前寒武紀(jì)條帶狀鐵質(zhì)建造型富鐵礦床

一、內(nèi)容概述前寒武紀(jì)條帶狀含鐵建造（banded iron formations，簡稱BIFs），主要賦存在新太古代到古、中元古代的沉積單元中，以富鐵為特征，同時表現(xiàn)出富鐵層和富硅層交替沉積的特點，互層的鐵和硅厚度從微米到米級等。前寒武紀(jì)BIFs的礦物組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造與顯生宙鐵礦明顯不同。BIFs最早形成于38億年前，25億年達(dá)到高峰，18億年結(jié)束。BIFs是在早前寒武紀(jì)獨特的地球早期環(huán)境下形成的特殊產(chǎn)物（Bekker et a1.，2010），其形成時間長、空間分布廣、規(guī)模大。該類型占世界鐵礦（圖1）總儲量的60%，占富鐵礦儲量的70%。除了鐵，BIFs中還含有較豐富的金、鈷、鉑族元素等。地球上主要的BIFs集中分布在3.5～1.8Ga（Klein，2005），產(chǎn)于新太古代—古元古代（約2.5Ga）的西澳Hamersley群。根據(jù)礦床的形成時代及含礦建造的不同，將BIFs分為主要產(chǎn)于太古宙的阿爾戈馬型（Algoma-type）和主要產(chǎn)于元古宙的蘇必利爾型（Superior-type）兩類。阿爾戈馬型BIFs主要與綠巖帶中上部的火山碎屑巖相伴生，并靠近濁積巖組合。高溫水-巖地球化學(xué)交換的標(biāo)志很普遍，礦床離熱液源很近，島弧/弧后盆地或克拉通內(nèi)部斷裂帶是阿爾戈馬型BIFs的古構(gòu)造環(huán)境。蘇比利爾型BIFs多數(shù)與沉積建造有關(guān)，它們沉積在海進(jìn)的相對淺海環(huán)境中，沉積環(huán)境為大陸架被動大陸邊緣。就全球而言，蘇必利爾型鐵礦的規(guī)模及經(jīng)濟(jì)價值，遠(yuǎn)比阿爾戈馬型鐵礦重要得多。有些蘇必利爾型BIFs達(dá)數(shù)百米厚；最大的蘇比利爾型BIFs，延伸超過105km2。阿爾戈馬型BIFs規(guī)模相對較小，延長小于10km，厚度在10～100m。其原始Fe含量很少超過1010t。在我國，BIFs鐵礦幾乎都屬阿爾戈馬型。條帶狀鐵建造中的富鐵礦床形態(tài)多種多樣，除了層狀、似層狀外，還有透鏡狀、柱狀和筒狀。富礦石與鐵建造的關(guān)系，既有過渡的，也有突變的，甚至超出了鐵建造。巴西卡臘賈斯礦區(qū)N4E礦床位于地表以下幾百米，硬質(zhì)赤鐵礦和軟質(zhì)赤鐵礦向下漸變?yōu)楦缓妓猁}巖的“礦胎”（圖1A）。西澳哈默斯利鐵礦區(qū)的Mt Tom Price礦床，平均含F(xiàn)e 65%的富鐵礦石產(chǎn)于礦床最深部位，其與條帶狀鐵建造呈突變接觸（圖1B）。在南非德巴齊姆比鐵礦區(qū)，8個高品位的赤鐵礦礦床都產(chǎn)在Penge鐵建造的底部，甚至在條帶狀鐵建造下面還延伸幾百米（圖1C）。烏克蘭克里沃羅格地區(qū)的鐵礦床，高品位的礦石可延伸到現(xiàn)在地表以下2000多米的深處，在條帶狀鐵建造的下面還存在著垂直柱狀和筒狀礦體（圖1D）。盡管對BIFs的沉積環(huán)境和沉積機(jī)制尚存爭議，但是從其在全球的廣泛分布和沉積鼎盛時期局限于2.65～1.85Ga的特點，可以認(rèn)為：①BIFs是太古宙到古、中元古代巖石圈、水圈和大氣圈富氧環(huán)境下沉積的；②大洋熱液系統(tǒng)提供了大量的鐵物質(zhì)；③大洋有廣闊的大陸架作為鐵質(zhì)建造的場所。條帶狀鐵建造富鐵礦床共同的特點是經(jīng)受了多次地質(zhì)構(gòu)造事件，形成了復(fù)雜的褶皺系和斷裂系，這些褶皺和斷裂控制著富礦體的分布（Rosiere et al.，2006）。