吳飛，尤靜靜，徐學金，蔣之飛，陳松，鄒院兵，屠江海，劉銳，方潔

(1.湖北省自然資源廳地質(zhì)勘查基金管理中心，武漢 430071；2.湖北省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊，湖北 孝感 432000；3.中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院，武漢 430074)

0 引言

南方“泛揚子區(qū)”及其周緣是中國錳礦廣泛分布而又相對集中的地區(qū)之一[1-2]。鄂東北地區(qū)早元古代沉積變質(zhì)錳礦位于揚子陸塊北緣，分布在湖北省廣水—黃陂—蘄春SEE-NWW向元古代沉積變質(zhì)錳礦帶上[3-5]。前人對該區(qū)磷錳礦做過預普查工作，對與錳礦伴生的磷礦床地質(zhì)特征及成礦條件、錳礦物元素組合特征等方面有初步的認識[6-9]，但對錳礦成因的研究很少。

近年來，基于湖北省地質(zhì)勘查基金項目“湖北省孝昌縣四方山-黃陂區(qū)團山溝礦區(qū)錳礦預查”和湖北省地質(zhì)局科研項目(編號：KJ2018-6)的資助，湖北省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊對鄂東北地區(qū)錳礦如廣水鷹咀山錳礦床、四方山錳礦床及蘄春孫沖錳礦床等開展了一系列的專項地質(zhì)調(diào)查，取得了很多進展。本文將通過對區(qū)內(nèi)典型錳礦床礦物巖石學特征、地球化學特征進行研究，分析其成礦環(huán)境及成礦物質(zhì)來源，以期為鄂東北一帶錳礦找礦工作提供幫助。

1 成礦地質(zhì)背景

研究區(qū)位于揚子陸塊北緣，地處大別山構造帶(圖1a)，桐柏—大別銅、鉬、金、銀、磷、錳成礦帶[10-11]。區(qū)域上經(jīng)歷了多期次構造運動，褶皺、斷裂發(fā)育，構造復雜，總體斷裂構造主要以NW向和NE向為主；在NW向新城-黃陂斷裂、桐柏-浠水斷裂和NE向澴水斷裂、團麻斷裂附近分布有錳礦床(點)。區(qū)域上出露的巖漿巖，主要以晉寧期和燕山晚期花崗巖為主，其次為太古代英云閃長巖。區(qū)內(nèi)出露的地層，大多為前寒武系，主要有古元古界大別巖群，新元古界紅安巖群，南華系雙河組、耀嶺河組及震旦系陡山沱組，其次為白堊紀公安寨組和第四系等(圖1b)。區(qū)域上經(jīng)歷了多期變形變質(zhì)作用，以區(qū)域變質(zhì)作用為主，其次為動力變質(zhì)作用，區(qū)域變質(zhì)作用為成礦元素的活化富集起著至關重要的作用，形成了多種與變質(zhì)作用密切相關的沉積(包括火山沉積)變質(zhì)礦床，如磷錳、重稀土石墨等重要礦產(chǎn)。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)構造簡圖(a)、礦區(qū)地質(zhì)簡圖(b)Fig.1 Regional geological and structural sketch (a) and the geological sketch of the mining area(b)1.第四系；2.白堊系公安寨組；3.古生代高橋組；4.震旦系陡山沱組；5.新元古代紅安群組；6.南華系耀嶺河組；7.南華系雙河組；8.古元古界大別巖群；9.新元古界木子店組；10.早白堊系花崗巖；11.新元古界花崗巖；12.新太古界英云閃長巖；13.地質(zhì)界限；14.斷層；15.錳礦床；16.研究區(qū)

新元古界紅安巖群的巖性主要由片巖、片麻巖、(淺)變粒巖、大理巖、石墨片巖、榴輝巖、磷錳礦層等組成，自下而上可劃分為黃麥嶺組、天臺山組、七角山組，其中黃麥嶺組是區(qū)內(nèi)磷、錳礦的主要賦礦層位，該組主要巖性為石英片巖、石英云母片巖及厚層狀硅質(zhì)條帶大理巖、白云石大理巖夾鈣質(zhì)片巖、白云鈉長變粒巖、片麻巖、淺粒巖、磷塊巖等，原巖為一套碎屑巖-碳酸鹽巖沉積建造[12-15]。

