火山成因块状硫化物矿床研究进展

丁世先，崔俊强

（1.河南省有色金属地质勘查总院，河南郑州450052；2.山东省第一地质矿产勘查院，山东济南250014）

1 火山成因块状硫化物（VMS）矿床概述

1.1 VMS矿床定义

火山成因块状硫化物矿床（Volcanogenic Massive Sulfide Deposits，简称VMS矿床）是指产于海相火山岩系中，与海相火山-侵入活动有关的，在海底环境下由火山喷气（热液）作用和喷气-沉积作用形成的块状或次块状的硫化物矿床［1］，也称作与火山岩有关的或赋存于火山-沉积岩系中的块状硫化物（VHMS）矿床（“块状”并非结构意义）.该类矿床主要由与海底热液对流有关的富金属流体所形成，其直接围岩为火山岩或沉积岩.VMS矿床规模大，品位高，分布广泛，往往成群成带产出，是Zn、Cu、Pb、Ag、Au等金属的重要来源，此外还富含 Co、Sn、Se、Mn、Cd、In、Bi、Te、Ga 和Ge，部分矿床还含有一定量的As、Sb和Hg.

VMS矿床形成于富含金属的热液流体的排泄通道和海底喷口处及其附近的海底洼地.大多数VMS矿床具有典型的“双层结构”特征，即由下部脉状-网脉状矿带（蚀变岩筒）和上部层控的透镜状矿带组成.透镜状矿体主要由块状硫化物、石英、次生层状硅酸盐、铁氧化物和蚀变硅酸盐组成.下部的脉状、网脉状矿体与上部层状矿体呈不整合至半整合接触，其硫化物主要呈网脉状和浸染状.

1.2 构造环境

从太古宙至现代各个地质时期的VMS矿床可以出现在不同的构造环境中，主要为板块边缘环境（离散的和汇聚的）.Sawkins［2］按板块构造的观点，将 VMS 矿床成矿环境分成3类：1）汇聚板块边界环境-亲弧裂谷型（如黑矿矿床、绿岩带矿床和伊比利亚矿带）；2）离散板块边界环境，包括洋壳环境（现代洋中脊的矿床和塞浦路斯型矿床）和晚期的大陆裂谷（红海金属沉积物）；3）碰撞环境（蛇绿岩容矿的）.

Herzig［3］将现代VMS矿床的构造环境分为4类：1）洋中脊（如东太平洋隆 21°N）；2）洋内弧后（如 Lau海盆、北Fiji海盆、Manus海盆和 Mariana弧后）；3）陆内弧后（如Okinawa海槽）；4）陆内裂谷（如红海裂谷AtlantisⅡ号海渊）.其形成环境为离散的板块边缘或汇聚消减板块边缘的局部引张环境，这些环境均处于一种张性应力状态，断裂发育，渗透性强，且海底底部出现的地幔隆起（浅位岩浆房）可以持续稳定地驱动下渗的海水对流循环，萃取基底岩系中的成矿元素，最终在喷出海底的过程中成矿.其中陆内裂谷（红海裂谷）可看作是早阶段的洋中脊［4］或晚阶段的大陆裂谷［2］，但是AtlantisⅡ号海渊缺少黑烟囱且其矿化围岩为碳酸盐岩和碎屑岩的特征［5］，使得它更接近于SEDEX型矿床［6］.

