Question

模型四 层状型铬铁矿矿床找矿模型

Answer 1

一、概 述

层状型铬铁矿矿床是铬铁矿的一种席状堆积体，主要产于呈层状的超镁铁质—镁铁质侵入体中。与豆荚状型铬铁矿矿床相比，层状型铬铁矿矿床的规模和储量都要大得多，是世界上最主要的铬铁矿矿床类型。

据美国地质调查局统计，世界铬铁矿资源量超过 120 ×108t，但全球分布极不均匀，集中分布于非洲南部、中亚等地区。中亚一带以豆荚状型铬铁矿矿床为主; 非洲南部则以盛产层状型铬铁矿矿床而闻名 ( 图 1) ，这里分布有世界著名的南非布什维尔德 ( Bushveld) 和津巴布韦大岩墙 ( Great Dyke) 层状型铬铁矿矿床。据统计，仅这两个大型层状型铬铁矿矿床就占据了世界铬铁矿矿石总储量的 81%，总储量基础的 93%。此外，世界上重要的层状型铬铁矿矿床还有美国蒙大拿州的斯蒂尔沃特 ( Stillwater) 、巴 西 巴 伊 亚 州 的 坎 普 福 莫 苏 ( Campo Formoso) 、印 度 奥 里 萨 邦 的 苏 金 达( Sukinda) 、芬兰的凯米 ( Kemi) 、马达加斯加的安德里亚梅纳 ( Andriamena) 等矿床 ( 表 1) 。

图 1 非洲构造格架和铬铁矿矿田分布图( 据 C. W. Stowe，1987 修编)

表 1 世界主要层状型铬铁矿矿床

* 因塞卢奎铬铁矿矿床兼有层状型和豆荚状型铬铁矿矿床的特征，近年来有研究者将其划归为新的铬铁矿矿床类型，并命名为“太古宙科马提岩容矿的铬铁矿矿床”。

层状型铬铁矿矿床虽然占世界铬铁矿矿石储量的 98% 以上，但从目前的产量来看，豆荚状型铬铁矿矿床约占世界铬铁矿产量的 55% 以上，层状型铬铁矿产量相对要少一些。津巴布韦是世界上唯一同时开采层状和豆荚状型铬铁矿的国家。中国铬铁矿资源贫乏，尤其是层状型铬铁矿资源，至今国内还没有发现大型层状型铬铁矿资源。

二、地 质 特 征

1. 构造背景

层状型铬铁矿矿床一般位于稳定克拉通内部或其边缘，特别是位于太古宙克拉通内部或其边缘地区。从全球范围来看，地球上的几个古老的大陆克拉通: 南非罗得西亚 － 卡普瓦尔地盾、北欧波罗的地盾、北美地台、南美圣弗朗西斯科地盾、印度地盾等都有层状杂岩体和层状型铬铁矿矿床 ( 田)的分布。其中，南非罗得西亚 － 卡普瓦尔地盾是层状型铬铁矿省的典型例子 ( 图 1) 。在几百平方千米范围内分布有 4 个大型层状型铬铁矿矿田———舒鲁圭 ( Shurugwi) 绿岩带中的塞卢奎 ( Selukwe)铬铁矿矿床、马沙巴杂岩体中的铬铁矿矿床、大岩墙中的铬铁矿矿床和布什维尔德杂岩体中的铬铁矿矿床，说明这些地盾下面的上地幔可能是富铬的，在早期地壳较薄、地热梯度较高、放射性热量集中的条件下，有利于富铬的上地幔发生高度局部熔融作用以形成含铬的绿岩带和层状杂岩体。

此外，具有张性特征的大陆裂谷是矿床形成的一种重要环境。早期大陆裂谷作用和扩张作用使得壳下镁铁质—超镁铁质岩浆有可能沿着扩张轴侵位到上地壳。大岩墙地区的重力资料表明，深部有一个高密度的岩浆通道向下延至上地幔附近，说明大岩墙杂岩体是沿着裂谷型地堑构造侵位和结晶形成的。有证据表明，布什维尔德杂岩体也形成于张性的裂谷构造环境。

2. 矿床地质

( 1) 容矿岩石与侵入体

层状型铬铁矿矿床主要与陆壳下岩浆房内结晶的深成镁铁质—超镁铁质岩石有关，矿床的容矿岩石为斜长岩 ( 西格陵兰杂岩体) 、斜长岩 － 苏长岩 － 辉石岩 ( 布什维尔德上矿组) 、辉石岩 ( 布什维尔德中矿组和大岩墙上矿组) 、斜辉辉橄岩 － 纯橄岩 ( 布什维尔德下矿组、大岩墙下矿组、斯蒂尔沃特矿床、凯米矿床和马斯考克斯矿层) 。铬铁矿矿层呈层状分布于容矿岩石中，铬铁矿矿层及其围岩的成分随层位有明显的变化，从下向上，Si、Ca、Al、Fe、Ti 含量增加，Mg、Cr、Ni 含量减少，显示岩浆结晶作用向富 Ca、Fe 成分演化。

