邯邢地区綦村闪长质杂岩体中磁铁矿的成因矿物学研究

金雅楠，张聚全，梁 贤，李 清，吴伟哲，范琳琳，白富生，文金芳

河北地质大学 地球科学学院，河北 石家庄 050031

0 引言

磁铁矿是铁的主要存在形式，常以副矿物的形式广泛存在于三大类岩石之中，其中铁元素常以变价形式存在[1-7]。通过前人大量的工作研究表明，磁铁矿的成分和结构可以良好的反应成矿的温度和氧逸度[3,7,8-12]，同时也是氧化还原过程中重要的调节剂、缓冲剂，对岩石的氧化还原特征具有指示性意义。因此，对于磁铁矿成分的研究可以直接反应岩浆氧化还原反应特性，与成岩成矿过程密切相关，我们可以通过氧逸度的计算来判定岩浆的成因、演化和岩浆热液成矿[13-20]。

冀南邯邢地区是我国重要的大型矽卡岩型铁矿富集区，其矿床规模大，矿石品位高，是中国富铁矿石的重要来源。前人对白涧和西石门等铁矿的成因方面做过详细的研究和讨论，并建立相关的成矿模型，但在仍未从根本上解决邯邢式铁矿的成因问题，铁矿成矿过程和物质来源等问题仍存在诸多争议[21-24]。綦村岩体是邯邢地区一个重要的成矿岩体，其中赋存了大中小型矿床11个。本次研究在详细岩相学观察的基础上，较为系统地对綦村岩体中不同岩性中的磁铁矿及与磁铁矿共生的钛铁矿进行了电子探针成分分析，并应用成因矿物学方法分析了磁铁矿的成分标型特征，使用Lepage等[25]制作的EXCEL表格进行氧逸度计算，获得有关岩浆氧逸度的信息[26]，从而探讨了邯邢式铁矿的成因与成矿过程。

1 区域地质背景

邯邢地区位于华北克拉通中部太行山南段，其中矽卡岩型铁矿广泛分布，东侧是太行山山前断裂，西侧为西柏峪深大断裂带[27,28]。由于受到西北部赞皇隆起的控制，区域内地层由西北向东南倾伏，本区地层从老到新依次为太古宙赞皇群，中元古代长城系，早古生代的寒武系和奥陶系，晚古生代的石炭系和二叠系，中生代三叠系以及新生代地层，控矿地层主要是奥陶统马家沟组碳酸盐岩[29](图1)。邯邢地区自西向东分布着八个主要岩体，按照其空间位置可划分为西部、中部和东部3大岩浆岩带，其中西部岩浆岩带主要为符山岩体；中部主要为綦村岩体、矿山岩体、武安岩体和固镇岩体，东部主要为新城岩体、鼓山岩体和洪山岩体[30]，其中中部为邯邢地区主要的成矿带，綦村岩体位于中部岩浆带的北端。

图1 邯邢地区区域构造示意图(修改自Zhang 等，2015[31])

2 綦村岩体地质特征

綦村矿田位于邯邢成矿区北部，受到构造岩浆隆起的控制，隆起区出露岩体主要为角闪闪长岩和闪长岩，区域断裂的走向主要为NE、SN、NNE、NWW—NW。綦村岩体分布范围广，地质特征复杂，东起柳庄南至马庄，西边可达贾庄、北边延伸至大沙河，分布面积约有40 km2(图2)。本次研究为图2所示的4个采样点，分别对其中磁铁矿单矿物以及磁铁矿—钛铁矿共生矿物对进行成分分析，并进行了成因矿物学研究。

图2 綦村岩体地质图(修改自Deng 等,2015[32])

3 岩相学特征

本次对邯邢地区綦村岩体的主要岩石类型进行岩相学分析，主要包括斑状黑云母辉石角闪闪长岩、闪长岩、二长岩、石英二长岩、黑云母闪长岩和辉石角闪闪长玢岩。

样品ST17-2-1a的岩性为斑状黑云母辉石角闪闪长岩，岩石呈灰黑色，似斑状结构、块状构造(图3a)。其主要矿物为斜长石和角闪石，次要矿物为辉石和黑云母，副矿物为磁铁矿。斜长石呈灰白色粒状，含量较高，可达到60%左右；角闪石斑晶呈长柱状，含量在30%左右，其斑晶颜色、形态清晰可见。辉石含量约5%；在单偏光镜下黑云母呈棕褐色，含量在5%左右，粒径大小为0.2×0.3 mm～0.5×1 mm，角闪石颗粒大小为0.1×0.2 mm～1×2.5 mm。

