劉典波,石成龍，李利陽(yáng)，趙 禹，張傳恒

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.武警黃金第四支隊(duì)，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

河北宣龍鐵礦地質(zhì)特征及開(kāi)采問(wèn)題

劉典波1,石成龍1，李利陽(yáng)2，趙 禹1，張傳恒1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.武警黃金第四支隊(duì)，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

河北宣龍鐵礦是我國(guó)重要的沉積型鐵礦，了解其地質(zhì)特征能夠給鐵礦開(kāi)采中存在的問(wèn)題提供參考處理意見(jiàn)。本文對(duì)宣龍鐵礦成礦時(shí)區(qū)域地質(zhì)背景、含礦層位和成礦地質(zhì)年代、全球環(huán)境進(jìn)行研究，并結(jié)合對(duì)鮞狀赤鐵礦和疊層石赤鐵礦結(jié)構(gòu)特征、地球化學(xué)特征和沉積環(huán)境的分析，可知宣龍鐵礦形成于障壁海岸環(huán)境中的障壁島臨濱環(huán)境，深海中的Fe2+在鐵細(xì)菌和藍(lán)細(xì)菌共同作用下在宣化-龍關(guān)一帶富集成礦。宣龍鐵礦的地質(zhì)特征與鐵礦開(kāi)采過(guò)程中采礦點(diǎn)分散、開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益低、鐵礦回采率低和環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題關(guān)系密切。

宣龍鐵礦； 中元古代； 地質(zhì)特征； 開(kāi)采問(wèn)題

宣龍鐵礦位于河北省宣化-赤誠(chéng)-龍關(guān)一帶，是我國(guó)中元古代早期重要的典型沉積型鐵礦床。Andersson等在1923～1924年間根據(jù)宣龍鐵礦的區(qū)域分布特點(diǎn)，首次將這一類型的鐵礦命名為“宣龍式鐵礦”[1]。宣龍鐵礦分布面積約3900km2，累計(jì)探明鐵礦資源量3億多噸[2]。

鐵建造(Iron Formation，簡(jiǎn)稱IF)包括條帶狀鐵建造(Banded Iron Formation，簡(jiǎn)稱BIF)和粒狀鐵建造(Granular Iron Formation，簡(jiǎn)稱GIF)。BIF主要出現(xiàn)在太古代和古元古代早期，GIF在古元古代中更為常見(jiàn)。IF普遍在1.85Ga時(shí)突然消失，在新元古代晚期重新出現(xiàn)[3]。

宣龍鐵礦主要是鮞狀赤鐵礦和疊層石赤鐵礦，這兩種類型的赤鐵礦都屬于IF中典型的GIF，形成時(shí)代約為1.65Ga。宣龍鐵礦的出現(xiàn)與全球范圍內(nèi)鐵礦大規(guī)模出現(xiàn)的時(shí)間是不一致的，反映了華北克拉通在這一時(shí)期特殊的區(qū)域構(gòu)造背景和沉積環(huán)境。了解宣龍鐵礦的地質(zhì)特征，有助于理解整個(gè)華北克拉通的古海洋和古構(gòu)造背景，同時(shí)對(duì)宣龍鐵礦的勘探和開(kāi)采也有重要指導(dǎo)意義。

宣龍鐵礦的大規(guī)模開(kāi)采利用是從1918年首鋼的前身龍關(guān)鐵礦股份有限公司開(kāi)始的，至今已經(jīng)有近百年的歷史[4]。在開(kāi)采過(guò)程中所暴露出來(lái)的鐵礦綜合利用率低、生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重、不重視環(huán)境保護(hù)、礦山恢復(fù)困難等問(wèn)題值得引起思考。

1 宣龍鐵礦地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

宣龍鐵礦賦存在中元古代早期長(zhǎng)城系串嶺溝組底部。從區(qū)域構(gòu)造背景看，它位于華北克拉通燕遼裂谷內(nèi)。燕遼裂谷在這一時(shí)期處于伸展構(gòu)造發(fā)育期。華北克拉通從古元古代晚期的變質(zhì)事件之后，開(kāi)始了裂谷系的發(fā)育與演化，形成了與燕遼裂谷并存的熊耳裂谷、北緣裂谷和東緣裂谷，這些裂谷在成因上是有聯(lián)系的裂谷系[5]。

宣龍鐵礦的形成與華北克拉通的演化關(guān)系密切，是局部與整體的關(guān)系。華北克拉通1.72G～1.62Ga的非造山巖漿活動(dòng)和哥倫比亞超大陸聚合后的裂解[5]，對(duì)理解宣龍鐵礦鐵元素來(lái)源有重要意義。

