南非布什維爾德雜巖體西翼赫爾辛基鉻鐵礦地質特征

馬林霄，梁成，盧天驕，張毅，陳德穩，李慶哲，董少波

（1.中色地科礦產勘查股份有限公司，北京 100012；2.北京中資環鉆探有限公司，北京 100012）

0 引言

鉻礦是發展冶金、國防、化工等工業不可缺少的礦產資源，是我國確定的戰略性礦產資源，同時也是我國8 種大宗緊缺礦產之一，對外依存度極高（鄭明貴和賴亮光，2011；何哲峰等，2016；張偉波等，2019；張澤南等，2019）。南非的鉻礦資源量位居世界第一，約占世界資源總量的45.8%（曾祥婷等，2015），亦是世界最大的鉻鐵礦生產國，美國地質調查局編制的2018 版《世界礦產品摘要》中顯示南非在2017 年鉻鐵礦產量約1500 萬t。南非為目前中國最大的鉻礦進口國，亦為中國未來10～15 年鉻鐵礦最優進口國（張澤南等，2019），中國海關總署數據顯示，在2018 年1 月至2018 年12 月南非系鉻礦進口占比高達73%。

赫爾辛基（Helsinki）鉻鐵礦位于南非勒斯滕堡市（Rustenburg）東南14 km 處，地處著名的鉻鐵礦和鉑族金屬成礦帶—布什維爾德（Bushveld）雜巖體的西南部，礦區中心地理坐標：東經29°23′15.52″，南緯25°43′32.18″。

布什維爾德雜巖體作為世界上最大的侵入體，其內部的勒斯滕堡基性－超基性層狀巖套（Rusten?burg Layered Suite）出露面積超過65000 km2（高輝等，2009；要梅娟，2012），賦存有目前已知最大的鉑族元素（PGE）、鉻、鐵－鈦－釩礦床以及低品位銅鎳硫化物礦床（呂林素等，2011；要梅娟，2012）。前人對雜巖體內鉑族元素的豐度、賦存狀態、富集規律及礦床成因有豐碩的研究成果（Lee 和Tredoux，1991；張洪和陳方倫，1998；胡素芳和周新華，2001；王登紅等，2002；李文淵，2007；高輝等，2009；譚娟娟和朱永峰，2009；呂林素等，2011；要梅娟，2012），而針對鉻鐵礦床的研究成果則相對偏少（E.N.卡梅倫等，1973）。由于雜巖體內鉻鐵礦一般與鉑族元素共生，除部分礦山專門開采鉻鐵礦外，大多數鉑族元素礦山并未綜合利用鉻鐵礦（張偉波等，2019）。

雖然赫爾辛基鉻鐵礦最早已在1949 年進行小規模的開采，但對于該礦的地質、選冶、采礦等信息公開披露相對欠缺。本文通過系統的整理研究赫爾辛基鉻鐵礦以往歷史資料，結合區域上鉻鐵礦成礦規律，描述了其地質特征，旨在為中國企業海外并購，或在礦區及周邊的找礦勘查工作提供資料參考。

1 區域地質背景

赫爾辛基鉻鐵礦位于卡普瓦爾（Kaapvaal）克拉通北緣，布什維爾德雜巖體西翼的南部（圖1a）。區域出露的地層主要為一套元古宙早期（2.5～2.3 Ga）德蘭士瓦（Transvaal）超群的沉積巖和熔巖系，沉積巖層厚度高達11 km（含4 個火山巖夾層）（呂林素等，2011）。

布什維爾德雜巖體侵位于卡普瓦爾克拉通北緣張性構造環境下的構造交匯處（Eales et al.，1993），位于德蘭士瓦超群中的Rooiberg 群和卡普瓦爾克拉通基底巖石之間（要梅娟，2012）。廣義的布什維爾德雜巖體由早至晚可分為4 個巖漿組合：早期的Rooiberg 長英巖套和Rashoop 花崗斑巖套，中期的勒斯滕堡基性－超基性層狀巖套，晚期的Lebowa 花崗巖套（高輝等，2009；呂林素等，2011）（表1）；而狹義的布什維爾德雜巖體則僅包含勒斯滕堡基性－超基性層狀巖套和Lebowa 花崗巖套（Schweitzer et a1.，1997）。

