湘中地区成锰盆地内部聚锰槽盆结构初探

2022-01-19李朗田曹景良雷玉龙肖德长李连支

资源环境与工程 2021年5期

陈旭，李朗田，丛源，曹景良，黄飞，雷玉龙，肖德长，李连支

(1.中国冶金地质总局中南地质调查院，湖北武汉 430080； 2.中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京 101300；3.中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037)

湘中地区是中国重要的锰矿集中区，存在中南华世湘潭、中奥陶世桃江两个成锰盆地，已发现锰矿床(点)57处，其中大型2处(湘潭、桃江)、中型6处(九潭冲、棠甘山、金石、黑油洞、月山铺、祖塔)，已探获推断及以上级别锰矿资源量超过6 400万t，其中优质锰矿2 400万t[1-3](1)中国冶金地质总局中南地质调查院，扬子陆块东南缘南华系锰矿成矿预测与选区报告，2019。。2014年以来，该区经矿产地质调查新增推断及以上级别锰矿资源量2 807.6万t(2)中国冶金地质总局中南地质调查院，湘西—滇东地区矿产地质调查报告，2019。中国冶金地质总局中南地质调查院，上扬子东南缘锰矿调查评价项目2019年度进展报告，2019。，有望使湘中地区成为中国又一处大型锰矿资源基地。

近年来，前人针对湘潭、桃江成锰盆地开展了多项调查与研究工作，基本厘清了两个成锰盆地的结构[3-4](3)中国冶金地质总局中南地质调查院，扬子陆块东南缘南华系锰矿成矿预测与选区报告，2019。。在此基础上，本次应用锰矿层厚度—品位等值线，解析成锰盆地内部聚锰槽盆的结构，圈定蕴含锰矿资源潜力的地段，对锰矿找矿工作部署有很好的指导作用。

1 成锰盆地结构研究的理论依据

依据“内源外生”锰矿成矿说[5]，在成锰盆地形成、演化过程中，其内部的深大断裂、同沉积断裂、基底浅层断裂相互沟通，为“内源”成矿物质提供了运移通道；同沉积断裂带、基底浅层断裂带交汇部位发生沉陷，为“外生”作用下形成锰矿提供了合适的沉积环境。因此，海相沉积型锰矿往往受成矿期构造的控制。

在海相沉积型锰矿成矿过程中，汇入海盆区的“初始锰源”包括陆源Mn、壳源Mn和壳—幔(火山)源Mn，但主要为盆内源，包括壳—幔源Mn经海底火山—喷流或喷气方式进入海水，大陆或洋壳蚀源区Mn经酸性海水水解、萃取进入海水[6]。中国南方海相沉积型锰矿为同生沉积成岩成矿，其成矿过程为：含低浓度Mn的成矿物质(“初始锰源”)从源区汇入盆地海域→“初始锰源”在海水中长期稳定地蕴集→含高浓度Mn的海水在盆地中沉淀→含Mn沉积物经埋藏和成岩富集成矿[7]。

湘潭、桃江盆地均为大陆边缘拉张裂谷内的断陷盆地，深大断裂、同沉积断裂、基底浅层断裂组成的多级成锰构造体系为盆内源的“初始锰源”提供了运移通道。在断裂拉张引发的断陷作用下，深大断裂间形成成锰盆地，同沉积断裂间形成聚锰槽盆，基底浅层断裂间形成成锰凹陷带，组成成锰盆地—聚锰槽盆—成锰凹陷带这一成锰沉积体系，为“外生”锰矿成矿作用提供了水体深度较大、弱氧化、弱碱性、欠补偿、低能低速率的沉积条件[5]，控制了海相沉积型锰矿床的空间分布特征。在这一过程中，藻类、微生物是水体氧化—还原作用的催化剂，能明显地促进锰质沉淀或溶解[8]；动物、浮游生物“粪球”中的有机物分解可能促进锰的富集，锰含量随海水深度的增加而增大[5]。因此，研究成锰盆地的结构、还原其形成演化过程并圈定锰矿分布范围及其沉积中心，可指导锰矿找矿工作部署。

2 聚锰槽盆结构研究方法

受成锰盆地古构造、古地理、古气候条件的综合影响，盆地的构造空间结构和沉积结构发生时空演变，从而形成现有的盆地内部三维结构。成锰盆地结构研究即研究盆地形成、演化过程，首先分析盆地的构造空间结构，查明构造期次，还原其形成过程；再分析不同构造期次的沉积结构，还原其沉积环境及盆地演化过程。

