沈立軍朱裕振王懷洪李雙高志軍張心彬周明磊

1)山東省煤田地質規(guī)劃勘察研究院,中國地球物理學會煤田地球物理重點實驗室,山東省煤炭資源數(shù)字化工程技術研究中心,濟南,250104;

2)山東省地質調查院,濟南,250014

內容提要:李屯鐵礦為近年在山東省齊河—禹城地區(qū)發(fā)現(xiàn)的隱伏富磁鐵礦床,為空白區(qū)地質找礦新發(fā)現(xiàn)。 本文通過詳細野外調查、室內鏡下觀察及地球化學分析測試,對礦床地質、地球化學特征進行了系統(tǒng)研究,初步揭示礦床成因。 磁鐵礦體賦存于李屯巖體與石炭紀—二疊紀地層接觸帶附近的砂泥巖地層內。 李屯鐵礦中巖體微量元素分配模式具有較好的一致性,均不同程度地富集Rb、Ba、Sr 等大離子親石元素,虧損Zr、Nb、Ta 等高場強元素,磁鐵礦石中富集大離子親石元素Sr,虧損K;高場強元素富集U、P、Hf、Ta,虧損Nb、Ti。 巖體與磁鐵礦石稀土元素均表現(xiàn)出輕稀土富集、重稀土虧損的右傾型配分模式。 李屯鐵礦形成于巖石圈大規(guī)?？焖贉p薄期,成礦構造背景應為板塊伸展擴張環(huán)境。 李屯巖體的巖漿來源為殼?；煸?尖晶石相二輝橄欖巖發(fā)生部分熔融產(chǎn)生的的巖漿熔體;成礦物質來源于深源巖漿及其形成的巖漿巖。 磁鐵礦成礦與李屯巖體關系密切,礦床成因類型應是接觸交代型矽卡巖鐵礦床。

李屯鐵礦床位于山東省西北部齊河—禹城地區(qū),該礦床發(fā)現(xiàn)于2015 年,在厚覆蓋層下揭露單層厚度近99 m 的富磁鐵礦,取得了鐵礦找礦空白區(qū)重大新發(fā)現(xiàn)(張增奇等,2016;朱裕振等,2018);近年隨勘查工作推進,李屯及南部大張、潘店等地區(qū)深部找礦不斷取得新進展,指示了該區(qū)良好的找礦前景(吳成平等,2019, 2020),有望成為魯西地區(qū)繼萊蕪張家洼、淄博金嶺后又一富鐵礦基地。

魯西地區(qū)作為我國重要的接觸交代型鐵礦成礦區(qū)帶(李厚民等,2012),也是國內少有的具大型富磁鐵礦的地區(qū)之一(趙一鳴,2013),前人針對魯西萊蕪張家洼、淄博金嶺等礦床開展了較多的研究工作(費詳惠等,2014;韓鎏,2014;李洪奎等,2016;于學峰等,2016;金子梁,2017),但由于李屯富鐵礦床為近年新發(fā)現(xiàn),針對該礦床的研究工作相對較少,自發(fā)現(xiàn)以來,僅郭延明等(2017)探討了地面高精度磁在區(qū)內富鐵礦勘查中的應用效果;朱裕振等(2018,2019)分析了李屯地區(qū)地質、地球物理特征,探討了成礦潛力,應用磁法三維反演進一步圈定了找礦靶區(qū);沈立軍等(2020)對礦區(qū)深部控礦巖體地質特征進行了初步探討。

以往研究工作主要集中于地球物理找礦方法方面,礦床及巖體特征也僅進行了初步探討,對成礦構造背景、成礦物質來源等方面的研究尚屬空白,本文在系統(tǒng)野外地質調查和室內鏡下觀察的基礎上,對區(qū)內中性巖漿巖、礦石進行了系統(tǒng)的地球化學特征進行了系統(tǒng)研究,以探討礦床成礦地質背景、成礦物質來源及礦床成因等,為該礦床進一步富鐵礦成礦機制研和成礦理論究奠定基礎,為該區(qū)富鐵礦深部找礦工作提供參考。

1 地質背景

李屯巖體位于魯西隆起區(qū)的西北緣(圖1a),大地構造位置為華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)泰山—濟南斷隆(Ⅳ)齊河潛凸起(Ⅴ)的西北部。

圖1 山東齊河—禹城地區(qū)李屯鐵礦床大地構造位置(a)、區(qū)域地質(b)及礦區(qū)前新近系基巖地質圖(c)Fig. 1 Tectonic location map (a) , regional geological sketch map (b) and geological map of base rocks under Neogene in Litun iron ore deposit, Qihe—Yucheng area,Shandong Province

