馮康寧，楊瑞東，徐 海，汪龍波，羅朝坤，高軍波(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

鐵礦是我國最為重要的大宗金屬礦產(chǎn)資源之一，其中沉積變質(zhì)型、巖漿型及矽卡巖型鐵礦是我國主要鐵礦類型，其資源儲量占據(jù)我國近80%鐵礦資源儲量[1-2]。經(jīng)過數(shù)十年的系統(tǒng)研究，在鐵礦床成因、成礦規(guī)律及找礦勘探等方面取得很多重要成果[3-12]，發(fā)現(xiàn)礦床成因類型齊全且分布數(shù)量眾多的鐵礦床，使得中國鐵礦資源儲量位列世界前列[2]。然而，我國鐵礦資源品位普遍較低，礦石組分復(fù)雜，相當(dāng)部分礦石難選冶，因而經(jīng)濟可采儲量有限[1-2,13]。以往的研究重點集中在大型、超大型鐵礦床成因及成礦規(guī)律的深入研究[7-10,12]，而對成礦規(guī)模較小的沉積型及風(fēng)化淋濾型鐵礦床的研究極為薄弱。隨著我國鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展，對于鐵礦資源的需求越發(fā)緊張，國產(chǎn)鐵礦石難以滿足需求，鐵礦資源供給面臨非常嚴(yán)峻的形勢[2,13]。因此，增強對成礦規(guī)模較小的風(fēng)化淋濾型鐵礦的研究，特別是風(fēng)化淋濾型鐵礦資源富集特征、礦化控制因素研究，對立足國內(nèi)解決中國鐵礦資源危機具有雙重的科學(xué)意義和現(xiàn)實意義。

近年來，貴州省西部地區(qū)開展鐵礦找礦工作取得重大突破，在威寧—赫章—六盤水一帶峨眉山玄武巖組與上覆宣威組間古風(fēng)化殼不整合面上，發(fā)現(xiàn)玄武巖-古風(fēng)化殼沉積型鐵礦[11,14-15]。值得注意的是，貴州西部地區(qū)峨眉山玄武巖組與下伏茅口組之間的玄武巖古風(fēng)化殼上同樣具鐵礦化特征，且兩者具有較為類似的成礦環(huán)境與成礦機理，表明貴州西部二疊系茅口組頂部玄武巖古風(fēng)化殼上有較好的鐵礦成礦潛力。

基于此，本文通過對貴州普安蓮花山二疊系茅口組頂部玄武巖古風(fēng)化殼型鐵礦開展巖石學(xué)、礦物學(xué)分析，并結(jié)合元素地球化學(xué)研究，揭示貴州西部古風(fēng)化殼元素遷移特征及成礦控制因素，為玄武巖風(fēng)化殼型鐵礦成礦規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

中晚二疊世，峨眉山地幔熱柱強烈活動，對我國川、滇、黔接壤區(qū)及周邊廣泛地區(qū)古地理、古構(gòu)造演化產(chǎn)生巨大影響[16-22]。受峨眉山地幔柱的拱托作用的影響，貴州西部地區(qū)淺海碳酸鹽臺地因抬升作用而過渡為海陸交互相或暴露于海平面之上，在長期的物理化學(xué)、機械風(fēng)化作用下，形成二疊系茅口組頂部不整合面。中二疊世茅口晚期，由于峨眉地幔柱強烈活動，促使區(qū)域范圍內(nèi)深大斷裂強烈分異，并致使中央斷裂迅速擴張并向下切穿地殼，直達(dá)上地幔軟流圈頂部，引發(fā)大規(guī)模基性玄武巖漿在極短的時間范圍內(nèi)猛烈噴發(fā)[23-24]。研究區(qū)峨眉山玄武巖主要以大陸溢流為主，總體呈西厚東薄的帶狀展布，具多旋回特征，巖性以拉斑玄武巖、玄武質(zhì)熔巖、凝灰?guī)r、火山碎屑巖等為主。玄武巖具多個旋回特征，具10多個噴發(fā)層[25-27]。研究區(qū)二疊紀(jì)玄武巖為高鐵鈦、低鎂、偏堿性或鈣堿性拉斑玄武巖，具有較高的分異和同化混染程度[25]。侯增謙等[26]認(rèn)為二疊紀(jì)玄武巖的元素地球化學(xué)主要特征為：高度富集不相容微量元素、輕稀土元素，Ti(>5%)、F、Rb、Sr、K、U、Th等元素含量高，Mg、Ca、Cr和Ni虧損。這為峨眉山玄武巖古風(fēng)化殼中Fe、Al、Ti等大型礦集區(qū)的形成提供有利的地質(zhì)地球化學(xué)背景。

