2012, Vol. 28
2. 中国地质科学院矿产资源研究所，国土资源部成矿作用和资源评价重点实验室，北京 100037;
3. 国家地质实验测试中心，北京 100037
, LI YanHe2, YUAN ShunDa2, HU MingYue3, ZHAO LingHao3, CHEN XiaoDan1, ZHANG Cheng1, LIU JiaLin1
2. MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
3. National Research Center for Geoanalysis, Beijing 100037, China
宁芜矿集区是长江中下游多金属成矿带中最重要的铁矿床产区之一(常印佛等，1991；翟裕生等，1992；Pan and Dong, 1999；Mao et al., 2006, 2008, 2011)，宁芜研究项目编写小组(1978)根据宁芜矿集区中铁矿床地质地球化学特征的研究和总结，提出了著名的玢岩铁矿模型，对铁矿床的研究和勘探具有极其重要的科研和生产指导价值。玢岩铁矿模型提出后，仅宁芜、庐枞两个主要的铁矿矿集区的铁矿储量就几乎翻了一番(高道明和赵云佳，2008)，而近期泥河大型玢岩铁矿床的发现(吴明安等，2011)则更突显出玢岩铁矿模型的重要意义。目前对玢岩型铁矿床物质来源及成因机制的研究较多，但观点并不统一(吴利仁，1978；张荣华，1980；宋学信等，1981；中国科学院地球化学研究所，1987；卢冰等，1990；袁家铮等，1997；Hou et al., 2011)，铁质来源于岩浆演化晚期的富铁流体还是热液淋滤交代已固结辉石闪长玢岩仍存在争议。因此，对玢岩型铁矿床成因演化的进一步研究及对玢岩铁矿模型的丰富和完善具有重要的科研和生产价值。
随着地质科学研究的发展，矿物的微量元素特征越来越多的应用于成矿流体、成矿物理化学条件及成矿物质富集过程的研究中。激光剥蚀电感耦合等离子质谱(LA-ICP-MS)测试技术起源于20世纪80年代(Gray，1985)，相对于传统的溶液化学分析、X衍射荧光分析和电子探针分析等方法，LA-ICP-MS测试技术以其较强的空间分辨率、抗干扰能力，较低的检出限等优势受到科研工作者越来越多的关注(Cook et al., 2009；Koglin et al., 2010；Nadoll and Koening, 2011；胡明月等，2008；邱检生等，2009；贾泽荣等，2009；周涛发等，2010；张乐骏等，2011；袁继海等，2011)。磁铁矿作为一种铁矿床中最主要的矿石矿物及常见的副矿物，形成于许多地质环境中，其变化的地球化学成分特征是一个重要的矿物成因指示剂(陈光远等，1987；徐国风和邵洁涟，1979；林师整，1982；Dupuis and Beaudoin, 2011；Singoyi et al., 2006)。常用的电子探针(EMPA)测试方法只可对磁铁矿多数主量元素和很少量微量元素含量进行测试，而LA-ICP-MS的测试方法则为深入精确的矿物学、矿床学、地球化学等研究提供了一个非常重要的研究通道(Nadoll and Koening, 2011)。尽管磁铁矿的微区微量元素研究现在仍处在起步和尝试阶段，但已获得了一些重要的科研成果(Carrew, 2004; Singoyi et al., 2006; Rusk et al., 2009；Nadoll，2009)，为铁矿成矿作用的研究提供了一个可深入性的阶梯。目前，我国的这项研究亦尚在尝试和起步阶段。
凹山铁矿床位于宁芜矿集区的中部，是玢岩型铁矿的典型代表之一，成矿过程具有多阶段的特征，其矿石类型涵盖了凹山矿田中其他矿床的特征。本文在详细的野外调查研究和室内鉴定工作的基础上，选择凹山铁矿床各成矿阶段的磁铁矿为主要研究对象，采用电子探针和LA-ICP-MS微量元素原位分析测试方法，对磁铁矿的成分组成特征进行分析研究，探讨了磁铁矿在成矿过程中成分特征的演化，反演了凹山铁矿床的成矿作用过程，同时为LA-ICP-MS测试方法在磁铁矿及矿床成因研究中的应用进行了尝试和探索性研究。
