“禹城式”矽卡岩型富铁矿的形成机制
张招崇1,2，王怀洪3，谢秋红4，沈立军3，朱裕振3，吕云鹤3，金博文1
2 中国地质大学(北京)深时数字地球前沿科学中心
3 山东省煤田地质规划勘察研究院
4 中国地质科学院地质研究所
第一作者：张招崇，教授，博士生导师，地质学专业，主要从事岩浆岩岩石学与矿床学研究。
2024年10月10日，山东省自然资源厅官网报道：
位于德州市的齐河—禹城地区富铁矿勘查资源量评审认定已于近日完成，探获富铁矿资源量达到1.04亿吨，成为新一轮找矿突破战略行动以来全国首个亿吨级富铁矿资源基地，开创了深覆盖区寻找富铁矿的先河。
据悉，齐河—禹城地区是新一轮找矿突破战略行动设立的重点勘查区，自北向南分为李屯、潘店、薛官屯、大张4个相对独立的磁异常区。近年来，省自然资源厅高度重视富铁矿勘查工作，将齐河—禹城地区作为富铁矿增储扩储主战场，设立省级地质勘查专项，加大资金投入和勘查力度，加速推进、聚力攻坚。目前，该区已圈定富铁矿体16个，全铁平均品位55.27%、磁性铁平均品位50.67%，矿体厚度7.66米至119.67米，探获富铁矿资源量1.04亿吨。该区取得找矿重大突破的同时，创建了“禹城式”矽卡岩型富铁矿找矿模式，建立深覆盖区“空—地—井”协同立体勘查技术体系，获3项省部级科技进步奖。 从目前勘查情况看，该区富铁矿资源是我国罕见的高品位富铁矿，具有分布面积广、矿体厚度大、矿石品位高、找矿前景好的特点。山东发现亿吨富铁矿，引起全国关注！矿床地质物探特征和形成机制更是关注的焦点。与传统的邯邢式矽卡岩型铁矿产于岩体与碳酸盐岩接触带不同，齐河—禹城地区李屯富铁矿体与围岩呈现截然不同的接触关系，并且矿体附近的围岩发生了强烈的角岩化。禹城地区富铁矿体主要产于石炭系—二叠系煤系地层中及其下部，因此提出了“煤下找铁”的找矿新思路。煤系地层对富铁矿的形成有何影响？煤层和富铁矿之间是否存在成因联系？矽卡岩型铁矿体为什么不产于岩体与碳酸盐岩的接触带内？针对这些问题，本文研究有了新认识。研究认为，上覆的煤系极低的热导率使得含矿热液保持高温状态并发生长距离迁移，不至于在接触带因降温而沉淀；李屯铁矿的形成可能是高温岩浆流体与低温大气降水混合导致温度和盐度下降，发生快速沉淀的结果，由此也导致了矿体与围岩呈现截然接触；钠长石化导致了岩石“铁的丢失”，为出溶高浓度富铁流体以及富铁矿的形成奠定了重要的物质基础；幔源“高分异”的闪长岩以及浅侵位有利于岩浆流体的出溶，也是邯邢式铁矿形成的先决条件。本文研究成果对矽卡岩型富铁矿勘查，尤其是煤下找铁，具有理论指导意义。基金项目：国家重点研发计划项目(2022YFC2903700)；中央高校基本科研业务费深时数字地球前沿科学中心“深时数字地球”中央高校科技领军人才团队项目(2652023001)。
0 引言
1 区域地质背景
2 矿床地质特征
3 “禹城式”铁矿的形成机制
3.1 矽卡岩型铁矿体为什么不产于岩体与碳酸盐岩的接触带内？
3.2 铁的沉淀机制
3.3 铁的来源
3.4 钠长石化和高浓度富铁流体的形成
3.5 岩浆演化与富铁流体的形成
4 结论
中国铁矿资源丰富，储量位列全球第四，但富铁矿严重短缺。从全球的角度来看，无论是总的铁矿资源量还是富铁矿石储量，均主要产自沉积变质型铁矿床。在中国，沉积变质型铁矿的资源量最为丰富，但是受长期、多期次的构造岩浆活动的影响，这类富铁矿的形成和保存十分不易。与岩浆活动有关的富铁矿的形成为铁矿资源开采填补了空缺。迄今为止，矽卡岩型富铁矿占中国已探明富铁矿储量的58%，因此矽卡岩型富铁矿找矿已成为我国富铁矿找矿的重点。鲁西地区是华北克拉通乃至中国东部重要的矿集区之一，发育有莱芜、金岭和济南等大型矽卡岩型富铁矿床(图1)。2014年至今，山东省煤田地质规划勘察研究院以及山东省地质调查院等多家地勘单位对禹城市李屯次级磁异常、齐河县大张次级磁异常和潘店次级磁异常进行查证，发现了厚度较大、品位较高的矽卡岩型铁矿体，新发现李屯、大张、潘店等铁矿床，取得了重大找矿突破，使该区有望成为我国又一个重要的富铁矿基地。