2 地質(zhì)特征

依據(jù)《貴州省區(qū)域地質(zhì)志》[28]劃分意見，普安蓮花山位于黔北臺隆揚子準(zhǔn)地臺四級構(gòu)造單元普安旋扭構(gòu)造變形區(qū)中到中南部。該背斜沿NEE-SWW方向展布(圖1)，東起普安蓮花山，西至盤縣樂民，并與盤西SN向構(gòu)造帶相交。區(qū)內(nèi)主要出露地層有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系和第四系。蓮花山背斜核部主要為二疊系中統(tǒng)茅口組生物灰?guī)r，兩翼為峨眉山玄武巖及三疊系白云巖。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖[29]Fig.1 Regional geological map of research region

根據(jù)古風(fēng)化殼在縱向上巖(礦)石結(jié)構(gòu)構(gòu)造及巖相學(xué)特征，將其分為3個巖性段：

(1)風(fēng)化殼頂部為灰白色、黃灰色塊狀黏土巖，紅棕色黏土質(zhì)玄武巖，可見氣孔狀和杏仁狀構(gòu)造(圖2(a))。其礦物組成主要為輝石及長石。玄武巖中分布白色杏仁體，粒徑0.2～0.5 cm。

(2)風(fēng)化殼中下部為土黃色或褐色鐵質(zhì)浸染黏土巖(圖2(b))及黑色瘤狀、葡萄狀褐鐵礦(圖2(c))。黏土巖層頂部見層狀、條帶狀鐵質(zhì)層，厚約2～9 mm。瘤狀、葡萄狀褐鐵礦常產(chǎn)于喀斯特洼地呈塊狀或透鏡狀無規(guī)律產(chǎn)出。

(3)風(fēng)化殼下部為米黃色、灰白色角礫狀硅質(zhì)灰?guī)r，受風(fēng)化作用影響較為破碎，角礫粒度大小不一，頂部見鐵質(zhì)層，層厚0.1～0.2 cm(圖2(d))。下部為灰色、灰白色塊狀灰?guī)r，見雙殼類化石(圖2(e))。此外，下部為灰白色灰?guī)r發(fā)育條帶狀黃鐵礦(圖2(f))。

研究區(qū)鐵礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造類型較為復(fù)雜，主要有瘤狀、條帶狀、浸染狀及塊狀構(gòu)造。這些構(gòu)造類型鐵礦石在古風(fēng)化殼縱向上具有明顯的規(guī)律性，從下往上依次為條帶狀構(gòu)造—浸染狀構(gòu)造—瘤狀構(gòu)造—塊狀構(gòu)造。其中，條帶狀構(gòu)造主要分布于古風(fēng)化殼頂部的玄武質(zhì)黏土巖之上，厚2～10 cm不等；浸染狀構(gòu)造主要以鐵質(zhì)浸染的形式分布于喀斯特高地的黏土巖及玄武巖土之中，呈褐色或鐵紅色；瘤狀構(gòu)造及塊狀構(gòu)造是風(fēng)化殼鐵礦的主要類型，具極高鐵含量且呈透鏡狀產(chǎn)于喀斯特洼地或溶斗之中。