2 矿集区及矿床地质特征宁芜矿集区位于长江东侧，以方山-小丹阳断裂、长江断裂带、芜湖断裂和南京-湖熟断裂为边界断裂，从南京至芜湖呈NE-SW向展布，长约60km，宽约20km，总面积1200km2，以中生代火山岩-次火山岩和铁矿床的广泛发育为特征(图 1)。矿集区内基底地层主要有三叠纪青龙群(T1q)海相碳酸盐建造、周冲村组(T2z)白云质灰岩和膏岩层、黄马青组(T2h)砂页岩；侏罗纪象山群(J1-2x)陆相碎屑岩建造、西横山组(J3x)类磨拉石建造；白垩纪早期相继发育龙王山组、大王山组、姑山组和娘娘山组四个火山喷发喷溢旋回，此后浦口组(K2p)砂岩、砾岩，赤山组(K2c)细砂岩、粉砂岩以及第三纪砂砾岩覆盖于火山岩之上(宁芜研究项目编写小组，1978；中国科学院地球化学研究所，1987)。玢岩型铁矿床与大王山火山喷发喷溢旋回后期发育的辉石闪长玢岩有密切的成因关系(宁芜研究项目编写小组，1978；常印佛等，1991；翟裕生等，1992；王元龙等，2001；侯可军和袁顺达，2010；Zhou et al., 2011；范裕等，2010；袁顺达等，2010；段超等，2011)。铁矿床在宁芜矿集区广泛发育，可分为三个矿田，从北至南依次是：梅山矿田、凹山矿田和钟姑矿田。
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图 1 宁芜矿集区矿产地质图(据宁芜研究项目编写小组，1978) Fig. 1 Geological map with the distribution of deposits of Ningwu ore district(after Ningwu Research Group, 1978) |
凹山铁矿床是一个大型铁矿床，位于矿集区中部，主要赋存于凹山辉石闪长玢岩岩体隆起部位与大王山组火山岩接触带附近的辉石闪长玢岩岩体之中(图 2)，受岩体冷凝收缩时产生的原生节理中的层节理和“隐爆角砾岩筒”控制(向缉熙，1959；常印佛等，1991)，矿区内发育的侵入岩主要有辉石闪长玢岩和花岗闪长斑岩，前者为凹山铁矿床的赋矿岩石，后者在成矿期后侵入破坏矿体。区内围岩蚀变强烈，沿垂直方向，自上而下大致可分三个蚀变带：上部浅色蚀变带：蚀变矿物组合主要为高岭石、绢云母、石英、少量叶蜡石、明矾石，主要分布于大王山组火山岩和辉石闪长玢岩岩体上部；中部深色蚀变带：蚀变矿物组合主要为钠长石、阳起石、磁铁矿、磷灰石，其次为绿泥石、绿帘石、石英及少量高岭土、绢云母、碳酸盐，磁铁矿工业矿体主要产于此蚀变带之中；下部浅色蚀变：蚀变矿物大部分为钠长石，其次为少量绿泥石、黄铁矿、碳酸盐、石英。
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图 2 凹山铁矿床剖面图(据宁芜研究项目编写小组，1978) Fig. 2 Section of the Washan iron deposit with mineralization in Ningwu basin (after Ningwu Research Group, 1978) |
矿床中共发育有60多个铁矿体，其中Ⅰ号矿体规模最大，占矿床总储量的95%以上。Ⅰ号矿体呈囊状，走向45°，倾向NW，倾角40°~65°，矿体长轴长820m，短轴长520m。矿石矿物种类较为单一，主要为磁铁矿，根据结构构造和产出位置可将矿石分为四个阶段并对应四种类型：浸染状磁铁矿矿石(图 3a)、角砾状磁铁矿矿石(图 3b)、粗粒脉状磁铁矿矿石和伟晶状磁铁矿矿石(图 3c，d，f)。其中，浸染状磁铁矿矿石分布于矿体的下部，磁铁矿呈浸染状发育于辉石闪长玢岩中；角砾状矿石分布于矿体的中下部，磁铁矿胶结辉石闪长玢岩或含浸染状磁铁矿化辉石闪长玢岩，角砾多发育绿泥石化、阳起石化和钠长石化；粗粒脉状磁铁矿矿石分布于矿体的中部，矿物组合主要为阳起石-磁铁矿，阳起石呈纤维状集合体，磁铁矿呈中-粗粒自形发育，磷灰石含量较少，脉体围岩多发育钠长石化；伟晶状磁铁矿矿石分布于矿体的上部，矿物组合主要为磷灰石-磁铁矿-阳起石，磷灰石与磁铁矿含量多达70%~90%，呈伟晶状，自形-半自形发育，阳起石含量较少。不同种类的矿石间的穿切关系明显，浸染状矿石形成较早(图 3a)，角砾状矿石中磁铁矿胶结浸染状磁铁矿化辉石闪长玢岩和辉石闪长玢岩(图 3b)，粗粒磁铁矿脉穿切角砾状矿石及浸染状矿石(图 3c)，晚期发育的伟晶状阳起石-磁铁矿-磷灰石矿石穿切以上三种矿石(图 3d，f)。磁铁矿的矿化从早到晚依次为浸染状磁铁矿石-角砾状磁铁矿石-粗粒脉状磁铁矿石-伟晶状磁铁矿石。在近地表氧化带中，磁铁矿多被氧化为赤铁矿。后期发育有黄铁矿、赤铁矿、菱铁矿、镜铁矿、石英脉、方解石脉等(图 3e，g)。成矿过程具有多阶段的特征。
