偏光显微镜和XRD在南非Postmasburg锰矿定性分析中的应用

常洪伦，李甘雨，韩美伶，杜 俊，魏 浩，赵东芳，时 毓，杨大勇

1.河北地质大学 a. 实验实践教学中心，b. 发展规划处，河北 石家庄 050031；2.河北省地质矿产勘查开发局第四地质大队，河北 承德 067000；3.中化地质矿山总局地质研究院，河北 涿州 072750；4.桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室，广西 桂林 541004；5.沈阳建筑大学 交通与测绘工程学院，辽宁 沈阳 110168

0 引言

BIF型矿床是全球重要的铁锰矿床类型，也是全球最为重要的铁锰矿石来源。位于南非西北部的Kalahari锰矿田和Postmasburg锰矿田发育了全球最大的古元古代沉积变质型铁锰矿成矿区，储量巨大。随着19世纪30年代开采活动的兴起，Postmasburg锰矿田越来越受到关注，因其特殊的矿带分布模式闻名于世。在矿床沉积过程中，BIF具有明显的分带特征，锰质在其下部较为富集，而铁质则更集中于中—上部位[1-4]。因此，矿石特征是判断产出层位的重要依据。由于锰、铁在沉积过程中的共生性质以及沉积期间的环境波动，给矿石的鉴定带来一定的困难。加之传统的鉴定方式多限于光、薄片，在鉴定时容易产生偏差，或是鉴定成本较高。

现代岩矿鉴定手段愈加丰富，仪器、设备也日益先进，优化和弥补了传统地质在矿物学研究方面的众多不足[5-10]，成为多方面分析矿石的便利条件。偏光显微可以更为直观地识别矿物组分及矿石结构，而X射线衍射(XRD)在鉴定矿物成分方面具有较为明显的优势。本文基于在Postmasburg锰矿田开展的矿床勘查项目和研究成果，通过和岩矿鉴定结合XRD的方式分析BIF型矿石的成分，为提高矿物识别的准确率、厘定矿石层位、总结成矿规律、指导矿床开发提供理论依据。

1 矿床地质

Postmasburg锰矿田发育于古元古代Maremane穹隆之上，其形成与新太古界Campbellrand亚群白云岩密切相关[11]。在铁质建造沉积之前，Ghaap台地被抬升到海平面之上而遭受溶蚀。Maremane地区隆起后，Campbellrand亚群的地层向周边倾斜。随着厚层白云岩被溶蚀夷平，在Maremane地区东侧形成弧状出露的地层，分别倾向东北、东部、东南方向；而西侧的地层出露则较为平直，自Sishen向南沿伸到Postmasburg，倾向西部(图1)。

图1 Postmasburg锰矿田区域地质图Fig.1 Reginal map of Postmasburg manganese field

在岩溶系统发育时，Reivilo组之上的地层被全部溶蚀露出。底部的Monteville组则分布局限，仅在矿田中部的Lohaltha一带可见。由于Campbellrand亚群各个组在溶蚀上存在差异，岩石中燧石条带含量少、碎屑和叠层石含量较高的Fairfield组、Papkuil更易于被溶蚀，因此在Maremane穹隆的东侧，这两个组的弧形出露带上形成了规模更大的溶蚀构造[12]。在西侧，Reivilo组的溶蚀构造呈线状、串珠状排列[13]。此后，海水自东向西侵入，东部的区域逐渐被含矿海水覆盖，而西部则继续遭受溶蚀，直至在局部Monteville组被剥蚀出来，含矿海水才沿着溶蚀通道充填进来。至此，第一个溶蚀期结束。

其后，发生于2.45 Ga～2.32 Ga间的大氧化事件[14]，促成了海水中矿质的沉淀(图2)。水体中Mn和Fe的胶体沉积性质存在较小的差异，因此造成它们的富集层位有所不同[15]。

图2 Postmasburg锰矿田南北向剖面图Fig.2 South-North cross section of Postmasburg manganese field

成矿后期，地块再次抬升，发生了第二次溶蚀[16]，BIF发生了非常浅程度的变质，形成了不同的矿物组合。在原有的方铁锰矿—褐锰矿组合基础上，出现了黑锰矿、钡硬锰矿、锂硬锰矿以及水锰矿、软锰矿、赤铁矿等多种矿物。

由于成矿环境、形成时代等因素的差异，Postmasburg锰矿田的各个矿带地层结构有所不同。其中，成矿时代较早的东矿带，以硅质碎屑、燧石含量高的矿石类型为主[3，13，17-20]；成矿时代较晚的西矿带，矿石中铁质、锰质含量此消彼长[21-23]；东、西矿带过渡部位的混合带，则兼具前二者的特征。

