模型二 火山-沉积型铁矿床找矿模型
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一、概 述
火山 － 沉积型铁矿床是火山岩型或火山成因型铁矿的一种重要类型，它与火山喷气 － 沉积作用和热液活动密切相关。广义上讲，该类型矿床除火山喷气 － 沉积作用以外，还应包括火山喷发 － 沉积作用形成的矿床。本文主要研究由海底火山 ( 次火山) 喷发、喷气作用及热液 ( 主要是下渗的海水环流热液) 与海水、海洋沉积物相互作用后发生沉积而形成的铁矿床，亦称海相火山 － 沉积型铁矿床。该类型矿床具有规模较大、富矿较多、分布较广的特点，有着相当重要的经济意义。
从全球来看，火山 － 沉积型铁矿床的分布具有很大的不均匀性，主要集中分布于中亚、西亚一带，其中以哈萨克斯坦图尔盖、阿富汗哈吉加克、俄罗斯阿尔泰 － 萨彦、中国云南大红山等矿床最具代表性 ( 表 1) 。
表 1 世界主要火山 － 沉积型铁矿的基本特征
资料来源: 冶金工业部情报标准研究所，1977; 沈承珩等，1995
二、地 质 特 征
1. 构造背景
从大地构造位置来看，火山 － 沉积型铁矿一般局限于 ( 古) *板块和 ( 古) 大洋板块的结合带或陆间裂陷带发育的部位，陆间裂谷 － 岛弧带、褶皱带 ( 系) 或褶皱带 ( 系) 中的山间盆地，或继承式、上叠式火山盆地是火山 － 沉积型铁矿产出的主要位置，如萨彦成矿区位于加里东褶皱带，图尔盖铁矿产在主造山期后的继承式盆地内，阿尔泰和中哈萨克斯坦铁矿产于上叠式的盆地中。 ( 深)大断裂常常控制着主要构造单元的边界，并在控矿方面起着重要作用。例如，位于乌拉尔和哈萨克斯坦褶皱区之间的图尔盖凹陷，古生代褶皱基底受近 NS 向的托尔波尔、里瓦诺夫、中图尔盖、塞瓦斯托波尔等深大断裂的控制，分为近 NS 向的乌拉尔背斜东部、秋明 － 库斯坦奈向斜带、乌巴甘隆起等构造岩相带。秋明 － 库斯坦奈向斜带由西部的瓦列里雅诺夫优地槽亚带和东部的波罗夫冒地槽亚带组成。绝大部分铁矿床就产于瓦列里雅诺夫复向斜的早石炭世火山 － 沉积岩层中，构成了中部矿带( 图 1) 。
图 1 哈萨克斯坦图尔盖凹陷褶皱基底构造和矿床分布图( 引自冶金工业部情报标准研究所，1977)
火山 － 沉积型铁矿床一般分布于断裂交会处的火山喷发中心或火山 － 侵入活动中心及其附近的火山 － 沉积地层或火山 － 侵入岩 ( 次火山) 中。矿床大多直接产出于不同地质时代的火山 ( 沉积) 岩及有关侵入体中。这种火山 － 沉积岩系，一方面具有较好的岩浆分异特征，铁矿层往往产于不同岩性火山岩层的界面或换层部位，由基性向酸性过渡的火山岩系对铁矿的形成最为有利，成分单一的火山岩系则对成矿不利; 另一方面，还具有方向性线型带状分布的特征，反映地壳演化、岩浆活动受控于板块机制和裂谷作用。
2. 矿床地质
( 1) 容矿岩石
火山 － 沉积型铁矿的容矿岩石是以海相火山岩为主的火山 － 沉积岩建造，与成矿有关的火山岩主要为中基性与中酸性或偏碱性的岩石，少部分为酸性岩石，以碱性偏高、富钠为特征。例如，哈萨克斯坦图尔盖阿列申铁矿床的下盘由火山沉积岩系组成，其特点是层状构造明显并有逐渐相变。岩系的下部主要为灰岩层，上部为灰岩、沉凝灰岩和辉石 － 斜长安山玢岩的互层，岩系厚 1000m 以上; 矿床上盘则由含凝灰岩和沉凝灰岩夹层的玄武玢岩组成，厚度为 500m ( 图 2) 。
