吉首—鳳凰錳礦帶成礦模式探討

付勝云，鄭正福，彭志剛

(1.湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南長沙 410011；2.湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四0五隊，湖南吉首 416007)

1 區(qū)域地質(zhì)概況

湘渝黔錳成礦區(qū)域是我國重要的錳礦基地。吉首—鳳凰錳礦帶分布于吉首市河溪—鳳凰縣城一帶，礦帶走向北東，長度約25 km，兩端被白堊系紅層掩蓋，礦帶附近出露地層如下：與錳礦關(guān)系較密切的有上元古界板溪群、震旦系地層；與錳礦關(guān)系不密切的有古生界寒武系、奧陶系，中—新生界白堊系地層。區(qū)內(nèi)與錳礦關(guān)系較密切的褶皺為八斗山(山江)向斜(圖1)。錳礦的建造類型甚多，包括碳質(zhì)含錳建造—硅質(zhì)、碳質(zhì)含錳建造—硅質(zhì)含錳建造，各類礦床既有相似性，又有特殊性，其形成條件也各具特色[1]。區(qū)內(nèi)湘錳期成礦錳質(zhì)主要來自海底火山，次為古陸風化及火山活動等，湘錳期有利的古地理、古構(gòu)造、古氣候環(huán)境組成三位一體，聯(lián)合控制了錳礦床的形成和空間展布[2]。

2 礦床地質(zhì)特征

以鳳凰縣長坪鄉(xiāng)杜夜錳礦床為例。

2.1 含礦層特征

本區(qū)錳礦賦存于南華系下統(tǒng)大塘坡組(Nh1d)底部，含錳巖系為黑色含錳頁巖，0～12.26 m，變化大，延長＞7 000 m。該段黑色頁巖夾菱錳礦層即含錳巖系，巖性為黑色頁巖、黑色炭質(zhì)頁巖、黑色含錳質(zhì)頁巖。含錳巖系厚度越大，錳礦體越厚，品位增高，變化趨穩(wěn)定。

2.2 礦體特征

含礦1～2層，下層礦不穩(wěn)定，上層礦厚0.38～1.00 m，平均 0.71 m，品位：M n一般 15.62%～19.68%，平均17.2%。錳礦體系由若干似層狀、透鏡狀、層狀礦體緊密交錯迭置而成，礦體與圍巖在總體上呈整合接觸，礦體產(chǎn)狀與頂?shù)装鍑鷰r基本一致。錳礦體單個礦體變化較大，常有膨脹收縮，尖滅再現(xiàn)，相互重迭現(xiàn)象。礦體直接頂板為黃綠色粉砂質(zhì)板巖；礦體直接底板：長石石英砂巖，含礫泥巖。礦體頂、底板具有明顯的紋理構(gòu)造，局部可見交錯層理等淺水標志。

2.3 礦石自然類型[3]

錳礦可分為原生錳礦石和次生氧化錳礦石兩大類。地表為氧化錳礦，原生礦為碳酸錳、含錳白云石、含錳黑色頁巖。原生錳礦石主要為塊狀菱錳礦石和條帶狀菱錳礦石，次生氧化錳礦石主要為皮殼狀氧化錳礦石。

2.4 礦石礦物成分

礦石礦物組成一般較復(fù)雜，但主要礦物成分為含錳碳酸鹽系列礦物，其中原生錳礦石礦物成分主要為菱錳礦、氧化錳礦石礦物成分主要為軟錳礦、次為硬錳礦等；脈石礦物成分比較復(fù)雜，但主要由白云石、方解石、石英、伊利石等組成。特別是錳礦石常見黃鐵礦、次生石英等存在。

圖1 吉首—鳳凰錳礦帶地質(zhì)

2.5 礦石化學成分

主要有用組分為M n，其他元素無綜合回收價值，組成錳礦石化學成分主要為 M n、CaO、M gO、CO2，其次為 SiO2、Al2O3、TiO2、FeO、Fe2O3、K2O、Na2O、H2O、P2O5、C、S等，此外，有機質(zhì)占 1%～4%。

2.6 礦石主要結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

原生錳礦礦石結(jié)構(gòu)主要有：(不等粒砂狀變形)內(nèi)碎屑結(jié)構(gòu)、顯微球粒結(jié)構(gòu)，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造主要有：皮殼狀、蜂窩狀、土狀和條帶狀構(gòu)造。

