文章編號1000-5269（2024）06-0001-07

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.06.01

摘要：成冰系-埃迪卡拉系轉(zhuǎn)折期是地球演化的一段重要變革時期，不僅發(fā)生了地球環(huán)境的驟變、生命的繁衍進(jìn)化，而且在陡山沱組底部廣泛沉積含錳（鈷）白云巖，甚至在局部地區(qū)形成鈷錳礦床，具有非常重要的理論意義和工業(yè)價值。以貴州石阡中壩鈷錳礦為例，初步探討礦床成因及其地質(zhì)意義，獲得如下認(rèn)識：礦體主要呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出陡山沱組底部，礦石類型主要為含鈷錳黏土巖、含鈷錳白云巖，鈷可能主要賦存于高價錳氧化物中。持續(xù)的熱液活動為成礦提供了重要物質(zhì)基礎(chǔ)，風(fēng)化作用改造對成礦具有重要控制作用，初始階段沉積的含鈷錳白云巖部分遭受風(fēng)化形成含鈷錳黏土巖，這一過程有利于鈷的進(jìn)一步富集成礦。初步認(rèn)為揚子板塊陡山沱組底部鈷錳礦化現(xiàn)象發(fā)育，具有鈷錳礦找礦的潛力和前景。

關(guān)鍵詞：鈷錳礦床;鈷賦存狀態(tài);成因;陡山沱組;石阡中壩;貴州東部

中圖分類號：P611

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

全球鈷礦資源主要集中分布在陸地和現(xiàn)代海底，其中陸地上鈷礦資源主要集中在剛果（金）、澳大利亞、加拿大、菲律賓、俄羅斯等國家。據(jù)統(tǒng)計，截至2022年全球陸地鈷資源儲量約為8.3×10.6 t，剛果（金）的鈷資源儲量就達(dá)到4×10.6 t，約占全球陸地鈷資源總量的48%［1］。現(xiàn)代海底富鈷結(jié)核/結(jié)殼中鈷資源量很大，僅太平洋、大西洋和印度洋海山的富鈷結(jié)殼中的Co金屬量預(yù)計達(dá)到4億t～8億t［2-3］，但從資源可利用性和經(jīng)濟角度來看，短期內(nèi)陸地上的鈷礦資源仍是優(yōu)先利用方向。然而，我國鈷資源是極為短缺的，且鈷礦資源儲備明顯不足。截至2022年，我國已探明陸地鈷資源量為1.4×10.5 t，僅占全球鈷資源量的1.7%［1］。由于我國新能源電池產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對鈷資源的需求量和消耗量均很高，對外依存度高達(dá)98%［4］。因此，推動實現(xiàn)我國鈷礦找礦突破，維系并提升我國鈷礦資源保障能力意義重大。

眾所周知，鈷一般常以共伴生礦的形成產(chǎn)出，獨立鈷礦床很少。關(guān)于鈷礦床的類型劃分存在不同的劃分方案，主要包括有沉積巖容礦型Cu-Co礦、紅土型Ni-Co礦、巖漿Cu-Ni硫化物礦和熱液脈型鈷礦床等［4-5］，其中沉積巖容礦型Cu-Co礦占比最高。雖然我國鈷礦資源較為短缺，但錳礦資源分布較為廣泛，特別華南地區(qū)產(chǎn)出了許多氧化錳礦床［6-7］，而這些氧化錳礦床中鈷呈現(xiàn)明顯富集的特征，其含量可達(dá)0.03%～0.08%［8-9］，其理論意義和潛在的經(jīng)濟意義是值得重視的，或許能為我國鈷礦找礦開辟出新方向。

對比來看，貴州境內(nèi)同樣發(fā)育有類似的鈷（錳）礦床，其中包括石阡中壩產(chǎn)于陡山沱組底部的鈷錳礦床、產(chǎn)于二疊系茅口組頂部的黔西泰來鈷錳礦及賦存于三疊系法郎組底部的興義趙家溝鈷錳礦［10-12］。其中，石阡中壩鈷錳礦床是原貴州冶金地質(zhì)一隊（現(xiàn)貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局一總隊）于1972年首先在貴州石阡陡山沱組底部發(fā)現(xiàn)。之后，學(xué)者對該礦床地質(zhì)特征及鈷-錳的遠(yuǎn)景資源量進(jìn)行了初步調(diào)查和評價，但總體研究工作程度很淺，涉及礦床成因、成礦過程及關(guān)鍵控礦要素等科學(xué)問題始終未得到深入研究。鑒于此，本文擬以貴州石阡中壩鈷錳礦床為研究對象，目的是分析成礦物質(zhì)來源和鈷的賦存狀態(tài)，進(jìn)而約束礦床成因，探討其成礦地質(zhì)意義，并期望進(jìn)一步為探索陡山沱期鈷錳礦床成礦規(guī)律及找礦提供理論參考。

