华北地台北缘绿岩带型铁磷矿地质及综合利用前景

夏学惠，杨辉艳，魏详松

(中化地质矿山总局地质研究院，河北涿州072754)

华北地台北缘绿岩带型铁磷矿地质及综合利用前景

夏学惠，杨辉艳，魏详松

(中化地质矿山总局地质研究院，河北涿州072754)

通过对华北地台北缘绿岩带型铁磷矿成矿构造环境、含矿建造、矿床地球化学等几个方面的研究认为，该类矿床含矿建造原岩主要为岛弧－拉斑玄武岩，变质后容矿岩石属碱性－铁质、铁镁质系列。容矿岩石中主微量元素明显不和谐，岩石中不相容元素明显富集(Ba、Sr、Zr、P)，相容元素(Cr、Co、Ni)亏损。稀土元素含量高，模式图为向右倾斜平滑曲线，Ce轻度负异常。根据目前我国北方内生低品位共生铁磷矿开发利用情况，华北地台绿岩带型铁磷矿综合利用前景可观。

绿岩带型铁磷矿地球化学综合利用华北地台北缘

Xia Xue－hui，Yang Hui－yan，Wei Xiang－song．Geology and comprehensive utilization of the greenstone belt iron－phosphate deposits in the northern margin of the North China platform［J］．Geology and Exploration，2012，48(5):0876－0883．

0 引言

华北地台绿岩带及绿岩带型金矿前人进行了较深入的研究，取得了很多成果(王时麒，1989;徐光荣，1990;马文念，1992;沈保丰等，1991，1993，1996，1997;胡凤翔，2002;李俊建等，2005;王虹等，2005;宋建潮等，2008)。但对绿岩带型铁磷矿却研究的较少，仅对中国北方前寒武纪磷矿地质、区域成矿规律和招兵沟铁磷矿综合利用进行了研究(东野脉兴，1989;夏学惠，2005)，本文在前人绿岩带研究的基础上，开展了绿岩带型铁磷矿的研究。华北地台绿岩带型铁磷矿作为一个低品位综合型矿床开展的研究，对指导中国北方缺磷地区综合找矿具有指导意义，对开展铁磷综合利用具有明显的经济意义。

1 华北绿岩带型铁磷矿产出构造位置及分布

绿岩带型磷矿主要分布在华北地台北缘，产于太古宙克拉通陆核区，即华北陆核、辽吉南部－朝鲜北部陆核、山东陆核。这些古陆核系由绿岩－花岗岩地体和深变质的高级区组成(图1)。绿岩带呈大小不等长条状或不则规状分布在同构造期的花岗岩或灰色片麻岩内，绿岩带岩序的下部广泛发育厚层变质镁铁质火山岩，有时夹少量的变质超镁铁质岩。绿岩带岩序常由一个或多个火山－沉积旋回组成(沈保丰，1997)，每个旋回都是由变质镁铁质火山岩－变质安山质－流纹质火山岩－变质沉积岩系所组成。

华北地台可能由始太古代或古太古代的古陆核增生拼贴而成(陆松年，1996)。在这些不连续的古陆核之间或其边缘，分布着规模不等的绿岩带，而且从陆核向外，绿岩带有逐渐增生的趋势。分布在华北地台的前寒武绿岩带，在形成后经受着古元古末期吕梁期的最终克拉通化，华力西期西伯力亚板块的碰撞、拼贴和印支－燕山期滨太平洋大陆边缘活动的影响，使早先形成的绿岩带发生活化改造，由此反应出中国绿岩带及其成矿作用的特色。

太古宙绿岩带型磷矿主要产于绿岩建造内，含磷岩系赋存于阜平群下部，含磷岩组包括冀东单塔子群白庙组，山西灵丘繁峙群，辽西建平群小塔子沟组及其它地区相当层位的岩组。据东野脉兴(1989)收集太古宙测年资料，单塔子群南店子组斜长角闪岩、黑云片麻岩中的角闪石和全岩测得KAr同位素年龄为2435Ma(天津地矿所)和2745Ma (河北区调二队)，建平群测得锆石年龄为2200～2300Ma(东北地区区域地层表)，华北地台绿岩带的原岩形成年龄应相当于2500Ma。所产磷矿与绿岩带基性火山岩及超镁铁质、镁铁质岩有关。中国绿岩带型磷矿主要分布在河北、辽宁、吉林、山西、山东等省，但以河北、辽宁等地磷矿质量最佳。代表性矿床主要有河北丰宁招兵沟磷矿、辽宁建平勿兰乌苏磷矿、山东掖县磷矿、山西灵丘平型关磷矿、繁峙磷矿等。

