湖南宁乡月山铺-祖塔地区锰矿地质特征与找矿潜力分析

2021-10-21刘森荣蒋金华

矿产与地质 2021年4期

刘森荣，叶锋，黄飞，蒋金华，许鑫，刘虎

(中国冶金地质总局湖南地质勘查院，湖南长沙 410600)

0 引言

“桃江式”锰矿系指赋存于中奥陶统烟溪组下部页岩中的优质碳酸锰矿，主要分布于湖南桃江、安化、宁乡境内，矿石具低磷、低铁、自熔性等特点，是国内著名的优质冶金锰矿石[1-3]。月山铺—祖塔地区是湖南省“桃江式锰矿”锰矿勘查和生产的重点区域，位于湖南省宁乡市黄材镇和沩山乡。通过中国冶金地质总局湖南地质勘查院技术团队在该地区的长期工作，在该地区发现了月山铺和祖塔两个中型锰矿床。前人对该地区曾开展过湖南桃江-宁乡优质锰矿评价、湘中响涛源—祖塔矿带优质锰矿普查、湖南省宁乡县月山铺—祖塔矿区锰矿普查等锰矿地质调查[4-6]，并对该区域的锰矿地质特征[1-3，7]、成锰期岩相古地理特征[8]和锰矿富集规律[9]进行了研究。本研究是在前人工作的基础上，结合近年来在该区域开展的“湖南安化—桃江地区锰矿资源调查评价”[10]、“上扬子东南缘锰矿调查评价”等矿调项目的找矿成果，对研究区的矿床地质特征进行分析总结，并探讨了该区域的找矿潜力。

1 区域地质背景

月山铺—祖塔地区位于上扬子成矿省扬子地台西缘元古宙、晚古生代、中生代铁钛钒铜铅锌铂银金稀土成矿带。该区地处湘中腹地，位于安化-宁乡-浏阳EW向构造带与新华夏系构造复合部位，即雪峰山弧形隆起带的北部转折端处。该区位于扬子陆块东南被动边缘，由加里东期断裂构造运动演化而形成了湘桂地堑和湘中地堑，而湘中地堑则控制了中奥陶世到早泥盆世的沉积盆地，称为湘中盆地，中奥陶世桃江成锰沉积盆地则位于湘中盆地的北部。而桃江成锰盆地受到奥陶系早期的同沉积断裂的控制，在盆地内形成了多条断陷槽[8](图1)。同沉积断陷带为锰质的上升提供通道，断陷槽则为锰矿的富集提供了场所。而月山铺—祖塔地区的锰矿床则位于响涛源—祖塔断陷槽内的核心成矿区域，并严格受到同沉积断裂F3′的控制[3]。

图1 桃江成锰盆地内部构造简图

2 矿区地质

2.1 地层

矿区由老至新出露的地层：元古界板溪群(Pt)为一套板岩及变质砂岩夹砂砾岩；震旦系(Z)为一套板状页岩夹白云岩、灰岩、硅质岩；寒武系(∈)为一套黑色炭质板岩与深灰色碳酸盐岩；奥陶系桥亭子组(O1q)为灰绿色密集粉砂质条带状板状页岩；烟溪组(O2y)由深灰色、灰绿色粉砂质板状页岩、黑色薄层状硅质页岩夹炭质页岩、黑色薄层状炭质页岩、含锰碳酸盐岩、黏土岩、薄层硅质页岩组成；五峰组(O3w)岩性为深灰色硅质页岩，其底部有一层同生砾岩；志留系龙马溪组(S1l)为一套含笔石化石的海槽复理石浊积岩与黑色页岩沉积；新滩组(S1x)主要为泥质粉砂岩夹薄层黑色页岩或黏土岩；泥盆系跳马涧组(D2t)为砂岩和含砾砂岩组合；第四系(Q)为残坡积层。其中奥陶系烟溪组为本区的含矿层位。

2.2 构造

区内经过了多期复杂的构造运动，武陵运动、雪峰运动奠定了区内EW向褶皱构造的基础，加里东期剧烈的造山运动使EW向褶皱得以加强并定型，奠定了当前以EW向褶皱为主的地质构造面貌。区域内断层与褶皱相伴而生，总体轮廓为一系列EW向构造、NE-NNE及NE-NEE方向构造[1，7](图2)。

图2 月山铺—祖塔地区地质构造简图

该区主要的褶皱构造为冲天腊烛向斜，呈近EN向展布，轴线向东倾伏，向西扬起，向斜两翼向东迅变开阔。向斜轴线部为新地层下志留统，两侧依次为奥陶系和寒武系。两翼北陡南缓。月山铺—祖塔锰矿区则位于冲天蜡烛向斜两翼，其中向斜北翼为月山铺锰矿床，向斜南翼为祖塔锰矿床。