區(qū)域地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)之魯西地層分區(qū),區(qū)域古老基底為泰山巖群,上覆地層由老至新為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、古近系、新近系及第四系。 區(qū)域構造以斷裂構造為主,總體上分布有NE—NNE 向、NW—NNW 向、近EW 向三組斷裂構造,且以前兩者較發(fā)育,SN 向斷層在該區(qū)不甚發(fā)育,各組大斷裂互相切割,控制了區(qū)域內凸起、凹陷的產(chǎn)生和發(fā)育。 區(qū)域內巖漿巖分布較廣泛,主要分布有新太古代、中元古代和中生代侵入巖,以新太古代侵入巖最為發(fā)育;巖石類型上,超基性—基性—酸性均有出現(xiàn),且以中酸性侵入巖為主;中生代侵入巖分布局限,以中基性巖為主(圖1b)。

礦區(qū)地表為第四系覆蓋,現(xiàn)階段鉆孔揭露深部地層為石炭系—二疊系月門溝群、二疊系石盒子群及新近系。 構造以斷裂構造為主,主要有齊廣斷裂、務頭斷層、莒鎮(zhèn)斷層等(圖1c),其中齊廣斷裂為區(qū)域性斷裂,控制了南北兩側地層發(fā)育及巖漿巖分布。礦區(qū)內巖漿巖主要為李屯巖體,隱伏產(chǎn)出,上部以中基性巖為主,主要為閃長巖類和輝長巖類;閃長巖下揭露一期酸性侵入巖,巖性主要為二長花崗巖、正長花崗巖;巖體內穿插有閃斜煌巖、閃長玢巖、花崗斑巖脈。

2 礦床地質特征

2.1 礦體特征

礦區(qū)內現(xiàn)階段共圈定磁鐵礦體5 個,礦體形態(tài)以似層狀為主,礦體傾向西南,傾角較緩, 約20°左右,賦存深度1157 ～1303 m。 礦體頂?shù)装鍨槲◣r或角巖,賦存位置與萊蕪、淄博等地矽卡巖型鐵礦不同,并非賦存于巖體與地層接觸帶內,而是賦存于閃長巖體與石炭系—二疊系地層接觸帶附近的地層中,礦體與巖體間仍有16 ～64 m 的石炭系—二疊系砂巖、泥巖,巖石角巖化嚴重,并發(fā)育少量矽卡巖化。

主礦體Ⅳ號礦體:礦體形態(tài)為似層狀(圖2),現(xiàn)控制礦體部位傾向240°,傾角約21°。 目前礦體傾向控制長度189 m,走向控制長度273 m,礦體賦存標高-1157.12 ～-1259.33 m。 鉆遇厚度57.33 ～99.56 m,真厚度53.57 ～97.45 m,平均真厚度77.39 m,屬厚度變化簡單礦體。 礦體單樣品最高品位TFe(全鐵)為68.85%,mFe(磁鐵)為67.07%;最低TFe 為25.16%,mFe 為21.27%,局部含少量夾石(品位TFe 為9.46%,mFe 為4.23%),厚度較小未達夾石剔除厚度;礦體平均品位TFe 為58.18%,mFe 為54.49%,屬品位變化均勻礦體。

圖2 齊河—禹城地區(qū)李屯鐵礦礦體地質剖面簡圖Fig. 2 Geological profile of the ore body in Litu iron depsoit,Qihe—Yucheng area,Shandong

2.2 礦石特征

磁鐵礦石結構以半自形—他形粒狀結構為主,少量交代結構、填隙結構及包含結構等。 半自形—他形粒狀結構:磁鐵礦呈半自形—他形粒狀分布(圖3a),并與透輝石、透閃石等脈石礦物等共生。交代結構:礦石中可見黃鐵礦交代早期磁鐵礦(圖3b),磁黃鐵礦交代磁鐵礦、黃鐵礦,黃銅礦交代黃鐵礦(圖3c)等。 填隙結構:黃鐵礦充填于磁鐵礦的晶隙之間(圖3d)。 包含結構:黃鐵礦包含磁鐵礦(圖3e),磁鐵礦內包含磁黃鐵礦(圖3f)等。

礦石構造以致密塊狀、浸染狀構造為主,少量脈狀、角礫狀礦石。 致密塊狀構造:磁鐵礦呈致密集合體分布,脈石礦物較少,僅見少許黃鐵礦、黃銅礦等共伴生(圖3g)。 浸染狀構造:黃鐵礦呈星點狀分布于磁鐵礦及脈石礦物中(圖3h)。 條帶狀構造:磁鐵礦呈條帶狀與脈石礦物間隔分布(圖3i)。 角礫狀構造:礦石中可見三種類型角礫狀礦石,一種角礫為磁鐵礦,后期碳酸巖脈膠結(圖3j);一種角礫包含磁鐵礦、圍巖兩種類型,膠結物為碳酸巖脈(圖3k);另有較低品位礦石,角礫為圍巖地層,膠結物為磁鐵礦(圖3l)。

