深度分析澳洲资源量最大的皮尔巴拉地区矿床

深度分析澳洲资源量最大的皮尔巴拉地区矿床【皮尔巴拉地区的铁矿石】澳大利亚作为世界上铁矿石资源最为丰富的国家之一，所有的州都有铁矿床产出，但90%的铁矿石资源量和产量都来自西澳洲皮尔巴拉克拉通(Pilbaracraton)的哈默斯利省(HamersleyProvince)，澳大利亚资源量超过10亿吨的18处铁矿均产在这里，这里也是世界上主要铁矿区域之一(Jaquesetal．，2002;JairethandHuleatt，2010)，其铁矿石资源总量估计有400亿吨(MorrisandKneeshaw，2011)。近年来在西澳伊尔岗克拉通(YilagarnCraton)也发现了一些铁矿床，但是规模和品位都不及皮尔巴拉地区的铁矿。皮尔巴拉地区的铁矿以赤铁矿为主，磁铁矿很少。相比较而言，伊尔岗克拉通上铁矿石的磁铁矿含量较高，被认为是与更高级的区域变质作用有关(MorrisandKneeshaw，2011)。【三种矿床类型】皮尔巴拉地区的铁矿有三种类型，分别是:①赋存在条带状含铁建造(BandedIronFormation，BIF)中的层状铁矿床(beddedirondeposit，BID)，矿石中的矿物主要为赤铁矿和赤铁矿—针铁矿;②产在古河道中的河道型铁矿床(channelirondeposit，CID)，矿石中的矿物主要为针铁矿—赤铁矿，③主要由BID受侵蚀崩塌或冲积形成的碎屑型铁矿床(detritalirondeposit，DID)，量少，矿石中的矿物主要为赤铁矿—针铁矿(Ｒamanaidouetal．，2003;MorrisandＲamanaidou，2007)。BID型铁矿通常品位高，规模大，是本区最为重要的矿床类型，其矿床成因尚存在争论，主要有三种观点，分别是表生—变质模式、同造山的热液模式和深成—表生模式。CID型铁矿由于其规模较大和容易开采，因此在西澳的铁矿石开采中占有很重要的地位，矿石以球粒状构造和富含铁化的木屑为主要特点。关于CID型矿床的成因，争议较大，观点甚多。一些学者认为CID型矿床的形成受特定条件(包括气候、地表风化和地质背景)的控制;而有些学者则认为CID型矿床形成于一个富含有机酸的饱和地下水的加积河道内，与铁的原位溶解和再沉淀有关。矿化发生在古地下水—大气界面，因此受地下水位的控制。由于对铁矿的矿床成因没有形成统一的认识，因此对指导找矿产生了较大影响。而对DID型铁矿，尽管也是一种矿床类型，但是作为单一铁矿床产出的非常少，而且单个矿床规模小，从200～1000万吨，其资源总量大约只有5亿吨，年产量也仅有约500万吨，与皮尔巴拉地区每年2～3亿吨的铁矿石总产量相比，几乎可以忽略不计(MorrisandRamanaidou，2007)。由于DID型铁矿成因相对简单，因此也很少有文章对其专门进行论述。鉴于澳洲铁矿主要产于皮尔巴拉地区，而对铁矿床的研究也主要集中在这个地区，因此，可以说皮尔巴拉地区哈默斯利盆地铁矿床的研究现状基本上就代表了澳洲地区铁矿床的研究现状。【皮尔巴拉地质背景】西澳皮尔巴拉克拉通被认为保存了世界上最为完整的太古宙岩石(3.51～2.85Ga)，由绿岩和花岗岩组成，其上被一套含有BIF的火山—沉积岩所覆盖(Ｒasmussenetal．，2005)。这些BIF产于皮尔巴拉克拉通南部的哈默斯利盆地，它是一个长近600km，最宽处达350km的长轴呈北西西向的一个椭圆形盆地，面积大约15万km2。该盆地是由皮尔巴拉克拉通南部边缘在新太古代—古元古代时期伸展发育形成的(TylerandThorne，1990)。盆地沉积环境为海相和河流相，沉积时间大约在2775～1843Ma，主要岩性为硅质碎屑岩、BIF、白云岩、镁铁质和长英质火山岩。哈默斯利盆地中沉积的最古老地层为福特斯库群(FortescueGroup，沉积时间为2775～2600Ma)，不整合覆盖在皮尔巴拉克拉通基底岩石之上，岩性主要为基性熔岩、科马提岩、长英质火山岩、凝灰岩和泥岩，沉积厚度超过4500m。