样品ST17-6-4d的岩性为闪长岩，颜色呈深灰色，具中细粒结构，块状构造(图3b)。主要矿物为斜长石和角闪石，次要矿物为辉石、黑云母和少量石英等。其中斜长石呈灰白色，粒径小，含量在65%左右；角闪石呈长柱状，含量为30%，在正交偏光镜下可以清楚观察到解理，粒径0.3×0.4 mm～1×3 mm，石英呈它形充填其中，含量<5%。

样品ST17-1-3a的岩性为二长岩，颜色呈现出浅灰红色，具有粒状结构和似斑状结构，构造则以块状构造为主(图3c)。主要矿物斜长石和钾长石，二者含量大致相等，并含有少量石英。其中斜长石自形程度较好约占40%，钾长石占50%左右；暗色矿物则以角闪石和黑云母为主，角闪石大小为0.1×0.2 mm～0.4×0.5 mm，含量<10%。

样品ST17-1-6的岩性为石英二长岩，矿物种类、结构构造等都与二长岩相似，石英含量相对较高(>5%)，是一种向花岗岩过度的岩石类型(图3d)。

样品ST17-1-1a的岩性为黑云母闪长岩，颜色呈灰白色，具有半自形粒状结构，块状构造(图3e)。主要矿物为斜长石和角闪石，次要矿物为黑云母、辉石和少量的石英，副矿物以磁铁矿为主。斜长石含量约65%，角闪石粒径为0.1 mm×0.2 mm，含量约占25%，黑云母、辉石含量<5%。

样品ST17-1-4a的样品岩性为辉石角闪闪长玢岩，颜色以灰黑色为主，具有斑状结构、块状构造(图3f)。主要矿物为斜长石、角闪石和辉石，次要矿物为黑云母、石英等。图中斜长石具有明显的聚片双晶，自形程度好，含量在60%左右；角闪石约占25%；辉石大小为0.1 mm×0.5 mm，含量约10%。石英含量<5%，副矿物为磁铁矿。

Mag-磁铁矿；Ilm-钛铁矿；Amp-角闪石；Bi-黑云母；Pl-斜长石；Kf-钾长石；Qtz-石英；Px-辉石 a-斑状黑云母辉石角闪闪长岩(单偏光)；b-闪长岩(正交偏光)；c-二长岩(正交偏光)；d-石英二长岩(正交偏光)；e-黑云母闪长岩(正交偏光)；f-辉石角闪闪长玢岩(正交偏光)；g-石英二长岩磁铁矿-钛铁矿背散射图像；h-黑云母闪长岩磁铁矿-钛铁矿背散射图像；i-角闪闪长岩磁铁矿-钛铁矿背散射图像

图3g～3i分为样品ST17-1-6、样品ST17-1-1d和样品ST17-2-3a的背散射图像，镜下可以清楚地观察到样品中磁铁矿—钛铁矿矿物对的共生关系。其中磁铁矿的自形程度较高，颗粒较大，以自形—半自形为主，在背散射下矿物颜色呈现出亮灰色，矿物表面较光滑，含有不规则裂纹，部分磁铁矿表面发育有微小孔洞现象；钛铁矿颜色为浅灰色，呈条状或片状分布于磁铁矿的裂理中。磁铁矿颗粒大小为0.04×0.05 mm～0.06×0.08 mm。

4 结果

本次研究对綦村岩体中的磁铁矿—钛铁矿矿物以及磁铁矿单矿物进行电子探针分析(表略，备索)。此次实验是在河北地质大学电子探针实验室进行的，仪器的型号为JEOL-JXA-8230，具体的工作环境为：加速电压15 KV，探针电流为20 nA，束斑的直径为5 μm。

4.1 磁铁矿

磁铁矿是綦村岩体中常见的副矿物之一，具有他形粒状结构，粒径为0.1～0.4 mm，自形程度较高。背散射下矿物颜色呈亮灰色，周围分布角闪石和黑云母，常与钛铁矿共生(图4)。共生矿物对中磁铁矿w(FeO)81.5%～90.64%，平均86.07%；w(SiO2)0～0.86%，平均0.43%；w(TiO2)0.08%～0.58%，平均0.36%；w(Al2O3)0.01%～0.27%，平均0.28%；w(MnO)0.02%～0.43%，平均0.23%；w(MgO)0～0.51%，平均0.26%；w(CaO)0～1.5%，平均0.75%；w(Cr2O3)0～4.98%，平均0.68%；w(V2O3)0.25%～0.44%，平均0.35%；Na2O、K2O、NiO的平均含量都小于0.1%。

