朱永剛，邵擁軍，李朗田，楊藝華，吳繼兵

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083;2.中南地質(zhì)勘查院，湖北武漢 430081)

莫能(Moeng)錳礦位于博茨瓦納中部區(qū)莫能學(xué)院一帶，地理坐標(biāo)東經(jīng) 27°36'，南緯 22°42'。該區(qū)以往地質(zhì)工作程度很低，最系統(tǒng)的地質(zhì)工作為1∶125000的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查。2010年，中南地質(zhì)勘查院在該區(qū)開(kāi)展了針對(duì)錳礦床的地質(zhì)普查工作，在近兩年的地質(zhì)工作中，筆者對(duì)該錳礦床的地質(zhì)特征及成因有了一些初步認(rèn)識(shí)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

該區(qū)位于距今32.7～26億年之間卡普瓦爾克拉通(Kaapvaal Craton)和津巴布韋克拉通(Zimbabwe Craton)相互擠壓形成的林波波活動(dòng)帶(Limpopo Belt)(Carney et al.，1994;Green et al.，1997)(圖1)，該活動(dòng)帶主要巖性為高級(jí)變質(zhì)的片麻巖和變質(zhì)火山巖(Ermanovics et al.，1980)。包含錳礦層的帕拉佩群(Palapye Group)不整合賦存在林波波活動(dòng)帶上(圖1)，以丘陵地貌出露地表，除西部為后期的卡魯超群(Karoo Supergroup)覆蓋外，周圍分布的均為林波波活動(dòng)帶作用時(shí)期形成的巖石。

1.1 地層

區(qū)域主要地層為元古代帕拉佩群以及中生代時(shí)期的卡魯超群。在該區(qū)南偏西方向120km處有大面積沃特貝格群早期的巖石露頭分布，該群地層與錳礦層的形成可能存在關(guān)聯(lián)。

(1)沃特貝格群(Waterberg Group):為一套由砂巖、礫巖和粉砂巖組成的最古老的大陸性紅色巖層。該群地層在18億年之前開(kāi)始沉積，中晚期沉積的地層與帕拉佩群地層的年齡大致相同(James C Chatupa，1994)。

(2)帕拉佩群(圖1):為一套碎屑狀沉積巖石層序，由下至上依次分為 Seleka、Moeng、Tswapong和Lotsane四個(gè)巖性地層組。其中Seleka組為含錳巖系(key et al.，1979)。

Seleka組:不整合覆蓋在林波波活動(dòng)帶的基底巖石上。由底礫巖、灰白微發(fā)紅石英砂巖、紫紅色含鐵石英砂巖、頁(yè)巖、粉砂巖、含錳層組成，夾多個(gè)層間礫巖。該地層組總厚度為930m。

Moeng組:為一套以泥質(zhì)為主的地層，與Seleka組整合接觸。下部為紫色到粉紅色含云母粉砂巖，其上為粉紅色頁(yè)巖;中部為由具閃鋅礦礦化的鮞粒狀灰?guī)r組成的鈣質(zhì)地層;上部為粉紅色頁(yè)巖層。該地層組總厚度為335m。

圖1 莫能錳礦床地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified geological map of the Moeng manganese deposit in Botswana

Tswapong組:為一套以砂質(zhì)為主的地層，與Moeng組整合接觸。下部為石英砂巖層，包括厚層狀紫紅色石英砂巖、頁(yè)巖、石英卵石礫巖以及少量豆?fàn)钍⑸皫r;中部為薄層狀含鐵石英砂巖層，有豆?fàn)铊F礦石互層;上部由互層的含鐵石英砂巖、長(zhǎng)石質(zhì)粉砂巖、石英卵石礫巖組成的碎屑巖地層。該地層組總厚度為970m。

Lotsane組:為一套以泥質(zhì)為主的地層，與Tswapong組整合接觸。為一套雜色頁(yè)巖、泥巖、板巖和含云母粉砂巖互層的地層，含燧石和赤鐵礦條帶，局部含黃鐵礦。該地層組總厚度超過(guò)1000m。

