南非Postmasburg地區(qū)錳礦床地質(zhì)特征及成因分析

常洪倫,孔繁輝,宋曉東,杜俊,趙晉,李建鋒,王聰穎

華北有色工程勘察院有限公司,石家莊,050021

內(nèi)容提要：以南非Postmasburg地區(qū)Bishop、Paling兩個(gè)礦區(qū)為研究載體,將研究區(qū)的地層劃分為6個(gè)巖性單元,自下而上分別為白云巖單元、鐵錳礦體單元、鐵質(zhì)細(xì)砂巖/鐵質(zhì)礫巖單元、泥質(zhì)粉砂巖單元、石英巖/Gamagara頁(yè)巖單元和Paling頁(yè)巖單元。識(shí)別出了沉積受變質(zhì)型、堆積型和錳質(zhì)軟泥或錳土型三類礦床,并討論了其成因模型。根據(jù)地層序列特征,將研究區(qū)的發(fā)育與演化過(guò)程劃分為4個(gè)階段。分析表明：錳質(zhì)軟泥或錳土是富錳白云巖遭受溶蝕后的殘余物。沉積序列各單元為漸變關(guān)系,而與白云巖單元之間為不整合接觸關(guān)系。三種礦床類型都與白云巖的巖溶系統(tǒng)有關(guān),錳質(zhì)軟泥或錳土中的錳來(lái)源于富錳白云巖,另外兩種則可能來(lái)源于安山巖。兩次巖溶系統(tǒng)之后分別形成了沉積受變質(zhì)型礦床和堆積型礦床。成礦后期礦體受到Marthaspoort石英巖的保護(hù)而保存下來(lái)。

南非是世界上錳礦儲(chǔ)量最多的國(guó)家,錳礦儲(chǔ)量可達(dá)37億噸,占世界總儲(chǔ)量的54.4%,儲(chǔ)量基礎(chǔ)為40億噸,占全球高品位錳礦總量的80%以上(鮑榮華等,2011；董驍方,2012),均居世界第一位。在南非的北開(kāi)普省和西北省發(fā)育了一些十分著名的大型錳礦田,如Kalahari錳礦田、Postmasburg錳礦田等,此外還有Transvaal錳礦床等。20世紀(jì)以來(lái),隨著全球錳礦需求量的增加,掀起了一股對(duì)錳礦床開(kāi)發(fā)的熱潮。與此同時(shí),關(guān)于南非錳礦床(田)類型和成因的報(bào)導(dǎo)和研究成果不斷涌現(xiàn),其中就有大量對(duì)Postmasburg地區(qū)錳礦床的研究文獻(xiàn)(高仙坪,1988；Nel,1929；Boardman,1940；Boardman,1964；Truswell et al.,1973；Beukes,1993；Eriksson et al.,1995；Plehwe-leisen et al.,1995),充分顯示了這一地區(qū)錳礦床的重要性。本文從探索的角度,結(jié)合前人成果、鉆孔數(shù)據(jù)等實(shí)際材料,以Bishop礦區(qū)和Paling礦區(qū)為載體,通過(guò)分析該地區(qū)的礦床類型,研究礦床成因,建立礦床發(fā)育模型,恢復(fù)該地區(qū)乃至整個(gè)錳礦田的錳礦床發(fā)育與演化過(guò)程,為地質(zhì)找礦提供理論指導(dǎo)。

1 Postmasburg錳礦田概況

Postmasburg錳礦田位于南非北開(kāi)普省東北部,北起Sishen,南至Postmasburg。北部與Kalahari錳礦田毗鄰,這一地區(qū)因蘊(yùn)育了全球最大的Postmasburg—Kalahari錳礦成礦帶而著稱。其中Postmasburg錳礦田是僅次于Kalahari錳礦田的全球第二大錳礦田(《礦產(chǎn)資源綜合利用手冊(cè)》編輯委員會(huì),2000),東、西兩個(gè)錳礦帶的延伸長(zhǎng)度可達(dá)50～60km(廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)局,1974；Gutzmer et al．,1996)。礦田內(nèi)發(fā)育了多個(gè)大型錳礦床(Altermann et al.,1991),其中Bishop、Paling兩個(gè)礦區(qū)就位于該礦田的西礦帶上(圖1)。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

