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0 引言
辽宁鞍本地区位于华为克拉通北部，是我国最大的铁矿石基地。其中，弓长岭铁矿床是该地区的一个大型沉积变质型铁矿床，也是我国最重要的磁铁富矿之一。2007年，辽宁省冶金地质勘查局在弓长岭开展危机矿山接替资源找矿时，通过12个超过1 200 m的钻孔，在深部新探获了铁矿石资源量5 000万t，其中富铁矿石资源量达3 400万t，品位高达63%。弓长岭矿区磁铁石英岩的成因目前已经达成共识，为太古宙沉积变质型铁矿[1-4]，但关于磁铁富矿的成因却有3种不同的观点：1) 原始沉积时即为磁铁富矿[2, 5]；2) 磁铁石英岩经热液改造形成富矿，强调是混合岩化热液作用的产物[1, 6]或是区域变质阶段形成的变质水热液作用的结果[3]；3) 原始沉积的菱铁矿在变质过程中分解，释放出CO2形成含石墨的磁铁富矿[7-8]。
基于上述研究和近年来同位素测试技术的发展，特别是MC-ICP-MS测量方法[9]使本次研究得以实现。本项研究在矿床地质工作的基础上，开展了Fe同位素和主、微量元素系统研究，以期对弓长岭铁矿的成矿物质来源和铁矿富集机理做出合理解释。
1 矿床地质特征弓长岭铁矿床位于华北地台辽东台背斜的西部，横跨铁岭—靖宇隆起的西南部、太子河凹陷的西段以及营口—宽甸隆起的西北部。矿区内出露地层有太古宇鞍山群，古元古界辽河群，新元古界青白口系、震旦系，古生界寒武系、奥陶系及新生界第四系[3]。
区域内地质构造复杂，褶皱和断裂构造均较发育。鞍山群、辽河群构造层为一复背斜，北部被寒岭断裂切割。主要的褶皱有弓长岭背斜、三道岭—下马塘背斜。主要的断裂有寒岭断裂、偏岭断裂、汤河沿—南芬断裂、三道岭—陈家岭子断裂及东黄泥岗断裂[8]。按照断层走向与岩体走向的关系，可分为走向断层和横向断层两类。走向断层生成时代较早，控制了富铁矿的成矿；横向断层(寒岭断裂、偏岭断裂、F1—F10)成矿后形成，对矿体有破坏作用[2](图 1)。
弓长岭铁矿床可以分为一矿区、二矿区、三矿区和老岭—八盘岭矿区4个矿区。其中，二矿区位于弓长岭铁矿带西北段，其西北端被寒岭断裂所切，东南端以老岭断裂与老岭—八盘岭矿区相接，可分为西北区、中央区和东南区三部分[10]。
矿区地层主要为太古宇鞍山群茨沟组，呈大的残留体存在于大片混合花岗岩中，为一套变质火山沉积岩系组成(图 1)，由下而上为：1) 底部角闪岩层(Hb)：以斜长角闪岩、黑云角闪岩、绿泥角闪岩、石英角闪岩为主，有时夹石英绿泥角闪岩和薄层磁铁石英岩，厚20~385 m；2) 底部片岩(PSP)：以云母绿泥片岩、绿泥云母片岩、绿泥片岩、石英云母片岩、石英绿泥片岩为主，有时夹薄层的滑石片岩或磁铁石英岩，厚0~40 m；3) 下含铁带：由两层铁矿(Fe1、Fe2)及中部片岩(SPS)组成，厚0~88 m，局部因构造或原始沉积不连续有间断；4) 黑云变粒岩层(K)：主要由石英黑云(绿泥)斜长变粒岩组成，分布稳定，横贯全区，是划分上、下含铁层的标志层，层间偶夹铁矿(第三层铁矿Fe3)，厚70~90 m；5) 上含铁带：由3层铁矿(Fe4、Fe5、Fe6)和下角闪岩层(Am)组成，各含铁层均有磁铁富矿石，以第六层铁中的磁铁富矿规模最大，磁铁富矿附近发育有宽十几到几十米的蚀变岩，主要为绿泥石化、镁铁闪石化和石榴石化，主要矿物为镁铁闪石、铁铝榴石和绿泥石；6) 硅质岩层(S)：岩性变较大，由滑石片岩、白云母石英片岩、石英岩、白云母片岩和绿泥滑石片岩等组成，局部夹薄层铁矿及富铁矿层，厚25~200 m[11-12]。
弓长岭铁矿二矿区有贫铁矿石和富铁矿石两种。贫铁矿体主要赋存在上、下两个含铁带之中。上含铁带包括Fe4、Fe5和Fe6；下含铁带包括Fe1和Fe2，以及含铁带之间的黑云斜长变粒岩带中夹有Fe3；其中规模最大的矿层为Fe6，其次顺次为Fe2、Fe4、Fe1、Fe5、FeS、Fe3。全区共有138个富铁矿体，其中较大的有3个，主要分布在Fe6中，其次是在硅质层中[11]。
2 样品采集及实验方法概述本研究选取了弓长岭铁矿二矿区22勘探线的Zk608(1 229.04 m)和25勘探线的Zk610(深度1 403.60 m)钻孔中19个有代表性的样品(包括磁铁石英岩、磁铁富矿和蚀变岩)(图 1)，进行偏光显微镜鉴定以及全岩的Fe同位素和主微量元素分析。
样品在中国地质大学(北京)海洋学院实验室进行了破碎、磨碎、过筛工作，制成200目的粉末，然后送往测试机构进行测试。
Fe同位素组成的化学分离和测定在国土资源部同位素地质重点实验室的超净化学实验室和Nu Plasma HR型多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)上进行，具体实验测试方法见文献[13]中报道。采用样品-标样交叉法(sample-standard bracketing)来校正仪器的质量分馏，样品和标样的浓度差控制在10%以内。Fe同位素分析结果用相对于国际标准物质IRMM-014的千分偏差δxFe来表示，公式为:
