Sedex型矿床地质特征及成矿物质来源示踪

罗俊杰,张建芳

(中国地质大学(武汉)资源学院,湖北武汉 430074)

Sedex型矿床地质特征及成矿物质来源示踪

罗俊杰,张建芳

(中国地质大学(武汉)资源学院,湖北武汉 430074)

在前人对Sedex型矿床研究的基础上,结合国内的一些典型矿床,如金顶超大型铅锌矿床、白秧坪矿床、大厂锡多金属矿床等,总结该类矿床的矿床地质特征,并从主、微量元素、稀土元素、稳定元素以及稀有气体元素地球化学方面来探讨该类型矿床的成矿物质及成矿流体来源。

Sedex型矿床;地质特征;成矿物质;成矿流体

0 引言

块状硫化物矿床根据其围岩的不同可以分为以火山岩为容矿岩石的火山成因块状硫化物(VMS或VHMS)型和以沉积岩(如碎屑岩、硅质岩、碳酸岩等)为容矿岩石的沉积喷流型。海底沉积—喷流(Sedex)矿床泛指成矿水热流体(不同成因)喷溢出海底,液态状通过不同方式,将所携带的成矿组分在喷口上下或附近沉积富集而形成的矿床。Cooke等[1]将Sedex型铅锌矿床分为2类:一种形成于氧化环境,富含碳酸盐岩围岩,以McAther、MountIsa[2]为代表;另一种形成于还原环境,围岩为碎屑岩,矿体中赋含大量的磁黄铁矿,如加拿大Sullivan矿床。

1 矿床地质特征

1.1 成矿构造背景及赋矿岩石

Sedex型矿床主要形成于拉张性构造环境,具体的构造背景是受裂谷控制的克拉通内部及其边缘的沉降盆地,或拉张的裂谷、地堑,如华南型块状硫化物矿床受大陆地壳上的断裂凹陷带控制,澳大利亚的麦克阿瑟河矿床和芒特艾萨矿床受裂谷带控制等。Sedex矿床具明显的时控性,其产出时代相对集中,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)元古代岩石中明显缺乏任何类型的VMS矿床,Sedex矿床正好与VMS矿床的成矿期互补[3]。

矿床往往由一个或数个水平层状或类透镜扁平状矿体组成,厚度几十米,长度可达几千米[4]。矿体上部喷口相有块状、角砾状矿石,这些块状硫化物矿体与顶板岩层常呈突变接触关系,而与下伏网脉状矿化带多为过渡关系。矿床的容矿岩石为较细粒的以碎屑沉积物为主的岩石,包括页岩、粉砂岩和碳酸盐及其变质后的产物,并常夹有一些凝灰岩,如锡铁山铅锌矿床的含矿岩系是一套已经变质到绿片岩相的早奥陶世火山—沉积岩[5]。

1.2 矿物组成及矿石结构构造特征

矿物成分一般比较简单,主要的矿石矿物从多到少依次为黄铁矿、磁黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、黄铜矿(斑铜矿和辉铜矿有时重要)、少量毒砂、磁铁矿以及黝铜矿—砷黝铜矿,脉石矿物主要是石英及碳酸盐、重晶石、绿泥石和绢云母等[6]。

由于地表热水沉积物基本属于快速结晶堆积产物,Sedex型矿床结构特征基本为非晶质或隐晶质,巢孔构造发育,伴有水热爆炸的热水沉积物中以热水角砾岩发育为特征[7]。由于热水沉积物是一种胶体沉积物,其构造特征常为鲕状构造或鞘状构造、管状构造等;另外,纹层构造、浸染状构造亦发育,例如:甲马矿区的矿石结构主要有淀晶结构、溶蚀交代结构、固溶体分离结构。矿石构造主要为稀疏浸染状构造、稠密浸染状构造、细脉浸染状构造,次为块状构造[8]。并且此类矿床中往往化石丰富。

