广西东平沉积锰矿地球化学特征及成矿物质来源研究

姚 远，赖健清，唐一昂，张辰光

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，长沙 410083； 2.中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室，长沙 410083)



广西东平沉积锰矿地球化学特征及成矿物质来源研究

姚 远1,2，赖健清1,2，唐一昂1,2，张辰光1,2

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，长沙 410083； 2.中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室，长沙 410083)

东平沉积锰矿为桂西南的一个中大型锰矿床，大地构造位置处于滇桂地洼系，主要的含矿层位是下三叠统北泗组，沉积相主要为浅海陆棚相。本文通过研究东平锰矿矿床地球化学特征，结合东平锰矿的岩相古地理、含锰岩系、矿石矿物等特征，阐明矿床成因及成矿物质来源。测试结果表明，含锰岩系富集Co、Ni、Ba、Sr、Ti、V等元素，w(Ba)/w(Sr)值在3～7之间，N(Fe)/N(Ti)、N(A1)/N(Al+Fe+Mn)值分别为6～59、0.26～0.66，w(Co)/w(Ni)值在0.4～1之间；w(ΣREE)为36.9×10-6～774.1×10-6之间，w(Nb)/w(Ta)值为9～22(平均13)，w(Y)/w(Ho)值为26～35，HREE与LREE分馏不明显；微量元素的图解均显示成矿过程中有海底热液的加入，说明矿床的形成受稳定的大地构造环境与局部海底火山热液喷流活动的控制。

东平锰矿；成矿物质来源；地球化学；沉积锰矿；广西

0 引言

桂西地区锰矿资源丰富，储量位居全国第一位。至今已探明了大新下雷锰矿、土湖锰矿、天等东平锰矿、靖西新兴锰矿、湖润锰矿等多处大中型锰矿床，保有锰矿储量1.77×108t，占全国总储量的31.3%[1]。

关于桂西南优质锰矿的锰的来源研究有很多，郝瑞霞等人认为锰质来源于古陆[2]；欧莉华[3]、赵立群[4]、李飞[5]、和平贤[6]等认为锰矿成因与热水活动有密切关系；李升福[7]认为桂西南锰矿的成因是多元的。本文将通过对东平沉积锰矿的沉积地球化学特征研究，探讨其锰的来源及矿床成因，力图为桂西南地区优质锰矿成锰规律研究和锰矿找矿预测有所帮助。

1 区域地质背景

桂西南成锰盆地位于右江盆地的南部，呈NE-SW向展布。右江盆地属于东南地洼区西南部，属于滇桂地洼系[8]。根据地洼学说，本区地壳至少经历了3个阶段：前地槽阶段的情况尚不清楚，从元古代起进入地槽阶段，堆积了一套浅海相砂页岩并有多次海底火山喷发；早泥盆世进入地台阶段，沉积有砂砾岩建造、砂页岩建造和碳酸盐建造；中三叠世开始进入地洼阶段，堆积有分选差、稳定性小、厚度变化大的砾岩、砂页岩建造，形成了结晶基底、褶皱基底、地台盖层和地洼盖层的四层结构[9]。

区域出露地层有泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系及第四系，其中泥盆系以碎屑岩、碳酸盐沉积为主；石炭系以碳酸盐和硅化岩为主，二叠系主要为碳酸盐岩沉积和碳酸盐岩夹钙质页岩或煤系沉积；三叠系为灰岩及陆源碎屑岩沉积，其中三叠系下统主要为碳酸盐和碎屑岩沉积，同时为主要的含矿层位，三叠系上统为火山碎屑岩沉积；第四系为坡积物和洪积物沉积等[10]。