1.3 矿床类型

VMS矿床是包含很多矿化类型的一个大类，关于VMS矿床的分类，矿床学家从不同的角度，如矿石成分［7-10］、成矿金属元素比值（Cu/Pb/Zn）［11］、容矿岩系和沉积环境［12-13］、大地构造环境［14-15］及蚀变特征［16］等，对VMS矿床进行了分类，尚无一个统一的分类方案.Hutchinson［7］以矿石组成为基础并考虑构造环境因素将VMS矿床分成Zn-Cu型、Pb-Zn-Cu-Ag型和含Cu黄铁矿型.宋叔和（1982）按岩性和矿床组合将VMS矿床分为蛇绿岩套超基性岩中的黄铁矿型Cu（少量Zn、Co）矿床（德尔尼矿床）、蛇绿岩套基性岩中的黄铁矿型Cu-Zn矿床（塞浦路斯矿床）、酸性偏碱性岩系中的Cu-Zn矿床（伊比利亚黄铁矿带）和偏碱性火山岩中似黄铁矿型 Cu-Fe 矿床(大红山矿床).Lydon［13］按源区基底岩石和成矿金属组合划分为铁镁质基底上的Cu-Zn型和长英质基底上的Zn-Pb-Cu型.在宋叔和分类的基础上，秦克章等（1994）将VMS矿床分为德尔尼型、塞浦路斯型、乌拉尔型（白银厂型）、黑矿型和大红山型.其中结合成矿构造环境和容矿岩系因素进行的分类得到了最广泛的应用.Sawkins［15］根据成矿环境和容矿岩系将VMS矿床分为以下3种类型.

1）黑矿型：形成于岛弧扩张环境或成熟度低、陆壳基底的年轻弧后环境，赋存于弧间裂谷阶段形成的双峰式火山岩组合中的酸性火山碎屑岩中，主要为Zn-Cu型和Zn-Pb-Cu型矿床.

2）别子型：形成于成熟度高、洋壳基底的弧后扩张盆地环境，一般靠近构造交界处，如洋底与岛弧间，洋底与克拉通间或洋底与大陆壳间［17］，赋存于拉斑玄武质火山-碎屑沉积岩系中，其典型特征是以Cu、Zn成矿为主.

3）塞浦路斯型：产于洋中脊环境，矿体赋存于组成蛇绿岩套的大洋拉斑玄武岩中，其基本特征是以Cu为主，含少量Zn，基本不含Pb，为含Cu黄铁矿型矿床.

世界范围内的867个VMS矿床的统计分析［18］表明，有421个产于长英质岩系中，272个产于双峰式镁铁质岩系中，174个产于镁铁质岩系中.世界上主要VMS矿床的分布如图1.随着研究的不断深入，结合容矿岩系岩性、成矿构造环境和成矿元素特征，可将VMS矿床进一步划分为8种类型（表1）.

图1 世界上主要VMS矿床的分布图（据文献［9］修改）Fig.1 Distribution of the significant VMS deposits in the world（modified from Reference［9］）

1.4 热液蚀变

与VMS矿床有关的热液蚀变对矿床成因的研究和矿床勘查模型的建立有着重要的作用.通过对古代与现代 VMS 矿床的热液蚀变研究［8，19］发现，VMS 矿床的热液蚀变由下盘蚀变带和上盘蚀变带2个结构单元组成.典型的VMS矿床的垂直剖面如图2.

下盘蚀变一般有两种类型：1）不整合的蚀变岩筒，直接产在块状硫化物带的下方；2）半整合或层控的上盘蚀变带,并可以在区域范围内展布.典型的蚀变岩筒实际上相当少见，普遍存在的是半整合型或层控型蚀变［10］.通过对澳大利亚的Hellyer等矿区的研究发现［20］典型的蚀变岩筒实际上代表了热液流体的上升通道，并在蚀变岩筒边缘记录了与海水的反应过程.其最显著的蚀变分带从内到外依次是：强硅化-黄铁矿化±绢云母化±绿泥石化的硅质核→绿泥石化-黄铁矿化±碳酸盐化带→绢云母化-绿泥石化-黄铁矿化带→绢云母化-石英-黄铁矿化带.半整合或层控型的下盘蚀变范围可达矿层之下的30～100 m，沿走向可延伸2～6 km，其最常见的矿物组合是石英-绢云母±绿泥石-黄铁矿［21-23］.

