摘要
卫宁北山地区现已发现诸多铁矿床，本文选取11处分布于卫宁北山不同地理位置的具有相同地质特征的铁矿床进行地球化学特征研究，以期确定其成矿物质来源。研究区铁矿床赋矿围岩为石炭系前黑山组、臭牛沟组、靖远组及羊虎沟组地层。矿石主量元素Al2O3、K2O和P2O5平均含量为4.06%、0.56%、0.08%，且 SiO2/Al2O3＜5，K2O＞Na2O。铁矿石、赋矿围岩与围岩中铁质结核稀土元素球粒陨石标准化配分图总体上呈现出轻稀土相对富集，重稀土相对亏损，铈、铕异常基本一致，且稀土配分曲线变化整体一致，说明铁矿石的形成与赋矿围岩和铁质结核有相关性。铁矿石 Co/Ni比值平均 0.32，Zr平均含量 83.18×10-6 ，Sc平均含量 11.28×10-6 ，Th 平均含量 5.92×10-6 ，Ti 含量为 0.01%～0.08%，变化范围很小且稳定；Y/Ho 平均值 27.55；Sr/Ba平均值0.88。地球化学特征总体显示出研究区铁矿床成矿物质来源于陆源，是经后期热液活动富集，在构造破碎带中发生物理化学条件变化，赋存在构造变形的扩容空间。同时也说明成矿物质与岩浆岩或岩浆热液关系甚远并且后期热液活动提供的成矿物质也极为有限，并未改变成矿物质具有较为典型的陆源特征的特点。
Abstract
Many iron deposits have been found in Weining Beishan area. In this paper, 11 iron deposits with the same geological characteristics distributed in different geographical locations of Weining Beishan area are selected to study their geochemical characteristics in order to determine their mineral sources. The surrounding rocks of the iron deposits in the study area are Carboniferous Qianheishan Formation, Chouniugou Formation, Jingyuan Formation and Yanghugou Formation. The average content of main elements Al2O3, K2O and P2O5 is 4.06%, 0.56% and 0.08%, and SiO2/Al2O3<5, K2O>Na2O. On the whole, the standardized chondrite partition map of rare earth elements in iron ore, ore-endowed surrounding rock and surrounding rock shows relative enrichment of light rare earth elements, relative loss of heavy rare earth elements, and the anomaly of cerium and europium is basically the same, and the change of rare earth partition curve is consistent, indicating that the formation of iron ore is related to the ore-endowed surrounding rock and iron nodules. The average Co/Ni ratio of iron ore is 0.32; Zr content averaged 83.18×10-6 ; Sc content averaged 11.28×10-6 ; Th content averaged 5.92×10-6 ; the content of Ti is 0.01%-0.08%, and the variation range is small and stable. Y/Ho mean 27.55; the average Sr/Ba value is 0.88. The geochemical characteristics generally show that the ore-forming materials of the iron ore deposits in the study area come from terrigenous sources, are enriched by late hydrothermal activities, have changed physical and chemical conditions in the structural fracture zone, and exist in the expansion space of structural deformation. At the same time, it also shows that the ore-forming materials are very far related to magmatic rocks or magmatic hydrothermal, and the ore-forming materials provided by late hydrothermal activities are very limited, which does not change the characteristics of the ore-forming materials with more typical terrigenous characteristics.