区域上主要构造为摩天岭复式向斜[11]，次级褶皱发育；断裂构造以NE向为主，次为NW向。岩浆活动比较弱，有海底喷发和侵入两类，以前者为主。

区域内矿产丰富，具有工业价值的金属矿产主要有锰矿、铝土矿，其次有金、铜、铁、锡等；非金属矿产有煤、硫、磷、水晶、萤石等。本区尤以锰矿资源丰富，已探明规模较大的有东平锰矿、下雷锰矿、湖润锰矿、土湖锰矿等，主要分布于地州—向都弧形构造带内。

2 矿床地质特征

东平锰矿位于洞蒙复式向斜核部，原生锰矿体主要受下三叠统北泗组地层控制(图1)，呈层状或透镜状产出，与围岩呈整合接触，界线清楚，其直接顶底板均为含锰硅质泥灰岩，局部矿体中有夹石。

含锰岩系下三叠统北泗组(T1b)从下至上依次分为4个岩性段：第一段(T1b1)厚约13 m。其下部为灰-深灰色、薄-中层状含锰灰岩，夹锰质条带；上部为灰黑-浅灰色、薄-中层状泥质灰岩。

图1 广西东平锰矿地质简图(据文献[12]修改)Fig.1 Geological Sketch of Dongping manganese deposit in Guangxi1.第四系；2.三叠系百蓬组；3.三叠系北泗组；4.三叠系马脚岭； 5.二叠系河口组；6.二叠系栖霞阶；7.断层；8.矿体

第二段(T1b2)厚40 m左右。主要岩性为微粒薄-纹层状含锰硅质泥灰岩，其中不同程度地含有碳酸锰的成份。根据含锰量的不同，大致可分为3个部分：下部锰富集层，原生含锰一般为5%～8%，厚9 m；中部锰贫化层，含锰较低，一般小于5%，厚9 m；上部锰富集层，系矿区的主矿层，含锰一般为5%～8%，厚度15～28 m。在主矿层中可见，主矿层顶板为深灰色、薄层硅质泥灰岩。

第三段(T1b3)厚约40 m。岩性为深灰、灰黑色中层状含锰泥质粉砂岩和紫红色含铁质较高的含锰粉砂质泥岩，夹有若干小矿层。

含锰地层整体上是一套硅质、泥质、碳酸盐组合，发育水平层理，生物稀少，以少量介形虫化石为主，反映浅海陆棚的沉积环境。

东平锰矿区北泗组中的氧化锰矿层有14层，其编号从下往上分别为Ⅹ1、Ⅹ2、Ⅹ3、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ2、Ⅸ1、Ⅺ，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为主矿层。氧化界线之上为氧化锰矿层，氧化界线之下为贫碳酸锰矿层或含锰硅质泥灰岩。锰矿层赋存在北泗组的中部，呈层状产出，与围岩为整合接触，界线清楚，其直接顶底板均为含锰硅质泥灰岩。原生带的锰矿层分布在氧化锰矿层延深对应的部位，其产状、分层及层序与氧化锰矿层均相同，夹层也相对应。根据Ⅹ1、Ⅹ2、Ⅹ3、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ2、Ⅸ1、Ⅺ氧化矿层所对应原生层的锰品位一般在5%～7%、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的氧化锰主矿层所对应原生层的锰品位一般在5%～15.27%。

锰矿石中的矿石矿物以菱锰矿和含锰方解石为主，脉石矿物包括石英、方解石、绢云母及水云母、高岭石等，含少量绿泥石、石墨、白云母。矿石结构主要有为微晶结构、显微鳞片泥质结构。构造以条带状构造、块状构造为主。

3 沉积地球化学特征

本次研究采集东平锰矿区锰矿层及其顶底板围岩样品14件，主要岩性为硅质泥灰岩、泥灰岩、灰岩、泥质粉砂岩、石英粉砂岩和菱锰矿石，对其进行了主量元素、微量元素测试。成矿元素由桂林矿产地质研究院通过X射线荧光光谱法测试，相对标准偏差优于5%。稀土元素和微量元素由澳实分析检测(广州)有限公司岩矿分析实验室通过ICP-MS方法测试，相对标准偏差优于5%。测试结果数据分别见表1和表2所述；泥质粉砂岩、灰岩、硅质泥灰岩、锰矿石的稀土元素通过北美页岩(NASC)标准化后所作稀土配分模式图如图2所示。

