海底喷流成矿讲座.ppt
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1、海底喷流成矿作用,杨合群 2010年3月,矿产讲座,我认为:大区地调中心矿产资源领域的主要研究方向 将成矿理论转化为找矿理论,指导找矿预测及勘查评价。今天讲座:对古海底喷流成矿作用形成的铜、铅、锌等矿床进行分类,对比其共性与差异,探讨古海底水-岩反应、喷流作用与地质信息间的关联,融合成因理论,优化找矿标志。,第一部分基本理论体系,1、喷流矿床相关概念“喷流矿床”过去称为“喷气矿床”(Exhalation deposits).“Exhalation”eksh len在英汉地质词典中词义:喷气。地学中最早用来描述火山活动,指火山气体逸出。随着研究深入,人们认识到,气相很难搬运众多的金属,海底的喷气
2、实际上是一种富含金属的液体。因此许多学者提出海底喷流成矿。国内所称“热水沉积矿床”,强调“热水”溶液,不是“冷水”溶液,全称应该是“热水溶液沉积矿床”。由于纯净的热水沉淀不出固体物质,所以热水溶液还是简称热液比较恰当。因此,以往“喷气矿床”、“热水沉积矿床”的资料均可以继承到现在所说“喷流矿床”。,Hutchinson(1973)对喷气矿床分类,Hutchinson(1988)总结的喷气矿床特征,Hutchinson(1988)总结的喷气矿床时代分布,2、现代海底喷流成矿作用“白烟囱”含重晶石和/或碳酸盐微粒,“黑烟囱”含硫化物微粒,均为多相流。喷流更恰当地体现了成矿作用的实质。“喷流型矿床”
3、的提法概括程度更高一些。3、海水在成矿中的作用H2O 海水下渗加热成为成矿溶液中水的主要来源;Cl-海水中Cl-对于形成金属络合物,提高溶解度起重要作用;SO42-还原后可为形成硫化物提供S2-;对于形成重晶石矿层则直接提供阴离子。,4、主要金属来源 海水下渗加热成为热卤水,水-岩作用使其演变为含矿热液,成矿金属来源于下伏火山系或沉积岩系。Rona(1983)曾对洋底热泉进行分析,并用海水在350与玄武岩反应,将与玄武岩反应的热水同普通海水对比表明,Si、Fe、Cu、Zn、H2S、Mn等发生强烈富集。细碧角斑岩系就是海水与火山岩作用的结果,水化+Na化。,Cu、Zn、Pb、Au的氯络合物饱和度
4、曲线图(据 Davidson,1992)条件:PH=4.5.NaCl=3M,SO4/H2S=0.01,S=0.001M,根据已有实验资料,Si、Fe、Cu、Zn、Pb等元素氯络合物的溶解度均与温度成正比,因此富含NaCl的海水渗滤加热后,可以有效地萃取矿质。,SiO2 和Fe的饱和度轨迹图(据 Davidson,1992)条件:NaCl=3M,S=0.001M,P=200ba,5、喷流岩(exhalite)喷流岩是海底喷流热液流体或多相流沉积的岩石含铁(锰)硅质岩、(正常热液沉积岩石)重晶石岩(正常热液沉积岩石)铁镁碳酸盐岩 例如铁白云石岩等(热效应沉积岩石)钠长石岩(热液交代岩石),6、海底
5、喷流矿床分类(1)海相火山岩有关喷流矿床:成矿金属来源于下伏火山系。基性火山岩有关喷流矿床,成矿金属组合主要为Cu或Cu-Zn;酸性火山岩有关喷流矿床,成矿金属组合主要为Cu-Pb-Zn。(2)海相沉积岩有关喷流矿床:成矿金属来源于下伏沉积岩系,成矿金属组合主要为Pb-Zn。,喷流岩实例 在北山麻黄沟发现的喷流岩系的上部以碧玉条带碳酸盐岩为主,宽度一般20-60米;下部以碧玉岩为主,局部夹薄层基性凝灰岩,出露宽度一般40-95米。碧玉条带碳酸盐岩层理非常清楚,产状陡立,大部分地段向南陡倾,层理产状为220 78210 81,局部也有向北陡倾的现象。,碧玉岩,碧玉条带碳酸盐岩,碧玉条带灰岩具条带
