斯小華，劉林，夏循茂

(1.湖北冶金地質(zhì)研究所，資源與環(huán)境地質(zhì)研究中心，湖北 宜昌 443003;2.湖北省秭歸縣自然資源和規(guī)劃局，湖北 宜昌 443605)

沉積型赤鐵礦是中國重要的鐵礦床類型(傅家謨，1959；崔立偉等，2012)。鄂西地區(qū)是中國沉積型高磷赤鐵礦(工業(yè)上稱為寧鄉(xiāng)式鐵礦)的主要產(chǎn)區(qū)，資源儲量占全國該類型鐵礦的52.56%(趙一鳴等，2000)，礦床集中分布在鄂西恩施臺褶束和長陽臺褶束2個構(gòu)造單元內(nèi)(圖1)。含礦巖系為上泥盆統(tǒng)黃家蹬組和寫經(jīng)寺組。含礦建造由碎屑巖、泥質(zhì)巖、碳酸鹽巖、鐵質(zhì)巖構(gòu)成，建造內(nèi)層序構(gòu)成一個完整的海進-海退旋回(秦元奎等，2013，2015)。傅家謨(1959)最早分析總結(jié)了鐵礦的形成和分布規(guī)律，曾允孚(1993)系統(tǒng)論述了華南泥盆紀巖相古地理與成礦作用。近年來對于鄂西地區(qū)鐵礦的地質(zhì)演化、成礦規(guī)律、找礦前景已有一系列研究(段其發(fā)，2014；鐵肖永，2019；朱昌杰，2019)。但是對于沉積盆地分析還較薄弱，后者已廣泛運用于鐵礦床成巖成礦作用研究(王建新，2018；劉林等，2018)。目前對于鐵礦分布層位的認識趨于統(tǒng)一，即Fe1—Fe4四層鐵礦，F(xiàn)e1、Fe2賦存于黃家蹬組中，F(xiàn)e3、Fe4賦存于寫經(jīng)寺組中(趙一鳴等，2000；秦元奎等，2013；胡寧，1998；趙宏軍等，2018)。秦元奎等(2013)開展的含礦盆地分析認為，鄂西泥盆紀為以斷陷盆地發(fā)育一套濱海相沉積，構(gòu)成了完整的沉積旋回。但是對中晚泥盆世的盆地演化，巖相古地理的變化及其與鐵礦沉積的關(guān)系還缺少系統(tǒng)分析，鐵礦成礦作用包括沉積期和成巖期，二者表現(xiàn)形式及產(chǎn)物還需進一步總結(jié)。因此筆者首先介紹鄂西沉積型鐵礦的時空分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上開展含礦沉積盆地分析，包括泥盆紀盆地基本特征，巖相古地理及盆地演化，最后討論了成礦作用。

Ⅰ1.南秦嶺秦嶺褶皺帶；Ⅰ2.桐柏大別中間隆起；Ⅱ12.鄂中褶斷區(qū)；Ⅱ13-1.利川臺褶束；Ⅱ13-2.恩施臺褶束；Ⅱ13-3.長陽臺褶束；Ⅱ2.兩湖斷坳；Ⅱ3.下?lián)P子臺坪；Ⅱ4.幕阜臺拗;1.鐵廠壩；2.長潭河；3.馬虎坪；4.太平口；5.十八格；6.伍家河；7.官店；8.黑石板；9.龍角壩；10.龍坪；11.瓦屋場；12.仙人巖；13.火燒坪；14.田家坪；15.青崗坪；16.馬鞍山；17.謝家坪；18.黃糧坪；19.石板坡；20.楊柳池；21.官莊；22.松木坪；23.阮家河

