山东省禹城市叠道富铁矿床的发现及找矿意义

Discovery and prospecting significance of Diedao high-grade skarn iron deposit in Yucheng City, Shandong Province

摘要

叠道富铁矿床位于华北板块鲁西隆起西北缘,是2023年新发现的夕卡岩型富铁矿床。矿床内富磁铁矿体呈似层状赋存于岩体与石炭系—二叠系接触带附近的含煤地层内,矿体与围岩接触较为截然;矿石矿物以磁铁矿为主,成矿元素集中,全铁含量约55%,Cu、Co等含量较低,Co与S含量显示较好的一致性。围岩蚀变以角岩化为主,夕卡岩化次之;为典型的“禹城式”夕卡岩型富铁矿床。成矿岩体为富镁、贫铁、贫钛、富钠过铝质岩石,钠长石化发育,蚀变过程中析出部分铁可能参与成矿;岩体较高的侵入层位促进了含矿热液的异地迁移富集成矿。该矿床为低缓磁异常内局部次级异常找矿成果,二维地震或广域电磁约束重磁反演,可有效识别矿致异常和岩体凸起异常,提高找矿成功率。异常东南及东部可能存在矿体剥蚀区,西侧具有较大的找矿空间。

Abstract

The Diedao iron deposit, newly discovered in 2023, is located on the northwestern margin of the Luxi Uplift, North China Craton. It is a high-grade skarn-type iron deposit. The high-grade iron orebodies exhibit sharp contacts with the surrounding rocks and are stratified within the coal-bearing strata adjacent to the contact zone between the intrusive rock mass and the Carboniferous-Permian strata. The ore has a total iron content of approximately 55% and is dominated by magnetite. The mineralization is predominantly iron, with notably low concentrations of Cu, Co, and other elements. Cobalt and sulfur show consistent variation trends. The characteristics of the ore bodies identify it as a typical “Yucheng-type” high-grade skarn iron deposit. The ore-forming intrusive rocks are peraluminous and characterized by high Mg and Na but low Fe and Ti contents. Strong albitization is widespread in the adjacent rock mass, and this alteration process may have contributed some iron to the mineralization. The relatively high emplacement level of the intrusion facilitated the long-distance migration and subsequent mineralization of the ore-bearing hydrothermal fluids. The deposit is associated with a secondary, low-amplitude, and gentle magnetic anomaly. Integrated geophysical exploration, combining gravity and magnetic profile inversion with either 2D seismic or wide-field electromagnetic methods, can effectively distinguish magnetic anomalies caused by ore bodies and intrusive rock mass protrusions, thereby improving prospecting success rates. While the orebodies in the southeastern and eastern parts of the Diedao anomaly may have been eroded, the western area offers broader prospecting potential.

Graphical abstract

关键词

富铁矿 / 夕卡岩 / 禹城式 / 找矿方法 / 叠道矿床

Key words

high-grade iron ore / skarn / Yucheng-Type / method of prospecting / Diedao deposit

0 引言

我国铁矿资源“贫矿多、富矿少”,富铁矿在铁矿资源总量的占比不足3%^{[1- 2]}。我国元古宙以来频繁的构造-岩浆活动,为与岩浆作用有关的夕卡岩型铁矿的形成提供了有力的成矿条件^[3-7],夕卡岩型铁矿成为我国最为主要的富铁矿类型,该类型富铁矿占中国已探明富铁矿储量的58%^[2,8-9]。因此,夕卡岩型铁矿成为我国富铁矿找矿的重点攻关矿种。

近年来山东省齐河—禹城地区取得夕卡岩型富铁矿重大找矿突破^[10],发现了李屯、郭店、大张等富铁矿床^[11-12]。近期山东省煤田地质规划勘察研究院在齐河—禹城北部的叠道地区再获找矿新发现,在1 170~1 220 m深度揭露30余m厚富磁铁矿体,开辟了该区新的找矿地段。前人围绕该矿集区李屯等典型矿床开展了一定的研究工作,在成矿规律及机制方面,总结了地层、岩浆岩等成矿地质条件^[11,13-15],揭示了矿体异地成矿的赋存特征^[16],探讨了矿床地球化学特征及矿床成因^[17-21],建立了“禹城式”富铁矿成矿模式^[22-23];找矿技术方法方面,总结了重磁等地球物理特征^[24-25],研究了广域电磁等方法在富铁矿深部找矿中发挥的有效作用^[26-34],揭示了该区良好的找矿前景。由于叠道富铁矿发现较晚,其总结研究工作尚处于初步阶段,尤其是在成矿条件及成因机制、找矿思路及方法方面尚缺乏系统的总结研究,找矿潜力及方法仍有待进一步探讨。本文针对叠道富铁矿床,系统总结了赋矿围岩、成矿岩体等地质条件,探讨了矿体赋存特征及矿石元素富集规律,总结了找矿思路及方法,探讨了矿床外围及深部找矿潜力,为后续勘查及研究工作奠定基础。

