北山鲤鱼梁锰矿成矿地质条件及矿床成因研究

杨小三，彭明章

(中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013)

0 前 言

工作区处于特殊的大地构造位置，经历多期次、多阶段不同类型构造和岩浆作用，为区内提供了成矿地质环境和丰富的成矿物质来源[1-4]；区内火山-沉积岩建造的大规模分布，为各类层控矿床提供了广阔的成矿前景，鲤鱼梁-红岩井大断裂及其伴生断裂，为各类矿床的形成提供了导矿、容矿构造，岩浆热液的侵入又形成了各式各样的接触交代规模[2-8]。

区域内中生代以来浅层次断裂构造为金、银等硅质热液成矿，提供了形式多样的热液运移通道和储矿空间；红岩井南部大规模分布的伟晶岩，为稀有金属成矿提供了优良的成矿条件；泥盆纪、志留纪中酸性侵入岩为区内形成铜、铅、锌、铁等多金属矿床提供了丰富的成矿热液，同沉积断裂构造，为形成喷流沉积矿床提供了条件[5]。

1 区域地质概况

区域构造位于天山-兴蒙造山系东缘额济纳-北山弧盆系，在长期的地质演化历史中，其经历了前加里东大陆裂解-俯冲-碰撞造山作用和加里东期以来的洋陆转化、陆内裂陷-逆冲推覆等造山作用的多旋回构造演化；遭受了强烈的多期次构造运动，形成了复杂的地质构造体[1-6](见图1)。区域内矿产主要沿近东西向展布，与区域构造线方向一致，占全省矿产地总数的20%[1-2]。其中锰矿床主要有玉石山锰矿、马鬃山锰矿、大红山锰矿等，矿化主要赋存于蓟县系平头山群和下寒武统双鹰山组中，主要类型为残积淋滤型、沉积改造型和热液型锰矿，苦泉、白川和红柳西锰矿(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。除锰达工业要求外，钴含量0.04%～0.4%[2-6]。玉石山锰矿，矿体受下寒武统双鹰山组控制，含锰岩石有硅质岩-硅质板岩、结晶灰岩，断续分布在长2.4 km，宽0.3～0.5 km范围内，成因类型为淋滤型[3]。大红山锰矿产于下寒武统双鹰山组中，含矿岩石为灰色-黄色页岩，矿床成因类型为沉积改造型[4]。马鬃山锰矿，矿床赋存于震旦系中统平头山群下岩组中，矿体分布在3 km范围内，围岩主要为板岩、千枚岩及白云质大理岩，矿体严格受构造裂隙控制，成因类型属热液充填-交代型[5]。

图1 研究区大地构造位置

研究区内地层分布以二叠系海陆交互相陆缘碎屑岩建造为主，长城纪中基性变质火山-沉积建造次之，少量奥陶纪中基性火山-沉积碎屑岩建造和志留纪陆源碎屑-中性火山岩建造，零星分布早元古代变质杂岩。由于古生代中期岩浆弧构造环境，区内岩浆活动强烈，因此形成了多个微型构造岩浆岩带，其主要为基性-中酸性侵入体等[3]。

2 矿区地质特征

2.1 含矿岩系

研究区出露地层主要为古元古代北山岩群和长城纪古硐井群。北山岩群为一套中深构造层次形成的高绿片岩相-低角闪岩相中级变质岩系，主要由片岩类、石英岩类、变粒岩类、大理岩类组成。古硐井群为含矿地层，主要有石英片岩、硅质大理岩、含锰硅质岩、变砂岩、绿帘角闪片岩、透辉石矽卡岩等。

受区域岩浆岩侵入作用，矿区内出现了相应的中低温热液蚀变类型，其中包括锰矿化、硅化、褐铁矿化(黄铁矿化)、方解石化、方铅矿化、滑石化、黏土化、退色化、碎裂化等。其中硅化、褐铁矿化(黄铁矿化)、碎裂化与锰矿关系极为密切[6-13]。

2.2 物化探异常特征

2.2.1 区域化探异常特征

1∶20万区域化探结果表明，二叠系第二岩组海相碳酸盐夹碎屑岩地层分布区锰异常发育，其中HS2综合异常位于本次研究区内，异常区内Mn均值为2 235.50×10-6，峰值为3 986.10×10-6，异常强度较高，面积56.78 km2，具中、外浓度分带。异常主要产于富亲基性元素的地球化学环境，富集Mn、Fe、Ni、Cr、Au、Cu、Sb、As、Ti等元素，表明该区与岩浆物质有关的元素普遍富集。其中Mn、Au、Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Fe等元素是区内重要的成矿元素及指示元素，与超基性、基性和酸性岩浆活动及成矿热液成矿作用关系密切[12]。异常元素按规模排序为：Mn、Ni、Sb、Cr、Hg、Pb、Cu、Au、Fe2O3、Ti、Zn、As，其均值﹑规模等见表1。

