2. 中国科学院地球科学研究院, 北京 100029;
3. 中国科学院大学, 北京 100049;
4. 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第二地质大队, 新疆 喀什 844000
2. Innovation Academy for Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. No.2 Geological Party of the Xinjiang Bureau of Geo-Exploration and Mineral Development, Kashgar 844000, Xinjiang, China
0 引言
全球锰矿床的基本类型以沉积变质型锰矿为主(50%)，沉积型为次(40%)，且优质富矿较多[1-2]。国际上对大型沉积型富锰矿成矿条件的研究开始于20世纪80年代[3-4]，地质学家从最初关注含锰岩系、锰矿物质成分、矿床类型和成矿机理等的研究，到后来重视物质来源、成锰盆地性质、海平面变化、古地理环境等方面的研究，在此期间锰矿成矿理论得到逐步发展。
那么形成大型沉积型锰矿的主要条件是什么？这些条件是如何影响大型(富)锰矿形成的？这些均是学术界长期关注的热点和难点问题。Frakes等[3]研究认为形成大型锰矿的主要条件包括：丰富的金属来源、海平面波动变化、缺氧环境及受限制的盆地。一些大型锰矿床，如澳大利亚Northern Territory地区Groote Eylandt锰矿[4]、墨西哥Hidalgo State东北部Molango锰矿[5]以及中国黔东北地区“大塘坡”式锰矿[6-9]的赋矿岩系，通常为具有纹层状层理或韵律性层序结构的富有机质泥岩或灰岩，这些特征反映相对稳定、少陆源且沉积速率较低的海洋环境是形成大型锰矿床的必要条件。Beukes等[10]对非洲一些大型—超大型(如Tambao、Nsuta、Moanda和Kisenge)锰矿的研究表明，这些矿床均为沉积岩容矿的层状或层控型矿床，多产在热带气候环境条件下的大型大陆架浅海海湾地区，并且形成于海洋高水位期、没有或含少量硅质碎屑的沉积环境。国内学者[11-16]基于中国富锰矿的地质特征和成因，认为锰矿物质具有多来源、多阶段富集的特点，并且成矿与盆地构造属性、氧化-缺氧条件变化、海底热液活动、有机质参与成岩成矿作用等密切相关。
我国以海相沉积型锰矿为主，优质富矿偏少[14-15, 17]。近年在贵州等地的沉积锰矿找矿工作取得重大进展，但富矿仍然偏少，所以在西昆仑玛尔坎苏地区发现的富矿吸引了地质人员的极大关注[18-24]。本文基于西昆仑玛尔坎苏大型海相碳酸锰矿带的区域背景、矿床地质及地球化学特征的研究，重点分析了该锰矿带形成的地球动力学背景、沉积盆地演化、海水氧化-还原条件变化、成矿物质来源及成岩成矿过程等，期望为指导锰矿找矿预测提供有益信息。
1 区域动力学背景 1.1 区域地质西昆仑造山带位于青藏高原西北缘，是青藏高原的重要组成部分[25-26]，同时也是研究显生宙以来古亚洲大陆南向增生及特提斯构造域演化的重要地带[27-29]。西昆仑及邻近区域大地构造大致分为：西(南)天山构造带(Ⅰ)、塔里木地块(Ⅱ)、西昆仑构造带(Ⅲ)和喀喇昆仑构造带(Ⅳ)(图 1a)。研究区玛尔坎苏锰矿带位于西昆仑构造带的北段与塔里木地块接触部位。
西昆仑玛尔坎苏锰矿带(成锰盆地)分别以布伦口(F50)和乌赤别里山口(F48)区域大断裂为南北边界(图 1b)，带内主体由石炭纪—早二叠世的玄武岩、英安岩、安山岩及其火山碎屑岩、细碎屑岩及碳酸盐岩等组成，局部见泥盆系出露。盆地基底主要由古元古界布伦阔勒群变质岩和志留系变沉积岩组成。作为成锰盆地的基底，古元古界布伦阔勒群大面积分布于西昆仑的布伦口—赞坎一带[30]，在西昆仑北段则局部出露于昆盖山南侧。主要岩系大致由含铁岩段、(含石榴)斜长角闪片麻岩段、矽线石榴片麻岩-石英岩段和大理岩段等变质建造组成。其中:含铁岩段岩性以层状-条带状磁铁矿、(含磁铁)黑云斜长片麻岩夹斜长角闪片(麻)岩等为主，推测其原岩主要为含铁沉积岩夹少量火山岩；(含石榴)斜长角闪片麻岩段以斜长角闪片麻岩为主夹含石榴黑云石英片岩，对应原岩为细碎屑沉积岩；矽线石榴片麻岩-石英岩段主要岩石组合为含石榴黑云石英片岩、含石榴石英岩、含石榴子石大理岩和含(矽线)石榴黑云斜长片麻岩，对应原岩为碎屑沉积岩夹少量基性火山岩；大理岩段分布于布伦阔勒群东部，主要岩性组合为黑云母大理岩和透闪石大理岩，夹石榴黑云石英片岩和片麻岩等，原岩为碳酸盐岩夹杂砂岩。由此看出，布伦阔勒群整体原岩为一套细碎屑沉积岩-碳酸盐岩夹少量火山岩建造，并有大量硅铁建造发育其中[24, 30-32]。
