锰是地壳中的一种主量元素，在地壳中的含量为0.09%。在火成岩中MnO的丰度很低，从酸 性岩的0.08%，到超基性岩的0.25%，内生富集的锰矿床很少。锰的富集作用是外生的， 然 而沉积岩中锰的含量变化也很大，砂岩中只有痕量，灰岩中为0.03%，页岩中的平均含量 也 仅为0.085%（Chen et al.,1990）。各种常见岩石类型中锰含量普遍很低，说明锰要达 到 工业品位，其形成环境要求沉积分异明显，掺和作用微弱，富集系数至少为300～500。因而 构造活动性较低、沉积环境稳定的地区，特别是大陆架的滨海地带或那些出现火山作用的下 沉海槽中（乌尔夫，1980），是菱锰矿矿床发育的有利区。勘探实践也证实，许多大型的锰 矿床如澳大利亚Groote Eyland锰矿床、墨西哥Molango锰矿床以及中国贵州西溪堡锰矿床通 常赋存于沉积速率较低的黑色泥岩盆地内（Frakes et al.,1984；Okita et al.,1992；付 勇等，2014）。
        近年来，在黔东北南华系大塘坡组的黑色泥岩中陆续发现了许多大型的隐伏菱锰矿矿床，如 道坨、杨家湾和西溪堡锰矿床等（何志威等，2013；张飞飞等，2013）。这些含锰矿层并非 稳定的层状沉积体，富锰矿体只是局部存在（朱祥坤等，2013），存在很强的非均质性。前 人对元古代的古气候和古地理等沉积坏境开展了相关研究，厘定了大塘坡组的岩相古地理分 布（王鸿祯等，1980；1981）。菱锰矿矿床的发育位置与沉积环境具有明显的相关性，主要 分布于上扬子古陆附近鄂黔浅海的黑色泥岩沉积区，很多学者对其形成条件也进行了反复的 讨论（王鸿祯等，1980；1981；涂光炽，1987），但还有一些突出的问题悬而未决。其中， 菱锰矿作为一种内源沉积岩，其形成分布不仅受控于水动力条件，而且与锰离子的物质来源 、沉积环境的水化学特征以及盆地内部沉积速率的差异性密切相关。这些环境因素都会体现 在菱锰矿空间分布的非均质性上，因而探讨含锰岩系沉积期的古地貌和古水深特征对菱锰矿 的分异富集有何控制作用，可以通过研究岩相的多尺度非均质性得以解决，这种研究也有助 于解释新元古代的古地理特征，为矿床地质勘查和富锰矿体预测提供借鉴。
本文从富锰矿体 的区域分布、锰矿品位变化的古地理条件及富锰沉积物的矿物共生组合等角度，开展菱锰矿 形成分布的非均质性研究，以期揭示菱锰矿富集的控制机理。
        黔东北地区南华系大塘坡组的菱锰矿处于扬子陆块与江南陆块的过渡区(图1a)，南东方向为 鄂黔浅 海，北西方向为上扬子古陆（图1b）。区内锰矿床主要受几条NE向、NNE向及NEE向展布的走 滑断 裂控制，如西溪堡断裂、红石断裂、木耳断裂等（图1c），而大型的菱锰矿矿床都位于断裂 附近的次级洼陷内。含锰岩系的下伏地层为铁丝坳组（Nh₁t）灰色岩屑砂岩 、含砾黏土岩， 局部地段为角砾状白云岩；而其上覆地层为大塘坡组第二段（Nh₁d²）深灰色粉砂 质页岩夹碳质页岩（王砚耕等，1985；许效松等，1991）。 岩相古地理研究表明，黔东北大塘坡组菱锰矿所处的沉积环境为冰碛岩之后的浅海相黑色泥 岩沉积（图1b），菱锰矿赋存于大塘坡组的碳质页岩中（Fan et al.,1992；刘巽锋等，198 3）。含矿层具水平层理或线理，呈层状、似层状顺层缓倾斜产出，层位固定。含锰岩系平 均厚度20 m，矿石中的主要含锰矿物为泥晶菱锰矿，菱锰矿含量40%～60%，最高为70%～75% 。
2次级洼陷对菱锰矿矿床平面分布的控制 大塘坡沉积期黔东北地区属于具火山弧活动的大陆边缘沉积，沿NE方向发育一系列地垒型断 裂体系（图1c，图2），地貌上表现为构造脊，这些构造脊具有拦截沉积物的堤坝作用，而 构造脊之间将产生水深更大的次级洼陷（王砚耕等，1985）。菱锰矿的赋存场所与古地貌密 切相关，大型的菱锰矿矿床 就分布于北东向断裂控制的杨家湾盆地、大塘坡盆 地、杨立掌盆 地等同沉积次级洼陷内。