表1 HS2综合异常元素特征

2.2.2 地球物理特征

矿区浅部岩性等引起的视极化率较低，一般为1.5%～3.9%，视电阻变化较大，一般为100～500 Ω·m；测区深部可能存在炭质岩石，其引起的视极化率较高，一般为5.5%～21.4%，最高可达28.9%以上，视电阻率较稳定，一般为20～100 Ω·m；含锰多金属硫化物破碎蚀变带的视电阻率值一般为55～210 Ω·m，视极化率较高，一般为7%～11%，其叠加于深部高背景值岩性引起的视化率异常之上，呈锯齿状；相比较含锰多金属硫化物破碎蚀变带与围岩有明显的电性差异，在锰矿上利用物探激电测量有较好的地球物理前提[11-15]。

2.3 矿体特征

研究区内共圈定了3个矿化段，26条矿体，呈似层状产出，含矿岩性为含锰硅质岩、锰矿石、含锰粉砂岩，受断层影响含矿岩系呈构造角砾状(见表2)。

表2 鲤鱼梁锰矿Ⅰ号、Ⅱ号矿体特征

Mn-Ⅰ号矿化段受含锰硅质岩控制，地表出露长1 900 m，控制最大斜深556 m(未到零点边界)。共圈定22条矿体，均呈层状—似层状产出，与围岩产状一致，长64～1 950 m不等、平均厚度一般为0.52～6.33 m，厚度变化系数20%～60.44%。Mn品位为15.40%～67.02%，平均品位为49.23%，矿体倾向150°～187°，倾角40°～49°。其中Ⅰ-1号为主矿体，呈层状，控制长度1 900 m，平均厚度6.33 m，厚度变化系数60.44%，平均品位49.80%，品位变化系数8.91%，与其他矿体平行展布。

Mn-Ⅱ号矿化段受含锰粉砂岩控制，分布于Mn-Ⅰ矿化段南300 m处，控制长1 300 m，斜深425 m。共圈出4条矿体，均呈层状—似层状产出，长50～970 m，平均厚度0.52～4.86 m，厚度变化系数2.52%～116.4%。Mn品位为18.09%～62.55%。平均品位为45.56%，矿体倾向170°～182°，倾角浅部46°～52°，深部变陡为59°～64°。其中Ⅱ-1号为主矿体，长970 m，平均厚4.86 m，厚度变化系数65.41%，平均品位50.67%，品位变化系数25.63%，控制最大斜深425 m，与其他矿体平行产出。

Mn-Ⅲ号矿化段受含锰粉砂岩控制，地表仅为锰矿化，矿化体走向长为100～1 500 m，倾向延深100～150 m，矿体倾角为52°～81°，平均约为70°。

2.4 矿石特征

矿石肉眼观察多显黑色，部分略带浅肉红色，矿石具粒状变晶结构、隐晶结构和块状、斑杂状、微脉浸染状、交织状、网脉状构造。矿石矿物经镜下鉴定、X射线衍射和电镜扫描综合分析，锰矿物主要为软锰矿，其次还有水锰矿、褐锰矿、菱锰矿，脉石矿物主要为黏土、水云母、石英和磷灰石。铁矿物含量很少，见有黄铁矿和褐铁矿；脉石矿物以石英为主，次为长石、绿泥石、绢云母和白云石(锰白云石)，其他微量矿物尚见榍石、磷灰石、锆石等。矿物的总体特征(见图2)，由于变质作用，矿物晶体形态不完整。

图2 矿石镜下照片

3 地球化学特征

矿石化学成分分析，MnO含量1.980×10-2～65.424×10-2，SiO2含量6.249×10-2～106.986×10-2，TFe含量0.045×10-2～20.41×10-2，P2O5含量0.026×10-2～0.040×10-2。矿石主要矿物成分见表3。

表3 主要矿物成分含量 ×10-2

3.1 常量元素地球化学特征

矿石中Al2O3和TiO2的含量可作为大陆边缘沉积环境的判别指标[8]。鲤鱼梁一带古硐井群含锰岩系Al2O3和TiO2含量均较低(见表1)，说明含锰岩系受陆源物质输入影响较小[8-10]。Fe/Ti和Al/(Al+Fe+Mn)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[9]。典型的热水沉积的Fe/Ti比值>20，(Fe+Mn)/Ti比值为20±5、Al/(Al+Fe+Mn)比值<0.35[13]。鲤鱼梁一带古硐井群含锰岩系的Fe/Ti除YP-3、YP-7、YP-9外，YP-8约等于20，其余均大于20，尤其是YP-4、YP-5、YP-6均大于100。含锰岩石的(Fe+Mn)/Ti均大于55，高于20，特别是含锰高的岩石，其(Fe+Mn)/Ti比值在1 000以上。含锰岩石的Al/(Al+Fe+Mn)比值均远远低于0.35，一般为小于0.06，只有YP-5、YP-6分别为0.170和0.25，接近0.35。从上述这些判断参数分析，鲤鱼梁一带古硐井群含锰岩系应该属于热水沉积的产物。但是从Fe/Ti和Al/(Al+Fe+Mn)的数值看，古硐井群含锰岩系中，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。

