南非西北省某鐵錳礦床地質特征及成因淺析

和松譚康雨馬林霄岳鵬軍

（1.北京中資環鉆探有限公司，北京 100012；2.中色地科礦產勘查股份有限公司，北京 100012）

0 引言

錳礦是重要的戰略性資源，也是發展鋼鐵工業的重要大宗原料礦產之一，在國民經濟和社會發展中具有十分重要的戰略地位（高海亮，2006）。南非錳礦石儲量居世界第1 位，總計1316 億t，集中分布在開普省庫魯曼地區（常洪倫等，2014），呈近南北向的古元古代海斯巨形錳礦帶，長達130 km。礦區位于古元古代海斯鐵－錳成礦帶卡拉哈里錳礦田西北緣，地理坐標為南緯27°08′40″，東經22°49′50″。南非錳礦均產于前寒武紀德蘭士瓦群內，為海相沉積或沉積變質錳礦床（周柳霞和譚蓉1997）。20 世紀20 年代初，最早發現了位于Mukulu 礦區南部的Postmasburg 錳礦田，20 世紀60—70 年代，Assmang公司在該礦田開始開發Emang 錳礦田。1966 年10月至1968 年3 月，南非AMMOSAL 公司在該礦權區進行勘查工作，經過采樣分析，初步發現了該礦區錳礦的存在。1968—2008 年，ASSMANG 公司（原名AMMOSAL）在Mukulu 礦權區進行了鉆探施工，2008 年，Main Street 778 公司委托Mr Abraham Pre?torius 對礦區進行了三維建模及資源量估算，利用鉆孔數據35 個，提交了《A Report of the creation of a geological and orebody model for the Mukulu manga?nese project－ A.I.Pretorius》，通過距離冪次反比法圈定了深部UMO、LMO 2 條礦體。但以往工作主要是在礦區北段（約10 km2）完成了系統的地質勘查工作，因此本次核實工作資源量估算對象為礦區通過系統工程控制的淺部礦體和深部礦體。筆者在參與礦區地質調查的基礎上，從礦區大地構造背景出發，結合近年來礦區的找礦成果，分析鐵錳礦成礦規律，對該鐵錳礦成因進行了初步探討，以期為卡拉哈里錳礦田內的鐵錳礦找礦勘查提供思路。

1 區域地質背景

南非的構造單元包括卡普瓦爾太古宙克拉通和一系列元古宙－古生代造山帶，以及一個代表弧后前陸沉積系統的卡魯盆地。南非成礦區帶分為6 個Ⅲ級成礦區帶（表1）（吳興源等，2015），礦區產出于古元古代海斯鐵－錳成礦帶（Ⅲ－3）卡拉哈里（Kalagari）錳礦田西北緣。

Mukulu 礦區大地構造位置處于卡普瓦爾（Kaapvaal）克拉通西部與古元古代海斯（Kheis）褶皺－逆沖帶的交界地帶的西格里夸蘭盆地（Griqua?land West）北部。西格里夸蘭盆地地層主要由古元古代德蘭士瓦超群（Transvaal）、古元古代晚期奧利芬霍克超群（Olifanshoek）、中生代卡魯超群（Ka?roo）、新生代卡拉哈里超群（Kalahari）構成。區域性的構造主要由一條近SN 向逆沖斷層和一系列SN向、SN－NE 向、NNW－NW 向正斷層，以及NW 向、NE 向褶皺構造構成，對卡拉哈里錳礦田的成礦、控礦作用影響比較大的主要為SN 向的Black Ridge 逆沖斷層、NW 向Dimoten 向斜及一系列SN－NE 向正斷層（圖1）。

表1 南非主要成礦區帶

近SN 向逆沖斷層和一系列SN 向、SN－NE 向、NNW－NW 向正斷層，以及NW 向、NE 向褶皺構造構成，對卡拉哈里錳礦田的成礦、控礦作用影響比較大的主要為SN 向的Black Ridge 逆沖斷層、NW 向Dimoten 向斜及一系列SN－NE 向正斷層（圖1）。