Postmasburg錳礦田的地層為南非北開(kāi)普省Griqualand West地層序列的一部分,該地層序列也是一直眾多學(xué)者長(zhǎng)期爭(zhēng)論的問(wèn)題(Nel ,1929；Visser,1944；Beukes,1986；Van Schalkwyk et al．,1986；Leisen,1987；Altermann et al．,1991)。南非地層委員會(huì)(SACS)在1980年曾對(duì)Griqualand West的巖性地層進(jìn)行了討論,形成了南非地質(zhì)調(diào)查官方認(rèn)可的版本,Beukes(1986)又對(duì)Transvaal超群的地層劃分進(jìn)行了重新調(diào)整,形成的地層序列如表1所示。

表1 Postmasburg錳礦田地層序列(據(jù)Beukes,1986,修改)Table 1 Stratigraphic sequence of Postmasburg Manganese Field(Modified after Beukes, 1986)

圖1 Postmasburg錳礦田位置及礦帶分布 (據(jù)Leisen,1987,修改) Fig. 1 Location and ore belt distribution of Postmasburg Manganese Field(Modified after Leisen, 1987)

Postmasburg錳礦田的形成與該地區(qū)前寒武紀(jì)的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān),這一構(gòu)造被稱為Maremane隆起,它由Transvaal超群Ghaap群Campbellrand亞群的白云巖和Asbesheuwels亞群的鐵質(zhì)建造組成(2.15～2.64Ga)(Holland et al．,1990)。Maremane隆起東翼的地層呈弧狀出露,在不同的部位分別傾向東、東北或東南方向,傾角一般小于10°(James et al．,1988)。Transvaal超群的頂部被新元古代Olifantshoek群Gamagara組的平緩紅層不整合覆蓋,因此Maremane隆起僅有東半部分出露,而西部的Koegas組鐵質(zhì)建造、Makganyene組陸源混積巖和Ongeluk安山質(zhì)熔巖則被沿著南北向的斷裂推覆到Gamagara組之上,自西向東產(chǎn)生的位移至少35km(Grobbelaar et al．,1986)。

Maremane隆起之上發(fā)育了東、西條礦帶,它們形成的地質(zhì)背景有所差異。東礦帶以Wolhaarkop燧石角礫巖為特征,其中含有大量的硅質(zhì)富褐錳礦礦石。Wolhaarkop燧石角礫巖夾于白云巖和Asbesheuwels亞群Manganore組鐵質(zhì)建造之間,這一鐵質(zhì)建造體中發(fā)育了Sishen型高品位的赤鐵礦礦石。西礦帶的錳礦石和Campbellrand亞群白云巖直接接觸,它礦石的形成與Gamagara組的富鋁質(zhì)頁(yè)巖密切相關(guān),而分布則受下伏的Campbellrand亞群Reivilo組白云巖控制。Glosam、Lohatlha和Bishop的大型礦床都是直接覆蓋在Reivilo組下部富錳白云巖上,且僅限于該種白云巖類型。

Maremane隆起以上的地層較為復(fù)雜。在Asbesheuwels亞群的條帶狀鐵質(zhì)巖的沉積之前(2.432±0.031 Ga)(Nel,1929),Maremane地區(qū)被抬升到海平面以上遭受侵蝕。Gampbellrand亞群的白云巖發(fā)生了強(qiáng)溶巖作用,溶蝕構(gòu)造出現(xiàn)。Maremane隆起以上發(fā)育的斷裂系統(tǒng)導(dǎo)致巖溶作用主要沿著10°、50°和150°的方向進(jìn)行(Du Toit,1933；James et al．,1988)。Maremane隆起的北部、東部和南部繼續(xù)遭受侵蝕,一直持續(xù)到Asbesheuwels期。此后,東部的鐵錳建造開(kāi)始沉積,而西部的白云巖繼續(xù)被暴露侵蝕,碳酸鹽的淋濾作用一直向下深入到較老的Reivilo組Ulco段。此段鐵錳建造沉積缺失,沉積作用始于其后期的Gamagara頁(yè)巖組。整個(gè)Maremane區(qū)被Gamagara組Marthsaspoort石英巖覆蓋,在含礦區(qū)內(nèi)至少疊加了兩個(gè)構(gòu)造期(圖2)(Beukes,1986)。

之后,東部沉積序列周圍的白云巖被侵蝕,而錳質(zhì)的填充物作為殘余山體保留下來(lái)(Klipfontein山)。錳礦石堆積在Maremane隆起的西側(cè),部分被上覆的石英巖覆蓋保護(hù),最近形成的小型溶坑也被碎屑礦石填充,分布廣泛。

3 礦區(qū)地質(zhì)

Bishop礦區(qū)和Paling礦區(qū)均位于Postmasburg的北部,Postmasburg錳礦田的中部。二者具有相似的地質(zhì)特征,它們都是Postmasburg錳礦田內(nèi)具有代表性的礦區(qū)。