志留系沉积岩在西昆仑地区大面积不整合覆盖于布伦阔勒群之上，其中发育海相沉积型菱铁矿(如切列克其、喀拉墩和黑黑孜赞干大型菱铁矿等)；在西昆仑北段志留系沉积岩主要见于昆盖山南坡(图 1b)，与中泥盆统克孜勒陶组呈断层接触。志留系沉积岩系下部为灰绿色片理化英安质-安山质晶屑凝灰岩、钠长绢云绿泥片岩，上部为浅灰色含白云母石英片岩夹绿色变安山岩、少量大理岩和炭质板岩。推测区域志留系属陆源碎屑浊积岩类沉积建造。
泥盆系克孜勒陶组在区域上主要沿盖孜—克孜勒陶一线呈北西西向带状展布，在玛尔坎苏锰矿带仅见在东南角小范围分布。主要岩性为灰绿色厚—巨厚层细粒石英砂岩、灰绿色中—薄层泥质石英粉砂岩、灰绿色粉砂质泥岩，少量为褐色薄层钙质石英粉砂岩、细粒石英砂岩及泥质石英粉砂岩等。另外，在玛尔坎苏锰矿带的西北角，出露下泥盆统萨瓦亚尔顿组细碎屑岩以及中泥盆统托格买提组碎屑岩和碳酸盐岩。
下石炭统乌鲁阿特组大面积沿昆盖山—玛尔坎苏河一带呈近EW向展布(图 1b)，在喀拉阿特河以西主要岩性为玄武岩、安山岩和凝灰岩等，厚约600 m，在喀拉阿特河以东主要岩性为块状玄武岩、枕状玄武岩和玄武安山岩等，厚约700 m(图 2)。在玛尔坎苏锰矿带以东的奥依塔克一带出露总厚约1 900 m，下部岩性主要为灰绿色玄武岩、杏仁状玄武岩夹浅灰色安山岩；中部为紫灰色中—厚层炭质泥质灰岩，夹灰绿色薄层大理岩；上部岩性主要为变安山岩夹紫灰色英安岩。
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| 图 2 玛尔坎苏锰矿带喀拉阿特河实测地质剖面 Fig. 2 Geological section of Kalaart River in Malkansu manganese ore belt |
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上石炭统喀拉阿特河组出露于玛尔坎土山脊以北呈近EW向展布，与下石炭统乌鲁阿特组整合接触(图 1b)，其上与下二叠统玛尔坎雀库塞山组平行不整合接触(图 2)。喀拉阿特河组在穆呼至喀拉阿特河一带的沉积地层产状总体为向SW中等角度倾斜，横向延伸相对稳定。部分地段发育片理化、碎裂岩和构造角砾岩等，具有自S向N推覆的构造特征(图 2)；在奥尔托喀讷什一带地层N倾构成背斜构造的北翼。喀拉阿特河组岩性单一，岩性组合自下而上可分为2部分：下部主要为灰、深灰色的厚层含生物碎屑微晶灰岩，单层厚度在1 m以上，普遍发育方解石细脉，多垂直层理分布，部分灰岩中含有少量的炭质成分，近底部砂泥质灰岩中见丰富的腕足类、珊瑚类化石；上部为灰、深灰色厚层泥晶灰岩与灰色厚层状细晶灰岩，顶部为灰白色片理化细晶灰岩，含珊瑚和腕足类化石。
下二叠统玛尔坎雀库塞山组主体沿玛尔坎土—昆盖山一带近EW向展布(图 1b)。该套地层岩石组合横向变化不大，上、下部均为火山熔岩和火山碎屑岩，中部为碳酸盐岩，以喀拉阿特河一带出露相对完整，厚度最大(图 2)。在玛尔坎苏河西段，受褶皱及断裂影响地层部分缺失，厚度变小，下部主要为灰绿色安山岩夹杂色凝灰质粉砂岩和灰黑色细晶灰岩，中部主要为灰白色细晶灰岩，上部为灰绿色变安山岩。
另外，玛尔坎苏锰矿带北侧的西南天山构造区分布大量中—新生代陆相沉积，西北局部出露泥盆系(图 1b)。区域侵入岩不甚发育，仅局部见印支期花岗岩或基性岩脉出露。
区域断裂构造主要包括乌赤别里山口断裂和布伦口断裂(图 1b)。其中乌赤别里山口断裂西端位于玛尔坎苏河上游，呈EW向延伸，向西延入塔吉克斯坦境内，长约100 km。断裂以北为塔里木地块西南缘坳陷新生代陆相沉积；南侧为北昆仑晚古生代弧盆体系，以厚层石炭纪火山-沉积岩为特征。该断裂面西段向N倾，东段向S倾，倾角40°~60°。沿断裂带地层褶皱强烈，南侧局部倒转，石炭系逆掩于北侧中—新生代沉积之上。沿断裂带曾发生过多次5级以上地震，近期仍有较强的活动[30]。区域布伦口断裂位于空贝利—布伦口一线，断裂走向为近EW—NWW向，总体为向NE凸出的弧形，断面向S或SW陡倾，倾角50°~70°，具压扭性逆冲断层性质。在玛尔坎苏锰矿带的南侧可见志留系沿该断裂由S向N逆冲到石炭系之上，断裂带内可见石英脉被切割错开或牵引，表明该断裂由SW向NE方向逆冲并兼有右旋剪切的活动特征[21]。
