Sedex型礦床地質(zhì)特征及成礦物質(zhì)來源示蹤

羅俊杰,張建芳

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,湖北武漢 430074)

Sedex型礦床地質(zhì)特征及成礦物質(zhì)來源示蹤

羅俊杰,張建芳

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,湖北武漢 430074)

在前人對(duì)Sedex型礦床研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)內(nèi)的一些典型礦床,如金頂超大型鉛鋅礦床、白秧坪礦床、大廠錫多金屬礦床等,總結(jié)該類礦床的礦床地質(zhì)特征,并從主、微量元素、稀土元素、穩(wěn)定元素以及稀有氣體元素地球化學(xué)方面來探討該類型礦床的成礦物質(zhì)及成礦流體來源。

Sedex型礦床;地質(zhì)特征;成礦物質(zhì);成礦流體

0 引言

塊狀硫化物礦床根據(jù)其圍巖的不同可以分為以火山巖為容礦巖石的火山成因塊狀硫化物(VMS或VHMS)型和以沉積巖(如碎屑巖、硅質(zhì)巖、碳酸巖等)為容礦巖石的沉積噴流型。海底沉積—噴流(Sedex)礦床泛指成礦水熱流體(不同成因)噴溢出海底,液態(tài)狀通過不同方式,將所攜帶的成礦組分在噴口上下或附近沉積富集而形成的礦床。Cooke等[1]將Sedex型鉛鋅礦床分為2類:一種形成于氧化環(huán)境,富含碳酸鹽巖圍巖,以McAther、MountIsa[2]為代表;另一種形成于還原環(huán)境,圍巖為碎屑巖,礦體中賦含大量的磁黃鐵礦,如加拿大Sullivan礦床。

1 礦床地質(zhì)特征

1.1 成礦構(gòu)造背景及賦礦巖石

Sedex型礦床主要形成于拉張性構(gòu)造環(huán)境,具體的構(gòu)造背景是受裂谷控制的克拉通內(nèi)部及其邊緣的沉降盆地,或拉張的裂谷、地塹,如華南型塊狀硫化物礦床受大陸地殼上的斷裂凹陷帶控制,澳大利亞的麥克阿瑟河礦床和芒特艾薩礦床受裂谷帶控制等。Sedex礦床具明顯的時(shí)控性,其產(chǎn)出時(shí)代相對(duì)集中,主要在古—中元古代(1.9～1.4 Ga)和早—中古生代(0.53～0.3 Ga)。在(1.6～0.7 Ga)元古代巖石中明顯缺乏任何類型的VMS礦床,Sedex礦床正好與VMS礦床的成礦期互補(bǔ)[3]。

礦床往往由一個(gè)或數(shù)個(gè)水平層狀或類透鏡扁平狀礦體組成,厚度幾十米,長(zhǎng)度可達(dá)幾千米[4]。礦體上部噴口相有塊狀、角礫狀礦石,這些塊狀硫化物礦體與頂板巖層常呈突變接觸關(guān)系,而與下伏網(wǎng)脈狀礦化帶多為過渡關(guān)系。礦床的容礦巖石為較細(xì)粒的以碎屑沉積物為主的巖石,包括頁巖、粉砂巖和碳酸鹽及其變質(zhì)后的產(chǎn)物,并常夾有一些凝灰?guī)r,如錫鐵山鉛鋅礦床的含礦巖系是一套已經(jīng)變質(zhì)到綠片巖相的早奧陶世火山—沉積巖[5]。

1.2 礦物組成及礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征

礦物成分一般比較簡(jiǎn)單,主要的礦石礦物從多到少依次為黃鐵礦、磁黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦、黃銅礦(斑銅礦和輝銅礦有時(shí)重要)、少量毒砂、磁鐵礦以及黝銅礦—砷黝銅礦,脈石礦物主要是石英及碳酸鹽、重晶石、綠泥石和絹云母等[6]。

