南非西北省某铁锰矿床地质特征及成因浅析

和松谭康雨马林霄岳鹏军

（1.北京中资环钻探有限公司，北京 100012；2.中色地科矿产勘查股份有限公司，北京 100012）

0 引言

锰矿是重要的战略性资源，也是发展钢铁工业的重要大宗原料矿产之一，在国民经济和社会发展中具有十分重要的战略地位（高海亮，2006）。南非锰矿石储量居世界第1 位，总计1316 亿t，集中分布在开普省库鲁曼地区（常洪伦等，2014），呈近南北向的古元古代海斯巨形锰矿带，长达130 km。矿区位于古元古代海斯铁－锰成矿带卡拉哈里锰矿田西北缘，地理坐标为南纬27°08′40″，东经22°49′50″。南非锰矿均产于前寒武纪德兰士瓦群内，为海相沉积或沉积变质锰矿床（周柳霞和谭蓉1997）。20 世纪20 年代初，最早发现了位于Mukulu 矿区南部的Postmasburg 锰矿田，20 世纪60—70 年代，Assmang公司在该矿田开始开发Emang 锰矿田。1966 年10月至1968 年3 月，南非AMMOSAL 公司在该矿权区进行勘查工作，经过采样分析，初步发现了该矿区锰矿的存在。1968—2008 年，ASSMANG 公司（原名AMMOSAL）在Mukulu 矿权区进行了钻探施工，2008 年，Main Street 778 公司委托Mr Abraham Pre⁃torius 对矿区进行了三维建模及资源量估算，利用钻孔数据35 个，提交了《A Report of the creation of a geological and orebody model for the Mukulu manga⁃nese project－ A.I.Pretorius》，通过距离幂次反比法圈定了深部UMO、LMO 2 条矿体。但以往工作主要是在矿区北段（约10 km2）完成了系统的地质勘查工作，因此本次核实工作资源量估算对象为矿区通过系统工程控制的浅部矿体和深部矿体。笔者在参与矿区地质调查的基础上，从矿区大地构造背景出发，结合近年来矿区的找矿成果，分析铁锰矿成矿规律，对该铁锰矿成因进行了初步探讨，以期为卡拉哈里锰矿田内的铁锰矿找矿勘查提供思路。

1 区域地质背景

南非的构造单元包括卡普瓦尔太古宙克拉通和一系列元古宙－古生代造山带，以及一个代表弧后前陆沉积系统的卡鲁盆地。南非成矿区带分为6 个Ⅲ级成矿区带（表1）（吴兴源等，2015），矿区产出于古元古代海斯铁－锰成矿带（Ⅲ－3）卡拉哈里（Kalagari）锰矿田西北缘。

Mukulu 矿区大地构造位置处于卡普瓦尔（Kaapvaal）克拉通西部与古元古代海斯（Kheis）褶皱－逆冲带的交界地带的西格里夸兰盆地（Griqua⁃land West）北部。西格里夸兰盆地地层主要由古元古代德兰士瓦超群（Transvaal）、古元古代晚期奥利芬霍克超群（Olifanshoek）、中生代卡鲁超群（Ka⁃roo）、新生代卡拉哈里超群（Kalahari）构成。区域性的构造主要由一条近SN 向逆冲断层和一系列SN向、SN－NE 向、NNW－NW 向正断层，以及NW 向、NE 向褶皱构造构成，对卡拉哈里锰矿田的成矿、控矿作用影响比较大的主要为SN 向的Black Ridge 逆冲断层、NW 向Dimoten 向斜及一系列SN－NE 向正断层（图1）。

表1 南非主要成矿区带

近SN 向逆冲断层和一系列SN 向、SN－NE 向、NNW－NW 向正断层，以及NW 向、NE 向褶皱构造构成，对卡拉哈里锰矿田的成矿、控矿作用影响比较大的主要为SN 向的Black Ridge 逆冲断层、NW 向Dimoten 向斜及一系列SN－NE 向正断层（图1）。

