揚子陸塊東南緣早南華世大塘坡早期巖相古地理及錳礦床地質意義

吳定金，龔光林，雷玉龍，曹景良

(中國冶金地質總局 湖南地質勘查院，湖南 長沙 410016)

南華系錳礦是Rodinia(羅尼迪亞)超大陸裂解，南華裂谷盆地進一步演化與巖漿活動、深部氣液混合流沿深斷裂噴溢等導致錳大規模成礦作用的一次事件沉積礦產。南華系錳礦發育在晉寧期陸內裂陷槽內，其賦錳地層為大塘坡組下部第一段，又稱“含錳巖系”，為一套碳錳質和細屑沉積，以底部黑色炭質巖或錳質巖與頂部粉砂質頁巖或冰磧雜砂巖分界。

中南華世早期，揚子板塊呈西高東低、北高南低的古地形，以會同—溆浦切殼斷裂、常德—安仁巖石圈轉換斷裂為界，揚子陸塊東南緣南華裂谷盆地帶自北向南分布武陵次級裂谷盆地、錦屏—懷化隆起帶、雪峰次級裂谷盆地與衡陽—衡東隆起帶。以錦屏—懷化隆起帶與揚子古陸為界，武陵次級裂谷盆地處于局限的沉積環境，雪峰次級裂谷盆地處于相對開放的半局限沉積環境。局限的聚錳槽盆是錳質的聚集有利場所，黑色含錳巖系厚度明顯增大，易形成大、中型礦產，如普覺、道坨、桃子坪、大路等錳礦床。因此，開展揚子東南緣早南華世大塘坡早期巖相古地理研究，分析其地質背景、沉積建造、沉積相等特征，對錳礦勘查工作有一定的指示意義。

1 地質背景

新元古代，華南板塊位于勞倫大陸、澳大利亞板塊與東南極大陸之間，并于830～541 Ma發生大規模地幔柱活動時發生裂解[1]。該期間，在全球Rodinia超級大陸裂解及華南板塊區域伸展活動背景下，揚子陸塊東南緣發育典型裂谷盆地，裂陷中心位于現今桂東—湘東—贛中—浙西一帶。揚子陸塊作為一個整體遭受到極強的拉張裂解作用，陸塊內發育眾多小型分支裂谷。在渝湘黔地區，沿北東、北北東向深斷裂帶發育一系列雁行排列的裂谷型階梯狀塹—壘構造[2]，自西向東依次為鳳凰—三都地塹、錦屏—懷化地壘、新化—寧鄉地塹和衡陽—衡東地壘(見圖1)，且在上述塹壘構造帶內形成了松桃、黔陽和湘潭等3個陸緣裂谷成錳沉積盆地。

出露地層以青白口系、南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、三疊系地層最為常見。區內火山巖主要為新元古代早、中期火山巖，沿雪峰弧分布；侵入巖主要出露于中東部地區，以中、酸性及中酸性侵入巖及其淺成相斑巖為主，受基底構造及深大斷裂的控制，多呈較大的復式巖基產出，展布方向以北東向為主。

2 沉積建造

沉積建造泛指在地質發展的某一階段，在特定的大地構造條件下而形成的具有成因聯系的一套巖石共生組合[3]；這些共生規律性，決定于物質來源、古地理環境、沉積速率及沉積作用的能力平衡條件。這些條件反映著形成時的大地構造、古氣候和形成時的地質時代的綜合特質。