1 礦床時空分布規(guī)律

鄂西沉積型赤鐵礦時間分布規(guī)律包括賦礦地層層序的變化和相應(yīng)的成礦作用強度的演變。

本區(qū)地層層序時限為354～386 Ma，歷時32 Ma，期間海平面經(jīng)歷了逐漸上升—快速下降的過程(圖2)。晚泥盆世晚期海平面繼續(xù)上升。大約在358 Ma海平面上升到最高位置，由于碎屑物供應(yīng)量的減少和生物作用的繁盛，發(fā)育了一套碎屑巖與碳酸鹽巖的混合堆積。而后，海平面下降，轉(zhuǎn)入海退層序，晚泥盆世末期海退加速，以至出現(xiàn)三角洲環(huán)境，沉積了碳質(zhì)泥頁巖或砂頁巖沉積。寫經(jīng)寺期晚階段盆地坳陷速率變緩，趨于靜止甚至轉(zhuǎn)為抬升，沉積物充填速率超過了基底沉降速率，盆地逐漸填平，水體深度不斷減小，在遠濱陸源碎屑沉積環(huán)境的基礎(chǔ)上發(fā)育了碳酸鹽緩坡沉積環(huán)境(曾允孚，1993)。

隨著鐵礦地層層序的改變，成礦作用的強度相應(yīng)的發(fā)生變化(圖2)。整體上經(jīng)歷了弱—強—弱的過程。372～367.5 Ma時段，處于海侵體系域的中部，為成礦作用初始期，有鐵礦形成，但分布零星，常相變?yōu)楹F砂巖，厚度和質(zhì)量都達不到工業(yè)要求，基本沒有形成工業(yè)礦體。367.5～363 Ma時段，隨著海平面的升高，發(fā)展到海侵體系域的上部，成礦作用明顯加強，開始形成工業(yè)礦層(Fe2)。至363～358.5 Ma時段，沉積層序進入高水位體系域、海平面上升期，成礦作用達到鼎盛階段，形成Fe3鐵礦層長可達十余千米，厚度為8 m以上，品位可達45%，成為鐵礦主礦層，總資源儲量為17.61億t。358.5 Ma以后，成礦作用減弱，在高水位體系域海平面下降期形成的Fe4礦層。

S.三角洲相；Bc.前濱相；Bj.近濱相；By.遠濱相;Fe.鐵礦產(chǎn)出層位；TST.海侵體系域；HST.高水位體系域；SMST.陸架邊緣體系域；SB1、SB2.層序界面

該區(qū)沉積型赤鐵礦空間分布受巖相古地理控制。

沉積盆地：晚泥盆世盆內(nèi)巖相作東西向分帶，自東向西依次出現(xiàn)河流相(大冶、黃石)、三角洲前緣相(仙桃、孝感)、前三角洲相(荊門、沙市)、前濱相(南漳)、近濱相(宜城)、遠濱相及碳酸鹽緩坡相(宜昌、恩施)，鐵礦床集中產(chǎn)出在遠濱相及碳酸鹽緩坡相，其他各相均無鐵礦產(chǎn)出。在遠濱相內(nèi)，鐵礦星羅棋布，自北向南，隨著褶皺構(gòu)造作帶狀、串珠狀、環(huán)狀排列。

古地貌：根據(jù)寫經(jīng)寺組的厚度分布，推斷當時的恩施、宜昌地區(qū)的古地貌：北部白廟嶺、仙人巖一帶和南部牛莊、長樂坪一帶為遠濱洼地。遠濱洼地周圍為遠濱坡地，西部為磨平-灣潭遠濱坡地，東部為賀家坪、漁陽關(guān)遠濱坡地。遠濱坡地向盆地邊部則為遠濱坪地和遠濱高地。寫經(jīng)寺期巖相古地理環(huán)境與鐵礦分布關(guān)系密切，其中遠濱坡地占據(jù)74.1%的資源量，遠濱洼地、遠濱坪地和遠濱高地環(huán)境下產(chǎn)出的鐵礦資源量依次減少。

沉積微相：灰?guī)r夾頁巖砂巖微相(HYS)是最主要的成礦微相，次為頁巖夾灰?guī)r砂巖微相。灰?guī)r夾頁巖砂巖微相(HYS)分布面積最廣，占居了整個鄂西地區(qū)的中部和西部，微相分布區(qū)為當時的遠濱洼地和坡地區(qū)，是成礦有利的微相(秦元奎等，2014)?；?guī)r夾頁巖砂巖微相(YHS)分布在東北部，面積約為YHS微相的一半，微相橫跨當時的洼地、坡地、坪地及高地區(qū)。有許多重要的鐵礦產(chǎn)出，如火燒坪、青崗坪、石板坡、松木坪等礦區(qū)，占資源總量16.60%。砂巖夾頁巖灰?guī)r微相(SYH)分布于西北部，面積較小，當時主要為高地和坪地環(huán)境。鐵礦分布少，規(guī)模也小，有十八格、白廟嶺等鐵礦產(chǎn)出，占資源總量1.19%(蔡雄威，2017)。

