王海丰, 韩凤彬, 陈正乐,3, 冯志兴, 李正明,展卫露, 陈柏林, 江 万, 石永红,刘 博, 李季霖, 谭人文
(1.西部矿业股份有限公司,青海 西宁 810001; 2.中国地质科学院地质力学研究所 自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室,北京 100081;3.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室,江西 南昌 330013)
锡铁山铅锌矿位于柴达木盆地北缘,为大型的铅锌矿床。前人已经从岩石地球化学、流体包裹体、稳定同位素等多方面开展了成矿构造背景、构造控矿特征、成矿模式、找矿模型等方面的研究工作(杜光辉等,1982;邬介人,1985;张志坚等,1994;袁奎荣等,1996;冯佐海等,1997;汪劲草等,2000;邓达文等,2003;祝新友等,2006;吴冠斌等,2010;孙华山等,2012;李鹏等,2019;冯志兴等,2020),取得了丰硕的成果,为矿山企业的持续开发和找矿战略提供了依据。然而,对于矿床成因仍存在一些争议(吴昌志等,2008;祝新友等,2010a,2010b;付建刚等,2014,2015;Li et al.,2015;Sun et al., 2017;Fu et al.,2017),前人分别提出了远程低温热液型、火山沉积-变质型、层控型(杜光辉等,1982)、后成中温热液型(牛跃龄,1984)以及火山喷气-沉积热液叠加改造型(邬介人,1985)、喷气沉积矿床型(邓吉牛,1999;王莉娟等,2008,2009)、喷流沉积(SEDEX)型矿床叠加后期热液改造“锡铁山式SEDEX型铅锌矿床”(张德全等,2005),及其VSHMS型矿床(冯志兴等,2010;付建刚等,2016)等成因模式。目前,多数观点认为锡铁山矿床与海底喷流成矿(SEDEX-VMS)有关。
在2019年度的野外实地调查工作中,笔者在锡铁山的地表、井下坑道发现了一些独特的地质构造现象,经野外详细的观测和分析,结合室内的综合对比研究,认为这些构造应属于原生的沉积构造,对矿床的成因和下一步找矿勘查都具有良好的指示意义。
锡铁山铅锌矿为柴北缘地区目前已经发现的资源量最大的铅锌矿床(杜光辉等,1982;张德全等,2005),如图1a所示,形成于原特提斯洋早古生代期间的洋壳俯冲-碰撞-闭合期间(冯志兴等,2010;付建刚等,2015)。
矿区出露的地层主要包括:下元古界的达肯大坂群、上奥陶统滩间山群、上泥盆统阿木尼克组、下石炭统城墙沟组、新近系干柴沟组以及第四系等(青海省地矿局,1991;赵凤清等,2003;黄志伟等,2013;刘阳等,2020;陈擎等,2020),如图1b所示。达肯大坂群普遍具有强烈的混合岩化现象,与上覆地层为不整合-断层接触关系。上奥陶统滩间山群为一套区域变质程度中等的绿片岩系,原岩为一套浅海相基性-酸性火山喷发熔岩、火山碎屑岩夹正常碎屑岩及少量碳酸盐岩,为原特提斯洋俯冲、消减、碰撞、闭合过程中的产物,被泥盆系不整合覆盖。根据火山喷发-沉积环境、岩性的差异,滩间山群可进一步划分为a、b、c和d等4个岩性段,其中a和d岩性段又可分别划分为2个(a-1和a-2)和4个(d-1、d-2、d-3和d-4)岩性亚段。滩间山群的a-2亚段属于正常沉积岩段,为矿区主要含矿层位;b段为中基性火山-碎屑岩组合,为矿区的次要含矿层位。目前在滩间山群的c和d段中都没有找到矿体(王惠初等,2003;樊俊昌等,2006;李峰等,2006,2007;高晓峰等,2011;付建刚等,2014)。上泥盆统阿木尼克组为暗紫红色复成分砾岩、紫红色复成分细砾岩以及含砾砂岩夹砂岩透镜体组成。下石炭统城墙沟组上部由黄褐色、杂色粉细砂岩夹砂鲕状灰岩、生物碎屑灰岩组成;下部由紫红色、黄色长石石英砂岩,细砂岩,粉砂岩夹含砾砂岩,砾岩组成,底部分布了一层黄褐色底砾岩。新近系干柴沟组主要为砖红色、黄褐色砂岩,含砾砂岩及砾岩。