3.1 地層

由于受到后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和變質(zhì)作用的影響,礦區(qū)內(nèi)地層巖性較為復(fù)雜。根據(jù)地層出露情況和前人研究成果(Visser,1944；Truswell et al．,1973； Van Schalkwyk et al．,1986；Leisen,1987),結(jié)合巖心鉆探分析結(jié)果,可將礦區(qū)內(nèi)的地層劃分為以下幾個(gè)單元(圖3),現(xiàn)將其巖性特征分述如下：

(未見(jiàn)頂)

(1)Paling頁(yè)巖單元：由紅褐色、紫紅色頁(yè)巖組成,風(fēng)化嚴(yán)重,較為破碎,地表出露范圍較小,局部綠泥石化,夾有黃綠色泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖薄層。

厚度>3m。

(2)石英巖/Gamagara頁(yè)巖單元：由紫紅色、肉紅色、白色中粗粒石英巖組成,中間夾有黃綠色、紫紅色頁(yè)巖,其中石英巖自下而上顏色逐漸變淺。

厚度10～15m。

(3)泥質(zhì)粉砂巖單元：由灰白色、淺綠色、淺灰綠色泥質(zhì)粉砂巖組成,局部因含鐵質(zhì)而呈褐色,有一定的千枚巖化或高嶺土化,成層性良好,可見(jiàn)斑點(diǎn)狀含鐵石英粉砂巖、紅褐色含鐵錳粘土巖、斑點(diǎn)狀綠簾絹云母板巖的夾層或透鏡體。與上下單元均為過(guò)渡關(guān)系,頂部主要為石英含砂粉砂巖,底部則為含鐵錳泥質(zhì)粉砂巖。

厚度8～12m。

(4)鐵質(zhì)細(xì)砂巖/鐵質(zhì)礫巖單元：Bishop礦區(qū)鐵質(zhì)細(xì)砂巖呈紅棕色、紅褐色,致密塊狀結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,可見(jiàn)紅褐色泥質(zhì)粉砂巖夾層或透鏡體。厚度1.5～3m。Paling礦區(qū)未見(jiàn)鐵質(zhì)細(xì)砂巖,同層位出現(xiàn)鐵質(zhì)礫巖,紅棕色至黑褐色,致密塊狀結(jié)構(gòu),似層狀構(gòu)造,內(nèi)部含紅褐色碎屑狀硅質(zhì)鐵錳礦石角礫或球粒狀鐵質(zhì)細(xì)砂礫屑,直徑0.5～5cm,略呈定向排列。

厚度2～4m。

(5)鐵錳礦體單元：為Postmasburg礦田錳礦的主要賦存層位,由鋼灰色、黑色錳礦石組成,主要金屬礦物為方鐵錳礦、褐錳礦和硬錳礦,致密塊狀結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造。與上部單元在成分上存在過(guò)渡關(guān)系,自底部向上錳質(zhì)含量升高,鐵質(zhì)含量降低。

厚度3～15m,因賦存部位而異。

(6)白云巖單元：由灰黃色、淺黃綠色藻云巖及其下部的灰色、淺灰綠色、灰黑色富錳白云巖組成。其中藻云巖顆粒較粗大,可觀察到白云石晶體,內(nèi)部可見(jiàn)疊層狀藻紋層,多分布于Paling礦區(qū)；富錳白云巖結(jié)晶不明顯,層狀構(gòu)造發(fā)育,內(nèi)部泥質(zhì)含量較高,無(wú)藻類生物體出現(xiàn),在Bishop礦區(qū)更為普遍。

(未見(jiàn)底)

圖2 Postmasburg錳礦田區(qū)域地質(zhì)圖(據(jù)Beukes,1986,修改)Fig. 2 Regional geological map of Postmasburg Manganese Field(Modified after Beukes, 1986)

圖3 Postmasburg錳礦田的巖性序列 Fig. 3 Lithological sequence of Postmasburg Manganese Field

圖4 白云巖與礦體、錳土的接觸關(guān)系Fig. 4 Contact of dolostone with orebody and wad (a)、(b)礦體與白云巖直接接觸；(c)錳土的似層狀形態(tài)；(d)錳土包裹富錳白云巖 (a),(b) Direct contact of orebody with dolostone；(c) Lamellar morphology of wad； (d) Manganese-rich dolostone embedded in wad