1.2 含礦層位和地質(zhì)年代

宣龍鐵礦的鐵礦層賦存于長(zhǎng)城系串嶺溝組底部。長(zhǎng)城系自下而上分為4個(gè)組，分別是常州溝組、串嶺溝組、團(tuán)山子組和大紅峪組。宣龍鐵礦所在地區(qū)的串嶺溝組由底部薄層細(xì)砂巖-粉砂巖夾鐵礦層和上部灰黑色-灰綠色泥頁(yè)巖組成，與上、下地層呈連續(xù)沉積。在宣龍地區(qū)串嶺溝組可以分為兩段。一段總體呈現(xiàn)紫紅色，主要由薄層細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖和鐵礦層組成。二段主要由灰黑色泥頁(yè)巖夾薄層粉砂巖構(gòu)成，二段底部有薄層鐵巖層，但是鐵巖層不是由鮞粒狀赤鐵礦或疊層石狀赤鐵礦構(gòu)成，品位較低，不構(gòu)成工業(yè)礦層。

宣龍鐵礦形成的地質(zhì)年代限定在1670M～1638Ma之間。隨著SHRIMP和LA-MC-ICPMS技術(shù)的應(yīng)用，華北克拉通長(zhǎng)城系地質(zhì)年代學(xué)的研究近年來(lái)取得重要進(jìn)展，出現(xiàn)了很多關(guān)于華北克拉通中元古代地層年齡的報(bào)道。雖然沒(méi)有可靠的串嶺溝組和下覆地層常州溝組的直接測(cè)年數(shù)據(jù)，但是根據(jù)串嶺溝組侵入巖和常州溝組底部花崗巖巖脈的測(cè)年數(shù)據(jù)可以間接限定賦存在串嶺溝組底部宣龍鐵礦的年齡。串嶺溝組輝綠巖脈的SHRIMP鋯石U-Pb年齡為1638±14Ma[6]，限定了串嶺溝組的年齡要早于1638±14Ma。與常州溝組砂礫巖呈不整合接觸的密云花崗斑巖巖脈LA-MC-ICPMS鋯石U-Pb同位素年齡為1673±10Ma，表明常州溝組底界年齡小于1670Ma[7]。據(jù)上可以推斷宣龍鐵礦的地質(zhì)年齡約為1650Ma。

1.3 成礦的全球環(huán)境背景

宣龍鐵礦成礦時(shí)全球海水已經(jīng)部分氧化。全球第一次大成氧事件(Great Oxidation Event,簡(jiǎn)稱GOE，時(shí)代為2.45Ga)之后，大氣氧含量明顯增高，海水開(kāi)始氧化，在海水中出現(xiàn)氧化還原界面，上層海水為富氧氧化狀態(tài)，下層海水為缺氧還原狀態(tài)。

宣龍鐵礦的形成環(huán)境和特征與太古代和古元古代的BIF沉積在完全不同的環(huán)境并且具有不同的礦物組成和結(jié)構(gòu)[8]。幾乎所有太古代的IF都包含主要是BIF和富含硅的鐵的薄層，通常但并不是全部都沉積在相對(duì)深水環(huán)境中，缺乏波浪或風(fēng)暴活動(dòng)的證據(jù)。反之，大部分在18.8Ga之后形成的IF沉積在靠近風(fēng)暴或正常浪基面或之上，通常有顆粒結(jié)構(gòu)，屬于GIF[3]。這些不同，不僅反應(yīng)了他們的沉積環(huán)境有區(qū)別，而且反應(yīng)了二價(jià)鐵氧化和三價(jià)鐵沉積作用機(jī)制上的不同。

1.4 鐵礦含礦層位特征

宣龍鐵礦含礦層的基本序列是下部為鮞狀赤鐵礦層，中部為疊層石赤鐵礦層，上部為粉屑赤鐵礦層。有工業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值的礦層一般為2層，分別是下部鮞狀赤鐵礦層和中部疊層石赤鐵礦層，這兩套含礦層中間夾薄層粉砂巖或砂巖。

鐵礦層的厚度和發(fā)育程度自北而南呈遞減趨勢(shì)，至懷來(lái)-延慶一線快速尖滅，且鐵礦層上覆的黑色泥巖中發(fā)育的含赤鐵礦鮞粒的石英砂脈中發(fā)育的斜層理前積層指向南。

含鐵巖層的數(shù)量不同地區(qū)有所差異，從1～5層不等，鐵礦巖層的厚度從0.18～5.38m不等[2]。在三岔口剖面，鐵礦層最厚，可達(dá)5～7m，在馬家窯剖面鐵礦層厚度變薄，為2～3m。