1.2 动力学背景西昆仑构造带与塔里木地块南缘的地层岩性及构造特征具有一定的相似性，均具有元古宙斜长片麻岩及混合岩变质为基底，新元古代—早古生代及晚古生代—早中生代分别受原特提斯洋(Proto-Tethys)和古特提斯洋(Paleo-Tethys)构造旋回作用的制约[27-28]。加里东期的碰撞造山作用标志着原特提斯洋的终结，晚古生代以后古特提斯洋主导西昆仑地区的构造演化。同时，在西昆仑至塔里木地块南部地区，从古特提斯洋开始扩张到最终闭合的演化过程中，不同地区因构造作用的差异形成不同的矿床类型。泥盆纪—早石炭世初始裂解阶段[27, 33-34]，沿塔木—卡兰古一带发育台地边缘相碳酸盐岩和碎屑岩沉积，形成一系列海底热水沉积型(SEDEX)Pb-Zn(Cu)矿床，如塔木Pb-Zn矿床、卡兰古Pb-Zn(Cu)矿床和阿巴列克Pb-Zn矿床等[35]。早石炭世—早二叠世，是玛尔坎苏、库尔良等弧后伸展盆地形成的发展阶段，先期因盆地强烈伸展，发育一套大规模早石炭世酸性—基性火山岩及火山沉积岩系，在昆盖山一带产出一系列块状硫化物矿床(VMS)，如萨洛依和阿克塔什火山岩型块状含铜黄铁矿床等[36-37]；后期因盆地稳定性增强，主要接受晚石炭世细碎屑岩-碳酸盐岩相沉积，在玛尔坎苏地区形成一系列沉积成因锰矿。
实际上，西昆仑玛尔坎苏锰矿带区域构造动力学背景目前尚存在不同认识，主要有陆缘裂谷[38-39]和陆缘弧盆[25, 29]的分歧。计文化等[40]和贠杰等[41]依据奥依塔格地区下石炭统乌鲁阿特组火山岩组合及岩石地球化学研究，认为研究区早石炭世处于弧后盆地环境。本文依据Stampfli等[42]关于古特提斯洋在石炭纪—二叠纪的演化趋势图，结合玛尔坎苏锰矿带的发育位置及构造环境(图 3)，认为其构造动力学背景受古特提斯洋在晚古生代向北(塔里木地块)高角度俯冲以及俯冲带南迁的影响，在塔里木地块南侧形成沟弧盆体系(图 4)。其中，玛尔坎苏锰矿带沉积于晚古生代弧后伸展盆地，区域岛弧大致位于西昆仑中部木吉—布伦口—公格尔岩浆岩分布区。
在玛尔坎苏锰矿带东西长约60 km(图 5)范围内分布着多个大中型锰矿床。矿带出露地层主要为石炭系下统和上统及下二叠统火山-沉积岩系。锰矿主要产于上石炭统喀拉阿特河组中[21-24]，该岩系自下而上可划分为3个岩性段。第一岩性段为生物碎屑灰岩(图 5a)夹薄层微晶灰岩，厚度200~500 m。第二岩性段为砂屑灰岩(图 5b)，局部夹薄层细砂岩，厚度30~60 m。第三岩性段为赋矿层位，上部为含炭泥质灰岩(图 5c)，多见黄铁矿化，厚度30~150 m；中部为锰矿层，矿石一般呈灰黑色，泥晶和微晶结构，块状和碎裂状构造，常见不规则的方解石网脉充填；下部为含炭泥质灰岩夹薄层灰岩，厚度30~50 m。总体看，锰矿体主要发育于第三岩性段的含炭泥质灰岩夹薄层灰岩中，矿体顶板含炭泥质灰岩中常发育草莓状黄铁矿(图 5d)。
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| a.含生物碎屑灰岩，生物多为虫筳类(偏光)；b.含陆源砂屑灰岩，石英砂屑呈棱角—次棱角状(正交)；c.含炭泥质灰岩(偏光)；d.矿体围岩含炭泥质灰岩中发育大量草莓状黄铁矿和有机质(反光)；e.块状碳酸锰矿石(奥尔托喀讷什锰矿)；f.碎裂状矿石(穆呼锰矿)，沿裂隙发育大量方解石脉；g.纹层状矿石；h.矿石矿物主要为菱锰矿，次为锰白云石(偏光)；i.原生软锰矿颗粒被锰碳酸盐交代，可见有机质(反光)；j.锰矿石中可见少量黄铁矿、硫锰矿纹层(反光)；k.块状矿石主要矿物组成为菱锰矿和锰方解石(反光)；l.菱锰矿、锰方解石共生，发育少量硫锰矿(背散射)。 图 5 西昆仑玛尔坎苏锰矿带含矿岩系及锰矿石照片 Fig. 5 Typic photos of surrounding rocks and ores in Malkansu manganese ore belt in west Kunlun orogen |
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目前在玛尔坎苏锰矿带发现多处锰矿床(点)，其中大型和中—大型主要分布于东西两段(图 1)，中段具有含锰岩系断续出露、厚度小、矿化弱的特征[19]。
1) 西段，包括奥尔托喀纳什大型锰矿床和苏萨尔布拉克锰矿点，东西延伸长约7 km。主矿体(层)位于区域背斜构造的北翼，赋存在上石炭统喀拉阿特河组含炭泥质灰岩夹薄层灰岩中。奥尔托喀讷什锰矿为玛尔坎苏锰成矿带规模最大的矿床，由两条呈近东西向平行展布的矿体(Ⅰ、Ⅱ号)组成。其中，Ⅰ号主矿体呈层状、似层状产出，与围岩产状基本一致，长度约5 500 m，倾向N，倾角70°~80°，单工程控制矿体真厚度介于0.36~22.32 m之间，平均4.14 m，矿石锰品位为15%~47%，平均为35.2%，多构成富锰矿体，含铁、磷和硫较低，满足优质富锰矿质量标准[21, 38]。
