博茨瓦納莫能錳礦床地質特征及成因

朱永剛，邵擁軍，李朗田，楊藝華，吳繼兵

(1.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙 410083;2.中南地質勘查院，湖北武漢 430081)

莫能(Moeng)錳礦位于博茨瓦納中部區(qū)莫能學院一帶，地理坐標東經(jīng) 27°36'，南緯 22°42'。該區(qū)以往地質工作程度很低，最系統(tǒng)的地質工作為1∶125000的區(qū)域地質調(diào)查。2010年，中南地質勘查院在該區(qū)開展了針對錳礦床的地質普查工作，在近兩年的地質工作中，筆者對該錳礦床的地質特征及成因有了一些初步認識。

1 區(qū)域地質概況

該區(qū)位于距今32.7～26億年之間卡普瓦爾克拉通(Kaapvaal Craton)和津巴布韋克拉通(Zimbabwe Craton)相互擠壓形成的林波波活動帶(Limpopo Belt)(Carney et al.，1994;Green et al.，1997)(圖1)，該活動帶主要巖性為高級變質的片麻巖和變質火山巖(Ermanovics et al.，1980)。包含錳礦層的帕拉佩群(Palapye Group)不整合賦存在林波波活動帶上(圖1)，以丘陵地貌出露地表，除西部為后期的卡魯超群(Karoo Supergroup)覆蓋外，周圍分布的均為林波波活動帶作用時期形成的巖石。

1.1 地層

區(qū)域主要地層為元古代帕拉佩群以及中生代時期的卡魯超群。在該區(qū)南偏西方向120km處有大面積沃特貝格群早期的巖石露頭分布，該群地層與錳礦層的形成可能存在關聯(lián)。

(1)沃特貝格群(Waterberg Group):為一套由砂巖、礫巖和粉砂巖組成的最古老的大陸性紅色巖層。該群地層在18億年之前開始沉積，中晚期沉積的地層與帕拉佩群地層的年齡大致相同(James C Chatupa，1994)。

(2)帕拉佩群(圖1):為一套碎屑狀沉積巖石層序，由下至上依次分為 Seleka、Moeng、Tswapong和Lotsane四個巖性地層組。其中Seleka組為含錳巖系(key et al.，1979)。

Seleka組:不整合覆蓋在林波波活動帶的基底巖石上。由底礫巖、灰白微發(fā)紅石英砂巖、紫紅色含鐵石英砂巖、頁巖、粉砂巖、含錳層組成，夾多個層間礫巖。該地層組總厚度為930m。

Moeng組:為一套以泥質為主的地層，與Seleka組整合接觸。下部為紫色到粉紅色含云母粉砂巖，其上為粉紅色頁巖;中部為由具閃鋅礦礦化的鮞粒狀灰?guī)r組成的鈣質地層;上部為粉紅色頁巖層。該地層組總厚度為335m。

圖1 莫能錳礦床地質簡圖Fig.1 Simplified geological map of the Moeng manganese deposit in Botswana

Tswapong組:為一套以砂質為主的地層，與Moeng組整合接觸。下部為石英砂巖層，包括厚層狀紫紅色石英砂巖、頁巖、石英卵石礫巖以及少量豆狀石英砂巖;中部為薄層狀含鐵石英砂巖層，有豆狀鐵礦石互層;上部由互層的含鐵石英砂巖、長石質粉砂巖、石英卵石礫巖組成的碎屑巖地層。該地層組總厚度為970m。

Lotsane組:為一套以泥質為主的地層，與Tswapong組整合接觸。為一套雜色頁巖、泥巖、板巖和含云母粉砂巖互層的地層，含燧石和赤鐵礦條帶，局部含黃鐵礦。該地層組總厚度超過1000m。

(3)卡魯超群:為后帕拉佩時期沉積，對錳礦層的分布及成因沒有影響。

1.2 構造

區(qū)域內(nèi)斷層主要為Lechana斷裂(圖1)，為后帕拉佩時期形成。在北部存在兩段錳礦層說明該斷層對錳礦層起到破壞作用。

1.3 巖漿巖

區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)任何巖漿巖，僅在莫能錳礦區(qū)以南約20km處分布有少量與帕拉佩群地層同沉積的安山質凝灰?guī)r。