式中，xFe为相对原子质量为x的Fe原子数。
蚀变岩样品送往核工业北京地质研究院分析测试研究所进行测试。其中，岩石化学分析用飞利浦PW2404X射线荧光光谱仪，遵循GB/T14506.28-93硅酸盐岩石化学方法X射线荧光光谱法进行测试；微量元素和稀土元素用HR-ICP-MS仪器，以DZ/T0233-2001电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)方法通则为依据进行测试。磁铁石英岩和磁铁富矿样品送往山东省地质科学实验研究院进行测试。其中，岩石化学分析运用IRIS Intrepid Ⅱ型全谱直读等离子体发射光谱仪进行分析；微量元素和稀土元素运用XSERIES2型等离子质谱仪、日立U-3310型双波长分光光度计及AFS-820型双道原子荧光光谱仪进行分析。
3 岩相学和地球化学特征 3.1 岩相学特征磁铁石英岩多呈条带状构造，细粒结构，主要由20%~40%的磁铁矿和60%~80%的石英组成。磁铁石英岩中金属矿物主要有磁铁矿，还有少量的赤铁矿、褐铁矿；非金属矿物以石英为主，还有少量的黑云母、阳起石、角闪石及碳酸盐矿物等。磁铁富矿呈黑色，致密块状，呈细粒或粗粒结构，主要由70%~90%的他形磁铁矿和10%~30%的半自形或他形的石英组成。磁铁富矿中主要金属矿物有磁铁矿，偶尔有赤铁矿；非金属矿物有石英、石榴石、镁铁闪石、绿泥石、方解石等；另外，还有极少量的石墨、黄铁矿、黄铜矿、菱铁矿等。蚀变岩矿物组成比较复杂，以绿泥石为主，还有石榴石化、镁铁闪石化等。矿物主要有镁铁闪石、铁铝榴石、绿泥石，也有磁铁矿、黑云母等。
3.2 主量元素特征研究区磁铁石英岩、磁铁富矿和蚀变岩的主量元素、微量元素和稀土元素测试数据见表 1。磁铁石英岩的TFe2O3质量分数为46.73%~56.43%，平均值为53.25%；SiO2质量分数为38.82%~47.18%，平均值为43.66%；Al2O3质量分数为0.22%~0.50%，平均值为0.30%；TiO2质量分数为0.00%~0.01%，平均值为0.004%。磁铁富矿的TFe2O3质量分数88.14%~100.06%，平均值为95.97%；SiO2质量分数为0.32%~11.39%，平均值为4.07%；Al2O3质量分数为0.17%~1.22%，平均值为0.48%；TiO2质量分数为0.00%~0.04%，平均值为0.009%。蚀变岩的TFe2O3质量分数为19.08%~52.67%，平均值为35.42%；SiO2质量分数为26.85%~60.14%，平均值为39.304%；Al2O3质量分数为7.15%~12.44%，平均值为10.70%；TiO2质量分数为0.55%~1.71%，平均值为1.07%。可见弓长岭铁矿的条带状磁铁石英岩和磁铁富矿主要由TFe2O3和SiO2组成，Al2O3和TiO2的质量分数很低，说明陆源碎屑物质加入很少。
| 编号 | 岩性 | SiO2 | TiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | FeO | MnO | MgO | CaO | Na2O | K2O | P2O5 | TFe2O3 | Sc | V | Cr | Co | Ni | Cu | Rb | Ba | Th | U | Nb | Ta | Sr | Zr | Hf | La | Ce | Pr | Nd | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Y | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | LREE | HREE | REE | δLa | δCe | δEu | δY | Y/Ho |
| 610(19) | 磁铁富矿 | 1.52 | 0.02 | 1.22 | 64.00 | 31.50 | 0.03 | 0.55 | 0.08 | 0.00 | 0.01 | 0.06 | 99.00 | 1.71 | 2.20 | 0.89 | 5.40 | 41.50 | 2 790.00 | 2.23 | 69.20 | 1.10 | 0.69 | 1.79 | 0.18 | 2.23 | 5.52 | 0.19 | 3.59 | 6.28 | 0.76 | 3.32 | 0.84 | 0.36 | 0.93 | 0.17 | 1.01 | 8.12 | 0.20 | 0.61 | 0.08 | 0.61 | 0.07 | 15.15 | 11.80 | 26.95 | 1.51 | -0.44 | 1.90 | 1.44 | 40.60 |