1區(qū)域地質(zhì)背景

新元古代發(fā)生的Rodinia超大陸裂解、全球性冰期事件、海洋水體環(huán)境變化等系列重大地質(zhì)事件為地球演化和生命的繁衍進(jìn)化奠定了重要基礎(chǔ)［13-14］。其中，雪球地球（Marinoan，～635 Ma）事件結(jié)束之后，全球氣候條件快速地從寒冷狀態(tài)轉(zhuǎn)入溫暖環(huán)境，伴隨著在全球各大陸沉積的厚度不等的蓋帽碳酸鹽巖的出現(xiàn)［15-17］，正式拉開了埃迪卡拉紀(jì)沉積的序幕。埃迪卡拉系在揚子板塊的分布比較廣泛，根據(jù)目前新的地層劃分方案，埃迪卡拉系主要由陡山沱組和燈影組組成，其內(nèi)部又劃分為上、下兩統(tǒng)六階［18］。

由于雪球地球事件的結(jié)束和氣候環(huán)境的持續(xù)轉(zhuǎn)暖，揚子地區(qū)接受了來自南東側(cè)的大規(guī)模海侵作用影響，在古地理特征方面出現(xiàn)了自北西向南東依次展布的內(nèi)陸架至大陸坡格局（圖1）。受此影響，在揚子板塊的相對淺水區(qū)域，陡山沱組主要沉積發(fā)育了以碎屑巖和碳酸鹽巖為主的混合沉積序列，并與下伏成冰系南沱組冰磧礫巖呈整合或平行不整合接觸［17，19］。這一時期，石阡地區(qū)主要位于陸架邊緣，陡山沱組主要沉積了白云巖、含鈷錳白云巖及黑色炭質(zhì)頁巖等巖石類型，石阡中壩鈷錳礦就主要賦存于陡山沱組底部黑色、灰黑色含鈷錳黏土巖或含鈷錳白云巖中。

2礦床地質(zhì)特征

貴州石阡中壩鈷錳礦床處于銅仁開闊復(fù)式褶皺變形區(qū)中段北緣［10］，礦區(qū)構(gòu)造情況相對比較簡單，除靠近Ⅰ號礦體北側(cè)發(fā)育一條小型斷層外，礦區(qū)南北兩側(cè)主要發(fā)育2條規(guī)模較大的正斷層，分別是甘溪斷層和干河壩斷層（圖2）。其中，甘溪斷層呈北東-南西向從礦區(qū)北西側(cè)穿過，該斷層傾向北西，走向約70°，傾角約72°，長約10 km，斷距約100 m。干河壩斷層為石阡斷層的南向延伸段，主要呈北北東-南南西向從礦區(qū)東南部斜穿而過，該斷層傾向南東，走向約40°，傾角約70°，斷距數(shù)十米至百余米不等。石阡中壩地區(qū)鈷錳礦床含礦巖系大致呈南北向展布，其兩側(cè)延伸段主要終止于北西側(cè)的甘溪斷層和南東側(cè)的干河壩斷層。

石阡中壩鈷錳礦床礦石類型主要為含鈷錳黏土巖、含鈷錳白云巖組成。礦石多以鋼灰色、棕褐色條帶狀、塊狀構(gòu)造為主（圖3）。礦石礦物除鋇錳礦、水錳礦等礦物外，可能還發(fā)育有軟錳礦、硬錳礦、鈷鎳氧化物，脈石礦物有白云石、方解石、石英、黏土礦物等。

