河北宣龙铁矿地质特征及开采问题

刘典波,石成龙，李利阳，赵 禹，张传恒

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2.武警黄金第四支队，辽宁 辽阳 111000)

河北宣龙铁矿地质特征及开采问题

刘典波1,石成龙1，李利阳2，赵 禹1，张传恒1

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2.武警黄金第四支队，辽宁 辽阳 111000)

河北宣龙铁矿是我国重要的沉积型铁矿，了解其地质特征能够给铁矿开采中存在的问题提供参考处理意见。本文对宣龙铁矿成矿时区域地质背景、含矿层位和成矿地质年代、全球环境进行研究，并结合对鲕状赤铁矿和叠层石赤铁矿结构特征、地球化学特征和沉积环境的分析，可知宣龙铁矿形成于障壁海岸环境中的障壁岛临滨环境，深海中的Fe2+在铁细菌和蓝细菌共同作用下在宣化-龙关一带富集成矿。宣龙铁矿的地质特征与铁矿开采过程中采矿点分散、开采经济效益低、铁矿回采率低和环境保护等问题关系密切。

宣龙铁矿； 中元古代； 地质特征； 开采问题

宣龙铁矿位于河北省宣化-赤诚-龙关一带，是我国中元古代早期重要的典型沉积型铁矿床。Andersson等在1923～1924年间根据宣龙铁矿的区域分布特点，首次将这一类型的铁矿命名为“宣龙式铁矿”[1]。宣龙铁矿分布面积约3900km2，累计探明铁矿资源量3亿多吨[2]。

铁建造(Iron Formation，简称IF)包括条带状铁建造(Banded Iron Formation，简称BIF)和粒状铁建造(Granular Iron Formation，简称GIF)。BIF主要出现在太古代和古元古代早期，GIF在古元古代中更为常见。IF普遍在1.85Ga时突然消失，在新元古代晚期重新出现[3]。

宣龙铁矿主要是鲕状赤铁矿和叠层石赤铁矿，这两种类型的赤铁矿都属于IF中典型的GIF，形成时代约为1.65Ga。宣龙铁矿的出现与全球范围内铁矿大规模出现的时间是不一致的，反映了华北克拉通在这一时期特殊的区域构造背景和沉积环境。了解宣龙铁矿的地质特征，有助于理解整个华北克拉通的古海洋和古构造背景，同时对宣龙铁矿的勘探和开采也有重要指导意义。

宣龙铁矿的大规模开采利用是从1918年首钢的前身龙关铁矿股份有限公司开始的，至今已经有近百年的历史[4]。在开采过程中所暴露出来的铁矿综合利用率低、生态环境破坏严重、不重视环境保护、矿山恢复困难等问题值得引起思考。

1 宣龙铁矿地质特征

1.1 区域地质背景

宣龙铁矿赋存在中元古代早期长城系串岭沟组底部。从区域构造背景看，它位于华北克拉通燕辽裂谷内。燕辽裂谷在这一时期处于伸展构造发育期。华北克拉通从古元古代晚期的变质事件之后，开始了裂谷系的发育与演化，形成了与燕辽裂谷并存的熊耳裂谷、北缘裂谷和东缘裂谷，这些裂谷在成因上是有联系的裂谷系[5]。

宣龙铁矿的形成与华北克拉通的演化关系密切，是局部与整体的关系。华北克拉通1.72G～1.62Ga的非造山岩浆活动和哥伦比亚超大陆聚合后的裂解[5]，对理解宣龙铁矿铁元素来源有重要意义。

1.2 含矿层位和地质年代

宣龙铁矿的铁矿层赋存于长城系串岭沟组底部。长城系自下而上分为4个组，分别是常州沟组、串岭沟组、团山子组和大红峪组。宣龙铁矿所在地区的串岭沟组由底部薄层细砂岩-粉砂岩夹铁矿层和上部灰黑色-灰绿色泥页岩组成，与上、下地层呈连续沉积。在宣龙地区串岭沟组可以分为两段。一段总体呈现紫红色，主要由薄层细砂岩、粉砂岩、粉砂质页岩和铁矿层组成。二段主要由灰黑色泥页岩夹薄层粉砂岩构成，二段底部有薄层铁岩层，但是铁岩层不是由鲕粒状赤铁矿或叠层石状赤铁矿构成，品位较低，不构成工业矿层。