| 610(22) | 磁铁富矿 | 5.96 | 0.00 | 0.17 | 61.70 | 29.26 | 0.04 | 0.03 | 0.95 | 0.00 | 0.00 | 0.08 | 94.21 | 0.66 | 2.28 | 0.82 | 2.70 | 29.10 | 2 581.00 | 0.74 | 22.10 | 0.10 | 0.30 | 0.85 | 0.15 | 6.79 | 1.70 | 0.04 | 1.15 | 1.85 | 0.23 | 1.06 | 0.24 | 0.20 | 0.32 | 0.06 | 0.37 | 3.70 | 0.09 | 0.29 | 0.05 | 0.32 | 0.06 | 4.73 | 5.26 | 9.99 | 1.93 | -0.41 | 3.31 | 1.61 | 41.11 |
| 610(24) | 磁铁富矿 | 0.54 | 0.00 | 0.50 | 64.39 | 30.29 | 0.12 | 0.15 | 1.43 | 0.00 | 0.01 | 0.21 | 98.05 | 1.59 | 3.73 | 0.22 | 12.40 | 59.70 | 1 083.00 | 0.84 | 16.30 | 0.15 | 0.19 | 4.24 | 1.42 | 9.49 | 1.28 | 0.05 | 0.96 | 1.61 | 0.21 | 1.07 | 0.30 | 0.18 | 0.34 | 0.06 | 0.38 | 4.61 | 0.10 | 0.31 | 0.05 | 0.31 | 0.06 | 4.33 | 6.22 | 10.55 | 3.06 | -0.35 | 2.62 | 1.88 | 46.10 |
| 610(39) | 磁铁富矿 | 6.08 | 0.01 | 0.39 | 61.83 | 30.29 | 0.07 | 0.16 | 0.05 | 0.01 | 0.03 | 0.12 | 95.49 | 2.12 | 0.40 | 0.00 | 11.50 | 40.70 | 1 485.00 | 7.23 | 13.90 | 0.22 | 0.38 | 1.06 | 0.23 | 3.14 | 2.41 | 0.08 | 0.53 | 1.45 | 0.26 | 1.54 | 0.43 | 0.16 | 0.57 | 0.11 | 0.74 | 6.99 | 0.18 | 0.58 | 0.09 | 0.59 | 0.10 | 4.37 | 9.95 | 14.32 | -5.51 | -0.22 | 1.48 | 1.52 | 38.83 |
| 610(40) | 磁铁富矿 | 11.39 | 0.04 | 0.97 | 55.31 | 29.55 | 0.08 | 0.46 | 0.04 | 0.03 | 0.11 | 0.14 | 88.14 | 6.51 | 22.60 | 0.27 | 12.60 | 51.30 | 2 969.00 | 25.80 | 27.80 | 0.12 | 0.26 | 1.40 | 0.43 | 6.30 | 2.77 | 0.09 | 2.26 | 4.08 | 0.52 | 2.49 | 0.55 | 0.21 | 0.76 | 0.15 | 1.11 | 9.41 | 0.25 | 0.82 | 0.12 | 0.81 | 0.13 | 10.11 | 13.56 | 23.67 | 1.99 | -0.38 | 1.48 | 1.42 | 37.64 |
| 610(62) | 磁铁富矿 | 0.32 | 0.00 | 0.26 | 65.65 | 30.64 | 0.03 | 0.04 | 0.35 | 0.00 | 0.01 | 0.06 | 99.69 | 0.20 | 1.69 | 0.11 | 1.20 | 12.10 | 2 162.00 | 0.56 | 22.50 | 0.01 | 0.03 | 0.24 | 0.01 | 5.62 | 0.88 | 0.07 | 0.82 | 1.32 | 0.17 | 0.82 | 0.21 | 0.15 | 0.28 | 0.06 | 0.45 | 4.75 | 0.11 | 0.44 | 0.06 | 0.38 | 0.07 | 3.49 | 6.60 | 10.09 | 2.29 | -0.38 | 2.84 | 1.70 | 43.18 |
| 610(64) | 磁铁富矿 | 5.56 | 0.00 | 0.17 | 61.07 | 28.68 | 0.10 | 0.03 | 1.56 | 0.00 | 0.01 | 0.18 | 92.94 | 0.32 | 1.66 | 0.55 | 1.40 | 13.10 | 1 787.00 | 1.26 | 5.00 | 0.04 | 0.04 | 0.62 | 0.13 | 7.80 | 0.33 | 0.02 | 1.51 | 2.39 | 0.29 | 1.41 | 0.32 | 0.32 | 0.34 | 0.06 | 0.46 | 4.45 | 0.11 | 0.34 | 0.05 | 0.32 | 0.06 | 6.24 | 6.19 | 12.43 | 2.58 | -0.39 | 4.54 | 1.57 | 40.45 |
