北山裂谷系北缘小独梁地区锰矿地质条件特征及成因分析

孙 丹，刘珊珊，谭和勇，叶 萍

(1.河南省地质调查院，河南 郑州 450000; 2.河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，河南 郑州 450000; 3.河南省地质科学研究所，河南 郑州 450000)

0 前 言

小独梁地区位于红柳河-盐滩锰矿成矿带，矿化主要赋存于下寒武统双鹰山组中，沿红柳河断裂，成矿带内已发现锰矿床有红柳河锰矿、大水井锰矿、塔水锰矿、大水锰矿、营东锰矿、盐滩锰矿等，是北山重要的锰矿找矿远景区，一直以来是国内锰矿的研究热点区域[1-2]。本文在前人研究的基础上，结合构造形迹和岩石地球化学特征分析小独梁地区锰矿的形成环境及成因。

1 区域地质概况

研究区位于北山裂谷系北缘，经历了前加里东期大陆裂解-俯冲-碰撞造山作用和洋陆转化、陆内裂陷-逆冲推覆等造山作用的多旋回构造演化。研究区北部属北天山晚古生代岛弧带、中部大面积属中天山地块、南部属北山裂谷系，星星峡断裂、红柳河断裂、辛格尔断裂在研究区内交会，形成了复杂的地质构造体[1-3](见图1)。

图1 研究区大地构造位置

区域出露地层主要有，蓟县系平头山岩组、震旦系、寒武系双鹰山组、奥陶系罗雅楚山群。其中平头山岩组为一套碳酸盐岩建造为主的沉积岩系，岩性以大理岩、白云岩为主；寒武系双鹰山组为一套硅质岩建造，岩性以硅质板岩、石英岩为主；罗雅楚山群为一套碎屑岩建造沉积，岩性以砂岩、长石砂岩和石英砂岩为主；震旦系的岩性主要为一套黏土岩、泥质砂岩和灰岩。

研究区范围内岩浆岩发育一般，火山岩和侵入岩均有出露[1-4]。侵入岩主要有二长花岗岩、花岗闪长岩、正长花岗岩和石英闪长岩；火山岩主要有安山岩、玄武安山岩、夹少量的凝灰岩等。主要沿红柳河大断裂以北北东向展布。

2 研究区构造形迹与区域矿产

研究区内构造变形的复合与叠加现象明显，早在志留纪，北山造山带向北逆冲红柳河洋盆，形成了早期的褶皱构造，晚古生代以来随着敦煌地块的向北移动，褶皱发生横跨叠加，发育重褶现象，小独梁一带叠加褶皱轴面倾向北东东[1-3]。受红柳河断裂的影响，在三叠纪形成的小独梁地区断层主要为左行右阶的走滑断裂，形成走向为NE-SW或NW-SE的共辄脆性断层。该区域褶皱形成的时代较早，而断裂形成的时代较晚，断裂对褶皱的叠加影响不大，主要是对褶皱后期进行截切改造，以及对锰矿的成矿起到一定导矿的作用[2]。区域内矿产主要沿构造线方向展布，种类较多(见图2)，其中玉石山-大红山一带锰矿，矿化主要赋存于蓟县系平头山群和下寒武统双鹰山组中，含锰岩系有硅质岩、硅质板岩﹑结晶灰岩等，主要类型为残积淋滤型、沉积改造型和热液型锰矿；苦泉-红柳西锰矿(化)点产于震旦系顶部古风化面上和下寒武底部之板岩岩层中，成因类型属残积淋滤型[3-4]。

图2 研究区构造形迹与矿产分布

3 含矿地层及矿体特征

3.1 含矿岩系地球化学特征

地球化学分析表明，该区域地层中Mn元素含量丰富，找矿远景较好。其中双鹰山组地层中Mn元素的富集系数K值及变异系数Cv值均大于1.8，该组地层中成矿潜力较大，含矿岩性主要以硅质板岩为主；罗雅楚山群地层中Mn元素的富集系数K值及变异系数Cv值均为1.1～1.8，该组地层中成矿潜力较好，含矿岩性主要以灰岩为主；红柳河组地层中Mn元素的富集系数K值为1.56，变异系数Cv值为0.56，成矿潜力可能较差，偶见Mn矿化地段，规模较小；平头山组地层中Mn元素的富集系数K值及变异系数Cv值均较低，找矿潜力一般[5]。含矿岩系及围岩受岩浆热液影响，表现为中低温热液蚀变类型，主要有锰矿化、硅化、褐铁矿化(黄铁矿化)、方解石化、方铅矿化等。其中硅化、褐铁矿化(黄铁矿化)与锰矿关系极为密切[6-7]。