层状型铬铁矿矿床的赋矿岩层主要为杂岩相岩体，如布什维尔德的关键带、大岩墙的过渡带和斯蒂尔沃特的橄榄岩单元。这些杂岩相岩体的岩石特征是岩石在垂直方向上变化频繁，并具有多旋回的特点，但每个岩体含铬铁矿的杂岩相是不同的。总的来说，铬铁矿矿层分布在基性程度最高或者较高的岩相中; 而在这些含矿岩相中，层状岩体的矿层多位于中部和上部，而不是在底部或底板围岩附近( 图 2) 。

图 2 美国斯蒂尔沃特、津巴布韦大岩墙、加拿大马斯考克斯侵入体旋回中铬铁矿矿层位示意图( 引自 J. M. Duke，1988)

层状型铬铁矿矿床的容矿侵入体主要发育在克拉通内部的岩层中。根据形态特征，侵入体可分为两大类。一类是以水平席状产出的板状侵入体，其火成岩层与底板岩石呈整合接触，如斯蒂尔沃特、凯米、伯德河矿床; 另一类是漏斗状侵入体，火成岩层以低角度向侵入体中心倾斜，如马斯考克斯、布什维尔德矿床、大岩墙 ( 图 3) 。

( 2) 矿体形态特征

层状型铬铁矿矿床一般由横向连续的富铬铁矿矿层组成，它们均赋存于层状杂岩体内，呈层状，具有一定层位和多层旋回性 ( 图2) 。矿层与基性/超基性的硅酸盐岩层 ( 如纯橄榄岩、橄榄岩、辉石岩等) 发生物质交换，具有厚度薄、走向和横向延伸非常稳定等特点。块状铬铁矿的单矿层厚度从不到 1cm 到大于 1m，变化幅度较大，但其横向延伸数千米，乃至数万米。这些矿层一般产出于太古宙基性—超基性层状侵入体的基底部分，如南非的布什维尔德杂岩体。矿体可能由单个的铬铁岩层或者是一系列空间上间隔分布的含浸染状铬铁矿的超镁铁质岩层组成。例如，芬兰凯米铬铁矿矿床最大的埃里札尔费 ( Elijarvi) 矿层长约 670m，最大厚度 90m，矿层顶、底板的围岩均为含滑石碳酸盐岩，矿层与顶板围岩均为层状构造 ( 图 4) 。

含矿的层状杂岩体大致可分为两大岩石系列，即下部超镁铁质岩系和上部镁铁质岩系。例如，布什维尔德杂岩体包括一套层状火山岩层序，可分为边缘带、下部带、关键带、主带及上部带。层序下部主要为超镁铁质，以古铜辉石岩和方辉橄榄岩为特征，如下部带、关键带的下部亚带。在关键带底部，方辉橄榄岩中的后堆积斜长石含量明显增加。在关键带的上部亚带底部，斜长石大量堆积，其上覆盖镁铁质的层状序列，包括苏长岩、斜长岩、辉长 － 苏长岩及少量的辉长岩、辉石岩。在上部带的底部出现堆积的磁铁矿 ( 图 5) 。

图 3 津巴布韦大岩墙杂岩体剖面( 据 C. W. Stowe，1987; 沈承珩等，1995，修编)

图 4 芬兰凯米矿床埃里札尔费矿体平面图 ( 上) 和剖面图 ( 下)( 引自沈承珩等，1995)

通常，层状型铬铁矿矿床具有相同的层序: 下部是具有韵律旋回的纯橄岩 － 斜辉辉橄岩 － 斜方辉石岩带，向上是以古铜辉石岩为主的岩带，紧接着是具有条带状构造的由苏长岩、辉长岩和斜长岩组成的关键带，以含越来越多的斜长石为特征。层序顶部是辉长岩 － 苏长岩带。整个层序的趋势是向上Mg / ( Mg + Fe2 +) 比值变小，但在各个岩带中可出现局部的相反变化趋势。铬铁矿矿层一般都位于每个层序旋回的开始层位 ( 图 2) ，铬铁矿既可能在下部橄榄岩带中与橄榄石一起结晶沉淀，如大岩墙杂岩体; 也可能在古铜辉石岩带中与斜方辉石共生，如布什维尔德中、下矿组; 或者在关键带中与斜长石一起结晶，如布什维尔德上矿组。

