西昆侖穆呼錳礦晚石炭世含錳碳酸鹽巖地質(zhì)地球化學特征及其沉積環(huán)境

陳登輝，隋清霖，趙曉健，荊德龍，滕家欣，高永寶

1.自然資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室，西安 710054 2.中國地質(zhì)調(diào)查局造山帶地質(zhì)研究中心，西安 710054 3.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054

0 引言

中國的錳礦主要分布在“泛揚子區(qū)”、華北陸塊的燕遼地區(qū)等區(qū)域[1-2]，新疆地區(qū)錳礦資源較少。近年來，在新疆西昆侖瑪爾坎蘇一帶新發(fā)現(xiàn)了奧爾托喀訥什、穆呼、瑪爾坎土等多個大中型錳礦床，錳礦石具有品位高、厚度大、層位穩(wěn)定等特點，是新疆地區(qū)乃至全國都少有的優(yōu)質(zhì)菱錳礦。初步查明奧爾托喀訥什錳礦和穆呼錳礦資源量已超過3 000萬噸?，敔柨蔡K一帶含錳巖系東西延伸近100 km，具有較大的找礦潛力，但是錳礦層在含錳巖系中的分布規(guī)律、沉積相和沉積環(huán)境特征尚不清楚，嚴重制約了瑪爾坎蘇一帶錳礦層的精確定位和錳礦找礦勘查。同時，西昆侖地區(qū)石炭紀—二疊紀處于洋陸轉(zhuǎn)換的重要階段[3]，是古特提斯洋閉合的重要時期[4-5]，因此，瑪爾坎蘇一帶晚石炭世含錳巖系是構(gòu)造演化也是沉積環(huán)境變遷的關(guān)鍵層位。

目前，關(guān)于研究區(qū)含錳巖系的研究僅限于簡單的地層劃分，對于其區(qū)域沉積格局和古地理特征，特別是該時期盆地水體分布范圍、盆地形態(tài)、沉積環(huán)境介質(zhì)條件、古氣候特征、古海水特征均缺乏相關(guān)研究，這些都是瑪爾坎蘇一帶含錳碎屑巖—碳酸鹽巖沉積環(huán)境分析中存在的問題。本文通過對瑪爾坎蘇地區(qū)穆呼錳礦含錳碳酸鹽巖剖面測量、巖石特征、巖礦地球化學特征、鍶同位素分析等工作，探討了瑪爾坎蘇一帶穆呼錳礦含錳巖系沉積相特征和沉積環(huán)境，為下一步在瑪爾坎蘇一帶含錳巖系及其延伸帶進行錳礦層精確定位，明確西昆侖—塔西南一帶晚古生代構(gòu)造演化、環(huán)境變遷均具有重要的實際意義和理論意義。

1 地質(zhì)背景

西昆侖瑪爾坎蘇錳礦帶位于新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣木吉鄉(xiāng)北80 km處，大地構(gòu)造位置處于西昆侖造山帶和塔里木陸塊的結(jié)合部，構(gòu)造變形強烈，含錳巖系沿西昆侖構(gòu)造帶北部的昆蓋山—庫爾浪晚古生代裂谷分布[6-7]，在瑪爾坎蘇一帶含錳巖系西段30 km范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了奧爾托喀訥什大型錳礦、瑪爾坎土中型錳礦、穆呼中型錳礦及一批錳礦化點(圖1b)[8]。

圖1 西昆侖瑪爾坎蘇一帶區(qū)域地質(zhì)簡圖[8]1.第四系;2.新近系;3.古近系;4.白堊系;5.二疊系;6.上石炭統(tǒng);7.下石炭統(tǒng);8.泥盆系;9.志留系;10.古元古界;11.花崗斑巖;12.斜長花崗巖;13.斷裂;14.錳礦床(點);15.國界Fig.1 Regional geological map of Maerkansu, West Kunlun[8]

