新疆奥尔托喀讷什锰矿床地质特征及成因

2021-05-12马登贤朱海波宋玉亭张智强郑成龙苗秀川

中国锰业 2021年2期

马登贤，朱海波，王蒙，宋玉亭，张智强，郑成龙，苗秀川，马林

(山东省地质矿产勘查开发局第八地质大队(山东省第八地质矿产勘查院)，山东日照 276806)

奥尔托喀讷什锰矿床是近些年来新发现的一类与石炭系浅海陆棚沉积有关的锰矿床，位于塔里木陆块与西昆仑造山带的接触部位，其含矿层位在区域上延伸较为稳定，找矿潜力巨大[1-5]。为进一步在深部和外围找矿勘查工作提供指导，本文结合野外地质调查结果，对矿床的地质特征和矿床成因进行了研究，为进一步深部勘查验证提供依据。

1 矿区地质概况

1.1 地层

矿区出露地层较简单，由老到新依次为(见图1)：①志留系(S)黑云母绢云石英片岩，分布与矿区南侧之F3断层南侧；②上石炭统喀拉阿特河组第1岩性段(C2k1)为一套生物碎屑角砾灰岩夹薄层细晶灰岩条带组合，是矿区近东西向背斜的核部组成物质；③上石炭统喀拉阿特河组第2岩性段(C2k2)砂屑灰岩；④上石炭统喀拉阿特河组第3岩性段(C2k3)泥质灰岩，呈近东西向展布，是矿区主要的含矿层位；⑤下二叠统玛尔坎雀库塞山组(P1m)为一套紫色砂岩、大理岩、蚀变安山岩，主要分布在矿区南侧和北侧，总体上呈近东西向展布，为矿区近东西向背斜的两翼组成部分；⑥上白垩统库克拜组(K2k)为一套灰绿色中粗粒含砾岩屑砂岩组合，主要分布在矿区F2断层北侧；⑦第四系(Q)以冲洪积物为主，主要分布在地势低洼区域以及玛尔坎苏河流域内(见图1)。

图1 奥尔托喀讷什锰矿床地质

1.2 构造

奥尔托喀讷什锰矿床位于塔里木—华北板块与羌塘(中间)板块块接触部位北侧，以近东西向构造为主要特征，矿区构造主要包括背斜构造和断裂构造(见图1)。其中，背斜主要为近东西向背斜，核部地层为上石炭统喀拉阿特河组第1岩性段(C2k1)，两翼地层依次为上石炭统喀拉阿特河组第2岩性段(C2k2)、第3岩性段(C2k3)和下二叠统玛尔坎雀库塞山组(P1m)，且南翼地层相对平缓，北翼地层相对陡，矿区内锰矿体主要分布在背斜北翼之上石炭统喀拉阿特河组第3岩性段(C2k3)层位中。

矿区断层较发育，根据断层展布方向和形成时代等分为两组，即近东西向和北东向。其中，近东西向断层主要包括F2和F3，为矿区近东西向背斜的北界和南界，前者倾向北，为一正断层，后者倾向南，为一逆断层；北东向断层以F4和F5为主，对矿体和近东西向断层及地层起破坏作用，规模相对较小，属于后期的破矿构造。

1.3 岩浆岩

矿区岩浆岩不发育，仅下二叠统玛尔坎雀库塞山组(P1m)中可见少量的蚀变安山岩。蚀变安山岩呈灰绿色，风化面呈暗褐色，具斑状结构，杏仁状构造和块状构造[6-9]；斑晶以斜长石为主，含量约35%，基质具微晶结构，发育强绿泥石化，含量约65%。

2 矿床地质特征

2.1 含锰岩系地质特征

含锰岩系(含碳泥质灰岩夹薄层细晶灰岩条带)从东至西横贯全区，层位稳定。锰矿严格受此含锰层位控制，而矿体集中于该层位几个成矿有利地段内。矿体主要分布在玛尔坎苏河的北侧。矿体因受断裂构造影响，形态弯转复杂。