2 含礦沉積盆地分析

2.1 泥盆系沉積盆地特征

鄂西沉積型赤鐵礦受含礦沉積盆地和巖相古地理環(huán)境控制。泥盆系含礦沉積盆地是孕育、聚積、容納、保存鄂西寧鄉(xiāng)式鐵礦的場所(秦元奎等，2013)。盆地位于鄂南湘西北，呈西寬東窄的不規(guī)則橢圓狀，縱剖面西部深凹陷的簸箕狀，向東緩緩升高呈陡坡狀。盆地底部較平緩，山丘和洼地波狀起伏，中心靠近西部。盆地邊緣受深大斷裂控制，外側(cè)隆起區(qū)在泥盆紀時為古陸。盆地的形成是由周邊斷裂斷陷作用所造成的陸內(nèi)斷陷盆地(表1)。

表1 泥盆紀赤鐵礦含礦沉積盆地要素分析Tab.1 Analysis results of Devonian ore-bearing sedimentary basins

盆地西部下泥盆統(tǒng)缺失，中泥盆統(tǒng)云臺觀組平行不整合于中志留統(tǒng)紗帽組之上(表2)。上泥盆統(tǒng)黃家磴組巖性以雜色頁巖、石英砂巖、粉砂巖為主。含F(xiàn)e1、Fe2兩層鐵礦，厚度小且不穩(wěn)定。巖石普遍具水平層理，時具交錯層理、斜層理及波痕構(gòu)造。上泥盆統(tǒng)寫經(jīng)寺組主要為碳質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖、石英砂巖夾粉砂巖，上部夾多層泥灰?guī)r，含F(xiàn)e3、Fe4礦層。寫經(jīng)寺組的厚度沒有黃家磴組穩(wěn)定，各地厚度不一，反映了當時古地貌存在著相對高差不大的潛丘與洼地(惠博，2014；秦元奎等，2015)。

表2 沉積盆地地層格架Tab.2 Stratigraphy framework of the sedimentary basin

2.2 含礦巖系巖相古地理

2.2.1 沉積相類型

本區(qū)鐵礦產(chǎn)于鄂西沉積盆地西部，形成于無障壁型海岸環(huán)境。根據(jù)海岸地貌、水動力狀況和沉積物特征，可將海岸分為海岸沙丘、后濱帶、前濱帶、臨濱相(近濱帶)、過渡帶和遠濱帶(濱外一帶)，相應(yīng)地形成了不同的沉積相。與本區(qū)鐵礦有關(guān)的沉積相類型見表3。

表3 泥盆紀沉積相類型Tab.3 Devonian sedimentary facies type

2.2.2 含礦巖系的巖相古地理

含礦巖系為上泥盆統(tǒng)黃家蹬組(D3h)和寫經(jīng)寺組(D3x)，含F(xiàn)e1—Fe4四層鐵礦。

黃家蹬期巖相古地理：晚泥盆世早期黃家磴期(D3h)沉積無間斷疊復(fù)于云臺觀組之上，但巖相古地理面貌已發(fā)生了明顯的改變，根據(jù)黃家磴期的沉積特征和巖相識別標志，判定其屬于近濱亞相沉積。古地理概貌可分為4種單元近濱高地、近濱洼地、近濱坡地和近濱坪地(圖3)。根據(jù)各巖性組合劃分為砂巖夾頁巖微相(SY)、頁巖夾砂巖微相(YS)和砂巖頁巖夾灰?guī)r微相(SYH)。黃家磴期的水體深，沉積物中泥質(zhì)含量高，有鮞綠泥石、鮞狀赤鐵礦產(chǎn)出，發(fā)育楔形交錯層理、浪成波痕、砂紋層理。生物化石具有海陸混生特點，推測水深應(yīng)為10～40 m，最深不超過60 m。黃家磴期是一個海平面上升的時期，基底下陷速度大于沉積速率，水體深度不斷增加，在初期水深應(yīng)與云臺觀期最深處相似(10 m)，逐步加深到40～60 m。黃家磴期海水的鹽度據(jù)微量元素特征，應(yīng)處于半咸水或正常鹽度之間的動蕩變化狀態(tài)(陳代釗，1994；尹福光等，2001)。

