萬家坪錳礦地質(zhì)地球化學(xué)特征及找礦遠景

劉大勇 彭橋梁 蘇 特

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四一八隊，湖南 婁底 417000）

萬家坪錳礦位于漣源市北東40 km處，為湘中地區(qū)重要的錳礦生產(chǎn)地。礦床規(guī)模中型，賦礦地層為南華系大塘坡組。南華紀大塘坡期是我國南方重要的錳礦成礦期，局部地區(qū)形成了超大型錳礦，產(chǎn)于該時期的錳礦稱為“大塘坡式”錳礦。近年來，眾多學(xué)者對湖中湘潭地區(qū)、湘西民樂地區(qū)、貴州松桃地區(qū)等“大塘坡式”錳礦成因、成礦規(guī)模［1-4］、控礦因素及礦質(zhì)來源［5-8］等進行了深入研究，但對同類型的萬家坪錳礦礦床地質(zhì)特征、地球化學(xué)特征的研究較少，不利于在湘中地區(qū)進一步開展該類型錳礦的找礦工作。本研究在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合錳礦石采樣分析結(jié)果，深入分析和總結(jié)了礦區(qū)地質(zhì)和地球化學(xué)特征，并對礦區(qū)深部找礦前景進行了預(yù)測，為該地區(qū)錳礦資源開發(fā)和邊深部找礦提供參考。

1 區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)背景

礦區(qū)在大地構(gòu)造分區(qū)上位于江南古陸南緣，湘中印支褶皺帶東北端。雪峰運動后，揚子陸塊基本定型。區(qū)域內(nèi)發(fā)育的NW、NE和NEE向張性斷裂帶相應(yīng)控制了湘潭、松桃、黔陽等裂谷盆地［4］。這些盆地為錳質(zhì)聚集和成礦提供了空間，是南華紀含錳地層的主要沉積部位，與湘、黔東地區(qū)錳礦床的分布相對應(yīng)（圖1）。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

礦區(qū)自西向東分為三尖峰、天雄和雙江3個礦段，礦區(qū)地質(zhì)特征如圖2所示。

2.1 地層

礦區(qū)出露地層從老至新依次為板溪群、南華系、震旦系、寒武系和泥盆系。其中，南華系大塘坡組為礦區(qū)賦礦層位，巖層走向NW，傾向SW，傾角35°～65°，平均42°。大塘坡組下部為黑灰色薄—中厚層狀砂質(zhì)板巖、板巖、含碳板巖、含錳板巖及錳礦層，有機質(zhì)、硫化物含量較高，古藍藻化石豐富，水平層理發(fā)育；中上部為黑灰色粉砂質(zhì)板巖。

2.2 構(gòu)造

礦區(qū)總體為單斜構(gòu)造，在含錳礦段的含錳板巖、含錳白云巖及碳酸錳礦層中?？梢娨?guī)模較小的褶皺構(gòu)造。褶皺軸向85°～90°，樞紐向西傾伏，向東揚起，軸面向北傾斜，為一系列斜歪不對稱褶曲。礦區(qū)次級斷裂構(gòu)造較發(fā)育，根據(jù)走向可分為NE向、NW向和EW向3組（圖2）。

（1）NE向斷裂。該組斷裂近于平行，不等距分布于礦區(qū)內(nèi)。主要有F2～F6，F(xiàn)8、F9、F11等8條斷裂，延長110～450 m，以平移正斷層為主，總體走向30°～60°，傾向SE或NW，傾角40°～86°。破碎帶寬0.5～20 m，帶中主要被石英脈充填。斷裂面較平整、光滑，沿走向及傾向大多呈舒緩波狀。該組斷層破壞了巖層及礦層連續(xù)性，其錯斷平距為12～280 m不等，均表現(xiàn)為右行特征。