(a)紅棕色黏土質(zhì)玄武巖，氣孔和杏仁狀構(gòu)造明顯；(b)黃褐色鐵質(zhì)浸染黏土巖；(c)黑色瘤狀褐鐵礦，葡萄狀和瘤狀構(gòu)造明顯；(d)灰白色角礫狀硅質(zhì)灰?guī)r，其頂部可見鐵質(zhì)層；(e)灰色塊狀灰?guī)r，可見部分雙殼類化石；(f)灰白色灰?guī)r，可見部分黃鐵礦。

3 采樣與分析結(jié)果

3.1 樣品采集與分析

樣品采自普安蓮花山古風(fēng)化殼剖面，由頂至底共采集巖(礦)石樣品共計7件，編號為PA1—PA7。樣品主微量元素測試工作在廣州澳實分析檢測有限公司完成。

主量元素：在備好的粉樣中加入Li2B4O7-LiBO2助熔物，充分混合后，于1 000 ℃熔融。熔融物冷卻后加入稀HNO3和稀HCl溶解，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和采用ME-ICP06方法定量測試。各項元素的分析精度分別為SiO20.8%，Al2O30.5%，F(xiàn)e2O30.4%，MgO0.7%，TiO20.9%，P2O50.8%，CaO0.6%，Na2O0.3%，K2O0.4%，MnO0.7%。

微量元素：將樣品放入烤箱烘烤并冷卻至室溫，然后取40 mg 放入Teflon密封熔樣罐，逐次加入3 mL(1+1)HNO3和2.5 mL HF，超聲震蕩、蒸干和保溫(5 d+5 h)等使樣品全溶，然后加入1 mL 500 ng/g內(nèi)標(biāo)，用1% HNO3稀釋至50 g，使用FINNIGAN MAT公司生產(chǎn)的ELEMENT電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)進行測試分析，分析誤差優(yōu)于5%。

3.2 分析結(jié)果

3.2.1主量元素

巖(礦)石主量元素分析列于表1，樣品中主量元素：w(SiO2)為4.26%～84.22%，w(Al2O3)為0.94%～22.95%，w(TFe2O3)為1.99%～83.18%，w(TiO2)為0.01%～5.90%；Ca、Mg、K、Na等氧化物含量較低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%～4.0%、0.04%～1.98%、0.01%～0.40%、0.02%～0.11%。剖面由下至上表現(xiàn)為，Al2O3、TiO2和TFe2O3等難溶物質(zhì)逐漸增加，CaO、MgO和Na2O等易溶物質(zhì)逐漸流失。反映研究區(qū)風(fēng)化殼剖面主要以富集Al2O3、TFe2O3和SiO2等難溶物質(zhì)為特征。

表1 古風(fēng)化殼巖(礦)石主量元素分析表

3.2.2微量元素

微量元素測試數(shù)據(jù)列于表2。樣品中微量元素：w(As)為8.40×10-6～466.00×10-6，w(Sb)為1.33×

表2 風(fēng)化殼巖(礦)石微量元素分析表

10-6～112.00×10-6，w(Nb)Nb為0.90×10-6～54.40×10-6，w(V)為108.00×10-6～523.00×10-6，w(Sr)為13.80×10-6～319.00×10-6，w(Ba)為30.00×10-6～180.00×10-6，w(Cs)0.38×10-6～5.58×10-6，w(Cu)為17.40×10-6～507.00×10-6。樣品PA6中As含量最高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)446.00×10-6，樣品PA5中其次，為335.00×10-6；Sb主要富集于樣品PA1、PA2、PA3和PA6中；Cu主要富集于樣品PA3及PA6中，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為507.00×10-6和371.00×10-6，富集層位與As和Sb大致一致。

