现代海底热液成矿作用.pdf

第 32 卷 第 1 期 2010 年 3 月 地球科学与环境学报 Journal of Earth Sciences and Environment Vol. 32 No. 1 Mar. 2010 收稿日期 2009 0520 基金项目 国家自然科学基金项目 40772062; 国家科技支撑计划重大项目 2006BAB01A01 ;中国地质调查局项目 121201063507 作者简介 李文渊 1962 , 男, 甘肃武威人, 教授, 博士研究生导师, 从事岩浆作用矿床及区域成矿研究。Email xalwenyuan cgs. gov. cn 现代海底热液成矿作用 李 文 渊 中国地质调查局 西安地质调查中心, 陕西 西安 710054 摘要 从现代块状硫化物矿床成矿特征对比角度, 总结分析了世界现代海底喷流的块状硫化物成矿堆积, 综述 了现代海底块状硫化物成矿主要形成于洋壳和岛弧环境的实际观察结果, 突出强调了洋壳环境和岛弧或陆壳环 境两种成矿环境对成矿类型分类的意义。对上地幔部分熔融岩浆来源与地壳物质可能带入、 火山喷发岩浆系列 的演化和对热液成矿作用的控制进行了讨论, 对比分析了岩浆流体对成矿的重要贡献和控制作用, 以及成矿热 液循环体系形成的条件和模式。 关键词 现代海底; 热液; 成矿流体; 块状硫化物; 矿床成因; 成矿作用 中图分类号 P611 文献标志码 A 文章编号 1672 65612010 01001509 Hydrothermal Mineralization on the Modern Seafloor LI Wenyuan Xian Center of Geological Survey , China Geological Survey , Xian 710054, Shaanx i, China Abstract It is summarized and analyzed that massive sulfide accumulations of the modern seafloor in the world from their contrasting of the minerogenetic characteristics, and outlined that the result of actual observation of the massive sulfides of oceanic crust and island arc at the modern seafloor, especially emphasized significance of two kinds of minerogenetic environments oceanic crust and island arc or continental extension for classification of minerogenetic types. Also, it is discussed that magmatic origin of upper mantle partial melting and possible contaminate ofcrustal compositions and magmatic evolution ofvolcanic eruptionscontrol hydrothermal mineralization, and analyzed that important contribution and control action of a magmatic fluid to a hydrothermal mineralization and ation conditions and models of a circulation system of hydrothermal mineralization. Key words modern seafloor; hydrothermal solution; ore ing fluid; massive sulfide; genesis of ore deposit; mineralization 0 引言 现代海底热液成矿作用仍在持续发生, 目前全 球已发现海底热液活动分布区达 130 多处[ 15], 对 它们的观察研究极大地提高了对古代块状硫化物 矿床的认识。