鐵礦層中常與液化脈、地震驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造發(fā)育的砂巖層共生，暗示斷裂活動(dòng)與鐵建造形成具有成因聯(lián)系。

1.5 礦物組成

宣龍鐵礦的成礦礦物主要為赤鐵礦，其次為菱鐵礦和褐鐵礦，含少量黃鐵礦和磁鐵礦。赤鐵礦為原生礦物。菱鐵礦產(chǎn)于赤鐵礦上部或頂部，與赤鐵礦共生，以多種方式交代赤鐵礦，是成巖作用階段后生的產(chǎn)物[9]。褐鐵礦、黃鐵礦和磁鐵礦也非原生礦物。褐鐵礦為赤鐵礦、菱鐵礦風(fēng)化作用的產(chǎn)物。

1.6 鮞狀赤鐵礦和疊層石赤鐵礦的特征

鮞狀赤鐵礦的鮞粒由赤鐵礦構(gòu)成，呈鐵質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)物中含有沙礫等雜質(zhì)?；咎卣鳛轷b粒直徑從小于1～6mm，形態(tài)有正常的鮞粒狀，還有壓扁的薄餅狀，甚至有很多破碎的鮞粒構(gòu)成碎屑鮞粒層，鮞粒有的為規(guī)則的同心圓形，有的為橢圓形，有的具有連續(xù)的不規(guī)則的同心紋層，大多數(shù)鮞粒的分選性不好，大小鮞混雜出現(xiàn)。

疊層石赤鐵礦的疊層石全部由赤鐵礦組成，疊層石之間會(huì)填充少量鮞粒。橫斷面可以看到很多呈腎狀的凸起，因而得名“腎狀赤鐵礦”。從新鮮的橫斷面看，疊層石上腎狀小球體大小不一，直徑從3～25mm。多數(shù)球體的球面呈不對(duì)稱狀，一面平緩，一面陡立，推斷平緩的面是迎水面。有的球體頂面還有凹坑出現(xiàn)，推斷是海水沖刷回流后形成的。疊層石中充填的鮞粒，推斷不是與疊層石共生的，而是鮞粒形成后隨海水沖刷搬運(yùn)到疊層石中的。從橫斷面的光面看，球體直徑為5～30mm，疊層石之間的間隙0～7mm，疊層石圍繞中心點(diǎn)成不規(guī)則的環(huán)狀。從縱斷面看，鐵疊層石多數(shù)呈柱狀生長(zhǎng)，多半疊層石有分叉，有些剖面上的疊層石均向某一特定方向傾斜，單支疊層石與橫斷面形成約60°夾角，具有明顯的指向性，推斷可能與海水古流向有關(guān)。

1.7 地球化學(xué)特征

宣龍鐵礦主量元素中Fe2O3含量均值為72.29%，其次SiO2含量均值為15.22%，Al2O3、TiO2和P2O5含量較高[10]。

從圖1可以,看出宣龍鐵礦具有兩個(gè)特征：一是鐵礦Sr/Ba明顯大于黑色泥巖;二是鐵礦明顯富集Mo、V、Re和U。其中，Mo含量最高75.6ppm，一般20ppm。串嶺溝組的泥巖，無(wú)論是在冀北地區(qū)還是在宣龍地區(qū)，一般都小于1ppm，這指示宣龍鐵礦發(fā)育區(qū)的古海洋明顯富硫。同時(shí)，宣龍鐵礦還具有Ba、Rb、Nb和Ta相對(duì)虧損的特征[10]。

圖1 赤城三岔口剖面氧化還原敏感元素、Sr/Ba比值垂向變化曲線

1.8 沉積環(huán)境

宣龍鐵礦形成于障壁海岸的障壁島臨濱環(huán)境，其中鮞狀赤鐵礦形成于高能的下臨濱，疊層石赤鐵礦形成于低能的上臨濱。鮞粒一般形成于動(dòng)蕩的高能環(huán)境下，礦區(qū)內(nèi)鮞粒大量發(fā)育，而且見(jiàn)壓扁狀的鮞粒，鮞粒碎片，這說(shuō)明鮞粒形成于高能的下臨濱環(huán)境。砂巖中見(jiàn)波痕及小的沖刷面、有些疊層石具有明顯的指向性，疊層石橫斷面的球體上有迎水面等特征，可以推斷宣龍鐵礦沉積在風(fēng)暴浪基面之上。

