新太古界Campbellr...masburg锰矿田的影响_常洪伦.pdf
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1、第 6 9 卷第 2 期2 0 2 3 年 3 月地质论评GEOLOGICAL EVIEWVol 69No 2March,2 0 2 3注:本文为河北地质大学青年科技基金资助项目(编号:QN202130)、国家自然科学基金资助项目(编号:41862003)、广西自然科学基金杰出青年基金资助项目(编号:2019GXNSFFA245005)的成果。收稿日期:2022-04-08;改回日期:2022-09-13;网络首发:2022-09-20;责任编辑:章雨旭。Doi:1016509/jgeoreview202209175作者简介:常洪伦,男,1984 年生,高级工程师,主要从事教学和矿产普查与勘探
2、的研究工作;Email:changhonglun 126com。通讯作者:杜俊,男,1983 年生,工程师,主要从事教学和地球化学研究工作;Email:250704106 qqcom。新太古界 Campbellrand 亚群白云岩岩溶系统对南非 Postmasburg 锰矿田的影响常洪伦1),杜俊1),杨大勇2),时毓3),王青春4),张聚全4),李甘雨5)1)河北地质大学河北省战略性关键矿产资源重点实验室,石家庄,050031;2)沈阳建筑大学交通与测绘工程学院,沈阳,110168;3)桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西桂林,541004;4)河北地质大学地球科学学院,石家庄,
3、050031;5)河北地质大学中心发展规划处,石家庄,050031内容提要:为分析新太古界 Campbellrand 亚群白云岩基底形成的岩溶系统对南非 Postmasburg 锰矿田发育和分布的影响,笔者等利用 XF 和偏光显微镜鉴定技术,结合野外地质调查和岩芯钻探,对矿石的矿物成分、矿体中的Mn、Fe 空间分布、Doornfontein 砾岩的结构特征、白云岩容矿构造的形态进行了研究。结果表明:Maremane 穹隆上的Campbellrand 亚群白云岩遭受了两次大规模的溶蚀。溶蚀构造引起沉积物分异,沉积建造底部 Mn 质最为富集,向外、向上逐渐由 Fe 质主导,形成褐锰矿方铁锰矿赤铁矿
4、的序列,顶部则演变为铝土质岩。沉积序列中 Mn+Fe 质和 Al 质含量呈现出较强的负相关性。溶坑的特殊形态导致矿体受层控,但并不呈现规则的层状形态。东矿带的Wolhaarkop 硅质角砾岩与白云岩中的燧石和硅质白云岩密切相关,而混合带和西矿带普遍发育的 Doornfontein 砾岩则是岩溶作用影响下锰质的成岩作用被推迟所形成,它们都是成矿期岩溶系统发育的间接产物。溶坑底部的锰土混合物揭示了成矿后期溶蚀作用的发生和沉积序列的坍塌破碎,小型的断层也造成了矿体的严重破碎和顶板地层的褶曲。Gamagara 低山脊两侧分布的小型堆积型矿体也与后期地表岩溶系统长期的发育有关。关键词:南非;锰矿;白云岩
5、;岩溶系统;地质成因南非 Postmasburg 锰 矿 田 发 育 于 新 太 古 界Campbellrand 亚群白云岩基底上,与其形成的岩溶系统 密 切 相 关(Beukes,1987;Burchette et al,1992;Sumner et al,2006;Schrder et al,2006)。Campbellrand 亚群白云岩发育厚度巨大,在地质历史时期的演变中,经历了多次暴露侵蚀和沉积覆盖,出现了影响较大的两次溶蚀,改变了原有的地貌。第一次溶蚀发生于成矿前期,白云岩岩溶系统的发育形成了溶蚀地貌,成为矿质富集的主要场所。这些溶蚀构造不仅决定了矿带的空间分布,而且塑造了矿体的初
6、始形态;第二次大规模的溶蚀发生在成矿后期,致使含矿沉积序列坍塌,不仅破坏了矿体的连续性(Klemm,2000;Moore et al,2011),而且对矿体的埋藏以及堆积型矿体的分布起到了控制作用(常洪伦等,2014a;常洪伦等,2014b;常洪伦等,2017)。笔者等基于在 Postmasburg 锰矿田开展的地质勘查工作,通过分析矿体形态特征、矿石品位空间分布规律、矿物成分变化和矿体形变,分别从宏观的调查和微观的分析角度,讨论了白云岩的性质、白云岩岩溶系统及其对矿体形成、发育和后期形态的影响,为研究南非西北部古元古代铁锰矿成矿条件提供理论依据。1区域地质背景Postmasburg 锰矿田位
