重慶秀山小茶園地區(qū)南華紀(jì)大塘坡組沉積環(huán)境與錳礦產(chǎn)出規(guī)律

劉振,馬志鑫,劉偉,凌云

1.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400042

2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 400042

3.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081

4.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局607地質(zhì)隊(duì)，重慶 400054

0 引言

錳礦是沉積型礦床的典型代表，我國南華紀(jì)大塘坡組(Nh1d)中產(chǎn)出的菱錳礦礦床，廣泛分布于揚(yáng)子陸塊東南緣渝湘黔地區(qū)，俗稱為“大塘坡式”錳礦[1-2]?！按筇疗率健卞i礦資源儲量巨大，已經(jīng)成為我國最重要的錳礦類型和新的世界級超大型錳礦床[1-3]。南華紀(jì)“大塘坡式”錳礦床，是Rodinia超大陸裂解背景下的一次大規(guī)模的錳礦成礦沉積，構(gòu)造活動(dòng)、熱液活動(dòng)和火山活動(dòng)在成錳期較為強(qiáng)烈，成錳盆地的分布受區(qū)域性的斷裂控制[4-6]。前人從沉積時(shí)代、沉積環(huán)境、古氣候、成礦條件、物質(zhì)來源等方面對該地區(qū)一些典型錳礦區(qū)進(jìn)行了深入研究[7-11]。

近些年來，對于“大塘坡式”錳礦的成礦規(guī)律以及相關(guān)的沉積學(xué)和礦床學(xué)的研究表明，該類礦床受到沉積盆地中沉積相帶的影響[12-16]，例如，貴州松桃大塘坡錳礦、西溪堡錳礦、道坨錳礦，其礦體展布規(guī)律與沉積盆地的相帶有密切的關(guān)系[1,17]。

重慶秀山東南部的小茶園錳礦，與貴州南華紀(jì)“大塘坡式”錳礦床具有相似的地質(zhì)背景。近年來該礦區(qū)取得了大量找礦和勘查成果[3,18]，為全面深入研究南華“大塘坡式”錳礦提供了新的素材。前人對該錳礦開展了古環(huán)境條件方向的研究，認(rèn)為錳礦主要產(chǎn)于大塘坡組一段(Nh1d1)下部相對深水厭氧的局限邊緣盆地環(huán)境中[19-20]。本文旨在前人研究的基礎(chǔ)之上，結(jié)合詳細(xì)的礦區(qū)地質(zhì)資料和豐富的鉆孔數(shù)據(jù)，揭示該礦區(qū)沉積相展布與錳礦產(chǎn)出之間的關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

重慶秀山地區(qū)位于華南板塊中揚(yáng)子地塊與華夏地塊結(jié)合部位(圖1)。新元古代發(fā)生全球性裂谷作用，引起Rodinia超大陸分裂解體，在華南形成南華裂谷盆地[6]。在南華紀(jì)裂谷盆地中，形成一系列NE向展布的次級地塹和地壘，如溪口—小茶園地塹、秀山—甘龍地壘、松桃地塹、銅仁鎮(zhèn)遠(yuǎn)地壘、萬山—岑鞏地塹等[4]。小茶園礦區(qū)位于溪口小茶園次級地塹，研究區(qū)南華系自下而上包括千子門組(Nh1q)、大塘坡組(Nh1d)和南沱組(Nh2n)(圖1)。千子門組(Nh1q)主要以含礫巖屑砂巖、礫巖、粉砂質(zhì)水云母頁巖、長石巖屑砂巖等組成，代表了斯圖特冰期沉積與下伏板溪群呈角度不整合接觸，厚度5.4～27 m。大塘坡組(Nh1d)，根據(jù)其巖性特征將之分為兩段，分別為大塘坡組一段(Nh1d1)和大塘坡組二段(Nh1d2)。其中大塘坡組一段(Nh1d1)主要為黑色含碳質(zhì)水云母頁巖、粉砂質(zhì)含碳質(zhì)水云母頁巖，夾菱錳礦層，與下伏千子門組呈整合接觸，厚度5.9～48 m；大塘坡組二段(Nh1d2)底部為含綠泥石質(zhì)水云母頁巖、含碳質(zhì)粉砂質(zhì)水云母頁巖，頂部為粉砂質(zhì)水云母頁巖，厚度92.1～118 m。大塘坡組代表了間冰期沉積。南沱組(Nh2n)：下部為含礫(礫質(zhì)不等粒)長石巖屑砂巖，厚度54.1～69 m。中上部為含礫或礫質(zhì)長石巖屑砂巖，厚度21～46 m。南沱組代表了馬里諾冰期沉積，與下伏大塘坡組整合接觸。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置(a)及地層簡圖(b)(修改自文獻(xiàn)[5])Fig.1 The tectonic sketch map(a)and stratigraphic sequence(b)of the study area(modified from reference[5])