6、状构造,粒状结构,经显微鉴定矿物组成为白云石、方解石、铁白云石、菱铁矿、石英、玉髓,碧玉岩具块状构造,粒状结构,经显微鉴定矿物组成以玉髓、石英为主,次有白云石、方解石、赤铁矿,7、海底喷流矿床典型实例(1)火山有关喷流矿床甘肃石居里铜矿(蛇绿岩套之基性火山岩有关);青海红沟铜矿(双峰式火山岩套之基性火山岩有关);甘肃白银厂铜多金属矿(双峰式火山岩套之酸性火山岩有关)。(2)沉积有关喷流矿床甘肃厂坝铅锌矿床(碳酸盐岩-细碎屑岩有关)甘肃花牛山铅锌矿床(碳酸盐岩-细碎屑岩有关)陕西银硐子银铅矿床(细碎屑岩有关)陕西大西沟铁-重晶石矿床(碳酸盐岩-细碎屑岩有关)新疆乌拉根铅锌矿床(砂砾岩有关),8、
7、海底喷流沉积-再造矿床典型实例甘肃桦树沟铜矿陕西穆家庄铜矿9、海底喷流沉积 捕获侵位矿床典型实例青海德尔尼铜矿,第二部分典型实例分析 1石居里式海相火山喷流型铜矿床(据 杨合群 李文渊 赵东宏 宋忠宝 等),北祁连山错沟-寺大隆铜矿带,错沟地区,北,南,矿,大岔牧场地区,北,带,南,石居里,大岔牧场,错沟寺大隆矿带可划分为两个矿化亚带):(1)北矿化亚带,长约120Km,铜矿化密集区和铜异常沿错沟石居里长干河桦木沟分布,带内已发现矿床有错沟小型铜矿,石居里号沟中型铜矿、号沟小型铜矿、V号沟小型铜锌矿,九个泉小型铜锌矿;(2)南矿化亚带,长约70Km,铜矿化密集区和铜异常沿大岔寺大隆沟脑分布,带
8、内已知矿床有大岔东山顶小型铜矿。,错沟,长干,带,石居里铜矿化集中区地质略图,1-第四系冲洪积、坡积;2-第三系砾岩、粗砂岩;3-泥盆系砾岩;4-志留系砾岩;5-9 奥陶系阴沟群:5-基性熔岩,凝灰熔岩;6-凝灰熔岩;7-基性凝灰岩;8-凝灰质砂岩、板岩;9-硅质岩;10-石英闪长岩;11-辉长岩类;12-蛇纹岩;13-铜(锌)矿床、矿点编号;14-中型矿床;15-小型矿床;16-矿点;17-断层;18韧性剪切带;九个泉矿床;石居里VIII号沟矿床;石居里VI号沟矿床;石居里V号沟矿床;石居里VIII号沟北矿点;石居里I号沟矿点;石居里VI号沟I矿点;塔洞沟矿点,石居里矿田地质矿产图,I,V,
9、VI,VIII,VII,海相火山喷流矿床模型 宋叔和等(1994)根据国内外资料概括,块状硫化物矿床总的形态为蘑菇状,上部为由块状矿石的透镜体组成的顶盖,下部为与顶盖垂直交切的由细脉浸染状矿化组成的根部。夏林圻等(2001)指出,火山岩系中块状硫化物矿床通常由上下两部分组成:上部是层状和透镜状的块状矿体,下部为网脉状和浸染状矿体,以及被蚀变的岩筒状围岩。一般认为网脉带代表海底热液体系在靠近海底部分的流通通道,层状体或透镜体则是硫化物在海底或近热液喷口处沉淀堆积的产物。,石居里式铜矿床地质模型,石居里式块状硫化物矿床总体符合蘑菇状模型,蘑菇茎沿热液通道呈柱状下延,柱状矿体上部和中心主要为块状、角
10、砾状矿石,下部和边部为网脉浸染状矿石,其铜含量远远高于锌含量,表现为典型的富铜矿石;蘑菇伞在海底喷口周围展开,主要为块状矿石,近喷口铜含量高于锌含量,远离喷口渐变为锌含量高于铜含量;伞翼之下为基性火山岩,伞上常覆盖碧玉岩,成矿环境不稳定时,缺失碧玉岩。,例如,石居里VIII号沟矿床,为典型的蘑菇状形态实例;石居里VI号沟矿床,受后期褶皱改造变化较大,目前主要见富铜块状、角砾状矿石,已鉴别出其中角砾为基性火山岩;石居里V号沟矿床目前仅发现呈薄板状的远热液喷口块状矿石,锌含量高于铜含量;九个泉矿床为重叠的伞翼矿体,矿柱已被剥蚀,矿上缺碧玉岩,直接被火山岩或沉积岩覆盖。,号沟铜矿地质平面图1.残坡积