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图 3 凹山铁矿床矿石类型照片 Fig. 3 Photos of ores from Washan iron deposit |
在详细的野外地质调查工作的基础上，我们采集了能够代表成矿作用过程的各阶段矿石作为测试对象，分别为：浸染状磁铁矿矿石(WS-8，WS-16，WS-61)、角砾状磁铁矿矿石(WS-7-1，WS-7-2，WS-9-1)、粗粒脉状磁铁矿矿石(WS-18，WS-23，WS-44)和伟晶状磁铁矿矿石(WS-2，WS-45，WS-46)(图 4)。其中，浸染状矿石中磁铁矿呈细粒浸染状发育于辉石闪长玢岩中，磁铁矿含量约15%，他形发育，阳起石化、绿泥石化发育，此类矿石样品WS-8和WS-16采自矿区-187m台阶，WS-61采自矿区南邦-90m台阶西部；角砾状矿石中致密细粒磁铁矿胶结辉石闪长玢岩或含浸染状磁铁矿化辉石闪长玢岩角砾发育，角砾含量50%~70%，大小不一，大者几百厘米、小者几毫米，角砾中阳起石化、绿泥石化发育，少量角砾碱性长石化发育强烈，此类矿石样品WS-7-1、WS-7-2和WS-9-1采自-187m台阶北部；粗粒脉状磁铁矿石主要为磁铁矿、阳起石，磁铁矿含量20%~50%，磷灰石含量较少(＜5%)，此类矿石样品WS-18和WS-23采自-187m台阶4~6线中部，WS-44采自矿区西邦-165m台阶；伟晶状磁铁矿矿石具有典型的阳起石-磁铁矿-磷灰石“三组合”特征，矿物晶体巨大，磁铁矿含量30%，呈它形-半自形，磷灰石含量40%，晶洞发育，此类矿石样品WS-2、WS-45和WS-46采自矿区西邦-165m台阶3~5线。
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图 4 磁铁矿样品显微镜下照片 (a)-伟晶状磁铁矿石反光镜下照片；(b)-伟晶状磁铁矿石透射光镜下照片；(c)-粗粒脉状磁铁矿石反光镜下照片；(d)-粗粒脉状磁铁矿石透射光镜下照片；(e)-角砾状磁铁矿石反光镜下照片；(f)-角砾状磁铁矿石透射光镜下照片；(g)-浸染状磁铁矿石反光镜下照片；(h)-浸染状磁铁矿石透射光镜下照片.Mt-磁铁矿；Ap-磷灰石；Act-阳起石；Pl-斜长石 Fig. 4 Photomicrograph of magnetite from different stages |
将采集的样品制成光薄片，在显微镜下鉴定后，分别进行电子探针和激光剥蚀等离子质谱测试分析。
电子探针成分分析工作在中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室完成，测试仪器为JEOL-JXA-8230，工作条件为：加速电压：15kV；电流：20nA；束斑直径：5μm。
激光剥蚀等离子质谱实验在国家地质实验测试中心完成。使用仪器为Thermo Element II等离子质谱仪，激光剥蚀系统为New Wave UP-213。实验采用He作为剥蚀物质的载气，激光波长213nm、束斑40μm、脉冲频率10Hz、能量0.176mJ、密度23~25J/cm2，测试过程中首先遮挡激光束进行空白背景采集15s，然后进行样品连续剥蚀采集45s，停止剥蚀后继续吹扫15s清洗进样系统，单点测试分析时间75s。等离子质谱测试参数为冷却气流速(Ar)15.55L/min；辅助气流速(Ar)0.67L/min；载气流速(He)0.58L/min；样品气流速0.819L/min，射频发生器功率1205W。测试数据采用内标和外标相结合的方法，内标选择为铁元素，外标使用NIST-612。
