廣西大新下雷錳礦沉積環(huán)境特征及成礦物質(zhì)來(lái)源分析

王榮庚

(廣西錫山礦業(yè)有限公司，廣西南寧 530022)

0 前言

廣西大新下雷錳礦是我國(guó)惟一一個(gè)錳礦資源儲(chǔ)量超過(guò)億t的整裝型錳礦床，下雷錳礦的研究對(duì)于在我國(guó)尋找大型超大型錳礦具有重要意義。礦區(qū)位于華南褶皺系右江褶皺帶下雷—靈馬坳陷的西南部。礦區(qū)西北側(cè)與湖潤(rùn)錳礦區(qū)相鄰。礦區(qū)為西高東低的向斜構(gòu)造，東西長(zhǎng)近9 km，南北寬約2.5 km[1]。礦區(qū)向斜構(gòu)造的兩翼不對(duì)稱，南翼產(chǎn)狀陡峻，傾角一般在70(°)以上，并伴有倒轉(zhuǎn)，北翼產(chǎn)狀正常，傾角平緩，一般在25(°)左右[2]；向斜西部仰起部分構(gòu)成次級(jí)復(fù)式向斜構(gòu)造，褶皺及斷裂發(fā)育，巖層產(chǎn)狀多變。

下雷礦區(qū)內(nèi)分布有泥盆系、石炭系、二疊系和三疊系，其中泥盆系最為發(fā)育，分布面積最廣。礦區(qū)出露中、上泥盆統(tǒng)及下、中石炭統(tǒng)，向斜軸部的下中石炭統(tǒng)灰?guī)r形成了相對(duì)高度在400 m左右的峻拔的巖溶山地，向斜兩翼上泥盆統(tǒng)硅質(zhì)巖構(gòu)成較低矮的山地丘陵。礦區(qū)的錳礦類型主要有2種：風(fēng)化型和沉積型錳礦，已探明儲(chǔ)量1.356億t以上，約占全部錳礦總量的30%。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 晚泥盆世沉積相

泥盆紀(jì)發(fā)展到晚世，沉積相發(fā)生明顯變化，與早中世相比，有2個(gè)顯著的特點(diǎn)：a陸源碎屑沉積減少，廣大地區(qū)主要發(fā)育碳酸鹽巖和硅質(zhì)巖類，及兩者的過(guò)渡類型；b沉積分異進(jìn)一步加強(qiáng)，臺(tái)—盆地分割局面比較明顯，不僅體現(xiàn)在不同沉積相帶之間的巖石組合差別很大(如臺(tái)地相區(qū)以碳酸鹽巖為主，盆地相區(qū)則以硅質(zhì)巖為主)，而且生態(tài)環(huán)境也有顯著的差別，盆地相區(qū)以浮游生物組合為主，而盆地相區(qū)和臺(tái)地邊緣相區(qū)則以底棲生物占主導(dǎo)地位。

一般認(rèn)為廣西晚泥盆世沉積相可分為5個(gè)沉積相區(qū)，即從濱?！_(tái)地—盆地—槽盆之間過(guò)渡的幾個(gè)相帶，這在業(yè)界已經(jīng)達(dá)成共識(shí)。在臺(tái)地及臺(tái)地邊緣沉積區(qū)基本上不形成錳礦層，錳礦一般只在淺海盆地沉積區(qū)形成，但作者認(rèn)為在淺海盆地沉積相帶中還可細(xì)分，針對(duì)下雷錳礦成因研究，認(rèn)為更準(zhǔn)確的定性下雷錳礦沉積相應(yīng)為淺海盆地深水臺(tái)溝相，這是由盆地內(nèi)斷陷裂谷成因的一種沉積相。

淺海盆地深水臺(tái)溝相是與臺(tái)地相鄰地盆地內(nèi)的深水臺(tái)溝區(qū)域。相帶內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺疊加，斷層縱橫，基性巖和噴出巖發(fā)育，為地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)帶。沉積物主要為含浮游生物的硅質(zhì)、泥質(zhì)和碳酸鹽巖沉積。巖石組合主要包括碳酸鹽巖—硅質(zhì)巖組合、硅質(zhì)巖—碳酸鹽巖組合、硅質(zhì)巖組合、硅質(zhì)巖—硅質(zhì)頁(yè)巖組合及扁豆?fàn)钅噘|(zhì)灰?guī)r組合等5類組合。巖石類型主要有泥質(zhì)條帶泥晶灰?guī)r、扁豆?fàn)钅噘|(zhì)泥晶灰?guī)r、硅質(zhì)泥巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)巖、碳質(zhì)硅質(zhì)巖、黑色泥巖、暗色泥晶灰?guī)r及錳質(zhì)巖等，巖石水平微細(xì)層理、水平層理、微波水平層理、透鏡狀層理發(fā)育。碳質(zhì)和星散狀黃鐵礦是常見(jiàn)的標(biāo)志礦物。生物群以浮游性組合為主，有菊石、竹節(jié)石、牙行刺、海綿骨針及浮游介行類等。腕足類和珊瑚等底棲類生物少見(jiàn)。之所以細(xì)分為淺海盆地深水臺(tái)溝相，更多的是從礦物質(zhì)的來(lái)源方面考慮，這是其他淺海盆地內(nèi)沉積物所沒(méi)有的特征。