由于中国大陆复杂的构造演化格局, 在各时期重要造山带中残存了众多海底物质和洋 片, 具有寻找古海底热液矿床的地质条件, 研究现 代海底热液成矿作用有助于理解古代块状硫化物 矿床。同时, 中国广阔的海域, 亟待加强现代海底 成矿物质的研究。 1 现代海底热液矿床的发现 依赖于深海钻探计划 DSDP 和大洋钻探计划 ODP 的全球海底地质调查[ 6], 至少已发现了 15 个与陆上矿床相当的块状金属硫化物矿床, 这些矿 床主要集中在大洋中脊 海底扩张中心 和弧后盆 地扩张脊的离散板块边界以及岛弧和火山板块中 心[ 3]。洋脊环境是已知目前世界海底热水活动和 金属硫化物矿床形成最多和最重要的环境 [ 7] , 并且 成矿潜力与扩张脊扩张速率的大小有明显关系。 根据 Rona 等[ 3]对全球海底热水成矿作用 Seafloor hydrothermal mineralization 的统计资料, 146 个热水 活动区有 58处有硫化物矿床或矿化存在。其中, 东 太平洋洋脊、 洋隆和转换断层附近 26 处, 中大西洋 洋脊裂谷、 海岭 14 处, 红海海渊 2 处, 印度洋西南部 洋脊1 处, 西太平洋弧后环境 10 处, 西太平洋岛弧环 境4 处以及南太平洋海山环境 1 处 图 1 。 可见大洋 或洋盆环境火山成因块状硫化物矿化地数量占绝对 优势, 这与地质历史上保留下来的古火山成因块状 硫化物的情形是不一样的, 后者由于大洋约 1 Ma 的 周期俯冲消减, 从而留存下来的主要是岛弧和弧后 环境的成矿遗迹[ 8]。但现代大洋或洋盆的热水成矿 活动, 对认识古代火山成因块状硫化物矿床形成, 提 供了极好的可以直接观察的天然实验场所, 同时它 本身也是潜在的可利用矿产资源。 1- 中脊轴线; 2- 转换断层; 3- 俯冲边界; 4- 碰撞边界; 5- 现代海底热水成矿区 包括硫化物矿床 ; 据文献[ 3, 9] 修改 图 1 全球现代海底热液成矿活动区 包括块状硫化物矿床分布 Fig. 1 Distribution Map of Active Areas for Hydrothermal Mineralization at the Modern Seafloor in the Globe 就大洋/ 洋盆、 岛弧和弧后环境而言, 与现代海 底火山作用有关的热水成矿作用, 其硫化物的成矿 特征和成矿过程并不似古代火山成因硫化物矿床 的类型划分和成因所认识的那样清晰, 不同环境的 成矿特征与具体热水成矿活动部位的特征有密切 关系 表 1 , 每种地质环境由于所处的发展历史不 同可能造就不同的成矿特征, 难以用一种明确的成 矿相和成矿方式来概括。现代海底成矿作用提供 了了解这种成矿变化的可能, 例如大洋/ 洋盆的洋 脊, 属洋脊裂谷环境, 它可以是洋盆拉张初期 陆间 裂谷 洋脊火山活动带, 现代红海就是这种环境形 成的实例, 而且还存在扩张速率快慢的差异, 红海 是慢速扩张的例子 半速率小于或等于 2 cm/ a , 而 西南太平洋的 Woodlark 盆地扩张轴则为中等 快 速扩张的环境 半速率大于 2 cm/ a ; 洋盆进一步拉 张, 形成具一定规模的印度洋型和大规模的大西洋 型大洋洋盆, 主要表现为慢速扩张的特点, 并分别 在大洋中脊裂谷和两翼、 海岭、 平行洋脊裂谷轴正 断层和垂直轴的转换断层交汇处产生热水活动区 及其矿化; 洋盆成熟期则形成现代太平洋大洋环 境, 具中等 快速扩张脊的特点 2. 