锰矿体赋存于上石炭统喀拉阿特河组(C2k)含碳泥质灰岩夹薄层细晶灰岩条带中，层位稳定，锰矿体严格受此层位控制，矿体与围岩界线清楚。锰矿体由条带状，透镜状或薄层状的菱锰矿组成，呈层状产出。产状与围岩基本一致，总体走向近东西向，倾向北西—北东，一般倾角70(°)～85(°)，由于受构造作用影响，锰矿体沿走向和倾向上品位、厚度都有一定的变化，矿体形态虽然复杂，但也有一定规律，在剖面上及各中段上是可以对应的。

奥尔托喀讷什锰矿床矿区内初步圈定矿体8条，编号分别为Ⅰ-1、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅱ-1、Ⅱ-2和Ⅱ-3号矿体。其中，Ⅰ-1、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5和Ⅰ-6号矿体为主矿体。矿体均位于玛尔坎土山背斜的北翼。矿体受一定层位控制，呈层状、似层状产出，与围岩产状基本一致。但局部岩层及矿体产状因构造作用影响发生倒转，其倒转区域主要分布于9线～13线3 680标高～3 880标高之间，该倒转部位从地表至深部均有工程控制。

2.2 矿体特征

1)Ⅰ-1号矿体

地表控制矿体长约1 586 m，连续分布，向东沿伸出矿区外，控制矿体最大延深292 m，最大埋深400 m。矿体形态较规则，呈层状产出，矿体连续性较好，沿走向及倾向上均呈波状起伏，地表及浅部矿体形态变化较大，深部形态相对稳定；矿体总体走向100(°)～110(°)，倾向350(°)～20(°)，倾角70(°)～80(°)；矿体形态和产状基本与岩层产状一致，由于受到后期区域构造的影响，局部产状发生倒转，沿走向具有明显规律，矿体深部产状趋于稳定；总体为产状较稳定的陡倾斜矿体。矿体厚度变化大，一般1～10 m，矿体平均厚度4.20 m，单工程最大厚度17.59 m，最小厚度0.22 m。矿体平均品位36.55%，其单个样品最高品位50.25%，最低品位10.16%；单工程最高品位46.88%，最低品位15.04%；矿体品位沿走向上变化不大有用组分分布均匀程度属均匀型。

2)Ⅰ-3号矿体

控制矿体长度1 300 m，地表出露长度768 m，矿体最大延深252 m，控制最大埋深311 m。矿体形态规则，呈似层状产出，矿体连续性好，沿走向及倾向上均呈波状起伏，地表及浅部矿体形态变化较大，深部形态相对稳定；矿体总体走向90(°)～100(°)，倾向350(°)～10(°)，局部矿体出现倒转现象，总体倾角较陡，一般70(°)～80(°)，局部变陡为85(°)左右，但深部趋于稳定，总体为陡倾斜矿体。矿体厚度变化较大，一般1～10 m，最厚20.51 m，矿体平均厚度3.51 m。矿体平均品位33.91%，单样Mn最高品位为48.80%，最低品位10.14%，单工程最高品位42.93%，最低品位14.50%。

3)Ⅰ-4号矿体

矿体沿走向长约750 m，向东沿伸出矿区外；矿体沿倾向最大延深95 m，控制最小埋深0 m，最大埋深218 m。矿体呈似层状产出，矿体连续性较好，沿走向及倾向上形态相对稳定；矿体总体走向265(°)，倾向355(°)，倾角55(°)～89(°)，一般为80(°)，总体为产状较稳定的陡倾斜矿体。矿体厚度介于0.58～5.88 m之间，平均厚度为2.38 m。矿体形态和产状基本与岩层产状一致，受到后期区域构造作用的影响，产状稍有变化，但整体较稳定。矿体品位介于12.52%～43.80%之间，平均品位36.86%，在走向上还是倾向上其品位变化不大。

