2013, Vol. 29
2. 中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京 100029
2. Key Laboratory of Mineral Resources, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
前寒武纪条带状铁建造(BIFs)是指由富铁矿物(以磁铁矿为主)和脉石矿物(以石英为主)组成的条带状或条纹状构造的化学沉积岩(James, 1954, 1983), 在全球广泛分布于太古代-古元古代(3.8~1.9Ga)(Huston and Logan, 2004), 以2.7~2.0Ga最为发育(James, 1983；Isley, 1995；Klein, 2005), 它是早期地壳的重要组成部分, 反映当时地质环境和地壳演化特点。BIFs根据其形成时代及含矿建造, 分为Algoma型及Superior型(Gross, 1980), Algoma型主要产于太古宙, 通常形成于岛弧、弧后盆地或克拉通内裂谷带中, 与海底火山活动关系密切；Superior型主要产于早元古代, 一般形成于浅海环境且与沉积作用密切相关, 且其沉积规模远大于Algoma型(Gross, 1980, 1983, 1996)。我国从20世纪50年代开始对BIFs展开了系统的研究(程裕淇, 1957)。大量地质学家研究发现, 我国BIFs主要发育于华北克拉通边缘及其裂谷带, 且多形成于晚太古-早元古代, 矿石以贫矿为主, 富矿较少且埋藏深度大, 矿床多为Algoma型(如辽宁鞍山-本溪地区的弓长岭、歪头山、南芬、齐大山铁矿；冀东遵化地区的水厂、石人沟和司家营铁矿), 仅山西吕梁地区的袁家村铁矿初定为Superior型(Zhai and Windley, 1990；Zhai et al., 1990；程裕淇, 1998；沈保丰等, 1994, 2006；张连昌等, 2011, 2012; Zhang et al., 2012；代堰锫等, 2012)。
对于安徽霍邱BIF型铁矿, 前人已做了部分研究。研究认为霍邱BIF铁矿发育于角闪岩相的霍邱群变质体系内(岳元珍, 1982), 其形成年代限定为2.75~1.84Ga, 为晚太古代海相火山-沉积变质型矿床(孙玉宝, 2007；Wan et al., 2009；杨晓勇等, 2012)；亓润章(1987)、骆辉(1987)研究认为霍邱条带状铁矿南北向矿带形成于开放或半封闭的海湾, 东西走向的矿床形成于封闭的泻湖盆地, 其形成深度比白云质灰岩沉积深度浅, 又比海浪能影响的深度深；此外, 杨晓勇等人通过研究认为霍邱铁建造属于Algoma-Superior过渡型BIF铁建造。
文章通过分析安徽霍邱李老庄铁矿床矿石和围岩主量、微量和稀土元素, 对该矿床的构造背景、沉积环境及其成因进行了探讨。
2 区域地质背景安徽霍邱前寒武纪条带状铁建造产于霍邱群中, 分布在华北地台南缘, 从北到南有周集、张庄、周油坊、吴集、重新集和李老庄等铁矿床(图 1), 铁矿储量占安徽省已探明铁矿储量的26.51%, 是该省重要的铁矿资源产地之一。
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图 1 霍邱矿区矿产地质图(据安徽省地质矿产勘查局313地质队, 2008①) 1-第四系；2-下白垩统新庄组；3-上侏罗统黑石渡组；4-上侏罗统毛坦组上段；5-上侏罗统毛坦组下段；6-寒武系下统毛庄组；7-寒武系下统馒头组；8-寒武系下统猴家山组；9-震旦系凤台组；10-震旦系九顶山组上段；11-震旦系九顶山组下段；12-震旦系倪园组；13-震旦系四顶山组；14-震旦系九里桥组；15-震旦系四十里长山组；16-青白口系刘老碑组；17-青白口系曹店组；18-古元古界凤阳群下岩组；19-新太古界霍邱群周集组上段；20-新太古界霍邱群周集组下段；21-新太古界霍邱群吴集组上段；22-新太古界霍邱群吴集组下段；23-新太古界霍邱群花园组；24-矿体；25-花岗斑岩；26-闪长玢岩；27-实测推测地质界线；28-推测地质不整合界线；29-推测正断层；30-推测逆断层；31-性质不明断层及编号；32-推测断层；33-地层产状；34-片理及倒转片理产状 Fig. 1 The geological map of the Huoqiu ore deposit 1-Quaternary；2-Lower Cretaceous Xinzhuang Fm.；3-Upper Jurassic Heishidu Fm.；4-Upper Jurassic upper section of Maotan Fm.