VMS矿床的后期改造对中国阿尔泰山原生VMS矿床的影响

孙超 杨晓勇 张辉善 计文化 陈博 董增产

摘  要：作为Cu-Pb-Zn资源的主要提供者之一，火山成因块状硫化物矿床（VMS矿床）具重要经济价值。该类矿床经火山喷流沉积形成，并常遭后期改造，主要包括变形作用、变质作用和再活化作用。中国阿尔泰山拥有丰富的VMS矿床，成矿大致经历了早—中泥盆世火山喷流沉积期和二叠—三叠纪变形变质改造期，使原生VMS矿床的矿物结构、矿石构造、矿体形态、矿床空间结构等矿床地质特征变得复杂。重视后期改造对区内原生VMS矿床的影响，对理解VMS矿床形成演化和指导区内找矿勘查具重要意义。

关键词：阿尔泰山;VMS矿床;硫化物;后期改造

火山成因块状硫化物矿床（VMS矿床）是硫化物矿物的聚集体（硫化物约占60%以上），形成于海底或海底附近，在时间、空间和成因上与同期火山作用密切相关。该类矿床通常由两部分组成（双层结构），整合的塊状硫化物透镜体和不整合的网脉状、脉状硫化物矿化，后者位于块状矿体之下[1-3]。该类矿床常形成于离散型构造环境（如洋中脊）或汇聚型构造环境下的局部伸展环境（如洋内弧弧后伸展盆地、陆缘弧弧后盆地）[4]。相对伸展的构造环境不仅为成矿流体的迁移和沉淀提供通道和空间，有利于地壳浅部火山作用发育，并为矿床的形成提供物质与能量[5]。VMS矿床蕴含丰富的矿产资源，主要包括：贱金属。如Cu，Pb，Zn等;贵金属。如Au，Ag等;稀散元素。如Ga，Ge，Cd，In等，是战略性关键金属。稀散元素在VMS矿床中常以类质同象替换的形式赋存于硫化物中[6-7]。原生VMS矿床形成后遭变形和变质作用改造，矿床特征发生了变化。

本文总结了变形、变质和再活化等作用对原生VMS矿床的影响，概述了中国阿尔泰山VMS矿床遭受的后期改造，旨在使相关现象和问题得到研究者在理论研究和实际工作过程中的重视。

1  VMS矿床后期改造

1.1  变形作用

宏观上，变形作用可破坏VMS矿体原始空间展布，褶皱作用使原本水平的矿体发生倾斜乃至倒转，断裂作用使矿体发生错动、破裂。在变形作用下，矿床原有的“上块下脉”双层空间结构发生改变。微观上，变形作用使硫化物发生变形。VMS矿床主要由硫化物组成（如黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、黄铁矿、磁黄铁矿等），矿物晶体结构和化学组成的差异，决定了变形作用的不同。通常情况下，黄铁矿强度较大，常为脆性变形，具破碎、微裂缝、细粒化等特征[8-9]。如辽宁红透山VMS矿床中黄铁矿发育微裂缝、破碎等脆性变形[10]。黄铁矿也会表现出韧性变形特征，特别是被硅酸盐矿物所包裹时。如Falun Zn-Pb-Cu块状硫化物中，黄铁矿同寄主的硅酸盐矿物发生定向排列和韧性变形[11]。与黄铁矿相反，其它在VMS矿床中常见的硫化物，如黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、磁黄铁矿等，由于强度较弱，常表现为韧性变形，具弯曲、塑性流动、拉长等特征[8]。

1.2  变质作用

同岩石和矿物一样，原生VMS矿床在温度、压力和流体影响下，原始矿物结构和地球化学特征会发生改变。

1.2.1  对硫化物结构影响

变质作用常伴随温度、压力的升高，为适应新的温度压力条件，硫化物常会在结构上进行调整[1]。主要包括：硫化物粒度随变质程度升高逐渐增大，形成变斑晶及退火结构（三联点结构）。以上3种结构转变在本质上是一样的，即变质再结晶，消除残余应力，减小表面能等，达到新的温度、压力下的稳定。这些结构在实际受变质改造的VMS矿床中可观察到。如Craig等在变质矿床中发现加粗的黄铁矿和黄铁矿的变斑晶[9];Zhang等和Kampmann等在VMS矿床研究中发现黄铁矿退火结构（三联点结构），暗示变质再结晶[10-11]。