锡铁山矿区构造变形强烈,褶皱、断裂构造发育(图1b;郭进京,2000;冯志兴等,2020)。前人对于矿区的褶皱构造现象争议较大(祝新友等,2006;孙华山等,2012)。冯志兴等(2020)通过详细的野外剖面观察,认为矿区总体上为单斜层,不发育大型的褶皱构造,但是层内褶皱发育,可以分为A型和B型两类。汪劲草等(2000)认为滩间山群已不具备原生地层特征,而是一个先期产生了横向构造置换,而后又叠加有复杂“豆荚状”倒转向斜的构造片岩。
矿区的断裂构造主要分为两组:即NW和NE走向(图1b)。NW走向断裂规模大,延伸远,对矿体的形成和改造作用较大。根据冯志兴等(2020)分析,认为矿区北侧NW走向的F1断层早期为韧性剪切变形,之后叠加叠瓦逆冲推覆,致使矿体和赋矿地质体局部发生倒转,并改造了早期矿体的形态;走向NW的F2断层为左行走滑-逆冲,导致了矿区不同时代地质体的拼合;F3断层也为NW走向,具有左行走滑性质,在其南东方向末端发育的多条分支正断层,改造了中间沟—断层沟一带构造样式,并导致了矿体的错移。矿区NE向断裂地貌特征明显,表现为NE向的沟谷(图1b),一般延伸短,规模较小,以左行平移为主,局部具正断层性质,往往错断矿体,主要为成矿后的构造。但也有观点认为,NE向断裂是在早期横张构造基础上发育起来的(付建刚等,2016),具有近似等距展布的特征。
在锡铁山矿区,除局部在达肯大坂群中的斜长角闪岩脉和少数印支期的闪长岩脉外(图1b),地表和深部坑道中,皆未见其他侵入岩。
图1 锡铁山铅锌矿矿区地质构造简图(1)魏俊浩,赵少卿,赵志新,等,2015.青海省大柴旦锡铁山铅锌矿区成矿地质条件对比综合研究及靶区预测[R].Fig.1 Simplified geological and structural map of the Xitieshan Pb-Zn deposita.构造位置图:b.矿区地质简图;1.第四系;2.新近系干柴沟组;3.石炭系城墙沟组;4.泥盆系阿木尼克组;5.滩间山群d段;6.滩间山群c段;7.滩间山群b段;8.滩间山群a段第二岩性段;9.滩间山群a段第一岩性段;10.达肯大坂群;11.闪长岩;12.斜长角闪岩脉;13.矿体;14.大理岩;15.正断层与逆断层;16.勘探线位置及编号;17.地表喷流通道口的位置;18.推测的原始横张断层位置
在锡铁山矿区的地表、井下坑道和钻孔岩芯中,都发现了一些特殊的地质构造现象,推测为喷流通道口。
该点位于无名沟沟顶的滩间山群a-1和a-2段分界处(图1b中的A处),总体位于a-2段下部层位。
在滩间山群a-1岩性段与a-2岩性段接触界线处,a-1为大理岩和片岩互层。可见其中一处大理岩与片岩发育不规则、无规律的揉皱、角砾构造,两种岩性层的条带交杂在一起,揉麻花似的,如同一团粥。往a-2方向延伸,在a-2的白云质大理岩和片岩中,可见大量的白云质大理岩角砾发育,产于炭质片岩、白云岩之中;白云质大理岩层与片岩层都发生强烈的变形,发育不规则、无规律的揉皱,两者搅和在一起(图2)。在其旁侧的炭质片岩内,发育黑色矿化蚀变,主要发育Fe-Mn-Zn矿化,呈网脉状、脉状、层状,经野外现场手持矿石分析仪分析,Zn含量为0.5%~1.0%。该点下部地层,即a-2的底部岩石野外定名为炭质片岩,室内薄片鉴定为白云石化片岩。