11、砂砾层;2.碧玉岩;3.凝灰熔岩;4.玄武岩;5.隐伏铜锌矿体及编号;6.已施工平硐位置及编号;7.已施工探槽位置及编号;8.实测平推断层;9.实测地质界线;10.物探测线及编号,石居里号沟铜矿床,号沟号矿体纵剖面图1.玄武岩;2.碧玉岩;3.矿体;4.正断层;5.推测界线;6.探硐及编号;7.导线编号,矿石类型按构造特征主要有块状矿石、角砾状矿石和网脉状矿石三种。块状矿石由含少量石英的硫化物集合体组成;角砾状矿石由含少量石英的硫化物集合体胶结蚀变的基性熔岩角砾组成;网脉状矿石由含石英硫化物集合体充填蚀变基性火山岩中网状裂隙构成。这三种矿石在矿体中由上向下,由中心向边部依次分布,并互为过渡关系
12、。,石居里号沟铜矿床的矿石成分,PD5,PD1,PD2,PD3,PD4,PD5,回顾论证思路,局部放大:Cu/Zn分布变化,号沟矿体,目前已施工的探矿工程控制矿体延深约176m,长度100m,厚度527m,Cu 平均含量2.47(%),Zn含量0.4(%)。主要矿石矿物有黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿等,脉石矿物主要为石英、绿泥石、次为黝(绿)帘石、方解石。围岩蚀变有绿泥石化,帘石化、硅化、碳酸盐化等,其中硅化与矿化关系最为密切。1号矿体估算Cu资源量约2万吨,Zn资源量约0.5万吨。,石居里号沟铜矿床,S6PD4,S6PD5,S7PD7,S7PD11,S6PD9,S6PD8,1998年通过可控源音频
13、大地电磁测深发现号沟富铜矿体异常可延深达300m以上,近几年深部探矿向下垂深160m左右仍有铜矿体存在,但铜品位降低至2%左右。同时发现有新的矿体分布,在PD6、号沟PD1和PD11硐探中均发现新矿体,说明至少有两个矿体。,PD2(3575.22m),PD4(3550.77m),PD1(3593.56m),PD3(3605.02m),PD11(3498m),PD5,PD6(3527m),PD7,PD8(3439m),号沟PD1,石居里号沟铜矿床地质略图(据甘肃四队,1970修编)1-第四系;2-凝灰质砂岩;3-凝灰质板岩;4-硅质岩;5-细碧岩;6-碧玉岩;7-次生石英岩;8-铜矿化体;9-断
14、层;10-产状;11-钻孔及编号;12-剖面线,号沟桶状矿体可能是不发育翼部矿石,但红色碧玉岩包裹桶状矿体的特点,也可能是后期构造褶皱变形的结果后期构造变形变质作用对矿体的改造是十分强烈的,该矿床成矿后受到过强烈改造,顶部碧玉岩褶皱后包于矿体周围,北西侧碧玉岩破碎非常强烈,改造热液活化部分矿质迁移,沿碧玉岩的网状裂隙充填与渗入,形成网脉浸染状矿石,碧玉岩也重结晶形成次生石英岩,局部仍有碧玉岩残块,此过程形成的次生石英岩型铜矿石,虽然铜品位远低于海底热液喷流形成的块状及角砾状矿石,但伴生金含量显著提高,达到综合利用指标。,矿石类型按构造特征划分为块状角砾状和网脉状浸染状两大类。矿体主要由块状角砾
15、状矿石组成,厚1122m,平均16m,由上向下有变厚趋势,矿石中的岩石角砾鉴定为蚀变基性火山岩,靠近矿体边部见有碧玉岩团块。矿体南东侧局部分布碧玉岩型网脉状矿石或者碧玉岩;矿体北西侧分布破碎带蚀变型网脉浸染状矿石,最厚达15m,膨缩变化大,含矿岩石为次生石英岩,向外过渡为含碧玉岩残块的次生石英岩和碧玉岩,说明此处的次生石英岩是碧玉岩经热液蚀变改造的结果。,石居里号铜矿床的矿石成分,注:组合样分析结果(据杨合群等2000),根据上述资料分析,该矿床中块状角砾状矿石为海底热液喷流成因,所含基性火山岩角砾指示形成于热液喷口位置,也指示成矿时矿体之下为基性火山岩。恢复近矿原始层序,从下向上为:基性火山
