闽西南马坑式铁矿床成因研究及定量预测与评价

马坑铁矿是闽西南地区目前已知的最大铁矿床。自1957年被发现以来,大量学者在不同时代的研究背景和研究程度上提出了各种矿床成因观点：(1)海相沉积型：(2)海相火山沉积-热液改造型；(3)矽卡岩型。但无论马坑铁矿属于哪种成因,有一观点是一致的：矽卡岩化现象在矿床中是普遍可见的。近年来,随着马坑铁矿的开采程度的加深,多位学者通过对马坑铁矿的野外和实验室的地质现象观察以及铁矿石中磁铁矿和其他矽卡岩矿物的同位素和微量稀土元素的研究结果表明：马坑铁矿是一个矽卡岩型矿床。然而,马坑铁矿并不是典型的接触交代成因。矿区内矽卡岩化、矿化以及硅化和大理岩化一般发生在林地组砂岩和经畲组灰岩之间的层间断裂带,而似层状基性岩也侵入二者之间的层间断裂带,大洋—莒舟花岗岩又侵入到矿区两侧和底部。矽卡岩化和矿化到底是与似层状基性岩,还是与大洋—莒舟花岗岩体的侵入活动有关,仍是一个亟需解决的问题。这也是影响到马坑铁矿床成因研究以及闽西南地区马坑式铁矿找矿方向和突破的关键。充分厘清铁质来源、成岩成矿年代及成矿方式和过程是进一步研究马坑铁矿成因的关键。然而,由于测试技术手段的限制,前人工作中并没有对成矿物质来源和成矿年龄进行直接的研究,大部分成果为定性和间接研究。MC-ICP-MS测试技术的高速发展,使得对马坑铁矿成矿物质来源和成矿年龄的准确厘定成为了可能。本文以马坑铁矿矿床学研究为基础,建立了合适的矿床模型,并进一步建立了闽西南马坑式铁矿的预测模型,继而利用模糊证据权(FWofE)和随机森林(RF)方法进行了闽西南地区马坑式铁矿的综合预测,并结合现阶段已发现的矿床及详细的成矿地质背景和控矿地质条件研究,圈定了5个找矿远景区。《覆盖区矿产综合预测与示范验证》项目对其中一个A级远景区中的大排北部进行了验证示范,获取了两段共超过20米矿体,得到了较好的验证结果。本文研究主要包括以下几个方面：(1)典型矿床马坑铁矿矿床学研究通过对马坑铁矿的地质特征及典型铁矿石品位的统计,铁矿石的品位累计概率图呈—条直线,说明马坑铁矿并不是多期成矿,而是一期地质活动的产物。石榴子石和磁铁矿单矿物Sm-Nd同位素测年结果为157±15 Ma,说明了马坑铁矿的矽卡岩化和铁矿化的形成与大洋—莒舟花岗岩体的侵入(145～125 Ma)关系密切。马坑铁矿矿石中磁铁矿Sr、Nd、Pb、Fe同位素,不同蚀变程度似层状基性岩中Fe元素含量的变化,以及似层状基性岩、矽卡岩和矿石中辉石主量元素的分布特征的研究结果一致表明,马坑铁矿的成矿物质与大洋—莒舟花岗岩的物源一致。似层状基性岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果表明其形成于海西期302.0±2.9 Ma,并且经历了燕山期(145～125 Ma)大洋—莒舟花岗岩体侵入过程中的岩浆热液的剧烈改造,自身发生褪色蚀变和矽卡岩化过程中被萃取了部分铁质,为成矿提供了部分成矿物质来源(<15%)。岩浆的平均结晶温度高达850℃,高Na2O+K2O、FeOt/MgO、Ga/Al和高场强元素(HFSE)值,以及低Al2O3、Sr、Ti、Ba和Eu值,均表明大洋—莒舟花岗岩体属于典型的A型花岗岩。Nb、Y、Ga和Ce元素特征表明,大洋—莒舟花岗岩体属典型的A2花岗岩。地球化学特征表明,大洋—莒舟花岗岩体起源于古元古代华夏地块变质基底的部分熔融,并且混入了起源于下地壳拉斑玄武质岩石和(或)消减地幔的部分熔融的板块下基性岩浆。而SiO2含量、Rb/Sr、Rb/Ba比值和δEu值的高度的相似以及35℃的锆石饱和温度差,也说明了高硅的大洋—莒舟A型花岗岩岩浆形成之后发生了小规模的结晶分异作用。