3 矿床地质特征

3.1 含锰岩系特征

区内含锰岩系为中奥陶统烟溪组，主要岩性组合为黏土岩、含锰灰岩、碳酸锰矿、黑色页岩。其中锰矿层位于含矿岩系的中下部，顶板为黏土岩或者含锰灰岩，底板为含锰灰岩或黑色页岩，厚度在10～40 m之间。受加里东期EW向构造的影响，含锰岩系发生褶皱变形，并被褶皱构造控制了侧伏规律。

3.2 矿体特征

月山铺—祖塔地区锰矿地表露头线延绵约11 km。矿体赋存于含锰岩系中下部，呈层状、似层状顺层产出，产状总体较平缓，倾向总体向东，倾角20°～50°。冲天蜡烛向斜控制了月山铺和祖塔的锰矿层(体)的产状和形态(表1)。

表1 各锰矿床矿体地质特征

祖塔锰矿床。祖塔锰矿床浅部有上、下两层矿，两层矿的展布形态基本一致，呈SN向展布，主体向东倾，倾角31°～36°。其中下层矿厚度为0.50～0.87 m，平均厚度为0.71 m，锰的平均品位为19.56%。上层矿矿层厚度为0.42～1.48 m，平均厚度为0.73 m，锰的平均品位为20.25%。两层矿间距为31.46～49.84 m，平均间距为40.97 m。但通过钻孔揭露，该区深部的下层矿体延续性较好，但上层矿体往深部贫化成含锰灰岩。该区内未见较大的断裂构造对矿体产生破坏。

月山铺锰矿床。月山铺锰矿床主体只有一层矿，仅局部地区揭露到两层矿。地表矿体在北东方向部分被泥盆系覆盖，但矿层连续性较好，总体为一单斜矿层，矿层厚度为0.35～1.90 m，平均厚度为0.87 m，锰的品位为16.16%～20.82%，平均品位为17.61%。矿体走向约NE35°，倾向约SE140°，倾角28°～44°。在走向上矿层由西向东有逐渐变厚的趋势。在倾向上越往深部矿体亦有增厚的趋势，甚至在307线深部的ZK30706揭露到两层矿，真厚度达1.90 m。

3.3 矿石质量

月山铺—祖塔地区的矿石主要分为原生碳酸锰矿石和次生氧化锰矿石。

原生碳酸锰矿石多为碱性、低磷、低铁的优质碳酸锰矿石，P/Mn比值在0.003以下。锰矿物质成分主要由锰方解石(35%～40%)、菱锰矿(10%～15%)、锰白云石(10%～15%)、方解石(5%)、石英(5%)、黄铜矿(1%)等组成。其中锰方解石普遍重结晶做为亮晶胶结物存在(颗粒直径约20 μm)部分交代并胶结原来的鲕粒，一部分隐晶质的锰方解石和菱锰矿构成无核心复合鲕的同心环，一部分交代了生物碎屑。菱锰矿不均匀分布在锰方解石颗粒之间，大部分构成鲕粒，且鲕多已成残余状，多已被氧化。锰白云石则与锰方解石共生，方解石和石英多呈次生脉状分布。黄铜矿零星分布。

区内碳酸锰矿石多呈块状、条带状、斑点状。其中块状构造多为黑色、灰黑色，均匀致密，表面常见有炭质薄膜。条带状构造常由薄层状的浅肉红色、灰色、灰白色的碳酸锰与微薄层的黑色页岩相间组成，条带宽0.5～1.5 cm，该类矿石锰含量相对较高。斑点状构造多为藻鲕、生物碎屑或炭质污染而呈现出大小不等、形态不一的斑点，呈不规则分布在基质中，斑点大小一般为0.15～1 mm。

次生氧化锰矿石主要沿锰矿层地表出露线分布，系由原先碳酸锰矿石或含锰灰岩风化富集形成。碳酸锰矿石经风化作用，其组成矿物大部分被分解，形成一系列氧化矿物。分解后的CaO、MgO组分在氧化带中被大量淋失，而Mn4+的氧化物氢氧化物很不活动。大量的Mn4+化合物在原地残留下来，在钙、镁碳酸盐还未完全淋失以前就地氧化，使矿石具有松软的土状构造，有的成锰土。由于泥化作用造成锰与泥质分离，并富集于裂隙和孔隙中，形成以泥质为中心的多孔状网格状，蜂窝状构造的氧化锰矿石。

