万家坪锰矿地质地球化学特征及找矿远景

2020-09-19刘大勇彭桥梁

金属矿山 2020年8期

刘大勇彭桥梁苏特

（湖南省地质矿产勘查开发局四一八队，湖南娄底 417000）

万家坪锰矿位于涟源市北东40 km处，为湘中地区重要的锰矿生产地。矿床规模中型，赋矿地层为南华系大塘坡组。南华纪大塘坡期是我国南方重要的锰矿成矿期，局部地区形成了超大型锰矿，产于该时期的锰矿称为“大塘坡式”锰矿。近年来，众多学者对湖中湘潭地区、湘西民乐地区、贵州松桃地区等“大塘坡式”锰矿成因、成矿规模［1-4］、控矿因素及矿质来源［5-8］等进行了深入研究，但对同类型的万家坪锰矿矿床地质特征、地球化学特征的研究较少，不利于在湘中地区进一步开展该类型锰矿的找矿工作。本研究在野外地质调查的基础上，结合锰矿石采样分析结果，深入分析和总结了矿区地质和地球化学特征，并对矿区深部找矿前景进行了预测，为该地区锰矿资源开发和边深部找矿提供参考。

1 区域构造地质背景

矿区在大地构造分区上位于江南古陆南缘，湘中印支褶皱带东北端。雪峰运动后，扬子陆块基本定型。区域内发育的NW、NE和NEE向张性断裂带相应控制了湘潭、松桃、黔阳等裂谷盆地［4］。这些盆地为锰质聚集和成矿提供了空间，是南华纪含锰地层的主要沉积部位，与湘、黔东地区锰矿床的分布相对应（图1）。

2 矿区地质特征

矿区自西向东分为三尖峰、天雄和双江3个矿段，矿区地质特征如图2所示。

2.1 地层

矿区出露地层从老至新依次为板溪群、南华系、震旦系、寒武系和泥盆系。其中，南华系大塘坡组为矿区赋矿层位，岩层走向NW，倾向SW，倾角35°～65°，平均42°。大塘坡组下部为黑灰色薄—中厚层状砂质板岩、板岩、含碳板岩、含锰板岩及锰矿层，有机质、硫化物含量较高，古蓝藻化石丰富，水平层理发育；中上部为黑灰色粉砂质板岩。

2.2 构造

矿区总体为单斜构造，在含锰矿段的含锰板岩、含锰白云岩及碳酸锰矿层中常可见规模较小的褶皱构造。褶皱轴向85°～90°，枢纽向西倾伏，向东扬起，轴面向北倾斜，为一系列斜歪不对称褶曲。矿区次级断裂构造较发育，根据走向可分为NE向、NW向和EW向3组（图2）。

（1）NE向断裂。该组断裂近于平行，不等距分布于矿区内。主要有F2～F6，F8、F9、F11等8条断裂，延长110～450 m，以平移正断层为主，总体走向30°～60°，倾向SE或NW，倾角40°～86°。破碎带宽0.5～20 m，带中主要被石英脉充填。断裂面较平整、光滑，沿走向及倾向大多呈舒缓波状。该组断层破坏了岩层及矿层连续性，其错断平距为12～280 m不等，均表现为右行特征。

（2）NW向断裂。包括F10和F12两条断裂。F10断裂延长205 m，F12断裂延长190 m，都为平移正断层，总体走向300°～320°，倾向SW，倾角55°～75°。破碎带宽0.3～0.6 m，主要为断层泥所充填，断面呈舒缓波状。该组断层破坏了岩层的连续性，其中F12断裂使留茶坡和金家洞两组地层断开平距85 m。

（3）EW向断裂。包括F1、F7两条断裂。F7断裂延长176 m，F1断裂延长约2 000 m，都为平移正断层，总体走向70°～115°，倾向S或N，倾角49°～72°。破碎带宽0.6～3.5m，主要为断层泥所充填。断层中有石英脉不规则穿插，破坏了岩层及矿层的连续性。

2.3 岩浆岩

矿区北东部出露印支晚期—燕山早期沩山复式花岗岩岩体，岩性以黑云母二长花岗岩为主，边部可见含角闪石黑云母花岗岩或花岗闪长岩。岩体侵入于上元古界板溪群中，其形成具有多期性，多期岩浆具有同源关系，均来自于深部同一大岩浆房，是在不同时期和不同地质构造背景下分离结晶作用侵位而成［10］。

