北山裂谷系北緣小獨(dú)梁地區(qū)錳礦地質(zhì)條件特征及成因分析

孫 丹，劉珊珊，譚和勇，葉 萍

(1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450000; 2.河南省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450000; 3.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450000)

0 前 言

小獨(dú)梁地區(qū)位于紅柳河-鹽灘錳礦成礦帶，礦化主要賦存于下寒武統(tǒng)雙鷹山組中，沿紅柳河斷裂，成礦帶內(nèi)已發(fā)現(xiàn)錳礦床有紅柳河錳礦、大水井錳礦、塔水錳礦、大水錳礦、營(yíng)東錳礦、鹽灘錳礦等，是北山重要的錳礦找礦遠(yuǎn)景區(qū)，一直以來(lái)是國(guó)內(nèi)錳礦的研究熱點(diǎn)區(qū)域[1-2]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合構(gòu)造形跡和巖石地球化學(xué)特征分析小獨(dú)梁地區(qū)錳礦的形成環(huán)境及成因。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于北山裂谷系北緣，經(jīng)歷了前加里東期大陸裂解-俯沖-碰撞造山作用和洋陸轉(zhuǎn)化、陸內(nèi)裂陷-逆沖推覆等造山作用的多旋回構(gòu)造演化。研究區(qū)北部屬北天山晚古生代島弧帶、中部大面積屬中天山地塊、南部屬北山裂谷系，星星峽斷裂、紅柳河斷裂、辛格爾斷裂在研究區(qū)內(nèi)交會(huì)，形成了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造體[1-3](見(jiàn)圖1)。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置

區(qū)域出露地層主要有，薊縣系平頭山巖組、震旦系、寒武系雙鷹山組、奧陶系羅雅楚山群。其中平頭山巖組為一套碳酸鹽巖建造為主的沉積巖系，巖性以大理巖、白云巖為主；寒武系雙鷹山組為一套硅質(zhì)巖建造，巖性以硅質(zhì)板巖、石英巖為主；羅雅楚山群為一套碎屑巖建造沉積，巖性以砂巖、長(zhǎng)石砂巖和石英砂巖為主；震旦系的巖性主要為一套黏土巖、泥質(zhì)砂巖和灰?guī)r。

研究區(qū)范圍內(nèi)巖漿巖發(fā)育一般，火山巖和侵入巖均有出露[1-4]。侵入巖主要有二長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)花崗巖和石英閃長(zhǎng)巖；火山巖主要有安山巖、玄武安山巖、夾少量的凝灰?guī)r等。主要沿紅柳河大斷裂以北北東向展布。

2 研究區(qū)構(gòu)造形跡與區(qū)域礦產(chǎn)

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造變形的復(fù)合與疊加現(xiàn)象明顯，早在志留紀(jì)，北山造山帶向北逆沖紅柳河洋盆，形成了早期的褶皺構(gòu)造，晚古生代以來(lái)隨著敦煌地塊的向北移動(dòng)，褶皺發(fā)生橫跨疊加，發(fā)育重褶現(xiàn)象，小獨(dú)梁一帶疊加褶皺軸面傾向北東東[1-3]。受紅柳河斷裂的影響，在三疊紀(jì)形成的小獨(dú)梁地區(qū)斷層主要為左行右階的走滑斷裂，形成走向?yàn)镹E-SW或NW-SE的共輒脆性斷層。該區(qū)域褶皺形成的時(shí)代較早，而斷裂形成的時(shí)代較晚，斷裂對(duì)褶皺的疊加影響不大，主要是對(duì)褶皺后期進(jìn)行截切改造，以及對(duì)錳礦的成礦起到一定導(dǎo)礦的作用[2]。區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)主要沿構(gòu)造線方向展布，種類(lèi)較多(見(jiàn)圖2)，其中玉石山-大紅山一帶錳礦，礦化主要賦存于薊縣系平頭山群和下寒武統(tǒng)雙鷹山組中，含錳巖系有硅質(zhì)巖、硅質(zhì)板巖﹑結(jié)晶灰?guī)r等，主要類(lèi)型為殘積淋濾型、沉積改造型和熱液型錳礦；苦泉-紅柳西錳礦(化)點(diǎn)產(chǎn)于震旦系頂部古風(fēng)化面上和下寒武底部之板巖巖層中，成因類(lèi)型屬殘積淋濾型[3-4]。