0 引言
宁夏卫宁北山地处三大构造单元交汇部位，横跨华北陆块鄂尔多斯陆块西缘、阿拉善陆块南缘及北祁连造山带北缘（图1），特殊的构造叠加环境造就了区内复杂的地质演化条件与优越的多金属成矿潜力，是宁夏地区金属矿产勘查与成矿理论研究的核心区域。区域地质勘查工作起步较早，历经数十年勘查攻关，陆续发现照壁山铁矿、金场子金矿、二人山铅锌矿、大铜沟铜矿等一系列铁、金、铅、银、铜金属矿床，展现出良好的区域成矿前景。长期以来，国内众多学者针对该区铁矿及多金属矿床的成矿物质来源开展了大量研究，目前学界主要形成 3 种主流观点：（1）泥盆系、石炭系两套地层是区内多金属成矿物质的主要供给源（徐国风，1988；李文渊，2006；刘志坚，2013；吴文忠等，2013；杨合群， 2017；海连富，2023）；（2）二人山—黄石坡沟—金场子一线出露的闪长玢岩脉与区域多金属成矿作用联系密切，岩浆活动为成矿提供了关键物质基础 （刘勇等，2010；杨军宁等，2011①；艾宁，2014；海连富和母彩霞，2016；李净等，2018）；（3）针对区内铁矿床提出复合成矿认知，认为成矿物质兼具地层沉积供给与后期构造热液叠加改造的双重贡献（徐广平等，2011；仲佳鑫等，2018）。
基于当前学界关于成矿物质来源的争议，本文以区内铁矿床为核心研究对象，系统采集卫宁北山 11处铁矿床的矿石及赋矿围岩样品，通过精细的地球化学测试与分析，深入剖析铁矿成矿物质来源机制，旨在厘清区域铁矿成矿规律，为该区成矿理论完善及后续矿产勘查工作提供科学依据。
1 地质背景
研究区大地构造归属阿拉善微陆块—腾格里早古生代增生楔—卫宁北山—香山晚古生代前陆上叠盆地之卫宁北山褶断带。早古生代，研究区处于大陆斜坡沉积构造环境，沉积形成以次深海斜坡相陆源碎屑、泥质沉积物为主的香山群浊积岩系，经加里东构造运动褶皱隆升成陆，构成区域晚古生代沉积建造的基底。泥盆纪区域盆地环境由山间盆地转化为大型内陆坳陷盆地，广泛沉积紫红色河湖相碎屑岩建造（中宁组），并以不整合形式覆盖于古老基底之上；早石炭世盆地发生伸展改造，在泥盆纪前陆盆地基础上发育上叠盆地，沉积一套滨浅海—澙湖相陆源碎屑岩与碳酸盐岩组合（前黑山组），与上覆、下伏地层多呈平行不整合或整合接触；后续持续稳定的浅海沉积作用形成臭牛沟组地层，晚石炭世逐步演变为滨海沼泽、海陆交互相环境，依次沉积靖远组碎屑岩及羊虎沟组含煤地层，地层接触关系复杂且相变特征明显。区内二叠系—三叠系以陆相间歇沉积为主，整体地层保存残缺。三叠纪末印支运动以近南北向挤压构造作用为主，塑造了区内近东西向展布的褶皱、断裂系统，构建了研究区基础构造格架；燕山运动早期继承并改造了先期构造形态，以近东西向挤压作用为核心，造成中、新生界与下伏老地层广泛不整合接触，同时伴随强烈的中酸性岩浆侵入活动，形成区内广泛分布的闪长玢岩脉。喜马拉雅运动对本区改造作用较弱，以区域性整体抬升为主要特征（宁夏回族自治区地质调查院，2017）。研究区区域矿产地质特征如图2所示。
图2卫宁北山地区铁矿地质矿产图
1—第四系；2—干河沟组；3—彰恩堡组；4—清水营组；5—庙山湖组；6—羊虎沟组；7—靖远组；8—臭牛狗组；9—前黑山组；10—中宁组；11— 狼嘴子组；12—闪长玢岩；13—地质界线；14—断层；15—铁矿床（点）；16—本文调查采样铁矿床（点）
2 铁矿床地质特征
本文调查的铁矿床虽然处于卫宁北山不同地理位置，但地质特征高度一致。故将其进行统一对比研究，具体地质特征如表1所示。
2.1 赋矿地
