摘要
小板峪铁矿床地处五台山复向斜北翼，矿体主要赋存在新太古代五台群柏枝岩组中，是华北克拉通典型的BIF型铁矿床之一。为探讨矿区铁矿成因，本文选取了矿区内3个相邻地质钻孔为研究对象，在各钻孔中的含矿岩心段共采集了529件铁矿样品并进行了铁物相分析，统计发现影响本区样品中全铁（TFe）含量的主要含铁组分依次是碳酸铁（cFe）和磁性铁（mFe），且二者相关性系数为-0.56。对比周边矿山发现，本区碳酸铁（cFe）平均含量高于周边矿山。结合显微观察认为：小板峪铁矿的原始沉积物可能以碳酸铁 （cFe）为主，磁性铁（mFe）为其变质的产物；进而推测小板峪铁矿的沉积环境为浅海、缺氧环境中的封闭或半封闭局限盆地。研究结果有利于本区铁矿的成因分析研究，也为该区域矿山企业优化铁矿石的开采、选冶工艺和综合利用提供了参考。
Abstract
Xiaobanyu iron deposit is located in the north limb of Mount Wutai syncline, which is one of the typical BIF-type iron deposits, in the North China Craton, the ore body is mainly hosted in the Baizhi Formation of the Neoarchean Wutai Group. To explore the genesis of iron ore in the deposit, three adjacent geological drilling holes area were selected as the research objects.A total of 529 iron ore samples were collected and analyzed for iron phase, in the ore bearing core sections of each drilling hole, it was found that the main iron components affecting the total iron (TFe) content in the samples in deposit were carbonate iron (cFe) and magnetic iron (mFe), with a correlation coefficient of -0.56. Compared to the surrounding deposit, the average content of carbonate iron (cFe) in the deposit is higher. After microscopic observation, it is speculated that the original sediment of Xiaobanyu iron deposit may be mainly composed of iron carbonate (cFe), and magnetic iron (mFe) as its metamorphic product; inferred that the sedimentary environment of the Xiaobanyu iron deposit may be a confined or semi enclosed basin in a shallow sea and hypoxic environment. The results are beneficial for the analysis and research of the genesis of iron ore in this deposit, and also provide reference for optimizing the mining, beneficiation, and comprehensive utilization of iron ore for mining enterprises in this region.
Keywords
0 引言