1 地质背景

叠道富铁矿床齐河—禹城富铁矿集区北部,大地构造位置为华北克拉通东南部的鲁西隆起(图1a^[35]),该隆起是中国东部重要的夕卡岩型铁矿集中地,分布有莱芜张家洼^[36-40]、淄博金岭^[41-44]、济南^[45]和齐河—禹城^[11,16]等夕卡岩型铁矿集区。鲁西齐河—禹城地区自2013年取得李屯铁矿找矿新发现以来,相继发现了大张、郭店、叠道等夕卡岩型铁矿床,目前多已达到中型富铁矿床规模,形成了面积近1 200 km²的夕卡岩型富铁矿矿集区,区内铁矿体具品位高(全铁平均品位均大于55%),厚度大(主矿体平均厚度大于50 m)的特点,具良好的找矿潜力。

区域地层由老到新依次为太古宇、寒武系、奥陶系、石炭系—二叠系、古近系、新近系及第四系(图1b),奥陶系主要为一套灰岩地层,与夕卡岩型铁矿成矿关系密切,石炭系—二叠系为一套含煤岩系,主要岩性为砂岩、泥岩及煤层等,该套地层内亦有厚层夕卡岩型铁矿体产出。区域构造以断裂构造为主,总体分布有总体上分布有NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向三组断裂构造,且以前两者较发育,各组大断裂互相切割,控制了区域内凸起、凹陷的产生和发育。岩浆活动强烈,主要分布有新太古代、中元古代和中生代侵入岩,其中中生代早白垩世(约130 Ma)侵入岩与夕卡岩型铁矿成矿关系密切,初步划分了李屯岩体、郭店岩体、大张岩体等,为区内主要的成矿岩体^[18],地球物理推测深部可能连为一个大的岩体^[14,34]。

矿区地表被新生界沉积物覆盖,覆盖层厚度超1 000 m,钻孔揭露深部地层由老至新依次为石炭系—二叠系、古近系、新近系和第四系(图2a),地球物理推断矿区西侧随岩体向深部延伸,仍有奥陶系等地层。区内钻孔揭露岩心破碎带发育,推断主要为NE-NNE向小规模断层。岩浆岩主要为李屯岩体(图2b),岩性主要为闪长岩、石英二长闪长岩、石英二长岩等,为早白垩世侵入岩体。

2 矿床地质

2.1 矿体特征

区内发现矿体位于李屯岩体西北部,钻孔共揭露矿体2层(图2b),分别为典型的“禹城式”富铁矿体和“捕掳体式”铁矿体。

“禹城式”富铁矿体:编号为D-Ⅰ号矿体,矿体呈似层状赋存于岩体与石炭系—二叠系接触带附近的变质岩石内(图3),推断矿体倾向210°,倾角约12°。矿体赋存标高-1 205~-1 170 m,钻遇厚度30.41 m,真厚度29.89 m。平均品位TFe(全铁含量)为54.70%、mFe(磁性铁含量)为50.03%。顶底板为夕卡岩或夕卡岩化角岩,顶板呈过渡接触,底板围岩与矿体界线较为清楚。

“捕掳体式”铁矿体:编号为D-Ⅱ号矿体,矿体规模较小,呈似层状赋存于蚀变闪长岩体内,推断矿体倾向210°,倾角约12°。矿体赋存标高-1 219~-1 218 m,钻遇厚度1.13 m,真厚度1.11 m。平均品位TFe为20.80%、mFe为15.29%。顶、底板均为蚀变闪长岩,围岩与矿体界线较为清楚。

2.2 矿石特征

磁铁矿石结构以半自形-它形粒状结构为主,少量交代结构、填隙结构、包含结构、共生边结构及环带结构等。半自形-它形粒状结构:磁铁矿呈半自形-它形粒状分布(图4a),并与透辉石、透闪石等脉石矿物等共生。交代结构:矿石中可见黄铁矿、黄铜矿交代早期磁铁矿(图4b),磁黄铁矿交代磁铁矿、黄铁矿,黄铜矿交代黄铁矿(图4c)等。填隙结构:黄铁矿充填于磁铁矿的晶隙之间。包含结构:黄铁矿包含磁铁矿,磁铁矿内包含磁黄铁矿等。

