南非Postmasburg錳礦田白云巖的控礦作用

常洪倫 孔繁輝 宋曉東 趙 晉 李建鋒 杜 俊 王聰穎

(華北有色工程勘察院有限公司 石家莊 050021)

0 引言

南非是世界上錳礦儲(chǔ)量最多的國(guó)家，蘊(yùn)藏的錳礦儲(chǔ)量可以達(dá)到全球高品位錳礦總量的80%以上［1，2］，這些錳礦主要發(fā)育于著名的Kalahari-Postmasburg成礦帶上。其中，Postmasburg錳礦田因其獨(dú)特的礦床類型和成礦機(jī)制而聞名。20世紀(jì)以來(lái)，隨著全球錳礦需求量的增加，掀起了一股對(duì)錳礦床開發(fā)的熱潮，Postmasburg錳礦田也因此成為全球錳礦開發(fā)的熱點(diǎn)區(qū)域。但由于對(duì)礦床的控礦因素、礦床發(fā)育特征認(rèn)識(shí)不夠深刻，造成了大量的物力、財(cái)力等方面的損失。本文依托于Postmasburg錳礦田內(nèi)Bishop、Paling兩處礦權(quán)區(qū)的錳礦普查項(xiàng)目，從探索成因的角度，以基底白云巖為重點(diǎn)研究對(duì)象，重新認(rèn)識(shí)白云巖巖溶系統(tǒng)，了解其對(duì)礦床的控制作用，進(jìn)而深化對(duì)礦田發(fā)育與演化過(guò)程的理解，為該地區(qū)的地質(zhì)找礦提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

Postmasburg錳礦田位于南非北開普省東北部，北起Sishen，南至Postmasburg。北部與Kalahari錳礦田毗鄰，成為僅次于Kalahari錳礦田的全球第二大錳礦田［3］。礦田內(nèi)部有東礦帶、西礦帶和混合帶三條礦帶(圖1)，其中Bishop、Paling兩個(gè)礦區(qū)位于西礦帶上。

圖1 Postmasburg錳礦田位置及礦帶分布(據(jù) Leisen，1987，修改)［4］Fig.1 Location of Postmasburg manganese field(modified from Leisen，1987)

東礦帶形成較早，以礦體中富含硅質(zhì)角礫巖為特征;西礦帶較為年輕，發(fā)育了較為完整的沉積序列;混合帶兼具前二者的特征。三個(gè)礦帶的礦石在化學(xué)組成、礦物組成以及地質(zhì)背景上均存在差異。雖然發(fā)育于不同的區(qū)帶上，但礦體普遍較小，形狀、規(guī)模和地層均不規(guī)則，礦體的空間分布受白云巖溶蝕形態(tài)的制約。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

Postmasburg錳礦田的形成與該地區(qū)前寒武紀(jì)的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，這一構(gòu)造被稱為Maremane背斜隆起，它由Campbellrand亞群的白云巖和Transvaal超群Ghaap群Asbestos山亞群的鐵質(zhì)建造組成(2.15～2.64 Ga)［5］。Postmasburg 錳礦田位于 Maremane 背斜隆起之上，處于Kaapvaal克拉通西邊緣以內(nèi)，圍巖是元古代前沉積的Transvaal超群。區(qū)內(nèi)東部地層呈弧狀分布，它們?cè)诓煌牟课环謩e向北、東或南傾斜(圖2)，傾角小于 10°［6］。由于 Transvaal超群被平緩的晚元古代Olifantshoek群Gamagara組的紅層不整合覆蓋，因此該隆起僅有東半部分暴露出來(lái)。在西部，Transvaal超群的更老巖石，包括 Koegas鐵質(zhì)建造、Makganyene陸源混積巖和Ongeluk安山質(zhì)熔巖，它們被南北向發(fā)育的Black Ridge逆沖斷層推覆到Gamagara組之上，沿著推覆方向產(chǎn)生的位移自西向東至少達(dá)到了 35 km［7］。