1.9 宣龍鐵礦成礦地質(zhì)成因

宣龍鐵礦因?yàn)榀B層石的存在是生物成因這一點(diǎn)沒(méi)有異議。以前認(rèn)為宣龍赤鐵礦是由于藍(lán)藻(藍(lán)細(xì)菌)的生長(zhǎng)發(fā)育使鐵質(zhì)得到富集，形成赤鐵礦[11]，后來(lái)認(rèn)為是由于鐵細(xì)菌和藍(lán)細(xì)菌相互作用導(dǎo)致的生物礦化，形成生物粘結(jié)礦床[12]。藍(lán)細(xì)菌通過(guò)光合作用，釋放出O2，使水體氧化，好氧的鐵細(xì)菌吸取水體中Fe2+，與O2結(jié)合形成Fe2O3·nH2O膠體沉淀形成赤鐵礦。

宣龍鐵礦Fe元素來(lái)源于海底熱液。首先Fe元素不會(huì)來(lái)源于風(fēng)化的陸源碎屑，地球在經(jīng)歷大成氧事件后，河流水體已經(jīng)氧化，風(fēng)化作用形成的Fe2+還來(lái)不及進(jìn)入海洋，已經(jīng)被徹底氧化為Fe3+沉淀下來(lái)，因此宣龍鐵礦的Fe元素只能源于海洋。華北克拉通1.72G～1.62Ga的非造山巖漿活動(dòng)和哥倫比亞超大陸聚合后裂解[13]，海底火山和熱液活動(dòng)釋放大量Fe2+。在洋流和離子擴(kuò)散的作用下，深海中的Fe2+被源源不斷的帶到宣化地區(qū)，最終在鐵細(xì)菌和藍(lán)細(xì)菌共同作用下在宣化附近富集成礦。

2 開(kāi)采問(wèn)題

2.1 鐵礦的規(guī)模

特殊的地質(zhì)成因限定了宣龍鐵礦的規(guī)模。宣龍鐵礦累計(jì)探明資源儲(chǔ)量為3億多噸[2]，在后續(xù)的開(kāi)采過(guò)程中，還應(yīng)該結(jié)合地質(zhì)特征，加大勘探力度，發(fā)現(xiàn)更多的鐵礦資源。

2.2 礦石的品位

宣龍鐵礦石鐵品位較高，達(dá)48.65%，經(jīng)過(guò)焙燒-弱磁選礦后，可以得到鐵的品位62.5%，鐵回收率為85.5%的精鐵礦[14]。

2.3 采礦點(diǎn)分散

宣龍鐵礦由于其特殊的成礦地質(zhì)環(huán)境，不適合大規(guī)模開(kāi)采。宣龍鐵礦形成于障壁島臨濱環(huán)境，本身分布范圍較小，礦層薄，加上后期構(gòu)造斷層的切割，從而使宣龍鐵礦的礦山分布不連續(xù)，采礦點(diǎn)眾多而分散，多數(shù)采礦點(diǎn)分布在山區(qū)。

2.4 開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益低

宣龍鐵礦的開(kāi)采方式有兩種：一種是露天開(kāi)采，通過(guò)大型機(jī)械將串嶺溝組上部地層剝掉，采集底部鐵礦層；一種是坑道采礦，通過(guò)一邊挖坑道一邊采礦的方式沿礦體向山體內(nèi)部采礦。

這兩種開(kāi)采方式的經(jīng)濟(jì)效益都比較低。露天開(kāi)采成本太高。需要?jiǎng)冸x串嶺溝組上部甚至包括團(tuán)山子組20～40m厚的泥頁(yè)巖，工程量大，最后獲得的鐵礦層厚度約為1m。這種方式在鐵礦石價(jià)格高的時(shí)候有經(jīng)濟(jì)效益，在鐵礦石價(jià)格低的情況下是虧損的。坑道開(kāi)采成本低，但勞動(dòng)生產(chǎn)率太低。這種方式直接在鐵礦層挖掘坑道采礦，由于礦層薄，坑道低矮，只能人工開(kāi)采，通過(guò)小推車(chē)將礦石從坑道運(yùn)到坑外。目前依然可見(jiàn)這種方式在進(jìn)行零星開(kāi)采。

2.5 鐵礦回采率低

鐵礦回采率低于60%。宣龍鐵礦由多層鐵礦石構(gòu)成，不同礦層品位不同，同一礦層由于所處的位置不同，品位也不一樣。實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，只開(kāi)采鮞狀赤鐵礦和疊層石赤鐵礦形成的富礦，貧礦直接丟棄。以宣化劉家窯村地區(qū)為例，只有厚0.3m品位約為60%的疊層石狀赤鐵礦被開(kāi)采，厚0.4m品位40%左右的鮞狀赤鐵礦則被直接丟棄。