图1 华北地台太古宇绿岩带分布略图(据沈保丰等，1997)Fig．1 Sketch map showing the Archean greenstone belt distribution in the North

2 含磷建造与原岩性质

华北地台太古宙变质杂岩构成最古老的基底，大多分布在华北陆核、辽吉南部陆核、山东陆核、鄂尔多斯陆核和淮阳陆核等古陆核区，其中前三个陆核已发现有绿岩带型磷矿。

太古宙绿岩带具有全球一致性，大体都可以(Anhaeusser，1971)理想柱状剖面作为对比的依据，但各地绿岩带类型又有较大差异，理想剖面中可缺某一个组合或某个组合发育不完全。中国上述产有磷矿的绿岩建造组合，具有绿岩带的基本特点，也是由下部超基性岩群、中部钙碱性火山岩群和上部沉积岩构成的三位一体的岩石组合，但下部超基性岩群不发育。

现以华北陆核丰宁铁磷矿、辽吉南部陆核建平铁磷矿为例，阐述含磷岩系的原岩性质和含磷绿岩建造特点。

丰宁铁磷矿产于太古宇单塔子群白庙子组。单塔子群主要由黑云斜长片麻岩夹斜长角闪岩、条带状磁铁石英岩及少量大理岩组成，厚度8500～14000m。自下而上划分为白庙子组、凤凰咀组和南店子组。

白庙子组:以各种变粒岩和斜长角闪岩为主，夹磁铁石英岩，铁闪磁铁石英岩，厚度大于3500m。以基性火山岩为主，含有超镁铁质、镁铁质岩，具有绿岩带剖面下部岩群的特点。该层为主要含磷岩系。

凤凰咀组:主要以斜长角闪岩、角闪斜长片麻岩、变粒岩为主，夹多层透镜状大理岩、角闪磁铁石英岩，厚4000m。

南店子组:以黑云斜长片麻岩，各种片岩，斜长角闪岩为主，夹大理岩透镜体。厚1000～2000m。

白庙子组含磷岩系出现五层含磷层，含磷岩石为闪辉钛磁铁磷灰岩、磷灰角闪片麻岩、磷灰黑云角闪岩等，单层厚1～35m，最厚达140m，其原岩系铁镁质岩和铁质岩;其它为斜长角闪岩、斜长片麻岩等，其原岩为基性到酸性火山岩，这套含磷岩系地层及岩石组合，近似于绿岩带剖面下部火山岩群特点。从含磷岩系化学成分看，岩矿石SiO2含量低，一般小于40%，TiO2与FeO+Fe2O3含量高，前者可达6．57%，后者在15%以上，最高达26%，属于铁镁质与铁质岩范围。

通过矿石与容矿岩石的岩石化学分析结果及尼格里系数图解表明，大部分黑云角闪岩、角闪黑云片麻岩、斜长角闪岩等岩石的al－alk值小于16，C值小于24～26，在al－alk:C的图解上落点于细碧岩－玄武岩区，同时K值多界于0．20～0．35间，表明更接近于安山玄武岩－玄武岩。

建平铁磷矿产于太古宇建平群小塔子沟组。小塔子沟组自上而下以一套角闪斜长混合岩夹黑云变粒岩、含磷变闪长岩及含磷角闪岩、条带状角闪磁铁石英岩为主。

小塔子沟组含磷岩系下部为黑云斜长片麻岩，角闪斜长片麻岩及混合岩夹麻粒岩，磁铁石英岩扁豆体。其中普遍含有辉石及紫苏辉石等。上部以角闪斜长片麻岩飞黑云角闪斜长片麻岩及混合岩为主，夹黑云斜长变粒岩及磁铁石英岩，角闪质岩石相当发育，含磷灰石斑杂状混合岩赋存在其中。

根据FeO/MgO图解(图2a)和FeO/MgO对FeO图解(图2b)，判别该群中的斜长角闪岩的原岩岩浆系列，属于拉斑玄武岩系，而且主要是相当于岛弧－拉斑玄武岩，看来该群中的含Na2O较高的细碧岩是拉斑玄武岩岩浆的分异产物。根据原岩恢复结果，结合地层剖面的分析，该群的原岩建造，是以类似于岛弧－拉斑玄武岩系列的中基性火山岩为主的火山熔岩、火山碎屑沉积岩系。近似于绿岩带剖面中下部火山岩特点。