礦石中金屬礦物主要為磁鐵礦,少量黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦、赤鐵礦等(圖3),礦體邊部矽卡巖化較強部位偶見少量方鉛礦、閃鋅礦;非金屬礦物主要為透輝石、石榴子石、金云母、透閃石、綠簾石、綠泥石和方解石等。 磁鐵礦為礦石主要金屬礦物,鐵黑色,半金屬光澤,不透明,具強磁性,反光鏡下呈鋼灰色,結構以半自形—他形粒狀為主,部分呈半自形粒狀,粒度一般0.05 ～0.3 mm,部分0.3 ～0.5 mm,少0.5～1 mm,不等粒,晶粒間常常致密接觸,雜亂排列,主要以集合體形態(tài)產(chǎn)出。

圖3 齊河—禹城地區(qū)李屯鐵礦床礦石典型結構、構造照片F(xiàn)ig. 3 Texture and structure photos of ores in the Litun iron ore deposit, Qihe—Yucheng area,Shandong

2.3 圍巖蝕變

礦體兩側圍巖及巖體內均發(fā)育不同程度的蝕變作用,主要有矽卡巖化、鉀長石化、絹云母化、綠簾石化及綠泥石化等,近礦圍巖大多數(shù)可見矽卡巖化,但矽卡巖化強度相對較低,寬度相對較窄,與周邊張家洼、金嶺等矽卡巖礦床具一定差別,同時圍巖中碳酸巖不發(fā)育,因而大理巖化不發(fā)育,角巖化較強。

蝕變類型:區(qū)內矽卡巖化類型有石榴子化和透輝石化,手標本上矽卡巖主要由石榴子石和透輝石組成,石榴石顆粒中充填細粒磁鐵礦,常蝕變?yōu)榫G簾石和綠泥石。 矽卡巖化多分布于礦體與圍巖的接觸帶附近,部分鐵礦與矽卡巖呈過度接觸、局部鐵礦與角巖圍巖之間矽卡巖帶較窄,甚至矽卡巖不發(fā)育,礦體直接與角巖接觸。 綠簾石化在礦體周邊地層、矽卡巖及巖體內普遍發(fā)育,在巖體內綠簾石化常與絹云母化相互疊加,常與綠泥石伴生,星點狀分布于閃長巖中可見。 絹云母化在巖體之中較為發(fā)育,蝕變較強,斜長石常被蝕變?yōu)榻佋颇?使得原巖整體泛青綠色,絹云母化常常疊加在早期的鉀長石化上。 鉀化蝕變是閃長巖體內最常見的蝕變,巖體絹云母化、綠簾石化、綠泥石化等常疊加在鉀長石化之上,巖石中斜長石多被鉀長石交代,使巖石顏色偏肉紅色。

礦床圍巖蝕變具一定分帶特征,從地層至巖體依次為砂泥巖地層—角巖—矽卡巖—磁鐵礦體—矽卡巖化—角巖—綠簾石、綠泥石化—絹云母化—鉀長石化—新鮮巖體,局部地段矽卡巖帶較薄或直接缺失。 巖體從深到淺發(fā)生鉀化、絹云母化、綠簾石化,但三者界線模糊,且絹云母化、綠簾石化都疊加在早期的鉀化上;角巖是熱液對圍巖的地層進行熱烘烤變質而成,分布較廣;矽卡巖化帶是在角巖的基礎上,疊加了矽卡巖化,形成石榴子石、透輝石矽卡巖。 各蝕變帶之間界面通常不明顯,大多數(shù)是相互疊加的結果,總體上從近巖體到礦體外圍蝕變強度依次減弱,強烈的矽卡巖化是近礦蝕變的標志。

2.4 成礦期次

通過野外鉆孔內現(xiàn)象和手標本的觀察、室內鏡下觀察矽卡巖及礦石內礦物的共生組合及穿插關系,將李屯鐵礦床的成巖成礦過程由早到晚分為4個階段(表1):

(1)早矽卡巖化階段:矽卡巖的主要形成階段,在該階段高溫成礦熱液流體與碳酸鹽巖圍巖發(fā)生反應,把溶解的碳酸鹽中Ca、Mg 向侵入體方向運移,二者相互反應形成石榴子石、透輝石等礦物,多呈半自形—他形粒狀,在野外手標本中局部可見晶形較好的石榴子石。

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(2)晚矽卡巖階段:為磁鐵礦主成礦階段,隨溫度、Ph、氧逸度等條件變化,磁鐵礦大規(guī)模沉淀,可見磁鐵礦包裹早期矽卡巖角礫,磁鐵礦多呈半自形—他形粒狀或致密粒狀集合體狀,分布于石榴子石、透輝石間隙。 同時富水硅酸鹽開始析出,金云母、透閃石、陽起石、綠簾石等礦物形成,與磁鐵礦共生或包裹早期的磁鐵礦、石榴子石、透輝石等,并可見該期礦物沿早期透輝石、石榴子石等礦物裂隙分布。