3.2 矿石显微结构

矿石形态主要为块状构造，粒状变晶结构，矿物成分主要为锰钙辉石，含量约21%，矿物晶体呈粒状，粒径为0.10～1.00 mm；锰铝榴石，含量约20%，矿物晶体呈细小粒状，粒径为0.05～0.15 mm；锰橄榄石，含量约24%，矿物晶体呈细小圆粒状，粒径为0.05～0.1 mm；锰白云石，含量约15%，他形粒状，粒径为0.15～0.25 mm，常以不规则状聚晶体出现。由于变质作用，矿物晶体形态都不完整(见图3)。根据矿石结构分析，锰矿成矿发生于沉积作用中—晚期，即黏土矿物质砂屑之间钙菱锰矿质填隙物赋矿，表明沉积环境高能，且指示成矿作用发生于沉积环境的收缩阶段，成矿期后流体活动强烈，见黄铁矿、闪锌矿化、硫锰矿化等[8]。

图3 显微镜下矿石矿物特征

3.3 矿体特征

研究区内圈定矿化带2个，矿体13条，呈层状、似层状及透镜状产出(见表1)。Ⅰ号矿化带长2 150 m，宽13 m，含矿岩性为含锰硅质岩，与围岩产状一致，圈定矿体6条，矿体长150～1 350 m，平均厚度一般为0.52～6.33 m，平均品位为15.40×10-2～59.23×10-2；Ⅱ号矿化带长1 300 m，宽约8.5 m，含矿岩性为含锰粉砂岩，圈定矿体5条，矿体长100～850 m，平均厚度一般为0.80～5.80 m，平均品位为13.56×10-2～69.12×10-2；Ⅲ号矿化带长1 000 m，宽约10 m，含矿岩性为含锰粉砂岩，圈定矿体2条，矿体长150～600 m，平均厚度一般为0.40～9.00 m，平均品位为10.16×10-2～61.54×10-2。

表1 小独梁地区锰矿体特征一览

4 地球化学特征

4.1 主量元素

小独梁地区采集样品10件，矿石为锰矿石，围岩为灰岩、硅质岩、砂岩、黏土岩，主量元素分析结果见表2。样品中SiO2、CaO、Al2O3含量较高，而 Na2O、K2O含量较低，其中SiO2为32.67%～71.08%，平均值为53.23%；Al2O3为0.45%～1.19%，平均值为0.85%；Fe2O3为1.52%～4.83%，平均值为2.96%，CaO为0.67%～69.74%，均值为14.03%；MgO为1.21%～2.14%，平均值为1.61%；TiO2为0.025%～0.12%，平均值为0.056%；Na2O为0.87%～2.33%，平均值为1.63%；K2O为1.09%～2.19%，平均值为1.69%；MnO为1.06%～57.73%，平均值为12.03%。

表2 主量元素分析结果 %

4.2 微量元素

小独梁地区锰矿石及围岩中Co、Ba、Ni元素含量非常丰富，Co为11.1×10-6～155.0×10-6，平均为74.4×10-6；Ba为4.7×10-6～145×10-6，平均为73×10-6；Cr为6.3×10-6～69.1×10-6，平均为31.2×10-6；Ni为11.0×10-6～199.0×10-6，平均为69.5×10-6；Cu为3.8×10-6～24.4×10-6，平均为12.2×10-6；As为4.3×10-6～9.5×10-6，平均为7.9×10-6；V为14.0×10-6～204.3×10-6，平均为72.5×10-6。微量元素的含量变化较大(见表3)。

表3 微量元素分析结果 ×10-6

5 讨 论

5.1 研究地区古地理环境

通过微量元素比值关系，可以指示元素的相对富集程度，还可以反映古气候环境的变化[3-6]。据Jones和Manning研究，在缺氧环境下，容氧量为0～0.2时，U/Th比值>1.25、V/Cr比值>4.25、Ni/Co比值>7.0、V/(V+Ni)比值>0.77；在贫氧环境下，容氧量为0.2～2.0时，U/Th比值为1.25～0.75、V/Cr比值为2.0～4.25、Ni/Co比值为5.0～7.0、V/(V+Ni)比值为0.6～0.77；在富氧环境下，容氧量>2.0时，U/Th比值<0.75、V/Cr比值<2.0、Ni/Co比值<5.0、V/(V+Ni)比值<0.6[5-9]。小独梁地区U/Th比值为0.77～3.89、V/Cr比值为0.41～31.7、Ni/Co比值为0.19～6.89、V/(V+Ni)比值为0.49～0.61，表明该地区锰矿的形成，是在一个从富氧-贫氧-缺氧的环境下进行的，历了锰氧化物或氢氧化物形成阶段，碳酸锰可能是通过锰氧化物或氢氧化物转化而成的。