區(qū)域地層以瑪爾坎蘇錳礦帶北側(cè)烏赤別離山口—阿克徹依斷裂為界，北側(cè)為塔里木地層分區(qū)，南側(cè)為西昆侖地層分區(qū)。西昆侖地層分區(qū)出露地層主要有古元古界、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系及第四系。其中下石炭統(tǒng)為一套基性火山巖，上石炭統(tǒng)為一套碎屑巖—碳酸鹽巖建造局部夾少量凝灰?guī)r，是區(qū)內(nèi)主要含錳層位(圖1b)?，敔柨蔡K地區(qū)石炭紀—二疊紀地質(zhì)體自早古生代晚期開始至新近紀晚期經(jīng)歷了多期構(gòu)造變形影響[9-10]，形成了由南西向北東疊瓦式逆沖推覆，泥盆系和上石炭統(tǒng)(含錳巖系)為推覆構(gòu)造前鋒帶，多發(fā)育斷裂和褶皺構(gòu)造。

2 礦床地質(zhì)特征

穆呼錳礦位于阿克陶縣木吉鄉(xiāng)喀拉阿特河與瑪爾坎蘇河交匯處，與瑪爾坎土錳礦實為一個礦床，分屬兩個礦權(quán)(圖2)。礦區(qū)出露地層為早二疊世瑪爾坎雀庫塞山組(P1m)、晚石炭世喀拉阿特河組(C2k)及第四系(Q)(圖2)?，敔柨踩笌烊浇M巖性主要為變質(zhì)礫巖、長石砂巖及硅質(zhì)大理巖；喀拉阿特河組上段為賦礦層位，主要為一套碎屑巖—碳酸鹽巖，可以識別出三個巖性層，上部和下部為顆粒較細的鈣質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r、砂屑灰?guī)r、微晶—粉晶灰?guī)r等，中部巖性層為碎屑顆粒較粗的礫屑灰?guī)r、含礫砂屑灰?guī)r和鈣質(zhì)礫巖等；下段為長石石英砂巖，在礦區(qū)內(nèi)未出露。礦區(qū)內(nèi)含錳巖系出露長度近4 km，分4層礦，近20個礦體，部分礦體沿走向相連(圖2)，礦體厚度1.17～12.3 m；礦石礦物以菱錳礦為主，品位11.20%～38.08%，平均品位30%左右。礦層與地層產(chǎn)狀一致，均為南傾，為背斜的南翼，受逆沖推覆構(gòu)造影響礦區(qū)東部含錳巖系和礦體發(fā)生了強烈的褶皺變形，并且形成了一系列斷層將礦體錯斷(圖2)。礦區(qū)產(chǎn)出少量碳酸鹽化安山巖夾層。

3 含錳碎屑巖—碳酸鹽巖巖相特征

瑪爾坎蘇一帶含錳巖系主要為一套碎屑巖—碳酸鹽巖組合(圖3)。通過對穆呼錳礦含錳巖系剖面測量(圖2)、巖礦鏡下鑒定，對穆呼錳礦含錳巖系巖石特征進行了系統(tǒng)研究。在礦區(qū)內(nèi)識別出了8個巖相和3個巖相組合(圖3)：

相A：泥灰?guī)r巖相主要由泥晶方解石組成，含少量的粉砂級顆粒(圖4a)，為薄層—紋層狀構(gòu)造(圖5a)，發(fā)育少量鈣質(zhì)粉砂巖夾層；主要產(chǎn)出于穆呼礦區(qū)頂部安山質(zhì)凝灰?guī)r之下和剖面中下部，局部可見殘留的水平層理(圖5a)。其沉積水體相對較深，水動力條件較弱。

相B：砂屑灰?guī)r巖相主要由巖屑顆粒組成，含少量的灰泥(圖4b)，局部含少量的石英顆粒、火山巖碎屑和生物碎屑，生物碎屑以海百合莖為主(圖4b)，膠結(jié)物主要為灰泥和少量碳質(zhì)成分。薄層—紋層狀構(gòu)造，局部夾1～3 mm的鈣質(zhì)粉砂巖(巖相G)夾層。其分布范圍較大，主要出露于剖面中上部和下部，與菱錳礦層有著密切的關(guān)系，一般都產(chǎn)出于菱錳礦層之上。其形成的水動力條件相對較弱，應處于浪基面以下。

