南非Kalahari 錳礦田地質(zhì)特征及找礦方法

譚康雨曾瑞垠詹勇岳鵬軍

（1.北京中資環(huán)鉆探有限公司，北京 100012；2.中色地科礦產(chǎn)勘查股份有限公司，北京 100012）

0 引言

南非是世界著名的錳礦資源大國(guó)，礦床規(guī)模大，礦石品位高、質(zhì)量好，其錳礦主要集中分布于Kala?hari－Postmasburg 錳礦成礦帶上（董曉方，2012；嚴(yán)旺生和高海亮，2009），該礦帶位于南非北開普省，中心地理坐標(biāo)：南緯27°12′43″，東經(jīng)22°57′39″，北部臨近Kalahari 沙漠，具有明顯的沙漠氣候特征，該礦帶可分為Kalahari 錳礦田和Postmasburg 錳礦田（圖1）。其中Kalahari 錳礦田南北延伸約40 km，東西寬約15 km，該礦田與Kalahari 侵蝕盆地范圍基本吻合，區(qū)域性走向?yàn)?30°，向西傾角為7°。Kalagari 盆地形成于太古宙至元古宙，是目前世界上最大的陸地錳礦基地，該礦帶約占探明全球錳礦資源的77%（Vafeas et al.，2019）。Kalahari 錳礦田發(fā)育以原生沉積變質(zhì)型礦床為主，其次有淋積型和堆積型。前人重點(diǎn)Postmasburg 錳礦田成礦規(guī)律做了大量研究，但對(duì)于Kalahari 錳礦田的研究則知之甚少，筆者有幸前往南非參與了木庫(kù)魯鐵錳礦的資源儲(chǔ)量核實(shí)等工作，通過巖芯樣品采集及數(shù)據(jù)對(duì)比研究，在論述木庫(kù)魯鐵錳礦地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，分析區(qū)域鐵錳成礦規(guī)律并提出下一步找礦方向，為該區(qū)進(jìn)一步開展鐵錳礦地質(zhì)找礦工作提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

南非是世界上少數(shù)幾個(gè)保存有完好太古宙克拉通的地區(qū)之一，地質(zhì)演化歷史復(fù)雜，其構(gòu)造單元包括卡普瓦爾太古宙克拉通和一系列元古宙－古生代造山帶，以及一個(gè)代表弧后前陸沉積系統(tǒng)的卡魯盆地。Kalahari 錳礦田位于西格里夸蘭盆地（The Griqua?land West Basin）北部，西格里夸蘭盆地地層主要由古元古界德蘭士瓦超群（Transvaal Super Group）、古元古界奧利芬霍克超群（Olifanshoek Super Group）、中生界卡魯超群（Karoo Super Group）、新生界卡拉哈里超群（Kalahari Super Group）構(gòu)成（圖1）。

圖1 西格里夸蘭盆地區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖

南非北開普省的古元古界德蘭士瓦超群（Transvaal Super Group）主要由碳酸鹽和鐵質(zhì)層組成，地層總厚度一般超過2000 m（Beukes，1986）。這個(gè)以化學(xué)成分為主的沉積序列被高達(dá)150 m 的冰磧巖覆蓋，而Makganyene 組則被Ongeluk 組的大陸玄武巖－安山巖序列覆蓋，其上部具有典型的枕狀構(gòu)造。Hotazel 組直接位于Ongeluk 組火山巖上，通常發(fā)育于Kalahari 錳礦田，低于第三系Kalahari 組40～70 m 的砂礫巖覆蓋層（Tsikos et al.，2003）。Hotazel 組地層在地表出露很少，僅出露于Kalahari錳礦田北部的Black Rock 小山丘，由于逆沖推覆作用，導(dǎo)致Hotazel 組地層在垂向上重復(fù)出現(xiàn)（Tsikos et al.，1997，2003；Kunzmann et al.，2014）。因此，對(duì)Kalahari 錳礦田地層幾乎完全是通過鉆探、露天開采和地下礦井揭露等方式來了解的。