| 608(29) | 磁铁富矿 | 4.24 | 0.01 | 0.44 | 62.59 | 30.18 | 0.14 | 0.76 | 0.02 | 0.01 | 0.01 | 0.25 | 96.12 | 0.33 | 0.44 | 0.72 | 0.80 | 26.10 | 4 592.00 | 4.07 | 16.20 | 0.34 | 0.12 | 0.56 | 0.05 | 13.92 | 2.87 | 0.10 | 4.76 | 7.48 | 0.85 | 3.27 | 0.66 | 0.36 | 0.77 | 0.14 | 0.93 | 8.13 | 0.21 | 0.78 | 0.10 | 0.67 | 0.11 | 17.38 | 11.84 | 29.22 | 1.30 | -0.54 | 2.35 | 1.47 | 38.71 |
| 608(34) | 磁铁富矿 | 1.02 | 0.00 | 0.19 | 66.15 | 30.52 | 0.03 | 0.22 | 0.02 | 0.01 | 0.02 | 0.06 | 100.06 | 0.43 | 0.31 | 0.88 | 0.80 | 16.80 | 3 092.00 | 1.04 | 22.70 | 0.08 | 0.03 | 0.44 | 0.04 | 21.99 | 0.85 | 0.04 | 1.77 | 3.43 | 0.44 | 1.92 | 0.43 | 0.29 | 0.60 | 0.11 | 0.81 | 6.48 | 0.18 | 0.61 | 0.10 | 0.63 | 0.11 | 8.28 | 9.63 | 17.91 | 1.28 | -0.42 | 2.60 | 1.35 | 36.00 |
| 610(42) | 磁铁石英岩 | 38.82 | 0.01 | 0.24 | 33.76 | 20.40 | 0.08 | 2.13 | 2.18 | 0.02 | 0.01 | 0.14 | 56.43 | 0.15 | 0.82 | 0.33 | 0.40 | 19.50 | 4 170.00 | 1.20 | 7.80 | 0.06 | 0.05 | 0.55 | 0.17 | 5.30 | 0.23 | 0.02 | 1.37 | 2.45 | 0.29 | 1.29 | 0.31 | 0.17 | 0.40 | 0.07 | 0.49 | 4.14 | 0.12 | 0.37 | 0.06 | 0.36 | 0.06 | 5.88 | 6.07 | 11.95 | 1.60 | -0.44 | 2.22 | 1.36 | 34.50 |
| 610(43) | 磁铁石英岩 | 45.61 | 0.01 | 0.50 | 27.25 | 17.53 | 0.14 | 2.94 | 2.81 | 0.05 | 0.04 | 0.25 | 46.73 | 0.25 | 3.14 | 0.33 | 5.40 | 16.50 | 925.00 | 1.84 | 5.90 | 0.09 | 0.18 | 1.02 | 0.50 | 6.77 | 1.50 | 0.03 | 1.19 | 2.42 | 0.29 | 1.30 | 0.27 | 0.20 | 0.32 | 0.06 | 0.37 | 3.74 | 0.09 | 0.31 | 0.05 | 0.32 | 0.06 | 5.67 | 5.32 | 10.99 | 1.43 | -0.44 | 3.16 | 1.63 | 41.56 |
| 610(72) | 磁铁石英岩 | 47.18 | 0.00 | 0.23 | 34.24 | 16.61 | 0.01 | 0.03 | 0.54 | 0.00 | 0.01 | 0.02 | 52.70 | 0.50 | 2.56 | 0.11 | 12.00 | 35.20 | 2 395.00 | 1.25 | 8.60 | 0.35 | 1.54 | 1.40 | 0.06 | 4.44 | 1.25 | 0.05 | 0.47 | 1.00 | 0.14 | 0.71 | 0.23 | 0.10 | 0.33 | 0.07 | 0.42 | 3.27 | 0.09 | 0.27 | 0.04 | 0.23 | 0.04 | 2.65 | 4.76 | 7.41 | 2.17 | -0.33 | 1.65 | 1.34 | 36.33 |
| 610(73) | 磁铁石英岩 | 44.52 | 0.00 | 0.31 | 35.28 | 17.01 | 0.02 | 0.03 | 1.36 | 0.00 | 0.01 | 0.03 | 54.18 | 0.73 | 1.42 | 0.49 | 7.50 | 39.50 | 1 354.00 | 0.66 | 4.50 | 0.06 | 0.22 | 8.12 | 5.67 | 4.64 | 3.96 | 0.08 | 1.18 | 2.48 | 0.36 | 1.79 | 0.46 | 0.33 | 0.55 | 0.10 | 0.65 | 5.48 | 0.15 | 0.47 | 0.07 | 0.54 | 0.01 | 6.60 | 8.02 | 14.62 | 1.85 | -0.32 | 3.04 | 1.40 | 36.53 |
