一、区域成矿地质背景
该矿床成矿系列分布范围主要为广西靖西、大新、那坡县及天等、德保县的部分地区。其大地构造位置处于华南微板块(Ⅰ级)的西南缘,属华南陆缘构造区(Ⅱ级)的右江海西-印支期裂陷海(Ⅲ级),四级构造单元跨桂西断陷与靖西断隆。加里东期该区属桂中-桂东边缘海(Ⅲ级)的西延部分,志留纪末的广西运动使桂中-桂东边缘海闭合,褶皱隆升,形成统一的中国南方板块。
右江裂谷从早泥盆世开始发育。泥盆纪初期,随着古特提斯洋沿金沙江-红河断裂带的扩张,右江地区出现强烈的北西向及北东向同生断裂的拉张或走滑拉张裂陷活动,受其影响形成了一系列裂陷海盆。桂西南地区为右江裂谷盆地的一部分,属于受(广南)-那坡-龙州深断裂带及下雷-灵马深断裂带控制形成的广南-龙州裂陷海盆的一部分,即那坡-龙州裂陷槽。
地壳拉张活动从早泥盆世初期开始,但并不强烈。随后在早泥盆世早、中期发生海侵,该区由滨岸陆源碎屑沉积演变为潮下带-半局限盆地沉积;到早泥盆世晚期(塘丁期)-中泥盆世早期(纳标期)为泥盆纪第一次地壳剧烈拉张期,随着同沉积断裂活动的增强,出现海底火山活动,海侵扩大,海盆分异明显,该区沉积相也由近滨相带分异演变为开阔台地相带、台地边缘相带、台沟相带及海槽边缘相带;晚泥盆世早期为泥盆纪构造活动最强烈的时期,地壳剧烈拉张裂陷,火山活动强烈,海侵最大,沉积相分异也十分显著,形成沟台交错的格局,由于北东向下雷同沉积断裂的再次活动,导致北东向下雷台沟形成,而那坡一带仍保持台沟沉积环境,大新―天等一带为开阔台地-半局限台地环境,总体上该区有台沟相带、台地前缘斜坡相带、半局限台地相带及台地边缘相带等多种沉积相带发育;晚泥盆世晚期,基本保持了晚泥盆世早期的沉积环境,但已开始发生海退,海水变浅,沉积了泥质条带灰岩及扁豆灰岩,在台沟内属深水还原环境,发育了硅质岩-灰岩-泥质硅质岩组合及碳酸锰矿层。
石炭纪和早二叠世,地壳总体稳定,对泥盆纪沉积有明显的继承性,主要为开阔台地相沉积,碳酸盐岩建造发育,但台沟中仍有少量硅质岩形成;早二叠世末的东吴运动导致地壳再次大规模张裂,至三叠纪早、中期处于盆地最大拉张期,海侵扩大,盆地加深,发育了一套以砂页岩为主的浊流沉积,由台地演变为广海型槽盆环境。
区内出露地层有寒武系、上古生界、下、中三叠统及新生界(图4-11),赋矿围岩主要有上泥盆统五指山组硅质岩、扁豆状、条带状灰岩及泥质岩组合(下雷锰矿),以及下泥盆统益兰组泥岩夹粉砂岩、泥质粉砂岩(弄华黄铁矿重晶石矿),次有中泥盆统碎屑岩、碳酸盐岩及硅质岩组合(大新铅锌矿)、上泥盆统榴江组硅质岩及硅质页岩(把荷、岜隆磷矿)、下泥盆统塘丁组泥硅质灰岩、白云质灰岩、泥岩夹燧石条带,还有下三叠统北泗组含锰硅质泥灰岩。
区内岩浆活动主要表现为火山岩的发育,并与地壳的剧烈拉张及裂谷构造活动密切相关。在该区以中泥盆世晚期至晚泥盆世早期的火山岩较发育,如在龙州科甲、板孟、武德等地中泥盆统东岗岭组及上泥盆统底部有玄武玢岩、粗面斑岩及火山碎屑岩产出,而在靖西安德、那坡坡荷一带的五指山组底部有细碧岩、角斑岩夹凝灰岩产出。此外在靖西、那坡、龙州、德保等地还有早石炭世、二叠纪及三叠纪基性、酸性火山岩分布。区内侵入岩总体不发育(图4-11),除有加里东期钦甲花岗岩岩株外,主要为海西及印支期的基性侵入岩,如靖西湖润北东的下卜黑云二辉橄榄岩-辉长辉绿岩即为印支期侵入岩,那坡一带有印支期辉绿岩岩墙产出,下雷锰矿区有印支-燕山期辉绿岩岩枝、岩脉产出。
图4-11 桂西南地区晚古生代―中三叠世热水沉积型矿产地质略图