辽吉地区太古代的含磷岩系与华北陆核区含磷岩系有所不同，都是含磷基性、超基性岩侵入体，它们是以浅成、超浅成的岩株、岩床、岩墙与岩脉等不同形态产出。在辽、吉地区太古界出露地区均有分布，根据岩石的矿物组合、化学成分、产状与构造的特点，把这些岩体分为三类:第一类为单矿物含磷超基性岩－含磷角闪岩、含磷辉石岩，它以绥中县木掀沟、靖宇县天合兴含磷超基性岩为代表;第二类为含磷基性岩－含磷辉长岩，此类多呈椭圆形、透镜状等形态，以岩株、岩床产出，由建平县勿兰乌苏、簸箕山含磷岩体为代表;第三类为脉状含磷基性岩－超基性岩与脉状磷灰岩，它往往以脉状贯入在早期含磷岩体内部或者在它的边缘。前两类已形成有工业价值的低品位磷矿，后一类由于规模较小，分布局限未发现单独形成矿化体，只是与其他含磷岩体一起构成矿体的一部分。

图2 辽吉地区绿岩带SiO2－FeO/MgO(a)和FeO/MgO－FeO(b)图解①Fig．2 SiO2－FeO/MgO(a)and FeO/MgO－FeO (b)diagrams for the greenstone belt inthe Liangning－Jilin area①

3 岩石地球化学特征

3．1 主元素化学特征

从绿岩带岩石化学成分(表1)可看出，含矿岩石SiO2含量低，多数变化在32．75%～39．39%之间，一般小于40%，属超基性岩范畴。个别混合岩与片麻岩在SiO249．53%～58．39%间。TiO2与FeO+ Fe2O3含量高，前者可达6．57%，后者在19%以上，最高达28%，属于铁质、镁铁质岩范围。将各个矿区的岩(矿)石化学成分投在(Mg/TFe)与(TFe+Mg)/ Si变异图(图3)中，绝大部分落入铁质区，个别落入铁镁质区。岩石中K2O+Na2O含量变化在1．89%～9．21%，在碱金属与硅变异图中(图4)，投点均在强碱质区，反应出与矿化有关的岩石碱质含量较高，规律性明显。含磷岩石相当于碱性铁质超基性岩类。

绿岩带中变质火山岩类的主元素含量基本上可同国外太古宙绿岩带中相应的岩石对比，见表1。绿岩带中变质碱性－铁质火山岩(含矿岩石)主元素含量除SiO2偏低、TFe、P2O5明显偏高外，其它成分与太古宙绿岩带拉斑玄武岩接近。

表1 太古宙绿岩带型磷矿岩(矿)石化学成分(%)Table1 Petrochemical composition of the Archaean greenstone belt iron－phosphate deposits

图3 华北绿岩带型磷矿岩(矿)石Mg/TFe与(TFe+Mg)/Si变异图Fig．3 Variation of Mg/TFe and TFe+Mg/Siin the greenstone belt

3．2 绿岩带型磷矿微量元素特征

图4 绿岩带型磷矿Na2O+K2O与SiO2变异图Fig．4 Variation of SiO2－K2O+Na2O of

绿岩带型磷矿主要微量元素见表2。由表2分析可知，亲铁元素V变化范围为(310～570)× 10－6，Cr的变化范围为(11．1～34．3)×10－6，Co的质量分数为(44．3～70．3)×10－6，Ni的质量分数变化为(14．7～102)×10－6。总的来看，与维诺格拉夫元素在基性岩中的丰度值比较，容矿岩石V明显偏高，矿化岩石中V含量高出超基性岩中的丰度值的20倍。Cr、Co、Ni的含量则明显偏低。

大离子亲石元素Sr的质量分数变化在(343～2365)×10－6，Ba的质量分数变化在(289～4388)× 10－6，远远高于其在基性和超基性岩中的背景含量，尤其在矿化岩石中高度富集。

表2 微量元素分析结果(ωB/10－6)Table2 Trace element contents(ωB/10－6)

不活动组分Zr在超基性岩中的背景值为100× 10－6，在超基性岩中质量分数为30×10－6，本区Zr质量分数变化在(46．9～105)×10－6，Ga在基性岩中背景值为18×10－6，本区Ga的质量分数为(12．3～66．9)×10－6，多高于背景值。