4 控矿要素及成矿规律

桃江成锰沉积盆地在中奥陶世属次深海欠补偿缺氧沉积环境，成矿期的含锰岩系岩石组合为黑色页岩-含锰碳酸盐岩-黏土岩。根据前人的研究[11]，认为该盆地的锰质来源于火山物质、同沉积断裂的热水物质和陆原物质三种，缺氧事件、同生断裂引起的重力流事件等为锰质的运移、聚集、沉淀创造了良好的条件。锰质在海水中初始蕴集，锰矿的沉积介质第一阶段水体处于缺氧还原阶段，水质为弱酸性，沉积物主要为含有机质和黄铁矿的黑色质岩，经测试pH值介于5.7～7.2之间，Eh值介于-5.61 V～0.236 V，这一阶段锰质只能在介质中溶解、迁移、富集，不能成矿。第二阶段，缺氧事件中止，水介质物理化学条件发生变化，转变为弱碱性弱氧化条件，pH值介于8.3～9.0之间，Eh值介于0.285～0.39 V之间，碳酸锰开始大量沉淀形成矿层[12]。

4.1 控矿要素

区内的锰矿的形成主要受到古构造、沉积环境和岩相组合的控制。

1)古构造：早奥陶世末期，华夏板块和扬子陆块由拉张变为挤压，在两板块挤压的同时，诱发了桃江盆地内一组NNW向张性同沉积断裂(图1)，在水动力和重力负荷作用下再次塌陷，形成了一些相对低洼的较深水环境，即断陷槽。断陷槽是有利的成矿环境，因为在这些环境中，掺和作用弱，沉积速度慢，介质能动小，有利于海解作用和成矿作用的进行，有利于成矿物质的分异和沉积[8]。月山铺—祖塔地区则位于响涛源-祖塔断陷槽内。

2)沉积环境：桃江成锰盆地为外陆棚-深海盆地的过渡带-次深海平坦斜坡环境，由北东向西南，水体逐渐变深，为次深海斜坡盆地相沉积。木瓜溪、梅子洞一线以西处于斜坡中下部，而响涛源—祖塔一带处于斜坡中部沉积环境[7]。

3)沉积岩相：沉积岩相受沉积环境的控制，木瓜溪、梅子洞一线以西处于斜坡中下部，属盆地边缘亚相，沉积了硅质页岩夹薄层黑色页岩、黑色页岩、含锰碳酸盐岩、黏土岩岩石组合；响涛源—祖塔一带处于斜坡中部沉积环境，属盆地中心亚相，沉积了黑色页岩、碳酸锰矿、黏土岩岩石组合。这种组合最有利于锰矿的形成，这种组合越完整，沉积厚度越大，越有利于成矿[9]。

综上，古构造控制了断陷槽，为锰矿的富集成矿提供了场所，而沉积环境控制了沉积相，沉积相则控制了锰矿的分布和规模。

4.2 成矿规律

1)桃江成锰盆地中多条同沉积断裂控制了断陷槽，并为以深源为主的锰质的上升提供通道，使得锰质在断陷槽内聚集、沉积、成矿[3，8]。因此区内锰矿床(点)展布明显受同沉积断裂控制，位于同沉积断裂西侧，与同沉积断裂平行展布。

2)断陷槽的形态和规模控制了锰矿床的分布和规模，响涛源-祖塔断陷槽是桃江成锰盆地内发育较完全、规模较大断陷槽，该断陷槽内的锰矿床规模较大、品位高，其他断陷槽内虽有锰矿产出，但规模较小。

3)黑色页岩、碳酸锰矿、黏土岩为有利于锰质沉积的岩石组合，当这种组合较厚，且黏土岩纯度高时，则可能是厚矿、优质矿的标志。

4)含锰岩系出现两个韵律层地段往往是优质锰矿的富集部位。

5 找矿潜力分析

根据2009年12月中国冶金地质总局中南地质勘查院提交的《湘中响涛源—祖塔矿带优质锰矿普查地质报告》，月山铺锰矿区探获碳酸锰矿石(333+334)362.17万吨，祖塔锰矿区探获碳酸锰矿石(333+334)215.49万吨。2019—2020年间，中国冶金地质总局中南地质调查院在月山铺—祖塔地区投入了大量钻探等勘查工作，通过本次工作，该区新增预测资源量达600万吨。

通过钻探验证和综合研究，认为月山铺和祖塔锰矿床均位于同一沉积中心相中(图3)，且锰矿富集方向为NNE向，因此月山铺和祖塔锰矿床之间的空白地段(冲天蜡烛向斜核部)亦属成矿有力地段。且在该地段施工的钻孔ZK1701揭露到21 cm厚的锰矿层，证实月山铺—祖塔地区的锰矿床是完整连续的，但在该向斜核部投入的勘查工作较少，若今后能在冲天蜡烛向斜核部取得突破，就能在月山铺—祖塔地区圈出一个大型甚至超大型锰矿床[9，13]。