| 610(77) | 磁铁石英岩 | 42.17 | 0.00 | 0.22 | 35.36 | 18.77 | 0.02 | 0.06 | 0.78 | 0.00 | 0.02 | 0.04 | 56.22 | 1.44 | 1.57 | 0.77 | 11.60 | 24.30 | 1 489.00 | 1.97 | 4.40 | 0.12 | 0.20 | 0.89 | 0.31 | 9.76 | 1.05 | 0.05 | 1.06 | 1.93 | 0.27 | 1.50 | 0.47 | 0.20 | 0.55 | 0.10 | 0.66 | 8.30 | 0.18 | 0.66 | 0.11 | 0.84 | 0.17 | 5.43 | 11.57 | 17.00 | 8.57 | -0.30 | 1.83 | 1.91 | 46.11 |
| 610(17) | 蚀变岩 | 32.57 | 0.86 | 12.44 | 7.26 | 23.20 | 0.17 | 13.52 | 0.26 | 0.07 | 0.25 | 0.07 | 33.04 | 17.10 | 65.90 | 867.00 | 36.00 | 297.00 | 1 872.00 | 55.30 | 33.40 | 508.00 | 396.00 | 44.70 | 19.80 | 11.20 | 1 235.00 | 40.00 | 623.00 | 1 087.00 | 114.00 | 427.00 | 82.50 | 4.27 | 67.30 | 9.91 | 49.90 | 231.00 | 7.82 | 23.60 | 3.71 | 23.50 | 3.47 | 2 337.77 | 420.21 | 2 757.98 | 1.20 | -0.60 | 0.27 | 0.92 | 29.54 |
| 610(18) | 蚀变岩 | 60.14 | 0.55 | 7.15 | 2.12 | 17.10 | 0.15 | 6.95 | 0.28 | 0.09 | 0.87 | 0.02 | 21.12 | 14.50 | 95.00 | 66.20 | 24.60 | 74.90 | 3 424.00 | 98.40 | 80.60 | 18.60 | 20.20 | 6.32 | 0.74 | 3.63 | 189.00 | 4.70 | 51.60 | 74.90 | 7.67 | 28.00 | 5.40 | 0.61 | 5.78 | 1.10 | 6.11 | 34.70 | 1.04 | 2.93 | 0.44 | 2.85 | 0.44 | 168.18 | 55.39 | 223.57 | 1.42 | -0.63 | 0.51 | 1.09 | 33.37 |
| 610(31) | 蚀变岩 | 26.85 | 1.71 | 11.01 | 11.34 | 37.20 | 0.32 | 5.77 | 0.53 | 0.04 | 0.05 | 0.03 | 52.67 | 39.60 | 477.00 | 151.00 | 54.70 | 200.00 | 4 961.00 | 16.20 | 3.44 | 0.64 | 0.67 | 4.02 | 0.30 | 2.00 | 68.60 | 1.86 | 1.59 | 3.57 | 0.52 | 2.96 | 1.34 | 0.78 | 1.16 | 0.25 | 1.63 | 9.42 | 0.34 | 1.05 | 0.17 | 1.08 | 0.16 | 10.76 | 15.26 | 26.02 | 12.25 | -0.28 | 2.93 | 1.01 | 27.54 |
| 610(32) | 蚀变岩 | 29.18 | 1.54 | 10.88 | 10.08 | 37.00 | 0.31 | 5.23 | 0.54 | 0.05 | 0.49 | 0.02 | 51.19 | 58.10 | 440.00 | 128.00 | 50.90 | 190.00 | 4 186.00 | 63.30 | 51.30 | 0.69 | 0.43 | 6.01 | 0.90 | 2.17 | 56.70 | 1.73 | 3.30 | 8.11 | 1.24 | 6.54 | 2.08 | 0.85 | 1.93 | 0.47 | 3.49 | 21.10 | 0.81 | 2.72 | 0.46 | 3.15 | 0.50 | 22.12 | 34.63 | 56.75 | 2.44 | -0.29 | 1.99 | 1.00 | 26.15 |