(3)硫化物階段:隨著溫度的繼續(xù)下降及氧逸度的降低,形成黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦等硫化物,硫化物常呈浸染狀分布于矽卡巖或磁鐵礦石內,亦可見呈脈狀或網(wǎng)脈狀充填于磁鐵礦集合體裂隙中或矽卡巖裂隙中,石英產(chǎn)出較少,偶見少量硫化物與石英呈細脈切穿早期磁鐵礦。

(4)碳酸鹽階段:為成礦作用的晚期,形成大量方解石礦物,并伴隨少量黃鐵礦,常見含包含黃鐵礦的碳酸巖脈切穿早期形成的磁鐵礦、黃鐵礦及矽卡巖等礦物,亦可見碳酸巖脈切穿早期黃鐵礦脈,對早期礦物交代不明顯。

3 分析方法

本次研究采集了李屯礦床巖體內近礦、遠礦巖漿巖及典型礦石樣品,進行了主量、微量、稀土元素的分析測試。 巖漿巖樣品測試工作由河北省區(qū)域地質礦產(chǎn)調查研究所實驗室完成,主量元素采用Axios max 型X 射線熒光光譜儀,分析相對誤差小于3%,微量、稀土元素采用X Serise 2 等離子體質譜儀,實驗溫度在22～28℃,相對濕度為38%～60%,樣品用1 L 濃HF+0.5 L 濃HNO3在190 ℃溶解48 h,以保證樣品完全溶解,元素分析相對誤差小于5%;礦石樣品測試由河北地質大學地質實驗測試中心完成,主量元素采用 Axios PW 4400 型X 射線熒光光譜儀(XRF)分析完成,分析相對誤差小于1%,微量元素及稀土元素采用電感耦合等離子體質譜(ELANDRC-e 型ICP-MS)完成,分析相對誤差小于3%,測試環(huán)境溫度20 ℃,濕度30%。

4 結果

主量、微量、稀土元素分析結果見表2。

表2 齊河—禹城地區(qū)李屯鐵礦巖礦石主量元素(%)、微量和稀土元素(×10-6)分析結果Table 2 Major elements(%)、trace and rare earth elements(×10-6) data of magmatic rock and iron ore in the Litun iron deposit, Qihe—Yucheng area,Shandong

4.1 主量元素

礦區(qū)內遠礦巖漿巖在TAS 圖解(圖4a)中顯示,主要為閃長巖、二長閃長巖及二長巖,SiO2含量平均59.38%,略高于中國閃長巖SiO2含量(57.39%;黎彤等,1990),為中性巖;CaO 含量平均5.50%,與中國閃長巖CaO 含量5.58%基本相近;K2O 含量平均2.11%,略低于中國閃長巖K2O 含量(2.57%);ALK 值介于6.15%～7.27%之間,平均6.46%,略低于中國閃長巖ALK 含量6.83%,里特曼指數(shù)在2.14～2.75 之間,小于3.3,屬于鈣堿性系列;K2O/Na2O平均為0.50<1,為鈉質巖石;MgO/CaO 平均為0.88<1,指示巖體具富鈣特征,這與巖石平均富鈣率0.33 顯示結果相吻合;MgO 含量4.46%～5.40%,平均為4.79%,高于中國閃長巖MgO 含量3.77%,說明巖石的富鎂性質;Mg#值41.24 ～46.68;TFe2O3含量平均6.04%低于中國閃長巖TFe2O3含量(7.71%),說明巖體貧鐵;A/CNK 為1.28>1,屬過鋁質巖石。 在K2O—SiO2圖(圖4b)中,部分落入高鉀鈣堿性系列,部分落入鈣堿性系列,總體顯示為鈣堿性系列。 總體上,李屯巖體遠礦閃長巖為富鈣、富鎂、貧鐵的過鋁質巖石。

區(qū)內近礦巖漿巖在TAS 圖解(圖4a)中顯示,主要為石英二長巖、花崗閃長巖,SiO2含量平均64.14%,遠高于中國閃長巖SiO2含量(57.39%),為中酸性巖;CaO 含量平均4.87%,低于中國閃長巖CaO 含量5.58%;K2O 含量平均1.37%,遠低于中國閃長巖K2O 含量(2.57%);ALK 值介于7.51%～8.37%之間,平均7.99%,高于中國閃長巖ALK 含量6.83%,里特曼指數(shù)在2.41 ～3.71 之間,平均3.02,總體屬鈣堿性系列;K2O/Na2O 平均為0.26<1,為鈉質巖石;MgO/CaO 平均為0.58<1,指示巖體具富鈣特征,這與巖石平均富鈣率0.48 顯示結果相吻合;MgO 含量2.43%～2.90%,平均為2.68%,遠低于中國閃長巖MgO 含量3.77%,說明巖石的貧鎂性 質; Mg#值40.99 ～68.32; TFe2O3含 量 平 均2.31%,遠低于中國閃長巖TFe2O3含量(7.71%),說明巖體貧鐵;A/CNK 為1.25>1,屬過鋁質巖石。在K2O—SiO2圖(圖4b)中投點較為分散,低鉀鈣堿性、鈣堿性、高鉀鈣堿性均有分布,說明近礦巖漿巖可能經(jīng)歷后期熱液影響較大。 總體上,李屯巖體近礦巖漿巖為貧鉀、富鈣、貧鐵、貧鎂的過鋁質巖石。

