刘永乐, 李文, 赵静纯, 李有禄, 夏有河, 张大明, 董志国, 李文君, 张连昌. (2023). 东昆仑三通沟北锰矿床沉积相与沉积环境* [J]. 古地理学报, 25(3): 671-683.
LIU Yongle, LI Wen, ZHAO Jingchun, LI Youlu, XIA Youhe, ZHANG Daming, DONG Zhiguo, LI Wenjun, ZHANG Lianchang. (2023). Sedimentary facies and depositional environment of Santonggoubei manganese deposit in eastern Kunlun of Qinghai Province[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(3): 671-683.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.03.093
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东昆仑三通沟北锰矿床沉积相与沉积环境*
刘永乐1, 李文2,3, 赵静纯1, 李有禄1, 夏有河1, 张大明1, 董志国2, 李文君2, 张连昌2
1 青海省第三地质勘查院,青海西宁 810029
2 中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029
3 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083
通讯作者简介 张连昌,男,1959年生,研究员,主要从事地质教学和科学研究。E-mail: lczhang@mail.iggcas.ac.cn。

第一作者简介 刘永乐,男,1985年生,高级工程师,从事矿床地质研究及矿产勘查工作。E-mail: 281023605@qq.com。

收稿日期:2022-10-21 修回日期:2022-12-11
基金资助:*青地三勘(2022)14号、青自然资源(2021)114号和国家自然科学基金项目(编号: 92062217)等项目共同资助
摘要

青海省三通沟北锰矿床是近年在东昆仑南部构造带上新发现的沉积型锰矿。初步研究表明,该锰矿赋存于奥陶—志留系纳赤台群硅质岩和细碎屑岩地层中,但目前该矿床研究程度较低,有关锰矿沉积相和沉积环境尚缺乏深入研究。在区域和矿床地质考察的基础上,通过典型地质剖面测量、室内镜下薄片鉴定和地球化学分析等研究工作,认为三通沟北锰矿形成于被动大陆边缘环境; 矿区 Ⅰ- Ⅲ主矿带形成于南部的深水盆地相,其岩性主要为硅质岩、硅质泥岩、碳质泥岩,夹泥质粉砂岩,其上与斜坡相砂岩和陆棚相砂岩—粉砂岩接触; 矿区北部的 Ⅳ- Ⅴ矿化带分布于陆棚相带中的局限洼地,岩性主要为泥质粉砂岩、硅质泥岩及硅质岩,含锰岩系顶板为陆棚相粉砂岩、细砂岩及碳酸盐相沉积。总体看,三通沟北锰矿形成于海相陆棚洼地和深水盆地的古地理环境。地球化学分析表明,三通沟北锰矿主矿带的形成与盆地相幕式富氧过程关系密切; 锰矿的沉淀机制与通过斜坡相的密度流将浅部含氧水体幕式灌入到(近边缘)深水盆地的过程有关。

关键词: 沉积相; 沉积环境; 沉积锰矿; 纳赤台群; 三通沟; 东昆仑; 青海省
中图分类号:P588.24+3 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)03-0671-13
Sedimentary facies and depositional environment of Santonggoubei manganese deposit in eastern Kunlun of Qinghai Province
LIU Yongle1, LI Wen2,3, ZHAO Jingchun1, LI Youlu1, XIA Youhe1, ZHANG Daming1, DONG Zhiguo2, LI Wenjun2, ZHANG Lianchang2
1 The Third Institute of Qinghai Geological Prospecting,Xining 810029,China
2 Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China
3 School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China
About the corresponding author ZHANG Lianchang,born in 1959,is a professor. He is mainly engaged in geological teaching and scientific research. E-mail: lczhang@mail.iggcas.ac.cn.

About the first author LIU Yongle,born in 1985,is a senior engineer. He is mainly engaged in ore deposit geology and mineral exploration. E-mail: 281023605@qq.com.

