南非Kalahari 锰矿田地质特征及找矿方法

谭康雨曾瑞垠詹勇岳鹏军

（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

南非是世界著名的锰矿资源大国，矿床规模大，矿石品位高、质量好，其锰矿主要集中分布于Kala⁃hari－Postmasburg 锰矿成矿带上（董晓方，2012；严旺生和高海亮，2009），该矿带位于南非北开普省，中心地理坐标：南纬27°12′43″，东经22°57′39″，北部临近Kalahari 沙漠，具有明显的沙漠气候特征，该矿带可分为Kalahari 锰矿田和Postmasburg 锰矿田（图1）。其中Kalahari 锰矿田南北延伸约40 km，东西宽约15 km，该矿田与Kalahari 侵蚀盆地范围基本吻合，区域性走向为330°，向西倾角为7°。Kalagari 盆地形成于太古宙至元古宙，是目前世界上最大的陆地锰矿基地，该矿带约占探明全球锰矿资源的77%（Vafeas et al.，2019）。Kalahari 锰矿田发育以原生沉积变质型矿床为主，其次有淋积型和堆积型。前人重点Postmasburg 锰矿田成矿规律做了大量研究，但对于Kalahari 锰矿田的研究则知之甚少，笔者有幸前往南非参与了木库鲁铁锰矿的资源储量核实等工作，通过岩芯样品采集及数据对比研究，在论述木库鲁铁锰矿地质特征的基础上，分析区域铁锰成矿规律并提出下一步找矿方向，为该区进一步开展铁锰矿地质找矿工作提供借鉴。

1 区域地质背景

南非是世界上少数几个保存有完好太古宙克拉通的地区之一，地质演化历史复杂，其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。Kalahari 锰矿田位于西格里夸兰盆地（The Griqua⁃land West Basin）北部，西格里夸兰盆地地层主要由古元古界德兰士瓦超群（Transvaal Super Group）、古元古界奥利芬霍克超群（Olifanshoek Super Group）、中生界卡鲁超群（Karoo Super Group）、新生界卡拉哈里超群（Kalahari Super Group）构成（图1）。

南非北开普省的古元古界德兰士瓦超群（Transvaal Super Group）主要由碳酸盐和铁质层组成，地层总厚度一般超过2000 m（Beukes，1986）。这个以化学成分为主的沉积序列被高达150 m 的冰碛岩覆盖，而Makganyene 组则被Ongeluk 组的大陆玄武岩－安山岩序列覆盖，其上部具有典型的枕状构造。Hotazel 组直接位于Ongeluk 组火山岩上，通常发育于Kalahari 锰矿田，低于第三系Kalahari 组40～70 m 的砂砾岩覆盖层（Tsikos et al.，2003）。Hotazel 组地层在地表出露很少，仅出露于Kalahari锰矿田北部的Black Rock 小山丘，由于逆冲推覆作用，导致Hotazel 组地层在垂向上重复出现（Tsikos et al.，1997，2003；Kunzmann et al.，2014）。因此，对Kalahari 锰矿田地层几乎完全是通过钻探、露天开采和地下矿井揭露等方式来了解的。

在与Ongeluk 组火山岩接触处的正上方，地层岩性为含铁碎屑岩，可分级成层序较高、有规律的条带状磁铁石英岩地层。Kalahari 锰矿田中部和南部大部分发育Hotazel 组铁锰层序上的Mooidraai 组条带状含铁灰岩和局部白云岩，Hotazel 组和Mooidraai组共同构成了Voelwater 亚群。在Kalahari 锰矿田北部和西部，Voelwater 亚群不整合地覆盖着页岩、石英岩和属于晚古元古代Olifantshoek 超群基底Mapedi 组的小砾岩。研究表明，Mapedi 组凝灰岩U－Pb 测年和碎屑锆石测年基本一致，为1.25 Ga（Rasmussen et al.，2019）。

西格里夸兰盆地区域性的构造主要由1 条近SN 向逆冲断层和一系列SN 向、SN－NE 向、NNWNW 向正断层，以及NW 向、NE 向褶皱构造构成（图2），而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 向逆冲断层（Black Ridge 逆冲断层）、SN－NE 向正断层、NW 向褶皱构造（Dimoten 向斜）。

区域岩浆岩较为发育，主要为Ongeluk 组玄武质、安山质枕状熔岩，厚度900 m，但未见十分明显的火山活动，脉岩多为后期的辉绿岩脉和细晶闪长岩脉。一些学者认为Ongeluk 组玄武质、安山质枕状熔岩是海底喷发的，是在大陆架环境下喷出形成的，矿床中的锰质即来源于海底火山喷气作用（李上森，1996）。

2 矿床特征

2.1 矿体特征

Kalahari 锰矿田具有典型的层控特征，矿体赋存于古元古界德兰士瓦超群上部的Hotazel 组条带状硅铁建造，3 层锰矿体近平行展布，与互层的条带状铁建造同时沉积（图3）。