3 礦床成因初步探討

中國南方早震旦世大塘坡期錳礦的形成一直存在熱水成因、生物成因或化學成因的爭議。通過對貴州松桃早震旦世大塘坡期錳礦的碳、硫同位素和藻類化石的研究[4]，認為早震旦世大塘坡期錳礦是在700～695百萬年全球性Sturtian冰期后形成，由于大氣中含有很高的CO2與海洋中的Ca2+、Mn2+反應(yīng)，造成大量 CaCO3和 MnCO3快速沉淀，形成“碳酸鹽巖帽”(碳酸錳)所致。

湘黔川鄂邊境同層位的錳礦稱為民樂式錳礦。該類型錳礦床均處于揚子準地臺的上揚子臺褶帶中，沉積盆地屬于淺水環(huán)境，含錳巖系一般不含硅質(zhì)層，錳礦床含磷高、含硫低，與湘潭及湘中一帶錳礦具有不同的特點。在吉首—鳳凰的錳礦床中發(fā)現(xiàn)了豐富的藻類化石和火山碎屑，并對成礦控制因素和礦床成因進行了研究探索，初步認為吉首—鳳凰的錳礦是以陸源為主兼有其他來源的海灣潮坪一瀉湖中化學及生物一化學沉積礦床。

3.1 成礦物質(zhì)來源

認為主要來自陸源巖石的風化析離，兼有來自沉積火山碎屑巖的海解作用和地殼深部的熱液。還可能有其他來源，如來自沉積風化殼(即底板滲出礦質(zhì))等[5]。

3.1.1 錳質(zhì)導(dǎo)源于大陸巖石的風化析離

1)雪峰運動使湘西及鄰區(qū)地殼上升，造成下震旦統(tǒng)與板溪群之間的長期沉積間斷；下震旦統(tǒng)椿木組與板溪群為微角度不整合一假整合接觸；區(qū)域還見及大塘坡組或南沱組直接超覆于板溪群之上；陸源物質(zhì)有較充分的時間進行風化剝蝕和析離分異，而且當時氣候潮濕炎熱，化學風化強烈，速度又快，故使錳質(zhì)聚集。錳礦就產(chǎn)于不整合面以上(約30 m)的海進層序的下部。

2)從鍶同位素來看，吉首—鳳凰錳礦帶共采8件測定樣品，其中 6件黑色頁巖的 Sr87/Sr86介于0.742 65±0.000 16～0.758 08±0.000 25之間，2件碳酸錳礦石 Sr87/Sr88介于0.709 35±0.000 16～0.711 45±0.000 39之間，求得初始值為0.705 9±0.000 15。為了使初始比值更具有代表性，采用上述3個同層位的錳礦床的平均初始 Sr87/Sr86值(0.712 17)同大洋火山巖、大陸殼的平均初始值相比，則高于大洋火山巖平均初始Sr87/Sr86值(0.703 7)，且變化范圍也比大洋火山巖(0.702～0.706)大，但接近于大陸殼的平均初始Sr87/Sr86值(0.719)。這是因為大陸地殼的巖石是富Rb的，Rb/Sr比值比上地幔巖石高得多，大約是上地幔的10倍。隨著時間的推移，大陸殼巖石中鍶的放射成因組分也比上地幔為高，故大陸殼巖石Sr87/Sr86比值比上地幔巖石要大，其變化范圍也較上地幔巖石為寬。據(jù)此，反映成礦物質(zhì)主要來源大陸殼。

3)據(jù)含F(xiàn)e量和Fe/M n的比值分析，錳質(zhì)來自海底火山活動的火山沉積錳礦含鐵甚高，錳質(zhì)來自大陸的沉積錳礦含鐵則較低。而且隨著海水的加深Fe/M n比值越來越小，這是因為陸源搬運來的鐵錳物質(zhì)流入海洋后，靠近陸地范圍p H值較低，鐵質(zhì)優(yōu)先沉淀，錳質(zhì)則在p H值增大的海盆中心沉淀。而民樂錳礦床含 Fe低(3.59%～2.55%)，I礦層 Fe/M n比值為0.13，II礦層為0.22。并有礦層中心M n高Fe低，邊緣M n含量變低而Fe含量有所增高的趨勢。由此可以看出，民樂錳礦的物源主要來自于古大陸。

3.1.2 錳質(zhì)導(dǎo)源于海底火山

1)含錳巖系底部存在有火山碎屑及其巖石。巖石為沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)菱錳礦、含凝灰質(zhì)菱錳礦，火山碎屑形態(tài)主要為晶屑(石英、斜長石)和火山灰(掃描電鏡可見火山灰結(jié)構(gòu))，巖屑較少。