2) 中段，包括恰特尔锰矿化点、琼喀纳什锰矿化点、莫北锰矿点、博托彦锰矿点和喀拉当格铁锰矿化点等，东西延伸长约20 km[19]。赋矿地层为上石炭统喀拉阿特河组、下二叠统玛尔坎雀库塞山组。该段含锰岩系断续出露，火山岩较发育，断裂构造多见，矿化分散，矿体规模小，矿石品位较低。但目前中段整体工作程度较低，有进一步寻找锰矿体的潜力。
3) 东段，包括穆呼大型锰矿床、玛尔坎土中型锰矿床和喀拉阿特河锰矿化点等，东西延伸长约8 km。区内褶皱和断裂构造比较发育。赋矿岩性在穆呼和玛尔坎土锰矿区基本相同，但在喀拉阿拉特河锰矿化点有一定差异。整体看矿体延伸稳定、厚度较大、矿石品位较富，后期构造对矿体的改造和破坏较大。例如，穆呼锰矿床含矿岩性为含炭泥质灰岩夹薄层灰岩，地层与矿体总体S倾，倾角45°~60°，发育复式(倒转)褶皱构造。目前在该矿区共圈定3条锰矿层和多个锰矿体，地表矿体断续出露长约2 166 m，矿体厚度为1.34~14.34 m，平均厚5.68 m，Mn品位为10.38%~45.07%，平均品位29.51%[18]。玛尔坎土锰矿床位于穆呼矿区东侧，矿区构造和矿体产状与穆呼锰矿相似[19]。
初步地质勘查表明，西昆仑玛尔坎苏锰矿带锰矿资源量达4 000万t，平均品位为30%~35%，经济价值巨大。同时，区域找矿潜力也很大，有望成为我国北方地区最重要的优质富锰矿资源开发基地。
矿区地质与矿石观察表明，玛尔坎苏成矿带的几个锰矿具有相似的矿石特征。显微镜及电子探针等分析表明，矿石中的主要金属矿物为菱锰矿(75%~95%)，次为软锰矿、硫锰矿，少量黄铁矿等，沿裂隙发育少量锰氧化物和碳酸盐矿物。脉石矿物主要为方解石，少量白云石、石英、黏土矿物及石墨等。锰矿石结构为泥晶-微晶结构，构造主要为块状构造及层纹-条纹状构造，局部见碎裂状构造[24]。其中以块状构造的碳酸锰矿石为主(图 5e)，多发育方解石细脉形成碎裂状构造(图 5f)，常见纹层状矿石(图 5g)。矿石矿物以菱锰矿为主(图 5h、i、k、l)，含少量锰白云石或锰方解石(图 5h)，局部见软锰矿颗粒被锰碳酸盐交代残余，亦可见有机质(图 5i)；纹层状矿石主要由黄铁矿、硫锰矿组成(图 5j，l)。
根据矿物组合和穿插关系，将锰矿形成过程大致划分为3个期次，即沉积-成岩期、热液改造期和表生氧化期。其中，沉积-成岩期主要形成纹层状-块状菱锰矿；热液改造期主要表现在矿体与围岩接触部位因构造(层间滑脱)-热液作用，发育大量方解石-石英(网)脉，局部出现方解石-蔷薇辉石脉；表生氧化期仅表现在锰碳酸盐矿物裂隙中发育的少量纤维状软锰矿及水锰矿，并未见到锰氧化物的大量出现，矿床整体保存了原生沉积-成岩成矿的状态[23]。
3 锰矿成矿条件 3.1 盆地沉积特征及演化Wolf等[43]曾提出构造活动性较弱、沉积环境稳定的地区，特别是大陆架的滨海地带或出现火山作用的海槽，是沉积锰矿发育的有利区域。该观点在一些大型矿床，如南非Kalahari锰矿[44]、巴西Urucum锰矿[45]以及我国华南“大塘坡”式锰矿[6]的构造环境研究中得到了验证。Huckriede等[46]也认为黑色页岩发育的稳定盆地或受限制的盆地是形成大型锰矿的有利条件。Frakes等[3]、Okita[5]和Polgári等[47]的研究表明，显生宙以来的大型沉积锰矿床，如乌克兰的Nikopol锰矿、澳大利亚的Groote Eylandt锰矿、墨西哥的Molango锰矿和匈牙利的Urkut锰矿同样沉积于稳定地块边缘的拉伸盆地环境。这些地区之所以能够成为大型锰矿的有利富集场所：一方面因为地块边缘长期处于构造拉张背景下，易形成陆缘断陷盆地和陆内凹陷盆地[48-49]；另一方面这种构造稳定的拉伸盆地，既可接受大量陆源锰质，又可通过断裂系统将深部的锰质带入海盆，为锰矿的形成提供物质；同时大型伸展盆地多发生海底(火山)热液活动、地壳减薄等地质事件，致使盆地地热梯度大，沉积成矿后期的热循环较快，为锰矿的二次富集提供动力来源[14]。
越来越多的地质学家认为伸展型构造背景下的断陷盆地(陆缘裂谷或弧后盆地)是沉积锰矿发育的有利因素，主要原因是地壳薄、热值高和海底热液发育等[48-49]。玛尔坎苏地区从石炭纪开始处于古特提斯洋壳高角度俯冲条件下的弧后盆地环境，在弧后伸展作用下形成了巨厚的早石炭世乌鲁阿特组基性火山岩。计文化等[40]和贠杰等[41]通过岩石学和地球化学研究，认为该地区石炭纪火山岩属钙碱性基性—中基性火山岩，具富集大离子亲石元素和亏损高场强元素等地球化学特征，进一步支持该地区石炭纪的构造环境为弧后盆地系统。
