新元古界大塘坡組菱錳礦礦床賦礦層序及錳質來源探討

何桁 何明華

摘 要：黔湘渝鄂毗鄰地區(qū)新元古界大塘坡組菱錳礦礦床屬于典型的海洋化學-生物化學沉積型菱錳礦床。大塘坡式菱錳礦屬于一種海洋自生碳酸鹽巖，在橫向上常與含錳白云巖、白云巖、灰?guī)r呈過渡關系，其結構構造又類似于灰?guī)r、白云巖。作者認為，要形成區(qū)域上那么多的大中型菱錳礦床，必須要在成錳期之前漫長的地殼演化中，由巖漿-火山作用、海底噴流、古大陸風化剝蝕和搬運、海底熱水噴流、古天然氣滲漏等多種地質作用或事件，源源不斷地為海洋盆地水介質提供大量的錳質，通過長期的各種地質作用和海解作用，使海洋盆地水介質中積累儲存了豐富的Mn2+離子。在成錳期，其沉積盆地位于一個較寬闊的溫暖、陽光充足、清澈的局限至半局限海岸—淺海陸架區(qū)，海流頻繁。菱錳礦形成時的Ph值在7～8，Eh值在-0.3EV左右。在此缺氧還原、堿性的水介質條件下，海水中的Mn2+離子易與HCO3-離子結合生成MnCO3析出沉淀。適宜的聚錳環(huán)境長期穩(wěn)定、反復存在也是形成該區(qū)域內一些菱錳礦床中的多層富厚礦體的時間因素之一。

關鍵詞：大塘坡式錳礦;賦礦層序;海平面變化;錳質來源;礦床成因類型

黔東北及其毗鄰的湘渝鄂地區(qū)新元古代大塘坡組菱錳礦床的成礦機理、成因類型、錳質的主要來源等問題，眾說紛紜，一直爭論不休，難以定論。本文作者在系統(tǒng)收集以前的普查勘探、區(qū)域地質調查、科學研究等資料成果的基礎上，結合作者在該區(qū)域多年的野外地質調查和室內綜合研究，并參考了國內外地球科學的新理論、新成果，再次對該區(qū)域大塘坡式菱錳礦床的成礦條件、成礦機理、成因類型及錳質的主要來源等問題提出了新的認識。

1區(qū)域地質背景

黔湘渝鄂毗鄰地區(qū)地處華南板塊之揚子地塊東南被動大陸邊緣 。通過對新元古代華南地區(qū)沉積盆地的詳細地層研究，王劍等2003年提出：在Rodinia超級大陸裂解過程中，華南地區(qū)形成了新元古代（830～600Ma）裂谷盆地，也即是后來大塘坡時期的走向呈北東東向的半地塹、地塹式聚錳盆地，為錳礦形成創(chuàng)造了良好的古地形條件及成礦物質來源。從820Ma開始的華南巖漿活動與超級地幔柱活動有關，其影響范圍可能波及澳大利亞在內的整個Rodinia超大陸。新元古代也是華南地殼生長的重要時期，期間有大量幔源巖漿形成并成為華南板塊結晶基底的重要組成部分[5]。

2? ?賦礦地層層序及其沉積環(huán)境演化

2.1? 賦礦地層層序

以松桃縣烏羅鎮(zhèn)楊立掌錳礦區(qū)為例，其賦礦地層層序自上而下依次為：

上覆地層：南沱組含礫泥巖。與下伏大塘坡組之間的接觸界面在該礦區(qū)為一個整合面，但在橫向上的一些隆起帶則變?yōu)槠叫胁徽厦妗?/p>

大塘坡組第三段

[17]灰、深灰色粉砂質粘土巖，頂部具卷曲層理，普遍見滑移—滑塌構造。厚：38.50m.

[16]灰、深灰色粉砂質粘土巖夾泥巖。含疑源類微體古生物化石。厚：95.38m.

大塘坡組第二段

[15]深灰至黑灰色含炭質粉砂質頁巖，顯清晰而密集的水平紋層。厚：42.12m.