3.2 微量元素地球化学特征

鲤鱼梁一带古硐井群含锰岩系中Co、Ba、Sr富集(见表1)，是热水沉积所具有的特征。一般情况下，大多数沉积岩中Ni的含量都高于V的含量，而热水沉积岩中二者的关系正好相反，由于热水沉积有较高的沉积速率，常常相对富含Ni，因此热水沉积岩中Ni/V<1，而非热水沉积岩中Ni/V>1[11]。

古硐井群含锰岩系的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)使深部(下地壳或上地幔)富铁镁质物源加入[12-15]。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。

4 矿床成因分析

4.1 沉积环境

古硐井群含锰岩系Fe/Mn比值变化范围0.12～0.30，反映了热液运输和成矿作用期间Mn和Fe的分离。Mn和Fe分离彻底指示，Mn沉积时Fe已经沉淀较为完全，表明沉积环境为氧化环境[6]。

在缺氧的环境下，V元素相较于Cr、Ni元素更容易富集沉淀，V/(V+Ni)比值会显示相对高值[7]。V/(V+Ni)比值在缺氧环境下为0.83～1，贫氧环境下为0.57～0.83，弱氧化环境下为0.46～0.57，而氧化环境下则小于0.46[7-8]。研究区内含锰岩系V/(V+Ni)比值为0.20～0.33，均显示氧化-次氧化环境特征。

综上所述，认为阿尔金北坡含锰岩系是在氧化-次氧化环境沉积富集的，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。

4.2 成因分析

沉积岩中TiO2和Al2O3含量可作为大陆边缘沉积环境的判别指标[6]，阿尔金北坡含锰岩系中TiO2和Al2O3的含量均较低，说明含锰岩系陆源物质输入较少。典型的热水沉积物Al/(Al+Fe+Mn)<0.35[9]，而阿尔金北坡含锰岩系Al/(Al+Fe+Mn)为0.19～0.30，具热水沉积的特征。此外矿石的SiO2/Al2O3比值为3.22～5.05，高于陆源值V，根据w(SiO2)-w(Al2O3)投图(见图3)，图解表明研究区内锰矿与生物或热水作用关系比较密切，其物源可能来自洋壳深部[10]。

图3 w(SiO2)-w(Al2O3)关系

样品投影到Fe-Mn-(Cr+Ni+Co)(见图4)与Co/Ni-(Cr+Ni+Co)图上(见图5)，可以看出，阿尔金北坡含锰岩系形成的过程中与热水沉积作用密切相关[11]。根据中国锰矿床特点，Co/Ni可作为锰矿矿质物源区距离远近的判别标准，Co/Ni>1指示矿质的远程来源；Co/Ni为0.55～l指示矿质的中程来源；Co/Ni<0.55指示矿质的近程来源[11-16]。研究区锰矿石的Co/Ni比值为0.26～0.52，因而推测锰矿的矿质应为近程的火山或热水来源。

图4 Fe-Mn-(Cr+Ni+Co)关系

图5 Co/Ni-(Cr+Ni+Co)关系

4.3 成矿阶段分析

本次样品采集于古硐井群鲤鱼梁一带含锰岩系，典型矿石包括含锰硅质岩、锰矿石、含锰粉砂岩。矿石镜下观察，其矿物成分包括菱锰矿、钙菱锰矿、锰方解石、锰白云石、硫锰矿、黄铁矿、闪锌矿、高岭石、伊利石、菱铁矿。矿石中矿物成矿期次见表4。

表4 矿物成矿期次(线段长度代表形成时间)

锰质碳酸盐矿物作为胶结物分布于黏土质砂屑之间，锰质碳酸盐矿物包括锰方解石、钙菱锰矿、菱锰矿，其中锰方解石多分布于砂屑之间，其胶结作用,胶结物由晶粒状向圈层状转变，代表水体能量的升高；钙菱锰矿、菱锰矿多充填交代部分黏土质砂屑。沉积晚期显示热液蚀变,大量硫化物出现，包括黄铁矿、闪锌矿、硫锰矿等,其中硫锰矿替代岩石中菱锰矿部分，保存原岩中锰白云石部分。

5 结 论

1)研究区含锰地层为古硐井群，含矿岩性为含锰硅质岩、锰矿石、含锰粉砂岩。

2)研究区内含锰岩系的Fe/Mn比值、V/(V+Ni)比值，认为古硐井群鲤鱼梁一带含锰岩系是在氧化-次氧化环境沉积富集的，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。

3)研究区内岩石化学特征表明，区内锰矿与生物或热水作用关系比较密切，其物源可能来自洋壳深部。