圖2 Kalahari 錳礦田地質(zhì)及構(gòu)造簡(jiǎn)圖（a）及地層柱狀圖（b）（修改自Vafeas et al.，2018，2019）

在與Ongeluk 組火山巖接觸處的正上方，地層巖性為含鐵碎屑巖，可分級(jí)成層序較高、有規(guī)律的條帶狀磁鐵石英巖地層。Kalahari 錳礦田中部和南部大部分發(fā)育Hotazel 組鐵錳層序上的Mooidraai 組條帶狀含鐵灰?guī)r和局部白云巖，Hotazel 組和Mooidraai組共同構(gòu)成了Voelwater 亞群。在Kalahari 錳礦田北部和西部，Voelwater 亞群不整合地覆蓋著頁巖、石英巖和屬于晚古元古代Olifantshoek 超群基底Mapedi 組的小礫巖。研究表明，Mapedi 組凝灰?guī)rU－Pb 測(cè)年和碎屑鋯石測(cè)年基本一致，為1.25 Ga（Rasmussen et al.，2019）。

西格里夸蘭盆地區(qū)域性的構(gòu)造主要由1 條近SN 向逆沖斷層和一系列SN 向、SN－NE 向、NNWNW 向正斷層，以及NW 向、NE 向褶皺構(gòu)造構(gòu)成（圖2），而對(duì)卡拉哈里錳礦田的成礦、控礦作用影響比較大的主要為SN 向逆沖斷層（Black Ridge 逆沖斷層）、SN－NE 向正斷層、NW 向褶皺構(gòu)造（Dimoten 向斜）。

區(qū)域巖漿巖較為發(fā)育，主要為Ongeluk 組玄武質(zhì)、安山質(zhì)枕狀熔巖，厚度900 m，但未見十分明顯的火山活動(dòng)，脈巖多為后期的輝綠巖脈和細(xì)晶閃長(zhǎng)巖脈。一些學(xué)者認(rèn)為Ongeluk 組玄武質(zhì)、安山質(zhì)枕狀熔巖是海底噴發(fā)的，是在大陸架環(huán)境下噴出形成的，礦床中的錳質(zhì)即來源于海底火山噴氣作用（李上森，1996）。

2 礦床特征

2.1 礦體特征

Kalahari 錳礦田具有典型的層控特征，礦體賦存于古元古界德蘭士瓦超群上部的Hotazel 組條帶狀硅鐵建造，3 層錳礦體近平行展布，與互層的條帶狀鐵建造同時(shí)沉積（圖3）。

底部礦層（LMO）為主要的含礦層，厚度5～45 m 不等，在走向和傾向上具有較好的連續(xù)性，錳礦石品位較高，是目前該礦田開采開發(fā)的重點(diǎn)；中部礦層（MMO）礦化較弱，厚度不穩(wěn)定，連續(xù)性較差；上部礦層（UMO）厚3～5 m，錳礦品位中等，目前在Kalahari錳礦田尚未廣泛開采。

2.2 礦物成分

礦石礦物成分均較簡(jiǎn)單：富錳礦石錳質(zhì)礦物成分以黑錳礦、鐵錳礦、褐錳礦為主，鐵錳礦石則以褐錳礦、鐵錳礦、錳白云石為主；鐵礦石礦物主要為磁鐵礦和赤鐵礦。

通過對(duì)木庫(kù)魯?shù)V區(qū)樣品巖礦鑒定結(jié)果顯示，巖相明顯地表現(xiàn)在以前的輝鉬礦和碳酸鹽礦的遞進(jìn)轉(zhuǎn)化過程中，細(xì)脈上先出現(xiàn)細(xì)錳礦，取代層序和碳酸鹽巖透鏡體，形成混合的礦石，然后形成越來越多的大規(guī)模置換區(qū)（圖4a）。黑錳礦是Kalahari 錳礦田礦床中取代碳酸鹽巖的成巖氧化產(chǎn)物（圖4b）。從宏觀上看，樣品的密度更高，呈鋼灰色，帶有閃亮的金屬光澤。黑錳礦通常是粗粒的，有時(shí)肉眼可見，形狀為正面體。在較大的塊狀樣品中，沒有殘留層狀或沉積層理。偶有碳酸鹽、鐵氧化物和其他小相出現(xiàn)（圖4c、4d）。