大塘坡組第一段

[14]黑色含炭質粉砂質頁巖，含星點狀黃鐵礦晶粒。厚：6.77m.

[13]黑色炭質頁巖，上部富含黃鐵礦晶粒。厚：23.40m.

[12]黑色條帶狀菱錳礦，間夾含粉砂質炭泥質細條紋，并有少量黃鐵礦偏集分布。厚：0.39m.

[11]黑灰色薄層塊狀炭質菱錳礦。厚：0.48m.

[10]黑色含炭質粉砂質頁巖。厚：0.11m.

[9]灰色含粉砂凝灰質粘土巖，具有機質條帶。該層為遠離火山噴發(fā)口的火山凝灰降落沉積層，或者稱其為火山事件沉積層。厚：0.03m.

[8]黑灰色薄層塊狀炭質菱錳礦，間夾條帶狀炭質菱錳礦及黑灰色含粉砂質炭質頁巖。厚：3.11m.

[7]黑灰色厚層塊狀菱錳礦（具凝塊狀結構、砂屑結構，見球狀藍藻類生物）。厚：0.56m.

[6]黑灰色條帶狀菱錳礦，間夾炭質頁巖或含粉砂炭泥質條紋。厚：0.69m.

[5]黑灰色薄層塊狀炭質菱錳礦（具凝塊狀結構、砂屑結構，該層下部見一小層間滑動構造，巖石破碎。其頂部見一小褶曲構造，巖石層理被扭動而彎曲）。該層中見到的軟沉積物變形構造推測為一種系地震或者同沉積斷裂強烈活動所產生的同沉積軟變形構造。厚：0.74m.

[4]灰黑色含粉砂炭質頁巖，顯水平條紋構造。厚：0.51m.

[3]深灰色塊狀含錳礫質粉砂巖，礫石稀疏、細小。該層推測為由生長斷層活動或地震觸發(fā)的水下重力流事件沉積層，并沿斷崖面構成線狀物源。厚：0.80m.

[2]黑灰色薄層塊狀菱錳礦。厚：0.12m.

[1]黑色炭質頁巖。厚：0.34m.

- - - 假 整 合 - - -

下伏地層：鐵絲坳組深灰色塊狀含礫粘土巖，間夾具水平條紋的粉砂質粘土巖[4，1]。

2.2? 沉積環(huán)境演化

新元古代南華紀Sturtian雪球地球事件結束之后，到了大塘坡間冰期，由于冰雪融化，導致了全球性海平面迅速大幅度上升、海水很快越過廣闊的大陸架，淹沒了黔東北及其毗鄰的廣大地區(qū)，而使該區(qū)域成為多障壁的受限清水陸表海盆地環(huán)境。

大塘坡早期，在海平面出現大幅度快速上升之后，又多次重復出現過小幅度下降和小幅度上升的海平面波動，這種升降相持的、長期的高海平面環(huán)境，正為形成該區(qū)域大塘坡組一段下部的多層富厚菱錳礦層創(chuàng)造了極佳的沉積環(huán)境和充足的沉積成礦時間。

大塘坡中期，海平面處于升降相持階段，沉積了一套由加積型基本層序構成的垂向序列，一般屬原地型懸浮沉積。

大塘坡晚期，海平面處于緩慢的脈動式下降階段，由于被動大陸邊緣發(fā)生的裂谷作用，地殼出現周期性小幅度沉降，陸源細粒碎屑物的供應速率也有所增加。沉積了一套由進積型基本層序構成的垂向序列，以懸浮沉積為主，兼并偶發(fā)性重力流沉積為特點，重力流沉積類型一般為砂質濁流、泥流等，顆粒細小。

之后，到了Marinoan雪球地球時期，開始了遍布全球的雜礫巖段沉積，該雜礫巖段在揚子地塊稱之為南沱組，可進行全球或者洲際間的對比研究。這兩個冰期和一個間冰期沉積序列，劉鴻允等地質學家稱之為“三段式結構”。