4.2 测试结果从电子探针分析测试结果(表 1)可知，凹山铁矿床中四个成矿阶段中磁铁矿富含Ti、Al、Mn、Mg、V，随着成矿过程的演化，从浸染状矿石-角砾状矿石-粗粒脉状矿石-伟晶状矿石磁铁矿中TiO2的含量未见明显的变化，各类样品平均含量集中于3.9%~2.5%之间；Al2O3含量逐渐增加变化于0.01%~1.69%之间；MnO的含量变化较少集中于0.1%~0.35%之间；MgO的含量整体随着成矿过程的演化而升高，主要变化于0.05%~1.83%之间；V2O5含量变化较小集中于0.2%~0.7%之间(图 5)。
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表 1 凹山铁矿床磁铁矿电子探针测试成分特征表(wt%) Table 1 Major element analysis (EMPA) for magnetite from Washan iron deposit (wt%) |
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图 5 凹山铁矿床各阶段磁铁矿主量元素成分特征 Fig. 5 Compositions of major elements from various stages of magnetite in Washan iron deposit |
磁铁矿微量元素原位LA-ICP-MS分析中，伟晶状矿石磁铁矿Sc、Co、Ni、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Sn、Hf、Ta的含量高于检出限，Cr、Cu、As的含量接近稍低于检出限，其他元素均低于检出限或未能得到有效数值；粗粒脉状矿石磁铁矿Sc、Co、Ni、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Sn、Hf、Ta的含量高于检出限，Cr、Cu、As的含量接近检出限，其他元素均低于检出限或未能得到有效数值；角砾状矿石磁铁矿Sc、Co、Ni、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Sn、Hf、Ta的含量高于检出限，Cr、Cu、As的含量接近检出限，其他元素均低于检出限或未能得到有效数值；浸染状矿石磁铁矿Sc、Cr、Co、Ni、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Sn的含量高于检出限，Cu、As的含量接近稍低于检出限，其他元素均低于检出限或未能得到有效数值(图 6)。结合测试信号图谱，Cr、Ni、Cu、Ge和As元素背景值与分析值信号强度十分接近，因而不作为研究对象，故可做分析的有效元素为Sc、Co、Zn、Ga、Zr、Nb、Sn、Hf、Ta(图 7)。随着成矿作用的演化磁铁矿中Ga、Sn及高场强元素Zr、Hf、Nd、Ta的含量变化较小(图 8)；Sc在浸染状磁铁矿中的含量变化较大，从角砾状矿石到伟晶状矿石Sc的含量降低(图 8)；从角砾状矿石到伟晶状矿石Co的含量增高，在浸染状磁铁矿中Co的含量变化较大(图 8)。具体结果见表 2。
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图 6 凹山铁矿床磁铁矿LA-ICP-MS微量元素测试值及仪器检测限对照蛛网图 Fig. 6 LA-ICP-MS analytical results from magnetite of Washan iron deposit, which are compared to the instrument limits of detection |
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图 7 磁铁矿LA-ICP-MS测试过程中典型电感耦合等离子质谱输出信号图谱 Fig. 7 Typical ICP-MS counts output for magnetite analysis by laser ablation |
