湘中地区“湘潭式”锰矿成矿地质条件分析

肖德长，华 二，丛 源，陈 旭，雷玉龙，刘 虎，黄 飞，孙 芳，蒋型义

(1.中国冶金地质总局中南地质调查院，湖北 武汉 430081；2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；.中国冶金地质总局湖南地质勘查院，湖南 长沙 410016)

0 引言

湘中地区位于扬子陆块东南缘锰矿成矿带[1]，为我国主要的锰矿矿集区之一。区内锰矿主要赋存于南华系大塘坡组与奥陶系烟溪组，其中，赋存于南华系大塘坡组的锰矿有湘潭锰矿、金石锰矿、九潭冲锰矿、棠甘山锰矿等 (图1b)[2-7]，以湘潭锰矿规模最大、最为典型，因此，称之为“湘潭式”锰矿。研究区内含锰地层南华系大塘坡组广泛分布，锰矿成矿地质条件良好，但地质研究工作程度偏低，尤其是对“湘潭式”锰矿的成矿地质条件与锰质来源方面，研究工作甚少。

本文在湘中地区“湘潭式”锰矿野外地质调查研究的基础上，结合前期的研究成果，阐述了锰矿成矿地质背景，分析与总结了锰矿成矿地质条件和锰质来源。

1 区域地质背景

研究区大地构造位置处于江南造山带中段，北西与扬子陆块东南缘相接，南东与华夏陆块北西缘毗邻 (图1a)。南华纪大塘坡期，地质年代为662.9 Ma～630 Ma之间[9]，本区位于浅海盆地相区，在大塘坡期早期形成了一套以炭质页岩为主的黑色岩系，“湘潭式”锰矿即产于南华系大塘坡组下部的黑色岩系。

由于Rodinia超大陆裂解和华南新元古代裂谷盆地演化，区域上形成了一系列的被动陆缘裂谷，并进一步形成大致等间距分布的NE向次级裂陷盆地群，局限封闭的裂陷盆地是锰质聚集的有利场所，为锰矿的形成提供了良好的富集空间。湘中地区在上述构造背景下形成了湘潭沉积成锰盆地。

区内地层自青白口系、南华系、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系至第四系均有出露，南华系自下而上分为长安组、富禄组、大塘坡组、南沱组，其中，大塘坡组第一段为一套以炭质页岩为主的黑色岩系，是“湘潭式”锰矿床的赋存岩系。

岩浆岩主要有桃江、芙蓉、沩山、歇马、紫云山等岩体，岩性主要为二长花岗岩、花岗闪长岩，形成于志留纪、三叠纪和侏罗纪，为加里东期、印支期和燕山期产物。

对含锰岩系分布影响较大的褶皱构造有龙塘—石牛江背斜、老屋仑背斜、芙蓉穹窿、沩山穹窿、歇马隆起、金磨向斜及仙女山背斜。断裂构造以NE向为主，其次为NW向、近EW向，对含锰岩系及锰矿层的连续性起到破坏作用。

2 成矿地质特征

2.1 含锰岩系沉积建造

研究区已有“湘潭式”锰矿床10处，其中大型矿床1处(湘潭锰矿)，中型矿床3处(棠甘山锰矿、九潭冲锰矿、金石锰矿)，小型矿床6处(黄龙潭锰矿、三尖峰锰矿、磨子潭锰矿、烟田锰矿、白云庵锰矿、楠木冲锰矿)，另发现有丫峰山、苍溪仑、白竹山、易家湾、罗家等多处锰矿点。

“湘潭式”锰矿含锰岩系为南华系大塘坡组第一段，自南东九潭冲至北西黄龙潭含锰岩系沉积建造特征见表1。

表1 “湘潭式”锰矿含锰岩系沉积建造特征

2.2 含矿岩系与锰矿层(体)的厚度变化规律

研究区已有勘查资料表明，含锰岩系与锰矿层在厚度变化上具有正相关规律。含锰岩系厚度越大，锰矿层厚度越大、品位越高。一般来说，含锰岩系厚度8 m以上赋存工业锰矿体，8 m以下无工业锰矿体产出。

3 矿床地质特征

3.1 矿体特征

在湘潭九潭冲一带，含锰岩系厚2.20～38.17 m。见上、下两层锰矿层，上矿层呈似条带状，厚0.94～4.91 m，平均厚2.35 m，Mn品位为14.34%～17.88%；下层矿呈块状，厚0.48～1.5 m，平均0.84 m，Mn品位为15.78%～19.83%。

至湘潭锰矿一带，含锰岩系厚3.9～58.0 m。一般只有一层锰矿层，局部在主矿层之上2～4 m的黑色页岩中，夹1～2层透镜状小矿体。主矿层厚0.22～5.84 m，平均厚1.38 m，Mn平均品位为22.99%。