2 礦床地質特征

莫能錳礦床位于整個含錳巖系的中、東部，賦存于Seleka組地層中(圖1)。該組地層自下而上的結構見圖2。

圖2 含錳巖系綜合地層柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of manganese-bearing rock sequence

(1)含鐵頁巖、粉砂巖:水平層理發(fā)育，局部富含海綠石(可達14%)，下部夾厚1～40cm的與砂質碎屑共生的赤鐵礦層，上部夾厚20m的含鐵石英砂巖和多處層間礫巖。

(2)Ⅰ號含錳層:為厚3～6m富含海綠石(可達10%)的厚層狀含鐵或含鐵錳石英砂巖，局部夾含鐵頁巖、粉砂巖。含一層厚1～3.3m的錳礦層。

(3)石英砂巖，夾含鐵頁巖、粉砂巖:水平層理和交錯層理均有發(fā)育，頂、底部夾厚1～40cm的與砂質碎屑共生的赤鐵礦層。含三個層間礫巖。

(4)Ⅱ號含錳層:為厚3～6m厚層狀含鐵或含鐵錳石英砂巖，局部夾含鐵頁巖、粉砂巖。含一層厚1～3.5m的錳礦層，在該錳礦層頂部常有一層厚約10cm的鐵錳礦層。

(5)石英砂巖，夾含鐵頁巖、粉砂巖:在靠近含錳層部位夾厚1～40cm的與砂質碎屑共生的赤鐵礦層，水平層理和交錯層理均很發(fā)育。

(6)底礫巖:位于帕拉佩群底部，延伸長且連續(xù)穩(wěn)定，直接沉積于基底片麻巖之上。礫石占70% ～80%，全為石英砂巖和白色石英巖。

礦床構造簡單，主要存在三個北東方向的斷層以及較多斷距10～20m的小斷層(圖1)。

3 礦層地質特征

3.1 礦層特征

區(qū)內(nèi)包含兩個含錳層，北部為Ⅰ號含錳層，南部為Ⅱ號含錳層(圖1、3)。

Ⅰ號含錳層:為該區(qū)主礦層，延伸長31km，除局部被斷層錯開外，出露基本連續(xù)。錳礦層呈層狀、似層狀，與頂、底板圍巖整合接觸，產(chǎn)狀與圍巖一致，為一單斜地層。礦層總體上為北西西走向，傾向北北東，傾角平緩，一般 8°～15°。錳礦層厚 0.69～3.50m，一般1～2m，平均1.55m，傾向延深在600m以上。上部為氧化錳，下部為碳酸錳。

Ⅱ號含錳層:位于Ⅰ號含錳層以南700～1500m處，延伸長11km。該錳礦層特征與Ⅰ號錳礦層基本一致，但傾向延深不超過75m，全為氧化錳，深部為含錳石英砂巖。

在兩個錳礦層上部的含鐵頁巖、粉砂巖中，有少量氧化錳沿層理或斜交層理呈細脈狀、薄餅狀分布，厚一般1mm，極少數(shù)2～3mm，致密塊狀，含Mn在30%以上。

3.2 礦石特征

3.2.1 礦石自然類型

莫能錳礦礦石類型主要劃分為氧化錳礦石和碳酸錳礦石。氧化錳礦石分布于地表及近地表，為碳酸錳遭受氧化而形成;碳酸錳礦石分布在氧化界線以下。

3.2.2 礦石結構構造

氧化錳礦石:結構主要有不等粒砂狀結構、顯微半自形－他形晶粒結構、填隙結構、交代殘留結構、環(huán)帶結構(圖4－d)，?？梢娏６?mm左右的石英碎屑，局部礦段偶爾還可見5～10mm的石英礫石;構造主要有塊狀構造、結核狀構造、孔洞狀構造(圖4－a)、層狀構造、膠狀構造、孔隙－基底式膠結構造(圖4－c)、網(wǎng)脈狀構造。

碳酸錳礦石:結構主要有基底具粉晶－細晶的礫－砂狀粒屑結構、基質具泥－細晶的鮞粒－內(nèi)碎屑結構、基質具泥－細晶的含粉砂細－中粒砂狀結構;構造主要為塊狀構造(圖4－b)，具基底式、孔隙式膠結。

