譚康雨曾瑞垠詹勇岳鵬軍

（1.北京中資環(huán)鉆探有限公司，北京 100012；2.中色地科礦產(chǎn)勘查股份有限公司，北京 100012）

0 引言

南非是世界著名的錳礦資源大國，礦床規(guī)模大，礦石品位高、質(zhì)量好，其錳礦主要集中分布于Kala?hari－Postmasburg 錳礦成礦帶上（董曉方，2012；嚴(yán)旺生和高海亮，2009），該礦帶位于南非北開普省，中心地理坐標(biāo)：南緯27°12′43″，東經(jīng)22°57′39″，北部臨近Kalahari 沙漠，具有明顯的沙漠氣候特征，該礦帶可分為Kalahari 錳礦田和Postmasburg 錳礦田（圖1）。其中Kalahari 錳礦田南北延伸約40 km，東西寬約15 km，該礦田與Kalahari 侵蝕盆地范圍基本吻合，區(qū)域性走向為330°，向西傾角為7°。Kalagari 盆地形成于太古宙至元古宙，是目前世界上最大的陸地錳礦基地，該礦帶約占探明全球錳礦資源的77%（Vafeas et al.，2019）。Kalahari 錳礦田發(fā)育以原生沉積變質(zhì)型礦床為主，其次有淋積型和堆積型。前人重點Postmasburg 錳礦田成礦規(guī)律做了大量研究，但對于Kalahari 錳礦田的研究則知之甚少，筆者有幸前往南非參與了木庫魯鐵錳礦的資源儲量核實等工作，通過巖芯樣品采集及數(shù)據(jù)對比研究，在論述木庫魯鐵錳礦地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，分析區(qū)域鐵錳成礦規(guī)律并提出下一步找礦方向，為該區(qū)進(jìn)一步開展鐵錳礦地質(zhì)找礦工作提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

南非是世界上少數(shù)幾個保存有完好太古宙克拉通的地區(qū)之一，地質(zhì)演化歷史復(fù)雜，其構(gòu)造單元包括卡普瓦爾太古宙克拉通和一系列元古宙－古生代造山帶，以及一個代表弧后前陸沉積系統(tǒng)的卡魯盆地。Kalahari 錳礦田位于西格里夸蘭盆地（The Griqua?land West Basin）北部，西格里夸蘭盆地地層主要由古元古界德蘭士瓦超群（Transvaal Super Group）、古元古界奧利芬霍克超群（Olifanshoek Super Group）、中生界卡魯超群（Karoo Super Group）、新生界卡拉哈里超群（Kalahari Super Group）構(gòu)成（圖1）。

南非北開普省的古元古界德蘭士瓦超群（Transvaal Super Group）主要由碳酸鹽和鐵質(zhì)層組成，地層總厚度一般超過2000 m（Beukes，1986）。這個以化學(xué)成分為主的沉積序列被高達(dá)150 m 的冰磧巖覆蓋，而Makganyene 組則被Ongeluk 組的大陸玄武巖－安山巖序列覆蓋，其上部具有典型的枕狀構(gòu)造。Hotazel 組直接位于Ongeluk 組火山巖上，通常發(fā)育于Kalahari 錳礦田，低于第三系Kalahari 組40～70 m 的砂礫巖覆蓋層（Tsikos et al.，2003）。Hotazel 組地層在地表出露很少，僅出露于Kalahari錳礦田北部的Black Rock 小山丘，由于逆沖推覆作用，導(dǎo)致Hotazel 組地層在垂向上重復(fù)出現(xiàn)（Tsikos et al.，1997，2003；Kunzmann et al.，2014）。因此，對Kalahari 錳礦田地層幾乎完全是通過鉆探、露天開采和地下礦井揭露等方式來了解的。

