深度分析澳洲资源量最大的皮尔巴拉地区矿床.docx

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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位置，受季节性氧化的电化学反应在BIF母岩（阴极）的渗流带通过导电的磁铁矿层到深部反应带（阳极），硅质和碳酸盐被古元古代风化面下的靠近地表的大气降水淋滤掉。

这些M-G矿石在元古宙约80～100℃的区域变质作用/成岩作用过程中，在局部热液环境中从基质针铁矿中形成微板状赤铁矿（mplH），并从残余的针铁矿中形成MmplH矿石。

在白垩纪—古新世由于暴露和侵蚀，发生了表生富集，形成了第二期的M-G矿石，受到地下水的淋滤和侵蚀，带走了大量残余的针铁矿，留下了低磷的赤铁矿矿石，形成了Mt．Whaleback和Mt．TomPrice矿床中不含针铁矿的M-mplH矿石。

而在Paraburdoo矿床中的M-mplH—针铁矿矿石中，残余的针铁矿很常见，说明该矿床是近期才暴露出来，没有受到表生作用的改造。

但是，Goode（2012）认为，哈默斯利盆地富含针铁矿的矿体可能与中生代晚期—古近纪地表下的深层风化作用有关。

在这个模型中，微板状赤铁矿（mplH）的形成包括两个阶段，①在古元古代风化面之下靠近地表的地下水通过电化学反应使得BIF发生表生富集，形成假像赤铁矿—针铁矿，②深达5km的埋藏变质作用使得假像赤铁矿—针铁矿变成微板状赤铁矿（Harmsworthetal．，1990），并在中生代的表生作用下，使得BIF（35%TFe）变成高品位的铁矿石（＞65%TFe）。

（afterMorrisandKneeshaw，2011）

根据MorrisandKneeshaw（2011）提出的这个模式，假像赤铁矿—针铁矿是在哈默斯利群和图利克里克群沉积之后由于地下水循环形成的，并在此之后埋藏在维鲁群下部接受变质作用，从而形成微板状赤铁矿矿石。

但是，在维鲁群底部砾岩层中发现了微板状赤铁矿碎屑颗粒，使得表生模式遇到了挑战，因为没有证据表明，在图利克里克群和维鲁群沉积岩之间，有厚达5km的岩石被剥蚀掉。

相反，盆地分析表明（Powelletal．，1999），维鲁群下部与波尔吉达组和图利克里克群都是沉积在同一前陆盆地，以致一些微板状赤铁矿矿体是在奥夫萨尔米亚造山运动期间形成的。

在纽曼地区，靠近与D2同期或稍后形成的赤铁矿—石英脉，赤铁矿直接交代了含磁铁矿—石英的BIF，这说明流体运移和矿化是与奥夫萨尔米亚期构造事件同时发生的，Powell等（1999）等因此提出了同造山热液成因模式。

而Lascelles（2012a）认为，这些高品位的M-G铁矿床的铁矿石里没有指示曾经含有硅质条带，因此可能本来就不含硅质条带，所以也就不存在这些硅质条带被表生作用淋滤掉。

MorrisandKneeshaw（2012）反驳认为，Paraburdoo砾岩中的沉积针铁矿可能是最近风化形成的，而不是古元古代，并且这些砾岩甚至有可能是有矿业公司在早期填图时搞错了，而把它放在了MountMcGrath组里面。

【同造山热液模型】Powell等（1999）用同造山热液模型（synorogenichydrothermalmodel）来解释BID矿床的成因，认为富含赤铁矿的矿石不是形成于埋藏变质作用，而是由早古元古宙造山作用期间氧化的热液流体（＞200–400℃）和还原的BIF反应的结果。

他们认为，不仅哈默斯利盆地南缘的富含赤铁矿的矿石形成于大约2450～2200Ma的奥夫萨尔米亚造山运动，而且还认为M-G矿石也可能是微板状赤铁矿矿石的低温变体，并且形成在远离造山前锋。

Li等（2000）基于广泛的古地磁研究，拓展了这个模型，并提出了M-mplH矿石形成或重结晶的两个主要阶段，一个可能与奥夫萨尔米亚造山运动有关，另外一个与1800～1650Ma的阿诗伯顿造山运动（AshburtonOrogeny）有关，成矿受隆起山脉到前陆盆地驱动的盆地热流体与更冷的大气降水的混合作用控制。

【深成—表生模式】基于对哈默斯利省高品位赤铁矿床的系统研究，Taylor等（2001）提出了M-mplH矿石的深成—表生模式（hypogene-supergenemodel），认为本区铁矿床受元古代时期隆起和伸展阶段形成的正断层系统控制，赤铁矿石赋存在布鲁克曼含铁建造里，成矿是由于脉石矿物多阶段不断从主岩中迁出，致使铁在残余物中富集，并认为这些高品位铁矿的形成经历了4个主要阶段:

第1阶段是深成作用阶段，由相对还原的、低温（150～250℃）、咸的盆地热流体从BIF中带走了所有的自由Si，剩下铁氧化物、碳酸盐、镁硅酸盐和凝灰质，铁矿物的氧化状态没有发生明显改变。