7、于南非北开普省西北部。北起 Sishen,南至 Postmasburg,长度达到了 60 km(Gutzmer et al,1996),成为一个巨大的“ore zone”(Nel,1929)。它由东矿带、西矿带和二者交汇部位图 1 南非 Postmasburg 锰矿田区域地质图(据 Moore et al,2011 修改)Fig1 egional geological map of Postmasburg manganesefield,South Africa(modified after Moore et al,2011)的西矿带组成(Plehwe-Leisen,1995),蕴含资源量巨大(
8、Du Toit 1933;Truter et al,1938;Boardman,1940)。Postmasburg 锰矿田发育于 Kaapvaal 克拉通西缘的 Maremane 穹隆之上,其围岩是元古宙前沉积的Transvaal 超群。这一穹隆由 Campbellrand 亚群的白云岩建造和 Transvaal 超群 Ghaap 群 Asbesheuwels亚群的铁质建造(243232 Ma)组成(Trendall et al,1990)。上部的地层以低缓的角度向穹隆外部倾斜(Beukes,1986),平面上形成弧状的形态。此后又被新元古界 Olifantshoek 群 Gamagara 组
9、的平缓红层不整合覆盖。因此,该隆起仅有东半部分暴露出来。随着后期推覆作用的发生,以 Koegas 铁质建造、Makganyene 混积岩(Polteau et al,2006)和 Ongeluk安山质熔岩等为主的 Transvaal 超群的更老岩层被南北 向 延 伸 的 Black idge 逆 冲 断 层 推 覆 到Gamagara 组之上,推覆距离达到了 35 km(Cornell etal,1996;Gutzmer et al,1996),形成了现今的格局(图 1、图 2)。Postmasburg 锰矿田的地层为南非北开普省Griqualand West 地层序列的一部分,对该地层序列长
10、期未能达成一致认识(Nel,1929;Visser,1944;Button,1976;Beukes,1986;Van Schalkwyk et al,1986;Leisen,1987;Eriksson et al,1989;Eriksson,1990;Altermann et al,1991a)。南非地层委员会(SACS,1980)建立了 Griqualand West 的官方地层序列,将 Campbellrand 亚群划分为 1 个组和 3 个段。Beukes(1986)又对 Transvaal 超群的地层划分进行了调整,将 Campbellrand 亚群划分为 8 个组。笔者等结合 Beu
11、kes(1986)和 Tsikos 等(1997)的划分,形成的地层序列如表 1 所示。Gampbellrand 亚群位于 Transvaal 序列的底部,上覆于新太古界 Schmidtsdrif 亚群之上(Walraven etal,1995;Armstrong et al,1991;Dorland,2004;Satkoski et al,2017;Gumsley et al,2017),它构成了 Postmasburg 锰矿田的古老基底(Sumner et al,1996)。Monteville 组位于 Campbellrand 亚群的底部,以含叠层石的白云岩为主(Beukes,1980,
12、1987)。它仅见 于 西 矿 带 中 部 的 Lohatlha 附 近,代 表 了Maremane 穹隆的构造中央部位。eivilo 组整合覆盖于 Monteville 组上,主要岩性为浅灰色砂屑白云岩和白云泥晶灰岩,该组叠层石较为发育(Beukes et al,1990)。含有一定量锰质的 Ulco 段代表了该组的底部,夹有富铁燧石层的Kamden 段则标志着其顶部,指示了 Ghaap 台地的海侵期。该组在矿田内出露广泛,主要分布于西矿带及其东侧,南北向长度达到了 30 km。Fairfield 组的露头由碎屑纹层状的碳酸盐岩层组成,向上演变为柱状叠层石和水平窗格状叠层石,并出现多个旋回(
