湖北四方山—团山沟地区锰(磷)矿床的地质特征及潜力分析

2022-09-15代吉祥陈松刘锦明杨年浩胡凯

矿产勘查 2022年7期

代吉祥，陈松，刘锦明，杨年浩，胡凯

(1.湖北省地质局第六地质大队，湖北孝感 432000；2.湖北省地质局第一地质大队，湖北大冶 435100)

0 引言

四方山—团山沟锰矿床位于湖北省孝昌县四方山—黄陂区团山沟一带，行政区划属湖北省孝昌县小悟乡和武汉市黄陂区蔡店街道管辖。矿区地理极值坐标为(2000国家地理坐标系)：东经：114°06′50″～114°14′39″；北纬：31°12′31″～31°20′19″。该矿床地处大别造山带西段，桐柏造山带东段，扬子板块与华北板块之间。该区历经漫长而复杂的构造演化过程，以广泛分布的超高压变质岩而闻名，同时蕴含丰富的矿产资源(龚银杰等，2014；彭三国和王爱国，2014；阴江宁等，2016)，具有独特而优越的成矿地质条件，一直是地质界关注的地区之一(钟增球等，2001；彭三国等，2012；刘晓春等，2015；刘利双等，2017；宋明春等，2020；朱强等，2020)。

近年来，湖北省地质局第六地质大队在该区开展了勘查工作，取得了较好的找矿成果，相继发现了四方山和团山沟锰矿床。前人对该矿床做过一些基础研究，尤静静等(2020)总结了四方山—团山沟锰矿床的矿物学特征和矿床成因；代吉祥等(2021)总结了整个鄂东北地区锰(磷)矿床找矿潜力分析；朱建东等(2021)总结了四方山—团山沟矿区绿色勘查实践。随着勘查工作的深入，需对矿床作出进一步评价。本文通过分析研究四方山和团山沟锰(磷)矿床区域地质背景、成矿地质特征、物化探异常特征、矿(化)体特征，总结了矿区成矿地质条件、成矿规律和找矿标志，并在此基础上对找矿潜力进行深入总结，不仅有助于在该地区附近寻找同类锰(磷)矿及成矿规律研究，更能为今后该地区寻找锰(磷)矿床提供基础地质支撑。

1 区域地质背景

四方山—团山沟地区大地构造位置上处于扬子板块与华北板块之间的过渡地带，即桐柏—大别造山带。其中，四方山—团山沟锰(磷)矿床位于大别造山带西段南缘，东部以商麻断裂为界与东大别相邻，西部以澴水断裂为界与桐柏造山带相邻(图1a)。

图1 桐柏-大别造山带大地构造位置图(a)和鄂东北地区区域地质简图(b)(a据薛怀民和马芳，2013修改；b据湖北省地质局第六地质大队，2020①修改)1—第四系；2—白垩系公安寨组；3—灯影组上段；4—灯影组中段；5—灯影组下段；6—双台组上段；7—双台组上段；8—黄麦岭岩组；9—七角山岩组上段；10—七角山岩组下段；11—天台山岩组；12—二长花岗岩；13—英碱正长岩；14—性质不明断层及编号；15—正断层；16—逆断层17—平移断层；18—平移正断层；19—平移逆断层；20—锰矿体；21—矿段

区内主要出露地层有上元古界红安岩群天台山岩组(Pt3t)、七角山岩组(Pt3q)及黄麦岭岩组(Pt3h)、震旦系灯影组(Z2∈1dn)、南华系双台组(Nh1s)、晚白垩世—古新世公安寨组(K2E1g)和第四系(Q)等。红安岩群黄麦岭岩组为主要赋矿地层，为一套浅变质的基性火山—沉积建造，岩性主要为千枚岩、浅粒岩、变粒岩、绿泥钠长石英片岩、白云母石英片岩、黑云母石英片岩及大理岩等。锰矿床产于红安岩群黄麦岭岩组，赋矿岩性为一套浅变质千枚岩、浅粒岩、变粒岩、片岩及大理岩沉积组合。