圖1 揚子陸塊東南緣南華系錳礦基底構造及錳礦床分布

2.1 南華系地層沉積建造總體特征

華南裂谷盆地帶的直接基底是武陵—雪峰運動造就的褶皺山地，主要由青白口系淺變質碎屑巖組成。該基底具有較強的構造活動性，形成規模不等的次級裂谷盆地。南華系地層即是上述盆地內的充填序列，充填物質分為上、中、下3個充填序列[4]。下部充填序列：主要為中—粗陸源碎屑沉積建造，包含富祿組、古城組、長安組。其巖性下部為長安組冰期灰綠色火山碎屑巖—冰成雜礫巖，中部為富祿組間冰期淺灰、灰色細粒巖屑砂巖或巖屑長石砂巖，含礫石，夾有透鏡狀白云巖及礫屑白云巖，上部為古城組小冰期雜礫巖或含礫砂巖。中部充填序列以細粒陸源碎屑及含錳泥質為主，即大塘坡組間冰期。下部為含錳暗色腐泥質型沉積建造，巖性為黑色炭質頁巖、炭質粘土巖夾菱錳礦，為含錳巖系；上部則為細屑沉積建造，巖性為是粉砂質粘土巖、粘土質粉砂巖及粘土巖，屬水體較深的暗色細碎屑和炭泥質沉積組合。上部充填序列主要為粗—中粒陸源碎屑沉積組合，即南沱組大冰期，巖性主要為含礫(粉)砂巖。由上可知，南華紀次級裂谷盆地的充填序列屬拉張構造背景，為不整合于青白口系淺變質巖層的一套陸源碎屑沉積建造，在垂向上呈現粗—細—粗、厚—薄—厚變化特征。

2.2 大塘坡沉積早期含錳巖系的沉積建造特征

中南華世大塘坡沉積早期氣候溫和濕潤，屬間冰期，為成錳期。巖(礦)石共生組合體內部巖層在垂直方向上，下部以粉砂質為主，向上石英顆粒變細，數量相對減少，硅質增加；中部常出現一至數層微層狀菱錳礦；接近頂部，以粘土礦物團塊為主，含粉砂成分增多、錳碳酸鹽礦物減少。在水平方向上，成錳盆地(斷陷槽盆)中心為炭質頁巖—菱錳礦，由自里向外，白云質、粉砂及硅質逐漸增加，炭質含量、錳碳酸鹽礦物逐漸減少，依次發育炭質頁巖—含錳白云(灰)巖—菱錳礦、炭質頁巖—含炭質粉砂質頁巖—含錳灰(云)巖、粉砂質泥巖—含炭質頁巖、粉砂質頁巖和砂質(硅質)頁巖，其中粉砂質泥巖—含炭質頁巖中粉砂質的含量相對較高，有錳碳酸鹽礦物，但基本不含錳礦，粉砂質頁巖和砂質(硅質)頁巖中石英、硅質顯著增加，硫、碳顯著下降，除夾有的深色小透鏡體狀白云(灰)巖或含錳白云(灰)巖或含錳硅質(頁)巖外，錳碳酸鹽礦物基本消失；在盆地以遠的開闊地帶出現粉砂質—砂質泥巖、粉砂巖—粉砂質泥巖、泥質粉砂巖—粉砂巖等。

3 沉積相

揚子陸塊東南緣中南華世大塘坡早期沉積巖相區按其沉積環境、沉積物性質，可劃分7個巖相、 15個沉積相。

3.1 巖相特征

1)炭質頁巖相：含2個礦相及1個巖相，即炭質頁巖—菱錳礦相、炭質頁巖—白云(灰或硅質)巖—菱錳礦相、炭質頁巖—含錳灰(云或硅質)巖相。炭質頁巖—菱錳礦相主要為炭質頁巖、菱錳礦，其中炭質頁巖占80%以上，下部菱錳礦成層性好，具水平層、紋層、弧形層理，含藻類化石。炭質頁巖—白云(灰或硅質)巖—菱錳礦相主要為炭質頁巖、菱錳礦、白云(灰)巖、硅質頁巖、硅質巖，其中菱錳礦、含錳碳酸鹽巖及炭質頁巖占80%以上，具水平層、紋層、斜層理，含藻類化石；炭質頁巖富含有機碳、黃鐵礦，如湘潭錳礦炭質頁巖中有機碳含量可達6.97%，黃鐵礦呈星點狀、草莓狀，常顯線理狀構造，可作為宏觀找礦標志。炭質頁巖—含錳灰(云或硅質)巖相：由炭質頁巖和含錳的灰巖或白云巖或硅質(頁)巖組成，占比80%以上，含錳的灰巖或白云巖或硅質(頁)巖常呈透鏡狀分布于黑色炭質頁巖中，局部可見1層小于可采厚度(<0.5 m)的菱錳礦產出，含少量微古植物化石；錳的含量總體較低，一般低于10%以下。黑色頁巖硫、碳質相對降低，線理狀構造不甚明顯，厚度變化在較大。

