论文摘要
长江中下游成矿带位于扬子板块北缘,是我国最重要的陆内铜金铁多金属成矿带之一。庐枞盆地是成矿带内以陆相火山岩型和矽卡岩型铁矿床为特色的矿集区,区内地质勘查研究历史悠久,参与人员众多,成果积累丰富。2013年以来,庐枞盆地深部勘探得重大突破,在罗河铁矿床主矿体以下600米又发现了新的厚大铁矿体;龙桥铁矿床、大鲍庄铁硫矿床,马口铁矿床、杨山铁矿床和何家大岭铁矿床的生产勘探也揭露了新的成矿地质现象,这些找矿新发现和新突破是庐枞已有成矿模式所无法解释的,也经典“玢岩矿床”成矿模式存在较大差异,因此庐枞盆地铁矿床成矿系统和成矿模式亟待进一步深入研究。本次工作在前人研究的基础上,结合最新的勘查成果,通过野外地质调查、岩心编录以及室内岩相学工作,结合全岩地球化学、同位素地球化学（全岩、单矿物）、同位素年代学、高精度矿物原位微量元素以及同位素测试等多种分析测试手段,对庐枞盆地内龙桥、罗河,大鲍庄、马口、杨山和何家大岭等铁硫矿床开展系统研究,阐明盆地不同类型铁矿床的成矿作用过程,并将它们纳入同一成矿系统,建立庐枞盆地的成矿模式。通过与长江中下游成矿带铁矿床对比,开展成矿带内成铁岩浆岩成矿专属性,膏盐层与铁成矿作用关系以及矿床中磷的来源的方面研究,并探讨铁矿床成矿动力学背景以及成矿带铁铜矿床成矿作用的差异性。论文获得的主要认识和进展如下:前人研究将龙桥铁矿床归为沉积-热液改造型矿床,认为矿区内正长岩是矿床成矿母岩。本次工作在龙桥铁矿床中新发现了闪长岩侵入体,确定其岩性为辉长闪长岩,其成岩时代为133.5±0.8Ma,稍早于矿床中已知的正长岩体。矿床地质特征研究表明,辉长闪长岩与铁成矿作用关系密切,而正长岩为成矿期后破矿岩体。龙桥铁矿床中磁铁矿微量元素分析测试结果表明,靠近辉长闪长岩的磁铁矿具有较高的形成温度（Ti,V含量高）以及较低的水岩反应强度（Mg+Al+Si低）,随着远离辉长闪长岩体,磁铁矿形成温度降低,水岩反应作用增强,地层组分加入增多。本文提出龙桥铁矿床属于层控矽卡岩型铁矿床,其中部分铁质可能来源于岩浆流体与赋矿围岩中沉积菱铁矿的水岩反应作用,但主要铁质来源仍为闪长质岩浆。罗河铁矿床总资源量约10亿吨,是成矿带内最大的铁矿床,其火山岩中“二层矿”特征具有鲜明的成矿特色,其相关研究具有重要的找矿勘探价值。本次工作通过对罗河铁矿床系统矿床学研究,确定矿床深部新发现矿体和浅部矿体的赋矿围岩均为强烈蚀变的砖桥组火山岩（粗安岩-辉石粗安岩）,明确罗河铁矿床在成因上和深部隐伏闪长质岩浆活动有关。将罗河铁矿床的成矿作用划分为6个阶段,即碱性长石阶段（I）、透辉石-硬石膏-磁铁矿阶段（II）、绿泥石-绿帘石-碳酸盐阶段（III）、硬石膏-黄铁矿阶段（IV）、石英-硫化物阶段（V）以及碳酸盐-硫酸盐阶段（VI）。通过榍石年代学和地球化学研究,确定罗河铁矿床深部和浅部矿体中榍石的形成时代分别为130.0±0.8Ma和129.7±0.8Ma,形成时代相近。榍石微量元素特征指示成矿温度约700-800℃,成矿流体自深部向浅部氧逸度有所升高。两类榍石均具有岩浆榍石轻稀土富集的特征,Nd同位素特征均与赋矿围岩相似,表明深部和浅部矿体为同一成矿作用的产物。罗河铁矿床各阶段典型矿物SHRIMP原位S同位素特征表明,阶段II中黄铁矿的δ34S值为8.2-9.3‰;阶段III中黄铁矿的δ34S值为7.2-11.1‰,其中脉状黄铁矿（7.2-7.4‰）要低于浸染状黄铁矿（8.7-11.1‰）;阶段IV黄铁矿的δ34S值为6.2—10.6‰;阶段V中黄铁矿的δ34S值为-2.5—-4.6‰。阶段II硬石膏δ34S值为16.1-17.7‰;阶段IV硬石膏δ34S值为18.3-19.2‰。阶段II,III,IV黄铁矿硫同位素相对稳定,与之共生的硬石膏值也变化较小,而阶段V中黄铁矿硫同位素则呈现出了突然变低的趋势。上述硫同位素特征表明,成矿系统从深部膏盐层持续获得硫酸盐补给,早期硫同位素分馏仅仅受到歧化反应控制,而到了晚期硫酸盐的还原作用导致黄铁矿δ34S值有所升高。