矿石构造以致密块状(图4d)、浸染状构造(图4e)为主,少量气孔状(图4f)、角砾状(图4g、h)矿石。致密块状构造:磁铁矿呈致密集合体分布,脉石矿物较少,仅见少许黄铁矿、黄铜矿等共伴生。浸染状构造:黄铁矿呈星点状分布于磁铁矿及脉石矿物中。

矿石中金属矿物主要为磁铁矿,少量黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿、赤铁矿等(图4a、b),非金属矿物主要为透辉石、石榴子石、金云母、透闪石、绿帘石、绿泥石和方解石等(图4i、j、k)。磁铁矿为矿石主要金属矿物,铁黑色,半金属光泽,不透明,具强磁性,反光镜下呈钢灰色,结构以半自形-它形粒状为主,部分呈半自形粒状,粒度一般0.05~0.5 mm,部分0.3~0.8 mm,不等粒,晶粒间常常致密接触,杂乱排列,主要以集合体形态产出。

2.3 围岩蚀变

矿体两侧围岩及岩体内均发育不同程度的蚀变作用,主要有角岩化、夕卡岩化、钠长石化、绿帘石化和碳酸盐化等,其中沉积地层以角岩化为主,闪长岩体以钠长石化为主,夕卡岩化强度相对较低,但与矿体空间关系最为密切。

角岩化主要发育于石炭系—二叠系围岩地层内,范围较广,厚度超50 m。近矿角岩化地层叠加少量夕卡岩化,主要以石榴子石、透辉石为主,石榴子石呈黄褐色、红棕色,多呈自形粒状结构,粒径多为0.5~2 mm,个别可达4 mm;透辉石呈灰绿色,半自形至自形短柱状,粒径一般在0.01~0.5 mm。近矿闪长岩体钠长石化强烈,并发育少量绿帘石化、绿泥石化等蚀变,钠长石化岩体厚度超160 m。

3 成矿规律及找矿标志

3.1 控矿岩体及特征

区内控矿岩体主要为李屯岩体,在ZK11钻孔1 124 m至1 409 m采集了少量闪长岩样品,并在山东省物化探岩矿测试中心采用X射线荧光光谱分析仪(XRF)进行了主量元素分析,FeO用氢氟酸—硫酸溶样、重铬酸钾滴定的容量法分析完成,分析结果显示(表1)。

辉长闪长岩呈深灰色,中粒粒状结构,块状构造,主要由斜长石(约50%)、角闪石(约30%)、单斜辉石(约10%)和少量黑云母(约3%)等组成。闪长岩呈深灰色,中粒粒状结构,块状构造,主要由斜长石(约55%)、角闪石(约35%)和少量黑云母(约2%)以及石英(约2%)等组成。二长岩呈浅灰色,中粒粒状结构,块状构造,主要由斜长石(约50%)、钾长石(约15%)、角闪石(约20%)、石英(约5%)和黑云母(约5%)等组成。

岩石SiO₂含量为52.98%~62.77%,Al₂O₃含量为13.94%~16.27%,TFe₂O₃含量为2.23%~6.58%,CaO含量为5.22%~9.51%,Na₂O含量为4.03%~6.76%,K₂O含量为0.28%~1.62%,MgO含量为1.66%~6.84%,Ti₂O含量为0.50%~0.79%,烧失量为1.18%~5.22%。在TAS图解(图5a)中显示,样品主要落入辉长闪长岩、闪长岩及二长岩区域。全碱含量ALK(Na₂O+K₂O)值介于4.76%~7.48%,平均为6.56%;里特曼指数为2.05~2.68,平均为2.37;K₂O/Na₂O比值为0.05~0.34,平均为0.13<1,为钠质岩石;在K₂O-SiO₂图(图5b)中,新鲜岩石大部分落入高钾钙碱性系列,蚀变岩石变化较大。MgO/CaO平均为0.88<1,指示岩体具富钙特征;Mg^#值为41.24~46.68。铝饱和指数A/CNK为0.72~1.36,平均为1.20,A/NK为1.76~4.35,平均为2.36。总体上,显示为富镁、贫铁、贫钛、富钠过铝质岩石。与邯邢地区成矿岩体相比,SiO₂含量大致相当,Na₂O+K₂O含量相对偏低,全铁含量相对偏低。

靠近矿体的岩石蚀变强烈,普遍发生钠长石化、透辉石化、绿帘石化、绿泥石化等蚀变。岩石烧失量普遍偏高,这与强烈的蚀变现象相吻合;钠质含量普遍偏高,这应与普遍的钠长石化相关;铁含量明显偏低,推断蚀变过程中析出了部分铁质。