        这些次级洼陷内富含有机质的黑色泥岩十分发育，几乎都有菱锰矿 产出（图2）。黔东北地区的锰矿床之间，在构造上表现为地垒，对应的含锰岩系中黑色泥 岩和菱锰矿却不发育，出现较多的白云岩。该白云岩具有明显的内碎屑结构，且含有磨圆较 好的陆源碎屑石英颗粒，为矿床的间歇标志。这一现象说明菱锰矿并不连续沉积在整个大盆 地内，而是在一系列的次级洼陷内浓缩而成，也反映了锰的沉积作用可能为与海侵作用有关 的幕式沉积。
菱锰矿矿床都集中分布于冰碛岩之上，富含有机质的大塘坡组一段下部，尽管层位分布稳定 ，但含锰矿层的分布受控于古水深和古地貌等环境因素，并非区域稳定的层状沉积体。从富 锰矿体只出现在黑色泥岩盆地内的次级洼陷来看（图2），要形成大型的富锰矿体，浓集过 程不仅需要充足的含锰物质来源，而且需要特定的水动力环境促使锰跟石英、长石、云母等 陆源碎屑以及悬浮的黏土组分有效分异，即菱锰矿沉积期，陆源物质很少到达次级洼陷。大 塘坡组一段有机质含量高，主要为富含黄铁矿的黑色碳质泥岩，反映了该时期水体深度较大 。相对于冰碛岩发育的铁丝坳组，当时海平面已经明显上升，陆源碎屑供给不足。尤其杨家 湾盆地、大塘坡盆地等强还原环境的次级洼陷内部，跟周围的地垒隆起区相比，陆源碎屑颗 粒受海平面上涨的顶托作用，注入更少，最终菱锰矿和粉砂质碎屑颗粒以及陆源黏土能充分 的发生机械分异，这与波罗的海内部的现代菱锰矿沉积分异条件类似（Huckriede et al.,1 996）。
很多学者从沉积构造、岩相古地理、海平面变化分析等角度对菱锰矿成因的研究表明，厌氧 的还原环境有利于菱锰矿的形成（刘红军，1987；赵东旭，1987；郑荣才等，1991；何明华 ，2001；夏国清等，2010）。含锰岩系以有机质含量较高的泥质沉积物为主，沉积物中含放 射虫硅质岩（黄慧琼等，1988），说明大塘坡组菱锰矿的形成水体较深（大于100 m）。
        但 由于元古代的古生物组合和古构造特征不同于现代海洋，古水深的绝对大小难以参照现代沉 积特征进行类比。从含锰岩系的泥质沉积物纹层发育，石英和云母等陆源碎屑颗粒含量高等 特征推断，此类次级洼陷为距离古陆不远的局限浅海相，并非缺乏陆源供给的深海沉积。浅 海沉积区通常水深20～500 m，大致相当于滨面带以外至陆架坡折之间的的广阔海域，该区 不 只是沉积物从陆地到深海传输搬运的中途客栈，也经常是陆源物质沉降停息的最终聚集场所 （Leeder，2011）。换句话说，在到达深海之前，大部分沉积物就在陆架区停止不前而发生 沉积埋藏。同一相带内古水深和古地貌的差异，将导致水动力条件、沉积速率和陆源碎屑掺 和作用强度的变化，最终导致内源沉积物的分异富集。故浅海相假如存在隆洼相间的地貌格 局，将对沉积物的传输、分异和沉积产生重要影响。例如现代大洋中的锰结核，也形成于沉 积速率极低的欠补偿沉积区，否则将被陆源碎屑物质掩盖，而且锰结核的平均含锰丰度与沉 积物的聚集速率呈负相关关系（Glasby，1978）。由此可见，黑色泥岩盆地内部的次级洼陷 ，水体深度比周围的浅海区更大，随着海平面上升，因而陆源碎屑输入物很少，还原环境发 育，有利于锰元素的富集，否则将被陆源物质稀释，最终降低矿床的品位。
        黔东北黑色泥岩盆地各个次级洼陷中，菱锰矿主要分布于洼陷内部，向外逐渐相变为白 云岩，再向外白云岩又相变为含粉砂的碳质页岩（图1d），在平面上形成对称的岩性组合分 带（周琦等，2007）。此外，含锰岩系沿着走向逐渐变薄，锰品位与含锰岩系厚度和矿层厚 度密切相关。