1.2.2  对硫化物元素组成影响

变质作用对硫化物元素组成有影响。热力学模拟表明[9]，随变质程度的升高，黄铁矿（FeS2）逐渐脱离S，向磁黄铁矿转变（Fe1-xS）。利用原位LA-ICP-MS技术，研究者分析了挪威和澳大利亚不同变质程度VMS矿床中的闪锌矿[12]。结果显示，元素若在闪锌矿中以微米级-纳米级包裹体存在（如Pb，Bi，Cu，Ag等），随变质程度的升高，这些元素将亏损，暗示这类元素在闪锌矿中不稳定。当元素在闪锌矿中以类质同象形式存在时（如Mn，Fe，Cd，In和Hg等，占晶格位置），即使闪锌矿经历重结晶，微量元素含量也未显示与变质程度相关。加拿大Abitibi地区的Bracemac-McLeod矿床，研究者们利用LA-ICP-MS技术分析了不同成因黄铁矿，发现变质作用对黄铁矿中不同元素的影响有差别，Ni，Co，As和Se等元素被保留，其它元素被逐出晶格，表明这些抵抗变质作用的元素可用来讨论原始成矿流体性质[13]。在瑞典的Falun Zn-Pb-Cu块状硫化物矿床中，研究者揭示微量元素在黄铁矿中如以化学计量比替换（如Co，Ni），将能经得起后期重结晶和变质作用。相反，如元素以非化学计量比替换或以包裹体形式存在，在重结晶和变质过程中将被逐出[11]。

以上实例表明，若元素在硫化物中以类质同象形式存在，可抵抗变质作用。若元素在硫化物中以包裹体存在，则难以经受后期变质作用，在变质作用中倾向于释放。

1.2.3  对硫化物S同位素组成影响

VMS矿床中硫化物的S同位素组成对反演S源、指示成矿物理化学条件、揭示成矿过程具重要作用。查明变质作用如何影响和调整硫化物的S同位素组成，不仅有助于判断硫化物的S同位素数据是否可靠，是否能用于探讨矿床成因，还能为理解热液矿床如何响应后期变质改造提供理论依据。

先前研究者认为在变质作用下，矿床中硫化物S同位素组成整体保持不变，局部硫化物S同位素组成将调整[14-16]。Wagner等研究了德国Rhenish地块泥盆系板岩中黄铁矿的S同位素，研究区经历的变质温压为280 ℃、2.5 kbar。由于研究区成岩-沉积黄铁矿、变质再结晶黄铁矿、变斑晶黄铁矿具相似的S同位素组成，研究区变质温压不会显著影响原始的S同位素组成[14]。Brueckner等研究了加拿大经高绿片岩相-低角闪岩相变质的Cu-Zn块状硫化物矿床（VMS型，Ming矿床），测试了矿石中相邻矿物的S同位素组成[15]。如相邻矿物在高绿片岩相-低角闪岩相变质温度下发生再平衡且时间足够的话，其会发生充分的S同位素交换，使相邻硫化物的S同位素组成相似，符合S同位素富集顺序，同位素平衡温度与变质温度相近。相邻矿物的S同位素组成在δ-δ图解上斜交等温线，少量数据偏离了S同位素富集顺序，暗示不平衡的S同位素组成，表明研究区变质程度未显著影响原始的S同位素组成。Cloutier等研究了加拿大的Whalesback富Cu的块状硫化物矿床[16]，该矿床经低温中压变质作用。研究者测试了矿石中不同硫化物的S同位素组成，发现不同矿物对得到的温度有差别。认为研究区变质程度不足以造成原始硫化物的S同位素改变，不同矿物对S同位素平衡温度有差异，矿床范围内S同位素组成也存在差异。

据激光探针分析结果[17]，硫化物孤立与否，将影响硫化物的S同位素组成。如硫化物间相互接触（硫化物不孤立），在变质和缓慢的冷却中，硫化物间会发生S同位素交换，硫化物不能保持原有的S同位素组成。如硫化物被石英或其它硅酸盐矿物孤立（网脉状区域），经变质作用后，硫化物仍能保持原有的同位素组成，这主要是因为缺乏S同位素交换的矿物相。研究者测试了粗粒硫化物核部和幔部的S同位素组成，发现前者与孤立的硫化物相似，后者与不孤立的硫化物相似。指示粗粒硫化物的幔部区域优先发生S同位素交换，核部在一定程度上可保持原有的S同位素组成。

