广西大新锰矿区矿床地质特征及成因探讨

和平贤

(中信大锰矿业有限责任公司大新分公司，广西大新 532315)

0 前言

广西大新锰矿资源储量是我国目前惟一超过亿吨以上的超大型锰矿床，已探明锰矿资源储量超过1.3亿t，是我国极为重要的锰业生产基地。近几年来，深部原生碳酸锰综合开发利用的经济价值开始凸显。在周边天等县东平锰矿区深部发现新的原生碳酸锰，因此，深入研究矿床成矿的地质条件，对周边深部开展原生碳酸锰矿勘查，进一步推动地质找矿取得新突破，以及提升原生碳酸锰矿资源综合开发利用的价值，都具有重要的现实意义。

广西大新锰矿的研究工作很早就已开始，该矿自1958年由群众报矿发现以来，经历多次普查、详查、勘探工作，许多专家学者和科研单位也进行了多次的专题研究，获得了大量实际资料，在矿床地质、矿物成分、成矿构造沉积环境、控矿岩相古地理条件及矿床成因等方面取得了一系列有重要意义的认识。其成矿地质背景，成矿时代及矿床特点与前苏联远东地区阿塔苏型铁锰矿床条件十分相似[1]，为海相硅质—碳酸盐岩沉积锰矿床。由于这类矿床的成矿地质条件比较特殊，国内外对成因问题均有争议。

本文是在矿山地质实践工作中，根据几十年来矿山开采所积累的较为丰富的地质资料，对矿区的各种地质现象作了系统地观察和研究，并参考了有关矿区的地质文献资料和锰矿科研工作论证研究的新成果，综合分析研究前人资料后，对锰矿床地质特征及成因提出了一些看法和探讨。

1 矿床地质特征

1.1 含锰岩系

从地表露头及开采所揭露锰矿带的含锰岩系的岩性组合可看到，与碳酸锰矿床相伴生的岩石主要为硅质岩—泥岩—灰岩等岩石组合。锰矿产出于上泥盆统五指山组(D3W)中，自下而上可分为4个岩性段。矿层产于第2段，现简述如下：

1)第 1段(D3W1)：灰、深灰色薄层泥岩、泥灰岩及硅质岩，为矿层底板，厚50～80 m。

2)第2段(D3W2)：为含锰岩段，由3层碳酸锰矿和2个夹层组成，厚约15 m。

a底部为1号矿层，以棕红色为主，部分呈灰绿、浅灰、深灰色、紫红色等，矿石构造为条带状、豆状、鲕状、块状构造，厚0～3.23 m。本层风化后成为氧化锰矿，呈黑、钢灰色。

b下部为夹1：为硅质灰岩及少量硅质岩夹钙质泥岩。岩层呈浅灰至深灰色，薄层微层状构造，厚0.09～29.17 m。本层风化后为硅质岩夹泥岩。

c中部为2号矿层：为碳酸锰矿层，以棕红、灰绿色为主，部分呈灰、深灰、肉红、墨绿及铁黑色，微粒结构。矿石构造为致密块状、豆状、鲕状、条带状构造为主，厚0～5.05 m，平均厚2.38 m。本层风化后为氧化锰矿。

d上部为夹2：为锰质泥灰岩或泥岩，呈灰、灰绿夹灰白色。块状、薄层状构造，厚0～1.28 m，风化后为薄层状含锰泥岩。

e顶部为3号矿层：为碳酸锰矿，呈深灰、灰色，部分为暗灰绿、浅肉红色，微—细粒结构。矿石构造为致密块状、条带状，厚0.2～3.13 m。风化后为黑色氧化锰矿。

3)第3段(D3W3)：为硅质灰岩夹硅质岩，局部夹含锰灰岩。灰至深灰色，上部偶夹0～0.20 m厚的碳酸锰矿薄层，厚41～60 m。

4)第4段(D3W4)：灰至深灰色泥灰岩、钙质泥岩夹硅质条带，厚80～125 m。

1.2 矿石性质和类型

根据各矿物的成因可分为原生碳酸锰矿石和氧化锰矿石两种类型。原生碳酸锰矿石占全区总储量的81%以上，按其组成及变质的特点又可大致分为2类：碳酸锰矿石和硅酸锰—碳酸锰矿石。