总的来看，岩石中不相容元素明显富集(Ba、Sr、Zr、P)，尤其是Ba、Sr，相容元素(Cr、Co、Ni等)明显亏损。对含矿岩体不同类型岩石微量元素经原始地幔标准化后作蛛网图，从图5中可见，不同类型岩石曲线形态基本一致，且呈“W”形变化，分配形式与玄武岩相似，Cr、Ni相对一般超基性岩来说较低，相对原始岩浆(Cr≥1000×10－6，Ni≥400×10－6)更低。反应该类容矿岩石独特的演化特征。

对比容矿岩石中主要元素与微量元素的关系，可以看出二者间的不和谐性，超基性岩中丰度高的元素Cr、Ni、Co等含量却低，而中酸性岩中富集的元素却含量高。这些特点是绿岩带型磷矿容矿碱性－铁质铁镁质岩所特有的，是磷、铁富集的重要因素。

图5 微量元素蛛网图Fig．5 Primiti mantle－normalized trace element patterns

3．3 绿岩带型磷矿稀土元素特征

岩石稀土元素分析见表3，不同类型容矿岩石稀土元素含量变化不大。稀土元素总量∑REE为(129．97～1126．52)×10－6，除个别样品稀土总量低于200×10－6以外，绝大多数大于200×10－6，含磷钛磁铁矿角闪岩中∑REE高达1126．52×10－6，与正常同类岩石相比，稀土总量明显偏高。LREE/HREE值为3．95～19．33，显示轻稀土元素高度富集，尤其是建平磷矿，LREE/HREE值均在12．31以上。δEu值为0．77～1．38，Eu无明显异常，其δEu平均值与碱性玄武岩(δEu=1．08)接近，说明火山岩浆来源于地壳深部。由于主、微量元素的不和谐性，从而造成黑云角闪岩中大量磷灰石的晶出，并使得游离REE3+元素优先进入磷灰石晶格，从而造成稀土元素在含矿岩石中的高度富集。

在容矿岩石稀土元素模式图6中，绿岩带型容矿岩石稀土配分曲线为较平缓向右倾斜的曲线。不同地区不同类型容矿岩石稀土配分曲线基本一致，曲线均显示Ce轻度负异常。

图6 绿岩带型磷矿容矿岩石稀土元素模式图Fig．6 REE pattern for host rocks of greenstone belt iron－phosphate deposits

表3 稀土元素分析结果(ωB/10－6)Table3 Analysis results of the rare earth elements(ωB/10－6)

4 矿体赋存特征

太古宙绿岩带型铁磷矿主要分布在辽宁、河北、山东、山西等省，代表性矿床有河北丰宁招兵沟、前营磷矿、辽宁建平勿兰乌苏磷矿、山东掖县、山西灵丘磷矿等。磷矿体主要赋存在黑云角闪岩、角闪黑云片麻岩、斜长角闪岩中，含铁磷矿化地段长约5～6km，宽100～2000m。矿体呈层状，大的透镜状，产状与地层产状基本一致。矿体一般断续分布，长250～1440m，厚1．0～102m不等。矿石类型、结构、矿物组成及铁磷含量见表4。

绿岩带型磷矿岩矿石SiO2含量低，一般小于40%，TiO2与FeO+Fe2O3含量高。变质后的含矿岩石属于铁质、铁镁质岩范围。其原岩属钙碱性系列火山岩，与现代岛孤拉斑玄武岩相似。矿石与围岩是按P2O5含量划分的，二者界线不甚明显。磷灰石含量与铁镁硅酸盐矿物、钛铁金属矿物含量成正相关关系，显示磷的亲铁性。表明它们有成因上的联系。绿岩带型铁磷矿床特点是层控性明显，绿岩建造控矿，绿岩带就是铁磷矿成矿带。

表4 绿岩带型磷矿矿石类型、矿物成分及结构构造Table4 Ore types，mineral component and structure of the greenstone belt iron－phosphate deposits

因此，可以认为，我国绿岩带型磷矿是古板块构造作用的结果，属板块构造成矿模式(Condie，1981; Tarney，1982;Windley，1984)，它们是源于镁铁质岩石的部分熔融形成的，后经绿片岩相变质作用，使铁磷进一步富集。

5 综合利用前景

中国北方低品位磷矿中一般都含有Fe、Ti、V、稀土等有益伴生组分，有的伴生元素和矿物超过了磷矿的价值，构成了综合性－多元素－低品位的大型或超大型矿床，潜在价值大;大部分矿体裸露地表，适于露天开采，露采储量约占80%左右，矿石易磨易选，选厂基建投资小;可就地采选、制肥、利用，交通运距短，这些优势将不同程度地补偿了北方内生磷矿矿石低贫的劣势。在“以优补劣”的经营方针指导下，使得大部分磷矿能得到合理开发利用。