2.3 礦石類型及分布

2.3.1 區(qū)域礦石類型分布

從區(qū)域礦石分布來看，Kalahari 錳礦田礦石類型可分為低品位（＜40%）富含碳酸鹽的礦石及高品位（＞44%）富含氧化物的礦石。其中，低品位礦石稱為馬馬特旺（Mamatwan）型礦石，主要產(chǎn)于Kala?hari 錳礦田南部和東部，是由成巖作用－低級(jí)變質(zhì)作用過程形成的泥質(zhì)巖，在成分上包括微晶錳白云石、褐錳礦及赤鐵礦，錳含量一般30%～40%，此種礦石約占總儲(chǔ)量的97%；而高品位礦石則稱為Wessels型礦石，它們僅分布于礦田北部，由粗晶黑錳礦、褐錳礦與方鐵錳礦組成，約占礦石總儲(chǔ)量的3%（Miya?no and Beukes，1987；Vafeas et al.，2018）。

圖3 Kalahari 錳礦田礦體分布示意剖面圖

圖4 礦石礦物鏡下特征

Wessels 型礦床處于逆沖推覆構(gòu)造和正斷層的區(qū)域，研究認(rèn)為該高品位礦床的形成與逆沖推覆變形過程有關(guān)（Nikel，2006）。Kalahari 錳礦田北部是一個(gè)近南北向正斷層發(fā)育比較強(qiáng)烈的地區(qū)，這些斷層與高品位礦石和鐵化的形成之間可能存在的聯(lián)系需要繼續(xù)深入研究。緊靠南北向斷層的礦石由于含鐵量高而無法開采，最高品位的礦石在斷層塊中部沿正斷層的鐵銹帶和Mamatwan 型礦石殘留帶之間發(fā)育（Gutzmer and Beukes，1993）①。另一個(gè)不太明顯的鐵礦（化）帶與東西向小斷裂有關(guān)，南北向的鐵礦（化）帶一般沿走向1 km 左右，寬約十幾厘米。相對(duì)之下，東西向鐵礦（化）帶沿走向200 m，寬可達(dá)幾米（Gutzmer and Beukes，1995）。

從高品位的Wessels 型礦石到低品位的Mamat?wan 型礦石的轉(zhuǎn)變，推測(cè)可能是急劇的，也可能是漸變的。目前的研究認(rèn)為，這種礦石品位從低到高的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象很可能與斷層控制的低溫?zé)嵋海黧w交代作用有關(guān)。有些學(xué)者認(rèn)為，錳的富集與先后經(jīng)歷的3 次由構(gòu)造引發(fā)的熱液蝕變事件相關(guān)，分別是Wes?sel 事件（1000～1250 Ma）、Mamatwan 事件（550～600 Ma）和Smartt 事件（10～1000 Ma）（Miyano and Beu?kes，1987）。

2.3.2 礦石自然類型

區(qū)內(nèi)錳礦石的主要錳礦物為黑錳礦、鐵錳礦、褐錳礦等氧化物－氫氧化物為主，因此錳礦石的自然類型為氧化錳礦石；鐵礦石的主要鐵礦物為磁鐵礦和赤鐵礦，因此鐵礦石的自然類型可分為為磁鐵礦石和赤鐵礦石。

2.3.3 礦石工業(yè)類型

以礦田北部Wessels 型礦床Hotazel 礦區(qū)為例，深部富錳礦石總體Mn/TFe 為3.37，P/Mn 為0.001，（CaO＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）為1.993，屬低磷、中鐵、堿性錳礦石；深部鐵錳礦石總體Mn/TFe為1.74，P/Mn 為0.001，（CaO ＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）為2.161，屬低磷、高鐵、堿性錳礦石；深部鐵錳礦石總體Mn/TFe 為1.74，P/Mn 為0.001，（CaO＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）為2.161，屬低磷、高鐵、堿性錳礦石；淺部鐵錳礦石總體Mn/TFe 為1.48，P/Mn為0.002，（CaO＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）為0.641，屬低磷、高鐵、酸性錳礦石；區(qū)內(nèi)鐵礦石主要化學(xué)成分中TFe 礦床平均含量為63.27%，SiO2平均含量3.024%，S 平均含量0.001%，P 平均含量0.019%，Cu 平均含量16.159×10－6，其工業(yè)類型為煉鋼用鐵礦石。