；5-Upper Jurassic lower section Maotan Fm.；6-Lower Cambrian Maozhuang Fm.；7-Lower Cambrian System Mantou Fm.；8-Lower Cambrian System Houjiashan Fm.；9-Sinian System Fengtai Fm.；10-Sinian System upper section of Jiudingshan Fm.；11-Sinian System lower section of Jiudingshan Fm.；12-Sinian System Niyuan Fm.；13-Sinian System Sidingshan Fm.；14-Sinian System Jiuliqiao Fm.；15-Sinian System Sishilichangshan Fm.；16-Neoproterozoic(Qingbaikou System)Liulaobei Fm.；17-Neoproterozoic(Qingbaikou System)Caodian Fm.；18-Paleo-Proterozoic Xiayan Fm., Fengyang Group；19-Neo-Archean upper section of Zhouji Fm., Huoqiu Group；20-Neo-Archean lower section of Zhouji Fm., Huoqiu Group；21-Neo-Archean upper section of Wuji Fm., Huoqiu Group；22-Neo-Archean lower section of Wuji Fm., Huoqiu Group；23-Neo-Archean Huayuan Fm., Huoqiu Group；24-ore body；25-granite porphyry；26-diorite porphyrite；27-measured-speculated geological boundaries；28-speculated unconformity geological boundaries；29-speculated normal faults；30-speculated thrust fault；31-indeterminacy fault and its serial number；32-speculated fault；33-attitude of stratum；34-schistosity and inverted schistosity occurrence |
① 安徽省地质矿产勘查局313地质队.2008.安徽省霍邱铁矿区域地质图
霍邱铁矿田位于华北地台南缘长山穹褶断处, 霍邱县以西, 南北向延展约40km以上, 东西宽约2.7km。矿体均赋存于太古界霍邱群中, 属于秦岭东西向构造带、新华夏系和淮阳山字型构造脊柱的复合部位, 华北地块南缘寒武纪地壳演化形成的嵩箕-砀山古陆核南缘东西向凹陷区, 小秦岭北坡-豫中-皖中不稳定基底构造区的东、北端, 舞阳-许昌-霍邱铁矿成矿带(王波华等, 2007), 其东为合肥拗陷(次级构造——霍邱凹陷), 南以肥中大断裂为界, 西邻河南潢川拗陷(次级构造——固始凹陷), 北与淮南复向斜相接。安徽省北部(淮河流域)前寒武基底变质岩区构造单元为华北构造区豫皖分区, 包括安徽构造分区的江淮台隆和淮河台拗两个Ⅱ级构造单元, 地层包括晚太古代霍邱群、五河群和早元古代凤阳群。区域地层属华北地层区两淮地层分区, 除部分古生代地层缺失外晚太古代-新生代第四纪地层均有发育, 迄今已相继探明了周集、张庄、班台子、李老庄、周油坊、范桥、吴集、李楼、陶坝、重新集等大型矿床10余处(安徽省地质矿产局区域地质调查队, 1987①)。霍邱群是一套混合岩化变质的火山-沉积岩系, 由老至新划分为花园组、吴集组、周集组, 组间整合接触, 霍邱地区的霍邱群及含铁层位总厚度大于1521m, 全部被第四系覆盖, 是合肥盆地基底主要构成单元。该地层在构造上表现为一复式向斜, 南缘为东西向拗陷带中的南北向海槽条带状硅铁建造(赵宗溥, 1995)。
① 安徽省地质矿产局区域地质调查队.1987.安徽省区域地质志