玛尔坎苏区域地质剖面综合研究表明(图 6)，晚石炭世喀拉阿特河组剖面底部为一套厚度约170 m的开阔台地相沉积，岩性主要为厚层状细晶灰岩、厚层状泥晶灰岩，局部发育小规模砾屑灰岩和砂屑灰岩；在台地边缘发育生物礁滩亚相沉积，与之伴随发育一套含生物碎屑砂屑灰岩，地层中多见有孔虫、虫筳类及珊瑚类化石，这些生物均属浅海底栖生物，亦指示浅海沉积环境。向上逐渐由开阔台地相变为台缘斜坡相沉积，岩性也随之由灰色厚层状细晶灰岩、泥晶灰岩渐变为中—厚层砂屑灰岩与中—薄层泥晶灰岩互层沉积；在斜坡脚的局部地段发育砾屑灰岩(竹叶状灰岩)等。而喀拉阿特河组顶部发育裂陷台盆相沉积(图 6)，主要沉积一套灰黑色—深黑色薄层状泥质灰岩、含炭泥质灰岩及锰矿层。锰矿层产于海进序列中上部含炭泥质灰岩中，矿石主要呈沉积纹层构造，锰矿物主要为泥-微晶菱锰矿、锰方解石及少量硫锰矿，这些均具低能环境沉积成矿的特点。
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| 图 6 玛尔坎苏锰矿带综合柱状图 Fig. 6 Stratigraphic column of the manganese-bearing strata in Malkansu manganese ore belt |
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整体看，该区域沉积剖面自下而上沉积相呈开阔台地—台缘斜坡—裂陷台盆的变化(图 6)，碳酸盐成分组分逐渐减少，逐步向含炭(泥)质沉积过渡；垂向上深色泥灰岩增多，说明在其沉积过程中，海水持续加深，其沉积环境由高能逐渐过渡为低能较还原环境，反映了稳定的海侵过程。同时，区域上中—基性火山岩较发育，含炭泥质灰岩系中亦发育多层火山凝灰岩，反映成锰期该区火山作用发育。故推测沉积成矿与火山(热液)活动、海侵等地质事件密切相关。
3.2 区域锰地球化学异常与锰质来源根据新疆西昆仑1:50万区域地球化学[50]资料，对区内26种元素的背景丰度(几何平均值)统计结果见表 1，同时列出全国高寒山区和西昆仑玛尔坎苏地区1:5万区域化探成果中相应元素的平均值，便于对比分析。
| Au | Cu | As | Sb | Hg | Pb | Zn | Ag | Cd | W | Sn | Mo | Bi | Cr | Ni | Co | V | Sr | Ba | Fe | Mn | Li | Be | Zr | La | Y | |
| 玛尔坎苏地区* | 2.0 | 25.2 | 9.1 | 1.0 | 23 | 26 | 74 | 80 | 0.13 | 4.1 | 2.5 | 0.9 | 0.34 | 59 | 27.2 | 12 | 909 | |||||||||
| 新疆西昆仑[50] | 1.2 | 22.6 | 12.4 | 1.0 | 18 | 20 | 65 | 57 | 0.13 | 1.4 | 2.1 | 0.9 | 0.3 | 50 | 25.6 | 11 | 63 | 303 | 552 | 4.4 | 787 | 31 | 1.7 | 145 | 31.4 | 20 |
| 中国高寒山区[50] | 1.2 | 19.3 | 11.8 | 0.7 | 16 | 20 | 61 | 67 | 0.13 | 1.9 | 2.6 | 0.7 | 0.3 | 52 | 22.5 | 10 | 65 | 173 | 448 | 3.8 | 753 | 30 | 2.0 | 241 | 34.3 | 22 |
| 注：Au、Hg质量分数单位为10-9，其他元素质量分数单位为10-6。*中国冶金地质总局中南地质勘查院.新疆乌恰县阿克陶县玛尔坎苏一带锰矿资源远景调查评价1:50 000地球化学普查水系沉积物测量工作.长沙：中国冶金地质总局中南地质勘查院，2017。 | ||||||||||||||||||||||||||
对比发现，西昆仑地区Cu、As、Sb、Zn、Ni、Fe、Mn等金属元素高于全国高寒山区相应元素的丰度水平，而玛尔坎苏地区Cu、Zn、Ni和Mn元素又高于西昆仑地区的平均值。以全国高寒山区元素丰度平均值为标准，计算各元素的相对富集系数(新疆西昆仑/全国高寒山区)，发现西昆仑地区相对富集系数大于1.1的元素依次为Hg、Mn、Mo、Sb、Cu、Ni、Co等。从地球化学角度来看，西昆仑相对富集的13种元素Cu、As、Sb、Hg、Zn、Mo、Ni、Co、Sr、Ba、Fe、Mn、Li，按元素组合可划分为与岩浆热液有关的Cu、Mo元素组，低温热液Hg、Sb元素组，黑色金属Fe、Mn元素组和与基性—超基性岩密切相关的Ni、Co元素组等。