图2 无名沟“喷流通道口”野外照片Fig.2 Field photos showing the "spray-vent" in the WuminggouA.喷口野外照片;B.XT68处片岩强烈揉皱,夹有大理岩角砾;C.片岩和大理岩团块变形强烈;D.片岩变形强烈,大理岩呈团块;E. Mn-Zn矿化;F.大理岩团块与片岩的变形;G.喷口近照;H.大理岩与片岩强烈变形
通过对该点的特殊地层构造进行野外追索,发现该处强烈揉皱的地层向四周并无延伸,沿走向延伸不超过10 m,只是局部发育,排除了区域褶皱构造的叠加影响,表明这是原生的沉积构造。在该点的a-2上部炭质片岩中,发育了厚大的铅锌矿体(图1b)。
该点在中间沟滩间山群a-2段底部,于a-1分界处边上(图1b中的B处,图3),也发现一些疑似喷流通道口的现象。在强烈揉皱的a-2段片岩(炭质片岩和钙质片岩)内,发育砾径不等的白云质大理岩角砾(图3A),砾径最大可达8 m,其附近地层亦发生强烈的揉皱变形,且区域无延伸,上下不连续,仅仅局部发育。同时在炭质片岩内,可见细脉状Fe-Zn-Mn矿化(图3B)。
图3 中间沟的“喷流通道口”野外照片Fig.3 Field photos showing the "spray-vent" in the ZhongjiangouA.强烈揉皱的片岩,夹有白云质大理岩角砾;B.白云质大理岩旁侧发育Fe-Mn-Zn矿化
该点在断层沟东侧,在滩间山群a-2岩性段内,于a-1分界处边上(图1b中的C处和图4)。该处的炭质片岩、钙质片岩内,可见黑色脉状、网脉状Fe-Mn-Zn矿化(图4A、B、E、F、G),同时发育网脉状硅质细脉、石英脉等,组成交叉网络状(图4C、D、E)。此外,疑似喷流通道口的现象在锡铁山沟、红柳沟靠近锡铁山沟一带也有发现(图1b中的E处)。
图4 断层沟沟口“喷流通道口”照片Fig.4 Field photos showing the "spray-vent" in the DuancenggouA,B.喷口的Fe-Mn-Zn矿化;C,D.网脉状硅质脉(石英脉);E.网脉状石英脉与Fe-Mn-Zn矿化;F.矿化地表露头;G.Fe-Mn-Zn矿化
2 501 m水平中段的22线北穿的东壁,在灰岩与碎屑岩接触部位,也发现了一个类似的现象(图5)。在倾向SW的大理岩中,发育方解石-闪锌矿纹层,向SW凸起,其宽度从NE到SW由薄变厚;其NE侧发育一构造破碎带,纹层并未穿过该破碎带,因而呈近半圆状,其圆心处为块状闪锌矿和自形方解石。在剖面上,可见由碳酸盐岩和硫化物组成的同心环带构造,环带的核部充填自形结晶的方解石、铁白云石和菱铁矿;硫化物从中心到边缘,每个环带内的硫化物由闪锌矿逐渐变为闪锌矿+方铅矿+磁黄铁矿+黄铁矿,指示了成矿时的温度逐渐降低;中部到边缘、中部到环带中心硫化物矿物粒度逐渐变粗,相邻环带之间的距离逐渐变大;在旁侧发育封闭的同心圆环带(侧切剖面),指示了该处地层构造形态可能为蘑菇状;同时还有一个类似破口管道的现象,切割了原始的环带构造,其内充填闪锌矿,导致硫化物(主要为闪锌矿)逃逸到了外围。
该处垂直投影到地表,与无名沟地表所发现的“喷流通道口”位置非常相近。图5左下角示意了该现象的可能成因为成矿物质脉动式喷流而出,与海水交代形成环带。
图5 2 501 m水平22线北川东壁发现的小型“喷流通道口”Fig.5 Field photos showing the "spray-vent" in northern part of the Prospecting Line 22, the underground tunnel at 2 501m above sea levelCal.方解石;Sid.菱铁矿;Rho.菱锰矿;Pyr.磁黄铁矿;Ga.方铅矿;Sp.闪锌矿;Ank.铁白云石;左下角示意了该现象的可能成因为成矿物质脉动式喷流而出,与海水交代形成环带