4 討論

4.1 古風(fēng)化殼元素遷移富集特征

玄武巖的主要礦物成分為輝石和長石，輝石主要為富Fe、Ti等礦物，長石為富Al等礦物。研究區(qū)w(TFe2O3)為1.99%～83.18%，其中褐鐵礦層w(TFe2O3)高達(dá)83.18%，風(fēng)化殼上黏土巖中也普遍具Fe富集的特征。研究區(qū)w(Al2O3)為0.94%～22.95%，w(TiO2)為0.01%～5.90%，風(fēng)化殼由頂至底表現(xiàn)為Al2O3及TiO2富集程度依次減弱的特征。值得注意的是，研究區(qū)TFe2O3(PA6)和TiO2(風(fēng)化殼中上部)含量達(dá)到工業(yè)品位，Al2O3也呈不同程度富集，表現(xiàn)出鐵-多金屬富集的特征，這一特征與黔西北威寧地區(qū)風(fēng)化殼型稀土-鐵礦礦床及貴州晴隆銳鈦礦床類似[30-32]。研究區(qū)TiO2和Al2O3富集呈正相關(guān)關(guān)系(圖3(a))，Al2O3和TFe2O3富集呈較弱負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖3(b))，且Al與Ti富集層位與Fe富集層位相分離，表現(xiàn)出Fe與Al、Ti的差異性分離富集。這可能與Fe、Al、Ti元素地球化學(xué)性質(zhì)差異性，研究區(qū)古地理格局及風(fēng)化淋濾作用有關(guān)?；鹕絿姲l(fā)間歇期，研究區(qū)氣候溫暖至濕熱，雨量充沛[33-34]，富含CO2、SO2、F等酸性雨水，造成玄武巖中富Al長石礦物分解形成高嶺石、埃洛石等黏土礦物殘留。而Fe、Ti等礦物也因輝石等礦物的分解而遷移出來，并在高嶺石等黏土礦物形成的吸附障中富集[35-36]，或呈Al3+和Ti4+以氧化物或者氫氧化物的方式沉淀或賦存于黏土礦物等“不溶物”堆積；而Fe則受頻繁的海侵及海退事件影響，研究區(qū)局部水位頻繁升降，導(dǎo)致Fe在地表水中以膠體的形式向喀斯特洼地遷移富集。這種地球化學(xué)的差異性導(dǎo)致了Fe與Al、Ti分離，表明Fe與Al、Ti分離的差異性與古地理特征，風(fēng)化作用及頻繁海侵、海退事件關(guān)系密切。

圖3 研究區(qū)古風(fēng)化殼主量元素相關(guān)性圖解Fig.3 Correlation diagram of main elements of weathered crust in the research area

隨著風(fēng)化程度的變化，母巖中多數(shù)元素均會發(fā)生不同程度的遷移，堿金屬元素Ca、Mg、K、Na被認(rèn)為是最容易發(fā)生遷移流失，較穩(wěn)定的元素為Zr、Hf、Th、Al、Ti、Nb[37-38]。然而，物理、化學(xué)參數(shù)的變化，如pH、Eh、孔隙度、排水系統(tǒng)、流動性等可能造成元素的遷移和富集。通過微量元素蛛網(wǎng)圖(圖4，上地殼數(shù)值據(jù)文獻(xiàn)[39])分析，總體表現(xiàn)：親硫元素As、Sb、Cu最為富集；高場強元素Nb、V較為富集，程度相比親硫元素略低；親石元素Rb、Sr、Ba、Cs均表現(xiàn)虧損流失的特征。這是由于親硫元素易與極化的硫離子形成共價鍵，從而形成抗風(fēng)化能力強的硫化物富集，而高場強元素地球化學(xué)性質(zhì)一般較穩(wěn)定，不溶于水，不易受變質(zhì)、蝕變和風(fēng)化作用影響[38]。親石元素地球化學(xué)活動性強，特別是在有流體參與的風(fēng)化作用系統(tǒng)中極易淋濾遷移流失。因而，研究區(qū)主要以富集親硫元素和高場強元素而虧損大離子親石元素為特征。

圖4 研究區(qū)微量元素上地殼標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖Fig.4 The upper crust-normalized spidergram of trace element in research region

綜上所述，研究區(qū)主要富集Fe、Ti、Al的氧化物，As、Sb、Cu、Nb，V、U、Zr等親硫元素及高場強元素，而遷移流失Ca、Mg、Na、K氧化物及親石元素Rb、Sr、Ba、Cs等。研究區(qū)鐵礦主要產(chǎn)于風(fēng)化殼下部(PA6)，中上部具有鐵的礦化特征。此外，古風(fēng)化殼中上部TiO2含量達(dá)到工業(yè)品位，Al2O3也呈不同程度富集，表現(xiàn)出該古風(fēng)化殼具鐵-多金屬富集的特征。