3.2.3 礦石礦物成分

氧化錳礦石(圖4－c、d):礦石礦物主要為錳鋇礦、次為軟錳礦，在X衍射分析中還發(fā)現(xiàn)有水錳礦;脈石礦物主要為石英、赤鐵礦，少量褐鐵礦、白云母、正長石，以及副礦物電氣石、鋯石。

碳酸錳礦物:主要依據(jù)礦石的化學物相分析確定(見表1)，從表中看，錳主要以碳酸錳礦物的形式存在，少部分賦存在硅酸錳礦物中，在X衍射分析中也發(fā)現(xiàn)有蠟硅錳礦;脈石礦物主要為石英、長石、白云母、方解石。

表1 錳礦石物相分析結果表Table 1 Phase analysis results of manganese ores

3.2.4 礦石化學組分

區(qū)內(nèi)錳礦石以貧錳礦石為主，有少量富錳礦石，Mn含量在走向上變化較為穩(wěn)定。對區(qū)內(nèi)300個基本分析樣品的統(tǒng)計結果顯示，Mn與TFe、Mn與SiO2呈負相關關系，Mn與P呈正相關關系。全礦區(qū)錳礦石平均化學組分見表2。

從表中可以看出，兩類錳礦石均屬低磷高鐵錳礦石，碳酸錳礦石(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)為0.1，屬酸性錳礦石。地表氧化錳與深部碳酸錳礦石相比，錳質進一步富集的幅度較小，原因可能是脈石礦物基本為石英碎屑所致。

4 礦床成因

4.1 沉積環(huán)境分析

區(qū)內(nèi)帕拉佩群地層沉積在一個斷裂控制的凹槽中(Key，1979)，屬濱外淺海陸棚沉積環(huán)境，其依據(jù)有:(1)帕拉佩群四個地層組的巖性特征及分布規(guī)律與湖泊相的同心環(huán)帶模式不相一致;(2)底礫巖的特征顯示了一種高能的濱岸沖刷環(huán)境;(3)在對含錳層及圍巖標本的巖礦鑒定中發(fā)現(xiàn)大量的海綠石(達14%)，顯示了淺海沉積環(huán)境的特征;(4)帕拉佩群的巖石組成以單碎屑共生系列為主，顯示了淺海、濱海相組合特征;(5)含錳層及其上下地層的巖性特征、水平層理和交錯層理的發(fā)育以及一些層面上豐富的浪成波痕、水流綜合作用波痕均顯示了淺海陸棚沉積環(huán)境的特征(何鏡宇等，1987;李增學等，2010)。

底礫巖中礫石為石英砂巖和白色石英巖，與沃特貝格群的巖性特征基本一致，在該區(qū)較遠處也有沃特貝格群早期巖石的露頭分布。因此，帕拉佩群的沉積物質很可能來自早期沃特貝格群的剝蝕物，在陸地風化帶內(nèi)，錳以絡合物或膠狀懸浮液的形式被搬運至海洋。

在潮汐或風暴帶來的巨大能量作用下，淺海區(qū)的海底沉積物，包括初始沉積的錳質，被強烈的掀起、改造，和水混合在一起形成高密度碎屑流。由于碎屑流受控于重力作用，在搬運至潮汐流或風暴流基面附近，錳質、鐵質、砂質碎屑一起沉積下來，形成厚層和連續(xù)性均較穩(wěn)定的錳礦層。錳質主要以內(nèi)碎屑形式存在，脈石礦物以砂質碎屑為主，錳質與鐵質碎屑的存在、偶爾包含的小礫石、反應快速堆積特征的基底式膠結等特征均說明這種搬運沉積作用的存在。在含錳巖系中的層間礫巖夾層也可能是這種作用造成。含錳層頂、底板為頁巖、粉砂巖以及與砂質碎屑共生的赤鐵礦夾層說明砂的搬運是間歇性的(劉寶珺，1980;姚敬劬等，1995;候宗林等，1997)。

兩個具有相似地質特征錳礦層的存在可能代表了兩個沉積旋回，說明該區(qū)存在兩個沉積環(huán)境相似的錳質沉積期。

表2 錳礦石化學組分含量表Table 2 Chemical components of manganese ores

4.2 后生改造

帕拉佩群地層沉積之后，區(qū)內(nèi)可能發(fā)生過區(qū)域變質作用。石英碎屑次生加大現(xiàn)象普遍，部分發(fā)生重結晶作用，以及后帕拉佩時期未發(fā)現(xiàn)強烈的構造作用及巖漿巖分布等特征，均說明區(qū)域變質作用的存在，但變質作用不是太強。原始沉積的碳酸錳礦石中含少量硅酸錳礦物，也進一步說明了這種變質作用的存在(楊玉春等，1996)。

