廣西大新縣土湖錳礦床地質(zhì)特征及成礦模式研究

張 鵬

(中國—東盟地學(xué)合作中心，廣西 南寧 530023)

0 前 言

沉積型錳礦是我國錳礦的最主要類型，廣西的泥盆系沉積型錳礦是我國最重要的錳礦層位之一。錳礦是桂西南地區(qū)重要的礦產(chǎn)之一，在下雷至上映一帶以及龍邦一帶，發(fā)育下雷、湖潤、龍邦、土湖等一系列大、中型錳礦床，是重要的錳礦基地，榴江組是廣西重要的含錳巖系之一。大新縣土湖錳礦位于大新縣城北西，屬大新縣土湖鄉(xiāng)管轄。經(jīng)緯度坐標(biāo)為東經(jīng)106°49′10″。106°49′43″，北緯23°02′07″。礦區(qū)長約5 km，寬200～800 m，面積約2 km2。

研究區(qū)豐富的勘查工作為區(qū)域成礦調(diào)查研究提供了大量詳實(shí)的基礎(chǔ)地質(zhì)資料。廣西錳礦地質(zhì)調(diào)查在解放前即以開始，1927年兩廣地質(zhì)調(diào)查所成立至新中國成立的22年間，先后有李四光等多位地質(zhì)學(xué)家來桂西南地區(qū)考察錳礦。1956年中南地質(zhì)局416隊(duì)提交了《廣西大新縣第九區(qū)土湖踏勘普查報告》，目測礦石含錳品位20%以上，含礦率l5%左右；1975年，廣西區(qū)第四地質(zhì)隊(duì)對土湖錳礦進(jìn)行了地質(zhì)普查，提交《廣西大新土湖錳礦區(qū)初步普查報告》，認(rèn)為該礦為貧氧化錳礦石，有一定遠(yuǎn)景；1982年廣西區(qū)第四地質(zhì)隊(duì)區(qū)調(diào)分隊(duì)提交《廣西大新縣土湖錳礦區(qū)初步勘探地質(zhì)報告》，各級氧化錳礦石如下：B級45.68萬t，C級228.75萬t，D級164.87萬t。礦山1984年開始籌建，1985年正式開始建設(shè)，由于供水供電不正常，資金缺乏，剝離欠賬，一直未正式投入生產(chǎn)。2007年5月至2008年2月，廣西第四地質(zhì)隊(duì)對土湖—東平錳礦開展找礦遠(yuǎn)景區(qū)的評價工作[1-3]。前人在大新縣土湖錳礦的研究工作是在該地區(qū)開展錳礦勘探的重要基礎(chǔ)，目前土湖錳礦研究程度尚淺，亟需開展錳礦床地質(zhì)特征的系統(tǒng)研究，通過野外地質(zhì)線路觀察、剖面測量、探槽等野外工作，采集樣品測試分析，研究礦體形態(tài)、分布、厚度、品位、礦石的類型、礦物、成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等，綜合分析提出成礦模式，以便為在土湖錳礦開展整裝勘查提供依據(jù)，同時將對廣西泥盆紀(jì)錳礦沉積的成礦規(guī)律提出一定的認(rèn)識，為錳礦找礦預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

土湖錳礦區(qū)位于右江盆地東南部，大地構(gòu)造位置屬華南褶皺系右江再生地槽下雷—靈馬坳陷東南部，西臨靖西—田東隆起，東接西大明山隆起，以喀斯特巖溶地貌為主。區(qū)內(nèi)最主要的褶皺構(gòu)造為受裂谷作用影響而形成的下雷—上映向斜槽向斜，呈北北東—南西西向展布。向斜南翼受北北東向斷層的嚴(yán)格控制，其西南緣于湖潤、新湖一帶為北西向斷層切割錯斷。在中—薄層灰?guī)r或硅質(zhì)條帶灰?guī)r中普遍發(fā)育與向斜相協(xié)調(diào)的次級褶皺，形成復(fù)式向斜。研究區(qū)斷裂發(fā)育，主要由北北東向、北西向兩組斷裂，其中最具代表性的斷裂構(gòu)造為下雷—上映同沉積斷裂以及黑水河活動性斷裂(見圖1)。