上世紀(jì)八十年代原貴州冶金地質(zhì)一隊（現(xiàn)貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局一總隊）曾對該礦床開展了地質(zhì)測量和資源評價工作，共發(fā)現(xiàn)3個鈷錳礦體，從北至南分別編號Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ（圖2）。其中：Ⅰ號礦體地表延伸約170 m，厚度1.20～3.65 m，Co含量0.030 3%～0.034 2%，錳含量10.52%～14.47%；Ⅱ號礦體地表延伸255 m，厚度1.47～4.04 m，Co含量0.031 3%～0.037 6%，錳含量8.90%～10.04%；Ⅲ號礦體地表延伸135 m，平均厚度2.06 m，Co含量0.031 8%～0.054 6%，錳含量3.60%～7.74%。3個礦體初步獲得鈷錳礦遠(yuǎn)景資源量約73 358.4 t，其中鈷金屬量約26.45 t［10-11］。

從礦區(qū)出露的地層來看，主要發(fā)育有成冰系鐵絲坳組、南沱組，埃迪卡拉系陡山沱組、燈影組，寒武系牛蹄塘組和明心寺組，以及奧陶系湄潭組（圖2）。其中鈷錳礦床主要賦存于埃迪卡拉系陡山沱組底部，礦體主要呈似層狀或透鏡狀產(chǎn)出。礦層底板為成冰系南沱組的灰白色、青灰色及紫紅色冰磧礫巖。

現(xiàn)將石阡中壩鈷錳礦床地層剖面特征由底至頂分述如下：

成冰系：南沱組

（7）青灰色和紫紅色冰磧礫巖，內(nèi)部時見浸染狀、脈狀方解石脈發(fā)育，未見底。

埃迪卡拉系：陡山沱組

（6）紫紅色、土黃色硅質(zhì)泥巖，水平層理發(fā)育，厚約2.0 m。

（5）灰黑色硅質(zhì)泥巖，風(fēng)化較為嚴(yán)重，多呈土狀產(chǎn)出，厚約2.5 m。

（4）灰黑色、深黑色含鈷錳黏土巖，該層中可見透鏡狀方解石或脈狀硅質(zhì)泥巖，厚約6.0 m。

（3）土黃色硅質(zhì)泥巖，厚約0.45 m。

（2）灰黑色含鈷錳黏土巖，厚約0.30 m。

（1）灰黑色硅質(zhì)泥巖，未見頂。

3成礦物質(zhì)來源

研究表明，伸展背景下連通深部物質(zhì)循環(huán)的海底熱液系統(tǒng)很可能是錳的最重要或初始物源區(qū)［20-21］。這一現(xiàn)象在新生代海洋系統(tǒng)中更為明顯，理論計算表明，該時期海洋中約90%的錳來自于海底熱液系統(tǒng)，并在海洋的深層水體中形成錳的初始儲庫［22-23］，從而為海相沉積型錳礦床的形成奠定了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)［20］。對比來看，陡山沱組沉積形成的含錳白云巖在揚子地區(qū)的分布是比較廣泛的［17］。關(guān)于這一時期白云巖中為何出現(xiàn)相對較高的錳含量，NING等［24］研究指出，雪球地球時期海底可能存在持續(xù)了約1 500萬年的熱液Mn2+的不斷輸入，這一地質(zhì)事件會引起Mn2+在海水中不斷積累，并最終導(dǎo)致海水中Mn含量的整體偏高。在此背景之下，伴隨冰期結(jié)束和海水化學(xué)條件的變化，陡山沱組沉積形成的白云巖往往具有較高的錳含量，而且這一特征相較于其他時期的白云巖較為明顯。周許梅［25］通過對貴州石阡中壩鈷錳礦床元素地球化學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)熱液活動可能提供了重要的錳源，也是該鈷錳礦床成礦物質(zhì)的重要來源和途徑。以往研究也發(fā)現(xiàn)，湖北、湖南、貴州等地陡山沱組底部均發(fā)育有火山灰層（635.2±0.6 Ma）［26］，這也進(jìn)一步印證了這一時期火山-熱液活動的存在。

石阡中壩鈷錳礦床中Co含量相對較高，且Co與Ni、Cu、Zn往往具有共同富集的特征，Ni、Cu、Zn富集可能與熱液活動關(guān)系密切［25］，暗示它們可能具有相似的來源，推斷熱液活動可能是鈷的初始來源，當(dāng)然也不排除錳沉淀富集過程中從海水中吸附Co離子。另外，鈷在陡山沱組底部出現(xiàn)富集，可能不是局部現(xiàn)象，位于鄂南方山地區(qū)的南沱組、陡山沱組中Co元素也具有比較高的背景值（分別為17.68 μg/g和21.70 μg/g）［27］，這可能與冰期時期海底持續(xù)的熱液活動有密切的成因聯(lián)系。因此我們認(rèn)為，石阡中壩鈷錳礦床成礦物質(zhì)可能主要來自于熱液體系。