区内地质构造比较复杂，成矿地质条件优越，褶皱、断裂较为发育，规模大的褶皱有双峰尖复式倒转背斜、芳畈向斜和大悟山褶皱群。断裂构造方向以北西向为主，北北西、北东、近南北向构造次之，北西向断裂形成较早，被北东向断裂错切。前人研究表明北西和北东向断裂构造格架与区域内矿床空间上“北西西成带，北东东成行”分布规律相呼应(阴江宁等，2016)。规模较大的断裂有北西向芳畈—张家河韧性剪切带(F1)、朱家凹—街心湾断裂(F29)及楼子湾—东林庵断裂(F40)和北东向七里冲断裂(F34)、石堰南断裂(F39)、刘家港口—胡家小寨断裂(F56)及澴水深大断裂。澴水深大断裂北东走向，南西倾向，倾角50°～80°，区域上延伸超过80 km，呈明显的线状负地形，形成河谷，带宽20～50 m，局部达100 m，断层性质为右行走滑正断层。

该区岩浆活动强烈，主要以侵入岩为主，不同期次的岩浆岩十分发育(晋宁期、燕山期等)，多为中性、中酸性、酸性岩出露(彭三国等，2012)。燕山期主要是斑状黑云二长花岗岩，而新元古代岩浆岩以二长花岗岩和英碱正长岩为主，分布面积广。脉岩有花岗岩、花岗斑岩、煌斑岩。受构造控制明显，主要呈北西向、北东向展布。

区域矿产比较丰富，非金属和金属矿产均有产出，非金属矿产主要有磷矿、萤石、重晶石、白云石大理岩、石英等；金属矿产有磁铁矿、褐铁矿、锰矿、铜矿、铅矿等。其中锰矿点1处、磷矿(床)点5处、锰(磷)矿(床)点2处，以四方山锰(磷)矿床和团山沟锰矿床最具代表性。

2 矿区地质特征

2.1 地层

矿区出露地层由老到新依次为：上元古界七角山岩组、黄麦岭岩组和第四系。

七角山岩组分布于矿区北部七里林场—田家山—肖家湾一线，与黄麦岭岩组呈断层接触，为一套裂谷环境下的双峰式火山岩建造。地层倾向南西，倾角40°～50°。主要岩性为二长浅粒岩、变粒岩夹白云石英片岩、白云钠长片麻岩等。

黄麦岭岩组是矿区赋矿围岩，主要岩性为黑云母石英片岩、黑云绿泥片岩、白云母石英片岩、斜长角闪片岩及白云石大理岩等。其中锰(磷)矿化与大理岩和浅粒岩、变粒岩密切相关。

2.2 构造

矿区构造复杂，其中褶皱为区域双峰尖复式倒转背斜北东延伸部分，在矿区表现为南东开阔而正常，北西紧密而倒转的线形褶皱，由中间一向斜、两侧为背斜组成的复式背斜，总体呈北西向展布。断裂构造主要为北西向区域断裂和北东向次级断裂，如北西向四方山—源家庙断裂(F1)和王家河—上肖家湾断裂(F18)，总体呈北西向展布，断层面产状倾向220°～260°，倾角50°～72°。次级断裂以北东向为主，并有错断矿体的现象。

2.3 岩浆岩

矿区岩浆岩不发育，仅见少量酸性侵入岩和中基性—中酸性变火山岩。其中侵入岩主要分布于矿区南部，侵位时代为新元古代；火山岩在矿区南部、北部均有分布。

3 矿体地质特征

本次野外工作以矿段为单位对四方山—团山沟地区开展了翔实的野外地质调查，现将四方山矿段、团山沟矿段锰矿体地质特征进行重点介绍。

3.1 含锰岩系特征

黄麦岭岩组广泛分布于广水—红安一带，是研究区主要的含锰地层，四方山—团山沟锰(磷)矿床产于该组地层中(图2)。

图2 四方山—团山沟地区综合地层柱状图(据湖北省鄂东北地质大队，2009②修改)1—第四系；2—白云母石英片岩；3—黑云斜长角闪片岩；4—黑云母石英片岩；5—白云钠长片岩；6—白云石大理岩；7—锰矿体；8—磷矿体