研究结果表明，东平锰矿含锰岩系的w(SiO2)/w(Al2O3)值介于3.2～8.0之间，N(Fe)/N(Ti)值介于6～59之间，N(A1)/N(Al+Fe+Mn)值介于0.26～0.66之间。所有样品的w(Y)/w(Ho) 值介于26～35之间；w(Nb)/w(Ta)值为9～22，平均13。锰矿石中w(Co)/w(Ni)在1附近，w(Ba)/w(Sr)则为0.6左右。

矿区大部分样品的w(La)/w(Ce)值在0.25～1之间，而w(ΣREE)为36.9×10-6～774.1×10-6之间，平均194.6×10-6；w(LREE)/w(HREE)值为0.6～1.5，平均0.9，相对富集重稀土元素；w(La)N/w(Yb)N值为8～28，说明重稀土相对轻稀土更加分异。稀土配分模式图显示锰矿石中的稀土元素配分模式比较单一，HREE与LREE分馏不是很明显。

4 分析与讨论

4.1 沉积环境

根据矿石顶底板及围岩的岩性主要为硅质、泥质、碳酸盐组合，并且普遍发育水平层理，生物稀少，以少量介形虫化石为主，故反映总体的沉积环境为浅海陆棚相。

从各种类型样品的稀土元素配分模式图2可见，大部分样品HREE与LREE分异不明显。泥质粉砂岩的REE配分模式不同样品之间差别很大，因为是碎屑岩，反映的是原岩的特征，故可能它们之间的原岩来源于不同的源区。灰岩的REE配分模式相近，表明生成灰岩的环境稳定。硅质泥灰岩的REE配分模式有少量差异出现，表明后期有不均一的热液活动。广西东平锰矿w(ΣREE)为36.9×10-6～774.1×10-6之间，平均194.6×10-6，相当于热水成因岩石的稀土总量。一般来说有三个原因：(1)Fe-Mn型热液型产物总稀土含量比其他沉积物偏高[16]；(2)沉积物中黏土物质对稀土元素具有强的吸附作用；(3)原生碳酸锰矿石总体表现为稀土总量高的特点。综上，矿体沉积环境为正常的浅海沉积，并在沉积过程中叠加了海底热液影响。

表1 广西东平锰矿样品化学组成

量单位：w(氧化物)/%；w(元素)/10-6。

表2 广西东平锰矿样品微量元素组成

量单位：wB/10-6。

图2 东平锰矿床围岩和矿石稀土元素配分模式图Fig.2 REE pattern of ore and enclosing rock of Dongping manganese deposita:泥质粉砂岩(5件)；b:灰岩(2件)；c:硅质泥灰岩(4件)；d:锰矿石(4件)(投影样品名称见表2样号对应名称)

图3 东平锰矿w(La)—w(Ce)图解[13]和w(La)/w(Yb)—w(ΣREE)图解[15]Fig.3 Diagram of w(La)—w(Ce) and w(La)/w(Yb)—w(ΣREE) for Dongping manganese deposit in Guangxi1.大洋拉斑玄武岩；2.大陆拉斑玄武岩；3.碱性玄武岩；4.花岗岩；5.金伯利岩；6.碳酸盐岩；7.沉积岩