其余矿体特征与主要矿体特征基本一致，其特征见表1。

表1 奥尔托喀讷什锰矿床其余矿体特征

2.3 矿石组构

矿石结构有微晶结构和交代结构(见图2)。其中，微晶结构是主要的矿石结构类型，菱锰矿和软锰矿呈细粒—微粒状分布，粒径在0.001～0.06 mm，局部呈集合体状；局部可见交代结构，菱锰矿呈微粒集合体，被褐锰矿和锰闪石网脉状交代。

矿石构造主要为致密块状构造、浸染状构造、细脉状构造和土状构造等。其中，致密块状构造是矿区最主要的矿石构造，矿石矿物主要为菱锰矿，结晶程度好，分布均匀致密，可见矿石矿物呈靛蓝色；浸染状构造主要指的是菱锰矿等锰矿物呈星点状、稀疏浸染状等分布于含碳泥质岩矿石中；细脉状构造主要为菱锰矿、软锰矿等矿物，呈细脉状分布；土状构造是菱锰矿等矿石矿物风化后所呈现的构造，在矿区内不常见，矿体在地表出露处偶见土状构造。

(a)微粒结晶结构、交代结构；(b)微细网脉状构造、块状构造

2.4 矿石物质组分

矿区内各个矿体的矿物组分基本一致，金属矿物主要为菱锰矿，见少量软锰矿、褐锰矿、硫锰矿、硅锰矿、黄铁矿，偶见黄铜矿[10-13]。其中，菱锰矿是矿石中最主要金属矿物之一，在有用矿物中含量最高，最高可达80%，菱锰矿多呈微晶—泥晶集合体分布，粒度约0.002～0.04 mm，部分菱锰矿镜下难以分清颗粒之间的界限(见图3)，受构造应力及氧化作用影响，产生绺裂及裂隙，部分矿石被压碎，压碎物为菱锰矿的集合体，呈拉长粒状，圆粒状及不规则粒状分布，在碎粒之间分布有无定形的铁锰质；黄铁矿在矿石中常见，但含量很低，分布不均匀，呈星点浸染状、不规则团粒状、团块状、脉状分布，黄铁矿形态多呈半自形—他形粒状、草莓状，粒径细，粒度0.003～0.25 mm，呈单体或聚粒状分布在菱锰矿集合体中，部分沿裂隙呈脉状分布。

(a)菱锰矿呈微粒—细粒均一集合体分布，可见少量黄铁矿呈浸染状、细脉装分布(单偏光)；(b)菱锰矿呈微粒—细粒均一集合体分布，可见少量黄铁矿(正交偏光)

非金属矿物主要为白云石、方解石、石英、粘土矿物等，以细颗粒块状分布于构造断裂和构造裂隙中，有时呈细脉状与矿石矿物胶结在一起。其中，白云石在矿石中含量低，一般在2%～10%，镜下无色，半自形—他形粒状，粒径约0.01～0.04 mm，呈粒状、团粒状混杂分布在菱锰矿集合体之中；方解石含量约2%～6%，他形粒状，粒径细，多沿裂隙呈脉状、透镜状分布；石英含量一般小于3%，分布在菱锰矿集合体之中或与方解石一起沿裂隙呈脉状产出；粘土矿物(包括绿泥石、水云母、高岭石)主要以胶结物的形式产出，部分为原泥质岩屑和长石的蚀变产物，粒度一般小于0.02 mm，极少的水云母粒度为0.5 mm。

2.5 矿石化学组分

1)矿石中的有用组分

奥尔托喀讷什锰矿床的矿石中有用组分为锰，锰主要以菱锰矿形式存在，矿床平均品位36.37%，其单样最低品位10.24%，最高52.87%，近一半分布在40%～45%之间，各别地段、各别工程品位稍有偏低，但整体不影响块段平均品位，对矿床的整体评价没有影响。

