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湘西北野竹坪锰矿地质特征及成矿作用探讨

时间:2022-02-01 百科知识 版权反馈
【摘要】:研究表明,菌藻类生物与成矿关系极为密切。因此,研究其矿床地质特征,探讨成矿作用规律,对寻找类似的锰矿具有一定的实践和理论意义。2 矿床地质特征2.1 含锰黑色岩系沉积序列本区锰矿赋存于大塘坡组黑色岩系中。矿体具隐伏矿体性质,其储量占总储量的88%。
湘西北野竹坪锰矿地质特征及成矿作用探讨_追寻地质梦湖

杨洪超1,陈明辉2,娄亚利1,崔立峰1,鲍振襄3,鲍珏敏3

(1.湖南省有色地质勘查局二四五队,湖南 吉首 416007;[1]

2.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083;

3.湘西矿产资源综合研究发展中心,湖南 吉首 416007)

摘 要:野竹坪锰矿位于下震旦统大塘坡组下段黑色岩系中。成矿受武陵陆隆边缘坳陷的半局限盆地控制,形成于古陆边缘近岸的海湾潟湖中。矿石富含有机碳和藻类生物化石。研究表明,菌藻类生物与成矿关系极为密切。矿床属化学-生物化学沉积矿床。

关键词:锰矿;地质特征;微生物成矿;沉积矿床;湘西北

湘西北古丈县野竹坪锰矿为产于下震旦统大塘坡组黑色岩系中的沉积型碳酸盐矿床(以下简称锰矿)。它是湘西地区唯一的属于不需进行磷处理即可冶炼出合格的锰质合金的中磷、中铁锰矿床。因此,研究其矿床地质特征,探讨成矿作用规律,对寻找类似的锰矿具有一定的实践和理论意义。

1 区域及矿区地质概况

本区位于扬子准地台上扬子台褶带东部边缘的八面山褶皱带与江南地轴交接部位。与锰矿有关的含锰岩系为一套富含有机质的黑色碳质页岩,属下震旦统大塘坡组。含锰岩系主要由含锰碳质页岩、含藻菱锰矿层、黑色页岩及深灰色页岩等组成,系一套海湾潟湖相的陆缘含锰杂黏土岩建造。该层底部夹极薄层沉凝灰岩和凝灰质砂岩

区内出露地层主要为新元古界板溪群五强溪组、震旦系、寒武系等。地质构造比较简单。褶皱构造主要为NE向线状排列的背、向斜构造,轴部岩层倾角平缓,为8°~15°,翼部岩层倾角较陡,为30°~40°。断裂构造不发育,规模不大,对矿床影响甚小。区内岩浆活动微弱。

2 矿床地质特征

2.1 含锰黑色岩系沉积序列

本区锰矿赋存于大塘坡组黑色岩系中。按其岩性及含矿性的不同可分为上、下段。下段为黑色页岩段,上段为灰色页岩段。锰矿均产于下段黑色页岩中下部的含锰岩系中,下部为碳质页岩夹菱锰矿层,富含藻类化石,上部为深灰色页岩与黑色板状页岩互层。邻区花垣民乐锰矿,在本段底部黑色页岩之下,见有薄层灰黑色中—细粒岩屑砾岩、黑色条纹状含凝灰质中—细粒岩屑石英砂岩夹砂质页岩等。野竹坪锰矿含锰岩性序列自上而下如下。

上覆地层:南沱组深灰色冰碛岩、冰碛含砾细—粉砂岩等。

(1)大塘坡组上段。主要为灰绿色含砂质页岩,上部层理不明显,下部具水平层理。

(2)大塘坡组下段。含锰岩系:

⑤黑色薄层条带状碳质页岩,底部为含锰页岩 62~49m

④菱锰矿层(Ⅱ层矿),主要矿层 0.51~1.78m

③黑色中厚层状碳质页岩 1.42~8.77m

②菱锰矿层(Ⅰ层矿),次要矿层 0.30~0.82m

①黑色中厚层状碳质页岩 0.72~5.32m

下伏地层:下震旦统江口组砾岩及含砾砂岩。

锰矿层的直接顶底板围岩均为黑色碳质页岩夹菱锰矿条带,含Mn0.80%~9.87%,垂向上远离矿层含Mn量逐渐降低。此外,在岩石层理上,上层矿(Ⅱ层矿)顶、底板岩石薄层为黑色碳质页岩,下层矿(Ⅰ层矿)顶、底板则为薄—中厚层状黑色碳质页岩。两层矿中均无夹石。