圖4 齊河—禹城地區(qū)李屯礦床巖漿巖TAS 分類圖(a, 底圖據(jù)Middlemost,1994)和K2O—SiO2圖(b, 實線據(jù)Peccerillo and Taylor,1976;虛線據(jù)Middlemost,1985)Fig. 4 TAS diagram(a, after Middlemost,1994) and K2O—SiO2diagram(b, solid lines from Peccerillo and Taylor,1976;dashed lines from Middlemost,1985) of magmatic rocks in the Litun iron deposit, Qihe—Yucheng area,Shandong

樣品編號 ZK4YQ1 ZK4YQ2 ZK4YQ3 ZK4YQ4 ZK4YQ5 ZK4YQ6 ZK1YQ4 ZK1YQ5 ZK1YQ6 ZK1YQ7 ZK1YQ8 y527 y533 LREE/HREE 9.25 9.21 9.67 8.8 9.52 8.41 11.41 9.96 11.31 10.88 9.06 5.21 5.82 LaN/YbN 9.43 9.47 11.64 9.04 9.78 8.83 11.12 9.19 11.62 10.91 9.53 8.68 9.04 δEu 1.31 1.34 1.31 0.90 1.25 1.06 0.83 0.89 1.11 1.36 0.98 1.96 1.79 δCe 1.00 1.00 0.89 1.01 1.01 0.99 1.08 1.05 1.02 1.00 0.91 0.72 0.62注:ALK=ω(Na2O)+ω(K2O),其中Na2O 和K2O 為去除燒失量后重新?lián)Q算為100%的結果;里特曼指數(shù)σ=[ω(Na2O)+ω(K2O) ]2 ω(SiO2)-43%;富鈣率= ω(CaO)ω(Fe2O3+ω(FeO)+ω(MnO)+ω(MgO)+ω(CaO) ; A/CNK= n(Al2O3)n(CaO)+n(K2O)+n(Na2O); Mg#=100× n(Mg2+)n(Mg2+)+n(TFe2+)(見鄧晉福等,2015)。

磁鐵礦石主量分析結果顯示,TFe2O3含量66.64%～86.24%,SiO2含量3.30%～9.05%,Al2O3含量0.44% ～4.42%,MgO 含量0.88% ～3.45%,CaO 含量0.91%～2.10%。 TFe2O3含量越高,SiO2、MgO、CaO 等含量越低。

4.2 微量元素

遠礦巖漿巖微量元素分析結果見表2,樣品Ba含量主要介于1025×10-6～1724×10-6之間,平均含量為1428×10-6;Sr 含量在705.0×10-6～955.9×10-6之間,平均含量為836.7×10-6;Ba 平均含量遠高于其大陸地殼平均值(Ba=390×10-6)(Rudnick and Fountain,1995),Sr 遠高于上地殼值350×10-6和下地殼值230×10-6,顯示了原始巖漿的深源性。 在火山巖樣品原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖5a)可以看出,閃長巖微量元素分配模式具有較好的一致性,均不同程度地富集Rb、Ba、Sr 等大離子親石元素(LILEs),虧損Zr、Nb、Ta 等高場強元素(HFSEs)。

圖5 齊河—禹城地區(qū)李屯鐵礦巖漿巖原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(標準化數(shù)值據(jù)Sun and McDonough,1989)Fig. 5 Ratio spidergrams of trace elements for magmatic rocks in the Litun iron deposit,Qihe—Yucheng area,Shandong(Normalized values of the primary mantle after Sun and McDonough,1989)

近礦巖漿巖微量元素除Rb、K 元素外一致性也較好,在原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖5b)可以看出,均不同程度地富集Rb、Ba、Sr 等大離子親石元素(LILEs),虧損Zr、Nb、Ta 等高場強元素(HFSEs)。 樣品Ba 含量主要介于501.4×10-6～1863×10-6之間,平均含量為895.6×10-6;Sr 含量在615.0×10-6～915.5×10-6之間,平均含量為737.8×10-6;Ba 平均含量遠高于其大陸地殼平均值(Ba=390×10-6)(Rudnick and Fountain,1995),Sr 遠高于上地殼值350×10-6和下地殼值230×10-6,顯示了原始巖漿的深源性。