含磷、锰岩系段主要由黑云母石英片岩、白云母石英片岩、黑云斜长角闪片岩、白云钠长片岩、白云石大理岩及碳酸锰矿1～3层和磷矿1～8层组成，局部还夹浅粒岩、变粒岩及斜长角闪岩层，厚约400 m(图2)。黄麦岭岩组自上而下分为上、下段，其中下段主要为浅灰色—灰黑色黑云母石英片岩、大理岩及磷矿层，含1～4层磷矿层，自下而上编号为X1、X2、X3、X4矿层，厚约120 m；上段由黑云母石英片岩、白云母石英片岩、黑云角闪片岩、锰磷矿层组成，其中上段含3层锰磷矿层，是矿区的主要工业锰矿层和磷矿层，自下而上编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿层，厚约250 m。Ⅰ锰(磷)层，上部为灰白—浅肉红色大理岩型锰矿层，下部为磷矿层，中间夹薄层大理岩；Ⅱ锰(磷)层，中部为锰矿层，上下部均为磷矿层，其中含少量锰质；Ⅲ锰(磷)层，上部为磷矿层，下部为锰矿层，含部分磷。一般来说，锰矿层中含有一定的磷，呈现出锰(磷)共生现象(图2)。

3.2 四方山矿段

3.2.1 矿体特征

通过普查工作，发现区内有24条锰矿体和17条磷矿体，严格受地层控制，MnⅡ、MnⅢ、MnⅣ及PⅠ号锰磷矿呈层状、似层状、透镜状顺层产于上元古界红安岩群黄麦岭岩组地层中(图3a)。

图3 四方山矿段锰矿床地质简图(a)和剖面图(b)(a,b据湖北省地质局第六地质大队，2020①修改)1—第四系；2—上元古界红安岩群黄麦岭岩组；3—上元古界红安岩群七角山岩组；4—断层；5—地质剖面6—钻孔及编号；7—钻孔位置；8—探槽及编号；9—磷矿体；10—锰矿体

MnⅡ号矿体出露于四方山矿段北部何家湾一带，倾向215°～270°，倾角41°～55°，呈层状、似层状、透镜状产出(图4a,b)。地表主要有TC102等4个槽探工程控制。锰矿体在地表连续出露，长度达1070 m，矿体厚度为0.72～3.38 m，平均厚度 1.64 m。锰矿品位15.9%～20.75%，平均品位19.36%。矿体围岩主要为片岩和大理岩，矿体中有较强的黄铁矿化蚀变现象。其中钻孔ZK5501控制该矿体厚1.40 m，平均品位为13.30%，钻孔控制斜深为135 m；ZK5503以230 m斜深控制MnⅡ矿体厚度0.71 m，平均品位为12.71%(图3b)。

MnⅢ号矿体出露于四方山矿段黄家东冲—杨细沟—肖家湾一带，为矿区主矿体，倾向 205°～270°，倾角55°～75°，呈层状、似层状、透镜状产出(图4c)。地表主要有CK124、TC129等11个槽探工程控制。锰矿体在地表断断续续出露，长度达2610 m，钻孔控制斜深约130 m，矿体厚度为0.55～2.11 m，平均厚度1.43 m。锰矿品位11.0%～27.24%，平均品位17.06%。矿体围岩主要为片岩和大理岩，矿体中有较强的黄铁矿化蚀变现象。