1.古地貌單元界線；2.遠濱高地；3.遠濱坪地；4.遠濱洼地；5.遠濱坡地；6.微相界線；7.地層厚度等值線(m)；8.砂巖夾頁巖微相(SY)；9.頁巖夾砂巖微相(YS)；10.砂巖夾頁巖灰?guī)r微相(SYH)；11.植物化石；12.腕足類化石；13.珊瑚化石；14.遺跡化石；15.碎屑巖；16.泥質(zhì)巖；17.碳酸鹽巖；18.鐵質(zhì)巖；19.海侵方向；20.物源方向；21.鐵礦(數(shù)字為黃家蹬組厚度)；22.大型鐵礦區(qū)；23.中型鐵礦區(qū)；24.小型鐵礦區(qū)；25.鐵礦點

晚泥盆世晚期寫經(jīng)寺組沉積覆蓋于黃家磴組之上，兩者為整合關(guān)系。沉積相巖石組合較黃家磴期的更趨復(fù)雜，主要區(qū)別在于發(fā)育大量的碳酸鹽巖，碎屑巖退居為次要組成。其厚度大于黃家磴組，厚度不一，少于100 m。厚度分布特征與黃家磴組有相似性，中部厚、四周薄。厚度變化特征反映了寫經(jīng)寺期盆地基底坳陷隆起格局既繼承了黃家磴期的特征，又有新的變化。寫經(jīng)寺期古地理概貌總體處于較為平坦的遠濱帶，但存在著相對的水下隆拗，因此可以進一步劃分為遠濱高地、遠濱洼地、遠濱坡地和遠濱坪地4個地貌單元(圖4)。根據(jù)巖石組合劃分3個微相，即砂巖夾頁巖灰?guī)r微相(SYH)、頁巖夾灰?guī)r砂巖微相(YHS)、灰?guī)r夾頁巖砂巖微相(HYS)(賀愛平等，2012)。

1.古地貌單元界線；2.遠濱高地；3.遠濱坪地；4.遠濱洼地；5.遠濱坡地；6.微相界線；7.地層厚度等值線(m)；8.砂巖夾頁巖灰?guī)r微相(m)；9.頁巖夾灰?guī)r砂巖微相(m)；10.灰?guī)r夾頁巖砂巖微相(m)；11.植物化石；12.腕足類化石；13.珊瑚化石；14.遺跡化石；15.碎屑巖；16.泥質(zhì)巖；17.碳酸鹽巖；18.鐵質(zhì)巖；19.海侵方向；20.物源方向；21.鐵礦(數(shù)字為寫經(jīng)寺組厚度m)；22.大型鐵礦；23.中型鐵礦；24.小型鐵礦；25.鐵礦點

2.2.3 鐵礦與巖相古地理的關(guān)系

濕熱的氣候、封閉的環(huán)境、穩(wěn)定的構(gòu)造條件為鐵礦形成提供了必需的古地理條件和成礦物質(zhì)來源(鄭赫，2016)。鄂西泥盆紀時地處低緯度帶，濕潤的氣候?qū)е轮参锩埽袡C物的參與使化學和生物化學作用強烈。分布于古陸區(qū)的老地層中的變質(zhì)巖、巖漿巖和下古生界沉積巖經(jīng)過長期風化，鐵鋁硅酸鹽礦物分解，其中的鐵質(zhì)被游離出來，一部分以氧化物形式沉淀，另有相當一部分呈氫氧化物膠體被地表水帶入盆地，逐步聚集。前泥盆紀形成的鐵礦、黏土巖、碎屑巖中鐵質(zhì)也被淋濾，鐵元素發(fā)生再次遷移。鄂西泥盆紀沉積盆地面積較小，約3萬km2，而周圍古陸面積大，達十數(shù)萬平方千米，接受風化的時間又長，帶入盆地鐵質(zhì)的量大，為本區(qū)鐵礦形成提供了基本物質(zhì)來源。

