海底火山成因的塊狀硫化物礦床的成礦作用

楊 磊,劉秀英,李小康

(1.中國地質(zhì)大學(xué) (北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京100083;2.山東省泰安市東平縣第三實(shí)驗(yàn)小學(xué),山東泰安271500;3.中國地質(zhì)大學(xué) (北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京100083)

塊狀硫化物礦床廣義上包括火山噴流或火山成因塊狀硫化物礦床 (volcanogenic massive sulfide deposit,簡稱VM S型礦床)和沉積噴流礦床(sedimentary-exhalation,即 SEDEX礦床)[1]。狹義上僅指VM S型礦床,是一種重要的有色金屬礦床類型,其經(jīng)濟(jì)價(jià)值僅次于斑巖銅礦[2]。

VM S型礦床與深海玄武巖-流紋巖建造緊密相關(guān),可以分為三個(gè)建造亞段:弱分異作用、完全分異作用和雙峰式分異作用亞段。事實(shí)證明這類礦床的成礦作用貫穿整個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期,產(chǎn)生在與拉張作用有關(guān)的構(gòu)造環(huán)境下,從太古代的地盾到現(xiàn)代的洋脊都有產(chǎn)出。來自幔源的塊狀硫化物成礦帶主要生成于如下地質(zhì)構(gòu)造動(dòng)力學(xué)區(qū)域:①島弧區(qū);②洋脊區(qū);③斷陷盆地;④古板塊邊緣的斷裂帶[3]。

1 VM S型礦床的分類

根據(jù)成礦大地構(gòu)造環(huán)境、巖石與地質(zhì)特征、礦石成分和形態(tài)特征可以分成以下4個(gè)亞類。

1.1 塞浦路斯型亞類

塞浦路斯型亞類,礦床礦石組分為銅,銅鋅型硫化物特征,是未分異作用下的玄武巖亞建造,容礦火山巖主要為洋殼巖石,所以礦體一般賦存于蛇綠巖套,形成于靠近礦物遷移的斷裂和裂隙的凹陷區(qū)域內(nèi),一般形成中小型礦床[4]。礦床下部為枕狀熔巖,可見網(wǎng)脈狀硫化物礦石,是礦物遷移通道的遺留產(chǎn)物。礦床之上是層狀的燧石和條帶狀致密的硫化物礦石。他們的上部受到侵蝕和風(fēng)化作用,并覆蓋著沉積赭石層。例如前寒武系的澳大利亞Broken-Hellyer礦床和芬蘭的Outokupu礦床、早古生界挪威的勒肯 (Lekken)礦床和加拿大的紐芬蘭礦床、中生界塞浦路斯礦床、現(xiàn)代洋脊中的硫化物礦床,以及海底山上部發(fā)育的“黑煙囪”。這類礦床未來將成為銅鋅硫化物礦石開發(fā)的主要目標(biāo)之一。

1.2 烏拉爾型亞類

這類礦床是分異作用下雙峰式火山巖組合(玄武巖-流紋巖)亞建造,礦石的組分為銅硫化物(Блява,南烏拉爾地區(qū)),或?yàn)殂~-鋅硫化物 (Gai,俄羅斯),容礦圍巖主要來自于深部幔源的巖漿。礦床成因明顯受火山活動(dòng)控制,一般生成于火山活動(dòng)后期,最重要的特點(diǎn)是存在引爆角礫巖,而且位于礦體上方的玄武巖中存在放射狀斷裂,絕大多數(shù)斷裂與火山活動(dòng)同期。典型的剖面呈現(xiàn)雙峰式分異作用結(jié)構(gòu):上部為鈉長石化的玄武巖,下部為流紋巖,二者之間沉積了條帶狀礦層。礦層頂部一般堆積著碧玄巖、礦石、層凝灰?guī)r層和含有赤鐵礦的硅酸鹽;礦層下部曾經(jīng)是礦物運(yùn)輸?shù)耐ǖ?交錯(cuò)分布著網(wǎng)脈狀或浸染狀礦體。礦床基本符合熱液活動(dòng)從內(nèi)到外的遷移規(guī)律:中心為脈狀的黃鐵礦-黃銅礦,往外為透鏡體狀的石英,然后為石英-絹云母-綠泥石,最外圍是變安山巖(綠泥石-鈉長石-綠簾石-石英-黃鐵礦化)。這種礦床分布在南烏拉爾、北高加索等地區(qū),最典型的集中在烏拉爾地區(qū)。目前研究表明,烏拉爾塊狀硫化物礦床為大洋島弧形成前或形成期的產(chǎn)物。