至湘乡金石一带，含锰岩系厚6.4～35.5 m。见一层碳酸锰矿层，厚度一般为1～3 m，最大厚度4.64 m，平均厚2.14 m，Mn平均品位为18.71%。

至涟源三尖峰—安化黄龙潭一带，含锰岩系厚3.25～46.93 m。一般只见一层锰矿层，部分地段见2～3层矿。棠甘山锰矿见上、下两层锰矿层，下层矿为条带状碳酸锰矿层，厚0.5～5.56 m，平均厚1.09 m，Mn品位为15.04%～34.68%，平均品位为20.4%；上矿层为互层矿，由薄层碳酸锰矿层与炭质页岩构成互层，厚0.07～6.90m，平均厚1.38 m，含锰为3.18%～15.83%，平均10.18%。

安化丫峰山—桃江易家湾一带，含锰岩系厚5.0～26.5 m。一般只见一层锰矿层，局部见两层矿。主矿层厚0.8～4.0 m，深部碳酸锰矿石Mn品位为8.15%，地表氧化锰矿石Mn品位为7.07%～30.50%。

锰矿层主要呈层状、似层状产出，其次为透镜状，产状与围岩基本一致。

3.2 矿石特征

深部原生矿为碳酸锰矿石，近地表经氧化后为氧化锰矿石。矿石主要结构有泥晶结构、微晶结构、碎裂结构，主要构造为块状构造、条带状构造。碳酸锰矿石主要含锰矿物为菱锰矿、钙菱锰矿、锰方解石、含锰方解石；氧化锰矿石主要含锰矿物为硬锰矿、软锰矿、偏锰酸矿。

4 成矿地质条件

4.1 地层、岩性条件

研究区“湘潭式”锰矿床严格赋存于中南华统大塘坡组第一段，与黑色页岩含锰建造密切相关。含矿性较好的地段含锰岩系自下而上岩性组合：线理状黑色炭质页岩-互层状碳酸锰矿层-薄片状黑色炭质页岩-条带状碳酸锰矿-黑色炭质页岩。

研究区南华系中统大塘坡组地层受三叠纪、侏罗纪岩浆作用影响，总体上呈NW—SE、近EW向展布。在北西部主要分布于龙塘—石牛江背斜南翼、老屋仑背斜两翼、芙蓉穹窿两翼；中部分布于沩山穹窿两翼、金磨向斜两翼；南东部分布于歇马隆起北东翼、仙女山背斜北西翼。大塘坡组根据岩性特征分两段，第一段主要为炭质页岩夹菱锰矿或含锰灰岩、含锰白云岩，为“湘潭式”锰矿的含锰岩系，厚3.25～58 m；第二段在区内大部分地段缺失，仅在湘潭锰矿深部钻孔中可见，为一套青灰色—黑色钙质页岩夹泥灰岩，厚度大于100 m(未揭穿)。区内由于大塘坡组第二段不发育，大塘坡组厚度总体较薄，但含锰岩系大塘坡组第一段较为发育，一般厚5～30 m，最厚达58 m，为锰矿成矿提供了有利的地层条件。

4.2 岩相古地理条件

研究区赋存工业锰矿层的岩相组合主要为炭质页岩-菱锰矿组合，次为炭质页岩-白云岩(硅质页岩或含锰白云质灰岩)-菱锰矿组合，泥质炭质页岩-含锰硅质灰岩组合无菱锰矿体产出。

根据本区南华纪大塘坡期岩相古地理资料[11]，中南华世大塘坡沉积早期，研究区岩相古地理环境受总体北东高、南西低的古地貌控制，自北东往南西水体逐渐加深，北东为洞庭古陆，南东为湘东古陆，中部受隆起带障碍，南西侧较为开阔。由北东往南西岩相古地理环境依次为陆棚浅滩、陆棚平原、浅海棚内—棚缘盆地(局限浅水棚内槽盆、潮下陆棚内—棚缘隆起、局限浅水棚缘槽盆)、棚缘平原 (图2)。沉积相标志显示，“湘潭式”锰矿床形成于局限或半局限的成锰沉积盆地中较闭塞、宁静的地堑或断陷槽盆内，浅海陆棚—棚缘过渡相区的浅水槽盆亚相(北东为浅水棚内槽盆亚相、南西为浅水棚缘槽盆亚相)是形成工业锰矿床的有利环境条件。

4.3 古构造条件

湘潭沉积盆地北西部受城步—新化岩石圈断裂带、五团—溆浦切壳断裂带及芷江—安化—湘潭—浏阳韧性推覆剪切断裂带控制，北东部受仙池界—连云山韧性推覆剪切断裂带控制，西南部受新化—双峰构造断裂带控制，东北部受限于江南古陆，东南部受限于湘东古陆，限制了该沉积盆地发展(图3)。