| 610(74) | 蚀变岩 | 47.78 | 0.71 | 12.02 | 6.14 | 11.65 | 0.26 | 10.21 | 3.52 | 0.87 | 1.82 | 0.06 | 19.08 | 42.30 | 255.00 | 114.00 | 57.90 | 101.00 | 2 610.00 | 300.00 | 174.00 | 0.21 | 0.08 | 1.56 | 0.11 | 47.00 | 3.83 | 0.27 | 2.56 | 5.93 | 0.83 | 4.77 | 1.62 | 0.73 | 2.02 | 0.45 | 2.95 | 17.60 | 0.59 | 1.81 | 0.29 | 1.77 | 0.27 | 16.44 | 27.75 | 44.19 | 53.32 | -0.29 | 1.87 | 1.06 | 29.78 |
| 注：主量元素质量分数单位为%；微量元素质量分数单位为10-6。w(TFe2O3)=w(Fe2O3)+80w(FeO)/72。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
磁铁富矿、磁铁石英岩和蚀变岩的微量元素原始地幔标准化曲线向右微倾，其中磁铁富矿和磁铁石英岩的微量元素特征非常相似(图 2a)。磁铁富矿大离子亲石元素Rb富集，Ba、Sr亏损；高场强元素U、Nb、La、Sm、Ce、Y、Yb富集，其中U、Sm强烈富集，Hf亏损；其富集和亏损程度分别为：Zr*值为0.01~0.30，平均值为0.11；Th*值为0.52~3.71，平均值为1.33；Sr*值为0.22~0.39，平均值为0.29；Nb*值为0.69~10.70，平均值为3.55；Ti*值为0.01~0.03，平均值为0.01；P*值为1.72~22.10，平均值为8.50。
磁铁石英岩大离子亲石元素Rb富集，Ba、Sr亏损；高场强元素U、Nb、Sm、Ce、Y、Yb富集，其中U、Sm强烈富集；其富集和亏损程度分别为：Zr*值为0.01~0.22，平均值为0.07；Th*值为0.06~6.59，平均值为1.53；Sr*值为0.04~0.62，平均值为0.30；Nb*值为0.22~7.42，平均值为1.50；Ti*值为0.01~0.07，平均值为0.02；P*值为1.69~20.07，平均值为8.45。
蚀变岩大离子亲石元素Rb富集，Ba、Sr亏损；高场强元素U、La、Ce、Y、Sm、Hf富集，Nb亏损，其中U、Sm强烈富集；其富集和亏损程度分别为：Zr*值为0.11~2.88，平均值为0.80；Th*值为0.01~2.38，平均值为0.77；Sr*值为0.01~0.65，平均值为0.14；Nb*值为0.07~2.84，平均值为0.80；Ti*值为0.02~1.65，平均值为0.61；P*值为0.02~1.15，平均值为0.34。
3.4 稀土元素特征磁铁富矿、磁铁石英岩和蚀变岩的稀土元素分析结果见表 1，经过PAAS标准化后的稀土元素配分曲线如图 2b所示[15]。
磁铁富矿稀土元素配分曲线呈左倾特征，轻稀土元素相对亏损，重稀土元素相对富集(La/Yb=0.08~0.67)；稀土元素总质量分数较低(w(ΣREE)=(9.99~29.22)×10-6，平均值为17.24×10-6)；呈现La正异常(δLa=1.28~3.06，除了-5.51(610(39))，强烈Eu正异常(δEu=1.48~4.54)，Y正异常(δY=1.35~1.88)，Y/Ho=36.00~46.10。磁铁石英岩稀土元素配分曲线呈左倾特征，轻稀土元素相对亏损，重稀土元素相对富集(La/Yb=0.12~0.36)；稀土元素总质量分数较低(w(ΣREE)=(7.41~17.00)×10-6，平均值为12.39×10-6)；呈现La正异常(δLa=1.43~8.57)，强烈Eu正异常(δEu=1.65~3.16)，Y正异常(δY=1.34~1.91)，Y/Ho=34.50~46.11。这与太古宙的BIF的稀土元素特征一致[16]。蚀变岩稀土元素配分曲线呈轻微右倾特征，轻稀土元素相对富集，重稀土元素相对亏损(La/Yb=0.10~2.50)；稀土元素总质量分数相对较高(w(ΣREE)=(26.02~2 757.98)×10-6，平均值为621.70×10-6)；呈现La正异常(δLa=1.20~ 53.32)，正负Eu异常(δEu=0.27~2.93)，Y异常不明显(δY=0.92~1.09)，Y/Ho=26.15~33.37。
3.5 Fe同位素对研究区内的5个磁铁石英岩、9个磁铁富矿和5个蚀变岩的全岩样品进行了Fe同位素分析测试，结果见表 2和图 3。
| 样品号 | 样品描述 | δ57Fe/‰ | δ56Fe/‰ |
| 610(17) | 蚀变岩 | 0.35 | 0.23 |
| 610(18) | 蚀变岩 | -0.21 | -0.18 |
| 610(19) | 磁铁富矿 | 0.63 | 0.40 |
| 610(22) | 磁铁富矿 | 0.95 | 0.61 |
| 610(24) | 磁铁富矿 | 0.17 | 0.11 |