區域巖漿巖較為發育，主要巖性為玄武質、安山質枕狀熔巖，脈巖多為后期的輝綠巖脈和細晶閃長巖脈。區域內的地層受到了非常淺程度的變質作用，在長期的變質過程中，重結晶引起了礦物晶體的生長及形態的變化，形成了微結核，出現了方鐵錳礦、褐錳礦和赤鐵礦等金屬礦物微晶共生的情況。

2 礦區地質特征

2.1 地層

礦區地層主要為古元古代、中生代的火山－沉積巖系以及新生代蓋層，自下而上主要地層特征見表2。

波斯特馬斯堡群（包括Ongeluk、Hotazel 組和Mooidraai 組），其中Ongeluk 組主要巖性為玄武質、安山質火山熔巖，廣泛分布在Mukulu 礦床深部，構成了礦床的基底，Hotazel 組為一套條帶狀含鐵（錳）建造，主要巖性條帶為狀磁鐵石英巖，廣泛分布在Mukulu 礦床深部，與下伏Ongeluk 組呈不整合接觸，該組為礦區錳礦和鐵礦的主要賦礦層位，Mooidraai組主要巖性為菱鐵礦白云巖、燧石質白云巖，與下伏Hotazel 組呈整合接觸，該組地層在沉積時受古地形影響，在走向和傾向上連續性較差，在Mukulu 礦區表現為呈透鏡狀產出。

古元古界奧利芬霍克超群包括Mapedi 組和Lucknow 組，其中Mapedi 組主要巖性為頁巖，夾石英巖，底部為含鐵頁巖、碎屑巖，與下伏Mooidraai 組呈不整合接觸，Lucknow 組主要巖性為頁巖、礫巖、石英巖夾頁巖，與下伏Mapedi 組不整合接觸。

中生界卡魯超群的德懷卡群為一套冰川成因的混雜陸源沉積巖（冰磧巖），該組地層主要呈似層狀、透鏡狀分布在礦區東部，不整合覆蓋在Mapedi組之上。

表2 Mukulu 礦區主要地層簡表

圖1 西格里夸蘭盆地區域地質簡圖

新生界卡拉哈里超群包括Gordonia 組和卡拉哈里組，其中卡拉哈里組上部為鈣質礫巖，下部為紅色粘土層，底部為含粘土礫石層，Gordonia 組在全區廣泛分布，主要為風成砂和腐殖土，在礦區表現為東北厚度小、西南厚度大，平均厚度一般在25 m 左右。

2.2 構造

礦區位于Dimoten 向斜東翼，區內以南西緩傾的單斜巖層為主，次級褶皺構造不發育。礦區斷裂構造較發育，最主要的斷裂構造為逆沖推覆斷層，主逆沖斷層在深部多順層（Mapedi 組頂部）滑動，斷層面的產狀基本與地層產狀一致，即傾向230°，傾角約7°，在淺部產狀變陡，傾角約45°。受逆沖推覆斷層控制，在斷層面以上形成淺部逆沖推覆體礦體，即淺部礦體，由于推覆構造次級斷裂發育，導致淺部礦體在走向和傾向的連續性較差。

其次為一系列正斷層，根據目前工程控制情況，礦區內主要發育一系列近南北向正斷層，分別編號為F1、F2、F3、F4、F5。這些斷層多為成礦后的破礦構造，F1 斷層：貫穿整個礦區，呈近南北向展布，傾向東，傾角約78°，屬高角度正斷層，將Mapedi 組以下的地層錯斷，并控制了Mapedi 組的沉積，平均垂直斷距約51 m、水平斷距約10 m。其與F2 斷層一起將礦區內礦體分為東、西兩個區塊；F2 斷層：貫穿整個礦區，位于F1 斷層東側，呈近南北向展布，傾向東，傾角約78°，為礦區內斷距最大的高角度正斷層，將Mapedi 組以下地層錯斷，并控制了Mapedi 組的沉積，平均垂直斷距約271 m、水平斷距約56 m；F3 斷層：呈近南北向展布，傾向西，傾角約11°，斷距較小，為發育在Mapedi 組的正斷層，位于F1 斷層西側，其應屬于F1 斷層的次級斷裂；F4 斷層：呈近南北向展布，傾向東，傾角約72°，屬高角度正斷層，將Mapedi 組以下的地層錯斷，并控制了Mapedi 組的沉積，平均垂直斷距約60 m、水平斷距約8 m；F5 斷層：根據目前工程控制情況，主要在礦區東部分布，呈近南北向展布，傾向西，傾角約77°，屬高角度正斷層，將Mapedi 組以下地層錯斷，并控制了Mapedi 組的沉積，平均垂直斷距約138 m、水平斷距約56 m。