磁鐵礦石微量元素分析結果顯示,礦石大離子親石元素中富集Sr,虧損K;高場強元素中富集U、P、Hf、Ta,虧損Nb、Ti。

由李屯鐵礦床閃長巖、磁鐵礦石微量元素含量分析結果可以看出,近礦閃長巖與遠礦閃長巖微量元素分布特質基本一致,反映了兩種巖石是同源的,均來自于深源巖漿;各類巖礦石微量元素總量大小關系為:遠礦巖漿巖>近礦巖漿巖>磁鐵礦石,說明在李屯巖體在成礦作用過程中微量元素逐漸流失。

4.3 稀土元素

遠礦巖漿巖的ΣREE 為94.66×10-6～175.8×10-6,平均為124.0×10-6,其中LREE 為85.78×10-6～157.8×10-6,平均為111.7×10-6,HREE 為8.87×10-6～17.93×10-6,平均為12.35×10-6,LREE/HREE為8.41 ～9.67,平均為9.14,LaN/YbN為8.83 ～11.64,平均為9.14,在球粒隕石標準化配分曲線上(圖6a),所有閃長巖一致性較好,表現(xiàn)出輕稀土富集、重稀土虧損的右傾型配分模式,輕稀土分餾較明顯(LaN/SmN為2.91～4.40),重稀土配分曲線相對較平坦分餾較差(GdN/YbN為1.69 ～1.90),多具弱的正銪異常(δEu 為0.90 ～1.34),鈰異常不明顯(δCe 為0.89～1.01),Eu 異常值說明巖石形成過程并未發(fā)生斜長石的分離結晶作用。

近礦巖漿巖的ΣREE 為93.10×10-6～110.2×10-6,平均為106.0×10-6,其中LREE 為84.84×10-6～104.6×10-6,平均為96.83×10-6,HREE 為8.51×10-6～9.80×10-6,平均為9.22×10-6,LREE/HREE為9.06 ～11.41,平均為10.52,LaN/YbN為9.18 ～11.12,平均為10.52,在球粒隕石標準化配分曲線上(圖6b),所有近礦巖漿巖一致性較好,表現(xiàn)出輕稀土富集、重稀土虧損的右傾型配分模式,輕稀土分餾較明顯(LaN/SmN為3.48 ～4.12),重稀土配分曲線相對較平坦分餾較差(GdN/YbN為1.50 ～1.84),銪異常(δEu 為0.83～1.36)、鈰異常(δCe 為0.91 ～1.05)不明顯。

圖6 山東齊河—禹城地區(qū)李屯鐵礦床巖礦石稀土元素的球粒隕石標準化配分模式圖及對比圖Fig. 6 REE distribution pattern and comparison diagram of magmatic rocks and iron ore in the Litun iron deposit, Qihe—Yucheng area,Shandong

磁鐵礦石的ΣREE 為35.73×10-6～38.92×10-6,平均為37.33×10-6,其中LREE 為30.49×10-6～32.65×10-6,平均為31.57×10-6,HREE 為5.24×10-6～6.27×10-6,平均為5.75×10-6,LREE/HREE為5.21 ～5.82,平均為5.51,LaN/YbN為8.68 ～9.04,平均為8.86,在球粒隕石標準化配分曲線上(圖6c),一致性較好,表現(xiàn)出輕稀土富集、重稀土虧損的右傾型配分模式,輕稀土分餾較明顯(LaN/SmN為4.95～6.29),重稀土配分曲線相對較平坦分餾較差(GdN/YbN為0.88 ～1.11),具正銪異常(δEu為1.78～1.96),負鈰異常(δCe 為0.62～0.67)。

李屯鐵礦床閃長巖、礦石稀土元素分析結果顯示,遠礦閃長巖→近礦閃長巖→礦石,稀土元素總量表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(圖6d);典型礦石中雖然稀土含量很低,但是其配分模式、(La/Yb)N 及(La/Sm)N 數(shù)值與近礦閃長巖大體相同,表明礦石與閃長巖體的關系較為密切。

5 討論

5.1 成巖成礦構造背景

燕山期華北克拉通巖石圈發(fā)生大減薄,產(chǎn)生了大規(guī)模的巖漿活動(吳福元等,1999,2008,2014;鄧晉福等,1999)。 受中生代燕山期地球動力學背景的制約,華北地區(qū)中生代出現(xiàn)大規(guī)模成巖成礦作用事件(Faure et al.,1996;華仁民和毛景文,1999;Zhou Xinmin et al.,2006;翟明國,2010)。

毛景文等(2003)系統(tǒng)研究了華北地區(qū)地球動力學演化及中生代金屬礦床的時空分布特征,提出中國東部爆發(fā)式成礦作用主要集中于三個階段:為190 ～160 Ma、140 Ma 和130～110 Ma,這三期成礦時間分別對應了后碰撞造山過程、構造體制大轉折晚期和巖石圈大規(guī)?？焖贉p薄期三大地球動力學事件。 這與許文良(2004)、翟明國(2010)等認為的華北克拉通巖石圈減薄高峰期為120 ～130 Ma 觀點基本一致。