2.2 矿体形态产状

含锰岩系地表出露长1750m,最大倾斜延深大于1000m。矿体呈似层状、透镜状,长120~1250m,宽65~615m,产状与围岩产状一致。由于受到褶皱构造波幅影响,矿体倾角呈现由地表30°~45°向深部变为8°~10°的起伏变化。

探采资料表明,上层矿(Ⅰ层矿)较下层矿(Ⅱ层矿)稳定。Ⅰ层矿体主要由数个小扁豆体状矿饼组成,单个矿体长仅1.3~10.0m,厚0.30~1.40m,含Mn14.80%~22.34%,无矿段间隔7.0~7.5m,矿体在纵、横剖面上的部位不够稳定,且延伸深度有限。Ⅱ层矿呈似层状,长1000~1250m,宽150~800m,厚0.50~1.78m,含Mn15.58%~24.61%,其厚度与品位变化均较稳定。矿体具隐伏矿体性质,其储量占总储量的88%。

此外,地表尚见少量氧化锰矿石,氧化深0~5m,厚0.34~1.5m,含Mn22.90%~45.18%。

2.3 矿石特征

矿石矿物成分简单。主要矿物为菱锰矿,次为黏土矿物与碳质、石英及微量黄铁矿,偶见长石;氧化物为褐铁矿、硬锰矿及软锰矿。菱锰矿系原生沉积矿物,粒径细小,为1~2μm,多呈不规则团块状集合体及分散的微晶与绢云母、泥质及碳质物紧密共生,含量35%~60%,最高可达80%。

矿石结构主要为隐晶结构,次为粒状结构、团粒结构及假鲕粒结构。依据菱锰矿与绢云母矿相对含量及排列方式划分矿石构造有条带状构造及块状构造,以条带状构造为主。矿石自然类型为泥质条带状碳酸锰矿石类型。

该菱锰矿石在试验室经马弗炉加温到800℃(时间20min)后进行化验,由原矿石含Mn15.68%~19.69%,平均17.88%(6件),可提高到19.61%~25.31%,平均22.67%(6件),提高率24.20%~31.48%,平均26.75%。

2.4 矿石化学成分特征

矿石化学成分主要为Si O2(19.04%~44.40%),次为Al2O3(2.65%~11.01%)、Ca O(0.88%~8.67%)、TFe(1.20%~4.60%)等,与湘西、黔东地区同层位、同类型锰矿比较,其化学成分的最大特点是:P含量(0.02%~0.24%)相对较低(表1),其Mn/Fe值为5.5,P/Mn值为0.0051,相当于中磷中铁贫锰矿石[1]。该矿石不需进行磷处理即可冶炼出合格的锰质合金。而湖南花垣民乐锰矿[2]、贵州松桃杨立掌锰矿[3]的Mn/Fe值和P/Mn值分别为7.8、6.03和0.012、0.029,属高磷高铁贫锰矿石,需要进行脱磷处理或搭配低磷矿石才能冶炼出合格的锰质合金。

据民乐锰矿22件矿石和夹石样品化学分析结果进行的相关分析表明[2],Mn与Si O2、Ti O2呈负相关关系,P与Ca O、F为正相关关系,并可合成氟磷灰石。宏观上,有害组分P在矿体中心部位含量较高,P的高值与Mn的高值区重合一致,表明P与Mn有一定的成因联系。但在微观上,镜下所见磷灰石的含量与菱锰矿的多少,没有明显的关系,表明含磷矿物与含锰矿物之间的关系是复杂的。但可以肯定的是,磷灰石是有害组分,由于矿石中磷灰石的含量的不等,故P的含量也有差异。民乐、杨立掌矿石中磷灰石的含量较高,也是矿石中的主要含磷矿物,但分布无序,矿石中P含量高而与Mn的含量无一定的对应关系。野竹坪锰矿石中则很少见到磷灰石,所以P含量也相对较低。