Fund:Co-funded by the Third Institute of Qinghai Geological Prospecting(2022)No.14,Qinghai Natural Resources(2021)No.114 and the National Natural Science Foundation of China(No. 92062217)
Abstract

The Santonggoubei manganese deposit is a recently found marine sedimentary manganese deposit in south tectonic zone of the eastern Kunlun orogen. Preliminary studies indicate that this manganese deposit is hosted in siliceous and fine-grained clastic rocks of the Ordovician-Silurian Nachitai Group. To date,the Santonggoubei deposit is only moderately studied with respect to sedimentary facies and depositional environment. Based on field investigations of regional geology and deposit geology,combined with sedimentological measurement of outcrop sections,petrographic observations and geochemical analysis,the authors suggest that the Santonggoubei manganese deposit formed on a passive continental margin. The main ore belts(from Ⅰ to Ⅲ)formed in the marginal facies of the southern deep-water basin,which was characterized by siliceous rocks,siliceous mudstone,and carbonaceous mudstone,intercalated with argillaceous siltstone;the marginal facies was in contact with slope sandstone and shelf sandstone-siltstone. The Ⅳ-Ⅴ mineralization belt was distributed in the restricted depression of the shelf facies,which was characterized by argillaceous siltstone,siliceous mudstone,and siliceous rocks. The Mn ore-bearing succession was overlain by shelf siltstone-fine sandstone and carbonate rocks. Overall,the palaeogeographic environments of the Santonggoubei manganese deposit were marine shelf depression and the margin of the deep-water basin. Geochemical analysis demonstrates that the formation of the main ore belt was closely related to the oxic-rich conditions of the basin waters. The precipitation mechanism of manganese is related to the episodic intrusions of shallow,oxygen-rich waters into the edge of deep-water basin.

Key words: sedimentary facies; sedimentary environment; sedimentary manganese deposit; Nachitai Group; Santonggou; eastern Kunlun; Qinghai Province

沉积型锰矿床的形成受沉积环境的制约, 因此沉积相的研究十分重要(罗灿辉, 1993; 叶连俊, 1993)。中国锰矿多半分布在靠近古陆边缘的半局限性浅海地区或海湾地区, 在开阔海洋地区没有锰矿生成, 且多半形成于海进期(叶连俊, 1993)。对于扬子东南缘渝湘黔地区大塘坡期含锰岩系的沉积环境, 前人已做过较多研究, 提出过大陆裂谷盆地、局限海盆及雪球地球等多种成因观点(杜远生等, 2015; Yu et al., 2016; 周琦等, 2016; 余文超等, 2020)。国外大型沉积锰矿床主要发育在古老克拉通大陆架盆地、大陆边缘裂谷盆地或陆缘局限海盆等环境; 而现今锰沉积作用主要发生在深海盆地(Roy, 2006; Maynard, 2010)。在成矿条件上, 沉积锰矿床与层化海洋系统、海进过程和气候变化相关(Frakes and Bolton, 1984; Roy, 2006; 付勇等, 2014; Maynard, 2014; 董志国等, 2020)。

早期人们对沉积锰矿形成环境的研究, 主要集中在矿床地质特征、层序地层、矿石矿物组成和结构构造等方面, 以解决锰矿成因及沉积环境等地质问题(夏文杰和雷建喜, 1989; 赵东旭, 1990; 许效松等, 1991; Fan et al., 1999)。随着地球化学在锰矿床研究中的应用逐渐深入, 不少地质学者已将研究视角转入锰矿的地球化学特征, 并取得了一定的研究成果(杨瑞东等, 2010; 张飞飞等, 2013; 张连昌等, 2020; Zhang et al., 2020; Dong et al., 2022)。

青海三通沟北锰矿床是近年在东昆仑南部构造带上新发现的海相沉积型锰矿。该锰矿赋存于奥陶—志留系纳赤台群地层中(刘永乐等, 2022), 但目前该矿床研究程度较低(赵静纯等, 2020), 有关锰矿沉积相和沉积环境尚缺乏深入认识。在区域和矿床地质调查的基础上, 通过矿区地质剖面测量、室内镜下薄片鉴定和地球化学分析研究, 分析了三通沟北锰矿床的沉积相与沉积环境, 拟为该地区沉积锰矿的成矿理论和找矿勘查提供支持。

1 区域与矿区地质

青海省都兰县三通沟北锰矿床所处大地构造位置为柴达木盆地南缘、东昆南构造带中段(图1)。区域地层主要包括下元古界金水口岩群、中—上元古界万宝沟群、奥陶—志留系纳赤台群、下石炭统哈拉郭勒组、下—中三叠统洪水川组和上三叠统八宝山组等(图1)。