圖2 研究區(qū)構(gòu)造形跡與礦產(chǎn)分布

3 含礦地層及礦體特征

3.1 含礦巖系地球化學(xué)特征

地球化學(xué)分析表明，該區(qū)域地層中Mn元素含量豐富，找礦遠(yuǎn)景較好。其中雙鷹山組地層中Mn元素的富集系數(shù)K值及變異系數(shù)Cv值均大于1.8，該組地層中成礦潛力較大，含礦巖性主要以硅質(zhì)板巖為主；羅雅楚山群地層中Mn元素的富集系數(shù)K值及變異系數(shù)Cv值均為1.1～1.8，該組地層中成礦潛力較好，含礦巖性主要以灰?guī)r為主；紅柳河組地層中Mn元素的富集系數(shù)K值為1.56，變異系數(shù)Cv值為0.56，成礦潛力可能較差，偶見(jiàn)Mn礦化地段，規(guī)模較小；平頭山組地層中Mn元素的富集系數(shù)K值及變異系數(shù)Cv值均較低，找礦潛力一般[5]。含礦巖系及圍巖受巖漿熱液影響，表現(xiàn)為中低溫?zé)嵋何g變類(lèi)型，主要有錳礦化、硅化、褐鐵礦化(黃鐵礦化)、方解石化、方鉛礦化等。其中硅化、褐鐵礦化(黃鐵礦化)與錳礦關(guān)系極為密切[6-7]。

3.2 礦石顯微結(jié)構(gòu)

礦石形態(tài)主要為塊狀構(gòu)造，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，礦物成分主要為錳鈣輝石，含量約21%，礦物晶體呈粒狀，粒徑為0.10～1.00 mm；錳鋁榴石，含量約20%，礦物晶體呈細(xì)小粒狀，粒徑為0.05～0.15 mm；錳橄欖石，含量約24%，礦物晶體呈細(xì)小圓粒狀，粒徑為0.05～0.1 mm；錳白云石，含量約15%，他形粒狀，粒徑為0.15～0.25 mm，常以不規(guī)則狀聚晶體出現(xiàn)。由于變質(zhì)作用，礦物晶體形態(tài)都不完整(見(jiàn)圖3)。根據(jù)礦石結(jié)構(gòu)分析，錳礦成礦發(fā)生于沉積作用中—晚期，即黏土礦物質(zhì)砂屑之間鈣菱錳礦質(zhì)填隙物賦礦，表明沉積環(huán)境高能，且指示成礦作用發(fā)生于沉積環(huán)境的收縮階段，成礦期后流體活動(dòng)強(qiáng)烈，見(jiàn)黃鐵礦、閃鋅礦化、硫錳礦化等[8]。

圖3 顯微鏡下礦石礦物特征

3.3 礦體特征

研究區(qū)內(nèi)圈定礦化帶2個(gè)，礦體13條，呈層狀、似層狀及透鏡狀產(chǎn)出(見(jiàn)表1)。Ⅰ號(hào)礦化帶長(zhǎng)2 150 m，寬13 m，含礦巖性為含錳硅質(zhì)巖，與圍巖產(chǎn)狀一致，圈定礦體6條，礦體長(zhǎng)150～1 350 m，平均厚度一般為0.52～6.33 m，平均品位為15.40×10-2～59.23×10-2；Ⅱ號(hào)礦化帶長(zhǎng)1 300 m，寬約8.5 m，含礦巖性為含錳粉砂巖，圈定礦體5條，礦體長(zhǎng)100～850 m，平均厚度一般為0.80～5.80 m，平均品位為13.56×10-2～69.12×10-2；Ⅲ號(hào)礦化帶長(zhǎng)1 000 m，寬約10 m，含礦巖性為含錳粉砂巖，圈定礦體2條，礦體長(zhǎng)150～600 m，平均厚度一般為0.40～9.00 m，平均品位為10.16×10-2～61.54×10-2。