图 5 南非布什维尔德杂岩体层序分组及其主要特征( 引自 J. M. Duke，1988)

( 3) 矿石矿物组合与结构构造

铬铁岩是层状型铬铁矿矿床主要的含矿岩石，一般由 50% ～95% 以上的细粒 ( 0. 2mm 左右) 堆积铬铁矿及其空隙中发育的橄榄石、斜方辉石、斜长石、单斜辉石或这些矿物的蚀变产物组成。

矿石多由细粒自形铬尖晶石晶体组成，晶体呈网状排列，周围是堆积的橄榄石、辉石或斜长石。按照脉石矿物成分可将其分为 3 种矿石类型: 富橄榄石型矿石、富斜方辉石型矿石和富斜长石型矿石。矿石化学成分具有明显的富铁特点，铬与铁含量呈负相关关系，矿石的镁、铝含量较低。在垂直层序剖面上铬铁矿的地球化学总趋势是镁、铬组分富集在早期的下部层位内，铁、铝富集在晚期的上部层位内。

层状型铬铁矿矿床的矿石矿物组合通常为铬铁矿 ± 钛铁矿 ± 磁铁矿 + 磁黄铁矿 ± 镍黄铁矿 ± 黄铜矿 ± 铂族元素矿物。共生矿床包括铜镍硫化物矿床、铂族金属矿床、钒钛磁铁矿矿床等。

矿石一般具有堆晶结构、浸染状 － 块状构造，且不同岩石中产出的铬铁矿矿石结构不一。例如，超镁铁质堆积杂岩中的浸染状铬铁矿矿石在颗粒形态和大小上类似于层状侵入体，而构造岩中的浸染状铬铁矿矿石则呈较大、拉长状的结构。块状铬铁矿矿石多呈粗粒结构、颗粒相互紧扣。

( 4) 成矿时代

层状铬铁矿矿床主要形成于前寒武纪，但也可能晚至第三纪。具有经济意义的大型、超大型层状型铬铁矿矿床一般形成于新太古代—古元古代时期。这一时期地球的演化特点是地壳厚度较薄，地热梯度高，放射性热量集中，上地幔局部熔融程度高。这些条件都有利于形成大型层状基性—超基性杂岩，从而为形成大型、超大型层状型铬铁矿矿床提供充分的物质来源。例如，美国的斯蒂尔沃特杂岩( 27 亿年) 、津巴布韦的大岩墙 ( 25 亿年) 、南非的布什维尔德杂岩 ( 22 亿年) 和芬兰的凯米杂岩( 22 亿年) 都是这一地史时期形成的著名的含铬层状杂岩体。此外，这一时期形成的含铬层状杂岩体还有巴西的坎普福莫苏、印度奥里萨邦的苏金达杂岩体等。

三、矿床成因和找矿标志

1. 矿床成因

关于层状型铬铁矿矿床成因的假说很多，主要有岩浆混合假说、重力分异假说等。岩浆混合假说认为，岩浆物理、化学条件的变化 ( 包括压力、氧逸度、基性成分等) 导致岩浆变得富铬，甚至达到铬的超饱和，从而使得铬铁矿在岩浆房底部的单一矿化层内结晶并堆积成矿，形成层状型铬铁矿矿床。其中，最为典型的是 T. N. Irvine ( 1975，1977) 在研究南非布什维尔德层状杂岩体以后提出的两种类型岩浆发生混合作用形成层状型铬铁矿矿床的假说。该研究认为，原始的超基性岩浆与已经演化的超基性岩浆之间发生混合作用，可以形成伴生有橄榄石的铬铁矿矿层，但对于厚度相对较大且伴生着斜方辉石的铬铁矿矿层或伴生着斜方辉石和斜长石的铬铁矿矿层，则需要两种完全不同成分的岩浆混合才能形成。这两种不同成分的岩浆分别为超基性岩浆和斜长岩质岩浆，前者结晶顺序为橄榄石 －斜方辉石 － 斜长石 － 单斜辉石，后者结晶顺序为斜长石 － 橄榄石 － 单斜辉石 － 斜方辉石。重力分异假说认为，层状型铬铁矿矿床与层状镁铁质—超镁铁质岩体的形成密切相关。对于层状镁铁质—超镁铁质岩体而言，其母岩浆为拉斑玄武岩浆，层状岩体在稳定克拉通内由液态的岩浆发生重力分异而形成。这种重力分异作用的结果，是岩浆房下部为密度较大的纯橄岩岩浆带，向上过渡为纯橄岩 － 斜辉辉橄岩混杂岩浆带，再向上为辉石岩乃至辉长岩岩浆带。液态重力分异作用产生了纯橄岩、斜辉辉橄岩、辉长岩等局部岩浆。由于层状岩体在形成期间没有受到区域应力的影响，重力效应起了主导性的作用，因而形成了层状、韵律旋回的特征。