圖3 瑪爾坎蘇一帶穆呼錳礦含錳巖系地層巖性及沉積相劃分Fig.3 Lithification diagram and sedimentary facies of the Muhu manganese deposit

圖4 含錳巖系巖石鏡下照片電子探針背散射圖像及掃描電鏡圖像a.泥灰?guī)r，單偏光；b.砂屑灰?guī)r，單偏光；c.含方解石、碳質(zhì)菱錳礦，單偏光；d.粉晶灰?guī)r，單偏光；e.礫屑灰?guī)r，正交偏光；f.鈣質(zhì)砂巖，正交偏光；g.含石英脈錳方解石的菱錳礦，背散射圖像；h.薄層狀、片狀菱錳礦；i.菱錳礦中石英脈；j.片狀菱錳礦；k.顆粒狀菱錳礦；l.含黃鐵礦菱錳礦。Py.黃鐵礦；B.生物碎屑；C.碳質(zhì)成分；Cal.方解石；R.巖屑；Q.石英；Rds.菱錳礦；Mc.錳方解石；Pyr.軟錳礦Fig.4 Micrograph, back scattered electron, and SEM images of the manganese-bearing rock series

相C：微晶碳酸錳巖相主要由微晶碳酸錳組成，含少量的灰泥。菱錳礦呈他形粒狀集合體，粒徑多在0.005～0.02 mm(圖4c)，菱錳礦含量60%～95%，局部含少量生物碎屑，以海百合莖為主(圖3、圖4e)，有后期錳方解石脈和石英脈穿切菱錳礦(圖4g)。電子探針和掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)菱錳礦主要以兩種形態(tài)產(chǎn)出(圖4g，h，j，k)，原生的菱錳礦呈薄層狀(圖4h)，發(fā)育后期改造脈狀產(chǎn)出的菱錳礦碎屑(圖4j，k)，菱錳礦中還有少量石英顆粒和黃鐵礦(圖4i，l)。紋層狀構(gòu)造(圖5b)或塊狀構(gòu)造，局部發(fā)育方解石脈和石英脈(圖5c)，礦體與圍巖呈突變的接觸關(guān)系(圖5b)。該巖相沿走向斷續(xù)出露，呈透鏡狀，在剖面上出露3層(圖2)，厚度從1～19 m不等。其沉積的水動力條件比圍巖要弱，沉積水體更深，處于低能、局限條件。

相D：微晶—粉晶灰?guī)r相主要由0.03～0.05 mm方解石顆粒組成(圖4d)，少量的泥質(zhì)和碳質(zhì)成分充填于方解石顆粒之間，含少量自形和半自形黃鐵礦。局部發(fā)育少量次棱角—次圓狀石英顆粒。薄層—紋層狀構(gòu)造，局部夾紋層狀鈣質(zhì)砂巖。發(fā)育水平層理(圖5d，e)、透鏡狀層理和小型波狀層理(圖5f)。其沉積的水動力條件比巖相C要強，但是比巖相B弱，水體深度也介于二者之間。

圖5 含錳巖系巖石、礦石照片及沉積構(gòu)造a.泥灰?guī)r中水平層理；b.錳礦體與圍巖接觸界線；c.紋層狀菱錳礦礦石；d.粉晶灰?guī)r中水平層理；e.水平層理；f.小型透鏡狀層理；g.礫屑灰?guī)r；h.鈣質(zhì)砂巖中的斜層理；i.鈣質(zhì)礫巖Fig.5 Rock and ore photos and sedimentary structure photos of the manganese-bearing rock series

