秦元奎，姚敬劬

(中南冶金地質(zhì)研究所，湖北宜昌 443003)

五峰縣龍角壩鐵礦區(qū)磁性鐵礦層的發(fā)現(xiàn)及其地質(zhì)意義

秦元奎，姚敬劬

(中南冶金地質(zhì)研究所，湖北宜昌 443003)

五峰縣龍角壩鐵礦是鄂西四大寧鄉(xiāng)式鐵礦之一。據(jù)當(dāng)時地質(zhì)勘查確定，礦區(qū)主礦層屬寧鄉(xiāng)式鐵礦第4礦層 (Fe4)，其中上礦層為褐鐵礦鮞綠泥石礦層，下礦層為鮞狀赤鐵礦層。經(jīng)最近調(diào)研，發(fā)現(xiàn)下礦層實際上為磁性鐵礦層，礦石由大量磁鐵礦和赤鐵礦、菱鐵礦、鮞綠泥石等組成，礦層具有很強(qiáng)的磁性。這一發(fā)現(xiàn)改變了對龍角壩鐵礦的認(rèn)識，也動搖了對鄂西寧鄉(xiāng)式鐵礦物質(zhì)組成的理念;對今后的地質(zhì)勘查和工業(yè)利用將產(chǎn)生重要影響。

龍角壩鐵礦;磁性鐵礦層;地質(zhì)意義

0 引言

五峰龍角壩鐵礦是鄂西四大寧鄉(xiāng)式鐵礦之一［1］，已提交鐵礦資源儲量1.39億t，預(yù)測遠(yuǎn)景資源量3億t［2］。據(jù)1959年地質(zhì)勘查確定，礦區(qū)主礦層為寧鄉(xiāng)式鐵礦的第4礦層(Fe4)，其中上礦層為褐鐵礦鮞綠泥石礦層，下礦層為豆?fàn)铛b狀赤鐵礦層。2009年—2011年本所幾次對該礦區(qū)進(jìn)行野外調(diào)研和采樣測試，發(fā)現(xiàn)下礦層實際為磁性鐵礦層，礦石由磁鐵礦、赤鐵礦、菱鐵礦、鮞綠泥石組成，磁鐵礦的含量達(dá)17.28% ～35.53%。礦層具有很強(qiáng)的磁性，能吸住磁鐵，使羅盤失靈。這一發(fā)現(xiàn)改變了對龍角壩鐵礦層性質(zhì)的認(rèn)識，也動搖了對鄂西寧鄉(xiāng)式鐵礦物質(zhì)組成的認(rèn)識［2，3］;并對今后寧鄉(xiāng)式鐵礦的勘查和工業(yè)利用有著重要影響。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

礦區(qū)位于五峰縣城北西西方向直距31 km處，距牛莊鄉(xiāng)3 km。礦區(qū)包括燈草壩、龍角壩、九里坪、羅強(qiáng)巖等礦段，東西長18 km，南北寬1.4 ～6.4 km，面積約50 km2(圖1)。

圖1 龍角壩鐵礦地質(zhì)圖Fig.1 Geological sketch map of Longjiaoba iron deposit

區(qū)內(nèi)出露地層有志留系、泥盆系、石炭系、二疊系和三疊系等。泥盆系上統(tǒng)黃家磴組和寫經(jīng)寺組為含礦地層。黃家磴組由砂質(zhì)頁巖與石英砂巖互層構(gòu)成，寫經(jīng)寺組下部由厚層石英砂巖和頁巖構(gòu)成，上部為泥質(zhì)灰?guī)r、頁巖和粉砂巖。

礦區(qū)的主體構(gòu)造由北東方向的九里坪背斜、趙家磴向斜、燈草壩背斜相互交替構(gòu)成，背斜的核部為志留系地層，向斜的核部為三疊系地層褶皺。兩翼均由泥盆系、石炭系及二疊系地層組成。鐵礦層產(chǎn)于翼部泥盆系地層中，褶皺構(gòu)造控制了礦層的展布。主要斷裂有龍角壩、長河坪、鍋廠、周家河等正斷層和金山坪、羅家?guī)r等逆斷層，均為成礦后斷裂，錯斷含礦巖系和礦層。

