南华系大塘坡组菱锰矿矿床地质特征及成因新见解

2021-08-07何明华

科技创新与应用 2021年21期

何明华

（贵州铜仁伍环有限公司，贵州铜仁 554300）

黔东北及其毗邻的湘渝鄂地区新元古界大塘坡组菱锰矿床的成矿机理、成因类型、锰质的主要来源等问题，众说纷纭，一直争论不休，难以定论。本文作者在系统收集以前的普查勘探、区域地质调查、科学研究等资料成果的基础上，结合作者在该区域多年的野外地质调查和室内综合研究，并参考了国内外地球科学的新理论、新成果，再次对该区域大塘坡式菱锰矿床的成矿条件、成矿机理、成因类型及锰质的主要来源等问题提出了新的认识。

1 区域地质背景

黔湘渝鄂毗邻地区地处华南板块之扬子地块东南被动大陆边缘。通过对新元古界华南地区沉积盆地的详细地层研究，有学者在2003年提出：在Rodinia超级大陆裂解过程中，华南地区形成了新元古界（830～600Ma）裂谷盆地，也即是后来大塘坡时期的走向呈北东东向的半地堑、地堑式聚锰盆地，为锰矿形成创造了良好的古地形条件及成矿物质来源。从820Ma开始的华南岩浆活动与超级地幔柱活动有关，其影响范围可能波及澳大利亚在内的整个Rodinia超大陆。新元古界也是华南地壳生长的重要时期，期间有大量幔源岩浆形成并成为华南板块结晶基底的重要组成部分。

2 赋矿地层层序及其沉积环境演化

2.1 赋矿地层层序

以松桃县乌罗镇杨立掌锰矿区为例，其赋矿地层层序自上而下依次为：

上覆地层：南沱组含砾泥岩。与下伏大塘坡组之间的接触界面在该矿区为一个整合面，但在横向上的一些隆起带则变为平行不整合面。

——整合——

大塘坡组第三段

[17]灰、深灰色粉砂质粘土岩，顶部具卷曲层理，普遍见滑移-滑塌构造。厚：38.50m。

[16]灰、深灰色粉砂质粘土岩夹泥岩。含疑源类微体古生物化石。厚：95.38m。

大塘坡组第二段

[15]深灰至黑灰色含炭质粉砂质页岩，显清晰而密集的水平纹层。厚：42.12m。

大塘坡组第一段

[14]黑色含炭质粉砂质页岩，含星点状黄铁矿晶粒。厚：6.77m。

[13]黑色炭质页岩，上部富含黄铁矿晶粒。厚：23.40m。

[12]黑色条带状菱锰矿，间夹含粉砂质炭泥质细条纹，并有少量黄铁矿偏集分布。厚：0.39m。

[11]黑灰色薄层块状炭质菱锰矿。厚：0.48m。

[10]黑色含炭质粉砂质页岩。厚：0.11m。

[9]灰色含粉砂凝灰质粘土岩，具有机质条带。该层为远离火山喷发口的火山凝灰降落沉积层，或者称其为火山事件沉积层。厚：0.03m。

[8]黑灰色薄层块状炭质菱锰矿，间夹条带状炭质菱锰矿及黑灰色含粉砂质炭质页岩。厚：3.11m。

[7]黑灰色厚层块状菱锰矿（具凝块状结构、砂屑结构，见球状蓝藻类生物）。厚：0.56m。

[6]黑灰色条带状菱锰矿，间夹炭质页岩或含粉砂炭泥质条纹。厚：0.69m。

[5]黑灰色薄层块状炭质菱锰矿（具凝块状结构、砂屑结构，该层下部见一小层间滑动构造，岩石破碎。其顶部见一小褶曲构造，岩石层理被扭动而弯曲）。该层中见到的软沉积物变形构造推测为一种系地震或者同沉积断裂强烈活动时，表层松软沉积层沿盆地斜坡滑动所产生的同沉积软变形构造。厚：0.74m。

[4]灰黑色含粉砂炭质页岩，显水平条纹构造。厚：0.51m。

[3]深灰色块状含锰砾质粉砂岩，砾石稀疏、细小。该层推测为由生长断层活动或地震触发的水下重力流事件沉积层，并沿断崖面构成线状物源。厚：0.80m。

[2]黑灰色薄层块状菱锰矿。厚：0.12m。

[1]黑色炭质页岩。厚：0.34m。

——假整合——

下伏地层：铁丝坳组深灰色块状含砾粘土岩，间夹具水平条纹的粉砂质粘土岩。

2.2 沉积环境演化

新元古界南华纪Sturtian“雪球地球”事件结束之后，到了大塘坡间冰期，由于冰雪融化，导致了全球性海平面迅速大幅度上升、海水很快越过广阔的大陆架，淹没了黔东北及其毗邻的广大地区，而使该区域成为多障壁的受限清水陆表海盆地环境。

大塘坡早期，在海平面出现大幅度快速上升之后，又多次重复出现过小幅度下降和小幅度上升的海平面波动，这种升降相持的、长期的高海平面环境，正为形成该区域大塘坡组一段下部的多层富厚菱锰矿层创造了极佳的沉积环境和充足的沉积成矿时间。

大塘坡中期，海平面处于升降相持阶段，沉积了一套由加积型基本层序构成的垂向序列，一般属原地型悬浮沉积。

大塘坡晚期，海平面处于缓慢的脉动式下降阶段，由于被动大陆边缘发生的裂谷作用，地壳出现周期性小幅度沉降，陆源细粒碎屑物的供应速率也有所增加。沉积了一套由进积型基本层序构成的垂向序列，以悬浮沉积为主，兼并偶发性重力流沉积为特点，重力流沉积类型一般为砂质浊流、泥流等，颗粒细小。