宣龙铁矿形成的地质年代限定在1670M～1638Ma之间。随着SHRIMP和LA-MC-ICPMS技术的应用，华北克拉通长城系地质年代学的研究近年来取得重要进展，出现了很多关于华北克拉通中元古代地层年龄的报道。虽然没有可靠的串岭沟组和下覆地层常州沟组的直接测年数据，但是根据串岭沟组侵入岩和常州沟组底部花岗岩岩脉的测年数据可以间接限定赋存在串岭沟组底部宣龙铁矿的年龄。串岭沟组辉绿岩脉的SHRIMP锆石U-Pb年龄为1638±14Ma[6]，限定了串岭沟组的年龄要早于1638±14Ma。与常州沟组砂砾岩呈不整合接触的密云花岗斑岩岩脉LA-MC-ICPMS锆石U-Pb同位素年龄为1673±10Ma，表明常州沟组底界年龄小于1670Ma[7]。据上可以推断宣龙铁矿的地质年龄约为1650Ma。

1.3 成矿的全球环境背景

宣龙铁矿成矿时全球海水已经部分氧化。全球第一次大成氧事件(Great Oxidation Event,简称GOE，时代为2.45Ga)之后，大气氧含量明显增高，海水开始氧化，在海水中出现氧化还原界面，上层海水为富氧氧化状态，下层海水为缺氧还原状态。

宣龙铁矿的形成环境和特征与太古代和古元古代的BIF沉积在完全不同的环境并且具有不同的矿物组成和结构[8]。几乎所有太古代的IF都包含主要是BIF和富含硅的铁的薄层，通常但并不是全部都沉积在相对深水环境中，缺乏波浪或风暴活动的证据。反之，大部分在18.8Ga之后形成的IF沉积在靠近风暴或正常浪基面或之上，通常有颗粒结构，属于GIF[3]。这些不同，不仅反应了他们的沉积环境有区别，而且反应了二价铁氧化和三价铁沉积作用机制上的不同。

1.4 铁矿含矿层位特征

宣龙铁矿含矿层的基本序列是下部为鲕状赤铁矿层，中部为叠层石赤铁矿层，上部为粉屑赤铁矿层。有工业开发价值的矿层一般为2层，分别是下部鲕状赤铁矿层和中部叠层石赤铁矿层，这两套含矿层中间夹薄层粉砂岩或砂岩。

铁矿层的厚度和发育程度自北而南呈递减趋势，至怀来-延庆一线快速尖灭，且铁矿层上覆的黑色泥岩中发育的含赤铁矿鲕粒的石英砂脉中发育的斜层理前积层指向南。

含铁岩层的数量不同地区有所差异，从1～5层不等，铁矿岩层的厚度从0.18～5.38m不等[2]。在三岔口剖面，铁矿层最厚，可达5～7m，在马家窑剖面铁矿层厚度变薄，为2～3m。

铁矿层中常与液化脉、地震驱动的软沉积物变形构造发育的砂岩层共生，暗示断裂活动与铁建造形成具有成因联系。

1.5 矿物组成

宣龙铁矿的成矿矿物主要为赤铁矿，其次为菱铁矿和褐铁矿，含少量黄铁矿和磁铁矿。赤铁矿为原生矿物。菱铁矿产于赤铁矿上部或顶部，与赤铁矿共生，以多种方式交代赤铁矿，是成岩作用阶段后生的产物[9]。褐铁矿、黄铁矿和磁铁矿也非原生矿物。褐铁矿为赤铁矿、菱铁矿风化作用的产物。

1.6 鲕状赤铁矿和叠层石赤铁矿的特征

鲕状赤铁矿的鲕粒由赤铁矿构成，呈铁质胶结，胶结物中含有沙砾等杂质。基本特征为鲕粒直径从小于1～6mm，形态有正常的鲕粒状，还有压扁的薄饼状，甚至有很多破碎的鲕粒构成碎屑鲕粒层，鲕粒有的为规则的同心圆形，有的为椭圆形，有的具有连续的不规则的同心纹层，大多数鲕粒的分选性不好，大小鲕混杂出现。

