江西省众埠街热水喷流沉积型锰铅锌矿的成矿机制研究

龙细友， 饶小鹏， 彭蜀涛， 刘志军， 鲁诗阳， 张连湘

(1.江西有色地质矿产勘查开发院,江西 南昌 330001； 2.赣州鑫宇矿冶有限公司,江西 赣州 341000)

江西众埠街锰铅锌矿位于江西省东北部,原名花亭锰矿,历史上于上世纪50～60年代开展过地质勘查工作,地表矿体早已采完。近年来,矿区深边部找矿勘查取得显著成果,同时也带来了对矿床成因研究的热潮。矿床以往成因认识众说纷纭,未有定论,如海底火山热液成矿[1],海相火山喷发—沉积—变质—热液锰矿床[2],古风化壳—沉积型锰矿床[3]。笔者以实施中国地质调查局矿调项目为背景,对矿床开展了成矿规律研究,搜集了国内外同类型锰矿床的研究资料,并进行对照分析,来探讨众埠街锰铅锌矿床的成矿机制。

1 矿区地质

1.1 区域地质概况

众埠街锰铅锌矿位于钦杭结合带东段的万年推覆体的西北侧,属万年—德兴成矿带的一部分。矿区处于晚古生代—中生代沉积盆地的西缘,盆地基底为新元古界万年群浅变质岩,盆地内部沉积地层以上石炭统黄龙组碳酸盐沉积为主,局部沉积有下石炭统梓山组,盆地东面在石炭纪之后的二叠纪继续接受海相沉积。至中生代,陆内造山作用形成的山间拗陷沉积了一套含火山喷发物的河湖相碎屑岩。区域构造经历了晋宁期板块拼贴、加里东期挤压造山、海西—印支期拉张沉降、燕山期强烈的陆内挤压及岩浆活动、喜马拉雅期差异沉降。不同时期、不同层次及不同环境下形成的构造形迹相互叠加,形成了“晋宁期近东西向紧闭基底褶皱+加里东期北东向网结状韧(脆)性剪切变形带+燕山期推覆岩片堆叠”为特点的基本格局[3-4]。断裂构造以北东向、北西向和北东东向为主(图1)。

1.2 矿区地质

矿区构造以断裂构造为主,可分为北北东、北北西、北东东、北西等四组。北北东向断裂F6控制矿区内铅锌矿带产出,走向北东20°～40°,倾向南东东,倾角70°～75°；长1 300 m,宽200～300 m,带内发育构造角砾岩、碎裂岩、片理化构造岩。北东东向断裂、北西向断裂和北北西向断裂为成矿后构造,对矿体产生破坏或错断。

矿区内岩浆岩主要为闪长岩、辉绿岩。在矿区西南外围见燕山期英安斑岩和石英斑岩。闪长岩在矿区西北边万年群中大面积出露,呈大岩枝产出,具片理化和变质。

图1 众埠街地区地质构造略图[3]
Fig.1 Tectonic sketch map of Zhongbujie area

1.第四系；2.白垩系；3.晚三叠世—侏罗系；4.晚泥盆系—中二叠世；5.晚二叠系/中二叠系；6.新元古界；7.燕山期酸性侵入岩及围岩蚀变带；8.性质不明断裂；9.推覆断裂及滑覆断裂；10.网结状韧(脆)性剪切变形带；11.角度不整合界线；12.中二叠世海相火山岩(玄武岩)；13.构造窗；14.倒传向斜及编号；15.倒转背斜及编号；16.向斜及编号。

图2 众埠街锰铅锌矿区地质略图[5]
Fig.2 Geological sketch of Zhongbujie manganese lead and zinc ore deposit

1.第四系；2.白垩系冷水坞组；3.白垩系石溪组下段；4.石炭系黄龙组下段；5.青白口系万年群程源组；6.石英斑岩；7.闪长岩；8.整合地层界线；9.挤压片理带及编号；10.实测断层及编号；11.推测断层及编号；12.勘探线及编号；13.钻孔及编号。