1 9. 0 cm/ a , 除了表现出大洋中脊、 侧翼、 海山、 平行洋脊断层和 转换断层处差异的矿化特征外, 大洋不同地域洋脊 成矿的差异也是显著的。 最给人启发的是岛弧和弧后盆地环境的成矿 现象, 岛弧环境并不像古代火山成因块状硫化物矿 床那样是成矿最发育的地区, 仅在西太平洋小笠原 岛弧海山或破火山口内见到微弱矿化, 尚未发现有 一定规模的矿床[ 10], 倒是岛弧裂解形成弧后盆地初 期和成熟期的环境形成了比较重要的矿床和矿化 现象。弧后盆地初期环境完全是以往所认识的岛 弧环境成矿的特点, 例如冲绳 Okinawa 海槽、 劳 Lau 海槽为过渡特征, 马里亚纳 Mariana 海槽则 已显示为大洋的特征。其中, 中大西洋脊裂谷东 5 km 26 08N、 44 49W 附近的热水矿化, 与中国 甘肃省石居里 ∀号沟中奥陶世的古CuZn型矿化 16地球科学与环境学报 第 32 卷 表 1 现代海底硫化物矿床和热液成矿活动特征对比 Tab. 1 Comparison Between Massive Sulfide Accumulations and Activities of Hydrothermal Mineralization at the Modern Seafloor 构造环境盆地类型时间典型实例 板块 离散 环境 裂谷小洋盆 陆间裂谷 裂谷洋盆 有限洋盆 大洋 1. 红海海渊 21 24 N、 38 38 E 附近 水深 2 000 m, 缓慢扩张 半速率 1. 0 cm/ a , 沿火山喷发轴与转 换断层交汇处, 含硫化物、 硫酸盐、 氢氧化物和碳酸盐相金属沉积物, 估计有 94 106t 的金属量, 主 要由蒙脱石、 针铁矿、 赤铁矿、 纤铁矿、 重晶石、 硫化物 为闪锌矿、 白铁矿、 黄铜矿、 黄铁矿 、 富 Mn 菱 铁矿、 硬石膏、 水钠锰矿、 钡镁锰矿组成 Cu Zn 型矿石[ 11] 2 西太平洋 Woodlark 盆地西部 9 55S、 151 50 E 附近 水深 2 140 2 366 m, 中等 快速扩张 半速 率 2. 7 6. 0 cm/ a , 玄武质安山岩带轴向火山喷口和侧翼, 扩张轴延伸进入大陆形成大陆裂谷, 活动 的重晶石硅石 硫化物烟囱和层纹状 FeMnSiO2氧化物丘堤, 主要矿物为非晶硅、 针铁矿、 绿脱石、 水钠锰矿、 钡镁锰矿、 重晶石、 黄铁矿、 闪锌矿、 黄铜矿、 方铅矿 CuPb Zn 型矿石[ 12] 3 中大西洋脊裂谷东 5 km 26 08N、 44 49 W 附近 水深 3 625 3 100 m, 缓慢扩张 半速率 1. 3 cm/ a 环境, 火山中心西缘热水活动带, 发育于平行洋脊轴向的正断层和垂直轴向的转换断层的交汇点, 矿化出现在裂谷底部和东壁, 可分为高温硫化物丘 裂谷东壁底部火山中心西面 、 残留带 不同时代 硫化物分布于裂谷东壁下部断层中 和低温带 裂谷东壁中部断层中 , 高温硫化物丘为活动的烟囱 内壁的块状 CuFe 硫化物、 块状 ZnFe 硫化物等, 主要由黄铁矿、 白铁矿、 黄铜矿、 闪锌矿、 蓝辉铜矿、 绿盐铜矿、 非晶针铁矿、 硬石膏、 非晶石英、 文石、 方解石等组成 CuZn 型矿石 ; 残留带为黄铁矿、 白 铁矿、 黄铜矿、 闪锌矿、 绿脱石、 水钠锰矿、 钡镁锰矿组成 CuZn 型矿石 ; 低温带为间歇活动的绿、 红 色似层状土状沉淀物组成, 绿脱石、 水钠锰矿和钡镁锰矿等矿石[ 13] 4 东太平洋隆起脊 21 N 附近 水深 2 620 m, 中等 快速扩张 半速率 3. 