3 矿床地质特征李老庄铁矿床位于霍邱矿田东部(图 1), 居于近东西向构造带上, 受李老庄向斜控制。矿体被厚度为135.83~242.79m的第四系粘土层覆盖。向斜核部岩性为霍邱群周集组下段条带状混合岩、混合岩化黑云(或白云)斜长片麻岩, 两翼为吴集组。吴集组上段包括上部的含磁铁矿片岩、混合岩层、片麻岩层和下部的磁铁矿夹富镁碳酸盐层、片麻岩层, 下段为条带状均质混合岩, 其主要岩性为黑云斜长片麻岩、云母石英片岩、磁铁矿体夹菱镁矿、白云石大理岩、菱镁矿体、蛇纹岩、阳起石片岩等。另外, 在矿床西部见上元古界青白口系刘老碑组泥灰岩及曹店组铁质砂砾岩, 东部见中生界下白垩统新庄组紫红色砂砾岩、细粒长石石英砂岩。矿床内节理及破碎带发育, 有伟晶岩、长英岩、辉绿岩和煌斑岩顺片理或斜切片理侵入, 规模小, 对矿体无大的破坏作用(孙玉宝, 2007)。
矿体主要产于霍邱群吴集组碳酸盐岩-铁建造中, 其分布范围东西长1187m, 南北宽286~1028m, 面积约0.85km2(图 2、图 3)。李老庄矿区矿体夹层大概分为三类：片岩、片麻岩和少量石英脉, 主要为斜长角闪岩片岩、云母石英片岩和黑云角闪片岩, 次为阳起(铁闪)片岩、黑云斜长片麻岩。片岩和片麻岩常呈透镜状, 少数为层状, 产状与矿体一致, 与矿体的接触线清晰, 少数因磁铁矿薄层的出现而呈现不同的过渡关系；石英脉呈脉状, 与矿体接触界线明显。斜长角闪岩片岩、云母石英片岩和黑云角闪片岩多为棕黑色, 有时略带绿, 鳞片粒状变晶结构, 片状或片麻状构造, 主要成分为石英60%~65％, 黑云母30%~35%, 角闪石及少量其它矿物(±5%)组成, 偶见石榴石。石英呈半透明他形粒状, 粒径多为0.2~0.7mm；黑云母呈褐黑色, 鳞片状, 片径多为0.5~1.5mm, 较连续平行排列；角闪石呈绿色短柱状, 粒径多为0.3~0.5mm, 多色性显著；石英、角闪石平行排列于黑云母之间。岩石片理明显。如图 4a所示。矿体顶、底板主要为黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、云母石英片岩、角闪片岩、白云石大理岩、菱镁矿白云石大理岩, 局部为黑云片岩和菱镁矿层, 与矿体产状一致, 接触界线因含磁铁矿而呈现过渡关系。由图 3可见, 李老庄矿床的产出环境应为一小型盆地, 铁矿体矿体以富镁碳酸岩段为中心, 向上、下具有一定的对称性。在三维空间上, 矿体之间还存在自镁质大理岩-斜长角闪岩(阳起-铁闪片岩)-云母片岩-片麻岩的相变关系, 岩段厚度变化较大, 但层位较为稳定, 连续性较好。
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图 2 霍邱铁矿李老庄矿床(前震旦系)基岩地质图(据孙玉宝, 2007) 1-伟晶岩；2-矿体及编号；3-推测逆断层及编号；4-推测正断层及编；5-剖面线编号；6-周集组下段混合岩-片麻岩；7-吴集组上段上含磁铁矿片岩层；8-吴集组上段上混合岩层；9-吴集组上段上片麻岩；10-吴集组上段下磁铁矿夹富镁碳酸盐层；11-吴集组上段下片麻岩层；12-吴集组下段条带状均质混合岩层 Fig. 2 Geological sketch of the bedrocks of the Lee Laozhuang ore mine in the Huoqiu iron deposit(Presinian)(after Sun, 2007) 1-pegmatite；2-ore body and its serial number；3-speculated thrust fault and its serial number；4-speculated normal faults and its serial number；5-section line number；6-migmatite-gneiss in lower section of Zhouji Fm.；7-upper schist with magnetite in upper section of Wuji Fm.；8-upper migmatite in upper section of Wuji Fm.；9-upper gneiss in upper section of Wuji Fm.；10-lower magnetite with high magnesium carbonate in upper section of Wuji Fm.；11-lower gneiss in upper section of Wuji Fm.；12-banded homogeneous migmatite in lower section of Wuji Fm. |
