镜铁山式铁矿床是我国以镜铁矿、赤铁矿为主要有用矿物的沉积变质型铁矿床。其成因与海底喷气沉积（Sediment exhalative，简称Sedex）作用有关。该类型铁矿以甘肃镜铁山铁矿床为典型代表。
一、矿区成矿及控矿条件
镜铁山铁矿区地质图如图3－12所示。
1.地层
镜铁山铁矿床产于中元古界蓟县系镜铁山群陆源碎屑岩夹碳酸盐建造中，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、碳质千枚岩夹大理岩透镜体、钙质千枚岩夹不纯大理岩。镜铁山铁矿含矿建造由黑褐色条带状镜铁矿、菱铁矿夹碧玉及千枚岩组成，赋存于桦树沟、黑沟复式向斜内的蓟县系下岩组之千枚岩系上部。整个含矿岩系共分8层，铁矿层（第7层）夹于灰绿色绿泥绢英千枚岩（第6层）与灰黑色石英绢云母千枚岩（第8层）之间，其下伏岩层为褐灰色钙质千枚岩、灰黑色炭质千枚岩、灰白色绢云千枚岩、灰白色石英岩。底层石英岩由中粗粒纯净石英砂组成，在成分上和结构上均显示出较高的成熟度。
镜铁山式铁矿床与海底喷气沉积（Sedex）作用有关，含矿岩系为一套浅变质岩系，变质带为绢云母－绿泥石带，变质相属低绿片岩相，变质相系属低压相系，变质温度为300～350℃，压力36～170×106 pa，变质矿物组合为石英＋钠长石＋绢云母＋绿泥石，原岩建造为含铁复理式碎屑岩建造。杂色千枚岩组合及顶部含“铁白云石结核”千枚岩与底部浅色纯净石英岩是含矿岩系的特殊标志层。
2.构造
蓟县纪时期，断陷海盆边缘同生断裂活动加剧，热卤水沿同生断裂喷流到海底沉积形成BIF，经后期变质变形改造成矿。铁矿床赋存在桦树沟－黑沟复式向斜中。蓟县系镜铁山群含矿岩系在区域上呈50°～60°方向展布，早期的走向逆断层不仅造成部分地层缺失，对矿层的破坏作用也强，其配套之扭裂，造成铁矿层移位明显，也使黑沟矿区地层向上抬高，从桦树沟向斜和黑沟向斜均局部发生倒转的特点来看（北翼倾向南，倾角40°～55°，南翼向南陡倾，倾角80°左右），说明后期由南向北的推覆挤压作用是十分强烈的。
3.岩浆岩
区内所见岩浆岩均属晚期浅成脉岩类，有粗、细粒辉绿岩脉及石英闪长玢岩脉，一般长数百米，厚10～50 cm，主要分布于矿区北部（向斜北翼），呈岩墙或岩脉状斜切矿层或顺层产出。
二、矿体特征
镜铁山铁矿床由黑沟和桦树沟两个矿区组成，均产于黑色千枚岩和灰绿色千枚岩之间。矿层厚度大，分布稳定，与矿区地层（含矿岩系）同步褶皱。由于褶皱和后期断层的破坏，使矿体重复出现，已控制矿体9个，其中黑沟矿区2个，桦树沟矿区7个。矿体呈厚层状，似层状，局部有分叉，总体呈NWW向展布，主体构成闭合的向斜构造，两翼次一级小褶皱发育。
图3－12 镜铁山铁矿区地质略图
1.桦树沟矿区
桦树沟矿区铁矿体与围岩呈整合接触，在强烈的褶皱构造作用下，使同一层矿在复式向斜中重复出现而形成7条矿体，总体走向为310°。根据矿体的产出和分布，以F12断层为界，将桦树沟矿区划分为东矿段和西矿段。东矿段褶皱构造复杂，为向斜构造的翘起部位，地表矿体出露宽度大、矿体剥蚀较深，地形较低，矿体埋深较浅，主要矿体（Ⅰ－Ⅱ号）最低标高2480 m，最高标高3060 m。西矿段断裂构造相对发育，地表矿体出露较少，剥蚀较浅，地形较高，矿体埋深较大，Ⅲ－Ⅴ主矿体的最低标高为2220 m，最高标高为3210 m，Ⅵ－Ⅶ矿体最高标高为3390 m。总之，矿区东段矿体埋深较浅，剥蚀较深，矿体保留较少，西段矿体埋藏较深，剥蚀较浅，矿体保留较多（图3－12）。
（1）Ⅰ、Ⅱ号矿体
地表出露于东矿段北部7线至23线之间，是本矿区重要的铁矿体。Ⅰ、Ⅱ号矿体总体走向303°，总长度约2000 m，厚50～70 m，斜深200～400 m，构成向斜构造，Ⅰ矿体为向斜北翼，倾向SW，倾角40°～60°，厚60～150 m，斜深280～385 m，上部为铁矿体，下部为铜矿体；Ⅱ矿体为向斜南翼，倾向NE，倾角75°～85°，局部直立或倒转（图3－13）。自7线以西，Ⅱ矿体向西倾伏，倾伏角约46°，向西延长至2线，延长670 m，延深770 m。