罗河铁矿床各阶段典型矿物SHRIMP原位C-O同位素特征表明,阶段II成矿流体δ18Ofluid明显高于岩浆水,δ18Ofluid值在流体演化过程中有两次迅速降低,表明成矿过程中有两次岩浆-热液脉动作用并伴随后期大气水的加入,分别对应阶段IIb和阶段IV硬石膏的大量沉淀;C碳酸盐C-O同位素二元图,大多测试样品δ13C值在-5‰～0‰且δ13C与δ18Ofluid并无相关性,表明矿床流体中的碳源主要来自三叠系沉积地层,氧同位素的降低表明了大气水的加入。罗河铁矿床至少经历了两期深部流体脉动作用,第二次热液脉动温度明显降低,持续时间较短,后期大气降水的大量加入是导致磁铁矿转变为黄铁矿硬石膏组合的关键因素。矿床磁铁矿微量元素具有矽卡岩和IOA型矿床的双重特征。综上所述,罗河铁矿床既不同于典型的矽卡岩型铁矿床,也与典型IOA矿床存在差异,在矿床浅部与斑岩型热液系统具有一定可比性,属于较为特殊的Fe-P-SO42-系统,这里我们暂时将其称之为“非典型”IOA矿床。大鲍庄硫铁矿床由赤铁矿体、黄铁矿体以及硬石膏矿体组成,均产于砖桥组凝灰质火山岩中,具有VMS型矿床的部分地质特征,但其成因一直存在较大争议。本次工作通过系统的矿床地质和黄铁矿SHRIMP原位S同位素和LA-ICP-MS分析,确定矿床中存在四类黄铁矿,不同类型黄铁矿δ34S具有较大的变化范围（-31.4‰～+10.5‰）。凝灰岩中的脉状黄铁矿（type I）δ34S为+9.9‰和+10.5‰;块状矿体中细粒环状或椭圆状黄铁矿（type II）δ34S为-9.2‰～-2.0‰;交代凝灰岩的黄铁矿（type III）δ34S为+3.1‰～+5.3‰;硬石膏胶结物中的自形大颗粒黄铁矿（type IV）δ34S为-29.7‰～-30.4‰;等粒状和板状硬石膏变化范围较窄,为+21.0‰～+21.7‰。Type I黄铁矿具有高Mn、Co、Ni、Zn,低As、Ti、Tl、Sb的特征;type II黄铁矿具有较高的Al、Ti、V、Cu、As、Sb、Te、Tl,而Mn、Zn和Se含量较低;type III黄铁矿具有较高的Mg,Al,V,Ti,且变化范围较大,具有较高的Se,以及较低的Cu,Te;Mn,Zn,As,Sb,Bi,Tl等微量元素含量也是介于type I和type II之间;type IV大多微量元素含量均低于其他三类黄铁矿。上述地质地球化学特征表明,深部初始高温流体含有大量地层硫的加入,type I黄铁矿显示出与罗河铁矿床相似的硫同位素特征;随后喷出的热液与湖水混合,形成沉积黄铁矿（type II）,温度不超过300℃;未喷出的流体交代围岩形成浸染状或脉状黄铁矿（type III）。热液活动末期流体活动减弱,温度迅速下降,形成少量type IV黄铁矿。与典型VMS型矿床不同,大鲍庄矿床的硫来自于深部同化而并非海水的混合,属于火山湖喷流沉积型矿床。前人研究认为马口铁矿床正长岩中产出典型的磷灰石-透辉石-磁铁矿“三组合”,属于与正长岩有关的玢岩型铁矿床。本次工作通过系统的矿床学和矿物学和年代学研究工作,确定马口铁矿床成矿母岩为闪长岩,成岩时代为131.2±3.3Ma,石英正长岩体为后期破矿岩体。马口铁矿床成矿母岩的厘定,进一步明确了庐枞盆地铁矿床的岩浆岩成矿专属性。马口铁矿床磁铁矿微量元素特征指示钠长石阶段热液性质接近岩浆水,黄铁矿硫同位素特征指示了矿床内的硫总体来自岩浆硫。在磁铁矿矿化过程中岩浆热液对三叠系地层的同化作用增强,随后从透辉石磁铁矿阶段到石英硫化物阶段,成矿流体中大气水的加入导致温度迅速下降。马口铁矿床的成矿物质来源、矿体特征、矿物组合以及磁铁矿沉淀机制与“梅山式”玢岩铁矿相似。通过对庐枞盆地内不同类型铁矿床中磁铁矿微量元素和同位素的系统对比研究,提出马口热液磁铁矿微量元素变化与典型IOA型矿床磁铁矿岩浆-热液模式相似,氧同位素接近正岩浆磁铁矿;龙桥矽卡岩型矿床磁铁矿微量元素变化趋势与Knipping et al（2015）提出Kiruna型铁矿床磁铁矿成分变化趋势完全不同,磁铁矿氧同位素明显高于岩浆水范围。罗河和杨山铁矿床磁铁矿微量元素变化趋势介于马口和龙桥之间,总体趋势指向IOCG,磁铁矿氧同位素值介于马口和龙桥之间,具有矽卡岩和IOA的双重（过渡）特征。