2.3 巖漿巖

礦區的巖漿巖主要由侵入的脈巖，根據鉆孔揭露結果，在Ongeluk 組和Hotazel 組地層中見到侵入巖的脈巖。礦區內目前共發現2 條脈巖，為白色到灰色的細晶閃長巖，兩者近平行產出，傾向140°，傾角約80°。脈巖基本上是沿斷層侵入的，推測發生在Hotazel 組沉積之后，Mapedi 組頁巖沉積之前，因此，脈巖對礦體有不同程度的破壞作用。

2.4 變質作用

礦床經歷了漫長的地質歷史演化和構造巖漿活動，石英砂巖變質為石英巖，具有變余砂狀結構和變晶結構；重結晶引起了礦物晶體的生長及形態的變化，形成微結核，出現了方鐵錳礦、褐錳礦和赤鐵礦共生的情況；根據野外地質調查，各類粉、細砂巖均有一定程度的綠片巖化、高嶺土化或絹云母化，且巖石中常有石英脈細脈穿插，由此判斷礦區的變質作用為淺－中淺變質程度。

3 礦床地質特征

3.1 礦體特征

根據目前勘探成果，結合礦床地質特征，在礦區內礦體可分為淺部礦體和深部礦體，均呈北西－南東方向展布，礦體主要賦存在Hotazel 組的條帶狀含鐵（錳）建造中，主要賦礦巖性為條帶狀磁鐵石英巖，淺部礦體主要分布在逆沖推覆體內，其空間展布受逆沖推覆斷層控制（圖2）。

在淺部逆沖推覆體內共圈出16 條淺部礦體（分鐵錳礦體和鐵礦體），其中鐵礦體共6 條，鐵錳礦體共10 條。各礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產出，大致平行分布。淺部礦體受推覆構造的控制，主要賦存在推覆斷裂面以上，埋深一般70～190 m，屬隱伏礦體，在平面位置上，位于礦區中部。

在深部共圈出3 條鐵錳礦體，自上而下分別編號為UMO、MMO 和LMO；鐵錳礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產出，基本平行分布。其中UMO 富錳礦體礦體走向約335°，走向長2500 m，總體傾向南西，平均傾角約8.57°，賦礦標高302～704 m，控制的最大延深1525 m。礦體賦存在條帶狀含鐵錳硅質巖內，形態呈層狀、似層狀。礦體內無夾石。后期脈巖沿斷層侵入，斷層將礦體錯斷；MMO 富錳礦體礦體走向約338°，走向長507 m，總體傾向南西，平均傾角約8.96°，賦礦標高316～650 m，控制的最大延深216 m。礦體賦存在條帶狀含鐵錳硅質巖內，形態呈層狀、似層狀。礦體內無夾石。后期脈巖沿斷層侵入，斷層將礦體錯斷；LMO 富錳礦體礦體走向約333°，走向長2243 m，總體傾向南西，平均傾角約8.5°，賦礦標高166～660 m，控制的最大延深2337 m。礦體賦存在條帶狀含鐵錳硅質巖內，形態呈層狀、似層狀。礦體內無夾石。后期脈巖沿斷層侵入，斷層將礦體錯斷。

圖2 礦區構造典型剖面示意圖

3.2 礦石特征

礦區的礦體埋深一般在100 m 以下（深部礦體埋深350 m 以下），主要賦存在條帶狀含鐵（錳）硅質巖（BIF）內。礦石具有硫化物含量低、礦石硬度大、脆性強的特點。

