弓長嶺鐵礦床二礦區(qū)黑云母變粒巖稀土微量元素特征及其指示意義

吳明剛,夏建明

(1. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100； 2. 煙臺黃金職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺 265401； 3. 東北大學(xué)秦皇島分校資源與材料學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

0 前 言

弓長嶺鐵礦床二礦區(qū)位于鞍山-本溪地區(qū)中部，華北板塊東北端，以鞍山式鐵礦聞名，其中富鐵礦尤為突出，但由于該區(qū)地質(zhì)作用的復(fù)雜性與漫長性，使原有地質(zhì)特征被疊加改造，新的地質(zhì)特征被添加，為鐵礦床的研究帶來重重阻力。黑云母變粒巖層(K層)貫穿全區(qū)，為二礦區(qū)的標(biāo)志層，為條帶狀磁鐵礦石主要圍巖之一(見圖1)，查明該層黑云母變粒巖原巖及成巖環(huán)境對鐵礦床成礦環(huán)境及富鐵礦成礦機(jī)研究制意義重大。前人對其進(jìn)行的相關(guān)研究結(jié)論不一，原巖恢復(fù)方面研究結(jié)論集中在中酸性凝灰?guī)r、含火山灰的中酸性火山熔巖、英安質(zhì)火山碎屑沉積巖、大陸島弧雜砂巖和中酸性英安質(zhì)凝灰?guī)r；形成環(huán)境則有大陸邊緣的陸棚淺海環(huán)境、動蕩的淺海環(huán)境、大陸島弧和弧后盆地等[1-7]。上述研究對黑云母變粒巖的原巖恢復(fù)和形成環(huán)境的分析側(cè)重于基礎(chǔ)地質(zhì)特征和巖石化學(xué)特征，對稀土元素特征及分析涉及較少。稀土元素作為一組特殊的微量元素，地球化學(xué)性質(zhì)極為相似，在地質(zhì)-地球化學(xué)作用過程中整體活動，除經(jīng)受巖漿熔融外，整體組成特征基本不被破壞[8]。其獨(dú)特的地球化學(xué)特征，在變質(zhì)巖原巖恢復(fù)及原巖成巖環(huán)境判別中應(yīng)用廣泛[9]。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，對二礦區(qū)黑云母變粒巖的稀土微量元素特征進(jìn)行了相應(yīng)的分析和研究，認(rèn)為其原巖為陸相沉積雜砂巖，沉積環(huán)境為大陸島弧氧化環(huán)境。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

弓長嶺鐵礦床賦存于太古代綠巖帶內(nèi)，根據(jù)礦體出露位置共分4個礦區(qū)：一礦區(qū)、二礦區(qū)、三礦區(qū)和老嶺-八盤嶺礦區(qū)(包括老弓長嶺、獨(dú)木、啞叭嶺和八盤嶺)，其中二礦區(qū)位于弓長嶺背斜的北翼，寒嶺斷裂與老嶺斷裂之間，呈單斜狀殘留體產(chǎn)于大片混合花崗巖中，弓長嶺鐵礦床二礦區(qū)地質(zhì)特征見圖1。

1.第四系；2.下奧陶統(tǒng)；3.上下混合巖；4.硅質(zhì)巖；5.斜長角閃巖；6.黑云變粒巖(K層)；7.綠泥角閃片巖；8.綠泥云母片巖；9.底部角閃巖；10.較富鐵礦石；11.條帶狀磁鐵石英巖；12.類矽片巖；13.長英巖脈；14.實(shí)測及推測斷層；15.橫向斷層；16.勘探線

礦區(qū)出露地層主要為太古宙鞍山群茨溝組，其巖性主要為斜長角閃巖、黑云變粒巖、片麻巖夾磁鐵石英巖，厚度>2 000 m，是主要含鐵層位。含鐵層位自下而上劃分為6層：底部角閃巖、底部片巖、下含鐵帶、中部黑云母變粒巖帶(K層)、上含鐵帶和硅質(zhì)巖層[4]。①底部角閃巖，主要由斜長角閃巖、黑云母角閃巖和綠泥角閃巖等組成，局部夾有薄層的磁鐵石英巖；②底部片巖，主要由綠泥云母片巖、石英云母片巖、石英綠泥片巖和滑石片巖等組成；③下含鐵帶，主要由Fe1鐵礦層，中部鈉長角閃巖、磁鐵角閃巖和綠泥角閃片巖等，F(xiàn)e2鐵礦層組成；④中部黑云母變粒巖帶(K層)主要由黑云變粒巖和Fe3鐵礦夾層組成[10]；⑤上含鐵帶主要由Fe4鐵礦層、下斜長角閃巖、Fe5鐵礦層、上斜長角閃巖和Fe6鐵礦層組成，其中Fe6鐵礦層為本礦區(qū)最厚的一層鐵礦，且有大量的富鐵礦石產(chǎn)出；⑥硅質(zhì)巖層主要由白云母石英片巖、石英巖和透閃石英巖等組成[11]。