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图 3 李老庄铁矿床4线剖面图(据安徽省地质矿产局313地质队, 1993①) 1-第四系；2-含菱镁矿白云石大理岩；3-斜长角闪岩；4-阳起片岩;5-斜长黑云片岩；6-黑云石英片岩；7-黑云斜长片麻岩；8-角闪斜长片麻岩；9-混合岩；10-菱镁矿体；11-石英型氧化贫铁矿；12-石英型原生贫铁矿；13-碳酸盐型贫铁矿；14-富铁矿体；15-石榴石、蓝晶石、磁铁矿；16-地质界线；17-氧化矿与原生矿界线；18-矿体编号；19-采样位置 Fig. 3 Profile of Line 4 in the Lee Laozhuang iron deposit 1-Quaternary；2-dolomite marble with magnesite；3-plagioclase amphibolite；4-actinolite schists; 5-plagioclase biotite schist；6-biotite quartz schist；7-biotite plagioclase gneiss；8-hornblende plagioclase gneiss；9-migmatite；10-magnesite body；11-quartz type oxidation lean ore；12-quartz type native lean ore；13-carbonate type poor iron；14-rich iron ore body；15-garnet, kyanite, magnetite；16-geological boundary；17-oxidized and primary ore boundaries；18-ore body and its serial number；19-sampling location |
① 安徽省地质矿产局313地质队.1993.《安徽霍邱铁矿》
矿体一般呈层状、似层状或透镜状。矿体产状受向斜构造控制, 变化较大, 但总体走向为近东西向, 两翼不对称, 轴面向南微倾, 西段上翘, 东段向东倾伏, 矿体倾角南翼较陡(10°~40°), 北翼较缓(10°~21°), 轴部平缓(10°~0°)。矿区内已发现断层两条：F14断层为正断层, 位于矿床东部, 走向为NW317°, 倾向为SW, 倾角为65°, 断距为132~147m以上, 长约为1000m；F15断层为逆断层, 位于矿床西侧, 走向为NE34°, 倾向为NW, 倾角为18°, 断距为58~90m, 长约为1100m(图 2)。
李老庄铁矿床共由8个矿体组成, 自上而下编号为Ⅰ~Ⅷ, 其中Ⅱ号、Ⅵ号为主矿体, Ⅶ号矿体次之, 矿体呈似层状, 沿走向及倾向具体明显膨胀、收缩、分支、复合、尖灭等特点。Ⅱ号、Ⅵ号矿体在向斜南翼厚度较大, 沿走向方向两端变薄尖灭；Ⅶ号矿体在向斜东部的轴部厚度较大, 自0线向西逐渐变小。其余矿体呈透镜状或似层状, 矿体产状与围岩一致, 并有尖灭再现特点, 规模较小(图 2、图 3)。
按照矿物组合可将矿石类型分为两类五种：一类是菱镁矿-磁铁矿石和蛇纹石-磁铁矿石2种, 主要赋存于富镁碳酸盐岩中, 占25%左右；另一类是石英-磁铁矿、闪石石英-磁铁矿石和闪石类-磁铁矿石3种。矿石的金属矿物主要为磁铁矿, 次为假象、半假象赤铁矿(氧化带中)；非金属矿物主要为石英, 次为角闪石、阳起石、铁闪石、铁菱镁矿、黑云母、斜长石(微斜长石)、蛇纹石、白云石、透闪石、方解石等, 此外还有微量石榴石、绿泥石、电气石等。
矿区矿石主要有条带(条纹)状、块状和浸染状构造, 有时可见压碎构造。矿石矿物主要为磁铁矿和铁菱镁矿。条带状矿石主要由铁质条带和硅质条带组成(含铁40%左右, 含硅30%左右), 铁质条带宽约2mm左右, 硅质条带又分为二氧化硅型和角闪石型, 二氧化硅条带略宽于角闪石条带(二氧化硅条带宽约0.5~2mm, 角闪石条带宽约1mm左右)(如图 4b), 呈条带状的磁铁矿常见于杂质(如蛇纹石、绿泥石等)集中的部位, 此外, 矿区条带有时会受应力作用产生塑性形变, 发生弯曲、揉皱等现象；块状矿石多呈黑灰色, 粒度较细, 主要成分为磁铁矿和石英, 含少量角闪石；浸染状矿石主要为碳酸盐型, 其中磁铁矿含量>30%, 呈稠密浸染状, 偶尔可见菱镁矿呈细脉状沿微细裂隙充填, 或呈不规则团块状分布, 局部见有残留缝合线构造。矿石结构主要为粒状镶嵌变晶结构, 少量为包含、压碎、胶状和显微网脉状结构, 磁铁矿呈半自形-他形粒状, 少量为自形粒状, 粒度为0.05~0.25mm, 呈聚粒状或散粒状产出, 遍布整个视野(如图 4c, d)。菱镁矿呈多边形粒状相互紧密镶嵌, 粒径约0.02~0.3mm, 交代结构不发育, 部分菱镁矿呈细脉状交代白云石, 间或可见粗粒菱镁矿包裹或交代细粒菱镁矿。
