华北地区锰矿成矿规律初探

田杰鹏，李俊建，宋立军，张彤，方同明，王丽瑛，周继华

（1.山东建筑大学土木工程学院，济南 250101；2.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；3.河北省地质调查院，石家庄 050081；4.内蒙古自治区地质调查院，呼和浩特 010020；5.北京市地质调查研究院，北京 102206；6.天津市地质调查研究院，天津 300191；7.山西省地质调查院，太原 030006）

在现代工业中，锰矿石是国家发展钢铁工业的重要矿产资源，锰矿石已是继石油、天然气、铁矿石等矿产后，又一涉及国家安全的战略性资源[1-3]。中国锰矿与国外锰矿相比较来说，大型锰矿较少，以中小型锰矿为主，矿石质量以贫矿为主[1-2]。进入本世纪以来，我国国民经济高速发展，冶金工业发展势头强劲，对锰矿资源的需求极大，锰矿特别是富锰矿和优质锰矿资源，已被中国列为紧缺和重要矿种[2、4-5]。我国的锰矿资源主要集中于华南地区，现今随着科研和地质勘查的不断进步，华北地区不断有新的锰矿被发现，锰矿资源主要分布于五省市区：内蒙古自治区、河北省、山西省、北京市和天津市（图1）。尤其是在天津市东水厂锰矿发现世界上独一无二、绝无仅有的锰方硼石，为华北地区寻找新类型锰矿床提供了新的希望[6]。

图1 华北地区锰矿分布及成矿规律图④李俊建.华北地区重要矿种区域成矿规律研究成果报告[R].天津:天津地质调查中心，2013，1-742.Fig.1 Distribution of Manganese Ore Deposits and metallogenic regularities in North China④

河北省以中小型热液锰矿为主，仅发现秦家峪大型海相沉积型矿床[7]。内蒙古自治区锰矿多以共生和伴生矿产出，独立锰矿床较少①许立权，张彤，张明，等.内蒙古自治区重要矿产区域成矿规律研究报告[R].呼和浩特:内蒙古自治区地质调查院，2013，1-654.。山西省锰矿资源量比较匮乏，且独立的锰矿床不多，有工业价值的矿床主要有小青沟热液型锰矿和上村式含锰菱铁矿②周继华，赵增杰，李亮玉，等.山西省重要矿种区域成矿规律、矿产预测成果报告[R].太原：山西省地质调查院，2013，1-489.。北京市有昌平西湖小型锰矿和一些矿点。天津市锰（硼）矿集中分布于蓟县东北部，发现东水厂、坝尺峪、前干涧3处矿产地，前者为小型锰矿并伴生小型硼矿，后两者均为锰矿点③陈一笠，王丽瑛，朵兴芳，等.天津市重要矿产区域成矿规律研究报告[R].天津:天津市地质调查研究院，2013，1-211.。

1 华北锰矿类型

华北地区锰矿规模多以中小型为主，目前探明的大型矿床仅一处（秦家峪锰矿）；赋矿层位较多，在中-新元古代、奥陶纪、二叠纪和三叠纪均有矿床产出；矿石以贫矿为主，矿石组分复杂，多与银等矿物伴生。根据成矿作用可划分为海相沉积型、沉积变质型、热液型和矽卡岩型四种[1，12]（表1）。

表1 华北地区典型锰矿类型及成矿时代一览表Table1 List of typical manganese deposit types and metallogenic ages in North China

1.1 沉积型锰矿

海相沉积型锰矿成矿所处大地构造背景主要为裂陷槽形成的静水环境及以后的拉张盆地[6，13]，成矿时代主要为晚古生代-中上元古代，成矿环境为拉张盆地海槽内沉积和热水改造。受地层控制，含矿层产状与围岩一致，形态复杂，主要有透镜状、扁豆状。矿石矿物主要有菱锰矿（钙菱锰矿）、锰菱铁矿，次为黄铁矿。次生矿物为硬锰矿、软锰矿、褐铁矿等。典型的矿床有河北秦家峪锰矿、山西上村式沉积锰铁矿和天津蓟县东水厂锰方硼石矿床。