2 典型錳礦床概述

在鄂東北錳礦富集區(qū)目前已發(fā)現(xiàn)有(磷)錳礦床(點)多處：廣水鷹咀山錳礦床、孝昌四方山錳礦床、團山溝磷錳礦床、紅安八里灣錳礦點、浠水馬垅錳礦點、蘄春縣孫沖錳礦床等(圖1b)。筆者擬以鷹咀山錳礦床、四方山錳礦床及孫沖錳礦床作為典型礦床加以研究。

(1)鷹咀山錳礦床

鷹咀山錳礦床位于湖北省廣水市與大悟縣城之間。礦區(qū)位于鄂東北地區(qū)含錳巖系的北部，出露地層為新元古界紅安巖群七角山組、黃麥嶺組及第四系。礦體賦存于黃麥嶺組中，含錳礦層總體走向130°～150°且延伸穩(wěn)定，賦礦巖石為綠泥石片巖、白云母石英片巖、黑云母石英片巖、二云母石英片巖、綠簾石片巖、鈉長云母石英片巖，另還含有少量絹云母夾大理巖透鏡體、鈣質(zhì)千枚巖、綠簾石片巖等。礦體呈帶狀順層產(chǎn)出，走向與賦礦層位一致。目前初步勘探出4個錳礦體，礦體可見長度100～350 m，平均厚度為1.46～5.90 m，金屬Mn平均品位12.98%～25.08%。

(2)四方山錳礦床

四方山錳礦床位于湖北省孝昌縣小悟鄉(xiāng)四方山一帶。礦區(qū)出露地層主要有新元古界紅安巖群天臺山組、黃麥嶺組及第四系。錳礦體賦存于黃麥嶺組中，整體呈NW向展布，主要巖性為云母石英片巖、厚層狀硅質(zhì)條帶大理巖及白云石大理巖夾鈣質(zhì)片巖等。由北往南共圈定較大規(guī)模的磷錳礦層4條，此外還有若干條透鏡狀磷錳礦層。經(jīng)探槽工程揭露，礦區(qū)磷錳礦(化)體遭受了強烈的褶皺變形，具有多層性，磷錳礦具有明顯此消彼長現(xiàn)象，且總體上多呈現(xiàn)上錳下磷的特征。磷錳礦層地表延伸長度500～2800 m，寬1.64～40 m。礦體以長透鏡狀、似層狀產(chǎn)出，走向上延伸穩(wěn)定，礦體產(chǎn)狀與賦礦層位一致。已探明錳礦體有12個，長度247～1212 m，平均厚度為0.53～3.45 m，金屬Mn品位11.10%～32.54%。從整體上來看，該礦段由北往南錳礦體厚度和品位變化不大，延伸穩(wěn)定。

(3)孫沖錳礦床

孫沖錳礦床位于湖北省黃岡市蘄春縣境內(nèi)，西距蘄春縣張榜鎮(zhèn)約8 km。礦區(qū)位于鄂東北地區(qū)含錳巖系的南東部，出露地層主要為前寒武紀變質(zhì)巖系，主要有古元古界大別巖群、新元古界紅安巖群和第四系。錳礦體賦存于黃麥嶺組中，平面上呈S形展布，賦礦巖性主要有云母石英片巖、二云石英片巖、黑云片巖、大理巖等。錳礦體多呈脈狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，可見長度300～1200 m，總體傾向南東或南西，與圍巖產(chǎn)狀一致，沿走向尖滅、再現(xiàn)，傾向延伸不穩(wěn)定。錳礦體單工程金屬Mn品位15.20%～25.67%，厚度0.64～2.32 m。

3 礦物巖石學特征

鄂東北地區(qū)典型錳礦區(qū)內(nèi)錳礦石類型可分為大理巖型錳礦石和片巖型錳礦石，錳礦石礦物組合有菱錳礦、軟錳礦、硬錳礦、黑錳礦、錳鋁榴石、錳方解石、錳白云石等，脈石礦物有石英、重晶石、白云母、黑云母、方解石、白云石、磷灰石等。