石炭系地层是研究区铁矿最重要的赋矿层位，上石炭统、下石炭统地层中都存在一定数量的铁矿床（点）。前黑山组（C1q）主要由石英质砾岩、石英砂岩、粉砂岩、灰岩、白云岩及石膏等组成；臭牛沟组 （C1c1）主要由石英砂岩、泥岩、页岩和灰岩组成；靖远组（C1-2j）主要由石英砂岩、粉砂岩（图3a、g）、泥岩、页岩、泥灰岩、生物碎屑灰岩组成；羊虎沟组 （C2y）岩性以灰—深灰色粉砂质页岩、黑色页岩、灰、浅褐灰、浅黄灰色薄—中厚层细粒长石石英砂岩、石英砂岩为主（图3j~l），夹少量深灰色透镜状（含生物碎屑）灰岩、灰色粉砂岩及浅黄色粉砂质泥岩。
2.2 控矿构造
本研究铁矿主要受断层、层间裂隙、围岩节理、层理等构造控制。矿体的就位方式与控矿构造关系紧密，脉状矿体受断裂、裂隙或层间破碎带控制，层状、似层状矿体受层间破碎带、层间裂隙等控制。其中规模较大的热液型铁矿主要赋存断层、破碎带中。受层间裂隙、围岩节理、层理和裂隙控制的独立矿点规模普遍较小。
2.3 矿体特征
本研究铁矿矿体主要呈规模不等的脉状、透镜状、囊状、板状以及层状、似层状等形式产出，脉状矿体受断裂控制，有膨胀、收缩、分支复合、尖灭再现或尖灭侧现的现象；透镜状矿体主要为一些小矿体或者为受到构造控制的小矿体；层状、似层状、扁豆状等矿体主要受层间破碎带控制。
2.4 矿石特征
卫宁北山铁矿矿石矿物组合特征受成矿作用及风化程度控制差异明显，深部原生矿石主要含铁矿物为赤铁矿、菱铁矿，伴生少量黄铁矿，脉石矿物以石英、方解石、白云石为主，次为长石、绢云母及泥质成分；浅部氧化带矿石以针铁矿、水针铁矿组成的褐铁矿为绝对主体，多完全交代原生菱铁矿、赤铁矿并保留矿物假象，断裂构造发育地段可见微量黄铜矿、辉铜矿等金属矿物（图3a~l；表1）。
表1铁矿床地质特征一览
图3卫宁北山地区岩矿石标本及镜下照片
a—撅屁山脉状铁矿体野外露头；b—撅屁山铁矿石；c—撅屁山铁矿石，纤铁矿与针铁矿密切共生成的连晶状褐铁矿（Lm），少量为赤铁矿 （Hem）（反射光）；d—二人山脉状铁矿体野外露头；e—二人山铁矿石；f—二人山铁矿石，纤铁矿（Lep）与针铁矿（Gt）密切共生成的连晶状褐铁矿（反射光）；g—新照壁山脉状铁矿体野外露头；h—新照壁山铁矿石；i—新照壁山铁矿石，赤铁矿（Hem）与褐铁矿（Lm）密切伴生（反射光）；j— 干沟脉状铁矿体野外露头；k—干沟石炭系石英砂岩；l—干沟石炭系石英砂岩显微照片（正交偏光）
3 实验测试方法及样品描述
本研究样品分别采集于11个铁矿床地表露头，每个矿床均对铁矿石及赋矿围岩样品进行采集，采样矿床位置如图1所示。样品全岩的主量元素、微量元素和稀土元素在广州澳实矿物实验室完成。
挑选新鲜的全岩样品烘干，一次鄂破至<1~2 mm，缩分250~300 g做正样，无污染钵振动碾磨至约200目。
主量元素采用 X射线荧光光谱仪（型号：PANalytical PW5400）和电子天平（LOI）（型号：Sartorius CP64）进行测定。称取2份试样，一份试样中加入含硝酸锂的硼酸锂-硝酸锂熔融助熔剂，充分混合后，高温熔融。熔融物倒入铂金模子形成扁平玻璃片后，再用 X 射线荧光光谱仪分析。同时另一份试样放入马弗炉中，于1000℃灼烧。冷却后称重。样品加热前后的重量差即是烧失量。烧失量的结果和 XRF测得的元素氧化物结果相加，就是本方法的加和“total”。各项元素的检出限均为0.01%。
微量元素试样用高氯酸、硝酸、氢氟酸和盐酸消解后，用稀盐酸定容，再用电感耦合等离子发射光谱（型号：Agilent 5110）进行分析，若Bi/Hg/Mo/Ag/ W 较高，需要做相应稀释，再用电感耦合等离子体质谱（型号：Agilent 7900）分析。元素之间的光谱干扰得到矫正后，即是最后的分析结果。各元素检出限 Rb：0.1 μg/g，K：0.01%，Ba：10 μg/g，Th：0.2 μg/g， U：0.1 μg/g，Nb：0.1 μg/g，La：0.5 μg/g，Ce：0.01 μg/g， Sr：0.2 μg/g，Nd：0.1 μg/g，P：10 μg/g，Zr：0.5 μg/g，Hf： 0.1 μg/g，Sm：0.03 μg/g，Ti：0.005%，Y：0.1 μg/g，Yb： 0.03 μg/g，Lu：0.01 μg/g。