底部矿层（LMO）为主要的含矿层，厚度5～45 m 不等，在走向和倾向上具有较好的连续性，锰矿石品位较高，是目前该矿田开采开发的重点；中部矿层（MMO）矿化较弱，厚度不稳定，连续性较差；上部矿层（UMO）厚3～5 m，锰矿品位中等，目前在Kalahari锰矿田尚未广泛开采。

2.2 矿物成分

矿石矿物成分均较简单：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；铁矿石矿物主要为磁铁矿和赤铁矿。

通过对木库鲁矿区样品岩矿鉴定结果显示，岩相明显地表现在以前的辉钼矿和碳酸盐矿的递进转化过程中，细脉上先出现细锰矿，取代层序和碳酸盐岩透镜体，形成混合的矿石，然后形成越来越多的大规模置换区（图4a）。黑锰矿是Kalahari 锰矿田矿床中取代碳酸盐岩的成岩氧化产物（图4b）。从宏观上看，样品的密度更高，呈钢灰色，带有闪亮的金属光泽。黑锰矿通常是粗粒的，有时肉眼可见，形状为正面体。在较大的块状样品中，没有残留层状或沉积层理。偶有碳酸盐、铁氧化物和其他小相出现（图4c、4d）。

2.3 矿石类型及分布

2.3.1 区域矿石类型分布

从区域矿石分布来看，Kalahari 锰矿田矿石类型可分为低品位（＜40%）富含碳酸盐的矿石及高品位（＞44%）富含氧化物的矿石。其中，低品位矿石称为马马特旺（Mamatwan）型矿石，主要产于Kala⁃hari 锰矿田南部和东部，是由成岩作用－低级变质作用过程形成的泥质岩，在成分上包括微晶锰白云石、褐锰矿及赤铁矿，锰含量一般30%～40%，此种矿石约占总储量的97%；而高品位矿石则称为Wessels型矿石，它们仅分布于矿田北部，由粗晶黑锰矿、褐锰矿与方铁锰矿组成，约占矿石总储量的3%（Miya⁃no and Beukes，1987；Vafeas et al.，2018）。

图3 Kalahari 锰矿田矿体分布示意剖面图

图4 矿石矿物镜下特征

Wessels 型矿床处于逆冲推覆构造和正断层的区域，研究认为该高品位矿床的形成与逆冲推覆变形过程有关（Nikel，2006）。Kalahari 锰矿田北部是一个近南北向正断层发育比较强烈的地区，这些断层与高品位矿石和铁化的形成之间可能存在的联系需要继续深入研究。紧靠南北向断层的矿石由于含铁量高而无法开采，最高品位的矿石在断层块中部沿正断层的铁锈带和Mamatwan 型矿石残留带之间发育（Gutzmer and Beukes，1993）①。另一个不太明显的铁矿（化）带与东西向小断裂有关，南北向的铁矿（化）带一般沿走向1 km 左右，宽约十几厘米。相对之下，东西向铁矿（化）带沿走向200 m，宽可达几米（Gutzmer and Beukes，1995）。

从高品位的Wessels 型矿石到低品位的Mamat⁃wan 型矿石的转变，推测可能是急剧的，也可能是渐变的。目前的研究认为，这种矿石品位从低到高的转变现象很可能与断层控制的低温热液－流体交代作用有关。有些学者认为，锰的富集与先后经历的3 次由构造引发的热液蚀变事件相关，分别是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 矿石自然类型

区内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；铁矿石的主要铁矿物为磁铁矿和赤铁矿，因此铁矿石的自然类型可分为为磁铁矿石和赤铁矿石。

2.3.3 矿石工业类型

以矿田北部Wessels 型矿床Hotazel 矿区为例，深部富锰矿石总体Mn/TFe 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；深部铁锰矿石总体Mn/TFe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；深部铁锰矿石总体Mn/TFe 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；浅部铁锰矿石总体Mn/TFe 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；区内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，其工业类型为炼钢用铁矿石。

2.4 Fe、Mn 含量相关性

本次研究通过从以往Hotazel 矿区数万件矿石基本分析样品结果中随机抽取187 件进行分析化验，矿石中Fe、Mn 含量因矿物成分的含量变化而异，Fe 含量升高则Mn 含量降低，反之亦同，具有明显的负相关性。

从样品数据可以看出：矿石的总体品位（Mn＋TFe）介于30.51%～71.20%，平均值为56.26%。在散点图中数据点主要集中在50%～70%，总体品位变化稳定（图5）。

TFe 介于31.31%～69.38%，Mn 介于20.40%～57.29%，二者的品位变化范围较大，且具有此消彼长的特征，存在明显的负相关性，相关系数达到－0.85，表明矿石中Fe 和Mn 具有较强的负相关性（图6）。