二、矿床成矿系列主要地质特征
本矿床成矿系列由5个矿床式(下雷式、东平式、岜隆式、长屯式、弄华式)组成,主要矿床分布见图4-11,各矿床式主要地质特征如表4-5所示。
1)该矿床成矿系列最明显的特征是锰矿化的发育,矿床多、规模大,包括了我国最大的锰矿―――下雷超大型锰矿床。锰矿化除主要为下雷式锰矿床外,还有东平式锰矿。此外,该矿床成矿系列以弄华式黄铁矿-重晶石矿化较发育,其重晶石矿床规模可达大型,如弄华矿床,黄铁矿达中、小型。其余矿床式的矿化不发育,长屯式铅锌矿床仅为小型规模,而岜隆式磷矿实际上难以单独成一矿床式,因其原生磷矿化的品位较低,一般仅为矿点,只是经过次生淋滤富集后可形成小型的磷矿床。
2)矿床成矿系列的另一重要特征是其沉积环境主要为下雷台沟,它控制了下雷式锰矿及岜隆式磷矿的沉积;而东平式锰矿则为浅海陆棚环境;至于弄华式矿床由于其成矿时代为早泥盆世益兰期,海侵刚刚开始,因此为潮下带-半局限盆地环境;至中泥盆式四排期,海水加深,这时有长屯式铅锌矿形成,其沉积环境已变为滨岸相区-开阔台地相带。相应其赋矿围岩特征也很明显,在台沟相中主要为硅质岩、灰岩、泥岩组合,东平式锰矿为灰岩、泥质灰岩、泥灰岩与硅质岩组合,长屯式铅锌矿的围岩主要为砂页岩及碎裂状灰岩,而弄华式矿床矿体的底板为泥岩,顶板为白云岩。
表4-5 桂西南地区泥盆纪-早三叠世热水沉积型锰、重晶石、黄铁矿、铅、锌、磷矿床成矿系列各矿床式特征简表
3)矿体形态与一般热水沉积矿床相同,主要为层状、似层状或透镜状、扁豆状,仅少数矿区有小的脉状矿体产出,其规模很小,同时如长屯式矿床的脉状矿体是产于似层状矿体底盘的围岩寒武系中,并未穿过中泥盆统层位,也未穿切似层状矿体,在矿区内既有脉状矿体与层状矿体分别产出者(如巴落山矿段),也有二者共存、脉状矿体产于层状矿体下盘围岩中者(如出银山、柏绿山矿段),基于这种似层状矿体在上部层位、脉状矿体产于下部层位的产状特征,可以认为,似层状矿体正好反映了热水沉积成矿作用中喷口以上的热水化学沉积体系,是产于水-岩界面之上水体中的主要矿体,而脉状矿体反映了喷流口以下的成矿补给体系,相当于水-岩界面之下的矿体。矿体的这种产出特征与涂光炽先生(1987)所指出的热水沉积矿床矿体的产出特征是相同的。
4)各矿床式的矿物成分明显不同,其矿石矿物均反映出各自的矿化类型及特征。下雷式及东平式锰矿床以发育含锰碳酸盐矿物为共同特征,主要有菱锰矿、钙菱锰矿、镁菱锰矿、锰方解石等,少量褐锰矿、赤铁矿、磁铁矿及炭质,在下雷式锰矿中还以发育较多含锰硅酸盐矿物与东平式锰矿明显不同,如蔷薇辉石、锰铁叶蛇纹石及锰帘石、锰辉石、红帘石、锰橄榄石、锰石榴子石等;岜隆式磷矿的矿物成分主要为胶磷矿、细晶磷灰石及碳磷灰石;长屯式铅锌矿则主要为闪锌矿、方铅矿;弄华式矿床的矿物成分主要为重晶石、黄铁矿。脉石矿物在各矿床式大致相似,主要为石英、方解石,在锰矿床中还有绿泥石及黏土矿物,而在下雷式锰矿床中更有阳起石、石榴子石、钾长石、黑云母等反映热液成因的脉石矿物。矿石结构构造有共性,粒度细,均具细、微粒结构,在构造上大多发育条带状、纹层状、浸染状或胶状构造。在下雷式锰矿中更发育豆状、鲕状构造,据曾友寅(1989)及作者研究,其豆粒、鲕粒是由菱锰矿、蔷薇辉石、黑云母、锰铁叶蛇纹石、绿泥石、石榴子石等热液矿物组成的,并据此推测锰质豆粒、鲕粒形成于海底热液喷流口及其附近热水流动带。这些矿石结构特征同样反映出矿床的热水沉积成矿特征。