2)矿石中的有害组分

有害组分主要为P和SiO2，其他元素含量甚微(见表2)。

表2 组合分析样品检测结果

该区锰矿为浅海相沉积型锰矿床，磷主要以细晶磷灰石和胶磷矿形式存在。锰矿石中的磷主要通过化学或生物化学沉淀，磷矿物多呈星散状分布于菱锰矿中，另有少量磷灰石呈串珠状集合体分布。

矿石中SiO2多以石英碎屑集合体形式沿裂隙面分布于菱锰矿中，其含量不高。从表2组合分析结果表中显示，其他组分金、银、铜、铅、锌等在矿体矿石中的含量极微，无利用价值，不影响矿石质量。

此外，由于该矿床开发利用以生产电解锰为主，在生产过程中，矿石中的Cl-将会对电极板产生腐蚀作用，因此针对Cl-进行了检测，经110件样品分析统计，Cl-在矿体中分布不均匀，无规律可循，矿床Cl-平均含量为0.033%，因此在生产过程中要加以注意。

2.6 矿石类型

矿区内的锰矿石均为工业矿石，以菱锰矿为主，出露于地表的矿体局部被氧化而可见少量软锰矿。此外，由于次级构造裂隙发育，局部延裂隙面充填有蔷薇辉石、锰方解石细脉，偶见褐锰矿、硫锰矿、黄铁矿等组成的混合矿。因此，该矿床的矿石类型比较简单。

1)自然类型

根据矿床中矿石不同矿物的组合，其自然类型比较单一，主要为菱锰矿矿石，约占95%，为该矿床的主要类型。该类矿石根据矿物含量的不同可进一步划分为石英—菱锰矿矿石、方解石—菱锰矿矿石、褐锰矿—菱锰矿矿石、硫锰矿—菱锰矿矿石等，但所占比例很少，仅在局部地段偶尔出现。

2)工业类型

矿床的平均Mn含量37.37%，P平均含量0.202%；SiO2平均含量10.21%。据物相分析结果统计，矿体锰矿石中锰矿物主要有碳酸锰、硅酸锰、氧化锰，其中碳酸锰占91.20%，硅酸锰占0.47%，氧化锰占6.67%，因此原生矿石矿物以菱锰矿为主，见少量软锰矿、褐锰矿、硫锰矿、硅锰矿、锰方解石、黄铁矿。根据上述数据可知：矿床中P含量为中磷，Mn/TFe>6为低铁，(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)<0.8为酸性。因此，确定锰矿石工业类型为低铁中磷酸型碳酸锰矿石。

3 矿床成因及找矿标志

3.1 矿床成因

奥尔托喀讷什锰矿床发现较晚，其研究程度较低，关于该区域锰矿床的成因认识主要为浅海沉积后期热液改造型富锰矿床，得出该结论的证据主要包含以下几个方面：

1)奥尔托喀讷什地区已发现的锰矿床均产于上石炭统泥质灰岩中，其沉积环境为裂陷盆地，为一套碎屑岩+碳酸盐岩建造，其沉积过程经历了向上变浅的过程。该区域在早石炭世早期海水较深，以浅海陆棚沉积为主，以细碎屑岩和泥质、硅质沉积物为主；在早石炭世晚期海平面下降，以开阔台地边缘沉积环境为主，此时以碳酸盐岩和少量碎屑岩为主[14-16]；在晚石炭世早期，海平面上升，以浅海陆棚沉积环境为主，为一套细碎屑岩建造为主；而在晚石炭世中期海平面又下降，形成一套碎屑岩和碳酸盐岩建造，为浅—滨海沉积环境；在晚石炭世晚期，海平面再次上升，形成了一套以碳酸盐岩为主的开阔台地沉积环境。综上所述，奥尔托喀讷什地区反复交替变换的沉积环境为锰矿的形成提供了极为有利的环境。