叠层石赤铁矿的叠层石全部由赤铁矿组成，叠层石之间会填充少量鲕粒。横断面可以看到很多呈肾状的凸起，因而得名“肾状赤铁矿”。从新鲜的横断面看，叠层石上肾状小球体大小不一，直径从3～25mm。多数球体的球面呈不对称状，一面平缓，一面陡立，推断平缓的面是迎水面。有的球体顶面还有凹坑出现，推断是海水冲刷回流后形成的。叠层石中充填的鲕粒，推断不是与叠层石共生的，而是鲕粒形成后随海水冲刷搬运到叠层石中的。从横断面的光面看，球体直径为5～30mm，叠层石之间的间隙0～7mm，叠层石围绕中心点成不规则的环状。从纵断面看，铁叠层石多数呈柱状生长，多半叠层石有分叉，有些剖面上的叠层石均向某一特定方向倾斜，单支叠层石与横断面形成约60°夹角，具有明显的指向性，推断可能与海水古流向有关。

1.7 地球化学特征

宣龙铁矿主量元素中Fe2O3含量均值为72.29%，其次SiO2含量均值为15.22%，Al2O3、TiO2和P2O5含量较高[10]。

从图1可以,看出宣龙铁矿具有两个特征：一是铁矿Sr/Ba明显大于黑色泥岩;二是铁矿明显富集Mo、V、Re和U。其中，Mo含量最高75.6ppm，一般20ppm。串岭沟组的泥岩，无论是在冀北地区还是在宣龙地区，一般都小于1ppm，这指示宣龙铁矿发育区的古海洋明显富硫。同时，宣龙铁矿还具有Ba、Rb、Nb和Ta相对亏损的特征[10]。

图1 赤城三岔口剖面氧化还原敏感元素、Sr/Ba比值垂向变化曲线

1.8 沉积环境

宣龙铁矿形成于障壁海岸的障壁岛临滨环境，其中鲕状赤铁矿形成于高能的下临滨，叠层石赤铁矿形成于低能的上临滨。鲕粒一般形成于动荡的高能环境下，矿区内鲕粒大量发育，而且见压扁状的鲕粒，鲕粒碎片，这说明鲕粒形成于高能的下临滨环境。砂岩中见波痕及小的冲刷面、有些叠层石具有明显的指向性，叠层石横断面的球体上有迎水面等特征，可以推断宣龙铁矿沉积在风暴浪基面之上。

1.9 宣龙铁矿成矿地质成因

宣龙铁矿因为叠层石的存在是生物成因这一点没有异议。以前认为宣龙赤铁矿是由于蓝藻(蓝细菌)的生长发育使铁质得到富集，形成赤铁矿[11]，后来认为是由于铁细菌和蓝细菌相互作用导致的生物矿化，形成生物粘结矿床[12]。蓝细菌通过光合作用，释放出O2，使水体氧化，好氧的铁细菌吸取水体中Fe2+，与O2结合形成Fe2O3·nH2O胶体沉淀形成赤铁矿。

宣龙铁矿Fe元素来源于海底热液。首先Fe元素不会来源于风化的陆源碎屑，地球在经历大成氧事件后，河流水体已经氧化，风化作用形成的Fe2+还来不及进入海洋，已经被彻底氧化为Fe3+沉淀下来，因此宣龙铁矿的Fe元素只能源于海洋。华北克拉通1.72G～1.62Ga的非造山岩浆活动和哥伦比亚超大陆聚合后裂解[13]，海底火山和热液活动释放大量Fe2+。在洋流和离子扩散的作用下，深海中的Fe2+被源源不断的带到宣化地区，最终在铁细菌和蓝细菌共同作用下在宣化附近富集成矿。

2 开采问题

2.1 铁矿的规模

特殊的地质成因限定了宣龙铁矿的规模。宣龙铁矿累计探明资源储量为3亿多吨[2]，在后续的开采过程中，还应该结合地质特征，加大勘探力度，发现更多的铁矿资源。

2.2 矿石的品位

宣龙铁矿石铁品位较高，达48.65%，经过焙烧-弱磁选矿后，可以得到铁的品位62.5%，铁回收率为85.5%的精铁矿[14]。

2.3 采矿点分散

宣龙铁矿由于其特殊的成矿地质环境，不适合大规模开采。宣龙铁矿形成于障壁岛临滨环境，本身分布范围较小，矿层薄，加上后期构造断层的切割，从而使宣龙铁矿的矿山分布不连续，采矿点众多而分散，多数采矿点分布在山区。