5)各矿床式的围岩蚀变均较弱,主要蚀变类型为硅化、碳酸盐化、黄铁矿化,在下雷式锰矿床中还常见蔷薇辉石化、菱锰矿化,弄华式矿床还有重晶石化,在长屯式矿床中硅化、绿泥石化主要见于矿体和底板围岩中,表现出“底蚀构造”特征。
6)区内热水沉积岩主要为硅质岩,见于下雷式、东平式及岜隆式矿床中,另在下雷矿区见有阳起石、锰石榴子石,茶屯矿区见有阳起石、透闪石“角岩”(黄金水等,1996),下雷式锰矿中的这些矽卡岩矿物或角岩在局部可能形成了层状矽卡岩,而这种层状矽卡岩或“角岩”推测也为热水沉积成因。至于下雷式锰矿中的锰质岩,弄华式矿床中的重晶石岩、黄铁矿石,既可是矿石,也可看成是一种热水沉积岩。长屯式铅锌矿床与区内大多数热水沉积铅锌矿床一样,未见硅质岩,但赋矿围岩中发育白云岩,并推测部分白云岩为热水沉积岩(见第六章第五节),因此推测长屯矿区含矿岩系中的白云岩以及弄华式矿床中矿体顶板的白云岩也与桂中-桂北地区的北山式、泗顶式及盘龙式矿床中的白云岩相似,可能为一种热水沉积岩。
三、成矿作用及成矿模式
1)前已述及本矿床成矿系列所处构造环境为右江海西-印支期裂谷盆地,那坡-龙州裂陷槽为右江裂谷盆地的一部分,并且,(广南)-那坡-龙州及下雷-灵马两条区域性同沉积断裂带控制了那坡-龙州裂陷槽的形成演化。右江裂谷盆地发展演化是从早泥盆世开始至中三叠世结束,即裂谷从早泥盆世开始发育,石炭纪时基本形成,早、中三叠世达盆地最大拉张期,中三叠世末裂谷封闭。在裂谷盆地发展演化过程中,随着地壳拉张的剧烈与缓和的交替进行,同沉积构造多次活动,导致含矿热水多次上涌,从而形成了区内多个层位产出的矿床及同一矿区中的多层矿体。因此,随着每一次拉张活动的增强都有相应的矿床形成,即从早泥盆世益兰期至早三叠世本区有弄华式、长屯式、岜隆式、下雷式及东平式等矿床的形成。根据上述分析可知,桂西南地区泥盆纪―早三叠世的锰、重晶石、黄铁矿、铅锌及磷矿为受右江裂谷构造的形成演化及那坡-龙州、下雷-灵马区域性同沉积断裂带活动控制、与热水沉积成矿作用有关的矿床成矿系列,称为“桂西南地区泥盆纪―早三叠世热水沉积型锰、重晶石、黄铁矿、铅、锌、磷矿床成矿系列”。其成矿模式如图4-12所示。
图4-12 桂西南地区泥盆纪―早三叠世热水沉积型锰铅锌重晶石黄铁矿矿床成矿系列成矿模式图
2)早泥盆世早中期(益兰期),地壳拉张裂陷有所增强,靖西弄华一带处于桂西古陆边缘,由于古隆起边缘拉张作用较强,在古隆起边缘斜坡地带会形成一些次级隆起和凹陷,而古隆起边缘的同沉积拉张断裂活动也相对较强,因而有利于深部热水的上涌。同时,当时沉积环境已变为潮下带-半局限盆地,处于碎屑岩相向碳酸盐相过渡地带,并逐步成为还原环境,是地球化学环境转换带,因而有利于硫化物的沉淀富集,因此,在次级凹陷的下部首先沉积了黄铁矿层。随着沉积物的加厚,当沉积界面处于氧化-还原过渡环境时,在黄铁矿层的上部又开始有重晶石的沉积富集,从而形成了黄铁矿层为下部层位,重晶石矿在上部层位,或重晶石矿体直接产于黄铁矿层上部的产出特征。此即弄华式矿床,其重晶石矿床可达大型规模。