河北省秦家峪锰矿是华北地区目前探获的唯一的大型海相沉积型锰矿。矿体产于中元古界长城系高于庄组二段二层中下部的暗灰、黑灰色薄层状含锰粉砂岩或含锰白云质粉砂岩中[5],呈层状产出，含矿层位长达12.9 km。矿石矿物以水锰矿、菱锰矿为主，脉石矿物为石英、碳酸盐[7]。锰矿物主要呈微粒集合体分散或脉状分布于脉石之间，而少量锰矿物以胶结物形式嵌布于脉石砂粒间。矿石结构主要为交代结构、隐晶质结构,矿石构造主要为脉状构造、浸染状构造[7]。

天津蓟县东水厂锰方硼石矿床是目前世界上唯一一个具有经济开发价值的锰方硼石矿床，矿体赋存于中元古界长城系高于庄组二段泥晶白云岩中[6]，与高于庄组碳酸盐内的铅锌矿、黄铁矿共生。锰方硼石成矿时应属海相蒸发成因，热液活动的过程则可能是发生于锰方硼石成矿之后，属后期热液改造作用。含矿沉积的岩性序列由上至下为：薄层和薄片状细砂岩,粉砂岩夹薄层状含锰粉砂质白云岩；薄层夹中厚层状含锰粉砂白云岩,含锰粉砂白云岩夹页岩,较薄的锰矿层；含锰粉砂白云岩、锰矿层;硅质页岩夹薄层状含锰粉砂白云岩[6]。矿石矿物主要为菱锰矿、锰方硼石、次为黄铁矿、赤铁矿等。矿石类型包括氧化锰矿石、菱锰矿矿石、锰方硼石菱锰矿矿石、菱锰矿锰方硼石矿石、锰方硼石矿石③。

山西上村式沉积型锰铁矿产于晚古生界二叠系石盒子组三段含锰泥岩建造中，根据沉积物组分、颜色、沉积韵律特征分析推测，石盒子组地层为陆源碎屑沉积类型，石盒子组由下而上可分为三个旋回：复成份砂砾岩建造-含煤碎屑岩建造→长石石英砂岩建造-铝土质岩建造-泥岩建造（锰铁矿）→长石石英砂岩建造，沉积环境从早到晚呈还原-半还原-氧化环境的特征。锰铁矿产于第二个旋回半还原环境的泥岩建造中，含矿层沉积建造韵律旋回明显，含矿层位稳定，矿体产状平缓，一般沿走向长约3～3.5 km。主要矿石矿物有菱铁矿、锰菱铁矿、少量菱锰矿、黄铁矿。氧化矿石主要有褐铁矿，次要为硬锰矿、软锰矿，少量镜铁矿；非金属矿石有绿泥石、粘土矿物等②。

1.2 沉积变质型锰矿

此类矿床是沉积型锰矿床受区域变质或接触变质作用后，矿石矿物组合发生改变而形成的锰矿床。华北地区此类型的矿床主要形成于中元古代、早中奥陶纪，多产于板岩-灰岩的地层中，主要矿石矿物为软锰矿、硬锰矿。典型矿床有乔二沟沉积变质锰矿和东家干沉积变质型锰矿。

乔二沟沉积变质型锰矿床位于内蒙古巴彦淖尔市乌拉特前旗，为一中型锰矿床[8]。赋矿地层为中元古代阿古鲁沟组粉砂质板岩。矿体形态较为简单，与围岩产状一致，主要呈似层状产出，局部有分枝复合现象。矿石矿物：主要为硬锰矿，少量软锰矿及褐铁矿①。

东加干沉积变质型锰矿位于内蒙古巴音淖尔市乌拉特中旗巴音杭盖苏木境内。锰矿赋存在中-下奥陶统乌宾敖包组二段地层中。矿体与围岩产状一致，呈整合接触，界线清晰。矿层底板为绢云母千枚岩，顶板为薄层白云质灰岩。矿石矿物成份主要为软锰矿和硬锰矿，未发现含锰碳酸盐矿物。围岩蚀变弱，具绢云母化和碳酸盐化①。