大洋—莒舟4型花岗岩体(145～125 Ma)处于闽西南以壳源型才溪二长花岗岩(150 Ma)和广泛发育的推覆构造为标志的晚侏罗世岩石圈挤压向以壳幔混合型四方花岗闪长岩体(108 Ma)和罗卜岭花岗闪长岩体(111-102Ma)以及沿一系列北西向的断裂带和断陷盆地内的较大规模的陆相火山喷发和侵入作用为标志的全面伸展构造环境转换的转换期。期间闽西南地区发生了大规模的非造山型中酸性岩浆侵入作用,马坑铁矿床就是在此背景下产出。(2)闽西南地区马坑式铁矿成矿规律与成矿预测模型研究通过对马坑铁矿的详细研究和闽西南地区其他铁矿床的总结,发现闽西南地区铁矿床的产出都与花岗岩关系密切,为燕山期花岗岩和石炭纪—二叠纪碎屑岩—碳酸盐岩地层的接触交代作用产出结果。在此基础上,建立了马坑式铁矿的矿床模型：花岗岩体沿北东向断裂的侵入为成矿提供了充足的热源、流体来源及绝大部分的铁质来源,花岗岩与石炭纪—二叠纪碳酸盐岩地层的接触带则会直接发生矽卡岩化和矿化作用,而花岗岩与石炭纪—二叠纪碎屑岩地层接触时,流体则沿着断裂继续运移,进入碎屑岩地层、海西期似层状基性岩(有或无)和碳酸盐岩地层之间的层间断裂,运移过程中强酸性的成矿流体萃取了海西期基性岩中的铁质(占所有铁质来源比例不高),并使海西期基性岩发生强烈的矽卡岩化,最终在合适的物理化学条件下于有利位置沉淀成矿。并进一步提出了包括矽卡岩化与矿化蚀变带、NE-NNE向断层、燕山期花岗岩体接触带、有利成矿空间位置和航磁异常带等五个要素的预测模型。(3)闽西南马坑式铁矿综合预测与示范验证基于建立的五要素预测模型,利用模糊证据权(FWofE)和随机森林法(RF)进行了闽西南马坑式(矽卡岩型)铁矿床综合预测。模糊证据权预测结果显示超过了65%(15／23)已知矿床落在了10%的预测面积里面,基本上所有矿床均落在了前30%的预测面积内。随机森林预测结果显示约10%的预测面积涵盖了几乎约100%的已知矿点。两种方法预测效果良好,可以为进一步的远景区圈定提供较好的依据。利用依次缺失某个预测图层的方法评估五个预测图层的重要性依次为：花岗岩接触带≈有利成矿空间位置>矽卡岩化与矿化蚀变带>航磁异常带≥NE-NNE向断层,其中,有利成矿空间位置的预测图层在预测过程中表现出了较强的不确定性。说明了在预测模型中有利成矿空间位置和花岗岩接触带图层最为重要,这与闽西南矽卡岩型铁矿床的成因一致,花岗岩为成矿提供了热源、绝大部分成矿物质来源和流体来源,对成矿具有决定性作用；而有利成矿空间进一步决定了矿床产出的具体位置：矽卡岩化与矿化蚀变带是直接找矿标志之一,指示了矿体的具体赋存位置；断裂和航磁异常带对于找矿也具有重要的指示意义。缺失有利成矿空间位置的图层表现出的不确定性,可能是由于区内大面积的森林覆盖造成的有利成矿空间图层信息的缺失或者地层内部的层间断裂及似层状基性岩与地层的接触带等其他有利成矿空间图层不能较好地在有利成矿空间图层上显示出来而导致的。同时,模糊证据权和随机森林两种方法的预测结果均显示出了五个证据图层全部参与预测的结果最优。说明了建立的闽西南地区马坑式铁矿预测模型的准确性,也从侧面反映了马坑铁矿属于与燕山期中酸性侵入岩相关的矽卡岩型矿床。利用基于模糊证据权方法得到的闽西南地区马坑式铁矿成矿有利度结果,并结合现阶段已发现的矿床及详细的成矿地质背景和控矿地质条件研究,共圈定了5个找矿远景区。《覆盖区矿产综合预测与示范验证》项目综合各项研究工作成果,选取了A1马坑铁矿找矿远景区中大排北部作为验证示范区进行了详细地研究工作和验证。并部署了成矿要素验证科学钻孔,成功揭露了覆盖层下经畲组和栖霞组灰岩、接触带构造与矿化、隐伏中酸性侵入岩体等成矿要素及两层共20余米矿体。