变质作用常伴随流体的存在，流体会影响原始硫化物的S同位素组成。Wagner等通过热力学方法模拟黄铁矿和流体反应[14]，指出变质流体如未饱和黄铁矿，能溶解活化黄铁矿，影响原始硫化物的S同位素组成。研究者模拟了不同氧化还原状态流体与黄铁矿平衡情况。当黄铁矿与还原性流体平衡时，由于硫化物与还原性流体间分馏小，黄铁矿能保持原有的S同位素组成。当黄铁矿与氧化性流体平衡时，由于氧化型S相的出现（如SO42-、HSO42-），硫化物和氧化型S相间S同位素分馏大，平衡后，原有硫化物将亏损34S，形成具轻的S同位素组成的硫化物。因此，氧化型流体的出现将调整硫化物的S同位素组成。研究证实了Wagner等的热力学模拟结果，如Alt等将高压环境下蛇纹岩中硫化物S同位素的变化归因为流体的参与[18]。Giacometti等研究了意大利西阿尔卑斯的两个变质程度不同的块状硫化物矿床（Beth-Ghinivert矿床，经绿片岩相变质;Servette矿床，经榴辉岩相变质）[19]，发现矿石的S同位素在宏观和微观上均未均一，即S同位素未发生充分交换，表明原有的S同位素被保留。研究认为，变质过程中有限的流体释放是硫化物S同位素得以保留的原因之一。

1.3  再活化作用影响

活化和再活化的完成：①元素固态-机械的迁移，通过碎裂流、位错流和物质扩散完成;②元素液态-化学的迁移，借助溶液（流体参与的扩散、对流）和岩浆流动完成;③以上两种形式的混合，即同时借助机械迁移和化学迁移[8， 20-21]。VMS矿床形成时，活化过程已完成（即原始分散的元素经迁移、汇聚而成矿床）。VMS矿床形成后，伴随变形作用和变质作用的再活化过程对原有矿床空间结构、元素分布、矿石结构等进行调整，改变了矿床的原始面貌。再活化过程引起某处元素富集的同时，可引起某处元素的亏损，本质是某区域元素的重新分配。再活化作用常伴随变形作用和变质作用。变形作用的影响常关注矿床的物理变化，变质作用的影响常关注矿床的物理及化学变化，再活化作用的影响则重视矿床在变形和变质过程中，元素的重新分配过程。

1.3.1  元素固态-机械迁移

元素固态-机械的迁移主要伴随变形作用。元素以硫化物为载体，通过硫化物塑性流动进行迁移[20-21]。元素固态-机械的迁移距离有限，难以进行长距离迁移，为元素在局部范围内的再分配。该迁移方式可影响赋存于“软矿物”（如闪锌矿、磁黄铁矿和黄铜矿）中的元素，因“软矿物”易发生塑性流动。原始矿石构造、矿体形态和矿床空间结构等矿床地质特征发生局部物理调整，可能在局部地区形成元素的聚集或异常。

从宏观看，矿床发生褶皱时，由于硫化物具一定塑性，硫化物矿体常在褶皱核部加厚，在褶皱翼部减薄，在褶皱核部形成局部富矿体[1]。微观角度上，伴随矿床变形，硫化物结构发生了变化。中国辽宁红透山Cu-Zn矿床，研究者在矿石中识别出旋转碎斑结构[10]。形成过程为：不同硫化物和硅酸盐矿物的强度有差别，强度大的矿物韧性变形时易破碎，强度小的易发生塑性流动和韧性变形，易于迁移。迁移过程中，破碎矿物进一步发生破碎、分割、碾磨、旋转运动，最终强度大的矿物常以无根碎片、浑圆状碎屑存在于强度小的矿物中，即所谓的旋转碎斑结构[22]。在研究瑞典的Falun Zn-Pb-Cu块状硫化物矿床中，研究者也发现类似构造[11]，即方铅矿包裹浑圆的黄铁矿。在加拿大纽芬兰中部Whalesback VMS矿床中，研究者发现闪锌矿、磁黄铁矿和黄铜矿包裹和穿插黄铁矿现象[16]。不同硫化物强度有差别，黄铁矿是“硬矿物”，难以韧性流动，常发生脆性变形，形成裂缝。闪锌矿、磁黄铁矿和黄铜矿等为“软矿物”，易于韧性流动。因此，这些“软矿物”在变形中易于包裹和穿插“硬矿物”。

