0 引言
条带状铁建造(banded iron-formation,简称BIF),一般产出于前寒武纪,多为海相火山沉积岩,当Fe含量达到工业品位时,就形成BIF型铁矿床[1-3]。该类型铁矿是世界上最重要的铁矿类型,其特点是规模大、易开采、易选矿[2-4]。地球上已知的BIF最早出现于3.8 Ga,2.7 Ga达到峰值,1.8 Ga左右大规模趋于结束[2-6],可见BIF集中出现在新太古代—古元古代。BIF作为太古宙绿岩带的重要组成部分,广泛分布于全球古老克拉通内[7-8]。绿岩带BIF型铁矿常伴有火山岩夹层,BIF的形成受火山作用明显,故而太古宙BIF大都归为Algoma型[7, 9]。
固阳绿岩带形成于新太古代华北微陆块拼合时期[10],该绿岩带内发育有多个BIF型铁矿,如三合明、公益明、合教、东五分子、书记沟和黑脑包等[7]。前人对固阳绿岩带BIF铁矿成矿年代、矿床成因研究较少且存在争议。刘建忠等[9]对公益明铁矿研究初步认为固阳绿岩带形成于大陆裂谷环境;刘利等[7]对三合明铁矿赋矿围岩——斜长角闪岩进行定年,获得(2 562±14) Ma的成矿年龄,并推断海底高温热液淋滤科马提岩为铁矿的形成提供Fe和Si。高腰海铁矿为一中型隐伏矿床,是华北克拉通西部陆块北缘固阳绿岩带重要的BIF型铁矿之一,其探明储量2 202万t[11]。该矿床自发现以来尚未开展矿床学等相关研究工作。本文基于前人地质勘查工作,首次开展了矿体夹层——斜长角闪岩锆石LA-ICP-MS年代学和岩石地球化学研究,对高腰海铁矿的形成时代进行了限定,对高腰海铁矿的成矿背景进行了探讨,以期进一步丰富固阳绿岩带BIF型铁矿成矿理论。
1 地质背景及矿床特征矿区大地构造位于华北克拉通西部陆块北缘阴山地块,前寒武纪基底主要由低级变质的新太古代花岗-绿岩地体组成[12-13](图 1)。出露的地层有前震旦系色尔腾山群毛忽洞组、元古宇震旦系下统、古生界寒武系下志留统白云鄂博群、中生界侏罗系中上统、新近系上新统和第四系全新统。
矿区构造复杂,多期次构造运动互相叠加,构造形迹保存不够完整,褶皱和断裂发育。
矿区侵入岩广泛发育,主要为加里东晚期斜长花岗岩、闪长岩和华力西期斜(钾)长花岗岩及石英斑岩脉、花岗闪长玢岩脉,其多呈岩基、岩株状产出。
前震旦系毛忽洞组(AnZm)经区域变质和混合岩化作用形成各种混合岩化片麻岩、片岩、变粒岩,属低角闪岩相—高绿片岩相组合。
高腰海矿区铁矿体为隐伏矿体,赋存于前震旦系毛忽洞组三岩段(AnZm3) (图 2)。毛忽洞背斜为主控矿构造,矿体产出于背斜北西翼,大致沿NNE向展布,产状整体较陡(图 3)。NW向或近EW向断层将矿体分成2段[11]。
矿石类型为石英闪石型,磁铁石英岩(图 4a)矿体顶底板主要是斜长角闪岩(图 4b),围岩与矿体呈整合接触,产状一致,界线不太清楚(图 2)。
硅化、碳酸盐化多呈细脉状贯入矿体和围岩中。混合岩化作用和硅化蚀变可使矿石中磁铁矿颗粒变粗,铁品位增高。
铁矿石呈灰黑色,自形—半自形,他形粒状、针柱状变晶结构,粒径0.02~0.50 mm,具条带-条纹状构造,以磁铁矿、赤铁矿(图 4c)为主,少量黄铁矿。
斜长角闪岩呈灰绿色,矿物成分包括角闪石(45%)、斜长石(35%)及少量其他暗色矿物(图 4d),石英较少,粒状变晶结构,矿物粒径0.02~1.00 mm,块状、条带状构造。
2 样品及实验方法本次研究所采样品包括BIF铁矿石和赋矿围岩——斜长角闪岩,采样位置见图 2。铁矿石样品编号为14GH-2、14GH-3、14GH-4,斜长角闪岩样品编号为14GH-11、14GH-12、14GH-13、14GH-14。在中国地质调查局天津地质调查中心实验测试室完成样品主、微量元素分析。采用PW4400/40 X射线荧光光谱法分析主量元素,X SeriesⅡ等离子体质谱仪测试微量元素。分析结果见表 1,2。
岩石类型 | 样号 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | FeO | CaO | MgO | K2O | Na2O | TiO2 | P2O5 | MnO | 烧失量 | 总和 | TFe2O3 | 全碱 |
铁矿石 | 14GH-2 | 49.38 | 1.13 | 23.90 | 19.05 | 2.50 | 2.48 | 0.07 | 0.16 | 0.06 | 0.16 | 0.09 | -1.20 | 97.77 | 45.07 | 0.23 |