（2）NW向斷裂。包括F10和F12兩條斷裂。F10斷裂延長205 m，F(xiàn)12斷裂延長190 m，都為平移正斷層，總體走向300°～320°，傾向SW，傾角55°～75°。破碎帶寬0.3～0.6 m，主要為斷層泥所充填，斷面呈舒緩波狀。該組斷層破壞了巖層的連續(xù)性，其中F12斷裂使留茶坡和金家洞兩組地層斷開平距85 m。

（3）EW向斷裂。包括F1、F7兩條斷裂。F7斷裂延長176 m，F(xiàn)1斷裂延長約2 000 m，都為平移正斷層，總體走向70°～115°，傾向S或N，傾角49°～72°。破碎帶寬0.6～3.5m，主要為斷層泥所充填。斷層中有石英脈不規(guī)則穿插，破壞了巖層及礦層的連續(xù)性。

2.3 巖漿巖

礦區(qū)北東部出露印支晚期—燕山早期溈山復(fù)式花崗巖巖體，巖性以黑云母二長花崗巖為主，邊部可見含角閃石黑云母花崗巖或花崗閃長巖。巖體侵入于上元古界板溪群中，其形成具有多期性，多期巖漿具有同源關(guān)系，均來自于深部同一大巖漿房，是在不同時期和不同地質(zhì)構(gòu)造背景下分離結(jié)晶作用侵位而成［10］。

2.4 變質(zhì)作用

礦區(qū)變質(zhì)作用以區(qū)域淺變質(zhì)和接觸變質(zhì)為主，原沉積的泥質(zhì)巖、碎屑巖變質(zhì)成板巖、粉砂質(zhì)—砂質(zhì)板巖等。原生錳礦體在變質(zhì)作用下進行了改造，使得錳礦體品位進一步提高。

3 礦床地質(zhì)特征

3.1 含錳巖系

礦區(qū)含錳層位為南華系大塘坡組，巖性主要為黑色碳質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖、含碳板巖、頁巖夾菱錳礦，總厚度為2.70～27.30 m；地層上覆為南沱組冰磧巖，下伏為富祿組石英砂巖。含錳巖系自下而上可細分為10小層（圖3）。礦區(qū)一般有兩層礦體，即主層礦和互層礦。主層礦呈黑色、灰黑色，中厚層狀，塊狀構(gòu)造，厚0.20～1.04 m，一般由3～7個單層組成，單層厚2.5～26.0 cm，具有清晰的水平層理或微細層理、性脆，層間夾薄層碳質(zhì)頁巖或含錳碳質(zhì)頁巖；互層礦由薄片狀碳酸錳礦與黑色頁巖組成互層，呈黑色，條帶狀構(gòu)造，厚0.20～1.83 m，一般有20～40個單層，單層厚0.6～3.0 cm，偶夾含錳白云巖及含錳灰?guī)r透鏡體。

3.2 礦體特征

錳礦體嚴格受地層控制，在含錳巖系中呈層狀、似層狀和透鏡狀產(chǎn)出（圖4），礦層產(chǎn)狀與頂?shù)装鍑鷰r一致，走向100°～160°，傾向190°～250°，傾角一般為35°～65°，平均42°，局部達72°。礦層地表出露長度大于4 km，厚度較為穩(wěn)定，連續(xù)性好；主礦層平均厚度為0.68 m，Mn平均品位17.95%；互礦層平均厚為0.49 m，Mn平均品位15.67%。地表為氧化錳，主要為軟錳礦，氧化帶深約30 m；下部為原生碳酸錳礦，主要為菱錳礦?；サV層位于主礦層之上，多呈條帶狀、薄片狀，局部可見厚層狀。主礦層多呈中厚層狀，且在近地表處有尖滅重現(xiàn)現(xiàn)象?；サV層連續(xù)性比主礦層好，主、互礦層間無嚴格分界線，局部地段被黑色碳質(zhì)頁巖和含錳白云巖分開。由于礦區(qū)小斷層、小褶皺較發(fā)育，致使局部地段礦體厚度有增大現(xiàn)象，石英細脈的充填又可使錳礦石品位降低。礦區(qū)中部天雄錳礦段礦體較厚，錳礦石品位也較高，東段雙江錳礦及西段三尖峰錳礦均有礦體厚度變薄或礦石品位變貧的趨勢。