2.4 变质作用

矿区变质作用以区域浅变质和接触变质为主，原沉积的泥质岩、碎屑岩变质成板岩、粉砂质—砂质板岩等。原生锰矿体在变质作用下进行了改造，使得锰矿体品位进一步提高。

3 矿床地质特征

3.1 含锰岩系

矿区含锰层位为南华系大塘坡组，岩性主要为黑色碳质板岩、硅质板岩、含碳板岩、页岩夹菱锰矿，总厚度为2.70～27.30 m；地层上覆为南沱组冰碛岩，下伏为富禄组石英砂岩。含锰岩系自下而上可细分为10小层（图3）。矿区一般有两层矿体，即主层矿和互层矿。主层矿呈黑色、灰黑色，中厚层状，块状构造，厚0.20～1.04 m，一般由3～7个单层组成，单层厚2.5～26.0 cm，具有清晰的水平层理或微细层理、性脆，层间夹薄层碳质页岩或含锰碳质页岩；互层矿由薄片状碳酸锰矿与黑色页岩组成互层，呈黑色，条带状构造，厚0.20～1.83 m，一般有20～40个单层，单层厚0.6～3.0 cm，偶夹含锰白云岩及含锰灰岩透镜体。

3.2 矿体特征

锰矿体严格受地层控制，在含锰岩系中呈层状、似层状和透镜状产出（图4），矿层产状与顶底板围岩一致，走向100°～160°，倾向190°～250°，倾角一般为35°～65°，平均42°，局部达72°。矿层地表出露长度大于4 km，厚度较为稳定，连续性好；主矿层平均厚度为0.68 m，Mn平均品位17.95%；互矿层平均厚为0.49 m，Mn平均品位15.67%。地表为氧化锰，主要为软锰矿，氧化带深约30 m；下部为原生碳酸锰矿，主要为菱锰矿。互矿层位于主矿层之上，多呈条带状、薄片状，局部可见厚层状。主矿层多呈中厚层状，且在近地表处有尖灭重现现象。互矿层连续性比主矿层好，主、互矿层间无严格分界线，局部地段被黑色碳质页岩和含锰白云岩分开。由于矿区小断层、小褶皱较发育，致使局部地段矿体厚度有增大现象，石英细脉的充填又可使锰矿石品位降低。矿区中部天雄锰矿段矿体较厚，锰矿石品位也较高，东段双江锰矿及西段三尖峰锰矿均有矿体厚度变薄或矿石品位变贫的趋势。

3.3 矿物成分

矿石主要矿物成分为镁钙菱锰矿、镁锰方解石，次要矿物为方解石、石英（含硅质）、绢云母（含黏土）、重晶石、黄铁矿、硫锰矿、褐硫锰矿、黄铜矿、铜蓝，局部见闪锌矿。镁钙菱锰矿主要呈球状单体或球状集合体，球体由单细胞或群体藻类生物富集锰而成，直径为5～30 μm，多为15 μm，含量为48.5%～56.7%，平均50.1%；锰方解石重结晶后呈粉晶状，主要充填在镁钙菱锰矿球体之间，部分沿裂隙充填，含量为32.2%～39.6%，平均36.3%。

3.4 矿石结构构造

矿石结构主要为隐晶结构，其次为显微球粒结构、砂屑结构、变余泥状显微鳞片变晶结构。矿石构造主要有条带状构造、块状构造，次为互层状构造、微层状构造，局部可见碎裂状构造。

3.5 矿石类型

矿石的自然类型按组成矿石的主要锰矿物可分为氧化锰矿石、碳酸锰矿石两种类型，以碳酸锰矿石为主；按矿石的结构构造可划分为块状矿石类型。工业类型属高磷酸性中贫锰矿石。

4 成矿地质条件及矿床成因

4.1 成矿地质条件

4.1.1 岩相古地理

岩相古地理、古构造、古气候等环境因素影响和控制沉积相，沉积相又控制着锰矿的沉积和空间展布。万家坪锰矿的赋矿地层为南华系大塘坡组，受岩相古地理条件控制作用明显。南华纪时期，湖南地区呈现北高南低的古地理背景，经武陵和雪峰运动后，湘北较稳定，湘南发展成强烈的活动区，湘中地区则为过渡带［11］。从南华纪开始，扬子陆块东南缘进入了被动大陆边缘的发展史，整个东南边界为广阔的陆表海区，沉积环境稳定，沉积物组成趋向均一，并进行了较好的沉积分异，这都为海相沉积型锰矿床的形成创造了较好的地质环境。

大塘坡期，湖南省内以细屑沉积为主，为一次区域性稳定的间冰期，自北向南可以分为4个沉积相带［11］（图5）。处于陆坡相区的万家坪锰矿，岩性组合以板岩、碳质板岩、粉砂岩和粉砂质板岩为主，夹少量变质砂岩、粉砂岩和碳酸盐透镜体。根据镜下观察，碳酸锰矿石中含有机质和古蓝藻，具有微细水平层理或微波状层理，这些特征说明其属较深水、低能还原的陆坡环境，而锰矿形成于陆坡上部，与被水下高地环绕的半局限水体及藻类兴盛有关。同时，成锰沉积外为广袤分布的陆棚平原，可以大规模接受来自深源或陆源的矿质，并逐步在相对低洼的沉积盆地中就位成矿。