14GH-3 | 54.34 | 1.81 | 4.33 | 33.70 | 1.43 | 2.28 | 0.29 | 0.18 | 0.11 | 0.11 | 0.07 | -2.53 | 96.12 | 41.78 | 0.47 | |
14GH-4 | 45.45 | 1.93 | 6.78 | 30.50 | 10.08 | 2.39 | 0.22 | 0.38 | 0.08 | 0.05 | 0.15 | -1.44 | 96.56 | 40.67 | 0.60 | |
斜长角闪岩 | 14GH-11 | 49.41 | 16.50 | 2.72 | 9.85 | 9.28 | 4.23 | 1.18 | 4.21 | 0.86 | 0.07 | 0.20 | 0.63 | 99.14 | 13.67 | 5.39 |
14GH-12 | 48.84 | 16.14 | 3.48 | 10.65 | 8.81 | 4.26 | 1.05 | 4.10 | 0.96 | 0.09 | 0.20 | 0.44 | 99.02 | 15.32 | 5.15 | |
14GH-13 | 48.39 | 17.33 | 3.05 | 9.20 | 9.17 | 4.54 | 1.47 | 3.91 | 0.85 | 0.08 | 0.19 | 1.00 | 99.18 | 13.27 | 5.38 | |
14GH-14 | 48.54 | 15.84 | 2.77 | 10.30 | 9.68 | 5.52 | 1.12 | 3.70 | 0.80 | 0.07 | 0.21 | 0.56 | 99.11 | 14.22 | 4.82 | |
注:主量元素质量分数单位为%。 |
岩石类型 | 样品号 | Cu | Pb | Zn | Cr | Ni | Co | Li | Rb | Cs | Sr | Ba | V | Sc | Nb | Ta | Zr | Hf | Be | Ga | Ge | U | Th |
铁矿石 | 14GH-2 | 6.78 | 2.46 | 52.60 | 12.40 | 11.20 | 6.46 | 1.20 | 1.32 | 0.08 | 16.50 | 12.60 | 12.60 | 2.40 | 0.68 | 0.05 | 8.22 | 0.26 | 0.22 | 2.62 | 8.81 | 0.07 | 0.14 |
14GH-3 | 23.90 | 3.27 | 31.20 | 46.10 | 16.10 | 5.94 | 4.12 | 19.20 | 3.03 | 29.80 | 53.00 | 28.90 | 3.23 | 0.96 | 0.07 | 14.60 | 0.40 | 1.11 | 3.32 | 8.66 | 0.10 | 0.34 | |
14GH-4 | 38.70 | 5.90 | 28.40 | 16.00 | 8.63 | 4.25 | 5.07 | 7.80 | 0.38 | 53.40 | 12.60 | 19.90 | 2.47 | 1.69 | 0.24 | 14.20 | 0.38 | 2.32 | 3.60 | 8.57 | 0.46 | 0.52 | |
斜长 角闪岩 |
14GH-11 | 87.20 | 8.76 | 70.00 | 19.30 | 52.10 | 36.40 | 12.60 | 23.60 | 0.33 | 166.00 | 158.00 | 290.00 | 30.20 | 2.05 | 0.20 | 57.20 | 1.83 | 0.43 | 17.30 | 2.80 | 0.44 | 0.49 |
14GH-12 | 99.40 | 5.99 | 79.50 | 14.80 | 49.60 | 39.70 | 14.00 | 19.00 | 0.50 | 151.00 | 114.00 | 298.00 | 34.00 | 2.22 | 0.16 | 71.80 | 2.18 | 0.39 | 18.20 | 2.94 | 0.23 | 0.24 | |
