常洪倫，李甘雨，韓美伶，杜 俊，魏 浩，趙東芳，時(shí) 毓，楊大勇

1.河北地質(zhì)大學(xué) a. 實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中心，b. 發(fā)展規(guī)劃處，河北 石家莊 050031；2.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北 承德 067000；3.中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，河北 涿州 072750；4.桂林理工大學(xué)廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；5.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與測(cè)繪工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168

0 引言

BIF型礦床是全球重要的鐵錳礦床類型，也是全球最為重要的鐵錳礦石來(lái)源。位于南非西北部的Kalahari錳礦田和Postmasburg錳礦田發(fā)育了全球最大的古元古代沉積變質(zhì)型鐵錳礦成礦區(qū)，儲(chǔ)量巨大。隨著19世紀(jì)30年代開(kāi)采活動(dòng)的興起，Postmasburg錳礦田越來(lái)越受到關(guān)注，因其特殊的礦帶分布模式聞名于世。在礦床沉積過(guò)程中，BIF具有明顯的分帶特征，錳質(zhì)在其下部較為富集，而鐵質(zhì)則更集中于中—上部位[1-4]。因此，礦石特征是判斷產(chǎn)出層位的重要依據(jù)。由于錳、鐵在沉積過(guò)程中的共生性質(zhì)以及沉積期間的環(huán)境波動(dòng)，給礦石的鑒定帶來(lái)一定的困難。加之傳統(tǒng)的鑒定方式多限于光、薄片，在鑒定時(shí)容易產(chǎn)生偏差，或是鑒定成本較高。

現(xiàn)代巖礦鑒定手段愈加豐富，儀器、設(shè)備也日益先進(jìn)，優(yōu)化和彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地質(zhì)在礦物學(xué)研究方面的眾多不足[5-10]，成為多方面分析礦石的便利條件。偏光顯微可以更為直觀地識(shí)別礦物組分及礦石結(jié)構(gòu)，而X射線衍射(XRD)在鑒定礦物成分方面具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。本文基于在Postmasburg錳礦田開(kāi)展的礦床勘查項(xiàng)目和研究成果，通過(guò)和巖礦鑒定結(jié)合XRD的方式分析BIF型礦石的成分，為提高礦物識(shí)別的準(zhǔn)確率、厘定礦石層位、總結(jié)成礦規(guī)律、指導(dǎo)礦床開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 礦床地質(zhì)

Postmasburg錳礦田發(fā)育于古元古代Maremane穹隆之上，其形成與新太古界Campbellrand亞群白云巖密切相關(guān)[11]。在鐵質(zhì)建造沉積之前，Ghaap臺(tái)地被抬升到海平面之上而遭受溶蝕。Maremane地區(qū)隆起后，Campbellrand亞群的地層向周邊傾斜。隨著厚層白云巖被溶蝕夷平，在Maremane地區(qū)東側(cè)形成弧狀出露的地層，分別傾向東北、東部、東南方向；而西側(cè)的地層出露則較為平直，自Sishen向南沿伸到Postmasburg，傾向西部(圖1)。

圖1 Postmasburg錳礦田區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Reginal map of Postmasburg manganese field

在巖溶系統(tǒng)發(fā)育時(shí)，Reivilo組之上的地層被全部溶蝕露出。底部的Monteville組則分布局限，僅在礦田中部的Lohaltha一帶可見(jiàn)。由于Campbellrand亞群各個(gè)組在溶蝕上存在差異，巖石中燧石條帶含量少、碎屑和疊層石含量較高的Fairfield組、Papkuil更易于被溶蝕，因此在Maremane穹隆的東側(cè)，這兩個(gè)組的弧形出露帶上形成了規(guī)模更大的溶蝕構(gòu)造[12]。在西側(cè)，Reivilo組的溶蝕構(gòu)造呈線狀、串珠狀排列[13]。此后，海水自東向西侵入，東部的區(qū)域逐漸被含礦海水覆蓋，而西部則繼續(xù)遭受溶蝕，直至在局部Monteville組被剝蝕出來(lái)，含礦海水才沿著溶蝕通道充填進(jìn)來(lái)。至此，第一個(gè)溶蝕期結(jié)束。

其后，發(fā)生于2.45 Ga～2.32 Ga間的大氧化事件[14]，促成了海水中礦質(zhì)的沉淀(圖2)。水體中Mn和Fe的膠體沉積性質(zhì)存在較小的差異，因此造成它們的富集層位有所不同[15]。

圖2 Postmasburg錳礦田南北向剖面圖Fig.2 South-North cross section of Postmasburg manganese field