3.2 赋矿围岩

叠道矿床内主矿体赋存于闪长岩体与石炭系—二叠系接触带附近的地层内,地层岩性主要为砂岩、泥岩及少量炭质泥岩。地层围岩发育较为强烈的角岩化,夕卡岩化相对偏弱,一般叠加于近矿的角岩之上。总体来看具有一定的分带特征,从岩体到矿体,再到围岩,依次发育新鲜闪长岩→钠长石化闪长岩→(夕卡岩化)角岩→磁铁矿石→(夕卡岩化)角岩。围岩与矿体界限较为截然,显示了贯入式成矿的特征。

另见一薄层矿体赋存于岩体内,规模较小,呈“捕掳体式”产出,矿体透辉石、透闪石、金云母等脉石矿物较多,铁含量远低于主矿体,矿体与岩体亦为较为截然的接触关系。

3.3 矿体元素富集规律

根据矿石及围岩TFe、mFe分析结果,矿体TFe、mFe含量无明显的分带性和变化规律,矿体内均为品位较高的磁铁矿石,这与莱芜、邯邢地区局部为富铁矿段的特征存在一定差异,指示了其成矿元素更为显著的富集特征。由围岩直接变化为高品位磁铁矿,这与矿体和围岩截然的接触关系相吻合。

矿石内Cu、Pb、Zn、Co、S分析结果(图6),矿石内伴生元素以S为主,局部伴生少量Cu,Pb、Zn含量较低,Co显著偏低,这与区域上莱芜张家洼、等矿床伴生Co的特征显著不同,显示其成矿元素更为集中。同时,S含量与Cu、Co含量具有较好的一致性,显示Co可能更易于赋存于硫化物中。

4 讨论

4.1 “禹城式”成矿模式

夕卡岩型富铁矿体主要赋存于侵入岩体与碳酸盐岩接触带内,在碳酸盐岩地层上覆的砂泥岩地层已有赋存铁矿体的报道,但均为小规模矿体或矿化体。叠道矿床在灰岩上覆的石炭系—二叠系砂泥岩内发现了厚度超过30 m的富磁铁矿体,这与周边李屯富铁矿床矿体赋存特征一致,王怀洪和沈立军等人总结了李屯富铁矿床与传统夕卡岩型富铁矿床的显著不同,研究形成了“禹城式”夕卡岩型富铁矿成矿模式,其主要是指岩体与灰岩接触交代形成的富铁含矿热液异地迁移至上覆砂泥岩地层内大规模富集成矿的模式^[22],热液活动受构造控制明显^[50],张招崇等^[23]基于物质来源、沉淀机制、蚀变特征及围岩热导率等分析研究,较为系统地探讨了“禹城式”富铁矿成矿机制,但这仅针对李屯这单一矿床研究形成,叠道矿床的发现为“禹城式”富铁矿提供了又一范例,证实了“禹城式”富铁矿成矿模式的可推广性。

前人研究表明,砂泥岩及煤层较低的热导率利于热量的保存,进而促进了含矿热液的长距离运输^[23]。叠道及李屯富铁矿床成矿岩体均大规模侵入赋矿围岩地层,致使石炭系—二叠系砂泥岩发生了厚度超过100 m的大规模角岩化及煤层的焦化变质,显示了岩体侵位至成矿期间较高的热量供应,推断认为含矿热液的异地迁移与岩体较高的侵位层位亦有一定关系。

4.2 找矿思路及方法

磁法测量是寻找磁铁矿最为有效、直接的物探方法,尤其是浅部矿体高磁异常的显示为我国发现了一大批浅部铁矿床。随着找矿工作向深部推进,找矿目标逐步向低缓磁异常推进。然而低缓磁异常主要是由成矿岩体引起,叠加在岩体异常之上的矿体异常并不明显,尤其是磁铁矿体随深度增加引起的磁异常迅速衰减,找矿难度大幅增加,近年研发出空地残差计算、自相关滤波等方法用以识别局部磁异常^[30],取得了较好的找矿效果。但是找矿实践中发现,深部矿体引起的局部磁异常与岩体局部凸起引起的局部磁异常区分难度较大,单一方法难以满足找矿工作需求。

叠道富铁矿床处显示为一北东向的局部磁异常,异常特征与李屯富铁矿床磁异常特征相似,但整体异常幅值相对偏低,无法确定其为深部矿体或岩体局部凸起引起的局部磁异常。进一步针对该异常开展了二维地震测量和广域电磁测量,探测了深部地质结构,尤其是刻画了深部岩体的起伏形态,以此为约束开展了重磁联合反演,精准预测了深部矿体位置,并得到了钻探验证,成功揭露厚层富磁铁矿体。