礦區(qū)共有鐵礦4層，分別賦存在上泥盆統(tǒng)黃家磴組中部、上部和寫經(jīng)寺組的下部和上部，相應(yīng)命名為Fe1、Fe2、Fe3、Fe4礦層［4］。其中 Fe1、Fe2礦層不穩(wěn)定，工業(yè)意義小。Fe3礦層不連續(xù)，規(guī)模小，僅在羅強(qiáng)巖、九里坪等地段發(fā)育較好，厚1.55～2.95 m，局部具有工業(yè)價值。Fe4是主礦層，賦存在寫經(jīng)寺組上部，礦層沿九里坪背斜和燈草壩背斜兩翼呈帶狀分布，沿走向長18 km。含礦巖系厚5～11.25 m，由上礦層和下礦層構(gòu)成，礦層厚分別為0.42～4.7 m和0～6 m，資源儲量為 1.21 億 t，占全區(qū)的 87.14%。

礦區(qū)礦石平均品位為TFe40.95%，含SiO212.26%，S 0.139%，P 0.796%。礦石品級可分為貧礦與一般富礦兩類，貧礦TFe品位≥37.85%，資源儲量1.05億t;一般富礦 TFe品位≥53.29%，資源儲量2 648.9萬t。

2 磁性鐵礦層地質(zhì)特征

2.1 礦層層序

磁性鐵礦層即Fe4礦層的下礦層，礦層呈黑紅色，鮞狀或致密塊狀構(gòu)造，具有強(qiáng)磁性，能吸住磁鐵，使羅盤失靈。該層原被定為豆?fàn)?、鮞狀赤鐵礦層，在礦石中僅鑒定出赤鐵礦、褐鐵礦、水針鐵礦、綠泥石等礦物，未鑒定出磁鐵礦。

本次工作經(jīng)對西淌、王家坳、沙河、龍角壩、宋家坡等點礦層剖面的調(diào)查，確定磁性鐵礦層的層序結(jié)構(gòu)見圖2。

層序結(jié)構(gòu)自下而上為：

①泥灰?guī)r：灰白色、灰色泥灰?guī)r，含微細(xì)泥質(zhì)條帶，中—薄層狀。厚0.4～2 mm;

②黃色頁巖：黃灰色、黃綠色頁巖，不穩(wěn)定。厚0.1 ～0.3 m;

③磁性鐵礦層(Fe4下礦層)：黑紅色，由磁鐵礦、赤鐵礦、菱鐵礦、鮞綠泥石等組成，可見鮞狀豆?fàn)顦?gòu)造、致密塊狀，具強(qiáng)磁性。厚0.8～3.5 m(圖3);

圖2 含礦巖系(Fe4)層序結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sequence of ore-bearing formation

④ 黃色、灰綠色頁巖夾層。厚0.1～0.4 m;

⑤褐鐵礦鮞綠泥石礦層(Fe4上礦層)：褐黑色，塊狀、多孔狀礦石，由褐鐵礦、鮞綠泥石等組成，孔洞中被黃色、橙色鐵質(zhì)泥質(zhì)物充填。無磁性。厚0.42～4.7 m;

⑥碳質(zhì)頁巖：黑色碳質(zhì)頁巖，頁理發(fā)育、松散、污手。厚1～5 m;

⑦砂頁巖：由頁巖夾砂巖組成。

磁性鐵礦層在層序結(jié)構(gòu)中的位置十分穩(wěn)定，底板為泥灰?guī)r和薄層頁巖，上部為褐鐵礦鮞綠泥石礦層，層次分明，標(biāo)志明顯，野外易于識別。

2.2 形態(tài)產(chǎn)狀及規(guī)模

磁性鐵礦層呈層狀，圍繞九里坪背斜和燈草壩背斜核部志留紀(jì)地層作環(huán)狀分布，其產(chǎn)狀與背斜翼部產(chǎn)狀一致;北翼礦層傾向北北西，傾角40°～50°，南翼礦層傾向南南東，傾角20°～50°。目前地表剖面控制的長度為10 km以上，據(jù)民采坑道揭露，礦層延深在100 m以上，預(yù)測全礦區(qū)磁性鐵礦石總資源儲量可達(dá)5 000萬 t。

3 磁性鐵礦層礦石特征

3.1 礦物組成

據(jù)光薄片鑒定及電子探針分析，磁性鐵礦層的礦物組成有：磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦、鮞綠泥石、黃鐵礦、玉髓、方解石、粘土礦物等。取自龍角壩西淌樣品的化學(xué)物相分析結(jié)果見表1。

圖3 磁性鐵礦層Fig.3 Magnetic iron ore bed

主要鐵礦物的特征如下：

磁鐵礦 礦石中的含量17.28% ～35.53%。在礦層中普遍產(chǎn)出，布滿整個礦層，但含量有所變化。磁鐵礦為自形半自形粒狀，粒度0.01～0.10 mm，多稠密浸染于赤鐵礦鮞粒之間(圖4)。