礦石的結構構造比較簡單，主要為粒狀變晶結構，條紋－條帶狀構造。條帶狀構造由鐵錳質條帶（主要由塊狀、粒狀赤鐵礦、磁鐵礦及錳質礦物混合而成）和燧石條帶（主要由細晶石英組成）間隔分布，寬0.1～1 cm 不等（圖2）。

3.3 礦石類型

3.3.1 自然類型

（1）鐵礦石

礦區淺部鐵礦石的主要鐵礦物為磁鐵礦和赤鐵礦（部分礦石以磁鐵礦為主，部分以赤鐵礦為主），因此鐵礦石的自然類型可分為為磁鐵礦石和赤鐵礦石。

（2）錳礦石

礦區淺部和深部錳礦石的主要錳礦物為黑錳礦、鐵錳礦、褐錳礦等氧化物－氫氧化物為主，因此錳礦石的自然類型為氧化錳礦石。

3.3.2 工業類型

（1）鐵礦石

礦區內鐵礦石其主要有用成分為赤鐵礦和磁鐵礦，主要分布在淺部10 個鐵礦體中。鐵礦石主要化學成分中TFe 礦床平均含量為63.27%，SiO2平均含量3.024%，S 平均含量0.001%，P 平均含量0.019%，Cu 平均含量16.159×10－6。其有用物質和主要有害物質基本滿足《鐵、錳、鉻礦地質勘查規范》（DZ/T 0200－2002）中煉鋼用鐵礦石的工業要求。

因此，該區鐵礦石的工業類型為煉鋼用鐵礦石。

（2）錳礦石

該區的錳礦石主要為氧化錳礦石，根據《鐵、錳、鉻礦地質勘查規范》（DZ/T 0200－2002）中冶金用錳礦石一般工業指標要求，其工業分類可分為鐵錳礦石（淺部和深部的鐵錳礦體中）、富錳礦石（深部富錳礦體中）。

1）淺部鐵錳礦石

從表3 可以看出，淺部鐵錳礦石總體Mn/Fe 為1.48，P/Mn 為0.002，（CaO＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）為0.641%，屬低磷、高鐵、酸性錳礦石。具體到每個礦體，除MFe3 和MFe6 鐵錳礦體礦石為低磷、高鐵、自熔性錳礦石外，其他礦體礦石均為低磷、高鐵、酸性錳礦石。

表3 淺部鐵錳礦石性質計算參數表

表4 深部鐵錳礦石性質計算參數表

2）深部鐵錳礦石

從表4 可以看出，深部鐵錳礦石總體Mn/Fe 為1.74，P/Mn 為0.001，（CaO＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）為2.161%，屬低磷、高鐵、堿性錳礦石。具體到每個礦體，差別也不大，礦石性質均相同。

3）深部富錳礦石

從表5 可以看出，富錳礦石總體Mn/Fe 為3.37，P/Mn 為0.001，（CaO＋MgO）/（SiO2＋Al2O3）為1.993%，屬低磷、中鐵、堿性錳礦石。具體到每個礦體，除UMO 富錳礦體礦石為低磷、高鐵、堿性錳礦石外，其他礦體礦石均為低磷、中鐵、堿性錳礦石。

表5 富錳礦石性質計算參數表

3.4 礦石物質組成

礦區內鐵礦石主要分布在淺部逆沖推覆體中的鐵礦體內，根據野外和鏡下觀察，礦石主要有用礦物為鐵氧化物（磁鐵礦和赤鐵礦），含量可達60%以上；能判明的主要金屬礦物有錳質礦物（2%左右）、黃鐵礦、針鐵礦等；非金屬脈石礦物主要有石英（含量30%左右）及少量白云石、方解石、伊利石、磷灰石、石膏、高嶺石等（圖3）。

礦區內鐵錳礦體和富鐵礦體的礦石類型均屬氧化錳礦石，其礦物成分基本相同，只是含量有所不同。根據野外和鏡下觀察，其主要有用礦物為黑錳礦、褐錳礦，Mn 含量30%左右，鐵氧化物（磁鐵礦和赤鐵礦，TFe 含量11%～25%），其次為菱錳礦、鐵錳礦、鈣錳石、錳白云石、鈣菱錳礦、錳方解石、方鐵錳礦、軟錳礦等；主要脈石礦物為石英、方解石、白云石、磷灰石、重晶石等。其中，富錳礦石錳質礦物成分以黑錳礦、鐵錳礦、褐錳礦為主；鐵錳礦石則以褐錳礦、鐵錳礦、錳白云石為主（圖3）。

