模型一 条带状铁质建造型富铁矿床找矿模型
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一、概 述
形成于前寒武纪 ( 主要是太古宙到古元古代) 的沉积变质铁矿，因其矿石主要由硅质 ( 碧玉、燧石、石英) 和铁质 ( 磁铁矿、赤铁矿) 薄层组成，故被称为条带状铁质建造 ( Banded Iron Forma-tions，简称 BIFs) 。条带状铁质建造有时可形成富铁矿，本文探讨该类富铁矿床的找矿模型。
条带状铁质建造遍布于世界各大洲，但是产有高品位 ( 含 Fe 量 ＞60%) 铁矿床的条带状铁质建造主要集中在巴西卡腊贾斯和铁四边形地区，以及澳大利亚的哈默斯利和乌克兰的克里沃罗格。此外，南非和印度也有一些有经济意义的矿床 ( 图 1; 表 1) 产于条带状铁质建造中。
图 1 世界条带状铁质建造中富铁矿床分布示意图( 引自 H. Dalstra 等，2004，有修改)
表 1 世界条带状铁质建造中富铁矿床特征
续表
资料来源: H. Dalstra 等，2004; J. M. F. Clout 等，2005
* 无括号的为据绿泥石测温法估算的温度，有括号的为据流体包裹体数据估算的温度。
一般来说，前寒武纪条带状铁质建造是高品位赤铁矿矿床的 “矿胎”。它们是在地球发展的早期阶段的特定岩石圈、水圈和大气圈条件下形成的。根据构造体系和沉积环境可对条带状铁质建造进行分类。其中在大陆架条件下形成的铁质建造称为苏必利尔湖型 ( Superior-type) 铁质建造，如巴西的铁四边形和乌克兰的克里沃罗格地区; 与优地槽带火山岩和硬砂岩型沉积物有密切联系的硅质含铁建造被定名为阿耳果马型 ( Algoma-type) 铁质建造，如巴西的卡腊贾斯和澳大利亚的哈默斯利。
二、地 质 特 征
1. 区域沉积环境和沉积特点
作为高品位赤铁矿矿床 “矿胎”的条带状铁质建造，尽管其沉积环境和沉积机制尚有争论，但是从它们在全球的广泛分布和沉积鼎盛期仅限于 26. 5 亿至 18. 5 亿年来看，可以认为: ①条带状铁质建造是在太古宙到古、中元古代时期的岩石圈、水圈和大气圈富氧环境下沉积的; ②大洋热液系统提供了大量铁质物质; ③大洋有范围广阔的大陆架作为铁质建造沉积的场所。
不同类型的铁质建造因沉积区环境的差异而有不同的沉积特点。
苏必利尔湖型铁质建造产在古—中元古代克拉通边缘的陆架盆地和陆台盆地中，它们的形成与正常的陆架型沉积物有关，常见有白云岩、石英岩、长石砂岩、黑色页岩和砾岩，也与凝灰岩和其他火山岩有关。后者似乎是沿俯冲环境中的深断裂和破裂带发育的热液喷发活动和火山作用的产物。苏必利尔湖型含铁建造的岩层厚度极其稳定，可以由数十米到数百米，有时达 1000m，稳定的岩层横向沿古陆台盆地边缘延伸可达几百千米。产有含铁建造的岩系通常不整合于深变质的片麻岩、花岗岩和角闪岩之上。在某些地方，含铁建造与基底岩石之间见有薄的石英岩层、砂砾岩层和硅质页岩把它们分开，有时含铁建造直接产于基底岩石之上，然而在多数情况下，产在基底岩石以上数百米。
阿耳果马型铁质建造产于地质历史上的海相火山沉积环境中，它们沿着火山弧、扩张脊、地堑、破裂带分布，并与杂砂岩、浊积岩、含金属沉积物和火山岩成互层。在这种建造中，厚的菱铁矿层和碳酸盐、铁硅酸盐矿物相及铁硫化物矿物相常常伴生在一起，但不如氧化物相发育。这种建造常以块状菱铁矿层和黄铁矿 － 磁黄铁矿层为主，含铁建造厚度为几米到几百米，沿走向延伸几千米以上的情况很少。
2. 构造背景
条带状铁质建造富铁矿床共同的特点是经受了多次地质构造事件，形成了复杂的褶皱系和断裂系，这些褶皱和断裂控制着富矿体的分布。