圖4 礦石中的磁鐵礦Fig.4 Magnetite in ore

赤鐵礦 含量1.10% ～34.35%，微晶隱晶結(jié)構(gòu)，組成鮞粒，或散布于鮞粒之間與磁鐵礦交互生長。赤鐵礦分布不均勻，似與磁鐵礦有互為消長關(guān)系，致使礦層顏色偏紅(赤鐵礦含量高)或偏黑(磁鐵礦含量高)。

表1 礦石鐵礦物相分析結(jié)果(%)Table 1 Analysis results of iron mineral phases in ores

菱鐵礦 含量0.12% ～14.58%，不規(guī)則粒狀，粒度0.05～0.1 mm，相互鑲嵌，團(tuán)塊狀、條帶狀產(chǎn)出，經(jīng)風(fēng)化被褐鐵礦交代。

鮞綠泥石 含量4.50% ～7.57%，微細(xì)鱗片狀組成鮞粒，或產(chǎn)于赤鐵礦鮞粒中部。風(fēng)化后被褐鐵礦交代。

脈石礦物有石英、玉髓、方解石、粘土礦物等。

3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

礦物主要結(jié)構(gòu)有針柱狀微粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)(赤鐵礦)、自形半自形細(xì)粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)(磁鐵礦、菱鐵礦)、鱗片狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)(鮞綠泥石)等;主要構(gòu)造有鮞(豆)狀構(gòu)造：赤鐵礦、鮞綠泥石及玉髓，同心層狀包裹組成直徑0.2～2.0 mm的鮞粒、豆粒;塊狀構(gòu)造：鮞粒豆粒緊密膠結(jié)，形成致密塊狀礦石。礦層未見明顯層紋。

4 磁性鐵礦層成因分析

4.1 沉積環(huán)境特征

鄂西地區(qū)自中泥盆紀(jì)開始，形成了含鐵的沉積盆地——鄂南盆地，該盆地是華南洋湘鄂海盆的北延部分。成礦盆地的中心部位在宜昌、恩施、五峰一帶，發(fā)育了遠(yuǎn)濱相(淺海陸棚相)沉積，鐵礦即賦存在其中。在晚泥盆世沉積形成過程中，海平面發(fā)生幾次周期性的升降，分別形成了4個礦層。由于礦層形成時沉積環(huán)境的差異，使礦層的礦物共生組合有所不同，磁鐵礦主要出現(xiàn)在還原環(huán)境中。

4.2 沉積水體氧化還原電位(Eh)和酸堿度(pH)條件

寧鄉(xiāng)式鐵礦為海相沉積鐵礦，鐵元素的富集沉淀服從鐵在沉積作用中地球化學(xué)性質(zhì)。鐵的沉淀和形成的礦物組合取決于pH和Eh值，以及溶液中鐵離子活度、二氧化碳逸度(fCO2)、硫逸度(fS2)等因素。這些因素相互制約和相互影響，決定了不同鐵礦物沉淀的穩(wěn)定域(圖 5、6)。

圖5 鐵礦物相圖(1)Fig.5 Facies map of iron minerals(1)

圖6 鐵礦物相圖(2)Fig.6 Facies map of iron minerals(2)

本區(qū)鐵礦中出現(xiàn)赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、菱鐵礦(FeCO3)、鮞綠泥石(二價鐵的硅酸鹽礦物)及黃鐵礦等5種礦物相，其產(chǎn)出的物理化學(xué)條件各不相同。

赤鐵礦 赤鐵礦的穩(wěn)定域最大，在堿性條件下即使Eh為負(fù)值也能出現(xiàn)，和菱鐵礦、磁鐵礦或鮞綠泥石達(dá)到相互平衡。

磁鐵礦 由相圖知，磁鐵礦的穩(wěn)定域范圍為pH＞8.5，Eh= －0.2 ～ －0.6 v，在 pH ＞8.5，Eh= －0.2 ～－0.4 v時磁鐵礦和赤鐵礦達(dá)到平衡，兩者共生;pH=9～10，Eh= －0.2 ～ －0.3 v時磁鐵礦和菱鐵礦平衡，可相互共生。

菱鐵礦 穩(wěn)定域范圍有兩個區(qū)域，一個為Eh=0～－0.3 v，pH=6.5 ～9.5;另一個為 Eh= －0.25 ～ －6 v，pH=6.5～10.5，本區(qū)菱鐵礦與赤鐵礦共生，故其穩(wěn)定域應(yīng)為前者。

