Fe,Co,Ni元素地球化学性质及成矿

徐林刚等，2007

陆相火山岩型---如宁芜-庐枞地区，产于下扬子晚侏罗世-早白 垩世的中酸性次火山岩中，构造上属于陆相火山断陷盆地。成 矿主要与岩石圈中偏基性富钠质闪长玢岩小侵入体有关。
林刚，许德如，2010
沉积型

是指主要与沉积作用有成因关系的铁矿床，不包括火山沉积作用。 分海相沉积型和陆相沉积型。矿石含磷较高，但含硫较低。 海相沉积型---含矿建造常位于海侵层序的底部，多属浅海-滨海相 沉积。矿层产于砂页岩，粉砂岩，页岩中。矿石矿物一般以赤铁 矿、菱铁矿为主，多呈鲕粒状、肾状。宣龙、宁乡铁矿。 陆相沉积型---形成于海陆交互相或湖相沉积环境中，形成时代以石 炭纪、二叠纪、三叠纪和侏罗纪为主，矿层多呈层状或透镜状， 规模中小型，矿石矿物为菱铁矿，赤铁矿。如綦江，华亭。
BIF的重要性
• 经济意义：是世界主要的铁矿资源之一(90%)，占我国铁 矿资源总量的60%以上。 • BIF可以反应特殊的地质构造环境 • BIF可以记录古海洋环境、古大气环境等重要的信息 • BIF大规模的消失与大氧化事件的关系
Klein, 2005
Bekker et al., 2010
BIF研究对于我国尤其重要： 国内铁矿保有资源储量不足：
菱铁矿 (FeCO3)
FeCO3 S.G. 3.96 Hardness 3.5 Color Yellowish brown, Brown, Gray, Yellowish gray, Greenish gray. Fluorescence None Magnetic No Iron 48.20 %
chemical characteristic is an anomalously high content of iron, commonly but not necessarily containing layers of chert (Klein, 2005).
• 分类一：根据构造特征：条带状（主要）和粒状（古元古主要） • 分类二：根据成岩成矿环境：Algoma, Superior和Rapitan型 • Algoma: 与海底火山作用密切相关产于太古宙绿岩带内，多发育为基性火山 岩向酸性火山岩或沉积岩的过渡区，主要矿体形成于火山作用的宁静期，规 模小； • Superior:与正常的沉积的细碎屑岩-碳酸盐岩共生，通常发育在被动大陆边 缘或克拉通盆地的浅海沉积环境，规模巨大，与火山作用没有直接联系； • Rapitan:新元古代海相沉积，与雪球事件密切相关。
绝大部分钢铁来自BIF
3.71 Ga Isua West Greenland Frei et al., 2007; Nutman et al., 2010. Algoma
West Australia Superior Hamersley 2.47 Ga. Haugaard et al. (2016)
Fe2+
Fe3+
Co的地球化学性质
Ni的地球化学性质
铁矿介绍
概述
• 铁是世界上消耗最多，最普及的一种金属，其消耗量占金
属消耗量的95%。铁矿石主要用于生铁（含碳量>2%）和 钢（含碳量<2%）。
• 有工业价值的主要含铁矿物：磁铁矿、赤铁矿、钛铁矿、
褐铁矿和菱铁矿。
• 根据铁矿资源的成因特征，分以下类型：沉积变质型
生物成因证据
光合作用
Bekker et al., 2010
BIF铁矿研究现状
1、BIF与绿岩带的关系
• 绿岩带由前寒武纪火山-沉积岩组成的表壳岩，通常由早期 的火山岩和晚期的沉积岩或火山碎屑岩组成，火山岩下部 为超基性-基性岩（常含科马提岩），上部为钙碱性火山岩 ，绿岩带主要产于古陆核之间或边缘。 • 代表性绿岩带地层序列
（“豆”您玩、“姜”您军、“蒜”您狠）
国内铁矿主要为贫矿，富矿很少（＜3%）
贫矿为主：平均品位30.62% 沉积变质型铁矿为主，占55%，主要为鞍山式 （Algoma）
BIF怎么形成
Fe(II)溶液
Fe(OH)2
Fe(III)溶液
Fe(OH)3
Fe(III)溶液 沉淀，成矿
BIF
FeOX
过渡产物
（90%，BIF）、岩浆型、接触交代-热液型、火山岩型、 沉积型和风化淋滤型，6种。
岩浆型：
产于超镁铁质岩体中，由结晶分异作用形成，如
铬铁矿矿床，如我国河南舞钢赵案庄、攀枝花铁 矿，这些超镁铁质岩既提供矿质来源，又是赋矿 的围岩。
张阔等，2016
接触交代热液型—矽卡岩型