相E：礫屑灰?guī)r巖相主要由礫級的巖屑顆粒組成，局部為竹葉狀灰?guī)r(圖4e、圖5g)。礫屑粒徑一般小于15 mm×30 mm，礫石呈次棱角狀—次圓狀，顆粒支撐，分選較差，鈣質(zhì)膠結(jié)，以泥晶方解石為主，礫屑長軸順層分布。礫屑灰?guī)r為中厚層狀構(gòu)造，礫石分布不均。該巖相特征反映出其沉積的水動力條件較強，應處于浪基面以上。

相F：含礫砂質(zhì)砂屑灰?guī)r巖相主要由泥晶方解石、砂級巖屑和少量的礫級碎屑顆粒組成。碎屑顆粒以鈣質(zhì)為主，含石英碎屑和火山碎屑，含10%左右的礫級碎屑，粒徑一般2～5 mm，碎屑顆粒以灰泥巖為主，呈次棱角—次圓狀。巖石呈中薄層狀構(gòu)造。水動力條件比巖相E較弱，但仍然反映出較強的水動力條件，水體較淺。

相G：鈣質(zhì)砂巖相主要為鈣質(zhì)細砂巖—粉砂巖，由石英顆粒、長石和巖屑組成，鈣質(zhì)膠結(jié)(圖4f)，呈薄層狀或紋層狀產(chǎn)出。剖面上部和下部的鈣質(zhì)砂巖相以鈣質(zhì)粉砂巖為主，與砂屑灰?guī)r巖相關(guān)系密切，常呈紋層狀夾于砂屑灰?guī)r之中或呈紋層狀產(chǎn)出于砂屑灰?guī)r之上，其沉積的水體相對較深，處于浪基面以下；剖面中部的鈣質(zhì)砂巖相以鈣質(zhì)細砂巖為主，反映出較強的水動力條件，受波浪影響明顯，發(fā)育交錯層理(圖5h)，其沉積水體較淺，處于浪基面以上。

相H：鈣質(zhì)礫巖相主要由礫級碎屑顆粒組成，礫石粒徑一般2～3 cm，向上礫石粒徑變大，多數(shù)在5～10 cm，礫石成分復雜，以火山巖、鈣質(zhì)砂巖、灰?guī)r礫石為主，一般呈次棱角狀—次圓狀(圖5i)，分選較差，紋層狀砂屑灰?guī)r礫石多呈長條狀或透鏡狀產(chǎn)出。鈣質(zhì)礫巖為厚層狀構(gòu)造，沿走向厚度變化較大。其沉積時水動力條件較強，處于浪基面以上。

除此之外，在穆呼礦區(qū)含錳巖系中識別出3種巖相組合(圖3)，F(xiàn)+B相組合主要含礫砂屑灰?guī)r和砂屑灰?guī)r組成，砂屑灰?guī)r含量20%左右，局部陸緣碎屑含量較高，反映出水動力條件較強；B+G相組合主要由砂屑灰?guī)r和鈣質(zhì)粉砂巖組成，鈣質(zhì)粉砂巖含量10%左右，整體水平層理發(fā)育，含少量生物碎屑，以海百合莖為主，反應出其沉積的水動力條件較弱；C+G相組合主要由細晶菱錳礦和鈣質(zhì)粉砂巖組成，呈突變接觸關(guān)系，鈣質(zhì)粉砂巖含量10%左右，錳礦層總體反映出水動力條件較弱的水體相對較深的環(huán)境。

4 含錳碎屑巖—碳酸鹽巖地球化學特征

重點針對菱錳礦礦體及頂?shù)装鍑鷰r采集地球化學樣品23 件，Sr同位素樣品30 件。為了保證準確的測試結(jié)果，本次在野外剖面上主要采取未經(jīng)蝕變、無后期方解石脈的樣品，室內(nèi)精選后送樣測試。地球化學樣品在自然資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室進行了全巖地球化學分析，主量元素用Xios4.0kw型X熒光光譜儀，檢測溫度為23 ℃，檢測濕度46%，RSD<5%；微量元素及稀土元素利用酸溶法制備樣品，用電耦合等離子體—質(zhì)譜ICP-MS測試，RSD<2.5%。Sr同位素樣品采用堿熔消解分離—扇形磁場等離子質(zhì)譜(HR-ICP-SFMS)進行87Sr/86Sr分析。

