一、矿床概况
1.矿床名称
甘肃肃南桦树沟（镜铁山）铁-重晶石矿床。
2.地理位置及中心点经纬度坐标
矿区位于肃南县城290°方向，直距55km，交通方便。地理坐标为东经98°03′00″，北纬39°22′22″。
3.矿床类型、矿种、资源储量、规模、品位、勘查程度、开发情况
矿床类型为火山-沉积型重晶石矿床，此矿床的特征之一是重晶石与铁矿共生，矿石由菱铁矿、镜铁矿、碧玉、重晶石和铁白云石组成。该矿床为大型伴生矿床，BaSO4平均含量37.95%。
4.所属Ⅲ，Ⅳ级成矿区带，区域成矿条件
ⅢBa-7 北祁连成矿带（Ⅲ-21）。
矿床位于北祁连西段加里东褶皱带中西部桦树沟-班赛尔山复背斜中，构造演化阶段为晚元古代陆缘裂陷槽。
5.区域成矿条件
华北板块西南缘，古元古代大陆于吕梁运动后发生裂解，形成长城纪裂谷、微洋盆（朱龙关群）及蓟县纪裂陷盆地，属于较远离火山岩中心的盆地，含Cu，Fe硅泥质建造的海相火山-沉积岩区。
二、矿床地质特征
1.矿区地质特征
矿体产于中元古界蓟县系镜铁山群陆源碎屑岩夹碳酸盐岩建造中，岩石组合为：绢云绿泥千枚岩、杂色千枚岩，石英岩夹硅质大理岩、绢英千枚岩、炭质千枚岩夹大理岩透镜体，钙质千枚岩夹不纯大理岩。矿石类型组合为菱铁矿-镜铁矿-重晶石，矿体呈层状。
蓟县纪断陷海盆边缘同生断裂活动加巨，海盆不断坳陷引发热卤水喷流沉积成矿。铁-重晶石矿床赋存在桦树沟-黑沟复式向斜中。
矿体呈厚层状，似层状局部有分叉，总体呈北西西向展布，主体构成闭合的向斜构造，两翼次一小褶皱发育。
2.矿床特征
（1）矿体特征
含矿岩系以千枚岩为主，有黑色千枚岩、灰绿色千枚岩、钙质千枚岩、黑色炭质千枚岩和石英岩等。主要矿层产于黑色千枚岩和灰绿色千枚岩之间，矿层厚10～150m，呈厚层状，与围岩产状一致（图6-1）。共划分为七个矿体，矿体最长＞2000m，斜深几十米至2000m。
（2）矿石特征
A.矿石矿物成分
该区重晶石矿与铁矿伴生，矿石矿物主要由镜铁矿和石英（碧玉）组成，次要矿物有赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿、重晶石、铁白云石、方解石、绿泥石、褐铁矿、黄铁矿、黄铜矿、孔雀石、钠长石、电气石、绢云母等。
图6-1 桦树沟铁-重晶石矿床北矿带东段矿石类型平面图
（据李文炎等，1991）
1—第四纪浮土；2—断层；3—菱铁矿石；4—混合矿石；5—镜铁矿石；6—铁质千枚岩；7—重晶石夹层
B.矿石结构构造
该区矿石的结构主要为半自形粒状结构、叶片状结构，偶尔残余鲕状结构。构造以层纹-条带状构造最为常见，次为块状构造、浸染状构造和角砾状构造。
C.矿石类型
该区重晶石矿与铁矿伴生，主要有以下几种类型：
夹于铁矿层中的重晶石透镜体 分布于铁矿体的上盘，BaSO4含量＞90%，常斜交地层层理，与围岩界线不明显，长80～100m，厚10m。目前仅发现两处，规模小。
铁矿石中的重晶石条带 重晶石与镜铁矿、碧玉，铁白云石组成互层的条带状混合矿石，是矿区内重晶石的主要赋存形式。重晶石白色条带宽一般为0.5～1mm，最宽2mm，延深几十厘米，消而复现。BaO平均含量2%～10%。自上而下，BaO含量逐渐降低。
重晶石以细-微粒状混杂在菱铁矿或镜铁矿之间，肉眼不易见到。
矿区铁矿石中BaO的平均含量为4.81%（换算成BaSO4为7.32%）。由上述重晶石的赋有状况和含量，决定了只能是综合利用回收，无单独开采价值。经从铁矿石磁选尾矿中回收重晶石的实验结果：原矿品位（BaO）为9.13%～15.63%，精矿品位（BaSO4）为94.91%～96.11%，相对密度4.249。基本符合钻井级重晶石粉的要求，用钡精矿试制医用BaSO4产品，也获得成功。
3.围岩
赋矿围岩主要为炭质千枚岩、灰绿色千枚岩和铁碧玉岩，岩石均不同程度的发生了破碎及热液蚀变。含矿热液与铝硅酸类矿物发生化学反应产生绢云母化，炭质千枚岩蚀变为石墨（炭质）石英绢云母千枚岩，灰绿色千枚岩和钙质千枚岩蚀变为碳酸盐化石英绢云母千枚岩。蚀变带的宽窄往往与其中矿体的厚度呈正相关，围岩蚀变越强，蚀变厚度越大的部位，矿化程度就越好。
三、矿床成因与成矿模式
1.成矿物质来源
本矿床的成矿物质来源涉及成矿金属元素、成矿流体、碧玉及重晶石的来源。现从以下几个方面进行探讨分析。