0 cm/ a , 正在扩张的断块 和裂隙边缘带, 表现为活动的块状硫化物丘堤上3 10 m 高的烟囱和残留的块状硫化物丘堤、 烟囱 的蚀变带, 矿物组成为由黄铁矿、 黄铜矿、 白铁矿、 闪锌矿、 纤锌矿、 蓝辉铜矿、 自然银和针铁矿、 褐铁 矿、 绿脱石组成的硫化物的铁帽 Cu Zn 型矿石[ 14] 板块 聚敛 环境 弧后 盆地 岛弧 幼 年 期 5 西太平洋冲绳 Okinawa 海槽 276 15N、 127 04. 5 E 处 水深 1 250 1 610 m, 中等 快速扩张 半速率大于 2. 0 cm/ a , Ryuku 岛弧的弧后盆地的似火山口结构, 推测为陆壳基底的弧后盆地, 裂 谷作用产生的走滑拉张形成的火山口, 双峰式钙碱性岛弧火山岩位于 20 km 厚的陆壳之上, 中央海 底山丘由英安熔岩组成, 壁上由凝灰岩\ 凝灰角砾岩\ 浮岩和泥岩组成, 热水沉积物覆盖在英安 流纹 岩组成的长英质火山岩之上, 该火山岩中夹由表及里泥岩和酸性凝灰岩薄层, 表现为沉积基底上生 长的活动的硫化物 硫酸盐烟囱 高达 5 m 和黑矿型硫化物组合的丘堤, 分别为黑矿石、 绿色矿石和 ∃ 黄铁矿矿石, 矿石矿物为闪锌矿、 方铅矿、 黄铁矿、 白铁矿、 黄铜矿、 重晶石、 非晶硅、 砷黝铜矿和硫 酸铅矿 CuPb Zn 型矿石 [ 1516] 过 渡 期 6 西太平洋劳 Lau 盆地南部 21 45S、 176 15 W 22 30S、 177 00 W 附近 水深 1 600 2 000 m, 中等 快速扩张 半速率大于 2. 0 cm/ a , 位于弧后盆地的扩张轴部 Valu Fa 中脊 , 由玄武岩、 英安 岩和安山岩组成的山脊, 长 150 km, 宽 2 5 km, 表现为黄色的 Fe 硅酸盐、 氧化物 氢氧化物、 Mn 氧 化物壳、 玄武岩中的浸染状硫化物和热田的块状硫化物组成, 矿石矿物分别由含极少量微量金属的 绿脱石、 针铁矿、 非晶质铁、 水钠锰矿、 钡镁锰矿、 锰钠矿、 黄铁矿、 黄铜矿、 非晶硅、 蛋白石、 磁黄铁矿、 黄铁矿、 白铁矿、 斑铜矿、 砷黝铜矿等组成 Cu PbZn 型矿石[3] 成 熟 期 7 西太平洋马里亚纳 Mariana 海槽 18 10. 95 N、 144 43. 20 E 处和 18 12. 59 N、 144 42. 43 E 处 水 深3 600 3 700 m, 中等 快速扩张 半速率 3. 0 cm/ a , Pagan 岛弧西洼地 200 1 000 m 火山峰顶 附近发育的断裂系统和塌陷构造中, 沿弧后盆地火山喷发轴向扩张轴分布, 表现为活动的块状硫化 物, 主要为闪锌矿、 方铅矿、 黄铜矿、 重晶石、 烟囱的基质、 蛋白石、 Fe 和 Mn 的氢氧化物矿物组成 主 要为 CuZn 型矿石, 有Cu PbZn 型矿石显示[ 17] 8 西太平洋小笠原 IzuOsawara 岛弧 31 53N、 130 09 E 处 水深 400 1 100 m, 海底火山的火山锥 侧翼和破火山口, 沿火山前缘发育, 发现有英安岩、 凝灰岩和浮岩, 表现为静止的块状硫化物、 浸染状 硫化物、 脉状硫化物和富 Mn、 Fe 的沉积, 为重晶石、 闪锌矿、 方铅矿、 黄铁矿、 黄铜矿、 斑铜矿、 铜蓝、 砷黝铜矿、 黝铜矿、 白铁矿和石英等矿物组成特点 为 CuPbZn 型矿石 [ 10] 特征非常相似, 均属于发育于平行洋脊轴向的正断 层和垂直轴向转换断层的交汇点位置的热水喷口 成矿。只是现代海底的热液成矿因未受改造, 成矿 特征表现的更清晰罢了, 而古代的矿体特征已是遭 受成矿后改造综合作用的产物。洋脊裂谷底部火 山中心发育高温硫化物丘, 为块状 CuFe、 ZnFe 和 Fe 硫化物组成, 在裂谷壁的下部断层中发育残留 带, 也由块状 CuFe、 ZnFe 和 Fe 硫化物组成, 并有 层状氧化锰结壳等产出, 裂谷壁中等深度处则形成 低温带, 为间歇活动的绿、 红色似层状土状沉淀物 组成。