湘中地區(qū)“湘潭式”錳礦成礦地質(zhì)條件分析

肖德長(zhǎng)，華 二，叢 源，陳 旭，雷玉龍，劉 虎，黃 飛，孫 芳，蔣型義

(1.中國(guó)冶金地質(zhì)總局中南地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430081；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；.中國(guó)冶金地質(zhì)總局湖南地質(zhì)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410016)

0 引言

湘中地區(qū)位于揚(yáng)子陸塊東南緣錳礦成礦帶[1]，為我國(guó)主要的錳礦礦集區(qū)之一。區(qū)內(nèi)錳礦主要賦存于南華系大塘坡組與奧陶系煙溪組，其中，賦存于南華系大塘坡組的錳礦有湘潭錳礦、金石錳礦、九潭沖錳礦、棠甘山錳礦等 (圖1b)[2-7]，以湘潭錳礦規(guī)模最大、最為典型，因此，稱之為“湘潭式”錳礦。研究區(qū)內(nèi)含錳地層南華系大塘坡組廣泛分布，錳礦成礦地質(zhì)條件良好，但地質(zhì)研究工作程度偏低，尤其是對(duì)“湘潭式”錳礦的成礦地質(zhì)條件與錳質(zhì)來(lái)源方面，研究工作甚少。

本文在湘中地區(qū)“湘潭式”錳礦野外地質(zhì)調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合前期的研究成果，闡述了錳礦成礦地質(zhì)背景，分析與總結(jié)了錳礦成礦地質(zhì)條件和錳質(zhì)來(lái)源。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于江南造山帶中段，北西與揚(yáng)子陸塊東南緣相接，南東與華夏陸塊北西緣毗鄰 (圖1a)。南華紀(jì)大塘坡期，地質(zhì)年代為662.9 Ma～630 Ma之間[9]，本區(qū)位于淺海盆地相區(qū)，在大塘坡期早期形成了一套以炭質(zhì)頁(yè)巖為主的黑色巖系，“湘潭式”錳礦即產(chǎn)于南華系大塘坡組下部的黑色巖系。

由于Rodinia超大陸裂解和華南新元古代裂谷盆地演化，區(qū)域上形成了一系列的被動(dòng)陸緣裂谷，并進(jìn)一步形成大致等間距分布的NE向次級(jí)裂陷盆地群，局限封閉的裂陷盆地是錳質(zhì)聚集的有利場(chǎng)所，為錳礦的形成提供了良好的富集空間。湘中地區(qū)在上述構(gòu)造背景下形成了湘潭沉積成錳盆地。

區(qū)內(nèi)地層自青白口系、南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系至第四系均有出露，南華系自下而上分為長(zhǎng)安組、富祿組、大塘坡組、南沱組，其中，大塘坡組第一段為一套以炭質(zhì)頁(yè)巖為主的黑色巖系，是“湘潭式”錳礦床的賦存巖系。

巖漿巖主要有桃江、芙蓉、溈山、歇馬、紫云山等巖體，巖性主要為二長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖，形成于志留紀(jì)、三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)，為加里東期、印支期和燕山期產(chǎn)物。

對(duì)含錳巖系分布影響較大的褶皺構(gòu)造有龍?zhí)痢＝承?、老屋侖背斜、芙蓉穹窿、溈山穹窿、歇馬隆起、金磨向斜及仙女山背斜。斷裂構(gòu)造以NE向?yàn)橹?，其次為NW向、近EW向，對(duì)含錳巖系及錳礦層的連續(xù)性起到破壞作用。

2 成礦地質(zhì)特征

2.1 含錳巖系沉積建造

研究區(qū)已有“湘潭式”錳礦床10處，其中大型礦床1處(湘潭錳礦)，中型礦床3處(棠甘山錳礦、九潭沖錳礦、金石錳礦)，小型礦床6處(黃龍?zhí)跺i礦、三尖峰錳礦、磨子潭錳礦、煙田錳礦、白云庵錳礦、楠木沖錳礦)，另發(fā)現(xiàn)有丫峰山、蒼溪侖、白竹山、易家灣、羅家等多處錳礦點(diǎn)。