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图 4 李老庄矿区围岩及两类铁矿石手标本及镜下特征 (a)-黑云母石英片岩(正交偏光)(b)-条带状铁矿石；(c)-碳酸盐型磁铁矿(单偏光)；(d)-硅酸盐型磁铁矿(单偏光).Qtz-石英；Mic-微斜长石；Hbl-普通角闪石；Mgs-菱镁矿；Mt-磁铁矿 Fig. 4 The hand specimens and microscopic characteristics of surrounding rock and iron ore samples in the Lee Laozhuang deposit (a)-biotite quartz schist(cross polarized light)；(b)-banded iron ore；(c)-carbonate magnetite(plane polarized light)；(d)-silicate magnetite(plane polarized light). Qtz-quartz；Mic-microcline；Hbl-hornblende；Mgs-magnesite；Mt-magnetite |
研究测试的样品均为钻孔取样。文章共对李老庄的4件铁矿石样品和5件围岩样品进行了主微量元素的分析测定。样品采自李老庄4号线, 除矿石样品LLZ3-5, 围岩样品3-7和3-9采自钻孔ZK42, 其它样品采自钻孔ZK43。对所有用于分析的代表性样品先经薄片检查, 选择无裂缝无脉体充填的样品, 粉碎到200目以下, 岩石粉末在中国科学院地质与地球物理研究所实验室分析测试。主量元素用XRF-1500型X荧光光谱仪测试, RSD=0.1%~1%；微量元素及稀土元素利用酸溶法制备样品, 用电感耦合等离子体-质谱ICP-MS(Element, Finnigan MAT)测试, RSD＜2.5%。
4.1 矿石文章拟探讨李老庄矿床的成因及其形成的构造背景, 因而选择条带状闪英型磁铁矿、两个类型富铁矿石及块状磁铁矿作为研究对象, 矿石主量元素、微量元素分析结果列于表 1。可以看出, 条带状矿石的含铁量(Fe2O3T含量为30.51%)远低于块状和浸染状矿石(Fe2O3T含量分别为55.79%和61.49%), 富铁矿石的Fe2O3T含量为90.02%；矿石的FeO含量为2.6%~3.19%, 较为接近, Fe2O3T/FeO为2.6~3.19, 说明矿区矿石均为原生矿石；CaO含量为0.63%~1.68%, 平均1.37%；SiO2和MgO据其类型而含量不等, 其他氧化物组分(TiO2、Al2O3和P2O5)含量均很低。
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表 1 李老庄矿区铁矿石主量元素(wt%)、微量元素(×10-6)分析结果 Table 1 Major(wt%)and trace(×10-6)element contents of iron ores in the Huoqiu deposit |
李老庄矿区条带状矿石的稀土总量(∑REE+Y)为5.49×10-6, 含量较低, 硅酸盐型矿石的稀土总量(∑REE+Y)为8.31×10-6, 碳酸盐型矿石的稀土总量(∑REE+Y)为8.46×10-6, 两者较为接近；块状矿石的稀土总量(∑REE+Y)为19.73×10-6, 远高于前三者。用PAAS(Post Archean Australian Shale)(Mclennan, 1989)对铁矿石稀土元素进行标准化后(图 5), 四种类型矿石的稀土配分形式吻合, 均显示重稀土富集, (La/Yb)PAAS=0. 2~0.5, 且具有明显的La(La/La*=2.07~4.03)、Eu(Eu/Eu*=1.72~3.60)、Y(Y /Y*=1.50~1.87)的正异常, 较高Y/Ho比值(Y/Ho=38.4~47.31, 平均42.12), 为典型的BIF沉积特征。研究表明, 现代海水的PAAS标准化REE配分模式具有重稀土富集、La和Y正异常的特征(Alibo and Nozaki, 1999), 而Eu的正异常则是海底高温热液活动的表征(Danielson et al., 1992；Bau and Dulski, 1996； Douville et al., 1999), 所以说Eu正异常往往是高温热水流体参与的标志(Murray, 1991)。这些特征表明李老庄铁矿的形成与海水和海底热液有着密不可分的关系。此外, 前人研究表明, 陆相岩石及球粒陨石的Y/Ho比值恒为26, 而海水的Y/Ho比为44~74之间, 且随海水深度的增加而减小(Byrne and Lee, 1993；Nozaki et al., 1997；Bau and Dulski, 1999；Bolhar et al., 2004), 因而李老庄铁矿的Y/Ho比值显示了其与海水的亲缘性。
