湖北省鹤峰县走马地区南华系“大塘坡式”锰矿的发现及其地质意义初探

2018-09-17王红军方喜林曹文胜

资源环境与工程 2018年3期

陈林, 王红军, 方喜林, 曹文胜

(1.湖北省地质局第二地质大队,湖北恩施 445000; 2.河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院,河南洛阳 471023)

随着“大塘坡式”锰矿于上世纪50年代末在贵州省松桃县大塘坡地区被发现并由此命名以来,对于该类型矿床的勘查和研究工作从未停止[1]。“大塘坡式”锰矿形成于南华系大塘坡组地层中(湖南地区称湘锰组),是南华纪主要的锰矿床类型,主要分布于中国湘中、湘黔渝毗邻区、鄂西等地区(泛扬子区)[2-5]。“十二五”时期以来,该类型锰矿的勘查研究工作取得了重大突破,一批大型、超大型锰矿被陆续发现和评价,目前南华纪已查明的锰矿资源储量在各个锰矿成矿时代中位列第一,资源量接近4.2亿t,资源储量大、有代表性的锰矿如贵州普觉锰矿(西溪堡锰矿)、松桃道陀、高地、桃子坪锰矿等[6-12]。贵州普觉锰矿已成为亚洲第一、世界第三大锰矿床,资源量达1.92亿t[13]。

随着研究资料的不断积累,研究者普遍认为,“大塘坡式”锰矿形成于Rodinia超大陆裂解背景下的南华裂谷盆地,其成矿过程受全球区域古气候、古构造活动及古海洋物理化学演化过程的共同控制作用。关于该类型锰矿的成因,因其锰质来源尚存争议,但研究者均对盆地在成锰物质供给和锰矿沉淀过程中的控制作用进行了强调[3,14]。同沉积断层是控制成锰断陷盆地形成和展布的重要地质构造,是锰矿形成的前提和找矿的标志之一[3,15]。热水沉积成因认为地堑盆地或裂谷盆地在构造和地形上起着障壁作用阻挡了海水的侧向流通,盆地内的海水趋于停滞而形成还原的介质条件,锰质主要由海底热水补给[16-18];藻类生物成因认为锰矿形成于碱性还原环境的浅水低凹环境,与潮坪沉积关系密切[19];陆源风化成因则主张裂谷活动增加了大陆边缘面积,因此增加了风化速率与物源供应[20];古天然气渗漏沉积成因观点则认为南华纪锰矿成矿作用主要形成于独特的裂谷盆地锰矿成矿系统,由地内子系统(壳幔韧性剪切带构造、幔源无机成因气(流)体与锰质、火山活动等)与表层子系统(系列同沉积断层和与其控制的断陷(地堑)盆地,盆地中心发生古天然气渗漏喷溢与锰矿沉积成矿作用)联合作用形成统一的锰矿成矿系统。同沉积断层,不但是深部锰质和古天然气上升的重要通道,也是连接地内子系统与表层子系统的成矿纽带[3,4,7,21-23]。这一找矿理论认识的突破,奠定了黔东南地区一批世界级超大型锰矿床的发现和诞生。无论上述哪一种观点,火山喷发活动参与成矿作用的观点已成共识[4,24-25]。由火山喷发而成的凝灰岩可以作为火山活动的直接证据,对锰矿成矿时代进行限定[26-29]。由此可知,该类型锰矿锰质并非单一来源,但是断陷盆地的存在是形成该类型锰矿的必要因素。

本文试图通过对走马地区新近发现的王家界锰矿所处的大地构造背景、地层和岩相组合、构造特征、含锰岩系岩性组合、锰矿(化)体特征等几个方面的认识,初步分析本区锰矿成矿特点和矿床成因类型,在此基础上总结本区锰矿沉积环境和找锰有利构造条件,为下一步锰矿勘查和研究工作提供有益参考。

1 地质背景

在中国华南地区,发生在820 Ma左右的四堡运动导致了扬子陆块与华夏陆块的拼合,之后两陆块再次发生裂解拉张,形成南华裂谷盆地,开始接受盆地沉积和火山岩及凝灰岩的沉积,随着南华裂谷盆地进一步发展,自NW向SE依次形成了武陵次级裂谷盆地、天柱—怀化隆起(地垒)和雪峰次级裂谷盆地3个Ⅱ级构造单元[3]。