自元古代以来，湘中地区以整体隆起—沉降的断块构造活动为主，因此该区地层产状总体水平，锰矿层也总体平缓。由于海相沉积型锰矿的主体沉积于同沉积断裂断陷形成的聚锰槽盆内，其含锰岩系及矿层厚度明显大于槽盆外部，因此锰矿层厚度等值线图一直被用来定位含锰岩系沉积中心和圈定聚锰槽盆范围[9]。该方法在民乐、棠甘山、月山铺—祖塔等矿区的锰矿找矿工作中均得到有效应用。贵州省深部锰矿勘查工作发现锰矿沉积中心的矿层厚度、品位均有明显增加[10]，本次工作亦发现锰矿层品位等值线与厚度等值线可共同指示锰矿集中区范围及矿体走向，且更清晰地显示出沉积中心的展布范围及空间特征。因此，本次研究以锰矿层厚度—品位等值线图为主要研究方法，通过分析沉积厚度等值线趋势、参考品位等值线来解析聚锰槽盆的结构。

3 湘潭成锰盆地内部聚锰槽盆结构

3.1 湘潭成锰盆地结构

湘潭成锰盆地位于扬子陆块东南缘锰矿集中区的湘中—桂中北成矿带内，是由深大断裂断陷形成的。以南华系中统大塘坡组的厚度突变带、沉积岩相突变带为主要标志，可在盆地内识别出7条主要同沉积断裂带；以重力梯度变异带、构造变异带为主要标志，可识别出4条主要基底浅层平移断裂带，同沉积断裂带与基底浅层平移断裂带共同控制了聚锰槽盆(表1，图1)。

图1 湘潭成锰盆地构造空间结构图Fig.1 Structure diagram of Xiangtan manganese basin1.隐伏岩石圈断裂及编号;2.切壳断裂及编号;3.控制Ⅳ级断陷(地堑)或隆起(地垒)的同沉积断裂带;4.控制Ⅴ级断陷(地堑)或隆起(地垒)的同沉积断裂带;5.武陵—雪峰期褶皱基底浅层平移断裂带及编号;6.Ⅵ级断陷(地堑)所控制的聚锰槽盆;7.Ⅳ级隆起(地垒)范围;8.Ⅴ级隆起(地垒)范围;9.Ⅴ级断陷(地堑)范围;10.含锰建造等厚线及厚度(m);11.沉积型锰矿(超大、大、中、小型);12.古陆;13.古水下隆起。

表1 湘潭成锰盆地南华纪早期主要断裂(带)特征表Table 1 Structures of main faults in Early Nanhua in Xiangtan manganese basin

从图1可见，湘潭成锰盆地内的聚锰槽盆呈“二行四列”展布，主要分布于同沉积断裂带与基底浅层平移断裂带交汇的“盆中盆”部位，其中同沉积断裂带控制了锰矿沉积中心的延展方向。棠甘山矿区ZK6601孔揭露锰矿层向NW方向延伸，锰矿层厚度—品位等值线图亦显示出九潭冲—楠木冲聚锰槽盆的走向为NW向，均证实了上述论断。

南华纪早期，湘潭盆地位于拉张型板块边缘，受NE-SW向主拉张应力影响，形成F33、F41等深大断裂并断陷形成湘潭裂谷盆地，在盆地内部形成XF1—XF4等NW向同沉积断裂带。在盆地拉张过程中，由于湘东古陆“锚定”不动，受其拉扯出现近NW向拉张应力，形成近NE向基底浅层平移断裂带。在基底浅层平移断裂带与同沉积断裂带交汇处，因断陷作用形成了“盆中盆”式的聚锰槽盆(图2)，在聚锰槽盆内部形成“凹中凹”式的成锰凹陷带。

图2 湘潭成锰盆地内同沉积断裂带剖面图Fig.2 Synsedimentary fault belt section in Xiangtan manganese basin1.新生界；2.中生界；3.古生界；4.震旦系；5.南华系中—上统(包括含锰岩系)；6.南华系下统；7.青白口系；8.中元古界；9.隐伏岩石圈断裂及编号；10.基底浅层平移断裂带及编号。

3.2 九潭冲—楠木冲聚锰槽盆结构

在九潭冲—楠木冲聚锰槽盆内，大塘坡组含锰岩系呈NW向连续分布于多个NE向向斜的两翼，存在九潭冲、楠木冲等中小型锰矿床(图3)。锰矿层厚度—品位等值线指示区内锰矿层的空间分布受NW向聚锰槽盆控制。九潭冲矿区存在NE向成锰凹陷带，目前钻孔控制其宽度约1 400 m，锰矿层1.0 m、2.0 m等厚线具有明显的NE向延伸趋势；锰矿层品位均≥15%，且东部品位增高至20%以上，指示九潭冲矿区的NE部仍有较大找矿潜力。ZK1508揭露的含锰岩系内未见矿层，ZK1901见矿化层(品位10.03%，厚度1.28 m)，两孔连线可能指示NE向的水下隆起。楠木冲矿区也存在NE向的成锰凹陷带，目前钻孔控制其宽度约1 750 m，锰矿层等厚线有明显的NE向延伸趋势，锰矿层品位≥15%曲线亦显示NE向深部有较大找矿潜力。值得注意的是，九潭冲与楠木冲矿区之间锰矿层连续分布，可能存在多个未发现的成锰凹陷带，值得进一步探索。