礦區(qū)兩側(cè)被寒嶺斷裂和偏嶺斷裂切割，構(gòu)造發(fā)育，褶皺和斷裂齊全，控制著礦體的形成和分布，褶皺為反“S”形弓長嶺背斜北翼，對鐵礦層的控制不明顯，斷層為一系列走向斷層(如大砬子走向逆斷層、F3走向正斷層和T6斷層等)和橫向斷層(大砬子橫斷層F1，橫斷層N1、N2和N4等)[12]。

研究表明，礦區(qū)至少存在2種類型花崗巖，一類為2.99 Ga左右形成的弓長嶺片麻狀花崗巖，形成于條帶狀磁鐵石英巖之前，巖石呈灰白色，礦物組合為斜長石、鉀長石、石英和少量黑云母；另一類為2.5 Ga左右形成的麻峪花崗巖，形成于條帶狀磁鐵石英巖之后，包括較早的鈉質(zhì)花崗巖和較晚的鉀質(zhì)花崗巖，巖石呈灰白色或肉紅色，礦物組合為微斜長石、石英和少量云母等[13]。

2 樣品處理

本次研究選取弓長嶺鐵礦床二礦區(qū)K層10件黑云母變粒巖，對其進(jìn)行詳細(xì)的鏡下觀察，并送樣至澳實(shí)分析檢測(廣州)有限公司進(jìn)行稀土微量元素含量分析。分析采用等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行ME-MS81(硼酸鋰熔融、等離子質(zhì)譜定量)化驗(yàn)，總體分析精度優(yōu)于5%。

3 黑云母變粒巖稀土微量元素特征

弓長嶺鐵礦床二礦區(qū)K層厚70～180 m，走向120°～160°，傾向北東，傾角60°～85°，主要由黑云母變粒巖組成，夾有黑云角閃變粒巖、黑云鈉長變粒巖、鈉長角閃變粒巖和磁鐵石英巖(Fe3)薄層。其中黑云母變粒巖主要為片麻狀構(gòu)造，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，主要含斜長石、石英和黑云母，局部存在磷灰石、鋯石、榍石和電氣石，個別樣品含有碳酸鹽巖，常見絹云母化和綠泥石化[11]。

弓長嶺鐵礦床二礦區(qū)10件黑云母變粒巖稀土微量元素測試結(jié)果見表1，其中球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)采用Taylor等(1985)的數(shù)據(jù)[14]，銪異常與鈰異常分別采用δEu=2EuN/(SmN+GdN)，δCe=2CeN/(LaN+PrN)進(jìn)行計(jì)算。

二礦區(qū)10件黑云母變粒巖稀土元素總量∑REE范圍為69.83×10-6～138.04×10-6，均值110.37×10-6，稀土配分模式為右傾型；LREE范圍為60.52×10-6～127.27×10-6，均值100.97×10-6；HREE范圍為7.41×10-6～10.91×10-6，均值9.40×10-6；LREE/HREE比值6.50～12.88；(La/Yb)N比值5.72～5.23(見表1)，由此得出二礦區(qū)輕稀土富集，重稀土虧損，輕、重稀土分異明顯，顯示較高的分異程度。δEu范圍0.80～0.96，均值0.86，呈弱負(fù)異常，表明其原巖形成與熱液活動關(guān)系不密切，δCe范圍0.90～0.95，均值0.92，具極弱的負(fù)異常，反映弱還原-氧化環(huán)境；微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖具體表現(xiàn)在虧損高場強(qiáng)元素Nb、P和大離子親石元素Ba、Sr，高場強(qiáng)元素P可能由變質(zhì)作用過程中在磷灰石等礦物的結(jié)晶分異引起[6]，虧損大離子親石元素Ba、Sr，Y/Ho值范圍為24.33～7.35，均值26.33，接近于上地殼平均值27，表明二礦區(qū)黑云母變粒巖原巖形成環(huán)境較淺，可能來源于上地殼(見圖2～3)。