1.3.2  元素液态-化学的迁移

元素液态-化学迁移常伴随变质作用。元素以流体或熔体为载体，伴随流体或熔体流动进行迁移[20-21]。与元素固态-机械迁移相比，元素液态-化学迁移可进行一定程度远距离迁移，元素可在更大范围内再分配，更易影响流体或熔体活动性元素。在此影响下，原始矿床特征发生改变，形成新的富含金属元素的脉体或硫化物（由硫化物熔体冷却形成），造成流体或熔体活动性元素的局部富集。

瑞典的Falun Zn-Pb-Cu块状硫化物矿床由3部分组成：块状硫化物矿体、浸染狀-半块状Cu-Au矿化和含金的石英脉。含金石英脉富集含Pb-Bi的硫盐、黄铜矿和自然金。微区分析显示，块状硫化物矿体、浸染状-半块状Cu-Au矿化中的部分黄铁矿亏损Pb，Bi，Se，Au;浸染状-半块状Cu-Au矿化中的黄铜矿微量元素特征与含金石英脉中黄铜矿相似。研究者推测[11]，在变质作用下，部分黄铁矿中微量元素释放Pb，Bi，Se，Au等，这些元素在变质流体作用下迁移，形成含金石英脉及矿物。研究者利用LA-ICP-MS技术分析加拿大Bathurst矿区VMS矿床中的黄铁矿微量元素[23]，发现原生黄铁矿富集流体活动性元素Tl，Sb，As，Hg，Bi，Pb，Sn等，原始黄铁矿经变质作用后形成的次生黄铁矿则亏损这些元素。研究者推测，在变质流体参与时，原生黄铁矿中流体活动性元素更易丢失，暗示元素随溶液迁移。这些流体活动性元素常以非化学计量比替换或以包裹体形式存在于黄铁矿中，在变质过程中更易释放和丢失。这时如有流体参与，释放的元素可随之迁移。硫化物在较高变质温度时发生熔融，以熔体形式进行迁移。Frost等据矿相学观察、实验岩石学推测[24]，约500℃时，黄铁矿和毒砂反应形成磁黄铁矿和As-S熔体;500℃～600℃时，熔体富集Ag，As，Au，Bi，Hg，Sb，Se，Sn，Tl和Te等元素;600℃～700℃时，熔体富集Cu，Pb等元素;最高温度熔体（温度上限为高角闪岩相和麻粒岩相）富集Fe，Mn，Zn及Si，H2O，F等。中高温熔体进行迁移时，造成元素的再活化和重新分配。

2  中国阿尔泰山VMS矿床

中国阿尔泰山是中亚造山带重要组成部分，西、北和东部分别与哈萨克斯坦、俄罗斯和蒙古相邻，南部以额尔齐斯断裂为界。中国阿尔泰山主要由古生代火山-沉积地层组成，发育奥陶—三叠纪持续性岩浆作用[25-27]。在至少3期构造-热事件影响下，不同地区原始地质特征发生不同调整与改造[27]。由于复杂的地质演化，分散的金属和非金属元素在变化的成矿流体（如岩浆、岩浆热液、变质流体、海水等）中迁移和汇聚，于中国阿尔泰山形成丰富多样的矿产资源[28-30]。中国阿尔泰山主要矿产类型包括[30]：火山成因块状硫化物矿床（Cu-Pb-Zn）、海相火山岩型矿床（Fe）、岩浆型矿床（Cu-Ni，V-Ti-Fe）、矽卡岩型矿床（Fe）、伟晶岩型矿床（Li-Be-Nb-Ta）、热液脉型矿床（Cu-Zn，Fe）和造山型金矿床（Au）（图1）。

VMS矿床主要集中于中国阿尔泰山南缘，分布于阿舍勒、冲乎尔、克兰和麦兹4大泥盆系火山-沉积盆地中。由于VMS矿床遭不同程度后期改造，矿床原生空间结构、矿石构造和矿物结构等发生了改变。

阿舍勒盆地赋存阿舍勒Cu-Zn矿床，以早—中泥盆系阿舍勒组火山-沉积岩为容矿岩石，该矿床遭受不同尺度的后期改造。宏观上，受区域褶皱作用影响，Cu-Zn矿体与围岩共同变形，原始水平矿体发生倾斜与褶曲，原始矿床空间结构遭破坏[31]。变形作用下，硫化物发生塑性流动，引起的机械再活化作用使硫化物矿体在褶皱核部加厚，翼部减薄，矿体在褶皱核部局部富集[32]。在后期变质流体叠加改造下，原始硫化物矿石中流体活动性元素随变质流体迁移，并在构造薄弱处沉淀，形成后期多金属硫化物[33]。微观上，变形变质作用除造成围岩和矿石中矿物破碎、重结晶、定向排列外[33]，再活化黄铜矿和闪锌矿穿插、包裹碎裂的黄铁矿，构成旋转碎斑结构[32]。表明后期改造部分调整了阿舍勒Cu-Zn矿床原始矿床地质特征。