走马地区(主要指走马—东山峰背斜分布区)位于湖北省西南部,鹤峰县走马镇东南方向约4 km,大地构造位置处于扬子陆块被动大陆东南缘,受控于南华裂谷盆地形成的武陵次级裂谷盆地北东侧(图1)。

图1 走马地区大地构造简图(据周琦等修改[3])Fig.1 Geotectonic map showing tectonic location in Zouma

研究区内主要出露地层为青白口系张家湾组、南华系莲沱组、古城组、大塘坡组、南沱组,震旦系下统陡山沱组,震旦系上统灯影组及寒武系地层(图2)。张家湾组(Qbz):以灰绿、紫灰色绢云母砂质板岩为主,夹粉砂岩、砂岩,沿层面分布的石英脉中见有铜兰、黄铁矿,局部具纹层状构造和条带状构造,有闪斜煌斑岩脉侵入,出露厚>1 km,不整合于震旦系莲沱组之下。莲沱组(Nh1l):主要以灰绿、紫红色层状泥质粉砂岩、细砂岩、长英质硬砂岩、长石石英砂岩夹粉砂质泥岩为主,局部含砾,厚度约200 m左右,岩性岩相横向上有变化。古城组(Nh2g):岩性为浅灰绿色、灰褐色含砾泥质砂岩、含砾砂质泥岩夹含锰泥岩透镜体,略显层理,砾石大小不等,成分复杂,厚度约10 m左右。大塘坡组(Nh2d):本组与古城组相伴出露。岩性为灰绿色粉砂质泥岩、水云母页岩、灰色含砾砂岩、灰黑色含锰泥岩、灰黑色锰矿层、含锰灰岩透镜体,并有凝灰质砂岩薄层产出。具清晰的微细水平层理,低角度斜交层理,透镜状层理。厚度约0.3～10 m左右,普遍厚度在0.5～3 m,均不同程度见锰质矿化现象,主要表现为含锰泥岩、含铁锰质薄膜、含锰石英脉,与下伏古城组为连续沉积。本段是区内沉积型锰矿的主要产出层位,矿(化)体呈层状、似层状及透镜状产出,与围岩整合接触。南沱组(Nh2n):岩性为暗灰、兰灰色块状含砾不等粒砂岩,灰绿色、灰黄色、砖红色含砾砂质泥岩,上部含砾粗砂岩透镜体,砾石成分复杂,厚度约200 m。陡山沱组(Z1d):灰、深灰色中层含锰粉晶云岩、泥—粉晶泥质云岩、粉晶磷块岩,上部含磷块岩,局部叠层石发育,形成藻纹层状磷块岩。灯影组(Z2d):浅灰色中—厚层状泥晶—粉晶云岩、薄层状含泥质泥晶—粉晶云岩、粉晶硅质云岩,夹含磷硅质条带和燧石结核,可见有波状叠层石,厚度约140～220 m。寒武系地层为一套以海相沉积为主的炭质硅质页岩、泥岩,泥晶—粉晶灰岩、云岩等,是铅锌、钒钼的赋矿地层,对其分组地层岩性不再一一赘述。

研究区处于走马—东山峰背斜南东翼,受控于两条区域性大断裂(图2),分别为北侧的孟家沟—清官渡断裂(F2)和南侧的碑垭—官屋场断裂(F1),这两条断裂均是在先期形成的古北东向隆起构造的基础上形成的,在印支末期定型❶湖北省地质局,1∶5万白果坪东半幅、南北镇西半幅、走马坪东半幅、罗家坪西半幅地质图说明书,1988。,主要是以压性、压扭性为主的倾角较陡的大断裂,最长延伸可达50 km。

2 锰矿地质特征

2.1 含锰岩系特征

王家界锰矿赋存于南华系上统大塘坡组(Nh2d)地层底部,由于地表露头有限,大塘坡组地层上下界并未出现比较完整的层序,故未进行分段,将整个大塘坡组地层作为含锰岩系。目前已揭露的Nh2d地层,倾向大致南东向,为110°～150°左右,倾角8°～22°左右,倾角由北向南逐渐增大,在倾角20°左右的地方,通过产状推测,在对应的地方附近发现了Nh2d地层,故可通过产状趋势变化进行推测寻找地表露头位置。