图1 三通沟北锰矿构造位置及区域地质简图
1—第四系; 2—中侏罗统羊曲组; 3—上三叠统八宝山组; 4—下—中三叠统洪水川组; 5—下石炭统哈拉郭勒组; 6—奥陶—志留系纳赤台群; 7—上—中元古界万宝沟群碳酸岩组; 8—上—中元古界万宝沟群火山岩组; 9—下元古界金水口岩群; 10—中三叠世二长花岗岩; 11—中三叠世花岗闪长岩; 12—中三叠世正长花岗岩; 13—早三叠世正长花岗岩; 14—早三叠世二长花岗岩; 15—震旦纪超镁铁质岩; 16—地质界线; 17—不整合界线; 18—逆断层位置及编号; 19—性质不明断层位置及编号; 20—三通沟北锰矿床位置Fig.1 Tectonic location and regional geological map of the Santonggoubei manganese deposit

区域岩浆岩发育, 可见三叠纪花岗岩类大面积出露于区域南部和中部, 而震旦纪超镁铁质岩有小范围出露。下元古界金水口岩群主要分布于区域东北部, 主要岩性为黑云斜长角闪岩、矽线黑云斜长片麻岩及少量大理岩。中—上元古界万宝沟群大面积出露于区域中部及北部, 主要由火山-沉积岩和碳酸盐岩组成。奥陶—志留系纳赤台群, 集中分布于区域中部及东南部, 总体呈北西—南东向不规则带状分布(图1), 主要由沉积碎屑岩、硅质岩和碳酸盐岩组成, 是区内主要含锰岩系。纳赤台群常被上三叠统八宝山组火山岩覆盖, 二者呈角度不整合接触或断层接触关系。

三通沟北锰矿赋矿岩系主要由纳赤台群硅质岩和细碎屑岩组成, 矿区由3条锰矿带及2条锰矿化带组成(图2), Ⅰ 和Ⅲ 为矿区主矿带。单个矿体最长达1000 m, 矿体厚0.8~12 m, 锰矿石品位为10.9%~23.5%。矿石矿物以菱锰矿为主, 含少量的锰方解石、铁菱锰矿、菱铁矿和草莓状黄铁矿等, 脉石矿物主要有石英、黏土矿物、少量方解石和有机碳等(刘永乐等, 2022)。原生锰矿石主要呈泥晶—微晶、细晶—粉晶和砂屑泥晶结构、块状和条带状—纹层状构造。地表常见氧化矿石, 主要有褐锰矿、水锰矿和褐铁矿等。总体看, 成矿过程有原始沉积成矿与表生氧化叠加成矿2期, 但以原始沉积成矿为主。

图2 三通沟北地区锰矿床地质简图
1—第四系; 2—上三叠统八宝山组火山岩段; 3—上三叠统八宝山组砂砾岩段; 4—灰岩; 5—砂岩; 6—粉砂岩; 7—含砾岩屑砂岩; 8—碳质粉砂岩; 9—硅质岩; 10—凝灰岩; 11—英安岩; 12—辉长岩; 13—蛇纹岩; 14—地质界线; 15—不整合界线; 16—断层; 17—锰矿带位置及编号; 18—锰矿化带位置及编号; 19—地质剖面位置Fig.2 Geological map of the Santonggoubei manganese deposit

2 赋矿岩系层序与岩性特征
2.1 地层序列

郭崑明等(2018)、赵静纯等(2020)和李佐强(2021)认为三通沟北锰矿的赋矿岩系为中—新元古界万宝沟群, 但近期碎屑锆石及古生物化石鉴定结果表明, 其属于奥陶—志留系纳赤台群(刘永乐等, 2022)。该套地层主要分布于矿区中部, 南北两侧均被三叠系八宝山组火山岩所覆盖(图2)。对通过切穿矿区地质剖面(图3)的观察和研究表明, 矿区地层主要由奥陶—志留系纳赤台群粉砂岩、硅质岩、硅质泥岩、白云岩、长石砂岩、岩屑长石石英砂岩等组成, 局部含有黑色有机质、黄铁矿等, 部分地层被晚期辉长岩体侵入破坏。结合岩性组合分析, 将区内纳赤台群大致分为4段, 各段岩性特征由上至下具体叙述如下:

图3 三通沟北锰矿区实测地质剖面
1—第四系; 2—流纹质晶屑凝灰岩; 3—硅质岩; 4—含碳粉砂岩; 5—含锰矿化粉砂岩; 6—粉砂岩; 7—细砂岩; 8—细砂岩—粉砂岩; 9—长石岩屑砂岩; 10—长石砂岩; 11—硅质泥岩; 12—白云岩; 13—辉长岩; 14—产状; 15—矿带编号/矿化带编号Fig.3 Measured geological sections of the Santonggoubei manganese ore district

第四段岩性以1套灰色块状白云岩、中细粒长石砂岩和含砾岩屑长石砂岩组合为主, 中部夹凝灰质粉砂岩, 厚度大约250 m。

第三段岩性由灰黑色粉砂岩、中细粒长石砂岩夹锰矿化粉砂岩组成, 厚280 m。其中上部岩性呈深灰—灰黑色薄层状含锰粉砂岩夹少量薄层状细砂岩, 灰黑色锰矿物呈薄层状、透镜状不均匀分布于岩石内, 可见细粒黄铁矿零星分布。下部深灰—灰黑色薄层状含锰粉砂岩, 见少量灰黑色锰矿物呈薄膜状不均匀分布于岩石内。

第二段岩性以1套灰色中细粒长石砂岩夹透镜状角砾白云岩组合为主, 厚度约700 m。其中上部以长石石英砂岩为主夹角砾状白云岩; 中下部为灰—深灰色薄层粉砂岩夹薄层细砂岩, 层理明显, 局部含少量锰质, 含星点状黄铁矿。

第一段岩性主要由灰黑色粉砂岩、硅质岩、碳质粉砂岩夹薄层细砂岩组成, 厚度约300 m。其中上部灰—深灰色薄层粉砂岩, 局部含少量碳质, 黄铁矿零星分布; 中部深灰—灰黑色薄层状含锰粉砂岩夹少量薄层状细砂岩, 见钢灰色菱锰矿呈条带状、块状不均匀分布。下部为深灰—灰黑色薄—中厚层硅质岩夹薄层含碳粉砂岩和碳质泥岩, 局部含少量锰质, 细粒黄铁矿星散分布, 硅质岩内局部见放射虫化石。

2.2 典型赋矿围岩的岩性特征

三通沟北锰矿赋矿围岩主要由纳赤台群硅质岩、粉砂岩、含碳质硅质泥岩和白云岩等组成。硅质岩(图4-a), 呈灰色—深灰色, 显微粒状结构, 基本由微晶石英和隐晶硅质组成, 含少量黏土矿物。其中隐晶硅质呈基质, 微晶状, 结晶粒度小于0.03 mm, 微晶石英呈半自形-他形粒状均匀分布于基质中。含菱锰矿硅质岩(图4-b), 岩石呈灰黑色, 微晶粒状结构, 条带状—纹层状构造, 基本由菱锰矿(±30%)、石英(±60%)、黏土矿物(±5%)和少量生物屑等构成。菱锰矿分布较为均匀, 结晶粒度小于0.03~0.004 mm, 微晶级, 半自形—他形粒状, 集合体呈团块状, 有的具软锰矿化现象。石英呈半自形—他形粒状, 结晶粒度小于0.03 mm, 属微—隐晶级, 分布较为均匀。绢云母粉砂岩(图4-c), 该岩性分布较广, 岩石呈灰色, 变余粉砂状结构, 条纹—条带状构造。基本由陆源碎屑(长石和石英)和填隙物(黏土矿物)构成。发育不规则纵横交错的裂隙, 被石英、方解石和绿泥石完全充填呈细脉状。硅质泥岩(图4-d), 呈灰色—深灰色, 页片状构造, 基本上由隐晶硅质、碳质和黏土矿物组成。见少量黄铁矿(含量约 1%)及微量铁质等(含量小于1%)。含菱锰矿硅质泥岩(图4-e), 呈灰色—深灰色, 页片状构造, 基本上由细晶—隐晶的碳质、黏土矿物和硅质组成, 局部见菱锰矿。块状白云岩(图4-f), 岩石呈浅灰—灰色, 中细粒结构, 块状构造, 矿物成分主要为白云石(±95%), 含少量石英(±3%)和黏土矿物。

