廣西大新錳礦區(qū)礦床地質(zhì)特征及成因探討

和平賢

(中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新分公司，廣西大新 532315)

0 前言

廣西大新錳礦資源儲量是我國目前惟一超過億噸以上的超大型錳礦床，已探明錳礦資源儲量超過1.3億t，是我國極為重要的錳業(yè)生產(chǎn)基地。近幾年來，深部原生碳酸錳綜合開發(fā)利用的經(jīng)濟價值開始凸顯。在周邊天等縣東平錳礦區(qū)深部發(fā)現(xiàn)新的原生碳酸錳，因此，深入研究礦床成礦的地質(zhì)條件，對周邊深部開展原生碳酸錳礦勘查，進一步推動地質(zhì)找礦取得新突破，以及提升原生碳酸錳礦資源綜合開發(fā)利用的價值，都具有重要的現(xiàn)實意義。

廣西大新錳礦的研究工作很早就已開始，該礦自1958年由群眾報礦發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)歷多次普查、詳查、勘探工作，許多專家學(xué)者和科研單位也進行了多次的專題研究，獲得了大量實際資料，在礦床地質(zhì)、礦物成分、成礦構(gòu)造沉積環(huán)境、控礦巖相古地理條件及礦床成因等方面取得了一系列有重要意義的認識。其成礦地質(zhì)背景，成礦時代及礦床特點與前蘇聯(lián)遠東地區(qū)阿塔蘇型鐵錳礦床條件十分相似[1]，為海相硅質(zhì)—碳酸鹽巖沉積錳礦床。由于這類礦床的成礦地質(zhì)條件比較特殊，國內(nèi)外對成因問題均有爭議。

本文是在礦山地質(zhì)實踐工作中，根據(jù)幾十年來礦山開采所積累的較為豐富的地質(zhì)資料，對礦區(qū)的各種地質(zhì)現(xiàn)象作了系統(tǒng)地觀察和研究，并參考了有關(guān)礦區(qū)的地質(zhì)文獻資料和錳礦科研工作論證研究的新成果，綜合分析研究前人資料后，對錳礦床地質(zhì)特征及成因提出了一些看法和探討。

1 礦床地質(zhì)特征

1.1 含錳巖系

從地表露頭及開采所揭露錳礦帶的含錳巖系的巖性組合可看到，與碳酸錳礦床相伴生的巖石主要為硅質(zhì)巖—泥巖—灰?guī)r等巖石組合。錳礦產(chǎn)出于上泥盆統(tǒng)五指山組(D3W)中，自下而上可分為4個巖性段。礦層產(chǎn)于第2段，現(xiàn)簡述如下：

1)第 1段(D3W1)：灰、深灰色薄層泥巖、泥灰?guī)r及硅質(zhì)巖，為礦層底板，厚50～80 m。

2)第2段(D3W2)：為含錳巖段，由3層碳酸錳礦和2個夾層組成，厚約15 m。

a底部為1號礦層，以棕紅色為主，部分呈灰綠、淺灰、深灰色、紫紅色等，礦石構(gòu)造為條帶狀、豆狀、鮞狀、塊狀構(gòu)造，厚0～3.23 m。本層風(fēng)化后成為氧化錳礦，呈黑、鋼灰色。

b下部為夾1：為硅質(zhì)灰?guī)r及少量硅質(zhì)巖夾鈣質(zhì)泥巖。巖層呈淺灰至深灰色，薄層微層狀構(gòu)造，厚0.09～29.17 m。本層風(fēng)化后為硅質(zhì)巖夾泥巖。

c中部為2號礦層：為碳酸錳礦層，以棕紅、灰綠色為主，部分呈灰、深灰、肉紅、墨綠及鐵黑色，微粒結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造為致密塊狀、豆狀、鮞狀、條帶狀構(gòu)造為主，厚0～5.05 m，平均厚2.38 m。本層風(fēng)化后為氧化錳礦。

d上部為夾2：為錳質(zhì)泥灰?guī)r或泥巖，呈灰、灰綠夾灰白色。塊狀、薄層狀構(gòu)造，厚0～1.28 m，風(fēng)化后為薄層狀含錳泥巖。

e頂部為3號礦層：為碳酸錳礦，呈深灰、灰色，部分為暗灰綠、淺肉紅色，微—細粒結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造為致密塊狀、條帶狀，厚0.2～3.13 m。風(fēng)化后為黑色氧化錳礦。