图3－13 桦树沟矿床10线剖面图
（2）Ⅲ、Ⅳ矿体
地表出露于东矿段14线至22线之间，位于Ⅱ矿体的南部，总体走向320°，长860m，矿层厚15～45m，斜深30～130m。Ⅲ、Ⅳ矿体组成一个两端封闭的向斜，Ⅲ矿体为向斜北翼，倾向SW，倾角25°～45°。Ⅳ矿体为向斜南翼，倾向SW或近于直立，倾角70°～85°，为倒转翼。
（3）Ⅴ矿体
出露于西矿段北部的0—16线之间，为Ⅰ矿体的西延部分。0线至12线为Ⅴ矿体西段，矿体长1100m，平均厚度39.3m，最大厚度101m，最大斜深650m，呈似层状，走向303°，在10线以西转为315°，倾向SW，倾角65°，局部近于直立或倾向NE，总体属陡倾斜矿体，构成主向斜北翼。14线以东至16线附近为Ⅴ矿体东段，矿体长200m，厚40m，斜深230m。
（4）Ⅵ、Ⅶ矿体
出露于西矿段2—7线之间，两矿体构成一个倒转向斜构造。Ⅵ矿体为向斜北翼，为正常翼，走向305°，倾向SW，倾角20°～40°，长度大于400 m，厚度35 ～57 m，斜深80～145 m。Ⅶ矿体为向斜南翼，是倒转翼，走向320°，倾向SW，倾角50°～70°，长度大于510 m，厚度20～72 m，斜深110～160 m。Ⅶ矿体西段因褶皱使矿层重复，厚度加大。
根据薜春纪等（1996）研究，桦树沟铁矿石1702个样品中，55％以上样品的全铁品位介于30％～40％之间。铜矿石74个样品中，65％以上样品的铜品位在1.0％左右。
2.黑沟矿区
黑沟矿区铁矿体为一向斜构造，位于桦树沟复向斜东南端，轴向NWW，总体上向SE倾没。但在矿区范围内，向斜两端向中间倾伏，北翼岩层倾角50°～60°，南翼80°～85°，向斜两翼次一级小型褶皱发育，并使铁矿层局部加厚。这些次一级褶皱轴向与主向斜轴向基本一致，属于同期构造。
矿区内断裂构造线分为NEE及NNE两组，断层面多倾向NNW或NWW，仅个别相反，倾角甚陡，一般均在70°以上。破碎带不甚发育，一般仅有几厘米宽，且延长不远。断层总体上南东盘普遍向南西方向位移，水平错距一般几十米左右，最大75m。
矿体为厚层状，产于黑色千枚岩与灰绿色千枚岩之间，见主矿一层，并构成闭合的向斜构造，两翼次一级褶皱发育，使得矿层局部加厚。矿层总的走向为300°，东西延长1410 m。其中北翼矿体倾角45°～65°，矿体厚55～117 m，平均厚83 m，斜深230～320 m；南翼矿体倾角70°～85°，部分近于直立，地表微向南西倒转，矿层厚55～155 m，平均厚105 m，斜深106～225 m。
在主矿体上、下围岩中尚夹有一些小的透镜状铁矿体，为矿区内次要矿体。这类矿体在向斜南翼分布较多，矿体一般厚1～7 m，个别可达22 m，延长数十米至数百米。延深数十米至数百米。
黑沟矿区铁矿石品位最低为30％，最高为55％，平均为36.14％。
三、矿石物质组成
1.矿石类型及矿物组合
根据桦树沟和黑沟矿区矿石中矿物的自然组合及结构、构造特征，将矿石类型划分为碧玉镜铁矿矿石、碧玉菱铁矿矿石、碧玉菱铁矿镜铁矿矿石、碧玉镜铁矿菱铁矿矿石和碧玉褐铁矿矿石5种类型。镜铁山铁矿床矿物组合以镜铁矿（确切定名为赤铁矿）、菱铁矿为主。其次有少量的磁铁矿、黄铁矿、褐铁矿、黄铜矿、孔雀石；脉石矿物以碧玉（石英）为主，次要矿物为白云石、方解石、重晶石、绿泥石、绢云母和铁白云石等。
2.矿石结构、构造
铁矿石主要呈细粒－中细粒晶粒状结构、球状结构、假象结构、交代结构等。矿石构造以条带状构造、层纹状构造、块状构造、千枚状构造、角砾状构造、脉状构造为主。
3.共生元素含量
可综合利用铜和重晶石（BaSO4）。重晶石矿平均品位8％，已构成中－大型矿床。
四、矿床成因及成矿模式
“镜铁山式”铁矿床为产于中元古界蓟县系镜铁山群变质陆源碎屑岩夹碳酸盐岩沉积建造中的与同生海底喷气沉积（Sedex）作用有关的沉积变质型铁矿床。