前人工作成果及地質(zhì)資料認(rèn)為,Gampbelrand白云巖構(gòu)成了研究區(qū)內(nèi)沉積序列的基底(Plehwe-leisen et al．,1995；Dowding et al．,2007)。在工作區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)礦化層與白云巖的接觸界線,但局部可見(jiàn)原生錳礦石覆于白云巖之上(圖4a、4b),青灰色富錳白云巖與上覆的鐵錳礦體之間夾有錳質(zhì)軟泥或錳土。這些錳質(zhì)軟泥或錳土呈似層狀,多覆于富錳白云巖之上或包于表層(圖4c、4d),因此,筆者認(rèn)為,沉積序列形成于白云巖遭受溶蝕之后,鐵錳礦體和白云巖之間為不整合接觸關(guān)系。

3.2 構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造比較發(fā)育,主要表現(xiàn)為斷層和褶皺兩方面。褶皺作用較弱,礦田內(nèi)常見(jiàn)NE或NNE向的寬緩背斜,局部可見(jiàn)較為強(qiáng)烈的小型褶曲。

Postmasburg錳礦田處于一個(gè)斷裂帶上。成礦后期的斷裂作用將研究區(qū)內(nèi)的礦體切割成大小不等、形狀各異的斷塊,自西向東的逆沖斷層更是造成了局部地區(qū)礦體的重復(fù),或使原有礦塊產(chǎn)生位移,嚴(yán)重破壞了礦體的連續(xù)性。

3.3 巖漿巖

研究區(qū)內(nèi)有大面積的Ongeluk組的熔巖出露,但區(qū)內(nèi)未見(jiàn)十分明顯的火山活動(dòng)。一些學(xué)者認(rèn)為Ongeluk組的玄武質(zhì)安山巖是海底噴發(fā)的,是在大陸架環(huán)境下噴出形成,其北部的Kalahari錳礦田的錳質(zhì)即來(lái)源于海底火山噴氣(李上森,1996；Cornell et al．,1995；Beukes et al．,1996)。

3.4 變質(zhì)作用

礦質(zhì)沉積之后,研究區(qū)內(nèi)的地層受到了非常淺程度的變質(zhì)作用(Plehwe-leisen et al．,1995)。在長(zhǎng)期的變質(zhì)過(guò)程中,重結(jié)晶引起了礦物晶體的生長(zhǎng)及形態(tài)的變化,形成了微結(jié)核,出現(xiàn)了方鐵錳礦、褐錳礦和赤鐵礦等金屬礦物微晶共生的情況。從野外情況來(lái)看,各類粉、細(xì)砂巖均有一定程度的綠片巖化、高嶺土化或絹云母化。

4 礦床類型

Postmasburg地區(qū)具有復(fù)雜多樣的成礦條件,這也造就了該地區(qū)多種礦床類型,主要有沉積受變質(zhì)型、堆積型、錳質(zhì)軟泥或錳土型,以下分別介紹。

4.1 沉積受變質(zhì)型

沉積受變質(zhì)型礦床在全球分布廣泛,是Postmasburg地區(qū)最為主要的礦床類型。礦體賦存于鐵錳礦體單元中,以層狀形態(tài)保存,與頂、底板的圍巖接觸界線不明顯。在東、西兩礦帶中,礦體中的礦石種類、礦物組合均不相同(Plehwe-leisen et al．,1995),以方鐵錳礦、褐錳礦為主的金屬礦物均為從硬錳礦—錳土族分離出來(lái)的次生蝕變產(chǎn)物。礦體成因類似于我國(guó)的斗南錳礦、樂(lè)華錳礦等(鄧燕華,1983；蘇俊華,1983)。Postmasburg地區(qū)東、西兩條礦帶的礦床又有不同的特征。

東礦帶的礦床屬硅—錳礦類型,礦石的形成與Wolhaarkop角礫巖有關(guān)。由于Wolhaarkop角礫巖中SiO2的含量較高,因此褐錳礦是最主要的金屬礦物組分,方鐵錳礦次之。礦體形成后經(jīng)歷了白云巖坍塌作用導(dǎo)致的角礫巖化,此后又經(jīng)歷了非常淺程度的變質(zhì)作用。礦石中含有燧石及抗風(fēng)化的硅質(zhì)填充物,Maremane背斜東翼的Klipfontein山即由這種礦體建造形成。