研究區(qū)內(nèi)地層出露地層廣泛發(fā)育，以泥盆系、石炭系為主。研究區(qū)泥盆系發(fā)育，分布廣泛，主要分布于向斜槽兩翼，根據(jù)沉積類型可劃分為臺地相、臺溝相兩種，臺地相可劃分為融縣組、東崗嶺組，臺溝相可劃分為榴江組、五指山組。石炭系主要分布于向斜槽部，兩翼可見零星分布。自下而上可劃分為鹿寨組(C1lz)、巴平組(C1-2b)、南丹組(C2P1n)3個組。研究區(qū)巖漿巖活動較弱，僅發(fā)育少量巖墻、巖脈、巖株，以海西期基性巖為主，次為中生代超基性巖[4]。

圖1 廣西大新縣土湖錳礦地質(zhì)簡況

2 礦區(qū)地質(zhì)

2.1 地層

礦區(qū)內(nèi)出露的地層有中泥盆統(tǒng)東崗嶺組(D2d)中厚層灰?guī)r、上泥盆統(tǒng)榴江組和下石炭統(tǒng)薄層硅質(zhì)巖夾薄層灰?guī)r。礦區(qū)內(nèi)沒有巖漿巖出露。

榴江組(D3l)為礦區(qū)主要含錳層位，分第1段、第2段兩段。第1段(D3l1)分上、中、下3個部分，為1～16層。下部為1～6層，厚度>175 m。巖性主要為灰至深灰色硅質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)巖、含錳硅質(zhì)灰?guī)r、含錳泥巖；中部為7～11層，厚度為2.3～9.6 m，巖性主要為灰至深灰色含錳硅質(zhì)灰?guī)r、氧化錳礦層、硅質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖、鈣質(zhì)泥巖、泥巖；上部厚度10.6～15.2 m，巖性主要為深灰色含錳鈣質(zhì)硅質(zhì)巖、灰白、黃白色硅質(zhì)巖、含錳泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖。第2段(D3l2)巖性主要為灰綠色至肉紅色薄層條帶狀灰?guī)r、似扁豆?fàn)罨規(guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r(見圖2)。

2.2 構(gòu)造

礦區(qū)屬上映倒轉(zhuǎn)向斜南東翼，地層總的傾向325(°)，走向50(°)～60(°)，其南部被區(qū)域性F1逆斷層切割，構(gòu)成礦區(qū)的基本構(gòu)造格架。由于榴江組大部分為泥質(zhì)巖、硅質(zhì)巖，易于產(chǎn)生褶皺，故礦區(qū)構(gòu)造以褶皺為主。根據(jù)褶皺構(gòu)造的規(guī)模以及他們之間的相互關(guān)系，礦區(qū)褶皺構(gòu)造可分3種：①Ⅰ級褶皺構(gòu)造，為一部分被剝蝕的箱狀背斜，控制著礦區(qū)氧化礦層總的形態(tài)；②Ⅱ級次生褶皺構(gòu)造，展布于Ⅰ級構(gòu)造的北西在的背向斜構(gòu)造，主要控制礦層形態(tài)的扭曲；③Ⅲ級撓曲構(gòu)造，廣泛分布礦區(qū)各地，使礦層局部形態(tài)復(fù)雜。

礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，主要為NNE向逆斷層為區(qū)域大斷層，斷層局部近EW向。由于斷層作用使上盤中石炭統(tǒng)東崗嶺組的灰?guī)r上升直接與上泥盆統(tǒng)榴江組的地層相接觸，并在東邊和西邊將礦層切斷。其中西邊將工業(yè)礦體切斷，對礦體有一定的破壞作用，東邊則對礦體沒有影響[5]。

圖2 廣西大新縣土湖錳礦地層柱狀簡況

3 礦床地質(zhì)特征

3.1 礦體特征

1)礦區(qū)共發(fā)育Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個碳酸錳礦層，碳酸錳礦層呈層狀賦存于上泥盆統(tǒng)榴江組(D3l)中部，嚴(yán)格受地層層位控制，其產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致，走向北東，傾向北西，走向長度約4 000 m，傾向斜深100～300 m，傾角一般為10(°)～28(°)，局部倒轉(zhuǎn)，主要由微層狀含錳生物碎屑硅質(zhì)灰?guī)r與鈣質(zhì)與鈣質(zhì)硅質(zhì)巖及硅質(zhì)泥灰?guī)r互層組成。礦層厚2～50 cm不等，平均品位為8.01%，最高可達(dá)15.82%。Ⅰ礦層厚度為0.20%～l.96%，平均厚度0.84 m，總的自東往西逐漸變薄，僅在中部為工業(yè)礦層。Ⅱ礦層為礦區(qū)主要礦層之一，厚度為0.19～4.82 m，平均2.54 m，礦區(qū)中部往東可見該礦層厚度變薄并趨于尖滅，往西該層厚度亦是趨于減薄，厚度由3～4 m降為1 m左右。Ⅲ礦層為礦區(qū)主要礦層之一，厚0.59～4.75 m，平均厚2.36 m，厚度相對比較穩(wěn)定。由于Ⅱ礦層和Ⅲ礦層之間夾有一層礦，被礦層所隔開的上下真正夾層厚度<0.30 m，故往往將Ⅱ、Ⅲ礦層視為一個完整的礦層，稱為Ⅲ+Ⅱ礦層，厚1.07～8.38 m不等，平均厚5.25 m。礦層層厚總體東厚西薄[6]。