图 2 哈萨克斯坦图尔盖阿列申矿床Ⅸ—Ⅸ＇线剖面图( 引自冶金工业部情报标准研究所，1977)
火山 － 沉积型铁矿的含矿建造一般为火山 － 碳酸盐岩建造、硅质页岩建造、长英变粒岩建造、碧玉铁质岩建造等。在寒武纪以后的火山 － 沉积型铁矿中，以火山 － 碳酸盐岩建造最为常见，如甘肃镜铁山式火山 － 沉积型铁铜矿。
( 2) 矿床 ( 体) 形态与特征
火山 － 沉积型铁矿床形成于地槽发育的早期裂谷作用阶段，强烈的火山喷发、喷气活动将有用组分搬运到对成矿有利的海底盆地沉积成矿。可见，成矿物质直接与火山 － 侵入活动有关，且大多以明显而广泛的蚀变为特征。矿床成矿作用多发生在火山喷发的间歇期，火山喷发的多期次性造就了该类型矿床的多层性特征。如阿尔泰山区的铁矿层产于下伏的角斑岩、石英角斑岩与上覆的石英斑岩之间的浅海相凝灰岩、碳酸盐岩层中; 图尔盖凹陷区内大部分层状矿体都产于上、下玢岩之间的凝灰岩和沉凝灰岩层位中。
火山 － 沉积 ( 次火山) 作用形成的矿床主要分布在火山喷发中心附近，其标志是火山岩厚度大、熔岩多，常有许多粗火山碎屑岩，如火山角砾岩，甚至还有火山集块岩，有时还有次火山岩体的侵入。矿床规模往往与火山岩系的厚度成正比。一般来说，火山岩系厚度越大，矿床规模越大。矿床主要出现在喷发熔岩、火山碎屑岩、次火山岩或次火山岩与围岩 ( 次火山岩) 的接触带及其附近。
矿体层控特征明显，以层状、似层状为主，厚度由几米至几百米不等，延伸由几百米至几千米。含矿层位一般由下而上显示出还原 － 氧化环境条件的变化。矿层与围岩一般呈整合接触，但由于古海底火山地貌或构造作用的影响，也有矿层局部与底板呈不整合接触的。矿层往往发育于火山喷发沉积旋回中。例如，中国甘肃镜铁山桦树沟铁铜矿床的含矿层就位于火山喷发沉积旋回上部类复理石细碎屑岩建造的千枚岩类炭、硅、钙、铁质岩中。在含矿层位下部有菱铁矿层，上部为工业铁矿层。铁矿层与岩层同步褶皱，呈复式向斜状重复出现 7 个矿体 ( 带) ( 图 3) 。
图 3 中国镜铁山桦树沟铁铜矿区地表矿体分布略图( 引自刘华山等，1998)
( 3) 蚀变与矿化分带特征
在含矿的火山 － 沉积地层中，往往含有碳酸盐类岩石和较多的硅质类岩石，近矿岩石普遍具有明显的碱质交代特点，以钠化为主，钾化次之。例如，图尔盖矿区最大的萨尔拜矿床含矿地层为一套沿着瓦列里雅诺夫亚带分布的早石炭世火山 － 沉积岩层，系安山玢岩、凝灰岩、凝灰角砾岩、沉凝灰岩、石灰岩、砂岩、凝灰砂岩交互层 ( 图 4) 。矿区发育成矿前、成矿期和成矿后 3 个阶段的断裂，原岩蚀变也具有 3 个阶段的特征。其突出的特点是含氯的钠质方柱石———钠柱石广泛发育，说明存在强烈的交代作用。而且各类型交代岩具有分带分布规律。从侵入体 ( 次火山岩体) 接触带开始，东西向水平分带分别为: 黑云母 － 钠长石 － 方柱石交代岩; 石榴子石和辉石 － 石榴子石矽卡岩; 矽卡岩、矿石、方柱石交代岩和矿化矽卡岩相间层; 矽卡岩和方柱石 － 辉石交代岩; 辉石矽卡岩、角岩;辉石 － 斜长石角岩; 角岩化和钠长石化凝灰岩、沉凝灰岩。相应地自东往西岩石蚀变分带为钠长石化、葡萄石化和沸石化凝灰岩、沉凝灰岩，渐变为阳起石化和绿泥石化火山碎屑岩，然后是矿化带，由矿石和矿化绿帘石 － 阳起石交代岩组成，向外亦为相同的交代岩，只是没有矿化，然后是不同程度的绿帘石化、阳起石化、葡萄石化、沸石化凝灰岩和沉凝灰岩。