区域岩浆岩较为发育，主要岩性为玄武质、安山质枕状熔岩，脉岩多为后期的辉绿岩脉和细晶闪长岩脉。区域内的地层受到了非常浅程度的变质作用，在长期的变质过程中，重结晶引起了矿物晶体的生长及形态的变化，形成了微结核，出现了方铁锰矿、褐锰矿和赤铁矿等金属矿物微晶共生的情况。

2 矿区地质特征

2.1 地层

矿区地层主要为古元古代、中生代的火山－沉积岩系以及新生代盖层，自下而上主要地层特征见表2。

波斯特马斯堡群（包括Ongeluk、Hotazel 组和Mooidraai 组），其中Ongeluk 组主要岩性为玄武质、安山质火山熔岩，广泛分布在Mukulu 矿床深部，构成了矿床的基底，Hotazel 组为一套条带状含铁（锰）建造，主要岩性条带为状磁铁石英岩，广泛分布在Mukulu 矿床深部，与下伏Ongeluk 组呈不整合接触，该组为矿区锰矿和铁矿的主要赋矿层位，Mooidraai组主要岩性为菱铁矿白云岩、燧石质白云岩，与下伏Hotazel 组呈整合接触，该组地层在沉积时受古地形影响，在走向和倾向上连续性较差，在Mukulu 矿区表现为呈透镜状产出。

古元古界奥利芬霍克超群包括Mapedi 组和Lucknow 组，其中Mapedi 组主要岩性为页岩，夹石英岩，底部为含铁页岩、碎屑岩，与下伏Mooidraai 组呈不整合接触，Lucknow 组主要岩性为页岩、砾岩、石英岩夹页岩，与下伏Mapedi 组不整合接触。

中生界卡鲁超群的德怀卡群为一套冰川成因的混杂陆源沉积岩（冰碛岩），该组地层主要呈似层状、透镜状分布在矿区东部，不整合覆盖在Mapedi组之上。

表2 Mukulu 矿区主要地层简表

图1 西格里夸兰盆地区域地质简图

新生界卡拉哈里超群包括Gordonia 组和卡拉哈里组，其中卡拉哈里组上部为钙质砾岩，下部为红色粘土层，底部为含粘土砾石层，Gordonia 组在全区广泛分布，主要为风成砂和腐殖土，在矿区表现为东北厚度小、西南厚度大，平均厚度一般在25 m 左右。

2.2 构造

矿区位于Dimoten 向斜东翼，区内以南西缓倾的单斜岩层为主，次级褶皱构造不发育。矿区断裂构造较发育，最主要的断裂构造为逆冲推覆断层，主逆冲断层在深部多顺层（Mapedi 组顶部）滑动，断层面的产状基本与地层产状一致，即倾向230°，倾角约7°，在浅部产状变陡，倾角约45°。受逆冲推覆断层控制，在断层面以上形成浅部逆冲推覆体矿体，即浅部矿体，由于推覆构造次级断裂发育，导致浅部矿体在走向和倾向的连续性较差。

其次为一系列正断层，根据目前工程控制情况，矿区内主要发育一系列近南北向正断层，分别编号为F1、F2、F3、F4、F5。这些断层多为成矿后的破矿构造，F1 断层：贯穿整个矿区，呈近南北向展布，倾向东，倾角约78°，属高角度正断层，将Mapedi 组以下的地层错断，并控制了Mapedi 组的沉积，平均垂直断距约51 m、水平断距约10 m。其与F2 断层一起将矿区内矿体分为东、西两个区块；F2 断层：贯穿整个矿区，位于F1 断层东侧，呈近南北向展布，倾向东，倾角约78°，为矿区内断距最大的高角度正断层，将Mapedi 组以下地层错断，并控制了Mapedi 组的沉积，平均垂直断距约271 m、水平断距约56 m；F3 断层：呈近南北向展布，倾向西，倾角约11°，断距较小，为发育在Mapedi 组的正断层，位于F1 断层西侧，其应属于F1 断层的次级断裂；F4 断层：呈近南北向展布，倾向东，倾角约72°，属高角度正断层，将Mapedi 组以下的地层错断，并控制了Mapedi 组的沉积，平均垂直断距约60 m、水平断距约8 m；F5 断层：根据目前工程控制情况，主要在矿区东部分布，呈近南北向展布，倾向西，倾角约77°，属高角度正断层，将Mapedi 组以下地层错断，并控制了Mapedi 组的沉积，平均垂直断距约138 m、水平断距约56 m。