4.1 主量元素沉積地球化學特征

穆呼錳礦菱錳礦及其頂?shù)装鍑鷰r主量元素成分見表1。由于穆呼錳礦含錳巖系砂屑灰?guī)r和粉晶灰?guī)r中含有大量的紋層狀鈣質(zhì)砂巖夾層，因此在全巖分析結(jié)果中砂屑灰?guī)r分析結(jié)果顯示多個樣品CaO含量偏低。

菱錳礦中陸源元素Al2O3含量在0.98%～2.03%之間，平均值為1.30%，TiO2含量在0.016%～0.072%之間，平均值為0.030%，遠低于礦體頂?shù)装鍑鷰r和夾層(表1)，且所有樣品Al2O3與TiO2具有較好正相關(guān)性(R2=0.99)，表明含錳巖系受陸源碎屑影響較大[11]。

海洋沉積物中，典型熱水沉積物的Al/(Al+Fe+Mn)<0.35[11-12]，而穆呼錳礦圍巖及夾層的Al/(Al+Fe+Mn)值介于0.35～0.60之間，反映了較少的熱水來源，而菱錳礦Al/(Al+Fe+Mn)比值變化范圍為0.009 6～0.031，具典型熱水沉積特征。熱水沉積物的元素組成在Fe-Mn-(Cu+Co+Ni)×10的三角圖解(圖6)中有明顯的集中區(qū)[11]，穆呼錳礦礦石及頂?shù)装鍑鷰r基本全部投在熱水沉積區(qū)和紅海熱水沉積區(qū)(圖6)，說明菱錳礦為熱水沉積。此外，錳礦頂?shù)装錝iO2/Al2O3比值在3.1～7.1之間，平均4.3，接近于陸源值3.6，而礦層SiO2/Al2O3比值在2.5～17.8之間，平均6.7，遠高于陸殼中SiO2/Al2O3比值3.6，反映了穆呼錳礦與熱水作用關(guān)系比較密切，其物源可能來自洋殼深部[13]。

表1 穆呼錳礦礦石圍巖主量元素分析結(jié)果Table 1 Major element compositions of the wall rock and rhodochrosite from the Muhu manganese deposit (wt%)

圖6 Fe-Mn-(Cu+Co+Ni)×10三角圖解[11]A.水成沉積區(qū)；B.紅海熱水沉積區(qū)；C.東太平洋中脊沉積區(qū)；D.熱水沉積區(qū)Fig.6 Triangular diagram of Fe-Mn-(Cu+Co+Ni)×10[11]

4.2 微量稀土元素地球化學特征

穆呼錳礦菱錳礦礦石、圍巖及礦體中夾層的微量稀土元素分析結(jié)果及標準化稀土配分曲線和微量元素蜘蛛網(wǎng)圖如表2、圖7所示。微量元素經(jīng)球粒隕石標準化得到的蛛網(wǎng)圖顯示圍巖與礦體夾層具有相似分布形態(tài)，Sr/Ba比值在0.36～10.51之間，平均3.64，V/Ni比值在1.03～2.58之間，平均1.97。而菱錳礦與圍巖和夾層的微量元素蛛網(wǎng)圖存在較大差別(圖7)，菱錳礦中Sr/Ba比值在0.75～9.94之間，平均3.83，V/Ni比值在0.11～2.72之間，平均0.86。含錳巖系富集Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Mo、As、Sr、Ba、Zr、Ga、Ag等具有熱水沉積特征的元素[14-15]。

