董志国等-GCA：黑色岩系型锰矿床的成矿模式

　　黑色岩系型锰矿床是指以富含有机质（TOC ≥ 1%）的泥质岩和硅质岩等为直接围岩的沉积锰矿床。黑色岩系型锰矿床在国内外分布广泛，具有重要的经济价值。一直以来，学术界普遍采用“浴缸边”上涌模式来描述黑色岩系型锰矿床的形成过程，该模式强调富锰缺氧海水上涌至盆地边缘氧化环境发生沉积成矿。考虑到黑色岩系多形成于缺氧环境，因而“浴缸边”模式无法完美诠释锰矿层与黑色岩系密切伴生的现象。由此可见，黑色岩系型锰矿床记录了盆地水体氧化还原条件具有独特的动态演变过程，但目前对于其细节尚缺乏准确阐释和系统论证，亟待开展深入探讨。 

　　针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究重点实验室的董志国博士后、张连昌研究员和王长乐副研究员与加拿大阿尔伯塔大学Kurt Konhauser教授、加拿大里贾纳大学Leslie Robbins助理教授以及中国科学院广州地球化学研究所李杰研究员等合作，对新疆西昆仑玛尔坎苏一带（图1a）的石炭纪黑色岩系型锰矿床开展了系统的地质、地球化学和碳-硫-钼同位素研究，揭示了含锰盆地水体氧化还原结构的动态演变细节，并在此基础上建立了成矿模式。 

　　从全球古地理视角来看，玛尔坎苏一带晚石炭世位于古特提斯洋北缘（图1b）。本研究通过详细厘定含锰地层的沉积序列，认为晚石炭世玛尔坎苏一带具有“台盆相间”的古地理格局（图1c）。赋矿地层喀拉阿特河组下部为角砾灰岩-砂质灰岩，上部为黑色岩系（碳质泥岩夹泥质灰岩），该层序特征（图1d）记录了碳酸盐台地在伸展作用下由快速断陷到稳定沉积的盆地演化过程。锰矿层直接赋存于黑色岩系，说明沉积成矿作用发生在断陷盆地的深水低能环境。 

图1 （a）西昆仑玛尔坎苏锰矿带的地理位置图；（b）晚石炭世全球古地理格局；（c）晚石炭世玛尔坎苏一带古地理格局；（d）台盆中心相和台地相喀拉阿特河组的沉积序列对比 

　　玛尔坎苏锰矿石主要由碳酸锰矿物组成，另外可见少量硫锰矿、钴镍硫化物、独居石和有机质等。锰矿石具有负的碳同位素值（δ13Ccarb平均–12‰），且页岩标准化的稀土元素配分特征与现代水成锰结核非常相似（如正Ce异常和负Y异常）。与上-下盘黑色岩系相比，锰矿层具有明显偏正的硫化物硫同位素值（δ34Ssulfide平均–0.3‰）和明显偏负的钼同位素值（δ98Mo平均–1.1‰）。以上特征综合表明，碳酸锰矿层由原始沉积的锰氧化物与有机质在成岩过程中发生反应转变而来，锰的氧化物形成于氧化水体环境。此外，矿体上-下盘黑色岩系中莓球状黄铁矿的粒径普遍偏小（平均直径～5 μm）且变化范围很窄（标准偏差<2 μm），且黑色岩系的铁组分具有高的FeHR/FeT比值（平均为0.66）和FePy/FeHR比值（平均为0.71），综合表明黑色岩系形成于缺氧硫化的底层水环境。同时，黑色岩系的MoEF-UEF协变模式指示水体中存在活跃的锰氧化还原循环（Mn oxide shuttle），暗示盆地水体具有上部氧化-下部缺氧硫化的分层结构，较低的Mo/TOC值则说明这种水体层化与盆地局限闭塞有关。 

图2 玛尔坎苏锰矿层及近矿围岩关键地球化学-同位素指标的变化趋势

　　根据上述盆地古地理和水化学条件重建结果，结合前人研究，本文提出玛尔坎苏锰矿床的成矿模式如下：（1）伸展断陷阶段（图3a）——由于弧后拉张作用，玛尔坎苏碳酸盐台地出现伸展次级凹陷，为后续锰的富集与成矿奠定基本古地理格局；（2）局限硫化阶段（图3b）——次级凹陷进一步沉降演变为断陷深水盆地，由于与广海沟通不畅，水体发育分层结构，Mn2+在硫化深水环境积累浓集；（3）“幕式通氧”阶段（图3c）——随着海平面上升，氧化海水涌入盆地，造成深水发生广泛氧化并引发锰氧化物大量沉淀，随后锰氧化物成岩转变为碳酸锰矿层。 

图3 玛尔坎苏锰矿床的成矿模式图

　　该研究揭示了沉积锰矿与黑色岩系密切伴生的原因，提出黑色岩系型锰矿床受控于盆地相对深水缺氧环境的间歇式氧化，在沉积古地理位置和成矿水文学途径方面明显不同于“浴缸边”上涌模式。同时指明，局限硫化环境有利于锰质浓集和铁锰分离，是形成优质富锰矿床的关键控制因素之一。 研究对于深入理解锰成矿机制、预测找矿远景区和反演古海洋环境具有重要启示意义。