海底火山成因的块状硫化物矿床的成矿作用

杨 磊,刘秀英,李小康

(1.中国地质大学 (北京)地球科学与资源学院,北京100083;2.山东省泰安市东平县第三实验小学,山东泰安271500;3.中国地质大学 (北京)地球物理与信息技术学院,北京100083)

块状硫化物矿床广义上包括火山喷流或火山成因块状硫化物矿床 (volcanogenic massive sulfide deposit,简称VM S型矿床)和沉积喷流矿床(sedimentary-exhalation,即 SEDEX矿床)[1]。狭义上仅指VM S型矿床,是一种重要的有色金属矿床类型,其经济价值仅次于斑岩铜矿[2]。

VM S型矿床与深海玄武岩-流纹岩建造紧密相关,可以分为三个建造亚段:弱分异作用、完全分异作用和双峰式分异作用亚段。事实证明这类矿床的成矿作用贯穿整个地质历史时期,产生在与拉张作用有关的构造环境下,从太古代的地盾到现代的洋脊都有产出。来自幔源的块状硫化物成矿带主要生成于如下地质构造动力学区域:①岛弧区;②洋脊区;③断陷盆地;④古板块边缘的断裂带[3]。

1 VM S型矿床的分类

根据成矿大地构造环境、岩石与地质特征、矿石成分和形态特征可以分成以下4个亚类。

1.1 塞浦路斯型亚类

塞浦路斯型亚类,矿床矿石组分为铜,铜锌型硫化物特征,是未分异作用下的玄武岩亚建造,容矿火山岩主要为洋壳岩石,所以矿体一般赋存于蛇绿岩套,形成于靠近矿物迁移的断裂和裂隙的凹陷区域内,一般形成中小型矿床[4]。矿床下部为枕状熔岩,可见网脉状硫化物矿石,是矿物迁移通道的遗留产物。矿床之上是层状的燧石和条带状致密的硫化物矿石。他们的上部受到侵蚀和风化作用,并覆盖着沉积赭石层。例如前寒武系的澳大利亚Broken-Hellyer矿床和芬兰的Outokupu矿床、早古生界挪威的勒肯 (Lekken)矿床和加拿大的纽芬兰矿床、中生界塞浦路斯矿床、现代洋脊中的硫化物矿床,以及海底山上部发育的“黑烟囱”。这类矿床未来将成为铜锌硫化物矿石开发的主要目标之一。

1.2 乌拉尔型亚类

这类矿床是分异作用下双峰式火山岩组合(玄武岩-流纹岩)亚建造,矿石的组分为铜硫化物(Блява,南乌拉尔地区),或为铜-锌硫化物 (Gai,俄罗斯),容矿围岩主要来自于深部幔源的岩浆。矿床成因明显受火山活动控制,一般生成于火山活动后期,最重要的特点是存在引爆角砾岩,而且位于矿体上方的玄武岩中存在放射状断裂,绝大多数断裂与火山活动同期。典型的剖面呈现双峰式分异作用结构:上部为钠长石化的玄武岩,下部为流纹岩,二者之间沉积了条带状矿层。矿层顶部一般堆积着碧玄岩、矿石、层凝灰岩层和含有赤铁矿的硅酸盐;矿层下部曾经是矿物运输的通道,交错分布着网脉状或浸染状矿体。矿床基本符合热液活动从内到外的迁移规律:中心为脉状的黄铁矿-黄铜矿,往外为透镜体状的石英,然后为石英-绢云母-绿泥石,最外围是变安山岩(绿泥石-钠长石-绿帘石-石英-黄铁矿化)。这种矿床分布在南乌拉尔、北高加索等地区,最典型的集中在乌拉尔地区。目前研究表明,乌拉尔块状硫化物矿床为大洋岛弧形成前或形成期的产物。

1.3 黑矿型 (kuroko)亚类

这类矿床是最重要的、分布最广的块状硫化物矿床,矿石组分为锌铅铜型特征,容矿机构为生成于洋-陆碰撞的活动大陆边缘构造环境下的花岗片麻岩。此类型矿床是成熟岛弧火山作用的结果,是完全分异作用下的钙质碱性玄武岩-中长石-英安岩-流纹岩建造侯[5]。矿床硫化物成分受岛弧张裂程度制约,与岛弧壳层物质及海相火山岩系密切相关,证实成矿物质来源于壳层火山岩系[6]。这类矿床的典型代表有:阿尔泰矿床 (阿尔泰成矿带)、黑矿 (日本中新世块状硫化物成矿带)、北欧块状硫化物成矿带、西班牙-葡萄牙黄铁矿带、前寒武系绿岩带[7]和一系列其他成矿区域。

1.4 别子 (besshi)型矿床

又可称为 Filiztchaiskoe型矿床 (阿塞拜疆),发育于褶皱变形的陆源次复理石岩层内。普遍认为这类矿床生成于洋陆碰撞的活动环境下的远离火山喷发中心的基底上,以及深源火山作用相联系的岛弧内部[8-10]。在区域变质作用下,岩层受压缩,形成线性的褶皱,在褶皱的核部及转折端部位可发现再沉积的网脉状的硫化铜组合。在含矿剖面上通常存在较少的薄层熔岩、次火山岩体和玄武岩成分的岩脉 (完全无分异作用的玄武岩建造)。最典型的是日本的别子矿床,矿体成条带状埋藏于早古生代页岩层的上部,含有玄武质熔岩的夹层。矿石组分为铜锌硫化物特征,同位素分析结果表明来自幔源。

