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    南非西北省某鐵錳礦床地質(zhì)特征及成因淺析

    2021-04-20 07:35:22和松譚康雨馬林霄岳鵬軍
    礦產(chǎn)勘查 2021年2期
    關(guān)鍵詞:錳礦石淺部錳礦

    和松譚康雨馬林霄岳鵬軍

    (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

    錳礦是重要的戰(zhàn)略性資源,也是發(fā)展鋼鐵工業(yè)的重要大宗原料礦產(chǎn)之一,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中具有十分重要的戰(zhàn)略地位(高海亮,2006)。南非錳礦石儲(chǔ)量居世界第1 位,總計(jì)1316 億t,集中分布在開普省庫魯曼地區(qū)(常洪倫等,2014),呈近南北向的古元古代海斯巨形錳礦帶,長(zhǎng)達(dá)130 km。礦區(qū)位于古元古代海斯鐵-錳成礦帶卡拉哈里錳礦田西北緣,地理坐標(biāo)為南緯27°08′40″,東經(jīng)22°49′50″。南非錳礦均產(chǎn)于前寒武紀(jì)德蘭士瓦群內(nèi),為海相沉積或沉積變質(zhì)錳礦床(周柳霞和譚蓉1997)。20 世紀(jì)20 年代初,最早發(fā)現(xiàn)了位于Mukulu 礦區(qū)南部的Postmasburg 錳礦田,20 世紀(jì)60—70 年代,Assmang公司在該礦田開始開發(fā)Emang 錳礦田。1966 年10月至1968 年3 月,南非AMMOSAL 公司在該礦權(quán)區(qū)進(jìn)行勘查工作,經(jīng)過采樣分析,初步發(fā)現(xiàn)了該礦區(qū)錳礦的存在。1968—2008 年,ASSMANG 公司(原名AMMOSAL)在Mukulu 礦權(quán)區(qū)進(jìn)行了鉆探施工,2008 年,Main Street 778 公司委托Mr Abraham Pre?torius 對(duì)礦區(qū)進(jìn)行了三維建模及資源量估算,利用鉆孔數(shù)據(jù)35 個(gè),提交了《A Report of the creation of a geological and orebody model for the Mukulu manga?nese project- A.I.Pretorius》,通過距離冪次反比法圈定了深部UMO、LMO 2 條礦體。但以往工作主要是在礦區(qū)北段(約10 km2)完成了系統(tǒng)的地質(zhì)勘查工作,因此本次核實(shí)工作資源量估算對(duì)象為礦區(qū)通過系統(tǒng)工程控制的淺部礦體和深部礦體。筆者在參與礦區(qū)地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,從礦區(qū)大地構(gòu)造背景出發(fā),結(jié)合近年來礦區(qū)的找礦成果,分析鐵錳礦成礦規(guī)律,對(duì)該鐵錳礦成因進(jìn)行了初步探討,以期為卡拉哈里錳礦田內(nèi)的鐵錳礦找礦勘查提供思路。

    1 區(qū)域地質(zhì)背景

    南非的構(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。南非成礦區(qū)帶分為6 個(gè)Ⅲ級(jí)成礦區(qū)帶(表1)(吳興源等,2015),礦區(qū)產(chǎn)出于古元古代海斯鐵-錳成礦帶(Ⅲ-3)卡拉哈里(Kalagari)錳礦田西北緣。

    Mukulu 礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于卡普瓦爾(Kaapvaal)克拉通西部與古元古代海斯(Kheis)褶皺-逆沖帶的交界地帶的西格里夸蘭盆地(Griqua?land West)北部。西格里夸蘭盆地地層主要由古元古代德蘭士瓦超群(Transvaal)、古元古代晚期奧利芬霍克超群(Olifanshoek)、中生代卡魯超群(Ka?roo)、新生代卡拉哈里超群(Kalahari)構(gòu)成。區(qū)域性的構(gòu)造主要由一條近SN 向逆沖斷層和一系列SN向、SN-NE 向、NNW-NW 向正斷層,以及NW 向、NE 向褶皺構(gòu)造構(gòu)成,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 向的Black Ridge 逆沖斷層、NW 向Dimoten 向斜及一系列SN-NE 向正斷層(圖1)。

    表1 南非主要成礦區(qū)帶

    近SN 向逆沖斷層和一系列SN 向、SN-NE 向、NNW-NW 向正斷層,以及NW 向、NE 向褶皺構(gòu)造構(gòu)成,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 向的Black Ridge 逆沖斷層、NW 向Dimoten 向斜及一系列SN-NE 向正斷層(圖1)。