图4 三通沟北锰矿主要赋矿围岩显微特征
a—呈隐晶—细晶结构的硅质岩; b—细粒菱锰矿分散状分布于隐晶—细晶硅质岩中; c—长石石英粉砂岩主要由绢云母、长石和石英组成; d—硅质泥岩由隐晶泥质和少量细晶硅质组成; e—锰矿化泥岩隐晶泥岩中发育菱锰矿集合体; f—细粒白云岩中可见方解石细脉Fig.4 Microscopic feature of main ore-hosted rocks in the Santonggoubei manganese deposit

3 沉积相分析

基于三通沟北锰矿区主干实测地质剖面(图3)岩性分析, 结合矿区地表露头和钻孔岩心的观察, 按照岩石组合和沉积特征, 将三通沟北锰矿赋矿岩系的沉积相划分为4种类型: 盆地相、斜坡相、陆棚及局限洼地相和碳酸盐岩台地相(图5)。

图5 三通沟北锰矿综合柱状图及沉积相划分Fig.5 Comprehensive histogram and sedimentary facies division of the Santonggoubei manganese deposit

3.1 盆地相

盆地相岩性段主要由灰黑色薄层状硅质岩与硅质泥岩、含碳泥质粉砂岩互层组成(图6-a)。含碳泥质粉砂岩, 镜下可见碳质纹层和石英细脉(6-b), 薄层硅质泥岩可见水平层理(图6-c), 镜下常见细晶石英和生物碎屑散状分布于泥质和硅质组成的基质中(图6-d)。局部硅质岩内发现大量放射虫(图6-e), 含量可达70%, 呈球状分布, 大多被隐晶质石英交代, 但清晰可见生物结构特征, 该放射虫硅质岩形成于静水环境, 同沉积的碳质泥岩具深水沉积特征。该岩性段中的锰矿层主要由纹层状菱锰矿和泥质层组成(图6-f)。

图6 三通沟北锰矿盆地相野外及显微地质特征
a—薄层状硅质岩(灰色)与硅质泥岩(黄色)、含碳泥质粉砂岩(黑色)互层; b—薄层粉砂岩镜下特征, 见碳质纹层和石英细脉; c—薄层硅质泥岩(岩心)可见水平层理; d—硅质泥岩镜下特征, 硅泥质多呈隐晶状; e—放射虫硅质岩镜下特征; f—纹层状锰矿石镜下特征Fig.6 Field and micro geological characteristics of basin facies in the Santonggoubei manganese deposit

3.2 斜坡相

斜坡相常发育不完整的鲍马序列(图7-a), 可见粒序层理A段(图7-b), 底部有冲刷构造; 砂岩组成的粒序层理B段(图7-c), 发育平行层理; 泥质粉砂岩组成的粒序层理D段, 发育水平层理(图7-d); 同时细砂岩最为发育, 常见平行层理(图7-e); 厚层含砾岩屑砂岩直接沉积于含锰硅质岩和粉砂质泥岩之上, 该砂岩岩屑含量占10%左右, 成分复杂, 直径1~30 mm, 分选磨圆较差(图7-f, 7-g), 表现为快速沉积的特点, 显示有浊流砂体带入的斜坡环境。

图7 三通沟北锰矿区斜坡相野外及显微地质特征
a—鲍马序列由A、B和D层组成; b—粒序层理A段, 底部发育冲刷构造; c—粒序层理B段, 砂岩中发育平行层理; d—粒序层理D段, 泥质粉砂岩中发育水平层理; e—细砂岩中发育平行层理; f—含砾砂岩; g—含硅质岩和砂岩的碎屑砂岩Fig.7 Field and micro geological characteristics of slope facies in the Santonggoubei manganese deposit