在與Ongeluk 組火山巖接觸處的正上方，地層巖性為含鐵碎屑巖，可分級成層序較高、有規(guī)律的條帶狀磁鐵石英巖地層。Kalahari 錳礦田中部和南部大部分發(fā)育Hotazel 組鐵錳層序上的Mooidraai 組條帶狀含鐵灰?guī)r和局部白云巖，Hotazel 組和Mooidraai組共同構(gòu)成了Voelwater 亞群。在Kalahari 錳礦田北部和西部，Voelwater 亞群不整合地覆蓋著頁巖、石英巖和屬于晚古元古代Olifantshoek 超群基底Mapedi 組的小礫巖。研究表明，Mapedi 組凝灰?guī)rU－Pb 測年和碎屑鋯石測年基本一致，為1.25 Ga（Rasmussen et al.，2019）。

西格里夸蘭盆地區(qū)域性的構(gòu)造主要由1 條近SN 向逆沖斷層和一系列SN 向、SN－NE 向、NNWNW 向正斷層，以及NW 向、NE 向褶皺構(gòu)造構(gòu)成（圖2），而對卡拉哈里錳礦田的成礦、控礦作用影響比較大的主要為SN 向逆沖斷層（Black Ridge 逆沖斷層）、SN－NE 向正斷層、NW 向褶皺構(gòu)造（Dimoten 向斜）。

區(qū)域巖漿巖較為發(fā)育，主要為Ongeluk 組玄武質(zhì)、安山質(zhì)枕狀熔巖，厚度900 m，但未見十分明顯的火山活動，脈巖多為后期的輝綠巖脈和細(xì)晶閃長巖脈。一些學(xué)者認(rèn)為Ongeluk 組玄武質(zhì)、安山質(zhì)枕狀熔巖是海底噴發(fā)的，是在大陸架環(huán)境下噴出形成的，礦床中的錳質(zhì)即來源于海底火山噴氣作用（李上森，1996）。

2 礦床特征

2.1 礦體特征

Kalahari 錳礦田具有典型的層控特征，礦體賦存于古元古界德蘭士瓦超群上部的Hotazel 組條帶狀硅鐵建造，3 層錳礦體近平行展布，與互層的條帶狀鐵建造同時沉積（圖3）。

底部礦層（LMO）為主要的含礦層，厚度5～45 m 不等，在走向和傾向上具有較好的連續(xù)性，錳礦石品位較高，是目前該礦田開采開發(fā)的重點；中部礦層（MMO）礦化較弱，厚度不穩(wěn)定，連續(xù)性較差；上部礦層（UMO）厚3～5 m，錳礦品位中等，目前在Kalahari錳礦田尚未廣泛開采。

2.2 礦物成分

礦石礦物成分均較簡單：富錳礦石錳質(zhì)礦物成分以黑錳礦、鐵錳礦、褐錳礦為主，鐵錳礦石則以褐錳礦、鐵錳礦、錳白云石為主；鐵礦石礦物主要為磁鐵礦和赤鐵礦。

通過對木庫魯?shù)V區(qū)樣品巖礦鑒定結(jié)果顯示，巖相明顯地表現(xiàn)在以前的輝鉬礦和碳酸鹽礦的遞進(jìn)轉(zhuǎn)化過程中，細(xì)脈上先出現(xiàn)細(xì)錳礦，取代層序和碳酸鹽巖透鏡體，形成混合的礦石，然后形成越來越多的大規(guī)模置換區(qū)（圖4a）。黑錳礦是Kalahari 錳礦田礦床中取代碳酸鹽巖的成巖氧化產(chǎn)物（圖4b）。從宏觀上看，樣品的密度更高，呈鋼灰色，帶有閃亮的金屬光澤。黑錳礦通常是粗粒的，有時肉眼可見，形狀為正面體。在較大的塊狀樣品中，沒有殘留層狀或沉積層理。偶有碳酸鹽、鐵氧化物和其他小相出現(xiàn)（圖4c、4d）。