2)火山碎屑分布于菱錳礦中，晶屑周圍為菱錳礦球粒所圍繞，火山碎屑與菱錳礦微層構(gòu)成迭復(fù)層理。

3)火山碎屑富集的地段，恰是Ⅰ礦層的分布地段和Ⅱ礦層之中心地帶，又是錳、磷含量的高值區(qū)，火山碎屑與錳、磷似具正相關(guān)關(guān)系。

4)已發(fā)現(xiàn)的火山碎屑多為細微的凝灰質(zhì)和火山灰塵。提供成礦物質(zhì)的途徑可能為火山灰的分解滲濾，即錳質(zhì)被火山灰塵埃微粒表面吸附，并以此方式帶出，在海水的作用下，從中滲濾出錳質(zhì)，再經(jīng)海流搬運至近岸海灣中聚集并沉積下來。

可見，海底火山活動可提供一小部分錳質(zhì)。鑒于本區(qū)沉積火山碎屑巖分布零星，規(guī)模甚小，民樂組底部沉積火山巖厚度僅幾厘米至十幾厘米；而且一般火山—沉積礦床所具有的獨特標志，諸如不具海侵層序，礦層與火山巖或沉積火山巖呈互層產(chǎn)出，沿水平方向礦層逐漸過渡為火山巖，礦石礦物常以氧化物、硫化物為主，圍巖和礦石富含硅質(zhì)或鈉質(zhì)等等，在礦區(qū)均未見及。故將海底火山活動只作為錳質(zhì)來源之一，不作為主要來源。

3.1.3 錳質(zhì)導(dǎo)源于地殼深部[6]

地殼深部物質(zhì)，包括地幔物質(zhì)的地史演化，直接或間接地影響著表生地質(zhì)作用的成礦物質(zhì)基礎(chǔ)。如洋底擴張中心，轉(zhuǎn)換斷層俯沖帶上深大斷裂以及其他深大斷裂帶，都可以導(dǎo)出深部成礦物質(zhì)。民樂盆地南東緣推測有一條同生古斷裂，在區(qū)域上延伸頗遠，規(guī)模巨大，控制著斷裂兩側(cè)的巖性、巖相、沉積環(huán)境、沉積建造，要能為雪峰期形成的深大斷裂，與民樂盆地具有成生聯(lián)系。湘黔川邊境的早震旦世錳礦多位于該斷裂的旁側(cè)，而且呈線狀分布，故認為地殼深部的巖漿熱液和變質(zhì)水熱液等高溫、高礦化度和高化學能量的含礦溶液有可能沿上述斷裂上升，就地進入水盆地提供一小部分成礦物質(zhì)。

3.2 錳質(zhì)搬運方式

由于錳質(zhì)是以陸源為主多來源的，成礦物質(zhì)的搬運方式也是多樣的。來自陸源的錳質(zhì)主要是河流搬運，其搬運形式又與古大氣圈、水圈的性質(zhì)有關(guān)。來自海底火山作用的錳質(zhì)，其搬運方式先是海洋底流，后是波浪和潮流，在海底火山活動時，噴出大量的細凝灰質(zhì)和火山灰塵，這已被礦床本身存在這種火山物質(zhì)所證實。來自地下深處的錳質(zhì)，主要是一種高礦化度的高能量的熱水溶液，沿深斷裂的通道上升進入盆地。根據(jù)地殼深處和上地幔的研究，上升熱液中的錳質(zhì)主要呈重碳酸錳的形式，因為地下深處壓力很大，又是一個完全封閉的條件，所以重碳酸鹽可以一直從深處上升到地表而進入海盆。

3.3 錳質(zhì)沉積作用

成礦期為潮濕的亞熱帶氣侯，當時大氣圈，水圈是一個富CO2，貧O2的還原環(huán)境；菱錳礦形成的pH值一般為＞7～8，最高為8.5，Eh值以負值為主；成礦盆地為近岸的海灣潮坪—瀉湖；潮坪—瀉湖又處于半局限狀態(tài)，盆地內(nèi)發(fā)育著大量的藍藻生物。當河流、海流(深部)熱流攜帶的錳質(zhì)，以重碳酸錳形式進入潮坪—瀉湖后，增加了盆地礦物質(zhì)總濃度，重碳酸錳越聚越多，就要發(fā)生沉積作用。由于礦石中菱錳礦呈微細泥晶結(jié)構(gòu)和藍藻化石細胞已經(jīng)礦化的特點，按照碳酸鹽沉積理論，其沉積方式為二：一部分菱錳礦由于化學作用直接從水體中沉積，一部分是藻類死亡后堆積。