| 610(31) | 蚀变岩 | -0.61 | -0.41 |
| 610(32) | 蚀变岩 | -0.37 | -0.28 |
| 610(39) | 磁铁富矿 | -0.06 | -0.04 |
| 610(40) | 磁铁富矿 | -0.72 | -0.51 |
| 610(42) | 磁铁石英岩 | 0.70 | 0.49 |
| 610(43) | 磁铁石英岩 | 0.43 | 0.29 |
| 610(62) | 磁铁富矿 | 0.58 | 0.40 |
| 610(64) | 磁铁富矿 | 0.43 | 0.28 |
| 610(72) | 磁铁石英岩 | 0.55 | 0.37 |
| 610(73) | 磁铁石英岩 | 0.59 | 0.39 |
| 610(74) | 蚀变岩 | -0.09 | -0.04 |
| 610(77) | 磁铁石英岩 | 0.55 | 0.31 |
| 608(29) | 磁铁富矿 | 0.18 | 0.14 |
| 608(34) | 磁铁富矿 | 0.44 | 0.32 |
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| 图 3 磁铁富矿、磁铁石英岩及蚀变岩的Fe同位素组成 Figure 3 Fe isotope composition of magnetite-rich ores, magnetite quartzites and altered rocks |
|
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磁铁石英岩全岩样品富集铁的重同位素且具有较小的变化范围，δ57Fe的变化范围为0.43‰~0.70‰，平均值为0.56‰。根据李志红等[17]的研究表明，鞍本地区的磁铁矿与全岩的Fe同位素组成在误差范围内一致，这与磁铁矿是磁铁石英岩中铁的主要载体的事实相符。其中610(42) 和610(43) 样品取样位置相邻，但δ57Fe值却相差了0.27‰，说明在1 m级别上变质作用并没有使Fe同位素充分均一化。磁铁富矿全岩样品富集铁的重同位素且具有较大的变化范围，δ57Fe的变化范围为-0.72‰~0.95%，平均值为0.29‰，比磁铁石英岩的Fe同位素变化范围大。蚀变岩全岩样品Fe同位素变化范围较大，δ57Fe的变化范围为-0.61‰~0.35‰，平均值为-0.19‰。
4 讨论 4.1 成矿物质来源研究区磁铁石英岩的SiO2和TFe2O3质量分数非常高，Al2O3、Na2O和K2O质量分数很低，说明磁铁石英岩中陆源物质很少，为较纯粹的化学沉积。在用来区分热液成因和水成沉积的w(Co+Cu+Ni)-w(∑REE)图解(图 4) 上，磁铁石英岩和磁铁富矿落在热液成因区域的边缘，说明弓长岭铁矿的成矿元素Fe主要来自海底热液活动，处于洋中脊或弧后拉张盆地等构造环境中。
现代海水稀土元素特征为LREE相对亏损而MREE、HREE相对富集，La和Y的正异常以及Ce的负异常。而太古宙海水中氧气含量比现代海水的低，影响了稀土元素和Mn(Fe)的氧化还原循环，造成了太古宙海水重稀土元素富集程度降低，Ce负异常也不太明显[19]。磁铁石英岩的HREE相对于LREE富集，没有明显的Ce异常，这与太古宙海洋沉积环境的REE特征相符。
造成Eu的正异常原因可能是热液来源[20]或是有陆源碎屑的加入[21]。但磁铁石英岩中的Al2O3质量分数非常低，排除了陆源碎屑的原因，说明磁铁石英岩为热液来源。Bau等[20]认为Eu的异常可能反映了高温热液(＞350 ℃)和低温热液(＜250 ℃)的混合比例，高温热液比例越大，Eu的正异常越明显。
在Sm/Yb-Eu/Sm图解(图 5) 中可以看出，弓长岭矿区的磁铁石英岩数据落在0.1%附近，说明弓长岭矿区BIF中热液流体所占比率为0.1%左右。
热液流体的Y/Ho值是球粒陨石型的(26~28)，而海水的Y/Ho值比球粒陨石高得多(44~74)，说明在流体-岩石反应中没有发生Y和Ho的分馏[25]。Bau等[23]认为，当热液喷发后，高温流体(酸性、还原性、富Fe)与邻近海水(冷、碱性、氧化性、贫Fe)混合，快速形成了Fe的硫化物和氧化物，致使Y与Ho强烈分离。磁铁石英岩的Y/Ho值都较高(34.50~46.11，平均值为39.00)，介于热液流体和海水的Y/Ho值之间，也说明弓长岭铁矿中REE来源于喷出的海底热液与海水的混合。
4.2 成矿模式讨论磁铁石英岩的Fe同位素特征由主要含铁矿物磁铁矿决定，磁铁矿可通过生物和非生物过程氧化形成，包括直接有氧氧化、细菌的光合作用或化能自养氧化和光照氧化CanKaoWenXian_27。海水中铁的氧化过程经历了多个步骤：首先，海洋中二价铁溶液(Feaq2+)氧化为三价铁溶液(Feaq3+)；然后，三价铁溶液以铁的氢氧化物(Fe-OH)和氧化物(Fe2O3)的形式沉淀。反应式为