近年來的研究表明，條帶狀鐵建造中的高品位赤鐵礦礦床普遍發(fā)生了強(qiáng)烈的交代、淋濾作用，原始的燧石和碳酸鹽巖條帶在深成熱液或盆地?zé)猁u水的作用下被赤鐵礦和針鐵礦所交代，或者富含磁鐵礦的條帶被氧化成假象赤鐵礦和（或）被次生赤鐵礦所取代。這種交代、淋濾作用使礦石中鐵品位大大提高，形成了高品位富礦石。交代、淋濾過程中，圍巖也發(fā)生了蝕變，出現(xiàn)了綠泥石化、滑石化、赤鐵礦化。圖1 A—巴西卡臘賈斯N4E礦床的700N橫剖面；B—澳大利亞Mt Tom Price礦床13962E橫剖面；C—南非德巴齊姆比的Donkerpoort West礦床的橫剖面；D—烏克蘭克里奧羅格Saksagan礦田的長剖面（據(jù)Dalstra et al.，2004）長期以來，關(guān)于條帶狀鐵建造富鐵礦礦床的成因，一直有爭論，主要有下列幾種成因模式：①同生說：認(rèn)為產(chǎn)在鐵質(zhì)建造中的礦石是碎屑成因的，可能經(jīng)過成巖富集，甚至經(jīng)受過后來變質(zhì)作用、火成活動或表生作用的改造，但最初富含磁鐵礦的鐵建造本質(zhì)上是由同生作用提供的。②表生說：認(rèn)為礦石是殘余富集，它是由現(xiàn)在或過去侵蝕面以下的地下水循環(huán)淋濾掉鐵建造中的脈石礦物形成的。③表生礦石埋藏變質(zhì)說：認(rèn)為老的假象赤鐵礦-針鐵礦表生礦石經(jīng)受了成巖時的埋藏變質(zhì)作用（約100℃），脫水作用將表生的針鐵礦部分或全部轉(zhuǎn)變成微板狀赤鐵礦。④深成礦石表生改造說：該模式目前得到了廣泛支持，經(jīng)過對澳大利亞和巴西高品位赤鐵礦的研究，認(rèn)為深成熱液將鐵質(zhì)建造提升為高品位的赤鐵礦礦石，這種高品位礦石又為近代的表生作用所改造，品位進(jìn)一步提高。隨著研究的深入，大量證據(jù)表明，條帶狀鐵建造中的高品位赤鐵礦礦床是多種作用相結(jié)合的產(chǎn)物。Dalstra et al.（2004）通過對卡臘賈斯、哈默斯利、克里奧羅格等高品位赤鐵礦礦床的對比認(rèn)為，這些礦床的形成是個連續(xù)的統(tǒng)一體，其“礦胎”中的礦物成分和圍巖蝕變有一定的規(guī)律，反映了礦石形成時的深度和溫度（圖2）。近期有研究表明，BIFs沉積與前寒武紀(jì)微生物活動密切相關(guān)，微生物廣泛參與了鐵元素的生物地球化學(xué)循環(huán)（Konhauser et a1.，2011）。最近Li et a1.（2011）在BIFs中觀察到生物成因磷，并根據(jù)礦物學(xué)證據(jù)發(fā)現(xiàn)BIFs中的磁鐵礦顆粒具有與生物成因磁鐵礦類似的晶格參數(shù)。圖2 高品位赤鐵礦礦床可能的成因及其“礦胎”的連續(xù)關(guān)系（據(jù)Dalstra et al.，2004）最深的礦床（克里沃羅格）被解釋為是在高溫下形成的，在其“礦胎”中有磁鐵礦-角閃石或磁鐵礦-碳酸鹽集合體，在其圍巖中有黑硬綠泥石蝕變；中等深度的礦床（Mt Tom Price）在其“礦胎”中有磁鐵礦-碳酸鹽或赤鐵礦-碳酸鹽集合體，在其圍巖中有綠泥石＋滑石蝕變，并顯示出深部有還原流體，也有氧化的大氣水；最淺和最“冷”的礦床（卡臘賈斯）在其“礦胎”中有赤鐵礦-白云石或赤鐵礦-方解石集合體，在其圍巖中有綠泥石＋碳酸鹽蝕變?？傊?，條帶狀鐵建造在現(xiàn)代風(fēng)化作用下可形成假象赤鐵礦-針鐵礦風(fēng)化殼，但是意義最大的還是鐵建造深部的高品位赤鐵礦礦石，它們受熱液（盆地鹵水）作用和構(gòu)造控制明顯。這種礦石有時向深部延伸數(shù)百米，甚至數(shù)千米，規(guī)模巨大，是勘查的主要對象。二、應(yīng)用范圍及應(yīng)用實例巴西卡臘賈斯（Carajas）位于巴西東北部亞馬孫河兩個直流即興古河和托坎延斯之間，礦區(qū)西南部-中東部地區(qū)分別發(fā)育普盧姆雜巖、埃斯特雷拉花崗巖，在區(qū)域上為一構(gòu)造褶皺系，褶皺系被幾條與軸面近于平行的走滑斷層所切穿。