从国内外矿床实例来看，火山 － 沉积型铁 ( 铜) 矿床成矿背景、总体特征与黄铁矿型铜多金属矿床类似，具有相近的双层结构分带模式，只是火山 － 沉积型铁 ( 铜) 矿床上部为层状 “红矿”( 赤铁矿、磁铁矿、镜铁矿、菱铁矿) 和含铁硅质岩、碧玉岩、重晶石岩，相当于氧化物矿床; 下部为浸染状铜矿，含一定的块状 “黄矿”( 黄铁矿、黄铜矿) 及含炭质细碎屑岩 ( 含凝灰岩) ，相当于块状硫化物矿床; 中部为过渡带，硫化物矿床与氧化物矿床共存，但通常不是很明显。这种双层结构模式显然是地壳演化过程中不同构造 － 岩浆活动阶段的产物。除垂向分带外，水平方向上也呈典型分带特征，即随着与火山口距离的增加，依次出现块状硫化物矿床、硫化物与氧化物共存矿床、氧化物矿床。
图 4 哈萨克斯坦图尔盖矿区萨尔拜矿床古生代杂岩组合略图( 引自沈承珩等，1995)
( 4) 矿石矿物组合与结构构造
火山 － 沉积型铁矿的矿石矿物主要有赤铁矿、菱铁矿、镜铁矿、磁铁矿、黄铁矿、褐铁矿等。在次火山岩铁矿中，典型的矿物组合为方柱石 ( 钠长石) － 磷灰石 － 透辉石 ( 阳起石) － 磁铁矿组合。这种矿物组合具有明显的钠带入，表现为钠长石化、钠质角闪石化和钠质辉石化。方柱石的形成通常与基性次火山岩有关，磷灰石、透辉石在各类次火山岩蚀变中都能生成。
铁矿或与火山 － 沉积围岩同生沉积，或者是火山气液在有利的构造部位和岩性条件下充填交代形成的。该类矿床伴生组分较多，包括磷、钒、锰、铜、铅、锌、硫和稀土元素等。其中，锰是火山 －沉积型铁矿的主要伴生组分。例如，在阿塔苏矿区，锰矿层产于铁矿层的边部，铅锌矿层则产于铁矿层以上的部位。
矿石结构主要为半自形粒状结构、叶片状结构，也偶见残余鲕状结构; 构造以条带状、条纹状最为常见，次为块状构造、浸染状构造及角砾状构造。
( 5) 成矿时代
火山 － 沉积型铁矿产出的时代从元古宙到新生代均有，但主要是古生代以后。如表 1 所示，除中国大红山、镜铁山火山 － 沉积型铁 ( 铜) 矿床产于元古宙以外，其他典型矿床均产于古生代，且以泥盆纪—石炭纪最为集中。
三、矿床成因和找矿标志
1. 矿床成因
火山 － 沉积型铁矿床成因模式主要有两种: 一种是火山喷发沉积作用成矿; 另一种是次火山岩作用成矿，即由早期的火山沉积成矿与晚期的次火山岩成矿共同作用形成矿体。前者形成的矿体产在接近火山活动中心或稍远的地方，铁质可有一定的搬运距离，含矿岩系为火山 － 沉积岩系。矿床一般具有沉积矿床的地质特征，规模以大型为主，矿床中贫矿、富矿体均有产出，但以富矿居多。后者与次火山岩作用有关，热液交代和充填作用明显，并伴有强烈的蚀变，因而矿床兼有火山沉积型和交代型两种特征。