2)含泥炭質頁巖相：含炭質粘土巖—炭質頁巖—菱錳礦相，主要為炭質頁巖、含炭質粘土巖、菱錳礦，其中炭質頁巖占50%以上，含炭質粘土巖占10%～25%，在富含錳礦地段可高達30%，下部菱錳礦主礦層由多層(3～5層)透鏡狀、餅狀菱錳礦組成，含蘭綠藻化石，為控礦巖相。

3)含炭碎屑頁巖相：含粉砂質泥巖—含炭質頁巖相、白云巖—含炭質頁(粘土)巖相等2個巖相。粉砂質泥巖—含炭質頁巖相主要由粉砂質的泥巖和黑色的含炭質頁巖組成，含炭質頁巖占比50%以上，含炭質頁巖中夾透鏡狀含錳的灰巖或白云巖或硅質(頁)巖，硫、碳質含量低，基本不含錳礦層，具有較好的水平層理，常呈紋層狀。白云巖—含炭質頁(粘土)巖相主要由白云巖、含炭質頁(粘土)巖及粉砂質泥巖組成，白云巖、含炭質頁(粘土)巖占比80%以上，含炭質頁巖中局部夾透鏡狀含錳的灰巖或白云巖或硅質(頁)巖，硫、碳質含量低，基本不含錳，具有較好的水平層理，常呈紋層狀。

4)頁(泥)巖相：粉砂質泥巖—含炭質泥巖相，主要以泥巖為主，頁理不發育，泥巖占比80%以上，表明當時沉積環境水位淺，形成的泥巖的顏色雖然以黑色為主，但水動力條件相對較強，有碎屑帶入，可形成粉砂質的泥巖相。

5)碎屑泥巖相：粉砂巖—粉砂質泥巖相，總體以泥巖相為主，泥巖占比50%以上，其垂向序列中下部為粉砂質泥巖，但向上砂質成分逐漸增高，主要以粉砂為主，甚至可形成粉砂巖。

6)含礫泥質碎屑巖相：主要以泥砂巖為主，占比50%以上，含礫砂頁巖占比20%以上，見沙紋交錯層理、水平層理、波痕、沖坑，槽地區有逆層序，表明當時濱岸碎屑灘堆積—沉積環境，水位變化頻繁、水動力弱—強。

7)砂礫巖相：含泥質粉砂巖—粉砂巖相、石英砂巖—巖屑石英砂巖相等2個巖相。泥質粉砂巖—粉砂巖相主要由粉砂巖組成，占比80%以上，有少量的泥巖，常常具有平行層理。石英砂巖—巖屑石英砂巖相主要由石英砂巖、長石石英砂巖、巖屑石英砂巖組成，占比80%以上，有少量的泥巖，具有大型交錯、浪成層理，反映當時陸棚淺灘高能沉積環境。

