锰是一种重要的战略性大宗矿种，不仅广泛用于传统冶金工业，也是高端装备制造、新能源电池等新兴低碳产业的关键原料。沉积碳酸锰矿床作为锰矿最为主要的产出形式，可用来揭示地球环境演变的历史，因而具有重要的经济价值和科学意义。当前，沉积碳酸锰矿床的成因存在直接沉淀和成岩转变之争。该争议直接导致对古环境反演解释的不确定性，同时也影响到对沉积型锰矿成矿机制的准确制约。因此，亟待开展相关研究来深入探讨沉积碳酸锰矿床的形成机制与沉积环境。
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院重点实验室的董志国博士研究生在导师张连昌研究员以及王长乐副研究员的指导下，以西天山石炭纪昭苏沉积碳酸锰矿床为例，通过开展系统的矿相学、地球化学以及C-Mo同位素研究，成功建立了该矿床的成矿模式。在此基础上，通过综合对比研究，进一步讨论了地质历史中沉积碳酸锰矿床的形成机制及其古环境意义。
昭苏锰矿赋存于石炭系阿克沙克组海侵层序上部的泥质灰岩中，矿石矿物主要为锰碳酸盐（菱锰矿、锰方解石），次为硫锰矿（图1）。局部可见锰碳酸盐矿物呈核-边结构，核部为锰方解石，边部为菱锰矿（图1b），该结构一般认为是早期成岩阶段的产物。矿石中的有机质常被锰碳酸盐矿物交代（图1e），结合矿石明显偏负的碳同位素值（图2a），说明成岩过程中有机质分解产生的CO32-对碳酸锰矿物的形成具有重要的贡献。锰矿石的稀土元素经页岩标准化后，显示明显的正Ce异常（图2b），另外锰矿石还具有偏负的Mo同位素值（图2c），这些特征与现代氧化水体中形成的锰结核一致。综合上述，认为昭苏碳酸锰矿石初始沉积自氧化水体，是锰氧化物与有机质发生成岩还原反应的产物，在此过程中继承了原始锰氧化物吸附的稀土元素及Mo同位素信号。
图1 昭苏锰矿石矿相学特征（均为扫描电镜图像）
图2 昭苏锰矿石Ce异常及C-Mo同位素特征
硫锰矿作为一种特殊的硫化物，仅可在少量沉积锰矿床中见到，因为H2S会优先与Fe2+结合形成黄铁矿，从而抑制硫锰矿的沉淀。昭苏锰矿石中硫锰矿的普遍出现，说明盆地水体在成矿之前发生过显著的铁锰分离，该过程在海洋中可能受控于次氧化条件下铁的优先氧化或硫化条件下黄铁矿的沉淀。鉴于昭苏锰矿下盘碳酸盐岩同样沉积于氧化水体（具有负Ce异常；图2b），同时考虑到石炭纪的海洋整体已被氧化，故推测在昭苏盆地中部存在相对于锰氧化物而言的次氧化水体（即最小含氧带），促进了锰铁之间的早期分离。在海侵过程中，这种富锰贫铁的次氧化海水上涌至浅部氧化海水中，导致了锰氧化物的大量沉淀（图3）。
图3 昭苏锰矿成矿模式及沉积-成岩过程中的Mo同位素分馏过程
此外，对地质历史中不同时代的典型沉积碳酸锰矿床的特征综合分析发现（图4），它们大部分与昭苏锰矿的地球化学特征相似，普遍具有低于同期海水的C-Mo同位素值以及偏正的Ce异常，说明这些碳酸锰矿床的成因也应与原始锰氧化物埋藏-成岩转变有关，均记录了氧化的沉积水体条件。虽然近些年来有不少学者论证了缺氧水体中直接形成富锰碳酸盐的可能性，但需注意和强调的是，针对富锰地层，尤其是沉积碳酸锰矿床，只有开展系统的地质-地球化学-同位素综合研究，才可能对其锰沉积富集的具体途径有较为全面的认识。
图4 地质历史中主要沉积碳酸锰矿床或富锰地层的C-Mo同位素及Ce异常特征
研究成果发表于国际矿床学期刊Mineralium Deposita（董志国，彭自栋，王长乐*，张帮禄，张连昌*，李杰，张新，李文君，张乐. Insight into the genesis of the Zhaosu Carboniferous Mn carbonate deposit (NW China): constraints from petrography, geochemistry, and C–Mo isotopes[J]. Mineralium Deposita, 2022, 57(7): 1269-1289. DOI: 10.1007/s00126-022-01105-3）。该研究受国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、中科院原始创新项目和中科院青促会资助。