成矿流体的来源 对镜铁矿、碧玉、菱铁矿及石英的氢、氧同位素研究，本铁矿床以岩浆水或深源流体为主，有少量下渗海水的混入。
硫的来源 矿石中重晶石的δ34S值分布范围为19.7‰～33.6‰，平均为29.1‰，显示出非常高的δ34S值，是典型的海水硫酸盐建造，表明“镜铁山式”矿床形成于开放盆地中，这种盆地与开放海之间海水能自由交换。当含金属溶液与海水混合时，沉积环境ƒO2和pH值迅速变化，从而使硫化物的δ34S值变化于9.32‰～16.7‰，平均13.3‰，千枚岩中黄铁矿δ34S变化于8.1‰～14.0‰，平均12‰，判断其硫的来源以海水硫酸盐还原硫为主，但有幔源硫加入。
碳的来源 矿石中菱铁矿、白云石的δ13C值主要集中于5.4‰～8.7‰范围内，表明成矿流体中的碳以深源为主，也有少量来源于海相沉积。
成矿金属来源 镜铁山铁矿中铁和钡等金属物质堆积的形成，需要具备长期而又稳定的矿源。鉴于镜铁山群覆于朱龙关群中的中基性、超基性岩极为发育，在其火山碎屑沉积岩中有以硅质岩、铁白云石、磁铁矿相间发育为特征的铁矿化。根据铅同位素分析，条带状铁建造中黄铁矿单矿物的铅均属正常铅，且同位素组成变化范围较小（206Pb/204Pb=16.755～17.177，207Pb/204Pb=15.428～15.443，208Pb/204Pb=36.305～36.722）。表明铅的来源较为单一。在正常铅构造模式图上，样品投点主要集中于造山与地幔区间，与朱龙关基性火山岩的全岩投影点比较接近，由此可以推断含铜条带状铁建造的铅为深部来源铅，应与中元古界朱龙关群基性火山岩的关系较为密切。因此，镜铁山群下伏的朱龙关群中铁含量非常丰富，可以通过海底热液循环系统将朱龙关群中的成矿金属搬运到海底，沉积于铁矿层之下千枚岩之中，镜铁山铁矿床下伏千枚岩中Fe2O3+FeO含量可达10%以上，最高可达23.6%，在热液循环过程中形成成矿金属的重要来源。
2.成矿物理化学条件
（1）成矿温度与压力
大柳沟铁矿床中石英的均一温度集中于280～360℃之间。镜铁山铁矿和碧玉的成矿平均温度为400℃。综合上述数据，推断其成矿温度为300～350℃。成矿压力的计算值为5～170mPa。
（2）成矿流体的盐度与密度
通过流体包裹体测定，成矿流体以NaCl-H2O低盐度体系为主，盐度范围集中于3.2%～6.7%。成矿流体密度值为0.71～0.98 g/cm3，为中低密度流体。
3.矿石成因
层状重晶石 重晶石常与铁矿相间呈条带状产出，亦有呈层状或透镜状产出。重晶石不仅在空间上与铁矿紧密共生，在规模上也已构成大型重晶石矿床。一般认为，钡主要是来自火山源，特别是大量重晶石的出现，陆源沉积的可能性极小，钡可能是随搬运金属的同一种热液喷发到海底环境的。
热液成因的层状碧玉 本铁矿床之碧玉一般与镜铁矿和菱铁矿相间呈条带状产出。由于碧玉中含有铁质而呈血红、棕红及暗红。在空间上，碧玉只限于矿床内，它可能代表呈凝胶体沉积在海底上的热液喷发的二氧化硅与铁相。
某些地球化学特征 通过主元素地球化学研究，发现铁矿石以Fe，Mn，Ba含量高为特征，显示其为海底喷流沉积产物。依据Rona P.A.（1983，1988）提出的海底热液沉积的差别值Fe/Ti＞20，（Fe+Mn）/Ti＞20±5，Al/（Al+Fe+Mn）＜0.35进行判别，桦树沟铁矿石为海底喷流沉积产物。铁矿床围岩千枚岩以Al，Ti，P，K含量高为标志，Al2O3与TiO2呈正相关性，都显示了其细粒陆源沉积物的特点。微量元素地球化学研究的结果显示，铁矿石中Cu，Pb，Zn含量明显高于其围岩千枚岩，显示有色金属元素含量高指示铁矿石属海底喷流成因。镜铁山矿床围岩千枚岩的稀土元素地球化学特征与北美页岩组合样相近，有相似的REE绝对丰度及REE分馏特征，表明千枚岩的沉积碎屑产物，其组成物质来源总体上属于壳源，而非火山活动产物。铁矿石的物质组成则有深部流体加入，并形成于海相环境，亦为铁矿床为海底喷流沉积矿床提供了一个证据。
4.成矿模式
该矿床可能的成矿模式如图6-2所示。
图6-2 镜铁山铁矿-重晶石成矿模式图
（据甘肃省地质调查院，2012）
1—古元古界；2—长城系朱龙关群；3—壳幔熔体热源区；4—朱龙关群铁质吸取区；5—含铁热液喷流区；6—砂岩（石英岩）；7—泥质岩（千枚岩）；8—碳酸盐岩（白云质大理岩）；9—铁矿层；10—中基性侵入岩