4.2 成礦控制因素

峨眉地幔柱的活動造就了我國西南廣泛區(qū)域內(nèi)多金屬地質(zhì)礦產(chǎn)的形成，其成礦作用不僅僅限制于內(nèi)生礦床方面，對于外生成礦作用也具突出貢獻(xiàn)。貴州西部中、上二疊統(tǒng)界線附近與風(fēng)化殼有關(guān)的錳礦、金礦、銅礦、稀土礦、鋁土礦、鐵多金屬礦等都與峨眉地幔柱活動具密切聯(lián)系[11,40-44]。貴州西部普安一帶風(fēng)化型鐵礦是峨眉山玄武巖遭遇強烈風(fēng)化侵蝕而導(dǎo)致“削底化作用”的產(chǎn)物，其主要以薄層狀、透鏡狀分布于晚二疊世茅口頂部喀斯特洼地。鐵成礦過程總體表現(xiàn)為內(nèi)生作用與外生作用共同作用的結(jié)果[15,45]，其成礦過程受多種因素制約。

4.2.1成礦動力來源

中晚二疊世，由于峨眉山地幔柱活動引起的穹狀隆起以及玄武巖噴發(fā)間歇性[46-48]，貴州西部廣泛區(qū)域由淺海碳酸鹽臺地抬升而暴露于海平面之上并發(fā)育強烈的地層侵蝕和風(fēng)化作用[49-50]，形成二疊系茅口組頂部古喀斯特地貌。峨眉山地幔柱的強烈活動，致使深大斷裂強烈橫向拉張和垂向深陷作用，致使貴州西部發(fā)生了基性巖漿的噴溢活動[23-24]，在貴州西部二疊系茅口組頂部喀斯特不整合面上形成大面積高鐵高鈦背景值的玄武巖堆積。因此，峨眉山地幔柱活動推動了貴州西部古地理格局的演化(喀斯特不整合地貌)，并造就了(礦源層)高鐵鈦玄武巖堆積。

4.2.2成礦物質(zhì)來源

峨眉地幔柱的強烈活動，致使峨眉山玄武巖大規(guī)模噴溢，受茅口頂部穹狀差異剝蝕的影響[49]，在包括研究區(qū)在內(nèi)的廣泛區(qū)域形成厚度不一的高鐵鈦、低鎂、偏堿性或鈣堿性拉斑玄武巖堆積[25]。侯增謙等[26]認(rèn)為該類型玄武巖高度富集不相容微量元素，并且輕稀土元素，F(xiàn)e、Ti (>5%)等元素含量高。誠然，眾多研究如貴州遵義地區(qū)與峨眉山玄武巖有關(guān)的鐵錳礦床、貴州晴隆二疊系茅口頂部玄武巖風(fēng)化型鈦鐵礦及貴州西北部玄武巖風(fēng)化殼稀土鐵礦[40,44,51]等均證實了玄武巖中高鐵鈦背景值的特征。因此，茅口組頂部大面積的峨眉山玄武巖為鐵礦成礦提供了主要物質(zhì)來源(礦源層)。