由于地表熱水沉積物基本屬于快速結(jié)晶堆積產(chǎn)物,Sedex型礦床結(jié)構(gòu)特征基本為非晶質(zhì)或隱晶質(zhì),巢孔構(gòu)造發(fā)育,伴有水熱爆炸的熱水沉積物中以熱水角礫巖發(fā)育為特征[7]。由于熱水沉積物是一種膠體沉積物,其構(gòu)造特征常為鮞狀構(gòu)造或鞘狀構(gòu)造、管狀構(gòu)造等;另外,紋層構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造亦發(fā)育,例如:甲馬礦區(qū)的礦石結(jié)構(gòu)主要有淀晶結(jié)構(gòu)、溶蝕交代結(jié)構(gòu)、固溶體分離結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造主要為稀疏浸染狀構(gòu)造、稠密浸染狀構(gòu)造、細(xì)脈浸染狀構(gòu)造,次為塊狀構(gòu)造[8]。并且此類礦床中往往化石豐富。

1.3 礦床的分帶性

Sedex型礦床在橫向和垂向上都有明顯的礦物分帶性。以只有少量金屬沉積的含礦熱液通道為中心,水平分帶為Cu-Pb-Zn-(Ba),垂向分帶為Cu-Zn-Pb-(Ba),鐵有時(shí)會(huì)富集在分帶的中心。在硫化物礦床周圍可能會(huì)有鐵暈出現(xiàn)。銅比鉛、鋅都更接近分帶的中心。以甘肅廠壩Sedex型鉛鋅礦為例,礦體具有明顯的分帶性[9]:礦體上部為條帶狀、浸染狀和層紋狀礦石,富閃鋅礦、重晶石和方解石;礦體下部為塊狀礦石,富黃鐵礦、閃鋅礦、鈉長(zhǎng)石和石英;并且含礦層可以由數(shù)個(gè)韻律組成。

礦石的礦物成分從礦體底部到頂部具規(guī)律性的變化。據(jù)彭潤(rùn)民等[10]東升廟礦床厚數(shù)百米的Zn、Pb、Cu復(fù)合礦體,自下至上出現(xiàn):由Cu→Cu、Zn→Zn、Pb、Cu→Zn、Pb→Fe(硫化物)的連續(xù)礦化分帶,Cu/(Cu+Zn+Pb)=0.585→0.17→0.021→0.009。

據(jù)白金剛?白金剛,云南白牛廠超大型銀多金屬礦床含礦地層沉積相研究及沉積噴流成礦作用的證據(jù),碩士論文,1993。的研究,云南白牛廠銅礦具有明顯的熱水沉積成礦特征,熱水噴流孔沿一東西向的斷裂帶分布,從噴流孔向外依次為硅質(zhì)熱水角礫巖、硅質(zhì)巖、鈣質(zhì)巖,與沉積分帶相對(duì)應(yīng),礦化分帶明顯,依次為黃鐵礦帶、黃銅礦帶和鉛鋅礦帶。

1.4 圍巖蝕變特征

Sedex礦床中蝕變類型主要為綠泥石化、硅化、絹云母化等。本類礦床的下盤蝕變比較明顯。Hass等發(fā)現(xiàn),Sedex型礦床下部補(bǔ)給系統(tǒng)內(nèi)的蝕變常為硅化,有時(shí)有電氣石化、鈉長(zhǎng)石化,礦體下盤見白云石化、電英巖化及綠泥石化[11]。例如,澳大利亞Sullivan礦床底板沉積物的蝕變主要為電氣石化,頂板蝕變由鈉長(zhǎng)石—綠泥石集合體組成;甘肅廠壩鉛鋅礦床礦體下盤蝕變?yōu)殛柶鹗途G簾石化。

2 成礦機(jī)理

2.1 成礦流體性質(zhì)及來源

根據(jù)Sedex礦床的成礦流體與現(xiàn)代海底熱液的化學(xué)成分及正常海水成分的比較,礦床的成礦流體是一種溫度較高(100℃以上)、呈酸性(pH<7)、富含金屬元素(如Cu、Pb、Zn、Mn、Ba、K、Fe等)的還原性(因H2S含量較高)流體,而且Cl和H2S含量高于正常海水,這就為金屬元素呈氯的絡(luò)合物和硫的絡(luò)合物遷移提供了有效的絡(luò)合劑。韓發(fā)等[12,13]對(duì)大廠錫多金屬礦床的成礦流體研究表明,成礦流體可能是海水在深部循環(huán)過程中與底盤沉積巖發(fā)生了長(zhǎng)時(shí)間的水—巖交換反應(yīng),實(shí)際上這種流體很可能就是海水。