建平乌兰乌苏已建成浮选能力160(万t/a)和60(万t/a)的选厂，入选原矿品位TFe＞10．0%，P2O5＞3．5%;丰宁招兵沟建成浮选能力300(万t/ a)，入选原矿品位TFe＞12．0%，P2O52．5%;隆化韩营建成浮选能力300(万t/a)的磷选厂，入选原矿品位TFe＞8．0%，P2O52．5%;隆化建龙建成浮选能力400(万t/a)的磷选厂，入选原矿品位TFe＞10．0%，P2O52．5%;滦平地区建成500万吨的选厂，综合回收铁、磷。随着铁磷综合利用的开发，北方低品位磷矿开发趋势不断扩大。开发利用北方低品位铁磷资源经济价值与社会效益前景可观。

北方磷矿大部分属磁铁矿－磷灰岩型矿石，特点为低品位磁铁矿、低品位磷矿与低品位钛铁矿共生，含有少量硫钴矿。通过对招兵沟铁磷矿综合选矿研究，实现了铁、磷、钛、硫、钴矿的综合利用，实现了低品位铁、磷、钛、钴矿综合回收利用产业化，其经济价值显著。

试验确定磨矿细度－200目含量占87．5%(进入浮选细度－200目含量占90．3%)，获得的工艺指标如下:湿式弱磁选回收磁铁矿指标为，原矿品位TFe 10．72%，精矿产率13．44%，精矿品位TFe 64．86%，回收率52．12%。

磷矿实验室闭路流程试验选矿指标为，磨矿细度－200目含量47%，浮选温度为20℃，原矿品位P2O53．34%，精矿产率9．75%、精矿品位P2O533．18%、回收率96．77%。

采用重－磁选工艺综合回收该矿中的钛铁矿，工艺路线为，螺旋溜槽抛尾→摇床粗选→钛铁粗精矿→磨矿(磨矿细度为－200目含量25%～40%)→摇床精选→中强磁精选→钛铁精矿。

钛铁矿重选选矿试验指标标为，原矿品位TiO24．50%、TFe 10．13%，精矿产率4．59%、精矿品位TiO242．53%、TFe 39．46%，TiO2回收率43．38%。重选钛精矿经中强磁场(磁感应强度400mT)磁选，最终钛铁精矿品位TiO245．50%。

实验室流程试验选矿指标为:原矿品位Co 0．0114%、S有效1．07%，精矿产率1．52%，精矿品位Co 0．4117%、S有效44．76%，Co回收率53．49%、S有效回收率63．31%。

通过铁磷矿选矿厂工业实施，达到综合回收铁、磷、钛、硫、钴等资源的目的，减少了选厂的尾矿排放量10%以上，选矿过程无环境污染，符合我国可持续发展战略对磷矿和磷肥工业立足国内资源的要求，符合国家资源与环境及循环经济政策。

［注释］

①地矿部沈阳地质研究所．1981．辽吉地区太古代晶质磷矿地质特征［R］．

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XIA Xue－hui，YANG hui－yan，WEI Xiang－song
(China Chemical Geology and Mine Bureau Geology Research Institute，Zhuozhou，Hebei072754)

In this paper，we studied the metallotectonic environment，ore－bearing formation and geochemistry of the greenstone belt iron－phosphate deposits in the northern margin of the North China platform．The result shows that the island arc－chlorite is the main native rock，and the post metamorphic host rocks belong to alkali－ferruginous and femic series．The major and trace elements in host rock are inconsistent with each other．The incompatible elements such as Ba，Sr，Zr and P are obviously enriched，but the compatible elements Cr，Co and Ni are depleted．Contents of REE are relatively higher，enriched in LREE，and show a weak negative Ce anomaly．By analogy with the present exploitation situation of the low－grade endogenetic iron－phosphorite deposits in north China，there will be a good prospect of comprehensive utilization of greenstone belt iron－phosphate deposits in the northern margin of the north china platform．

greenstonebelt iron－phosphate deposit，geochemistry，comprehensive utilization，northern margin of north China platform

book=9,ebook=557

P618

A

0495－5331(2012)05－0876－8

2011－12－01;

2012－03－06;［责任编辑］郝情情。

中国地质调查局国土资源大调查项目(编码:200310300002)资助。

夏学惠(1955年－)，男，教授级高工，主要从事矿床地质研究与评价工作。E－mail:xxh@hgdyy．com．cn。