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图 5 铁矿石稀土元素PAAS标准化配分图(PAAS标准化值据McLennan, 1989) Fig. 5 PAAS-normalized REE patterns of iron ores(PAAS normalization values after McLennan, 1989) |
李老庄矿床的矿体围岩主要为黑云母石英片岩、黑云母斜长片岩、黑云母斜长片麻岩和碳酸盐岩。
研究区黑云母石英片岩、黑云母斜长片麻岩主量元素和微量元素分析结果列于表 2。黑云母石英斜长角闪片岩、片麻岩SiO2含量为57.31%~75.52%, 平均64.85%；Al2O3含量为8.14%~17.49%, 平均13.88%；MgO含量为2.54%~5.79%, 平均3.65%；CaO含量为0.55%~2.76%, 平均1.81%；Na2O含量为0.13%~4.17%, 平均2.21%；K2O含量2.13%~3.82%, 平均3.22； Fe2O3T含量为5.96%~8.33%, 平均7.12%, FeO含量为4.59~6.00%, 平均5.31%, FeOT/Fe2O3比值0.72~0.77；TiO2、MnO及P2O5含量很低。
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表 2 片岩、片麻岩主量元素(wt%)、微量元素(×10-6)分析结果 Table 2 Major(wt%)and trace(×10-6)element compositions of schist and gneiss |
黑云母石英片岩、黑云母斜长片麻岩的稀土元素总量(∑REE)为72.16×10-6~122.27×10-6, 平均94.30×10-6。(La /Yb)N=8.46~25.78, 平均19.48, 且片岩、片麻岩的球粒陨石和PAAS标准化稀土配分型式均呈现明显的右倾形式(图 6a, b), 表明轻重稀土存在明显分馏, 轻稀土明显富集, 此外, 样品也不具有明显的Ce(Ce/Ce*=0.86~0.94, 平均0.90)异常和Eu(Eu/Eu*=0.8~1.19, 平均0.97)异常。研究表明形成于洋中脊及深海平原地区的岩石轻稀土亏损, 而盆地裂陷阶段和残留海阶段于靠近大陆, 受陆源物质的影响强烈而具有明显的轻稀土富集的特征(丁林和钟大赉, 1995；Armstrong et al., 1999), 暗示着李老庄矿床形成于靠近大陆边缘的裂陷盆地或残留海盆。
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图 6 片岩、片麻岩稀土元素球粒陨石标准化配分图(a, 标准化值据Taylor and McLenna, 1985)和PAAS标准化配分图(b, 标准化值据McLennan, 1989) Fig. 6 Chondrite-normalized REE patterns(a, normalization values after Taylor and McLennan, 1985)and PAAS-normalized REE patterns(b, normalization values after McLennan, 1989)of schist and gneiss |
此外, 由∑REE(×10-6)-La/Yb判别图解表明研究区黑云母石英、斜长角闪片岩(片麻岩)属副变质岩, 原岩应为粘土岩, 少数为碳酸盐岩(图 7a, b)。
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图 7 片岩、片麻岩的稀土元素原岩恢复图(底图据赵振华, 1997；张海祥和张伯友, 2003) Fig. 7 Trace element diagrams for protolith reconstruction of schist and gneiss(the base map after Zhao, 1997；Zhang and Zhang, 2003) |
原岩恢复说明李老庄矿区的黑云母片岩、片麻岩原岩为副变质岩。由Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)-Fe2O3/TiO2和Bhatia(1983)判别图解(图 8a, b)可以看出, 李老庄矿区片岩、片麻岩形成的构造背景为活动大陆边缘接近大洋岛弧。