图4a：Ⅰ-沉积变质—接触交代磁铁矿；Ⅱa-超基性—基性—中性岩浆磁铁矿；Ⅱb-酸性—碱性岩浆磁铁矿[34]；灰色标识数据来自文献[36]

4.2 钛铁矿

钛铁矿在背散射下呈浅灰色，多以片状、板状分散于磁铁矿之中(图4)。w(FeO)2.24%～61.54%，平均31.89%；w(SiO2)0～30.63%，平均15.32%；w(TiO2)25.97%～50.9%，平均38.44%；w(Al2O3)0～2.55%，平均1.28%；w(MnO)0～10.35%，平均5.18%；w(MgO)0～8.02%，平均4.01%；w(CaO)0.01%～27.94%，平均10.98%；w(Na2O)0～0.07%，平均0.04%；w(K2O)为0～0.07%，平均0.04%；w(Cr2O3)0～0.34%，平均0.17%；w(NiO)0～0.06%，平均0.03%；w(V2O3)0～2.55%，平均1.28%。

5 讨论

5.1 磁铁矿的成因类型

徐国风[33]通过对磁铁矿成分特征进行统计，总结出了不同类型矿床中磁铁矿的主、微量元素特征，后有学者[34-36]根据TiO2、Al2O3、MgO、MnO的含量建立了相应的磁铁矿成因判别图解。本次将綦村地区相关磁铁矿样品数据进行相应的投图，其中白涧矿床数据为前人所获[37]，投图结果可见图4。

从图4a中可看出大部分磁铁矿都落点于酸性—碱性岩浆磁铁矿区域内，黑云母角闪闪长岩和闪长岩落于超基性—基性—中性岩浆磁铁矿区域内，有个别点落于沉积变质—接触交代磁铁矿区。磁铁矿作为副矿物，本应落点于超基性—基性—中性岩浆区域，投图结果却显示大部分为酸性—碱性磁铁矿，表明磁铁矿结晶较晚，其结晶的时期为岩浆分异晚期的热液阶段到岩浆热液的过渡阶段，所以特征与酸性—碱性岩浆热液阶段的磁铁矿相似；图4b显示大部分磁铁矿落点于花岗岩区，个别点落于辉长岩区、闪长岩区和与超基性岩有关的碳酸盐区。但投图显示的花岗岩区与实际为闪长岩中的磁铁矿不相符，可能与磁铁矿结晶较晚有关，其岩性特征向酸性岩过渡；图4c表明磁铁矿主要落于副矿物型区域内，小部分落在了岩浆型、火山型和沉积变质性区域，说明綦村岩体中的磁铁矿主要以副矿物的形式存在。白涧地区岩体磁铁矿具有相同的特征，而矿体中磁铁矿则主要落点于沉积变质—接触交代型磁铁矿区域内。

在投图过程中发现綦村岩体中辉石闪长岩样品之间存在不同，整体分布上与其它綦村地区样品有明显差异。据图4a～4c投图显示，部分辉石闪长岩与白涧地区接触带磁铁矿具有相同的成分特征，表明区域内辉石闪长岩可能是成矿母岩。

5.2 磁铁矿的形成条件

磁铁矿是氧化还原过程中重要的调节剂、缓冲剂，对岩石的氧化还原特征具有指示性意义。温度和氧逸度是控制铁矿形成环境的关键因素[21]。早在20世纪60年代初，有国内外学者把Fe-Ti氧化物作为氧逸度计，并在火成岩和变质岩中得到广泛应用，如：Anderson、Carmichael、Lindsley、Stormer、Spencer和Powell等人提出并改进磁铁矿—钛铁矿共生矿物对氧逸度的计算方法[38-44]。现如今Lepage等详细的总结了前人的研究成果，并制作了相应的EXCEL计算表格，得到学者们广泛运用[25]。

本次选取邯邢地区綦村岩体中磁铁矿—钛铁矿矿物对进行成分分析(表略，备索)，利用Lepage等制作的铁钛氧化物温度—氧逸度EXCEL表格来计算形成时的温度和氧逸度，用于投图的为各种计算方法的平均值。从图5中可以看出几乎所有磁铁矿分布于MH和NNO缓冲线之间，有极个别超过MH缓冲线，都为高氧逸度岩石。前人在研究本区域铁矿成矿过程发现成矿岩体具有高镁特征，高氧逸度的成矿流体在交代富镁碳酸盐过程中产生铁质沉淀可形成磁铁矿床。因此，高氧逸度是控制成岩成矿的关键因素[43]。