西礦帶的礦床屬鐵—錳礦類型,礦石的形成與頁(yè)巖、粉砂巖有關(guān)。在靠近底部白云巖溶蝕基面處錳質(zhì)含量較高,向上由于鐵質(zhì)細(xì)砂巖或角礫巖的形成,錳質(zhì)含量降低,而鐵質(zhì)含量則有升高的趨勢(shì)。從鐵錳建造繼續(xù)向上,鐵、錳的含量都降低,最終變?yōu)殇X土質(zhì)頁(yè)巖和粉砂巖、細(xì)砂巖等。在靠近白云巖溶蝕基面處,礦層中的主要金屬礦物為褐錳礦,其次為方鐵錳礦。向上則方鐵錳礦占據(jù)優(yōu)勢(shì),其次為褐錳礦,同時(shí)還有一些更高價(jià)的錳氧化物,如黑錳礦等。礦體形成后經(jīng)歷了淺程度的變質(zhì)作用,鐵錳建造中的頁(yè)巖、粉砂巖夾層有高嶺土化、綠片巖化等變質(zhì)特征。在鐵錳建造中鐵、錳質(zhì)的總含量基本穩(wěn)定,鐵和錳的含量呈互相消長(zhǎng)的關(guān)系,錳、鐵的總品位約60%。Bishop礦區(qū)、Paling礦區(qū)的錳礦體屬于此類型。

4.2 堆積型

該類型礦床由原生礦床受物理作用形成。原生礦石經(jīng)風(fēng)化破碎,受自身重力作用被搬運(yùn)到低地勢(shì)處堆積聚集形成的礦體,呈似層狀產(chǎn)出,多被第四紀(jì)紅土層或褐土層覆蓋。

研究區(qū)內(nèi)堆積型錳礦體十分發(fā)育,其分布受原生錳礦體的控制,在原生錳礦體出露附近均有堆積型錳礦體的存在。Postmasburg地區(qū)的堆積型錳礦床有以下特點(diǎn)：

(1)分布廣泛: 在Postmasburg錳礦田內(nèi),堆積型錳礦床多以填充物的形式分布于大面積的白云巖溶坑內(nèi),其他則被厚層的第四紀(jì)紅土覆蓋。研究區(qū)內(nèi)的白云巖出露普遍,多數(shù)被后期風(fēng)化作用侵蝕成溶坑或溶溝的形態(tài),其溶蝕地貌為堆積型錳礦石提供了賦存空間。這兩種類型的堆積型礦體基本遍布整個(gè)研究區(qū),是原生錳礦體存在的標(biāo)志。

(2)礦體厚度不均: 由研究區(qū)內(nèi)礦區(qū)山地工程揭露的堆積型礦體來(lái)看,堆積型礦體的厚度總體上呈不均的狀態(tài)。充填于白云巖溶坑或溶溝內(nèi)的堆積型礦體厚度取決于溶坑或溶溝的深度,最小1m左右,最大可達(dá)7～8m。而被紅土覆蓋的層狀堆積礦厚度相對(duì)穩(wěn)定,側(cè)向連續(xù)性較好,但礦體的厚度因地而宜：距原生礦體較近者厚度較大,可達(dá)8m以上；遠(yuǎn)離原生礦體者,最小厚度僅為0.5m左右。

(3)礦石品位高: 堆積礦的礦石都是由原生礦石破碎后近距離搬運(yùn)堆積而成,因此在礦物成分上繼承了原生礦石的特點(diǎn),主要的金屬礦物仍為方鐵錳礦和褐錳礦。由于礦石在自然搬運(yùn)過(guò)程中的重力分流作用,原生礦石中比重較小的貧礦石被分選出,使得堆積礦中的礦石品位較之原生礦石偏高,采樣獲得的平均品位可達(dá)70%。

4.3 錳質(zhì)軟泥或錳土型

該類型礦床的礦石在研究區(qū)內(nèi)分布較為局限且規(guī)模很小,不具單獨(dú)開(kāi)采價(jià)值。礦體多發(fā)育于富錳白云巖之上,頂部被鐵錳沉積層覆蓋。礦體形態(tài)不規(guī)則,多呈盤狀。內(nèi)部常見(jiàn)白云巖或紅土的大團(tuán)塊,或與紅土混雜成泥狀。礦石呈灰綠色至灰黑色,似土狀,質(zhì)軟、輕,疏松多孔。金屬礦物以軟錳礦為主,易污手,采樣測(cè)得軟錳礦的品位達(dá)80%以上。

5 礦床成因

5.1 成礦物質(zhì)來(lái)源

關(guān)于Postmasburg地區(qū)沉積受變質(zhì)型錳礦床的錳質(zhì)來(lái)源,一直沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。Kuleshov(2011) 認(rèn)為,錳礦石的形成與區(qū)內(nèi)大范圍出露的玄武質(zhì)安山巖有關(guān)。李上森(1996)、Cornell(1995)認(rèn)為,錳質(zhì)與該地區(qū)內(nèi)的火山—噴氣活動(dòng)關(guān)系密切,來(lái)自于鐵錳建造之下的玄武質(zhì)安山巖。因此,筆者推測(cè),Postmasburg地區(qū)的錳質(zhì)源于礦帶附近的安山巖,有可能為上地幔物質(zhì)通過(guò)火山作用或以熱液的方式將錳質(zhì)運(yùn)移到淺海陸架形成。