錳礦層抬升至地表后，由于碳酸錳礦物和硅酸錳礦物在地表條件下易氧化的特征，地表及近地表的錳礦石全部被氧化。錳礦層凹凸不平的表面和發(fā)育有孔洞的特征說明了表生氧化作用的存在。錳礦層傾向與山坡坡向一致、產(chǎn)狀平緩、埋藏較淺，為錳礦層大范圍的氧化提供了良好的條件，傾向延伸200m位置的鉆孔中發(fā)現(xiàn)具孔洞狀構造的氧化錳礦石說明了這一氧化作用的特點。錳礦層頂、底板圍巖的裂隙中氧化錳細脈的存在說明錳礦層氧化過程中淋濾作用的存在。

4.3 成因模式淺析

林波波活動時期，在活動帶南緣發(fā)育了斷裂控制的凹陷，從而形成錳沉積盆地，包含含錳巖系的帕拉佩群地層受該盆地的嚴格控制。

錳質同陸源碎屑一起以絡合物或膠體的形式搬運至海洋，“初始錳源”在海水中長時間持續(xù)穩(wěn)定地蘊集而形成含高濃度錳的海水溶液，在適宜的EhpH環(huán)境中，錳質暫時以碳酸錳礦物的方式沉淀下來。后在潮汐流或風暴流的作用下，含錳沉積物被掀動破碎，并被潮汐流或風暴流搬運至位于淺海陸棚的斷陷盆地中隨砂質碎屑一起沉積。

在區(qū)域變質作用下，少部分碳酸錳礦物(如菱錳礦)與沉積體系中的SiO2發(fā)生變質反應，生成錳的硅酸鹽礦物(如蠟硅錳礦)。在表生氧化階段，地表及近地表的碳酸錳、硅酸錳礦物均轉變?yōu)殄i的氧化物與氫氧化物(如錳鋇礦、軟錳礦、水錳礦)，并賦存在原錳礦層中，少量錳質被地下水淋濾到附近的裂隙或層理中以氧化錳形式沉積。

綜上所述，初步認為該區(qū)原生錳礦層屬淺海沉積變質型錳礦床，地表及淺部屬“錳帽型”氧化錳礦床，并伴隨淋濾成因的氧化錳礦石，但僅在局部以稀疏細脈分布，因而不能成為“淋濾型”氧化錳礦床。

4.4 與卡拉哈里(Kalahari)錳礦田對比

卡拉哈里是目前已知陸地上最大的錳礦田，位于莫能錳礦西南方向約700km處(圖1)，屬南非共和國開普省庫魯曼(Kuruman)地區(qū)。整個礦田錳礦石資源量為136億t，占世界錳礦石資源量的70%以上(沈承珩等，1995)。筆者通過把莫能錳礦床與該巨型錳礦田進行對比(見表3)發(fā)現(xiàn)，莫能錳礦床在成礦背景、成礦時代、礦床特征、巖相古地理特征及后生改造等方面與卡拉哈里錳礦田均有相似之處，這個對比結果更進一步說明了本文提出的關于莫能錳礦床為淺海沉積變質型錳礦床的成因觀點，也說明莫能錳礦具有成為大型錳礦床的資源潛力。

表3 莫能錳礦床與卡拉哈里錳礦田對比表Table 3 Comparison of the Moeng manganese deposit with the Kalahari manganese ore field

5 結語

該區(qū)以往工作程度極低，此次地質工作程度和研究程度也很有限，要對該錳礦床的地質特征獲取更深入的認識，成因上獲得更充多的依據(jù)，還需開展大量的地質和測試研究工作。該區(qū)錳礦石的資源遠景雖然頗具規(guī)模，錳礦埋深也較淺(一般都在100m以內(nèi))，且交通便利，但該礦在當前國際經(jīng)濟條件下開發(fā)是否經(jīng)濟，還有待進一步研究確認。

致謝本文的英文翻譯工作全部由中南地質勘查院的蔡亞敏完成，在此深表感謝。

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