14GH-13 | 129.00 | 11.20 | 70.90 | 28.70 | 56.90 | 36.30 | 19.60 | 39.80 | 0.76 | 216.00 | 187.00 | 298.00 | 32.00 | 1.82 | 0.13 | 54.80 | 1.71 | 0.32 | 17.70 | 2.82 | 0.38 | 0.32 | |
14GH-14 | 98.90 | 6.39 | 82.40 | 73.70 | 75.80 | 43.80 | 14.20 | 25.60 | 0.62 | 143.00 | 162.00 | 311.00 | 35.00 | 1.68 | 0.12 | 48.50 | 1.49 | 0.30 | 17.10 | 2.98 | 0.08 | 0.25 | |
岩石类型 | 样品号 | La | Ce | Pr | Nd | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Y | ∑REE | LREE | HREE | LREE/
HREE |
(La/
Yb)N |
δEu | δCe |
铁矿石 | 14GH-2 | 2.46 | 5.10 | 0.66 | 2.74 | 0.56 | 0.18 | 0.62 | 0.10 | 0.74 | 0.18 | 0.56 | 0.10 | 0.72 | 0.14 | 6.12 | 14.86 | 11.70 | 3.16 | 3.70 | 0.25 | 0.93 | 0.93 |
14GH-3 | 3.10 | 6.55 | 0.90 | 3.94 | 0.89 | 0.45 | 0.98 | 0.18 | 1.16 | 0.27 | 0.87 | 0.15 | 1.10 | 0.19 | 7.90 | 20.73 | 15.83 | 4.90 | 3.23 | 0.21 | 1.47 | 0.94 | |
14GH-4 | 2.82 | 6.06 | 0.82 | 3.60 | 0.82 | 0.39 | 0.95 | 0.17 | 1.08 | 0.23 | 0.67 | 0.11 | 0.82 | 0.13 | 6.83 | 18.67 | 14.51 | 4.16 | 3.49 | 0.25 | 1.35 | 0.96 | |
斜长
角闪岩 |
14GH-11 | 3.92 | 9.06 | 1.40 | 6.96 | 2.22 | 0.86 | 3.09 | 0.58 | 4.24 | 0.98 | 2.87 | 0.45 | 3.17 | 0.50 | 25.60 | 40.30 | 24.42 | 15.88 | 1.54 | 0.89 | 1.00 | 0.93 |
14GH-12 | 3.93 | 10.00 | 1.56 | 8.03 | 2.57 | 0.97 | 3.47 | 0.68 | 4.78 | 1.02 | 3.08 | 0.48 | 3.18 | 0.52 | 28.50 | 44.27 | 27.06 | 17.21 | 1.57 | 0.89 | 0.99 | 0.97 | |
14GH-13 | 3.32 | 8.25 | 1.31 | 6.49 | 2.13 | 0.79 | 2.92 | 0.56 | 3.92 | 0.86 | 2.49 | 0.40 | 2.70 | 0.42 | 23.40 | 36.56 | 22.29 | 14.27 | 1.56 | 0.88 | 0.97 | 0.96 | |
14GH-14 | 3.38 | 8.07 | 1.20 | 6.13 | 1.88 | 0.69 | 2.65 | 0.55 | 3.73 | 0.85 | 2.43 | 0.38 | 2.61 | 0.42 | 22.50 | 34.97 | 21.35 | 13.62 | 1.57 | 0.93 | 0.94 | 0.95 | |
注:微量、稀土元素质量分数单位为10-6。 |