上盘的热液蚀变对找矿勘探具有重要的意义.同下盘蚀变一样，上盘蚀变也有两种类型：筒状蚀变或半整合蚀变（Jack，1989），但是蚀变程度较弱，而且区域变质作用（低级绿片岩相）的叠加更增加了研究的困难.在澳大利亚的Hellyer矿区中的枕状玄武岩中发现有羽状、轻微铬云母-碳酸盐化的上盘蚀变带，直接产于下盘蚀变岩筒和矿体的上方，并向上延伸200m，这被解释为玄武岩喷发并覆盖矿体后的成矿后热液活动的结果.在澳大利亚的 Mount Chalmers［21］、Scuddles［24］、Wooklawn［25］、Thalanga［26］和 Teutonic Bore［27］等矿区均存在以石英-绢云母-绿泥石-黄铁矿±碳酸盐为特征的半整合的上盘蚀变.

表1 火山成因块状硫化物矿床类型划分Table 1 Classification of the VMS deposits

图2 典型的VMS矿床的垂直剖面（据文献［1］）Fig.2 Profile of the typical VMS deposit（from Reference［1］）

与热液蚀变有关的地球化学特征受到了研究人员的广泛关注，下盘蚀变带普遍具有明显的Na亏损，越靠近蚀变带的核部，蚀变指数［（MgO+K2O）/（Na2O+Ca+Mg+K2O）×100］（Ishikawa et al.,1976）及 S 和 Ba含量越高，Sr含量越低［10］.与未蚀变的火山岩围岩相比，蚀变带具有明显的负Eu异常和低的Zr/Y比值.

1.5 成矿物质来源

20世纪60年代，根据世界许多VMS矿床的铅同位素资料，显示玄武岩可以反复地侵入地壳并从地幔带来硫和金属元素，即认为地幔是硫和成矿金属的主要来源［28］.也有一些矿床学家［29］因幔源观点缺少直接的证据而持怀疑态度.目前认为成矿金属主要有两种可能的来源：1）在岩浆侵入体和浅位岩浆房之上被加热的循环海水对含矿火山岩系及下伏基底物质的淋滤［30-31，11，32-34］；2）深部岩浆房挥发分通过释气作用直接释放［15，35-38］一般认为，在有沉积物覆盖的洋中脊，热液沉积物的形成除与深部岩浆活动有关外，沉积物也为海底热液成矿提供了部分甚至是主要的物质来源.而在无沉积物覆盖的洋中脊，洋脊玄武岩是成矿金属的主要来源.在弧后盆底环境，热液沉积物物质来源更为复杂.很明显，基底类型（洋壳/陆壳）及岩石组合（基性/中酸性）制约着金属矿化类型.产于洋壳基底、镁铁质岩中的VMS矿床，金属Cu和Zn具有很高的含量，含少量甚至微量的Pb和Ba，矿床类型为Cu型或Cu-Zn型.而产于陆壳基底、中酸性火山-沉积岩系或双峰式火山沉积岩系中酸性火山岩中的VMS矿床，金属Pb具有较高的含量，矿床类型为Zn-Pb-Cu型或Zn-Cu型，Cu含量明显减少，Pb和Ba含量显著增加.因此很多矿床学家认为，易溶元素（如Pb、Zn、Ag等）主要来自火山-沉积岩系的淋滤，而难溶元素（如Cu、Sn、Bi、Mo等）主要源自岩浆.在对东Manus弧后盆地现代海底VMS矿床容矿火山岩的研究中发现存在普遍富含CO2的气泡的熔融包裹体［39］，气泡中高度富集氯化物和 Cu、Zn、Fe、Ni的硫化物.据此，他们认为这是岩浆流体存在的直接证据，并且这种富含金属的岩浆流体能为形成VMS矿床的热液系统提供大量的Cu和Zn.

