弓長嶺鐵礦床二礦區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. 中國海洋大學海洋地球科學學院，山東 青島 266100； 2. 煙臺黃金職業學院，山東 煙臺 265401； 3. 東北大學秦皇島分校資源與材料學院，河北 秦皇島 066004)

0 前 言

弓長嶺鐵礦床二礦區位于鞍山-本溪地區中部，華北板塊東北端，以鞍山式鐵礦聞名，其中富鐵礦尤為突出，但由于該區地質作用的復雜性與漫長性，使原有地質特征被疊加改造，新的地質特征被添加，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，為二礦區的標志層，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境對鐵礦床成礦環境及富鐵礦成礦機研究制意義重大。前人對其進行的相關研究結論不一，原巖恢復方面研究結論集中在中酸性凝灰巖、含火山灰的中酸性火山熔巖、英安質火山碎屑沉積巖、大陸島弧雜砂巖和中酸性英安質凝灰巖；形成環境則有大陸邊緣的陸棚淺海環境、動蕩的淺海環境、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和形成環境的分析側重于基礎地質特征和巖石化學特征，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，地球化學性質極為相似，在地質-地球化學作用過程中整體活動，除經受巖漿熔融外，整體組成特征基本不被破壞[8]。其獨特的地球化學特征，在變質巖原巖恢復及原巖成巖環境判別中應用廣泛[9]。本文在總結前人研究成果的基礎上，對二礦區黑云母變粒巖的稀土微量元素特征進行了相應的分析和研究，認為其原巖為陸相沉積雜砂巖，沉積環境為大陸島弧氧化環境。

1 礦區地質特征

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

1.第四系；2.下奧陶統；3.上下混合巖；4.硅質巖；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.實測及推測斷層；15.橫向斷層；16.勘探線

礦區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，Fe2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鐵礦層為本礦區最厚的一層鐵礦，且有大量的富鐵礦石產出；⑥硅質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]。

礦區兩側被寒嶺斷裂和偏嶺斷裂切割，構造發育，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，包括較早的鈉質花崗巖和較晚的鉀質花崗巖，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K層10件黑云母變粒巖，對其進行詳細的鏡下觀察，并送樣至澳實分析檢測(廣州)有限公司進行稀土微量元素含量分析。分析采用等離子體質譜儀(ICP-MS)進行ME-MS81(硼酸鋰熔融、等離子質譜定量)化驗，總體分析精度優于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造，鱗片粒狀變晶結構，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10件黑云母變粒巖稀土微量元素測試結果見表1，其中球粒隕石標準采用Taylor等(1985)的數據[14]，銪異常與鈰異常分別采用δEu=2EuN/(SmN+GdN)，δCe=2CeN/(LaN+PrN)進行計算。

二礦區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，呈弱負異常，表明其原巖形成與熱液活動關系不密切，δCe范圍0.90～0.95，均值0.92，具極弱的負異常，反映弱還原-氧化環境；微量元素原始地幔標準化蛛網圖具體表現在虧損高場強元素Nb、P和大離子親石元素Ba、Sr，高場強元素P可能由變質作用過程中在磷灰石等礦物的結晶分異引起[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，表明二礦區黑云母變粒巖原巖形成環境較淺，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 ×10-6

圖2 稀土元素球粒隕石標準化分布形式

圖3 微量元素原始地幔標準化蛛網

4 原巖恢復及沉積環境判別

4.1 原巖恢復

本區K層黑云母變粒巖的原巖恢復長期以來一直爭議不斷。20世紀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造，認為黑云母變粒巖原巖為中酸性凝灰巖經區域變質而成。李曙光等[2]通過巖相及礦物組成、巖石化學和微量元素特征等方面研究認為二礦區黑云母石英鈉長變粒巖(K層)的物質來源不是單一的，一部分為火山熔巖，另一部分可能是火山灰，原巖應為為含火山灰的中酸性火山熔巖，沉積環境為大陸邊緣的陸棚淺海環境。萬渝生等[3]綜合分析程裕淇[4]、陳光遠等[5]的研究成果認為K層黑云母變粒巖組原巖為英安質火山碎屑沉積巖，沉積環境為動蕩的淺海環境。21世紀初，王恩德等[6]通過巖石化學和微量元素特征等方面的研究認為，二礦區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為黑云母變粒巖原巖為中酸性英安質凝灰巖。

稀土元素中，Sm/Nd比值是反映物質來源和的∑REE分餾程度重要參數，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]。研究區中，在一些露頭上可見明顯的微層理、遞變層理、斜層理等現象[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]，且部分學者測得二礦區黑云變粒巖鋯石年齡集中于2.5 Ga～2.7 Ga[13,17]，早于鞍山-本溪地區條帶狀硅鐵建造年齡2.5 Ga[18]。綜合以上結論，二礦區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)，原巖表現為砂質巖或雜砂巖；黑云母變粒巖巖石主量元素化學成分分析結果(見表2)及[(Al+Fe+Ti)/3-K]-[(Al+Fe+Ti)/3-Na]圖解的分析(見圖5)進一步表明二礦區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成分分析結果 %

1.Ⅰ為斜長角閃巖；2.Ⅱ為砂質巖和雜砂巖區；3.Ⅲ為頁巖和黏土巖區；4.Ⅳ為碳酸鹽巖區

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

4.2 沉積環境判別

稀土微量元素研究中，V/Cr、Ni/Co和U/Th也是對沉積環境判別的可靠指標。在亞氧化環境、缺氧(還原)環境下，V/Cr、Ni/Co和U/Th分別大于4.25、7和1.25，小于2、5和0.75，分別對應氧化環境，在貧氧環境下分別在二者之間[19]。本區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境，這與δCe表現為極弱負異常一致。

Sr/Ba值常用來作為區分淡水和咸水沉積的標志[20]，一般認為，海洋沉積Sr/Ba>1,陸相沉積Sr/Ba<1[21]。本區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，該區黑云母變粒巖REE顯示輕稀土富集，貧重稀土，δEu有輕微的負異常，幾乎無δCe異常，表明其物源區具有親陸源性質[21]，綜合表現為陸相沉積。

構造環境判別方面，該區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。據雜砂巖構造環境判別框圖(見圖6)及不同構造環境稀土微量元素特征值對比(見表3)，二礦區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，在該區構造環境La/Sc-Ti/Zr判別圖解中(見圖7a)，5個樣品點落于大陸島弧中，3個點落于活動大陸邊緣且靠近大陸島弧部分，2個點落于二者之間；La-Th判別圖解中(見圖7b)，有9個樣品點落于大陸島弧[21]；綜合以上結論，弓長嶺鐵礦床二礦區黑云母變粒巖原巖形成于大陸島弧。

圖6 雜砂巖構造環境判別圖解

表3 不同構造環境稀土微量元素特征值對比

1.A為大洋島??；2.B為大陸島??；3.C為活動大陸邊緣；4.D為被動大陸邊緣

5 結 論

1)弓長嶺鐵礦床二礦區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負異常和極弱的δCe負異常，總體顯示較高的分餾程度，微量元素方面虧損高場強元素Nb、P和大離子親石元素Ba、Sr。

2)研究區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]圖解表明二礦區黑云母變粒巖的原巖為雜砂巖；且V/Cr、Ni/Co和U/Th指標反映了氧化沉積環境，與δCe表現為極弱負異常一致，Sr/Ba值顯示出陸相沉積特征。

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