4鈷的賦存狀態(tài)

以往研究表明，表生風(fēng)化階段Co元素常以Co2+形式發(fā)生遷移，并在適宜的地質(zhì)條件下以Co3+形成鈷的獨立礦物或賦存于錳氧化物等礦物之中而發(fā)生沉淀［28］。由于錳特殊的地球化學(xué)性質(zhì)和行為，發(fā)育的氧化錳礦床中常見鈷的富集現(xiàn)象［29-30］，但鈷在氧化錳礦中的賦存形式多種多樣，其中包括以吸附形式［31］，或以鈷的獨立礦物形式存在［32］，亦或通過替代方式進(jìn)入錳礦物晶格中［33］。

周許梅［25］對石阡中壩鈷錳礦床礦物學(xué)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)有鋇錳礦、水錳礦等多種錳礦物類型。除此之外，可能還發(fā)育有軟錳礦、硬錳礦，以及少量鈷鎳氧化物等［10］。為了探究該礦床中鈷可能的賦存形式，周許梅［25］針對部分代表性樣品開展了TIMA實驗，結(jié)果顯示，Co在鋇錳礦、水錳礦等錳礦物中明顯富集（圖4）。

元素相關(guān)性分析也表明，Co與Ba和MnO之間具有較高的相關(guān)性（相關(guān)性系數(shù)分別為R.2=0.52和R.2=0.66）（圖5）?；谏鲜龇治?，初步認(rèn)為中壩鈷錳礦床中的鈷可能主要賦存于錳礦物相中，其中鋇錳礦、水錳礦等含錳礦物可能是Co重要的載體礦物。

5礦床成因及其地質(zhì)意義

研究表明，Marinoan冰期結(jié)束過程中存在較為強烈的化學(xué)風(fēng)化作用，而且這一地質(zhì)作用的發(fā)生時間可能要早于蓋帽碳酸鹽巖的沉積［34］。通過對貴州東部地區(qū)陡山沱組底部地層沉積序列及沉積特征研究，發(fā)現(xiàn)了指示暴露環(huán)境的小型帳篷構(gòu)造、包殼狀硅質(zhì)櫛殼等沉積構(gòu)造特征［35］，這些對于石阡中壩鈷錳礦床的形成可能具有重要的影響甚至控制作用。綜上所述，我們認(rèn)為該礦床成礦過程具體表現(xiàn)為：首先，海底熱液/火山活動將Mn、Co等元素大量輸送至海洋體系，并在海水中不斷積累，隨著Marinoan冰期的結(jié)束以及大陸風(fēng)化作用的發(fā)生，在相對氧化、堿性水體條件下，蓋帽白云巖大面積沉積，這一過程中，Mn多以高價氧化物形式與白云石發(fā)生共同沉淀，而錳氧化物會進(jìn)一步通過選擇性吸附作用將Co從水體中移除，并最終形成含鈷錳白云巖。其次，由于強烈的化學(xué)風(fēng)化作用，以及研究區(qū)所處的淺水甚至暴露環(huán)境，先期沉積的含鈷錳白云巖不斷遭受風(fēng)化改造，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)楹掑i黏土巖，這一過程中鈷的富集程度會進(jìn)一步提高。總體來講，石阡中壩鈷錳礦富集成礦與沉積再風(fēng)化作用關(guān)系密切。

雖然石阡中壩鈷錳礦床規(guī)模不大，但其在探索Marinoan冰期及其結(jié)束后的環(huán)境變化和鈷錳礦找礦方面的潛在地質(zhì)意義是值得重視的。陡山沱早期，含錳白云巖在揚子地區(qū)的分布是比較廣泛的［17］，部分地區(qū)（鄂南方山）陡山沱組還具有較高的Co背景值，甚至因熱液活動的疊加改造而形成鈷礦床［27］。因此，面對未來我國可能持續(xù)增長的鈷需求（預(yù)計未來25年僅新能源汽車產(chǎn)業(yè)的鈷需求量超過200萬t）和鈷礦資源供應(yīng)鏈薄弱的風(fēng)險［36］，在探尋和利用鈷礦資源時，圍繞陡山沱早期鈷錳礦的地質(zhì)找礦工作也值得重視。以石阡中壩鈷錳礦為例，首先，該礦床主要產(chǎn)于成冰系南沱組之上的陡山沱組底部，其下伏地層南沱組冰磧礫巖特征明顯，可以作為間接的地層學(xué)或巖石學(xué)找礦標(biāo)志之一。其次，鈷錳白云巖經(jīng)風(fēng)化形成的黏土巖中鈷富集程度更高，圍繞陡山沱組底部含錳白云巖分布區(qū)，并結(jié)合陡山沱期巖相古地理，在相對淺水區(qū)或暴露剝蝕區(qū)可能產(chǎn)出類似石阡中壩鈷錳礦床。