稀土元素分析結(jié)果顯示圍巖和礦體中夾層的稀土總量較低，圍巖和礦體中夾層的ΣREE在42.14×10-6～114.37×10-6之間，平均68.42×10-6，LΣREE/HΣREE介于1.2～2.5之間，均值1.58，指示輕重稀土分異較弱；菱錳礦中的稀土總量相對較高，菱錳礦ΣREE在72.79×10-6～702.61×10-6之間，平均228.53×10-6，LΣREE/HΣREE介于3.46～8.25之間，均值5.28，指示輕重稀土分異較弱。Ceanom=lg[3CeN/(2LaN+NdN)]，式中CeN、LaN、NdN均為經(jīng)北美頁巖標準化值[16]。經(jīng)北美頁巖標準化的樣品反映出圍巖與夾層有相似的配分曲線，弱Eu正異常，而菱錳礦與圍巖和夾層稀土配分曲線存在較大差異，明顯的Ce正異常。

4.3 鍶同位素地球化學特征

在穆呼錳礦選擇主礦體頂?shù)装鍑鷰r、夾層和礦石共30件進行了Sr同位素測試，測試結(jié)果如表3所示。

穆呼錳礦含錳巖系剖面碳酸鹽巖87Sr/86Sr值介于0.707 70～0.708 64之間，平均值0.707 87，與全球同期海相碳酸鹽巖基本一致[17]，這表明穆呼礦區(qū)晚石炭世Sr同位素具有良好的全球?qū)Ρ纫饬x。海洋中的鍶同位素主要有兩個來源，由大陸河流帶入高放射成因鍶(87Sr/86Sr=0.711 9)和洋中脊熱液交換及海底玄武巖熱液蝕變供應的低放射成因鍶(87Sr/86Sr=0.703 5)[18-19]。大量研究表明，Sr對海平面的變化有較好指示，當海平面下降時由大陸風化帶入海洋的陸源鍶增加，引起海水87Sr/86Sr比值相對升高；當海平面上升時，一方面由于陸源鍶減少，另一方面由于海底擴張使熱液活動增強，幔源鍶的增加使得海水87Sr/86Sr比值相對減小[20-22]。穆呼錳礦頂?shù)装鍑鷰r87Sr/86Sr值相對較高，介于0.707 70～0.707 97之間，平均0.707 845；M1礦體(圖3)中夾層(P2-22/5、P2-22/7、P2-22/11、P2-22/14)及夾層附近的部分菱錳礦(P2-22/4、P2-22/6)87Sr/86Sr值也相對較高，介于0.707 80～0.708 64之間，平均0.708 041；M2礦體和M1礦體(圖3)遠離夾層的菱錳礦87Sr/86Sr值相對較低，介于0.707 64～0.707 90之間，平均值為0.707 81。穆呼錳礦87Sr/86Sr值由圍巖到菱錳礦層減小的趨勢一方面說明菱錳礦沉積時處于海水相對較深的海進時期，另一方面反映出菱錳礦的來源可能與海底火山熱液有關(guān)[20-22]；此外，M1礦體頂部夾層及部分菱錳礦較高的87Sr/86Sr值反映出較多陸源物質(zhì)的參與[18-19]。

5 討論

5.1 沉積相特征

關(guān)于陸源碎屑與碳酸鹽巖的沉積組合國內(nèi)外學者進行了大量的研究工作，Mount[23]首先提出了“混積物”的概念，并提出了淺水陸棚環(huán)境下混合沉積的組分及成因分類。近年來對陸源碎屑與碳酸鹽巖的沉積組合沉積相模式、沉積環(huán)境進行了較多的研究，建立了海陸過渡帶—陸棚，斜坡盆地等不同沉積環(huán)境下的混合沉積相模式[24-27]。研究表明其主要為陸緣碎屑巖和碳酸鹽巖之間的過渡沉積[28-30]，可形成于海陸過渡、陸棚、斜坡等過渡沉積環(huán)境之中[31-33]，是現(xiàn)代和地質(zhì)歷史時期一種普遍的沉積現(xiàn)象。陸棚是正常浪基面以下向外海，與大陸斜坡相接的廣闊淺海沉積區(qū)，常與碎屑濱岸沉積體系共生[34]。