图2 王家界锰矿区地质简图Fig.2 Simplified geological map of Wangjiajie manganese mine1.第四系;2.灯影组;3.陡山沱组;4.南沱组;5.古城组、大塘坡组并层;6.莲沱组;7.张家湾组;8.闪斜煌斑岩;9.地质界线;10.走马背斜轴线;11.压性断裂;12.性质不明断裂;13.实测及推测大塘坡组露头线;14.锰矿(化)体位置示意;15.岩层产状;16.剖面示意;17.钻孔位置;18.采样位置。

目前已知或虽未完全揭露但可大致估算厚度的Nh2d地层厚度大约在0.3～4 m左右(钻孔中约4 m左右,但岩性破碎严重),普遍厚度在0.5～3 m左右,均不同程度见锰质矿化现象,通过对发现的地表露头和钻孔揭露的岩性进行综合分析,初步建立了Nh2d地层岩性序列(图3,图4-A、B、D),从下至上岩性依次为:黑色炭质页岩—黑色含锰泥岩(含锰石英脉)—层状灰白、土黄色泥岩—灰白色凝灰质砂岩—灰绿色粉砂质泥岩(泥质粉砂岩),偶见黄铁矿颗粒沿层间裂隙分布,在含锰泥岩之下局部可见有含锰灰岩透镜体。整个含锰岩系中石英脉发育,主要表现为顺层产出和切穿地层产出,顺层石英脉一般厚度约0.1～0.3 m,而切层石英脉厚度较薄,约0.05～0.1 m,两类石英脉通常有薄层状铁锰质薄膜或细脉与之共生(图4-E、F),含锰石英脉的出现反应了热液活动参与了锰矿的成矿作用,而穿层石英脉的出现说明后期热液对含锰岩系地层的改造作用。

2017年首次在芭蕉村附近和架湾等地大塘坡组地层中发现了凝灰质砂岩(图5-A、B),分布于含锰泥岩层之上,呈灰白色,块状构造(图5-B),岩屑晶屑凝灰结构(图5-C),部分岩屑可达角砾级别。火山碎屑主要以石英(Qtz)、岩屑和斜长石(Pl)为主;胶结物主要为石英、绢云母,部分样品含有少量的铁锰质、胶结火山碎屑等(图5-D)。

2.2 锰矿(化)体地质特征

通过初步追索揭露,整个锰矿体走向北东,与区域构造线方向一致,总体倾向南东,倾角一般为8°～22°。在大塘坡组地层出露的地方不同程度见锰质矿化现象,从南西侧的八十亩到北东侧的芭蕉村附近断续出露(图2)。锰矿(化)体厚度在0.17～0.89 m左右,Mn品位在2.02%～29.71%(表1)。含锰岩性主要以含锰泥岩、含锰石英脉为主,钻孔中可见含锰炭质页岩,地表出露的厚度普遍在0.2～0.6 m,平均大约0.3 m。总体上地层倾角从北西向南东逐渐增大,与地层产状一致。矿(化)体呈层状、似层状、透镜状与围岩呈整合产出,含细粒黄铁矿晶体(钻孔可见),在锰矿(化)体之下局部可见有含锰灰岩透镜体,呈断续产出,厚度不一。在锰矿(化)体之上局部发育有顺层产出的石英脉岩,脉宽0.1～0.3 m不等,似层状,向两侧尖灭再现,局部膨大呈透镜状。后生石英脉发育,可见多条穿层脉体切穿大塘坡组及上下地层,宽者0.1 m左右,部分细脉宽0.01 m,常与锰矿体共生产出,锰矿物主要为软锰矿和硬锰矿(图6-A)。

图3 矿区大塘坡组地层综合柱状图Fig.3 Comprehensive stratigraphic column of Datangpoformation from Wangjiajie deposit

图4 大塘坡组含锰岩系岩性及锰矿石照片Fig.4 Photograph of manganese ore and manganese-bearingrock series of Datangpo FormationA.地表大塘坡组露头;B.灰白色泥岩中的铁锰质细脉及薄膜;C.氧化的锰矿石;D.层状含锰泥岩;E.略具层状含锰石英脉;F.块状含锰石英脉。