2.2 成礦物質(zhì)來源

2.2.1 主量元素及微量元素地球化學(xué)

Sedex型礦床富含Pb、Zn,伴生重要的Ag、Ba,含少量Cu。鋇主要呈重晶石存在,分布于層狀礦體的上部或邊部。有時(shí)該類礦床完全不含重晶石,但鋇存在于長(zhǎng)石中,形成鋇冰長(zhǎng)石(如中國(guó)大廠、澳大利亞McArthur River等礦床)。在微量元素方面,該類型礦床普遍含一定量As,Sb,W,Sn,Hg,Cd,Mn,Co,Ni,B等。在特定的地球化學(xué)背景下,某些伴生元素可以形成獨(dú)立礦床,如中國(guó)大廠錫多金屬礦床、錫礦山銻礦床等。Sedex型礦床的S/Se比值<2×105,且Co/Ni比值>1,表明礦床的成礦過程均與海底熱液有關(guān)[14,15]。

2.2.2 稀土元素地球化學(xué)

現(xiàn)代海水沉淀下來的化學(xué)沉積物,如洋中脊附近的Fe-Mn沉淀物,準(zhǔn)確地反映了海水相對(duì)虧損Eu和Ce的特點(diǎn)。Fryer認(rèn)為,化學(xué)沉積物,特別是條帶狀含鐵建造是追蹤隨時(shí)間推移的沉積環(huán)境中稀土元素演化的最好物質(zhì)。Sedex型礦床中各類化學(xué)沉積物—硫化物礦石和噴氣巖的REE組成具有顯著的特征。首先,這些化學(xué)沉積物中的REE總量低;第二,隨著地質(zhì)時(shí)代由老到新,輕重稀土元素分餾由弱到強(qiáng);第三,遠(yuǎn)源金屬沉積物顯著虧損Eu、Ce,但近源硫化物礦石和噴氣巖具顯著的正銪異常,與丁振舉等[16]對(duì)東溝壩稀土元素的研究一致。這些特征與現(xiàn)代地?zé)嵯到y(tǒng)流體中REE的地球化學(xué)特征十分相似。

2.2.3 穩(wěn)定同位素地球化學(xué)

(1)S同位素 Sangster對(duì)形成于顯生宙的110個(gè)塊狀硫化物礦床2 300多個(gè)硫同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明,Sedex型塊狀硫化物礦床的硫和同期海水的硫在同位素組成上有一定的相關(guān)關(guān)系。特別值得指出的是,這種相關(guān)關(guān)系與石油中硫和同期海水的硫在同位素組成上的相關(guān)性非常相似,即整個(gè)硫化物礦床的δ34S值比同期海水硫酸鹽約低15‰(表1),因此同期海水中的硫酸鹽是這些塊狀硫化物礦床硫同位素的一個(gè)可能的來源[17]。

表1 Sedex型礦床與現(xiàn)代大洋TAG的δ34S值Table 1 Theδ34S-values of Sedex deposits and TAG

另外,在一個(gè)礦區(qū)范圍內(nèi),塊狀硫化物礦床的硫同位素組成常常有分組現(xiàn)象。換句話說,在全礦區(qū)范圍內(nèi),礦床的硫同位素組成可能變化很大,但是,對(duì)于單個(gè)礦體或產(chǎn)于某一地層單元內(nèi)的獨(dú)立礦體,其硫同位素組成則相當(dāng)均一。甘肅廠壩鉛鋅礦床20個(gè)閃鋅礦的硫同位素組成為+11‰～+22‰(CD),30個(gè)黃鐵礦為+8‰～+28‰。19個(gè)方鉛礦為-2‰～+22‰。每一種金屬硫化物的δ34S值具有正態(tài)分布特征,說明成礦過程以一種成礦作用為主,其它成因的硫的混入是不重要的。利用共生礦物計(jì)算出系統(tǒng)總硫值為+22‰～+25‰。稍輕于泥盆紀(jì)海水硫酸鹽的硫同位素組成,表明其來源于海水硫酸鹽在較高溫度下的無機(jī)還原。這與礦區(qū)重晶石的δ34S值為+22‰～+32‰相近,指示其硫直接來源于泥盆紀(jì)海水。