锆石分选在河北省诚信地质服务有限公司完成。样品经粉碎、分选后,在双目镜下人工挑纯。挑选结构完整并且晶形完好的锆石颗粒,依次在环氧树脂中固定完成制靶。经过抛光后,拍摄阴极发光(CL)和透反射照片,分析其显微结构,选取测年最佳区域。在中国地质调查局天津地质调查中心实验测试室完成锆石制靶和阴极发光(CL)照相。采用激光剥蚀多接收器电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)系统完成锆石样品U-Pb同位素测试,测试单位为天津地质调查中心实验测试室,实验分析结果见表 3。试验流程和数据处理方法见文献[14]。数据处理采用ICPmsDataCal和Isoplot软件[15-16]。
测点号 | wB/10-6 | Th/U | 同位素比值 | 年龄/Ma | |||||||||||||
Pb | Th | U | 207Pb/206Pb | 1σ | 207Pb/235U | 1σ | 206Pb/238U | 1σ | 207Pb/206Pb | 1σ | 207Pb/235U | 1σ | 206Pb/238U | 1σ | |||
1 | 276 | 161 | 815 | 0.20 | 0.118 1 | 0.001 4 | 5.425 4 | 0.073 4 | 0.333 1 | 0.004 0 | 1 928 | 22 | 1 889 | 26 | 1 854 | 22 | |
3 | 337 | 132 | 1 027 | 0.13 | 0.117 4 | 0.001 4 | 5.327 4 | 0.069 0 | 0.329 2 | 0.003 8 | 1 917 | 22 | 1 873 | 24 | 1 834 | 21 | |
5 | 313 | 122 | 925 | 0.13 | 0.119 9 | 0.001 5 | 5.618 9 | 0.072 6 | 0.340 0 | 0.003 9 | 1 954 | 22 | 1 919 | 25 | 1 887 | 22 | |
6 | 175 | 114 | 499 | 0.23 | 0.118 3 | 0.001 4 | 5.602 8 | 0.074 0 | 0.343 6 | 0.004 0 | 1 930 | 22 | 1 917 | 25 | 1 904 | 22 | |
9 | 373 | 138 | 1 096 | 0.13 | 0.117 3 | 0.001 4 | 5.514 1 | 0.072 5 | 0.341 0 | 0.003 9 | 1 915 | 22 | 1 903 | 25 | 1 892 | 22 | |
10 | 221 | 127 | 644 | 0.20 | 0.117 0 | 0.001 4 | 5.448 0 | 0.071 2 | 0.337 8 | 0.003 9 | 1 910 | 22 | 1 892 | 25 | 1 876 | 22 | |
11 | 288 | 198 | 826 | 0.24 | 0.119 4 | 0.001 5 | 5.574 2 | 0.072 6 | 0.338 6 | 0.003 9 | 1 947 | 22 | 1 912 | 25 | 1 880 | 22 | |
13 | 208 | 114 | 612 | 0.19 | 0.118 7 | 0.001 4 | 5.480 5 | 0.072 8 | 0.335 0 | 0.003 9 | 1 936 | 22 | 1 898 | 25 | 1 862 | 22 | |
14 | 179 | 130 | 535 | 0.24 | 0.121 3 | 0.001 5 | 5.418 0 | 0.069 9 | 0.323 9 | 0.003 7 | 1 976 | 22 | 1 888 | 24 | 1 809 | 21 | |
15 | 223 | 83 | 685 | 0.12 | 0.119 8 | 0.001 5 | 5.374 6 | 0.070 0 | 0.325 4 | 0.003 8 | 1 953 | 22 | 1 881 | 24 | 1 816 | 21 | |
16 | 362 | 148 | 1 097 | 0.13 | 0.116 6 | 0.001 4 | 5.307 9 | 0.069 4 | 0.330 2 | 0.003 8 | 1 905 | 22 | 1 870 | 24 | 1 839 | 21 | |