在钻孔岩芯和坑道内,排除一些断裂构造带内见到的构造角砾外,还可见到两种类型的角砾,即矿石型角砾和石英角砾。
(1)石英角砾一般发育在大理岩型矿体之中,角砾成分主要为石英等硅质,胶结物为成矿物质,包括闪锌矿、方铅矿和黄铁矿-磁黄铁矿等,角砾呈棱角状,大小不一,直径可达1~2 cm(图6A);
(2)矿石型角砾也主要发育在大理岩型矿体之中,角砾主要由方铅矿、闪锌矿、(磁)黄铁矿等矿石组成,角砾大小不一,最大可达3 cm,角砾中的硫化物往往呈自形晶,方铅矿解理发育,局部角砾的棱角被磨圆,总体呈棱角状-次棱角状,胶结物为白云石(图6B,C)。
此外,在含矿的围岩片岩内,同样可见一些角砾(图6D至H),角砾成分较为复杂,但是普遍以与围岩成分类似的绿片岩为主,如ZK104003-1孔91 m处,可见绿片岩角砾呈棱角状,其胶结物和围岩及其角砾成分基本一致(图6D),但也有一些角砾与围岩成分不一致,ZK104005-1孔97 m和105 m处,可见到多成分的角砾,包括大部分的绿片岩、砂岩,偶尔可以见到碧玉岩(或者铁白云石)等角砾(图6E至H)。
对于上述这些角砾,其成因可能较为复杂,如大理岩型矿体中的石英岩角砾(成矿物质为胶结物)可能属于后生的构造叠加成因,应为矿体受到后期构造破坏后形成的构造角砾。对于闪锌矿+方铅矿等作为主要角砾成分,白云石为胶结物的这种矿石型角砾,推测有两种可能:其一是形成于原生喷流通道口附近,早期喷流形成的矿石被打碎,被后期成矿流体胶结(祝新友等,2010a);其二,则可能是白云石为成矿早阶段交代的产物,胶结了成矿流体中自形结晶出来的硫化物。由于喷流通道口持续的喷流作用,导致了早期形成的矿石被打碎或者磨圆,呈棱角状-次棱角状,局部发育次圆状矿石,从而形成这种以硫化物为角砾、白云石为胶结物的矿石。这种含矿围岩中出现的角砾并不普遍,仅仅在局部地段发育,不属于后期构造活动形成的构造角砾岩,推测可能代表了强烈的水动力条件,为类似同沉积角砾,可能与喷流通道口附近的强水动力条件密切相关。在钻孔岩芯中,可见方铅矿+闪锌矿+(磁)黄铁矿组成的条带构造,其内发育向上凸起的“乳泡”构造,并被晚期泥岩条带所切割(图6H,I),也表明了该处水动力条件较为强烈。
值得注意的是,观测发现的这些代表强水动力条件角砾构造发育的位置,除在矿石堆中发育所见的现象(图6A,B)无法复原其原始位置外,其他的点大都处于中间沟一带的深部位置(大约在勘探线03至07线位置)。
图6 矿石及其围岩中角砾-条带构造特征Fig.6 Sluice-brecciated and banded structures in ore bodies and hosted rocksA,B.地表矿石堆中的角砾状矿石;C.ZK44003-23钻孔180 m处的矿石角砾;D.ZK104003-1钻孔91 m处围岩中的角砾;E,F,G.ZK104005-1钻孔105 m,97 m和110 m处的角砾;H.ZK104003-1孔矿体条带及其被晚期切割的泥岩条带,表明强烈的后期水动力环境;I.ZK104003-1孔浅部矿体条带内向上凸起的“乳泡”构造;Sp.闪锌矿;Ga.方铅矿;Py.黄铁矿;Pyr.磁黄铁矿
野外发现的这些现象,尤其是在无名沟的麻花状揉皱、2 501 m水平22线北川的半圆形环带及其沉积角砾构造,与后期构造变形形成的构造透镜体、褶皱构造或者构造角砾不一样,没有规律性,无法用变形构造解释。推测上述这些构造应归属于原生构造,表明形成时具有很大的水动力条件,并伴随有成矿物质的参与,可能为成矿流体上升、喷出地表(或海底)而造成附近的岩层强烈扰动,代表了一种成矿流体喷出地表(或者海底)的通道。该通道为成矿提供了物质来源,是成矿热液运移或者排泄的通道口,故称之为“喷流通道口”。