勘查和研究过程中发现，李屯铁矿并不产于岩体与奥陶系碳酸盐岩接触带，而是产于石炭系—二叠系的含煤岩系中，并由此构建了“禹城式”矽卡岩型富铁矿模式，提出了“煤下找铁”的找矿新思路。但同时产生了系列问题，有待解决。煤层和富铁矿是否存在成因联系？如果有，那么在富铁矿形成过程中起到了什么作用？富铁矿体为什么赋存在接触带之外的含煤地层中？李屯富铁矿形成的控制因素有哪些？针对上述问题，在矿床地质特征研究的基础上，本文进行了深入探讨，旨在为建立和完善“禹城式”矽卡岩富铁矿成矿模式提供重要依据，并为今后的找矿奠定理论依据。研究区位于华北克拉通东南部，郯庐断裂带以西的鲁西地块。鲁西地块西至聊城—兰考断裂，北抵齐河—广饶断裂，东南与大别—苏鲁超高压碰撞带相邻。该地区经历了与华北克拉通其它地区相似的阶段性演化特点，其地层和岩浆活动均与华北克拉通相似。地层发育齐全，从老到新依次为太古宇、寒武系—奥陶系、石炭系—二叠系、侏罗系—白垩系及新生界，其中中奥陶统马家沟群与矽卡岩型铁矿关系密切，该地层岩性以灰岩为主，且含膏盐层。区域岩浆活动频繁，以早前寒武纪和中生代岩浆活动最为强烈，其中130Ma左右的中基性侵入岩与矽卡岩铁矿关系最为密切，对区内矽卡岩铁矿成矿起着重要的控制作用。齐河—禹城地区航磁异常显著，其中1:5万航磁异常可进一步分为李屯、潘店、大张、薛官屯和万庄5个次级磁异常(图2(a))。1:5万重力场大致呈现相对低重力异常背景上的高重力异常特征(图2(b))。异常查证工作表明，矽卡岩型铁矿床(李屯、潘店、大张)所在地段表现为航磁异常较高且梯度较陡、航磁化极异常值较高、布格重力异常梯度较陡及剩余重力值较高的特征。图2 齐河—禹城地区航空布格重力(10-5m/s2)等值线平面图(a)和航空磁异常ΔT(nT)等值线平面图(b)(a)图中：1.重力等值线；2.局部重力极大值；3.局部重力极小值；4.相对重力值；5.铁矿床位置 (b)图中：1.磁异常正等值线；2.磁异常零等值线；3.磁异常负等值线；4.磁异常值；5.铁矿床位置齐河—禹城地区现已发现的李屯、潘店、大张铁矿均为矽卡岩型。该地区新生代地层较厚，达560～1000m，其它地层自下而上分别为奥陶系、石炭系—二叠系，其中在李屯矿区未见奥陶系地层(图3)。李屯铁矿体产于石炭系—二叠系含煤地层的粉砂岩-泥质粉砂岩等细碎屑岩中，潘店和大张铁矿均产于中生代闪长岩体与中奥陶统马家沟组灰岩的接触带内。根据沈立军等对李屯岩体的研究，其岩性为角闪闪长岩、辉石闪长岩、石英闪长岩和辉长岩。 图3 齐河—禹城地区铁矿区钻孔岩心柱状图对比
李屯铁矿共圈定出6个磁铁矿矿体，矿体呈似层状产出(图4)，真厚度1.65～77.39m，平均品位TFe为55.95%，mFe为50.65%。其中IV号主矿体平均真厚度为77.39m，平均品位TFe为56.21%，mFe为51.16%。矿体顶底板为石炭系—二叠系角岩，其原岩为泥岩、砂岩和粉砂岩等，为一套海陆交互相碎屑沉积岩系。矿体与围岩界线清楚，呈截然接触关系(图5)，主要表现为充填作用。靠近矿体处角岩化强烈，远离矿体则变为正常的沉积岩。另外，在角岩中也发现有浸染状-细脉浸染状的黄铁矿。部分矿体底板直接为蚀变闪长岩，但是矿体与岩体呈截然接触。大多数矿石为致密块状高品位磁铁矿矿石，部分为含有矽卡岩角砾和角岩的角砾状矿石，但胶结物为磁铁矿(图6)。此外，在近矿的闪长岩无一例外表现为强烈的钠长石化，显示出强烈的褪色蚀变，甚至闪长岩的粒状结构都变得模糊不清(图7(a))。远离接触带的闪长岩蚀变慢慢减弱，出现不均匀的钠长石化，显示出斑杂构造(图7(b))。图4 李屯铁矿钻孔控制矿体剖面图简图
1.第四系+新近系；2.石炭系—二叠系；3.闪长岩体；4.铁矿体；5.地质界线；6.钻孔编号及深度