2 礦化地質(zhì)特征

2.1 含礦巖系特征

小茶園礦區(qū)錳礦主要賦存于南華系大塘坡組一段(Nh1d1)下部，其巖性主要為黑色碳質(zhì)頁巖，有星點(diǎn)狀黃鐵礦發(fā)育，下部夾多層菱錳礦層。區(qū)域內(nèi)含礦層厚度變化明顯，錳礦厚度、品位均隨含礦巖性厚度變化。小茶園礦區(qū)大塘坡組一段(Nh1d1)含礦巖系可以分為以下5層，由下而上依次為：1)黃灰色—灰色含礫巖屑砂巖、礫巖，厚0.26～5.5 m；2)黑色含碳質(zhì)粉砂質(zhì)水云母頁巖，局部夾碳酸錳礦體，厚0～0.97 m；3)灰至黑色含礫長石巖屑砂巖，厚0～2.60 m；4)由黑色含碳質(zhì)水云母頁巖，含碳質(zhì)水云母黏土巖，以及菱錳礦組成含礦層。圍巖通常含有少量呈微層狀的菱錳礦層和分散狀的菱錳礦。圍巖中含碳質(zhì)泥質(zhì)物含量一般在10%～25%，個(gè)別地段<10%，而在富含錳礦地段可高達(dá)30%；水云母、絹云母黏土含量在60%～85%；5)黑色含泥質(zhì)水云母頁巖、黑色水云母頁巖、黑色含粉砂質(zhì)水云母頁巖，偶夾灰色凝灰?guī)r條帶，底部有時(shí)夾含碳質(zhì)含菱錳礦條帶水云母頁巖。與上、下部巖層均呈漸變關(guān)系，厚28.10～39.60 m。

圖2 小茶園錳礦區(qū)典型巖芯特征(a,b)氣泡狀菱錳礦礦石(ZK2701)；(c～f)軟沉積變形紋理(ZK0606)Fig.2 Typical core characteristics of Xiaochayuan mining area(a,b)bubble rhodochrosite ore(ZK2701);(c～f)soft deposit deformation texture(ZK0606)

2.2 礦體地質(zhì)特征

小茶園礦區(qū)錳礦礦體形態(tài)簡單，礦體走向近NE，傾角7°～15°，呈餅狀、透鏡狀、豆莢狀、少有似層狀。礦體厚度變化明顯，礦體厚度隨賦礦層厚度變化。礦體厚度與礦體形態(tài)有關(guān)，透鏡狀礦體厚度變化較為明顯，餅狀礦體厚度穩(wěn)定。錳礦礦體多呈現(xiàn)單個(gè)連續(xù)賦存于含礦層內(nèi)，其長度約為5～57 m，礦體厚度0.3～3.4 m(以ZK3501為例)，品位8%～24%，品位大于20%的礦體居多。

3 賦礦地層沉積環(huán)境分析

在南華裂谷盆地演化過程中，在裂谷盆地內(nèi)形成了一系列次級塹壘構(gòu)造，“大塘坡式”錳礦床多形成于次級裂谷盆地內(nèi)的地塹盆地中[3,14]。通過對小茶園錳礦區(qū)不同位置的鉆孔巖芯、露頭進(jìn)行巖石學(xué)和沉積學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)賦礦地層形成于相對深水的還原環(huán)境。根據(jù)含礦巖系沉積相特征，將小茶園錳礦區(qū)劃分為三個(gè)沉積相帶，依次為盆地中心相、邊緣相和斜坡相，其具體特征如下。

