0.5m的冷凝邊 (Ravich et al., 1982)。此外,接觸帶中的變質基性巖被強烈剪切變形成綠片巖相巖石,片理平行于周圍的含鐵巖石。

由于魯克山基巖露頭有限,地勢險峻,加之已經完成的野外工作也非常有限,造成有關條帶狀鐵礦建造的具體厚度的估算仍有很大的不確定性。Soloviev et al.(1967) 在基巖露頭 (73°38′S;68°40′E)發現的含鐵建造層厚約70m;England and Langworthy(1975)則估計了一個可見的750m厚的條帶狀含鐵礦建造,但這一厚度可能遠大于含鐵建造 (礦層)的真實厚度;Ravich et al.(1982)曾描述魯克山含條帶狀鐵礦層位的總厚度近400 m,其在魯克山最東端連續陡崖的一個大的露頭(長1km、厚100～150m)中識別出30～50m厚的含鐵建造。Ravich et al.(1982)認為含鐵建造與層狀片巖(石英片巖、石英-綠泥石片巖和云母-綠泥石片巖)、微粒石英巖和變質基性巖呈互層產出,含鐵建造呈薄層狀,強烈褶皺變形,軸面為北西—南東向60°～70°。由此可見,魯克山不同地點的含鐵建造厚度應有所差異,大致位于30 m至70 m之間。

2.2 礦石礦物特征

魯克山條帶狀含鐵建造呈灰黑色和淡紫黑色,主要由1～2cm厚的不透明礦物層和2～3cm厚的石英層組成。不透明礦物層主要由粒度從0.05mm到0.8～1.0mm不等的具粒狀變晶結構的磁鐵礦和褐鐵礦以3∶2的比例呈多面聚集體組成,在不透明礦物層中,可見透鏡狀淡色的不超過2～3mm的微紋層,由石英和微小的半自形的不透明礦物組成(Ravich et al., 1982)。主要的石英層包含呈透鏡狀產出的粒狀磁鐵礦和褐鐵礦顆粒聚集體(15%～20%),或作為不規則包裹體出現在石英層中。在一些不透明礦物層中,鏡下可見赤鐵礦被磁鐵礦取代,磁鐵礦和赤鐵礦又被褐鐵礦取代的現象(Ravich et al., 1982)。

除了石英和不透明礦物外,含鐵建造還包含菱鐵礦、鐵白云石、白云石和方解石等碳酸鹽礦物以及鈉閃石、微斜長石和鈉長石,有些巖石還含有黑硬綠泥石和磷灰石(Mikhalsky et al., 2001)。針狀、長柱狀或呈聚合變晶集合體的鈉閃石和微斜長石、鈉長石和云母被包裹在主要的薄層中;鈉長石和微斜長石通常以薄層狀分布在不透明礦物層與石英接觸的部位;大量的次生碳酸鹽礦物大多沿巖層層面分布,局部可見菱鐵礦聚集在磁鐵礦集合體周圍(Ravich et al., 1982)。在角礫巖化的含鐵建造中,含鐵建造甚至與石英聚合體、方解石和菱鐵礦相膠結,最大的角礫還包含了黃鐵礦和重結晶的赤鐵礦 (Ravich et al., 1982)。

對一些含鐵建造的礦石化學分析顯示SiO2含量為29.8%～61.4%,全鐵含量24.1%～45.9%,平均為33.5% (Tingey, 1991),其他氧化物的總量不超過6%～7%,S和P的含量均較低,此外含有0.2%的Ni,Cu、Cr、Co、Zr的含量在0.001%～0.01%之間(Ravich et al., 1982),Pb和Zn含量也較低 (Mikhalsky et al., 2001)。

2.3 地球化學特征及成因

最新的地球化學研究表明,魯克山條帶狀含鐵建造具有低Al、Zr、Hf和Sc含量的特點,稀土總量較低,虧損Nd,稀土配分模式與鎂鐵質變火山巖類似,說明條帶狀含鐵建造的形成過程可能與變質火山巖有聯系 (Ernst and Bau, 2021),在鐵建造的分類上屬于介于蘇必利爾湖型含鐵建造和阿爾戈馬型含鐵建造之間的過渡類型(Mikhalsky et al., 2001)。燧石層富集Ni并具有高Ba/Sr比值,類似其他早前寒武紀條帶狀含鐵建造的特征(Ernst and Bau, 2021)。頁巖標準化稀土配分模式圖中表現為類似于現代海水的稀土配分模式,如虧損輕稀土,富集重稀土,具有La、Gd和Y正異常等地球化學特征;但是相對海水又顯示具有Eu正異常、 無Ce 異常 (Ernst and Bau, 2021)。這些特征表明高溫熱液作用在大氣圈-水圈處于還原條件下,將REE和Y元素加入到海水之中。高于球粒隕石的Y/Ho比值表明含鐵建造的條帶并不是鐵質沉積之后分離形成的,而是原始同沉積構造作用形成的 (Ernst and Bau, 2021)。因此,南查爾斯王子山條帶狀含鐵建造可能是由海底熱液噴流形成的,為熱水沉積成因。每次海底熱液噴溢活動都造成Si和Fe依次先后沉淀,分別形成硅質層和鐵質層。海底熱液噴氣的周期性活動形成了具明顯條帶狀構造的含鐵建造,一套韻律層也相應地代表了一次海底熱液噴溢活動。