3? 礦體（層）特征

該地區(qū)大塘坡組菱錳礦礦床屬典型的海洋盆地化學—生物化學沉積型菱錳礦礦床。菱錳礦體（層）皆產出于大塘坡組第一段黑色炭質頁巖下部，具有固定的產出層位，礦體圍巖為炭質頁巖或含錳炭質頁巖。礦體形態(tài)多呈層狀、似層狀產出，一些礦區(qū)主要呈透鏡狀產出，譬如：大塘坡錳礦區(qū)的菱錳礦就主要呈透鏡狀產出，也就是經常所稱的“錳枕或錳枕群”。礦體（層）厚度一般在1～6m左右，一些超大型礦床（譬如：松桃道坨錳礦）的菱錳礦層最大厚度達12m.礦體（層）中常間夾炭質頁巖或者含錳炭質頁巖。礦體分布長度在1000～6000m左右，礦體分布寬度在500～3000m左右，礦體走向與沉積盆地走向在平面上一致，皆呈北東東向。礦石中Mn含量一般在11%～22%左右，單件礦石樣品中的Mn含量高達26%～29%。在該區(qū)域，該類型菱錳礦床，其礦體（層）的品位在橫向上皆比較穩(wěn)定。從盆地中心向盆地邊緣，礦體（層）的厚度有逐漸從厚變薄的規(guī)律性。

礦石結構多為泥晶結構、砂屑結構，礦石構造主要有塊狀構造、紋層狀構造、條帶狀構造，在松桃縣道坨礦區(qū)的深鉆巖（礦）芯中還新發(fā)現了氣泡狀構造 ，局部地方見滑動卷曲狀構造、碎裂狀構造、網脈狀構造、角礫狀構造等。菱錳礦顏色主要為鋼灰色、黑色。

礦石礦物成份主要有菱錳礦、炭質有機質，次要礦物成份有伊利石、黃鐵礦、磷灰石，微量膠磷礦等。

根據薄片顯示，泥晶菱錳礦與炭質共生，泥晶菱錳礦聚集成微球粒形態(tài)成群出現，密集堆積。在電子顯微鏡下，可清晰地看出藍藻類化石[2]。

礦石的化學成份主要有MnCO3、SiO2、Al2O3這三種，這三種基本化學成幾乎占去了礦石化學成份總量的90%以上。其次是Ca0、Fe0、MgO、K、Na、S、P和有機碳。其中SiO2、Al2O3是粘土礦物和石英粉砂的主要化學成份。礦石的具體化學成份含量為MnCO3（40%～80%）、SiO2（12%～31%）、Al2O3（4%～9%）、Ca0（3%～8%）、MgO（0.5%～1.8%）、Fe0（1%～4%）、K（0.3%～1%）、Na（0.1%～0.4%）、S（0.8%～8%）、P（0.15%～0.47%）、 C有機碳（1.08%～2.32%）。

4? 礦床成因與成礦條件分析

4.1? 錳質的主要來源

如果僅僅依靠成錳期由各種地質作用提供的錳質，那么則遠遠不足以形成區(qū)域上這么多的大中型錳礦床。因此，作者認為，要形成區(qū)域上那么多的大中型菱錳礦床，必須要在成錳期之前漫長的地殼演化中，由巖漿-火山作用、來自地殼深部的海底噴流、古大陸風化剝蝕和搬運，以及來自地殼淺部的海底熱水噴流、古天然氣滲漏等多種地質作用或事件，源源不斷地為海洋盆地水介質提供大量的錳質，通過長期的各種地質作用和海解作用，使海洋盆地水介質中積累儲存了豐富的Mn2+離子。

南華紀早期，富含錳離子的巨大古海洋水體，一旦遇到有適宜的古地理、古氣候、半地塹或地塹式裂谷盆地及海平面迅速大幅度上升、菌藻類浮游微生物的大量繁盛和適當的物理、化學條件，Mn2+就會與HCO3-離子相結合，以MnCO3質點的形式穩(wěn)定淀出并大量聚集成礦[3，4，6]。 適宜的聚錳環(huán)境長期穩(wěn)定、反復存在也是形成該區(qū)域內一些菱錳礦床中的多層富厚礦體的時間因素之一。