2.6 開(kāi)采過(guò)程中的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題

宣化鐵礦開(kāi)采過(guò)程中存在很多環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。首先，露天開(kāi)采過(guò)程中剝離的大量巖土沒(méi)有進(jìn)行任何處理，就地堆置。這種開(kāi)采方式將原有的土壤和植被完全被破壞，開(kāi)采區(qū)很多年后植被都無(wú)法生長(zhǎng)，同時(shí)造成水土流失。其次，鐵礦開(kāi)采對(duì)地下水和地表水造成污染。鐵礦開(kāi)采過(guò)程中，開(kāi)采出來(lái)的礦石和丟棄的低品位礦石經(jīng)過(guò)雨淋和風(fēng)化，對(duì)地下水和地表水都會(huì)造成嚴(yán)重污染。最后，礦石開(kāi)采所挖掘的采礦坑和隨意堆置的大量巖土容易引發(fā)大面積地表開(kāi)裂、山體滑坡、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

導(dǎo)致以上環(huán)境破壞問(wèn)題的原因主要有以下幾點(diǎn)：一是宣化鐵礦是具有很長(zhǎng)開(kāi)發(fā)歷史的鐵礦，在以往的開(kāi)采過(guò)程中環(huán)境保護(hù)意識(shí)不強(qiáng)；二是鐵礦采礦點(diǎn)分散，私采濫挖現(xiàn)象嚴(yán)重[15]，這種情況下環(huán)境保護(hù)無(wú)從談起；三是采礦企業(yè)不愿意在環(huán)保上投資，監(jiān)管部門(mén)監(jiān)管困難。

宣龍鐵礦開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)該采取邊開(kāi)采邊保護(hù)的形式進(jìn)行礦山恢復(fù)。利用剝離的巖石對(duì)礦坑進(jìn)行回填，利用剝離的土壤對(duì)于裸露區(qū)和廢石區(qū)進(jìn)行覆土，復(fù)種植被，減少水土流失和水資源污染。

3 結(jié)論

宣龍鐵礦的地質(zhì)特征與開(kāi)采問(wèn)題關(guān)系密切。這些地質(zhì)特征包括宣龍鐵礦主要是鮞粒狀赤鐵礦和疊層石赤鐵礦，形成于16.5Ga左右華北克拉通燕遼裂谷的宣龍地區(qū)，F(xiàn)e元素來(lái)源于深海巖漿活動(dòng)產(chǎn)生的熱液，經(jīng)鐵細(xì)菌-藍(lán)細(xì)菌的共同作用在宣化一帶障壁海岸富集成礦。

宣龍鐵礦的開(kāi)采問(wèn)題主要包括采礦點(diǎn)多而散，私采濫挖現(xiàn)象嚴(yán)重，不僅造成資源浪費(fèi)還造成土壤和植被的破壞，堆積大量廢棄的巖土，污染地下水和地表水，容易引發(fā)大面積地表開(kāi)裂、山體滑坡、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。這些問(wèn)題在后續(xù)開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)該引起重視并盡早開(kāi)展礦山恢復(fù)工作。

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Geological characteristics and mining problems of Xuanlong iron ore deposit in Hebei province

LIU Dianbo1, SHI Chenglong1, LI Liyang2, ZHAO Yu1, ZHANG Chuanheng1

(1.School of the Earth Science and Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China;2.No. 4 Golden Geological Party, Chinese Armed Police Force, Liaoyang 111000, China)

The Xuanlong iron ore deposit in Hebei Province is a very important sedimentary iron ore in China. Knowing it’s geological characteristics can provide solutions for mining problems. This article analyze its geological background, the iron layers in Chuanlinggou Formation and its geological age, and consider of the structure of ooid hematite and stromatolite hematite, geochemistry, their sedimentary settings. It demonstrated that the Xuanlong iron ore deposited in the shoreface of barrier island condition. Xuanlong iron ore should be related to the iron bacteria and blue bacteria, the Fe2+came from the deep sea. There is a closed relationship between the mining problems and the geological characteristics of the iron ore deposit. The mining problems include mining point dispersion, low economic benefits, low rate of percentage recovery iron resources and poor environmental protection.

Xuanlong iron ore deposit; mesoproterozoic; geological characteristics; mining problem

2016-08-12

劉典波(1977-)，男，助理研究員，古生物學(xué)與地層學(xué)專業(yè)，E-mail：Ldb@cugb.edu.cn。

P595;TD353

A

1004-4051(2016)12-0094-04