2.3 礦石類型及分布

2.3.1 區(qū)域礦石類型分布

從區(qū)域礦石分布來看，Kalahari 錳礦田礦石類型可分為低品位（＜40%）富含碳酸鹽的礦石及高品位（＞44%）富含氧化物的礦石。其中，低品位礦石稱為馬馬特旺（Mamatwan）型礦石，主要產(chǎn)于Kala?hari 錳礦田南部和東部，是由成巖作用－低級變質(zhì)作用過程形成的泥質(zhì)巖，在成分上包括微晶錳白云石、褐錳礦及赤鐵礦，錳含量一般30%～40%，此種礦石約占總儲量的97%；而高品位礦石則稱為Wessels型礦石，它們僅分布于礦田北部，由粗晶黑錳礦、褐錳礦與方鐵錳礦組成，約占礦石總儲量的3%（Miya?no and Beukes，1987；Vafeas et al.，2018）。

圖3 Kalahari 錳礦田礦體分布示意剖面圖

圖4 礦石礦物鏡下特征

Wessels 型礦床處于逆沖推覆構(gòu)造和正斷層的區(qū)域，研究認(rèn)為該高品位礦床的形成與逆沖推覆變形過程有關(guān)（Nikel，2006）。Kalahari 錳礦田北部是一個近南北向正斷層發(fā)育比較強(qiáng)烈的地區(qū)，這些斷層與高品位礦石和鐵化的形成之間可能存在的聯(lián)系需要繼續(xù)深入研究。緊靠南北向斷層的礦石由于含鐵量高而無法開采，最高品位的礦石在斷層塊中部沿正斷層的鐵銹帶和Mamatwan 型礦石殘留帶之間發(fā)育（Gutzmer and Beukes，1993）①。另一個不太明顯的鐵礦（化）帶與東西向小斷裂有關(guān)，南北向的鐵礦（化）帶一般沿走向1 km 左右，寬約十幾厘米。相對之下，東西向鐵礦（化）帶沿走向200 m，寬可達(dá)幾米（Gutzmer and Beukes，1995）。

從高品位的Wessels 型礦石到低品位的Mamat?wan 型礦石的轉(zhuǎn)變，推測可能是急劇的，也可能是漸變的。目前的研究認(rèn)為，這種礦石品位從低到高的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象很可能與斷層控制的低溫?zé)嵋海黧w交代作用有關(guān)。有些學(xué)者認(rèn)為，錳的富集與先后經(jīng)歷的3 次由構(gòu)造引發(fā)的熱液蝕變事件相關(guān)，分別是Wes?sel 事件（1000～1250 Ma）、Mamatwan 事件（550～600 Ma）和Smartt 事件（10～1000 Ma）（Miyano and Beu?kes，1987）。

2.3.2 礦石自然類型

區(qū)內(nèi)錳礦石的主要錳礦物為黑錳礦、鐵錳礦、褐錳礦等氧化物－氫氧化物為主，因此錳礦石的自然類型為氧化錳礦石；鐵礦石的主要鐵礦物為磁鐵礦和赤鐵礦，因此鐵礦石的自然類型可分為為磁鐵礦石和赤鐵礦石。

2.3.3 礦石工業(yè)類型

以礦田北部Wessels 型礦床Hotazel 礦區(qū)為例，深部富錳礦石總體Mn/TFe 為3.37，P/Mn 為0.001，（CaO＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）為1.993，屬低磷、中鐵、堿性錳礦石；深部鐵錳礦石總體Mn/TFe為1.74，P/Mn 為0.001，（CaO ＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）為2.161，屬低磷、高鐵、堿性錳礦石；深部鐵錳礦石總體Mn/TFe 為1.74，P/Mn 為0.001，（CaO＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）為2.161，屬低磷、高鐵、堿性錳礦石；淺部鐵錳礦石總體Mn/TFe 為1.48，P/Mn為0.002，（CaO＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）為0.641，屬低磷、高鐵、酸性錳礦石；區(qū)內(nèi)鐵礦石主要化學(xué)成分中TFe 礦床平均含量為63.27%，SiO2平均含量3.024%，S 平均含量0.001%，P 平均含量0.019%，Cu 平均含量16.159×10－6，其工業(yè)類型為煉鋼用鐵礦石。

2.4 Fe、Mn 含量相關(guān)性

本次研究通過從以往Hotazel 礦區(qū)數(shù)萬件礦石基本分析樣品結(jié)果中隨機(jī)抽取187 件進(jìn)行分析化驗，礦石中Fe、Mn 含量因礦物成分的含量變化而異，F(xiàn)e 含量升高則Mn 含量降低，反之亦同，具有明顯的負(fù)相關(guān)性。