3)第3段(D3W3)：為硅質(zhì)灰?guī)r夾硅質(zhì)巖，局部夾含錳灰?guī)r?；抑辽罨疑?，上部偶夾0～0.20 m厚的碳酸錳礦薄層，厚41～60 m。

4)第4段(D3W4)：灰至深灰色泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖夾硅質(zhì)條帶，厚80～125 m。

1.2 礦石性質(zhì)和類型

根據(jù)各礦物的成因可分為原生碳酸錳礦石和氧化錳礦石兩種類型。原生碳酸錳礦石占全區(qū)總儲量的81%以上，按其組成及變質(zhì)的特點又可大致分為2類：碳酸錳礦石和硅酸錳—碳酸錳礦石。

1)原生碳酸錳礦石

a碳酸錳礦石：呈棕、紫紅色、灰、深灰色、黑綠及肉紅色等。礦石礦物主要為菱錳礦；次為薔薇輝石、錳簾石、錳鐵葉蛇紋石、紅簾石；偶見黑鎂鐵錳礦和含錳石榴石。脈石礦物主要為石英、綠泥石、黑云母；次為絹云母、陽起石、石榴石、黃鐵礦、方解石和炭泥質(zhì)；偶見金紅石、電氣石、鋯石、石膏、重晶石、高嶺石、菱鐵礦等。礦石結(jié)構(gòu)以微粒結(jié)構(gòu)為主，次為細粒結(jié)構(gòu)、顯微鱗片泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、生物碎屑結(jié)構(gòu)等。

b碳酸錳—硅酸錳礦石：多呈豬紅、紫磚紅、灰綠色及少量棕紅和鐵黑色等。礦物以同生沉積形成的菱錳礦為主，次之為薔薇輝石、錳鐵葉蛇紋石、錳簾石、錳石榴石、膠狀硅錳礦等。脈石礦物主要為陽起石、黑云母、綠泥石，偶爾見少數(shù)的黃鐵礦、黃銅礦礦等。礦石以原生礦石的組織結(jié)構(gòu)為主，同時有變余細粒結(jié)構(gòu)及斑雜狀構(gòu)造等。

2)氧化錳礦石

氧化錳礦石呈黑色、灰褐色；礦石礦物有軟、硬錳礦、褐、赤鐵礦、偏錳酸礦和針鐵礦等。脈石礦物為石英、高嶺石和水云母等。礦石結(jié)構(gòu)主要為顯微隱晶、微—細粒、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)等；礦石構(gòu)造有膠狀、凝塊狀、空洞狀、條帶狀、葡萄狀等形式。

2 錳礦床成因探討

根據(jù)上述錳礦床地質(zhì)特征，礦層產(chǎn)出為碳酸鹽—硅質(zhì)巖組合巖層，具有明顯的沉積層理，礦產(chǎn)成因類型屬海相沉積碳酸錳礦床。以下試從地質(zhì)背景和成礦物質(zhì)來源方面對沉積錳礦床成因進行一些探討。

2.1 地質(zhì)背景

成礦區(qū)處于華南褶皺系右江褶皺中次級坳陷帶，與北東向同期活動的下雷—靈馬海底斷裂密切相關(guān)，產(chǎn)于有別于臺地的臺溝地貌和覆水相對較深的臺溝相沉積中[2]。在整個礦區(qū)內(nèi)，出露的地層主要有中泥盆統(tǒng)的東崗嶺組、上泥盆統(tǒng)的榴江組、五指山組和第四系。錳礦賦存于上泥盆統(tǒng)五指山組淺海相沉積的泥質(zhì)—硅質(zhì)—含錳碳酸鹽巖系建造中，并受該巖相的控制。從地層巖性分布來看，錳礦帶主要集中形成于淺海相沉積環(huán)境。由此可見，在不同的地質(zhì)背景下，就有不同的成礦環(huán)境，相應(yīng)地形成在這一環(huán)境下特有的礦床[3]。