1.3 黑礦型 (kuroko)亞類

這類礦床是最重要的、分布最廣的塊狀硫化物礦床,礦石組分為鋅鉛銅型特征,容礦機(jī)構(gòu)為生成于洋-陸碰撞的活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境下的花崗片麻巖。此類型礦床是成熟島弧火山作用的結(jié)果,是完全分異作用下的鈣質(zhì)堿性玄武巖-中長石-英安巖-流紋巖建造侯[5]。礦床硫化物成分受島弧張裂程度制約,與島弧殼層物質(zhì)及海相火山巖系密切相關(guān),證實(shí)成礦物質(zhì)來源于殼層火山巖系[6]。這類礦床的典型代表有:阿爾泰礦床 (阿爾泰成礦帶)、黑礦 (日本中新世塊狀硫化物成礦帶)、北歐塊狀硫化物成礦帶、西班牙-葡萄牙黃鐵礦帶、前寒武系綠巖帶[7]和一系列其他成礦區(qū)域。

1.4 別子 (besshi)型礦床

又可稱為 Filiztchaiskoe型礦床 (阿塞拜疆),發(fā)育于褶皺變形的陸源次復(fù)理石巖層內(nèi)。普遍認(rèn)為這類礦床生成于洋陸碰撞的活動(dòng)環(huán)境下的遠(yuǎn)離火山噴發(fā)中心的基底上,以及深源火山作用相聯(lián)系的島弧內(nèi)部[8-10]。在區(qū)域變質(zhì)作用下,巖層受壓縮,形成線性的褶皺,在褶皺的核部及轉(zhuǎn)折端部位可發(fā)現(xiàn)再沉積的網(wǎng)脈狀的硫化銅組合。在含礦剖面上通常存在較少的薄層熔巖、次火山巖體和玄武巖成分的巖脈 (完全無分異作用的玄武巖建造)。最典型的是日本的別子礦床,礦體成條帶狀埋藏于早古生代頁巖層的上部,含有玄武質(zhì)熔巖的夾層。礦石組分為銅鋅硫化物特征,同位素分析結(jié)果表明來自幔源。

綜上所述,以上四個(gè)亞類的共同特征是:主要的成礦期都在火山活動(dòng)的晚期,當(dāng)火山活動(dòng)急劇減弱,深海環(huán)境變成淺海環(huán)境時(shí),是礦物沉積活動(dòng)最強(qiáng)烈的階段。根據(jù)分異作用程度比較,第一亞類到第三亞類的火山巖組分由鈉質(zhì)火山巖向鉀鈉型火山巖過渡。銅元素來自于幔源物質(zhì),而鉛鋅或?yàn)闅ぴ次镔|(zhì)或?yàn)闅め；煸次镔|(zhì)。

2 成礦機(jī)制

VMS型礦床與海底硫化物有關(guān),是水熱系統(tǒng)對(duì)流活動(dòng)的產(chǎn)物。能量或來自異常高溫的熱流,或來自冷卻巖漿所帶來的熱量。在成礦作用過程中,冷海水 (可能有大氣降水)沿裂隙向下滲流運(yùn)移,由巖漿熱源的驅(qū)動(dòng)發(fā)生對(duì)流,因與巖石中的含鐵組分或含氧物質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)而沉淀。由于 H2S、HS-和 S2的活度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 SO42-和HSO4-的活度,從而導(dǎo)致一種還原的、弱酸性鹵水溶液的形成,酸度增加。由于高鹵化物的酸性溶體更容易提取巖石中的銅,因此這種鹵水在沿著溶液通道運(yùn)移時(shí),能把周圍火山巖和火山碎屑巖中的金屬元素淋濾出來 (圖1)。

向上流動(dòng)的支流與周圍巖石和冷的海水相互作用發(fā)生了強(qiáng)烈的鎂交代作用。隨著壓力迅速下降,引起了溶液的沸騰,沸騰作用可以造成流體中金屬元素在巖石中卸載,沉積了氧化硅和硫化物 (黃鐵礦、白鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦等)礦石。尤其在底層空間,這種滲入作用更強(qiáng)烈。較晚階段,海底上升流對(duì)早先沉積的礦石進(jìn)行交代淋濾和活化轉(zhuǎn)移,就形成了礦床中的金屬和礦物的分帶。前人研究證明,Cu/(Zn+Pb)比值沿著滲透通道的方向而降低,并垂直于這個(gè)方向分布,重晶石等在比值最低的區(qū)域發(fā)生聚集沉淀。