從樣品數(shù)據(jù)可以看出：礦石的總體品位（Mn＋TFe）介于30.51%～71.20%，平均值為56.26%。在散點圖中數(shù)據(jù)點主要集中在50%～70%，總體品位變化穩(wěn)定（圖5）。

TFe 介于31.31%～69.38%，Mn 介于20.40%～57.29%，二者的品位變化范圍較大，且具有此消彼長的特征，存在明顯的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到－0.85，表明礦石中Fe 和Mn 具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性（圖6）。

Fe、Mn 品位負(fù)相關(guān)性特征的主要原因總結(jié)為2個方面：一是水體、大氣環(huán)境因素，古元古代的缺氧環(huán)境導(dǎo)致水體中的Fe、Mn 僅能以膠體形式存在，隨著水體中藻類和菌類的大量出現(xiàn)，水體中氧含量增多使Fe、Mn 接受氧化而沉淀（常洪倫等，2016a），在沉積過程中，由于Fe、Mn 物理性質(zhì)的相似性，膠體沉積性質(zhì)差異不明顯，致使Fe、Mn 膠體沉積無明顯界線；二是Fe、Mn 化學(xué)性質(zhì)的相似性，F(xiàn)e、Mn 元素的置換，出現(xiàn)軟/硬/褐錳礦－方鐵錳礦－赤鐵礦的變化序列，礦石中礦物成分的含量差異劃分為不同的礦石類型（常洪倫等，2016）。

3 礦床成因

對Kalahari 錳礦田成因，大多認(rèn)為為沉積變質(zhì)錳礦床，但也有其他爭論的觀點。關(guān)于礦床成因模型的探討，最為典型的為上升流模型和海侵－海退模型的（常洪倫等，2016a）。

3.1 物質(zhì)來源

大量數(shù)據(jù)表明，Kalahari 錳礦田具有多期海底熱液噴氣特征，且伴隨著熱液蝕變，海底噴氣活動都帶來大量Fe、Mn 等成礦物質(zhì)和酸性、還原性氣體，為形成厚大層狀鐵錳礦提供了物質(zhì)基礎(chǔ)（李上森，1996；常洪倫等，2016b；廖鳳初等，2013）。根據(jù)以往勘探數(shù)據(jù)分析，Mamatwan 礦床下部礦層厚大達(dá)到約45 m，Nchwaning 礦床上部礦層厚度為4 m，中部礦層平均厚度小于1 m（Gutzmer and Beukes，1995）。礦帶南北延伸近40 km，寬約15 km，充分表明了成礦物質(zhì)來源充足，鐵錳礦幾乎分布整個錳礦田。

圖5 Fe、Mn 總含量散點分布圖

圖6 Fe、Mn 含量相關(guān)性曲線

3.2 構(gòu)造條件

礦床的成因模型應(yīng)接近上升流模型，即深海富錳鐵水體在水流的帶動下，上升至海盆陸架氧化區(qū)域富集，接收氧化沉積成礦（深部礦體）（圖7）。之后在逆沖推覆過程中衍生一系列的次級逆沖斷層，導(dǎo)致德蘭士瓦超群在空間上的重復(fù)出現(xiàn)，形成現(xiàn)有的淺部逆沖推覆礦體特征。

元古宙早期，Kalahari 地區(qū)為廣闊碳酸鹽巖沉積序列所覆蓋，形成了一套富錳鐵白云巖環(huán)境中的巖溶系統(tǒng)，隨著地殼抬升，強(qiáng)巖溶作用形成近南北向的溶洞構(gòu)造，為后期含鐵錳質(zhì)沉積物提供了賦存空間。在逆沖推覆作用下衍生一系列的次級逆沖斷層，表現(xiàn)為逆沖疊瓦狀構(gòu)造，從而導(dǎo)致地層在垂向上重復(fù)出現(xiàn)，形成現(xiàn)有的淺部逆沖推覆礦體特征。經(jīng)過成礦后期南北向近直立正斷層切割，形成了上下位移距離不等的大量礦塊。

