北阿尔金锰矿成矿地质条件特征及成矿规律研究

王 双，尚凯凯，杨继兵，张素超，李 原

(1. 河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心，河南 郑州 450016； 2. 河南省有色金属地质矿产局第七地质大队，河南 郑州 450016)

0 前 言

阿尔金造山带位于柴达木板块与塔里木板块的构造交会部位，构造、岩浆活动强烈，是我国西北地区重要的成矿带[1]。甘肃省地矿局二勘院在该地区相继发现了一系列锰矿床，其中青砂沟锰矿已达到大型规模，一度改变了阿尔金地区无锰矿的状态，蒙轸、赵保青、张凤霞等[2-4]对该地区进行了长期的研究，但仅从矿床地质特征、矿床规模、找矿标志等方面研究，对矿床成矿环境、物质来源、成因机制等方面研究较少[4]。本文以阿尔金北坡含锰岩系为研究对象，以岩石地球化学为手段，对锰矿沉积环境、锰质来源进行了探讨，总结了锰矿成矿规律，为下一步找矿勘查工作提供借鉴。

1 区域地质背景

研究区位于塔里木与柴达木板块的构造交会部位，经历了板块俯冲、阿尔金洋闭合、地壳抬升及造山运动，形成了复杂的构造体系[1]。区域以紧闭的线状褶皱和阿尔金断裂及其次级断裂为主(见图1)。

l.第四系；2.石炭系；3.青白口系；4.蓟县系；5.太古宇-中元古代敦煌岩群；6.花岗岩；7.超基性；8.断裂；9.区域化探异常范围；10.锰矿床(点)；1l.铁矿点图1 阿尔金地区大地构造(资料来源：据甘肃省省志修改)

区域上出露地层主要为敦煌岩群，岩性为片岩、片麻岩夹大理岩等；蓟县系呈岛弧状与敦煌岩群成断层接触，岩性为碎屑岩、白云岩、白云质砂岩等，是主要的含锰岩系；青白口系与下伏地层蓟县系呈断层接触，岩性为结晶灰岩、大理岩、千枚岩等；石炭系上覆于青白口系之上，呈角度不整合关系，由一套含煤岩系与碎屑岩组成[2-3]。

区域上岩浆岩一般以小岩株或岩脉状产出，岩性以酸性为主，超基性、中酸性次之[3]。受阿尔金山前大断裂控制，均分布于断裂及其附近，岩浆侵入活动以华力西期和燕山期最为强烈，加里东期较弱[4]。

2 矿床地质特征

研究区内已发现多处锰矿床，如青砂沟锰矿、赛马沟锰矿、苦水泉锰矿点等[2-4]。矿床类型，含矿岩性基本一致，其中青砂沟锰矿已达到大型规模，本文以青砂沟锰矿矿床特征为例。

2.1 矿区地质

矿区地处阿尔金蛇绿混杂岩带内，出露地层有蓟县系冰沟南组、乱石山组和第四系，其中乱石山组为含锰地层(见图2)。矿区总体为一南倾单斜构造，断裂构造较发育，以矿区南部的断层规模最大，是青白口系与蓟县系的分界断裂，其他均为派生的层间断裂，沿断裂可见断层破碎带。矿区内沿断裂主要发育二长花岗岩、细中粒角闪石英二长闪长岩、辉绿岩脉等。

2.2 矿体特征

矿区锰矿体地表划分3个含矿层，Ⅰ号含矿层受花儿地组含锰含砂炭泥质岩控制；Ⅱ号含矿层受花儿地组含锰砂质白云岩控制；Ⅲ号地表仅为锰矿化，分布于花儿地组硅质白云岩中。Ⅰ、Ⅱ含矿层两者大体平行分布。

Mn-Ⅰ号矿体群：产于Ⅰ号含矿层中，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0.52～6.33 m，厚度变化系数20%～60.44%。Mn平均品位在10.69%～18.78%，品位变化系数为8.02%～38.84%，矿体产状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9.8%，品位变化系数8.91%，与其他矿体平行展布(见图3)。

图3 Fe-Mn-(Cr+Ni+Co)图解(a)与Co/ Ni-(Cr+Ni+Co)图解(b)

Mn-Ⅱ号矿体群：分布于Mn-Ⅰ矿体群南300 m处，工程控制长1 300 m，斜深425 m。品位在3%～7%，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平均品位在8.09%～12.55%，品位变化系数9.89%～34%。矿体产状170°～182°∠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10.67%，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。

2.3 矿石特征

矿石肉眼观察多显黑色，部分略带浅肉红色，具斑杂状、细脉状、网脉状构造。矿石矿物主要为硬锰矿，次为菱锰矿，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、绢云母和白云石等。