錳質(zhì)軟泥或錳土型礦礦體中的錳質(zhì)來(lái)源不同于沉積受變質(zhì)型礦體。Beukes(1987)測(cè)得富錳白云巖樣品中錳的含量達(dá)到2%～3%,認(rèn)為富錳白云巖是該類型錳礦體的錳質(zhì)源。

5.2 古構(gòu)造條件

元古宙早期,Postmasburg地區(qū)為廣闊的Gampbellrand亞群白云巖所覆蓋,形成了一套富錳白云巖環(huán)境中的巖溶系統(tǒng),這為錳礦石的形成提供了條件(Schulz,1982)。Maremane抬升隆起后,強(qiáng)巖溶作用發(fā)生,溶洞構(gòu)造形成。N—S向?yàn)橹鞯臄嗔褞?dǎo)致坍塌的溶洞逐漸成為N—S向的溶坑或溶溝。隨著Transvaal海侵的出現(xiàn),整個(gè)Maremane隆起下降到海平面以下,這一巖溶地區(qū)處于一淺海海盆中(Maissonneuve,1982),溶坑或溶溝則成為沉積物質(zhì)的接納空間。

5.3 礦床成因模型5.3.1 沉積受變質(zhì)型

Postmasburg地區(qū)沉積受變質(zhì)型錳礦床的成因一直是爭(zhēng)論的熱點(diǎn)問(wèn)題(Boardman,1964；Beukes,1983；Cannon et al．,1983；Frakes et al．,1984；Nel et al．,1986；Force et al．,1988；Varentsov et al．,1993；Gutzmer et al．,1997； Brusnitsyn et al．,2000),關(guān)于礦床成因也涌了多種模型,其中最為典型的有以下兩種：

(1)海侵—海退模型：在海平面的升降波動(dòng)中,錳質(zhì)以氧化物的形式在陸架上沉積下來(lái)成礦。海盆中錳礦層具有一定的序列,反映了進(jìn)積—退積的旋回性(Cannon et al．,1983；Frakes et al．,1984；Force et al．,1988；Varentsov et al．,1993；Brusnitsyn et al．,2000)。

(2)上升流模型：深海富錳水體在水流帶動(dòng)下上升至海盆陸架氧化區(qū)域富集,接受氧化沉積成礦(Frakes et al．,1984；Force et al．,1988),火山噴氣成因的理論支持這一模型(李上森,1996)。

這兩種模型都有各自的根據(jù),同時(shí)模型本身也存在一定的缺陷。海侵—海退模型解釋了Postmasburg地區(qū)巖性序列中巖性單元內(nèi)部存在的局部夾層和旋回特征,但從整體來(lái)看,巖性單元并未出現(xiàn)重復(fù)。同時(shí),巖性序列中并未出現(xiàn)淺水相沉積層,如黑色頁(yè)巖、砂巖等(Force et al．,1988)。上升流模型解釋了錳礦體乃至鐵錳建造的連續(xù)性,但Buekes(1996)認(rèn)為,該模型并未消除自身的矛盾,如巖性序列與陸架沉積物巖相組合不符等。

Postmasburg錳礦田與相鄰的Kalahari錳礦田處于同一成礦帶上,二者有著相似的成因機(jī)制。Kalahari錳礦田是因受到底部基性安山質(zhì)熔巖的作用而形成,而Postmasburg錳礦田內(nèi)安山質(zhì)熔巖亦是大范圍出露,筆者認(rèn)為,研究區(qū)也有可能在成礦過(guò)程中受到類似的作用。因此,筆者更支持上升流模型,該模型的成礦機(jī)制如圖5所示。

圖5 上升流模型示意圖(據(jù)Kuleshov,2011,修改)Fig. 5 The sketch of upwelling model (Modified from Kuleshov,2011) ① 沉積作用；② 熱液物質(zhì)沉積；③ 沉積—成巖作用； ④ 退化作用(交代)；⑤ 表生作用(風(fēng)化殼) ① sedimentary; ② hydrothermal (volcanogenic, exhalative)—sedimentary; ③ diagenetic (sedimentary—diagenetic); ④ catagenetic (metasomatic); ⑤ supergene (weathering crusts)