Gamagara山脊中央部位為Gamagara組基部的西帶富鐵錳礦體，此處的沉積序列不整合覆蓋在Reivilo組的富錳白云巖之上。Gamagara組的鋁質(zhì)頁(yè)巖或褐鐵礦礫巖整合于鐵質(zhì)錳礦石之上，這些鐵質(zhì)錳礦石被限于Campbellrand白云巖的溶蝕洼地中。礫巖和頁(yè)巖在沖積的洪泛平原環(huán)境下沉積下來(lái)。鋁質(zhì)頁(yè)巖由葉臘石化的水鋁石和高嶺石組成，其中含有含量不同的褐鐵礦和少量的伊利石、金紅石。

Maremane隆起以上的地層較為復(fù)雜。在元古代早期(2.432±0.031 Ga)，Maremane地區(qū)被抬升到海平面以上遭受侵蝕。Gampbellrand亞群的白云巖發(fā)生了強(qiáng)溶巖作用，溶蝕構(gòu)造出現(xiàn)。Maremane隆起的北部、東部和南部繼續(xù)遭受侵蝕，一直持續(xù)到Koegas期。此后，東部的鐵錳建造開始沉積，而西部的白云巖繼續(xù)被暴露侵蝕，鐵錳建造沉積缺失，沉積作用始于其后期的Gamagara頁(yè)巖組。整個(gè)Maremane區(qū)被Postmasburg群的碎屑巖所覆蓋，在含礦區(qū)內(nèi)至少疊加了兩個(gè)構(gòu)造期。

3 礦田地層序列

Postmasburg錳礦田的地層序列一直是眾多學(xué)者長(zhǎng)期爭(zhēng)論的問(wèn)題［8～10］。南非地層委員會(huì)在1980統(tǒng)一了該地區(qū)的地層序列，形成了南非地質(zhì)調(diào)查官方認(rèn)可的版本。該地層序列如表1所示［11］。

圖2 Postmasburg錳礦田區(qū)域地質(zhì)圖Fig.2 Regional geology of Postmasburg manganese field

表1 Postmasburg錳礦田地層序列Table 1 Stratigraphic sequence of Postmasburg manganese field

根據(jù)在Bishop、Paling兩處礦權(quán)區(qū)的施工鉆探結(jié)果，結(jié)合地層出露情況和前人研究成果，將礦區(qū)內(nèi)的地層劃分為以下幾個(gè)巖性單元(圖3)，巖性特征簡(jiǎn)述如下:

…………(未見(jiàn)頂)…………

(1)Paling頁(yè)巖單元:紅褐色、紫紅色頁(yè)巖，夾有黃綠色泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖薄層。厚度＞3 m。

(2)石英巖、Gamagara頁(yè)巖單元:紫紅色、肉紅色、白色中粗粒石英巖夾有黃綠色、紫紅色頁(yè)巖。厚度10～15 m。

(3)泥質(zhì)粉砂巖單元:灰白色、淺綠色、淺灰綠色泥質(zhì)粉砂巖，夾有斑點(diǎn)狀含鐵石英粉砂巖、紅褐色含鐵錳黏土巖、斑點(diǎn)狀綠簾絹云母板巖的薄層或透鏡體。厚度8～12 m。

(4)鐵質(zhì)細(xì)砂巖/鐵質(zhì)礫巖單元:紅棕色、紅褐色鐵質(zhì)細(xì)砂巖，含紅褐色泥質(zhì)粉砂巖夾層或透鏡體。厚度1.5～3 m;或?yàn)榧t棕色至黑褐色鐵質(zhì)礫巖，含紅褐色碎屑狀硅質(zhì)鐵錳礦石角礫或球粒狀鐵質(zhì)細(xì)砂礫屑。厚度2～4 m。