3 查爾斯王子山的磁異常特征

由于南極大陸98%的地表面積被冰雪覆蓋,基巖露頭出露極其有限,因此基于地球物理學上的航空重力、磁力和冰雷達等探測手段對于進一步認識南極冰下大陸的基底特征、構造格架及構造演化有重大意義。

早期對查爾斯王子山-埃默里冰架的航磁調查表明,航空磁測數據顯示出兩條寬度約5～10 km的正磁異常條帶,并從南查爾斯王子山魯克山地區向西延伸約120～180 km,該異常被認為是向西延伸的條帶狀含鐵礦建造引起的 (Ravich et al., 1982)。Golynsky et al.(2002)收集了近五十多年來的航空磁測資料,匯編出了最完整的南極航磁軌跡圖和磁異常圖;基于蘭伯特冰川-查爾斯王子山脈地區詳細的航磁數據,利用ER Mapper軟件系統(Earth Resource Mapping, 1995),完成了該地區的地質和構造歷史磁異常圖像(圖4a)。從圖中可以看出,北查爾斯王子山地磁構造呈北東向展布,南查爾斯王子山最顯著的磁異常是呈近東西向展布,與魯克山條帶狀含鐵建造有關(Golynsky et al., 2002)。

圖4 埃默里冰架、蘭伯特冰川及查爾斯王子山地區航磁異常圖和南查爾斯王子山魯克地體磁異常區劃分圖Fig.4 Colour shaded-relief map of the magnetic anomalies for the Amery Ice Shelf, Lambert Glacier and Prince Charles Mountains(a) and Magnetic signature of the geophysical domains in the southern Prince Charles Mountains(b)a is modified after Golynsky et al., 2002; b is modified after McLean et al., 2008.

南查爾斯王子山魯克山地區的磁異常走向呈東西向,長約130 km,明顯具有高強度、高振幅、長波長的特征,磁異常的峰值為3351 nT,南側邊緣則顯示較陡的地磁梯度異常;而周邊其他地區主要為短波長、低振幅、低地磁梯度異常(Golynsky et al., 2002,2006; McLean et al., 2008)。根據磁異常特征,McLean et al.(2008)還將南查爾斯王子山劃分為四個區域,由東北向西南依次劃分為東北區、高磁異常區、低磁異常區和高振幅區,分別代表不同的磁場強度、結構和構造方向(圖4b)。其中,高振幅區包括了伯德山、魯克山和貝利斯山等地的露頭,在魯克山的北北東端具有最陡的地磁變化梯度(642 nT/km),振幅最高達4500 nT,該區域最明顯的特征是有兩條寬約10 km的東西向展布的高磁異常區域,北部的一條大約50 km長并向西收窄約5 km,南側的一條相對略長并向西方向延伸60 km (McLean et al., 2008),這兩條磁異常帶對應魯克山條帶狀含鐵建造的空間展布。另外,魯克山條帶狀含鐵建造279件樣品的磁化率在(118～80830) ×10-5SI之間,平均為27483×10-5SI(McLean et al., 2008)。

4 條帶狀含鐵建造的成礦潛力分析

航磁異常通常是BIF在區域上最有效的找礦標志,在礦產勘查中得到廣泛應用。高精度磁測通常可以作為鐵礦體空間形態和礦石質量的重要判斷依據,一般來說,高磁異常梯度帶對應礦體頂板位置,指示礦體的傾向,梯度帶的緩急與鐵礦體傾角相關;高磁異常的寬度,指示了磁鐵礦體或礦體群分布范圍;磁異常的極值大小,預示礦體穩定性和深部延伸規模(曾瑞垠等, 2020)。