4.2? 菱錳礦床的沉積古地理環(huán)境及物理、化學條件

在成錳期，松桃地區(qū)的古緯度處于北緯19°～20°之間[8]，其沉積盆地位于一個較寬闊的溫暖、陽光充足、清澈的局限至半局限海岸—淺海陸架區(qū)，發(fā)育北東東走向的半地塹、地塹盆地和具障壁性質的隆起帶，海流頻繁，水介質微環(huán)境的溫度和壓力變化范圍適合各種浮游生物的生存，是生物繁殖和碳酸鹽沉淀的理想場所[3]。

對菱錳礦石的Eh值和Ph值測定可知[7]，菱錳礦形成時的Ph值在7～8，Eh值在-0.3EV左右。在此缺氧還原、堿性的水介質條件下，海水中的Mn2+離子易與HCO3-離子結合生成MnCO3析出沉淀。其化學反應方程式如下：

Mn2++（ HCO3-） 2? MnCO3↓+CO2↑+H2O

菌藻類生命活動需要吸收CO2氣體，致使反應向右進行，從而促進了碳酸錳質點的穩(wěn)定析出，并大量沉淀。

4.3 菱錳礦床與沉積盆地、古構造之間的關系

“沒有盆地就沒有石油”，“沒有盆地就沒有錳礦”，這已經成為石油或者大塘坡式錳礦勘探者的共識。自從1962年首次在松桃縣大塘坡村發(fā)現錳礦以來的半個多世紀里，地質勘探者越來越認識到沉積盆地、裂谷作用、古氣候和全球海平面變化、菌藻類浮游微生物的繁盛對黔東北及鄰區(qū)新元古界大塘坡組菱錳礦床及其賦礦地層的顯著控制作用，而沉積盆地的形成、走向、規(guī)模、形態(tài)以及沉降幅度、充填類型、充填層序等又受控于古斷裂構造，特別是雪峰期構造運動形成的斷裂構造。而且，這些古斷裂后續(xù)的周期性活動及地殼的周期性均衡沉降對沉積建造也起了顯著的控制作用，使得這些由雪峰期裂谷作用形成的走向北東東向的半地塹、地塹盆地中充填了南華系巨厚的陸源碎屑物。

5 結? 語

黔湘渝鄂毗鄰地區(qū)新元古界大塘坡組菱錳礦礦床屬于典型的海洋化學-生物化學沉積型菱錳礦床。大塘坡式菱錳礦屬于一種海洋自生碳酸鹽巖，在橫向上常與含錳白云巖、白云巖、灰?guī)r呈過渡關系，其結構構造又類似于灰?guī)r、白云巖。作者認為，要形成區(qū)域上那么多的大中型菱錳礦床，必須要在成錳期之前漫長的地殼演化中，由巖漿-火山作用、各種海底噴流、古大陸風化剝蝕和搬運、古天然氣滲漏等多種地質作用或事件，源源不斷地為海洋盆地水介質提供大量的錳質，通過長期的各種地質作用和海解作用，使海洋盆地水介質中積累儲存了豐富的Mn2+離子。在成錳期，其沉積盆地位于一個較寬闊的溫暖、陽光充足、清澈的局限至半局限海岸—淺海陸架區(qū)，海流頻繁。菱錳礦形成時的Ph值在7～8，Eh值在-0.3EV左右。在此缺氧還原、堿性的水介質條件下，海水中的Mn2+離子易與HCO3-離子結合生成MnCO3析出沉淀。適宜的聚錳環(huán)境長期穩(wěn)定、反復存在也是形成該區(qū)域內一些菱錳礦床中的多層富厚礦體的時間因素之一。

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[14]鄭杰. 黔東北地區(qū)大塘坡式錳礦床沉積相分析[D].成都理工大學學報，2019.

作者簡介：

何桁（1986，11-），男，漢族，四川成都，本科畢業(yè)（學士），地質工程師，研究方向：基礎地質、水工環(huán)地質、礦產資源等方面的研究。

*通訊作者：何明華（1962，7-），男，漢族，貴州松桃，本科畢業(yè)（學士），高級地質工程師，研究方向：區(qū)域地質、礦產勘查、基礎地質等方面的研究。