2 矿床地质

矿床为上锰下铅锌、锰和铅锌主要为异体共生的锰铅锌矿床,上部新元古界万年群结晶基底之上分布锰矿体和零星铅锌矿体,锰矿体内伴生有铅锌。铅锌矿呈北东向带状分布在新元古界万年群结晶基底围岩内(图3)。

图3 众埠街锰铅锌矿东西向剖面略图[1]
Fig.3 E-W profile of Zhongbujie manganese lead and zinc ore deposit

1.第四系；2.白垩系石溪组；3.石炭系上统黄龙组上段；4.石炭系上统黄龙组下段；5.新元古代万年群；6.断裂破碎带；7.锰矿体；8.铅锌矿体。

2.1 锰矿体地质特征

锰矿体分布在万年群浅变质岩之上,晚石炭世黄龙组底部,矿体呈似层状和透镜状,向东缓倾斜。已查明锰矿体平面上南北向长1 400 m,东西向宽1 200 m。矿体厚度1.57～41.75 m,平均品位：Mn23.31%、TFe18.10%。受成矿时海底地形影响,锰矿分布在上下两个台阶上,两台阶之间的陡坎缺失锰矿或矿层变薄。

矿石矿物成分,上部的Ⅰ台阶矿石中含锰矿物以锰的氧化物矿物硬锰矿和软锰矿为主,系由碳酸盐矿石氧化后变来;下部的Ⅱ台阶矿石中含锰矿物以菱铁矿、菱锰矿为主，两者锰矿石中伴生有铁、铅、锌硫化物矿物,脉石矿物以方解石为主,白云石和石英次之。矿石化学成分除铁和锰外,伴生元素Pb 0.2%～0.26%,Zn 0.6%～1.1%,Ag 9～12.5 g/t。矿石结构主要为自形和半自形结构、交代残余结构、乳浊状结构和骨格状结构等。矿石构造为胶状、角砾状构造，条带状构造，环带状构造，脉状构造，其中脉状构造较普遍,地表常见气孔构造[5]。

2.2 铅锌矿体地质特征

铅锌矿分布在不整合面之下的万年群浅变质岩内,受北北东向断裂构造带控制,矿带长1 350 m、宽150～500 m,总体走向30°,矿体主要呈细网脉状。铅锌矿平均品位Pb 1.36%,Zn 2.2%,Pb+Zn 3.56%,属贫矿,伴生银64.6 g/t。

矿石的矿物成分较简单。金属矿物主要有闪锌矿、方铅矿、黄铁矿,并以黄铁矿最为常见,偶见黄铜矿、毒砂、辉铜矿、磁黄铁矿、赤铁矿,局部见褐铁矿；非金属矿物主要为石英、绢云母、方解石、菱铁矿等。矿石结构主要为他形晶、自形—半自形晶、交代残余、乳浊结构、压碎结构。矿石构造为块状、细脉状、条带状、角砾状、浸染状构造等。

3 矿床成矿机制研究

3.1 矿床地球化学特征

(1) 稀土元素特征。矿床铁锰矿石的稀土元素总量虽然低,但和新元古代万年群基底含铁锰千枚岩具有相似的曲线形态(图4),反映了铁锰矿石和含铁锰千枚岩具有物质继承性,显示基底中的含铁锰千枚岩为矿质来源层位。铁锰矿石具有富轻稀土、铕正异常、铈正(或负)异常等特点,这些特点与现代大洋中脊喷流—热水沉积的含金属沉积物及其热液的富轻稀土、低∑REE、显著的铕正异常、铈异常等稀土元素特征极其相似,反映喷流—热水沉积作用性质[6]。

图4 矿区铁锰矿石和万年群千枚岩稀土元素配分曲线图❶
Fig.4 REE patterns graph of iron manganese ore and Wannian group phyllite

❶中南大学地球科学与信息物理学院 江西省众埠街锰铅锌矿找矿靶区预测基础研究 江西有色地质矿产勘查开发院2015。

(2) U-Th及Cr-Zr相关分析。铁锰矿石U-Th元素相关如图5所示,其投影均落在成岩热水铁锰沉积区；铁锰矿石Cr-Zr元素相关性如图6所示,铁锰矿石投影点落于热液型含金属沉积物上。以上二者均表明锰矿床的热水沉积成因特征。