2.2 成礦物質(zhì)來源探討

不同的成礦物質(zhì)來源代表著不同的沉積環(huán)境和成礦條件[4]。關(guān)于沉積錳礦的成礦物質(zhì)來源問題，過去主要受傳統(tǒng)理論觀點的影響，把形成錳礦床的物質(zhì)都籠統(tǒng)地認為是來自陸源的物質(zhì)。根據(jù)國外錳礦地質(zhì)研究的新進展，結(jié)合對礦區(qū)的地質(zhì)特征、礦物成分和主要含錳巖系元素的地球化學(xué)等特征的綜合研究認為，錳礦成礦物質(zhì)應(yīng)是多成因、多來源的，礦物質(zhì)主要以海底隱伏基巖漿活動帶來大量錳質(zhì)，并沿斷裂上升帶入臺溝溝底，以海相熱水沉積物為主，其次來自陸源物質(zhì)。其依據(jù)為以下幾點。

2.2.1 巖性標志

從區(qū)域上看，礦區(qū)外圍的許多地區(qū)，如那坡坡荷、靖西谷盤、龍州科甲—武德一帶從早到晚泥盆世曾多次出現(xiàn)過較強烈的同期中—基性火山噴發(fā)活動。不僅如此，在礦區(qū)北部東段、南部西段28～29號勘探線南端發(fā)現(xiàn)有一些基性巖小巖體侵入中泥盆統(tǒng)東崗嶺組至黃龍組等地層而出露地表。這些事實說明該區(qū)域存在火山運動。該地區(qū)的火山巖的分布大體呈北西走向的帶狀展布，反映了受同沉積斷裂活動控制[5]。礦區(qū)內(nèi)含錳巖系為深水盆地中含火山巖的硅質(zhì)巖—碳酸巖—泥巖巖系，它們富含M n、Fe，有可能是因海底熱水噴流而形成的緣故。這些為大新錳礦床的形成提供充足的成礦物質(zhì)。

2.2.2 礦物組分特征

礦床原生碳酸錳礦層位穩(wěn)定，礦石呈棕紅色、深灰色及灰綠色等。組成錳礦層的礦物成分極復(fù)雜，除碳酸錳系列礦物之外，還有薔薇輝石、錳鐵葉蛇紋石、黑云母、錳簾石、陽起石、錳榴石、重晶石、黃鐵礦、鈷鎳硫化物等；礦石結(jié)構(gòu)細，具鮞狀、豆狀構(gòu)造。通常這些礦物大多數(shù)被認為屬于熱液礦物，這些礦物與原生沉積碳酸錳礦共生，以薔薇輝石、錳鐵葉蛇紋石為主的錳硅酸鹽礦物組合與碳酸錳同期沉淀，經(jīng)歷了較復(fù)雜的成巖作用，而非區(qū)域變質(zhì)。雖然碳酸錳礦在外生常溫條件下也可以獨立生成。但在此微相組合中的碳酸錳礦物與薔薇輝石等一系列熱液礦物緊密相嵌、混雜分布在一起，兩者應(yīng)同為熱液條件下形成的產(chǎn)物[6]。在原生碳酸錳礦上覆蓋的風(fēng)化氧化錳礦石和含錳圍巖石中也有少量沉積的石膏、天青石、含錳方解石，這些都是熱水沉積的標志性礦物。說明錳礦物的沉積與熱液有關(guān)。

2.2.3 主要含錳巖系元素的地球化學(xué)特征

常量元素和微量元素的分布特征證實了錳礦石的成礦物質(zhì)以熱液來源為主，海水含礦物質(zhì)參與為輔。元素間的組合特征是成巖成礦過程中留下的痕跡，對成礦物質(zhì)來源和成礦作用有一定的指示作用[7]。