巴西卡腊贾斯地区是个褶皱系，轴面倾向 NWW，倾角平缓到中等，褶皱系为几条与轴面近于平行的走滑断层所切穿。SEE—NWW 向的脆性 － 韧性卡腊贾斯剪切带和辛津托剪切带与东西向褶皱的轴面近于平行，巨型的 Serra Norte 矿床就发育在延伸 10km 长的背斜枢纽带中。大型的 Serra Sul 矿床发育在延伸数百到上千米的一些次级褶皱中 ( 图 2) 。
图 2 巴西卡腊贾斯及周边地区区域构造示意图( 引自 C. A. Rosiere 等，2006)
巴西铁四边形的区域构造是两个变形事件叠加的结果。第一个事件是 Transamazonia 造山作用，产生了区域褶皱和片麻岩穹丘上升; 第二个事件是 Brasiliano 造山作用，产生了西延的逆冲断层带。全区分成两个构造域，一个是东部高应变域，具有宽阔的剪切带和区域逆冲，西部是低应变域，为一个很大的大向斜。致密块状或条带状矿石受 Transamazonia 造山作用期间发育的褶皱和断层控制，而产在剪切带中的片状矿石受穿切所有早期构造的构造所控制。
在西澳哈默斯利地区经受了 4 次褶皱事件和 3 次张性事件 ( E1—E3) ，其中有 3 次为重要的褶皱事件 ( F1—F3) ( 图 3) ，形成了一系列的褶皱带和断层系。高品位的赤铁矿矿化保存在地堑构造中，这里存在有向 SW 倾斜和向 NEE 倾斜的两组断层，矿化优先沿着向 NEE 倾斜的正断层产出。
乌克兰地盾的铁质建造构成了几个近南北向的特殊的构造岩相带，其中克列缅楚格 － 克里沃罗格是最重要的岩相带，它的主要构造是一个为纵向深断裂所复杂化了的克列缅楚格 － 克里沃罗格复向斜。巨大的一级褶皱 － 断裂构造是供矿和导矿的构造。
图 3 澳大利亚哈默斯利盆地构造 － 地层柱状图( 引自 H. J. Dalstra，2006)
3. 围岩蚀变和交代作用
近年来的研究表明，条带状铁质建造中的高品位赤铁矿矿床普遍发生了强烈的交代、淋滤作用，原始的燧石和碳酸盐岩条带在深成热液或盆地热卤水的作用下为赤铁矿和针铁矿所交代，或者富含磁铁矿的条带被氧化成假像赤铁矿和 ( 或) 被次生赤铁矿所取代。这种交代、淋滤作用使矿石中铁品位大大提高，形成了高品位富矿石。交代、淋滤过程中，围岩也发生了蚀变，出现了绿泥石化、滑石化、赤铁矿化 ( 表 1) 。
在澳大利亚哈默斯利矿区，侵入的粒玄岩岩墙和高品位赤铁矿矿石附近的页岩中出现了强烈的绿泥石 － 赤铁矿 － 滑石蚀变。交代作用和控矿构造 ( 如 Southern Batter 断层) 相伴随。蚀变岩石中 Mg、Fe 含量增高，Si、Ca、Na、K 亏损。最强烈的铁富集和 ( 或) 硅亏损出现在矿石中或靠近矿石的岩墙里，而镁富集及钙、钠、钾亏损不仅出现在矿石中，而且往外延伸至少 200m。
在巴西卡腊贾斯 N4E 矿床中，铁矿石下面的镁铁质火山岩为交代蚀变 ( 绿泥石 － 碳酸盐 － 赤铁矿化) 所改造，最初的火成矿物组合全部消失，从下往上由未蚀变岩石过渡为蚀变岩石，镁和铁逐渐增加，硅和钙减少，这种变化与绿泥石化和变形越来越强烈有关。该矿床中的镁铁质岩墙也显示有类似的蚀变，绿泥石化强烈 ( 绿泥石占体积的 90%) ，在与铁矿石的接触带上伴随有 Mg － Fe 的交代作用。
在印度的贝拉迪拉、南非的德巴齐姆比和巴西的铁四边形矿区所取的样品中也显示出，镁铁质岩墙有类似的镁、铁富集及硅、钙亏损。在乌克兰的克里沃罗格矿区，虽然没有取得从围岩到高品位矿石的地球化学资料，但还是识别出了与高品位铁矿石有关的 Mg － Fe 交代作用。
4. 矿石类型