综上所述,以上四个亚类的共同特征是:主要的成矿期都在火山活动的晚期,当火山活动急剧减弱,深海环境变成浅海环境时,是矿物沉积活动最强烈的阶段。根据分异作用程度比较,第一亚类到第三亚类的火山岩组分由钠质火山岩向钾钠型火山岩过渡。铜元素来自于幔源物质,而铅锌或为壳源物质或为壳幔混源物质。

2 成矿机制

VMS型矿床与海底硫化物有关,是水热系统对流活动的产物。能量或来自异常高温的热流,或来自冷却岩浆所带来的热量。在成矿作用过程中,冷海水 (可能有大气降水)沿裂隙向下渗流运移,由岩浆热源的驱动发生对流,因与岩石中的含铁组分或含氧物质发生还原反应而沉淀。由于 H2S、HS-和 S2的活度远远大于 SO42-和HSO4-的活度,从而导致一种还原的、弱酸性卤水溶液的形成,酸度增加。由于高卤化物的酸性溶体更容易提取岩石中的铜,因此这种卤水在沿着溶液通道运移时,能把周围火山岩和火山碎屑岩中的金属元素淋滤出来 (图1)。

向上流动的支流与周围岩石和冷的海水相互作用发生了强烈的镁交代作用。随着压力迅速下降,引起了溶液的沸腾,沸腾作用可以造成流体中金属元素在岩石中卸载,沉积了氧化硅和硫化物 (黄铁矿、白铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿等)矿石。尤其在底层空间,这种渗入作用更强烈。较晚阶段,海底上升流对早先沉积的矿石进行交代淋滤和活化转移,就形成了矿床中的金属和矿物的分带。前人研究证明,Cu/(Zn+Pb)比值沿着渗透通道的方向而降低,并垂直于这个方向分布,重晶石等在比值最低的区域发生聚集沉淀。

到达海底表面的含矿溶液流向局部的低洼地带。根据稀释和降温的程度,沉积的共生矿物成区带分布:硫化物-氧化硅-铁氧化物-锰。而且未成岩的含矿淤泥顺斜坡向洼地滑塌,产生涡流、浊流等沉积,对矿物进行迁移和再造。地质和地球化学数据 (金属含量、硫同位素、微量矿物等)表明:铜元素是来自于幔源岩浆,而铅锌来自于大陆地壳岩石。

图1 洋底拉张作用下热液作用模型

3 成矿作用模式探讨

详细地揭示海底火山成因块状硫化物矿床成矿作用的是 Н. С, Скрипченко建立的水解反应-沉积交代变质作用模型。也就是Bischoff[11]提出的双扩散对流循环模式 (图 2)。依照模型,含有SO42-离子和各种矿物组合的内生热液在海底表面的高渗透率区展开成漏斗状构造,形成对流系统。流体强力穿越松散的海底沉积区,也是矿物沉积作用最强烈的区域。海底热液系统由2个垂向上分离的上、下对流循环胞构成:下部的对流循环在300～350℃水解作用下,生成 2种酸:弱酸(H2S)和强酸 (H2SO4)。强酸从酸性岩石 (流纹岩)中淋滤出CaO、M gO和 FeO等大量的物质,转变为高热、高盐度、高密度的卤水层,向上流动时因温度、压力、溶解度变化生成硬石膏,并且朝着海底表面方向发生着绿泥石-硬石膏或者矿石-硬石膏的交代向石英-绢云母交代转化。而在上部的对流循环中,海水通过扩散界面传输部分溶解组分且被卤水层加热,在向上流动时水温降到40℃,热液流体和海水相互混合,海水中的硫离子主要被用来生成黄铁矿和其他金属硫化物[12]。在矿石中发育着三种相带变化 (从下向上)依次为:铜硫化物、铜锌硫化物和多金属硫化物。

该模型下部为卤水层,在底部被加热,并驱动上部冷的海水循环,而上部的海水层是一个单循环圈,在稳定态条件下2个对流体系能各自独立。但突发性的岩浆或构造事件,会使海水注入热卤水中,并导致卤水密度降低而向上迁移,从而形成富含金属组分的热水流体在海底喷流,这种含矿流体与海水进一步混合反应,引起矿物质沉淀。随着矿层的连续沉积和不断加厚,矿体的底部边界不断被降低。在同一矿物输送通道,热液-沉积周而复始,反复作用,所以经常可发现已生成的矿体和新生的矿体循环出现,通常发育成多期次矿床。

图2 双扩散循环模式 (据Bischoff)

4 讨论与结论

VMS型矿床成矿作用贯穿整个地质历史时期,从太古代的地盾到现代的洋脊都有发生。

本文根据地质组合特征,对VM S型矿床四种类型成矿作用进行分析总结,另对流体的运动,以及VM S型矿床成矿作用等进行了归纳。热液成因的矿化模型研究表明:渗入火山岩层的海水在深部热源作用下发生对流,并萃取来自幔源的火山岩中的金属元素生成含矿热液 (可能有岩浆热液的参与),这种含矿流体在海底喷涌,与海水反应导致成矿作用。

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[12] Hezig P M,Hanningtong M D.Polymetallic Massive Sulfides at the Modern Seafloor:A Review[J].O re Geologica Review,1995(10):95-115.