新疆西昆仑已知的金属矿产主要是铁矿，代表性矿床有切列克其、叶里克、老并和赞坎等，这些铁矿均位于Fe及相关元素的异常区内。Fe的富集除与已知铁矿有关外，还与区内富铁岩石的大量发育一致，这些岩石主要包括磁铁石英岩、超基性岩和基性火山岩等。
西昆仑玛尔坎苏河地区Mn异常带位于玛尔坎苏河背斜核部的石炭系及其两翼的二叠系内，异常中心为奥尔托喀讷什锰矿区。该异常中Mn元素与铁族元素Cu-Co-Ni-Cr元素组合以及Mo具一定相关性，与外带低温元素As-Sb-Cd组合也有一定的套合关系。Mn异常与构造带一致呈近EW向排列，异常较为连续，浓度系数较高，规模较大。Mn异常最大值为21.07%，达到工业边界品位。同时，含锰岩系下伏下石炭统玄武岩中锰丰度一般在1 000×10-6~1 500×10-6之间，平均丰度1 250×10-6，背景值较高，其中热水沉积成因碧玉岩中Mn平均丰度高达3 550×10-6，是基性火山岩的3倍，富集特征明显，初步表明热水活动可能为锰成矿提供了充足的成矿物质来源[23]。
在喀拉阿特河以南的广大区域，Mn异常带位于志留系内。该异常带Mn元素虽然与铁族元素Cu-Co-Ni-Cr有一定关系，但不十分显著，而与W-Sn-Bi、Ag-Pb-Zn-Cd等元素的相关性明显增强，反映同时具有中高温热液和中低温热液成矿作用特征。Mn异常显示由较多的低值平缓异常组合而成，异常多为外带，少数出现中带，异常富集系数和矿化强度较低，整体异常规模不大。
在整个西昆仑地区志留系分布广泛，且有较高的Mn元素背景值，地层中炭质含量也较高，沉积组合与典型含锰黑色岩系相近，显示出良好的Mn成矿条件。近期在西昆仑木吉乡西南地区的志留系分布区发现了一定规模的锰矿化[51]，Mn品位可达15%~30%，这一发现反映志留系具有较好的锰矿找矿潜力，为南疆地区锰矿找矿工作指出了新的方向。
关于锰矿成矿物质来源，早期一般认为原生沉积型锰矿中的锰质来自古陆岩石(如含锰火山岩、含锰硅质岩和含锰灰岩)的风化，并按照化学分异模式在滨浅海环境沉积形成工业矿床。但Collir等[52]通过模拟实验估算出每年由河流、热水和大气带入海洋的锰质量分别为3.4×105 t、(32~80)×105 t和(0.6~1.6)×105 t，据此认为海洋中的锰质主要源自海底热液的贡献；Glasby[53]通过计算认为，新生代海洋90%的锰来自海底热液活动。Maynard[1]基于对全球沉积型和火山-沉积型锰矿床的资料统计认为，不论是形成于火山岩附近的锰矿床，还是赋存于沉积地层中的锰矿，其锰质最终均来自火山(热液)活动。对锰矿成矿物质来源的研究方法，除了一般的主量和微量、稀土元素分析外，Roy[54]和Derry等[55]利用碳酸盐Sr和Nd同位素组成探讨成矿物质究竟是源于海底热液(洋中脊或岛弧环境)还是大陆风化。秦元奎等[56]基于锰矿围岩稀土元素和C同位素组成的多样性特征，认为广西大新下雷锰矿物源具多样性，既有来自下地壳的物质，又有陆源物质的混入以及生物作用产物的加入；余文超等[8]对黔东松桃地区南华系大塘坡组锰矿石、锰质页岩和炭质页岩的Sr同位素研究表明，其初始Sr比值具有较大变化范围，可能反映了该区锰矿为海底热液系统与表层系统共同作用下的产物。吴承泉等[57]依据贵州东部及邻区南华系锰矿层中的黄铁矿具有异常高δ34S值的特征(峰值在46‰~59‰之间)，提出渗流热卤水或火山源可能是矿床的主要锰质来源。
陈登辉等[20]测得穆呼锰矿床含锰岩系剖面碳酸盐岩87Sr/86Sr值介于0.707 70~0.708 64之间，同时发现锰矿87Sr/86Sr值具有从围岩到菱锰矿层减小的趋势，说明菱锰矿沉积时处于海水较深的海进时期，同时反映出菱锰矿的来源可能与海底火山热液有关。此外，主矿体顶部夹层及部分菱锰矿较高的87Sr/86Sr值，可能反映一定的陆源物质参与了成矿过程。高永宝等[22]和张帮禄等[23]研究发现锰矿石及菱锰矿具有负的δ13C值(-23.3‰~-10.0‰)，表明有机质参与了成矿过程；同时发现，碳酸锰的富集程度还与13C亏损程度具有强烈的正相关。
3.3 古海洋氧化-还原环境变化锰作为一种变价元素，其高价Mn4+只有在氧气充足的条件下才能生成，并且高价锰的氧化物也只能在富氧环境中稳定存在，还原条件下Mn4+则容易被还原成易溶的Mn2+[58-59]；同时研究表明，溶解于海水中的Mn2+只有在越过海洋中的氧化-还原界面时才能被氧化生成锰氧化物而沉淀[59-60]。因此，氧化-还原界面的出现是形成大型锰矿的条件之一。