1)常量元素地球化學(xué)特征

選擇的7個樣品進行常量元素分析，其結(jié)果見表1。

表1 廣西大新縣下雷錳礦層中主要元素含量 %

從表1中看出，錳礦層中Al/(Al+Fe+M n)這一比值為0.023～0.033，平均為0.028，比值特別低，十分接近熱液噴口處的金屬軟泥值。說明錳礦沉積時，明顯受到熱水作用影響；巖石中此比值為0.23～0.43，平均為0.33，由此可得出，錳礦層形成時注入的熱水比巖石形成時更多。錳礦礦石和巖石的SiO2/Al2O3比值為13.27～22.44，陸殼中 SiO2/Al2O3值為3.6，與此比值接近的巖石其物源應(yīng)以陸源為主，超過此值的則多是由于生物或熱水作用的補充；結(jié)合其他地質(zhì)地球化學(xué)依據(jù)，由此推測得出SiO2是受熱源的影響而不是由陸源供給物質(zhì)，從而說明，硅質(zhì)巖的形成都直接與熱水沉積作用有關(guān)。以上述特征說明礦質(zhì)來源和成礦作用主要受熱液控制。

2)微量元素地球化學(xué)特征

錳礦石微量元素，含量普遍高于地殼豐度，見表2。

表2 錳礦石微量元素分析結(jié)果表 %

本區(qū)微量元素含量與地殼豐度值相比，其中Cr、Co、Ni、Cu、Sr與下陸殼相當接近，V、Ba 則與上陸殼比較接近。Ba是被稱為火山沉積建造的標型元素，Ni、Co是基性巖的特征元素，其含量高出地殼豐度10倍，礦床中Ba的含量較高，而且與M n呈正相關(guān)，這在陸源沉積成因的錳礦床中是十分少見的?，F(xiàn)代海底熱水化學(xué)沉積作用表明，Ba含量高是熱水溶液的一個重要特征。而且Ni/Co比值在0.026～3.47，下雷錳礦的形成與海水熱液作用有一定的成因聯(lián)系，推測錳質(zhì)主要來源于海底熱液噴溢或火山氣液。

3)穩(wěn)定同位素地球化學(xué)特征

碳、氧、硫的穩(wěn)定同位素也說明了成礦物質(zhì)以熱液來源為主，部分成礦物質(zhì)來自海水。

下雷錳礦碳、氧、硫同位素組成的測定結(jié)果見表3。

表3 大新下雷錳礦床礦石及巖石中的碳、氧同位素組成[8]

根據(jù)收集整理的廣西下雷礦區(qū)礦層、夾層及頂?shù)装宓葞r石共20個樣品，進行碳、氧穩(wěn)定同位素的分析，結(jié)果表明：在錳礦區(qū)底板、夾層與碳酸錳礦石中的碳同位素δ13CPDB有明顯差別，底板和夾層灰?guī)rδ13CPDB變化范圍+0.12‰～-3.5‰，與海相碳酸鹽巖的δ13CPDB≈0‰一致，表明碳來自海水；在錳礦層中16個碳酸錳礦石樣的δ13CPDB值變化范圍-2.83‰～ -14.29‰，大多集中在 -4.23‰～9.5‰，平均值-7.06‰，標準差2.96。與巖漿源碳酸巖中或熱液礦床中碳酸鹽礦物的δ13CPDB值非常相似。因此認為，碳酸錳礦物的δ13CPDB主要來自深部基性巖漿源，含錳灰?guī)r的碳同位素δ13CPDB為-1.71‰和-3.59‰，介于上述二者之間，來源兩者兼有。

δ18OPDB均值為負值，平均值-6.64‰，標準差2。其中碳酸錳礦石δ18OPDB變化范圍-3.74‰～-10.81‰，平均值-6.80‰。底板、夾層δ18OPDB變化范圍-4.97‰～-8.18‰，平均值-5.98‰。兩者均落在海洋灰?guī)r和燧石的范圍，與木圭上泥盆統(tǒng)熱水沉積形成的硅質(zhì)巖相似。采用愛潑斯坦經(jīng)驗計算公式 t(℃)=14.8-5.41×δ18O和Mccrea的經(jīng)驗公式 t(℃)=16.0-5.17×δ18O +0.092(δ18O)2，來計算沉積碳酸鹽巖時的古海溫度，計算得出當時成礦的古溫度為35℃～73℃，屬于低溫?zé)崴秶？梢姽藕Ｋ疁囟纫痊F(xiàn)在正常海水溫度高得多，具有獨特的古海底熱水沉積地質(zhì)特征。對在全礦區(qū)共采集的18個樣進行硫穩(wěn)定同位素分析見表4。