“湘潭式”錳礦含錳巖系為南華系大塘坡組第一段，自南東九潭沖至北西黃龍?zhí)逗i巖系沉積建造特征見(jiàn)表1。

表1 “湘潭式”錳礦含錳巖系沉積建造特征

2.2 含礦巖系與錳礦層(體)的厚度變化規(guī)律

研究區(qū)已有勘查資料表明，含錳巖系與錳礦層在厚度變化上具有正相關(guān)規(guī)律。含錳巖系厚度越大，錳礦層厚度越大、品位越高。一般來(lái)說(shuō)，含錳巖系厚度8 m以上賦存工業(yè)錳礦體，8 m以下無(wú)工業(yè)錳礦體產(chǎn)出。

3 礦床地質(zhì)特征

3.1 礦體特征

在湘潭九潭沖一帶，含錳巖系厚2.20～38.17 m。見(jiàn)上、下兩層錳礦層，上礦層呈似條帶狀，厚0.94～4.91 m，平均厚2.35 m，Mn品位為14.34%～17.88%；下層礦呈塊狀，厚0.48～1.5 m，平均0.84 m，Mn品位為15.78%～19.83%。

至湘潭錳礦一帶，含錳巖系厚3.9～58.0 m。一般只有一層錳礦層，局部在主礦層之上2～4 m的黑色頁(yè)巖中，夾1～2層透鏡狀小礦體。主礦層厚0.22～5.84 m，平均厚1.38 m，Mn平均品位為22.99%。

至湘鄉(xiāng)金石一帶，含錳巖系厚6.4～35.5 m。見(jiàn)一層碳酸錳礦層，厚度一般為1～3 m，最大厚度4.64 m，平均厚2.14 m，Mn平均品位為18.71%。

至漣源三尖峰—安化黃龍?zhí)兑粠Вi巖系厚3.25～46.93 m。一般只見(jiàn)一層錳礦層，部分地段見(jiàn)2～3層礦。棠甘山錳礦見(jiàn)上、下兩層錳礦層，下層礦為條帶狀碳酸錳礦層，厚0.5～5.56 m，平均厚1.09 m，Mn品位為15.04%～34.68%，平均品位為20.4%；上礦層為互層礦，由薄層碳酸錳礦層與炭質(zhì)頁(yè)巖構(gòu)成互層，厚0.07～6.90m，平均厚1.38 m，含錳為3.18%～15.83%，平均10.18%。

安化丫峰山—桃江易家灣一帶，含錳巖系厚5.0～26.5 m。一般只見(jiàn)一層錳礦層，局部見(jiàn)兩層礦。主礦層厚0.8～4.0 m，深部碳酸錳礦石Mn品位為8.15%，地表氧化錳礦石Mn品位為7.07%～30.50%。

錳礦層主要呈層狀、似層狀產(chǎn)出，其次為透鏡狀，產(chǎn)狀與圍巖基本一致。

3.2 礦石特征

深部原生礦為碳酸錳礦石，近地表經(jīng)氧化后為氧化錳礦石。礦石主要結(jié)構(gòu)有泥晶結(jié)構(gòu)、微晶結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)造為塊狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造。碳酸錳礦石主要含錳礦物為菱錳礦、鈣菱錳礦、錳方解石、含錳方解石；氧化錳礦石主要含錳礦物為硬錳礦、軟錳礦、偏錳酸礦。

4 成礦地質(zhì)條件

4.1 地層、巖性條件

研究區(qū)“湘潭式”錳礦床嚴(yán)格賦存于中南華統(tǒng)大塘坡組第一段，與黑色頁(yè)巖含錳建造密切相關(guān)。含礦性較好的地段含錳巖系自下而上巖性組合：線理狀黑色炭質(zhì)頁(yè)巖-互層狀碳酸錳礦層-薄片狀黑色炭質(zhì)頁(yè)巖-條帶狀碳酸錳礦-黑色炭質(zhì)頁(yè)巖。