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图 8 片岩、片麻岩的构造环境判别图(底图据Murray et al., 1991；Bhatia, 1983) Fig. 8 Tectonic environment discrimination diagram of schist and gneiss(the base map after Murray et al., 1991；Bhatia, 1983) |
安徽省地矿局(1981①)研究资料表明, 霍邱矿区为处于砀山古陆和隐贤集火山岛弧之间的弧后盆地, 且在弧后盆地靠近大陆边缘一侧有大量的碎屑物和泥质物堆积, 可能为李老庄矿床的沉积物提供物质来源, 后期则变质成为黑云母石英斜长角闪片岩、片麻岩, 与上述的结论具有一致性。
① 安徽省地矿局.1981.安徽省前寒武纪变质铁矿地质特征与找矿方向的研究
5.2 沉积环境李老庄矿床铁矿石的Fe2O3T/FeO为2.6~3.19；围岩的Fe2O3T/FeO比值为1.30~1.36, 亚铁含量很高, 占全铁的75%左右, 由此可见, 矿床形成的环境为封闭式的还原环境。此外, 由Pr/Pr*-Ce/Ce*铈异常判别图解也可以看出(图 9), 李老庄矿床的铁矿石不具有Ce元素的负异常, 说明矿床的形成环境相对缺氧(Bau et al., 1995；Zhang and Nozaki, 1996；Alibo and Nozaki, 1999)。所以李老庄矿床形成于低氧逸度的还原环境。
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图 9 铁矿石的Ce负异常的判别图解(据Bau and Dulski, 1996) Fig. 9 Ce /Ce* versus Pr/Pr* discrimination diagram of iron ores(after Bau and Dulski, 1996) |
前面已经提到, 李老庄矿床内发育大量的富镁碳酸盐岩和铁白云石。碳酸盐沉积主要分布于低纬度带无河流注入的清澈而温暖的浅海陆棚环境以及滨岸地区。在有陆源输入的浅海盆地, 碳酸盐沉积受到排斥和干扰, 形成不纯的泥质和砂质碳酸盐岩。在有障壁的泻湖和海湾, 常常因海水中Mg2+浓度增加, 形成高镁碳酸盐岩和白云岩。因此, 李老庄矿床可能形成于有陆源输入的浅海局限盆地。
由李老庄矿床4号线剖面图(图 3)可以看出, 从盆地边缘到中心, 矿床沉积相具有由磁铁矿氧化物亚相向富镁碳酸盐亚相演变的特征。首先由磁铁矿氧化物亚相变成富含磁铁矿的富镁碳酸盐亚相, 继而磁铁矿消失, 形成铁菱镁矿单矿物岩的富镁碳酸盐亚相。铁菱镁矿中铁的含量也相应地由多而少, 镁由少而多。从沉积相在盆地中的位置来看, 这种分布特征与盆地水体深浅有关, 水体深浅导致盆地不同部位氧化还原条件和碳酸盐丰度不同：盆地边缘比中心氧化电位高, 碳酸盐丰度低, 中心碳酸盐相富集, 这可能是泻湖或半封闭盆地的产物。
综上, 结合矿床形成于大陆边缘构造背景, 推测矿床极有可能形成于大陆边缘有陆源物质输入的半封闭缺氧局限海盆中。
5.3 矿床成因李老庄矿床与霍邱地区其余矿床相比有以下几点特征:(1)矿体主要呈似层状, 少数为透镜状, 层位稳定, 与围岩整合接触, 产状一致, 界线清楚；(2)出现大量的富镁含铁碳酸盐岩, 主要为铁菱镁矿, 含部分铁白云石；(3)矿石具有明显的条带状构造, 局部可见斜层理构造与韵律沉积构造, 矿石的矿物成分和化学成分都比较简单；(4)矿床围岩大致相当于碎屑质、粘土质、铁镁碳酸岩质、富镁碳酸盐质的海相连续沉积, 后经区域变质作用, 使整套岩层发生变质, 变质岩石的代表性矿物为黑云母、普通角闪石、微斜长石、石英和少量出现的变质特征矿物, 如石榴石等, 说明在成矿阶段曾经历相当于低角闪岩相的区域变质作用；(5)矿床的变形现象多见, 如片理的弯曲, 变质条带的褶曲, 矿物的压碎、拉长、定向分别等。以上特征表明, 李老庄矿床属于沉积变质矿床。
研究表明, 火山岩和海相沉积物的Sr/Ba值大于1, 陆源沉积岩的Sr/Ba值小于1(沈其韩等, 2009), 李老庄矿床铁矿石的Sr/Ba比值介于4.92~28.90之间, 具有明显的火山岩和海相沉积物特征；铁质页岩Ti/V值变化于1.33~10.90, 火山建造为13~85(沈其韩等, 2009)；李老庄矿床铁矿石Ti /V比值在10.21~27.11之间, 平均为18.49, 与火山建造一致；加之矿石具有明显的Eu富集特征, 表明李老庄矿床成矿与海底火山作用有关。