(3) SiO2/Al2O3比值。铁锰矿石的SiO2/Al2O3值达12.8～51.7,前人指出其>3.6(陆壳比值)[7]为受热水作用影响,结合其它地质特征说明矿质来源和成矿作用主要受热液作用影响。

上述元素及组分的含量分布特征表明，锰矿的成矿与热液或热水作用相关。锰在地球中的分布,主要集中在地幔,锰含量平均值1 150×10-6,锰在地壳中的分布以下陆壳最集中。深层的锰质在地表或浅层成矿需经历活化转移过程,这种过程表现为内源型和外源型两种形式。内源型为锰质以海底热水作为载体,其不论是由火山喷气、喷液产生,抑或由海水经地下循环上溢海底而发,锰质都是通过深部(或地壳内部)的反应而使锰质活化运移[8]。

图5 铁锰矿石U-Th关系图❶
Fig.5 U-Th relationship diagram of iron manganese ore

RH.红海热卤水沉积区；EH.东太平洋隆热水沉积区；FH.已成岩的热水铁锰沉积区；OS.普通远洋沉积区；MN.锰结核沉积区；AH.铝土矿区。

❶中南大学地球科学与信息物理学院 江西省众埠街锰铅锌矿找矿靶区预测基础研究 江西有色地质矿产勘查开发院2015。

图6 铁锰矿石Cr-Zr关系图❶
Fig.6 Cr-Zr elationship diagram of iron manganese ore

Ⅰ.成岩型含金属沉积物；Ⅱ.深海沉积物；Ⅲ.热液型含金属沉积物。

❶中南大学地球科学与信息物理学院 江西省众埠街锰铅锌矿找矿靶区预测基础研究 江西有色地质矿产勘查开发院2015。

(4) 铅锌矿的S同位素特征。铅锌矿脉中出现黄铁矿—磁黄铁矿—方解石的矿物组合特征,因此可以用黄铁矿的δ34S值大致代替热液的δ34S值。即热液的δ34S大致均值为2.8(表1),意味其来源应是深源岩浆或地幔硫,表明铅锌矿的内生热液成矿成因。

表1 铅锌矿硫化物的δ34S值❶(‰)Table 1 δ34S value of lead and zinc sulphide

❶中南大学地球科学与信息物理学院 江西省众埠街锰铅锌矿找矿靶区预测基础研究 江西有色地质矿产勘查开发院2015。

3.2 锰铅锌的同源探讨

中国的锰和铅锌共生的矿床也不在少数,如江苏栖霞山，广东小带、汾水，湖南玛瑙山，福建连城，龙岩小娘坑[9]等,前人总结这些矿床兼具沉积和热液改造特征,过去多数划为层控型锰铅锌矿床。典型的如湘桂粤地区的棋梓桥组/东岗岭组和佘田桥组是一套白云质灰岩、白云岩、生物碎屑灰岩、泥灰岩夹暗色砂页岩组合,为含矿层,由钙镁质碳酸盐岩和层控铅锌硫化物—铁锰碳酸盐岩矿层组成。铅锌硫化物相矿层和铁锰碳酸盐岩相矿层呈层状、似层状、透镜状互层,赋存于白云岩、生物碎屑灰岩夹纹层状黑色页岩、泥灰岩、硅质岩层序中,间或夹有多层火山凝灰岩薄层,也认为是同沉积裂堑盆地边缘与火山喷气作用有关的产物[10]。上述矿床由于锰和铅锌密切共生,且均为主矿产,因此一致认为是同源的,成矿物质来源于海相沉积的含矿层位或火山喷发。

元素在各类岩浆岩中的含量分布特征表明：锰和锌在基性岩中的含量最高,分别为1 500×10-6，105×10-6。可见,矿区锰和锌元素的成矿,可能与深部基性岩浆的活动有关,如矿床以南的赣南地区于都营脑锰银多金属矿,经研究显示锰、银和铅锌来源于石英闪长玢岩[11]；粤北的梅县锰矿,其锰和共伴生的铅锌与闪长岩和闪长玢岩有关[12]。基性岩的侵入活动常发生在地壳沉降和拉张时期,如本区晚石炭世的海侵期。