(2)Pb同位素 鉛同位素的研究能為探討礦床成因及成礦物質(zhì)來源提供重要價(jià)值的資料。從Zartman全球鉛構(gòu)造演化模式圖(圖1)中可以看出,Sedex型礦床的鉛同位素大多落在上地殼及造山帶演化線附近,少數(shù)落在上地幔線附近,這與現(xiàn)代大西洋洋中脊TAG熱液區(qū)硫化物鉛同位素落在上地幔線附近有所差別,顯示該類型礦床中具有殼源鉛的特征(圖1-a)。在圖1-b中礦石鉛同位素除現(xiàn)代大西洋洋中脊TAG熱液區(qū)硫化物外全部落于下地殼與造山帶演化線之間,同樣顯示源區(qū)具有殼源鉛同位素組成的特征。而位于陜西的東溝壩多金屬礦床的鉛同位素在圖1-a、圖1-b中都表現(xiàn)與其他地區(qū)礦床206Pb/204Pb值不同,這與朱炳泉[25]、張本仁[26]等人研究中國(guó)鉛同位素存在地域上的分帶差異,以及與不同的流體作用等有關(guān)。

此外,據(jù)韓發(fā)對(duì)廣西大廠錫多金屬礦床的研究證明,不論是方鉛礦樣品還是非方鉛礦樣品,取自單個(gè)礦體的鉛同位素組成表現(xiàn)出高度群集的特點(diǎn),但是在同一個(gè)成礦區(qū)內(nèi),不同礦體之間的鉛同位素有明顯的差別,具分組特征。

(3)B同位素 Sedex型礦床經(jīng)常伴有電氣石巖存在,該類巖石中電氣石的成分雖然變化較大,但總體看來仍然是以富鎂電氣石為主,明顯不同于與花崗巖有關(guān)的脈狀電氣石,因此硼同位素的研究為探討Sedex型礦床的成礦物質(zhì)來源提供了重要的新途徑?，F(xiàn)有資料表明,在全世界范圍內(nèi),19個(gè)Sedex型礦床電氣石巖中電氣石的δ11B值變化于-1.7‰～-15.4‰,平均值為(-9.8±4.0)‰。這個(gè)平均值類似于Guaymas海盆熱液系統(tǒng)蝕變沉積物的δ11B值(-9‰),為Sedex型礦床形成于海底熱液系統(tǒng)提供了有力證據(jù)。

圖1 鉛構(gòu)造模式圖(據(jù)Zar tmanand Doe)Fig.1 Plumb tectonicsmodel

(4)Si、O同位素 隨著測(cè)試技術(shù)的改進(jìn)和測(cè)試精度的提高,硅同位素為研究Sedex型礦床中的成因及礦石中石英的硅質(zhì)來源等問題提供了新的手段。據(jù)Savin[27]、Clayton[28]、Douthitt[29]、宋天銳等[30]、丁悌平等[31,32]等的研究,將硅質(zhì)巖及礦石中石英的硅、氧同位素進(jìn)行了歸類。熱水來源(熱泉華)石英δ30Si值為-1.5‰～0.8‰,δ18O值為12.2‰～23.6‰。

韓發(fā)、孫海田曾對(duì)大廠錫多金屬礦床的硅同位素進(jìn)行了研究,結(jié)果表明層狀礦體中的石英δ30Si變化于0.2‰～0.6‰,與容礦硅質(zhì)巖的石英δ30Si變化于0.2‰～0.8‰具同種來源,脈狀礦化中的石英硅δ30Si變化于0‰～0.5‰,來自容礦硅質(zhì)巖,而不是花崗巖(δ30Si變化于-0.3‰～-0.1‰)。同時(shí)結(jié)合氧同位素值(容礦硅質(zhì)巖和層狀礦體δ18O值很接近,其平均值分別為(15.4±2.5)‰和(15.4±0.5)‰),推測(cè)大廠錫多金屬礦床的硅質(zhì)巖可能是在海底熱液對(duì)流循環(huán)系統(tǒng)中形成的。