根据东平锰矿的各类岩石、矿样的稀土元素含量所作的w(La)—w(Ce)图解(Toth, 1980)[13]和w(La)/w(Yb)—w(ΣREE)图解，如图3所示。根据w(La)—w(Ce)图解，大部分w(La)/w(Ce)值在0.25～1之间，靠近0.25的直线。根据前人研究，随着沉积环境的改变，Ce的富集程度会改变，因此可以根据w(La)/w(Ce)值来判断岩石在沉积过程中是否有热液活动的影响，例如w(La)/w(Ce)值为0.25时，沉积物可能为铁锰质热水成因；w(La)/w(Ce)值大于1时，可能为海水；w(La)/w(Ce)值为2.8时，可能为热水沉积或古海水[14]。而东平锰矿w(La)/w(Ce)值平均约为0.4，表明其在沉积过程中含锰岩系及矿石均受到热液作用的影响，锰矿石受到的影响更为强烈。从w(La)/w(Yb)—w(ΣREE)图解中可以看出，大部分样品均为正常的沉积岩与拉斑玄武岩的交界处，因此在沉积过程中可能有基性岩浆活动带来的热液参与。

综合地质特征及地球化学特征，东平沉积锰矿的沉积环境为正常浅海，且在沉积过程中有热水活动。

4.2 成矿物质来源

东平锰矿含锰岩系的w(SiO2)/w(Al2O3)值介于3.2～8.0之间，接近于陆源值3.6，说明大部分物质主要来源于陆源碎屑，后期有微弱的热水活动补充(图4)[17-18]。典型热水沉积物的N(Fe)/N(Ti)、N(Fe+Mn)/N(Ti)、N(A1)/N(Al+Fe+Mn)值分别为>20、>20±5、<0.35[19]，而东平锰矿样品中的N(Fe)/N(Ti)、N(Fe+Mn)/N(Ti)、N(A1)/N(Al+Fe+Mn)值并不是都绝对的在分布于以上的范围，说明东平锰矿的含锰岩系不是典型的热水沉积物。根据N(Fe)/N(Ti)—N(A1)/N(Al+Fe+Mn)图解(图5)，可以确定深海沉积物中热水源与陆源物质混合比例[19-20]，即表明东平锰矿样品中的热水沉积比例较低，且矿石中热水沉积物的比例明显要高于矿体顶底板，说明在锰矿形成时，有热水活动的加入。图5中的两条曲线分别代表东太平洋隆起(ERR)和红海(RS)热水沉积物与陆源碎屑(TS)和深海黏土(PS)沉积物的混合曲线；其中曲线上的数据代表热水沉积物所占比例(%)。根据图解，大部分样品的主要来源是以碎屑与粘土沉积为主，沉积过程中伴随有热水沉积物的参与。

图4 东平锰矿w(SiO2)—w(Al2O3)图解[17-18]Fig.4 Diagram of w(SiO2)—w(Al2O3) for Dongping manganese deposits in Guangxi

图5 东平锰矿N(Fe)/N(Ti)—N(A1)/N(Al+Fe+Mn)图解[19, 20]Fig.5 Diagram of N(Fe)/N(Ti)—N(A1)/N(Al+Fe+Mn) for manganese deposits in Guangxi Dongping

根据w(Y)/w(Ho)值可以判断沉积过程中是否有海底热水沉积：海底热流体的w(Y)/w(Ho)值约为25～28[21]，而海相水成的铁锰壳的w(Y)/w(Ho)值为17～25[22]。东平锰矿中所有样品的w(Y)/w(Ho)值为26～35，表明部分沉积过程中有海底热液参与，其与海相水成的铁锰壳不同；同时，w(Nb)/w(Ta)值为9～22，平均13(大陆地壳w(Nb)/w(Ta)值11～13[23, 24])，说明东平锰矿形成与陆源碎屑也有关系。

据Bostrom[19]研究，不同沉积区logw(U)与logw(Th)特征差异明显，logw(U)—logw(Th)图解是用以划分不同沉积区的有效手段。以样品中U和Th的含量(质量分数)为真数，以log为底求出logw(U)和logw(Th)的值，以logw(Th)为横坐标值、logw(U)为纵坐标值，得出研究样品的logw(U)—logw(Th)图(图6)。从图6中可直观地观察到，除一件泥质粉砂岩样品落点于石化的热水铁锰沉积区(FH)外，其余样品均投影在OS区及其边缘。其中2个矿石样品完全落在OS区；1个矿石样品在OS区和FH区的交界处。说明了主要沉积物是处于普通远洋沉积区，后期有富含铁锰的热水加入。