4.1.2 地层、地形地貌

矿石赋存于南华系中统大塘坡组含锰岩系中，围岩为黑色碳质板岩。矿层严格受含锰岩系控制，具有层控型矿床特征。不同的地形地貌影响着沉积矿床的侵蚀和保留程度，浅海局限低凹地形有利于锰矿富集和保留。在万家坪锰矿区长达4 km的矿带上，中部天雄矿段下部主要为细粒—微粒石英砂岩，西段三尖峰矿段和东段双江矿段则主要为含砾砂岩。根据沉积韵律特征可知，中部天雄矿段古地形较低凹，西端和东端均为相对隆起或隆起边缘地段，从而形成局限盆地［12］。盆地低凹地段陆源碎屑物不多，水体较深，阳光少，水动力条件较弱，锰质不易散失，为锰矿沉积、富集提供了优越的成矿环境和赋矿空间。故矿区中部矿层较富厚，而两端均较贫薄，有的甚至相变为含锰灰岩。

4.1.3 地球化学特征

样品均为碳酸锰矿石，采自矿区采坑及老窿中，采样时按不同矿石类型和矿化均匀程度选取有代表性且新鲜无脉石充填的碳酸锰矿石，共采集样品12件，用玛瑙碎样机研磨至300目，然后用于化学分析测试。测试分析单位为湖南天宇检测有限公司，常量元素采用常规湿化学分析法，微量元素采用电感耦合等离子质谱（ICP-MS）测试方法，分析结果见表1和表2。

由表1、表2可知：锰矿石中SiO2含量普遍不高，为18.18%～33.74%，平均23.41%；MnO含量为15.66%～26.52%，平均18.99%；相对富集Fe、Al，贫Ti、Mg，微量元素表现为相对富集Ba、Zr、Zn，其中Ba最为富集，贫 U、Th、Nb。CaO+MgO 含量较高，达5.36%～15.99%，平均10.74%，表明矿石形成与海相碎屑沉积有关［5］。Al2O3既可作为陆源物质的替代指标，又可作为铁氧化物输入沉积物含量多少的指标［13］。矿石中Al2O3平均含量为4.11%，略低于浅海碳酸盐岩Al2O3平均含量4.72%。根据Al2O3与其他元素相关关系（图6）可知：Al2O3与K2O、SiO2、TiO2、Fe2O3呈正相关性，与MnO、CaO、MgO呈负相关性，说明陆源物质（主要为黏土矿物）的输入吸附了铁的氧化物或氢氧化物进入沉淀物中；S与Fe203、Al2O3呈正相关，说明S和Fe以黄铁矿或其他化合物的形式进入沉淀物中［1］。

4.1.4 氧化—还原条件

微量元素的含量比值可用来指示海水氧化—还原状态，如w（V）/w（V+Ni）、w（V）/w（Cr）、w（Ni）/w（Co）、w（U）/w（Th）等。w（V）/w（V+Ni）值可反映沉积物形成时的氧化—还原环境，当该值为1～0.83时，为静海环境；为0.83～0.57时，为缺氧环境；为0.57～0.46时，为弱氧化环境，小于0.46时，为氧化环境［14-15］。万家坪矿区锰矿石w（V）/w（V+Ni）为0.22～0.50，平均为0.40，说明锰矿形成时水体处于弱氧化—氧化环境（图7（a））。文献［16-17］研究认为：w（V）/w（Cr）值可反映沉积环境氧化—还原条件，当该值小于2时，代表富氧环境；为2～4.25时，代表弱氧化环境；大于4.25时，代表厌氧和缺氧环境［16-17］。万家坪锰矿区锰矿石w（V）/w（Cr）为0.79～2.44，平均为1.26，说明锰矿形成时水体处于弱氧化—氧化环境（图7（a）），与根据w（V）/w（V+Ni）值得出的结论一致。

相关研究表明：w（Ni）/w（Co）＜5 与w（U）/w（Th）＜0.75时，为富氧环境；w（Ni）/w（Co）为5～7和w（U）/w（Th）为0.75～1.25时，为弱氧化环境；w（Ni）/w（Co）＞1.25与w（U）/w（Th）＞7时，为缺氧环境［15］。万家坪锰矿区锰矿石w（Ni）/w（Co）为0.50～2.41，平均为1.19，w（U）/w（Th）为0.20～0.57，平均为0.32，表明矿区锰矿石沉积环境为富氧环境（图7（b））。综上分析可知：万家坪锰矿形成时的水体环境为弱氧化—氧化环境，与湘潭锰矿相似［1］。

w（Fe）/w（Mn）值大小既能反映Fe和Mn在沉积过程中发生分离的程度，又能反映出沉积环境氧化—还原状态。在强氧化和强还原条件下，Fe和Mn都趋向于共同沉淀，难以分开，而在适度氧化—还原环境下，Fe和Mn可以彼此分开［1］。万家坪锰矿区矿石w（Fe）/w（Mn）值为0.12～0.32，平均为0.21，说明在成矿过程中，随着环境的氧化，Fe、Mn分离非常彻底，Fe先于Mn沉淀，这与其他大唐坡组的湖北古城锰矿［9］、湖南湘潭锰矿［1］、贵州道坨锰矿［5］情况一致。