图3 九潭冲—楠木冲矿区地质及聚锰槽盆结构简图Fig.3 Geology and structure of manganese trough basin in Jiutanchong-Nanmuchong mining area1.石炭系下统上司组；2.石炭系下统孟公坳组与天鹅坪组；3.泥盆系上统锡矿山组；4.泥盆系上统水车坪组；5.泥盆系中统棋梓桥组；6.泥盆系中统跳马涧组；7.寒武系下统牛蹄塘组；8.震旦系金家洞组与留茶坡组；9.南华系上统南沱组；10.南华系中统大塘坡组；11.南华系下统富禄组；12.板溪群多益塘组；13.氧化锰矿体；14.见矿钻孔；15.未见矿钻孔；16.含锰岩系分布范围；17.锰矿层厚度等值线；18.15%>锰品位≥10%；19.20%>锰品位≥15%；20.锰品位≥20%。

3.3 九潭冲—楠木冲矿区成矿期后构造

本次对九潭冲—楠木冲矿区加里东期、印支期隐伏褶皱进行探索研究，推测含锰岩系在深部的空间展布形态、产状等特征，为深部找矿工作部署提供依据。区内在新元古代—早古生代属于扬子陆块边缘加里东期造山带的一部分，前泥盆纪地层发生褶皱变形，晚古生代发展成为陆内裂谷盆地。在九潭冲—楠木冲矿区西部，三个AMT物探剖面显示了加里东期NE向“三向两背”褶皱的深部形态(图4)，与前人发现的横兰棚向斜、银珠坳向斜吻合较好；显示泥盆系覆盖区的地层西高东低，反映了NW向印支期向斜。九潭冲矿区ZK2308所见含锰岩系呈现出“大陡坡”形态，与AMT物探剖面反映的含锰岩系在深部呈陡立形态的特征相吻合。因此，地质与物探相结合，先勾勒褶皱空间形态，再以钻探工程验证，是探索覆盖区和隐伏区深部构造特征的有效方法。

图4 九潭冲—楠木冲矿区地质及AMT推断褶皱构造简图Fig.4 Geology and AMT inferred fold structure of Jiutanchong-Nanmuchong mining area1.石炭系下统上司组；2.石炭系下统孟公坳组与天鹅坪组；3.泥盆系上统锡矿山组；4.泥盆系上统水车坪组；5.泥盆系中统棋梓桥组；6.泥盆系中统跳马涧组；7.寒武系下统牛蹄塘组；8.震旦系金家洞组与留茶坡组；9.南华系上统南沱组；10.南华系中统大塘坡组；11.南华系下统富禄组；12.板溪群多益塘组；13.氧化锰矿体；14.见矿钻孔；15.未见矿钻孔；16.物探推断含锰岩系深部形态。

4 桃江成锰盆地内部聚锰槽盆结构

4.1 桃江成锰盆地结构

桃江成锰盆地位于扬子陆块东南缘锰矿集中区的湘中—桂中北成矿带内，产出奥陶系中统烟溪组优质碳酸锰矿床。该成锰盆地位于湘桂地堑的北端，受新化—龙胜断裂带(F3)、娄底—邵阳断裂带(F4)等断裂带的断陷作用控制，形态为呈NE向延长的椭圆形(图5)。

图5 桃江成锰盆地结构图(据参考文献[4])Fig.5 The structure diagram of Taojiang manganese basin1.锰矿床(点)；2.含锰岩系厚度等值线(m)；3.同沉积断裂带；4.盆地边界线；5.基底断裂。

南华纪—早泥盆世，湘中地区发生了多期次的区域构造运动，晚期形成的断裂多为早期断裂的重新活动，具有继承性特点。加里东晚期，区域构造运动使湘潭成锰盆地内切穿乌田—金磨槽盆、大福坪槽盆的NNW向深大断裂重新活动(表1，图1)，在桃江盆地内形成了一组NNW向、近等距平行排列、自西向东梯次下降的同沉积张性断裂带(图6)。这些同沉积断裂带的张裂活动使桃江成锰盆地内形成了一系列NNW向、近等距平行排列的断陷槽，从东到西主要有5条，即南坝断陷槽(F′1)、万家洞断陷槽(F′2)、响涛源—祖塔断陷槽(F′3)、木瓜溪—梅子洞断陷槽(F′4)及泗里河—高明断陷槽(F′5)(图5)。在中奥陶世烟溪成矿期，主要于F′3、F′4断陷槽的有利地段形成了优质沉积型锰矿(图7)。