4 礦床成因

Mukulu 礦床位于世界著名的卡拉哈里錳礦田西北部，該礦田蘊藏錳礦資源量巨大。礦區內廣泛發育一套富含鐵錳硅質建造（BIF）、石英巖、火山熔巖及頁巖等的海底熱水噴氣沉積建造，賦礦層位為波斯特馬斯堡群Hotazel 組。鐵錳礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產出；礦石具變晶結構，條帶狀構造，礦石礦物的主要成分為黑錳礦、褐錳礦、鐵氧化物、菱錳礦、鈣錳石等，脈石礦物主要為硅質和少量鈣質；礦區變質作用為淺－中淺變質程度，主要為綠片巖相。綜上，礦床成因類型為沉積變質型鐵錳礦床。

4.1 成礦物質來源

圖3 條帶狀鐵（錳）礦石照片

據前人文章中對相關地球化學資料和Sr 及Pb同位素證據表明，卡拉哈里錳礦田中的Ongeluk 玄武質、安山質熔巖在海底火山環境中經受了主要熱液蝕變，蝕變伴生有大量熱液噴氣，這些火山噴氣是大量化學沉積物，尤其是錳、鐵和燧石的主要來源。且具多期海底熱液噴氣特征，每期海底噴氣活動都帶來大量Fe、Mn 等成礦物質和酸性、還原性氣體，為形成巨型鐵錳礦床提供了物質基礎（廖鳳初和周有希，2013）。

4.2 古構造條件

元古宙早期，卡拉哈里地區為廣闊的Campbell Rand 亞群臺地碳酸鹽巖沉積序列所覆蓋，形成了一套富錳鐵白云巖環境中的巖溶系統，這為鐵錳礦床的形成提供了條件。隨著地殼抬升，強巖溶作用形成近南北向的溶洞構造，為之后含錳鐵質沉積物提供了容納空間。

4.3 礦床成因模型

據常洪倫等在錳礦田堆積型錳礦體地質特征及找礦方向一文中研究表明，關于該地區鐵錳礦床成因的模型有很多種，其中主要流行的有兩種（常洪倫等，2016），一種為海侵—海退模型：在海平面的升降波動中，錳質以氧化物的形式在陸架上沉積下來成礦。海盆中錳礦層具有一定的序列，反映了進積—退積的旋回性（Cannon and Force，1983）；另一種為上升流模型：深海富錳水體在水流帶動下上升至海盆陸架氧化區域富集，接受氧化沉積成礦（圖4）（Frakes and Bolton，1984）。

卡拉哈里錳礦田之下的安格盧卡熔巖堆積物是由于海底火山—熱液作用而發生蝕變的（李上森，1996）。因此礦床的成因模型應接近上升流模型，即深海富錳鐵水體在水流的帶動下，上升至海盆陸架氧化區域富集，接收氧化沉積成礦（深部礦體）。之后在逆沖推覆過程中衍生一系列的次級逆沖斷層，導致德蘭士瓦超群在空間上的重復出現，形成現有的淺部逆沖推覆礦體特征。

5 結論

（1）該礦區主要賦礦層位為波斯特馬斯堡群Hotazel 組，主要賦礦巖性為條帶狀磁鐵石英巖，礦體產狀較穩定，總體傾向以南西為主，呈層狀、似層狀、透鏡狀產出，基本平行分布，受構造影響明顯。

（2）該礦區變質作用為淺－中淺變質程度，主要為綠片巖相，礦石以氧化礦為主，礦物主要成分為黑錳礦、褐錳礦、鐵氧化物、菱錳礦、鈣錳石等，脈石礦物主要為硅質和少量鈣質。礦床類型屬沉積變質型鐵錳礦床，礦床的成因模型接近于上升流模型。