北阿爾金錳礦成礦地質(zhì)條件特征及成礦規(guī)律研究

王 雙，尚凱凱，楊繼兵，張素超，李 原

(1. 河南省有色金屬礦產(chǎn)探測(cè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450016； 2. 河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第七地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016)

0 前 言

阿爾金造山帶位于柴達(dá)木板塊與塔里木板塊的構(gòu)造交會(huì)部位，構(gòu)造、巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，是我國(guó)西北地區(qū)重要的成礦帶[1]。甘肅省地礦局二勘院在該地區(qū)相繼發(fā)現(xiàn)了一系列錳礦床，其中青砂溝錳礦已達(dá)到大型規(guī)模，一度改變了阿爾金地區(qū)無錳礦的狀態(tài)，蒙軫、趙保青、張鳳霞等[2-4]對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，但僅從礦床地質(zhì)特征、礦床規(guī)模、找礦標(biāo)志等方面研究，對(duì)礦床成礦環(huán)境、物質(zhì)來源、成因機(jī)制等方面研究較少[4]。本文以阿爾金北坡含錳巖系為研究對(duì)象，以巖石地球化學(xué)為手段，對(duì)錳礦沉積環(huán)境、錳質(zhì)來源進(jìn)行了探討，總結(jié)了錳礦成礦規(guī)律，為下一步找礦勘查工作提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于塔里木與柴達(dá)木板塊的構(gòu)造交會(huì)部位，經(jīng)歷了板塊俯沖、阿爾金洋閉合、地殼抬升及造山運(yùn)動(dòng)，形成了復(fù)雜的構(gòu)造體系[1]。區(qū)域以緊閉的線狀褶皺和阿爾金斷裂及其次級(jí)斷裂為主(見圖1)。

l.第四系；2.石炭系；3.青白口系；4.薊縣系；5.太古宇-中元古代敦煌巖群；6.花崗巖；7.超基性；8.斷裂；9.區(qū)域化探異常范圍；10.錳礦床(點(diǎn))；1l.鐵礦點(diǎn)圖1 阿爾金地區(qū)大地構(gòu)造(資料來源：據(jù)甘肅省省志修改)

區(qū)域上出露地層主要為敦煌巖群，巖性為片巖、片麻巖夾大理巖等；薊縣系呈島弧狀與敦煌巖群成斷層接觸，巖性為碎屑巖、白云巖、白云質(zhì)砂巖等，是主要的含錳巖系；青白口系與下伏地層薊縣系呈斷層接觸，巖性為結(jié)晶灰?guī)r、大理巖、千枚巖等；石炭系上覆于青白口系之上，呈角度不整合關(guān)系，由一套含煤巖系與碎屑巖組成[2-3]。

區(qū)域上巖漿巖一般以小巖株或巖脈狀產(chǎn)出，巖性以酸性為主，超基性、中酸性次之[3]。受阿爾金山前大斷裂控制，均分布于斷裂及其附近，巖漿侵入活動(dòng)以華力西期和燕山期最為強(qiáng)烈，加里東期較弱[4]。

2 礦床地質(zhì)特征

研究區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多處錳礦床，如青砂溝錳礦、賽馬溝錳礦、苦水泉錳礦點(diǎn)等[2-4]。礦床類型，含礦巖性基本一致，其中青砂溝錳礦已達(dá)到大型規(guī)模，本文以青砂溝錳礦礦床特征為例。

2.1 礦區(qū)地質(zhì)

礦區(qū)地處阿爾金蛇綠混雜巖帶內(nèi)，出露地層有薊縣系冰溝南組、亂石山組和第四系，其中亂石山組為含錳地層(見圖2)。礦區(qū)總體為一南傾單斜構(gòu)造，斷裂構(gòu)造較發(fā)育，以礦區(qū)南部的斷層規(guī)模最大，是青白口系與薊縣系的分界斷裂，其他均為派生的層間斷裂，沿?cái)嗔芽梢姅鄬悠扑閹А５V區(qū)內(nèi)沿?cái)嗔阎饕l(fā)育二長(zhǎng)花崗巖、細(xì)中粒角閃石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、輝綠巖脈等。