3.1 盆地中心相

宏觀上表現(xiàn)為黑色薄紋層狀碳質(zhì)頁巖，星點(diǎn)狀黃鐵礦近順層分布，多見水平層理，在含礦層中發(fā)育氣泡狀沉積構(gòu)造(圖2a，b)，可能為古天然氣滲漏作用發(fā)育的標(biāo)志[3]。顯微鏡下表現(xiàn)為碳質(zhì)泥巖，含少量細(xì)晶石英顆粒(圖3a)，掃描電鏡下見大量草莓狀黃鐵礦(圖3d)。黃鐵礦硫同位素δ34Spy出現(xiàn)異常高的正值，為52.85‰～56.79‰，與大塘坡、道坨地塹沉積成錳盆地中心相特征一致[20]，TOC含量為1.7%～9.72%，鐵組分指標(biāo)FeHR/FeT>0.38，氧化還原敏感元素U、Mo、V富集程度高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(0.52～3.2)×10-6，(0.35～56.0)×10-6，(36.4～185.0)×10-6[20]，指示當(dāng)時(shí)的海洋化學(xué)條件是缺氧還原環(huán)境。而且，盆地中心相中錳礦體與含錳巖系的厚度最大，錳礦體厚度1.1～2.3 m，大塘坡組一段(Nh1d1)厚約17.6～23.8 m，錳礦石多為塊狀，品位較高，介于8%～24%。

圖3 小茶園礦區(qū)大塘坡組顯微特征(a)灰黑色含碳質(zhì)泥巖；(b)含粉砂質(zhì)碳質(zhì)泥巖；(c)含碳質(zhì)粉砂巖；(d)草莓狀黃鐵礦Rds.菱錳礦，Cal.方解石，Q.石英Fig.3 Microscopic Characteristics of Datangpo Formation in Xiaochayuan mining area(a)gray-black carbonaceous mudstone;(b)silty carbonaceous mudstone;(c)carbonaceous siltstone;(d)framboidal pyrite.Rds=rhodochrosite,Cal=calcite,Q=quartz

3.2 盆地邊緣相

宏觀露頭或巖芯表現(xiàn)為灰黑色含粉砂質(zhì)碳質(zhì)頁巖，夾有不規(guī)則狀砂巖透鏡，發(fā)育軟沉積變形，如滑塌構(gòu)造、包卷層理(圖2c～f)，顯示濁流沉積特征。顯微觀察發(fā)現(xiàn)，巖石中含少量微晶石英顆粒(圖3b)，含量約10%～15%，發(fā)育粒序?qū)永恚湎虏繛榉凵皫r，向上粉砂質(zhì)減少，逐步過渡到碳質(zhì)頁巖。含礦層中亦發(fā)育草莓狀黃鐵礦，黃鐵礦硫同位素值δ34Spy較中心相異常值降低，為44.2‰～52.9‰，氧化還原敏感元素U、Mo、V含量比中心相低，為(0.71～3.41)×10-6，(0.86～37.80)×10-6，(51.0～166.0)×10-6，指示相對貧氧的水體條件；此外邊緣相中錳礦體與含錳巖系的厚度較中心相變薄，錳礦厚度0.1～1 m，含錳巖系大塘坡組一段(Nh1d1)厚約17.4～23 m，錳礦石以條帶狀產(chǎn)出為主，伴有塊狀錳礦石，礦石品位降低，介于10%～14%。