由于目前缺乏實地踏勘路線及測量資料,文中試圖通過利用高精度磁測資料對南查爾斯王子山條帶狀含鐵建造進行資源量預測,并對其成礦潛力做簡要分析。通過對航磁異常區的磁測剖面測量,圈定出魯克山條帶狀含鐵建造包含北側礦體和南側礦體兩個異常帶(McLean et al., 2008;圖4b)。利用航空磁測資料對查爾斯王子山做三維反演模擬的結果表明,北側礦體為層狀結構,走向近東西向,長約50 km,并以約45°角向南傾斜至地表深度7 km以下,厚度約為2 km;南側礦體為一個較厚(約5km)的地質體,也是向南陡傾,在地表以下約8 km處突然尖滅 (McLean et al., 2008)。根據魯克山條帶狀含鐵建造的礦床地質特征及產出環境,結合物探特征等建立了該地區沉積變質型鐵礦預測模型,見表1所示。

表1 南查爾斯王子山魯克地體條帶狀含鐵建造鐵礦預測模型Table 1 The metallogenetic prospect model of iron ore in banded iron formation in the Ruker Terrane, southern Prince Charles Mountains

通常來說,鐵礦石的論證并達到工業指標為邊界品位TFe為10.00%,工業品位TFe為13.00%,可采厚度2.00 m,夾石剔除厚度2.00 m(萬平益等, 2020)。魯克山條帶狀含鐵建造中鐵礦石標本的鐵礦石品位在24.1%～45.9%之間,平均為33.5%(Tingey, 1990),厚度30～70 m,完全達到工業可采化標準。

資源量預測主要參考了萬平益等(2020)運用的方法和參數。魯克山條帶狀鐵建造礦體平均傾角為45°,屬于陡傾斜產出礦體,采用垂直投影面積計算截面積;利用對航磁異常區的磁測剖面測量的礦體面積進行圈算,求出預測礦體截面積(S);預測真面積(S′)=預測礦體截面積(S) /sin45°。預測礦體體積(V′)=預測真面積(S′)×含鐵礦體的估算厚度。預測礦石量(Q′)=預測礦體體積(V′)×礦石平均小體重(T)。其中,礦區磁異常預測資源量計算時,參考類似的沉積型鐵礦石小體重與品位的線性相關關系,即:鐵礦石小體重值=2.74+0.026×鐵品位 (邊榮春等, 2014),可以得出魯克山條帶狀含鐵建造的平均礦石小體重(T)為2.75 t/m3。含鐵礦體的估算厚度按照30～70m計算。

按照以上方法分別計算南北兩條礦體的資源量,得出北側礦石總體資源量在408～953億噸,南側礦石總體資源量在560～1307億噸,南查爾斯王子山鐵礦石總資源量大致為968～2258億噸(表2)。因此,從成礦規模上來說,該鐵礦石還是具有超大型鐵礦的成礦規模。雖然航磁異常推測深度達7～8km,但目前鐵礦的勘探深度主要集中在地表以下1000 m 深度以淺(劉群等,2013),比如具有明顯的層控性的鞍本地區鐵礦,許多大型、超大型鐵礦床勘探程度一般控制在沿傾斜延伸500～700 m(張朋等,2012)。因此,對南查爾斯王子山的鐵礦資源來說,目前可開采的資源量在128～299億噸(按照最大勘探深度1000 m計算可采資源量)。然而,由于南查爾斯王子山距離海岸過于遙遠,加之南極地區總體氣候條件比較惡劣,從經濟學角度來說其總體開采和運輸成本較高。鑒于《南極條約》對南極的開發和利用僅僅以科學研究為目的的局限性,南查爾斯王子山的鐵礦資源目前仍屬于不可開采的區域范圍。

表2 南查爾斯王子山魯克地體條帶狀含鐵建造鐵礦預測資源量Table 2 The potential resource of iron ore in banded iron formation in the Ruker Terrane,southern Prince Charles Mountains

5 結論

(1)東南極南查爾斯王子山條帶狀含鐵建造出露在古元古代沉積盆地北部邊緣,被南向逆沖斷層和晚期東北向左旋剪切走滑斷層控制。主要賦礦巖層為磁鐵石英巖,礦層厚度30～70 m,礦石品位在24.1%～45.9%之間,平均為33.5%,達到工業可采化標準。

(2)南查爾斯王子山航磁異常的分布特征與魯克山條帶狀含鐵建造有密切關系。通過對該區航磁異常、高精度磁異常解譯及驗證,圈定鐵礦石分布范圍,最終采用巖體磁異常體積和礦石體重的方法估算出鐵礦石總資源量達千億噸,在地下1 km以上的可開采資源量在百億噸以上。