Fe、Mn 品位负相关性特征的主要原因总结为2个方面：一是水体、大气环境因素，古元古代的缺氧环境导致水体中的Fe、Mn 仅能以胶体形式存在，随着水体中藻类和菌类的大量出现，水体中氧含量增多使Fe、Mn 接受氧化而沉淀（常洪伦等，2016a），在沉积过程中，由于Fe、Mn 物理性质的相似性，胶体沉积性质差异不明显，致使Fe、Mn 胶体沉积无明显界线；二是Fe、Mn 化学性质的相似性，Fe、Mn 元素的置换，出现软/硬/褐锰矿－方铁锰矿－赤铁矿的变化序列，矿石中矿物成分的含量差异划分为不同的矿石类型（常洪伦等，2016）。

3 矿床成因

对Kalahari 锰矿田成因，大多认为为沉积变质锰矿床，但也有其他争论的观点。关于矿床成因模型的探讨，最为典型的为上升流模型和海侵－海退模型的（常洪伦等，2016a）。

3.1 物质来源

大量数据表明，Kalahari 锰矿田具有多期海底热液喷气特征，且伴随着热液蚀变，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，为形成厚大层状铁锰矿提供了物质基础（李上森，1996；常洪伦等，2016b；廖凤初等，2013）。根据以往勘探数据分析，Mamatwan 矿床下部矿层厚大达到约45 m，Nchwaning 矿床上部矿层厚度为4 m，中部矿层平均厚度小于1 m（Gutzmer and Beukes，1995）。矿带南北延伸近40 km，宽约15 km，充分表明了成矿物质来源充足，铁锰矿几乎分布整个锰矿田。

图5 Fe、Mn 总含量散点分布图

图6 Fe、Mn 含量相关性曲线

3.2 构造条件

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）（图7）。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。

元古宙早期，Kalahari 地区为广阔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，随着地壳抬升，强岩溶作用形成近南北向的溶洞构造，为后期含铁锰质沉积物提供了赋存空间。在逆冲推覆作用下衍生一系列的次级逆冲断层，表现为逆冲叠瓦状构造，从而导致地层在垂向上重复出现，形成现有的浅部逆冲推覆矿体特征。经过成矿后期南北向近直立正断层切割，形成了上下位移距离不等的大量矿块。

4 找矿方法

根据Kalahari 锰矿田的地层和构造等特征，结合矿体出露、赋存等实际情况，可通过以下几个方面快速、高效圈定找矿靶区。

航空磁法测量，结合地面高磁验证，是快速圈定异常靶区的有效方法。Kalahari 锰矿田矿体在地表几乎没有出露，仅在Black Rock 地区有少量露头。根据这一特点，传统的地质填图难以达到找矿效果，且矿田被风成沙及植被严重覆盖，地质填图包括地表工程在该地区难以奏效。根据Fe、Mn 物理性质，开展航空磁法测量扫面，能够快速圈定异常靶区，通过地面高磁验证，进一步缩小靶区范围，提高测量精度。

靶区钻探工程揭露，是寻找铁锰矿床的有效手段。Kalahari 锰矿田具有典型的层位成矿特征，Ho⁃tazel 组条带状含铁锰建造是铁锰矿的主要赋矿层位，该层在区域上分布广泛且稳定。在勘探过程中，若揭露含矿地层及矿体，按照“从已知到未知”的勘查原则，则可按照网度在该钻孔周边继续布设钻孔；若未揭露矿体或矿体厚度不理想，则应当综合考虑构造对地层的影响，在已施工钻孔数据的基础上，加强综合研究工作，及时调整找矿思路和施工方案。

地表采坑及地下矿井是找矿的直接标志。在Kalahari 锰矿田分布着大小数十个铁锰矿矿床，其中不乏正在开采开发的生产矿山，这为该矿田寻找铁锰矿提供了大量的基础资料。作为世界最大规模的锰矿田，地质学界在该矿田进行了大量深入的科学研究，形成了系统的找矿理论，是指导我们找矿的有利支撑。

图7 矿床成因模式示意图

5 结论

通过本文对Kalahari 锰矿田的相关研究，在大量收集以往数据资料的基础上，针对性地开展了抽样分析测试，数据表明：Kalahari 锰矿田属沉积－变质型锰矿，矿床规模大，矿石质量好，矿体顶底板稳定且完整。根据矿物含量特征，矿石类型可划分为Mamatwan 型和Wessels 型，均属氧化矿石。样品结果显示了矿石中Fe、Mn 含量负相关性较强，总体含量稳定，这与成矿时期古元古代的水体环境及Fe、Mn 胶体的沉积性质关系密切。

研究认为该地区找矿有以下几点启示：Hotazel组条带状含铁锰建造是区域内找矿的地层标志，磁法测量和钻探工程是快速、高效找矿的有效方法。

致谢本文在编写和修改过程中得到了北京中资环钻探有限公司总经理朱思才、副总经理陈德稳教授级高工的指导，审稿专家对文章的完善也提出了诸多宝贵的意见和建议，在此一并表示感谢！

注释

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.