5.2 锰矿沉积条件

根据锰矿成矿条件分析，非热水沉积环境中Ni的含量都高于V的含量，而热水沉积环境中两者正好相反，由于热水沉积有较高的沉积速率，常常相对富含V，因此热水沉积岩中Ni/V比值<1，而非热水沉积岩中Ni/V比值>1[11]。小独梁地区含锰岩系的Ni/V比值大部分小于1，明显偏低的Ni/V比值反映了岩石形成时富铁镁质物源的加入，即热水(液)将深部(下地壳或上地幔)富铁镁质物源带入。这说明热水(液)从深部把锰质带入沉积岩，锰矿的形成与热水喷流关系密切。

矿石中Al2O3和TiO2的含量均较低，说明含锰岩系受陆源物质输入影响较小[8-10]。Fe/Ti的比值和Al/(Al+Fe+Mn)的比值关系是判断沉积物属于喷流沉积物的有效的地球化学参数。典型热水沉积的Fe/Ti比值>20、(Fe+ Mn)/Ti比值=20±5、Al/(Al+ Fe+Mn)比值<0.35[11]。小独梁地区含锰岩石的(Fe+Mn)/Ti比值均大于36，高于20，Al/(Al+Fe+Mn)比值均远远低于0.35，一般为小于0.11，从上述数值判断，该区域硅质岩主要是热水沉积的产物，矿物质锰是在硅质岩形成的过程中形成的，而细碎屑岩如粉砂质黏土岩或黏土岩却不是热水沉积的产物，而是深海沉积的产物。

5.3 成因分析

1)沉积岩中SiO2和Al2O3的含量可用来区分物源，当SiO2/Al2O3比值接近3.6时，物质来源是以陆源为主，当SiO2/Al2O3比值>3.6时，物质主要由生物或热水造成[5-8]。研究区SiO2/Al2O3比值为37.11～127.41，平均67.12，通过SiO2-Al2O3进行沉积岩投图，可以看出不少点落在热水区(见图4)，所以该区域沉积物受到热水作用的影响，物源可能来自洋壳深部[10-12]。

图4 w(SiO2)-w(Al2O3)沉积物物源关系

2)典型的热水沉积矿物Fe/Ti比值>20、(Fe+Mn)/Ti比值=20±5、Al/(Al+Fe+Mn)比值<0.35。根据小独梁矿物含量，在N(Fe)/N(Ti)-N(Al)/N(Al+Fe+Mn) 图解投图(见图5)，各样品也主要分布在靠近东太平洋洋隆和红海热水沉积物的一侧，同样表明这些含锰岩石属于热水沉积的产物[11-15]。

图5 N(Fe)/N(Ti)-N(Al)/N(Al+Fe+Mn)

6 结 论

通过对北山小独梁地区成矿地质条件和地球化学特征分析，得出以下认识：

1)小独梁锰矿受区域构造控制，分布于红柳河-盐滩锰矿成矿带上，矿化主要赋存于下寒武统双鹰山组中，围岩的主要岩性为硅质岩、黏土岩，以及泥质粉砂岩和灰岩，由于岩性、构造特征等差异，锰矿的矿体在空间分布上发生变化，使其在转折端处明显富集。

2)研究区内圈定矿化带3个，矿体13条，矿化带长1 000～2 150 m，Ⅰ号矿化带圈定矿体6条，Ⅱ号矿化带圈定矿体5条，Ⅲ号矿化带圈定矿体2条。

3)小独梁地区硅质岩主要是热水沉积的产物，矿物质锰是在硅质岩形成的过程中形成的，属热水沉积环境成矿。锰矿的形成是在富氧-贫氧-缺氧的环境下进行的，经历了锰氧化物或氢氧化物形成阶段，碳酸锰可能是通过锰氧化物或氢氧化物转化而成的。

4)根据地球化学分析，该区域沉积物受到热水作用的影响，物源可能来自洋壳深部，含锰岩石属于热水沉积的产物。