3.2 沉積相

中南華世大塘坡沉積早期古地理位置屬揚子濱岸、淺海及次深海的一部分(見圖2)，巖相古地理受總體北西高南東低、北東高南西低的古地貌控制，自北西向南東、北東向南西水體逐漸加深，即由海岸逐漸過渡到局限淺水陸架至局限深水陸架、局限深水棚緣、陸緣淺盆、陸緣深盆的特點。區內沉積物類型多樣，厚度薄，反映其北西側為揚子古陸，北西部、中部受古島及隆起帶障礙，由北西往南東巖相古地理及環境主要為：濱岸碎屑灘、濱前潮坪、海灣、灘后潮坪、沿岸灘壩、臺緣斜坡、局限淺海棚內盆地(淺水棚內槽盆、潮下棚內隆起)、陸棚平原、局限深水棚內槽盆、開闊陸棚平原(陸架隆起或地壘帶)、淺海棚緣盆地(局限深水棚緣槽盆、潮下棚緣隆起帶)、開闊棚緣平原(陸緣斷隆帶)、陸緣淺盆、陸緣深盆，呈北東向作有序展布，水介質能量相應地由低—高—低發生變化；東北側為洞庭古陸及江南隆起，南東側為湘東古陸，中部受隆起帶障礙，由北東往南西巖相古地理及環境主要為：陸棚淺灘、淺水過渡盆地(局限淺水棚內槽盆、潮下陸棚—棚緣隆起帶、局限淺水棚緣槽盆)、開闊棚緣平原(陸緣斷隆帶)、陸緣淺盆，呈北西向—近東西向作有序展布，水介質能量相應地由低—高—低發生變化。

圖2 揚子陸塊東南緣中南華世大塘坡早期巖相古地理

1)濱岸碎屑灘(Li)：沿揚子古陸及露出海面古島濱岸呈帶分布，主要為含礫砂頁巖—泥砂巖相沉積相類型，見沙紋交錯層理、水平層理、波痕、沖坑，槽地區有逆層序，表明當時濱岸碎屑灘堆積—沉積環境，水位變化頻繁、水動力弱—強。

2)濱前潮坪(TF)：主要為粉砂質泥巖—含炭質泥巖相沉積相類型，以泥巖為主，頁理不發育，表明當時沉積環境水位淺，有碎屑帶入，處于開闊的潮上低能環境。

3)海灣 (GF)：主要由含炭質粘土巖—炭質頁巖—菱錳礦相、炭質頁巖—白云(灰)巖—菱錳礦相、炭質頁巖—含錳灰(云)巖相、白云巖—含炭質粘土巖相等4種沉積相類型，呈環帶狀分布，水平層理、小型韻律層理發育，主要由泥晶菱錳礦層和含炭質粘土層構成。處于淺水波動變換時而弱風暴攪動的環境。

4)灘后潮坪(TF)：主要由白云巖相沉積相類型，局部頂部出現粘土巖—粉砂質粘土巖，白云巖巖性較單一，灰—黃灰色，雜質含量極少，水平層理發育，厚度較薄，屬潮間上部低能環境。

5)沿岸灘壩(PE)：主要為含礫砂頁巖—泥砂巖相沉積相類型，為潮坪障礙古島碎屑灘堆積—沉積物。

6)臺緣斜坡(PFS)：主要由炭質頁巖—白云(灰)巖—菱錳礦相、炭質頁巖—含錳灰(云)巖相、粉砂質泥巖—含炭質頁巖相等3種沉積相類型構成環帶分布，球狀藍藻類化石豐富，具水平層理及韻律層理。巖相呈北東向帶狀展布，受南東潮下水下隆起帶阻滯，環境屬低中能時有風暴回流作用的水介質條件。

7)局限淺海棚內盆地(SHSB)：進一步分淺水棚內槽盆(SHSB)、潮下棚內隆起(BS)。

淺水棚內槽盆(SHSB)相帶較寬，已發現超大、大中型錳礦床就在其內，是本區錳礦主要的成礦地帶。受南東外緣地壘和潮下隆起帶阻滯，形成了較為閉塞和水體寧靜的淺海海域。水體中豐富的藻類、菌類和凝源類等微生物不斷為海底提供豐富的有機質，造成缺氧還原弱堿性水介質性質，從而促進錳質的穩定淀出并大量聚集。主要由炭質頁巖-菱錳礦相、炭質頁巖—白云(灰)巖—菱錳礦相、炭質頁巖—含錳灰(云)巖相、粉砂質泥巖—含炭質頁巖相等4種沉積相類型構成環帶分布。