Rona[25]提出不同成因的沉积物在N(Fe)—N(Mn)—N(Ni+Cu+Co)×10三角图解中有各自明显的集中范围，利用这一图解可以较好地区分热水沉积物与非热水沉积物。广西东平锰矿矿石和岩石的上述三角成分投影点均落在热水沉积区范围内(图7)，其特点是很靠近Fe-Mn端元。东平锰矿的上述三元组分特征与湖南“桃江式”热水沉积锰矿[26]有相似之处。w(Cr)—w(Zr)图解[27]也显示锰矿形成与热水沉积作用有关(图8)。

图6 东平锰矿样品log w(U)—log w(Th)图解 (Bostrom，1983)Fig.6 Diagram of log w(U)—log w(Th) for Dongping manganese deposits in GuangxiRH.红海热卤水沉积区；EH.东太平洋热水沉积；FH.石化的热水铁锰沉积区；OS.普通远洋沉积区；MN.锰结核沉积区；AH.铝土矿区

图7 东平锰矿N(Fe)—N(Mn)—N(Ni+Cu+Co)×10图解[25]Fig.7 Diagram of N(Fe)—N(Mn)—N(Ni+Cu+Co)×10 for Dongping manganese deposits in GuangxiND.水成结核；HN.水成沉积物；HD.热液沉积物； RH.红海热液沉积物；CR.热液铁锰壳沉积物； ED.东太平洋热液金属沉积物

图8 东平锰矿w(Cr)—w(Zr)图解[27]Fig.8 Diagram of w(Cr)—w(Zr) for Dongping manganese deposits in GuangxiⅠ.热水沉积物的趋势线及集中区；Ⅱ.水成沉积物趋势线及集中区；Ⅲ.水成成岩金属沉积物的分布区

图9 东平锰矿含锰岩系和矿石样品w(Co)/w(Zn)—w(Co+Ni+Cu)图解[13]Fig.9 Diagram of w(Co)/w(Zn)—w(Co+Ni+Cu) for Dongping manganese deposits in GuangxiⅠ.热液沉积区；Ⅱ.水成沉积区

在w(Co)/w(Zn)—w(Co+Ni+Cu)相关图上，几乎所有样品在热水沉积区内，但氧化锰矿和硅质泥灰岩均在热水沉积区和水成沉积区外(图9)，这可能是矿石中Co含量很高引起。在表生沉积中，一般w(Co)/w(Zn)值<1。Co的含量高，说明有热液活动，带来额外的Co。

综上所述，微量元素等图解可以看出，成矿物质来源主要与海底热水活动有关。

4.3 矿床成矿模式

根据矿床地质特征综合分析，并结合矿床的地球化学特征，东平锰矿的成矿模式如图10所述。

在早三叠世晚期，本区处于地台余定期，大面积的地壳升降，使得桂西南地区处于浅海陆棚相，局部海底裂陷槽中热液间歇性地活动，带出大量的成矿物质。由于浅海盆地较深，所以海底处于还原的环境，不利于金属离子的沉淀。成矿物质随着海水对流迁移到浅海区域较为氧化的环境下沉积成矿。

图10 广西东平沉积锰矿的成矿模式Fig.10 Metallogenic model for Dongping (sedimentary) manganese deposits in Guangxi

5 结论

(1)东平沉积锰矿床赋存于三叠纪北泗组，含锰岩系一般为硅质泥灰岩，泥质灰岩和粉砂质泥岩组合，矿体位于洞蒙复式向斜核部，呈层状或透镜状产出，与围岩呈整合接触，其直接顶底板均为含锰硅质泥灰岩。矿体主要受控制于沉积环境和后期构造，属于典型的沉积型矿床。