    區(qū)域巖漿巖較為發(fā)育,主要巖性為玄武質(zhì)、安山質(zhì)枕狀熔巖,脈巖多為后期的輝綠巖脈和細(xì)晶閃長(zhǎng)巖脈。區(qū)域內(nèi)的地層受到了非常淺程度的變質(zhì)作用,在長(zhǎng)期的變質(zhì)過程中,重結(jié)晶引起了礦物晶體的生長(zhǎng)及形態(tài)的變化,形成了微結(jié)核,出現(xiàn)了方鐵錳礦、褐錳礦和赤鐵礦等金屬礦物微晶共生的情況。

    2 礦區(qū)地質(zhì)特征

    2.1 地層

    礦區(qū)地層主要為古元古代、中生代的火山-沉積巖系以及新生代蓋層,自下而上主要地層特征見表2。

    波斯特馬斯堡群(包括Ongeluk、Hotazel 組和Mooidraai 組),其中Ongeluk 組主要巖性為玄武質(zhì)、安山質(zhì)火山熔巖,廣泛分布在Mukulu 礦床深部,構(gòu)成了礦床的基底,Hotazel 組為一套條帶狀含鐵(錳)建造,主要巖性條帶為狀磁鐵石英巖,廣泛分布在Mukulu 礦床深部,與下伏Ongeluk 組呈不整合接觸,該組為礦區(qū)錳礦和鐵礦的主要賦礦層位,Mooidraai組主要巖性為菱鐵礦白云巖、燧石質(zhì)白云巖,與下伏Hotazel 組呈整合接觸,該組地層在沉積時(shí)受古地形影響,在走向和傾向上連續(xù)性較差,在Mukulu 礦區(qū)表現(xiàn)為呈透鏡狀產(chǎn)出。

    古元古界奧利芬霍克超群包括Mapedi 組和Lucknow 組,其中Mapedi 組主要巖性為頁巖,夾石英巖,底部為含鐵頁巖、碎屑巖,與下伏Mooidraai 組呈不整合接觸,Lucknow 組主要巖性為頁巖、礫巖、石英巖夾頁巖,與下伏Mapedi 組不整合接觸。

    中生界卡魯超群的德懷卡群為一套冰川成因的混雜陸源沉積巖(冰磧巖),該組地層主要呈似層狀、透鏡狀分布在礦區(qū)東部,不整合覆蓋在Mapedi組之上。

    表2 Mukulu 礦區(qū)主要地層簡(jiǎn)表

    圖1 西格里夸蘭盆地區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖

    新生界卡拉哈里超群包括Gordonia 組和卡拉哈里組,其中卡拉哈里組上部為鈣質(zhì)礫巖,下部為紅色粘土層,底部為含粘土礫石層,Gordonia 組在全區(qū)廣泛分布,主要為風(fēng)成砂和腐殖土,在礦區(qū)表現(xiàn)為東北厚度小、西南厚度大,平均厚度一般在25 m 左右。

    2.2 構(gòu)造

    礦區(qū)位于Dimoten 向斜東翼,區(qū)內(nèi)以南西緩傾的單斜巖層為主,次級(jí)褶皺構(gòu)造不發(fā)育。礦區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育,最主要的斷裂構(gòu)造為逆沖推覆斷層,主逆沖斷層在深部多順層(Mapedi 組頂部)滑動(dòng),斷層面的產(chǎn)狀基本與地層產(chǎn)狀一致,即傾向230°,傾角約7°,在淺部產(chǎn)狀變陡,傾角約45°。受逆沖推覆斷層控制,在斷層面以上形成淺部逆沖推覆體礦體,即淺部礦體,由于推覆構(gòu)造次級(jí)斷裂發(fā)育,導(dǎo)致淺部礦體在走向和傾向的連續(xù)性較差。