1)原生碳酸锰矿石

a碳酸锰矿石：呈棕、紫红色、灰、深灰色、黑绿及肉红色等。矿石矿物主要为菱锰矿；次为蔷薇辉石、锰帘石、锰铁叶蛇纹石、红帘石；偶见黑镁铁锰矿和含锰石榴石。脉石矿物主要为石英、绿泥石、黑云母；次为绢云母、阳起石、石榴石、黄铁矿、方解石和炭泥质；偶见金红石、电气石、锆石、石膏、重晶石、高岭石、菱铁矿等。矿石结构以微粒结构为主，次为细粒结构、显微鳞片泥质结构、生物碎屑结构等。

b碳酸锰—硅酸锰矿石：多呈猪红、紫砖红、灰绿色及少量棕红和铁黑色等。矿物以同生沉积形成的菱锰矿为主，次之为蔷薇辉石、锰铁叶蛇纹石、锰帘石、锰石榴石、胶状硅锰矿等。脉石矿物主要为阳起石、黑云母、绿泥石，偶尔见少数的黄铁矿、黄铜矿矿等。矿石以原生矿石的组织结构为主，同时有变余细粒结构及斑杂状构造等。

2)氧化锰矿石

氧化锰矿石呈黑色、灰褐色；矿石矿物有软、硬锰矿、褐、赤铁矿、偏锰酸矿和针铁矿等。脉石矿物为石英、高岭石和水云母等。矿石结构主要为显微隐晶、微—细粒、泥质结构等；矿石构造有胶状、凝块状、空洞状、条带状、葡萄状等形式。

2 锰矿床成因探讨

根据上述锰矿床地质特征，矿层产出为碳酸盐—硅质岩组合岩层，具有明显的沉积层理，矿产成因类型属海相沉积碳酸锰矿床。以下试从地质背景和成矿物质来源方面对沉积锰矿床成因进行一些探讨。

2.1 地质背景

成矿区处于华南褶皱系右江褶皱中次级坳陷带，与北东向同期活动的下雷—灵马海底断裂密切相关，产于有别于台地的台沟地貌和覆水相对较深的台沟相沉积中[2]。在整个矿区内，出露的地层主要有中泥盆统的东岗岭组、上泥盆统的榴江组、五指山组和第四系。锰矿赋存于上泥盆统五指山组浅海相沉积的泥质—硅质—含锰碳酸盐岩系建造中，并受该岩相的控制。从地层岩性分布来看，锰矿带主要集中形成于浅海相沉积环境。由此可见，在不同的地质背景下，就有不同的成矿环境，相应地形成在这一环境下特有的矿床[3]。

2.2 成矿物质来源探讨

不同的成矿物质来源代表着不同的沉积环境和成矿条件[4]。关于沉积锰矿的成矿物质来源问题，过去主要受传统理论观点的影响，把形成锰矿床的物质都笼统地认为是来自陆源的物质。根据国外锰矿地质研究的新进展，结合对矿区的地质特征、矿物成分和主要含锰岩系元素的地球化学等特征的综合研究认为，锰矿成矿物质应是多成因、多来源的，矿物质主要以海底隐伏基岩浆活动带来大量锰质，并沿断裂上升带入台沟沟底，以海相热水沉积物为主，其次来自陆源物质。其依据为以下几点。

2.2.1 岩性标志

从区域上看，矿区外围的许多地区，如那坡坡荷、靖西谷盘、龙州科甲—武德一带从早到晚泥盆世曾多次出现过较强烈的同期中—基性火山喷发活动。不仅如此，在矿区北部东段、南部西段28～29号勘探线南端发现有一些基性岩小岩体侵入中泥盆统东岗岭组至黄龙组等地层而出露地表。这些事实说明该区域存在火山运动。该地区的火山岩的分布大体呈北西走向的带状展布，反映了受同沉积断裂活动控制[5]。矿区内含锰岩系为深水盆地中含火山岩的硅质岩—碳酸岩—泥岩岩系，它们富含M n、Fe，有可能是因海底热水喷流而形成的缘故。这些为大新锰矿床的形成提供充足的成矿物质。