之后，到了Marinoan“雪球地球”时期，开始了遍布全球的杂砾岩段沉积，该杂砾岩段在扬子地块称之为南沱组，可进行全球或者洲际间的对比研究。这两个冰期和一个间冰期沉积序列，地质学家称之为“三段式结构”。

3 矿体（层）特征

该地区大塘坡组菱锰矿矿床属典型的海洋盆地化学-生物化学沉积型菱锰矿矿床。菱锰矿体（层）皆产出于大塘坡组第一段黑色炭质页岩下部，具有固定的产出层位，矿体围岩为炭质页岩或含锰炭质页岩。矿体形态多呈层状、似层状产出，一些矿区主要呈透镜状产出，譬如：大塘坡锰矿区的菱锰矿就主要呈透镜状产出，也就是经常所称的“锰枕或锰枕群”。矿体（层）厚度一般在1～6m左右，一些超大型矿床（譬如：松桃道坨锰矿）的菱锰矿层最大厚度达12m。矿体（层）中常间夹炭质页岩或者含锰炭质页岩。矿体分布长度在1000～6000m左右，矿体分布宽度在500～3500m左右，矿体走向与沉积盆地走向在平面上一致，皆呈北东东向。矿石中Mn含量一般在11%～25%左右，单件矿石样品中的Mn含量高达26%～29%。在该区域，该类型菱锰矿床，其矿体（层）的品位在横向上皆比较稳定。从盆地中心向盆地边缘，矿体（层）的厚度有逐渐从厚变薄的规律性。

矿石结构多为泥晶结构、砂屑结构、凝块状结构，矿石构造主要有块状构造、纹层状构造、条带状构造，在松桃县道坨矿区的深钻岩（矿）芯中还新发现了气泡状构造，局部地方见滑动卷曲状构造、碎裂状构造、网脉状构造、角砾状构造等。菱锰矿颜色主要为钢灰色、黑色。

矿石矿物成分主要有菱锰矿、炭质有机质，次要矿物成分有伊利石、黄铁矿、磷灰石、微量胶磷矿等。

根据薄片显示，泥晶菱锰矿与炭质共生，泥晶菱锰矿聚集成微球粒形态成群出现，密集堆积。在电子显微镜下，可清晰地看出蓝藻类化石。

矿石的化学成分主要有MnCO3、SiO2、Al2O3这三种，这三种基本化学成分几乎占去了矿石化学成分总量的90%以上。其次是CaO、FeO、MgO、K、Na、S、P和有机碳。其中SiO2、Al2O3是粘土矿物和石英粉砂的主要化学成分。矿石的具体化学成分含量为MnCO3（40%～80%）、SiO2（12%～31%）、Al2O3（4%～9%）、CaO（3%～8%）、MgO（0.5%～1.8%）、FeO（1%～4%）、K（0.3%～1%）、Na（0.1%～0.4%）、S（0.8%～8%）、P（0.15%～0.47%）、C有机碳（1.08%～2.32%）。

4 矿床成因与成矿条件分析

4.1 锰质的主要来源

如果仅仅依靠成锰期由各种地质作用向海洋盆地水介质提供的锰质，那么则远远不足以形成区域上这么多的大中型菱锰矿床。

南华纪早期，富含锰离子的巨大古海洋水体，一旦遇到有适宜的古地理、古气候、半地堑或地堑式裂谷盆地及海平面迅速大幅度上升、菌藻类浮游微生物的大量繁盛和适当的物理、化学条件，Mn2+就会与HCO3-离子相结合，以MnCO3质点的形式稳定淀出并大量聚集成矿。适宜的聚锰环境长期稳定、反复存在也是形成该区域内一些菱锰矿床中的多层富厚矿体的时间因素之一。

4.2 菱锰矿床的沉积古地理环境及物理、化学条件

在成锰期，松桃地区的古纬度处于北纬19°～20°之间，其沉积盆地位于一个较宽阔的温暖、阳光充足、清澈的局限至半局限海岸-浅海陆架区，发育北东东走向的半地堑、地堑盆地和具障壁性质的隆起带，海流频繁，其中，浅海陆架盆地相带是菱锰矿沉积聚积的最佳相带，水介质微环境的温度和压力变化范围适合各种浮游生物的生存，是生物繁殖和碳酸盐沉淀的理想场所。

对菱锰矿石的Eh值和pH值测定可知，菱锰矿形成时的pH值在7～8，Eh值在－0.3EV左右。在此缺氧还原、碱性的底层水介质条件下，海水中的Mn2+离子易与HCO3-离子结合生成MnCO3析出沉淀。其化学反应方程式如下：

菌藻类生命活动需要吸收CO2气体，致使反应向右进行，从而促进了碳酸锰质点的稳定析出，并大量沉淀。

4.3 菱锰矿床与沉积盆地、古构造之间的关系

“没有盆地就没有石油”“没有盆地就没有锰矿”，这已经成为石油或者大塘坡式锰矿勘探者的共识。自从1962年首次在松桃县大塘坡村发现锰矿以来的半个多世纪里，地质勘探者越来越认识到沉积盆地、裂谷作用、古气候和全球海平面变化、菌藻类浮游微生物的繁盛对黔东北及邻区新元古界大塘坡组菱锰矿床及其赋矿地层的显著控制作用，而沉积盆地的形成、走向、规模、形态以及沉降幅度、充填类型、充填层序等又受控于古断裂构造，特别是雪峰期构造运动形成的断裂构造。而且，这些古断裂后续的周期性活动及地壳的周期性均衡沉降对沉积建造也起到显著的控制作用，使得这些由雪峰期裂谷作用形成的走向北东东向的半地堑、地堑盆地中充填了南华系巨厚的陆源碎屑物。