矿体产于中性、中酸性中浅成侵入体和碳酸盐围岩接 触带的矽卡岩中。一般呈透镜状、层状或不规则状产 出，时代上以中生代为主。如，长江中下游。
毛景文等，2012
火山岩型

是指产于火山岩建造中以铁为主的矿床。分海相火山岩型和陆相火山岩型。 海相火山岩型多产于优地槽褶皱带海底火山喷发中心附近或距火山活动中心 有一定距离的火山碎屑沉积岩中，常发生强烈的矽卡岩化。如，新疆阿尔泰 蒙库铁矿，赋存于阿尔泰山南缘早泥盆世变质火山岩地层中的大型磁铁矿型 矿床。
第四周期，VIII族，变价元素，0，+2，+3价；亲铁，亲硫和亲氧。
亲铁：地核中的铁镍合金；亲硫:铁硫化物的普遍；亲氧：铁锈，二者 互为消长：还原条件下，形成Fe2+硫化物；氧化条件下形成Fe3+氧化物。 主要矿物类型：氧化物，碳酸盐，硫化物，硅酸盐。
氧化，失去电子 还原，得到电子 超基性岩：~10%，基性岩：~8%,中性岩：~4%，酸性岩：~2%。沉积岩中，黏土6.5>页岩4.7>砂 页岩3.3>砂岩0.98>碳酸盐岩0.9 陆壳中FeOT ~6.7%，原始地幔FeOT ~8.1% (TOG,2014)。
• Y具有与Ho相似的地球化学性 质，但不同的是，Ho被海水中 悬浮颗粒捕获的速度比Y快2倍 ，所以海水表现出较高的Y/Ho (44) • 通常把REE+Y放在一起研究即 REY。
(Nozake et al., 1997; Bau and Dulski, 1999)
Ce和Eu异常
• 离子半径逐渐减少: La3+ > … >Lu3+，镧系收缩。 • Ce4+ < Ce3+ ; 氧化使Ce4+增多，而Ce4+更容易被悬浮颗粒吸附，因 而，现代氧化的海水表现出明显的Ce负异常。
张连昌等， 2012
世界BIF矿床类型与绿岩带的关系
2、BIF与陆壳生长的关系
TTG
3.85Ga,世界上最 古老克拉通之一。
Zhao et al., 2005
Zhai, 2014
火成岩 侵入年龄
Baidu Nhomakorabea
BIF
沈其韩等，2005
华北克拉通陆壳演化 与BIF成矿耦合 TTG与BIF时空耦合， 内在机理？
张连昌等，2012