(5)鐵錳礦體單元:鋼灰色、黑色錳礦石，主要金屬礦物為方鐵錳礦、褐錳礦和硬錳礦。厚度3～15 m。

…………不整合…………

(6)白云巖單元:灰黃色、淺黃綠色藻白云巖和灰色、淺灰綠色、灰黑色富錳白云巖。厚度＞20 m。

…………(未見(jiàn)底)…………

圖3 Postmasburg錳礦田的巖性序列Fig.3 Lithology sequence of Postmasburg manganese field

4 白云巖的控礦作用

研究區(qū)內(nèi)白云巖出露廣泛，遍布整個(gè)礦田中部地區(qū)，三條礦帶均發(fā)育于白云巖基底之上。此外，原生礦破碎后形成的富錳礦石，也經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、堆積后在白云巖的溶蝕洼陷內(nèi)聚集成礦。因此，Postmasburg錳礦田的礦體分布受到白云巖的控制作用。

4.1 白云巖巖溶系統(tǒng)

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的白云巖出露特征，可識(shí)別出兩種類型的白云巖，分別是富錳白云巖及上覆的藻白云巖，它們都是Postmasburg錳礦田早元古代白云巖巖溶系統(tǒng)的重要元素。

4.1.1 富錳白云巖

該類型白云巖構(gòu)成了巖溶系統(tǒng)的主體部分。其典型特征是成層性良好，出露原巖均可見(jiàn)清晰層理(圖4a)。原生巖石呈泥晶—細(xì)晶結(jié)構(gòu)，具顯微層理，生物殘?bào)w很少或無(wú)。礦物成分主要是白云石，含量約85%～90%;其次為鐵錳質(zhì)不透明礦物，含量10%～15%;石英少量。白云石多呈0.05～0.3 mm的他形粒狀鑲嵌在一起。鐵錳質(zhì)不透明礦物分布不均勻，相對(duì)集中成團(tuán)出現(xiàn)或沿裂隙、白云石粒間充填。石英細(xì)粒集合體呈團(tuán)塊狀分散在巖石中。不透明礦物硬度低，染手，可能以軟錳礦為主。Beukes測(cè)得其中錳的含量至少達(dá)到了2%～3%，因此屬于富錳白云巖的范疇［12］。

富錳白云巖遭受巖溶作用后，巖石中的錳質(zhì)不溶物在巖溶系統(tǒng)中化學(xué)沉淀，形成錳土或錳質(zhì)軟泥［13～16］。錳土多覆蓋或包裹在富錳白云巖的表面，多呈不規(guī)則形態(tài)，有時(shí)保留了白云巖的層狀外形特征(圖4b)。研究區(qū)內(nèi)常見(jiàn)錳土夾于白云巖和鐵錳礦體之間，由此可知，沉積序列形成于白云巖遭受溶蝕之后，鐵錳礦體和白云巖之間為不整合接觸關(guān)系。

4.1.2 藻白云巖

原生巖石多呈他形粒狀結(jié)構(gòu)、中—細(xì)晶結(jié)構(gòu)，紋層狀構(gòu)造。巖石的礦物成分單一，主要是白云石，含量＞95%，少量鐵質(zhì)等不透明礦物分散在白云石中。白云石多數(shù)呈他形粒狀，局部呈齒形粒狀。結(jié)晶粗細(xì)不均勻，粒徑0.02～0.1 mm，粗細(xì)相間排列形成上述構(gòu)造。

藻白云巖發(fā)育于富錳白云巖之上，通常被一層厚約30～40 cm的紫紅色頁(yè)層分隔開(圖4c)，這代表出現(xiàn)了深?！獪\海的環(huán)境變化過(guò)程，其間夾有短期的靜水環(huán)境。內(nèi)部藻類生物體含量較高，常呈疊層狀或波紋狀結(jié)構(gòu)，環(huán)狀藻紋層十分發(fā)育(圖4d)，據(jù)此推測(cè)其形成于高鹽度的潮坪或潟湖環(huán)境中。錳質(zhì)含量極低，未見(jiàn)溶蝕殘余物覆蓋。藻白云巖比富錳白云巖更易遭受溶蝕，多形成“石林”狀巖貌。與富錳白云巖相比，藻白云巖的另一特點(diǎn)是可與鐵錳礦體直接接觸，常見(jiàn)殘留原生鐵錳礦塊附于藻白云巖之上(圖4e，f)。但這并不能說(shuō)明它們?yōu)檎详P(guān)系，因?yàn)榈V體是在白云巖遭受溶蝕后形成，二者之間存在一個(gè)長(zhǎng)期的沉積間斷。