条带状铁质建造富铁矿床的矿石主要有两大类。一类是含 Fe 56% ～63% 的假像赤铁矿 － 针铁矿矿石。这类矿石通常被认为是条带状铁质建造近代表生淋滤和交代的产物，其特点是有大量含水的铁氧化物，针铁矿含量 ( ＞50%) 超过假像赤铁矿，并且具有保存很好的原生铁质建造的层理。这类矿石主要出现在澳大利亚，在巴西的卡腊贾斯和铁四边形地区有近代形成的厚度不大 ( ＜30m) 的针铁矿 － 假像赤铁矿 “硬帽”和针铁矿 “铁角砾岩”。
另一类是含 Fe 60% ～68%的高品位赤铁矿矿石，它进一步分成两个亚类。一个亚类是赤铁矿矿石，另一个亚类是微板状赤铁矿矿石。
赤铁矿矿石由残余的假像赤铁矿和 ( 或) 赤铁矿组成，据认为，它们是由于铁质建造中脉石矿物被淋滤、铁质矿物残留富集而形成的。大多数情况下，赤铁矿矿石所含针铁矿不多 ( ＜15%) ，可能还有一些内生成因的赤铁矿。这类矿石分布在巴西和南非。巴西铁四边形矿区为脆性赤铁矿矿石，而南非锡兴矿区为硬块状赤铁矿矿石和纹层状赤铁矿矿石。
微板状赤铁矿矿石，被认为是交代形成的，其特点是普遍存在有微板状赤铁矿，矿石硬度和孔隙度多变，有时可能含有假像赤铁矿。这类矿石分布比较普遍，如澳大利亚哈默斯利矿区、巴西卡腊贾斯矿区、乌克兰的克里沃罗格以及印度、南非都有这类矿石产出。
5. 富铁矿矿体形态及其与铁质建造的关系
条带状铁质建造中的富铁矿床矿体形态多种多样，除了层状、似层状外，还有透镜状、柱状和筒状。富矿石与铁质建造的关系，既有过渡的，也有突变的，甚至超出了铁质建造。
巴西卡腊贾斯矿区 N4E 矿床位于地表以下几百米，硬质赤铁矿和软质赤铁矿向下渐变为富含碳酸盐岩的 “矿胎”( 图 4A) 。
西澳哈默斯利铁矿区的 Mt Tom Price 矿床，平均含 Fe 65% 的富铁矿石产于矿床最深部位，其与条带状铁质建造呈突变接触 ( 图 4B) 。
在南非德巴齐姆比铁矿区，8 个高品位的赤铁矿矿床都产在 Penge 铁质建造的底部，甚至在条带状铁质建造下面还延伸几百米 ( 图 4C) 。
乌克兰克里沃罗格地区的铁矿床，高品位的矿石可延伸到现在地表以下 2000 多米的深处，在条带状铁质建造的下面还存在着垂直柱状和筒状矿体 ( 图 4D) 。
三、矿床成因和找矿标志
1. 矿床成因
长期以来，关于条带状铁质建造富铁矿矿床的成因，一直存在争论，总的来看，目前主要有下列几种成因模式:
1) 同生说: 认为产在铁质建造中的矿石是碎屑成因的，可能经过成岩富集，甚至经受过后来变质作用、火成活动或表生作用的改造，但最初富含磁铁矿的铁质建造本质上是由同生作用提供的。
图 4 A—巴西卡腊贾斯 N4E 矿床的 700N 横剖面; B—澳大利亚 Mt Tom Price 矿床 13962E 横剖面;C—南非德巴齐姆比的 Donkerpoort West 矿床的横剖面; D—乌克兰克里沃罗格 Saksagan 矿田的长剖面( 引自 H. Dalstra 等，2004)
2) 表生说: 认为矿石是残余富集，它是由现在或过去侵蚀面以下的地下水循环淋滤掉铁质建造中的脉石矿物而形成的。
3) 表生矿石埋藏变质说: 认为老的假像赤铁矿 － 针铁矿表生矿石经受了成岩时的埋藏变质作用( 约 100℃) ，脱水作用将表生的针铁矿部分或全部转变成微板状赤铁矿。
4) 深成矿石表生改造说: 该模式目前得到广泛支持，经过对澳大利亚和巴西高品位赤铁矿的研究认为深成热液将铁质建造提升为高品位的赤铁矿矿石，这种高品位矿石又为近代的表生作用所改造，品位进一步提升。
随着研究的深入，大量证据表明，条带状铁质建造中的高品位赤铁矿矿床是多种作用相结合的产物。H. Dalstra 等 ( 2004) 通过对卡腊贾斯、哈默斯利、克里沃罗格等高品位赤铁矿矿床的对比认为，这些矿床的形成是个连续的统一体，其 “矿胎”中的矿物成分和围岩蚀变有一定的规律，反映了矿石形成时的深度和温度 ( 图 5) 。