6結(jié)論

1）貴州石阡中壩鈷錳礦床主要呈透鏡狀產(chǎn)出埃迪卡拉系陡山沱組底部，礦石類型主要為含鈷錳黏土巖和含鈷錳白云巖。鈷的主要載體礦物可能以高價錳氧化物為主。

2）海底火山/熱液活動可能為成礦提供了初始物源，其成礦可能經(jīng)歷了初始階段沉積含鈷錳白云巖，之后由于遭受強烈的風(fēng)化作用影響，形成含鈷錳黏土巖。

3）陡山沱組底部錳白云巖的分布范圍廣泛，且在揚子地區(qū)的部分地段已發(fā)育形成鈷錳礦床，因此本文建議加強陡山沱組底部鈷-錳礦床的找礦工作，并通過基于巖相古地理的綜合分析，從地層學(xué)或巖石學(xué)角度凝練找礦標(biāo)志，或許能為鈷錳礦找礦開辟一個新方向。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Abstract：

The Cryogenian-Ediacaran transition is an important turning duration in the history of earth. In this duration， the sudden change of the earth environment and the evolution of life occurred， the manganese-cobalt-containing dolomite was widely deposited at the bottom of the Doushantuo Formation， further， the cobalt-manganese ore deposits in some local areas were formed， which has very important theoretical significance and industrial value. In this study， we took the Zhongba cobalt-manganese deposit in Shiqian， Guizhou as an example， the ore deposit's genesis and geological significance were investigated. The main knowledge obtained in this study is as follows. The ore bodies are mainly stratiform-like and lens-like， which "occur in the bottom of Doushantuo Formation. The main types of ore are cobalt-manganese-containing clay rock and cobalt-manganese-containing dolomite， and the cobalt may mainly occur in manganese oxides. The continuous hydrothermal activities are an important substance basis for mineralization， and the weathering plays an important role in controlling the mineralization process. During this process， some of the cobalt-manganese dolomite is weathered， resulting in the formation of cobalt-manganese clay rock， which is conducive to the further enrichment and mineralization of cobalt. Based on the above-mentioned analysis， we preliminarily believed that the cobalt-manganese mineralization is widely developed at the bottom of Doushantuo Formation in Yangtze Plate， which suggested a mineralization prospecting potential in the present layer.

Key words：

cobalt-manganese deposit; Co occurrence state; genesis; Doushantuo Formation; Shiqian; East Guizhou

收稿日期：2024-08-28

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（42163006， 42462008）；貴州省科技支撐資助項目（黔科合支撐[2024]一般128）；貴州省科技計劃資助項目（黔科合基礎(chǔ)ZK[2023]一般463）；貴州省教育廳資助項目（黔教技[2022]350號）

作者簡介：高軍波（1985—），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：沉積礦床教學(xué)與研究，E-mail：jbgao@gzu.edu.cn.

*通訊作者：高軍波，E-mail：jbgao@gzu.edu.cn.

高軍波，博士，教授，博士/碩士生導(dǎo)師。研究方向主要涉及重晶石礦、錳礦、磷礦等礦產(chǎn)資源成因和成礦規(guī)律。先后主持科技部重點研發(fā)計劃項目子課題、國家自然科學(xué)基金項目、貴州省科技廳重大科技攻關(guān)協(xié)同創(chuàng)新項目專題等國家級、省部級科研項目10余項。已在Precambrian Research、Ore Geology Reviews、Journal of Geochemical Exploration等國內(nèi)外期刊發(fā)表科研論文100余篇，出版學(xué)術(shù)專著4部。獲貴州省自然科學(xué)獎三等獎、自然資源部優(yōu)秀科普圖書獎、貴州省研究生教學(xué)成果獎、貴州大學(xué)國華獎等。入選貴州省高層次創(chuàng)新型人才千層次人才。