(3)卡魯超群:為后帕拉佩時(shí)期沉積，對(duì)錳礦層的分布及成因沒(méi)有影響。

1.2 構(gòu)造

區(qū)域內(nèi)斷層主要為L(zhǎng)echana斷裂(圖1)，為后帕拉佩時(shí)期形成。在北部存在兩段錳礦層說(shuō)明該斷層對(duì)錳礦層起到破壞作用。

1.3 巖漿巖

區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)任何巖漿巖，僅在莫能錳礦區(qū)以南約20km處分布有少量與帕拉佩群地層同沉積的安山質(zhì)凝灰?guī)r。

2 礦床地質(zhì)特征

莫能錳礦床位于整個(gè)含錳巖系的中、東部，賦存于Seleka組地層中(圖1)。該組地層自下而上的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 含錳巖系綜合地層柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of manganese-bearing rock sequence

(1)含鐵頁(yè)巖、粉砂巖:水平層理發(fā)育，局部富含海綠石(可達(dá)14%)，下部夾厚1～40cm的與砂質(zhì)碎屑共生的赤鐵礦層，上部夾厚20m的含鐵石英砂巖和多處層間礫巖。

(2)Ⅰ號(hào)含錳層:為厚3～6m富含海綠石(可達(dá)10%)的厚層狀含鐵或含鐵錳石英砂巖，局部夾含鐵頁(yè)巖、粉砂巖。含一層厚1～3.3m的錳礦層。

(3)石英砂巖，夾含鐵頁(yè)巖、粉砂巖:水平層理和交錯(cuò)層理均有發(fā)育，頂、底部夾厚1～40cm的與砂質(zhì)碎屑共生的赤鐵礦層。含三個(gè)層間礫巖。

(4)Ⅱ號(hào)含錳層:為厚3～6m厚層狀含鐵或含鐵錳石英砂巖，局部夾含鐵頁(yè)巖、粉砂巖。含一層厚1～3.5m的錳礦層，在該錳礦層頂部常有一層厚約10cm的鐵錳礦層。

(5)石英砂巖，夾含鐵頁(yè)巖、粉砂巖:在靠近含錳層部位夾厚1～40cm的與砂質(zhì)碎屑共生的赤鐵礦層，水平層理和交錯(cuò)層理均很發(fā)育。

(6)底礫巖:位于帕拉佩群底部，延伸長(zhǎng)且連續(xù)穩(wěn)定，直接沉積于基底片麻巖之上。礫石占70% ～80%，全為石英砂巖和白色石英巖。

礦床構(gòu)造簡(jiǎn)單，主要存在三個(gè)北東方向的斷層以及較多斷距10～20m的小斷層(圖1)。

3 礦層地質(zhì)特征

3.1 礦層特征

區(qū)內(nèi)包含兩個(gè)含錳層，北部為Ⅰ號(hào)含錳層，南部為Ⅱ號(hào)含錳層(圖1、3)。

Ⅰ號(hào)含錳層:為該區(qū)主礦層，延伸長(zhǎng)31km，除局部被斷層錯(cuò)開(kāi)外，出露基本連續(xù)。錳礦層呈層狀、似層狀，與頂、底板圍巖整合接觸，產(chǎn)狀與圍巖一致，為一單斜地層。礦層總體上為北西西走向，傾向北北東，傾角平緩，一般 8°～15°。錳礦層厚 0.69～3.50m，一般1～2m，平均1.55m，傾向延深在600m以上。上部為氧化錳，下部為碳酸錳。

Ⅱ號(hào)含錳層:位于Ⅰ號(hào)含錳層以南700～1500m處，延伸長(zhǎng)11km。該錳礦層特征與Ⅰ號(hào)錳礦層基本一致，但傾向延深不超過(guò)75m，全為氧化錳，深部為含錳石英砂巖。