例如，杨家湾矿区以F38断层为界，北西部没有含锰岩系；南东一带地表有含锰岩系断 续出露，主要由碳质页岩、含锰碳质页岩、菱锰矿及粉砂质碳质页 岩等组成。杨家湾锰矿的含锰岩系厚度等值线呈环 形，厚度变化较大，最大厚度位于ZK401井、ZK402井和ZK203井附 近；矿层厚度最大的区域，也主要分布于ZK402井和ZK203井附近。从图3a可以看出，锰品位 大于15%的区域也位于ZK401井和ZK402井附近。
沿着矿层走向的剖面（图4）显示，含锰岩系厚度、锰矿层厚度具有明显的正相关特征。ZK7 01和Ld5附近含锰岩系厚度较小，一般小于1 m，锰矿层不发育；而二者之间的ZK402井附近 ，含锰岩系厚度最大，为14～16 m厚，此处锰矿层也最厚，厚约8 m。从图3a和图3b可以看 出 ，锰矿品位最高与含锰岩系厚度最大的区域都位于ZK402井附近（图4），说明锰矿的富集区 域与沉积中心保持一致，含锰岩系厚度和品位具有明显的正相关性。矿层厚度和锰矿品位的 变化相比，前者曲线波动较大，在Ld3和Ld5附近矿层厚度为2～5 m，ZK402井附近却为15～1 6 m；而后者变化较小，如Qz6_Ld5剖面上的所有钻井品位为12%～18%。这一现象说明，菱锰 矿 沉积期整个洼陷的陆源物质注入量都很小，但洼陷内不同位置的锰元素供给程度和沉积速率 却存在差异，受北东向的隆洼格局所控制，含锰岩系和富锰矿层的沉积中心与次级洼陷的沉降中心基本一致。
        在黔东北地区，锰元素不仅平面上具有很强的非均质性，而且垂向分布也变异明显。菱 锰矿的纵向分布规律与含锰岩系的垂向序列特征密切相关。根据含锰岩系的岩性组合特征和 铁锰的含量变化，以杨家湾锰矿为例，划分为锰矿层底板、锰矿层、锰矿层顶板，分别对应 于A段、B段、C段（图5）。按岩性组合，自下而上进一步细分为9小层，各层特征如下：
A段（锰矿层底板）
① 黑色碳质页岩，靠顶部夹含锰碳质页岩。含细粒黄铁矿，多呈星点状产出。局部见一层 厚3～8 cm的白云岩或白云质灰岩。
B段（锰矿层，主要由碳质页岩及菱锰矿层等组成）
② 黑灰色条带状菱锰矿，夹少许含锰碳质页岩，变化较大。底界见表外矿石。厚度：0.60～13.04 m。
③ 黑色碳质页岩，含锰碳质页岩，含黄铁矿，多沿层呈线状产出。该层厚度变化较大，分 布极不稳定。厚度：0.30～1.71 m。
④ 黑灰色、钢灰色条带状菱锰矿，局部夹含锰碳质页岩。顶部多为表外矿石。厚度变化较 大。厚度：0.66～3.30 m。
C段（锰矿层顶板）
⑤ 黑色碳质页岩、含锰碳质页岩，偶夹泥晶灰岩薄层。含黄铁矿呈线状、断线状沿层分布 。厚度：0.26～12.27 m。
⑥ 浅灰色，薄-中层泥晶灰岩或粉砂岩或者粉砂质黏土岩。分布不稳定，厚度变化较大,仅 少数钻孔中见到，从平面上看，多呈透镜状产出。厚度：0～1.49 m。
⑦ 黑色碳质页岩，夹含锰碳质页岩，富含细粒黄铁矿。厚度：0.57～13.64 m。
⑧ 浅灰—浅灰白色凝灰质砂岩或凝灰质黏土岩，富含细粒黄铁矿较多及白云石方解石细脉 ，大致顺层呈透镜状分布。厚度不稳定，变化较大。厚度：0.90～0.22 m。
⑨ 黑色碳质页岩，含黏土质碳质页岩及少量含粉砂质碳质页岩。厚度：14.02～29.14 m 。
