华南黔北-滇东二叠纪锰矿成矿物质来源及成矿机制研究

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锰是地壳中重要的组成元素之一,更是一种战略性关键金属元素。纵观全球,沉积型碳酸锰矿作为最具经济价值及研究潜力的锰矿床,不仅由于其规模巨大,同时锰是一种具有多种价态的氧化还原敏感元素,沉积碳酸锰的形成更是地球多圈层共同作用的结果,对于反演地球各圈层物质交换及古环境演化具重要作用。黔北—滇东二叠纪大型沉积锰矿床位于华南扬子板块西缘锰质富集区,其不仅蕴含了巨大的经济价值,并且形成于中晚二叠世之交重大地质事件发育的特殊沉积背景。本文通过对黔北遵义—黔西水城及纳雍—滇东格学锰矿区典型剖面的沉积学、矿物(岩石)学及元素/同位素地球化学进行了系统研究,从锰矿沉积地质特征、矿床成因及沉积环境演化的角度出发,解析锰矿矿化过程与同期重大地质事件之间的地质联系,以深入理解引起黔北—滇东锰矿区显著的成矿差异性的原因及其主控因素,进而尝试厘清区域上锰矿成矿作用机制。本文主要取得以下认识:(1)黔北—滇东二叠纪锰矿在时空分布及矿化类型等方面具显著差异性及规律性,从黔中台沟西缘滇东格学→黔西水城及纳雍→台沟东缘黔北遵义锰矿区,矿石类型具有由氧化锰矿→氧化锰矿及含锰灰岩→碳酸锰矿过渡,且成矿规模也逐渐增大的特征。黔北—滇东二叠纪锰矿均局限分布于黔中台沟内,台沟东缘黔北锰矿赋存于茅口组三段炭-硅-泥-灰岩中,以矿石品位相对较高且厚度较薄(2~7.5m)的中大型碳酸锰矿床为主;而台沟西缘黔西-滇东锰矿则赋存于茅口组二段顶部炭-硅-灰岩中,以矿石品位较低且厚度较大(10~20m)的含锰灰岩,经次生风化而形成的中小型氧化锰矿床为主。(2)黔北—滇东二叠纪锰矿成矿物质来源于峨眉山大火成岩省(ELIP)早期海底岩浆-热液流体的主要贡献。黔北锰矿与凝灰质粘土岩紧密共生,发育类似热液喷流沉积构造(如角砾状构造等),同时黔西-黔北锰矿中均发现大量含锰方解石及氧化锰脉(如脉状、网脉状及浸染状)充填或穿插,且脉体内见大量硅灰石及铁白云石等热液蚀变矿物,明显的记录了含锰热液流体活动的特征。黔西-黔北锰矿石中首次发现大量岩浆成因矿物组合(如辉石、钙长石、斜长石、自形赤铁矿及钙锰辉石等)及热液成因矿物组合(如黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、硫钴镍矿、辉钼矿、辉锑矿、重晶石及天青石等),且上述部分矿物含有一定含量的锰质(如辉石、钙长石、斜长石、赤铁矿等),表明锰矿成矿物质极可能来源于岩浆-热液流体的贡献。黔北-黔西锰矿以富集亲铁元素和亲硫元素(如V,Co,Ni,Cu,Pb,Sb,Sr,Mo及U等)为特征,与锰矿石中大量存在的岩浆-热液矿物相吻合,且锰矿石的元素比值、REE分异特征、成因判别图解及初始87Sr/86Sr组成等均指示锰矿成矿物源来源于岩浆-热液流体的主要贡献。黔北—滇东锰矿具明显偏负的δ13CV-PDB值,且Mn O的富集程度与δ13CV-PDB值及TOC含量负相关,说明有机质参与锰氧化物的成岩转化是形成碳酸锰矿的重要机制。综合黔中台沟东缘锰矿层中凝灰岩和年代学证据(262.5Ma),以及台沟裂谷系统及频繁的岩浆-热液活动发育的背景分析,认为锰矿成矿物质来源于ELIP早期海底岩浆-热液流体。(3)黔北—滇东二叠纪锰矿差异性的沉积矿化主要受控于地壳差异性的抬升和海退引起黔中台沟东、西缘古海洋性质发生差异性的演变。地壳拉张分异而形成的局限性较强的黔中台沟,构成了形成沉积碳酸锰矿所需的氧化还原分层的水体环境和理想的容矿场所。然而,地壳差异性的抬升和海退作用引起黔中台沟东、西缘古海洋性质发生差异性的演变(如水体局限性、古水深及古氧化还原条件等)则主要控制了台沟东、西缘锰矿的沉淀及矿化。综合黔西-滇东锰矿典型剖面的沉积序列、岩相学及沉积相等演化分析,结合台沟西缘水城及纳雍锰矿中原生锰氧化物的发现及含锰岩系正Ce异常等特征表明,台沟西缘含锰岩系形成于局限性减弱而流通性强的氧化水体中;而此时黔中台沟东缘遵义锰矿区仍处于相对局限的低能-深水还原环境。综合黔北锰矿岩相学、沉积相、沉积序列及氧化还原指标分析(如Fe/Mn比值、Corg/P比率、MoEF、UEF、Th/U比值、Ce异常等)表明,台沟东缘水体大致经历成锰前期硫化-还原→成锰期次氧化-还原循环→成锰后期弱氧化-还原的演变过程。(4)综合锰矿化过程与峨眉地幔柱活动及全球大规模海退作用的协同演化特征来看,黔北—滇东二叠纪锰矿差异性的沉积矿化,是扬子板块西缘古构造-热液事件、古地理及古海洋演化共同耦合的产物。地幔柱隆升引起黔中台沟(局限盆地)的形成,且台沟内裂谷系统(同沉积断层)及岩浆-热液活动的发育,为锰矿形成提供了锰质来源、迁移通道及沉淀场所,构成了锰矿化所必需的“源-移-汇”系统;而地幔柱隆升和大规模海退引起黔中台沟东、西缘古地理及古海洋环境差异性的变化,是造成锰质发生差异性的沉淀矿化的主控因素。(5)黔北滇东二叠纪锰矿化过程可划分为三个阶段:(i)地幔柱的隆升导致了断裂系统及海底岩浆-热液活动发育的黔中裂谷台沟的形成,并且台沟内发育氧化还原分层海水系统;(ii)伴随着地幔柱的隆升引起地壳的差异性抬升及大规模海退作用的叠加,黔中台沟内古地理及古海洋环境发生显著变化。由于更靠近地幔柱隆升区域,且海退自西而东退去,台沟西缘快速过渡为局限性减弱的氧化水体环境,而台沟东缘因远离抬升区域而仍处于局限性较强的深水还原环境。当Mn2+由岩浆-热液系统释放进入台沟后,在台沟西缘局限性减弱的氧化水体中Mn2+直接氧化为锰的(氢)氧化物相对分散的沉淀,但由于沉积物中Mn2+浓度无法达到碳酸锰的饱和度而形成较厚层的含锰灰岩沉积;然而在台沟东缘局限性较强的还原水体中,Mn2+则形成初始富集而不发生沉淀;(iii)伴随着持续的地壳抬升和海退的影响,台沟西缘分别抬升为陆地和浅水台地相,含锰灰岩遭受风化而形成次生氧化锰矿;而台沟东缘开始明显受氧化还原界面持续下降和水体循环增强的影响,致使还原水体中富集的Mn2+发生大规模氧化,从而形成锰的(氢)氧化物与有机质沉淀埋藏,随后在成岩转化过程中与有机质发生反应而形成碳酸锰矿层。
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