封閉環(huán)境促使鐵質(zhì)聚集(曾允孚，1993)。鄂西盆地周圍為武當淮陽古陸、上揚子古陸、江南古陸所圍限，僅南部有一海峽式豁口與華南海相連。當時海侵方向是由華南海向鄂西海盆，海水主要由外向內(nèi)推進。這種封閉的古地理環(huán)境，使得四周古陸帶入盆地的鐵質(zhì)可長期在海水中保存、積聚，當濃度超過鐵溶解度的地球化學臨界值時，集中發(fā)生沉淀，形成鐵礦層。鐵質(zhì)沉淀后海水中鐵的濃度降低，代之以沉積脈石夾層。當鐵質(zhì)再次聚集，發(fā)生第二次沉淀，形成新的礦層，出現(xiàn)多層鐵礦。

3 成礦作用

本區(qū)鐵礦沉積成因特征明顯，包括沉積期成礦作用和成巖期成礦作用2階段。前者表現(xiàn)為機械沉積作用、膠體沉積作用、化學沉積作用、生物沉積作用；后者表現(xiàn)為固結(jié)作用、重結(jié)晶作用和新生礦物充填交代作用(表4)。

表4 鄂西沉積型赤鐵礦的成礦作用Tab.4 Mineralization of sedimentary hematite in western Hubei Province

3.1 沉積期成礦作用

成礦物質(zhì)的富集、沉淀發(fā)生在沉積期，包括成礦物質(zhì)在源區(qū)的解析、搬運、聚沉等過程。

機械沉積作用：礦石中常見石英、硅質(zhì)巖碎屑、副礦物碎屑、生物碎屑及部分黏土礦物都是通過機械沉積作用形成，硅質(zhì)是礦石的主要組分(圖5a)。機械沉積作用產(chǎn)物的粒度可反映成礦時的水動力環(huán)境，鐵礦中的石英碎屑粒度多為細砂級或粉砂級，說明鐵礦沉積時水動力不是很強。但是這種環(huán)境并不是自始至終的，礦層中多處出現(xiàn)礫狀礦石，礫石為棱角狀的鐵礦碎屑及形態(tài)各異的巖石碎屑，代表了海底強烈擾動的風暴沉積(惠博，2014；弓晨等，2019)。

膠體沉積作用：膠體沉積作用是本區(qū)鐵礦形成的最主要沉積作用，赤鐵礦、鮞綠泥石、伊利石、高嶺石、玉髓、膠磷礦都是通過膠體沉積作用形成。源區(qū)巖石中的鐵質(zhì)解析出來后形成氫氧化鐵膠體，膠核為Fe(OH)3，因吸附一層FeO+成為帶正電的膠團。這種Fe(OH)3膠體有相當?shù)姆€(wěn)定性，并受到腐殖質(zhì)的保護，可長距離搬運至沉積區(qū)。在沉積區(qū)膠體不斷積聚，介質(zhì)中電解質(zhì)濃度(Ca+2、Mg+2、Na+1、Cl-1、K+1)的增大，以及遇到二氧化硅膠體、泥質(zhì)膠體等帶負電膠體，使之發(fā)生凝聚沉積。凝聚物的顆粒極細，多為隱晶質(zhì)，并形成鮞狀構(gòu)造。膠體凝聚作用易圍繞碎屑礦物進行，形成有核心礦物的鮞粒，也能以最初聚凝的膠體物質(zhì)為中心，不斷向外擴展，形成無礦物核心的鮞粒(柴辛娜等，2011)。

化學沉積作用：礦石中碳酸鹽均以真溶液形式搬運、沉積。方解石、白云石、菱鐵礦常以亮晶(淀晶)膠結(jié)物的形式充填在赤鐵礦的鮞粒之間，特別是自熔性礦石和堿性礦石中，結(jié)晶較為完好，具有一定粒度，顆粒潔凈的方解石鑲嵌狀膠結(jié)赤鐵礦鮞粒(圖5b)。