R. Voordouw 等 ( 2009) 认为，南非布什维尔德层状型铬铁矿矿床在形成过程中大致经历了 3 个阶段 ( 图 6) : 第一个阶段 ( 图 6b①) ，铬铁矿晶族在构造圈闭中发生堆积作用 ( i 代表了 Cr 饱和镁铁质熔体存留于构造圈闭中; ii 表示铬铁矿通过与长英质熔体混合发生沉淀和堆积作用; iii 表示 Cr饱和镁铁质熔体再次补充进入构造圈闭中，开始新一轮的铬铁矿堆积作用) ; 在第二阶段 ( 图6b②) ，铬铁矿晶族发生二次活化作用 ( iv 表示铬铁矿堆积于构造圈闭中; v 表示硅质熔体发生分流，促使铬铁矿晶族向上运移; vi 表示铬铁矿晶族向上运移) ; 第三阶段 ( 图 6b③) ，铬铁矿晶族沿着 Rusten-burg 层状岩套的岩性接触带就位，从而形成铬铁矿矿层。

2. 找矿标志

( 1) 区域地质找矿标志

1) 稳定的、古老的太古宙地核和再活化的太古宙地壳是层状镁铁质—超镁铁质岩系赋存的大地构造背景。这些层状杂岩体大都沿着地壳的大型线状构造分布，可利用区域重力、磁法测量发现和圈定 ( 厚) 盖层以下的大型层状杂岩体。

图 6 铬铁矿矿层形成模型示意图( 引自 R. Voordouw 等，2009)

2) 地盾区内活化的太古宙基底中可能存在构造前的层状基性、超基性杂岩变形解体后的残留部分，可利用此标志追索其余部分。

3) 前寒武纪古老绿岩带多发育于太古宙地盾区，变质作用强烈，其中的超镁铁质岩系常有铬铁矿化，有的赋存一定规模的铬铁矿矿床，如舒鲁圭绿岩带中的塞卢奎铬铁矿矿床。

( 2) 局部地质找矿标志

1) 层状杂岩体内铬铁矿矿层一般赋存在超镁铁质岩系的纯橄岩、橄榄岩和层状辉石 － 钙长石带中。布什维尔德杂岩体中的 14 个矿层产于关键带内，矿层围岩有斜辉橄榄岩、古铜辉石岩和苏长 －斜长岩。大岩墙杂岩体中的 11 个矿层产于下部超镁铁质岩系的纯橄岩、斜辉橄榄岩和古铜辉石岩中，而凯米杂岩体中的 6 个主要矿层全部产于下部的纯橄岩中。

2) 在较大的层状杂岩体内部，背形挠曲和底板凹陷部位对岩系的沉积顺序和铬铁矿矿层的厚度具有控制作用。

3) 层状型铬铁矿矿化一般与斜辉辉橄岩 － 斜方辉石岩 － 苏长岩建造的层状侵入体有成因关系，矿化赋存部位通常为下部 ( 底部) 带或过渡 ( 关键) 带，其岩石学组成以超基性岩和长石类岩石( 斜长岩) 为主，辉长岩罕见。

4) 对于不同的韵律旋回类型，如纯橄岩 － 铬铁岩 － 古铜辉石岩旋回、古铜辉石岩 － 铬铁岩 － 斜长岩旋回、纯橄岩 － 铬铁岩 － 斜辉辉橄岩旋回，矿化一般位于不同成分岩石的接触带中或层状杂岩体岩性旋回单元底部。

5) 对于结构简单的矿带，铬铁岩层一般产于纯橄岩和斜辉辉橄岩 ( 如大岩墙) 、辉石岩或斜长岩中 ( 如布什维尔德) 。

( 3) 岩石学找矿标志

1) 矿层及其围岩的成分从下到上，Si、Ca、Al、Fe、Ti 含量增加，而 Mg、Cr、Ni 含量减少，岩浆结晶作用具有向富 Ca、Fe 成分演化的特征。

2) 矿石化学成分具有明显的富铁特征，矿石的镁、铝含量较低。在垂直层序的剖面上，镁、铬组分通常富集在早期的下部层位内，而铁、铝则富集于晚期的上部层位中。

( 4) 地球物理找矿标志

由于层状杂岩体大都沿着地壳的大型线性构造分布，通常显示为重力低值异常和磁、电高值异常，可利用区域重力和磁法测量探测并圈定深部大型层状杂岩体。

( 周 平)