1.3 矿床的分带性

Sedex型矿床在横向和垂向上都有明显的矿物分带性。以只有少量金属沉积的含矿热液通道为中心,水平分带为Cu-Pb-Zn-(Ba),垂向分带为Cu-Zn-Pb-(Ba),铁有时会富集在分带的中心。在硫化物矿床周围可能会有铁晕出现。铜比铅、锌都更接近分带的中心。以甘肃厂坝Sedex型铅锌矿为例,矿体具有明显的分带性[9]:矿体上部为条带状、浸染状和层纹状矿石,富闪锌矿、重晶石和方解石;矿体下部为块状矿石,富黄铁矿、闪锌矿、钠长石和石英;并且含矿层可以由数个韵律组成。

矿石的矿物成分从矿体底部到顶部具规律性的变化。据彭润民等[10]东升庙矿床厚数百米的Zn、Pb、Cu复合矿体,自下至上出现:由Cu→Cu、Zn→Zn、Pb、Cu→Zn、Pb→Fe(硫化物)的连续矿化分带,Cu/(Cu+Zn+Pb)=0.585→0.17→0.021→0.009。

据白金刚❶白金刚,云南白牛厂超大型银多金属矿床含矿地层沉积相研究及沉积喷流成矿作用的证据,硕士论文,1993。的研究,云南白牛厂铜矿具有明显的热水沉积成矿特征,热水喷流孔沿一东西向的断裂带分布,从喷流孔向外依次为硅质热水角砾岩、硅质岩、钙质岩,与沉积分带相对应,矿化分带明显,依次为黄铁矿带、黄铜矿带和铅锌矿带。

1.4 围岩蚀变特征

Sedex矿床中蚀变类型主要为绿泥石化、硅化、绢云母化等。本类矿床的下盘蚀变比较明显。Hass等发现,Sedex型矿床下部补给系统内的蚀变常为硅化,有时有电气石化、钠长石化,矿体下盘见白云石化、电英岩化及绿泥石化[11]。例如,澳大利亚Sullivan矿床底板沉积物的蚀变主要为电气石化,顶板蚀变由钠长石—绿泥石集合体组成;甘肃厂坝铅锌矿床矿体下盘蚀变为阳起石化和绿帘石化。

2 成矿机理

2.1 成矿流体性质及来源

根据Sedex矿床的成矿流体与现代海底热液的化学成分及正常海水成分的比较,矿床的成矿流体是一种温度较高(100℃以上)、呈酸性(pH<7)、富含金属元素(如Cu、Pb、Zn、Mn、Ba、K、Fe等)的还原性(因H2S含量较高)流体,而且Cl和H2S含量高于正常海水,这就为金属元素呈氯的络合物和硫的络合物迁移提供了有效的络合剂。韩发等[12,13]对大厂锡多金属矿床的成矿流体研究表明,成矿流体可能是海水在深部循环过程中与底盘沉积岩发生了长时间的水—岩交换反应,实际上这种流体很可能就是海水。

2.2 成矿物质来源

2.2.1 主量元素及微量元素地球化学

Sedex型矿床富含Pb、Zn,伴生重要的Ag、Ba,含少量Cu。钡主要呈重晶石存在,分布于层状矿体的上部或边部。有时该类矿床完全不含重晶石,但钡存在于长石中,形成钡冰长石(如中国大厂、澳大利亚McArthur River等矿床)。在微量元素方面,该类型矿床普遍含一定量As,Sb,W,Sn,Hg,Cd,Mn,Co,Ni,B等。在特定的地球化学背景下,某些伴生元素可以形成独立矿床,如中国大厂锡多金属矿床、锡矿山锑矿床等。Sedex型矿床的S/Se比值<2×105,且Co/Ni比值>1,表明矿床的成矿过程均与海底热液有关[14,15]。