圖4 白云巖特征及層位Fig.4 Characters and position of dolomite rock

4.2 白云巖控礦機(jī)制

Ghaap臺(tái)地白云巖是研究區(qū)巖溶系統(tǒng)形成的基礎(chǔ)，沉積序列中鐵錳礦體的發(fā)育受到白云巖溶坑的嚴(yán)格控制，堆積型錳礦體的分布、規(guī)模、形態(tài)也取決于白云巖溶蝕的強(qiáng)度、位置等條件。白云巖的控礦作用主要表現(xiàn)為以下兩方面:

(1)對(duì)原生礦體的控制

巖溶系統(tǒng)形成后，巖溶構(gòu)造發(fā)育并不規(guī)則，出現(xiàn)一系列規(guī)模、形態(tài)、位置、方向均不相同的溶洞、溶溝等。此后，隨著巖溶系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)育，溶洞坍塌，臺(tái)地表面形成大量的溶坑和溶蝕洼地。海侵后，沉積序列開始，首先是鐵、錳的沉積。錳為“遷移性”元素，而鐵為惰性元素，由于這一性質(zhì)差異，使得錳的沉積深度比鐵要深［17，18］。因此，在溶坑的底部，錳含量比鐵高，而在側(cè)部，鐵比錳高。溶坑的形態(tài)不規(guī)則，造成鐵錳建造體的厚度不均，呈中部厚、邊部薄、底部不平的盤狀。隨著沉積作用的繼續(xù)進(jìn)行，基底不斷抬升，沉積環(huán)境更適宜于鐵質(zhì)，而沉積物中錳質(zhì)含量則逐漸降低。因此，在形成的鐵錳建造中，底部、中央部位富錳，上部、邊緣部位富鐵，并且錳的品位向上、向外降低，鐵則提高，鐵、錳的總體品位基本穩(wěn)定在60%左右。礦體底部礦石以褐錳礦為主，而側(cè)部和頂部的礦石則由于富鐵，以方鐵錳礦為主。鐵質(zhì)細(xì)砂巖或鐵質(zhì)礫巖沉積層的形成，標(biāo)志著鐵錳建造過(guò)程的結(jié)束，此后是粉砂巖單元的沉積。

巖溶系統(tǒng)中，富錳白云巖遭受溶蝕后形成的錳質(zhì)軟泥或錳土多沉積在溶坑的底部，邊部層位較高的藻白云巖則被沉積序列直接覆蓋。因此，在地層序列中，錳土代表了侵蝕不整合面，藻白云巖與沉積序列各巖性單元的接觸不能表明是整合關(guān)系。由此可見(jiàn)，礦體厚度較大處，出現(xiàn)錳土或富錳白云巖即可認(rèn)為是底板;薄的鐵質(zhì)細(xì)砂巖層覆蓋于藻白云巖之上，或是富鐵、貧錳的礦體與藻白云巖直接接觸，則可認(rèn)為是礦體側(cè)向延伸的終止(圖5a)。

(2)對(duì)堆積型礦體的控制

堆積型礦體多發(fā)育于白云巖溶蝕嚴(yán)重的溶溝中，其規(guī)模取決于溶溝的形態(tài)和深度。堆積型礦體形成于原生礦體崩解破碎之后，白云巖再次形成了巖溶系統(tǒng)，對(duì)破碎錳礦石的搬運(yùn)和堆積起到了控制作用。原有白云巖溶坑側(cè)壁由藻白云巖組成，易于溶蝕。隨著溶蝕作用的進(jìn)行，側(cè)壁壩塌，溶坑中的沉積序列因受到上部巖層的保護(hù)而保存下來(lái)。近礦端溶蝕作用較弱，白云巖保留了較高的層位;而斜坡邊緣則由于強(qiáng)烈的沖蝕和溶蝕，形成了溶溝十分發(fā)育的巖溶地貌和良好的接納空間。原生礦體邊部破碎后，在溶蝕斜坡上堆積，近礦源端形成了大粒徑、薄堆積的礦層;白云巖溶蝕斜坡邊緣的復(fù)雜地形有利于形成圓粒、中等粒度、厚度大的堆積型礦體;遠(yuǎn)礦源端則因礦石長(zhǎng)距離搬運(yùn)，普遍粒徑較小，被白云巖的溶解物重新膠結(jié)、壓實(shí)后形成薄層的鈣質(zhì)結(jié)礫巖。因此，無(wú)論是近礦源端，還是遠(yuǎn)礦源端的堆積型錳礦體礦石量均不大，具有一定規(guī)模的堆積型錳礦多見(jiàn)于斜坡邊緣(圖5b)。