李屯鐵礦床與鐵礦有關的中性侵入巖鋯石LAICP-MS 測定年齡為(130.0±2.3) Ma(MSWD=1.5)(王玉往等?,2017),該時期本區(qū)正處于巖石圈大規(guī)?？焖贉p薄時期,為板塊伸展擴張環(huán)境。 區(qū)內閃長巖樣品在Th∕Hf—Ta∕Hf 大地構造環(huán)境判別圖(圖7)上大部分落入大陸板內拉張帶區(qū)域。 李屯巖體與成礦關系密切,成巖成礦構造背景應為板塊伸展擴張環(huán)境。

圖7 山東齊河—禹城地區(qū)李屯鐵礦區(qū)閃長巖Th/Hf—Ta/Hf 構造環(huán)境判別圖(底圖據(jù)滕彥國等,2001)Fig. 7 Th/Hf—Ta/Hf tectonic setting distinguish diagram of the diorite in Litun iron deposit, Qihe—Yuchen area(base map from Teng Yanguo et al., 2001＆)

5.2 成巖成礦物質來源

5.2.1 成礦巖體巖漿來源

區(qū)內采集李屯巖體樣品在地球化學性質上十分相似,都屬于鈣堿性系列,在主量元素Harker 圖解中可以看出兩者的元素變化趨勢大部分比較一致;具有相似的微量和稀土的配分曲線。 這都指示了李屯巖體內采集的閃長巖樣品是由同一母巖漿演化形成。 巖石較大的MgO 和Mg#變化范圍(Wilson,1989),及哈克圖解中巖石主要元素與SiO2良好的相關性,這都指示其經(jīng)歷了一定的結晶分異作用;相容元素的變化范圍較大,如Cr(65.4×10-6～236×10-6)、Ni(21.6×10-6～62.1×10-6),這也表明巖漿演化過程中發(fā)生了分離結晶作用(Frey et al.,1978;Hess,1992)。 綜上所述,區(qū)內采集閃長巖樣品為同一母巖漿通過巖漿分異演化作用形成。

Atherton 和Petford(1993)研究指出下地殼鐵鎂質巖石部分熔巖形成的巖漿,由于未與地幔發(fā)生相互作用,Mg#值小于45;Kelemen(1995)則提出Mg#>60 和Ni>100×10-6的巖漿代表了地幔熔體。 本礦區(qū)閃長巖的Mg#多為45 ～60,顯示其可能為殼?；煸?。

巖石普遍具富Na(Na2O/K2O 最高達23.04)特點、Mg#值較高、富集Cr、Co、Ni 等過渡元素,巖石Zr/Nb 值(8.04 ～24.76) 高 于OIB 的Zr/Nb 值(5.83),這都指示了初始巖漿來源或主要來源于巖石圈地幔。

巖石Ta/La 值(0.019 ～0.030)低于原始地幔Ta/La 值(0.06,Wood et al.,1979);Ce/Pb 值(0.61～9.78,均值為5.55),明顯低于洋中脊玄武巖(MORB)和洋島玄武巖(OIB)的Ce/Pb 值(25),與上地殼的Ce/Pb 的值(3.2)較為相近;巖石具富集大離子親石元素(Rb、Ba、Sr 等)和輕稀土元素,虧損高場強元素(Zr、Hf、Nb、Ta 等)的特點;以上表明可能有殼源物質的加入。 同時,巖石中大量古老基底鋯石(2443±49 Ma)的捕獲也都進一步證明發(fā)生了地殼的混染。

通常情況下,尖晶石相源區(qū)形成的原始巖漿La/Yb 和Dy/Yb 值較穩(wěn)定,而石榴子石相源區(qū)形成的原始巖漿La/Yb 和Dy/Yb 值變化較大。 本次采集巖石樣品La/Yb 為8.83～11.64,Dy/Yb 為1.48～1.73,比值變化相對較穩(wěn)定,表明源區(qū)可能為尖晶石相。 巖體的La/Yb—Dy/Yb 圖(圖8)中顯示,投點多分布在尖晶石二輝橄欖巖和含角閃石尖晶石二輝橄欖巖部分熔融演化線之間,整體顯示初始巖漿由尖晶石相二輝橄欖巖部分熔融形成的。

圖8 山東齊河—禹城地區(qū)李屯礦床閃長巖La/Yb—Dy/Yb 圖解(據(jù)Hou Tong et al.,2010)Fig. 8 La/Yb—Dy/Yb diagram of diorite in the Litun iron deposit, Qihe—Yuchen area(after Hou Tong et al.,2010)