“黑烟囱”是在海底富含硫化物的高温热液活动区,因热液喷出时形似“黑烟”而得名,最早是1978年由美国的“阿尔文号”载人潜艇在东太平洋洋中的轴部发现的。1979年又在同一地点2 610~1 650 m的海底熔岩上,发现了数十个冒着黑色和白色烟雾的“烟囱”,约350 ℃的含矿热液从烟囱中喷出,与周围海水混合后,产生沉淀变为“黑烟”,沉淀物主要由磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿和铜-铁硫化物组成(Rona, 1986)。随后几十年的海底探索,揭示出在现代新生大洋的海底洋中脊、弧后盆地扩张中心等区域(张锋等,2013),沿裂隙下渗的海水在地壳深部加热升温,溶解了周围岩石中多种金属元素后,又沿着裂隙对流上升并喷发出海底,形成浓密的“黑烟”。当富含成矿物质的喷发热液与周围的海水混合后,由于物理化学条件的变化,金属成矿物质在喷溢口周围连续沉淀并不断加高,形成烟囱状(李江海等,2004)。“黑烟囱”往往经不住海水的不断冲击而垮塌,形成了海底“黑烟囱”堆积物。这些堆积物常见有树枝状、喷口、管道等构造现象。在堆积物的晶体之间常见孔洞,并包含有岩石角砾结构,在“黑烟囱”之下的海底岩石中常发育网脉状构造等(Rona et al.,1993;牛向龙等,2004;李志国等,2007)。
在爱尔兰石炭纪(约360 Ma)块状硫化物矿床中,保存了完好的古海底“黑烟囱”构造,里面保存的硫化物显示出良好的同心状矿物分带,通道构造被充填(Larter et al.,1981;Boyce et al.,1983)。南乌拉尔泥盆纪-奥陶纪块状硫化物矿床内,已识别出1 500多个小型“黑烟囱”(Herrington et al.,1998),其中志留纪块状硫化物的“黑烟囱”直径为2~3 cm,显示3种同心状矿物分带,外壁由黄铁矿和白铁矿组成,层纹状、胶状构造及孔洞构造发育。黄铁矿可形成蜂巢状构造,并被重晶石、闪锌矿及磁黄铜矿充填,树枝状构造由内向外生长。内壁主要是黄铜矿,并向内生长,通道中央被闪锌矿、黄铁矿、黄铜矿、硅质及重晶石充填。中圈主要由黄铁矿、黄铜矿组成,闪锌矿呈细脉或充填物出现。现代喷口具有一些典型结构构造,如“黑烟囱”矿物同心状分带及特征矿石构造(树枝状构造、孔洞构造、胶体构造、通道构造)等。它们是海底硫化物成矿过程的直接证据,记录成矿流体运移、冷却、海水混合、矿物沉淀结晶、堆积、垮塌、交代重结晶等复杂过程(李江海等,2004)。
锡铁山的“喷流通道口”与现今在乌拉尔海底发育的块状硫化物矿床中发现的古生代喷流口(“黑烟囱”管道)既有类似之处,也存在差异(German et al.,1996;侯增谦等,1997;Glasby et al.,2003;林文洲,2000;Solomon et al.,2004;牛向龙等,2004,2005;李江海等,2004;李志国等,2007;Andrew et al.,2015;Cann et al.,2015;Stewart et al.,2016)。锡铁山矿区的喷流通道口,部分特征与古海底“黑烟囱”较为类似,都具有同心环带、矿物分带和矿区粒度的变化等;但不同于现今海底所见的“黑烟囱”,或者乌拉尔古生代块状硫化物矿床中倒塌的“黑烟囱”。
这些为成矿提供物质来源、成矿热液运移或者排泄的通道口,即“喷流通道口”的发现,可以进一步为与海底喷流(VSHMS)有关矿床提供了新的证据。