表1 小獨(dú)梁地區(qū)錳礦體特征一覽

4 地球化學(xué)特征

4.1 主量元素

小獨(dú)梁地區(qū)采集樣品10件，礦石為錳礦石，圍巖為灰?guī)r、硅質(zhì)巖、砂巖、黏土巖，主量元素分析結(jié)果見(jiàn)表2。樣品中SiO2、CaO、Al2O3含量較高，而 Na2O、K2O含量較低，其中SiO2為32.67%～71.08%，平均值為53.23%；Al2O3為0.45%～1.19%，平均值為0.85%；Fe2O3為1.52%～4.83%，平均值為2.96%，CaO為0.67%～69.74%，均值為14.03%；MgO為1.21%～2.14%，平均值為1.61%；TiO2為0.025%～0.12%，平均值為0.056%；Na2O為0.87%～2.33%，平均值為1.63%；K2O為1.09%～2.19%，平均值為1.69%；MnO為1.06%～57.73%，平均值為12.03%。

表2 主量元素分析結(jié)果 %

4.2 微量元素

小獨(dú)梁地區(qū)錳礦石及圍巖中Co、Ba、Ni元素含量非常豐富，Co為11.1×10-6～155.0×10-6，平均為74.4×10-6；Ba為4.7×10-6～145×10-6，平均為73×10-6；Cr為6.3×10-6～69.1×10-6，平均為31.2×10-6；Ni為11.0×10-6～199.0×10-6，平均為69.5×10-6；Cu為3.8×10-6～24.4×10-6，平均為12.2×10-6；As為4.3×10-6～9.5×10-6，平均為7.9×10-6；V為14.0×10-6～204.3×10-6，平均為72.5×10-6。微量元素的含量變化較大(見(jiàn)表3)。

表3 微量元素分析結(jié)果 ×10-6

5 討 論

5.1 研究地區(qū)古地理環(huán)境

通過(guò)微量元素比值關(guān)系，可以指示元素的相對(duì)富集程度，還可以反映古氣候環(huán)境的變化[3-6]。據(jù)Jones和Manning研究，在缺氧環(huán)境下，容氧量為0～0.2時(shí)，U/Th比值>1.25、V/Cr比值>4.25、Ni/Co比值>7.0、V/(V+Ni)比值>0.77；在貧氧環(huán)境下，容氧量為0.2～2.0時(shí)，U/Th比值為1.25～0.75、V/Cr比值為2.0～4.25、Ni/Co比值為5.0～7.0、V/(V+Ni)比值為0.6～0.77；在富氧環(huán)境下，容氧量>2.0時(shí)，U/Th比值<0.75、V/Cr比值<2.0、Ni/Co比值<5.0、V/(V+Ni)比值<0.6[5-9]。小獨(dú)梁地區(qū)U/Th比值為0.77～3.89、V/Cr比值為0.41～31.7、Ni/Co比值為0.19～6.89、V/(V+Ni)比值為0.49～0.61，表明該地區(qū)錳礦的形成，是在一個(gè)從富氧-貧氧-缺氧的環(huán)境下進(jìn)行的，歷了錳氧化物或氫氧化物形成階段，碳酸錳可能是通過(guò)錳氧化物或氫氧化物轉(zhuǎn)化而成的。

5.2 錳礦沉積條件

根據(jù)錳礦成礦條件分析，非熱水沉積環(huán)境中Ni的含量都高于V的含量，而熱水沉積環(huán)境中兩者正好相反，由于熱水沉積有較高的沉積速率，常常相對(duì)富含V，因此熱水沉積巖中Ni/V比值<1，而非熱水沉積巖中Ni/V比值>1[11]。小獨(dú)梁地區(qū)含錳巖系的Ni/V比值大部分小于1，明顯偏低的Ni/V比值反映了巖石形成時(shí)富鐵鎂質(zhì)物源的加入，即熱水(液)將深部(下地殼或上地幔)富鐵鎂質(zhì)物源帶入。這說(shuō)明熱水(液)從深部把錳質(zhì)帶入沉積巖，錳礦的形成與熱水噴流關(guān)系密切。