含锰岩系底板为铁丝坳组砂岩或粉砂岩，不发育菱锰矿，总体为一套冰水沉积的碎屑岩建造 ，TOC（总有机碳，下同）含量普遍小于0.8，说明沉积环境Eh值较高。含锰岩系内 部的有机 质含量一般大于1.2%，说明菱锰矿形成于强还原的沉积环境，但有机质含量与锰的品位变 化相关性不明显（图5），表明锰品位的变化不仅与还原环境有关，也受锰元素供给程度的 影响。含锰岩系的顶板，从大塘坡盆地的N04孔到西溪堡盆地的ZK006井和ZK4220井，有机碳 含量一般大于1.2%，w(Fe)为3.8%～5.1%，垂向的含量变化很小；但 w(Mn)在垂向上普遍较 低，一般小于4%。锰矿层及其顶板的有机质和黄铁矿都十分发育，表明水深变化不 大，都 为海平面高位期的深水厌氧低能环境，但大塘坡组二段因缺乏锰的来源，而无菱锰矿沉积。 因而强还原环境只是菱锰矿富集的必要条件，菱锰矿大规模的富集还得需要充足的含锰物质 来源。菱锰矿仅在冰碛岩之上的大塘坡组一段底部发育，可能跟铁丝坳组的古陆风化壳有关 。
从杨家湾盆地、大塘坡盆地以及西溪堡盆地中含锰岩系对比剖面（图5）可以看出，不同 次级洼陷的含锰岩系，岩性垂向序列的组合特征类似，都是黑色泥页岩与菱锰矿互层。根据 锰含量的垂向分布，将含锰岩系进一步划分为下锰矿层和上锰矿层，二者之间为一套几乎不 含锰的暗色碳质泥岩。下锰矿层和上锰矿层的锰含量变化都很大，例如ZK006井位于下锰矿 层的2105～2106 m处，w(Mn)为9%～21%，但w(Mn)超过20%的矿层厚度很薄 ，小于0.1 m；ZK 4220井和N04孔也具有类似的特征，锰矿层单层厚度都小于0.5 m，锰品位超过20%的富锰 矿 层也很薄。上锰矿层在品位和单层厚度上也具类似特征，品位大于15%的富锰矿层仅局部发 育，单层厚度一般小于0.5 m，在横向上也不稳定。
菱锰矿不同于最大海泛面相关的凝缩段黑色泥岩沉积，前者在不同洼陷内和同一洼陷内不同 剖面的含锰层数都不相同（图5），而后者在区域上稳定存在，具有等时性，可以连续对比 （Catunaeau，2006）。例如N04孔有2个层的品位达到15%，单层厚度为0.5 m；ZK4220井 却 有9个层的品位达到15%，但单层厚度小于0.3 m；而ZK006井却有5个层的品位达到15%，其 中 下锰矿层内的单层厚度小于0.3 m，上锰矿层内的单层厚度0.3～0.7 m（图5）。w (Mn)大于 20%的富锰矿层比较稀少，横向上并不稳定，单层厚度一般小于0.5 m。由此可见，次级洼 陷 不同或同一洼陷的所处位置不同，菱锰矿的品位和沉积层数存在很大差异，说明菱锰矿的沉 积受局部环境的水化学特征控制，在区域上横向连续性较差。
综上所述，黔东北黑色泥岩盆地中，各个次级洼陷内部的菱锰矿层数量不同，菱锰矿层的厚 度横向上变化大，连续性差，难以对比，说明菱锰矿的沉淀析出受局部的锰元素供给、氧化 还原电位和水介质条件控制（Frakes et al.,1992）。在海平面高位期，次级洼陷的沉积中 心碎屑物质的掺和作用微弱，厌氧的水化学条件适合锰元素的浓缩富集，因而发育高品位的 富锰矿层。
        锰元素在化学周期表中属于过渡元素，具有多种可变的化合价；表生作用中，锰主要以四价 锰的氧化物和氢氧化物形式赋存于地表的风化岩和土壤中（牛保磊，1999）。大塘坡组一段 为海相的黑色泥岩沉积，由于还原性较强，主要形成二价的菱锰矿。该段锰矿层主要由菱锰 矿和粉砂级的石英碎屑颗粒、富含有机质的黏土矿物、黄铁矿、燧石结核以及次生的方解石 和石英脉体组成（图6）。薄片分析表明，根据结构和成分特征锰矿层可分成2类，分别是 块状菱锰矿（图6b）和纹层状的菱锰矿（图6c）。其中，块状的菱锰矿层，品位大于20%， 以泥晶结构的结核状菱锰矿为主，黄铁矿和有机质含量低，陆源碎屑颗粒 含量较少（图6b）。 