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图 8 凹山铁矿床磁铁矿微量元素特征 Fig. 8 Compositions of trace elements from various stages of magnetite in Washan iron deposit |
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表 2 凹山铁矿床磁铁矿LA-ICP-MS微量元素测试成分特征表(×10-6) Table 2 Trace element analysis (LA-ICP-MS) for magnetite from Washan iron deposit (×10-6) |
磁铁矿属于尖晶石族，成分属AB2X4型，A组主要阳离子为Mg2+、Fe2+、Zn2+、Mn2+、Ni2+等；B组主要阳离子为Al3+、Fe3+、Ti4+、Cr3+等(潘兆橹，1984；Lindsley，1976；Deer et al., 1992)，同时磁铁矿中可赋存Cr、V、Ca、Co、Ni、Sn、Cu、Zn、Ga、Se、Te、Ag、Au等二十多种元素。磁铁矿可形成于许多地质环境中，其地球化学成分的变化对于形成环境的指示作用，长期以来一致受到人们的关注。陈光远等(1987) 通过磁铁矿单矿物化学分析资料进行统计，建立了磁铁矿的 TiO2-Al2O3-MgO 成因图解，将矿床中的磁铁矿床分为沉积变质-接触交代磁铁矿、超基性-基性-中性岩浆磁铁矿、酸性-碱性岩浆磁铁矿。徐国风和邵洁涟(1979) 对各种成因类型的磁铁矿床中的磁铁矿的化学成分进行了讨论，总结了不同成因类型的铁矿床中磁铁矿的标型化学组分特征，将成因类型分为岩浆矿床、接触交代矿床、热液交代矿床、区域变质矿床。林师整(1982) 根据 3000 多个磁铁矿化学成分数据制作了 TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)磁铁矿成因三角图解(图 9)，更详细的将磁铁矿成因分为六种：侵入岩中副矿物型及岩浆型、火山岩型、接触交代型、矽卡岩型和沉积变质型。近年来，随着测试技术精密程度的提高，Dupuis and Beaudoin(2011) 通过对世界上不同成因类型矿床中磁铁矿和赤铁矿的测试总结研究，建立了具有针对各种类型矿床的磁-赤铁矿成因分类图解(图 10)。Carrew (2004) 、Rusk et al.(2009) 和Nadoll (2009) 利用LA-ICP-MS测试技术分别对瑞典和智利的Kiruna型矿床、澳大利亚Osborne、Ernest Henry以及Cloncury地区的IOCG型矿床，美国Proterozoic Belt Supergroup地区变质岩、Spar Lake和Rock Lake Cu-Ag矿床、Coeur d’Alene Ag-Pb-Zn矿床、白垩纪火山岩中的磁铁矿进行了成分研究，分析了微量元素的赋存与磁铁矿成因间的关系。此外，Singoyi et al. (2006) 选择了矽卡岩型、IOCG型、VMS型和BHT型矿床中的磁铁矿，利用LA-ICP-MS进行微量元素的测试，并根据磁铁矿Al/Co-Sn/Ga划分了这几类矿床的判别图解，但此判别方法目前并未得到广泛应用。
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图 9 磁铁矿TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)成因分类图解(据林师整，1982) Ⅰ-副矿物型；Ⅱ-岩浆型；Ⅲ-火山岩型；Ⅳ-接触交代型；Ⅴ-矽卡岩型；Ⅵ-沉积变质型 Fig. 9 TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)magnetite genetic classification diagram (after Lin et al., 1982) |