2)礦區(qū)共發(fā)育3、5、12、13、16分層等共5個氧化錳礦層，由葉片狀、條紋狀氧化錳礦層和土狀含錳泥巖與硅質(zhì)巖互層組成。氧化錳礦層主要為錳帽型氧化錳，由碳酸錳礦層近地表的部分風(fēng)化而成，其產(chǎn)狀、規(guī)模等特征與碳酸錳礦層基本一致，礦層長約4 km，平均斜深154 m，總厚度6.09 m。僅局部幾處厚度、品位達(dá)到工業(yè)要求，工業(yè)價值不大。

3.2 礦石特征

3.2.1 礦石類型

礦區(qū)各礦層根據(jù)錳礦類型劃分為氧化錳礦石和碳酸錳礦石兩種，氧化錳礦石主要由葉片狀氧化錳礦、土狀錳礦組成，碳酸錳礦石由含錳硅質(zhì)巖、含錳含生物屑硅質(zhì)泥巖組成[7]。

3.2.2 礦物組分

碳酸錳礦石礦物主要為錳方解石、水云母、石英、蛋白石、高嶺石等，脈石礦物有石英、云母、方解石及綠泥石；氧化錳礦石主要由鋇錳礦、隱鉀錳礦、軟錳礦、鋰錳礦、鈣錳礦、褐錳礦和黑鎂鐵錳礦等氧化錳礦物以及水云母、高嶺石、石英等組成，其中水云母、高嶺石含量較高，為60%～92%，石英為2%～30%，氧化錳礦物含為2%～5%。

3.2.3 礦石結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

碳酸錳礦石以微粒結(jié)構(gòu)為主，夾有少量的細(xì)粒、細(xì)柱狀及鱗片結(jié)構(gòu)，偶見顯微葉片結(jié)構(gòu)和生物碎屑結(jié)構(gòu)；氧化錳礦石主要為風(fēng)化作用下的束狀結(jié)構(gòu)、變膠狀結(jié)構(gòu)、微粒結(jié)構(gòu)、隱晶質(zhì)及泥質(zhì)結(jié)構(gòu)和顯微鱗片泥質(zhì)結(jié)構(gòu)等。礦石的構(gòu)造主要有侵染狀構(gòu)造、微層狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造、豆?fàn)顦?gòu)造、土狀構(gòu)造、網(wǎng)格狀構(gòu)造、瘤狀構(gòu)造及薄層狀構(gòu)造(見圖3)。

(a)微層狀構(gòu)造; (b)微層狀構(gòu)造; (c)豆?fàn)顦?gòu)造; (d)瘤狀構(gòu)造

3.2.4 化學(xué)特征

1)碳酸錳礦石

根據(jù)礦區(qū)部分鉆孔的樣品測試結(jié)果表明，土湖錳礦碳酸錳礦層各化學(xué)組分含量為Mn 10.89%，TFe 3.93%，P 0.007 4%，SiO219.30%，CaO 23.12%，MgO 2.88%，Al2O31.98%(見表1)。

2)氧化錳礦石

化驗(yàn)結(jié)果表明：土湖錳礦氧化錳礦層各化學(xué)組分含量為Mn 19.27%，TFe 6.85%，P 0.082%，SiO248.04%，CaO 0.45%，MgO 0.42%，Al2O34.66%，S 0.015%，Ni 0.030%，Co 0.014%，燒失量9.03%(見表2)。

表1 土湖礦區(qū)部分鉆孔碳酸錳礦石化學(xué)分析結(jié)果

表2 土湖礦氧化錳礦石化學(xué)分析結(jié)果

3.3 礦層圍巖和夾石

碳酸錳礦層的直接頂?shù)装寰鶠楹i灰?guī)r，其特征與礦層基本一致(僅Mn含量<8%)，礦與非礦肉眼難以區(qū)分，需靠化學(xué)分析方能確定。礦層中夾石為灰色微—薄層狀硅質(zhì)灰?guī)r，常與含錳灰?guī)r互層產(chǎn)出。氧化錳礦層頂?shù)装迮c碳酸錳礦層相同，夾石主要為泥巖、硅質(zhì)巖以及含錳硅質(zhì)巖等[8]。