4.1.5 热液活动

w（SiO2）/w（Al2O3）值可用来区分沉积岩物质来源，陆壳w（SiO2）/w（Al2O3）一般为 3.6。与该值接近的岩石，其物质来源是以陆源为主；超过该值的，是由生物活动或热水作用引起［18］。万家坪锰矿矿石w（SiO2）/w（Al2O3）为 4.00～12.01，均大于3.6，在w（SiO2）/w（Al2O3）关系图（图8）中，样品主要落在水成作用区，说明在锰矿沉积过程中有生物活动和热水作用参与。

沉积物成因可以通过Cu、Co、Ni、Zn等的指示作用显示，比如，锰铁结核正常水成沉积的w（Co）/w（Zn）值一般为2.5左右；热液沉积物的w（Co）/w（Zn）值仅有0.15左右［11］。根据w（Co）/w（Zn）-w（Cu+Co+Ni）相关性图（图9），发现所有样品点都落在热液地壳区中，指示热液活动影响了万家坪锰矿的形成。

以往研究表明：沉积岩中w（A1）/w（A1+Fe+Mn）大于0.5时，物源应为陆源；小于0.35时，为有热水注入［19］。万家坪锰矿区矿石样品w（A1）/w（A1+Fe+Mn）为0.07～0.24，均小于0.35，指示成矿过程中有热水注入。

4.2 矿床成因

南华纪时期，湖南省境内为裂谷盆地阶段，矿区北部为原始江南古陆，西南部有NW向沩山—歇马水下弧形隆起［20］。构成盆地周围古陆、古岛的老地层中，含锰普遍较高，局部形成了锰矿床（点）。这些含锰岩（矿）石中的锰质经风化、剥蚀，以各种方式搬运至盆地水介质中并不断富集，成为锰质的主要来源。构成盆地边界的深大断裂通过热卤水或海底火山等热事件将地球深部的锰质导入盆地，成为锰质的另一重要来源，因此，矿床锰矿质来源是多源的。

锰质沉积时矿区为浅海陆棚相，水动力微弱，处于弱氧化—氧化环境，锰以氧化物或氢氧化物的形式沉淀，水体结构有利于古藻类及浮游生物大量发育，并吸附沉淀的锰质物。随着海侵期的到来，使得水体变深，光合作用水体界面也往上抬升，造成水体下部古藻大量死亡，堆积于海底形成富集锰质的尸集群，形成大量的有机质，同时通过尸体腐烂消耗大量O2并释放出CO2，不断改变和调节水体的氧化—还原环境，原来氧化环境逐步演变成还原环境，使锰质不断浓集于底层水中及沉积物内。热水注入改变了水体的温度、压力条件，直至海解、成岩早期锰的氧化物或氢氧化物与有机质相互作用，锰的氧化物或氢氧化物被还原生成的Mn2+，与植物尸体腐烂释放的CO2相结合，形成了锰碳酸盐［6］，并在盆地底部大量沉淀富集成矿。因此，本研究认为万家坪锰矿属海相沉积变质改造型锰矿床。

5 找矿远景

矿区位于宁乡—涟源—湘潭锰矿带中间位置，成矿地质条件优越，该成矿带内中、小型锰矿床（点）成群成带展布，如湘潭、棠甘山、金石等二十余个中小型锰矿床（点）产于此成矿带内，是湘中地区重要的锰矿找矿远景区。通过对比研究认为：万家坪锰矿与湘潭锰矿具有相似的古地理环境，都为湘潭盆地成矿区带；含锰地层和岩性相同，均为南华系中统大塘坡组黑色碳质板岩、硅质板岩等；矿床成因相同，浅部都为氧化锰矿，深部为海相沉积改造型碳酸锰矿。矿区最新勘查成果显示，锰矿体沿走向大致具有等距分段富集的特点，矿层由不稳定逐渐过渡到稳定，单个矿体长100～850 m，已控制倾向最大斜深620 m；自北向南，自浅部至深部，矿体呈现出规模及厚度增大、矿石品位变富的趋势；矿区锰矿石品位为11.35%～22.13%，平均为18.99%，表明矿区深部找矿潜力较大。本研究认为万家坪锰矿深部找矿潜力较大，有必要进一步开展找矿工作。