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图 10 磁铁矿(Ca+Al+Mn)-(Ti+V)成因分类图解(底图据Dupuis and Beaudoin, 2011) Fig. 10 (Ca+Al+Mn)-(Ti+V)magnetite genetic classification diagram (after Dupuis and Beaudoin, 2011) |
凹山玢岩型铁矿床中四个成矿阶段的磁铁矿成分不尽相同，存在着一定的变化规律。各成矿阶段中磁铁矿TiO2含量变化较小，平均含量集中于3.9%~5%之间，具有岩浆成因磁铁矿的特征，后期MgO含量的相对增加表明磁铁矿的成因向热液型转变(徐国风和邵洁涟，1979)。在TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)图解中(图 9)，这种变化现象得到了更清晰的表征，浸染状、角砾状和粗粒脉状磁铁矿由于相对富Ti低Mg、Mn而处于“副矿物型(超基性-基性-中性-酸性岩浆岩)”成因区域，而伟晶状磁铁矿则相对富Mg、Mn而处于火山岩型靠近岩浆型区域。尽管图 9副矿物型区域中未明确对各类岩浆分别进行详细界定(例如：基性岩浆岩、酸性岩浆岩)而指示磁铁矿具体成因，但却清晰的表征磁铁矿成分的变化特征，早期磁铁矿具有与岩浆岩密切的成因关系，但并不属于岩浆型磁铁矿，晚期向着热液型(火山岩型)磁铁矿演变。Hou et al.(2011) 对姑山玢岩型铁矿床围岩辉石闪长玢岩的斑晶进行的研究发现，从斑晶的核部到边部MgO的含量降低，这是由于热液交代作用的发生而形成，这种现象在热液接触交代矿床中表现的尤为突出，在凹山铁矿床成矿后期磁铁矿MgO含量相对增加的现象亦可能受热液交代作用的影响(Einaudi et al., 1981; Meinert, 1987; Nadoll, 2009)。在Dupuis and Beaudoin(2011) 新建立的磁-赤铁矿成因分类图解中(图 10)，凹山铁矿床磁铁矿主要集中于Fe-Ti矿床成因区域，临近斑岩型矿床、Kiruna型矿床及矽卡岩型矿床成因区域，表明矿床的成因与岩浆作用关系密切而与热液作用关系稍远；部分浸染状和角砾状磁铁矿投入到斑岩型矿床区域，这可能是少量这类磁铁矿在成矿过程中受到了围岩的影响而造成的。
在凹山铁矿床磁铁矿微量元素中，从角砾状矿石到伟晶状矿石磁铁矿Sc的含量降低(图 8)集中变化于8.5×10-6~2×10-6，处于岩浆型铁矿床(14.22×10-6)与热液(矽卡岩)型铁矿床(1.26×10-6)之间(徐国风和邵洁涟，1979；王奎仁，1989)，其逐渐降低的变化趋势表明，随着成矿作用的演化磁铁矿受热液作用的影响渐强，而在浸染状磁铁矿中较大变化的Sc含量(0.7×10-6~9.4×10-6)则表现出了早期岩浆成因受后期热液交代而使得部分Sc降低的特征；从角砾状矿石到伟晶状矿石Co的含量增高集中变化于12×10-6~90×10-6，主体处于岩浆型铁矿床(30×10-6)与热液(矽卡岩)型铁矿床(70×10-6~247×10-6)之间，其伴随成矿作用快速增高的变化趋势(图 8)表明磁铁矿的形成和演化受热液作用的影响逐渐增强，而在浸染状磁铁矿中Co含量变化很大(19×10-6~73×10-6)，同时表现出了早期岩浆成因和后期受热液作用影响的特征(徐国风和邵洁涟，1979；王奎仁，1989)。此外，对玢岩铁矿床同位素和矿石矿物包裹体的研究也证实了这种演化过程的存在，对磁铁矿、阳起石、石英的氢氧同位素特征(马芳等，2006b)研究得出成矿流体早期为演化的初始岩浆(水)，晚期大气降水加入；李秉伦和谢奕汉(1984) 对矿石矿物包裹体破裂温度和成分的研究也从流体特征上证实了这种岩浆-热液的流体演化过程的存在。