MH为Fe2O3-Fe3O4缓冲剂的缓冲线；NNO为Ni-NiO缓冲剂的缓冲线；FMQ为Fe2SiO4-Fe3O4-SiO4缓冲剂的缓冲线；WM为FeO-Fe3O4缓冲剂的缓冲线；IW为Fe-FeO缓冲剂的缓冲线，IQF为Fe-SiO2-FeSiO4缓冲剂的缓冲线

对区域内7种不同岩石类型对比研究发现，斑状闪长岩具有较高的温度和氧逸度，黑云母闪长岩中的磁铁矿—钛铁矿矿物对的温度和氧逸度较前者稍低，大部分的石英二长岩、角闪闪长岩、斑状石英角闪闪长岩和辉石闪长岩中的磁铁矿—钛铁矿温度和氧逸度较前两者低。整体呈现出从斑状闪长岩—黑云母角闪闪长岩—辉石闪长岩—角闪闪长岩磁铁矿—钛铁矿的平衡温度依次降低，并且氧逸度也伴随降低的趋势。

5.3 不同岩性磁铁矿成分对比

对邯邢地区綦村岩体中不同岩性磁铁矿的化学成分进行对比研究，选取磁铁矿中的主要特征组分TiO2、V2O3、Al2O3、MnO进行协变投图(图6)。

TiO2：通过图6a可以观察到本区TiO2的含量主要集中分布在0.2～0.6wt.%，其中辉石闪长岩中TiO2的分布表现出较大的差异，分别位于0～0.2wt.%的较低区间和0.5～0.8wt.%的较高区间。Ti含量的高低对成矿温度具有一定的指示作用，表明二者可能为不同期次形成的。

图6 不同岩性磁铁矿成分对比

V2O3：根据图6b可以看出闪长岩中V2O3的含量与其他岩性相比具有较高成分特征，其次为黑云母角闪闪长岩和辉石角闪闪长玢岩，存在区间分别为0.5～0.7wt.%和0.45～0.6wt.%，辉石闪长岩样品中V2O3的含量分布相对分散，剩余其他岩性V2O3的含量主要分布在0.25～0.45wt.%之间，平均含量为0.34wt.%。

Al2O3：图6c中可以看出除个别辉石闪长岩样品外，其余岩性Al2O3的含量分布集中，区间为0～0.5wt.%之间，平均含量为0.17wt.%。

MnO：图6d中可以观察到个别斑状石英角闪闪长岩MnO含量高，其次为辉石闪长岩，对应在各个区间都有分布，彼此之间含量相差较多，剩余其他岩性和部分辉石闪长岩MnO的含量主要分布于0～0.15wt.%，平均为0.06wt.%。

综上所述，我们发现，研究样品中Ti的含量整体呈现出连续下降的趋势，说明在成矿过程中温度不断降低，可能与成矿热液运移相关，磁铁矿有从岩浆型到热液型的变化趋势；根据徐国风等对磁铁矿标性特征研究表明，TiO2、V2O3、Al2O3、MnO组分整体表现为在基性岩和超基性岩中的含量要高于碱性岩，可能与具有较高的形成温度、类质同象作用有关[31]。

6 结论

(1)根据图5投图结果表明，綦村岩体中的磁铁矿整体具有典型的副矿物型磁铁矿特征，部分样品显示出从副矿物型到矽卡岩型矿床过渡的趋势。但是在辉石闪长岩样品中有部分样品与其他样品存在明显差异，经过投图对比发现与白涧地区接触带磁铁矿具有相同成分特征，可能为成矿母岩。

(2)由于磁铁矿—钛铁矿矿物对氧逸度计算结果更接近于岩石的真实氧逸度，用于进一步研究成岩和成矿过程中氧逸度的大小，从而确定岩石的氧逸度。结果表明，温度分布区间为522.1℃～700.7℃，氧逸度区间为-21.23～-14.6。根据图6显示，几乎所有的磁铁矿分布在NNO和MH缓冲线之间，说明为高氧逸度岩石，高氧逸度的岩浆在结晶分异过程中更有利于成矿。

(3)根据不同岩性磁铁矿TiO2含量对比显示，主要分布在0.2～0.6wt.%，整体上呈现出连续变化趋势，说明成矿过程中温度不断降低，可能与成矿热液运移相关，磁铁矿有从岩浆型到热液型的变化趋势。