原生錳礦物常由于地表的風化、次生富集作用形成軟錳礦等導致其通常被交代，呈殘余狀結構(圖2a)；軟錳礦受應力作用錳礦物顆粒被拉長呈定向排列，表現(xiàn)出定向結構(圖2b)；白色黑錳礦與黃白色重晶石接觸邊界平直，無相互插入現(xiàn)象，周圍暗灰色為褐錳礦、白云石等形成共結邊結構(圖2c)；錳鋁榴石呈自形粒狀，其上因氧化作用，呈脈狀穿插有軟錳礦、硬錳礦等暗色礦物，但整體仍保留完好晶型(圖2d)；礦石中的錳礦物集合體呈細的黑色網(wǎng)脈，分布于礦石當中，由一種或多種礦物組成(圖2e)；原生沉積的條帶狀鐵錳礦礦石常經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用而產(chǎn)生揉皺變形(圖2f)；錳的硅酸鹽礦物集合體形態(tài)不規(guī)則，呈黃色顆粒狀，大小相差不大，浸染狀分布在片巖中(圖2g)；菱錳礦、石英構成寬度不等的條帶，局部受構造作用發(fā)生變形(圖2h)。磷錳礦物集合體在大理巖中呈不均勻分布，不同組成部分在結構構造上、顏色上、礦物成分上有較大的差異，整體是不均一的(圖2i)。

圖2 鄂東北地區(qū)錳礦顯微結構及構造特征Fig.2 Microscopic texture and structure of Mn ore in the Northeast Hubei provincea.軟錳礦交代原生礦物形成殘余結構；b.定向排列拉長的軟錳礦；c.黑錳礦與重晶石呈共結邊結構；d.錳鋁榴石呈自形粒狀；e.大理巖中鐵錳礦物集合體呈延長的黑色脈狀；f.大理巖中條帶狀鐵錳礦物產(chǎn)生揉皺變形；g.錳鋁榴石呈浸染狀分布于石英片巖中；h.磷錳礦與大理巖呈條帶狀構造，后又褶皺變形；i.淺玫瑰色菱錳礦呈浸染狀分布在大理巖中Rds.菱錳礦；Pyt.軟錳礦；Ps.硬錳礦；Hau.黑錳礦；Sps.錳鋁榴石；Brt.重晶石；Dol.白云石；Ap.磷灰石

此外，本區(qū)錳礦常伴生磷質(zhì)、鐵質(zhì)成分，磷以磷灰石、膠磷礦形式產(chǎn)出，鐵以赤鐵礦、鈦鐵礦、磁鐵礦、黃鐵礦、褐鐵礦及類質(zhì)同象的形式存在于錳礦物中。

4 地球化學特征與成礦環(huán)境分析

4.1 樣品采集與測試結果

本次研究工作中系統(tǒng)采集了鷹咀山錳礦區(qū)、四方山錳礦區(qū)及孫沖錳礦區(qū)內(nèi)探槽、鉆孔中的圍巖和錳礦石，這些樣品主要位于黃麥嶺組，樣品巖石新鮮，主要巖性為錳礦石、含錳質(zhì)大理巖、含錳質(zhì)石英片巖等，對這些樣品分別進行了主量元素、微量元素和稀土元素測試分析。樣品測試前處理及主量元素、微量元素、稀土元素測試在澳實分析檢測(廣州)有限公司礦物實驗室完成；主量元素測試采用X射線熒光光譜儀(偏硼酸鋰熔融全巖分析ME-XRF26)，其可測定含量在0.01%以上的含錳礦物；微量元素測試采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜與等離子體質(zhì)譜儀(ICP-AES，ICP-MS，MEMS61)，稀土元素測試采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，ME-MS81)。

樣品的主量、微量、稀土元素測試結果，分別如表1、表2、表3所述。

表2 鄂東北地區(qū)錳礦微量元素分析結果Table 2 The trace elements analysis of the Northeast Hubei province