然而，在整个成矿演化过程中，磁铁矿的高场强元素(HFSE)Zr、Hf、Nb、Ta表现出相似的变化特征，整体含量并没有发生较大范围的变化，且其较小的变化具有紧密连续的线性关系。由于这类具有相似分配系数元素受磁铁矿平衡状态下主量元素含量及物理化学条件的强烈制约，Ti与HFSE之间存在一个含量变化函数(Nielsen and Beard, 2000; Nielsen et al., 1994)，在整个成矿演化过程中，高场强元素含量的较小变化以及Ti元素含量的相对稳定(图 5、图 8)，表明成矿过程尽管表现为多阶段性但其同时也具有一致的成矿物质来源及成因(Nadoll，2009)。玢岩铁矿成矿早晚阶段的磷灰石一致的岩浆稀土元素特征(余金杰和毛景文，2002)，亦表明成矿物质源区的一致性。Nadoll(2009) 研究提出热液作用成因的磁铁矿相对于岩浆作用成因磁铁矿具有较低的Ti(＜2300×10-6)和V(＜400×10-6)；Ga由于具有较低的分配系数而较少的出现在磁铁矿中，但岩浆作用成因的磁铁矿较热液作用成因的磁铁矿含有更高的Ga(热液成因，10×10-6~28×10-6)。相比较凹山铁矿床中磁铁矿则更多的表现出了岩浆作用成因的特征，较高且基本稳定的Ti、Ga含量不可能主要由于热液交代作用而形成，热液交代作用对磁铁矿的影响更多的是起到改造“表象特征”的作用，而这种改造作用随着成矿演化过程而逐步加强。此外，凹山铁矿床磁铁矿中Sn含量变化较小(图 8)，数值上亦显示出磁铁矿的形成更多受到岩浆作用的影响(Nadoll，2009)。
综合以上论述，凹山铁矿床的成矿过程中磁铁矿的形成受岩浆作用影响强烈，晚期热液作用逐渐增强而使得磁铁矿具有了热液成因的表象特征。铁质主要源于岩浆演化后期形成的富铁流体。林师整(1982) 提出自然界产出的磁铁矿从内生作用到外生作用，从岩浆阶段到岩浆期后阶段，总是由富钛向相对富镁、锰演化，而这种规律同时也表明矿物在各种地质作用中具有一定的发展继承关系，这在凹山铁矿床的成矿演化过程中表现的尤为突出。
5.2 成矿作用过程约束玢岩型铁矿床作为一组与次火山岩-热液作用有关矿床的组合，其以特征鲜明的成矿类型区别于长江中下游多金属成矿带中的其他矿化类型(斑岩型矿床，矽卡岩型矿床等)。目前，包括凹山铁矿床在内的这一类矿床的成矿物质来源及成因机制仍存在争议，主要有两种观点：一种观点认为玢岩铁矿的铁质主要来源于岩浆的分异，铁的氧化物从硅酸盐熔体中直接演化形成矿浆充填围岩成矿，或由岩浆分异、演化后期的富含铁质的高温气液交代充填围岩成矿(吴利仁，1978；宋学信等, 1981；李秉伦和谢奕汉，1984；袁家铮等，1997；Hou et al., 2010, 2011)；另一种观点认为铁质来源于已固结岩石，流体与岩石相互作用，在岩石广泛发育钠长石化的同时使流体富集被交代出的铁质，在有利部位沉淀成矿(张荣华，1980；中国科学院地球化学研究所，1987；卢冰等，1990)。陈毓川等(1982) 和毛景文等(2012) 研究认为玢岩型铁矿床的形成同时存在有两种成矿途径：一种是通过液态不混溶作用形成铁矿浆(或富铁流体)，在辉石闪长玢岩岩体凝固晚期和期后，于上隆接触带由凝固冷缩而出现裂隙带中贯入，以矿浆方式成矿；另一种是岩浆在上移过程同化三叠纪周冲村组膏岩层，岩浆中的Na、S、Cl、P和Ca等组分急剧增加，导致岩浆固结熔点大幅度下降，对铁等金属元素的搬运能力增强，交代已凝固的辉石闪长玢岩，进而大量铁镁质进入流体系统，在岩体与围岩界面等有利空间成矿。
不混溶富铁熔浆(流体)是否存在是对玢岩铁矿床形成机制研究的热点，对此前人进行了许多研究。袁家铮(1990) 根据梅山玢岩铁矿背景特征，通过方铁矿-磷灰石-透辉石-霞石四元系高温实验，得到了液态不混溶富铁熔浆和富硅酸盐熔浆，并论证了这种平衡反应机制在地壳到地幔范围内都有可能发生，而磷的存在则为这种不混溶流体的产生提供了主要的诱因(Philpotts，1967；李九玲等，1986；Sillitoe and Burrows, 2002；Bogaerts and Schmidt, 2006；Hou et al., 2011)。目前研究认为，矿石中的磷来自于早期岩浆以及成矿热液就位过程中受到的来自地层的混染(宁芜研究项目编写小组，1978；中国科学院地球化学研究所，1987；余金杰和毛景文，2002；Yu et al., 2008；张乐骏等，2011)。此外，玢岩铁矿石中早晚磷灰石具有的与钛铁磷灰石岩大体一致的稀土元素特征也表明成矿作用中岩浆不混溶作用的存在(余金杰和毛景文，2002)。从实验模拟到典型矿浆成因玢岩型铁矿的地质特征(宁芜研究项目编写小组，1978；陈毓川等，1981；Hou et al., 2011)研究分析，这种由于不混溶作用的存在为高温富铁流体的形成提供了理论依据。