3.3 斜坡相

宏觀巖性為深灰色含碳質(zhì)粉砂巖，夾深灰色礫屑砂巖層，礫屑成分為鈣質(zhì)或硅質(zhì)(圖3c)，局部礫屑砂巖層中含菱錳礦顆粒團(tuán)塊，呈橢球形或不規(guī)則形態(tài)，大小為0.2～0.5 cm。草莓狀黃鐵礦發(fā)育較差，黃鐵礦硫同位素值δ34Spy更低，為30.5‰～45.1‰，TOC含量低，為0.26%～2.5%，指示相對富氧的水體環(huán)境；斜坡相中錳礦體厚度與含錳巖系厚度為三個(gè)相帶中最薄者，錳礦石主要表現(xiàn)為條帶狀構(gòu)造產(chǎn)出，品位降低，一般為8%～10%。

4 小茶園錳礦空間分布及成礦規(guī)律

4.1 小茶園錳礦空間分布特征

通過對鉆孔巖性的詳細(xì)觀察和統(tǒng)計(jì)，小茶園礦區(qū)大塘坡組(Nh1d)錳礦的厚度呈現(xiàn)出由中心相向邊緣相逐漸降低的規(guī)律，如ZK2701、ZK16-7、ZK41-3、ZK0606、ZK25-1鉆孔的大塘坡組(Nh1d)厚度分別為163.8 m、151.26 m、153.87 m、131.95 m、108.7 m，平均厚度141.92 m。大塘坡組一段(Nh1d1)的厚度呈現(xiàn)出由地塹盆地西南到東北由薄變厚再變薄的規(guī)律(圖4)。如位于盆地西南方向ZK0902、ZK0502鉆孔的含錳巖系厚度變化為16.16～17.4 m，平均為16.78 m，位于盆地中部的ZK19-1、ZK16-7、ZK41-3、ZK0905鉆孔的含錳巖系厚度變化為19.14～24.44 m，平均為22.77 m，位于盆地東北方向ZK0606鉆孔的含錳巖系厚度為16.03 m。大塘坡組(Nh1d)與大塘坡組一段(Nh1d1)厚度的變化均表現(xiàn)出中心相最厚，邊緣相變薄的特征。

圖4 小茶園礦區(qū)錳礦床含錳巖系柱狀對比圖1.大塘坡組二段；2.大塘坡組一段；3.千子門組；4.含砂質(zhì)碳質(zhì)頁巖；5.碳質(zhì)頁巖；6.菱錳礦；7.地層界線；8.大塘坡組一段厚度；9.菱錳礦厚度Fig.4 Columnar comparison of manganese-bearing strata in the Xiaochayuan mining area1.the second member of Datangpo Formation;2.the first member of Datangpo Formation;3.Qianzimen Formation;4.sandy carbonaceous shale;5.carbonaceous shale;6.rhodochrosite;7.stratigraphic boundary；8.thickness of the first member of Datangpo Formation;9.rhodochrosite thickness

平面上，含錳巖系厚度等值線長軸為NE向，且含錳巖系厚度高值區(qū)與盆地中心相位置相同，由盆地中心相向盆地邊緣相含錳巖系厚度逐漸變薄(圖5a)。錳礦體厚度與含錳巖系厚度的變化規(guī)律基本一致(圖5a，b)，以ZK2701(2.83 m)、ZK7103(2.2 m)為中心的菱錳礦體，向成錳盆地邊緣菱錳礦礦體厚度逐漸變薄(圖5b)。

由圖5可見，菱錳礦體走向?yàn)镹E 60°左右，與小茶園錳礦所處地塹盆地走向保持一致。兩個(gè)沉積中心特征較為明顯，由沉積中心向盆地邊緣含錳巖系與錳礦體厚度逐漸變薄。

通過對沉積盆地三個(gè)相帶內(nèi)鉆孔的大塘坡組(Nh1d)厚度、含錳巖系厚度、錳礦體厚度的相關(guān)性圖解發(fā)現(xiàn)，錳礦體厚度隨著大塘組厚度和含錳巖系厚度增加而增加，并且當(dāng)大塘坡組(Nh1d)厚度與含錳巖系厚度過低時(shí)，錳礦體也隨之消失(圖6)。對比大塘坡組(Nh1d)厚度與錳礦體厚度關(guān)系曲線和含錳巖系厚度與錳礦體厚度關(guān)系曲線可知，含錳巖系厚度變化對錳礦體厚度的影響更為明顯，二者相關(guān)性更強(qiáng)，進(jìn)一步證實(shí)了盆地中心相更有利于錳礦的沉積。