MnⅣ号矿体出露于四方山矿段樊家湾一带，倾向南西，倾角35°～73°，呈层状、似层状、透镜状产出(图4d,e)。地表主要有CK109、TC130等2个槽探工程控制。锰矿体在地表断断续续出露，长度达550 m，钻孔控制斜深约90 m，矿体厚度为0.51～2.69 m，平均厚度1.96 m。锰矿品位15.73%～26.49%，平均品位21.11%。矿体围岩主要为片岩和大理岩，矿体中有较强的黄铁矿化蚀变现象。

图4 四方山矿段锰矿野外和镜下特征a,b—MnⅡ号层状、似层状矿体；c—MnⅢ号层状、似层状矿体；d,e—MnⅣ号层状及透镜状矿体；f—黑色氧化锰矿石；g,h,i—弱氧化碳酸锰矿石；j,k,l—菱锰矿与角闪石伴生，在角闪石解理中分布着锰氧化物(正交偏光)；m—脉状、束带状及板状硬锰矿；n—磷灰石呈脉状分布o—黑锰矿呈团块状分布，与重晶石伴生

PⅠ号磷矿体出露于四方山矿段七里冲林场一带，倾向南西，倾角40°～65°，顺层产出。地表主要有TC104等2个槽探工程控制。磷矿体在地表连续出露，长度达500 m，钻孔控制斜深约 60 m，矿体厚度为1.64～2.58 m，平均厚度2.11 m。磷矿品位7.58%～8.25%，平均品位8.09%。

3.2.2 矿石特征

该区矿石矿物成分较复杂，锰矿石类型可划分为氧化锰矿石、弱氧化碳酸锰矿石和原生碳酸锰矿石。氧化锰矿石呈黑、黑褐、灰黑色(图4f)，矿石矿物主要有硬锰矿、软锰矿、黑锰矿、锰钡矿、褐锰矿及磷灰石，其中硬锰矿呈脉状或板状(图4m)，磷灰石多呈脉状分布(图4n)，黑锰矿呈团块状(图4o)。脉石矿物主要为石英、角闪石、方解石、长石及黄铁矿。锰矿石中见多层角闪石成分层，由于氧化作用形成了一些脉状和束带状硬锰矿，沿着角闪石边缘及菱形节理交错分布(图4j～l)。

弱氧化碳酸锰矿石呈浅灰黑、灰白色(图4g～i)，矿石矿物主要为菱锰矿，呈菱面体状，其次为硬锰矿，呈脉状、束状；锰铝榴石呈半自形-自形粒状分布(图4g)，多见锰铝榴石呈条带状分布。脉石矿物主要为石英、角闪石、方解石、长石及黄铁矿。

钻孔深部的原生碳酸锰矿石呈灰白、粉红、浅肉红色(图5a～l)，矿石矿物主要为菱锰矿，集合体形成团块状、菱形状，锰铝榴石呈自形-半自形粒状(图5a)。脉石矿物主要为石英、角闪石、方解石、黑云母、长石及黄铁矿(图5b～c)，其中黄铁矿呈半自形—他形粒状。

磷矿的主要赋矿岩石为含磷变粒岩。磷矿石主要是磷块岩，呈浅灰黑色，矿石矿物主要为磷灰石，集合体呈长柱状、脉状、他形粒状(图4n)。脉石矿物主要为石英及长石。

锰矿石结构主要有交代残余结构(图4n)、半自形-他形粒状、共结边结构(图4o)，磷矿石结构为隐晶结构。磷、锰矿石中矿石矿物与石英、长石及方解石等脉石矿物混杂在一起，均匀致密，以块状构造为主(图5d,e)，条带状(图5f～j)、纹层状构造次之(图5k～l)。

图5 四方山矿段锰矿石岩芯特征a—锰铝榴石呈自形—半自形粒状；b,c—石英、黑云母及黄铁矿等脉石矿物；d,e—致密块状矿石；f～j—条带状矿石；k,l—纹层状矿石