五台山位于华北克拉通中部，主要出露新太古代五台群，是中国新太古代 BIF 型铁矿的重要成矿集中区，赋矿层位主要为新太古代五台群柏枝岩组、文溪组和金岗库组（聂维清和李生元，1996；韩仁道，2003；黄华等，2019；王凤宇和贠孟超，2019； 孙迪等，2021）。BIF型铁矿依据其产出构造背景条件划分为阿尔戈玛型（Algoma）和苏必利尔湖型 （Lake Superior）（张连昌等，2011，2020；叶胜，2021）。大多数学者认为五台山区的 BIF 型铁矿属 Algoma 型（李志红等，2010；万渝生等，2012；张连昌等， 2020），其特征是以磁铁矿（mFe）为主要有用组分，而碳酸铁（cFe）、碳酸盐相则多见于 Superior 型 BIF 的报道中（万渝生等，2012；刘利等，2014；王长乐等，2015；蒋亚松等，2023）。
小板峪矿床位于五台山区，中心地理坐标 113° 18'24″E，39°03'27″N，以往矿山地质工作均以 mFe 为重点，对除 mFe以外的其他含铁组分鲜有分析和研究。本文选取了3个相邻地质钻孔中含矿岩心段的529件铁矿样品进行铁物相分析，结果显示，小板峪铁矿 cFe 的含量大于 mFe 且明显区别于周边矿床，这与典型的Algoma型铁矿的特征不相符。
铁矿石物相分析常用于分析矿石中主要组分和伴生有益组分的赋存状态、物相种类、含量和分配率，在各勘查阶段通常选择少量代表性的样品进行分析，是分析矿床成因和采选工艺比对的重要依据。《矿产地质勘查规范铁、锰、铬》将铁矿石中的含铁矿物分为磁性铁（mFe）、碳酸铁（cFe）、硫化铁 （sfFe）、赤（褐）铁（oFe）和硅酸铁（siFe）（中华人民共和国自然资源部，2020）。mFe是 BIF型铁矿的主要有用组分，也是开采和选冶回收的重点，然而对于矿石品质多样或不均一的矿区，少量的样品通常难以代表本区铁矿石的质量，这就导致其他含铁组分常被忽略或在选矿工艺中随尾矿流失（杨晓峰等， 2021）。
基于上述背景，本文以 529 件物相分析数据为基础，统计分析了各含铁组分的相互关系，并结合 15件薄片，通过显微观测各含铁矿物之间的形态关系，推测各含铁矿物形成的先后次序，以探讨研究区铁矿的成因，具有一定的科学意义。同时，讨论了含铁矿物的含量变化与变质条件的关系，以期有利于提高铁矿资源的综合利用程度。
1 区域地质概况
华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，主要由东部陆块、西部陆块和中部造山带组成（图1a），多个微陆块在新太古代晚期至古元古代时期拼合而成（Zhao et al.，2005）。五台山地区位于华北克拉通中部（图1b），是中国太古宙条带状铁矿（BIF） 的重要成矿集中区，铁矿床分布广泛，新太古代五台群柏枝岩组赋存的铁矿层具有良好的工业规模和开采价值（孙迪等，2021）。
小板峪铁矿床位于山西省繁峙县岩头乡一带，构造上位于五台复向斜北翼的山羊坪—板峪复向斜中（图2）。总体构造格架为连续相间分布的复式褶曲，褶曲轴线方向近 EW，两翼产状南翼陡、北翼缓，局部倒转。赋矿层位为新太古代五台群柏枝岩组（W1Bz），岩性为一套绿片岩相变质的火山岩建造，主要为绿泥片岩、绢云绿泥片岩夹磁铁石英岩 （BIF）及绢云石英片岩（聂维清和李生元，1996；韩仁道，2003；孙迪等，2021），沉积厚度大于 560 m，沉积年龄为2526~2524 Ma（孙迪等，2021）。
a—华北克拉通基底构造单元划分与研究区位置；b—研究区交通图；c—研究区地质简图
2 样品采集及物相分析
2.1 样品采集
在矿区3个相邻的地质钻孔中（表1），采取了其中的含矿层位及其顶、底板控制样品共529件，基本样长 2 m，局部依地层情况增减，样长介于 1.0~2.5 m，用于物相分析。
2.2 样品加工、分析
现场采样、称重和登记后，委托中国冶金地质总局第三地质中心实验室采用系统物相分析方法进行物相分析。此外，在现场采集了15件岩心样由廊坊市诚信地质服务有限公司制作了薄片。
前人在五台山区同类 BIF 铁矿的研究认为，本区域 srFe 的含量均＜0.5%，而 siFe 又难以回收利用 （张文学，2011；刘莹，2015），鉴于此，本文选择TFe、 mFe、cFe和oFe为物相分析指标。
薄片显微观测在太原理工大学地学实验中心完成，显微镜型号为：尼康 Model Eclipse E200MV，图像采集系统为 NIKON DS-Fi 数码相机。薄片中用于标注的矿物代号参考《变质岩鉴定手册》（地质出版社，2015）附录三。
图2小板峪矿区地质图（据胡学智等，1989①修改）
1—第四系；2—第四系黄土；3—寒武系馒头组；4—寒武系张夏组；5—古元古界豆村亚群宽滩组；6—新太古界台怀亚群吐楼组；7—新太古界台怀亚群鸿门岩组；8—新太古界台怀亚群麻子山组；9—新太古界台怀亚群芦咀头组；10—新太古界石咀亚群柏枝岩组；11—新太古界石咀亚群庄旺组；12—喜山期煌斑岩；13—喜山期玄武岩；14—吕梁期辉绿岩；15—吕梁期变辉绿岩；16—五台期变辉长岩；17—五台期变超基性岩； 18—含铁石英岩（BIF）；19—正断层；20—逆断层；21—韧性剪切带；22—性质不明断层；23—推覆面；24—地层产状；25—不整合地层界线； 26—地层界线；27—村庄；28—河流；29—县界；30—公路