3.3 成矿时代

锰矿的成矿时代由于矿石中矿物均不能进行同位素定年,无法获得年龄数据,但根据其地质特征,可充分确定其成矿时代属晚石炭世海水侵入期,黄龙组地层沉积期具有层控特征。对于铅锌矿的成矿时代,顾连兴曾对矿区方铅矿开展了单阶段模式年龄测定,其结果为306 Ma、336 Ma、382 Ma,成矿年龄应为晚石炭世,与锰矿成矿的晚石炭世相吻合,同时空间上铅锌矿分布于锰矿之下,并有锰矿矿化强、铅锌矿化亦强的相关性,而且锰矿中基本未见铅锌矿脉的穿切叠加,这些事实支持了铅锌矿与锰矿为同时代成矿的认识。

3.4 矿床成矿机制

本区海西期的晚石炭世处于陆内伸展沉降时期[13],形成了广阔的陆表浅海。同时,板块的拉张诱发了深部基性岩浆活动,基性岩浆中较富集成矿元素铁、锰、铅、锌和银等,在岩浆上侵的过程中,基底围岩中的铁、锰、铅、锌等组分在热液的作用下一部分也会被溶析出来进入热液中,随着热液不断向上运移,温度和压力降低,铅、锌和银在海底以下岩石裂隙的还原环境下沉淀富集,同时热液与围岩发生交代反应,形成硅化、绿泥石化、绢云母化和碳酸盐化等。

在海底以下岩浆热液为酸性和还原环境,铁、锰的溶解度很大,形成络合物分布在气水热液中[14]。气液在海底断裂发育和裂隙密集处形成不断涌出的热泉或喷气,与海水相遇后形成氧化锰矿物。随着海水中的氧离子不断被消耗和海底生物的不断死亡,海底逐渐转变为还原和碱性环境,部分高价锰离子还原为低价锰离子,还原条件下当溶液Mn2+浓度很高时,Mn2+可置换碳酸盐中的Ca2+，并以富锰碳酸盐矿物的形式沉淀形成菱锰矿[15]。

另外,海底火山喷流活动导致海水发生热水循环,热水中富含各种矿化剂和络阴离子,暴露在海水底部的万年群含铁锰千枚岩,其中的铁锰质也会被溶解出来,与火山喷流中的铁锰混合后成矿。

随着含矿气液的上升,铅锌在裂隙中不断被充填交代沉淀析出,铅锌浓度不断降低,相应的铁锰浓度不断增高,直至气液喷出海底,与海水发生成矿作用形成的锰矿石中铅锌含量仍然较高,含量Pb 0.2%～0.26%,Zn 0.6%～1.1%,Ag 9～12.5 g/t。锰和铅锌同体共伴生这一现象说明了它们之间并不是独立的,且上覆黄龙组地层中未分布脉状或层状的矽卡岩型铅锌矿床,这一现象进一步否定了矿区铅锌矿在锰成矿之后的后期热液成矿观点,并只有在海水入侵环境下，黄龙组地层尚未沉积固结成岩时发生的岩浆热液充填交代、海底喷气、热水沉积成矿活动这一成矿假设才能解释这些特征。

矿区锰矿石的一些结构构造特征也反映了热液和海水之间相互作用的结果,如氧化锰矿物和碳酸锰矿物的共存,两者之间相互交代,相间排列形成的条带状构造、环带状构造，交代溶蚀结构、胶状构造等充分体现了热液作用和海水沉积的水动力作用特征。稀土元素组成具低∑REE、明显的铕正异常,与现代大洋中热液喷口附近的含金属沉积物之稀土元素组成极其相似,反映其成矿方式及成矿环境亦与之类似。