1.2 沉積環(huán)境

1.2.1 沉積相特征

由于裂谷的拉張作用，在臺(tái)盆間形成了下雷錳礦特殊的沉積基底，該地帶為淺海域深水地帶，最具代表性地巖石為硅質(zhì)巖和扁豆?fàn)罨規(guī)r，這2種巖石不但分布廣，密切相生，而且對(duì)成礦有重要意義。

硅質(zhì)巖一般包括石英硅質(zhì)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)巖、泥質(zhì)硅質(zhì)巖和少量的碳質(zhì)硅質(zhì)巖，其巖石具有明顯的水平層理。硅質(zhì)巖中缺乏底棲生物，以浮游生物相為主。硅質(zhì)巖及其伴生巖的巖石特征、生物面貌及沉積序列表明，硅質(zhì)巖是位于氧化界面以下，且水動(dòng)力條件微弱的深水環(huán)境的產(chǎn)物。

與硅質(zhì)巖密切伴生的硅質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r為泥晶結(jié)構(gòu)，微層狀的構(gòu)造特征表明他們形成于弱水動(dòng)力環(huán)境。泥質(zhì)灰?guī)r呈扁豆?fàn)罨驐l帶狀，分布范圍與硅質(zhì)巖大致一樣。巖石一般呈灰、深灰、灰綠色，局部有紫紅色，由灰質(zhì)條帶和泥質(zhì)條帶相間組成，條帶形態(tài)極不規(guī)則?；屹|(zhì)條帶主要由泥晶和粉晶方解石組成，一般呈條帶狀和扁豆?fàn)睢Ｄ噘|(zhì)條帶由絹云母及泥晶方解石組成，部分地區(qū)條紋構(gòu)造發(fā)育，常因灰質(zhì)條帶和扁豆的形態(tài)變化而彎曲，但仍保持清晰而連續(xù)的紋層狀層理，并可見(jiàn)各種變形構(gòu)造和滑動(dòng)構(gòu)造，在泥質(zhì)條帶灰?guī)r和豆鮞狀灰?guī)r中，也缺乏底棲生物化石，目前所見(jiàn)均為浮游生物相。

根據(jù)以上特點(diǎn)分析，條帶狀、豆鮞狀泥質(zhì)灰?guī)r形成的環(huán)境和條件比較復(fù)雜，巖石的成份和結(jié)構(gòu)表明巖石周圍是微弱的水動(dòng)力環(huán)境，生物特征與深水相生態(tài)環(huán)境中生存的生物的特征類似。某些變形構(gòu)造常見(jiàn)于下部盆地硅質(zhì)巖相和上部臺(tái)地碳酸鹽巖相之間，可能與特定的古地形(盆地邊緣斜坡)、巖性和成巖作用有關(guān)。由此可見(jiàn)，條帶狀和扁豆?fàn)钅噘|(zhì)灰?guī)r的形成是由深水向淺水過(guò)渡的沉積過(guò)程，但以較深水沉積為主。

1.2.2 沉積剖面分析

就沉積相中最具代表性的2種巖石特征及成巖環(huán)境分析，可得出下雷沉積盆地的剖面結(jié)構(gòu)，即下部是以硅質(zhì)巖為主的盆地相，上部是以扁豆?fàn)钅噘|(zhì)灰?guī)r為主的盆地兼盆地邊緣相的二元結(jié)構(gòu)剖面。這是淺海盆相帶中最典型的剖面結(jié)構(gòu)，代表了一種向上變淺的海退相序。但沉積序列并不是單向的，而是旋回式的，包括2個(gè)次級(jí)旋回，每1個(gè)次級(jí)旋回的沉積層序都為1個(gè)二元機(jī)構(gòu)剖面，均表現(xiàn)出向上變淺的特點(diǎn)，也表明了晚泥盆世早期為海侵層序，到了晚期為海退層序，總的變化趨勢(shì)是1個(gè)海侵—海退的沉積旋回。

1.2.3 沉積化學(xué)環(huán)境

錳的沉積主要取決于本身的濃度以及介質(zhì)的pH值和Eh值。

1)在pH值＜7的酸性介質(zhì)中，Mn以離子化合物的形式溶解于溶液中；在pH＞8的堿性介質(zhì)中，Mn沉淀形成錳礦。

2)Eh值為負(fù)時(shí)，Mn可形成2價(jià)錳礦；當(dāng)Eh值為正時(shí)，Mn形成3價(jià)、4價(jià)的礦物。

3)pH在8～10之間時(shí)，存在硫錳礦的1個(gè)小穩(wěn)定區(qū)。

海相沉積有良好地還原條件，可使低價(jià)的錳礦保持穩(wěn)定而發(fā)生沉淀。在低 Eh值條件下，錳的狀態(tài)受碳酸鹽礦物所控制，在海水中，只要CO32-的含量增加，并且有足夠的錳供給就能形成菱錳礦床沉積。由河流、地下水帶入海中的Mn(HCO3)2或其他作用而存在海水中的Mn(HCO3)2與軟泥中的CaCO3或 MgCO3，在海水—沉積界面的還原條件(缺氧)下，由于溶度積的不同而引起置換作用，生成菱錳礦或錳方解石：