2 样品来源及其特征

位于Postmasburg锰矿田西矿带上的Bishop 锰矿区和Paling锰矿区是本次测试样品的采集区。这两个矿区成矿地质条件较好，矿体完整，地层的区分度较高，易于根据矿石特征识别成矿层位。矿体均为BIF层控类型，但受到底板白云岩溶坑形态的影响，矿体的形态多为上平下凸的透镜状[22，23]。矿体下部、中部和上部、边部的矿石相比有着比较明显的区别，上部往往有砾岩发育。

本次研究中，样品均取自于这两个矿区的钻孔岩芯。采用1/2劈芯法，一半取出用作岩矿测试，另一半留存。根据钻探揭露层位，选取各类型矿石分别加工成薄片和粉末，使用偏光显微镜对矿物类别进行鉴定，并用XRD对鉴定结果进行验证和补充。

3 镜下鉴定

本次镜下使用了徕卡公司生产的偏光显微镜，型号为LEICA DM2700P，采用观察单偏光和正交偏光下矿物薄片的反射光，对矿物进行了初步的鉴定。

考虑到样品的代表性，从岩芯矿段中分别选择了富锰型矿石、砾岩型矿石和铁质岩型矿石(图3)，通过手标本的观察，结合镜下鉴定，确定主要的矿石成分。

a-富锰矿石；b-砾岩型矿石；c-含砾铁质岩图3 3类矿石标本Fig.3 Samples of three types of ore

3.1 富锰型矿石

样品取自于钻孔岩芯下部矿层。矿石样品呈灰黑色至黑色，局部红色，条痕褐红色，具半金属光泽，致密坚硬，密度大，主要由铁锰质矿物组成。由于金属矿物颜色差异，形成条带状分布的现象。可见矿石中有矿物团块，粒度小，形状不规则。

显微镜下鉴定出主要的矿物成分为褐锰矿(br)、方铁锰矿(bix)，含赤铁矿(hem)和软锰矿(py)。单偏光下观察，褐锰矿呈灰色，呈毛毡冰花状变晶结构(图4a)或纤状变胶结构(图4b)，交代土黄色方铁锰矿。可见方铁锰矿和亮灰色赤铁矿紧密嵌生，或见团状、条带状的褐锰矿集合体分布于土黄色方铁锰矿中，二者被似麻点状浅灰色硬锰矿(ps)交代(图4c)。少量的软锰矿呈浅黄色，分布于灰色褐锰矿颗粒集合体中(图4d)。在正交偏光下，方铁锰矿无偏光色，褐锰矿则呈灰白—灰的偏光色。

3.2 砾岩型矿石

样品取自于钻孔岩芯上部矿层。矿石具金属光泽，呈暗红色，条痕褐红色，致密坚硬，密度大，主要由铁、锰矿物组成，金属矿物形成大小不等的角砾。角砾大小不等，一般为2～10 mm，较大的可达20 mm，角砾间被同成分的矿物填隙。矿石较污手，触摸呈褐红色。

显微镜下鉴定，主要的矿物成分为赤铁矿(hem)，其次为黏土矿物(clay)，砾石中的金属矿物可见褐锰矿(br)、硬锰矿(ps)，其他矿物较少。

在单偏光下，赤铁矿呈灰色，多为针状晶体的集合体角砾。角砾的孔洞中填充有锰矿物，其中褐锰矿被硬锰矿和赤铁矿交代，褐锰矿呈碎片状残留(图5a)。在赤铁矿集合体组成的角砾间，填隙有脉石、褐锰矿和交代形成的硬锰矿(图5b)。针状、薄板状的赤铁矿晶体，相互攀搭形成格架状，格架空隙填充有脉石矿物，形成集合体角砾，角砾间填充有脉石和铁锰矿物(图5c)。

br-褐锰矿；bix-方铁锰矿；hem-赤铁矿；ps-硬锰矿；clay-黏土矿物图5 砾岩型矿石的偏光显微照片Fig.5 Polarized micrograph of conglomerate-type ores

在正交偏光下，赤铁矿呈赤红色内反射，角砾间的填隙物主要为黏土矿物，由于铁质矿物的渲染，也呈橙红色(图5d)。

3.3 含砾铁质岩

样品取自于钻孔岩芯上部矿层的顶部。岩石呈褐红色，致密坚硬。岩石主要由角砾和胶结物隐晶质组成，角砾大小不一，为3～23 mm，由非金属矿物和金属矿物组成了角砾。非金属矿物角砾呈略浅的褐红色，金属矿物角砾呈铁灰色，粒度较非金属矿物角砾小。角砾杂乱分布，充填于角砾间的胶结物为褐红色的铁锰质。