5.3.2堆積型

堆積型礦體多發(fā)育于白云巖溶蝕嚴(yán)重的溶溝中,其規(guī)模取決于溶溝的形態(tài)和深度。沉積序列被抬升到海平面以上之后,白云巖形成了巖溶系統(tǒng),對(duì)破碎錳礦石的搬運(yùn)和堆積起到了控制作用。原有白云巖溶坑側(cè)壁由藻白云巖組成,易于溶蝕。隨著溶蝕作用的進(jìn)行,側(cè)壁壩塌,溶坑中的沉積序列因受到上部巖層的保護(hù)而保存下來(lái)。近礦端溶蝕作用較弱,白云巖保留了較高的層位；而斜坡邊緣則由于強(qiáng)烈的沖蝕和溶蝕,形成了溶溝十分發(fā)育的巖溶地貌和良好的接納空間。原生礦體邊部破碎后,在溶蝕斜坡上堆積,近礦源端形成了大粒徑、薄堆積的礦層；白云巖溶蝕斜坡邊緣的復(fù)雜地形有利于形成圓粒、中等粒度、厚度大的堆積型礦體；遠(yuǎn)礦源端則因礦石長(zhǎng)距離搬運(yùn),普遍粒徑較小,被白云巖的溶解物重新膠結(jié)、壓實(shí)后形成薄層的鈣質(zhì)結(jié)礫巖。因此,無(wú)論是近礦源端,還是遠(yuǎn)礦源端的堆積型錳礦體礦石量均不大,具有一定規(guī)模的堆積型錳礦多見(jiàn)于斜坡邊緣。

5.3.3錳質(zhì)軟泥或錳土型

該類型礦體由富錳白云巖溶蝕的殘余物在巖溶系統(tǒng)中化學(xué)沉淀形成,在形成時(shí)間上要早于上述兩類礦體。白云巖臺(tái)地抬升后,巖溶系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)育,溶蝕作用一直向下深入到Reivilo組Ulco段的富錳白云巖?？扇芪镔|(zhì)被淋濾,富錳的不溶物質(zhì)沉積附于白云巖的表面,或被搬運(yùn)至溶坑的底部富集形成錳土。溶洞坍塌后,臺(tái)地表面的紅土落入錳土中并與之混雜,形成錳質(zhì)軟泥,后被沉積序列覆蓋壓實(shí)成礦。因此,礦體形態(tài)極不規(guī)則,礦石品位不均。

5.4 礦床發(fā)育與演化

Postmasburg地區(qū)的錳礦床與白云巖的巖溶系統(tǒng)密切相關(guān),巖溶溶坑構(gòu)造對(duì)錳礦床的形成和保存十分重要。由于白云巖遭受溶蝕的時(shí)間、強(qiáng)度以及位置的差異,導(dǎo)致每個(gè)溶坑所處的層位都不相同,因此,礦體發(fā)育的形態(tài)都不規(guī)則。但總體來(lái)看,無(wú)論是東礦帶、西礦帶還是混合帶的礦床,它們的發(fā)育都受制于礦質(zhì)供給、沉積速率、氧化環(huán)境等多方面的因素(Schneiderh?hn,1931； De Villiers,1956；Bardossy,1982；Nicholson,1992)。根據(jù)Postmasburg地區(qū)錳礦床的巖性序列特征以及前人的認(rèn)識(shí),可將礦床的發(fā)育過(guò)程劃分為以下四個(gè)階段。

(1)基底溶蝕階段: 該階段進(jìn)行于早Gamagara期(Plehwe-leisen et al．,1995),Ghaap組的白云巖臺(tái)地在Maremane隆起作用下上升至海平面之上遭受侵蝕,形成富錳白云巖的巖溶系統(tǒng)。隨著侵蝕作用的不斷進(jìn)行,在臺(tái)地上出現(xiàn)大范圍的溶蝕構(gòu)造,錳質(zhì)軟泥或錳土作為白云巖風(fēng)化侵蝕的殘余物保存在溶洞的底部。此后,溶洞坍塌,臺(tái)地表面沉積的紅土與溶洞頂部的白云巖陷入溶坑底部的錳質(zhì)軟泥或錳土中(圖6a)。

圖6 Postmasburg地區(qū)錳礦床的發(fā)育與演化示意圖Fig. 6 Development and evolution of manganese deposits in Postmasburg