3.3 陆棚及其局限洼地相

该陆棚相以中厚层细砂岩(图8-a)、薄层粉砂岩与泥岩互层为特征。细砂岩中可见水平层理(图8-b), 其岩性特征为长石石英砂岩, 分选和磨圆均较差, 有的砂岩中见含千枚岩屑(图8-c)。局限陆棚洼地相主要由灰黑色薄层硅质岩和粉砂岩组成(图8-d), 夹碳质硅质泥岩和锰矿化层(图8-e)。相较于深水陆棚相而言, 该局限洼地相受到古地貌影响形成次级的洼陷区, 环境较为局限, 陆源碎屑相对较少, 岩石颜色以灰黑色为主, 可形成锰矿化硅质泥岩。

图8 三通沟北锰矿陆棚、洼地及碳酸盐岩台地相野外及显微地质特征
陆棚相: a—中细粒砂岩野外露头; b—具水平层理的细砂岩; c—含千枚岩屑长石石英砂岩; 陆棚中的洼地相: d—薄层硅质岩与粉砂岩互层的野外露头; e—锰矿化粉砂岩镜下特征; 碳酸盐岩台地相: f—中细粒白云岩野外露头Fig.8 Field and micro geological characteristics of carbonate platform facies in the Santonggoubei manganese deposit

3.4 碳酸盐岩台地相

该相带位于剖面最顶部, 发育中厚层白云岩(图8-f)。该白云岩呈中细粒块状构造, 大部分颗粒自形程度低, 岩石较为致密, 颗粒之间为镶嵌接触, 但岩石裂隙发育, 常有后期方解石(石英)脉充填(图4-f)。

4 沉积环境
4.1 沉积构造环境

Murray(1994)指出利用代表陆源物质的Al2O3以及代表金属物质输入的Fe2O3, 即Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)的比值可以判断沉积物的构造背景, 并总结出其值范围为0.5~0.9之间时, 属大陆边缘沉积区。三通沟北锰矿石Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值为0.23~0.69, 均值为0.51; 围岩样品Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值为0.55~0.82, 均值为0.66, 基本都属于大陆边缘沉积区。本矿区硅质岩样品在SiO2—Al2O3图解上(图9-A)位于热水区, 表明硅质岩属于海底热液沉积成因, 而锰矿石和泥质岩样品在该图解上的热水区和水成区均有分布; 在SiO2—(K2O+Na2O)图解上(图9-B), 矿区锰矿石及围岩样品投影点全部位于被动大陆边缘背景区。另外利用La/Ce—Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)图解也可用于判别沉积岩的构造背景(Murray, 1994)(图9-C), 本矿区含锰岩系表现出相似的投影特征, 均为大陆边缘构造背景。总体看, 矿区硅质岩和含锰硅质岩为被动大陆边缘环境的海底热液沉积成因, 沉积锰矿石为热水区和水成区的混合类型, 而硅质泥岩为水成区沉积成因。

图9 三通沟北锰矿形成环境判别图(底图据Murry, 1994; 数据来源据青海省第三地质勘查院, 2022①)
①青海省第三地质勘查院.青海省都兰县三通沟北地区锰多金属矿普查报告.2022.4Fig.9 Depositional environment discrimination diagram for Santonggou deposit based on major element contents(basic map after Murry, 1994; the data from The Third Institute of Qinghai Geological Prospecting, 2022)

4.2 氧化—还原条件

一些环境敏感元素Fe、Mn、Th、U、V、Cr、Ni、Co、Ce等的含量及其比值是反映沉积环境氧化—还原条件的重要参数(Jones and Manning, 1994; Tribovillard et al., 2006)。表1列举了三通沟北锰矿石及围岩有关环境敏感元素的比值及有关参数, 可大致反映三通沟北锰矿形成时的水体为富氧条件, 而下盘硅质岩和泥岩具次氧—缺氧的环境特征。

表1 沉积古环境氧化还原条件指标及应用 Table 1 Parameters and applications of sedimentary palaeoenvironment analyses