1.3 热液型锰矿

该类型锰矿在华北地区分布广，多为中小型矿床、矿点及矿化点，共伴生矿多。该类型锰矿主要形成于中生代侏罗纪-白垩纪，此外古生代二叠纪也有矿床产出，成矿热液以燕山期浅成-超浅成酸性岩浆侵入活动为主，热液型锰矿常与银矿共生，基本呈正相关产出。多产于构造带或不同岩体的接触部位，以脉状或顺层状产出[7-10，14-15，21-23]。各典型锰矿的特征总结如下：

西里庙式热液型锰矿位于内蒙古自治区四子王旗卫井苏木，矿体产于中二叠统大石寨组第二段第一岩石组合下部的凝灰质砂砾岩与青灰色厚层状微晶灰岩接触处，这是矿区锰矿的主要产出部位或富集部位，也见有产于灰岩、凝灰质砂砾岩中的次要矿层。矿体顶板岩石为厚层状含砂屑微晶灰岩，层理清楚，底板岩石为凝灰质砂砾岩或流纹质岩屑晶屑凝灰岩。矿体呈层状，形态规则，矿体与围岩界线明显。矿石矿物为硬锰矿和软锰矿，属氧化锰矿石①。

额仁陶勒盖式热液型银锰矿位于内蒙古自治区新巴尔虎右旗，矿区主要出露中生界上侏罗统上库力组和塔木兰河组[14]，岩性主要为硅化安山岩，偶见绿泥石化或绢云母化安山岩。矿体严格受控于断裂构造，主要矿化与充填-交代形成的石英脉密切相关，均呈脉状产出，矿体局部呈膨缩现象，沿倾向延长具舒缓波状。银锰矿石主要矿物为角银矿、硬锰矿、黄铁矿、方铅矿、闪锌矿①。

小青沟式锰矿位于山西省灵丘县，此类型锰矿的形成与中生代次火山岩石英斑岩和中元古界长城系高于庄组含锰大理岩关系密切，次火山岩提供热液来源，而高于庄组地层是锰的矿源层。主矿体产于NNE向断层构造带中，另外受高于庄组地层控制，产于含锰白云岩中。矿体一般延伸近3 km，宽数米至五十多米，明显受NNE向压扭性断层带控制，矿体与围岩多呈渐变关系，少数为突变关系。矿体呈似层状、透镜状、豆荚状等，主要的锰矿物为软锰矿、硬锰矿、锌锰矿、黑锌锰矿。以中低温热液蚀变为主，主要有硅化、碳酸盐化、其次有粘土矿化、黄铁矿化、重晶石化、萤石化、绿泥石化和绿帘石化等。

河北省次火山热液型锰矿主要分布于涿鹿县相广火山盆地内及其边缘[7]，在阳原县小南口、宣化县禅田庄等地也有类似矿产地分布。矿床位于华北板块北部，燕山褶皱带的西北端[15]，矿体主要赋存于中生界上侏罗统东岭台岩群酸性火山碎屑岩裂隙中，少数产于中侏罗统土城子组砂砾岩裂隙中；含矿构造常为与火山带直交的北西向构造，附近常见中侏罗世浅成-超浅成的小侵入体，主要岩性为花岗斑岩，呈岩床状侵入到侏罗系火山-沉积岩系中。矿石类型主要为锰银矿石、蚀变岩银矿石两种，矿石中主要金属矿物有硬锰矿、铅硬锰矿、软锰矿、辉银矿、自然银等。锰银矿石以脉状、网脉状构造为主，角砾状构造次之；以变胶体、纤维状和叶片状结构为主，它形粒状结构少见。蚀变岩银矿石以脉状、网脉状构造为主，角砾状构造为主，以变胶体结构为主[17,24]。成矿前围岩蚀变主要有黄铁矿化、绢云母化、绿泥石化及碳酸盐化等，与成矿关系不大。成矿期围岩蚀变主要为硅化、高岭土化、锰矿化、褐铁矿化及及碳酸盐化等，与成矿关系密切。

