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.中國地質大學 (北京)地球科學與資源學院,北京100083;2.山東省泰安市東平縣第三實驗小學,山東泰安271500;3.中國地質大學 (北京)地球物理與信息技術學院,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,其經濟價值僅次于斑巖銅礦[2]。

VM S型礦床與深海玄武巖-流紋巖建造緊密相關,可以分為三個建造亞段:弱分異作用、完全分異作用和雙峰式分異作用亞段。事實證明這類礦床的成礦作用貫穿整個地質歷史時期,產生在與拉張作用有關的構造環境下,從太古代的地盾到現代的洋脊都有產出。來自幔源的塊狀硫化物成礦帶主要生成于如下地質構造動力學區域:①島弧區;②洋脊區;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

根據成礦大地構造環境、巖石與地質特征、礦石成分和形態特征可以分成以下4個亞類。

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域內,一般形成中小型礦床[4]。礦床下部為枕狀熔巖,可見網脈狀硫化物礦石,是礦物遷移通道的遺留產物。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、現代洋脊中的硫化物礦床,以及海底山上部發育的“黑煙囪”。這類礦床未來將成為銅鋅硫化物礦石開發的主要目標之一。

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),或為銅-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控制,一般生成于火山活動后期,最重要的特點是存在引爆角礫巖,而且位于礦體上方的玄武巖中存在放射狀斷裂,絕大多數斷裂與火山活動同期。典型的剖面呈現雙峰式分異作用結構: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、層凝灰巖層和含有赤鐵礦的硅酸鹽;礦層下部曾經是礦物運輸的通道,交錯分布著網脈狀或浸染狀礦體。礦床基本符合熱液活動從內到外的遷移規律: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,最典型的集中在烏拉爾地區。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,容礦機構為生成于洋-陸碰撞的活動大陸邊緣構造環境下的花崗片麻巖。此類型礦床是成熟島弧火山作用的結果,是完全分異作用下的鈣質堿性玄武巖-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,與島弧殼層物質及海相火山巖系密切相關,證實成礦物質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域。

1.4 別子 (besshi)型礦床

又可稱為 Filiztchaiskoe型礦床 (阿塞拜疆),發育于褶皺變形的陸源次復理石巖層內。普遍認為這類礦床生成于洋陸碰撞的活動環境下的遠離火山噴發中心的基底上,以及深源火山作用相聯系的島弧內部[8-10]。在區域變質作用下,巖層受壓縮,形成線性的褶皺,在褶皺的核部及轉折端部位可發現再沉積的網脈狀的硫化銅組合。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,含有玄武質熔巖的夾層。礦石組分為銅鋅硫化物特征,同位素分析結果表明來自幔源。

綜上所述,以上四個亞類的共同特征是:主要的成礦期都在火山活動的晚期,當火山活動急劇減弱,深海環境變成淺海環境時,是礦物沉積活動最強烈的階段。根據分異作用程度比較,第一亞類到第三亞類的火山巖組分由鈉質火山巖向鉀鈉型火山巖過渡。銅元素來自于幔源物質,而鉛鋅或為殼源物質或為殼幔混源物質。

2 成礦機制

VMS型礦床與海底硫化物有關,是水熱系統對流活動的產物。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)沿裂隙向下滲流運移,由巖漿熱源的驅動發生對流,因與巖石中的含鐵組分或含氧物質發生還原反應而沉淀。由于 H2S、HS-和 S2的活度遠遠大于 SO42-和HSO4-的活度,從而導致一種還原的、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移時,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)。

向上流動的支流與周圍巖石和冷的海水相互作用發生了強烈的鎂交代作用。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,這種滲入作用更強烈。較晚階段,海底上升流對早先沉積的礦石進行交代淋濾和活化轉移,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,并垂直于這個方向分布,重晶石等在比值最低的區域發生聚集沉淀。

到達海底表面的含礦溶液流向局部的低洼地帶。根據稀釋和降溫的程度,沉積的共生礦物成區帶分布: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,產生渦流、濁流等沉積,對礦物進行遷移和再造。地質和地球化學數據 (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-沉積交代變質作用模型。也就是Bischoff[11]提出的雙擴散對流循環模式 (圖 2)。依照模型,含有SO42-離子和各種礦物組合的內生熱液在海底表面的高滲透率區展開成漏斗狀構造,形成對流系統。流體強力穿越松散的海底沉積區,也是礦物沉積作用最強烈的區域。海底熱液系統由2個垂向上分離的上、下對流循環胞構成:下部的對流循環在300～350℃水解作用下,生成 2種酸:弱酸(H2S)和強酸 (H2SO4)。強酸從酸性巖石 (流紋巖)中淋濾出CaO、M gO和 FeO等大量的物質,轉變為高熱、高鹽度、高密度的鹵水層,向上流動時因溫度、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-絹云母交代轉化。而在上部的對流循環中,海水通過擴散界面傳輸部分溶解組分且被鹵水層加熱,在向上流動時水溫降到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,并驅動上部冷的海水循環,而上部的海水層是一個單循環圈,在穩定態條件下2個對流體系能各自獨立。但突發性的巖漿或構造事件,會使海水注入熱鹵水中,并導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一步混合反應,引起礦物質沉淀。隨著礦層的連續沉積和不斷加厚,礦體的底部邊界不斷被降低。在同一礦物輸送通道,熱液-沉積周而復始,反復作用,所以經常可發現已生成的礦體和新生的礦體循環出現,通常發育成多期次礦床。

圖2 雙擴散循環模式 (據Bischoff)

4 討論與結論

VMS型礦床成礦作用貫穿整個地質歷史時期,從太古代的地盾到現代的洋脊都有發生。

本文根據地質組合特征,對VM S型礦床四種類型成礦作用進行分析總結,另對流體的運動,以及VM S型礦床成礦作用等進行了歸納。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生對流,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,與海水反應導致成礦作用。

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