还有一些迹象表明, 在矿床的成矿过程中有海底热液的参与, 首先是矿石的Eu表现为明显的富集特征；其次是局部出现热液蚀变现象, 如斜长石的绢云母化, 角闪石黑云母化, 硅质条带的溶蚀, 碳酸盐岩的白云石-菱镁铁矿-菱铁镁矿-菱镁矿系列交代变化, 角闪石的镁铁闪石化等； 浸染型矿石的生成以及蛇纹石的出现, 也说明有变质热液作用参与；另外, 矿区还可见细脉状产出的磁铁矿穿插于大理岩和菱镁矿中, 也是热液活动参与的标志之一。从矿床总体特征来看, 热液活动与矿体的生成关系并不密切, 热液交代作用并未形成大规模的物质迁移, 热液可能来自成岩及变质作用本身或海底火山热液。结合前面提到的矿石特征, 推测李老庄矿床的成矿物质可能来自海底火山热液和海水的混合溶液, 部分来源于这些变质岩系的含铁建造层或分散的矿源层。
此外, 安徽省地质科学研究所(1981① )研究发现霍邱铁矿87Sr/86Sr的初始比值在0.704~0.707左右, 略高于上地幔的初始比值(0.703), 且落在靠近大陆壳增长线的上方, 说明霍邱群变质岩的原始物质已受到大陆壳物质的影响, 而不是直接来源于上地幔, 但初始比值又小于大陆壳岩石(0.719), 故原岩也不是完全来自大陆壳硅铝质岩。说明矿床既不是单一的火山成因, 也并非全是陆源成因, 而介于二者之间, 属火山-沉积成因。孙玉宝(2007)、杨晓勇等(2012)也认为, 霍邱群是遭受混合岩化作用改造的火山-沉积变质岩系。以此结合李老庄矿床的形成环境和构造背景, 我们认为李老庄矿床沉积物的来源可能为陆源供给。
① 安徽省地质科学研究所.1981.安徽省前寒纪变质铁矿特征与找矿方向的研究
综上所述, 李老庄含铁建造位于霍邱群火山沉积旋回的中上部, 是火山-沉积旋回的一个组成部分, 形成于火山作用终止与正常沉积开始的阶段, 与火山作用关系密切, 火山物质是成矿的物质基础, 围岩沉积物质则主要来源于陆源供给。
由此, 本文初步建立了霍邱矿区李老庄矿床的古构造-古环境沉积成矿模式图(图 10)。
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图 10 李老庄含铁建造构造背景及成矿模式图(据安徽省地质矿产勘查局, 1993修改) 1-白云石大理岩；2-斜长角闪岩；3-斜长黑云片岩；4-角闪斜长片麻岩；5-黑云石英片岩；6-混合岩；7-石英型氧化贫铁矿；8-菱镁矿体；9-碳酸盐型磁磁铁矿；10-条带状铁建造；11-次火山岩；12-基性火山岩；13-陆源碎屑岩；14-火山碎屑岩 Fig. 10 Tectonic setting and metallogenic model of LEE Laozhuang iron formation 1-dolomite marble；2-plagioclase amphibolite；3-plagioclase biotite schist；4-hornblende plagioclase gneiss；5-biotite quartz schist；6-migmatite；7-quartz type oxidation lean ore；8-magnesite；9-carbonate type magnetite；10-banded iron formation；11-subvolcanic rock；12-basic volcanic rocks；13-terrigenous clastic rock；14-volcanic clastic rock |
文章主要分析了安徽霍邱李老庄矿床的矿石及围岩的主微量元素特征, 主要得出以下初步认识：
(1) 铁矿石主微量特征表明李老庄矿床的成矿物质可能来自于海底热液和海水的混合溶液；
(2) 根据李老庄矿床片岩、片麻岩的主微量元素组成特征, 表明该矿床围岩的原岩为粘土岩-碳酸盐岩建造, 沉积物的来源主要为陆源供给；
(3) 矿床形成于大陆边缘构造背景, 沉积环境为低氧逸度的还原环境, 极有可能为半封闭的弧后局限盆地。
致谢 感谢安徽省地质勘察局313地质队领导和专家的支持与指导；感谢博士生王长乐、代堰锫和博士后朱明田在论文完成过程中给予的良好建议；感谢范宏瑞研究员、李厚民研究员和杨晓勇教授仔细审阅本文并提出诸多建设性的修改意见；感谢中国科学院地质与地球物理研究所岩矿分析实验室、微量元素实验室帮助完成测试工作。| [] | Alibo DS, Nozaki Y. 1999. Rare earth elements in seawater: Particle association, shale-normalization, and Ce oxidation. Geochimica et Cosmochimica Acta, 63(3-4): 363–372. DOI:10.1016/S0016-7037(98)00279-8 |
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