關(guān)于瑪爾坎蘇一帶晚石炭世沉積環(huán)境的研究很少，但是前人對西昆侖—塔西南晚古生代沉積環(huán)境的研究表明，區(qū)域上石炭紀西昆侖—塔西南屬于塔里木地塊南緣的淺海陸棚沉積環(huán)境[3,35-39]，結(jié)合穆呼錳礦區(qū)碎屑巖—碳酸鹽巖巖相組合特征和有關(guān)陸緣碎屑巖—碳酸鹽巖沉積模式的相關(guān)研究[40-44]，建立了穆呼錳礦含錳巖系碎屑巖濱岸—淺海陸棚沉積體系，并在研究區(qū)識別出了碎屑濱岸相和淺海陸棚相兩個沉積相和多個沉積亞相(圖3)。

表2 穆呼錳礦礦石圍巖微量稀土元素分析結(jié)果Table 2 Trace element and REE compositions of the wall rock and rhodochrosite from the Muhu manganese deposit (×10-6)

圖7 穆呼錳礦菱錳礦及圍巖稀土元素和微量元素配分圖解Fig.7 REE and trace element distribution patterns for wall rock and rhodochrosite from the Muhu manganese deposit

碎屑濱岸相主要分布在剖面中部，由巖相E、G、H和巖相組合F+B組成，主要以一套礫巖、鈣質(zhì)砂巖和含礫砂屑灰?guī)r組成，鈣質(zhì)砂巖發(fā)育斜層理，夾薄層的碳酸鹽化安山巖[41,45]。根據(jù)碎屑濱岸相巖相組合特征進一步識別出了前濱亞相和近濱亞相，前濱亞相主要由碎屑顆粒較粗的礫屑(巖相E、G、H)組成，水動力條件較強，并含有較多的陸緣碎屑；近濱亞相主要由含較小礫屑顆粒和砂屑的含礫砂屑灰?guī)r和鈣質(zhì)砂巖(巖相F+G)組成，水動力相對較弱。

淺海陸棚相主要分布在剖面的頂部和底部，發(fā)育巖相A、B、C、D、G和相組合B+G、C+G，為一套粒度較細的碎屑巖—碳酸鹽巖組合，局部發(fā)育微晶菱錳礦，發(fā)育薄水平層理、透鏡狀層理、小型波紋層理等[46-49]。淺海陸棚沉積相帶對錳礦沉積最為有利，該相帶既是滯留安靜的環(huán)境，水體又相對較淺，同時成礦區(qū)外廣袤的陸棚平原，可以大規(guī)模接受來自深源或陸緣的成礦物質(zhì)，并在相對低洼的部位沉積成礦[50]。根據(jù)穆呼錳礦區(qū)含錳巖系巖相組合特征和沉積構(gòu)造進一步識別出了濱外陸棚亞相和過渡帶亞相，過渡帶巖相主要由泥灰?guī)r(A)組成；濱外陸棚亞相主要由巖相B、C、D、G)和巖相組合B+G、C+G組成，局部含有較多的黃鐵礦脈和黃鐵礦顆粒，反映其海水較深，水動力條件較弱，菱錳礦沉積期的海水要相對更深。研究區(qū)晚石炭世菱錳礦沉積期經(jīng)歷了海進—海退—海進的過程，碎屑濱岸沉積主要為前期海進結(jié)束后海平面下降，陡峭的陸棚邊緣在波浪的作用下坍塌、磨圓，并與陸源碎屑一起沉積形成[51]。碎屑巖—碳酸鹽巖中的火山巖夾層說明該時期火山仍頻繁活動。菱錳礦主要形成于濱外陸棚亞相中水體較深的沉積洼地中。

表3 穆呼錳礦含錳碳酸鹽巖及菱錳礦鍶同位素分析數(shù)據(jù)Table 3 Strontium isotopic compositions of the wall rock and rhodochrosite from the Muhu manganese deposit