3.3 礦物成分

礦石主要礦物成分為鎂鈣菱錳礦、鎂錳方解石，次要礦物為方解石、石英（含硅質(zhì)）、絹云母（含黏土）、重晶石、黃鐵礦、硫錳礦、褐硫錳礦、黃銅礦、銅藍，局部見閃鋅礦。鎂鈣菱錳礦主要呈球狀單體或球狀集合體，球體由單細胞或群體藻類生物富集錳而成，直徑為5～30 μm，多為15 μm，含量為48.5%～56.7%，平均50.1%；錳方解石重結(jié)晶后呈粉晶狀，主要充填在鎂鈣菱錳礦球體之間，部分沿裂隙充填，含量為32.2%～39.6%，平均36.3%。

3.4 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造

礦石結(jié)構(gòu)主要為隱晶結(jié)構(gòu)，其次為顯微球粒結(jié)構(gòu)、砂屑結(jié)構(gòu)、變余泥狀顯微鱗片變晶結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造主要有條帶狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造，次為互層狀構(gòu)造、微層狀構(gòu)造，局部可見碎裂狀構(gòu)造。

3.5 礦石類型

礦石的自然類型按組成礦石的主要錳礦物可分為氧化錳礦石、碳酸錳礦石兩種類型，以碳酸錳礦石為主；按礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造可劃分為塊狀礦石類型。工業(yè)類型屬高磷酸性中貧錳礦石。

4 成礦地質(zhì)條件及礦床成因

4.1 成礦地質(zhì)條件

4.1.1 巖相古地理

巖相古地理、古構(gòu)造、古氣候等環(huán)境因素影響和控制沉積相，沉積相又控制著錳礦的沉積和空間展布。萬家坪錳礦的賦礦地層為南華系大塘坡組，受巖相古地理條件控制作用明顯。南華紀時期，湖南地區(qū)呈現(xiàn)北高南低的古地理背景，經(jīng)武陵和雪峰運動后，湘北較穩(wěn)定，湘南發(fā)展成強烈的活動區(qū)，湘中地區(qū)則為過渡帶［11］。從南華紀開始，揚子陸塊東南緣進入了被動大陸邊緣的發(fā)展史，整個東南邊界為廣闊的陸表海區(qū)，沉積環(huán)境穩(wěn)定，沉積物組成趨向均一，并進行了較好的沉積分異，這都為海相沉積型錳礦床的形成創(chuàng)造了較好的地質(zhì)環(huán)境。

大塘坡期，湖南省內(nèi)以細屑沉積為主，為一次區(qū)域性穩(wěn)定的間冰期，自北向南可以分為4個沉積相帶［11］（圖5）。處于陸坡相區(qū)的萬家坪錳礦，巖性組合以板巖、碳質(zhì)板巖、粉砂巖和粉砂質(zhì)板巖為主，夾少量變質(zhì)砂巖、粉砂巖和碳酸鹽透鏡體。根據(jù)鏡下觀察，碳酸錳礦石中含有機質(zhì)和古藍藻，具有微細水平層理或微波狀層理，這些特征說明其屬較深水、低能還原的陸坡環(huán)境，而錳礦形成于陸坡上部，與被水下高地環(huán)繞的半局限水體及藻類興盛有關(guān)。同時，成錳沉積外為廣袤分布的陸棚平原，可以大規(guī)模接受來自深源或陸源的礦質(zhì)，并逐步在相對低洼的沉積盆地中就位成礦。