16、岩块状矿石碧玉岩凝灰质砂岩基性火山岩硅质岩,说明成矿环境比较稳定,具完整成矿过程。,石居里号沟铜矿床,2001年我们在前人工作的基础上,通过1/2千地质草测和激点、高精度磁法测量,发现异常,经过槽探揭露发现11m宽铜矿化体,铜含量Cu0.20%0.84%,但垂深62.5m处进行穿脉(PD6A)硐探揭露,未发现矿体。2003年进行可控源音频大地电磁测深物探,发现矿致异常下延并向NNW方向侧伏,仍在垂深62.5m处进行沿脉(PD6BB)硐探揭露,证实矿体侧伏下延,平均品位Cu2.48%,Zn0.57%。,17线,19线,15线,21线,23线,25线,PD6A,PD6B,石居里号沟铜矿床的矿石成分
17、Tab.3 Ore composition of ravine 5 copper deposit in Shijuli,测定者:西安地矿所测试中心,石居里号沟铜矿床的矿石成分,从已有资料看,石居里号沟矿床已发现矿体呈薄板状,产状与地层整合,主要为铜锌块状硫化物矿石,并且锌含量远高于铜含量,推断形成于远热液喷口位置。今后需注意追寻近热液喷口富铜矿体。,九个泉铜矿床九个泉铜矿床位于该矿化集中区最南部,地表出露褐铁矿、孔雀石、蓝铜矿、铜蓝、胆矾等。含矿岩系为奥陶系阴沟群灰绿色细碧凝灰岩、细碧凝灰岩夹细碧岩、灰绿色细碧岩,局部夹碧玉岩透镜体。,九个泉铜矿床6线剖面图(据甘肃省第四地质队1970,修编)
18、1-第四系残坡积物;2-细碧岩;3-绿泥石片岩;4-细碧岩夹凝灰岩;5-细碧质凝灰岩;6-硅质岩;7-铜矿体;8-铜锌矿体;9-锌矿体;10-钻孔编号,该矿床已知矿体形成于远热液喷口位置,而近热液喷口位置的矿体尚未发现,很有可能已被剥蚀掉。恢复近矿层序,从下向上为细碧岩矿层细碧岩矿层细碧岩矿层硅质岩,说明当时海底火山喷发与热液喷流作用交替进行,每次都未能等碧玉岩形成就被火山岩掩埋。,成矿环境分析 夏林圻等(1996,1998)总结指出,海底块状硫化物矿床的形成几乎无一例外地与拉张环境有关。因为拉张环境下由于地幔柱(或热点)上隆相应岩石圈减薄造成高热流背景,以及拉张环境下地表和浅部存在的巨大火山
19、岩浆体,都可以作为“热引擎”或“热中心”诱发产生形成块状硫化物矿床所必需的海底热卤水对流循环体系。已知有利于海底块状硫化物矿床形成的地质构造环境主要有:大陆裂谷;大洋扩张脊;岛弧裂谷或扩张脊;弧后裂谷或扩张脊。不同地质构造环境发育不同火山岩,进而控制不同的成矿元素组合。众所周知,裂谷环境发育双峰式火山岩,即主要为基性火山岩和酸性火山岩;扩张脊环境发育蛇绿岩,其中火山岩主要为基性火山岩。以酸性火山岩为成矿母岩时,块状硫化物总体金属元素组合为Cu+Zn+Pb;以基性火山岩为成矿母岩时,块状硫化物总体金属元素组合为Cu+Zn,贫Pb。本区奥陶纪弧后扩张脊和岛弧扩张脊这两种拉张环境,十分发育基性火山岩
20、,是形成铜锌型块状硫化物矿床的有利背景条件。,成矿物质来源分析 火山成因块状硫化物矿床是海水与火山岩在高热背景下作用的产物,成矿物质必定来源于二者之中。Rona(1983)曾对洋底热泉进行分析,并用海水在350与玄武岩反应,将与玄武岩反应的热水同普通海水对比表明,Si、Fe、Cu、Zn、H2S、Mn等发生强烈富集。近年,对本区硫化物矿床的研究,获得了相关的同位素信息,可以证明成矿热液与玄武岩、海水的密切关系。(1)硅同位素信息硅同位素对于硅的来源具有一定指示意义。碧玉岩为含有赤铁矿微粒的硅质岩,是典型的含铁硅质岩,属最常见的喷流岩之一。在本区,碧玉岩常与块状硫化物矿石相伴,并且比矿石分布更广。