5.2 古水溫與古氣候

利用碳酸鹽中的鍶含量(Y)和溫度的關(guān)系(T/℃)經(jīng)驗公式Y(jié)=2 578-80.8T[52-53]，計算穆呼錳礦含錳碳酸鹽巖沉積時古水溫為11.10 ℃～29.98 ℃，平均22.68 ℃，屬于亞熱帶區(qū)，同時菱錳礦沉積時的古水溫明顯高于圍巖及夾層的古水溫。

5.3 古鹽度、古水深和離岸距離

常用Sr/Ba值作為區(qū)分咸水和淡水的沉積標志，當Sr/Ba>1是反應海相環(huán)境，當Sr/Ba<1時反應陸相沉積[52-57]。穆呼錳礦礦石和圍巖的Sr/Ba值大多在4～5之間，屬于咸水沉積，鈣質(zhì)砂巖和少量砂質(zhì)砂屑灰?guī)rSr/Ba<1，說明其在一定程度上受到了淡水的影響。圍巖及夾層的V/Ni值在1.03～2.88之間，平均1.97，菱錳礦的V/Ni值在0.11～2.72之間，平均0.86，說明圍巖和礦體中夾層沉積時海水相對較淺，離岸較近，菱錳礦沉積時海水深度增加，離岸距離也相應增加[53]，這與Sr同位素分析的水深變化一致。

5.4 氧化還原條件

穆呼錳礦圍巖和夾層的Ceanom值介于-0.04～0.21，有7個樣品的Ceanom值<0，只有1個樣品為0.21，其他樣品均在0附近，說明圍巖和夾層沉積時水體為氧化—弱還原環(huán)境；菱錳礦的Ceanom值介于0.37～0.53，反映出菱錳礦沉積時水體缺氧[16,53,58]。此外，圍巖及夾層Fe2+/Fe3+值在0.005 2～3.6之間，平均0.82，反映出氧化環(huán)境，菱錳礦的Fe2+/Fe3+值在0.05～121.1之間，平均44.35，同樣反映出菱錳礦沉積時海水環(huán)境為還原環(huán)境[53]。圍巖和礦體夾層的δCe在0.97～1.74之間，平均1.12，也反映出氧化的沉積壞境，菱錳礦的δCe在2.58～3.65之間，平均3.16，反映出還原的沉積環(huán)境[59-60]。沉積物Ce虧損一直被認為指示缺氧環(huán)境，但有研究表明Ce異常并不能隨時記錄環(huán)境的氧化還原條件的變化，強還原環(huán)境中也可能出現(xiàn)Ce正異常，菱錳礦中出現(xiàn)較高的Ce正異常與錳離子選擇性的捕獲更多的Ce有關(guān)[61-62]。

6 結(jié)論

(1) 通過沉積相分析，在穆呼錳礦含錳巖系中識別出了碎屑濱岸沉積相、淺海陸棚沉積相。菱錳礦主要形成于濱外陸棚亞相中水體相對較深的沉積洼地。

(2) 穆呼錳礦含錳巖系地球地球化學特征反映出其受陸源碎屑影響較大，其沉積的古海水水溫為11.10 ℃～29.98 ℃，平均22.68 ℃，屬于亞熱帶區(qū)。圍巖和夾層為離岸較近、海水深度較淺的氧化環(huán)境沉積物，菱錳礦為海水相對較深的還原環(huán)境沉積物，且菱錳礦與海底火山熱液有關(guān)。

(3) 含錳巖系碳酸鹽巖鍶同位素分析表明研究區(qū)晚石炭世與全球同時期Sr同位素具有較好的對比意義，含錳巖系沉積水體經(jīng)歷了海進—海退—海進的演化過程，沉積環(huán)境屬于受陸表水影響的濱岸—淺海陸棚環(huán)境。

致謝 在野外地質(zhì)工作和樣品采集過程中得到新疆地礦局第二地質(zhì)大隊馮昌榮總工、查斌高級工程師和何立東高級工程師的大力支持，中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心王永和研究員、審稿專家及編輯部對本文的完善提出了寶貴意見，在此一并表示感謝！