克兰盆地和麦兹盆地蕴含众多Pb-Zn矿床和矿化点，以早泥盆世康布铁堡组火山-沉积地层为容矿岩石。克兰盆地典型矿床包括大东沟Pb-Zn矿床、乌拉斯沟多金属矿床、铁木尔特Pb-Zn矿床和塔拉特Pb-Zn矿床。这些矿床共性为：①成矿分为两个阶段：早泥盆世火山喷流沉积期和二叠—三叠纪变形变质改造期[30， 34-35];②后期改造作用涉及变形、变质和再活化作用。如铁木尔特Pb-Zn矿床，原始条带状矿石发生褶皱弯曲[36]，后期石英硫化物脉顺层或穿层[36]。位于Pb-Zn矿体之上的含金石英脉被认为是变质流体活化迁移地层中Au元素所形成[37]。大東沟Pb-Zn矿床和塔拉特Pb-Zn矿床，除围岩和矿石受变形变质影响发生改变外（如脆性变形导致硫化物碎斑、韧性变形导致硫化物塑性流动、变质作用使原始火山沉积地层变为变质岩）[37-38]，后期顺层或穿层的石英-硫化物脉被视为后期热液叠加改造的证据[37-38]。乌拉斯沟多金属矿床发育有后期石英-硫化物脉[39-40];③变形变质叠加改造期形成的石英硫化物脉，除带来一定矿化外，流体包裹体显示富CO2特征，该特征与变质流体一致，富碳流体可能对后期金矿化有益[37-38，41]。

麦兹盆地的可可塔勒Pb-Zn矿床，在后期褶皱作用下，原始水平状矿体发生弯曲，硫化物发生塑性流动，在褶皱核部局部富集[42]。在后期液态再活化作用下，形成多金属硫化物脉，可能带来一定意义的矿化[43]。微观上，矿石显微结构如硫化物再结晶、定向排列等均指示后期变质作用的影响[43-44]。研究表明，中国阿尔泰山不同地区VMS矿床在早—中泥盆世经火山喷流沉积作用形成，伴随古亚洲洋俯冲、消减、闭合产生的变形、变质和岩浆作用，遭不同程度后期改造，包括变形作用、变质作用和再活化作用。后期改造可破坏原生矿床特征，使原生VMS矿床原始的矿床地质特征变得复杂。

3  结论与展望

VMS矿床多产于伸展环境或挤压环境下的局部伸展环境，涉及俯冲、拼贴、挤压、碰撞等造山过程，成为造山带的一部分。伴随造山前和造山时的变形作用、变质作用及再活化作用，原生VMS矿床会进行调整和改造。经后期改造的VMS矿床原生矿床特征发生改变，使矿床变得复杂。

作为中亚造山带的重要组成部分，中国阿尔泰山具复杂的地质演化和丰富的矿产资源两个主要特点。中国阿尔泰山南缘VMS矿床大致可分为早—中泥盆世火山喷流沉积期和二叠—三叠纪变形变质叠加改造期。研究表明，中国阿尔泰山赋存的VMS矿床遭受的后期改造作用不容忽视。详细查明后期改造过程和产物、后期改造对原生矿床的影响、元素富集规律和有利位置，不仅可解释矿床成因，完善成矿模型，丰富VMS成矿理论，还有助于理解区域成矿规律及指导深部找矿预测。

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Abstract： As one of the main suppliers of Cu-Pb-Zn resources， the volcanogenic massive sulfide deposits （VMS deposits） are of vital significance in the economy. After the formation by volcanic exhalation and ore deposition， the VMS deposits would be easily modified by deformation， metamorphism， and remobilization. There are abundant VMS deposits in the Chinese Altai， volcanic exhalative sedimentation in the Early-Middle Devonian and modification accompanied by deformation and metamorphism in Permian-Triassic resulted in the formation of these deposits， which complicated the VMS deposits in terms of the deposit geology， such as the texture of minerals， the structure of ores， morphology of orebodies， the spatial structure of deposits. It is of great significance to pay attention to the influence of the modifications on the primary VMS deposits in the area to understand the formation and evolution of the VMS deposits and to guide the prospecting.

Key words： VMS deposit;Sulfide;Modification;Chinese Altai