成礦后期，地塊再次抬升，發(fā)生了第二次溶蝕[16]，BIF發(fā)生了非常淺程度的變質(zhì)，形成了不同的礦物組合。在原有的方鐵錳礦—褐錳礦組合基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了黑錳礦、鋇硬錳礦、鋰硬錳礦以及水錳礦、軟錳礦、赤鐵礦等多種礦物。

由于成礦環(huán)境、形成時(shí)代等因素的差異，Postmasburg錳礦田的各個(gè)礦帶地層結(jié)構(gòu)有所不同。其中，成礦時(shí)代較早的東礦帶，以硅質(zhì)碎屑、燧石含量高的礦石類型為主[3，13，17-20]；成礦時(shí)代較晚的西礦帶，礦石中鐵質(zhì)、錳質(zhì)含量此消彼長(zhǎng)[21-23]；東、西礦帶過(guò)渡部位的混合帶，則兼具前二者的特征。

2 樣品來(lái)源及其特征

位于Postmasburg錳礦田西礦帶上的Bishop 錳礦區(qū)和Paling錳礦區(qū)是本次測(cè)試樣品的采集區(qū)。這兩個(gè)礦區(qū)成礦地質(zhì)條件較好，礦體完整，地層的區(qū)分度較高，易于根據(jù)礦石特征識(shí)別成礦層位。礦體均為BIF層控類型，但受到底板白云巖溶坑形態(tài)的影響，礦體的形態(tài)多為上平下凸的透鏡狀[22，23]。礦體下部、中部和上部、邊部的礦石相比有著比較明顯的區(qū)別，上部往往有礫巖發(fā)育。

本次研究中，樣品均取自于這兩個(gè)礦區(qū)的鉆孔巖芯。采用1/2劈芯法，一半取出用作巖礦測(cè)試，另一半留存。根據(jù)鉆探揭露層位，選取各類型礦石分別加工成薄片和粉末，使用偏光顯微鏡對(duì)礦物類別進(jìn)行鑒定，并用XRD對(duì)鑒定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。

3 鏡下鑒定

本次鏡下使用了徠卡公司生產(chǎn)的偏光顯微鏡，型號(hào)為L(zhǎng)EICA DM2700P，采用觀察單偏光和正交偏光下礦物薄片的反射光，對(duì)礦物進(jìn)行了初步的鑒定。

考慮到樣品的代表性，從巖芯礦段中分別選擇了富錳型礦石、礫巖型礦石和鐵質(zhì)巖型礦石(圖3)，通過(guò)手標(biāo)本的觀察，結(jié)合鏡下鑒定，確定主要的礦石成分。

a-富錳礦石；b-礫巖型礦石；c-含礫鐵質(zhì)巖圖3 3類礦石標(biāo)本Fig.3 Samples of three types of ore

3.1 富錳型礦石

樣品取自于鉆孔巖芯下部礦層。礦石樣品呈灰黑色至黑色，局部紅色，條痕褐紅色，具半金屬光澤，致密堅(jiān)硬，密度大，主要由鐵錳質(zhì)礦物組成。由于金屬礦物顏色差異，形成條帶狀分布的現(xiàn)象?？梢?jiàn)礦石中有礦物團(tuán)塊，粒度小，形狀不規(guī)則。

顯微鏡下鑒定出主要的礦物成分為褐錳礦(br)、方鐵錳礦(bix)，含赤鐵礦(hem)和軟錳礦(py)。單偏光下觀察，褐錳礦呈灰色，呈毛氈冰花狀變晶結(jié)構(gòu)(圖4a)或纖狀變膠結(jié)構(gòu)(圖4b)，交代土黃色方鐵錳礦?？梢?jiàn)方鐵錳礦和亮灰色赤鐵礦緊密嵌生，或見(jiàn)團(tuán)狀、條帶狀的褐錳礦集合體分布于土黃色方鐵錳礦中，二者被似麻點(diǎn)狀淺灰色硬錳礦(ps)交代(圖4c)。少量的軟錳礦呈淺黃色，分布于灰色褐錳礦顆粒集合體中(圖4d)。在正交偏光下，方鐵錳礦無(wú)偏光色，褐錳礦則呈灰白—灰的偏光色。

3.2 礫巖型礦石

樣品取自于鉆孔巖芯上部礦層。礦石具金屬光澤，呈暗紅色，條痕褐紅色，致密堅(jiān)硬，密度大，主要由鐵、錳礦物組成，金屬礦物形成大小不等的角礫。角礫大小不等，一般為2～10 mm，較大的可達(dá)20 mm，角礫間被同成分的礦物填隙。礦石較污手，觸摸呈褐紅色。