通過對比成錳盆地內(nèi)三個(gè)沉積相帶的含礦性特征(表1)可發(fā)現(xiàn)，盆地中心相含礦性最好，礦體厚度最大、品位最高；盆地邊緣相的含礦性、礦體形態(tài)、品位與中心相均有差異，斜坡相含礦性最差、不穩(wěn)定，部分鉆孔無礦。

通過對小茶園錳礦區(qū)的含錳巖系厚度等值線圖和錳礦體厚度等值線圖(圖5)的對比可以發(fā)現(xiàn)，錳礦體厚度高值區(qū)與含錳巖系厚度高值區(qū)的空間位置是對應(yīng)的，并且其高值區(qū)內(nèi)鉆孔主要分布在成錳盆地中心相內(nèi)(圖7)。根據(jù)成錳盆地的相帶劃分規(guī)律可知，由盆地中心向邊緣，錳礦體的厚度逐漸變薄，品位也逐漸變差。但在NE60°方向上礦體厚度的變化比其它方向上礦體厚度的變化相對穩(wěn)定。因此可知，小茶園錳礦床的產(chǎn)出受到成錳盆地內(nèi)沉積相帶的控制。

根據(jù)小茶園錳礦區(qū)內(nèi)鉆孔巖芯的沉積相特征，確定成錳盆地內(nèi)存在2個(gè)沉積中心(圖7)，依次位于ZK7103、TC81和CL104、ZK2701、ZK0905一帶，兩個(gè)沉積中心串珠狀展布，斜坡相與邊緣相由中心相向盆地邊緣展布，三者均受到成錳盆地影響，空間上呈現(xiàn)沿NE向發(fā)育。這與前人在貴州、湖南地區(qū)揭示的南華紀(jì)成錳盆地分布的規(guī)律具有一致性[3-4]。

圖5 小茶園礦區(qū)錳礦床含礦巖系和礦體厚度分布圖(a)含錳巖系厚度等值線圖；(b)錳礦體厚度等值線圖圖中厚度等值線圖范圍與圖1研究區(qū)范圍對應(yīng)Fig.5 Distribution map of ore-bearing rock series and ore body thickness of manganese deposit in Xiaochayuan mining area(a)Manganese rock series thickness contour map;(b)Rhodochrosite body thickness contour map.The range of the isopach map corresponds to the range of the study area in Fig.1

圖6 小茶園礦區(qū)錳礦體厚度與賦礦地層關(guān)系圖(a)大塘坡組地層厚度與礦體厚度關(guān)系圖；(b)含錳巖系與礦體厚度關(guān)系圖Fig.6 Diagram of relationship between manganese ore body thickness and ore-bearing strata in Xiaochayuan mining area(a)relation diagram between strata thickness of the Datangpo Formation and ore body thickness;(b)relationship between manganese-bearing strata and ore body thickness

4.2 小茶園錳礦成礦規(guī)律

通過對重慶秀山小茶園錳礦區(qū)沉積構(gòu)造特征與沉積厚度的分析，結(jié)合鄰區(qū)貴州、湖南地區(qū)大塘坡組(Nh1d)沉積特征，得出該地區(qū)南華紀(jì)發(fā)育一系列NE走向的次級裂谷盆地[4,20]。大塘坡組(Nh1d)錳礦的錳質(zhì)來源與南華紀(jì)的構(gòu)造演化有密切的聯(lián)系，隨著南華紀(jì)期的大陸裂解，多期次的火山活動(dòng)提供了大量的含錳熱液，大陸裂解產(chǎn)生的斷裂構(gòu)造為含錳熱液提供了運(yùn)輸通道。此外，正Eu異常、Sr-Nd同位素證據(jù)也證明大塘坡組(Nh1d)錳質(zhì)主要為熱液來源[9]。