风化淋滤型
这类铁矿床是由不同类型的菱铁矿矿床、金属
硫化物矿床或其他富铁岩石等， 在湿热的气候 和适当的地形、构造条件下，主要通过风化淋 滤作用富集而成的氧化铁帽，主要分布于中国 南方，以褐铁矿为主，规模以矿点矿化点为主， 工业意义不大，探明资源储量占全国不足1％， 但对预测深部隐伏矿床有指示意义。
N P V Nb Ta Po
O S Cr Mo W U
F Cl Mn Tc Re Fe Ru Os Co Rh Ir Ni Pd Pt Cu Ag Au Zn Cd Hg Ga In Tl Ge Sn Pb As Sb Bi Se Te Po Br I At
Ac
亲石元素
亲 铁元素
亲铜元素
亲气 元素
Fe的地球化学性质
• Eu2+ > Eu3+，还原使Eu2+增多，离子半径增加导致Eu相对邻近元素 Sm和Gd，被悬浮颗粒吸附的减弱，而从表现Eu正异常，如MORB 蚀变过程中Eu3+还原为Eu2+，因此形成的高温热液(>200或175oC ，此温度下Eu2+稳定)具明显的Eu正异常。
(Frei and Polat, 2007; Alibo and Nozaki, 1999; Byrne and Sholkovitz, 1996; Danielson et al., 1992)
沉积变质型
前寒武纪条带状铁建造 (Banded Iron Formation, BIF)
纲要
• 什么是BIF（定义，分类…） • BIF有多重要 （经济价值，环境意义） • BIF怎么形成 （生物成因、光合作用、沉积作用） • BIF研究现状 • 随堂练习 • 延伸阅读
什么是BIF
• 形成于前寒武纪的海相化学沉积岩，由燧石（硅质层，变质后为石英）和含 铁矿物组成（铁质层，一般为铁的氧化物），呈黑白相间的条带状、条纹状 构造。 • a chemical sediment, typically thin bedded or laminated, whose principal
Fe、Co和Ni
I. Fe的地球化学性质与成矿 II.Co的地球化学性质与成矿
III.Ni的地球化学性质与成矿
戈施密特元素地球化学分类
H He Ne Ar Kr Xe Rn Li Na K Rb Cs Fr Be Mg Ca Sr Ba Ra B Al Sc Y
La
C Si Ti Zr Hf Th
截至2009年底：全国保有铁矿石量约620亿吨，约 170亿吨难利用，综合回收率50%，SFe20.02% 其可用金属铁含量=（620-170）* 50% * 20.02% =45亿吨 按生铁产量5.53亿吨 全部采用国产铁矿石的静态保障年限 =45亿吨/5.53亿吨/年=8年
不能把“钢铁产能”过剩误作“铁矿资源”过 剩，未雨绸缪，避免类似天价绿豆、生姜、大蒜事件的事件重演
Transvaal, South Africa 2.46 Ga Steinhoefel et al., (2010) Bau and Dulski (1996). Superior
Jacadigo,Brazil 0.7 Ga, Rapitan Angerer et al. (2016)
Angerer et al. (2016)
全球尺度
陆壳生长曲线
Bekker et al. (2010); Condie et al. (2010); Rasmussen et al., 2012, Nature
地壳快速生长与BIF的关系
Rasmussen et al., 2012, Nature
3、BIF对古海洋的反映 地球化学原理（温故和强调）：
BIF中主要的赋铁矿物：
磁铁矿 (Fe3O4)
Fe3O4 S.G. 5.1 - 5.2, Average = 5.15 Hardness 5.5-6 Color Grayish black, Iron black. Fluorescence None Magnetic Strong Iron 72.36%
赤铁矿 (Fe2O3)
Fe2O3 Iron 69.94% S.G. 5.3 Hardness 6.5 Color Reddish gray, Black, Blackish red. Fluorescence None Magnetic becomes magnetic after heating
• 溶解的亚铁离子与氧 气反应产生铁的氢氧 化物； • 初始沉淀 非定形或 细晶的水铁矿(Fe5O7 OH*H2O; Fe10O15*
9H2O ）。
生物成因
多种海洋生物产生氧气氧化 了海水中的Fe2+
多种微生物(细菌)通过新陈代谢直接氧化 了海水中的Fe2+
Bekker et al., 2010
• BIF具有非常低的不相容元素含 量，指示了自生成因； • 成岩后作用对BIF的REE配分影 响很小，如变质作用等； • 因此，BIF可以示踪其沉淀时海 水的REE特征。
(Bau and Dulski, 1996; Bolhar et al., 2004; Derry and Jacobsen, 1990; Frei and Polat, 2007; Planavsky et al., 2010; Huston and Logan, 2004)
BIF特别的判断 Ce异常的方法
大部分的BIFs没有表现Ce的负异常(缺氧，定义为(Ce/Ce*)SN < 0.95,且(Pr/Pr*)SN > 1.05), 下标SN代表页岩均一化，使用的页岩参考McLennan (1989))，但是， 新元古代晚期(0.7-0.6 Ga)的BIFs表现出明显的Ce负异常（氧化）；而明显的正Ce异常 则出现在2.0-1.8 Ga的BIFs中（强还原）。