顯微鏡下鑒定，主要的礦物成分為赤鐵礦(hem)，其次為黏土礦物(clay)，礫石中的金屬礦物可見(jiàn)褐錳礦(br)、硬錳礦(ps)，其他礦物較少。

在單偏光下，赤鐵礦呈灰色，多為針狀晶體的集合體角礫。角礫的孔洞中填充有錳礦物，其中褐錳礦被硬錳礦和赤鐵礦交代，褐錳礦呈碎片狀殘留(圖5a)。在赤鐵礦集合體組成的角礫間，填隙有脈石、褐錳礦和交代形成的硬錳礦(圖5b)。針狀、薄板狀的赤鐵礦晶體，相互攀搭形成格架狀，格架空隙填充有脈石礦物，形成集合體角礫，角礫間填充有脈石和鐵錳礦物(圖5c)。

br-褐錳礦；bix-方鐵錳礦；hem-赤鐵礦；ps-硬錳礦；clay-黏土礦物圖5 礫巖型礦石的偏光顯微照片F(xiàn)ig.5 Polarized micrograph of conglomerate-type ores

在正交偏光下，赤鐵礦呈赤紅色內(nèi)反射，角礫間的填隙物主要為黏土礦物，由于鐵質(zhì)礦物的渲染，也呈橙紅色(圖5d)。

3.3 含礫鐵質(zhì)巖

樣品取自于鉆孔巖芯上部礦層的頂部。巖石呈褐紅色，致密堅(jiān)硬。巖石主要由角礫和膠結(jié)物隱晶質(zhì)組成，角礫大小不一，為3～23 mm，由非金屬礦物和金屬礦物組成了角礫。非金屬礦物角礫呈略淺的褐紅色，金屬礦物角礫呈鐵灰色，粒度較非金屬礦物角礫小。角礫雜亂分布，充填于角礫間的膠結(jié)物為褐紅色的鐵錳質(zhì)。

顯微鏡下鑒定，主要的礦物成分為黏土礦物(clay)，金屬礦物多為赤鐵礦(hem)，呈角礫或填隙物的形式。角礫中見(jiàn)少量的軟錳礦、硬錳礦和方鐵錳礦晶體集合體。

在單偏光鏡下，赤鐵礦的細(xì)粒集合體呈灰白色，多為團(tuán)塊或礫狀，可見(jiàn)少量奶油黃色的軟錳礦顆粒及暗灰色黑錳礦斑點(diǎn)，赤鐵礦顆粒間空隙被含鐵質(zhì)的黏土礦物充填，界線不明顯(圖6a)；而在正交偏光下，赤鐵礦集合體呈現(xiàn)強(qiáng)烈的紅色內(nèi)反射和偏光色，黑錳礦呈明亮的灰色偏光色，黏土礦物呈明亮的橙紅色分布于金屬礦物集合體邊緣(圖6b)。

hem-赤鐵礦；clay-黏土礦物圖6 含礫鐵質(zhì)巖的偏光顯微照片F(xiàn)ig.6 Polarized micrograph of conglomerate-bearing ferruginous rocks

在單偏光下，黏土礦物中呈亮橙紅色，包裹灰白色赤鐵礦集合體，其間含土黃色方鐵錳礦集合體和棕灰色褐錳礦斑點(diǎn)以及少量硬錳礦(圖6c)；而在正交偏光下，赤鐵礦集合體呈暗色，方鐵錳礦、褐錳礦和硬錳礦的偏光色不明顯，致密塊狀金屬礦物集合體邊緣不光滑，被亮橙紅色黏土礦物包裹，可見(jiàn)孤島狀集合體碎片(圖6d)。

由上可見(jiàn)，通過(guò)偏光顯微鑒定，類礦石中的礦物成分基本相同，均為方鐵錳礦、褐錳礦、硬錳礦、軟錳礦、赤鐵礦、黏土礦物等。隨著賦存位置的變化，形成主要礦物由錳到鐵、再漸變?yōu)轲ね恋V物的序列。

4 XRD實(shí)驗(yàn)

將完成薄片加工后余下的巖石、礦石樣品部分通過(guò)粗碎、細(xì)碎、篩分，加工成200目的粉末，用正壓法裝樣，在河北地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)測(cè)試中心進(jìn)行了測(cè)試。儀器為日本理學(xué)公司生產(chǎn)的Rigaku 9kW型X射線衍射分析儀，測(cè)角儀測(cè)角準(zhǔn)確度優(yōu)于0.01°(2θ)，礦物含量檢測(cè)限在1%左右。X射線發(fā)生器功率為9 kW轉(zhuǎn)靶，射線源為Cukα(d=1.541 86 ?)，工作電壓45 kV，工作電流200 mA，掃描范圍(2θ)3°～90°(或視峰選擇80°終止)，掃描速度4°(2θ)/min，掃描方式為連續(xù)掃描。所得XRD數(shù)據(jù)通過(guò)軟件 MDI Jade6 進(jìn)行全譜擬合分析。通過(guò)粉晶XRD測(cè)試，分析巖石、礦石樣品中的主要礦物，為巖礦鑒定提供可靠依據(jù)。