表3 鄂東北地區(qū)錳礦稀土元素分析結果Table 3 The REE analysis of the Northeast Hubei province

4.2 常量元素特征

鄂東北錳礦床含錳巖系為一套云母石英片巖夾硅質(zhì)(有時含少量泥質(zhì))大理巖，主要巖性包括石英片巖、硅質(zhì)大理巖和錳礦石，樣品主量元素測試結果見表1。錳礦石相對于片巖和大理巖來說，具有相對較高的MnO、CaO、MgO、P2O5含量，以及相對較低的Al2O3、TiO2、SiO2、K2O、Na2O含量。

表1 鄂東北地區(qū)錳礦主量元素分析結果Table 1 Major elements analysis of the Northeast Hubei province

有研究資料表明，陸源的w(SiO2)/w(Al2O3)值3.6[18]。鄂東北地區(qū)錳礦片巖中w(SiO2)/w(Al2O3)值為3.31～4.71，接近陸源w(SiO2)/w(Al2O3)值3.6；錳礦石和大理巖的w(SiO2)/w(Al2O3)值介于9.33～543.22之間，遠高于陸殼中的w(SiO2)/w(Al2O3)值3.6，多為生物或熱水作用特征[18]。在w(SiO2)—w(Al2O3)圖解中，樣品投點分別落入相應的范圍(圖3a)，片巖落入水成區(qū)；水成區(qū)內(nèi)為砂巖及碳質(zhì)頁巖，這與片巖類圍巖其原巖為石英砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖等相一致，反映了鄂東北地區(qū)錳礦的物質(zhì)來源為多源，礦石形成不僅有陸源物質(zhì)參與，與熱水活動、生物作用也有一定的關系。

圖3 鄂東北地區(qū)錳礦w(SiO2)—w(Al2O3)圖解(a)、w(Fe)/w(Ti)—w(Al)/w(Al+Fe+Mn)圖解(b)(a底圖據(jù)文獻[19]，b底圖據(jù)文獻[20])Fig.3 w(SiO2)-w(Al2O3) (a) and w(Fe)/w(Ti)-w(Al)/w(Al+Fe+Mn) (b) plots of the Mn deposits

典型熱水沉積物的常量元素特征w(Fe+Mn)/w(Ti)、w(Fe)/w(Ti)、w(Al)/w(Fe+Mn+Al)值分別為>20±5、>20、<0.35[21]。鄂東北地區(qū)錳礦片巖中w(Fe+Mn)/w(Ti)值為8.38～16.07(<20±5)，片巖中w(Fe)/w(Ti)值為8.24～15.97(<20)，w(Al)/w(Fe+Mn+Al)值為0.58～0.68(大于0.35)，其物源為陸源；錳礦石和大理巖的w(Fe+Mn)/w(Ti)值為84～1128.36(遠高于20±5)，w(Fe)/w(Ti)值為61～470.00(>20)，w(Al)/w(Fe+Mn+Al)值為0.01～0.26(<0.35)，具典型熱水沉積物的特征，由此可得出與前述相同的結論，推測錳礦層形成時有熱水活動的參與。另外，在w(Fe)/w(Ti)—w(Al)/w(Al+Fe+Mn)圖解(圖3b)上可以確定深海沉積物中熱水源與陸源物質(zhì)混合比例[20-21]，顯示錳礦石熱水比例明顯要高于大理巖和片巖。

續(xù)表1：

4.3 微量元素特征

鄂東北地區(qū)錳礦含錳巖系微量元素分析測試結果見表2。

鄂東北地區(qū)錳礦樣品的微量元素，相對太古界平均澳大利亞頁巖(PAAS[22])顯示Co、Ni、Zn、Sr、Ba、U相對富集，Cu、Rb、Zr、Nb、Th等元素相對虧損(圖4a)。

圖4 鄂東北地區(qū)錳礦微量元素PAAS標準化配分模式圖(a)和稀土元素PAAS標準配分模式圖(b) (圖4中底圖據(jù)文獻[18])Fig.4 PAAS-normalized trace element pattern (a) PAAS-normalized REE pattern (b) of the Mn deposits