勒斯滕堡基性－超基性層狀巖套受近東西向TML（Thabazimbi－Murchison Line）超殼斷裂構造帶影響（呂林素等，2011），可分為南北兩大部分，且地表出露部分呈葉片狀或弧形帶。北部帶即北翼，南部帶則包含東翼、南翼、西翼和遠西翼。區域上鉻鐵礦床則多產出在東翼和西翼中的關鍵帶內（圖1a、圖1b）。

2 礦區地質特征

赫爾辛基礦區多被第四系覆蓋，根據鉆探工程揭露結果，礦區巖性主要由勒斯滕堡基性－超基性層狀巖套關鍵帶的鉻鐵礦層、輝石巖、斜長巖、蘇長巖等組成。

鉻鐵礦層整體走向近東西向，向北傾5°～14°，厚度較為穩定，并與圍巖或夾石（輝石巖、斜長巖和蘇長巖）交替產出。前人根據采礦需要和巖性組合特征，并結合區域上分層依據，將礦區內圍巖和鉻鐵礦層自下而上分別編號為FW3、LG5、FW2、LG5 細脈、FW1、LG6、LG6A、HW1、LG7、HW2、MG1、HW3、MG2、HW4、MG3、HW5、HW6、MG4、HW7、HW8、HW9（圖2，表2）。其中，MG3 和MG4 鉻鐵礦層賦存在上關鍵帶中的斜長巖和蘇長巖中；LG5、LG5 細脈、LG6、LG6A、LG7、MG1、MG2鉻鐵礦層則賦存在下關鍵帶中的輝石巖中。區域上的UG1、UG2、MR鉻鐵礦層在礦區內未出露。

圖1 布什維爾德雜巖體地質簡圖（a）及關鍵帶地層柱狀圖（b）（據呂林素等，2011；Kai Bachmann et al.，2019；修改）

表1 布什維爾德雜巖體內部巖漿組合地質特征

圖2 赫爾辛基礦區典型剖面示意圖（圖中代號見表2）

表2 赫爾辛基礦區各分層巖性特征

礦區高精度磁法解譯和鉆探驗證結果顯示，區內主要發育NWW 向和NNW 向兩組后期的輝綠巖脈，呈高角度侵入在礦體中，脈巖厚度一般40～50 m，主要分布在礦區東部、北部和西部（圖3a）。礦區內偶見比較小的斷層，斷距一般在0.5～2.0 m。礦區巖漿巖、斷層對礦體的破壞程度較小，基本不影響礦床開采工作。

礦區溶洞廣泛發育，直徑在一般為20～100 m，對礦體破壞程度較大，初步估計其破壞的礦體資源量應在6%左右（圖3b）。

3 礦床地質特征

3.1 礦體地質特征

鉻鐵礦層產狀較為穩定，整體走向近東西向，向北傾5°～14°，厚度較為穩定，并與圍巖或夾石（輝石巖、斜長巖和蘇長巖）交替產出，在平面上多呈巖席狀平行于圍巖產出。

根據目前礦區鉆孔控制結果，可圈定出7 個礦體，各礦體近平行產出在各鉻鐵礦層中，自上而下分別編號為MG4、MG3、MG2、MG1、LG7、LG6 和LG5，礦體在走向和傾向上連續性均較好，其厚度和品位變化亦較穩定（表3）。礦體平均厚度一般在0.3～3.15 m 之間；Cr2O3含量16.68%～34.46%，Cr/Fe 一般在0.8～1.39。

圖3 赫爾辛基礦區LG6 礦體底板埋深等值線和等厚線圖（a）及坑道中的LG6 礦體（b）

其中，LG6 礦體為礦區主要礦體，由LG6A 和LG6 鉻鐵礦層及其中間的夾層（石）組成（圖3b），厚度有向深部增大的趨勢（圖3a），因其品位較高、厚度較大，夾層（石）薄且較穩定，是目前礦山正在開采的礦體。

MG3 和MG4 礦體上下盤圍巖多為斜長巖、蘇長巖以及部分未達工業品位的鉻鐵礦層；LG5、LG6、LG7、MG1、MG2 礦體上下盤圍巖多為輝石巖以及部分未達工業品位的鉻鐵礦層。局部礦體中的鉻鐵礦充填到圍巖的裂隙中，造成假過度現象，圍巖蝕變多以綠泥石化、碳酸鹽化、硅化、蛇紋石化為主。

夾石主要分布在MG4 和LG6 中，MG4 中含有4層夾石，夾層總厚度約3.49 m，LG6 中含有1 層夾石，厚度約0.30 m，礦體與夾層界線較為明顯（圖3b），與礦體近平行產出，在走向和傾向上均具有較好的連續性。