2.2 礦體特征

礦區(qū)錳礦體地表劃分3個(gè)含礦層，Ⅰ號(hào)含礦層受花兒地組含錳含砂炭泥質(zhì)巖控制；Ⅱ號(hào)含礦層受花兒地組含錳砂質(zhì)白云巖控制；Ⅲ號(hào)地表僅為錳礦化，分布于花兒地組硅質(zhì)白云巖中。Ⅰ、Ⅱ含礦層兩者大體平行分布。

Mn-Ⅰ號(hào)礦體群：產(chǎn)于Ⅰ號(hào)含礦層中，地表出露長(zhǎng)1 900 m，控制最大斜深556 m(未到零點(diǎn)邊界)。共圈定22條礦體，均呈層狀、似層狀產(chǎn)出，與圍巖產(chǎn)狀一致，長(zhǎng)64～1 950 m不等，平均厚度0.52～6.33 m，厚度變化系數(shù)20%～60.44%。Mn平均品位在10.69%～18.78%，品位變化系數(shù)為8.02%～38.84%，礦體產(chǎn)狀150°～187°，傾角40°～49°。其中Ⅰ-1號(hào)為主礦體，呈層狀，控制長(zhǎng)度1 900 m，平均厚度6.33 m，厚度變化系數(shù)60.44%，平均品位9.8%，品位變化系數(shù)8.91%，與其他礦體平行展布(見圖3)。

圖3 Fe-Mn-(Cr+Ni+Co)圖解(a)與Co/ Ni-(Cr+Ni+Co)圖解(b)

Mn-Ⅱ號(hào)礦體群：分布于Mn-Ⅰ礦體群南300 m處，工程控制長(zhǎng)1 300 m，斜深425 m。品位在3%～7%，共圈出4條礦體，均呈層狀、似層狀產(chǎn)出，長(zhǎng)50～970 m，平均厚度0.52～4.86 m，厚度變化系數(shù)2.52%～116.4%。Mn平均品位在8.09%～12.55%，品位變化系數(shù)9.89%～34%。礦體產(chǎn)狀170°～182°∠46°～52°，深部變陡為59°～64°。其中Ⅱ-1號(hào)為主礦體，長(zhǎng)970 m，平均厚4.86 m，厚度變化系數(shù)65.41%，平均品位10.67%，品位變化系數(shù)25.63%，控制最大斜深425 m，與其他礦體平行產(chǎn)出。

2.3 礦石特征

礦石肉眼觀察多顯黑色，部分略帶淺肉紅色，具斑雜狀、細(xì)脈狀、網(wǎng)脈狀構(gòu)造。礦石礦物主要為硬錳礦，次為菱錳礦，見有黃鐵礦和褐鐵礦；脈石礦物以石英為主，次為長(zhǎng)石、綠泥石、絹云母和白云石等。

礦石伴生有益組分為鐵，礦石化學(xué)全分析TFe為4.20%～4.64%。礦石有害組分主要有P和SiO2，其中P含量較低，為0.02%～0.04%；SiO2含量較高，為31.67%～49.36%。

礦石結(jié)構(gòu)主要為膠狀結(jié)構(gòu)、隱晶結(jié)構(gòu)和粒狀變晶結(jié)構(gòu)，構(gòu)造主要有塊狀構(gòu)造、微脈浸染狀構(gòu)造和交織狀構(gòu)造。礦區(qū)主要為混合錳礦石，次為氧化錳礦石及碳酸錳礦石。

3 含錳巖系地球化學(xué)特征

樣品分別在3個(gè)不同礦區(qū)采集，進(jìn)行主微量和碳同位素測(cè)試，對(duì)研究區(qū)礦床成因及成礦地質(zhì)條件分析，分析結(jié)果見表1。