1.4 接触交代型锰矿

北京昌平西湖锰矿是华北地区目前发现的唯一接触交代型锰矿，构造位置位于八达岭杂岩带中段南侧，北西向薛家石梁岩带与中上元古界及早古生界的接触带。其形成时代为燕山中晚期，主要出露铁岭组、下马岭组、景儿峪组、昌平组及侏罗系地层，单斜构造，倾向南东、南西，倾角中等，发育北西向和近东西向两组成矿后断裂构造。燕山期岩浆活动频繁，主要有闪长正长岩、花岗细晶岩及中酸性脉岩等侵入。锰矿床主要发育于花岗细晶岩小岩珠与寒武系昌平组泥晶灰岩接触带的外带。接触带较平直，倾向南西，与围岩层理基本一致。矿物组合主要为硬锰矿、软锰矿、黑锰矿、菱锰矿、黄铁矿、磁黄铁矿等及透辉石、方解石、石榴子石等。沿接触带发育矽卡岩化，向外形成绢英岩化、云英岩化、铁锰碳酸盐化、矽线石及红柱石角岩化。

2 主要控矿因素

（1）大地构造背景对成矿的控制：不同的成矿构造环境，形成不同类型的矿产。中元古代华北克拉通北缘巨型裂陷槽控制了与沉积相关的赋存于阿古鲁沟组的乔二沟式沉积型锰矿床[25]；早-中奥陶世东加干地区形成的弧前盆地浅海-滨海地带沉积了东加干式锰矿床；晚古生代锡林浩特岩浆弧由于洋壳俯冲消减，诱发大规模的火山活动，其晚期潜火山岩与西里庙式火山热液型锰矿的形成有着密切的联系，它既是成矿母岩也是赋矿层[26]；中生代滨西太平洋活动大陆边缘构造环境形成了大兴安岭火山-岩浆构造带，并形成与陆相中酸性火山-侵入岩相关的热液型锰矿床，如额仁陶勒盖银锰矿、李清地银锰矿。

（2）区域性深断裂（带）对成矿的控制作用：区域性深断裂（带）具多期或长期活动特征，是地幔物质上涌的通道，而与其有成因联系的次断裂或裂隙构造带往往就是成矿物质沉淀定位的空间。在其一侧或两旁常分布形成不同时代的矿床。如新巴尔虎右旗得尔布干断裂控制了额仁陶勒盖式热液型银锰矿的产出[27]。近东西向固阳-集宁深大断裂控制了李清地热液型银锰多金属矿等[28]。

（3）地层或围岩对成矿的控制：除沉积型乔二沟式锰矿、东加干式锰矿外，部分围岩对热液型银锰矿的形成有物质贡献，如得尔布干地区的中侏罗统塔木兰沟组被认为是燕山期铅锌银锰矿的一个矿源层，长城系高于庄组含锰白云岩为小青沟式热液型银锰矿的锰质来源层。

（4）岩浆活动对成矿的控制：二叠系大石寨组潜火山岩与同期的火山岩有密切的关系，其岩性主要有流纹斑岩，多呈脉状、岩株状或小岩株状产出，该期潜火山岩与西里庙式锰矿的形成有着密切的联系，既是成矿母岩也是赋矿层，矿床或矿点基本上是产在流纹斑岩内或者附近不远的地方；白垩纪火山岩浆活动强烈，其中火山活动以爆发作用和喷溢作用为主,其喷发旋回从早到晚期阶段表现为中偏基性→中酸性→碱性→酸性四个阶段，岩石系列为钙碱性-碱性系列，火山岩建造可分为流纹质熔结凝灰岩建造、安山岩-英安岩建造、安山质-英安岩角砾岩建造，熔岩建造和石英粗面岩建造，形成小青沟式热液型银锰矿。燕山晚期火山-侵入杂岩对额仁陶勒盖银锰矿的形成有明显的控制作用，斑岩体岩性为闪长玢岩、花岗闪长斑岩、石英斑岩和长石石英斑岩等，同位素年龄为110～120 Ma。成矿岩体的化学成分以高硅、富碱贫钙镁铁为特征，银锰矿体呈脉状产出，分布在杂岩体周围，受断裂构造控制[27，29]。