在不同的氧化還原條件下，某些微量元素的性質(zhì)迥異，從而使得其在遷移、沉積的過程中富集程度有差別，因此可以利用這些元素進行環(huán)境重建[23-24]。通常，利用w(Th)/w(U)、w(V)/w(Cr)值來判別氧化還原環(huán)境[24-28]。

w(Th)/w(U)值是反映沉積環(huán)境的氧化-還原條件的重要參數(shù)。U在沉淀物中的自生富集嚴格受到氧氣的穿透深度和沉淀速率控制[24]，而Th在水體或沉淀物中的富集基本不受氧化還原條件的控制，在水體中處于不溶狀態(tài)并且主要是通過陸源碎屑輸入其富集程度基本不受氧化還原條件的影響。一般而言，0

w(V)/w(Cr)值能夠有效鑒別泥巖、黑色頁巖、碳酸鹽巖和硅質(zhì)巖等的氧化還原環(huán)境[26-27]，w(V)/w(Cr)<2.00表示富氧環(huán)境，2.004.25代表厭氧和缺氧環(huán)境[24, 27-28]。鄂東北錳礦石的w(V)/w(Cr)值2.00～5.00，平均為3.82，都大于2.00，指示一種次富氧-厭氧環(huán)境，反映弱氧化-還原性的沉積環(huán)境。綜上，鄂東北錳礦的氧化還原敏感元素特征值w(Th)/w(U)、w(V)/w(Cr)反映該區(qū)錳礦沉淀時的水體處于弱氧化-還原性的沉積環(huán)境。在鄂東北地區(qū)錳礦層中又出現(xiàn)大量黃鐵礦、黃銅礦等硫化物，也印證了上述結論。

4.4 稀土元素特征

鄂東北地區(qū)錳礦含錳巖系稀土元素含量測試結果見表3。

樣品總體表現(xiàn)為稀土總量較低(w(ΣREE)<194×10-6)，最低僅為6.86×10-6，平均為73.79×10-6，低于大陸沉積地殼平均值117×10-6[29]；樣品的w(ΣREE)值普遍低于PAAS(w(ΣREE)=210×10-6)。其中，錳礦石的w(ΣREE)=25.67×10-6～193.66×10-6，平均為63.47；大理巖的w(ΣREE)=6.86×10-6～9.85×10-6，平均為8.17×10-6；片巖的w(ΣREE)值總體稍微較高，介于97.82×10-6～166.36×10-6之間，平均為129.69×10-6。片巖的w(ΣREE)值較高，可能因其原巖為碎屑泥質(zhì)(砂)巖，與沉積物中的黏土物質(zhì)對稀土元素具有很強的吸附作用有關[30]。鄂東北地區(qū)錳礦區(qū)含錳巖系樣品PAAS標準化的稀土元素配分模式圖(圖4b)明顯呈現(xiàn)：含錳巖系的稀土配分模式圖相似，各樣品的稀土配分曲線呈基本平滑型，中稀土較為富集的“帽狀”特征；w(ΣLREE)/w(ΣHREE)=3.13～20.42，平均7.43，相對富集輕稀土元素；w(La)N/w(Yb)N為0.26～3.26，顯示輕稀土元素(LREE)相對重稀土元素(HREE)分異明顯，反映了熱液與海水對流混合后沉積的特征[31-33]。含錳巖系樣品的δEu值為0.79～1.62，平均為1.19，顯示Eu具有不明顯→弱正異常；錳礦石的δEu正異常不強烈，表明有一定的海水混入熱液流體，使原始流體Eu的顯著正異常的特征退化，甚至異常不明顯[33]。鄂東北地區(qū)錳礦δCe值為0.80～1.03，平均為0.96，顯示Ce弱負異?！幻黠@的特性，這與熱水沉積物的沉積環(huán)境有很大關系[34-35]。元素Y和Ho不僅有相同的電價和相似的離子半徑，而且它們有幾乎相等的碳酸鹽巖絡合物穩(wěn)定常數(shù)，因此在各種地質(zhì)過程中它們有非常相似的地球化學行為[36]。w(Y)/w(Ho)值可以判斷沉積過程中是否有海底熱水沉積，海底熱流體中w(Y)/w(Ho)值在25～28[37]之間，而海相水成的鐵錳殼的w(Y)/w(Ho)值為17～25[38]。鄂東北地區(qū)含錳巖系樣品的w(Y)/w(Ho)值在26.49～43.73之間變化，這表明在其沉積過程中有海底熱水(液)的參與。