3 成矿作用与矿床成因

本区位于扬子古陆东南缘被动大陆边缘,晚元古代时期强烈的拉张裂陷作用,形成扬子地台大陆边缘裂陷槽。早震旦世至早寒武世中期的裂谷阶段早期诱发深大断裂,伴随褶皱隆起形成湘黔(松桃)断陷盆地。由于不均匀的拉张作用,在盆地南西部产生铜仁 古丈深大断裂,古丈断陷盆地就是在这个阶段形成的。

据区域岩相古地理(图1)分析,野竹坪锰矿大致沿古丈半岛与雪峰古陆2个侵蚀区近交会处的滞流潟湖沉积相分布,其含锰岩系的岩石组合严格受古地理条件制约,在潟湖的不同部位出现不同的岩类组合。由于含锰岩系在空间上复杂多变的沉积环境,导致地层分布、岩石类型、微古植物化石等的差异。锰矿主要产于碳质页岩泥质条带状碳酸锰组合中。

图1 野竹坪锰矿早震旦世湘锰期岩相古地理图

1.侵蚀区;2.滨海潟湖相;3.滨海边岸白云岩相;4.水下隆起含锰白云岩相;5.岩相古地理分界线;6.黑色页岩白云岩泥质碳酸锰相露头;

7.黑色页岩—泥质条带状碳酸锰相露头;8.含锰岩系缺失;9.海侵方向;10.含锰岩系等厚线(虚线为已侵蚀);11.钻孔及编号

通过对矿石化学成分分析(表1)结果表明,矿石的主要特征值与Bostrom等(1983)提出的现代热水沉积物和古代热水沉积岩的指标一致。即矿石的Fe/Ti值均大于20,Al/(Al+Fe+Mn)值均小于0.35,反映了本区矿石符合热水沉积的特征。但矿石中普遍含有较高的有机质,一般认为有机碳含量反映了有机质的含量[4]。据傅家谟研究认为在成岩过程中有机质损失约80%[5]。据此推测,矿石形成时的有机质含量可能是相当高的。这种有机质无疑来源于低等生物,而矿石中发现大量的菌藻类矿化,说明微生物是矿石中有机质的主要来源。

表1 矿石化学成分表(%)

由于湘西北地区发育的含锰碳质页岩和大量藻类物质及有机质的存在,推测成锰时期的古气候条件湿热,从而加速古大陆化学风化与剥蚀,为陆源物质的丰富来源及藻类生物的大量繁殖起到了极为重要的作用;同时,局部地区的海底火山作用及沿同生断裂上升的热水作用在锰的成矿作用过程中,也产生了一定的影响。

自从艾孟斯在锰结核中分离出Mn氧化菌和还原菌后,证明了锰矿的形成与生物有直接的关系。本区锰的成矿与藻类同样有着密切的关系。民乐锰矿球粒状菱锰矿经鉴定为蓝藻胞体化石,且矿石中蓝藻越多,锰矿越富。丰富的蓝藻化石本身就是碳酸锰矿物颗粒的特征,这清楚地反映了碳酸锰的形成与蓝藻生物作用有着直接的关系。从同生沉积阶段到早期成岩阶段,蓝藻生物具有吸取、吸附、粘结成矿物质和改变成矿物理化学条件的重要作用,在中偏碱性的介质条件下,从弱氧化到弱还原环境中,在正常含盐度的海相环境里,以Mn2-或Mn O与CO32-重新化合形成富含蓝藻化石的层纹状碳酸锰矿层,赋存于海侵序列的底部或下部。由此可见,锰在整个形成过程中,蓝藻对海解中的Mn元素起富集剂的作用。而沿同生断裂进入沉积盆地的海底热水带来的部分Mn等金属元素,在微生物的浓集下,金属离子浓度大大提高。