21、矿石中,石英是矿液中沉淀出的主要脉石矿物。我们曾对石居里典型铜矿床的碧玉岩和矿石中石英进行过硅同位素测定,30Si值变化于-0.1-0.9之间,平均为-0.4(表4)。,表4 石居里铜矿区碧玉岩和石英的硅同位素组成,据丁悌平(1994)资料,玄武-安山岩类样品(36个)30Si值分布于-0.1-1.0的范围内,平均值为-0.58;花岗岩类样品(50个)30Si值数据分布于-0.4 0.4的范围内,平均值为-0.12。人们已对马里亚纳海底黑烟窗的硅质沉淀物进行研究,高于100采样点的黑色硅质沉淀物30Si值(-0.4-0.6)接近玄武岩-安山岩类30Si值,证明其硅质来源为海底中基性火山岩。从上
22、述资料对比看,本区铜矿有关碧玉岩和石英的30Si值(-0.1-0.9)也近似于玄武岩-安山岩类30Si值,推断其硅质与中基性火山岩有密切关系。,(2)铅同位素信息 玄武岩中U和Th含量非常低,因此放射性成因铅非常少;硫化物有类似特点,形成后随时间变化不大。石居里、九个泉典型矿床铜矿石与矿区玄武岩铅同位素组成对比于表5。表5 石居里铜矿化集中区硫化物和玄武岩的铅同位素组成,由表5 可知,石居里铜矿石和九个泉铜矿石中黄铁矿、黄铜矿的铅同位素组成同区内玄武岩的铅同位素组成相近,由此为线索推断本区成矿金属主要来源于玄武岩。,(3)硫同位素信息 硫同位组成可为硫的来源提供信息。石居里、九个泉的硫同位素分
23、析结果列于表6。表6 石居里铜矿化集中区硫化物的硫同位素组成,九个泉、石居里和号沟块状硫化型铜矿,属弧后扩张脊火山活动有关的海底热液喷流成矿产物,黄铁矿和黄铜矿的硫同位素34S值变化于1.58.88之间。按地质环境考虑海水硫酸盐还原硫和玄武岩中幔源硫两端员不同比例的混合。,据Sangster(1976)研究资料,奥陶纪海水硫酸盐34S值为27.5,该时期海水沉积硫化物34S值比海水硫酸盐低约15.6,可推算海水还原硫的34S值约为12;幔源硫的理论值为34S=0。将上述1.58.88的值解释为这两个端员的不同比例混合是合理的。总之,矿化剂硫来源于火山岩源与海水源的不同比例混合。,热动力来源 奥
24、陶纪岛弧扩张脊和弧后扩张脊,海底幔源火山岩浆活动不仅提供了物源,而且提供了热源。本区火山集块岩、火山角砾岩的存在,证明处于火山活动热中心。火山岩成分属分异型以及有关辉长岩、辉绿岩的存在,均显示有岩浆房存在,可以作为诱发产生形成块状硫化物铜锌矿床所必需的海底热卤水对流循环体系的“热引擎”。,成矿作用讨论 在奥陶纪弧后扩张脊和岛弧扩张脊环境,海底幔源基性火山岩浆喷发,带来丰富的成矿物质。喷发间歇期,海底的熔岩冷却过程,产生大量裂隙,可导致海水渗滤。扩张脊的高热流背景,特别是熔岩之下存在的浅部岩浆房作为“热引擎”可驱动海底热卤水对流循环。经水岩作用,可以浸出火山岩中多种元素。根据已有实验资料,Si、
25、Fe、Cu、Zn、Pb等元素氯络合物的溶解度均与温度正相关(Davidson,1992),因此富含NaCl的海水加热后,可以有效地萃取矿质;渗滤的海水SO42-被大量地还原为HS-(Rona,1983)。同时,玄武岩发生蚀变,形成细碧岩或细碧质玄武岩。基性火山岩贫Pb,决定了成矿热液贫Pb。,含矿热液在“热引擎”推动下,沿熔岩中张断裂系统向上运移,随物化条件改变,在喷流裂隙上部和中心形成块状矿石,包裹断裂中角砾较多时形成角砾状矿石,喷流裂隙下部和边部形成网脉状矿石。如果有热液脉动性变化,可沉淀形成条带状矿石。由于温度控制,产生元素分带现象,从热液喷口由下向上、由近到远,Cu/Zn比值逐渐降低。
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