Hogdahl等[39]認為，元素Ce在不同的沉積環(huán)境條件下富集程度不同，w(La)/w(Ce)值能夠反映其沉積過程是否受到熱水作用的影響。通常熱水沉積物中的w(La)/w(Ce)值小于1，如Fe-Mn熱水成因的沉積物中w(La)/w(Ce)比值為0.25；而海水中w(La)/w(Ce)大于1，如熱液結殼或古代海水的w(La)/w(Ce)比值為2.8。鄂東北地區(qū)錳礦的w(La)/w(Ce)值為0.37～0.63，平均0.48，小于1，反映該錳礦在沉積過程中受到熱水作用的強烈影響。

4.5 成礦環(huán)境及物質(zhì)來源分析

上述鄂東北地區(qū)錳礦的礦物學特征和地球化學特征研究表明，錳礦石礦物組合為菱錳礦、軟錳礦、硬錳礦、黑錳礦、錳鋁榴石、錳方解石、錳白云石等，脈石礦物為石英、重晶石、白云母、黑云母、方解石、白云石、磷灰石等。錳礦層中出現(xiàn)了大量黃鐵礦、黃銅礦等硫化物。錳礦石的常量元素特征值w(MnO)、w(CaO)、w(MgO)、w(P2O5)含量較高，w(Al2O3)、w(TiO2)、w(SiO2)、w(K2O)、w(Na2O)的含量較低，w(SiO2)/w(Al2O3)、w(Fe+Mn)/w(Ti)、w(Fe)/w(Ti)、w(Al)/w(Fe+Mn+Al)值，w(SiO2)—w(Al2O3)、w(Fe)/w(Ti)—w(Al)/w(Al+Fe+Mn)圖解上都表現(xiàn)不僅有陸源物質(zhì)參與，而且熱水參與沉積特征顯著。錳礦石微量元素Co、Ni、Zn、Sr、Ba、U相對富集，Cu、Rb、Zr、Nb、Th等元素相對虧損；w(Th)/w(U)、w(V)/w(Cr)值反映錳礦沉淀時的水體處于弱氧化-還原性的沉積環(huán)境。稀土配分曲線呈基本平滑型，具有“帽狀”特征，稀土總量偏低，相對富集輕稀土元素；錳礦稀土元素特征、Ce異常、Eu異常及w(Y)/w(Ho)、w(La)/w(Ce)值均反映本區(qū)錳礦與熱水活動有關。因此，鄂東北地區(qū)的沉積變質(zhì)型錳礦形成于弱氧化-還原性沉積環(huán)境，有熱水(液)活動參與成礦作用并提供了豐富的物質(zhì)來源。

5 結語

通過對鄂東北地區(qū)錳礦的礦物學特征和地球化學特征研究，可以得出以下3點結論：

(1)鄂東北地區(qū)錳礦含錳礦層賦存于新元古界紅安巖群黃麥嶺組中，其主要巖性為云母石英片巖-大理巖。礦體呈帶狀順層產(chǎn)出，礦石類型主要為片巖型錳礦石和大理巖型錳礦石。礦石中錳礦物主要為菱錳礦、軟錳礦、硬錳礦、黑錳礦、錳鋁榴石、錳方解石、錳白云石等。

(2)鄂東北地區(qū)錳礦層中出現(xiàn)有大量黃鐵礦、黃銅礦等硫化物，證明錳礦沉積環(huán)境為弱氧化-還原性的沉積環(huán)境。

(3)鄂東北地區(qū)錳礦石的常量元素特征、微量元素和稀土元素特征表明：錳成礦物質(zhì)來源除陸源物質(zhì)外，熱水參與沉積的特征顯著；錳礦沉淀時的水體處于一種次富氧-厭氧環(huán)境，為弱氧化-還原性的沉積環(huán)境。

致謝：感謝湖北省自然資源廳地質(zhì)勘查基金管理中心和湖北省地質(zhì)局的資金支持，感謝中國地質(zhì)大學(武漢)劉銳老師及其團隊、項目組技術人員的指導和幫助，感謝各位專家及編輯在審稿過程中對本文提出的寶貴修改意見。