5 礦田發(fā)育與演化模型

Postmasburg錳礦田的形成不是偶然的，而是受多個(gè)因素的綜合影響，如礦質(zhì)供給、沉積速率、氧化環(huán)境等，但白云巖巖溶系統(tǒng)無(wú)疑是礦體形成的最基礎(chǔ)條件［19～22］，兩次巖溶作用分別為沉積型錳礦和堆積型錳礦的形成提供了良好的成礦環(huán)境。根據(jù)Postmasburg錳礦田的巖性序列特征以及前人的認(rèn)識(shí)，可將礦田的發(fā)育過(guò)程劃分為以下三個(gè)時(shí)期。

(1)基底溶蝕期

早Gamagara期，Ghaap的白云巖臺(tái)地在Maremane隆起的作用下抬升至海平面以上并接受侵蝕，形成一套完整的白云巖巖溶系統(tǒng)，它導(dǎo)致巖溶主要沿著10°、50°和 150°的方向發(fā)育［23］。在西部，白云巖被暴露侵蝕的時(shí)間較長(zhǎng)，一直向下深入到較老的 Ulco段［13］。隨著巖溶作用的不斷進(jìn)行，臺(tái)地表面出現(xiàn)大規(guī)模的溶蝕構(gòu)造，溶洞、溶溝等十分發(fā)育。富錳白云巖遭受溶蝕后，錳質(zhì)的溶蝕殘余物被水流搬運(yùn)到溶蝕構(gòu)造的底部沉積富集，形成錳質(zhì)軟泥。此后，溶洞頂板和溶溝側(cè)壁坍塌，出現(xiàn)一系列溶坑或溶蝕洼地。這些溶坑或溶蝕洼地沿著Maremane隆起的軸向方向排列［24，25］，分布在 Maremane 隆起的東、西兩側(cè)(圖6a)。

圖5 白云巖對(duì)礦體的控制作用示意圖Fig.5 Schematic presentation of dolomite control onoorebody a.Dolomite control on original orebody;b.Dolomite control on cumulate orebody

(2)序列沉積期

至 Gamagara期，出現(xiàn)大規(guī)模的 Transvaal海侵［24］。海平面上升至Maremane隆起以上，研究區(qū)處于淺海海盆環(huán)境中，開始接受沉積序列的覆蓋，其中白云巖溶坑或溶蝕洼地成為沉積物主要的接納空間。水體中的鐵、錳質(zhì)有多個(gè)來(lái)源，主要有火山物質(zhì)、陸緣碎屑、巖漿和熱液物質(zhì)以及深海錳質(zhì)等［17］。這些錳質(zhì)源以不同的方式向淺海海盆中運(yùn)移并逐漸富集，形成富含鐵、錳膠體的水體。至古元古代成鐵紀(jì)，全球出現(xiàn)了大氧化事件，尤其在非洲大陸更為明顯，導(dǎo)致鐵、錳的膠體受氧化而沉積。由于鐵、錳沉積性質(zhì)的差異，沉積序列中出現(xiàn)了沉積分異:錳質(zhì)多富集于溶坑的底部和中央，而鐵質(zhì)則富集于較淺的外緣。這些沉積物在隆起的東部形成較早，在西部形成較晚［13］。隨著沉積作用的進(jìn)行，相繼建造了鐵錳礦體單元、鐵質(zhì)細(xì)砂巖單元/鐵質(zhì)礫巖單元、泥質(zhì)粉砂巖單元、石英砂巖單元。最后，Gamagara頁(yè)巖單元的形成標(biāo)志著沉積序列的結(jié)束(圖6b)。在各個(gè)單元建造期間，總體的沉積環(huán)境保持穩(wěn)定，中間穿插小型的環(huán)境波動(dòng)，因此，各個(gè)沉積單元內(nèi)往往含有泥質(zhì)細(xì)砂巖或粉砂巖的夾層。