4.1.2 地層、地形地貌

礦石賦存于南華系中統(tǒng)大塘坡組含錳巖系中，圍巖為黑色碳質(zhì)板巖。礦層嚴格受含錳巖系控制，具有層控型礦床特征。不同的地形地貌影響著沉積礦床的侵蝕和保留程度，淺海局限低凹地形有利于錳礦富集和保留。在萬家坪錳礦區(qū)長達4 km的礦帶上，中部天雄礦段下部主要為細?！⒘Ｊ⑸皫r，西段三尖峰礦段和東段雙江礦段則主要為含礫砂巖。根據(jù)沉積韻律特征可知，中部天雄礦段古地形較低凹，西端和東端均為相對隆起或隆起邊緣地段，從而形成局限盆地［12］。盆地低凹地段陸源碎屑物不多，水體較深，陽光少，水動力條件較弱，錳質(zhì)不易散失，為錳礦沉積、富集提供了優(yōu)越的成礦環(huán)境和賦礦空間。故礦區(qū)中部礦層較富厚，而兩端均較貧薄，有的甚至相變?yōu)楹i灰?guī)r。

4.1.3 地球化學(xué)特征

樣品均為碳酸錳礦石，采自礦區(qū)采坑及老窿中，采樣時按不同礦石類型和礦化均勻程度選取有代表性且新鮮無脈石充填的碳酸錳礦石，共采集樣品12件，用瑪瑙碎樣機研磨至300目，然后用于化學(xué)分析測試。測試分析單位為湖南天宇檢測有限公司，常量元素采用常規(guī)濕化學(xué)分析法，微量元素采用電感耦合等離子質(zhì)譜（ICP-MS）測試方法，分析結(jié)果見表1和表2。

由表1、表2可知：錳礦石中SiO2含量普遍不高，為18.18%～33.74%，平均23.41%；MnO含量為15.66%～26.52%，平均18.99%；相對富集Fe、Al，貧Ti、Mg，微量元素表現(xiàn)為相對富集Ba、Zr、Zn，其中Ba最為富集，貧 U、Th、Nb。CaO+MgO 含量較高，達5.36%～15.99%，平均10.74%，表明礦石形成與海相碎屑沉積有關(guān)［5］。Al2O3既可作為陸源物質(zhì)的替代指標，又可作為鐵氧化物輸入沉積物含量多少的指標［13］。礦石中Al2O3平均含量為4.11%，略低于淺海碳酸鹽巖Al2O3平均含量4.72%。根據(jù)Al2O3與其他元素相關(guān)關(guān)系（圖6）可知：Al2O3與K2O、SiO2、TiO2、Fe2O3呈正相關(guān)性，與MnO、CaO、MgO呈負相關(guān)性，說明陸源物質(zhì)（主要為黏土礦物）的輸入吸附了鐵的氧化物或氫氧化物進入沉淀物中；S與Fe203、Al2O3呈正相關(guān)，說明S和Fe以黃鐵礦或其他化合物的形式進入沉淀物中［1］。

4.1.4 氧化—還原條件

微量元素的含量比值可用來指示海水氧化—還原狀態(tài)，如w（V）/w（V+Ni）、w（V）/w（Cr）、w（Ni）/w（Co）、w（U）/w（Th）等。w（V）/w（V+Ni）值可反映沉積物形成時的氧化—還原環(huán)境，當該值為1～0.83時，為靜海環(huán)境；為0.83～0.57時，為缺氧環(huán)境；為0.57～0.46時，為弱氧化環(huán)境，小于0.46時，為氧化環(huán)境［14-15］。萬家坪礦區(qū)錳礦石w（V）/w（V+Ni）為0.22～0.50，平均為0.40，說明錳礦形成時水體處于弱氧化—氧化環(huán)境（圖7（a））。文獻［16-17］研究認為：w（V）/w（Cr）值可反映沉積環(huán)境氧化—還原條件，當該值小于2時，代表富氧環(huán)境；為2～4.25時，代表弱氧化環(huán)境；大于4.25時，代表厭氧和缺氧環(huán)境［16-17］。萬家坪錳礦區(qū)錳礦石w（V）/w（Cr）為0.79～2.44，平均為1.26，說明錳礦形成時水體處于弱氧化—氧化環(huán)境（圖7（a）），與根據(jù)w（V）/w（V+Ni）值得出的結(jié)論一致。