这些成矿特点有助于对甘肃省石居里 ∀号 沟古代 CuZn 型矿床原始成矿过程的认识。 2 现代海底热液成矿作用观察结果 全球现代海底硫化物矿床或矿化现象调查结 果表明, 现代海底热液成矿作用与海底扩张作用密 切相关, 但硫化物成矿至少有以下 3 个方面的控制 因素 ∋ 高位岩浆房加热成矿流体对流循环的岩浆热 源; 可使成矿流体 热水 进行循环的断裂裂隙系 统。同时, 成矿流体中成矿金属组分和成矿后的保 存环境亦很关键 [ 1, 2022] 。现代海底硫化物矿床成矿 作用观察结果, 使一些学者认识到海底成矿热水流 体与冷海水的混合作用、 海底物质的渗透性、 成矿 热液系统的稳定性、 海水的沸腾作用以及地质盖层 条件对硫化物矿床的重要性 [ 6, 2324] 。 海底烟囱生长过程中, 烟囱通道内的成矿热水 与海底冷海水有限混合, 引起热水对流和硫化物沉 积。这种有限混合主要发生在丘状堆积体内部, 其 顶部通常发育渗透性差的盖层或结壳 图 2, 据文献 [ 5] , 防止大量海水的涌入对成矿热液系统的稀释 而难于成矿。海底火山岩系的渗透性对成矿热液 流体从海底下部向海底表面的输出状况, 能否形成 有规模的矿床起着关键作用。在渗透性差的火山 熔岩地区, 断裂裂隙是重要的喷溢排泄位置, 因此 是否存在断裂、 熔岩角砾是影响火山岩地区渗透性 的重要条件。长英质火山岩地区, 由于火山碎屑物 质或高空隙火山岩系发育, 热水流体难以集中, 故 多形成脉状 网脉状矿化特征, 而渗透性差的基性 图 2 大西洋慢速扩张脊 15 20 N构造带新生洋壳 Logatchev 热液流体活动破火山烟囱和形成的富铜、 锌丘堤 Fig. 2 Photographs of Cu rich Smoking Crater and Zn rich Mounds and Towers of Logatchev Hydrothermal Field, 15 20 N Fracture Zone of New Oceanic Crust at Slow Spreading Ridges on the MAR 火山岩地区, 成矿热水流体通常沿断裂裂隙系统集 中排泄, 因此多在海底下部形成蚀变 矿化岩筒。 由热源和相应的含矿热水构成的成矿热液系统长 期稳定的作用是形成较大规模矿床的先决条件, 已 观察到快速扩张的洋脊热液活动明显有沿轴向移 动的特点, 显然不利于硫化物集中有规模的沉淀堆 积, 故亦难形成有规模的矿床。因此, 要形成较大 规模的矿床必须在同一地点热液循环体系经历几 个连续的活动时期才有可能, 大西洋 TAG 热水活 动区的现代海底硫化物矿床的形成至少热水活动 已经历了 26 000 年的历史和 5 个以上的热水活动 期[ 7]。在浅水环境, 由于热水流体发生沸腾作用, 使气相和液相分离, 导致液相变冷、 盐度增加和金 属元素富集 以 NaCl 进入液相 , H2S 亏损 进入气 相 , 在海底岩系中形成脉状 网脉状矿体和浸染 状矿体, 在海底表面仅形成低温金属元素亏损的热 水沉积堆积; 而在深水环境, 热水流体处于沸腾点 之下, 仅在海底形成金属硫化物沉淀伴随有限的网 脉矿化。要使硫化物持续堆积必须要有合适的盖 层条件, 以阻止热水流体的大量排泄, 促使热水流 体在盖层下大量聚集, 同时还可使硫化物堆积后起 到保护作用, 这些盖层可以是烟囱碎屑和热水沉积 物, 例如石膏、 重晶石和非晶硅等, 形成一种结壳 层, 有时也可以是火山凝灰层。 3 控制成矿的关键因素 当岩浆上侵或从海底呈火山喷出时, 在其侵 位、 喷出过程中或稍后, 岩浆流体通过脱气而脱离 岩浆体, 与其他来源水汇合, 在适宜部位形成与岩 浆作用密切相关的对流循环热液体系。这个对流 循环热液体系即构成重要的热液成矿系统, 一直存 在争议的是成矿热液系统中成矿物质的来源问题, 并成为近年来矿床学研究的热点问题之一[ 18]。