2.2.2 稀土元素地球化学

现代海水沉淀下来的化学沉积物,如洋中脊附近的Fe-Mn沉淀物,准确地反映了海水相对亏损Eu和Ce的特点。Fryer认为,化学沉积物,特别是条带状含铁建造是追踪随时间推移的沉积环境中稀土元素演化的最好物质。Sedex型矿床中各类化学沉积物—硫化物矿石和喷气岩的REE组成具有显著的特征。首先,这些化学沉积物中的REE总量低;第二,随着地质时代由老到新,轻重稀土元素分馏由弱到强;第三,远源金属沉积物显著亏损Eu、Ce,但近源硫化物矿石和喷气岩具显著的正铕异常,与丁振举等[16]对东沟坝稀土元素的研究一致。这些特征与现代地热系统流体中REE的地球化学特征十分相似。

2.2.3 稳定同位素地球化学

(1)S同位素 Sangster对形成于显生宙的110个块状硫化物矿床2 300多个硫同位素数据进行了计算机统计。结果表明,Sedex型块状硫化物矿床的硫和同期海水的硫在同位素组成上有一定的相关关系。特别值得指出的是,这种相关关系与石油中硫和同期海水的硫在同位素组成上的相关性非常相似,即整个硫化物矿床的δ34S值比同期海水硫酸盐约低15‰(表1),因此同期海水中的硫酸盐是这些块状硫化物矿床硫同位素的一个可能的来源[17]。

表1 Sedex型矿床与现代大洋TAG的δ34S值Table 1 Theδ34S-values of Sedex deposits and TAG

另外,在一个矿区范围内,块状硫化物矿床的硫同位素组成常常有分组现象。换句话说,在全矿区范围内,矿床的硫同位素组成可能变化很大,但是,对于单个矿体或产于某一地层单元内的独立矿体,其硫同位素组成则相当均一。甘肃厂坝铅锌矿床20个闪锌矿的硫同位素组成为+11‰～+22‰(CD),30个黄铁矿为+8‰～+28‰。19个方铅矿为-2‰～+22‰。每一种金属硫化物的δ34S值具有正态分布特征,说明成矿过程以一种成矿作用为主,其它成因的硫的混入是不重要的。利用共生矿物计算出系统总硫值为+22‰～+25‰。稍轻于泥盆纪海水硫酸盐的硫同位素组成,表明其来源于海水硫酸盐在较高温度下的无机还原。这与矿区重晶石的δ34S值为+22‰～+32‰相近,指示其硫直接来源于泥盆纪海水。

(2)Pb同位素 铅同位素的研究能为探讨矿床成因及成矿物质来源提供重要价值的资料。从Zartman全球铅构造演化模式图(图1)中可以看出,Sedex型矿床的铅同位素大多落在上地壳及造山带演化线附近,少数落在上地幔线附近,这与现代大西洋洋中脊TAG热液区硫化物铅同位素落在上地幔线附近有所差别,显示该类型矿床中具有壳源铅的特征(图1-a)。在图1-b中矿石铅同位素除现代大西洋洋中脊TAG热液区硫化物外全部落于下地壳与造山带演化线之间,同样显示源区具有壳源铅同位素组成的特征。而位于陕西的东沟坝多金属矿床的铅同位素在图1-a、图1-b中都表现与其他地区矿床206Pb/204Pb值不同,这与朱炳泉[25]、张本仁[26]等人研究中国铅同位素存在地域上的分带差异,以及与不同的流体作用等有关。

此外,据韩发对广西大厂锡多金属矿床的研究证明,不论是方铅矿样品还是非方铅矿样品,取自单个矿体的铅同位素组成表现出高度群集的特点,但是在同一个成矿区内,不同矿体之间的铅同位素有明显的差别,具分组特征。

(3)B同位素 Sedex型矿床经常伴有电气石岩存在,该类岩石中电气石的成分虽然变化较大,但总体看来仍然是以富镁电气石为主,明显不同于与花岗岩有关的脉状电气石,因此硼同位素的研究为探讨Sedex型矿床的成矿物质来源提供了重要的新途径。现有资料表明,在全世界范围内,19个Sedex型矿床电气石岩中电气石的δ11B值变化于-1.7‰～-15.4‰,平均值为(-9.8±4.0)‰。这个平均值类似于Guaymas海盆热液系统蚀变沉积物的δ11B值(-9‰),为Sedex型矿床形成于海底热液系统提供了有力证据。