稀土元素采用熔融法电感耦合等离子体质谱 （型号：Agilent 7900）测定。往试样中加入硼酸锂 （LiBO2/Li2B4O7）熔剂，混合均匀，在熔炉中于 1025℃ 熔融。待熔融液冷却后，用硝酸、盐酸和氢氟酸消解并定容，然后用等离子体质谱仪分析。各元素检出限La：0.1 μg/g，Ce：0.1 μg/g，Pr：0.02 μg/g，Nd：0.1 μg/g， Sm：0.03 μg/g，Eu：0.02 μg/g，Gd：0.05 μg/g，Tb：0.01 μg/g， Dy：0.05 μg/g，Ho：0.01 μg/g，Er：0.03 μg/g，Tm：0.01 μg/g， Yb：0.03 μg/g，Lu：0.01 μg/g，Y：0.1 μg/g。
4 分析结果
4.1 主量元素测试结果
对卫宁北山地区各铁矿 33 件样品进行了主量元素分析，分析结果如表2所示。卫宁北山铁矿石 TFe2O3 含量为 23.32%～78.77%，平均值 56.37%； SiO2 含量为 6.80%～56.60%，平均值 22.84%；Al2O3 含量为 1.58%～9.75%，平均值 4.06%；CaO 含量为 0.03%～30.5%，平均值 5.19%；MgO 含量为 0.06%～1.48%，平均值0.43%；TiO2含量为0.03%～0.38%，平均值 0.17%。综上，卫宁北山地区铁矿石主要由 TFe2O3和SiO2组成，其他组分含量较低。
表2卫宁北山地区铁矿石及围岩主量（%）元素成分
4.2 稀土元素测试结果
稀土元素由于化学性质稳定，在沉积作用或变质作用过程中很少分异，能够有效地指示地质作用过程、物源区特征、大地构造背景以及指示元素在变质之前的成岩环境成等，是一种难得的“示踪剂” （赵振华，1997；韩吟文，2002）。卫宁北山地区11件铁矿石样品、2件铁质结核样品及和 20件赋矿碎屑岩围岩样品列于表3中，该标准化数据采用 Sun and McDonough（1989），经球粒陨石标准化后的 REE 配分曲线如图4所示。卫宁北山铁矿石稀土元素总量 ΣREE为 27.60×10-6~245.62×10-6，平均为 107.86×10-6。 LREE/HREE 为 0.73~6.42，平均为 3.44。LaN/YbN 值为 0.48~8.90，平均为 3.91。矿石稀土元素球粒陨石标准化配分图总体上呈现出轻稀土相对富集，重稀土相对亏损。Ce/Ce*=0.79~1.10，平均为 0.97，具有弱的Ce正异常。Eu/Eu*=0.56~2.68，平均为0.93，具有弱的 Eu 负异常。而赋矿碎屑岩及其中的铁质结核的稀土元素总量 ΣREE 为 21.39×10-6~654.65×10-6，平均 179.63×10-6；LREE/HREE 为 0.41~19.68，平均为 9.90；LaN/YbN值为 0.37~45.31，平均为 12.68。矿石稀土元素球粒陨石标准化配分图总体上呈现出轻稀土相对富集，重稀土相对亏损。Ce/Ce*=0.47~1.19，平均为 0.65，具有弱的 Ce 正异常。Eu/Eu*= 0.88~1.06，平均为0.99，具有弱的Eu负异常。
4.3 微量元素测试结果
研究区铁矿石和赋矿围岩的微量元素分析结果如表3所示，其经原始地幔标准化后的微量元素蛛网图见图5。矿区石炭系泥岩、石炭系和泥盆系砂岩、铁矿石的微量元素配分模式基本一致，大离子亲石元素（LILE）Rb、Ba相对富集，K、Sr明显负异常。高场强元素（HFSE）Th、U、Zr、Hf相对富集，Ti、 Nb明显负异常。