沉积盆地内沿乌田—金磨、九潭冲、棠甘山、大福坪、羊幢等同沉积断裂形成了凹陷带，在同沉积断裂凹陷带与系列前期NNE向武陵—雪峰褶皱基底浅层平移断裂交汇部位，形成了长轴方向与同沉积断裂一致的椭圆状聚锰地堑槽(断陷槽)，包括金磨地堑槽盆、乌田地堑槽盆、九潭冲地堑槽盆、连山断陷槽盆、棠甘山断陷槽盆、大福坪断陷槽盆、羊幢断陷槽盆。因此，同沉积断裂控制着盆地内部的凹陷带，并与前期NNE向武陵—雪峰褶皱基底浅层平移断裂一起，控制着聚锰地堑槽(断陷槽)。沉积盆地内的凹陷带及主要呈“二带(行)四群(列)”分布的地堑(断陷)槽盆使区域内呈现出隆凹相间的构造格局，进而控制着南华纪成锰期沉积岩相的分布与锰矿床的形成。

区内主导构造(特别是常德—安仁岩石圈转换断层)可能为深部壳幔源无机成因气液上升的通道，在同沉积断裂与武陵—雪峰褶皱基底浅层断裂交汇部位及附近垂向发育，使其与深部发育的岩石圈深大断裂带沟通，导致可能来自壳幔深部的气液与锰质通过岩石圈深大断裂带和同沉积断层上升到断陷(地堑)槽盆底部。

5 锰质来源

5.1 同位素证据

湘中地区“湘潭式”锰矿含锰岩系的碳酸盐岩碳(无机碳)同位素测试结果表明，δ13C值为-6.75‰～-10.8‰，平均值为-8.38‰(表2)，与前人所测试的华南扬子地区其他一些典型南华系锰矿床中锰矿石的无机碳碳同位素数据相一致[12-15]。与沉积碳酸盐岩来源和有机碳来源的δ13C值的正常范围有较大偏差，表明碳不太可能主要来自碳酸盐岩和有机碳。研究成果表明，在相对封闭的系统中，地幔去气作用产生的无机成因气与母体相比在碳同位素组成上差别很小，应该大致具有其母体的碳同位素组成，一般认为岩浆和地幔的碳同位素δ13C值主要在-3‰至-9‰之间[16-18]，区内菱锰矿中的δ13C值与地幔的δ13C值十分吻合，因此，认为碳主要来源于深部幔源。

表2 湘中地区南华系大塘坡组含锰岩系碳同位素测试结果

5.2 岩石地球化学证据

湘中地区“湘潭式”锰矿床含锰岩系中炭质页岩和锰矿石常量元素SiO2/Al2O3、(Fe+Mn)/Ti、Al/(Fe+Mn+Al)的比值具有典型的热水沉积特征(表3)，且锰矿成矿时热水溶液的注入比炭质页岩成岩时更多；微量元素显示出较为明显的Co、Zn、Pb、Mo、Ba等元素富集，Th、Cr、Nb、Ni等元素亏损(表4)，Co/Ni比值和Co/Zn - (Cu+Ni+Co)、Fe - Mn - (Cu+Ni+Co)图解都揭示锰矿成矿过程中有海底热水(液)的参与(图4、图5)；稀土元素分布模式和Ce、Eu异常显示锰矿形成于大陆边缘裂谷环境，并具有热水沉积特征(表5)[20]。从而认为“湘潭式”锰矿床的锰质主要来源于海底深大断裂混合气液热流的渗流喷溢活动。

表3 湘中地区南华系大塘坡组锰矿石和黑色页岩主量元素测试结果

表4 湘中地区南华系大塘坡组锰矿石和黑色页岩微量元素测试结果

表5 湘中地区南华系大塘坡组含锰岩系稀土元素测试结果

6 结论

1)“湘潭式”锰矿的形成和分布主要受层(地层)、相(岩相)、位(构造部位)控制。锰矿床严格赋存于南华系中统大塘坡组第一段黑色页岩中；浅海陆棚—棚缘过渡相区的浅水槽盆亚相是形成工业锰矿床的有利场所；同沉积断裂与武陵—雪峰褶皱基底浅层平移断裂，控制着聚锰地堑槽(断陷槽)，使其呈“二带(行)四群(列)”分布特征。

2)含锰岩系的无机碳同位素研究表明，成矿物质主要来源于深部幔源；常量、稀土、微量元素地球化学特征显示锰矿形成于大陆边缘裂谷环境，并具有热水沉积特征，且锰矿成矿时热水的注入比炭质页岩成岩时更多。