图5 李屯铁矿体与围岩(角岩)有截然的接触界线和强烈的角岩化(ZK5)图6 李屯铁矿早期棱角状矽卡岩角砾(浅色)被磁铁矿(黑色)胶结(ZK5)图7 李屯近矿闪长岩强烈的钠长石化(a)和远离矿体大范围的不均一钠长石化(b)
大张铁矿共圈定矿体1个，由6个钻孔控制，呈似层状，赋存标高716.39～825.45m，平均厚度13.20m，平均品位TFe为55.28%，mFe为51.99%。矿体产于闪长岩与奥陶系马家沟组灰岩的接触带内，部分产于岩体内(图8)，以块状矿石为主。矿石矿物以磁铁矿为主，局部可见黄铁矿、黄铜矿等，脉石矿物有角闪石、碳酸盐矿物、透辉石、金云母、石英、透闪石和阳起石等。图8 大张地区0线勘探线剖面简图
1.第四系；2.新近系；3.二叠系；4.石炭系；5.奥陶系；6.闪长岩体；7.铁矿体及编号；8.推断地质界线；9.钻孔位置；10.推测破碎带
潘店铁矿位于潘店次级磁异常区西侧，共揭露5层矿体(图9)，累计厚度为40.26m(单层最大厚度为11.88m，单层最小厚度为1.11m)，矿体分别产于二叠系碎屑岩、奥陶系以及奥陶系与闪长岩体的接触带，矿体平均品位TFe为51.82%，mFe为47.20%，矿体深部延伸未封闭。矿石以致密块状构造为主。脉石矿物主要有石榴子石、透辉石、透闪石、方解石、绿泥石、黑云母等。图9 潘店地区矿体地质剖面图
1.第四系；2.新近系；3.二叠系；4.奥陶系；5.矽卡岩；6.闪长岩体；7.富磁矿体；8.地质界线；9.平行不整合地质界线
由以上3个铁矿矿体产出的地质特征可以看出，它们既有相似性，也有差异性。相似性表现为都与白垩纪闪长质岩体有关，都经历了矽卡岩阶段。差异性表现为李屯铁矿产于非接触带中的石炭系—二叠系地层中，不与矽卡岩共生，而大张和潘店铁矿则表现为华北克拉通典型的邯邢式铁矿特征，产于闪长岩与碳酸盐岩的接触带中，与矽卡岩密切共生。![]()
表1 不同岩性的热导率
图10 李屯闪长岩的结构构造
(a)浅色闪长岩中的角闪石堆晶；(b)闪长岩中的辉长岩包体；(c)辉长闪长岩和闪长岩呈渐变过渡关系；(d)细粒闪长岩
齐河—禹城地区与成矿有关的闪长岩均为细粒结构(图10(d))，说明岩浆侵位深度较浅，虽然目前还没有定量的数据，考虑到其结构因素以及地质因素(侵位到石炭纪—二叠纪地层)，其侵位深度应当在2～3.5km，这种浅侵位有利于流体达到过饱和而出溶形成成矿流体。总之，“高分异”闪长岩及浅侵位有利于出溶流体形成矽卡岩型铁矿。(1)“禹城式”铁矿以赋存在石炭系—二叠系含煤地层为特征，铁矿体之所以没有出现在岩体与碳酸盐岩的接触带，而是赋存在远离接触带的石炭系—二叠系含煤地层中，是因为上覆的煤系极低的热导率使得含矿热液保持高温状态发生长距离的迁移，不至于在接触带因为降温就发生沉淀。上覆煤层或煤线出现高温变质，以及含煤岩系高强度、大范围的角岩化也是煤层低传导率导致热聚集的结果。(2)李屯铁矿的形成可能是高温的岩浆流体与低温的大气降水混合导致温度和盐度下降发生快速沉淀的结果，由此也导致了矿体与围岩呈截然接触。(3)钠长石化导致了岩石“铁的丢失”，为出溶高浓度富铁流体以及富铁矿的形成奠定了重要的物质基础，同时也导致了高盐度流体中的H+浓度的迅速提高，酸度增加，从而增加铁的溶解度，并进一步增加流体中铁的浓度。至于是否有古老基底以及其它地层铁质的加入，目前尚缺乏可靠的依据，高的硫同位素指示反映了有地层硫的参与。(4)幔源“高分异”的闪长岩以及浅侵位有利于岩浆流体的出溶，也是邯邢式铁矿形成的先决条件。致谢：野外工作过程中得到了冶金地质总局山东正元地质勘察院、山东省煤田地质规划勘察研究院、山东金召矿业有限公司、山东金鼎矿业有限责任公司和济南市莱芜金牛矿业开发公司的大力支持，韩智昕和胡加斌分别陪同了莱芜和金岭野外工作全程，谨此谢忱。封面标题、导读评论和排版整理等：《覆盖区找矿》公众号.------------往期精彩回顾-------------
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