在兩個(gè)錳礦層上部的含鐵頁(yè)巖、粉砂巖中，有少量氧化錳沿層理或斜交層理呈細(xì)脈狀、薄餅狀分布，厚一般1mm，極少數(shù)2～3mm，致密塊狀，含Mn在30%以上。

3.2 礦石特征

3.2.1 礦石自然類型

莫能錳礦礦石類型主要?jiǎng)澐譃檠趸i礦石和碳酸錳礦石。氧化錳礦石分布于地表及近地表，為碳酸錳遭受氧化而形成;碳酸錳礦石分布在氧化界線以下。

3.2.2 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造

氧化錳礦石:結(jié)構(gòu)主要有不等粒砂狀結(jié)構(gòu)、顯微半自形－他形晶粒結(jié)構(gòu)、填隙結(jié)構(gòu)、交代殘留結(jié)構(gòu)、環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖4－d)，常可見(jiàn)粒度1mm左右的石英碎屑，局部礦段偶爾還可見(jiàn)5～10mm的石英礫石;構(gòu)造主要有塊狀構(gòu)造、結(jié)核狀構(gòu)造、孔洞狀構(gòu)造(圖4－a)、層狀構(gòu)造、膠狀構(gòu)造、孔隙－基底式膠結(jié)構(gòu)造(圖4－c)、網(wǎng)脈狀構(gòu)造。

碳酸錳礦石:結(jié)構(gòu)主要有基底具粉晶－細(xì)晶的礫－砂狀粒屑結(jié)構(gòu)、基質(zhì)具泥－細(xì)晶的鮞粒－內(nèi)碎屑結(jié)構(gòu)、基質(zhì)具泥－細(xì)晶的含粉砂細(xì)－中粒砂狀結(jié)構(gòu);構(gòu)造主要為塊狀構(gòu)造(圖4－b)，具基底式、孔隙式膠結(jié)。

3.2.3 礦石礦物成分

氧化錳礦石(圖4－c、d):礦石礦物主要為錳鋇礦、次為軟錳礦，在X衍射分析中還發(fā)現(xiàn)有水錳礦;脈石礦物主要為石英、赤鐵礦，少量褐鐵礦、白云母、正長(zhǎng)石，以及副礦物電氣石、鋯石。

碳酸錳礦物:主要依據(jù)礦石的化學(xué)物相分析確定(見(jiàn)表1)，從表中看，錳主要以碳酸錳礦物的形式存在，少部分賦存在硅酸錳礦物中，在X衍射分析中也發(fā)現(xiàn)有蠟硅錳礦;脈石礦物主要為石英、長(zhǎng)石、白云母、方解石。

表1 錳礦石物相分析結(jié)果表Table 1 Phase analysis results of manganese ores

3.2.4 礦石化學(xué)組分

區(qū)內(nèi)錳礦石以貧錳礦石為主，有少量富錳礦石，Mn含量在走向上變化較為穩(wěn)定。對(duì)區(qū)內(nèi)300個(gè)基本分析樣品的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，Mn與TFe、Mn與SiO2呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，Mn與P呈正相關(guān)關(guān)系。全礦區(qū)錳礦石平均化學(xué)組分見(jiàn)表2。

從表中可以看出，兩類錳礦石均屬低磷高鐵錳礦石，碳酸錳礦石(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)為0.1，屬酸性錳礦石。地表氧化錳與深部碳酸錳礦石相比，錳質(zhì)進(jìn)一步富集的幅度較小，原因可能是脈石礦物基本為石英碎屑所致。

4 礦床成因

4.1 沉積環(huán)境分析

區(qū)內(nèi)帕拉佩群地層沉積在一個(gè)斷裂控制的凹槽中(Key，1979)，屬濱外淺海陸棚沉積環(huán)境，其依據(jù)有:(1)帕拉佩群四個(gè)地層組的巖性特征及分布規(guī)律與湖泊相的同心環(huán)帶模式不相一致;(2)底礫巖的特征顯示了一種高能的濱岸沖刷環(huán)境;(3)在對(duì)含錳層及圍巖標(biāo)本的巖礦鑒定中發(fā)現(xiàn)大量的海綠石(達(dá)14%)，顯示了淺海沉積環(huán)境的特征;(4)帕拉佩群的巖石組成以單碎屑共生系列為主，顯示了淺海、濱海相組合特征;(5)含錳層及其上下地層的巖性特征、水平層理和交錯(cuò)層理的發(fā)育以及一些層面上豐富的浪成波痕、水流綜合作用波痕均顯示了淺海陸棚沉積環(huán)境的特征(何鏡宇等，1987;李增學(xué)等，2010)。