显微镜下鉴定，主要的矿物成分为黏土矿物(clay)，金属矿物多为赤铁矿(hem)，呈角砾或填隙物的形式。角砾中见少量的软锰矿、硬锰矿和方铁锰矿晶体集合体。

在单偏光镜下，赤铁矿的细粒集合体呈灰白色，多为团块或砾状，可见少量奶油黄色的软锰矿颗粒及暗灰色黑锰矿斑点，赤铁矿颗粒间空隙被含铁质的黏土矿物充填，界线不明显(图6a)；而在正交偏光下，赤铁矿集合体呈现强烈的红色内反射和偏光色，黑锰矿呈明亮的灰色偏光色，黏土矿物呈明亮的橙红色分布于金属矿物集合体边缘(图6b)。

hem-赤铁矿；clay-黏土矿物图6 含砾铁质岩的偏光显微照片Fig.6 Polarized micrograph of conglomerate-bearing ferruginous rocks

在单偏光下，黏土矿物中呈亮橙红色，包裹灰白色赤铁矿集合体，其间含土黄色方铁锰矿集合体和棕灰色褐锰矿斑点以及少量硬锰矿(图6c)；而在正交偏光下，赤铁矿集合体呈暗色，方铁锰矿、褐锰矿和硬锰矿的偏光色不明显，致密块状金属矿物集合体边缘不光滑，被亮橙红色黏土矿物包裹，可见孤岛状集合体碎片(图6d)。

由上可见，通过偏光显微鉴定，类矿石中的矿物成分基本相同，均为方铁锰矿、褐锰矿、硬锰矿、软锰矿、赤铁矿、黏土矿物等。随着赋存位置的变化，形成主要矿物由锰到铁、再渐变为黏土矿物的序列。

4 XRD实验

将完成薄片加工后余下的岩石、矿石样品部分通过粗碎、细碎、筛分，加工成200目的粉末，用正压法装样，在河北地质大学地质测试中心进行了测试。仪器为日本理学公司生产的Rigaku 9kW型X射线衍射分析仪，测角仪测角准确度优于0.01°(2θ)，矿物含量检测限在1%左右。X射线发生器功率为9 kW转靶，射线源为Cukα(d=1.541 86 Å)，工作电压45 kV，工作电流200 mA，扫描范围(2θ)3°～90°(或视峰选择80°终止)，扫描速度4°(2θ)/min，扫描方式为连续扫描。所得XRD数据通过软件 MDI Jade6 进行全谱拟合分析。通过粉晶XRD测试，分析岩石、矿石样品中的主要矿物，为岩矿鉴定提供可靠依据。

在矿物组分定性分析中，在MDI Jade 6中对XRD图谱依次进行背底扣除、平滑图谱、寻峰、图谱拟合，最后利用图谱库搜索的功能检索出与图谱峰位相符的矿物。为保证主量矿物种类的准确性与完整性，每个主量矿物至少有5个强衍射峰峰位与PDF卡片中的峰位相符。

4.1 富锰型矿石

经物相鉴定，该铁锰型矿石样品中的主量矿物为方铁锰矿(PDF卡片号：#75-0894)和褐锰矿(PDF卡片号：#74-1206)，含少量硬锰矿、软锰矿、赤铁矿。矿物的衍射谱图如图7。方铁锰矿、褐锰矿的实测值与PDF标准卡片中的理论值对比见表1、表2。

表1 富锰矿石中方铁锰矿的XRD数据(主要衍射峰)Table 1 XRD data of bixbyite in Mn-rich ores (major peaks)

表2 富锰矿石中褐锰矿的XRD数据(主要衍射峰)Table 2 XRD data of braunite in Mn-rich ores (major peaks)

图7 富锰型矿石的XRD谱图Fig.7 XRD spectrogram of Mn-rich ores

由衍射图及衍射数据可见，几处强衍射峰几乎全部由方铁锰矿和褐锰矿叠加而成，其他物相相对强度较低。2θ=33°处的最强衍射峰，其相对强度I远超其他峰，且峰宽也较大，这是由于方铁锰矿和褐锰矿的衍射峰位十分接近，相互叠加而成。方铁锰矿的实测值与标准PDF卡片的理论值十分接近，匹配较为理想；褐锰矿在(4 4 0)、(4 0 8)晶面处的实测值与标准PDF卡片的理论值约有0.2°的差异，这是在拟合过程中在相近峰位处不同物相的衍射峰叠加造成的。

4.2 砾岩型矿石

经物相检索，砾岩型矿石样品的XRD图谱中主要强衍射峰对应的矿物为赤铁矿(PDF：#79-1741)，其次为钠珠云母(PDF：#80-0548)，其他黏土矿物少量。矿物的衍射谱图如图8。赤铁矿和钠珠云母的实测值与PDF标准卡片中的理论值对比见表3、表4。