2.3 岩浆岩

矿区的岩浆岩主要由侵入的脉岩，根据钻孔揭露结果，在Ongeluk 组和Hotazel 组地层中见到侵入岩的脉岩。矿区内目前共发现2 条脉岩，为白色到灰色的细晶闪长岩，两者近平行产出，倾向140°，倾角约80°。脉岩基本上是沿断层侵入的，推测发生在Hotazel 组沉积之后，Mapedi 组页岩沉积之前，因此，脉岩对矿体有不同程度的破坏作用。

2.4 变质作用

矿床经历了漫长的地质历史演化和构造岩浆活动，石英砂岩变质为石英岩，具有变余砂状结构和变晶结构；重结晶引起了矿物晶体的生长及形态的变化，形成微结核，出现了方铁锰矿、褐锰矿和赤铁矿共生的情况；根据野外地质调查，各类粉、细砂岩均有一定程度的绿片岩化、高岭土化或绢云母化，且岩石中常有石英脉细脉穿插，由此判断矿区的变质作用为浅－中浅变质程度。

3 矿床地质特征

3.1 矿体特征

根据目前勘探成果，结合矿床地质特征，在矿区内矿体可分为浅部矿体和深部矿体，均呈北西－南东方向展布，矿体主要赋存在Hotazel 组的条带状含铁（锰）建造中，主要赋矿岩性为条带状磁铁石英岩，浅部矿体主要分布在逆冲推覆体内，其空间展布受逆冲推覆断层控制（图2）。

在浅部逆冲推覆体内共圈出16 条浅部矿体（分铁锰矿体和铁矿体），其中铁矿体共6 条，铁锰矿体共10 条。各矿体呈层状、似层状、透镜状产出，大致平行分布。浅部矿体受推覆构造的控制，主要赋存在推覆断裂面以上，埋深一般70～190 m，属隐伏矿体，在平面位置上，位于矿区中部。

在深部共圈出3 条铁锰矿体，自上而下分别编号为UMO、MMO 和LMO；铁锰矿体呈层状、似层状、透镜状产出，基本平行分布。其中UMO 富锰矿体矿体走向约335°，走向长2500 m，总体倾向南西，平均倾角约8.57°，赋矿标高302～704 m，控制的最大延深1525 m。矿体赋存在条带状含铁锰硅质岩内，形态呈层状、似层状。矿体内无夹石。后期脉岩沿断层侵入，断层将矿体错断；MMO 富锰矿体矿体走向约338°，走向长507 m，总体倾向南西，平均倾角约8.96°，赋矿标高316～650 m，控制的最大延深216 m。矿体赋存在条带状含铁锰硅质岩内，形态呈层状、似层状。矿体内无夹石。后期脉岩沿断层侵入，断层将矿体错断；LMO 富锰矿体矿体走向约333°，走向长2243 m，总体倾向南西，平均倾角约8.5°，赋矿标高166～660 m，控制的最大延深2337 m。矿体赋存在条带状含铁锰硅质岩内，形态呈层状、似层状。矿体内无夹石。后期脉岩沿断层侵入，断层将矿体错断。

图2 矿区构造典型剖面示意图

3.2 矿石特征

矿区的矿体埋深一般在100 m 以下（深部矿体埋深350 m 以下），主要赋存在条带状含铁（锰）硅质岩（BIF）内。矿石具有硫化物含量低、矿石硬度大、脆性强的特点。