(2)鐵錳沉積階段: 至Gamagara期,海平面上升,出現(xiàn)大規(guī)模的Transvaal海侵(Beukes et al．,1987；Leisen,1987；Beukes,1993；Plehwe-leisen et al．,1995；Gutzmer et al．,1996),海平面升至Maremane隆起之上,Postmasburg地區(qū)處于淺海海盆環(huán)境中,開(kāi)始接受Gamagara沉積序列的覆蓋。深海水體中的鐵、錳質(zhì)在上升流的作用下被運(yùn)移到淺海氧化區(qū)并富集(Kuleshov,2011),受到氧化作用后,鐵、錳的膠體顆粒沉積到白云巖基底上(Gutzmer et al．,1997)。由于鐵、錳在沉積速率和沉積位置上的差異,致使錳的富集程度向上降低,而鐵的富集程度有升高的趨勢(shì)(Crerarand et al．,1974),但錳、鐵的總體含量基本保持穩(wěn)定。此后,沉積物中鐵質(zhì)含量占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì),在局部部位甚至形成了鐵質(zhì)礫巖。至該階段后期,水體中的鐵、錳質(zhì)逐漸被泥質(zhì)所替代,開(kāi)始了漫長(zhǎng)的Gamagara頁(yè)巖組沉積期,直到泥質(zhì)粉砂巖建造結(jié)束(圖6b)。這一階段形成的鐵錳沉積層與鐵質(zhì)層統(tǒng)稱為鐵錳建造,它是Postmasburg地區(qū)錳礦體的主要賦存體,因此,該階段是礦床發(fā)育過(guò)程中最為關(guān)鍵的一個(gè)階段。

(3)成礦結(jié)晶階段: 到了晚Gamagara期,海平面持續(xù)升高,Marthaspoort石英砂巖和Paling頁(yè)巖相繼沉積形成,Gamagara沉積期結(jié)束。在不間斷的沉積過(guò)程中,鐵錳建造中的錳質(zhì)因受到上部巖層的不斷壓實(shí)而開(kāi)始結(jié)晶,相繼出現(xiàn)方鐵錳礦和褐錳礦的自形晶(Plehwe-leisen et al．,1995)。在靠近白云巖不整合面的部位,褐錳礦是主要的礦石礦物,方鐵錳礦的含量則隨著鐵錳沉積序列的進(jìn)行而升高(圖6c)。

(4)變質(zhì)破碎階段: Gamagara期之后,海平面開(kāi)始下降,Griqualand West的沉積序列被抬升到海平面以上。沉積序列因受到壓實(shí)作用而出現(xiàn)了淺程度的變質(zhì),Ghaap組的白云巖則重新形成了巖溶系統(tǒng)。隨著溶蝕作用的進(jìn)行和溶洞的坍塌,沉積序列側(cè)部崩解破碎,中間部位由于受到Marthaspoort石英巖的保護(hù)而保存下來(lái),形成了現(xiàn)在的Gamagara低山脊。而側(cè)部崩塌的礦體,則經(jīng)過(guò)破碎、搬運(yùn)后,沉積在新形成的白云巖溶坑中,形成了Postmasburg地區(qū)十分普遍的堆積型錳礦體(圖6d)。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

Postmasburg地區(qū)發(fā)育的錳礦床具有獨(dú)特的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和成礦機(jī)制,綜合上述對(duì)該地區(qū)錳礦床地質(zhì)特征、礦床類型和礦床成因的探討,可以得到以下認(rèn)識(shí)：

(1)該地區(qū)的錳礦床主要有沉積受變質(zhì)型、堆積型和錳質(zhì)軟泥或錳土型三種類型,它們的形成都與白云巖的巖溶系統(tǒng)有關(guān)。錳質(zhì)軟泥或錳土中的錳質(zhì)來(lái)源于富錳白云巖,另外兩種則可能與安山巖有關(guān)。

(2)Postmasburg地區(qū)錳礦床的沉積序列可識(shí)別出6個(gè)單元。其中白云巖單元構(gòu)成了礦床的基底,它與上覆巖層為不整合接觸關(guān)系,接觸帶上的錳質(zhì)軟泥或錳土或富錳白云巖的溶蝕殘余物。其他5個(gè)單元界線不明顯,為漸變過(guò)渡關(guān)系。

(3)由鄰近礦田的形成機(jī)制推測(cè),錳質(zhì)可能來(lái)源于研究區(qū)內(nèi)大范圍出露的安山質(zhì)熔巖,成礦過(guò)程遵從上升流模型,沉積型礦床為淺海海盆成因。

(4)礦床的發(fā)育和演化過(guò)程可以劃分為4個(gè)階段,其中兩次出現(xiàn)了白云巖巖溶系統(tǒng),分別為沉積受變質(zhì)型礦床和堆積型礦床的發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。成礦后期Marthaspoort石英巖對(duì)層狀礦體起到了保護(hù)作用,堆積型錳礦體的礦石來(lái)源于崩塌的礦層。