图 5 高品位赤铁矿矿床可能的成因及其 “矿胎”的连续关系( 引自 H. Dalstra 等，2004)最深的矿床 ( 克里沃罗格) 被解释为是在高温下形成的，在其 “矿胎”中有磁铁矿 － 角闪石或磁铁矿 － 碳酸盐集合体，在其围岩中有黑硬绿泥石蚀变; 中等深度的矿床 ( Mt Tom Price) 在其 “矿胎”中有磁铁矿 － 碳酸盐或赤铁矿 － 碳酸盐集合体，在其围岩中有绿泥石 + 滑石蚀变，并显示出深部有还原流体，也有氧化的大气水; 最浅和最 “冷”的矿床( 卡腊贾斯) 在其 “矿胎”中有赤铁矿 － 白云石或赤铁矿 － 方解石集合体，在其围岩中有绿泥石 + 碳酸盐蚀变围岩蚀变: Ca = 碳酸盐化，Chl = 绿泥石化，Cum = 黑硬绿泥石化，Tc = 滑石化
总之，条带状铁质建造在现代风化作用下可形成假像赤铁矿 － 针铁矿风化壳，但是意义最大的还是铁质建造深部的高品位赤铁矿矿石，它们受热液 ( 盆地卤水) 作用和构造控制明显。这种矿石有时向深部延伸数百米，甚至数千米，规模巨大，是勘查的主要对象。
2. 找矿标志
( 1) 区域地质找矿标志
1) 前寒武纪化学 － 陆源沉积的条带状铁质建造是形成高品位赤铁矿矿床的 “矿胎”，巨厚的铁质建造对形成富铁矿床最为有利。
2) 高品位的富铁矿床多数与元古宙 18 亿至 26 亿年，特别是 19 亿至 21 亿年期间形成的铁质建造有关。
3) 大而富的赤铁矿矿体几乎都产在绿泥石变质相和黑云母变质相的弱变质铁质建造中，变质程度越高对富矿的形成越不利，在角闪岩相、辉石角闪岩相和麻粒岩相的铁质建造中几乎没有具工业价值的富铁矿床。
4) 高品位赤铁矿矿床多产在复向斜或向斜的轴部，特别是由于褶皱挤压使含铁岩层变厚的地方，少数产在背斜褶皱的转折末端。
5) 高品位矿床只产在有后来事件 ( 变质作用、深成热液作用、表生作用) 将铁矿石品位提高的地段。
( 2) 局部地质找矿标志
1) 在含铁质建造的褶皱中存在低角度铲状正断层、深部断裂、破碎带和其他作为热液流体通道的有利构造地段，以及渗透性增高的褶皱枢纽，对富矿体的形成具有重要意义。
2) 富矿体常产在铁质建造系列底部与黑色页岩的接触带上。
3) 不透水的页岩和粒玄岩的存在有利于形成富矿体。
4) 高品位赤铁矿矿床的围岩蚀变有绿泥石化、赤铁矿化、碳酸盐化和滑石化，这些蚀变主要出现在靠近矿化的粒玄岩岩墙和页岩中。
5) 条带状铁质建造中含大量粗粒的磁铁矿和赤铁矿，在现代表生作用下可形成假像赤铁矿 － 针铁矿矿石。而富铁矿床中的高品位赤铁矿矿石主要是假像赤铁矿 － 赤铁矿矿石和微板状赤铁矿 － 假像赤铁矿矿石。
6) 矿床产在现代地形或古地形中的不整合面上，或不整合面附近。在近代强烈风化作用下，在假像赤铁矿 － 针铁矿矿石的顶部形成一个玻璃状的针铁矿硬帽。
( 3) 地球物理找矿标志
1) 富矿地段上的磁场强度往往显著降低，在富矿厚度很大的地段磁场强度很低，在某些地方几乎接近背景值。但富矿地段的剩磁和感磁的比值却比贫矿地段大。
2) 富矿地段有明显的重力异常，矿化带内含铁岩石剩余密度普遍增高可作为富矿石的重要普查标志。
( 4) 地球化学找矿标志
蚀变岩石中 Mg、Fe 含量增高，Si、Ca、Na、K 降低。高品位赤铁矿矿石形成过程中发生了镁 －铁质交代作用使最强烈的铁富集和 ( 或) 硅降低出现在矿石中或直接靠近矿石的岩墙里，而镁的富集及钙、钠、钾的降低从矿石往外至少延伸 200m。
( 江永宏 项仁杰)
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