在海侵过程中，海平面的升高会直接导致海水氧化-还原界面随之升高，这样碎屑沉积物中分散的原生难溶锰氧化物在还原条件下得以重新活化，进而导致还原水体中Mn2+浓度升高并形成Mn2+的储库[61]；而这一过程产生的化学浓度梯度将驱使Mn2+扩散，并在氧化-还原界面之间发生对流，最终导致Mn2+在该界面与盆地边缘底部接触的部位以高价氧化物的形式呈带状或层状沉淀积累。同时，众多大型锰矿床的赋矿地层序列研究表明，富锰层位往往形成于海水高水位期，这也很好地证明了氧化-还原界面的存在及其变动对大型锰矿形成的重要性。在缺氧—贫氧的成岩条件下，原沉积形成的锰氧化物在有机物介质的作用下能有效转化为碳酸锰而成矿。
微量元素中Fe/Mn、Th/U、V/Cr、Ni/Co、V/(V+Ni)等值是反映沉积环境氧化-还原条件的重要参数[62-64]。本文在前人资料的基础上统计了有关环境敏感元素的比值(表 2)。由表 2可见，下盘围岩的Fe/Mn、Th/U、V/Cr及V/(V+Ni)值分别为0.52~8.57、0.25~0.88、2.53~4.50及0.72~0.88，而矿石中的Fe/Mn、V/Cr及V/(V+Ni)值分别为0.01~0.03、0.06~2.00及0.18~0.59，即下盘围岩与矿石敏感元素比值明显不同；反映玛尔坎苏锰矿形成时的水体为常氧—贫氧的条件下，而下盘岩系则为贫氧—厌氧的环境特征。
| 氧化-还原条件 | Fe/Mn | Th/U | V/Cr | Ni/Co | V/(V+Ni) | δCe | |
| 常氧 | 一般指数 | > 3.80 | < 2.00 | < 5.00 | < 0.45 | ||
| 玛尔坎苏 | 0.01~0.03 (矿石) |
0.06~2.00 (矿石) |
1.50~5.00 (矿石) |
0.18~0.45 (部分矿石) |
2.72~3.70 (矿石) |
||
| 贫氧 | 一般指数 | 3.80~2.00 | 2.00~4.25 | 5.00~7.00 | 0.45~0.60 | ||
| 玛尔坎苏 | 2.53~3.92 (下盘围岩) |
0.45~0.59 (部分矿石) |
0.93~1.36 (下盘围岩) |
||||
| 厌氧(缺氧) | 一般指数 | < 2.00 | > 4.25 | > 7.00 | > 0.60 | ||
| 玛尔坎苏 | 0.52~8.57 (下盘围岩) |
0.25~0.88 (下盘围岩) |
4.50 (下盘围岩) |
0.72~0.88 (下盘围岩) |
|||
| 注：氧化-还原一般指标据文献[62-63]；玛尔坎苏锰矿数值据文献[22-23]；δCe值据文献[22]。 | |||||||
玛尔坎苏沉积碳酸锰矿床具有明显的Ce正异常[22-23]，这与现代海洋铁锰结壳非常相似，表明碳酸锰矿层的初始沉淀为锰氧化物，也反映碳酸锰的原始沉积条件为氧化环境。基于锰矿赋矿层位有机质含量通常较高的特征，一些学者[64-66]认为氧化-还原分层海洋的形成与表层水体产能提高有关，水体产能的提升导致海洋中有机质供给率增加，进而促使更多的有机质埋藏降解并消耗氧气，最终造成深部水体缺氧。
近年研究工作表明[67-68]，钼同位素δ98Mo对古海洋氧化-还原状态的变化反映极为灵敏，在氧化环境下其通常富集较轻的同位素组成，而缺氧条件下埋藏的沉积物中钼同位素组成相对偏重，并接近海水同位素组成(2.3‰)，这将为有效限定大型锰矿形成时的海洋氧化-还原界面提供有力支撑。玛尔坎苏含锰岩系有待开展系统的Mo同位素研究工作。
3.4 有机质参与沉积成岩-成矿过程关于菱锰矿的成因，多数学者倾向于菱锰矿是锰的氧化物、氢氧化物在成岩过程中经有机质还原转化的产物[1, 3, 6, 59, 69-70]。但也有少数学者[21, 66, 71]认为除成岩作用转化形成菱锰矿外，在还原且较强的碱性(pH>8)条件下，Mn2+可与CO32-直接结合也可在海底直接沉淀形成菱锰矿。