纹层状的菱锰矿品位10%～15%，明显低于块状菱锰矿，含较多石英颗粒、黏土矿物和黄铁矿 （图6c），石英或云母颗粒的长轴方向平行于泥质纹层；粉砂质含量高的黏土岩中，w (Mn)通常小于5%，不具工业品位。该锰矿层中含有粉砂级的石英和云母颗粒，且大量发 育黄铁 矿（图6c），反映所处的环境为低能的闭塞盆地。这种盆地所处位置只接受少量碎屑物质或 没有接受碎屑物质，属于缺氧的欠补偿盆地。世界上很多层控的菱锰矿矿床也具类似特征， 都发育于海平面高位的海侵期（Roy，1992）。此外，纹层状菱锰矿内部有时出现硅质结核 （图6e、f），结核被菱锰矿纹层和有机质纹层环绕，说明该结核为同沉积期形成。海洋中 的同生硅质结核多形成于深水环境（Hsü et al.,2009），锰矿层内存在硅质结核也是沉积 环境水体较深的佐证。波罗的海现代海洋调查也表明，纹层状菱锰矿与粒度细小的黑色页岩 共存，发育于沉积作用极度缓慢的次级洼陷中（Force et al.,1988；Huckriede et al.,19 96）。
        所谓非均质性指各种性质随其空间位置而变化的属性，很多地质体的非均质性主要表现在岩 石矿物组成、粒度、结构、元素含量等方面的空间变异，它 们是形成过程和沉积环境的一种反映。以杨家湾锰 矿床为例的典型矿床解剖分析，揭示出同一次级盆地内锰品位与含锰岩系 厚度和矿层厚度具有明显的相关性，块状菱锰矿主要出现在次级盆地的沉积中心，该处主要 为低能的强还原环境，有利于菱锰矿和碎屑颗粒充分分异。根据岩石薄片、TOC分析和元素 分析等手段，分析了盆地中不同环境沉积物的结构特征和矿物共生组合规律，说明菱锰矿的 沉淀具有幕式特征，并非连续沉积，在垂向上品位变化较大（图5），可能受局部的氧化还 原电位、水介质条件和锰元素的供给程度有关。 
根据黑色泥岩盆地中次级洼陷和菱锰矿矿床的平面分布关系、次级洼陷内含锰岩系的垂向分 布特征和含锰岩系的矿物共生组合关系，建立了黔东北大塘坡组菱锰矿分布模式图（图7） ，其中菱锰矿在整个黑色泥岩盆地中的浅海斜坡相、次级洼陷相、斜坡盆地相都有出现，但 具有工业价值的矿床主要集中在次级洼陷内部。黑色泥岩盆地可以细化为6个岩相带： 
（1） 上扬子古陆的剥蚀区，在冰期的铁丝坳组，物
理风化作用强烈，产生大量碎屑颗粒（图7）；在间冰期的大塘坡组，气候湿润，有利于化 学风化的进行，锰元素可以从母岩 中淋滤出来，最终为黑色泥岩盆地菱锰矿的形成提供物质来源。
（2） 滨岸相的粗碎屑沉积区，水动力较强，以机械沉积作用为主，砂岩和粉砂岩等陆 源碎屑沉积发育，碳质含量高的暗色泥岩较少（图7）。
（3） 浅海斜坡相水动力较弱，石英碎屑纹层与暗色泥质纹层交互沉积，富含有机质的 碳质泥岩开始大量出现，局部位置出现少量纹层状的菱锰矿，高品位的块状菱锰矿少见。
（4） 次级洼陷内部出现大量的纹层状和块状菱锰矿沉积，但富锰矿层却主要出现在沉 积中心，向次级凹陷边缘含锰岩系厚度有减薄的趋势。
（5） 次级洼陷之间的构造脊菱锰矿不发育，以黑色泥岩和白云岩为主（图7）。
（6） 向海洋方向的斜坡盆地相，为低能环境，主要为黑色碳质黏土岩夹硅质岩沉积， 菱锰矿亦不发育（图7）。
（1） 黔东北大塘坡组的黑色泥岩盆地中，含锰岩系具有多尺度的非均质性；菱锰矿主要赋 存于各次级洼陷内；次级洼陷之间的构造脊上锰矿床不发育；同一洼陷内菱锰矿的品位、矿 层厚度和含锰岩系厚度密切相关，富锰矿层的分布与锰矿层和含锰岩系的沉积中心基本一致 。
（2） 品位大于20%的富锰矿主要为块状菱锰矿，由泥晶结构的结核状菱锰矿组成，黄铁矿 、有机质和黏土矿物含量较低；品位10%～15%的低品位锰矿层主要为纹层状菱锰矿，以泥晶 菱锰矿与粉砂质黏土、有机质和黄铁矿互层为特征。
（3） 黔东北大塘坡组的块状富锰矿层形成于厌氧的次级洼陷中心，黏土和陆源碎屑含量低 ，反映了海平面高位期的次级洼陷内部，沉积分异作用明显，陆源碎屑输入量低，有利于菱 锰矿的富集。