生物沉積作用，主要表現(xiàn)為以下3種形式：①生物遺體直接作為沉積物質(zhì)?；馃?、青崗坪等鐵礦層中常見有介殼灰?guī)r夾層，是由介殼生物遺體堆積而成(圖5c)。②生物在生長的過程中吸收介質(zhì)中的磷，構(gòu)成細胞的磷脂、核苷酸、三磷酸腺苷以及硬殼、骨骼、牙齒等，發(fā)生生物聚磷作用。生物體中磷的含量可高出水體中的磷含量數(shù)十倍至數(shù)百倍。生物死亡后體內(nèi)所含磷分解出來，在堿性的條件下，形成磷酸鈣沉淀(崔立偉等，2012；黃福喜，2011)。本區(qū)鐵礦中的磷主要是以生物化學沉積方式形成的，含量分布與巖相古地理環(huán)境密切相關(guān)，在生物特別繁盛區(qū)域形成的鐵礦中磷含量高，在生物繁盛程度較低區(qū)域形成的鐵礦中磷含量較低。

a.石英(Qtz)呈碎屑狀顆粒散布于赤鐵礦(Hem)間，薄片(-)；b.自熔性礦石，細粒結(jié)晶方解石(Cal)充填在赤鐵礦(Hem)鮞粒間，薄片(-)；c.介殼灰?guī)r，薄片(-)；d.磁性富礦，磁鐵礦(Mag)沿赤鐵礦鮞粒進行交代，形成環(huán)狀交代結(jié)構(gòu)，部分鮞粒已完全被磁鐵礦交代，光片(-)；e.磁性富礦，磁鐵礦主要分布于鮞粒周邊，鮞粒間少見磁鐵礦，光片(-)；f.磁性富礦，磁鐵礦串珠狀交代赤鐵礦，光片(-)

3.2 成巖期成礦作用

成巖期成礦作用指發(fā)生在成巖期，由沉積物轉(zhuǎn)變?yōu)楣探Y(jié)的礦層階段的成礦作用，包括壓固、膠結(jié)、重結(jié)晶、新生礦物的生成等作用(黃福喜，2011)。本區(qū)成巖期成礦作用對礦石物質(zhì)成分產(chǎn)生重要影響，是磁性鐵礦石形成的主要成礦作用。

重結(jié)晶作用：沉積的Fe(OH)3膠體脫水轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦，并且發(fā)生結(jié)晶作用，形成微細的針狀、片狀結(jié)晶，鮞綠泥石、玉髓結(jié)晶形成扇形、放射狀集合體。

4 結(jié)論

(1)鄂西沉積型高磷赤鐵礦含礦巖系為上泥盆統(tǒng)黃家蹬組和寫經(jīng)寺組。含礦建造由碎屑巖、泥質(zhì)巖、碳酸鹽巖、鐵質(zhì)巖構(gòu)成，建造內(nèi)層序構(gòu)成一個完整的海進-海退旋回。有Fe1—Fe4四層鐵礦，F(xiàn)e1、Fe2賦存于黃家蹬組中，F(xiàn)e3、Fe4賦存于寫經(jīng)寺組中。

(2)鐵礦化受含礦沉積盆地和巖相古地理環(huán)境控制。泥盆系陸內(nèi)拉伸斷陷盆地是孕育、聚積、容納、保存鐵礦層的場所。中泥盆世開始接受沉積，從晚泥盆世早期開始沉積加速，晚泥盆世末期盆地基底抬升，一直至晚泥盆世晚期沉積結(jié)束。

(3)黃家蹬期主體為近濱亞相沉積，寫經(jīng)寺期古地理概貌總體處于較為平坦的遠濱帶。

(4)沉積期成礦作用表現(xiàn)為機械沉積作用、膠體沉積作用、化學沉積作用、生物沉積作用，主要形成赤鐵礦。成巖期表現(xiàn)為固結(jié)作用、重結(jié)晶作用和新生礦物充填交代作用，磁鐵礦在該期形成。

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