2.4 Fe、Mn 含量相關(guān)性

本次研究通過從以往Hotazel 礦區(qū)數(shù)萬件礦石基本分析樣品結(jié)果中隨機(jī)抽取187 件進(jìn)行分析化驗(yàn)，礦石中Fe、Mn 含量因礦物成分的含量變化而異，F(xiàn)e 含量升高則Mn 含量降低，反之亦同，具有明顯的負(fù)相關(guān)性。

從樣品數(shù)據(jù)可以看出：礦石的總體品位（Mn＋TFe）介于30.51%～71.20%，平均值為56.26%。在散點(diǎn)圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)主要集中在50%～70%，總體品位變化穩(wěn)定（圖5）。

TFe 介于31.31%～69.38%，Mn 介于20.40%～57.29%，二者的品位變化范圍較大，且具有此消彼長(zhǎng)的特征，存在明顯的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到－0.85，表明礦石中Fe 和Mn 具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性（圖6）。

Fe、Mn 品位負(fù)相關(guān)性特征的主要原因總結(jié)為2個(gè)方面：一是水體、大氣環(huán)境因素，古元古代的缺氧環(huán)境導(dǎo)致水體中的Fe、Mn 僅能以膠體形式存在，隨著水體中藻類和菌類的大量出現(xiàn)，水體中氧含量增多使Fe、Mn 接受氧化而沉淀（常洪倫等，2016a），在沉積過程中，由于Fe、Mn 物理性質(zhì)的相似性，膠體沉積性質(zhì)差異不明顯，致使Fe、Mn 膠體沉積無明顯界線；二是Fe、Mn 化學(xué)性質(zhì)的相似性，F(xiàn)e、Mn 元素的置換，出現(xiàn)軟/硬/褐錳礦－方鐵錳礦－赤鐵礦的變化序列，礦石中礦物成分的含量差異劃分為不同的礦石類型（常洪倫等，2016）。

3 礦床成因

對(duì)Kalahari 錳礦田成因，大多認(rèn)為為沉積變質(zhì)錳礦床，但也有其他爭(zhēng)論的觀點(diǎn)。關(guān)于礦床成因模型的探討，最為典型的為上升流模型和海侵－海退模型的（常洪倫等，2016a）。

3.1 物質(zhì)來源

大量數(shù)據(jù)表明，Kalahari 錳礦田具有多期海底熱液噴氣特征，且伴隨著熱液蝕變，海底噴氣活動(dòng)都帶來大量Fe、Mn 等成礦物質(zhì)和酸性、還原性氣體，為形成厚大層狀鐵錳礦提供了物質(zhì)基礎(chǔ)（李上森，1996；常洪倫等，2016b；廖鳳初等，2013）。根據(jù)以往勘探數(shù)據(jù)分析，Mamatwan 礦床下部礦層厚大達(dá)到約45 m，Nchwaning 礦床上部礦層厚度為4 m，中部礦層平均厚度小于1 m（Gutzmer and Beukes，1995）。礦帶南北延伸近40 km，寬約15 km，充分表明了成礦物質(zhì)來源充足，鐵錳礦幾乎分布整個(gè)錳礦田。

圖5 Fe、Mn 總含量散點(diǎn)分布圖

圖6 Fe、Mn 含量相關(guān)性曲線

3.2 構(gòu)造條件

礦床的成因模型應(yīng)接近上升流模型，即深海富錳鐵水體在水流的帶動(dòng)下，上升至海盆陸架氧化區(qū)域富集，接收氧化沉積成礦（深部礦體）（圖7）。之后在逆沖推覆過程中衍生一系列的次級(jí)逆沖斷層，導(dǎo)致德蘭士瓦超群在空間上的重復(fù)出現(xiàn)，形成現(xiàn)有的淺部逆沖推覆礦體特征。

元古宙早期，Kalahari 地區(qū)為廣闊碳酸鹽巖沉積序列所覆蓋，形成了一套富錳鐵白云巖環(huán)境中的巖溶系統(tǒng)，隨著地殼抬升，強(qiáng)巖溶作用形成近南北向的溶洞構(gòu)造，為后期含鐵錳質(zhì)沉積物提供了賦存空間。在逆沖推覆作用下衍生一系列的次級(jí)逆沖斷層，表現(xiàn)為逆沖疊瓦狀構(gòu)造，從而導(dǎo)致地層在垂向上重復(fù)出現(xiàn)，形成現(xiàn)有的淺部逆沖推覆礦體特征。經(jīng)過成礦后期南北向近直立正斷層切割，形成了上下位移距離不等的大量礦塊。