元素Fe相对Mn对氧化还原条件变化更为敏感, 随着水体中氧化程度的增加, Fe会先从水体中沉淀, 因此其比值可以间接反映出水体氧化还原状态, 较低的Fe/Mn值表示较高的O2含量。本研究中锰矿石的Fe/Mn值介于0.15~0.61之间、泥岩Fe/Mn值介于0.54~6.81之间, 而硅质岩比值更高, 可见从锰矿层到围岩Fe/Mn值明显变大, 反映出Mn和 Fe的分异性十分明显, Fe在Mn沉积之前就已经沉淀完全, 指示锰矿沉积时水体已经处于适度氧化的状态。

U在氧化水体中多以U6+离子的形式存在于水体中, 而在还原水体中会被还原成U4+离子; Th主要以陆源黏土碎屑的形式进入沉积环境中, 且不溶于水体, 其富集状况不受水体的氧化还原条件的影响。因此Th/U值可用来区分沉积水体的氧化还原状态, 一般Th/U值介于0~2之间指示水体缺氧, Th/U值大于3.8(大陆地壳均值)指示水体氧化(Wignall and Twitchett, 1996)。研究区锰矿石Th/U值在3.8~4.0之间, 表明锰矿沉积于氧化环境, 而围岩该值介于2.0~6.14之间, 反映为贫氧—富氧的多变环境。

V和Cr在氧化水体中多以可溶的离子形式稳定存在于水体中, 在还原水体中以不溶物形式发生沉淀, 尽管两者性质相似, 但V和Cr的还原状态存在差异, V被还原发生在反硝化作用界面之下, 而Cr被还原发生在反硝化作用界面之上, 因此V/Cr值是区分水体的氧化还原状态的有效参数。通常V/Cr<2时, 表示富氧环境; V/Cr值介于2~4.25之间时, 表示次富氧环境; V/Cr>4.25时, 表示厌氧或缺氧环境(Jones and Manning, 1994)。研究区锰矿石V/Cr值在1.42~1.88之间, 位于富氧环境, 而围岩该值在0.94~3.86之间, 反映氧化—次氧化的多变环境。

Ni在氧化水体中多以溶解态的Ni2+、NiCl+和NiCO3存在, 在富含H2S的强还原水体中会形成固体不溶物沉淀, 在缺乏H2S的中等还原水体中Ni会溶解在水体中, 而V则是在水体中有高H2S浓度时表现为强烈富集, 因此V/(V+Ni)值可用来判别古海洋的氧化还原状态(Tribovillard et al., 2006)。通常V/(V+Ni)值介于0.84~0.89之间时, 表示溶解H2S的强还原环境; V/(V+Ni)值介于0.54~0.82之间时, 表示分层差的缺氧环境; V/(V+Ni)值小于0.54时, 指示常氧和贫氧环境。三通沟北锰矿石V/(V+Ni)值在0.46~0.56之间, 反映次氧环境, 而围岩该值在0.45~0.82之间, 反映次氧—缺氧环境。

Ni/Co<5.00指示富氧环境, Ni/Co值为5.00~7.00指示次氧环境, Ni/Co>7.00代表厌氧或缺氧环境。三通沟北锰矿矿石Ni/Co 值介于 0.16~0.83之间, 指示为富氧的沉积环境。而围岩该值在0.54~13.85之间, 反映氧化—缺氧化的多变环境。

Ce是一个能反映水体氧化还原条件的敏感元素(Tostevin et al., 2016; Wallace et al., 2017)。Ce元素以+3或+4价的形式存在, 并且在氧化水体中, 可溶Ce3+倾向于吸附在铁锰氧化物表面, 并被氧化为高度不溶Ce4+。这导致Ce3+会优先从水体中被移除, 并造成水体产生负Ce异常(Bau and Koschinsky, 2009)。三通沟北碳酸盐矿石发育的正Ce异常(1.22~1.76)具备现代海底水成锰氧化物的典型特征(Bau et al., 2014), 推测该锰矿是从氧化海水中沉淀而来。

综合以上微量元素指标, 可见三通沟北锰矿的形成可能经历了常氧—次氧环境的变化, 其中以氧化态占主导, 很可能反映出锰矿的形成是受控于氧化还原界面的变化, 且是在一种氧化—次氧化为主的环境下发生沉淀。

5 沉积相、沉积环境与锰矿关系

沉积型锰的形成受构造背景、古气候古地理、古海洋氧化还原条件、海进海退、成矿物质来源等多种因素的控制, 是多种因素协同作用的结果(Maynard, 2010; 徐林刚, 2020; 张连昌等, 2020, 2022)。