3.3 团山沟矿段

3.3.1 矿体特征

团山沟矿段内共发现5条锰矿体和8条磷矿体，均赋存于上元古界红安岩群黄麦岭岩组中(图6)。矿体总体呈北西向展布，产状与地层一致，倾向30°～33°，倾角65°～70°。锰矿体长度一般约257～345 m，延深约233 m，平均厚度约3.7 m，锰矿平均品位达到28.95%。矿体围岩主要为石英片岩和大理岩，矿体及顶底板中有较强的黄铁矿化蚀变现象。磷矿体长度约195 m，延伸约230 m，平均厚度约2.8 m，磷矿平均品位达到14.28%～18.72%，顶底板岩性为石英片岩，呈层状、似层状及透镜状产于锰矿体之上，构成了“上磷下锰”的矿层组合特征。

图6 团山沟矿段锰矿床地质简图1—上元古界红安岩群七角山岩组；2—上元古界红安岩群黄麦岭岩组；3—大理岩；4—石英岩；5—地质剖面6—钻孔位置及编号；7—断层；8—锰矿体及编号；9—磷矿体及编号

3.3.2 矿石特征

该矿段矿石可划分为碳酸锰矿石和氧化锰矿石两类。氧化锰矿石呈黑褐、灰黑色(图7a～c)，矿石矿物主要有硬锰矿、软锰矿，呈脉状分布(图7i)，通常沿着角闪石节理和边缘分布(图7h)；其次为菱锰矿、磷灰石。其中菱锰矿集合体呈团块状、菱形状，磷灰石，米黄色，呈他形粒状(图7a,b)。脉石矿物主要有石英、长石，角闪石。

碳酸锰矿石呈灰白、浅肉红色(图7d～f)，矿石矿物主要为菱锰矿，呈菱形(图7g～i)；其次为锰铝榴石，呈半自形—他形粒状。脉石矿物主要为白云母、石英、长石。

图7 团山沟矿段锰矿野外和镜下特征a,b,c—黑褐、灰黑色氧化锰矿石；d,e,f—灰白、浅肉红色碳酸锰矿石；g,h,i—锰矿石镜下照片(正交偏光)

矿石结构主要有半自形—他形结构、揉皱结构、交代残余结构、共结边结构及脉状穿插结构，矿石构造有块状构造和条带状构造。

4 矿床成因

四方山—团山沟锰矿床产于桐柏—大别造山带中，赋矿岩系为红安岩群黄麦岭组一套基性火山—沉积建造，后期遭受区域变质作用，变质级别为绿片岩相和低级角闪岩相。出现的岩性包括多为一些浅变质岩，如千枚岩、片岩、大理岩、变粒岩和浅粒岩等，原岩为泥岩、砂岩、粉砂岩、黏土岩、灰岩、白云岩夹火山碎屑岩，这些暗示着明显的沉积作用。原生锰沉积作用较为明显，四方山—团山沟钻孔深部原生碳酸锰矿石，主要由菱锰矿组成，研究表明Mn矿物相主要以Mn2+和MnCl+形式存在，如果孔隙水过饱和，那么向下扩散的Mn2+会形成菱锰矿(Calvert and Pedersen，1996；Russell et al.，2001；Algeo and Maynard，2004)。锰(磷)矿体多呈层状、似层状、透镜状，矿体产状与围岩一致，含矿层位稳定，矿体与围岩在区域变质作用下同步褶皱变形，矿体受地层层位和岩性控制明显。

从控矿岩层的岩性看，岩石均受区域变质作用的影响。矿床中锰、磷质主要来源于海底热液和火山喷发，其次是陆源输入和生物作用。矿物质随泥质、粉砂质等细碎屑沉积物一起沉积，在区域变质作用下，使矿质与围岩一起发生重结晶，致使矿物成分和结构发生变化，如矿物的形态、颗粒大小及空间位置会发生变化(刘世宝,2016)。矿区锰矿床中出现的变质锰矿物有锰铝榴石、褐锰矿、黑锰矿等。研究认为含锰碳酸盐和富含Si-Al矿物在变质过程中被消耗形成锰铝榴石(Nyame et al.，1998；Brusnitsyn et al.，2017)。褐锰矿大多出现变质型锰氧化物矿床和热液矿床，通过锰氧化物和石英反应所形成(Brusnitsyn et al.，2010；Sinisi et al.，2018)。在高级变质作用下菱锰矿可能会分解形成方锰矿并释放出CO2，然后方锰矿会迅速氧化形成黑锰矿(Roy，1968)。