3 时-空分布特征

海相沉积型的锰矿，主要赋存于中元古界长城系高于庄组地层中，此类型锰矿的形成时间为中元古代[6，30]；而陆相沉积型锰矿主要产于晚古生界二叠系石盒子组三段含锰泥岩建造中，其形成时代大致为晚古生代②。沉积变质型锰矿自中元古代到古生代均有形成①。余金杰等[15]研究认为小青沟式锰矿主要成矿期为中生代燕山期；许立权等[31]对额仁陶勒盖式银锰矿与成矿关系密切的石英斑岩开展研究工作，利用SHRIMP定年获得138 Ma的成岩年龄，成矿与石英斑岩同时或稍晚，进一步限定额仁陶勒盖银锰矿的成矿年龄为早白垩世早期，此外，前人对华北地区的热液型锰矿进行研究，普遍认为燕山期为热液型锰矿的成矿期[14-20，32-33]。北京昌平西湖锰矿作为华北地区目前发现的唯一接触交代型锰矿，其形成时代为燕山中晚期⑤方同明，孙永华，尤世娜，等.北京市重要矿产区域成矿规律研究报告[R].北京:北京市地质调查研究院，2013，1-220.。

时间上，华北地区锰矿床的形成主要在中-新元古代、古生代及中生代。中-新元古代、古生代奥陶纪主要为沉积变质型和海相沉积型锰矿；中生代燕山期主要形成热液型锰矿，此外古生代也有热液型锰矿产出；矽卡岩型锰矿主要形成于燕山中晚期⑤。

空间上，海相沉积型和沉积变质型锰矿分布在华北克拉通北缘狼山-阿尔泰山裂陷槽（华北克拉通北缘西段成矿带）、山西断隆；东水厂锰方硼石矿床分布在燕山台褶带马兰峪复式背斜南翼；古生代及中生代热液型锰矿则主要分布在大兴安岭弧盆系（大兴安岭成矿省）、燕辽-太行山岩浆弧，华北克拉通北缘由于中生代构造岩浆活化，也有少量银锰矿分布[34-35]。

4 成矿模式

4.1 沉积型锰矿

海相沉积型锰矿主要形成于长城纪高于庄期，长城纪延续时间约五亿年，其中高于庄期约占两亿年，是华北地区长城纪第一次空前广泛的海侵期，形成了一个宽阔的比较平坦的陆表海。矿床的形成演化过程是华北古陆的含铁、锰岩石在湿热气候条件下，由于长期风化破碎分解，铁、锰等金属大部分呈含水氧化物的胶体状态被地表水搬运。当进入海水中以后，由于海水中含有大量电解质，在Ph值和Eh值的控制之下，凝聚沉积，形成海相沉积锰矿床。

对于天津蓟县东水厂锰方硼石矿床的成矿过程大致分为两期（图2），其中第一期形成沉积锰矿，晋宁期时火山喷发时，岩浆中富含B、Mn，大量的含硼气体和含锰溶液伴随喷溢活动而溶入海水中，当时海水温度较高呈弱酸性环境，含矿物质大量溶解并进行扩散。到了高于庄期此处变为浅海的弱碱性沉积环境，海水较为平静，含矿物质进行沉积，形成层位稳定的高于庄组二段含锰碳酸盐岩地层，有锰矿生成。第二期热水叠加改造形成硼矿，海水沿同生断裂向下渗透运移在深部加热后，向上回返至矿源层时，淋滤出B、Ba、K、Li和Sc等活动性较强的元素，使热水中成矿物质浓度增高；在继续向上运移至近海底时，由于上覆相对隔水的黑色页岩的阻隔和上覆海水的压力，沿着阻挡层底面向两侧近水平渗透流动，形成离层流；由于热水具弱酸性，当它上升到受潮下带似泄湖的弱碱性还原环境时，必然和贫锰层发生作用，使贫锰层的部分锰溶解迁移，并在向两侧的流动中随压力的降低和溶解度的增加，引起锰元素重碳酸盐的不断分解而沉淀出较富矿体，而一部分锰和硼结合形成锰方硼石。