相關(guān)研究表明：w（Ni）/w（Co）＜5 與w（U）/w（Th）＜0.75時，為富氧環(huán)境；w（Ni）/w（Co）為5～7和w（U）/w（Th）為0.75～1.25時，為弱氧化環(huán)境；w（Ni）/w（Co）＞1.25與w（U）/w（Th）＞7時，為缺氧環(huán)境［15］。萬家坪錳礦區(qū)錳礦石w（Ni）/w（Co）為0.50～2.41，平均為1.19，w（U）/w（Th）為0.20～0.57，平均為0.32，表明礦區(qū)錳礦石沉積環(huán)境為富氧環(huán)境（圖7（b））。綜上分析可知：萬家坪錳礦形成時的水體環(huán)境為弱氧化—氧化環(huán)境，與湘潭錳礦相似［1］。

w（Fe）/w（Mn）值大小既能反映Fe和Mn在沉積過程中發(fā)生分離的程度，又能反映出沉積環(huán)境氧化—還原狀態(tài)。在強氧化和強還原條件下，F(xiàn)e和Mn都趨向于共同沉淀，難以分開，而在適度氧化—還原環(huán)境下，F(xiàn)e和Mn可以彼此分開［1］。萬家坪錳礦區(qū)礦石w（Fe）/w（Mn）值為0.12～0.32，平均為0.21，說明在成礦過程中，隨著環(huán)境的氧化，F(xiàn)e、Mn分離非常徹底，F(xiàn)e先于Mn沉淀，這與其他大唐坡組的湖北古城錳礦［9］、湖南湘潭錳礦［1］、貴州道坨錳礦［5］情況一致。

4.1.5 熱液活動

w（SiO2）/w（Al2O3）值可用來區(qū)分沉積巖物質(zhì)來源，陸殼w（SiO2）/w（Al2O3）一般為 3.6。與該值接近的巖石，其物質(zhì)來源是以陸源為主；超過該值的，是由生物活動或熱水作用引起［18］。萬家坪錳礦礦石w（SiO2）/w（Al2O3）為 4.00～12.01，均大于3.6，在w（SiO2）/w（Al2O3）關(guān)系圖（圖8）中，樣品主要落在水成作用區(qū)，說明在錳礦沉積過程中有生物活動和熱水作用參與。

沉積物成因可以通過Cu、Co、Ni、Zn等的指示作用顯示，比如，錳鐵結(jié)核正常水成沉積的w（Co）/w（Zn）值一般為2.5左右；熱液沉積物的w（Co）/w（Zn）值僅有0.15左右［11］。根據(jù)w（Co）/w（Zn）-w（Cu+Co+Ni）相關(guān)性圖（圖9），發(fā)現(xiàn)所有樣品點都落在熱液地殼區(qū)中，指示熱液活動影響了萬家坪錳礦的形成。

以往研究表明：沉積巖中w（A1）/w（A1+Fe+Mn）大于0.5時，物源應(yīng)為陸源；小于0.35時，為有熱水注入［19］。萬家坪錳礦區(qū)礦石樣品w（A1）/w（A1+Fe+Mn）為0.07～0.24，均小于0.35，指示成礦過程中有熱水注入。