火山喷发沉积作用成矿模式: 一般认为，火山喷发 ( 喷气) 沉积及其带来的热力驱动海水对流是该模式成矿的主要成因机制 ( 图 5) 。其主要表现为 “内生外成 ( 沉) ”，即成矿物质是由火山作用从地球深部带来的，而矿体或矿石则是通过沉积 ( 主要是化学沉积) 作用在海底富集而形成的; 含矿流体经历了从封闭环境向开放环境突然变化的过程，矿石形成于物理化学条件突变的部位，这种部位以裂陷拉张的构造背景最为常见。火山作用不仅是促进含矿流体运移的重要因素，而且还可造成高热流环境。强大的地热异常可以促进下渗海水的对流循环，海水在对流循环过程中不但可以从海底岩层中淋滤出金属，使其本身变为成矿溶液，而且可以从下伏岩层中淋滤出硫，海水本身携带的硫酸盐也可被深部还原物质还原为 H2S、HS－或 S2 －，为成矿物质的迁移和沉积创造条件。当这种富金属元素和硫的高盐度热液流体在热力驱动下上升至水 － 岩界面时，由于压力迅速降低和浅部循环水混合，热液系统的物理化学条件发生了根本性的变化。热液沉淀导致大量成矿物质堆积，从而在火山喷发 －沉积岩层下部形成细脉浸染状铜矿石，在火山 － 沉积岩层上部形成层状或条带状贱金属或铁矿石，从而形成典型的双层结构模式。在这种火山喷发沉积作用成矿过程中，海底同生断裂控制着垒堑式海槽延伸和火山沉积盆地的展布，以及成矿热流体的来源和就位机制。矿床围绕着火山活动中心、火山机构和喷气口呈较为规律性的分布。
图 5 火山 － 沉积型铁矿成矿模式图( 引自裴荣富，1995)
在后期地质作用过程中，有的矿床会经历一系列次火山岩作用引起的热液交代和充填作用，从而使得矿床呈现出火山沉积与交代的两种特征，即次火山岩作用成矿模式。同时，成矿后的剥蚀和表生氧化作用也会引起矿床浅部矿石矿物的一些变化。
此外，关于火山 － 沉积型矿床形成的有利时机，普遍认为该类型矿床主要与火山活动后期的喷气 － 热液作用有关，火山活动的间歇期和火山活动性质发生变化 ( 如从基性转化为酸性) 的时期，对火山 － 沉积型矿床的形成特别有利。
2. 找矿标志
( 1) 区域地质找矿标志
1) ( 古) *板块和 ( 古) 大洋板块结合带或陆间裂陷带是火山 － 沉积型铁矿发育的有利构造环境，如陆间裂谷 －岛弧带、褶皱带 ( 系) 或褶皱带 ( 系) 中的山间盆地、继承式或上叠式火山盆地等。
2) 区域性大断裂及其交会处是火山 － 沉积型铁矿成矿的重要场所。
( 2) 局部地质找矿标志
1) 火山喷发中心或火山 － 侵入活动中心及其附近的火山沉积地层或火山 － 侵入岩，是火山 － 沉积型铁矿成矿的有利部位。
2) ( 层状氧化物型) 铁矿和 ( 块状硫化物型) 铜矿的共 ( 伴) 生特性是该类型矿床的重要找矿标志，即在火山 － 沉积型铁铜矿床分布区，可以根据 “上铁下铜”双层结构模式和可能存在的 “近( 火山口) 铜远 ( 火山口) 铁”的成矿模式，互找铁、铜矿床。
( 3) 含矿层位找矿标志
1) 厚度大、分异好、高碱富钠的火山岩系有利于成大矿、富矿，尤其是火山 － 碳酸盐岩建造岩系。
2) 火山喷发熔岩、碎屑岩、次火山岩或次火山岩与围岩的接触带及其附近是矿床重要的产出层位标志。
3) 基性、中基性、中性、中酸性、酸性火山岩都可以成矿，但岩性发生变化 ( 如从基性向酸性分异) 的界面或换层部位是有利的成矿标志层位。
4) 矿层附近往往有铁矿化的先兆，如俄罗斯康多姆矿带沙雷姆矿床铁矿层下盘的凝灰岩中见有浸染状的赤铁矿，岩石呈玫瑰色调 ( 图 6) 。
( 4) 蚀变与矿化找矿标志