表1 阿爾金北坡含錳巖系樣品元素含量 %

3.1 主量元素地球化學(xué)特征

阿爾金北坡含錳巖系中MnO2含量為13.35%～18.91%；CaO含量為11.75%～21.24%；Fe2O3含量為2.41%～5.22%；TiO2含量為0.011%～0.056%；Al2O3含量為6.21%～11.11%；SiO2含量為29.37%～37.26%；P2O5含量為0.021%～0.055%。

3.2 微量元素地球化學(xué)特征

阿爾金北坡含錳巖系中V含量為2.87×10-6～6.33×10-6；Cr含量為21.22×10-6～33.32×10-6；Ni含量為11.23×10-6～18.32×10-6；Co含量為3.21×10-6～5.45×10-6；Rb含量為0.09×10-6～0.48×10-6；Sr含量為19.59×10-6～ 42.61×10-6；Ba含量為8.22×10-6～21.56×10-6；U含量為1.23×10-6～2.81×10-6；Th含量為1.59×10-6～3.32×10-6。

3.3 碳氧同位素特征

碳同位素受成巖作用影響小，基本保留原生碳酸鹽巖的碳同位素組成[5-6]。阿爾金北坡含錳巖系中δ13C值為-23.3‰～-13.4‰。碳同位素測(cè)試結(jié)果見表 2。

表2 阿爾金北坡含錳巖系礦床礦石C-O同位素分析結(jié)果 ‰

4 礦床成礦條件分析

4.1 沉積環(huán)境

阿爾金北坡含錳巖系Fe/Mn比值變化范圍0.12～0.30，反映了熱液運(yùn)輸和成礦作用期間Mn和Fe的分離。Mn和Fe分離徹底指示，Mn沉積時(shí)Fe已經(jīng)沉淀較為完全，表明沉積環(huán)境為氧化環(huán)境[6]。

在缺氧的環(huán)境下，V元素相較于Cr、Ni元素更容易富集沉淀，V/(V + Ni)比值會(huì)顯示相對(duì)高值[7]。V/(V + Ni)比值在缺氧環(huán)境下為0.83～1，在貧氧環(huán)境下為0.57～0.83，在弱氧化環(huán)境下為0.46～0.57，而在氧化環(huán)境下則小于0.46[7-8]。研究區(qū)內(nèi)含錳巖系V/(V + Ni)比值為0.20～0.33，均顯示氧化-次氧化環(huán)境特征。

綜上所述，認(rèn)為阿爾金北坡含錳巖系是在氧化-次氧化環(huán)境沉積富集的，經(jīng)歷了錳氧化物或氫氧化物形成階段，碳酸錳可能是通過錳氧化物或氫氧化物轉(zhuǎn)化而成。

4.2 物質(zhì)來源

沉積巖中TiO2和Al2O3含量可作為大陸邊緣沉積環(huán)境的判別指標(biāo)[6]，阿爾金北坡含錳巖系中TiO2和Al2O3的含量均較低，說明含錳巖系陸源物質(zhì)輸入較少。另外，研究區(qū)內(nèi)δ13C值出現(xiàn)明顯負(fù)漂移，與生物或有機(jī)質(zhì)的δ13C值范圍一致，表明有機(jī)質(zhì)還原是沉積型錳礦成礦的關(guān)鍵因素。典型的熱水沉積物Al/(Al+Fe+Mn)<0.35[9]，而阿爾金北坡含錳巖系A(chǔ)l/(Al+Fe+Mn)為0.19～0.30，具熱水沉積的特征。此外礦石的SiO2/ Al2O3比值為3.22～5.05，高于陸源值V，表明研究區(qū)內(nèi)錳礦與生物或熱水作用關(guān)系比較密切，其物源可能來自洋殼深部[10]。