研究區(qū)南華系中統(tǒng)大塘坡組地層受三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)巖漿作用影響，總體上呈NW—SE、近EW向展布。在北西部主要分布于龍?zhí)痢＝承蹦弦?、老屋侖背斜兩翼、芙蓉穹窿兩翼；中部分布于溈山穹窿兩翼、金磨向斜兩翼；南東部分布于歇馬隆起北東翼、仙女山背斜北西翼。大塘坡組根據(jù)巖性特征分兩段，第一段主要為炭質(zhì)頁(yè)巖夾菱錳礦或含錳灰?guī)r、含錳白云巖，為“湘潭式”錳礦的含錳巖系，厚3.25～58 m；第二段在區(qū)內(nèi)大部分地段缺失，僅在湘潭錳礦深部鉆孔中可見(jiàn)，為一套青灰色—黑色鈣質(zhì)頁(yè)巖夾泥灰?guī)r，厚度大于100 m(未揭穿)。區(qū)內(nèi)由于大塘坡組第二段不發(fā)育，大塘坡組厚度總體較薄，但含錳巖系大塘坡組第一段較為發(fā)育，一般厚5～30 m，最厚達(dá)58 m，為錳礦成礦提供了有利的地層條件。

4.2 巖相古地理?xiàng)l件

研究區(qū)賦存工業(yè)錳礦層的巖相組合主要為炭質(zhì)頁(yè)巖-菱錳礦組合，次為炭質(zhì)頁(yè)巖-白云巖(硅質(zhì)頁(yè)巖或含錳白云質(zhì)灰?guī)r)-菱錳礦組合，泥質(zhì)炭質(zhì)頁(yè)巖-含錳硅質(zhì)灰?guī)r組合無(wú)菱錳礦體產(chǎn)出。

根據(jù)本區(qū)南華紀(jì)大塘坡期巖相古地理資料[11]，中南華世大塘坡沉積早期，研究區(qū)巖相古地理環(huán)境受總體北東高、南西低的古地貌控制，自北東往南西水體逐漸加深，北東為洞庭古陸，南東為湘東古陸，中部受隆起帶障礙，南西側(cè)較為開(kāi)闊。由北東往南西巖相古地理環(huán)境依次為陸棚淺灘、陸棚平原、淺海棚內(nèi)—棚緣盆地(局限淺水棚內(nèi)槽盆、潮下陸棚內(nèi)—棚緣隆起、局限淺水棚緣槽盆)、棚緣平原 (圖2)。沉積相標(biāo)志顯示，“湘潭式”錳礦床形成于局限或半局限的成錳沉積盆地中較閉塞、寧?kù)o的地塹或斷陷槽盆內(nèi)，淺海陸棚—棚緣過(guò)渡相區(qū)的淺水槽盆亞相(北東為淺水棚內(nèi)槽盆亞相、南西為淺水棚緣槽盆亞相)是形成工業(yè)錳礦床的有利環(huán)境條件。

4.3 古構(gòu)造條件

湘潭沉積盆地北西部受城步—新化巖石圈斷裂帶、五團(tuán)—溆浦切殼斷裂帶及芷江—安化—湘潭—瀏陽(yáng)韌性推覆剪切斷裂帶控制，北東部受仙池界—連云山韌性推覆剪切斷裂帶控制，西南部受新化—雙峰構(gòu)造斷裂帶控制，東北部受限于江南古陸，東南部受限于湘東古陸，限制了該沉積盆地發(fā)展(圖3)。

沉積盆地內(nèi)沿烏田—金磨、九潭沖、棠甘山、大福坪、羊幢等同沉積斷裂形成了凹陷帶，在同沉積斷裂凹陷帶與系列前期NNE向武陵—雪峰褶皺基底淺層平移斷裂交匯部位，形成了長(zhǎng)軸方向與同沉積斷裂一致的橢圓狀聚錳地塹槽(斷陷槽)，包括金磨地塹槽盆、烏田地塹槽盆、九潭沖地塹槽盆、連山斷陷槽盆、棠甘山斷陷槽盆、大福坪斷陷槽盆、羊幢斷陷槽盆。因此，同沉積斷裂控制著盆地內(nèi)部的凹陷帶，并與前期NNE向武陵—雪峰褶皺基底淺層平移斷裂一起，控制著聚錳地塹槽(斷陷槽)。沉積盆地內(nèi)的凹陷帶及主要呈“二帶(行)四群(列)”分布的地塹(斷陷)槽盆使區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出隆凹相間的構(gòu)造格局，進(jìn)而控制著南華紀(jì)成錳期沉積巖相的分布與錳礦床的形成。