    其次為一系列正斷層,根據(jù)目前工程控制情況,礦區(qū)內(nèi)主要發(fā)育一系列近南北向正斷層,分別編號(hào)為F1、F2、F3、F4、F5。這些斷層多為成礦后的破礦構(gòu)造,F(xiàn)1 斷層:貫穿整個(gè)礦區(qū),呈近南北向展布,傾向東,傾角約78°,屬高角度正斷層,將Mapedi 組以下的地層錯(cuò)斷,并控制了Mapedi 組的沉積,平均垂直斷距約51 m、水平斷距約10 m。其與F2 斷層一起將礦區(qū)內(nèi)礦體分為東、西兩個(gè)區(qū)塊;F2 斷層:貫穿整個(gè)礦區(qū),位于F1 斷層?xùn)|側(cè),呈近南北向展布,傾向東,傾角約78°,為礦區(qū)內(nèi)斷距最大的高角度正斷層,將Mapedi 組以下地層錯(cuò)斷,并控制了Mapedi 組的沉積,平均垂直斷距約271 m、水平斷距約56 m;F3 斷層:呈近南北向展布,傾向西,傾角約11°,斷距較小,為發(fā)育在Mapedi 組的正斷層,位于F1 斷層西側(cè),其應(yīng)屬于F1 斷層的次級(jí)斷裂;F4 斷層:呈近南北向展布,傾向東,傾角約72°,屬高角度正斷層,將Mapedi 組以下的地層錯(cuò)斷,并控制了Mapedi 組的沉積,平均垂直斷距約60 m、水平斷距約8 m;F5 斷層:根據(jù)目前工程控制情況,主要在礦區(qū)東部分布,呈近南北向展布,傾向西,傾角約77°,屬高角度正斷層,將Mapedi 組以下地層錯(cuò)斷,并控制了Mapedi 組的沉積,平均垂直斷距約138 m、水平斷距約56 m。

    2.3 巖漿巖

    礦區(qū)的巖漿巖主要由侵入的脈巖,根據(jù)鉆孔揭露結(jié)果,在Ongeluk 組和Hotazel 組地層中見到侵入巖的脈巖。礦區(qū)內(nèi)目前共發(fā)現(xiàn)2 條脈巖,為白色到灰色的細(xì)晶閃長(zhǎng)巖,兩者近平行產(chǎn)出,傾向140°,傾角約80°。脈巖基本上是沿?cái)鄬忧秩氲?,推測(cè)發(fā)生在Hotazel 組沉積之后,Mapedi 組頁巖沉積之前,因此,脈巖對(duì)礦體有不同程度的破壞作用。

    2.4 變質(zhì)作用

    礦床經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史演化和構(gòu)造巖漿活動(dòng),石英砂巖變質(zhì)為石英巖,具有變余砂狀結(jié)構(gòu)和變晶結(jié)構(gòu);重結(jié)晶引起了礦物晶體的生長(zhǎng)及形態(tài)的變化,形成微結(jié)核,出現(xiàn)了方鐵錳礦、褐錳礦和赤鐵礦共生的情況;根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查,各類粉、細(xì)砂巖均有一定程度的綠片巖化、高嶺土化或絹云母化,且?guī)r石中常有石英脈細(xì)脈穿插,由此判斷礦區(qū)的變質(zhì)作用為淺-中淺變質(zhì)程度。

    3 礦床地質(zhì)特征

    3.1 礦體特征

    根據(jù)目前勘探成果,結(jié)合礦床地質(zhì)特征,在礦區(qū)內(nèi)礦體可分為淺部礦體和深部礦體,均呈北西-南東方向展布,礦體主要賦存在Hotazel 組的條帶狀含鐵(錳)建造中,主要賦礦巖性為條帶狀磁鐵石英巖,淺部礦體主要分布在逆沖推覆體內(nèi),其空間展布受逆沖推覆斷層控制(圖2)。

    在淺部逆沖推覆體內(nèi)共圈出16 條淺部礦體(分鐵錳礦體和鐵礦體),其中鐵礦體共6 條,鐵錳礦體共10 條。各礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出,大致平行分布。淺部礦體受推覆構(gòu)造的控制,主要賦存在推覆斷裂面以上,埋深一般70~190 m,屬隱伏礦體,在平面位置上,位于礦區(qū)中部。

    在深部共圈出3 條鐵錳礦體,自上而下分別編號(hào)為UMO、MMO 和LMO;鐵錳礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出,基本平行分布。其中UMO 富錳礦體礦體走向約335°,走向長(zhǎng)2500 m,總體傾向南西,平均傾角約8.57°,賦礦標(biāo)高302~704 m,控制的最大延深1525 m。礦體賦存在條帶狀含鐵錳硅質(zhì)巖內(nèi),形態(tài)呈層狀、似層狀。礦體內(nèi)無夾石。后期脈巖沿?cái)鄬忧秩耄瑪鄬訉⒌V體錯(cuò)斷;MMO 富錳礦體礦體走向約338°,走向長(zhǎng)507 m,總體傾向南西,平均傾角約8.96°,賦礦標(biāo)高316~650 m,控制的最大延深216 m。礦體賦存在條帶狀含鐵錳硅質(zhì)巖內(nèi),形態(tài)呈層狀、似層狀。礦體內(nèi)無夾石。后期脈巖沿?cái)鄬忧秩?,斷層將礦體錯(cuò)斷;LMO 富錳礦體礦體走向約333°,走向長(zhǎng)2243 m,總體傾向南西,平均傾角約8.5°,賦礦標(biāo)高166~660 m,控制的最大延深2337 m。礦體賦存在條帶狀含鐵錳硅質(zhì)巖內(nèi),形態(tài)呈層狀、似層狀。礦體內(nèi)無夾石。后期脈巖沿?cái)鄬忧秩?,斷層將礦體錯(cuò)斷。