碳酸錳礦石中黃鐵礦的硫同位素組成均值為+5.19‰，夾層巖石中黃鐵礦的硫同位素值平均為+4.12‰，主要集中在0‰～7‰之間，具有地殼硫的特點，可解釋為海水硫源與生物硫源的混合。但是硅酸錳—碳酸錳礦石中黃鐵礦的δ34SCDT比較特殊，在1號礦層內(nèi)平均為+32.1‰，2號礦層內(nèi)為+25.87‰，與密西西比河谷型低溫?zé)嵋恒U鋅礦床中晚期形成的黃鐵礦的硫同位素組成(δ34SCDT20‰～30‰)接近，顯示出火山礦床中硫的基本特征，可能是海水硫源受熱液硫源的影響所致。這表明：該礦床硫是多源的，不僅有海水硫酸鹽細菌還原和生物提供硫，而且有相當比重的硫來自火山活動。既有海水硫酸鹽的參與，也有深源硫的參與。

表4 大新下雷錳礦床礦石及巖石中黃鐵礦的硫同位素組成

3 結(jié)論

綜上所述，大新錳礦是我國惟一超大型的、產(chǎn)于上泥盆世的錳礦床，具有獨特的古海底熱水沉積地質(zhì)特征，產(chǎn)于與海底大斷裂有關(guān)的臺溝內(nèi)，發(fā)育一套具水平紋層理的硅—泥—鈣質(zhì)等碳酸巖相；同生斷裂帶不僅控制了礦區(qū)晚泥盆世碳酸錳巖地上的槽盆形態(tài)，也提供了深部熱水溶液上涌的通道和有利的沉淀條件；深斷裂活動，造至海底熱液或氣液噴溢，將大量的錳物質(zhì)等帶入海水中，在臺溝內(nèi)有利錳質(zhì)沉積的場所沉積下來，形成熱水沉積碳酸錳礦床。礦物的組成具有深源和陸源的雙重特征，表明其物質(zhì)來源是多源的，既有來自深部下地殼的物質(zhì)，又有陸源物質(zhì)的混入，還存在生物作用，代表一種多源外生的成礦環(huán)境：即在海相沉積條件下，發(fā)生正常沉積的同時有深部熱液的注入和補充，同時伴隨著海洋生物作用。由此推測錳礦床是在熱液—沉積共同作用下形成的淺海相沉積碳酸錳礦床。

[1]王守倫.蘇聯(lián)鐵、錳地質(zhì)找礦與細菌選礦[J].冶金地質(zhì)動態(tài)，1992，3(2)：1-4.

[2]吳詒，周懷玲，蔣廷操，等.廣西泥盆紀沉積相古地理及礦產(chǎn)[M].南寧：廣西人民出版社，1987.

[3]郝瑞霞，關(guān)廣岳.廣西下雷一湖潤錳礦帶原生碳酸錳礦床的沉積機制[J].地質(zhì)地球化學(xué)，1994，22(1)：57-61.

[4]姚培慧.錳礦床的形成機制及其找礦預(yù)測[J].地質(zhì)與勘探，1991，27(11)：2-3.

[5]曾允孚，張錦泉，劉文均，等.中國南方泥盆紀巖相古地理與成礦作用[M].北京：地質(zhì)出版社，1993.

[6]曾友寅.廣西下雷晚泥盆世錳礦床沉積學(xué)研究[J].沉積學(xué)報，1991，9(1)：70-73.

[7]莫斯霖.廣西晚泥盆世沉積錳礦的礦質(zhì)來源及成礦作用[J].地質(zhì)與勘探，1985，21(11)：5-6.

[8]杜樹三，羅彥和，王克智.桂西南地區(qū)泥盆系、三疊系優(yōu)質(zhì)錳礦成礦規(guī)律及成礦預(yù)測[R].宜昌：冶金工業(yè)部中南地質(zhì)勘查局研究所，1994：92-93.