5 讨论
5.1 矿床成因及成矿物质来源
卫宁北山地区本文研究的铁矿床矿体均为脉状、网脉状、似层状等，且受构造和层间破碎带控制明显，具有较为典型的热液型矿床特征。
研究区铁矿石 Al2O3含量 1.58%～9.75%，平均 4.06%；K2O 含量 0.03%～1.30%，平均 0.56%；P2O5含量0.03%～0.18%，平均0.08%。铁矿石SiO2/Al2O3值中除 1 个样品为极高值外（WCL02 样品 SiO2含量可能受石英脉干扰），剩余 10 个矿区中 9 个 SiO2/Al2O3 值＜5，11 个矿区中 9 个矿区样品中 K2O 含量大于 Na2O。Ti含量为0.01%～0.08%，变化范围很小且稳定。通过对比，这些特征与陆源沉积型铁矿较为相似，该类型矿床铁矿石通常富 Al2O3、K2O 和 P2O5， Al2O3、K2O 和 P2O5 的含量分别为 4.07%、0.6%～1.34% 和 0.46%，且 SiO2/Al2O3＜5，K2O＞Na2O。此外，Ti 在陆源沉积型矿床中往往具有稳定的低值，在热液沉积型铁矿中则变化较大（陈述荣等，1985； 王守伦等，1993）。但研究区铁矿床地质特征显然不具有沉积矿床的特征，这说明该地区铁矿成矿物质来源为陆源，是经后期热液活动富集，在构造破碎带中发生物理化学条件变化，赋存在构造变形的扩容空间。同时也说明成矿物质与岩浆岩或岩浆热液关系甚远并且后期热液活动提供的成矿物质也极为有限，并未改变成矿物质具有较为典型的陆源特征的特点。这一点通过研究区铁矿石 Co/Ni比值为 0.12～0.60，平均 0.32也可得到印证，通常热卤水沉积物的Co/Ni比值约为2.5，而正常沉积物中Co/ Ni比值则为0.5左右（王守伦等，1993）。
表3卫宁北山地区铁矿石及围岩微量稀土元素（10-6）成分
续表3
续表3
研究区铁矿床围岩以石炭系泥岩和砂岩为主，仅二人山多金属矿围岩有泥盆系砂岩。除了 JPS02 和 XZBS02 以外，所有的铁矿石样品和赋矿围岩及围岩中铁质结核的铈、铕异常基本一致。矿石稀土元素配分曲线变化与围岩中铁质结核、赋矿围岩稀土配分曲线变化整体一致，说明铁矿石的形成与赋矿围岩和铁质结核有相关性。Zr、Sc和Th等微量元素经常被用来作为陆源碎屑物质的指示（Calvert and Pedersen，1993；Tribovillard et al.，1994；Hild and Brumsack，1998；Boing et al.，2004；薛伟等，2025；王令全等，2025）。研究区铁矿石 Zr 含量 20×10-6~160×10-6，平均 83.18×10-6；Sc 为 3.9×10-6~22.4×10-6，平均 11.28×10-6；Th 为 3.64×10-6~12.5×10-6，平均 5.92×10-6。结合矿床地质特征，可以认为成矿物质 （铁质）来源于陆源碎屑物质，这与上面主量元素的分析相吻合。
稀土元素中 Y3+ 和 Ho3+ 具有相近的离子半径而被认为具有相近的地球化学行为，但由于表层络合能力的不同，使得Ho从海水中沉淀的速率比Y约高 2 倍，Y/Ho 的比值成为区别海相和非海相沉积环境的有用指标（Nozaki et al.，1997）。研究区铁矿石 Y/ Ho 变化范围为 20.63～31.36，平均值 27.55；石炭系围岩的Y/Ho变化范围为26.16～32.36，平均值28.3； 石炭系砂岩和泥岩中所含铁质结核的 Y/Ho 分别为 32.36和 27.76。研究表明，球粒陨石的 Y/Ho比值为 26～28，上地壳岩石和陆源沉积物的Y/Ho比值与球粒陨石相似，现代海水的 Y/Ho 比值为 44～74（Bau and Dulski，1996）。