3.4 錳質(zhì)成巖富集作用

當含錳的沉積物沉積到沉積界面以下后，物理化學條件發(fā)生了變化。由于大量的泥質(zhì)，菌(藻)類有機體的存在，水的含量很高，成為早期成巖作用中元素遷移和富集的介質(zhì)和物質(zhì)交換的媒介。生物遺體腐爛分解后，形成 H2S、H2、NH3、CO2、H2O，并放出熱能，產(chǎn)生一個較復(fù)雜的物理化學與生物有機化學環(huán)境，使沉積的錳藻本身的有機化合物大部分被分解，僅以穩(wěn)定的卟啉化合物和葉綠素繼續(xù)存在至今，而其中的 M n與 CO2組合形成碳酸錳礦物，以藍藻化石形態(tài)保存下來，形成碳酸錳礦層。

直接從水體沉淀的碳酸錳，因具有不溶于銨鹽的性質(zhì)，使其不被溶解流失，與錳藻經(jīng)過成巖變化后形成的碳酸錳一起，其同組成錳礦層。而與MgCO3同時沉淀的CaCO3、MgCO3等卻易溶解流失，致使礦層中難以見到灰?guī)r、云巖。Fe2+在成巖期因有大量的 H2S，則與 H2S分解出S2-結(jié)合，形成草莓狀黃鐵礦。所以礦石中Fe和S關(guān)系很密切，相關(guān)系數(shù)為0.837。由于p H值較高，形成草莓狀黃鐵礦。所以礦石中Fe和S關(guān)系很密發(fā)，相關(guān)系數(shù)為0.837。由于pH值較高，固相的 SiO2被溶解后，一部分沿成巖裂隙充填，形成細網(wǎng)狀脈保留在礦石中，另一部分則沿著先形成的固體瀝青質(zhì)球粒邊緣沉淀。隨著漫長的地質(zhì)作用的進行，上覆沉積層越來越厚，壓力越來越大，含錳沉積層不斷脫水、壓實、團結(jié)，錳質(zhì)在固結(jié)過程中還可以發(fā)生局部的再分配，使之形成透鏡狀及其所組成的透鏡體群。據(jù)B·N·斯米爾諾夫(1976)的資料，在成巖作用中，錳的含量可增加1.4～6.7倍。由于含錳巖系越厚，儲存在其中的錳質(zhì)總量越多，圍巖中所含錳質(zhì)在成巖期已大部分遷移至礦層，故有含錳巖系厚度與錳礦層厚度呈正相關(guān)的關(guān)系。

4 礦床成因類型和成礦模式的探討

對成錳物質(zhì)的來源、搬運方式、沉積作用和成巖富集作用的綜合研究，認為吉首—鳳凰錳礦床的物源是以陸源為主兼有火山灰分解滲濾的錳質(zhì)和深部含錳熱液，其搬運方式，在前寒武紀CO2高O2低的前景條件下，主要是呈重碳酸鹽形式的河流搬運，也有海水底流和深大斷裂導(dǎo)出深部熱液的重碳酸鹽；沉積作用有從海水中直接化學沉淀和生物直接堆積，成巖作用可以使錳質(zhì)重新再分配，從而提高了礦床的富集程度。

通過成礦地質(zhì)條件分析，認識到：錳礦床嚴格受地層層位、海侵沉積旋回、構(gòu)造的拗陷幅度、古地理環(huán)境和濕熱氣候早震旦世富CO2貧O2的大氣圈、水圈性質(zhì)等多種因素所制約。

因此認為吉首—鳳凰的錳礦床既非單一陸源的淺海化學沉積成因，又不是來源于火山的火山—沉積礦床，而是主要來自陸源兼有其他來源的海灣潮坪—瀉湖化學及生物—化學沉積礦床。

經(jīng)過以上分析和討論，初步建立了吉首—鳳凰的錳礦的成礦模式(見圖2)。

圖2 吉首—鳳凰錳礦成礦模式

[1]湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)局.湖南省區(qū)域地質(zhì)志[R].北京：地質(zhì)出版社，1988.

[2]吳迎春.湖南團山-牛坡頭湘錳期錳礦成礦規(guī)律及找礦方向[J].華南地質(zhì)與礦產(chǎn)，2002(4)，12-14.

[3]付勝云.湖南花垣-古丈錳礦床地質(zhì)特征及找礦方向[J].中國錳業(yè)，2005，23(1)：23-25.

[4]楊瑞東，歐陽自遠，等.早震旦世大塘坡期錳礦成因新認識[J].礦物學報，2002(4)，20-24.

[5]付勝云.湘西及鄰區(qū)早震旦世錳礦成礦規(guī)律探討 [J].中國錳業(yè)，2010，28(3) ：30-34.

[6]唐世瑜，吳世芳，謝小青，等.湖南省花垣縣民樂錳礦地質(zhì)特征和成礦規(guī)律研究報告[R].吉首：湖南省地礦局四○五隊，1985.