SEE-NWW向的脆性-韌性卡臘賈斯剪切帶和辛津托剪切帶與東西向褶皺的軸面近于平行，巨型的Serra Norte礦床就發(fā)育在延伸10 km的背斜樞紐帶中。大型的Serra Sul礦床發(fā)育在延伸數(shù)百到上千米的一些次級褶皺中（圖3）。除褶皺作用之外，還發(fā)育斷塊作用和褶皺的倒轉(zhuǎn)。容礦巖石為Carajas組，鐵礦含量為Fe 35%～38%。主要礦石類型為脆性赤鐵礦，含鐵量Fe 66%～68%。次要礦石類型為脆性赤鐵礦-白云石，紋層狀赤鐵礦-白云石（Fe 32%），賦礦圍巖為玄武巖，礦化類型為赤鐵礦化、綠泥石化、碳酸鹽化、滑石化（Mg、Fe富集，Si、Ca、Na虧損），成礦溫度為146～306℃。上述礦床的形成是在早或中前寒武紀(jì)從淺水盆地中周期性地沉積和二氧化硅及泥質(zhì)沉積物交替出現(xiàn)的含鐵化學(xué)沉積開始的，未硬結(jié)的含鐵沉積物后來被淹沒壓實，后經(jīng)中前寒武紀(jì)造山階段，經(jīng)褶皺、斷裂及變質(zhì)作用形成。最近研究表明， Carajas條帶狀鐵建造中的高品位赤鐵礦礦床是多種作用相結(jié)合的產(chǎn)物。圖3 巴西卡臘賈斯及周邊地區(qū)區(qū)域構(gòu)造示意圖（據(jù)Rosiere et al.， 2006）該礦床主要特點為：①前寒武紀(jì)化學(xué)-陸源沉積的條帶狀鐵質(zhì)建造是高品位鐵礦形成的重要基礎(chǔ)，巨厚的鐵質(zhì)建造對形成富鐵礦床最為有利；②礦床發(fā)育受構(gòu)造控制，褶皺和斷裂控制了Carajas富礦體的分布，其中褶皺背斜樞紐、斷層接觸帶對富礦體的形成最有意義；③鐵鎂質(zhì)火山巖在一定程度上控制著礦體的自然界線，兩者之間交代蝕變作用強(qiáng)烈，綠泥石化、碳酸鹽化、赤鐵礦化為主要蝕變類型；④礦石類型主要為假象赤鐵礦、針鐵礦、三水鋁石和很少量的絹云母；⑤富鐵礦石與含礦建造之間為漸變過渡關(guān)系。三、資料來源李碧樂，霍亮，李永勝.2007.條帶狀鐵建造（BIFs）研究的幾個問題.礦物學(xué)報，27（2）：205～210吳文芳，李一良，潘永信.2012.微生物參與前寒武紀(jì)條帶鐵建造沉積的研究進(jìn)展.地質(zhì)科學(xué)，47（2）：548～560Bekker A，Slack J F，Planavsky N et al 2010.Iron formation：The sedimentary product of a complex interplay among mantle，tectonic，oceanic，and biospheric processes.Economic Geology，105（3）：467～508Dalstra H，Guedes S.2004.Giant hydrothermal hematite deposits with Mg⁃Fe metasomatism：a comparison of the Carajás，Hamersley，and other iron ores.Economic Geology，99（8）：1793～1800Johnson C M，Beard B L，Klein C et al.2008.Iron isotopes constrain biologic and abiologic processes in baned iron formation genesis.Geochemical et Cosmochimica Acta，72（1）：151～169Klein C.2005.Some 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備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。