毛景文等（2003）在《北祁连山西段铜金铁钨多金属矿床成矿系列和找矿评价》 等著作中通过成矿地质特征、结合成矿的物理化学环境和同位素组成，微量元素特征等综合研究，对镜铁山铁矿的成因和成矿机制进行了深入分析。主要成果如下：
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。
（1）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。
（2）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fo2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。
（3）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。
（4）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，必须具备长期而又稳定的矿源。镜铁山群的下伏地层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带与地幔区间，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，镜铁山群下伏朱龙关群中的铁等成矿物质通过海底热液循环系统搬运到海底，沉淀形成条带状硅铁建造（BIF）。
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℃范围。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（5～170）×106 Pa。
（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％之间。成矿流体密度值为0.71～0.98 g/cm3，为中低密度流体。
3.矿床成因
（1）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。
（2）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。
（3）某些地球化学特征
通过主量元素地球化学研究，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判别值Fe/Ti＞20，（Fe＋Mn）/Ti＞20±5，Al/（Al＋Fe＋Mn）＜0.35进行判别，桦树沟铁矿与海底喷流沉积有关。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
综上所述，镜铁山式铁矿的成矿模式可总结如下（图3－14）。
图3－14 镜铁山式铁矿床成矿模式示意图
（1）喷流沉积形成条带状硅铁建造
长城纪时期（约18亿年），祁连地区发生了裂陷，来自地幔的基性岩浆喷发海底，形成朱龙关群火山岩及赋存其中的小规模条带状硅铁建造（图3－14（a））。蓟县纪时期，受地幔热源的影响，海水下渗、对流循环，萃取海底朱龙关群基性火山岩中的铁等成矿物质，沿海底同生断裂喷流到海底，形成镜铁山群喷气－沉积建造及其中的条带状碧玉镜铁矿层、重晶石层及含铜矿层（图3－14（b））。成矿物质除来自下伏地层朱龙关群外，还可能有直接来自地幔的成矿物质加入。
（2）后期变质变形改造成矿
在后期的变质变形过程中，镜铁山群中的条带状碧玉赤铁矿经受了改造作用，发生了分异和富集，形成含铜和重晶石的镜铁山铁矿床；朱龙关群中的BIF形成小龙口、九个青羊、金儿泉、热水、龙孔等小型铁矿床（图3－14（c））。但是由于变质变形程度浅，碧玉没有完全重结晶为石英，碧玉中的铁质也没有完全分异出来，导致仍以红色铁碧玉形式存在；赤铁矿也仅仅重结晶为镜铁矿，变为磁铁矿的较少。围岩也仅变质为千枚岩。