表1取样钻孔基本信息
3 结果及讨论
3.1 分析结果
依据物相分析结果，将所有样品数据组成一个整体，依次对样品数量、最大值、最小值、均值、极差、中位数、标准差和变异系数共7项进行了分类统计（表2）。假设以式（1）表示样品结果均值与中位数的偏离程度，则 TFe、mFe、cFe、oFe 这 4 种指标的偏离程度依次为 4.73%、11.59%、0.24%，12.68%，即 4 种指标的偏离度由大到小依次为 oFe、mFe、TFe、 cFe，其中 oFe 的中位数与均值的偏离程度最大，约为12.68%，故可认为样品的均值可以代表本区各含铁组分的特征。
各含铁组分占全铁的比重称为分布率（胡义明，2011；甘德清等，2015；张琦等，2019），同理，对样品的分布率进行了统计（表3），cFe、mFe、oFe的分布率依次为52.28%，32.37%，8.46%。
(1)
式（1）中：a—样品均值；m—样品中位数。
表2物相分析结果统计
表3mFe、cFe、oFe分布率结果统计
由表2、表3可以看出，分布率由大到小依次为 cFe、mFe、oFe，即 cFe和 mFe是影响 TFe含量变化的主要含铁组分。为了探索各组分之间的相关性关系，本文选择皮尔逊相关系数进行分析。分析发现了两对相关性密切的规律，一是 mFe 与 cFe 的相关性系数为-0.56，二是 mFe 与 TFe 的相关性系数为 0.76（图3）。
图3各含铁组分含量相关性分析矩阵图
3.2 讨论
3.2.1 关于cFe和mFe形成的先后次序
研究区 mFe 与 cFe 的相关性系数为-0.56，cFe含量大于mFe，二者分布率之和约84.65%，即cFe和 mFe 两种矿物相之间相互消长，但铁元素的总和基本保持不变，因此有必要分析 cFe 和 mFe 形成的先后次序。
矿物形态是反映矿物形成次序的途径之一，通过显微镜下观察各含铁矿物的形态和相互关系，可以推测其形成的先后次序。通过镜下观察发现，研究区菱铁矿主要分布于磁铁矿的间隙中，呈菱形和似菱形状，多为孤立单晶质（图4a、b、c）。铁白云石呈不规则状常与磁铁矿交互存在（图4f、h），可见铁白云石包裹磁铁矿现象（图4d、g），也可见被磁铁矿包裹现象（图4d、e、g），二者的先后顺序不易确定。此外还可见后期裂隙充填的方解石脉等（图4c、d、 f）。显微观测认为，菱铁矿可能早于磁铁矿；铁白云石可能是菱铁矿在受热变质条件补充分时形成的中间产物，这与已有研究相符（佟小雪等，2018，图5）。方解石条带则为后期充填所致。
关于菱铁矿的可能是BIF铁矿的原始沉积物的认识，前人已有报道。在前寒武纪强烈富铁和低硫酸盐浓度的海水条件下，BIF 中的层状菱铁矿有可能直接从水柱沉淀或在沉积物/水界面形成（Pecoits et al.，2009；王长乐等，2015；佟晓雪等，2018）。前人通过广泛的显微镜观察，认为Superior型BIF中的磁铁矿是由菱铁矿形成的（张位及，1988）；王长乐等 （2015）在袁家村条带状铁建造的研究中指出菱铁矿可能为原始沉积的产物，也可能由原始沉积的水铁矿（Fe3+）在成岩期经异化铁细菌的还原而成。谢宝增等（2021）对代县羊角沟柏枝岩组岩相学研究指出菱铁矿是BIF铁矿的原始沉积物之一。
图4研究区铁矿中碳酸盐岩矿物镜下特征
a—磁铁矿条带间的单晶质菱铁矿；b、c—石英条带间的菱铁矿；d—铁白云石与磁铁矿关系及方解石脉；e—磁铁矿包裹铁白云石；f—方解石包裹磁铁矿；g—磁铁矿包裹铁白云石；h—磁铁矿集合体和铁白云石集合体相间分布；Mag—磁铁矿；Qtz—石英；Dol—白云石；Sd—菱铁矿；Chl— 绿泥石；Cal—方解石；Cb—碳酸盐矿物；Ep—绿帘石
矿物学的研究表明，磁铁矿可能是后期成矿 （潘永信等，1998，1999；佟小雪等，2018），菱铁矿经变质分解形成磁铁矿的机制便是其中之一（图5）。菱铁矿和铁白云石是碳酸铁的常见形式，矿物学实验表明，菱铁矿在一定温压条件下（T≥300℃，P=2 MPa）经氧化形成磁铁矿（严利伟，2012）。古地磁实验也表明，当 T<250℃时，菱铁矿基本稳定无相变，当加热到T=250℃时，菱铁矿氧化生成少量磁铁矿，在 410～530℃期间迅速氧化，生成大量磁铁矿（潘永信等，1998，1999）。