3)早泥盆世塘丁期―中泥盆世早期为泥盆纪第一次剧烈拉张期。塘丁期开始,在德保、靖西一带已由陆表海变为海槽边缘环境,处于近碳酸盐台地一侧,这时,海水加深,浮游生物繁盛,同时,地壳深部热水上涌也带来部分磷质进入海槽边缘与碳酸盐台地过渡地带,与钙质结合形成胶磷矿,由于构造活动频繁,加之当时磷质来源有限,因此仅能形成一些条纹状磷矿化,未能形成工业矿体,其含磷岩石组合为泥质-硅质灰岩、白云质灰岩、黑色泥岩夹燧石条带,此即岜隆式磷矿在塘丁期的矿化。到中泥盆世早期,大新一带处于开阔台地相带,这时有长屯式铅锌矿形成,矿体主要呈似层状、透镜状产于中泥盆统四排组中,次有陡倾斜细脉状矿体产于底板围岩及寒武系中。长屯式铅锌矿的成矿与所处局部构造环境有关,在断裂活动过程中,该区地壳拉张性相对较弱,因而使热水成矿作用强度也较弱,仅有小型矿床形成,更有部分热水在沿同沉积断裂上升途中,未能到达盆地底部,而沿基底寒武系中的裂隙充填交代,形成了一些莲藕状、细脉状矿体,从而形成了长屯式铅锌矿床中似层状与脉状矿体共存,但似层状矿体在上,产于中泥盆统四排组中,陡倾脉状矿体在下,产于寒武系断裂裂隙中,两种矿体矿石成分相同又无互相穿插现象的特征。据此认为长屯式矿床的似层状、透镜状矿体与陡倾脉状矿体在成因上是密切相关的,如前所述,两种矿体均与深部含矿热水有关,只是含矿热水富集成矿的部位不同,从而形成了形状不同,并产于不同层位中的矿体,因此,矿区中两种矿体都属热水沉积成因。
4)到晚泥盆世早期,为盆地剧烈拉张期,北东向下雷-灵马同沉积断裂带的再次活动,导致下雷台沟形成及基性火山岩的喷发和一些基性岩脉的侵入。这时右江盆地的热水成矿作用也较强烈,但主要在盆地北部的丹池一带,桂西南地区这时仅有榴江组中或融县组中弱的锰矿化(如土湖、上映),以及岜隆式磷矿的形成,后者矿化强度也较弱,仅有条纹状磷矿产于硅质灰岩和泥岩中,而无原生工业矿体形成。本区的锰矿成矿作用主要在晚泥盆世五指山期的早阶段,虽然这时地壳拉张及断裂活动有所减弱,但那坡台沟(那坡坡荷、靖西安德)中于五指山组底部有基性火山岩及下雷台沟中基性岩脉产出表明,桂西南地区在晚泥盆世五指山期早阶段基本继承了晚泥盆世早期的构造活动特征,断裂活动仍较强,断裂穿切地壳深度较大,有利于深部锰质随深部热水沿同生断裂上升至海底成矿。产于上泥盆统五指山组第二段中的下雷式锰矿即在这时形成。下雷-灵马同沉积断裂带的活动,下雷台沟的形成,基性火山岩及岩脉的发育反映出的高古地热场环境等特征表明,桂西南地区在晚泥盆世五指山期的早阶段时的成矿环境十分有利。虽然此时发生海退,但下雷台沟处于广西海域南端,海退影响不大,从矿石中含黄铁矿及有机碳质说明下雷台沟当时处于半封闭的深水低能还原环境,有利于锰的沉淀,并形成了下雷、湖润、龙邦等下雷式锰矿床。该类矿床的热水沉积成矿特征极为明显:①矿体呈层状产出,产状与围岩一致,一般为3层矿,具明显的沉积特征,矿石具微、细粒结构及特征的豆状、鲕状、条带状和纹层状构造,矿石中的矿物成分除含锰碳酸盐系列矿物外,还含蔷薇辉石、锰铁叶蛇纹石、阳起石、锰帘石、石榴子石、钾长石、磁铁矿及赤铁矿等热液矿物,且其豆鲕粒也由这些热液矿物组成,这些均表现出明显的热水沉积成矿的特征;②前已述及(第三章第九节)下雷锰矿具明显的矿化分带特征,内带,锰矿层由碳酸锰、硅酸锰、硅酸盐及氧化物等系列热液矿物组成,豆鲕粒、团块、团粒发育,锰矿层厚度大,含锰较高,为热水沉积成矿活动中心地带的特征,往外过渡至外带,温度降低,热液矿物减少至消失,锰矿层厚度小至尖灭;③锰矿层中热水沉积硅质岩发育,局部还有热水沉积的层状矽卡岩(如茶屯)、而碳酸锰-硅酸锰矿石本身也可看成是热水沉积的锰质岩,对下雷及茶屯矿区硅质岩的常量元素、微量元素、稀土元素、硅氧同位素地球化学研究表明(详见第五章),该区硅质岩主要为热水沉积产物;④据Crerar等(1982)的研究,热水沉积物中相对富Cu、Ni而贫Co,Co/Ni小于1。