表1 黑云母變粒巖稀土微量元素含量及特征值參數(shù) ×10-6

圖2 稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布形式

圖3 微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)

4 原巖恢復(fù)及沉積環(huán)境判別

4.1 原巖恢復(fù)

本區(qū)K層黑云母變粒巖的原巖恢復(fù)長期以來一直爭議不斷。20世紀(jì)80年代，孫岱生等[1]通過黑云母與斜長石、石英等形成的變余微層理構(gòu)造，認(rèn)為黑云母變粒巖原巖為中酸性凝灰?guī)r經(jīng)區(qū)域變質(zhì)而成。李曙光等[2]通過巖相及礦物組成、巖石化學(xué)和微量元素特征等方面研究認(rèn)為二礦區(qū)黑云母石英鈉長變粒巖(K層)的物質(zhì)來源不是單一的，一部分為火山熔巖，另一部分可能是火山灰，原巖應(yīng)為為含火山灰的中酸性火山熔巖，沉積環(huán)境為大陸邊緣的陸棚淺海環(huán)境。萬渝生等[3]綜合分析程裕淇[4]、陳光遠(yuǎn)等[5]的研究成果認(rèn)為K層黑云母變粒巖組原巖為英安質(zhì)火山碎屑沉積巖，沉積環(huán)境為動蕩的淺海環(huán)境。21世紀(jì)初，王恩德等[6]通過巖石化學(xué)和微量元素特征等方面的研究認(rèn)為，二礦區(qū)黑云母變粒巖原巖來源于上地殼，巖性為大陸島弧雜砂巖。陳繼宏等[7]通過主量元素特征圖解分析認(rèn)為黑云母變粒巖原巖為中酸性英安質(zhì)凝灰?guī)r。

稀土元素中，Sm/Nd比值是反映物質(zhì)來源和的∑REE分餾程度重要參數(shù)，如地幔為0.260～0.375，大洋玄武巖為0.234～0.425，而源于殼層的花崗巖類以及各類沉積巖一般小于0.3，該區(qū)黑云母變粒巖Sm/Nd=0.17～0.22，均值0.18，屬于源于殼層的花崗巖類以及各類沉積巖[15]。研究區(qū)中，在一些露頭上可見明顯的微層理、遞變層理、斜層理等現(xiàn)象[1,16]；在黑云母變粒巖中，部分礦物存在不同程度的磨圓度[7]，且部分學(xué)者測得二礦區(qū)黑云變粒巖鋯石年齡集中于2.5 Ga～2.7 Ga[13,17]，早于鞍山-本溪地區(qū)條帶狀硅鐵建造年齡2.5 Ga[18]。綜合以上結(jié)論，二礦區(qū)黑云母變粒巖原巖為沉積巖而不是火成巖。稀土元素La/Yb-REE圖解顯示(見圖4)，原巖表現(xiàn)為砂質(zhì)巖或雜砂巖；黑云母變粒巖巖石主量元素化學(xué)成分分析結(jié)果(見表2)及[(Al+Fe+Ti)/3-K]-[(Al+Fe+Ti)/3-Na]圖解的分析(見圖5)進(jìn)一步表明二礦區(qū)黑云母變粒巖的原巖為雜砂巖。

表2 黑云母變粒巖巖石化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.Ⅰ為斜長角閃巖；2.Ⅱ?yàn)樯百|(zhì)巖和雜砂巖區(qū)；3.Ⅲ為頁巖和黏土巖區(qū)；4.Ⅳ為碳酸鹽巖區(qū)

1.基性火山巖；2.亞雜砂巖；3.雜砂巖；4.頁巖、泥質(zhì)碳酸鹽巖；5.長石砂巖

4.2 沉積環(huán)境判別

稀土微量元素研究中，V/Cr、Ni/Co和U/Th也是對沉積環(huán)境判別的可靠指標(biāo)。在亞氧化環(huán)境、缺氧(還原)環(huán)境下，V/Cr、Ni/Co和U/Th分別大于4.25、7和1.25，小于2、5和0.75，分別對應(yīng)氧化環(huán)境，在貧氧環(huán)境下分別在二者之間[19]。本區(qū)10件樣品V/Cr=1.18～3.65，均值2.32；Ni/Co=2.85～6.11，均值3.81；U/Th=0.23～0.36，均值0.29，總體反映氧化沉積環(huán)境，這與δCe表現(xiàn)為極弱負(fù)異常一致。