2.2.2 矿物组分特征

矿床原生碳酸锰矿层位稳定，矿石呈棕红色、深灰色及灰绿色等。组成锰矿层的矿物成分极复杂，除碳酸锰系列矿物之外，还有蔷薇辉石、锰铁叶蛇纹石、黑云母、锰帘石、阳起石、锰榴石、重晶石、黄铁矿、钴镍硫化物等；矿石结构细，具鲕状、豆状构造。通常这些矿物大多数被认为属于热液矿物，这些矿物与原生沉积碳酸锰矿共生，以蔷薇辉石、锰铁叶蛇纹石为主的锰硅酸盐矿物组合与碳酸锰同期沉淀，经历了较复杂的成岩作用，而非区域变质。虽然碳酸锰矿在外生常温条件下也可以独立生成。但在此微相组合中的碳酸锰矿物与蔷薇辉石等一系列热液矿物紧密相嵌、混杂分布在一起，两者应同为热液条件下形成的产物[6]。在原生碳酸锰矿上覆盖的风化氧化锰矿石和含锰围岩石中也有少量沉积的石膏、天青石、含锰方解石，这些都是热水沉积的标志性矿物。说明锰矿物的沉积与热液有关。

2.2.3 主要含锰岩系元素的地球化学特征

常量元素和微量元素的分布特征证实了锰矿石的成矿物质以热液来源为主，海水含矿物质参与为辅。元素间的组合特征是成岩成矿过程中留下的痕迹，对成矿物质来源和成矿作用有一定的指示作用[7]。

1)常量元素地球化学特征

选择的7个样品进行常量元素分析，其结果见表1。

表1 广西大新县下雷锰矿层中主要元素含量 %

从表1中看出，锰矿层中Al/(Al+Fe+M n)这一比值为0.023～0.033，平均为0.028，比值特别低，十分接近热液喷口处的金属软泥值。说明锰矿沉积时，明显受到热水作用影响；岩石中此比值为0.23～0.43，平均为0.33，由此可得出，锰矿层形成时注入的热水比岩石形成时更多。锰矿矿石和岩石的SiO2/Al2O3比值为13.27～22.44，陆壳中 SiO2/Al2O3值为3.6，与此比值接近的岩石其物源应以陆源为主，超过此值的则多是由于生物或热水作用的补充；结合其他地质地球化学依据，由此推测得出SiO2是受热源的影响而不是由陆源供给物质，从而说明，硅质岩的形成都直接与热水沉积作用有关。以上述特征说明矿质来源和成矿作用主要受热液控制。

2)微量元素地球化学特征

锰矿石微量元素，含量普遍高于地壳丰度，见表2。

表2 锰矿石微量元素分析结果表 %

本区微量元素含量与地壳丰度值相比，其中Cr、Co、Ni、Cu、Sr与下陆壳相当接近，V、Ba 则与上陆壳比较接近。Ba是被称为火山沉积建造的标型元素，Ni、Co是基性岩的特征元素，其含量高出地壳丰度10倍，矿床中Ba的含量较高，而且与M n呈正相关，这在陆源沉积成因的锰矿床中是十分少见的。现代海底热水化学沉积作用表明，Ba含量高是热水溶液的一个重要特征。而且Ni/Co比值在0.026～3.47，下雷锰矿的形成与海水热液作用有一定的成因联系，推测锰质主要来源于海底热液喷溢或火山气液。

3)稳定同位素地球化学特征

碳、氧、硫的稳定同位素也说明了成矿物质以热液来源为主，部分成矿物质来自海水。

下雷锰矿碳、氧、硫同位素组成的测定结果见表3。

表3 大新下雷锰矿床矿石及岩石中的碳、氧同位素组成[8]