綜上所述,李屯鐵礦床中基性巖的巖漿來源為殼?；煸?尖晶石相二輝橄欖巖發(fā)生部分熔融產(chǎn)生的的巖漿熔體,在上侵過程中經(jīng)歷了地殼混染,最終通過巖漿分異演化作用形成李屯巖體中性侵入巖。

5.2.2 成礦物質來源

閃長巖主微量測試結果顯示,李屯鐵礦近礦巖漿巖與遠礦巖漿巖來源于同一母巖漿,但近礦巖漿巖TFe2O3含量平均2.31%,遠低于遠礦巖漿巖TFe2O3平均含量6.04%,推測巖體在成礦過程中提供了一部分鐵質;巖體與礦石相似的微量、稀土元素分布特征,也顯示了其與鐵礦密切的成因聯(lián)系。 同時,根據(jù)區(qū)域內同類型金嶺鐵礦研究顯示,從巖漿中出溶的流體是富鐵的(金子梁,2017),李屯鐵礦與金嶺鐵礦為同時期同一構造背景下形成的矽卡巖礦床,具有相似的地質特征,推測本區(qū)成礦物質來源也部分來自巖漿出熔的富鐵流體,這也與本區(qū)閃長巖TFe2O3含量普遍低于中國閃長巖平均TFe2O3含量(7.71%)相吻合。 綜上所述,李屯鐵礦成礦物質來源于深源巖漿及其形成的巖漿巖。

5.3 礦床成因

李屯礦床礦體及圍巖內發(fā)育石榴子石、透輝石、綠簾石等矽卡巖礦物組合,并具一定分帶特征,為典型矽卡巖型鐵礦床。 矽卡巖型礦床特指具備一套特定蝕變硅酸鹽礦物組合的礦床,前人對其形成機制、成因類型等進行了大量研究(常印佛等,1983;Meinert et al., 2003; Oyman, 2010; 杜 楊 松 等,2011),黎廣榮和吳昌志(2013)在前人研究基礎上將矽卡巖總結為交代成因模式和巖漿成因模式兩類。 交代成因矽卡巖是由兩種化學性質不平衡的介質(碳酸鹽巖石和鋁硅酸鹽巖石)在高溫下通過接觸反應交代而生成(Meinert,1992)。 巖漿成因矽卡巖是巖漿結晶(林新多,1987, 1998;吳言昌和常印佛,1998;趙勁松等,2008)或巖漿不混熔(Fulignati et al.,2000,2001)的結果。

一般情況下,接觸交代型矽卡巖的稀土元素配分模式主要受侵入巖、圍巖地層及流體內稀土元素含量及配分模式控制,但是中酸性侵入巖的稀土元素含量一般比圍巖地層中的高幾倍(甚至幾個數(shù)量級),因此接觸交代成因矽卡巖稀土元素配分模式基本繼承了巖體的稀土元素分布模式。 研究區(qū)內矽卡巖稀土元素配分模式和巖體的稀土元素配分模式基本一致,指示區(qū)內鐵礦床為接觸交代矽卡巖型鐵礦床;同時礦體周邊角巖、巖體內均可見矽卡巖化,并未見大規(guī)模貫入式矽卡巖脈;礦石內見矽卡巖角礫被磁鐵礦物膠結;磁鐵礦、透輝石等礦物鏡下顯微照片均可見交代殘余結構,故綜合巖體及巖礦石特征,李屯鐵礦床成因類型應為接觸交代型矽卡巖鐵礦床。

6 結論

(1)山東齊河—禹城地區(qū)李屯鐵礦中巖漿巖微量元素分配模式具有較好的一致性,均不同程度地富集Rb、Ba、Sr 等大離子親石元素(LILEs),虧損Zr、Nb、Ta 等高場強元素(HFSEs),磁鐵礦石中富集大離子親石元素Sr,虧損K;高場強元素富集U、P、Hf、Ta,虧損Nb、Ti。 巖漿巖與磁鐵礦石稀土元素均表現(xiàn)出輕稀土富集、重稀土虧損的右傾型配分模式。

(2)李屯鐵礦形成于巖石圈大規(guī)模快速減薄期,成礦構造背景應為板塊伸展擴張環(huán)境。

(3)李屯鐵礦床閃長巖的巖漿來源為殼?；煸?尖晶石相二輝橄欖巖發(fā)生部分熔融產(chǎn)生的的巖漿熔體;成礦物質來源于深源巖漿及其形成的巖漿巖。

(4)李屯鐵礦磁鐵礦成礦與李屯巖體關系密切,礦床成因類型應是接觸交代型矽卡巖鐵礦床。

致謝: 本研究工作及論文成文過程中得到了李洪奎、李秀章研究員的大力指導,審稿專家提出了寶貴意見,作者在此一并表示衷心的感謝！

注釋/Note

? 王玉往,解洪晶,石煜.2017. 山東省齊河—禹城地區(qū)接觸交代型富鐵礦綜合信息找礦預測地質模型.北京:北京礦產(chǎn)地質研究院.