鮞綠泥石 鮞綠泥石的穩(wěn)定域范圍為pH＞8.5，Eh= －0.25～ －0.8 v，可分別與赤鐵礦、菱鐵礦達(dá)到平衡。

黃鐵礦 黃鐵礦的穩(wěn)定場范圍pH=3.5～9，Eh=0.05～ －0.35 v，為還原條件下的產(chǎn)物，與菱鐵礦有平衡關(guān)系。

本區(qū)磁性鐵礦石中同時出現(xiàn)磁鐵礦、赤鐵礦、菱鐵礦和鮞綠泥石，說明礦石形成時物理化學(xué)條件處于相圖中的三相共結(jié)點附近(pH=9，Eh=－0.25 v)。

根據(jù)礦石中磁鐵礦與赤鐵礦的相互關(guān)系可以推測兩者形成于沉積作用的不同階段，赤鐵礦主要是從水體中以化學(xué)沉積或膠體沉積的形式形成，而磁鐵礦主要形成于成巖階段。在赤鐵礦形成后從松軟沉積固結(jié)成礦石的成巖階段，由于介質(zhì)堿性程度提高和氧化還原電位的降低，導(dǎo)致部分鐵質(zhì)溶解又重新以磁鐵礦的形式結(jié)晶出來，與赤鐵礦達(dá)到新的平衡。

4.3 沉積地球化學(xué)相

鐵在海盆中的沉積從邊緣向深處沉積物的分布依次是碎屑巖、粘土巖、碳酸巖和有機(jī)巖，鐵礦物也呈不同的相，依次為氧化物相、硅酸鹽相、碳酸鹽相和硫化物相。本次工作認(rèn)為鄂西上泥盆統(tǒng)沉積地球化學(xué)相的演變不但表現(xiàn)在橫向上，而且更大范圍和更大層次表現(xiàn)在縱向上，即表現(xiàn)在隨時間推移不同層序鐵礦層的沉積地球化學(xué)相變化。Fe1-Fe4，形成時間由早到晚，沉積地球化學(xué)相也由氧化相轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡相和還原相(表2)。

Fe1、Fe2、Fe3均屬氧化相，主要鐵礦物均為赤鐵礦。特別是Fe3沉積時，沉積環(huán)境穩(wěn)定，氧化相持續(xù)時間長，形成了厚大的鮞狀赤鐵礦層。自Fe4沉積開始，水體加深，環(huán)境氧化還原電位降低，沉積地球化學(xué)相由氧化相變成過渡相，形成了以磁鐵礦和赤鐵礦為主的磁性鐵礦層。當(dāng)Fe4上礦層形成時，已進(jìn)入弱還原相，形成了鮞綠泥石菱鐵礦礦層(經(jīng)表生氧化后變成褐鐵礦礦層)。Fe4的頂板為碳質(zhì)頁巖(有機(jī)巖)、為還原環(huán)境的產(chǎn)物，進(jìn)一步證明了本區(qū)各層鐵礦形成時地球化學(xué)相由氧化轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原的趨向。

表2 鄂西各鐵礦層沉積地球化學(xué)相Table 2 Sedimantry geochemistry facies of iron ore beds，West Hubei

5 磁性鐵礦層發(fā)現(xiàn)的意義

(1)在礦床學(xué)方面，改變了對五峰龍角壩寧鄉(xiāng)式大型鐵礦床主礦層Fe4礦層性質(zhì)的認(rèn)識，同時也動搖了對鄂西寧鄉(xiāng)式鐵礦物質(zhì)組成的認(rèn)識。據(jù)全國寧鄉(xiāng)式鐵礦的研究，除了湘南大坪鐵礦、湘東茶陵鐵礦和贛西烏石山鐵礦等由于受巖漿作用和變質(zhì)作用的影響有磁鐵礦產(chǎn)出外，其余礦床主要礦石類型均為鮞狀赤鐵礦。鄂西地區(qū)是中國寧鄉(xiāng)式鐵礦的最主要產(chǎn)區(qū)，自20世紀(jì)50年代以來，共勘查了四五十個礦床，均未發(fā)現(xiàn)磁性鐵礦層。同時區(qū)內(nèi)成礦后無巖漿活動或區(qū)域變質(zhì)作用的影響，本次發(fā)現(xiàn)的同生磁鐵礦無疑為鄂西寧鄉(xiāng)式鐵礦的研究提出了新的課題。