底礫巖中礫石為石英砂巖和白色石英巖，與沃特貝格群的巖性特征基本一致，在該區(qū)較遠(yuǎn)處也有沃特貝格群早期巖石的露頭分布。因此，帕拉佩群的沉積物質(zhì)很可能來(lái)自早期沃特貝格群的剝蝕物，在陸地風(fēng)化帶內(nèi)，錳以絡(luò)合物或膠狀懸浮液的形式被搬運(yùn)至海洋。

在潮汐或風(fēng)暴帶來(lái)的巨大能量作用下，淺海區(qū)的海底沉積物，包括初始沉積的錳質(zhì)，被強(qiáng)烈的掀起、改造，和水混合在一起形成高密度碎屑流。由于碎屑流受控于重力作用，在搬運(yùn)至潮汐流或風(fēng)暴流基面附近，錳質(zhì)、鐵質(zhì)、砂質(zhì)碎屑一起沉積下來(lái)，形成厚層和連續(xù)性均較穩(wěn)定的錳礦層。錳質(zhì)主要以內(nèi)碎屑形式存在，脈石礦物以砂質(zhì)碎屑為主，錳質(zhì)與鐵質(zhì)碎屑的存在、偶爾包含的小礫石、反應(yīng)快速堆積特征的基底式膠結(jié)等特征均說(shuō)明這種搬運(yùn)沉積作用的存在。在含錳巖系中的層間礫巖夾層也可能是這種作用造成。含錳層頂、底板為頁(yè)巖、粉砂巖以及與砂質(zhì)碎屑共生的赤鐵礦夾層說(shuō)明砂的搬運(yùn)是間歇性的(劉寶珺，1980;姚敬劬等，1995;候宗林等，1997)。

兩個(gè)具有相似地質(zhì)特征錳礦層的存在可能代表了兩個(gè)沉積旋回，說(shuō)明該區(qū)存在兩個(gè)沉積環(huán)境相似的錳質(zhì)沉積期。

表2 錳礦石化學(xué)組分含量表Table 2 Chemical components of manganese ores

4.2 后生改造

帕拉佩群地層沉積之后，區(qū)內(nèi)可能發(fā)生過(guò)區(qū)域變質(zhì)作用。石英碎屑次生加大現(xiàn)象普遍，部分發(fā)生重結(jié)晶作用，以及后帕拉佩時(shí)期未發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈的構(gòu)造作用及巖漿巖分布等特征，均說(shuō)明區(qū)域變質(zhì)作用的存在，但變質(zhì)作用不是太強(qiáng)。原始沉積的碳酸錳礦石中含少量硅酸錳礦物，也進(jìn)一步說(shuō)明了這種變質(zhì)作用的存在(楊玉春等，1996)。

錳礦層抬升至地表后，由于碳酸錳礦物和硅酸錳礦物在地表?xiàng)l件下易氧化的特征，地表及近地表的錳礦石全部被氧化。錳礦層凹凸不平的表面和發(fā)育有孔洞的特征說(shuō)明了表生氧化作用的存在。錳礦層傾向與山坡坡向一致、產(chǎn)狀平緩、埋藏較淺，為錳礦層大范圍的氧化提供了良好的條件，傾向延伸200m位置的鉆孔中發(fā)現(xiàn)具孔洞狀構(gòu)造的氧化錳礦石說(shuō)明了這一氧化作用的特點(diǎn)。錳礦層頂、底板圍巖的裂隙中氧化錳細(xì)脈的存在說(shuō)明錳礦層氧化過(guò)程中淋濾作用的存在。