在礦物組分定性分析中，在MDI Jade 6中對(duì)XRD圖譜依次進(jìn)行背底扣除、平滑圖譜、尋峰、圖譜擬合，最后利用圖譜庫(kù)搜索的功能檢索出與圖譜峰位相符的礦物。為保證主量礦物種類的準(zhǔn)確性與完整性，每個(gè)主量礦物至少有5個(gè)強(qiáng)衍射峰峰位與PDF卡片中的峰位相符。

4.1 富錳型礦石

經(jīng)物相鑒定，該鐵錳型礦石樣品中的主量礦物為方鐵錳礦(PDF卡片號(hào)：#75-0894)和褐錳礦(PDF卡片號(hào)：#74-1206)，含少量硬錳礦、軟錳礦、赤鐵礦。礦物的衍射譜圖如圖7。方鐵錳礦、褐錳礦的實(shí)測(cè)值與PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片中的理論值對(duì)比見(jiàn)表1、表2。

表1 富錳礦石中方鐵錳礦的XRD數(shù)據(jù)(主要衍射峰)Table 1 XRD data of bixbyite in Mn-rich ores (major peaks)

表2 富錳礦石中褐錳礦的XRD數(shù)據(jù)(主要衍射峰)Table 2 XRD data of braunite in Mn-rich ores (major peaks)

圖7 富錳型礦石的XRD譜圖Fig.7 XRD spectrogram of Mn-rich ores

由衍射圖及衍射數(shù)據(jù)可見(jiàn)，幾處強(qiáng)衍射峰幾乎全部由方鐵錳礦和褐錳礦疊加而成，其他物相相對(duì)強(qiáng)度較低。2θ=33°處的最強(qiáng)衍射峰，其相對(duì)強(qiáng)度I遠(yuǎn)超其他峰，且峰寬也較大，這是由于方鐵錳礦和褐錳礦的衍射峰位十分接近，相互疊加而成。方鐵錳礦的實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片的理論值十分接近，匹配較為理想；褐錳礦在(4 4 0)、(4 0 8)晶面處的實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片的理論值約有0.2°的差異，這是在擬合過(guò)程中在相近峰位處不同物相的衍射峰疊加造成的。

4.2 礫巖型礦石

經(jīng)物相檢索，礫巖型礦石樣品的XRD圖譜中主要強(qiáng)衍射峰對(duì)應(yīng)的礦物為赤鐵礦(PDF：#79-1741)，其次為鈉珠云母(PDF：#80-0548)，其他黏土礦物少量。礦物的衍射譜圖如圖8。赤鐵礦和鈉珠云母的實(shí)測(cè)值與PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片中的理論值對(duì)比見(jiàn)表3、表4。

表3 礫巖型礦石中赤鐵礦XRD數(shù)據(jù)(主要衍射峰)Table 3 XRD data of hematite in conglomerate-type ores (major peaks)

表4 礫巖型礦石中鈉珠云母XRD數(shù)據(jù)(主要衍射峰)Table 4 XRD data of ephesite in conglomerate-type ores (major peaks)

圖8 礫巖型礦石的XRD譜圖Fig.8 XRD spectrogram of conglomerate-type ores

由衍射數(shù)據(jù)可見(jiàn)，赤鐵礦、鈉珠云母的實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片匹配良好，主要衍射峰的峰位、晶面間距和相對(duì)強(qiáng)度均十分接近。錳礦物為褐錳礦、硬錳礦和軟錳礦，其特征峰峰強(qiáng)均較低，表明含量很少。

4.3 含礫鐵質(zhì)巖

經(jīng)物相檢索，該含礫鐵質(zhì)巖樣品中強(qiáng)衍射峰對(duì)應(yīng)白云母(PDF：#86-1384)，中等強(qiáng)度衍射峰對(duì)應(yīng)赤鐵礦(PDF：#73-2234)，其他的黏土礦物為少量金云母和高嶺土。礦物的衍射譜圖如圖9。白云母和赤鐵礦的實(shí)測(cè)值與PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片中的理論值對(duì)比見(jiàn)表5、表6。