樣品投影到Fe-Mn-(Cr+Ni+Co)與Co/Ni-(Cr+Ni+Co)圖上(見圖3)，可以看出，阿爾金北坡含錳巖系形成的過程中與熱水沉積作用密切相關(guān)[11]。根據(jù)中國(guó)錳礦床特點(diǎn)，Co/Ni可作為錳礦礦質(zhì)物源區(qū)距離遠(yuǎn)近的判別標(biāo)準(zhǔn)，Co/Ni>1指示礦質(zhì)的遠(yuǎn)程來源；Co/Ni為0.55～l指示礦質(zhì)的中程來源；Co/Ni<0.55指示礦質(zhì)的近程來源[12-15]。研究區(qū)錳礦石的Co/Ni比值為0.26～0.52，因而推測(cè)錳礦的礦質(zhì)應(yīng)為近程的火山或熱水來源。

5 成礦模型建立

薊縣紀(jì)時(shí)，本區(qū)為阿爾金裂陷海盆，由于大氣圈CO2含量高，海水呈現(xiàn)弱酸性，當(dāng)敦煌古陸和祁連基底風(fēng)化的錳質(zhì)隨同細(xì)碎屑物質(zhì)逐漸被水介質(zhì)搬運(yùn)至濱海時(shí)，由于錳質(zhì)多以氫氧化合物存在，使濱海地帶pH逐漸升高，直至水體變?yōu)槿鯄A性(pH=9)時(shí)，發(fā)生錳碳酸鹽的沉積形成以菱錳礦為主的原始錳礦層。在此過程中，濱海臺(tái)地碳酸鹽的出現(xiàn)，起了調(diào)節(jié)海水pH的作用，促使了錳的沉淀，因而錳礦層常產(chǎn)于碎屑巖與碳酸鹽巖(白云巖)的過渡部位。

原始錳礦層形成之后，遭受晉寧運(yùn)動(dòng)影響，發(fā)生變形變質(zhì)作用和次生氧化作用，使礦層不僅變形傾斜，而且使礦石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物成分發(fā)生改變，形成變晶粒狀結(jié)構(gòu)、微脈浸染狀構(gòu)造，在礦物成分上由碳酸錳變?yōu)檠趸i，形成今日之礦床。其成礦模式見圖4，圖4中a為薊縣紀(jì)原始沉積區(qū)， b為晉寧運(yùn)動(dòng)及次生改造期。

1.敦煌巖群結(jié)晶基底；2.北大河巖群中深變質(zhì)基底；3.變質(zhì)細(xì)碎屑巖、泥碳碳質(zhì)-富鎂碳酸鹽巖(含錳巖系)；4.碳酸鹽-碎屑巖；5.變砂巖；6.變粉砂巖；7.砂質(zhì)白云巖；8.錳礦層；9.錳質(zhì)單源；10.變質(zhì)熱液對(duì)錳礦的改造；11.大氣降水及風(fēng)化作用改造；12.斷層圖4 青砂溝錳礦成礦模式

6 結(jié) 論

1)研究區(qū)含錳地層為晚元古代亂石山組，含礦巖性為碎屑巖及碳酸鹽巖。

2)根據(jù)研究區(qū)內(nèi)含錳巖系的Fe/Mn比值、V/(V+Ni)比值，認(rèn)為阿爾金北坡含錳巖系是在氧化-次氧化環(huán)境沉積富集的，經(jīng)歷了錳氧化物或氫氧化物形成階段，碳酸錳可能是通過錳氧化物或氫氧化物轉(zhuǎn)化而成。

3)研究區(qū)內(nèi)巖石化學(xué)特征表明，區(qū)內(nèi)錳礦與生物或熱水作用關(guān)系比較密切，其物源可能來自洋殼深部。

4)通過礦床成礦模型建立，研究區(qū)內(nèi)含錳巖系經(jīng)歷錳碳酸鹽的沉積形成以菱錳礦為主的原始錳礦層，發(fā)生變形變質(zhì)作用和次生氧化作用，形成今日之礦床。