二叠纪—三叠纪的大陆俯冲和陆陆碰撞，形成了桐柏—大别高压/超高压变质地体(郝杰和刘小汉，1988；刘晓春等，2015；刘欢等，2015)，同时导致了基底岩石的变质变形作用，也使之前形成的沉积型锰(磷)矿床发生了变质作用，形成变质型锰(磷)矿床。后期加上褶皱构造发育的不均衡性和断裂构造切割影响，使得锰(磷)矿层发生褶皱弯曲变形。前人研究表明该区原始沉积环境为弱氧化—还原滨浅海相沉积，而后经变质重结晶、表生次级氧化使得锰得到进一步富集(尤静静等，2020)。

综上所述，该区锰磷矿床成因类型为沉积变质矿床。

5 找矿潜力分析

5.1 四方山矿段锰矿找矿潜力

四方山矿段通过槽探工程揭露和钻探工程验证，圈出3条锰主矿体和9条磷矿体，其中3条锰主矿体长度介于550～2610 m，平均厚度为1.43～1.64 m，平均品位在17.06%～19.36%之间；磷矿体长度介于247～1212 m，平均厚度为0.70～5.90 m，深部延伸44～310 m，平均品位在5.69%～10.20%之间。其中锰矿体(Ⅲ)位于黄家东冲—杨细沟—肖家湾一带，我们依据上述认识，做出联合地质剖面图，以反映锰矿体在空间上分布特征(图8)，从而推断锰矿体的分布规律：①沿走向方向普遍是单斜产出，垂向上地表浅部(0～-50 m)构造相对较弱，多以单斜层发育弱变形为主，而深部褶皱构造复杂，变质变形较强；②沿走向方向矿体规模越来越大，北边17线钻孔ZK1701未能揭露矿体，13线锰(磷)矿体规模较大，钻孔ZK1301控制锰矿体(Ⅲ)厚度约0.8 m，磷矿体厚约4.12 m；南边06线、12线锰(磷)矿体规模较大，其中钻孔ZK0601控制锰矿体和磷矿体厚度分别为0.90 m和0.94 m，ZK1201控制锰矿体厚度3.15 m。因此，锰矿体(Ⅲ)向南东向矿化越来越好，矿体规模越来越大，品位越来越高；越往深部南东向矿体规模越来越大，特别是12线南东侧及06线与12线之间是锰矿找矿潜力区之一。

图8 四方山矿段Ⅲ号矿体联合勘探线剖面图

5.2 团山沟矿段锰矿找矿潜力

区内通过槽探工程揭露和钻探工程验证，圈出5条锰矿体和8条磷矿体，单工程锰矿体平均厚度约3.7 m，锰矿平均品位达到28.95%；单工程磷矿体平均厚度约2.8 m，磷矿平均品位达到14.28%～18.72%。锰(磷)矿体多呈层状、似层状及透镜状产出，沿北西向延伸。通过详细的野外地质调查并结合其它钻孔资料作出团山沟联合勘探线剖面图(图9)。锰(磷)矿层走向上的变化特点在联合勘探线剖面上反映很清楚，主要以单斜产出，局部会发生褶皱弯曲变形。矿体厚度与含锰岩系厚度呈正相关，含锰岩系厚度越大，矿体厚度也越大。沿北西—南东向，矿体规模越来越大，矿石品位增高，特别是1线钻孔CK1控制锰矿体厚度达到2.32 m，锰品位为21.75%，而北边4线锰矿体规模较小，品位较低。因此团山沟矿段沿南东走向呈现出良好的锰矿找矿前景，特别是1线附近是锰矿找矿潜力区之一。