图5 凝灰岩野外及镜下照片Fig.5 Photograph of macroscopic and microcosmic scale of tuffA.火山凝灰岩采样标记;B.凝灰岩野外宏观照片;C.岩屑晶屑凝灰结构;D.镜下火山碎屑和胶结物特征。

由于发现的锰矿(化)体均位于地表,风化淋滤严重,矿石主要为土状构造、蜂窝状构造,矿石矿物成分主要为软锰矿、硬锰矿、水锰矿、褐锰矿,只在架湾采集的含有锰的黑色泥岩中见极少量的菱锰矿(图6-B),这些含锰矿物主要呈不规则粒状结构、胶状结构、交代环边结构,后生作用明显。

表1 部分样品Mn品位分析结果表Table 1 Content of Mn from some samples of Datangpo Formation

图6 镜下锰矿石照片Fig.6 Microphotograph of manganese oreA.菱锰矿;B.软锰矿和硬锰矿(Pyt.软锰矿;Ps.硬锰矿)。

3 锰矿成矿认识

自新元古代以来,由于华南四堡运动(约820 Ma)导致扬子陆块与华夏陆块拼合,之后两陆块再次拉张形成南华裂谷盆地[30-32]。在南华纪早期(约725 Ma),南华裂谷盆地进一步裂解和发展,形成了武陵和雪峰两个次级裂谷盆地,控制了黔湘渝毗邻区锰矿带的产出。武陵裂谷盆地长期处于构造拉张沉降背景下,形成了一系列更次一级拉张断陷盆地(Ⅲ级和Ⅳ级),这些Ⅲ级和Ⅳ级断陷盆地既可以接受来自陆源的锰质沉积,又可以通过海水—洋壳、甚至更深源地质体的水—岩反应,将深部锰质带入盆地进行沉积,为锰矿的形成提供大量物源,并具有相对稳定的沉积环境,形成了一系列的成矿亚带和锰矿床。而每一个锰矿床的形成均对应于一个沉积小盆地的出现,这些小盆地在矿区内表现为沿着一定方向(通常为区域构造线方向)近于等间距的呈线状或串珠状排列[3,33]。

本次发现的走马锰矿与宜昌长阳地区发现的古城锰矿均位于武陵次级裂谷盆地内。前人对古城锰矿进行了地球化学特征研究,认为古城锰矿的形成经历了两个成矿阶段,分别为沉淀和转化阶段,沉淀阶段表现为锰以氧化物或者氢氧化物的形式沉淀,后期由于掩埋在缺氧带之下,在成岩过程中与海底有机物质相互作用形成菱锰矿。笔者同时搜集了古城锰矿的钻孔资料和相关研究报告,古城锰矿的矿体厚度变化严格受盆地控制,钻孔资料揭示,在盆地边缘和盆地斜坡附近,矿体厚度较薄或根本不见含锰岩系地层,而在盆地中心,矿体厚度可达5 m左右。

本次工作在前期施工的探矿工程中采集了少量样品进行地球化学测试,以分析锰矿的沉积环境、热水活动影响、构造背景、成矿物质来源等与成矿关系较为密切的问题。初步认为,走马地区与长阳古城锰矿具有相似的成矿环境和构造背景,均形成于被动大陆边缘的拉张背景下的沉积构造体系;在成岩成矿过程中遭受了热液活动影响,成岩成矿物质具有多来源,主要有海底热液,正常海水沉积和陆源物质的输入,火山活动参与了成矿作用并可能提供了部分锰质,在一定程度上起到盖层的作用,有利于锰矿的大规模沉积。

由于区域上同一类型锰矿的形成均受控于次级断陷盆地,本区发现的锰矿即是这一构造背景下的产物,近期开展的勘查工作也表明在不同位置施工的钻探工程其见矿程度不同,见矿好者矿(化)体厚度可达2 m,见矿不好者仅见0.17 m的含锰泥岩,甚至未见含锰岩系地层,因此寻找同沉积断层这一形成断陷盆地的构造则显得尤为重要。