表3 赫爾辛基礦區各礦體品位、厚度一覽表（不含夾石）

3.2 礦石質量特征

（1）礦石結構、構造

礦石礦物主要以他形－半自形粒狀結構為主，整體自形程度較低；礦石構造以致密塊狀構造、浸染狀構造、似條帶狀構造以及斑點狀構造為主。

（2）礦石礦物組成及化學成分

礦石礦物組成主要為鉻鐵礦和少量的綠泥石、斜方輝石、單斜輝石，石英含量非常低。礦石化學成分主要由Cr2O3、FeO、Al2O3、CaO、MgO、SiO2、P、S 等組成，其中Cr2O3一般含量16.68%～34.46%，Cr/Fe一般在0.8～1.39 之間，有研究認為該地區90%以上的Fe 和Cr 主要分布在鉻鐵礦中（陳慶濤等，2016）。

（3）礦石類型

根據礦石結構構造，礦石自然類型可分為致密塊狀礦石、浸染狀礦石和似條帶狀礦石。根據礦石的風化程度，可分為風化礦和原生礦，礦區的平均風化深度為30m，礦區選礦試驗資料顯示，該區風化礦屬難選礦石，目前暫不能經濟利用。

目前礦山主要生產4 種規格的鉻礦產品，①塊礦：粒度約20～80 mm，Cr2O3＞38%，SiO2＜8%；②鑄造砂：Cr2O3＞46%，SiO2＜1%；③化工用精礦：Cr2O3＞45.9%，SiO2＜1.2%；④冶金用精礦：Cr2O3＞44%，SiO2＜3%。

4 礦床成因

赫爾辛基鉻鐵礦床位于南非的布什維爾德雜巖體西部，與勒斯滕堡基性－超基性層狀巖套之間有密切的成因關系。礦體多產出在單斜（斜方）輝石巖、斜長巖和蘇長巖等基性－超基性巖中，并嚴格受鉻鐵礦層控制，礦體與母巖常呈逐漸過渡關系，屬巖漿早期階段由分凝作用形成。礦體呈層狀，平行多層產出，單層厚度數十厘米至數米，在走向和傾向上延伸非常穩定，礦床規模巨大；礦石多為致密塊狀和稠密浸染狀，Cr2O3一般含量16.68%～34.46%，Cr/Fe 一般為0.8～1.39。礦物表現為一定的堆晶作用特征，說明在巖漿冷卻過程中各種物質成分隨著條件變化而先后結晶固結成巖，從而造成不同部位物質組分的分異。因此，赫爾辛基鉻鐵礦床為典型的早期巖漿礦床。

關于布什維爾德雜巖體中層狀鉻鐵礦床的成巖成礦機理的解釋很多，胡素芳和周新華（2001）總結的比較流行的觀點是：最早從巖漿中分離出來的礦物是古銅輝石和鎂橄欖石以及少量的鉻尖晶石，周期性地沉淀在下部帶的輝石質和純橄欖巖質層中，最終形成有經濟價值的鉻鐵礦層。由于大量的橄欖石、古銅輝石和鉻鐵礦的晶出，巖漿的組分發生了改變，隨著巖漿繼續冷卻，橄欖石停止結晶，而斜長石、普通輝石開始結晶。

5 結論

（1）赫爾辛基鉻鐵礦床位于布什維爾德雜巖體中的勒斯滕堡基性－超基性層狀巖套（RLS）內，為巖漿早期階段由分凝作用形成的典型層狀鉻鐵礦床。

（2）礦區內鉻鐵礦體賦存在鉻鐵礦層中，表現為一向北緩傾的單斜構造，其在空間上分布連續性較好，產狀及礦體厚度、品位變化亦較穩定，主礦體厚度有向深部增大的趨勢。

（3）礦石中Cr2O3一般含量16.68%～34.46%，Cr/Fe 一般為0.8～1.39；根據風化程度，可分為風化礦和原生礦，雖風化礦屬難選礦石，目前尚不能經濟利用，但礦區平均風化深度僅為30 m，原生礦石資源儲量巨大，礦床經濟價值顯著。

致謝在項目野外考察期間，得到了中色地科礦產勘查股份公司副總經理朱思才博士的大力支持，在本文成文過程中，朱思才博士也給與了細致耐心的指導和幫助；特別是審稿人為本文提出了寶貴的修改建議，使本文得以完善，在此一并表示感謝。