到達(dá)海底表面的含礦溶液流向局部的低洼地帶。根據(jù)稀釋和降溫的程度,沉積的共生礦物成區(qū)帶分布:硫化物-氧化硅-鐵氧化物-錳。而且未成巖的含礦淤泥順斜坡向洼地滑塌,產(chǎn)生渦流、濁流等沉積,對(duì)礦物進(jìn)行遷移和再造。地質(zhì)和地球化學(xué)數(shù)據(jù) (金屬含量、硫同位素、微量礦物等)表明:銅元素是來自于幔源巖漿,而鉛鋅來自于大陸地殼巖石。

圖1 洋底拉張作用下熱液作用模型

3 成礦作用模式探討

詳細(xì)地揭示海底火山成因塊狀硫化物礦床成礦作用的是 Н. С, Скрипченко建立的水解反應(yīng)-沉積交代變質(zhì)作用模型。也就是Bischoff[11]提出的雙擴(kuò)散對(duì)流循環(huán)模式 (圖 2)。依照模型,含有SO42-離子和各種礦物組合的內(nèi)生熱液在海底表面的高滲透率區(qū)展開成漏斗狀構(gòu)造,形成對(duì)流系統(tǒng)。流體強(qiáng)力穿越松散的海底沉積區(qū),也是礦物沉積作用最強(qiáng)烈的區(qū)域。海底熱液系統(tǒng)由2個(gè)垂向上分離的上、下對(duì)流循環(huán)胞構(gòu)成:下部的對(duì)流循環(huán)在300～350℃水解作用下,生成 2種酸:弱酸(H2S)和強(qiáng)酸 (H2SO4)。強(qiáng)酸從酸性巖石 (流紋巖)中淋濾出CaO、M gO和 FeO等大量的物質(zhì),轉(zhuǎn)變?yōu)楦邿?、高鹽度、高密度的鹵水層,向上流動(dòng)時(shí)因溫度、壓力、溶解度變化生成硬石膏,并且朝著海底表面方向發(fā)生著綠泥石-硬石膏或者礦石-硬石膏的交代向石英-絹云母交代轉(zhuǎn)化。而在上部的對(duì)流循環(huán)中,海水通過擴(kuò)散界面?zhèn)鬏敳糠秩芙饨M分且被鹵水層加熱,在向上流動(dòng)時(shí)水溫降到40℃,熱液流體和海水相互混合,海水中的硫離子主要被用來生成黃鐵礦和其他金屬硫化物[12]。在礦石中發(fā)育著三種相帶變化 (從下向上)依次為:銅硫化物、銅鋅硫化物和多金屬硫化物。

該模型下部為鹵水層,在底部被加熱,并驅(qū)動(dòng)上部冷的海水循環(huán),而上部的海水層是一個(gè)單循環(huán)圈,在穩(wěn)定態(tài)條件下2個(gè)對(duì)流體系能各自獨(dú)立。但突發(fā)性的巖漿或構(gòu)造事件,會(huì)使海水注入熱鹵水中,并導(dǎo)致鹵水密度降低而向上遷移,從而形成富含金屬組分的熱水流體在海底噴流,這種含礦流體與海水進(jìn)一步混合反應(yīng),引起礦物質(zhì)沉淀。隨著礦層的連續(xù)沉積和不斷加厚,礦體的底部邊界不斷被降低。在同一礦物輸送通道,熱液-沉積周而復(fù)始,反復(fù)作用,所以經(jīng)?？砂l(fā)現(xiàn)已生成的礦體和新生的礦體循環(huán)出現(xiàn),通常發(fā)育成多期次礦床。

圖2 雙擴(kuò)散循環(huán)模式 (據(jù)Bischoff)

4 討論與結(jié)論

VMS型礦床成礦作用貫穿整個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期,從太古代的地盾到現(xiàn)代的洋脊都有發(fā)生。

本文根據(jù)地質(zhì)組合特征,對(duì)VM S型礦床四種類型成礦作用進(jìn)行分析總結(jié),另對(duì)流體的運(yùn)動(dòng),以及VM S型礦床成礦作用等進(jìn)行了歸納。熱液成因的礦化模型研究表明:滲入火山巖層的海水在深部熱源作用下發(fā)生對(duì)流,并萃取來自幔源的火山巖中的金屬元素生成含礦熱液 (可能有巖漿熱液的參與),這種含礦流體在海底噴涌,與海水反應(yīng)導(dǎo)致成礦作用。

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