(2)东平沉积锰矿样品中的Fe2O3、SiO2、Al2O3、Ti含量较高，CaO、MgO含量较低；矿石中微量元素Ba、Rb、Sr、Zn等元素富集，Ni、Co、Cr等元素较亏损；锰矿中的稀土元素配分模式比较单一，HREE富集，LREE亏损，重稀土相对轻稀土更加分异。

(3)主量元素中N(Fe)/N(Ti)、N(Fe+Mn)/N(Ti)、N(A1)/N(Al+Fe+Mn)值表明矿体不是单一沉积的产物。同时，微量元素w(Y)/w(Ho)、w(Nb)/w(Ta)值及w(Cr)—w(Zr)、logw(U)—logw(Th)图解均表明矿体沉积环境为正常的浅海沉积，但是δCe、δEu及w(La)/w(Ce)、w(La)/w(Yb)—w(ΣREE)等图解均反映本区锰矿与热水活动有关。因此成矿物质来源于海底热液喷流。

(4)东平沉积锰矿的成矿模式为正常浅海沉积作用成矿。在早三叠世晚期，桂西南地区处于地台余定期，大面积地壳升降使本区处于浅海陆棚相，海底热液间歇性地活动，带出大量的成矿物质，随着海水对流在靠近地表的滨浅海沉淀下来形成矿体。

致谢：野外期间得到了中信大锰矿业公司、中国冶金地质总局中南局南宁地勘院等单位领导及员工的大力支持和帮助，鞠培姣、陶斤金、宋哲等参与了野外工作，并对论文的撰写提供了帮助，在此一并表示衷心的感谢！

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Geochemistry characteristics and the ore material source of Dongping sedimentary manganese deposit in Guangxi

YAO Yuan1, LAI Jianqing1,2, TANG Yiang1,2, ZHANG Chenguang1,2

(1.SchoolofGeoscienceandInfo-physics,CentralSouthUniversity，Changsha410083,China； 2.KeyLaboratoryofMetallogenicPredictionofNonferrousMetals,MinistryofEducation，Changsha410083,China)

Dongping sedimentary manganese deposit is a medium-large deposit in the southwest Guangxi. Geotectonically it occurs in Diangui Diwa region. Beisi Formation of Lower Triassic series, the shallow sea-shelf sedimentary facies is the major ore-bearing horizon. Based on geochemical characteristics, lithofacies and paleogeographic condition, the ore-bearing sequence and mineralogy is expounded the genesis and ore material source of the deposit. The analytical results: enrichment of Co、Ni、Ba、Sr、Ti、V in the Mn-bearing sequence,w(Ba)/w(Sr), 3～7,N(Fe)/N(Ti), 6～59,N(A1)/N(Al+Fe+Mn), 0.26～0.66,w(Co)/w(Ni) 0.4～1;w(ΣREE), 36.9×10-6～774.1×10-6,w(Nb)/w(Ta), 9～22(averagely13,w(Y)/w(Ho), 26～35 without evident fractionation of HREE and LREE show that submarine hydrothermal fluid incorporated in the metallogenic process and the deposit is controlled by stable geotectonic environment and local Sedex condition.

Dongping manganese deposit; ore source; geochemistry; sedimentary manganese deposit; Guangxi

2015-10-19； 责任编辑： 王传泰

“十二五”科技支撑项目(编号：2011BAB04B10)资助。

姚远(1992—)，男，硕士研究生，地质资源与地质工程专业。通信地址：湖南省长沙市岳麓区中南大学地学楼409；邮政编码：410083；E-mail：125473946@qq.com

赖健清(1964—)，男，博士，教授，研究方向矿床学、流体包裹体。通信地址：湖南省长沙市岳麓区中南大学地学楼237；邮政编码：410083；E-mail：ljq@csu.edu.cn

10.6053/j.issn.1001-1412.2016.04.005

P611.32，P618.32

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