13、Beukes,1980)。Fairfield 组在矿635地质论评2023 年图 2 南非 Postmasburg 锰矿田 Maremane 穹隆南北向剖面图Fig2 Northsouth cross-section through Maremane Dome in Postmasburg manganese field,South Africa田内分布广泛,出露完整,具有明显的顶、底界。它以弧形凸向东侧,北至 Sishen,南至 Postmasburg北部。Klipfonteinheuwel 组、Papkuil 组和 Klippan 组出露厚度均较小,在区域上呈弧形展布。Kogelbeen
14、组主要岩性为白云岩、灰岩和燧石,局部发育有柱状叠层石,含鲕粒层,其硅化的柱状、穹隆状叠层白云岩纹层发育,构成了厚大的、具 有 经 济 意 义 的“LimeAcres段”(Altermann et al,1995)。Gamohaan 组位于 Campbellrand 亚群的顶部,其上即为 Asbesheuwels 亚群的铁质建造,二者为整合覆盖关系(Beukes,1984,1987)。钻孔揭露的 Campbellrand 亚群厚度达到了3346.65 m(Altermann et al,1997),在长期的地质演化中不断发生溶蚀。前人研究认为,区域上发生了两次大规模的白云岩岩溶 作 用(Beuk
15、es,1986;Leisen,1987;Simonson et al,1996;Gutzmer etal,1996)。一次是在 Asbesheuwels 条带状铁质建 造 形 成 之 前,非 洲 古 陆 地 块 抬 升,Maremane地 区 暴 露 后 被 侵 蚀。Gampbellrand 亚群的 Ghaap 台地白云岩遭受强烈溶蚀,形成溶洞构造。Maremane 穹隆之上的岩溶作用持续时间较长,直到Asbesheuwels 时期地块抬升才停止(PlehweLeisen et al,1995)。第二次则发生在成矿之后,现代陆地抬升暴露,侵蚀导致重新发生岩溶作用。白云岩埋深浅、上部地层覆盖薄的
16、区域被溶蚀成山前平地,而原有溶蚀构造中被锰质及厚层沉积序列充填的溶坑、溶洞、溶沟则成为残余山体保留下来,形735第 2 期常洪伦等:新太古界 Campbellrand 亚群白云岩岩溶系统对南非 Postmasburg 锰矿田的影响成了现在的 Klipfontein 山(Beukes et al,1996)。2采样和方法对 Postmasburg 地区的 3 条矿带进行了大范围的野外调查,并通过相关的锰矿勘查项目完成了地表以及钻探、槽探和浅井等工程的采样工作,制备了100 多个代表性的光、薄片。从钻孔岩芯中采取了位于不同深度或层位的矿石样品,用以分析矿物成分的变化。地表及岩心中的 Doornfo
17、ntein 砾岩均选取了具有明显特征的砾石和基质部位,用以分析其成因。光、薄片均委托河北省地质实验测试中心实验室进行了岩矿鉴定,并拍摄了 200 多幅偏光显微照片。所有钻探、槽探等样品由南非 Intertek 实验室和 SGS 实验室使用 XF 方法完成了基本分析测试,测试仪器为布鲁克 S2PUMA Series,获取了矿石的品位数据。3岩溶系统的发育及地质意义Campbellrand 亚群形成后,Ghaap 台地抬升,中部隆起,形成巨大的 Maremane 穹隆。此后,白云岩长期暴露后遭受侵蚀,强烈的岩溶作用发生。沿着构造薄弱带,出现一系列溶蚀构造,在东侧主要沿10、50和150方向发育(L
18、eisen,1987),在 Fairfield组、Klipfonteinheuwel 组和 Papkuil 组的出露带上形成一系列弧形分布的大型溶坑,区域上连续性较差。而西侧暴露的时间更长,在中间部位甚至下切到了Monteville 组。溶蚀构造多为连续的溶沟或溶坑,主要沿南北方向发育。这些溶蚀构造深陷,构成了环绕 Maremane 穹隆分布的“镶边”。Asbesheuwels 亚群沉积之后,Wolhaarkop 组和Manganore 组的铁、锰质充填了原有溶蚀构造,在Maremane 穹隆上形成了广阔的铁质建造。成矿后,Ghaap 台地第二次抬升,岩溶系统再次发育,周围的白云岩遭受溶蚀。溶
19、坑外部与 Wolhaarkop 组和Manganore 组同期形成的沉积层因底板坍塌而破碎解体(Beukes et al,2008;Moore et al,2011),而充填于溶蚀构造中的锰、铁质则保留下来。岩溶系统的发育与环境密切相关(Drever,1974;Fischer et al,2009;Busigny et al,2014)。由于大气水活动的影响,在岩溶形成的开始期,碳酸盐、锰质以及部分的硅质溶解进入更高的白云岩级别中(Holland,2006;Johnson et al,2008a,b)。在中等的喀斯特级别上,化学溶解更加强烈。水体的pH 值增加,因为碳酸盐和金属物质溶解,而 E