其上整合沉积的是哈默斯利群(HamersleyGroup)，主要岩性为BIF、碳酸盐岩、页岩和酸性火山岩。这套岩层是哈默斯利地区铁矿的主要赋矿层位，出露面积超过60000km2(Morris，1980)，沉积时间为2600～2450Ma(Barleyetal．，1992，1997;Trendalletal．，1998;Brownetal．，2004;MorrisandKneeshaw，2011)，沉积厚度约2400m，其中含铁建造(BIF)的沉积厚度约为1145m，约占整个地层厚度的48%。这些BIF中铁的含量大约在30%左右。哈默斯利群有3套含铁建造，BID型铁矿主要产于马拉曼巴含铁建造(MarraMambaIronFormation)和布洛克曼含铁建造(BrockmanIronFormation)中，其沉积厚度分别为230m和620m。在哈默斯利群上面的是整合沉积的图里克里克群(TureeCreekGroup，沉积时间为2450～2300Ma)，其主要岩性为页岩、砂岩、粉砂岩、砾岩和碳酸盐岩，沉积厚度大约为5000m。上述这三个群地层共同组成了布鲁斯山超群(Mt．BruceSupergroup)，沉积岩总厚度近13.5km。这套地层记录了盆地的发育从最初的裂谷到稳定的台地阶段，再到最后由于构造活动不断增强从而形成一些浅水沉积(TylerandThorne，1990)。在布鲁斯山超群上面不整合沉积了维鲁群，它记录了由陆地浅海向深水沉积的变化，构造环境从活动大陆边缘向前陆盆地的转变(TylerandThorne，1990)。哈默斯利盆地的BIF是由微晶状硅质岩和铁氧化物组成的细纹层状化学沉积物于2.60～2.45Ga沉积在一个缓慢沉降的大陆边缘(Morris，1985;Barleyetal．，1997)。沉积作用发生在一个大型的构造—岩浆事件期间，BIF中的Fe和Si是在一个或多个大型海底热液活动增强期间由富含Fe和Si的低氧海水逐渐上涌到大陆架沉淀形成的(Barleyetal．，1997)。盆地沉积学与锆石年代学研究表明，福特斯库群和哈默斯利群上部沉积速率较快，而哈默斯利群中部沉积速率相对较慢，反应早期盆地快速沉降的特点，到了后期盆地沉降速率发生较大变化。对不同岩性的沉积速率研究表明，哈默斯利群中BIF、碳酸盐和页岩的沉积速率具有较大差别，其平均沉积速率分别为:约180m/Ma、12m/Ma和5m/Ma(Trendalletal．，2004)，因此，总的来说，BIF是在盆地快速沉降期间沉积形成的。哈默斯利省的区域构造特征是北部变形弱，南部变形强。哈默斯利省北部的沉积岩地层基本未受变质，向南缓倾(倾角只有几度);靠近中部为一些走向北至北西的开阔褶皱，地层缓倾斜;靠近南部边缘，地层中等到强烈褶皱并局部倒转，是铁矿床的主要产地(Harmsworthetal．，1990;Brownetal．，2004)。区域地层大致经历了5期变形，从D1到D5(Brownetal．，2004;PowellandMartin，1996;Ronaszecki，1992)。早期变形(D1)可能与成岩作用有关，形成一些中等规模的张性构造，没有明显的地层重复或者缺失，推测发生在2450Ma之后不久(哈默斯利群沉积结束)。第二期变形为奥夫萨尔米亚造山运动(Ophthalmiaorogeny)(D2)，开始于皮尔巴拉和伊尔岗克拉通之间的南北向汇聚，发生于约2439～2209Ma之间(Trendalletal．，1998)。第三期变形(D3)持续了大约400Ma，至少包括两期事件，一期是隆起和剥蚀事件，另外一期是褶皱事件。第四期变形为卡普里考恩造山运动(Capricornorogeny)(D4)，大约发生在1700～1650Ma，是伊尔岗和皮尔巴拉克拉通斜向碰撞的结果(TylerandThorne，1990)。第五期变形，紧接着在卡普里考恩造山运动之后，区域上发生了右旋断裂和局部的褶皱(D5)。