4.3 成因模式淺析

林波波活動(dòng)時(shí)期，在活動(dòng)帶南緣發(fā)育了斷裂控制的凹陷，從而形成錳沉積盆地，包含含錳巖系的帕拉佩群地層受該盆地的嚴(yán)格控制。

錳質(zhì)同陸源碎屑一起以絡(luò)合物或膠體的形式搬運(yùn)至海洋，“初始錳源”在海水中長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定地蘊(yùn)集而形成含高濃度錳的海水溶液，在適宜的EhpH環(huán)境中，錳質(zhì)暫時(shí)以碳酸錳礦物的方式沉淀下來(lái)。后在潮汐流或風(fēng)暴流的作用下，含錳沉積物被掀動(dòng)破碎，并被潮汐流或風(fēng)暴流搬運(yùn)至位于淺海陸棚的斷陷盆地中隨砂質(zhì)碎屑一起沉積。

在區(qū)域變質(zhì)作用下，少部分碳酸錳礦物(如菱錳礦)與沉積體系中的SiO2發(fā)生變質(zhì)反應(yīng)，生成錳的硅酸鹽礦物(如蠟硅錳礦)。在表生氧化階段，地表及近地表的碳酸錳、硅酸錳礦物均轉(zhuǎn)變?yōu)殄i的氧化物與氫氧化物(如錳鋇礦、軟錳礦、水錳礦)，并賦存在原錳礦層中，少量錳質(zhì)被地下水淋濾到附近的裂隙或?qū)永碇幸匝趸i形式沉積。

綜上所述，初步認(rèn)為該區(qū)原生錳礦層屬淺海沉積變質(zhì)型錳礦床，地表及淺部屬“錳帽型”氧化錳礦床，并伴隨淋濾成因的氧化錳礦石，但僅在局部以稀疏細(xì)脈分布，因而不能成為“淋濾型”氧化錳礦床。

4.4 與卡拉哈里(Kalahari)錳礦田對(duì)比

卡拉哈里是目前已知陸地上最大的錳礦田，位于莫能錳礦西南方向約700km處(圖1)，屬南非共和國(guó)開(kāi)普省庫(kù)魯曼(Kuruman)地區(qū)。整個(gè)礦田錳礦石資源量為136億t，占世界錳礦石資源量的70%以上(沈承珩等，1995)。筆者通過(guò)把莫能錳礦床與該巨型錳礦田進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表3)發(fā)現(xiàn)，莫能錳礦床在成礦背景、成礦時(shí)代、礦床特征、巖相古地理特征及后生改造等方面與卡拉哈里錳礦田均有相似之處，這個(gè)對(duì)比結(jié)果更進(jìn)一步說(shuō)明了本文提出的關(guān)于莫能錳礦床為淺海沉積變質(zhì)型錳礦床的成因觀點(diǎn)，也說(shuō)明莫能錳礦具有成為大型錳礦床的資源潛力。

表3 莫能錳礦床與卡拉哈里錳礦田對(duì)比表Table 3 Comparison of the Moeng manganese deposit with the Kalahari manganese ore field

5 結(jié)語(yǔ)

該區(qū)以往工作程度極低，此次地質(zhì)工作程度和研究程度也很有限，要對(duì)該錳礦床的地質(zhì)特征獲取更深入的認(rèn)識(shí)，成因上獲得更充多的依據(jù)，還需開(kāi)展大量的地質(zhì)和測(cè)試研究工作。該區(qū)錳礦石的資源遠(yuǎn)景雖然頗具規(guī)模，錳礦埋深也較淺(一般都在100m以內(nèi))，且交通便利，但該礦在當(dāng)前國(guó)際經(jīng)濟(jì)條件下開(kāi)發(fā)是否經(jīng)濟(jì)，還有待進(jìn)一步研究確認(rèn)。

致謝本文的英文翻譯工作全部由中南地質(zhì)勘查院的蔡亞敏完成，在此深表感謝。

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