在SEDEX-VMS型矿床内,控制裂谷-裂陷发育的同生断层及其配套的横张断层对成矿起着重要的制约作用(Glasby et al.,2003;张锋等,2013)。前人研究表明,现今海底喷流口(“黑烟囱”等)主要受控于海底的扩张断裂,呈带状展布,但喷口并不是沿断裂带都有发育,而是呈有一定的规律性,与次级断裂、横张断裂密切相关(Glasby et al.,2003;张锋等,2013)。笔者推测在原始的裂谷盆地内,垂直原生的同生(沉积)断裂,发育了一些次级的横张断裂(呈近似等距展布,也垂直原始的陆块边界)。沿同生断裂上升的成矿热液,进入到裂谷盆地后,沿着次级横张断裂迁移,并在一些与次级的同沉积断裂交汇部位,或者合适的地球化学障处,喷流出海底,进入盆地;同时与围岩发生交代蚀变,或者进入到海底卤水盆地,沉淀而成矿。
本次野外发现的“喷流通道口”位置,在空间上多出现在滩间山群a-1段与a-2段接触带附近,且具有一定的等距间隔式分布特点。钟永生等(2018)根据蚀变特征、砾石成分、矿石结构构造(角砾)等,在锡铁山矿区识别出来多个海底喷流管道相,认为在锡铁山沟、无名沟和中间沟存在管道喷流相,而且这3个位置很可能与海底喷流沉积期间发育的横张断裂构造位置吻合,与汤静如(2006)圈定的喷流中心也大体一致。后者的依据是矿体中花斑状构造中硫化物的粒度,认为硫化物的粒度较大,代表了交代型矿床,是硫化物交代大理岩的结果。
在锡铁山矿区,控制原型盆地的同生断层应该与本区主要矿体展布的方向一致,为NW走向的陡立断层,但由于后期强烈的构造改造,同生断层在后期构造中受到何种程度地改造,难以判断。虽然祝新友等(2010b)根据钠长岩的展布规律,认为F2断层可能就是同生断层;但根据本次野外观测,认为F2为截切滩间山群的后期断层(冯志兴等,2020)。根据矿区断裂构造的发育和现今地貌特征,原生的横张断裂在矿区可能有4~5条,总体呈NE走向,与现今地表的几条沟谷大致相对应(图1)。前人认为锡铁山矿区的喷流-沉积系统的喷流口并非单一的点状喷口,而极有可能存在与区域主断裂方向一致的线状喷流口①。本次工作发现的地质现象结合钟永生等(2018)的喷流管道相和汤静如(2006)的喷流沉积中心,推测有可能是一些次级的喷流通道口,受控于盆地内一些次级横张断裂。这些次级的喷流通道口发育在横张断裂与盆地内主控或者次一级的同生断层交汇处(图7)。与海相火山活动密切相关的海底成矿热液,沿着同生断层与横张断裂交汇部位上升,在喷出之前,与围岩发生交代蚀变,喷出海底后,进入到碎屑岩中,发生沉淀而成矿。离喷口越近,成矿物质来源越多,成矿条件越好;并由于断裂构造的发育,存在较好的流体运移通道,早期沉积的岩石易于破碎,从而形成碎裂的矿石角砾或者硅质角砾。因此,这些喷流通道口位置,是有利于厚大矿体的聚集场所(图7),也是寻找富大矿体的重点部位,如锡铁山沟、无名沟及其中间沟附近。据此推测裂谷内发育同生断层和次级同生断层,在与次级横张断层交汇部位上发育小型的喷流通道口,控制了矿体的产出。
图7 锡铁山矿区喷流通道口与横张断层发育关系示意图Fig.7 Sketch map showing the relationship between the primary spray-vents and syn-genetic and transverse faults in the Xitieshan deposit
(1)在锡铁山地表和井下,发现了一些特殊的、强水动力条件下的沉积构造,推测为原生海底成矿热液活动的迹象。
(2)通过与现代海底喷口、古生代海底“黑烟囱”构造对比分析,认为锡铁山地区的这些沉积构造也具有海底喷流的特征,推测为成矿物质从深部沿断裂构造上升与海水相互作用的发育位置,代表了成矿物质的喷流通道口,并具有等间距特征。
(3)喷流通道口的发现进一步为矿床与海底喷流沉积(VSHMS)有关的成因提供了新的证据,也指示了富大矿体的有利赋存位置。