本次研究结果表明庐枞盆地内一系列与岩浆热液有关的铁矿床属于同一成矿系统,成矿作用是一个持续变化的过程,矽卡岩型矿床强烈的水岩反应导致了磁铁矿成分变化趋势在Ti+V vs.Mn+Al图解上更偏向于横向变化。磁铁矿地球化学成分不可能受到严格的限制,与固定的界线相比,利用磁铁矿微量元素的演化趋势去判断矿床类型更为可靠。在对庐枞盆地成铁岩浆岩地球化学特征系统研究的基础上,通过区域对比,本次工作提出长江中下游成矿带铁矿床具有闪长岩质岩浆岩成矿专属性,130Ma左右形成闪长质侵入岩是矽卡岩型及玢岩型铁矿成矿的必要条件,而正长岩类侵入岩形成稍晚,在部分矿区穿切铁矿体,与铁成矿作用无直接关系。庐枞盆地、宁芜盆地和鄂东南地区的成铁岩浆岩的成岩时代和地球化学特征基本一致,岩浆源区为成分接近EMI型富集地幔的交代地幔,岩浆上升过程中受下地壳物质混染较少,更多保留了源区地幔的特征。庐枞盆地内不同类型铁矿床中磷灰石SHRIMP原位O同位素和微量元素特征表明,马口和龙桥铁矿床中辉长闪长岩内的岩浆磷灰石主要为富F、Cl磷灰石,马口热液磷灰石继承了岩浆磷灰石的地球化学特征,而罗河、泥河矿床热液磷灰石具有较高的SO3,指示了庐枞盆地铁成矿体系同化膏盐层具有选择性。岩浆可以大量同化石盐,但对于石膏的同化有限,石膏的加入主要是靠热液的溶解作用。这种同化机制的差异造成了庐枞盆地内岩体侵位深度不同的矿床其矿物组合以及磷灰石地球化学特征具有明显的差异。通过与宿松变质磷灰石特征对比,表明无论是岩体侵位还是热液成矿过程都没有同化已知的基底变质富磷地层。庐枞火山岩盆地中的大多数铁矿床成矿流体在深部与三叠系沉积地层发生了水岩反应,后沿断裂运移到火山岩中形成大量Na-Ca质蚀变,由于矽卡岩矿物发育、CO2逸度较高等因素导致磷灰石发育少于南美。蚀变特征、磁铁矿微量元素特征以及流体氧同位素指示盆地内铁矿床应属于矽卡岩-IOA的过渡部分,与岩浆-热液IOCG矿床中的早期Na-Ca质蚀变相似。以此为基础建立了庐枞盆地铁矿床的综合成矿模式,主要可分为产于三叠系沉积地层中的矽卡岩型铁矿床（龙桥）;产于岩体和火山岩接触带的IOA型铁矿床（马口）;产于巨厚火山岩中的矽卡岩-IOA型铁矿床（罗河、泥河、杨山）;产于中低温氧化条件下的赤铁矿矿床（大岭）以及产于砖桥旋回晚期凝灰岩中的喷流沉积型黄铁矿矿床（大鲍庄）。虽然各个矿床赋存部位有所差异,但均与闪长质岩浆有关,盆地内的铁成矿过程连续而且成因上具有相互联系,是与早白垩世岩浆热液在不同成矿环境和成矿条件的产物。在区域构造和地球物理资料综合分析的基础上,提出长江中下游成矿带为扬子板块和大别造山带之间的前陆盆地系统,庐枞盆地作在前陆系统中应属于地势较低的前缘带,可能为古板块的碰撞缝合部位,其成岩成矿作用受中国东部中生代燕山期地质动力学背景的制约。源区岩浆在152Ma开始活化,至135Ma后,由于古太平洋板块俯冲应力方向有所改变,区域伸展作用加强,构造活化作用导致局部缝合带活化,在135Ma-123Ma之间形成了一系列火山岩盆地及其中以铁为主的矿床。通过对成矿带内成铜岩浆岩和成铁岩浆岩的对比研究,初步提出“深部岩浆演化决定矿种,浅部地层性质决定矿床类型”,并建立了长江中下游成矿带源区构造“双活化”成矿模式。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 刘一男
导师: 范裕
关键词: 庐枞盆地,铁矿床,矽卡岩铁矿床,成矿过程,成矿系统,成矿模式
来源: 合肥工业大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑
专业: 地质学,矿业工程
单位: 合肥工业大学
基金: 重大国际(地区)合作研究项目(项目编号:41320104003)“长江中下游成矿带陆内斑岩-矽卡岩型铜金矿床和玢岩型铁矿床的成矿系统研究”,国家重点研发计划(项目编号:2016YFC0600206)“长江中下游,钦杭成矿带典型成矿系统的深部过程与时空演化”
分类号: P618.31
DOI: 10.27101/d.cnki.ghfgu.2019.000633
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