    圖2 礦區(qū)構(gòu)造典型剖面示意圖

    3.2 礦石特征

    礦區(qū)的礦體埋深一般在100 m 以下(深部礦體埋深350 m 以下),主要賦存在條帶狀含鐵(錳)硅質(zhì)巖(BIF)內(nèi)。礦石具有硫化物含量低、礦石硬度大、脆性強(qiáng)的特點(diǎn)。

    礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單,主要為粒狀變晶結(jié)構(gòu),條紋-條帶狀構(gòu)造。條帶狀構(gòu)造由鐵錳質(zhì)條帶(主要由塊狀、粒狀赤鐵礦、磁鐵礦及錳質(zhì)礦物混合而成)和燧石條帶(主要由細(xì)晶石英組成)間隔分布,寬0.1~1 cm 不等(圖2)。

    3.3 礦石類型

    3.3.1 自然類型

    (1)鐵礦石

    礦區(qū)淺部鐵礦石的主要鐵礦物為磁鐵礦和赤鐵礦(部分礦石以磁鐵礦為主,部分以赤鐵礦為主),因此鐵礦石的自然類型可分為為磁鐵礦石和赤鐵礦石。

    (2)錳礦石

    礦區(qū)淺部和深部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。

    3.3.2 工業(yè)類型

    (1)鐵礦石

    礦區(qū)內(nèi)鐵礦石其主要有用成分為赤鐵礦和磁鐵礦,主要分布在淺部10 個(gè)鐵礦體中。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。其有用物質(zhì)和主要有害物質(zhì)基本滿足《鐵、錳、鉻礦地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0200-2002)中煉鋼用鐵礦石的工業(yè)要求。

    因此,該區(qū)鐵礦石的工業(yè)類型為煉鋼用鐵礦石。

    (2)錳礦石

    該區(qū)的錳礦石主要為氧化錳礦石,根據(jù)《鐵、錳、鉻礦地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0200-2002)中冶金用錳礦石一般工業(yè)指標(biāo)要求,其工業(yè)分類可分為鐵錳礦石(淺部和深部的鐵錳礦體中)、富錳礦石(深部富錳礦體中)。

    1)淺部鐵錳礦石

    從表3 可以看出,淺部鐵錳礦石總體Mn/Fe 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。具體到每個(gè)礦體,除MFe3 和MFe6 鐵錳礦體礦石為低磷、高鐵、自熔性錳礦石外,其他礦體礦石均為低磷、高鐵、酸性錳礦石。

    表3 淺部鐵錳礦石性質(zhì)計(jì)算參數(shù)表

    表4 深部鐵錳礦石性質(zhì)計(jì)算參數(shù)表

    2)深部鐵錳礦石

    從表4 可以看出,深部鐵錳礦石總體Mn/Fe 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。具體到每個(gè)礦體,差別也不大,礦石性質(zhì)均相同。

    3)深部富錳礦石

    從表5 可以看出,富錳礦石總體Mn/Fe 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。具體到每個(gè)礦體,除UMO 富錳礦體礦石為低磷、高鐵、堿性錳礦石外,其他礦體礦石均為低磷、中鐵、堿性錳礦石。

    表5 富錳礦石性質(zhì)計(jì)算參數(shù)表

    3.4 礦石物質(zhì)組成

    礦區(qū)內(nèi)鐵礦石主要分布在淺部逆沖推覆體中的鐵礦體內(nèi),根據(jù)野外和鏡下觀察,礦石主要有用礦物為鐵氧化物(磁鐵礦和赤鐵礦),含量可達(dá)60%以上;能判明的主要金屬礦物有錳質(zhì)礦物(2%左右)、黃鐵礦、針鐵礦等;非金屬脈石礦物主要有石英(含量30%左右)及少量白云石、方解石、伊利石、磷灰石、石膏、高嶺石等(圖3)。