超大陆裂解形成的断陷盆地, 易形成具有氧化还原分层的局限环境, 有利于Mn2+的富集与氧化转换; 多种地球化学指标判别图(图9), 反映三通沟北地区赋矿岩系的构造环境属被动大陆边缘环境, 这为锰质的前期预富集提供了较好的大地构造背景条件。

海进海退对锰矿也有明显的影响(Force and Cannon, 1988; Frakes and Bolton, 1992; Roy, 2006), 因海平面上升, 海水中溶解的 Mn2+伴随着海水一起向浅水地区迁移, 在氧化还原界面之上的氧化环境中形成锰的氧化物, 在持续海侵过程中可以使早期形成的锰氧化物在成岩和有机质作用下转变成锰的碳酸盐, 并在地层中保存下来。

而低海平面也可以加快锰矿在盆地中的沉积(Frakes and Bolton, 1992; Roy, 2006)。如侏罗纪墨西哥 Monlago 锰矿床与海侵—海退循环有关, 锰矿形成于海进早期或者海退鼎盛期(Okita, 1992)。三通沟北锰矿地层柱状图(图5)综合分析表明, 该锰矿赋矿岩系为一套深水盆地相向浅海陆棚相过渡的海退型沉积演化序列, 可以看出本区的I-Ⅲ 号带锰矿带均位于南部深水盆地相带, 相对海平面较高, 形成于海退系列的高水位期; 随后水体逐渐降低, 沉积陆棚相, 其沉积厚度较大, 受古地貌影响局部地段出现次级洼陷区, 形成Ⅳ 和Ⅴ 号锰矿化带; 最后碎屑陆棚沉积结束, 地层最顶部形成碳酸盐岩陆棚相。

三通沟北锰矿主矿带赋矿地层岩性均以硅质岩、碳质泥岩、硅质泥岩为主, 局部发育重力流沉积, 反映锰矿围岩形成于(靠近盆地边缘)深水盆地相(图10), 其锰矿的形成模式可能符合前人提出的波罗的海锰矿成矿模式(Huckriede and Meischner, 1996)。据前人研究早古生代古海洋深部尚未完全被氧化(Dahl et al., 2010), 且锰矿沉积处距离深海热液喷口相对较近, 海水处于还原环境下, 有利于Mn2+赋存和积累。而此时若出现多发性密度流将浅部含氧水体幕式灌入深水盆地中, 则会造成海水底部形成短暂的氧化环境, 会迅速沉淀出锰氧化物颗粒, 而后埋藏进入底部沉积物中, 在成岩阶段氧化锰与有机质发生化学反应导致大规模碳酸锰的沉淀。

图10 三通沟北锰矿床的沉积相与沉积锰矿关系图Fig.10 Relationship between sedimentary facies and manganese ore in the Santonggoubei ore district

6 结论

1)青海三通沟北锰矿位于东昆南部构造带, 赋矿岩系由奥陶—志留系纳赤台群细碎屑岩、硅质岩和碳酸盐岩组成, 其成矿动力学构造背景为被动大陆边缘环境。

2)赋矿岩系的沉积相包括碳酸盐岩台地、陆棚及其洼地、斜坡和深水盆地相。盆地相含碳硅质泥岩、热水成因硅质岩和锰矿层发育, 反映锰矿沉积成矿条件好, 陆棚中的洼地成矿条件相对较差。

3)锰矿石具有较高的Th/U值、较低的Fe/Mn、V/Cr、V/(V+Ni)等值、Ce正异常以及菱锰矿层伴生的草莓状黄铁矿等特征, 指示锰矿石沉淀时水体处于氧化—次氧化环境, 以氧化物或氢氧化物形式沉积富集, 之后在成岩阶段与有机质发生化学作用导致大量碳酸锰沉淀成矿。

致谢 文中有关岩相古地理研究工作得到合作单位成都理工大学李智武、李凤杰等老师的指导, 硕士研究生李佐强参与了合作研究工作。几位审稿专家对论文提出了宝贵的修改意见和建议, 在此一并致以衷心感谢!

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 陈吉涛)

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