表3 砾岩型矿石中赤铁矿XRD数据(主要衍射峰)Table 3 XRD data of hematite in conglomerate-type ores (major peaks)

表4 砾岩型矿石中钠珠云母XRD数据(主要衍射峰)Table 4 XRD data of ephesite in conglomerate-type ores (major peaks)

图8 砾岩型矿石的XRD谱图Fig.8 XRD spectrogram of conglomerate-type ores

由衍射数据可见，赤铁矿、钠珠云母的实测值与标准PDF卡片匹配良好，主要衍射峰的峰位、晶面间距和相对强度均十分接近。锰矿物为褐锰矿、硬锰矿和软锰矿，其特征峰峰强均较低，表明含量很少。

4.3 含砾铁质岩

经物相检索，该含砾铁质岩样品中强衍射峰对应白云母(PDF：#86-1384)，中等强度衍射峰对应赤铁矿(PDF：#73-2234)，其他的黏土矿物为少量金云母和高岭土。矿物的衍射谱图如图9。白云母和赤铁矿的实测值与PDF标准卡片中的理论值对比见表5、表6。

表5 含砾铁质岩中白云母XRD数据(主要衍射峰)Table 5 XRD data of muscovite in conglomerate-bearing ferruginous rocks (major peaks)

表6 含砾铁质岩中赤铁矿XRD数据(主要衍射峰)Table 6 XRD data of hematite in conglomerate-bearing ferruginous rocks (major peaks)

图9 含砾铁质岩的XRD谱图Fig.9 XRD spectrogram of conglomerate- bearing ferruginous rocks

由衍射数据和衍射图可见，白云母和赤铁矿主要衍射峰的实测值与标准PDF卡片均匹配良好，几乎所有的强—中衍射峰都是由这两种矿物组成，其他成分含量较低。

由上可见，3类矿石的矿物成分类似，但主要矿物有所不同。富锰矿石中的锰主要为褐锰矿和方铁锰矿，铁主要为方铁锰矿；砾岩型矿石中锰质被铁质取代，铁质则主要为赤铁矿；含砾铁质岩则相当于砾岩型矿石被黏土矿物贫化，因此锰质少，铁质主要为赤铁矿。

5 对比与讨论

根据上述偏光显微鉴定结果和XRD测试数据，对比如下：

(1)主要矿物成分一致

3类矿石中通过偏光显微鉴定出的矿物成分中，锰矿物以褐锰矿和方铁锰矿为主，铁矿物以赤铁矿为主，含硬锰矿、软锰矿、水锰矿等；通过XRD检索出的矿物成分中，主量的矿石矿物为褐锰矿、方铁锰矿和赤铁矿，黏土矿物中钠珠云母和白云母居多，含少量高岭土、金云母等。因此，两种方法对矿物成分的识别具有较高的一致性。

(2)次要矿物成分XRD更为精准

偏光显微镜下，次要矿物与主要矿物时有交代、混染的情况出现，给鉴定次要矿物带来一定的难度，尤其是对黏土矿物、赤铁矿的厘定。而XRD则很好地解决了这一难点，不仅识别出了钠珠云母、白云母、高岭土等多类黏土矿物，而且能够解释峰宽化是由相近峰叠加而形成。

(3)两种手段的互补性

偏光显微鉴定可以观察矿石的结构以及各类矿物的嵌布特征，但对矿物的鉴定存在一定的不确定性；XRD的图谱拟合、PDF卡片库的匹配功能可以更精准地确定矿物成分，但无法对矿石的结构作出分析。因此，两种方法具有明显的互补性，适宜于结合进行鉴定(表7)。

表7 偏光显微鉴定与XRD的对比Table 7 Comparison of polarization microscope identification and XRD

6 结论

(1)Postmasburg西矿带的BIF型矿石分带性明显。富锰矿石集中于矿体的下部，向上铁质含量逐渐增加，演变为砾岩型矿石，并最终被黏土矿物贫化为含砾铁质岩，反映了沉积环境的整体变化趋势。

(2)富锰型矿物中的锰主要为褐锰矿和方铁锰矿；砾岩型矿石中赤铁矿为主要的金属矿物，黏土矿物以钠珠云母为主；含砾铁质岩中的黏土矿物主要为白云母，金属矿物多为赤铁矿。

(3)偏光显微鉴定和XRD物相检索两类手段在该地区铁锰矿物的岩矿鉴定中具有良好的一致性。偏光显微鉴定能够更清楚地观察矿物的结构特征，而XRD的物相检索可能更精准地确定矿物成分，二者相结合则可以提高矿物识别的准确率。在厚层矿体中矿石成分接近、主量矿物明显的情况下，对于确定矿石类型、厘定所属层位、整体了解矿体分层对特征等具有重要的指导意义。