4 錳礦床成因分析

通過對礦床地質(zhì)特征、沉積環(huán)境、物質(zhì)來源和大地構(gòu)造背景等幾方面分析，認(rèn)為該地區(qū)錳礦床的形成經(jīng)歷了兩大階段。

4.1 碳酸錳礦床形成階段

被動大陸邊緣的伸展作用導(dǎo)致地殼下降，海盆可容空間加大，海浸階段逐步形成欠補(bǔ)償沉積環(huán)境。伴隨拉張作用導(dǎo)致大陸邊緣發(fā)育碳酸鹽臺盆相間的古地理格局，沉積環(huán)境為氧化環(huán)境。熱液為錳質(zhì)主要來源，有機(jī)物為礦層中碳酸錳的形成提供了碳酸根，其形成在早期成巖階段。由于地殼沉降可導(dǎo)致海底火山物質(zhì)及熱流(含Mn、SiO2及CO2)進(jìn)入海盆，海浸早期欠補(bǔ)償環(huán)境開始出現(xiàn)， H2S的加入使盆內(nèi)水介質(zhì)的pH值<7，為酸性介質(zhì)，沉積物以硅質(zhì)巖類為主。欠補(bǔ)償環(huán)境持續(xù)，pH>8，沉積物以灰?guī)r為主。欠補(bǔ)償環(huán)境加劇，pH值在7～9之間，頻繁的熱液活動提供了大量錳離子，熱液來源的錳離子由洋流攜帶，運(yùn)移到水體呈氧化狀態(tài)的盆地中，以氧化物的形式大量沉積，在沉積物孔隙水環(huán)境中，有機(jī)物分解消耗大量氧氣并提供了充足碳酸根，出現(xiàn)濃縮段，錳質(zhì)與碳酸鈣一起沉淀，形成碳酸錳礦[9-11]。隨著海浸逐漸減弱，雖仍處于欠補(bǔ)償環(huán)境，但pH值已逐漸正常，沉積物又有較多硅質(zhì)灰?guī)r出現(xiàn)，海浸結(jié)束，錳礦沉積也隨之結(jié)束。

4.2 錳帽型氧化錳礦床形成階段

后期在構(gòu)造運(yùn)動作用下，錳礦層被抬升至地表接受風(fēng)化、淋濾作用，碳酸錳礦層層在氧化帶受H2O及O2的作用發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：

2MnCO3+O2+2nH2O→2(MnO2·nH2O)↓+2CO2↑

2MnCO3+O2+2H2O→2MnO2↓+2H2CO3↑

2MnSiO3+O2+2H2O→2MnO2↓+2H4SiO3↑

過程中K、Na、Ca、Mg等元素大部分被風(fēng)淋失，Mn元素相對富集。一部分Mn被淋積于其下方的錳帽中。礦物中主要為硬錳礦、軟錳礦及偏錳酸礦，形成錳帽型氧化錳礦層。

5 結(jié) 論

1)土湖錳礦重要含錳巖系為上泥盆統(tǒng)榴江組，發(fā)育3個碳酸錳礦層，礦層厚2～50 cm不等，平均品位為8.01%，最高可達(dá)15.82%。發(fā)育5個氧化錳礦層，由葉片狀、條紋狀氧化錳礦層和土狀含錳泥巖與硅質(zhì)巖互層組成。錳礦類型劃分為氧化錳礦石和碳酸錳礦石兩種。碳酸錳礦石主要為微粒結(jié)構(gòu)，氧化錳礦石結(jié)構(gòu)主要受風(fēng)化作用影響，礦石構(gòu)造主要有微層狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造、豆?fàn)顦?gòu)造、土狀構(gòu)造、瘤狀構(gòu)造等。

2)土湖錳礦床的形成經(jīng)歷了兩大階段，在碳酸錳礦床形成階段，熱液為錳質(zhì)主要來源，在欠補(bǔ)償環(huán)境，有機(jī)物分解消耗大量氧氣并提供了充足碳酸根，出現(xiàn)濃縮段，錳質(zhì)與碳酸鈣一起沉淀，形成碳酸錳礦。在錳帽型氧化錳礦床形成階段，錳礦層被抬升至地表經(jīng)歷風(fēng)化、淋濾，Mn元素相對富集且被淋積于其下方的錳帽中，菱錳礦轉(zhuǎn)化為軟錳礦及偏錳酸礦，形成錳帽型氧化錳礦層。