1) 在铁矿层、铜矿层构成的双层结构模式中，含铁硅质岩、红碧玉、重晶石岩石为最重要的含矿层位标志，而硅化、绢云母化、绿泥石化、碳酸盐化、重晶石化与黄铁矿化是重要的矿化标志。
2) 后期铁矿的次生蚀变可能会形成褐铁矿化标志，如果伴生硫化物，局部可能还会出现黄钾铁矾、石膏化。
3) 铁铜矿体和铜矿体可能形成次生铁锰帽和黄钾铁矾、孔雀石、蓝铜矿、石膏等组成的彩色带。
4) 孔雀石、褐铁矿化与黄铁矿、黄铜矿组合出现是寻找火山 － 沉积型铁铜矿体最为直接可靠的标志。
5) 蚀变岩常具有明显的分带现象，CaO、Na2O 含量向矿体方向明显降低，而 K2O、MgO 含量一般会增高。
6) 具有明显的金属矿化分带。除了 Fe、Cu “双层结构模式” 外，Fe 与主要伴生元素 Mn 常常分离并呈带状分布，其在垂直向上或水平向外表现得尤为明显，如在底部矿体中，锰含量普遍较低，上部矿体中普遍高。
( 5) 地球物理找矿标志
与其他类型的铁矿床一样，火山 － 沉积型铁矿通常有较高的重、磁异常。物探方法中重、磁方法最为有效。
图 6 俄罗斯阿尔泰山区康多姆矿带沙雷姆矿床ⅩⅡ线剖面( 引自冶金工业部情报标准研究所，1977)
尽管有些火山岩具有弱磁性，但与磁铁矿相比仍有差异。国内外很多火山 － 沉积型铁矿床就是利用磁法找到的。例如，1959 年航空磁测发现了云南大红山铁铜矿最高超过 500nT 的磁异常，异常范围达 300km2，异常区出露变质火山岩，当时推断是由中酸性侵入体引起的，实际却是一个大型铁矿。该航磁异常由*异常叠加而成，其中二、*异常为矿异常，一级异常由火山岩引起 ( 图 7) 。此外，也可利用磁法、重力和航空地质等方法来研究火山机构。
图 7 中国云南大红山铁铜矿床 C—C'综合剖面图( 引自刘士毅，2007)
有些火山 － 沉积型铁矿在近地表条件下可能形成，或由于氧化，常呈赤铁矿床或假像赤铁矿出现，如俄罗斯阿尔泰山区赤铁矿床等。对于此类矿床，重力测量最为有效。
( 6) 地球化学找矿标志
1) 轴向分带标志: 火山 － 沉积型铁矿床常具有明显的地球化学轴向分带特征。例如，魏民等( 1998) 采用了标准化丰度法得出不同标高的元素标准化丰度和元素组合，将云南大红山铁铜矿床的原生晕分为前缘带、矿上带和矿中带。前缘带典型元素组合为 Na － Ti － Zn － Pb，矿上带为 K － Ba，矿中带为 Fe － Cu － Ag － Au － Co － Cr ( 图 8) 。
图 8 中国云南大红山铁铜矿地球化学轴向分带模型( 引自魏民等，1998)
2) 水平分带标志: 在水平方向上也可能呈现出地球化学分带特征。如表 2 所示，在云南大红山铁铜矿床中，外带的典型元素组合为 Cu － Ni 和 Na － Ti，而内带正好相反，其典型元素组合为 Pb －Zn、Cr － Co － Fe 及 Au － Ag。
表 2 中国云南大红山矿区地球化学水平分带元素丰度对比
资料来源: 魏民等，1998
表中单位: Fe、Na、K 含量为%，Au 为 10－ 9，其余为 10－ 6。
3) 含矿层元素组合标志: 含矿层位中 Cu、Pb、Zn、Au、Hg、Sb、As、Bi、Ce、Ba、S 等元素组合是火山 － 沉积型铁铜矿床的重要找矿标志。