錳在氧化環(huán)境中以氧化物的形式沉淀，在還原環(huán)境中則以Mn2+離子形式溶解于水體中，水體的氧化還原條件是控制錳礦沉積的重要因素。通過鐵組分、氧化還原敏感元素對大塘坡組一段(Nh1d1)氧化還原條件的的研究表明大塘坡組一段(Nh1d1)下部整體為缺氧環(huán)境，但并非一成不變，而是夾有貧氧環(huán)境段，貧氧環(huán)境段有利于菱錳礦的形成，缺氧環(huán)境段有利于黃鐵礦的形成[8-9]。此外，通過CIA對于古氣候的研究也表明，從千子門組(Nh1q)到大塘坡組(Nh1d)，氣候整體由寒冷干燥向溫暖濕潤轉(zhuǎn)化，但其間冰期轉(zhuǎn)化過程中也存在多個(gè)寒冷氣候段，且寒冷氣候段與錳礦的產(chǎn)出具有一定耦合關(guān)系[8,21]。

表1 小茶園地區(qū)大塘坡組沉積相與含礦性表Table 1 Sedimentary facies and ore characteristics of Datangpo Formation,Xiaochayuan area

圖7 小茶園礦區(qū)沉積相與錳礦分布圖Fig.7 Sedimentary facies and manganese distribution in Xiaochayuan mining area

研究區(qū)發(fā)育的一系列次級地塹盆地在拉張作用下，形成了下地殼與地幔聯(lián)通的斷裂通道，這些通道處于裂谷盆地的中心，海底熱液產(chǎn)生大量錳絡(luò)合離子，并伴隨甲烷滲漏[20]，這些錳絡(luò)合物不易在熱液中沉淀，被運(yùn)移到相對封閉的盆地環(huán)境。千子門組(Nh1q)沉積時(shí)期，海洋表層被冰層覆蓋，缺少與大氣交換，使海水成為富含Mn2+的缺氧水體，同時(shí)在底部聚集天然氣水合物[4]。隨著冰川的逐漸消融，海水分層性增強(qiáng)，在氧化—還原界面以上為氧化帶，下部為缺氧帶，而底部形成富含H2S和天然氣水合物水體。在氧化帶，Mn主要以MnO2形式沉淀。間冰期海水與大氣間的循環(huán)加強(qiáng)，部分陸源碎屑、錳質(zhì)以及淡水注入海水中，在臺盆邊緣產(chǎn)生一些重力流沉積，將氧化帶沉積的MnO2沉淀物帶入到盆地底部，MnO2通過厭氧呼吸作用，被還原成Mn2+，在厭氧菌的作用下與CO32-結(jié)合形成部分錳碳酸巖[8]。上述錳碳酸巖富含MnCO3和CaCO3，在成巖作用階段存在Mn2+交代Ca2+形成的菱錳礦；隨著成巖過程的深入，錳碳酸巖經(jīng)過壓實(shí)、壓溶、重結(jié)晶等成巖作用形成菱錳礦。

通過小茶園錳礦的鉆孔、露頭資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，錳礦主要產(chǎn)出于盆地中心相，這很可能是由于盆地中心相水體相對更加缺氧，冰期水體中賦存了較多的Mn2+，間冰期相對還原的環(huán)境有利于菱錳礦的形成。而盆地邊緣相、斜坡相地區(qū)，水體缺氧程度減弱，賦存Mn2+減少，間冰期相對氧化的環(huán)境不利于菱錳礦的形成。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)小茶園錳礦成錳盆地內(nèi)含錳巖系沉積構(gòu)造特征，識別出三個(gè)主要沉積相帶，盆地中心相、盆地邊緣相、斜坡相。

(2)小茶園礦區(qū)錳礦體厚度的空間變化與含錳巖系、大塘坡組厚度的空間的變化規(guī)律相一致，二者呈正相關(guān)關(guān)系。

(3)小茶園礦區(qū)錳礦床礦體展布方向與小茶園地塹盆地長軸方向基本保持一致，且礦床的空間展布受到盆地沉積相帶控制，盆地中心和邊緣相對缺氧還原的環(huán)境有利于菱錳礦的形成。