矿石的结构构造比较简单，主要为粒状变晶结构，条纹－条带状构造。条带状构造由铁锰质条带（主要由块状、粒状赤铁矿、磁铁矿及锰质矿物混合而成）和燧石条带（主要由细晶石英组成）间隔分布，宽0.1～1 cm 不等（图2）。

3.3 矿石类型

3.3.1 自然类型

（1）铁矿石

矿区浅部铁矿石的主要铁矿物为磁铁矿和赤铁矿（部分矿石以磁铁矿为主，部分以赤铁矿为主），因此铁矿石的自然类型可分为为磁铁矿石和赤铁矿石。

（2）锰矿石

矿区浅部和深部锰矿石的主要锰矿物为黑锰矿、铁锰矿、褐锰矿等氧化物－氢氧化物为主，因此锰矿石的自然类型为氧化锰矿石。

3.3.2 工业类型

（1）铁矿石

矿区内铁矿石其主要有用成分为赤铁矿和磁铁矿，主要分布在浅部10 个铁矿体中。铁矿石主要化学成分中TFe 矿床平均含量为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。其有用物质和主要有害物质基本满足《铁、锰、铬矿地质勘查规范》（DZ/T 0200－2002）中炼钢用铁矿石的工业要求。

因此，该区铁矿石的工业类型为炼钢用铁矿石。

（2）锰矿石

该区的锰矿石主要为氧化锰矿石，根据《铁、锰、铬矿地质勘查规范》（DZ/T 0200－2002）中冶金用锰矿石一般工业指标要求，其工业分类可分为铁锰矿石（浅部和深部的铁锰矿体中）、富锰矿石（深部富锰矿体中）。

1）浅部铁锰矿石

从表3 可以看出，浅部铁锰矿石总体Mn/Fe 为1.48，P/Mn 为0.002，（CaO＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）为0.641%，属低磷、高铁、酸性锰矿石。具体到每个矿体，除MFe3 和MFe6 铁锰矿体矿石为低磷、高铁、自熔性锰矿石外，其他矿体矿石均为低磷、高铁、酸性锰矿石。

表3 浅部铁锰矿石性质计算参数表

表4 深部铁锰矿石性质计算参数表

2）深部铁锰矿石

从表4 可以看出，深部铁锰矿石总体Mn/Fe 为1.74，P/Mn 为0.001，（CaO＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）为2.161%，属低磷、高铁、碱性锰矿石。具体到每个矿体，差别也不大，矿石性质均相同。

3）深部富锰矿石

从表5 可以看出，富锰矿石总体Mn/Fe 为3.37，P/Mn 为0.001，（CaO＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）为1.993%，属低磷、中铁、碱性锰矿石。具体到每个矿体，除UMO 富锰矿体矿石为低磷、高铁、碱性锰矿石外，其他矿体矿石均为低磷、中铁、碱性锰矿石。

表5 富锰矿石性质计算参数表

3.4 矿石物质组成

矿区内铁矿石主要分布在浅部逆冲推覆体中的铁矿体内，根据野外和镜下观察，矿石主要有用矿物为铁氧化物（磁铁矿和赤铁矿），含量可达60%以上；能判明的主要金属矿物有锰质矿物（2%左右）、黄铁矿、针铁矿等；非金属脉石矿物主要有石英（含量30%左右）及少量白云石、方解石、伊利石、磷灰石、石膏、高岭石等（图3）。

矿区内铁锰矿体和富铁矿体的矿石类型均属氧化锰矿石，其矿物成分基本相同，只是含量有所不同。根据野外和镜下观察，其主要有用矿物为黑锰矿、褐锰矿，Mn 含量30%左右，铁氧化物（磁铁矿和赤铁矿，TFe 含量11%～25%），其次为菱锰矿、铁锰矿、钙锰石、锰白云石、钙菱锰矿、锰方解石、方铁锰矿、软锰矿等；主要脉石矿物为石英、方解石、白云石、磷灰石、重晶石等。其中，富锰矿石锰质矿物成分以黑锰矿、铁锰矿、褐锰矿为主；铁锰矿石则以褐锰矿、铁锰矿、锰白云石为主（图3）。