式中：Feaq2+氧化为Feaq3+过程会发生Fe同位素的分馏，Δ57FeFeaq3+-Feaq2+=4.1‰(22 ℃)[28]；当三价铁溶液快速沉淀为铁的氢氧化物，会发生明显的动力分馏，铁的氢氧化物富集轻的Fe同位素，Δ57FeFe-OH-Feaq3+=-3‰~-2‰[29]。通常，从二价铁溶液到最终赤铁矿沉淀，Fe同位素分馏为1.4‰~2.4‰，即Δ57Fehem-Feaq2+=1.4‰~2.4‰[30]。无论是生物或是非生物参与的氧化过程均可产生大小相似的Fe同位素分馏[17]。
前人[10]对现代海底热液的Fe同位素研究表明：洋中脊喷发的高温热液富集Fe的轻同位素，δ57Fe变化范围为-1.00‰~-0.06‰，平均值为-0.39‰。本区磁铁石英岩的δ57Fe范围为0.43‰~0.70‰，平均值为0.56‰。若太古宙洋中脊喷发的热液与现代热液有相似的Fe同位素组成(δ57Fe平均值为-0.45‰)，二价铁溶液经过氧化、沉淀等过程形成的三价铁沉淀物相对富集重的Fe同位素(Δ57Fehem-Feaq2+=1.4‰~2.4‰)。因此，弓长岭铁矿磁铁石英岩可能为类似洋中脊喷发的热液中二价铁经过氧化、沉淀的结果。
4.3 磁铁富矿成因问题根据野外勘查，结合矿区地质平面图和钻孔柱状图，可以看出，弓长岭二矿区磁铁富矿都发育在磁铁石英岩的矿层中，并且磁铁富矿矿体的规模由磁铁石英岩的规模决定，弓长岭二矿区最厚的矿层Fe6中便赋存有大规模的磁铁富矿矿体。野外多见磁铁富矿矿体中磁铁石英岩交代残余现象，说明磁铁富矿和磁铁石英岩有一定的成因联系[31]。磁铁富矿附近发育有蚀变岩，主要为绿泥石化、镁铁闪石化和石榴石化。蚀变岩呈似层状产出于富矿体的顶底板、内部或穿插交代磁铁石英岩，与磁铁富矿的界线比较明显，在磁铁石英岩和蚀变岩接触带形成的磁铁富矿与蚀变岩产状一致[32-33]。以上现象说明，磁铁富矿的形成时代晚于磁铁石英岩，可能是和蚀变岩同时形成的。
磁铁石英岩和磁铁富矿的主量元素特征相似，SiO2、Fe2O3和FeO的总质量分数都比较高，Al2O3、Na2O和K2O的质量分数都比较低，但磁铁富矿的TFe2O3值更大。
磁铁石英岩和磁铁富矿的微量元素特征十分相似，蚀变岩的微量元素质量分数要高些。磁铁石英岩和磁铁富矿的稀土特征也较一致。二者w(∑REE)都比较低(分别为(7.41~17.00)×10-6，平均值为12.39×10-6；(9.99~29.22)×10-6，平均值为17.24×10-6))，LREE相对亏损、HREE相对富集，呈现Eu的正异常，Ce异常不明显，Y/Ho值相近，说明磁铁石英岩和磁铁富矿的REE的来源相似。但磁铁富矿稀土质量分数总体比磁铁石英岩高，Eu质量分数也较高，表明磁铁富矿有更明显的热液特征。这可能是由于后期热液交代改造磁铁石英岩后，由热液去硅作用形成了较富的铁矿石，磁铁富矿基本继承了磁铁石英岩的微量元素地球化学特征，而在磁铁富矿和磁铁石英岩之间的形成了蚀变岩，其可能保存了热液的微量元素质量分数高特征。
从表 2和图 3可以看出：磁铁石英岩富集Fe的重同位素，Fe同位素组成变化范围较小，δ57Fe=0.43‰~0.70‰，平均值为0.56‰；磁铁富矿富集Fe的重同位素，Fe同位素变化范围较大，δ57Fe=-0.72‰~0.95%，平均值为0.29‰。与磁铁石英岩相比，磁铁富矿更富集Fe的轻同位素，且变化范围也较大。蚀变岩富集Fe的轻同位素，δ57Fe=-0.61‰~0.35‰，平均值为-0.19‰；蚀变岩常与磁铁富矿伴生，且它们的Fe同位素最低值相近。这可能是由于富集Fe的轻同位素的后期热液加入，对磁铁石英岩进行改造，经历了去硅富铁作用而形成磁铁富矿，而这种富集Fe的轻同位素特征在同期形成的蚀变岩中也被保存下来。
5 结论1) 磁铁石英岩主要由TFe2O3和SiO2组成，Al2O3和TiO2质量分数较低；微量元素和稀土元素质量分数均较低；经PAAS标准化的稀土配分模式呈现出轻稀土元素亏损和重稀土元素富集，La、Eu和Y的正异常明显，Ce的异常不明显，Y/Ho值较高。这些特征说明弓长岭铁矿的磁铁石英岩是陆源物质加入很少的古海洋化学沉积岩，为喷出的海底热液与海水的混合(热液所占比率为0.1%左右)条件下氧化形成的。
2) 磁铁石英岩富集Fe的重同位素，应为洋中脊喷发热液中二价铁经过氧化和沉淀形成的富集重Fe同位素的三价铁氧化物或氢氧化物的结果，与结论1) 相符。
3) 磁铁富矿常发育在磁铁石英岩中，且与蚀变岩关系密切；磁铁富矿与磁铁石英岩的主量元素、微量元素和稀土元素有很好的一致性和继承性；磁铁富矿较磁铁石英岩的Fe同位素更轻，范围更大，与蚀变岩的Fe同位素组成相近。推测为富Fe的轻同位素的热液对磁铁石英岩进行改造，经过去硅富铁作用，形成了磁铁富矿和蚀变围岩。但这种热液的性质尚不能判断，需进一步研究。
致谢: 野外工作中，辽宁省冶金地质勘查局任群智总工程师和洪学宽高级工程师给予了大力支持，Fe同位素实验测试工作中，中国地质科学院地质研究所朱祥坤研究员和李志红副研究员给予了大力帮助，在此一并表示感谢！| [1] |
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