4 找礦方法

根據(jù)Kalahari 錳礦田的地層和構(gòu)造等特征，結(jié)合礦體出露、賦存等實際情況，可通過以下幾個方面快速、高效圈定找礦靶區(qū)。

航空磁法測量，結(jié)合地面高磁驗證，是快速圈定異常靶區(qū)的有效方法。Kalahari 錳礦田礦體在地表幾乎沒有出露，僅在Black Rock 地區(qū)有少量露頭。根據(jù)這一特點，傳統(tǒng)的地質(zhì)填圖難以達(dá)到找礦效果，且礦田被風(fēng)成沙及植被嚴(yán)重覆蓋，地質(zhì)填圖包括地表工程在該地區(qū)難以奏效。根據(jù)Fe、Mn 物理性質(zhì)，開展航空磁法測量掃面，能夠快速圈定異常靶區(qū)，通過地面高磁驗證，進(jìn)一步縮小靶區(qū)范圍，提高測量精度。

靶區(qū)鉆探工程揭露，是尋找鐵錳礦床的有效手段。Kalahari 錳礦田具有典型的層位成礦特征，Ho?tazel 組條帶狀含鐵錳建造是鐵錳礦的主要賦礦層位，該層在區(qū)域上分布廣泛且穩(wěn)定。在勘探過程中，若揭露含礦地層及礦體，按照“從已知到未知”的勘查原則，則可按照網(wǎng)度在該鉆孔周邊繼續(xù)布設(shè)鉆孔；若未揭露礦體或礦體厚度不理想，則應(yīng)當(dāng)綜合考慮構(gòu)造對地層的影響，在已施工鉆孔數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)綜合研究工作，及時調(diào)整找礦思路和施工方案。

地表采坑及地下礦井是找礦的直接標(biāo)志。在Kalahari 錳礦田分布著大小數(shù)十個鐵錳礦礦床，其中不乏正在開采開發(fā)的生產(chǎn)礦山，這為該礦田尋找鐵錳礦提供了大量的基礎(chǔ)資料。作為世界最大規(guī)模的錳礦田，地質(zhì)學(xué)界在該礦田進(jìn)行了大量深入的科學(xué)研究，形成了系統(tǒng)的找礦理論，是指導(dǎo)我們找礦的有利支撐。

圖7 礦床成因模式示意圖

5 結(jié)論

通過本文對Kalahari 錳礦田的相關(guān)研究，在大量收集以往數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，針對性地開展了抽樣分析測試，數(shù)據(jù)表明：Kalahari 錳礦田屬沉積－變質(zhì)型錳礦，礦床規(guī)模大，礦石質(zhì)量好，礦體頂?shù)装宸€(wěn)定且完整。根據(jù)礦物含量特征，礦石類型可劃分為Mamatwan 型和Wessels 型，均屬氧化礦石。樣品結(jié)果顯示了礦石中Fe、Mn 含量負(fù)相關(guān)性較強(qiáng)，總體含量穩(wěn)定，這與成礦時期古元古代的水體環(huán)境及Fe、Mn 膠體的沉積性質(zhì)關(guān)系密切。

研究認(rèn)為該地區(qū)找礦有以下幾點啟示：Hotazel組條帶狀含鐵錳建造是區(qū)域內(nèi)找礦的地層標(biāo)志，磁法測量和鉆探工程是快速、高效找礦的有效方法。

致謝本文在編寫和修改過程中得到了北京中資環(huán)鉆探有限公司總經(jīng)理朱思才、副總經(jīng)理陳德穩(wěn)教授級高工的指導(dǎo)，審稿專家對文章的完善也提出了諸多寶貴的意見和建議，在此一并表示感謝！

注釋

①Gutzmer J，Beukes N J.1993.Hydrothermal alteration and ferrug?inization of sedimentary manganese ore at the Nchwaning mine，Kalahari manganese field，Early Proterozoic Transvaal Supergroup［R］.South Africa Unpublished report，Johannesburg.