该区下雷、茶屯矿区硅质岩、蔷薇辉石岩中的Co/Ni比值为0.20~0.67,均小于1,而矿区锰矿层的Co/Ni比值除湖润Ⅰ矿层的Co/Ni比值为1.66,大于1外,其余下雷矿区各矿层及湖润矿区Ⅱ矿层的Co/Ni比值均小于1,为0.33~0.9,也反映出成矿作用具明显的热水沉积成矿作用特征;⑤碳酸锰矿石的碳同位素δ13C为-2.83~-14.29,平均为-7.06(曾友寅,1994),锰矿石中豆鲕粒的δ13C为-7.78~-6.23(曾友寅,1989),这与现代洋底热泉水中溶解碳的同位素值(δ13C为-5~-8,StakeandO'Neil,1982)相近,也与源于地幔岩浆成因碳酸岩的δ13C值(-4.7~-8.0,平均-6.35;薛友智等,1994)相近,表明了碳的深部热水来源,反映出该区锰矿床的深部热水沉积特征。
5)石炭纪―早二叠世,右江盆地处于相对平静阶段,因此热水沉积成矿活动也很少见及。早二叠世末的东吴运动后,地壳又发生大规模张裂,早、中三叠世,达到盆地最大拉张期,海侵扩大,海平面上升,海水由东向西加深,右江盆地发育了台地相、浅海陆棚相及槽盆相沉积,在浅海陆棚环境的东平一带于早三叠世形成了东平式锰矿。作者认为东平式锰矿也为热水沉积型矿床:①矿床位于下雷-(东平)-灵马断裂带附近的北西侧,桂西南地区在早三叠世早期有基性火山岩喷发,在东平矿区下三叠统中见有角砾状灰岩(吴应林等,1994;古锦婵,1982),表明区内早三叠世期间同沉积断裂的再次活动,而锰矿成矿可能直接受到了下雷-灵马区域性同沉积断裂带及有关次级断裂的控制;②从沉积环境看,东平矿区处于台地相向陆棚相过渡的浅海陆棚边缘,水体较深,处于相对封闭的还原条件,较有利于含锰碳酸盐矿物的沉积;③桂西南地区及矿区下三叠统中都有基性火山岩产出,反映出成矿时具高的地热场环境,表明成矿同样受到了右江盆地内自晚二叠世以来的区域性地幔热事件的影响,为热水成矿作用提供了热动力;④热水为锰矿成矿提供了主要的锰质来源,一方面热水从深部直接带来,其锰质可能主要与基性岩浆有关,另一方面也与热水对流循环中对基底地层特别是基性火山岩中Mn的萃取淋滤有关,据吴应林等(1994)的研究认为:海水中的pH值随温度的升高而急剧下降。常温下海水中的pH值为8左右,350℃时pH值为4~5,500℃时pH降至2,而锰的活化温度区间正是400~500℃之间。这种高温强酸的热水能把锰从岩层中大量萃取淋滤出来。滇东南地区,热水携带的锰可能主要来自热水对二叠纪峨眉山玄武岩和中三叠统个旧灰岩(平均含MnO0.1%)的萃取淋滤。桂西地区则可能主要来自热水对下三叠统火山岩的萃取淋滤。由于滇东地区矿源层厚度大,分布广,远非桂西地区所能及,因此认为,这很可能是滇东南多富锰矿,而桂西地区的原生锰矿石多为贫矿的原因之一。作者也同意这种分析。由于二价锰主要在弱碱性(pH为7.3~8.4)环境沉淀,pH为7.8是二价锰矿物大量沉淀的界线,因此,当含锰的高温强酸热水沿同生断裂上升至海底与偏碱性的海水相遇后,因温压的降低和pH值的变化,Mn2+就会析出并发生沉淀而形成含锰的碳酸盐矿物;⑤矿区中矿体呈层状产出,产状与围岩一致,矿石具微粒结构。微层状、纹层状、条带状构造,含矿层下部有硅质岩产出,这些也显示了矿床具热水沉积成矿作用的特征。
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