(5)稀有氣體同位素 稀有氣體同位素可以示蹤地殼現(xiàn)代流體的來源及其水—巖作用的歷史。在中國(guó)Sedex型礦床流體包裹體氦—?dú)逋凰匮芯抠Y料較少,但也有趙葵東等[33]用氦同位素很好地解釋大廠礦床成礦流體有地幔流體的混入,可能是海水與地幔流體混合所致。這與韓發(fā)和孫海田利用硅同位素得出的結(jié)論相同。胡瑞忠[34]在用He-Ar同位素研究金頂超大型鉛鋅礦時(shí),準(zhǔn)確地解釋了成礦流體同時(shí)具有地殼氦、大氣氬、地殼成因硫和幔源鉛的同位素組成的原因,即反演成礦流體為大氣成因地下水下滲增溫→通過水—巖作用從盆地地層中獲取硫和氯以及放射成因的氦和氬→浸取盆地底部幔源火成巖中的鉛和鋅→含礦流體回返上升成礦的演化過程,而使成礦流體留下了地殼氦、(疊加有部分放射成因40Ar的)大氣氬、地殼成因硫和幔源鉛的同位素組成特征。薛春紀(jì)等[35]又對(duì)金頂鉛鋅礦床及白秧坪礦床樣品中流體包裹體的He、Ne和Xe同位素組成進(jìn)行了研究。根據(jù)稀有氣體同位素分析結(jié)果,認(rèn)為礦床成礦流體以殼幔流體混合為主。

因此,選用氦—?dú)逋凰夭⒔Y(jié)合硅、氧、鍶、釹、鉛等同位素的研究,能夠更好地確定礦化流體的來源并推測(cè)其演化過程。

3 結(jié)論

Sedex礦床形成于拉張性地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境,物質(zhì)成分上富含鉛鋅,貧銅,直接容礦圍巖為細(xì)碎屑巖和碳酸鹽巖,礦化有側(cè)向和垂向上的分帶性。

Sedex礦床的物質(zhì)和流體來源一直有多種觀點(diǎn)。不同環(huán)境下Sedex礦床的成礦物質(zhì)和流體會(huì)有不同的來源。隨著對(duì)現(xiàn)代大洋中脊熱液研究的深入,可以直接對(duì)比Sedex礦床的稀土微量元素及同位素。在原有運(yùn)用氫、氧、硫、鉛同位素研究解決成礦流體來源及演化過程的基礎(chǔ)上,采用新的方法運(yùn)用硼、硅、氦、氬同位素表現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性。加上各種體系之間的對(duì)比能夠更加準(zhǔn)確地認(rèn)定成礦物質(zhì)及流體的來源,同時(shí)可以推測(cè)、模擬其演化過程,對(duì)完善Sedex礦床的成礦模式有重要意義。

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(責(zé)任編輯:于繼紅)

Geological Characteristics of Sedex Type Deposit and Tracing for Sources of Metallogenic Material

LUO Junjie,ZHANG Jianfang
(Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei430074)

At the basis of predecessors’s research on the Sedex type deposits,and combining with some of the typical domestic deposits in China,such as Jinding super-large Pb-Zn deposit,Baiyangping deposit,Dachang Sn-polymetallic deposit and so on,the authors sum up geological characteristicsof this type of deposits.And they also discuss the types of deposits as sources of metallogenic material and fluid from the geochemitstry aspects of the main,trace elements,rare earth elements and stable elements aswell as the rare gas element geochemistry.

Sedex type deposit;geological characteristics;metallogenic material;metallogenic fluid

P588.14;P588.2

A

1671-1211(2010)01-0036-05

2009-03-31;改回日期:2009-04-24

羅俊杰(1984-),男,在讀碩士研究生,研究方向:成礦規(guī)律與成礦預(yù)測(cè)。E-mail:luorangrengqing@126.com