那么研究区的地层在区域变质过程中是否满足上述矿物学实验的温度？柏枝岩组的变质程度以绿片岩相为主（孙迪等，2021），变质温度≥240℃ （谢宝增等，2021）。五台山变质地体的变质相和温度分析得出的变质温度约为480℃（党修鹏，1993），说明研究区地层在区域变质过程中满足矿物学实验的温度。也有研究指出：温度过高则不利于菱铁矿的保存，例如石咀亚群的变质温度为558~601℃，最后一期变质温度约为 400℃（张翊钧，1987），地层变质程度为角闪岩相，在此条件下，菱铁矿几乎完全分解成磁铁矿，故石咀亚群的 BIF 中不常见菱铁矿及碳酸盐组合（李有核，2008）。250℃约为自然界中变质作用的开始温度，若叠加时间效应，菱铁矿在自然界中分解成磁铁矿的温度可能要低一些 （潘永信等，1998，1999）。前人（聂维清和李生元， 1996；龚杰立，2014）研究发现，磁性铁相对含量与变质程度呈正相关。
综上所述，初步认为小板峪矿床中原生碳酸铁矿物的形成时间早于磁性铁矿物，推测其原生沉积矿物可能以碳酸铁矿物为主，是后期含铁矿物变质的物质基础；地层经受区域变质后，部分 cFe 经分解、氧化形成 mFe，故而 cFe 与 mFe 的呈负相关，部分 cFe 因不满足矿物转化条件而保存至今，即在绿片岩相的变质温度下，原生菱铁矿并未全部转化成磁铁矿，解释了 mFe和 cFe含量相关性系数为-0.56 的原因。因 mFe 的稳定性优于 cFe（赵珊茸等， 2011），故可解释现存的 BIF条带中 mFe与 TFe相关性系数为0.76的原因。
3.2.2 关于研究区铁矿沉积环境
碳酸铁一般是碱性环境下的还原相产物，常保存于沉积岩层和浅变质地层中（张位及，1988）。菱铁矿-铁白云石建造多与局限性海盆地有关，在封闭或半封闭局限盆地中，成矿溶液经补给、蒸发反复作用的导致Fe2+、Mg2+ 富集。常见碳酸铁的沉积顺序依次为菱铁矿、铁白云石、白云岩（夏卫华和冯志文，1983）。研究表明：原生菱铁矿形成于缺氧、富铁、低硫酸盐浓度的海水环境，反之，地层中原生菱铁矿的产出则可用于指示缺氧、铁化、低硫酸盐浓度的海水沉积环境（Berner，1981；潘永信等，1998； Romanek et al.，2009；谢宝增等，2021）。
前人在五台山区BIF铁矿方面积累了丰富的地质资料（表4），对比发现，研究区 cFe 平均含量明显高于周边矿床，但 mFe 平均含量低于周边，与研究区毗邻的峨口铁矿cFe平均含量也明显高于周边矿床，反映出研究区及周边沉积环境的特殊性。五台山区柏枝岩组的西部多发育铁碳酸盐矿物，而东部和中部多发育磁铁矿，结合Eu正异常自东向西逐渐增加的趋势，认为西部沉积环境为深部还原海水，中部和东部则为相对较浅的弱还原海水环境（孙迪等，2021）。
表4研究区及周边柏枝岩组BIF铁矿物相统计（平均值）
综上所述，研究区 cFe含量大于 mFe，且多为原生沉积，暗示铁矿的原始沉积环境可能为一处局限的海盆，并处于在缺氧环境下；原生菱铁矿等可能是原始沉积物。现存菱铁矿则说明矿层自沉积成岩开始，在后续地质演化过程中仍处于相对低温且缺氧的环境条件下，才使得菱铁矿得以保存。
4 结论
（1）小板峪铁矿的 TFe含量中 cFe含量最多，其次为mFe，再次为oFe，cFe和mFe是影响TFe含量变化的主要含铁组分。加强对研究区及周边矿山矿石质量和选冶工作的研究，有利于提高铁元素综合回收率，具有一定的经济效益。
（2）相关性分析和显微观察表明，研究区内原生 cFe 可能早于 mFe 形成，铁矿的原生沉积矿物可能以 cFe 矿物为主，mFe 可能是 cFe 氧化、分解的产物。推测小板峪铁矿的沉积环境为浅海、缺氧环境中的封闭或半封闭局限盆地。
（3）现存的菱铁矿说明矿层自沉积成岩后，在地质演化过程中处于相对低温且缺氧的环境中。
致谢 论文得到两位匿名审稿专家和编辑部老师的认真审阅，提出了严谨、中肯、细致的修改意见，使得论文的表述更加准确、条理更加清晰，在此对两位专家和编辑老师的包容和指导表示衷心感谢！
注释
① 胡学智，张振福，张世秋，赵瑞根，党修鹏，米广尧，孟兆国 .1989. 岩头、豆村测区区域地质调查报告（1∶50000）[R]. 太原: 山西省地质勘查局.
② 龚杰立 .2012. 山西省繁峙县中兴矿业发展有限责任公司大洋铁矿区资源储量核实报告[R]. 太原: 山西省地质调查院.
③ 边培华，霍志辉，郑大伟，范永红，乔旭亮，李鹏，常文，王月平，李德文，周迎新，王云章.2016. 太原钢铁（集团）有限公司矿业公司峨口铁矿资源储量核实报告[R]. 太原: 山西省地质勘查局 211地质队.
④ 宋纯利 .2011. 山西省代县厚旺铁矿有限责任公司铁矿详查地质报告[R]. 廊坊: 中国冶金地质总局第三地质勘查院.