岩矿石中Sr/Ba值能够反映源区信息，一般认为火山岩和海相沉积物的Sr/Ba值＞1，陆源沉积岩的 Sr/Ba 值＜1（王益友等，1979；张士和李国胜，1989；沈其韩等，2009，2011）。研究区铁矿石 Sr/Ba 值为 0.10～3.65，平均 1.13。但去除 BTJ02 号样的3.65异常高值外，其余10个矿区的样品均值为0.88。说明卫宁北山铁矿石具有明显陆源沉积物特征，而与海水的关系不大。
综合上述主量元素Al2O3、K2O、P2O5含量特征和 SiO2/Al2O3比值特征，结合稀土元素 Y/Ho比值特征、铁矿石与赋矿围岩和铁质结核稀土配分曲线整体的一致性，以及微量元素Zr、Sc、Th、Ti含量特征、Co/ Ni、Sr/Ba 比值特征综合判断，卫宁北山地区铁矿成矿物质来源为陆源特征明显，与海水、热卤水、岩浆岩或岩浆热液无明显的相关性。
5.2 成矿环境
卫宁北山地区石炭纪位于祁连海沉积区东北部，整个祁连海东缘为鄂尔多斯古陆，由寒武纪、奥陶纪海相地层组成；北缘为阿拉善古陆，由震旦纪、前震旦纪古老变质岩组成；南缘为陇西古陆，由前震旦纪和震旦纪变质岩组成。早石炭世三大古陆连为一体构成蚀源区，但从空间位置判断卫宁北山地区主要沉积物应来自于鄂尔多斯古陆和阿拉善古陆。将研究区石炭系砂岩样品投入（La/Y）-（Sc/ Cr）图解和（Ti/Zr）-（La/Sc）图解，显示出样品主要落在被动大陆边缘，反映了古老物源的特征（图6），与上述认识相符。前人将整个祁连海划分为 11 个沉积亚相，其中在淡化潟湖亚相和潟湖沼泽亚中均发育有菱铁矿和黄铁矿结核（阎存凤等，2008），而研究区该时期内沉积亚相与其相符，在前黑山组、臭牛沟组、靖远组地层中均发现铁质结核（宁夏回族自治区地质调查院，2017）。说明该时期沉积的陆源型铁质为后期热液型铁矿的形成提供了直接物质来源。这与上述该地区铁矿床地球化学特征高度一致。
图6研究区石炭系砂岩样品La/Y-Sc/Cr图解（a）和Ti/Zr-La/Sc图解（b）
A—大洋岛弧；B—大陆岛弧；C—活动大陆边缘；D—被动大陆边缘
6 结论
（1）将研究区铁矿石 Al2O3、K2O、P2O5、Na2O 含量、SiO2/Al2O3比值和Ti元素含量等参数与陆源沉积型铁矿做对比，具有较高的一致性。但结合矿床的地质特征判断，研究区铁矿床不具有沉积型矿床的特征，说明研究区铁矿床成矿物质来源为陆源，从而使上述元素具有一定陆源沉积型铁矿的特征。
（2）研究区铁矿石和赋矿围岩的稀土元素特征较为相近，均为相对富集轻稀土，具有一致的 Eu 弱负异常和Ce弱正异常，稀土元素配分模式曲线较一致，表明它们有相同的构造背景及相似的成因机制。另外Zr、Sc和Th等微量元素也指示成矿物质来源于陆源碎屑物质。
（3）研究区铁矿石和赋矿围岩的特征比值Y/Ho 显示出陆源沉积物特征，结合铁矿石Sr/Ba值。说明卫宁北山铁矿石和围岩具有明显陆源沉积物特征，而与海水的关系不大。
（4）卫宁北山地区铁矿成矿物质来源为陆源特征明显，与海水、热卤水、岩浆岩或岩浆热液无明显的相关性。这说明该地区铁矿成矿物质来源为陆源，是经后期热液活动富集，在构造破碎带中发生物理化学条件变化，赋存在构造变形的扩容空间。同时也说明成矿物质与岩浆岩或岩浆热液关系甚远并且后期热液活动提供的成矿物质也极为有限，并未改变成矿物质具有较为典型的陆源特征的特点。
（5）卫宁北山地区铁矿床成矿物质主要来自于陆源，为滨浅海相、潟湖相及滨海沼泽相沉积的铁质物质。
注释
① 杨军宁，魏民，孙志鹏 .2011. 宁夏中卫市卫宁北山金场子金矿外围及深部多金属矿预查地质报告[R]. 银川：宁夏回族自治区地质调查院.