17 | 438 | 155 | 1 322 | 0.12 | 0.115 6 | 0.001 4 | 5.302 5 | 0.069 5 | 0.332 5 | 0.003 8 | 1 890 | 22 | 1 869 | 25 | 1 851 | 21 | |
18 | 218 | 95 | 638 | 0.15 | 0.121 1 | 0.001 5 | 5.667 7 | 0.076 6 | 0.339 5 | 0.004 0 | 1 972 | 22 | 1 926 | 26 | 1 884 | 22 | |
22 | 330 | 90 | 1 021 | 0.09 | 0.118 7 | 0.001 4 | 5.349 5 | 0.069 3 | 0.326 8 | 0.003 8 | 1 937 | 22 | 1 877 | 24 | 1 823 | 21 | |
23 | 384 | 98 | 1 182 | 0.08 | 0.120 0 | 0.001 5 | 5.430 3 | 0.071 4 | 0.328 3 | 0.003 8 | 1 956 | 22 | 1 890 | 25 | 1 830 | 21 | |
24 | 284 | 137 | 861 | 0.16 | 0.119 1 | 0.001 5 | 5.356 9 | 0.070 0 | 0.326 2 | 0.003 8 | 1 943 | 22 | 1 878 | 25 | 1 820 | 21 | |
25 | 153 | 67 | 443 | 0.15 | 0.118 5 | 0.001 5 | 5.638 8 | 0.074 0 | 0.345 0 | 0.004 0 | 1 934 | 22 | 1 922 | 25 | 1 911 | 22 | |
26 | 305 | 148 | 873 | 0.17 | 0.116 2 | 0.001 4 | 5.555 2 | 0.072 7 | 0.346 7 | 0.004 0 | 1 899 | 22 | 1 909 | 25 | 1 919 | 22 | |
27 | 225 | 67 | 677 | 0.10 | 0.117 5 | 0.001 4 | 5.431 7 | 0.073 4 | 0.335 2 | 0.004 0 | 1 919 | 22 | 1 890 | 26 | 1 864 | 22 | |
28 | 287 | 131 | 852 | 0.15 | 0.121 0 | 0.001 5 | 5.586 3 | 0.074 8 | 0.334 9 | 0.003 9 | 1 971 | 22 | 1 914 | 26 | 1 862 | 22 | |
30 | 349 | 144 | 1 036 | 0.14 | 0.116 1 | 0.001 4 | 5.402 8 | 0.069 9 | 0.337 4 | 0.003 9 | 1 898 | 22 | 1 885 | 24 | 1 874 | 21 |
高腰海铁矿石的主量元素分析结果见表 1,其中:w(TFe2O3)为40.67%~45.07%,平均为42.51%;w(SiO2)为45.45%~54.34%,平均为49.72%;w(Al2O3)为1.13%~1.93%,平均为1.62%。微量元素w(Nb)、w(Zr)、w(V)、w(Cr)平均值分别为1.11×10-6、12.34%×10-6、20.47×10-6、24.83×10-6(据表 2计算)。
铁矿石的w(ΣREE)为(14.86~20.73)×106,平均为18.09×10-6,轻重稀土分异明显(图 5a),(La/Yb)N为0.21~0.25,平均为0.24。负Ce异常,δCe为0.93~0.96,平均为0.94。
3.2 斜长角闪岩地球化学特征表 1显示,斜长角闪岩呈基性,其中:w(SiO2)为48.39%~49.41%,平均为48.80%;w(Na2O+K2O)为4.82%~5.39%,均值为5.19%,且K2O质量分数低于Na2O;Al2O3、MgO相对较富集,质量分数均值分别为16.45%、4.64%。