(2)在地質(zhì)勘查方面，提示應(yīng)全面開展尋找磁性鐵礦層資源的調(diào)查評價。Fe4礦層在建始、巴東、長陽、五峰、秭歸、宜昌等縣市均有分布，在五峰龍角壩、建始太平口、巴東仙人巖和瓦屋場等礦區(qū)屬主礦層，在巴東黑石板，建始官店，長陽火燒坪、青崗坪，秭歸楊柳池，夷陵區(qū)官莊等鐵礦區(qū)也均有產(chǎn)出。

在勘查方法上，應(yīng)考慮采用航磁和地面磁法測量等物探方法，由于磁性鐵礦層延長延深大，有一定的厚度，在航磁調(diào)查中應(yīng)有所反映。通過地面磁法測量，確定磁性礦層的產(chǎn)狀、形態(tài)和延伸，應(yīng)能取得較好的效果。鄂西寧鄉(xiāng)式鐵礦區(qū)目前尚無航磁資料，建議有關(guān)部門在鄂西安排航磁項目，定能有新的發(fā)現(xiàn)。

(3)在礦石工藝礦物學(xué)和開發(fā)利用技術(shù)研究方面，應(yīng)充分考慮到寧鄉(xiāng)式鐵礦中存在著這種具有一定規(guī)模的磁性礦石類型。以往的選冶試驗基本上都以鮞狀赤鐵礦為對象［5］，今后應(yīng)立項對磁性鐵礦石進(jìn)行研究。

(4)在礦業(yè)經(jīng)濟(jì)上，提出了寧鄉(xiāng)式鐵礦富礦的主要找礦方向。由于寧鄉(xiāng)式鐵礦總體品位較低，開發(fā)利用成本高，富礦的存在是鐵礦開發(fā)能成為“經(jīng)濟(jì)的”關(guān)鍵之一［6］。磁性鐵礦層鐵品位普遍較高，一般TFe＞45%，部分礦石TFe＞50%，是目前民采主要對象。這種類型富礦的存在，為寧鄉(xiāng)式鐵礦的經(jīng)濟(jì)利用提供了一條新的途徑。

［1］姚培慧.中國鐵礦志［M］.北京：冶金出版社，1993.

［2］中南冶金地質(zhì)研究所.我國寧鄉(xiāng)式鐵礦開發(fā)利用及其環(huán)境保護(hù)研究［R］.宜昌：中南冶金地質(zhì)研究所，2009.

［3］姚敬劬.應(yīng)重新規(guī)劃開發(fā)寧鄉(xiāng)式鐵礦［J］.國土資源科技管理，2005，22(5)：13 －17.

［4］趙一鳴，畢承思.寧鄉(xiāng)式沉積鐵礦床的時空分布和演化［J］.礦床地質(zhì)，2000，19(4)：350 －360.

［5］姚敬劬，張華成.寧鄉(xiāng)式鐵礦工藝礦物學(xué)特征及選礦效果預(yù)期［J］.資源環(huán)境與工程，2008，22(5)：481 －487.

［6］中南冶金地質(zhì)研究所.鄂西寧鄉(xiāng)式鐵礦中富礦和自熔性礦的評價［R］.宜昌：中南冶金地質(zhì)研究所，2009.

Discovery and Geological Implication of Magnetic Iron Ore Beds in Longjiaoba Iron Deposit，Wufeng County

QIN Yuankui，YAO Jingqu
(Central-South Institute of Geology and Metallurgy，Yichang，Hubei443003)

Longjiaoba iron deposit is one of the four great iron deposits of Ningxiang type，western Hubei.According to geological prospecting result，the main ore bed of the deposit belongs to the fourth bed(Fe4)of Ningxiang type.It is divided in two beds：the upper one is limonite and chamosite ore，the lower one is oolitic hematite ore.Through recent survey，it discovers that the lower bed is magnetic iron ore bed，consisting of major magnetite，hematite，siderite and chamosite，having strong magnetic.This discovery changes the understanding on Longjiaoba deposit，and shakes the concept about components of Ningxiang type iron deposit at western Hubei.It has important influence on geological prospect and utilization from now on.

Longjiaoba iron deposit;magnetic ore bed;geological implication

P618.31

A

1671－1211(2011)04－0299－05

2011－04－06;改回日期：2011－04－27

秦元奎 (1970－)，男，高級工程師，地質(zhì)專業(yè)，從事地質(zhì)勘查與研究工作。E－mail：qyk710@126.com

于繼紅)