Sr/Ba值常用來作為區(qū)分淡水和咸水沉積的標(biāo)志[20]，一般認(rèn)為，海洋沉積Sr/Ba>1,陸相沉積Sr/Ba<1[21]。本區(qū)10件黑云母變粒巖樣品，除HB-5樣品Sr/Ba=1.30，其余9件樣品Sr/Ba=0.13～0.58，均值0.31，均小于1，總體顯示為陸相沉積；同時，該區(qū)黑云母變粒巖REE顯示輕稀土富集，貧重稀土，δEu有輕微的負(fù)異常，幾乎無δCe異常，表明其物源區(qū)具有親陸源性質(zhì)[21]，綜合表現(xiàn)為陸相沉積。

構(gòu)造環(huán)境判別方面，該區(qū)10件黑云母變粒巖樣品w(Th)=8.46×10-6～10.50×10-6，均值9.64×10-6；w(U)=1.96×10-6～3.53×10-6，均值2.81×10-6；Zr/Th=12.25～17.16，均值14.16；w(La)=13.3×10-6～31.6×10-6，均值24.7×10-6；Th/U=2.82～4.43，均值3.48；La/Y=1.01～2.33，均值1.87；Ti/Zr=20.87～27.17，均值23.60；Th/Sc=0.60～1.31，均值0.87；La/Sc=1.33～3.01，均值2.17；La/Th=1.44～3.25，均值2.58；w(Co)=9×10-6～22×10-6，均值16×10-6；w(Zr)=124×10-6～158×10-6，均值135.7×10-6。據(jù)雜砂巖構(gòu)造環(huán)境判別框圖(見圖6)及不同構(gòu)造環(huán)境稀土微量元素特征值對比(見表3)，二礦區(qū)黑云母變粒巖稀土微量元素特征值基本與大陸島弧特征值一致。同時，在該區(qū)構(gòu)造環(huán)境La/Sc-Ti/Zr判別圖解中(見圖7a)，5個樣品點(diǎn)落于大陸島弧中，3個點(diǎn)落于活動大陸邊緣且靠近大陸島弧部分，2個點(diǎn)落于二者之間；La-Th判別圖解中(見圖7b)，有9個樣品點(diǎn)落于大陸島弧[21]；綜合以上結(jié)論，弓長嶺鐵礦床二礦區(qū)黑云母變粒巖原巖形成于大陸島弧。

圖6 雜砂巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解

表3 不同構(gòu)造環(huán)境稀土微量元素特征值對比

1.A為大洋島??；2.B為大陸島?。?.C為活動大陸邊緣；4.D為被動大陸邊緣

5 結(jié) 論

1)弓長嶺鐵礦床二礦區(qū)黑云母變粒巖稀土配分模式為右傾輕稀土富集型，LREE/HREE比值6.50～12.88.64，(La/Yb)N比值5.72～15.23，輕、重稀土分異明顯，顯示較高的分異程度，具較弱δEu負(fù)異常和極弱的δCe負(fù)異常，總體顯示較高的分餾程度，微量元素方面虧損高場強(qiáng)元素Nb、P和大離子親石元素Ba、Sr。

2)研究區(qū)黑云母變粒巖部分礦物存在不同程度的磨圓度，稀土元素La/Yb-REE圖解和主量元素[(Al+Fe+Ti)/3-K]-[(Al+Fe+Ti)/3-Na]圖解表明二礦區(qū)黑云母變粒巖的原巖為雜砂巖；且V/Cr、Ni/Co和U/Th指標(biāo)反映了氧化沉積環(huán)境，與δCe表現(xiàn)為極弱負(fù)異常一致，Sr/Ba值顯示出陸相沉積特征。

3)研究區(qū)黑云母變粒巖w(Th)、w(U)、Zr/Th和w(La)等元素特征值和構(gòu)造環(huán)境La/Sc-Ti/Zr判別圖顯示結(jié)果均顯示弓長嶺鐵礦床二礦區(qū)黑云母變粒巖原巖形成于大陸島弧。