斜长角闪岩的大离子亲石元素相对富集(表 2):w(Rb)为19.00×10-6~39.80×10-6,均值为27.00×10-6;w (Ba)为114.00×10-6~187.00×10-6,均值为155.25×10-6;w(Sr)为143.00×10-6~216.00×10-6,均值为169.00×10-6。高场强元素:w(Th)为0.24×10-6~ 0.49×10-6,均值为0.33×10-6;w(U)为0.08×10-6~ 0.44×10-6,均值为0.28×10-6,相对亏损;w(Nb)为1.68×10-6~ 2.22×10-6,均值为1.94×10-6;w(Ta)为0.12×10-6~ 0.20×10-6,均值为0.15×10-6;w(Zr)为48.50×10-6~71.80×10-6,均值为58.08×10-6;w(Hf)为1.49×10-6~2.18×10-6,均值为1.80×10-6;w(Ti)均值为5 205×10-6,显示弱负异常(图 5b)。斜长角闪岩REE总量较低,w(ΣREE)为34.97×10-6~44.27×10-6,平均为39.03×10-6。轻重稀土分异不明显,LREE/HREE值为1.54~1.57,平均为1.56;(La/Yb)N平均为0.90,无明显的Eu异常,也无明显的Ce异常(图 5b)。
3.3 测年结果本次对斜长角闪岩样品进行了21颗锆石LA-ICP-MS U-Th-Pb同位素测年(表 3)。锆石主要呈粒状、短柱状、椭球状等,长90~150 μm,宽50~100 μm,长宽比为1:1~3:1。从CL图像(图 6)可以看出,大部分锆石内部均匀,且呈暗色,震荡环带现象不明显,Th/U为0.08~0.24,具变质热液锆石特征。从U-Pb年龄谐和图(图 7)可以看出,21颗斜长角闪岩锆石U-Pb同位素组成在误差范围内谐和,年龄加权平均值为(1 933±12) Ma。
4 讨论 4.1 高腰海BIF型铁矿的形成时代前人研究认为Algoma型BIF的形成受火山活动影响显著,二者时空关系密切[9],通常采用火山岩围岩定年来限定BIF的成矿时代[17-18]。前人获得固阳绿岩带上三合明BIF斜长角闪岩夹层年龄数据为(2 562±14) Ma[7]。另对区域内东五分子铁矿中斜长角闪岩锆石U-Pb定年,获得了(2 538±9) Ma(马旭东等,未刊资料)。捕掳BIF包体的赞岐岩体的年龄则为2 520 Ma[19]。综合上述年龄推测,固阳绿岩带典型BIF的形成时代大致为阴山地块新太古代岩浆作用的早期[13]。
本文获得高腰海BIF斜长角闪岩夹层年龄为(1 933±12) Ma,代表该时期经历了一次变质热液事件[20],同时对高腰海铁矿起到富集成矿作用。进而推断固阳绿岩带BIF成矿的多期性。
4.2 高腰海BIF型铁矿形成的构造环境MgO-CaO-TFe2O3原岩恢复图解(图 8)中,样品均落入正斜长角闪岩区,显示赋矿围岩原岩为火成岩。依据SiO2质量分数(48.80%),大致推测其原岩为基性火成岩。斜长角闪岩手标本和薄片中都未见辉长或辉绿结构,结合其顺层产状,推断原岩可能是玄武岩。在Zr/Ti-Nb/Y判别图解(图 9)中,高腰海斜长角闪岩原岩落入亚碱性玄武岩范围。
高腰海赋矿围岩——斜长角闪岩微量元素蛛网图和REE配分曲线(图 5),呈现出E-MORB(富化型洋脊玄武岩)和N-MORB(正常洋脊玄武岩)过渡型特征,推测其原岩很可能为T-MORB(过渡型洋脊玄武岩)。
Ti、Zr为不活泼元素,在w(Ti)-w(Zr)构造环境判别图解(图 10)中,高腰海斜长角闪岩分别落入MORB(洋中脊玄武岩)、岛弧拉斑玄武岩重叠区。
关于绿岩带形成的构造背景,前人[24]总结出岛弧、陆内裂谷等不同意见。陈亮[25]提出了固阳绿岩带BIF可能形成于岛弧叠加地幔柱模式。高腰海铁矿产出于固阳绿岩带,基于赋矿围岩——斜长角闪岩原岩岛弧构造背景,类比区域上同类型BIF成矿模式[7, 12-13],认为高腰海BIF型铁矿形成的构造环境为岛弧叠加地幔柱。
5 结论1) 赋矿围岩斜长角闪岩中的热液锆石定年结果为(1 933±12) Ma,可近似代表固阳绿岩带高腰海BIF铁矿经历的富矿事件,为古元古代。
2) 基于斜长角闪岩的微量元素地球化学特征,类比固阳绿岩带上同类型BIF铁矿的构造背景模式,推断高腰海BIF铁矿形成环境为岛弧叠加地幔柱。
致谢: 天津地质调查中心初航高级工程师对本次研究给予了悉心指导,河南地调院杜保峰工程师给予了有价值的建议,在此一并致谢!
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