图1 铅构造模式图(据Zar tmanand Doe)Fig.1 Plumb tectonicsmodel

(4)Si、O同位素 随着测试技术的改进和测试精度的提高,硅同位素为研究Sedex型矿床中的成因及矿石中石英的硅质来源等问题提供了新的手段。据Savin[27]、Clayton[28]、Douthitt[29]、宋天锐等[30]、丁悌平等[31,32]等的研究,将硅质岩及矿石中石英的硅、氧同位素进行了归类。热水来源(热泉华)石英δ30Si值为-1.5‰～0.8‰,δ18O值为12.2‰～23.6‰。

韩发、孙海田曾对大厂锡多金属矿床的硅同位素进行了研究,结果表明层状矿体中的石英δ30Si变化于0.2‰～0.6‰,与容矿硅质岩的石英δ30Si变化于0.2‰～0.8‰具同种来源,脉状矿化中的石英硅δ30Si变化于0‰～0.5‰,来自容矿硅质岩,而不是花岗岩(δ30Si变化于-0.3‰～-0.1‰)。同时结合氧同位素值(容矿硅质岩和层状矿体δ18O值很接近,其平均值分别为(15.4±2.5)‰和(15.4±0.5)‰),推测大厂锡多金属矿床的硅质岩可能是在海底热液对流循环系统中形成的。

(5)稀有气体同位素 稀有气体同位素可以示踪地壳现代流体的来源及其水—岩作用的历史。在中国Sedex型矿床流体包裹体氦—氩同位素研究资料较少,但也有赵葵东等[33]用氦同位素很好地解释大厂矿床成矿流体有地幔流体的混入,可能是海水与地幔流体混合所致。这与韩发和孙海田利用硅同位素得出的结论相同。胡瑞忠[34]在用He-Ar同位素研究金顶超大型铅锌矿时,准确地解释了成矿流体同时具有地壳氦、大气氩、地壳成因硫和幔源铅的同位素组成的原因,即反演成矿流体为大气成因地下水下渗增温→通过水—岩作用从盆地地层中获取硫和氯以及放射成因的氦和氩→浸取盆地底部幔源火成岩中的铅和锌→含矿流体回返上升成矿的演化过程,而使成矿流体留下了地壳氦、(叠加有部分放射成因40Ar的)大气氩、地壳成因硫和幔源铅的同位素组成特征。薛春纪等[35]又对金顶铅锌矿床及白秧坪矿床样品中流体包裹体的He、Ne和Xe同位素组成进行了研究。根据稀有气体同位素分析结果,认为矿床成矿流体以壳幔流体混合为主。

因此,选用氦—氩同位素并结合硅、氧、锶、钕、铅等同位素的研究,能够更好地确定矿化流体的来源并推测其演化过程。

3 结论

Sedex矿床形成于拉张性地质构造环境,物质成分上富含铅锌,贫铜,直接容矿围岩为细碎屑岩和碳酸盐岩,矿化有侧向和垂向上的分带性。

Sedex矿床的物质和流体来源一直有多种观点。不同环境下Sedex矿床的成矿物质和流体会有不同的来源。随着对现代大洋中脊热液研究的深入,可以直接对比Sedex矿床的稀土微量元素及同位素。在原有运用氢、氧、硫、铅同位素研究解决成矿流体来源及演化过程的基础上,采用新的方法运用硼、硅、氦、氩同位素表现出了一定的优越性。加上各种体系之间的对比能够更加准确地认定成矿物质及流体的来源,同时可以推测、模拟其演化过程,对完善Sedex矿床的成矿模式有重要意义。

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(责任编辑:于继红)

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

罗俊杰(1984-),男,在读硕士研究生,研究方向:成矿规律与成矿预测。E-mail:luorangrengqing@126.com