20、h 值则降低了。在最底部的级别上,形成了碱性的环境,原因是溶解钙的百分比很高(Leisen,1987)。Leleu(1966)报道,现在的岩溶系统中 pH 值高达8.5。氧化电位为负性,化学沉积占优势。两期的溶蚀对矿田的格局造成了巨大的影响,形成了独特的矿带分布。31对矿化作用的影响311对成矿物质的接纳关于 Postmasburg 锰矿田的锰质来源和矿石成因,许多学者有不同的观点。Beukes(1986)认为 Mn源于 Campbellrand 亚 群 地 层 中 的 富 锰 白 云 岩;Klemm(2000)则提出了热液来源,认为现代洋盆底部散逸中心的热液活动为海水提供了 Mn 和 Fe。
21、关于矿床成因,De Villiers(1983)提出岩浆热液成因理论,而另有一些学者则支持富锰溶液对围岩进行变质交代的观点(Hall,1926;Nel,1929;DuToit,1933;Truter,1938;Boardman,1940;Borchert,1970)。相反的是,Scheneiderhhn(1931)率先 提 出 了 沉 积 成 因,并 得 到 了 Grobbelaar 等(1986)、Beukes(1986)和 Plehwel-Leisen(1995)的支持,也是现在最为流行的观点。岩溶系统形成的低洼地形,成为海水入侵后富锰水体的良好储集场所。古元古代的大氧化事件,成为成矿物质
22、沉积的“催化剂”(Guo Qingjun et al,2009;Moore et al,2012;Johnson et al,2014)。富含铁、锰的胶体受氧化而在溶坑中沉淀下来,形成了具有一定序列和进积退积旋回性的矿层(Cannonet al,1983;Frakes et al,1984;Force et al,1988;Brusnitsyn et al,2000)。312成矿矿物成分岩溶地貌在矿体的形成和保存过程中起着十分重要的作用。在白云岩的溶蚀构造中,溶坑、溶沟的底部被强烈下切,边部较为陡峭,形成了相对高差很大的地貌。在海水携带铁、锰质胶体侵入后,沉积物在不同的高度产生了明显的分化(G
23、utzmer et al,1997;Beukes et al,2003;Beukes et al,2008)。在溶坑的底部,由于与上部水体缺乏畅通,海水能够被更长时间地滞留,因此溶解物质能够完全沉积。而且,沉积矿质能够受到保护免于被侵蚀(Plehwe-Leisen,1995),矿石结构更加均一。在与白云岩接触的 部 位,矿 质 富 集 程 度 最 高(Beukes,1986;Leisen,1987;Gutzmer et al,1997)。碎屑的富集程度向序列的底部降低,因此矿石总体品位(Fe+Mn)也越来越高,而铝质含量有逐渐降低的趋势,它835地质论评2023 年图 3 南非 Postmas
24、burg 锰矿田钻孔中矿石品位与 Al 含量随深度的变化Fig3 Ore grade and Al content changes with depth in drill hole in Postmasburg manganese field,South Africa图 4 南非 Postmasburg 锰矿田矿体中 Fe、Mn 含量随深度变化Fig4 Fe and Mn content changes with depth in Postmasburg manganese field,South Africa们呈现了明显的负相关性(图 3)。除了在白云岩中溶坑底部有富锰矿石外,在较高位置的地
25、层中同样也有锰矿石且严格成层,但其中的铁、铝质含量明显高于底部(Klemm,2000)。在矿质沉积过程中,Mn 和 Fe 的沉积性质存在较小的差异。随着氧逸度的增加,对氧化条件更为敏感的 Fe 会率先沉淀。Fe 占据了水体相对较浅、含氧量较高的溶坑中、上部位,而活跃性较差的 Mn向溶 坑 的 中 央、底 部 运 移,最 上 部 则 为 铝 质(Altermann,1996;Altermann et al,1998)。因此,在西矿带沉积物的中、下部位,Mn 富集程度较高,向上部和周围 Fe 升高,二者同样呈极强的负相关(图4),继续向上甚至演变为铁质岩(Beukes et al,2003),在最
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