第2阶段是深部大气降水循环作用阶段，大气降水向下深循环，磁铁矿—菱铁矿组合被氧化成赤铁矿—铁白云石，形成了特征的微板状赤铁矿，并且磁铁矿也转变成了假像赤铁矿。

成矿流体中温，低盐度，具有氧化性，表明很可能来自地表。

第3阶段为淋滤阶段，从BIF中带走了残余的碳酸盐脉石矿物，留下了磁铁矿—磷灰石或赤铁矿—磷灰石矿物组合，并夹有富镁的页岩条带。

第4段为表生作用阶段，与现代风化作用没有区别，但是在现在的地表下面穿透很深。

镁硅酸盐转变成高岭土残余，大大减薄了页岩条带，磷灰石被破坏，较深的风化作用又淋滤带走了Ca和P，最终产物是具有微板状结构的多孔状赤铁矿石，夹有高岭石化页岩（Tayloretal．，2001）。

根据Taylor等（2001）的研究成果，主要矿化作用的时间发生在2210～1840Ma，即在奥夫萨尔米亚造山运动之后，阿诗伯顿造山运动之前。

对于Taylor等（2001）提出的深成模式，MorrisandKneeshaw（2011）认为存在如下缺点:

①矿床通常缺少流体通道，以及与成矿有关的围岩蚀变;②需要大量的二阶铁迁移到矿床沉积场所然后氧化成三价铁再沉淀下来;③缺少成矿前的热液矿物;④在矿床中出现同时代的低温相，如重结晶的针铁矿，没有被完全淋滤或强烈变质。

从前人的研究成果中不难看出，要形成BID型铁矿，首先是要有一个含铁较高的矿源层，即BIF，其次是后期的改造，不管是变质热液、盆地卤水、大气降水还是表生作用，其实都需要流体对矿源层进行改造。

这种改造非常重要，没有改造，成矿物质不能进一步富集，也就成不了富矿。

而对一个具体的矿床来说，其流体类型有可能是多种多样的，有的是以盆地卤水为主，有的是以变质热液为主，甚至还有的是以大气降水为主，还有的是以表生作用为主，或者这几种流体都很重要，共同作用形成了BID型铁矿。

【CID矿床】从全球范围来看，除了哈萨克斯坦曾报道也发现有CID型铁矿外（MorrisandＲamanaidou，2007），其他的所有CID型铁矿都产在西澳的皮尔巴拉地区，而且皮尔巴拉地区的CID型铁矿比哈萨克斯坦的CID型铁矿规模大、品位高。

因此，可以说为CID型铁矿是皮尔巴拉地区所独有的一种铁矿床。

西澳皮尔巴拉地区CID型铁矿的资源总量预计＞70亿吨。

从1972年开始在Robe古河道上游开始开采CID型铁矿石，到2005年，开采的CID型铁矿石量占当年哈默斯利省铁矿石开采总量的40%，并且在这之后这个比例还在逐年增加（MorrisandRamanaidou，2007），可见CID型铁矿在皮尔巴拉地区的铁矿资源中占有很重要的地位。

尽管其资源总量不及BID型铁矿，但是由于其具有品位高（TFe含量＞57%）和容易开采的特点，因此每年的采矿量都很大。

在国内的相关报告和文献中尚查不到每年从澳大利亚进口的CID型铁矿的矿石量。

哈默斯利省的CID型铁矿主要产在Robe河和754地质论评2013年Marillana山谷（著名的Yandi铁矿就产于这条古河道中）的古河道中（图4）。

矿体厚度1～100m，宽度从＜1km到几km不等。

Robe古河道是最长的，其产出的CID型铁矿长度超过150km，Marillana古河道保留的CID型铁矿长度达80km（Ramanaidouetal．，2003）。

根据岩相学研究结果，MorrisandＲamanaidou（2007）将CID型矿石成分划分为似球粒（pelletoid）、球粒（peloid）、木化石和基质四部分。

①似球粒:

是一种具有内核和外壳的呈球粒状的针铁矿或赤铁矿，大小从0.25～2mm的鲕粒到2～10mm的豆粒，是矿石的主要组成部分;②球粒:

通常是由细粒的针铁矿组成，没有明显的内部结构，其粒度一般要比伴生的似球粒大一些;③木化石:

通常是指铁化的木屑，保存了木质结构;④基质:

主要是少量孔状的铁质。

【CID型铁矿】CID型铁矿具有如下特点，它们可能与矿床的成因有关（MorrisandRamanaidou，2007）:

①CID型矿床是以河道为边界的河流沉积矿床，目前仅发现于西澳和哈萨克斯坦，因此形成这种大型CID型矿床需要特殊的地质条件，如富铁的成矿物质，有利的风化条件;②西澳的CID型铁矿，几乎见不到残余的岩石结构;③CID矿床中数十亿吨的球粒与其上下覆DID矿石中的几千万吨的球粒形成了鲜明对比，这表明形成CID型铁矿需要特殊的条件;④与缺少残余的岩石结构（如BIF）和BID矿石结构相比，CID矿石中常见大量的保存完好的铁化木碎屑（图7），这说明原位的碎屑交代扮演了一种重要角色。

【CID型铁矿矿床成因】尽管哈默斯利省CID型铁矿的勘探和开采已经有40多年的历史了，但是关于CID型铁矿的成因仍然存在争议（MorrisandＲamanaidou，2007）。

主要观点有:

（1）CID型铁矿是河道中的碧玉铁质岩（jaspilite）碎屑交代与去硅化形成的（MacLeodetal．，1963）;

（2）主要是化学沉淀形成的沼铁矿（bogironore）（HarmsandMorgan，1964）;

（3）由BIF风化形成的含铁碎屑堆积的结果（Campanaetal．，1964）;

（4）沼泽中含铁沉积物和少量碎屑一起沉积的结果（Butler，1976）;

（5）河道中富铁碎屑先聚集成一个核，然后进一步沉淀铁