图2 天津蓟县东水厂锰方硼石海相沉积型矿床成矿模式图③Fig.2 The metallogenic model of Dongshuichang manganese boraxite marine sedimentary deposit in Jixian County,Tianjin③

4.2 沉积变质型锰矿

华北地区的沉积变质型锰矿主要形成于中元古代、早中奥陶纪，此类矿床是海相沉积型锰矿床受区域变质或接触变质后，矿石矿物组合发生改变而形成的锰矿床。矿体多与赋矿地层产状一致，主要矿物为硬锰矿，围岩蚀变较弱（图3）。

图3 内蒙古自治区乔二沟沉积变质型锰床成矿模式图①Fig.3 Metallogenic model diagram of fractional metamorphic manganese deposits in Qiaoergou,Inner Mongolia autonomous region①

4.3 热液型锰矿

热液型锰矿是在中生代燕山期强烈的火山喷发活动趋于结束后，在破火山口构造中产生了浅成的酸性岩浆的侵入作用，多形成斑岩体（花岗斑岩、石英斑岩等）。该岩浆热液携带有丰富的银、铅、锌多金属成矿物质，同时酸性岩浆上侵又影响了长城系高于庄组含锰灰岩，使其中的锰质产生活化-富集-转移。在含锰灰岩中多呈顺层的锰矿体（脉）或银锰矿体（脉）。多数银锰成矿物质沿断裂带交代充填形成银锰（铅锌）矿带（脉），而在斑岩体中则主要形成银（铅锌）矿体（图4）。

图4 西里庙式热液型锰矿成矿模式图①Fig.4 Metallogenic model diagram of Xilimiao hydrothermal manganese deposit①

4.4 接触交代型锰矿

北京昌平西湖锰矿是华北地区目前发现的唯一接触交代矽卡岩型锰矿，此类型锰矿形成时代为燕山中晚期，成矿作用具有多期性。燕山期大规模的岩浆上升入侵和含锰地层接触，地层在被岩浆重熔或被同化混染的过程中，锰质被活化转移至热液中，为形成含锰的矽卡岩提供了物质基础。燕山期的中酸性岩浆在冷凝结晶之后，由于温度的降低，由此所释放出来的含矿热液在中酸性岩体与碳酸盐类岩石的接触部位，发生复杂的接触交代作用，造成含锰矿质的沉淀富集，由此形成矽卡岩型的锰矿床（图5）。

图5 北京市昌平区西湖矽卡岩型锰银矿成矿模式图⑤Fig.5 Metallogenic model diagram of Xihu skarn type Mn-Ag deposit in Changping district,Beijing⑤

5 结论

（1）华北地区的锰矿床类型多样，根据成矿作用可划分为海相沉积型、沉积变质型、热液型和矽卡岩型四种。以海相沉积型和热液型锰矿最为发育。

（2）华北地区锰矿成矿受控于克拉通边缘裂谷、区域性深大断裂、沉积地层与围岩、中生代岩浆活动等多种因素，经历了长期且复杂的构造演化，成矿作用特征差异明显。空间上，海相沉积型和沉积变质型锰矿多形成于华北克拉通边缘裂谷环境，热液型矿床多形成于区域性深大断裂以及火山活动频繁的区域。时间上，锰矿床形成时代为中-新元古代、古生代及中生代。

（3）对于不同类型的锰矿床，根据其主要控矿因素及时空分布特征，建立了对应的成矿模式：沉积型锰矿是由于中元古界华北地区经历长时间海侵作用，海水中的铁、锰等金属凝聚沉积而形成；沉积变质型锰矿床则是海相沉积型锰矿床受区域变质或接触变质后，矿石矿物组合发生改变而形成的锰矿床；热液型锰矿则受华北地区燕山期强烈的火山喷发作用影响，银、锰成矿物质沿断裂带交代充填形成矿体；接触交代型锰矿是由于燕山期大规模的岩浆上涌，与含锰地层接触，锰质被活化转移至热液中，从而形成接触交代型锰矿。