    礦區(qū)內(nèi)鐵錳礦體和富鐵礦體的礦石類型均屬氧化錳礦石,其礦物成分基本相同,只是含量有所不同。根據(jù)野外和鏡下觀察,其主要有用礦物為黑錳礦、褐錳礦,Mn 含量30%左右,鐵氧化物(磁鐵礦和赤鐵礦,TFe 含量11%~25%),其次為菱錳礦、鐵錳礦、鈣錳石、錳白云石、鈣菱錳礦、錳方解石、方鐵錳礦、軟錳礦等;主要脈石礦物為石英、方解石、白云石、磷灰石、重晶石等。其中,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(圖3)。

    4 礦床成因

    Mukulu 礦床位于世界著名的卡拉哈里錳礦田西北部,該礦田蘊(yùn)藏錳礦資源量巨大。礦區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育一套富含鐵錳硅質(zhì)建造(BIF)、石英巖、火山熔巖及頁巖等的海底熱水噴氣沉積建造,賦礦層位為波斯特馬斯堡群Hotazel 組。鐵錳礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出;礦石具變晶結(jié)構(gòu),條帶狀構(gòu)造,礦石礦物的主要成分為黑錳礦、褐錳礦、鐵氧化物、菱錳礦、鈣錳石等,脈石礦物主要為硅質(zhì)和少量鈣質(zhì);礦區(qū)變質(zhì)作用為淺-中淺變質(zhì)程度,主要為綠片巖相。綜上,礦床成因類型為沉積變質(zhì)型鐵錳礦床。

    4.1 成礦物質(zhì)來源

    圖3 條帶狀鐵(錳)礦石照片

    據(jù)前人文章中對(duì)相關(guān)地球化學(xué)資料和Sr 及Pb同位素證據(jù)表明,卡拉哈里錳礦田中的Ongeluk 玄武質(zhì)、安山質(zhì)熔巖在海底火山環(huán)境中經(jīng)受了主要熱液蝕變,蝕變伴生有大量熱液噴氣,這些火山噴氣是大量化學(xué)沉積物,尤其是錳、鐵和燧石的主要來源。且具多期海底熱液噴氣特征,每期海底噴氣活動(dòng)都帶來大量Fe、Mn 等成礦物質(zhì)和酸性、還原性氣體,為形成巨型鐵錳礦床提供了物質(zhì)基礎(chǔ)(廖鳳初和周有希,2013)。

    4.2 古構(gòu)造條件

    元古宙早期,卡拉哈里地區(qū)為廣闊的Campbell Rand 亞群臺(tái)地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),這為鐵錳礦床的形成提供了條件。隨著地殼抬升,強(qiáng)巖溶作用形成近南北向的溶洞構(gòu)造,為之后含錳鐵質(zhì)沉積物提供了容納空間。

    4.3 礦床成因模型

    據(jù)常洪倫等在錳礦田堆積型錳礦體地質(zhì)特征及找礦方向一文中研究表明,關(guān)于該地區(qū)鐵錳礦床成因的模型有很多種,其中主要流行的有兩種(常洪倫等,2016),一種為海侵—海退模型:在海平面的升降波動(dòng)中,錳質(zhì)以氧化物的形式在陸架上沉積下來成礦。海盆中錳礦層具有一定的序列,反映了進(jìn)積—退積的旋回性(Cannon and Force,1983);另一種為上升流模型:深海富錳水體在水流帶動(dòng)下上升至海盆陸架氧化區(qū)域富集,接受氧化沉積成礦(圖4)(Frakes and Bolton,1984)。

    圖4 礦床成因模式示意圖(據(jù)常洪倫等,2016b 修改)

    卡拉哈里錳礦田之下的安格盧卡熔巖堆積物是由于海底火山—熱液作用而發(fā)生蝕變的(李上森,1996)。因此礦床的成因模型應(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)。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。

    5 結(jié)論

    (1)該礦區(qū)主要賦礦層位為波斯特馬斯堡群Hotazel 組,主要賦礦巖性為條帶狀磁鐵石英巖,礦體產(chǎn)狀較穩(wěn)定,總體傾向以南西為主,呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出,基本平行分布,受構(gòu)造影響明顯。

    (2)該礦區(qū)變質(zhì)作用為淺-中淺變質(zhì)程度,主要為綠片巖相,礦石以氧化礦為主,礦物主要成分為黑錳礦、褐錳礦、鐵氧化物、菱錳礦、鈣錳石等,脈石礦物主要為硅質(zhì)和少量鈣質(zhì)。礦床類型屬沉積變質(zhì)型鐵錳礦床,礦床的成因模型接近于上升流模型。

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