回溯叠道富铁矿床发现过程,在夕卡岩型铁矿深部找矿思路及方法方面主要得到以下经验启示(图7):发挥航空物探高效、地面干扰低等优势,利用航空重力及磁测快速圈定重磁异常同源或近同源区,结合区域地质背景,优选异常与侵入岩体、碳酸盐岩分布耦合区域作为有利的找矿目标区;针对优选的低缓磁异常开展地面高精度磁测,进一步精细刻画磁异常形态及特征,采用空地残差计算、自相关滤波、多位场转换聚类分析等技术,优选△T局部舌状弯曲、△T化极异常中心或舌状弯曲、△T化极垂向一阶及二阶导数异常中心、剩余磁异常中心、总梯度模异常中心、空地残差异常等异常叠合区域,优选出低缓磁异常内局部次级异常;针对性开展重磁剖面测量、二维地震测量或广域电磁测量,利用二维地震或广域电磁测量精细刻画深部地质结构尤其是岩体起伏形态,岩体凹陷或平缓叠加局部次级磁异常处为有利的找矿靶区,开展地震、电法约束重磁联合反演,定位预测深部磁铁矿体,择优进行钻探验证。

4.3 深部及外围找矿潜力

叠道富铁矿床所处的局部磁异常面积约3.2 km²,走向北东,现验证钻孔位于局部磁异常近中心部位,外围仍有较好的找矿潜力。

地质特征:区内揭露矿体位于李屯岩体西北部,主矿体赋存于岩体与石炭系—二叠系接触带附近的地层内,矿体与岩体之间为4 m厚的角岩,为典型的“禹城式”夕卡岩型富铁矿,该区石炭系—二叠系广泛发育,岩体西侧深部推断发育奥陶系灰岩,成矿地质条件优越。区内现施工钻孔揭露的古近纪地层内发现磁铁矿+赤铁矿砾石,推断该区古近纪剥蚀层位较深,石炭系—二叠系内磁铁矿体局部已被剥蚀,在下一步工作中应注意避让剥蚀区域。

异常特征:该矿床位于磁法△T局部舌状弯曲、△T化极异常中心或舌状弯曲、△T化极垂向一阶及二阶导数异常中心、剩余磁异常中心、总梯度模异常中心、空地残差异常及航空重力梯级带部位,重磁异常特征显示为有利的找矿靶区。异常西侧岩体逐步变深,但异常幅值减小不大,推断异常西侧找矿条件更为有利。

综合地球物理剖面解译:穿过该局部异常的重力、磁法、二维地震综合地球物理剖面联合解译推断(图8),矿体向西侧逐步变深,仍有较大的找矿空间。

综上,叠道地区为低缓磁异常内矿致局部次级异常,异常西侧具有较大的找矿空间,东南及东部可能存在矿体剥蚀区,在下一步找矿工作中应注意避让。

5 结论

(1)叠道铁矿床位于禹城市李屯岩体西北部,富磁铁矿体呈似层状赋存于岩体与石炭系—二叠系接触带附近的砂泥岩地层内,矿体与围岩接触截然,为典型的“禹城式”夕卡岩型富铁矿床。

(2)矿床内磁铁矿石以半自形-自形粒状结构、致密块状构造为主,金属矿物主要为磁铁矿,少量黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿等,非金属矿物主要为透辉石、石榴子石、金云母、透闪石等。围岩蚀变以角岩化为主,夕卡岩化次之。矿石S含量与Co含量具有较好的一致性,显示Co可能更易于赋存于硫化物中。

(3)矿床成矿岩体为富镁、贫铁、贫钛、富钠过铝质岩石,岩石钠长石化发育,铁含量明显偏低,推断蚀变过程中析出了部分铁质;岩体较高的侵入层位促进了含矿热液的异地迁移富集成矿。

(4)叠道富铁矿床为低缓磁异常内局部次级异常找矿成果,二维地震或广域电磁约束重磁反演,可有效识别矿致异常和岩体凸起异常,提高找矿成功率。异常西侧具有较大的找矿空间,东南及东部可能存在矿体剥蚀区,在下一步找矿工作中应注意避让。

本文在野外工作过程中得到了李洪奎研究员、高志军研究员等人的指导与帮助,审稿专家对论文提出了许多建设性的意见,在此一并表示感谢!

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFC2903705)

山东省自然科学基金项目(ZR2022QD073)

自然资源部2024年度部省合作项目(2024ZRBSHZ132)

山东省煤田地质局科研专项(MTDZKY-2024-02)

山东省省级地质勘查项目(鲁勘字(2022)25号)