潮下棚內隆起(BS)主要由粉砂質頁巖相類型構成，呈北東向帶狀分布，發育水平韻層。沉積環境在正常浪基面上下，水體循環暢通，屬水下低能環境。

8)陸棚平原(SHP)：水體較深，沉積基面位于氧化—還原界面與碳酸鹽溶解界面之間，分布廣闊，地勢平坦，總體向南東方向緩傾，水介質位于氧化—還原界面上下，海流暢通，菌藻類浮游生物殘體(有機質)較難保存，主要由砂質頁巖、粉砂巖—粉砂質泥巖相、粉砂質—砂質泥巖相等3種沉積相類型構成，見少量泥晶灰(云)巖扁豆體。砂質水平紋層或條帶發育，反應了沉積時較強的水動力條件。

9)局限深水棚內槽盆(SHDB)：水體較深，處于半閉塞的低能安靜環境，沉積基面處于氧化—還原界面與碳酸鹽溶解界面之間，已沉積的碳酸錳軟泥部分溶解于海水，其聚錳條件次于局限淺水棚內盆地。主要由炭質頁巖—菱錳礦相、炭質頁巖—硅質巖—菱錳礦相、炭質頁巖—含炭質粉砂質頁巖—含錳灰(云)巖相、粉砂質泥巖—含炭質頁巖相等4種沉積相類型構成環帶狀分布，沉積構造一般為水平細紋層、水平條帶。

10)陸棚淺灘(SHS)：主要為石英砂巖—巖屑石英砂巖相沉積相類型，砂質(主要是石英，次為巖屑等)呈次棱角—次渾圓狀—渾圓狀，見大型交錯層理、浪成層理，表明當時淺灘水位變化頻繁、水動力強的高能環境。

11)局限淺水棚緣槽盆(SBSB)：受南西外緣潮下棚緣隆起帶阻滯，發育局限淺水棚緣槽盆。主要由炭質頁巖—菱錳礦相、炭質頁巖—白云(灰)巖—菱錳礦相、炭質頁巖—含炭質粉砂質頁巖—含錳硅質灰巖相、粉砂質泥巖—含炭質頁巖相等4種沉積相類型構成環帶分布，泥質含量增多，層紋理密度減少。沉積構造多為水平條帶、水平細紋理。

12)局限深水棚緣槽盆(SBDB)：沉積相帶呈長條狀、較寬，是本區錳礦重要的成礦地帶。水體較深，受南東外緣及內部潮下陸棚隆起帶阻滯，在棚緣盆地內的槽盆地帶形成了半閉塞、較為寧靜的低能環境。色球藻、隱球藻類浮游生物為主的菌藻類繁盛，為碳酸錳質的沉淀積大量聚集提供有利條件。主要由炭質頁巖—菱錳礦相、炭質頁巖—白云巖(硅質頁巖)—菱錳礦相、炭質頁巖—含錳硅質灰巖相、粉砂質泥巖—含炭質頁巖相等4種沉積相類型構成環帶分布，白云巖(硅質頁巖)泥質條帶發育，沉積構造多為水平條帶、水平細紋理。

13)棚緣平原(SBP)：地勢相對較高，總體向北東方向緩傾斜、向南西方向陡傾斜，海流暢通，砂質(硅質)水平紋層或條帶發育，主要由砂質(硅質)頁巖、粉砂巖—粉砂質泥巖相、粉砂質—砂質泥巖相等3種沉積相類型構成。

14)陸緣淺盆(CSB)：地勢總體平緩，總體向南東方向緩緩傾斜，處于水體較深的次深海環境，海流暢通，等深流(或底流)遠洋懸浮沉積與斜坡、陸隆的走向平行，有來自大陸斜坡的塊體(沉積物)重力流、陸隆的濁積扇，見砂質水平紋層，主要由砂質(硅質)頁巖、粉砂巖—粉砂質泥巖相、粉砂質—砂質泥巖相、含礫砂頁巖—泥砂巖相等4種沉積相類型構成。