根据收集整理的广西下雷矿区矿层、夹层及顶底板等岩石共20个样品，进行碳、氧稳定同位素的分析，结果表明：在锰矿区底板、夹层与碳酸锰矿石中的碳同位素δ13CPDB有明显差别，底板和夹层灰岩δ13CPDB变化范围+0.12‰～-3.5‰，与海相碳酸盐岩的δ13CPDB≈0‰一致，表明碳来自海水；在锰矿层中16个碳酸锰矿石样的δ13CPDB值变化范围-2.83‰～ -14.29‰，大多集中在 -4.23‰～9.5‰，平均值-7.06‰，标准差2.96。与岩浆源碳酸岩中或热液矿床中碳酸盐矿物的δ13CPDB值非常相似。因此认为，碳酸锰矿物的δ13CPDB主要来自深部基性岩浆源，含锰灰岩的碳同位素δ13CPDB为-1.71‰和-3.59‰，介于上述二者之间，来源两者兼有。

δ18OPDB均值为负值，平均值-6.64‰，标准差2。其中碳酸锰矿石δ18OPDB变化范围-3.74‰～-10.81‰，平均值-6.80‰。底板、夹层δ18OPDB变化范围-4.97‰～-8.18‰，平均值-5.98‰。两者均落在海洋灰岩和燧石的范围，与木圭上泥盆统热水沉积形成的硅质岩相似。采用爱泼斯坦经验计算公式 t(℃)=14.8-5.41×δ18O和Mccrea的经验公式 t(℃)=16.0-5.17×δ18O +0.092(δ18O)2，来计算沉积碳酸盐岩时的古海温度，计算得出当时成矿的古温度为35℃～73℃，属于低温热水范围。可见古海水温度要比现在正常海水温度高得多，具有独特的古海底热水沉积地质特征。对在全矿区共采集的18个样进行硫稳定同位素分析见表4。

碳酸锰矿石中黄铁矿的硫同位素组成均值为+5.19‰，夹层岩石中黄铁矿的硫同位素值平均为+4.12‰，主要集中在0‰～7‰之间，具有地壳硫的特点，可解释为海水硫源与生物硫源的混合。但是硅酸锰—碳酸锰矿石中黄铁矿的δ34SCDT比较特殊，在1号矿层内平均为+32.1‰，2号矿层内为+25.87‰，与密西西比河谷型低温热液铅锌矿床中晚期形成的黄铁矿的硫同位素组成(δ34SCDT20‰～30‰)接近，显示出火山矿床中硫的基本特征，可能是海水硫源受热液硫源的影响所致。这表明：该矿床硫是多源的，不仅有海水硫酸盐细菌还原和生物提供硫，而且有相当比重的硫来自火山活动。既有海水硫酸盐的参与，也有深源硫的参与。

表4 大新下雷锰矿床矿石及岩石中黄铁矿的硫同位素组成

3 结论

综上所述，大新锰矿是我国惟一超大型的、产于上泥盆世的锰矿床，具有独特的古海底热水沉积地质特征，产于与海底大断裂有关的台沟内，发育一套具水平纹层理的硅—泥—钙质等碳酸岩相；同生断裂带不仅控制了矿区晚泥盆世碳酸锰岩地上的槽盆形态，也提供了深部热水溶液上涌的通道和有利的沉淀条件；深断裂活动，造至海底热液或气液喷溢，将大量的锰物质等带入海水中，在台沟内有利锰质沉积的场所沉积下来，形成热水沉积碳酸锰矿床。矿物的组成具有深源和陆源的双重特征，表明其物质来源是多源的，既有来自深部下地壳的物质，又有陆源物质的混入，还存在生物作用，代表一种多源外生的成矿环境：即在海相沉积条件下，发生正常沉积的同时有深部热液的注入和补充，同时伴随着海洋生物作用。由此推测锰矿床是在热液—沉积共同作用下形成的浅海相沉积碳酸锰矿床。

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