表5 含礫鐵質(zhì)巖中白云母XRD數(shù)據(jù)(主要衍射峰)Table 5 XRD data of muscovite in conglomerate-bearing ferruginous rocks (major peaks)

表6 含礫鐵質(zhì)巖中赤鐵礦XRD數(shù)據(jù)(主要衍射峰)Table 6 XRD data of hematite in conglomerate-bearing ferruginous rocks (major peaks)

圖9 含礫鐵質(zhì)巖的XRD譜圖Fig.9 XRD spectrogram of conglomerate- bearing ferruginous rocks

由衍射數(shù)據(jù)和衍射圖可見(jiàn)，白云母和赤鐵礦主要衍射峰的實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片均匹配良好，幾乎所有的強(qiáng)—中衍射峰都是由這兩種礦物組成，其他成分含量較低。

由上可見(jiàn)，3類礦石的礦物成分類似，但主要礦物有所不同。富錳礦石中的錳主要為褐錳礦和方鐵錳礦，鐵主要為方鐵錳礦；礫巖型礦石中錳質(zhì)被鐵質(zhì)取代，鐵質(zhì)則主要為赤鐵礦；含礫鐵質(zhì)巖則相當(dāng)于礫巖型礦石被黏土礦物貧化，因此錳質(zhì)少，鐵質(zhì)主要為赤鐵礦。

5 對(duì)比與討論

根據(jù)上述偏光顯微鑒定結(jié)果和XRD測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)比如下：

(1)主要礦物成分一致

3類礦石中通過(guò)偏光顯微鑒定出的礦物成分中，錳礦物以褐錳礦和方鐵錳礦為主，鐵礦物以赤鐵礦為主，含硬錳礦、軟錳礦、水錳礦等；通過(guò)XRD檢索出的礦物成分中，主量的礦石礦物為褐錳礦、方鐵錳礦和赤鐵礦，黏土礦物中鈉珠云母和白云母居多，含少量高嶺土、金云母等。因此，兩種方法對(duì)礦物成分的識(shí)別具有較高的一致性。

(2)次要礦物成分XRD更為精準(zhǔn)

偏光顯微鏡下，次要礦物與主要礦物時(shí)有交代、混染的情況出現(xiàn)，給鑒定次要礦物帶來(lái)一定的難度，尤其是對(duì)黏土礦物、赤鐵礦的厘定。而XRD則很好地解決了這一難點(diǎn)，不僅識(shí)別出了鈉珠云母、白云母、高嶺土等多類黏土礦物，而且能夠解釋峰寬化是由相近峰疊加而形成。

(3)兩種手段的互補(bǔ)性

偏光顯微鑒定可以觀察礦石的結(jié)構(gòu)以及各類礦物的嵌布特征，但對(duì)礦物的鑒定存在一定的不確定性；XRD的圖譜擬合、PDF卡片庫(kù)的匹配功能可以更精準(zhǔn)地確定礦物成分，但無(wú)法對(duì)礦石的結(jié)構(gòu)作出分析。因此，兩種方法具有明顯的互補(bǔ)性，適宜于結(jié)合進(jìn)行鑒定(表7)。

表7 偏光顯微鑒定與XRD的對(duì)比Table 7 Comparison of polarization microscope identification and XRD

6 結(jié)論

(1)Postmasburg西礦帶的BIF型礦石分帶性明顯。富錳礦石集中于礦體的下部，向上鐵質(zhì)含量逐漸增加，演變?yōu)榈[巖型礦石，并最終被黏土礦物貧化為含礫鐵質(zhì)巖，反映了沉積環(huán)境的整體變化趨勢(shì)。

(2)富錳型礦物中的錳主要為褐錳礦和方鐵錳礦；礫巖型礦石中赤鐵礦為主要的金屬礦物，黏土礦物以鈉珠云母為主；含礫鐵質(zhì)巖中的黏土礦物主要為白云母，金屬礦物多為赤鐵礦。

(3)偏光顯微鑒定和XRD物相檢索兩類手段在該地區(qū)鐵錳礦物的巖礦鑒定中具有良好的一致性。偏光顯微鑒定能夠更清楚地觀察礦物的結(jié)構(gòu)特征，而XRD的物相檢索可能更精準(zhǔn)地確定礦物成分，二者相結(jié)合則可以提高礦物識(shí)別的準(zhǔn)確率。在厚層礦體中礦石成分接近、主量礦物明顯的情況下，對(duì)于確定礦石類型、厘定所屬層位、整體了解礦體分層對(duì)特征等具有重要的指導(dǎo)意義。