4.2.3風(fēng)化淋濾作用

前人研究表明，貴州西部中、上二疊統(tǒng)界線附近，錳礦、金礦、銅礦、稀土礦、硫鐵礦等成礦受風(fēng)化殼控制明顯[36,40,50]。劉幼平等[15]將玄武巖風(fēng)化殼型鐵礦成礦過程劃分為三期六階段，其中風(fēng)化淋濾及次生富集兩個階段都主要受風(fēng)化作用的顯著控制。因此，風(fēng)化淋濾作用是鐵礦次生礦化富集的關(guān)鍵因素，具有重要的聚鐵-鈦作用。中晚二疊世，貴州西部茅口頂部玄武巖發(fā)育強烈的侵蝕和風(fēng)化作用[40,49]，致使玄武巖中富Al長石礦物分解形成高嶺石、埃洛石等黏土礦物殘留，而Fe、Ti等礦物也因輝石等礦物的分解而遷移出來，并在高嶺石等黏土礦物形成的吸附障中富集殘留。此外，由于玄武巖噴溢間歇期較長，脫氣階段形成的富CO2、SO2、F等酸性雨水pH值較高，氧化能力較強，風(fēng)化殼中稀土元素，F(xiàn)e、Al、Ti等元素活化遷移能力減弱[34-35]。伴隨著雨水pH值的逐漸升高，風(fēng)化殼中的黏土礦物對金屬離子的吸附能力也增強，導(dǎo)致Fe、Ti等元素傾向于在風(fēng)化殼中殘積并形成風(fēng)化殼型礦床。

4.2.4古地理格局演化

中晚二疊世時期，峨眉山地幔熱柱強烈活動，對貴州西部包括研究區(qū)在內(nèi)的廣泛區(qū)域古地理格局演化產(chǎn)生巨大的影響[16-17,19,27,33]。峨眉山地幔柱活動引起的穹狀隆起引起貴州西部地區(qū)抬升并強烈的地層侵蝕和風(fēng)化作用，以致在茅口組頂部普遍存在地層侵蝕，形成的喀斯特地貌如古剝蝕面、溶蝕洼地、溶斗、古峰林、洞穴和古剝蝕面等古地理格局[40,49]，這種古地形地貌與貴州西部玄武巖風(fēng)化殼型鐵礦的富集成礦具密切聯(lián)系。綜合貴州普安地區(qū)茅口頂部玄武巖風(fēng)化鐵礦野外特征發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化殼剖面上普遍發(fā)育鐵礦化，鐵質(zhì)浸染現(xiàn)象主要發(fā)育于喀斯特高地風(fēng)化殼中，鐵礦體主要呈透鏡體產(chǎn)于喀斯特洼地或溶斗之中，表現(xiàn)為Fe由上而下運移富集的特征。因此，喀斯特洼地或溶斗是玄武巖風(fēng)化殼型鐵礦富集的理想場所，對于貴州西部二疊系茅口組頂部玄武巖風(fēng)化殼及古喀斯特面的古地理恢復(fù)的研究是尋找玄武巖風(fēng)化殼型鐵礦床的先決基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

(1)貴州西部二疊系茅口頂部玄武巖型鐵礦主要以透鏡狀產(chǎn)于喀斯特洼地或溶斗之中。該類型古風(fēng)化殼普遍富集Fe、Ti、Al的氧化物，As、Sb、Cu、Nb、V、U、Zr等親硫及高場強元素。研究區(qū)部分樣品TFe2O3、TiO2含量達(dá)到工業(yè)品位，Al2O3也呈不同程度富集，表現(xiàn)出鐵多金屬富集的特征。

(2)研究區(qū)Fe傾向于由上而下遷移富集于風(fēng)化殼中下部，而TiO2、Al2O3則更傾向富集于風(fēng)化殼中上部，這種Al、Ti與Fe差異性分離可能與玄武巖間歇性噴溢，古地理特征，風(fēng)化淋濾作用及頻繁海侵、海退事件關(guān)系密切。

(3)貴州西部二疊系茅口組頂部古風(fēng)化殼型鐵礦是峨眉山玄武巖“削底化作用”的產(chǎn)物。峨眉山地幔柱的活動及玄武巖噴溢推動了貴州西部古地理格局的演化(喀斯特不整合洼地)，并造就了高鐵鈦玄武巖(礦源層)堆積。貴州西部二疊系茅口組頂部古風(fēng)化淋濾作用及古地理格局演化對Fe的遷移及富集具顯著的控制作用。因此，對于貴州西部二疊系茅口頂部玄武巖風(fēng)化殼及其古地理恢復(fù)的研究是尋找玄武巖風(fēng)化殼型鐵礦床的先決基礎(chǔ)。