稀土元素是各种地质作用良好的地球化学特征示踪剂,因而对其组成和配分的研究是探讨岩(矿)石成因的重要途径之一。根据松桃锰矿围岩和矿石的稀土元素含量及稀土配分模式的研究[6],其稀土配分模式(北美页岩标准化)反映了底板泥岩的热水作用,而顶板围岩则属正常沉积。矿石样品的稀土配分曲线为略向左倾、近于直线、有弱的铈异常和铕异常。这些特点处于Fleet(1983)提供的热水沉积和非热水沉积稀土特征之间的过渡状态,是热水沉积与正常沉积的混合。

总之,湘西北地区下震旦统大塘坡组黑色岩系代表了缺氧沉积环境,缺氧环境对有机质的保存和演化有利,形成了一套富含有机质的黑色岩系。有机质含量高是黑色岩系的主要特征,生物及生物地球化学作用对它的形成起着主导作用[7]。可以认为,原始盆地是一种富含微生物的沉积盆地,温热的古气候条件和相对宁静的水动力条件,使这些微生物通过海底通道、海底热水交换作用,使沉积物中的Mn得到进一步富集,以海底热水交换为媒介,潟湖沉积盆地沉积环境和大量有机质与硫酸盐的产出,为矿床形成起了至关重要的作用。所以,湘西北下震旦统黑色岩系中的锰矿具有微生物成矿与热水成矿的双重特征。成矿作用从热水沉积阶段开始,到热水沉积与正常沉积阶段为锰的矿化高峰期,至正常沉积阶段结束。从总体上看,黑色岩系及赋存其间的锰矿在其沉积阶段及成岩成矿过程中都离不开生物地球化学作用,故矿床成因属于生物地球化学沉积范畴。

4 找矿

(1)湘西北黑色岩系中的锰矿主要赋存于下震旦统大塘坡组黑色碳质页岩中,大塘坡组地层是锰矿找矿的先决地质条件。区内凡有大塘坡组地层分布的地区,就有找到该类锰矿的可能性。但在找矿工作中必须注意的问题是,含锰岩系是锰矿赋存的唯一围岩,其有利厚度为10~60m,锰矿主要赋存于含锰岩系较厚地段,且其厚度愈大,沉积序列发育愈完整,成锰的可能性愈大,且锰矿厚度愈大,矿石质量愈佳,矿床规模亦愈大。

(2)雪峰运动后造成扬子准地台东部边缘的隆起和坳陷,为锰矿的形成提供了良好的古构造、古地理条件,锰矿主要沉积在古陆或古岛边缘海湾中的局限半局限的浅水沉积盆地,形成于浅水盆地之潮下或潮间低能带。因此,古陆或古岛边缘的海湾潟湖是锰矿成矿的良好的古构造、古地理标志。

总之,下震旦统大塘坡组黑色岩系中的碳酸锰矿为我国南方沉积型锰矿的重要类型,广泛分布于湘、黔、渝、鄂等边境一带,具有稳定的成矿层位与部位,找矿前景良好。

成文过程中,参考并引用了湖南省有色地质勘查局二四五队有关资料,谨此致谢。

参考文献

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[2]刘金山,郑钰纯.试论花垣民乐锰矿床的成因[J].湖南地质,1986,5(3):18-25.

[3]刘巽锋,王庆生,高兴基.贵州锰矿地质[M].贵阳:贵州人民出版社,1989:66-71.

[4]IDSaxby.有机质在矿床成因中的重要意义[M]//Wolf KH.层控矿床和层状矿床.第二卷,北京:地质出版社, 1980:89-101.

[5]傅家谟.有机质演化与沉积矿床成因(Ⅱ)——煤成烃类与层控矿床[J].沉积学报,1983,1(4):15-27.

[6]陈多福,陈先沛.贵州省松桃热水沉积锰矿的地质地球化学特征[J].沉积学报,1992,10(4):35-43.

[7]范德廉,刘铁兵,叶杰.黑色岩系成岩成矿过程中的生物地球化学作用[J].岩石学报,1991(2):65-72.

[1]文章来源:《2011年湖南科技论坛国土资源分论坛论文集》(下)。作者简介:杨洪超(1974—),男,湖南吉首人,工程师,主要从事矿产地质勘查与管理工作。

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