2)奥尔托喀讷什锰矿体主要赋存在上石炭统喀拉阿特河组第3岩性段(C2k3)泥质灰岩中，而上石炭统喀拉阿特河组主要由泥质灰岩夹薄层细晶灰岩、长石英砂岩以及生物碎屑角砾灰岩等组成，其岩石组合特征和沉积序列总体上反映为一套浅海碳酸盐岩台地相沉积建造组合(见图4)，有利于锰矿床的形成。

图4 上石炭统喀拉阿特河组沉积序列

3)上石炭统喀拉阿特河组中富含珊瑚类、孔虫等化石(见图5)，均属于远岸浅海区生物。该套地层岩石中陆源碎屑物质较少，炭质含量较高，综合说明了地层形成环境为生物宜居的远岸浅海环境。

图5 岩石中的珊瑚、孔虫化石

4)奥尔托喀讷什锰矿床位于地块的裂陷槽中，形成环境为浅海，锰矿层多位于海进层序的中上部，含锰碳酸盐带常与泥质岩密切伴生，且矿石中锰品位一般介于30.44%～39.62%之间，但是较多的单工程锰品位大于50%，其品位远大于菱锰矿理论值47.8%；同时，根据野外调查发现，矿石中普遍具有后期热液改造的痕迹[17-20]，因此，奥尔托喀讷什锰矿床富锰矿体的形成与后期热液的叠加改造有关。

5)虽然说奥尔托喀讷什锰矿床受后期热液叠加改造作用明显，但是该矿床中矿体主要产于上石炭统喀拉阿特河组第3岩性段(C2k3)泥质灰岩中，矿体产状与地层产状基本一致，呈层状、似层状、透镜状产出(见图6)，矿体界线与围岩界线清除，厚度稳定，形态简单。

图6 奥尔托喀讷什锰矿床矿体产状

综上所述，认为研究区锰矿床的矿床成因为浅海沉积后期热液改造型富锰矿床。

3.2 找矿标志

在研究矿床地质特征和矿床成因的基础上，结合区域同类锰矿体的控矿因素等，本文总结了奥尔托喀讷什锰矿床的找矿标志，主要包括以下几个方面。

1)露头及转石标志：矿区地形变化相对较大，导致地表露头和锰矿石转石较发育，是矿区内最主要的直接找矿标志之一。

2)含矿层位标志：说奥尔托喀讷什锰矿受层位控制明显，上石炭统喀拉阿特河组第3岩性段(C2k3)泥质灰岩中，因此，上石炭统喀拉阿特河组第三岩性段泥质灰岩是主要的间接找矿标志之一。

3)蚀变岩标志：灰绿色蚀变安山岩位于含矿层位上盘，沿走向相对稳定，亦可作为间接的找矿标志。

4)风化带标志：锰矿石风化后在地表形成黑色条带，是主要的直接找矿标志之一。

5)构造标志：受南北向逆冲推覆构造影响，奥尔托喀纳什地区形成背斜等构造，锰矿体分布于背斜的南北两翼，但由于挤压强烈，两翼尤其是南翼会形成倒转向斜等。另外，区域东西向乌赤别里山口等断裂与矿体展布方向基本一致，在空间上控制着锰矿床的分布，是寻找锰矿床的重要标志。

6)遥感标志：Wordveiw2、SPOT7等高分遥感数据对该区域灰岩、砂岩、砾岩、火山碎屑岩、冲积物等以及断裂等具有较好的识别效果，能够有效地提取含矿地质体，可作为重要的间接找矿标志。对Landsat 8等数据采用主成分法提取的羟基异常、铁染异常信息，以及采用光谱角法使用菱锰矿、软锰矿光谱提取的锰矿蚀变异常也可作为间接标志。

7)地球物理标志：通过勘查阶段对矿区内岩石、矿石的物性测定，磁化率无明显差异；锰矿石极化率为3.87%～12.96%，明显高于其他岩石的0.36%～3.69%；锰矿石密度为2.76～3.56 g/cm3，多大于3 g/cm3，明显高于其他岩石的2.51～2.70 g/cm3。因此，重力及激电异常可作为间接找矿标志之一。