2.4 开采经济效益低

宣龙铁矿的开采方式有两种：一种是露天开采，通过大型机械将串岭沟组上部地层剥掉，采集底部铁矿层；一种是坑道采矿，通过一边挖坑道一边采矿的方式沿矿体向山体内部采矿。

这两种开采方式的经济效益都比较低。露天开采成本太高。需要剥离串岭沟组上部甚至包括团山子组20～40m厚的泥页岩，工程量大，最后获得的铁矿层厚度约为1m。这种方式在铁矿石价格高的时候有经济效益，在铁矿石价格低的情况下是亏损的。坑道开采成本低，但劳动生产率太低。这种方式直接在铁矿层挖掘坑道采矿，由于矿层薄，坑道低矮，只能人工开采，通过小推车将矿石从坑道运到坑外。目前依然可见这种方式在进行零星开采。

2.5 铁矿回采率低

铁矿回采率低于60%。宣龙铁矿由多层铁矿石构成，不同矿层品位不同，同一矿层由于所处的位置不同，品位也不一样。实际开采过程中，只开采鲕状赤铁矿和叠层石赤铁矿形成的富矿，贫矿直接丢弃。以宣化刘家窑村地区为例，只有厚0.3m品位约为60%的叠层石状赤铁矿被开采，厚0.4m品位40%左右的鲕状赤铁矿则被直接丢弃。

2.6 开采过程中的环境保护问题

宣化铁矿开采过程中存在很多环境保护问题。首先，露天开采过程中剥离的大量岩土没有进行任何处理，就地堆置。这种开采方式将原有的土壤和植被完全被破坏，开采区很多年后植被都无法生长，同时造成水土流失。其次，铁矿开采对地下水和地表水造成污染。铁矿开采过程中，开采出来的矿石和丢弃的低品位矿石经过雨淋和风化，对地下水和地表水都会造成严重污染。最后，矿石开采所挖掘的采矿坑和随意堆置的大量岩土容易引发大面积地表开裂、山体滑坡、塌陷等地质灾害。

导致以上环境破坏问题的原因主要有以下几点：一是宣化铁矿是具有很长开发历史的铁矿，在以往的开采过程中环境保护意识不强；二是铁矿采矿点分散，私采滥挖现象严重[15]，这种情况下环境保护无从谈起；三是采矿企业不愿意在环保上投资，监管部门监管困难。

宣龙铁矿开采过程中应该采取边开采边保护的形式进行矿山恢复。利用剥离的岩石对矿坑进行回填，利用剥离的土壤对于裸露区和废石区进行覆土，复种植被，减少水土流失和水资源污染。

3 结论

宣龙铁矿的地质特征与开采问题关系密切。这些地质特征包括宣龙铁矿主要是鲕粒状赤铁矿和叠层石赤铁矿，形成于16.5Ga左右华北克拉通燕辽裂谷的宣龙地区，Fe元素来源于深海岩浆活动产生的热液，经铁细菌-蓝细菌的共同作用在宣化一带障壁海岸富集成矿。

宣龙铁矿的开采问题主要包括采矿点多而散，私采滥挖现象严重，不仅造成资源浪费还造成土壤和植被的破坏，堆积大量废弃的岩土，污染地下水和地表水，容易引发大面积地表开裂、山体滑坡、塌陷等地质灾害。这些问题在后续开采过程中应该引起重视并尽早开展矿山恢复工作。

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Geological characteristics and mining problems of Xuanlong iron ore deposit in Hebei province

LIU Dianbo1, SHI Chenglong1, LI Liyang2, ZHAO Yu1, ZHANG Chuanheng1

(1.School of the Earth Science and Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China;2.No. 4 Golden Geological Party, Chinese Armed Police Force, Liaoyang 111000, China)

The Xuanlong iron ore deposit in Hebei Province is a very important sedimentary iron ore in China. Knowing it’s geological characteristics can provide solutions for mining problems. This article analyze its geological background, the iron layers in Chuanlinggou Formation and its geological age, and consider of the structure of ooid hematite and stromatolite hematite, geochemistry, their sedimentary settings. It demonstrated that the Xuanlong iron ore deposited in the shoreface of barrier island condition. Xuanlong iron ore should be related to the iron bacteria and blue bacteria, the Fe2+came from the deep sea. There is a closed relationship between the mining problems and the geological characteristics of the iron ore deposit. The mining problems include mining point dispersion, low economic benefits, low rate of percentage recovery iron resources and poor environmental protection.

Xuanlong iron ore deposit; mesoproterozoic; geological characteristics; mining problem

2016-08-12

刘典波(1977-)，男，助理研究员，古生物学与地层学专业，E-mail：Ldb@cugb.edu.cn。

P595;TD353

A

1004-4051(2016)12-0094-04