4 矿床成因

Mukulu 矿床位于世界著名的卡拉哈里锰矿田西北部，该矿田蕴藏锰矿资源量巨大。矿区内广泛发育一套富含铁锰硅质建造（BIF）、石英岩、火山熔岩及页岩等的海底热水喷气沉积建造，赋矿层位为波斯特马斯堡群Hotazel 组。铁锰矿体呈层状、似层状、透镜状产出；矿石具变晶结构，条带状构造，矿石矿物的主要成分为黑锰矿、褐锰矿、铁氧化物、菱锰矿、钙锰石等，脉石矿物主要为硅质和少量钙质；矿区变质作用为浅－中浅变质程度，主要为绿片岩相。综上，矿床成因类型为沉积变质型铁锰矿床。

4.1 成矿物质来源

图3 条带状铁（锰）矿石照片

据前人文章中对相关地球化学资料和Sr 及Pb同位素证据表明，卡拉哈里锰矿田中的Ongeluk 玄武质、安山质熔岩在海底火山环境中经受了主要热液蚀变，蚀变伴生有大量热液喷气，这些火山喷气是大量化学沉积物，尤其是锰、铁和燧石的主要来源。且具多期海底热液喷气特征，每期海底喷气活动都带来大量Fe、Mn 等成矿物质和酸性、还原性气体，为形成巨型铁锰矿床提供了物质基础（廖凤初和周有希，2013）。

4.2 古构造条件

元古宙早期，卡拉哈里地区为广阔的Campbell Rand 亚群台地碳酸盐岩沉积序列所覆盖，形成了一套富锰铁白云岩环境中的岩溶系统，这为铁锰矿床的形成提供了条件。随着地壳抬升，强岩溶作用形成近南北向的溶洞构造，为之后含锰铁质沉积物提供了容纳空间。

4.3 矿床成因模型

据常洪伦等在锰矿田堆积型锰矿体地质特征及找矿方向一文中研究表明，关于该地区铁锰矿床成因的模型有很多种，其中主要流行的有两种（常洪伦等，2016），一种为海侵—海退模型：在海平面的升降波动中，锰质以氧化物的形式在陆架上沉积下来成矿。海盆中锰矿层具有一定的序列，反映了进积—退积的旋回性（Cannon and Force，1983）；另一种为上升流模型：深海富锰水体在水流带动下上升至海盆陆架氧化区域富集，接受氧化沉积成矿（图4）（Frakes and Bolton，1984）。

图4 矿床成因模式示意图（据常洪伦等，2016b 修改）

卡拉哈里锰矿田之下的安格卢卡熔岩堆积物是由于海底火山—热液作用而发生蚀变的（李上森，1996）。因此矿床的成因模型应接近上升流模型，即深海富锰铁水体在水流的带动下，上升至海盆陆架氧化区域富集，接收氧化沉积成矿（深部矿体）。之后在逆冲推覆过程中衍生一系列的次级逆冲断层，导致德兰士瓦超群在空间上的重复出现，形成现有的浅部逆冲推覆矿体特征。

5 结论

（1）该矿区主要赋矿层位为波斯特马斯堡群Hotazel 组，主要赋矿岩性为条带状磁铁石英岩，矿体产状较稳定，总体倾向以南西为主，呈层状、似层状、透镜状产出，基本平行分布，受构造影响明显。

（2）该矿区变质作用为浅－中浅变质程度，主要为绿片岩相，矿石以氧化矿为主，矿物主要成分为黑锰矿、褐锰矿、铁氧化物、菱锰矿、钙锰石等，脉石矿物主要为硅质和少量钙质。矿床类型属沉积变质型铁锰矿床，矿床的成因模型接近于上升流模型。