图6 桃江成锰盆地同沉积断裂带与盆地演化关系略图(据参考文献[4])Fig.6 Relationship between basin evolution andsynsedimentary fault in Taojiang manganese basin1.含矿段界线；2.含锰岩系界线；3.同沉积断裂带。

4.2 月山铺—祖塔聚锰槽盆结构

在月山铺—祖塔聚锰槽盆内，奥陶系中统烟溪组含锰黑色页岩呈NNW向连续分布于一系列轴向近EW的褶皱两翼(图8)，从北向南发育黑油洞、毛腊、月山铺、祖塔等中小型锰矿床。锰矿层厚度—品位等值线图(图8)显示，月山铺—祖塔聚锰槽盆总体呈NNW向展布，槽盆内部存在多个由NEE向成锰凹陷带控制的锰矿沉积中心。月山铺矿区的NEE向成锰凹陷带目前由钻孔控制宽度约1 600 m，锰矿层0.5 m、1.0 m等厚线均明显地向NEE向延伸，锰矿层品位均≥15%，由西向东锰矿品位有增高趋势，因此该成锰凹陷带SWW、NEE方向找矿潜力均较大。冲天蜡烛向斜核部的ZK1701、ZK1702所见锰矿层厚度薄、品位低，指示该处为水下隆起。祖塔矿区也存在NEE向展布的成锰凹陷带，目前钻孔控制其宽度约1 300 m，锰矿层0.5 m等厚线有明显的NEE向延伸趋势，锰矿层品位均≥15%，因此该凹陷带东部找矿潜力较大。值得注意的是，祖塔矿区4ZK1、4ZK2、408ZK3三个钻孔所见矿层均被断层破坏，该地段并非是无矿带。综上所述，推测月山铺、祖塔两个成锰凹陷带之间存在尚未发现的锰矿沉积中心，推测在月山铺北部可能存在两个NEE向成锰凹陷带，可能将极大地拓展找矿空间。

图8 月山铺—祖塔矿区地质及聚锰槽盆结构简图Fig.8 Geology and structure of manganese trough basin in Yueshanpu-Zuta mining area1.第四系；2.泥盆系中统跳马涧组；3.志留系下统新滩组；4.志留系下统龙马溪组；5.奥陶系中统烟溪组；6.奥陶系下统桥亭子组；7.寒武系；8.氧化锰矿体；9.见矿钻孔；10.见矿化钻孔；11.未见矿钻孔；12.含锰岩系分布范围；13.锰矿层厚度等值线(m)；14.15%>锰品位≥10%；15.20%>锰品位≥15%；16.25%≥锰品位≥20%；17.锰品位≥25%。

5 聚锰槽盆对锰矿的控制作用

通过对聚锰槽盆结构的解析，识别出了九潭冲—楠木冲、月山铺—祖塔聚锰槽盆的边界，进一步确定了聚锰槽盆及其中锰矿带的总体走向。在两个聚锰槽盆内各识别出两个已成形的成锰凹陷带并确定了其走向，指出了具有较大锰矿资源潜力的地段，为锰矿找矿工作部署提供了依据。

在九潭冲—楠木冲矿区和月山铺—祖塔矿区内，成锰凹陷带的形成与其所赋存的聚锰槽盆息息相关。南华系或奥陶系锰矿成矿期，在大陆板块裂解、大陆边缘裂谷拉伸的背景下，深大断裂间断陷形成了成锰盆地，盆内拉张形成多条NW向或NNW向同沉积断裂带，这些断裂间的基底沉陷演化形成了聚锰槽盆，同时槽盆内部亦因NE向、NEE向基底浅层平移断裂带沉陷演化形成了成锰凹陷带。区内锰矿带总体上受聚锰槽盆范围的限制，各锰矿区的矿床则受成锰凹陷带的控制，锰矿层均形成于不同级别的同生构造交汇部位(“凹中凹”)。上述特征说明，同沉积断裂带等构造提供了锰矿的物质来源通道、沉积环境及成矿空间，促进了海相沉积型锰矿的形成。通过解析聚锰槽盆的结构，还原聚锰槽盆、成锰凹陷带的空间分布特征，可以有效地预测具有较大锰矿资源潜力的地段。