圖6 Postmasburg錳礦田發(fā)育與演化示意圖Fig.6 Schematic presentation for development and evolution of Postmasburg manganese field

(3)塌陷堆積期

Gamagara期后，研究區(qū)再次被抬升至海平面以上。在厚層沉積序列的壓實(shí)作用下，成礦物質(zhì)重新結(jié)晶，形成了以褐錳礦、方鐵錳礦、硬錳礦等為主的金屬礦物。多個(gè)期次的斷裂作用使研究區(qū)的原有地層遭到破壞，出現(xiàn)規(guī)模各異的小型斷塊。同時(shí)，白云巖基底再次形成巖溶系統(tǒng)。溶洞繼續(xù)發(fā)育并坍塌，薄層的沉積序列因溶洞坍塌而消失，原有溶坑中的厚層沉積序列因受到頂部Marthaspoort石英巖的保護(hù)而保存下來(lái)［26］，形成了現(xiàn)在的Gamagara低山脊。側(cè)部崩塌的原生礦體經(jīng)過(guò)破碎、搬運(yùn)，在白云巖斜坡上堆積聚集。其中，斜坡邊緣的小型溶坑或溶溝十分發(fā)育，礦石填充壓實(shí)后，形成了現(xiàn)在的堆積型礦體(圖6c)。

6 結(jié)論

Postmasburg錳礦田作為沉積受變質(zhì)型錳礦田的代表，其沉積序列的發(fā)育受到白云巖基底的嚴(yán)格控制，次生堆積型錳礦體的分布、規(guī)模也與白云巖的巖溶系統(tǒng)密切相關(guān)。通過(guò)上述對(duì)白云巖控礦機(jī)制的分析和對(duì)研究區(qū)發(fā)育與演變的探討，可以將Postmasburg錳礦田內(nèi)白云巖的控礦作用歸納為以下幾點(diǎn):

(1)白云巖構(gòu)成了礦體的底板，但二者為不整合接觸關(guān)系，中間包含了相當(dāng)長(zhǎng)的巖溶侵蝕期，在地層序列上沒(méi)有必然的聯(lián)系。

(2)白云巖溶蝕構(gòu)造以N—S向分布為主，因此礦帶N—S向延伸，礦體在W—E方向上的連續(xù)性較差，從溶坑中部向兩側(cè)厚度逐漸變薄，以至尖滅。

(3)藻白云巖整合覆蓋于富錳白云巖之上，錳土作為富錳白云巖的溶蝕殘余物代表了礦體的底部界線，而藻白云巖代表了礦體的側(cè)部圍巖，工程施工中取得的這些標(biāo)志有助于為礦體的三維建模提供邊界數(shù)據(jù)，降低資源量估算誤差。

(4)與富錳白云巖或錳土接觸的礦體礦石，通常富錳，以褐錳礦為主;與藻白云巖接觸的礦石，則由于鐵質(zhì)含量較高，以方鐵錳礦為主。在錳、鐵品位方面，底部礦石富錳貧鐵，頂部、側(cè)部礦石鐵、錳相當(dāng)，但錳、鐵的總體品位基本一致。

(5)堆積型錳礦體形成于白云巖第二次遭受侵蝕之后，礦石來(lái)源于原生錳礦體。近源端或遠(yuǎn)源端由于不利于礦石的堆積而難以成礦，白云巖斜坡邊緣的溶蝕空間較大，因而成為堆積型錳礦體的主要分布部位。

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