VMS矿床硫的来源一直存在争议.从寒武纪VMS矿床所得到的大量的硫同位素数据［20，22，40-43］表明海水硫酸盐的还原和岩浆硫是VMS矿床的两种主要来源，其中岩浆硫可直接来源于岩浆释气作用或从火山岩中淋滤出来.在对澳大利亚的众多VMS矿床进行的研究中发现，绝大多数矿床的块状硫化物矿石和主成矿阶段的网脉状矿石的硫同位素组成δ34S的变化范围很小，在5‰以内.而在富重晶石层中的矿石和晚阶段形成的网脉状矿石，其δ34S主要呈正值，且比块状硫化物和主成矿阶段的网脉状矿石高5‰～15‰.这表明随着成矿作用的进行，越来越多的海水在海底和热液流体相混合，造成还原的海水硫酸盐不断增多［20，22，43］.但侯增谦等认为在Rosebery矿床，其早期成矿流体的硫同位素组成δ34S为8.5‰左右.在晚期，其δ34S逐渐增加至15‰［22］，这种趋势说明硫的来源早期以火山岩系的淋滤或岩浆硫的直接释放为主，晚期以海水硫酸盐的还原和岩浆硫的混合为主，且还原的海水硫酸盐比重逐渐增加.在对东秦岭二郎坪群中火山成因块状硫化物矿床的研究中发现［44］，矿床硫同位素平均值δ34S为6.34‰，推断其硫可能来源于地幔岩浆硫和海水硫的混合.从矿体底部（浸染状矿石）到矿体外部（纹层状矿石或矿化重晶石），S值变大，反映成矿阶段以岩浆硫为主，到成矿晚期，海水硫逐渐加入.侯增谦等［17］认为，从深部不可能带来大量的硫，即岩浆硫的贡献很小，因为热卤水是还原的，其中的硫酸根和双硫根不可能很多，而还原硫多的话，便与金属结合而沉淀，无法搬运；硫主要由海水中的硫酸盐所提供，并在海底与深部循环上升的还原性卤水发生混合而被还原，VMS矿床中的绝大部分硫均来源于海水.

1.6 成矿流体的性质和来源

对现代和古代VMS矿床的的深入研究［10，45-47］发现，其成矿流体是一种温度较高（100～400℃）、酸性（3.2～5.3）、富含金属元素（Fe、Cu、Zn、K、Mn、Ba、Na、Pb 等）的还原性流体，其硫逸度δH2S约为0.001，H2S/SO42-约为100，Cl浓度大于500 mmol，明显高于正常海水.

成矿流体的来源直接涉及到古代与现代VMS矿床的成因，但至今尚缺乏统一的认识.强调海水成因的热液淋滤模式认为，成矿流体及成矿物质源自海水下渗被岩浆房加热并与围岩的相互反应［8，48］.这从冲绳海槽JADE区热水流体中明显富集碱金属K、Na、Li和碱土金属Ba得到证实.大量研究证明，这些大离子活动性元素通常富集在长英质岩浆或岩石中，在水-岩反应过程中极其活跃，容易被流体活化而迁移.在JADE热水区，直接容矿围岩为双峰式火山岩系中富含K、Na、Li、Ba 的长英质岩系［17］，这反映了下渗海水的对流循环与长英质火山岩系发生了强烈的水-岩反应并成为成矿流体的来源.通过对海底新鲜火山岩中的熔体包裹体和流体包裹体的研究发现［39］，岩浆分异晚期产生富含金属的岩浆流体，这种流体以CO2为主，含少量 H2O，以高盐度、富18O 和富气（O2，N2）为特征.这种岩浆流体很可能成为成矿流体系统的重要来源并形成VMS矿床［40-41］.在对呷村VMS银多金属矿床的研究中发现，流体包裹体不仅见于呷村矿床的脉状-网脉状矿带，而且在蚀变最弱的流纹岩的石英斑晶中也有发育，这种流体包裹体均一温度大于350℃，盐度高达41%［42-43］.呷村矿床出现的大量富CO2流体包裹体及包裹体富含CO2和N2也暗示富18O和高盐度的流体来自岩浆（侯增谦等，2003）.研究人员对冲绳海槽JADE热水区做了卓有成效的工作，发现有异常高热流的出现.在热水区海底之下1～1.5 km处发育浅位长英质岩浆房［44］，高精度地震法也证实岩浆房一般在海底之下1～3 km处存在［45-46］.喷流热水极度富集CO2、烃类和H2等气体甚至形成独立气流与热水流体共存；热水流体系统存在异常高温（330～392℃）和高盐度（6.7%～7.5%）的流体端元，热水蚀变岩具有较高的δ18O组成R/Ra比值，并与岩浆热液的δ18O相当，这些特征从不同的角度揭示来自岩浆的流体对海底热液成矿流体系统产生较大贡献（侯增谦等，2003）.