區(qū)內(nèi)主導(dǎo)構(gòu)造(特別是常德—安仁巖石圈轉(zhuǎn)換斷層)可能為深部殼幔源無(wú)機(jī)成因氣液上升的通道，在同沉積斷裂與武陵—雪峰褶皺基底淺層斷裂交匯部位及附近垂向發(fā)育，使其與深部發(fā)育的巖石圈深大斷裂帶溝通，導(dǎo)致可能來(lái)自殼幔深部的氣液與錳質(zhì)通過(guò)巖石圈深大斷裂帶和同沉積斷層上升到斷陷(地塹)槽盆底部。

5 錳質(zhì)來(lái)源

5.1 同位素證據(jù)

湘中地區(qū)“湘潭式”錳礦含錳巖系的碳酸鹽巖碳(無(wú)機(jī)碳)同位素測(cè)試結(jié)果表明，δ13C值為-6.75‰～-10.8‰，平均值為-8.38‰(表2)，與前人所測(cè)試的華南揚(yáng)子地區(qū)其他一些典型南華系錳礦床中錳礦石的無(wú)機(jī)碳碳同位素?cái)?shù)據(jù)相一致[12-15]。與沉積碳酸鹽巖來(lái)源和有機(jī)碳來(lái)源的δ13C值的正常范圍有較大偏差，表明碳不太可能主要來(lái)自碳酸鹽巖和有機(jī)碳。研究成果表明，在相對(duì)封閉的系統(tǒng)中，地幔去氣作用產(chǎn)生的無(wú)機(jī)成因氣與母體相比在碳同位素組成上差別很小，應(yīng)該大致具有其母體的碳同位素組成，一般認(rèn)為巖漿和地幔的碳同位素δ13C值主要在-3‰至-9‰之間[16-18]，區(qū)內(nèi)菱錳礦中的δ13C值與地幔的δ13C值十分吻合，因此，認(rèn)為碳主要來(lái)源于深部幔源。

表2 湘中地區(qū)南華系大塘坡組含錳巖系碳同位素測(cè)試結(jié)果

5.2 巖石地球化學(xué)證據(jù)

湘中地區(qū)“湘潭式”錳礦床含錳巖系中炭質(zhì)頁(yè)巖和錳礦石常量元素SiO2/Al2O3、(Fe+Mn)/Ti、Al/(Fe+Mn+Al)的比值具有典型的熱水沉積特征(表3)，且錳礦成礦時(shí)熱水溶液的注入比炭質(zhì)頁(yè)巖成巖時(shí)更多；微量元素顯示出較為明顯的Co、Zn、Pb、Mo、Ba等元素富集，Th、Cr、Nb、Ni等元素虧損(表4)，Co/Ni比值和Co/Zn - (Cu+Ni+Co)、Fe - Mn - (Cu+Ni+Co)圖解都揭示錳礦成礦過(guò)程中有海底熱水(液)的參與(圖4、圖5)；稀土元素分布模式和Ce、Eu異常顯示錳礦形成于大陸邊緣裂谷環(huán)境，并具有熱水沉積特征(表5)[20]。從而認(rèn)為“湘潭式”錳礦床的錳質(zhì)主要來(lái)源于海底深大斷裂混合氣液熱流的滲流噴溢活動(dòng)。

表3 湘中地區(qū)南華系大塘坡組錳礦石和黑色頁(yè)巖主量元素測(cè)試結(jié)果

表4 湘中地區(qū)南華系大塘坡組錳礦石和黑色頁(yè)巖微量元素測(cè)試結(jié)果

表5 湘中地區(qū)南華系大塘坡組含錳巖系稀土元素測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

1)“湘潭式”錳礦的形成和分布主要受層(地層)、相(巖相)、位(構(gòu)造部位)控制。錳礦床嚴(yán)格賦存于南華系中統(tǒng)大塘坡組第一段黑色頁(yè)巖中；淺海陸棚—棚緣過(guò)渡相區(qū)的淺水槽盆亞相是形成工業(yè)錳礦床的有利場(chǎng)所；同沉積斷裂與武陵—雪峰褶皺基底淺層平移斷裂，控制著聚錳地塹槽(斷陷槽)，使其呈“二帶(行)四群(列)”分布特征。

2)含錳巖系的無(wú)機(jī)碳同位素研究表明，成礦物質(zhì)主要來(lái)源于深部幔源；常量、稀土、微量元素地球化學(xué)特征顯示錳礦形成于大陸邊緣裂谷環(huán)境，并具有熱水沉積特征，且錳礦成礦時(shí)熱水的注入比炭質(zhì)頁(yè)巖成巖時(shí)更多。