礦石中Al2O3和TiO2的含量均較低，說(shuō)明含錳巖系受陸源物質(zhì)輸入影響較小[8-10]。Fe/Ti的比值和Al/(Al+Fe+Mn)的比值關(guān)系是判斷沉積物屬于噴流沉積物的有效的地球化學(xué)參數(shù)。典型熱水沉積的Fe/Ti比值>20、(Fe+ Mn)/Ti比值=20±5、Al/(Al+ Fe+Mn)比值<0.35[11]。小獨(dú)梁地區(qū)含錳巖石的(Fe+Mn)/Ti比值均大于36，高于20，Al/(Al+Fe+Mn)比值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.35，一般為小于0.11，從上述數(shù)值判斷，該區(qū)域硅質(zhì)巖主要是熱水沉積的產(chǎn)物，礦物質(zhì)錳是在硅質(zhì)巖形成的過(guò)程中形成的，而細(xì)碎屑巖如粉砂質(zhì)黏土巖或黏土巖卻不是熱水沉積的產(chǎn)物，而是深海沉積的產(chǎn)物。

5.3 成因分析

1)沉積巖中SiO2和Al2O3的含量可用來(lái)區(qū)分物源，當(dāng)SiO2/Al2O3比值接近3.6時(shí)，物質(zhì)來(lái)源是以陸源為主，當(dāng)SiO2/Al2O3比值>3.6時(shí)，物質(zhì)主要由生物或熱水造成[5-8]。研究區(qū)SiO2/Al2O3比值為37.11～127.41，平均67.12，通過(guò)SiO2-Al2O3進(jìn)行沉積巖投圖，可以看出不少點(diǎn)落在熱水區(qū)(見(jiàn)圖4)，所以該區(qū)域沉積物受到熱水作用的影響，物源可能來(lái)自洋殼深部[10-12]。

圖4 w(SiO2)-w(Al2O3)沉積物物源關(guān)系

2)典型的熱水沉積礦物Fe/Ti比值>20、(Fe+Mn)/Ti比值=20±5、Al/(Al+Fe+Mn)比值<0.35。根據(jù)小獨(dú)梁礦物含量，在N(Fe)/N(Ti)-N(Al)/N(Al+Fe+Mn) 圖解投圖(見(jiàn)圖5)，各樣品也主要分布在靠近東太平洋洋隆和紅海熱水沉積物的一側(cè)，同樣表明這些含錳巖石屬于熱水沉積的產(chǎn)物[11-15]。

圖5 N(Fe)/N(Ti)-N(Al)/N(Al+Fe+Mn)

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)北山小獨(dú)梁地區(qū)成礦地質(zhì)條件和地球化學(xué)特征分析，得出以下認(rèn)識(shí)：

1)小獨(dú)梁錳礦受區(qū)域構(gòu)造控制，分布于紅柳河-鹽灘錳礦成礦帶上，礦化主要賦存于下寒武統(tǒng)雙鷹山組中，圍巖的主要巖性為硅質(zhì)巖、黏土巖，以及泥質(zhì)粉砂巖和灰?guī)r，由于巖性、構(gòu)造特征等差異，錳礦的礦體在空間分布上發(fā)生變化，使其在轉(zhuǎn)折端處明顯富集。

2)研究區(qū)內(nèi)圈定礦化帶3個(gè)，礦體13條，礦化帶長(zhǎng)1 000～2 150 m，Ⅰ號(hào)礦化帶圈定礦體6條，Ⅱ號(hào)礦化帶圈定礦體5條，Ⅲ號(hào)礦化帶圈定礦體2條。

3)小獨(dú)梁地區(qū)硅質(zhì)巖主要是熱水沉積的產(chǎn)物，礦物質(zhì)錳是在硅質(zhì)巖形成的過(guò)程中形成的，屬熱水沉積環(huán)境成礦。錳礦的形成是在富氧-貧氧-缺氧的環(huán)境下進(jìn)行的，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(guò)錳氧化物或氫氧化物轉(zhuǎn)化而成的。

4)根據(jù)地球化學(xué)分析，該區(qū)域沉積物受到熱水作用的影響，物源可能來(lái)自洋殼深部，含錳巖石屬于熱水沉積的產(chǎn)物。