1.7 成矿模式和成矿机制

矿床模式是一组相似（或同一类型）的每一个矿床地质特征的系统整理，并归纳出具有一定理性认识的、反映该类矿床共性的标准样式（裴荣富等，1995）.自块状硫化物矿床的理想剖面图提出以来［47］，随着资料的积累和认识的提高，有关VMS矿床的成矿模式不断的出现并逐步完善［17］.经典的VMS矿床模式具有典型的双层结构的共同特征并得到广泛的认可［3］：1）上部为块状矿石组成的整合层状、似层状带；2）下部为与上部整合矿带垂直交切的不整合的网脉状、浸染状矿石.但实际的矿床模式更加复杂多变，根据其矿床形态和式样的不同，主要分为丘状矿床、席状矿床和筒状矿床3种［17］.Large［10］对澳大利亚的 30 个从古太古代至二叠纪的大型VMS矿床（>1×106t）进行了详细的总结，并根据矿体的形态、金属组分、矿化类型和蚀变特征归纳出10种矿床式（styles of deposits）：经典丘堆式、不对称丘堆式、筒式、席式、韵律分带式、层状席式夹层控细脉式、叠置透镜式、含铜网脉-浸染式、含金-银-铅-锌网脉-浸染式和远源改造式.

Franklin et al.［8］，Hekinian et al.［48］，Lydon［1］，Large［10］和Scott［49］等人的研究对VMS矿床成矿作用的研究作出了杰出的贡献，使得对古代和现代VMS矿床成因模式的研究取得了重大进展.在对澳大利亚Hellyer和Que River矿区金属分带的研究和Eldridge et al.［50］和Campbelletal.［51］提出的矿床成因模式的基础上，Large［10］提出了经典丘堆式矿床的四阶段成矿模式：第一阶段，低温热液流体（150～250℃）排泄至海底沉淀出多孔的方铅矿、闪锌矿、硬石膏和重晶石以及少量的Au；第二阶段，热液流体温度升高（250～300℃），Cu含量增加，上升的热液在经过第一阶段形成的矿石丘堆底部时沉淀出黄铜矿或者以交代方铅矿和闪锌矿的方式析出黄铜矿，同时Pb、Zn溶解并随流体向上迁移，并可在温度降到250℃以下时沉淀或以交代早期阶段形成的硬石膏或黄铁矿的方式析出；第三阶段，热液流体温度继续升高（300～400℃），不仅Pb、Zn进一步随流体向上迁移，也使Cu和Au以氯的配合物的形式溶解并向上迁移，在流体温度达到最高（350～400℃）时，所有的金属（Cu、Au、Pb、Zn、Ag、Ba等） 都呈溶解状态并随流体迁移，从而在下部形成缺乏各种贱金属的黄铁矿核；第四阶段，流体从最高温度时的350～400℃降到200～250℃，并在早阶段形成的各个矿带上叠加方铅矿、闪锌矿、重晶石和碳酸盐.在该模式中，热机制或温度的变化对金属的搬运和沉淀具有重要影响.与以往所认为的VMS矿床的金属主要是由硫化物颗粒从海水中直接沉淀（卤水池模式）或黑烟囱的崩塌堆积形成不同，该模式认为较晚阶段的成矿流体沿通道上升并对早阶段沉积的矿石交代淋滤和活化迁移，成矿金属是从下部注入的.在这个过程中，形成了丘堆式矿床垂向和横向的金属分带形式，从下到上依次是:Fe→Fe-Cu→Cu-Pb-Zn→Pb-Zn-Ba.这种金属不断向上富集、分带边界不断向上迁移的过程被称作带状精炼（zone refining）.

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