4 找礦方法

根據(jù)Kalahari 錳礦田的地層和構(gòu)造等特征，結(jié)合礦體出露、賦存等實(shí)際情況，可通過以下幾個(gè)方面快速、高效圈定找礦靶區(qū)。

航空磁法測(cè)量，結(jié)合地面高磁驗(yàn)證，是快速圈定異常靶區(qū)的有效方法。Kalahari 錳礦田礦體在地表幾乎沒有出露，僅在Black Rock 地區(qū)有少量露頭。根據(jù)這一特點(diǎn)，傳統(tǒng)的地質(zhì)填圖難以達(dá)到找礦效果，且礦田被風(fēng)成沙及植被嚴(yán)重覆蓋，地質(zhì)填圖包括地表工程在該地區(qū)難以奏效。根據(jù)Fe、Mn 物理性質(zhì)，開展航空磁法測(cè)量掃面，能夠快速圈定異常靶區(qū)，通過地面高磁驗(yàn)證，進(jìn)一步縮小靶區(qū)范圍，提高測(cè)量精度。

靶區(qū)鉆探工程揭露，是尋找鐵錳礦床的有效手段。Kalahari 錳礦田具有典型的層位成礦特征，Ho?tazel 組條帶狀含鐵錳建造是鐵錳礦的主要賦礦層位，該層在區(qū)域上分布廣泛且穩(wěn)定。在勘探過程中，若揭露含礦地層及礦體，按照“從已知到未知”的勘查原則，則可按照網(wǎng)度在該鉆孔周邊繼續(xù)布設(shè)鉆孔；若未揭露礦體或礦體厚度不理想，則應(yīng)當(dāng)綜合考慮構(gòu)造對(duì)地層的影響，在已施工鉆孔數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)綜合研究工作，及時(shí)調(diào)整找礦思路和施工方案。

地表采坑及地下礦井是找礦的直接標(biāo)志。在Kalahari 錳礦田分布著大小數(shù)十個(gè)鐵錳礦礦床，其中不乏正在開采開發(fā)的生產(chǎn)礦山，這為該礦田尋找鐵錳礦提供了大量的基礎(chǔ)資料。作為世界最大規(guī)模的錳礦田，地質(zhì)學(xué)界在該礦田進(jìn)行了大量深入的科學(xué)研究，形成了系統(tǒng)的找礦理論，是指導(dǎo)我們找礦的有利支撐。

圖7 礦床成因模式示意圖

5 結(jié)論

通過本文對(duì)Kalahari 錳礦田的相關(guān)研究，在大量收集以往數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地開展了抽樣分析測(cè)試，數(shù)據(jù)表明：Kalahari 錳礦田屬沉積－變質(zhì)型錳礦，礦床規(guī)模大，礦石質(zhì)量好，礦體頂?shù)装宸€(wěn)定且完整。根據(jù)礦物含量特征，礦石類型可劃分為Mamatwan 型和Wessels 型，均屬氧化礦石。樣品結(jié)果顯示了礦石中Fe、Mn 含量負(fù)相關(guān)性較強(qiáng)，總體含量穩(wěn)定，這與成礦時(shí)期古元古代的水體環(huán)境及Fe、Mn 膠體的沉積性質(zhì)關(guān)系密切。

研究認(rèn)為該地區(qū)找礦有以下幾點(diǎn)啟示：Hotazel組條帶狀含鐵錳建造是區(qū)域內(nèi)找礦的地層標(biāo)志，磁法測(cè)量和鉆探工程是快速、高效找礦的有效方法。

致謝本文在編寫和修改過程中得到了北京中資環(huán)鉆探有限公司總經(jīng)理朱思才、副總經(jīng)理陳德穩(wěn)教授級(jí)高工的指導(dǎo)，審稿專家對(duì)文章的完善也提出了諸多寶貴的意見和建議，在此一并表示感謝！

注釋

①Gutzmer J，Beukes N J.1993.Hydrothermal alteration and ferrug?inization of sedimentary manganese ore at the Nchwaning mine，Kalahari manganese field，Early Proterozoic Transvaal Supergroup［R］.South Africa Unpublished report，Johannesburg.