现代海洋盆地沉积物的成分分析表明，沉积物中含锰矿物主要为Mn4+的氧化物和氢氧化物，锰碳酸盐仅在波罗的海和巴拿马海湾等局限盆地的深水区域或补偿速率极低的深水大洋盆地少量产出[72-73]，这在一定程度上也说明了上述途径中Mn2+与CO32-直接结合形成菱锰矿大型矿床的可能性较低。因此，大量菱锰矿的形成更可能是成岩作用的产物。即锰以Mn4+的氧化物或氢氧化物形式进入沉积物，在有机质参与且有微生物媒介的作用下可被还原为Mn3+或完全还原为Mn2+[74]，Mn3+氧化物通常被硅化并以褐锰矿的形式存在，而Mn2+则可与反应过程中生成的HCO3-结合形成一些含锰钙的碳酸盐，如白云石或钙菱锰矿等[70]。伴随着埋藏成岩作用过程，这些锰钙的碳酸盐进一步发生重结晶，并生成更富集锰的碳酸盐如纯的菱锰矿，而埋藏成岩变质作用的加强则会导致更多含锰矿物的产生，特别是一些锰硅酸盐矿物如褐锰矿和蔷薇辉石[44, 70]。综上，成岩作用是锰质活化、富集成矿的重要条件之一，但同时这一过程也与盆地内的沉积物、物理化学条件、微生物活动及孔隙水性质等密切相关。
研究表明，大多数碳酸锰矿床围岩及矿石矿物的δ13C值一般介于-12‰~-2‰之间，与同时期的海相碳酸盐岩相比明显偏低[75-76]，充分说明了成岩过程中有机质的参与；同时，成岩过程中有机质的参与也会促进碳酸锰的二次富集[60-70]，这是大型锰矿形成的必要条件。
本文野外地质考察与室内研究表明，玛尔坎苏成矿带含矿岩系以薄层灰岩和含炭泥质灰岩为标志，锰矿成矿过程与海侵事件相关，沉积成矿环境初步认为是浅海台地中的次级洼陷；玛尔坎苏锰矿带锰矿石及菱锰矿具有负的δ13C值(-23.3‰~-10.0‰)[22-23]；纹层状黄铁矿具有较低的δ34S，草莓状黄铁矿具有更低的S同位素组成(δ34S=-40‰~-20‰)[77]。故推测有机质或微生物参与成岩成矿过程是玛尔坎苏大型富锰矿床形成的重要条件。
综合前述分析，本文认为玛尔坎苏大型菱锰矿床形成机制(图 7)及过程为：在伸展盆地边缘浅层水体较为氧化的条件下，海水中的Mn2+转化为Mn3+或Mn4+，以锰的氧化物或氢氧化物形式沉淀(式(1))，锰氧化物或氢氧化物沉淀之后被掩埋在缺氧带之下，在成岩过程中与有机物(CH2O)相互作用，锰氧化物或氢氧化物被还原而释放出Mn2+(式(2))；同时有机物被铁的氧化物或氢氧化物以及硫酸盐氧化，并在细菌的参与下发生发酵作用产生部分CO32-；Mn2+与CO32-结合沉淀形成了菱锰矿并被保存下来(式(3))。
主要化学反应过程如下。
氧化条件沉淀积累(氧化锰)：
(1) 还原条件转化(菱锰矿)：
(2) 
(3) 本文基于西昆仑玛尔坎苏大型海相碳酸锰成矿带区域背景、矿床地质及地球化学特征的研究，重点分析了该锰矿带的地球动力学背景、含锰盆地沉积演化、海水氧化-还原条件变化、成矿物质来源及成岩成矿过程等关键成矿条件，为总结区域成矿规律及进一步的找矿预测工作提供地质依据。
1) 西昆仑玛尔坎苏晚古生代锰成矿带构造上属北昆仑晚古生代弧后盆地，其构造背景符合古特提斯洋向北俯冲的动力性模型。锰矿体主要赋存于上石炭统喀拉阿特河组第三岩性段的含炭泥质灰岩夹薄层灰岩中。矿石中的主要金属矿物为菱锰矿(75%~95%)，次为软锰矿、硫锰矿，少量黄铁矿等，沿裂隙发育少量铁锰氧化物和碳酸盐矿物。脉石矿物主要为锰方解石，少量白云石、石英和黏土矿物。锰矿石呈泥晶-微晶结构、块状构造及层纹-条纹状构造，局部见碎裂状构造。局部可见软锰矿颗粒被锰碳酸盐交代残余现象，推测菱锰矿由软锰矿在成岩期转化形成。
2) 含锰岩系的岩性和岩相学研究表明，玛尔坎苏锰矿带属典型海相沉积型碳酸锰矿床，其成因可能与伸展背景下弧后盆地沉积和海底热液活动系统有关，锰矿层可能形成于浅海陆棚局部低洼地段。
3) 区域元素地球化学调查表明，西昆仑北段Mn异常带位于玛尔坎苏河背斜核部的石炭系及其两翼的二叠系内，异常中心位于奥尔托喀讷什锰矿区。异常中的Mn元素主要与铁族元素Cu-Co-Ni-Cr有关，反映浅海—半深海沉积环境；同时，热水活动可能为锰成矿提供了充足的物质来源。
4) 含锰岩系元素和同位素地球化学表明，玛尔坎苏锰矿形成时的水体处于常氧条件下，下盘部分岩系具有低氧—贫氧环境特征，而菱锰矿的形成经历了来自下部水体的Mn2+被氧化成锰的氧化物或氢氧化物后，再经成岩作用转化。玛尔坎苏锰矿带菱锰矿具有负的δ13C值(-23.3‰~-10.0‰)，且锰品位的高低与δ13C的亏损程度呈正比，反映有机质分解产生还原条件是本矿床富锰矿形成的重要机制。
致谢: 在野外地质工作和样品采集过程中得到新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局冯京总工和徐仕琦高级工程师，中国地质调查局西安地质调查中心李文渊和高永宝研究员，新疆第二地质大队冯昌荣总工、郝延海、查斌和何立东高级工程师的大力支持，在此一并表示衷心地感谢！
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