15)陸緣深盆(CDB)：分布范圍較廣，地勢總體平緩，處于水體很深的深海環境，低能環境，有低密度的濁流，見水平層理，沉積物主要為鈣質、硅質泥巖、深海紅泥黑泥巖。

4 菱錳礦形成與古構造和古地理之間的關系

南華系錳礦床受巖相古地理及古構造控制，具成帶(行)、成群(列)的空間分布特征，雖受后期構造改造影響，但與成錳沉積盆地內聚錳槽盆的空間分布特征基本一致。區內菱錳礦床(點)的分布及礦床特征受北東向地塹式(斷陷式)聚錳槽盆制約，次級同沉積古斷裂控制了盆地內斷陷(地塹)、隆起 (地壘)的分布，控制了同沉積凹陷帶內聚錳槽盆形成和分布，聚錳槽盆“行”、“列”匯的特點[5]；聚錳槽盆具有明顯巖相分帶現象，一般在槽盆中心相帶及過渡相帶形成工業錳礦層，槽盆中心相帶是錳礦床的厚、大、富礦層的賦存部位[6-7]，因此，同沉積斷裂構造具有控盆、控巖、控相、控礦作用。

區內錳礦床形成于局限或半局限的成錳沉積盆地中，較閉塞、寧靜的地塹或斷陷槽盆內，賦存工業錳礦層的巖相組合主要為炭質頁巖—菱錳礦組合，次為炭質頁巖—白云巖(硅質頁巖或含錳白云質灰巖)—菱錳礦組合。水體較深的局限陸棚槽盆是一個富CO2，貧O2的弱還原環境，容納空間大，外源與內生錳質易于沉淀和大量聚集[8]，是尋找大中型菱錳礦床的最佳環境，如道坨、普覺、湘潭、民樂等超大型、大型錳礦床,具有礦床規模大、礦石品位高等特點。水體太深或太淺，不利于錳質的穩定淀出和大量聚集，地塹或斷陷槽盆所處環境成礦條件較差，往往形成規模小、礦石品位低礦床。

5 結 論

對揚子東南緣南華系大塘坡組地層開展地質背景、沉積建造和沉積環境分析，得出以下結論：

1)南華紀裂谷是Rodinia超大陸的裂解過程產物，松桃、黔陽、湘潭成錳沉積盆地發育并形成于在武陵次級裂谷盆地、雪峰次級裂谷盆地西北緣或北緣強烈裂陷地帶，由一系列地塹式(斷陷式)聚錳槽盆及水下隆起構成。

2)早南華世大塘坡早期具有砂礫巖相、頁(泥)巖相、炭質頁巖相、碎屑泥巖相、含泥炭質頁巖相、含炭碎屑頁巖相、含礫泥質碎屑巖相等7個巖相類型。菱錳礦賦存在炭質頁巖相，進一步可劃分炭質頁巖—菱錳礦相、炭質頁巖—白云(灰或硅質)巖—菱錳礦相。

3)中南華世大塘坡沉積早期古環境屬濱岸、淺海及次深海，沉積相自北西往南東，呈北東向作有序展布，呈現為濱岸碎屑灘、濱前潮坪、海灣、灘后潮坪、沿岸灘壩、臺緣斜坡、局限淺海棚內盆地(淺水棚內槽盆、潮下棚內隆起)、陸棚平原、局限深水棚內槽盆、開闊陸棚平原(陸架隆起或地壘帶)、淺海棚緣盆地(局限深水棚緣槽盆、潮下棚緣隆起帶)、開闊棚緣平原(陸緣斷隆帶)、陸緣淺盆、陸緣深盆，錳礦主要產在海灣、淺水陸棚、深水陸棚槽盆中心及邊緣部位。

4)受限于古構造、古地理、沉積相、沉積速率等因素制約，松桃成錳盆地已發現超大型錳礦床4個、大型5個、中型16個；湘潭成錳盆地已發現大型錳礦床1個，中型3個；黔陽成錳盆地已發現錳中型礦床，成錳潛力松桃盆地最好，湘潭盆地次之，黔陽盆地相對較差。