矿石伴生有益组分为铁，矿石化学全分析TFe为4.20%～4.64%。矿石有害组分主要有P和SiO2，其中P含量较低，为0.02%～0.04%；SiO2含量较高，为31.67%～49.36%。

矿石结构主要为胶状结构、隐晶结构和粒状变晶结构，构造主要有块状构造、微脉浸染状构造和交织状构造。矿区主要为混合锰矿石，次为氧化锰矿石及碳酸锰矿石。

3 含锰岩系地球化学特征

样品分别在3个不同矿区采集，进行主微量和碳同位素测试，对研究区矿床成因及成矿地质条件分析，分析结果见表1。

表1 阿尔金北坡含锰岩系样品元素含量 %

3.1 主量元素地球化学特征

阿尔金北坡含锰岩系中MnO2含量为13.35%～18.91%；CaO含量为11.75%～21.24%；Fe2O3含量为2.41%～5.22%；TiO2含量为0.011%～0.056%；Al2O3含量为6.21%～11.11%；SiO2含量为29.37%～37.26%；P2O5含量为0.021%～0.055%。

3.2 微量元素地球化学特征

阿尔金北坡含锰岩系中V含量为2.87×10-6～6.33×10-6；Cr含量为21.22×10-6～33.32×10-6；Ni含量为11.23×10-6～18.32×10-6；Co含量为3.21×10-6～5.45×10-6；Rb含量为0.09×10-6～0.48×10-6；Sr含量为19.59×10-6～ 42.61×10-6；Ba含量为8.22×10-6～21.56×10-6；U含量为1.23×10-6～2.81×10-6；Th含量为1.59×10-6～3.32×10-6。

3.3 碳氧同位素特征

碳同位素受成岩作用影响小，基本保留原生碳酸盐岩的碳同位素组成[5-6]。阿尔金北坡含锰岩系中δ13C值为-23.3‰～-13.4‰。碳同位素测试结果见表 2。

表2 阿尔金北坡含锰岩系矿床矿石C-O同位素分析结果 ‰

4 矿床成矿条件分析

4.1 沉积环境

阿尔金北坡含锰岩系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，在贫氧环境下为0.57～0.83，在弱氧化环境下为0.46～0.57，而在氧化环境下则小于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 物质来源

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。另外，研究区内δ13C值出现明显负漂移，与生物或有机质的δ13C值范围一致，表明有机质还原是沉积型锰矿成矿的关键因素。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，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]。

样品投影到Fe-Mn-(Cr+Ni+Co)与Co/Ni-(Cr+Ni+Co)图上(见图3)，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[12-15]。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。

5 成矿模型建立

蓟县纪时，本区为阿尔金裂陷海盆，由于大气圈CO2含量高，海水呈现弱酸性，当敦煌古陆和祁连基底风化的锰质随同细碎屑物质逐渐被水介质搬运至滨海时，由于锰质多以氢氧化合物存在，使滨海地带pH逐渐升高，直至水体变为弱碱性(pH=9)时，发生锰碳酸盐的沉积形成以菱锰矿为主的原始锰矿层。在此过程中，滨海台地碳酸盐的出现，起了调节海水pH的作用，促使了锰的沉淀，因而锰矿层常产于碎屑岩与碳酸盐岩(白云岩)的过渡部位。

原始锰矿层形成之后，遭受晋宁运动影响，发生变形变质作用和次生氧化作用，使矿层不仅变形倾斜，而且使矿石结构、构造、矿物成分发生改变，形成变晶粒状结构、微脉浸染状构造，在矿物成分上由碳酸锰变为氧化锰，形成今日之矿床。其成矿模式见图4，图4中a为蓟县纪原始沉积区， b为晋宁运动及次生改造期。

1.敦煌岩群结晶基底；2.北大河岩群中深变质基底；3.变质细碎屑岩、泥碳碳质-富镁碳酸盐岩(含锰岩系)；4.碳酸盐-碎屑岩；5.变砂岩；6.变粉砂岩；7.砂质白云岩；8.锰矿层；9.锰质单源；10.变质热液对锰矿的改造；11.大气降水及风化作用改造；12.断层图4 青砂沟锰矿成矿模式

6 结 论

1)研究区含锰地层为晚元古代乱石山组，含矿岩性为碎屑岩及碳酸盐岩。

2)根据研究区内含锰岩系的Fe/Mn比值、V/(V+Ni)比值，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。

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。

4)通过矿床成矿模型建立，研究区内含锰岩系经历锰碳酸盐的沉积形成以菱锰矿为主的原始锰矿层，发生变形变质作用和次生氧化作用，形成今日之矿床。