4.2 礦床成因

南華紀時期，湖南省境內(nèi)為裂谷盆地階段，礦區(qū)北部為原始江南古陸，西南部有NW向溈山—歇馬水下弧形隆起［20］。構(gòu)成盆地周圍古陸、古島的老地層中，含錳普遍較高，局部形成了錳礦床（點）。這些含錳巖（礦）石中的錳質(zhì)經(jīng)風化、剝蝕，以各種方式搬運至盆地水介質(zhì)中并不斷富集，成為錳質(zhì)的主要來源。構(gòu)成盆地邊界的深大斷裂通過熱鹵水或海底火山等熱事件將地球深部的錳質(zhì)導(dǎo)入盆地，成為錳質(zhì)的另一重要來源，因此，礦床錳礦質(zhì)來源是多源的。

錳質(zhì)沉積時礦區(qū)為淺海陸棚相，水動力微弱，處于弱氧化—氧化環(huán)境，錳以氧化物或氫氧化物的形式沉淀，水體結(jié)構(gòu)有利于古藻類及浮游生物大量發(fā)育，并吸附沉淀的錳質(zhì)物。隨著海侵期的到來，使得水體變深，光合作用水體界面也往上抬升，造成水體下部古藻大量死亡，堆積于海底形成富集錳質(zhì)的尸集群，形成大量的有機質(zhì)，同時通過尸體腐爛消耗大量O2并釋放出CO2，不斷改變和調(diào)節(jié)水體的氧化—還原環(huán)境，原來氧化環(huán)境逐步演變成還原環(huán)境，使錳質(zhì)不斷濃集于底層水中及沉積物內(nèi)。熱水注入改變了水體的溫度、壓力條件，直至海解、成巖早期錳的氧化物或氫氧化物與有機質(zhì)相互作用，錳的氧化物或氫氧化物被還原生成的Mn2+，與植物尸體腐爛釋放的CO2相結(jié)合，形成了錳碳酸鹽［6］，并在盆地底部大量沉淀富集成礦。因此，本研究認為萬家坪錳礦屬海相沉積變質(zhì)改造型錳礦床。

5 找礦遠景

礦區(qū)位于寧鄉(xiāng)—漣源—湘潭錳礦帶中間位置，成礦地質(zhì)條件優(yōu)越，該成礦帶內(nèi)中、小型錳礦床（點）成群成帶展布，如湘潭、棠甘山、金石等二十余個中小型錳礦床（點）產(chǎn)于此成礦帶內(nèi)，是湘中地區(qū)重要的錳礦找礦遠景區(qū)。通過對比研究認為：萬家坪錳礦與湘潭錳礦具有相似的古地理環(huán)境，都為湘潭盆地成礦區(qū)帶；含錳地層和巖性相同，均為南華系中統(tǒng)大塘坡組黑色碳質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖等；礦床成因相同，淺部都為氧化錳礦，深部為海相沉積改造型碳酸錳礦。礦區(qū)最新勘查成果顯示，錳礦體沿走向大致具有等距分段富集的特點，礦層由不穩(wěn)定逐漸過渡到穩(wěn)定，單個礦體長100～850 m，已控制傾向最大斜深620 m；自北向南，自淺部至深部，礦體呈現(xiàn)出規(guī)模及厚度增大、礦石品位變富的趨勢；礦區(qū)錳礦石品位為11.35%～22.13%，平均為18.99%，表明礦區(qū)深部找礦潛力較大。本研究認為萬家坪錳礦深部找礦潛力較大，有必要進一步開展找礦工作。

6 結(jié) 論

（1）萬家坪錳礦屬“大塘坡”式錳礦，礦床成因類型為海相沉積改造型錳礦床。

（2）錳礦床形成于弱氧化—氧化沉積環(huán)境中，成礦前期先以錳的氧化物或氫氧化物沉淀，在后期成巖改造過程中逐步轉(zhuǎn)化形成菱錳礦。在成礦過程中有熱水注入，同時生物作用對錳礦沉積具有重要的促進作用。

（3）預(yù)測礦區(qū)深部有較好的找礦潛力，值得進一步開展找礦和驗證工作。