涂光炽(1988)提出：“热水沉积矿床(即喷流沉积矿床)是指在水温70～350 ℃或更高的热水介质(海水、湖水、热泉水等)中形成的,主体是以沉积方式形成于水—岩石界面之上水体中的层状、似层状矿体,但也包括此界面之下可能存在的以充填和交代形成的筒状、锥状或面型热液含矿蚀变体,两者可共生或分别出现”[16]。

现代海底考察和研究表明,现代洋底高温喷流成矿作用具有两套成矿系统,即喷口以下的热水补给系统和喷口以上的喷流沉积系统。补给系统在海底以下的通道中形成网脉状矿化和强烈蚀变,矿化明显晚于周围的围岩,属后生成矿作用；而喷流沉积系统则在海底以上形成层状、似层状或透镜状矿体,与其围岩近于同时形成,属于典型的同生成矿作用。

国际上和国内专著中总结热水喷流沉积成因矿床一般的特征有：①矿床伴有典型的喷流岩(热水沉积岩),以此区别于其它类型矿床。这些岩石主要是硅质岩、条带状含电气石岩或电气石岩、条带状含长石岩或富长石岩、透辉岩与透闪岩(或双透岩)、重晶石或石膏层等；②这类矿床的矿体往往呈层状、似层状或透镜状产于地层中,且矿体一般随地层褶皱而褶皱。部分矿床具典型的“双层”构造,上部为层状矿体,下部为细脉状、筒状含矿蚀变体；③富铁(有时富锰)的硅质岩形成于海底热水活动的减弱阶段,被认为是经化学沉积形成的喷流岩,覆盖在块状矿石的顶部或作为整合型矿体水平方向上的外延部分；④整合型矿体的下盘岩石(基底)中存在绿泥石和绢云母的蚀变,形成陡立的管(筒)状蚀变带,通常从内向外具明显的水平分带。众埠街锰铅锌矿表现出了极为相似的特征,矿区晚石炭世碳酸盐岩底部含硅质岩,下部夹硅质白云岩；矿床具“双层”构造,上部为层状锰矿体,下部为细网脉状铅锌矿；锰矿层应为基底中的火山喷出物质在海底经热水作用和化学沉积作用形成的,分布在火山口或通道的外围；铅锌矿赋矿围岩的蚀变类型有硅化、绿泥石化、绢云母化、黄铁矿化和碳酸盐化等,与热水喷流沉积成因矿床近矿围岩蚀变特征一致。

铅锌矿脉多为方解石脉及近矿围岩发育碳酸盐化,一定程度上显示了铅锌矿的成矿有海水的参与,即喷出海底的含矿气液和海水混合后,形成的热卤水在热循环作用下又经断裂裂隙带渗透到基底围岩中,和来自深部岩浆热液混合，并与围岩发生成矿作用,形成铅锌矿床。

综上所述,矿区锰铅锌矿的成因可定义为与热水喷流有关的充填交代型铅锌矿和沉积型锰矿床的复合矿床(图7)。

图7 众埠街锰铅锌矿成矿模式图
Fig.7 Genetic model of the Zhongbujie manganese lead and zinc ore deposit

1.岩浆热液运移方向；2.海底热水运移方向。

4 结论

经与热水喷流沉积型矿床的成矿模式类比研究,矿床呈现许多与热水喷流沉积型矿床同样的特征,众埠街锰铅锌矿床的海底火山喷流或喷气口分布在北东向含矿裂隙带,为线性的裂隙式喷发。裂隙既是地下深部岩浆气液的喷出通道,也是海底热卤水向结晶基底往下渗透的通道。

矿床上锰下铅锌的双层结构,是同一个火山热液成矿系统下的海底热水喷流沉积相和火山喷流通道相的成矿物质表现。锰矿体兼有氧化锰和碳酸锰的矿石矿物组合,含硅质岩及硅质白云质灰岩,具条带状、环带状和胶状等构造特征,充分体现了热水喷流沉积特征。铅锌矿体为细网脉状,近矿围岩蚀变为硅化、绿泥石化、绢云母化和碳酸盐化等,也显示了海底火山喷出通道和裂隙围岩在火山热液和海底热卤水混合作用下的典型成矿特征。