在对凹山铁矿床地质特征的研究中，我们发现四个磁铁矿成矿阶段中，磷灰石均紧密伴随磁铁矿发育，或多或少的存在于各类矿石中(图 4)，这也应证了磷的存在玢岩型铁矿床形成演化过程中具有的重要意义。前述研究表明，凹山铁矿床中磁铁矿的形成受到岩浆作用的影响，成矿物质主要源于岩浆演化后期形成富铁流体。尽管在对凹山铁矿床的野外地质调查工作中并未发现典型的矿浆型矿床的矿石特征(气孔状、骨架状、流动状构造等)，而更多的发育高温气液充填的特征(角砾状、伟晶状矿石构造等)(宁芜研究项目编写小组，1978；唐永成等，1998)，但这与成矿过程中磁铁矿受岩浆作用影响而形成的论断并不矛盾。凹山铁矿床并未在岩浆演化后期快速成矿(例如：姑山)，而是随着富铁流体演化在外源流体逐步加入(马芳等，2006b)的阶段成矿，成矿物质主要来自岩浆演化晚期形成的富铁流体而非晚期热液淋滤已固结的辉石闪长玢岩。目前的研究无法排除晚期热液交代作用为矿床中铁的供给，但可以肯定这种地质作用并不是凹山铁矿床形成中铁的主要供给机制。此外，铁矿床矿石中Pb同位素(马芳等，2006a)，磷灰石C、Sr同位素(Yu et al., 2008)的特征亦表明成矿作用受控于岩浆演化的影响。
凹山铁矿床作为高温气液充填成因矿床，其铁质源于岩浆演化后期形成的富铁流体，成矿过程中隐爆作用诱发了大规模铁矿床的形成并为矿床的就位提供了空间，形成了早期的浸染状和角砾状矿石；成矿过程中流体成分不断变化，后期随着外源流体(大气水等)的逐步加入和大量挥发份的累积，形成了伟晶状矿石，并使得磁铁矿具有了更多的热液成因特征。热液交代作用有利于铁的富集，但成矿主体的铁来自富铁流体。这种成矿作用的演化过程在地质特征上普遍发现于宁芜地区的其他玢岩型铁矿床中(例如陶村、东山、梅山、姑山等铁矿床)，区别在于这些铁矿床在成矿演化过程中的不同阶段形成了矿床的主体，而造成了最终表现出不同的地质特征。
6 结论在对凹山玢岩型铁矿床详细的地质特征研究的基础上，将成矿过程中磁铁矿的形成划分为浸染状磁铁矿石、角砾状磁铁矿石、脉状磁铁矿石和伟晶状磁铁矿石四个阶段。对以上各阶段磁铁矿进行电子探针和LA-ICP-MS原位成分特征研究得出：
(1) 凹山铁矿床中磁铁矿中富含主量元素Ti、Al、Mn、Mg、V，微量元素Sc、Co、Zn、Ga、Zr、Nb、Sn、Hf、Ta在测试中可作研究对象。随着成矿作用的演化，磁铁矿主量元素中Ti、Mn、V含量变化微弱，Al、Mg含量增高；Ga、Sn及高场强元素Zr、Hf、Nd、Ta含量变化较小；从角砾状矿石到伟晶状矿石Co含量逐渐增高、Sc含量逐渐降低。
(2) 凹山铁矿床为一高温气液充填铁矿床，成矿过程中各世代磁铁矿具有同源连续演化的特征，其成矿物质主要来自于岩浆演化晚期形成的富铁流体。成矿过程中流体成分不断变化，后期随着外源流体的加入和大量挥发份的累积，渐强的热液作用使得磁铁矿具有了热液成因的表象特征。这种成矿演化过程以不同的方式广泛存在于玢岩型铁矿床中，区别在于这些铁矿床在成矿演化过程中的不同阶段形成了矿床的主体，而最终表现出的不同的地质特征。
致谢 本此研究工作在野外地质调查研究中得到了安徽省地质矿产勘查局、安徽马钢集团南山矿业有限责任公司地测科、马钢集团姑山矿业有限责任公司地测科、安徽省地勘局322地质队和安徽省化工勘查总院的热情帮助和支持，在此致以衷心的感谢。非常感谢李厚民研究员和谢桂青研究员对本文的详细审阅并为本文的修改提出了宝贵建议。| [] | Bogaerts M, Schmidt MW. 2006. Experiments on silicate melt immiscibility in the system Fe2SiO4-KAlSi3O8-SiO2-CaO-MgO-TiO2-P2O5 and implications for natural magmas. Contributions to Mineralogy and Petrology, 152: 257–274. DOI:10.1007/s00410-006-0111-6 |
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