由奥夫萨尔米亚造山运动产生的区域变质作用在哈默斯利省北部的变质程度最低(葡萄石—绿纤石相)，向南变质程度逐渐增加，达到绿片岩相(Smithetal．，1982)。哈默斯利省地区岩浆活动相对较弱，出露的侵入岩主要为一些基性岩脉。另外，在新太古代—古元古代的地层中也有一些火山岩分布。【西澳皮尔巴拉地区BID型矿床】西澳皮尔巴拉地区的BID型铁矿主要产在哈默斯利盆地的南部，并且绝大多数产在布罗克曼含铁建造(BrockmanIronFormation)分布区，少量产在马拉曼巴含铁建造(MarraMambaIronFormation)分布区，与这些BIF地层关系非常密切。BID型矿床又可以进一步细分为两种不同的矿石类型:即中生代—古新世由表生作用形成的假像赤铁矿—针铁矿(martite-goethite，缩写M-G)矿石和大约2.0Ga形成的高品位的假像赤铁矿—微板状赤铁矿(martite-microplatyhematite，缩写M-mplH)矿石(MorrisandKneeshaw，2011)。表生作用形成的M-G矿石在澳大利亚以外并不常见，而MmplH矿石则是世界范围内主要的铁矿石资源。MorrisandKneeshaw(2011)总结了BID型矿床具有如下特点:①规模:单个矿床的铁矿石(品位＞64%)储量从几千吨到30亿吨，沿走向延伸可达7km甚至更多，宽达4km，通常在不到1m的范围内就可以从矿石(＞55%Fe)突变到BIF(＜30%Fe);②矿石的纯度:矿石以三价铁氧化物为主，还有少量残余的铝/硅质成分，外来成分极其罕见;③矿石的氧化状态:尽管有一些规模较小的矿床以磁铁矿为主，还有一些是磁铁矿和赤铁矿，但是世界范围内的铁矿石主要是由氧化的赤铁矿或赤铁矿—针铁矿组成。尽管它们具有氧化特征，但是通常它们都延伸到大气能够影响到的深度之下，而且浅部矿石与深部矿石在矿物组成上没有明显的区别;④地层细节的保存:矿石中常见原岩层理，从厚层理到微层理。皮尔巴拉地区典型的BID型铁矿包括:世界上最大的露天铁矿山———鲸背山(Mt.Whaleback)、汤姆普拉尔斯山(Mt．TomPrice)和帕拉伯杜-查纳(Paraburdoo-Channar)、哈默斯利(Hamersley)、西安吉拉斯(WestAngelas)、采矿区C(MiningAreaC)、吉姆布勒巴(Jimblebar)、霍普当斯(HopeDowns)、所罗门(Solomon)、迪普达尔·简(DeepdaleJ)、巴尔毛拉尔南部(BalmoralSouthern)、巴尔毛拉尔中部(BalmoralCentral)、开普兰姆伯特(CapeLambert)、帕杜(Pardoo)和圣诞小溪(ChristmasCreek)等大型铁矿床。【BID型矿床成因】最初，哈默斯利省的这些BID型铁矿床都被认为是表生成因，与古近纪的风化作用有关(Macleod，1966)。后来，由于对矿石矿物学、BIF以及整个哈默斯利省地质历史的详细研究，对这一古近纪成矿时代和表生成因结论提出了疑问，King(1989)认为是同生成因，而TylerandThorne(1990)和Powell等(1999)认为完全是深成成因，Kneeshaw(1975)认为是深成模式但是有后期的表生作用叠加。总的来说，大致有三种不同的模式来解释哈默斯利省铁矿床的成因，分别是表生—变质模式、同造山的热液模式和深成—表生模式，下面分别予以介绍。【表生—变质模式】基于对哈默斯利区域铁矿床的长期研究，Morris(1985)曾提出了一个被广泛接受的表生—变质成矿模型，建立了M-G矿石的表生模式(supergenemodel)和M-mplH矿石的表生—变质模式(supergenemetamorphicmodel)。Morris(1985)和MorrisandKneeshaw(2011)认为最初在2±0.2Ga在哈默斯利省发生了BIF的表生富集，这些M-G矿石形成于古元古代大气能够到达的