錳在沉積環(huán)境中的溶解、氧化和沉積等過(guò)程都受制于氧化還原作用。溶解的錳具有較大的穩(wěn)定性，在海水或地表淡水的p H值下，除了強(qiáng)氧化還原條件以外，M n一般可溶；在中等還原條件下，溶解錳的穩(wěn)定場(chǎng)比溶解鐵的穩(wěn)定場(chǎng)大得多。由于許多沉積物在他們與水的分界面以下幾厘米內(nèi)就變成了還原性的，所以M n2+能夠活化并進(jìn)入孔隙水中。在Eh值比較低和含硫量比較高的條件下，如在還原的海洋環(huán)境，溶解的M n2+則向上擴(kuò)散，或者由于底部水中含有氧而在分界面沉淀下來(lái)[3]。

2 成礦物質(zhì)來(lái)源

2.1 Co∶Ni比值

下雷碳酸錳礦，礦床有1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)礦層，Co∶Ni比值 3號(hào)礦層最高(0.90)，2號(hào)礦層最低(0.52)，平均值為0.73，礦床鈷鎳含量表見(jiàn)表1。

表1 下雷錳礦礦床鈷鎳含量

鈷、鎳是基性，超基性巖的特征元素，說(shuō)明了碳酸錳礦質(zhì)有巖漿來(lái)源，如果以 Co∶Ni=1為界線，＞1判斷為遠(yuǎn)程火山來(lái)源，那么下雷錳礦的Co∶Ni=0.73可推測(cè)礦物質(zhì)為中遠(yuǎn)程火山來(lái)源，為與海底火山作用有關(guān)的沉積礦床[4]。

2.2 碳酸錳豆鮞粒同位素測(cè)定

一般認(rèn)為，碳酸鹽巖中的δc13=0，碳質(zhì)來(lái)至海水，測(cè)定不同層位2顆碳酸錳豆粒的δc13分別為-7.65%和-6.82%，與礦層中碳酸錳礦物的δc13平均值-7.06%基本一致，屬于深部巖漿來(lái)源的碳[5]。豆鮞粒的發(fā)育及構(gòu)造線方向與熱源礦物的規(guī)律是一樣的，以海底火山作用環(huán)境分析，火山熱氣噴溢出口及其附近，具有豐富的礦物質(zhì)及高溫的熱液條件，非常有利于豆鮞粒的生成，而一般的淺海低溫水地帶不易形成豆鮞粒。

此外錳礦質(zhì)的陸源來(lái)源也有著很重要的意義，古風(fēng)化作用使得地殼表層巖石和比較早沉積的礦石發(fā)生崩解，強(qiáng)烈改造部分元素遷移，經(jīng)搬運(yùn)再沉積成礦。值得研究的是下雷錳礦在晚泥盆世沉積時(shí)，正好也是越北地區(qū)同沉積缺失之時(shí)，兩者之間在晚泥盆世華力西地區(qū)發(fā)生海退時(shí)，此消彼長(zhǎng)，理應(yīng)存在成礦上的聯(lián)系，或者可以這么理解，晚泥盆世下雷錳礦的沉積得益于先期越北古陸形成的錳礦或含錳礦石礦床的風(fēng)化、搬運(yùn)、再沉積，下雷錳礦沉積存在不可忽視地陸源特點(diǎn)。

2.3 礦床成因

綜合上述，根據(jù)對(duì)下雷錳礦沉積環(huán)境及成礦物質(zhì)來(lái)源的論述，推測(cè)出下雷錳礦成礦模式如圖1。

圖1 下雷錳礦成礦模式

3 結(jié)語(yǔ)

下雷錳礦為淺海盆地深水臺(tái)溝相沉積的并與海底火山作用有關(guān)的沉積礦床，礦物質(zhì)是多源性的，主要有2個(gè)來(lái)源。

1)海底深水臺(tái)溝下覆火山噴溢的侵入巖，鈷、鎳等稀有元素便是最直接的證據(jù)，此外豆鮞粒狀碳酸錳礦石的形成也進(jìn)一步證實(shí)了海底火山作用成礦這一說(shuō)法，這是在淺海盆地內(nèi)其他次級(jí)沉積相條件下所不能形成的。

2)越北古陸早期錳礦床的風(fēng)化、搬運(yùn)、再沉積，具陸源特點(diǎn)。

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