归 纳起来主要有两种认识 一种认为含矿岩系及下伏 基底物质的淋滤是成矿物质的供给源[ 2526]; 另一种 认识是来源于岩浆房挥发分直接释放[ 1819, 2728]。 一般认为, 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乃至主要物质来源。在无 18地球科学与环境学报 第 32 卷 沉积物覆盖的洋中脊, 洋中脊玄武岩是海底沉积物 形成的主要物质来源, 而在弧后盆地环境, 有关热 液沉积物来源问题一直存在争议。相当多的研究 者认为, 易溶元素 Pb、 Zn、 Ag 等 主要来自淋滤, 而难溶元素 Cu、 Sn、 Bi、 Mo 等 主要来自岩浆。关 于淋滤模式, 有些研究者强调基底类型 洋壳或陆 壳 及岩石组合 基性火山岩或中酸性火山岩 制约 着金属矿化的类型[ 29]。与洋壳基底即与玄武岩有 关的矿床, 成矿组分类型为CuZn 型或 Cu 型, 含少 量 Pb 和 Ba, 而与岛弧钙碱性火山岩系或长英质 玄武质双峰式岩石组合有关的矿床, 则主要为 Zn PbCu CuPbZn 型或 ZnCu CuZn 型, Fe 含量 降低, Pb 和 Ba 含量明显增加。Large [ 30] 研究认为, 无论 Cu 型、 CuZn 型或是 ZnPbCu 型, 均与酸性 火山岩有关, 而以玄武岩为主的火山岩缺乏重要的 硫化物矿床。这一认识事实上否定了成矿环境对 成矿元素组合的控制作用。但 Sawkins[ 31]发现, 块 状硫化物矿床金属组分从富 Cu 塞浦路斯型 到富 PbZn Cu 矿床 黑矿型 连续分布, 是成矿岩浆中 大离子元素逐渐富集的结果, 其与矿床相伴的长英 质侵入体岩石化学变化有关, 而这种变化还是将与 岛弧和板块消减作用有关的岩浆作用联系了起来, 说明了构造环境对成矿类型的实际控制作用。 Ulrich等[ 32]认为, 在成矿物质来源上斑岩型矿床是 与火山成因块状硫化物矿床紧密相关的矿床, 斑岩 型铜 钼 金矿床的成矿金属物质来源及其演化的 研究结果, 可启发对火山成因块状硫化物矿床成矿 金属物质来源的进一步认识。 与岩浆作用相关的热液作用形成的金属矿床 中的金属含量, 是主要受控于岩浆和岩浆出溶流体 相之间分离的金属, 还是源于固相上地壳地表派生 流体分离的金属存在争议, 但愈来愈多的证据表明 主要来源于岩浆流体[ 1819]。同样存在疑问的是, 这种矿床中金属含量受制于来自含矿流体矿物沉 淀的程度有多大。Ulrich 等[ 32]根据格雷兹贝哥 Grasberg 位于印度尼西亚伊安里岛世界上最 富的斑岩型铜金矿床 和阿鲁姆贝亚 Bajo de la Alumbreera 阿根廷另一富金铜矿床 的地质、 同 位素和实验证据, 认为沉淀的石英和矿石矿物脉 中含盐的流体暗示了存在有意义的岩浆派生成 分, 通过激光电感偶合等离子质谱仪 ICPMS 发 现石英中单个流体包裹体的金、 铜富集。这一结 果显示初始高温卤水的 w Au / w Cu 完全相同 于 2 个世界上最大的铜金矿体的整体 w Au / w Cu 表明岩浆热液矿床总的金属储量主要受控 于内生流体。 Ulrich 等[ 32]检测了格雷兹贝哥 Grasberg 和 阿鲁姆贝亚 Bajo de la Alumbreera 最高温、 最富 盐卤水的包裹体[ 33]。从流体包裹体测试来看, 具有 相似的 58 65 NaCl 相当的 盐度和 550 650 的均一温度。格雷兹贝哥卤水包裹体具有 68 76 NaCl 相当的 盐度和 600 以上的均 一温度。这清楚证明了金、 铜和其他痕量、 微量、 主 要元素 包括 Na 起源于流体包裹体内部。 表 2 给出了Au、 Cu、 Na 和 As 在卤水和蒸气包 裹体中的平均丰度以及相同包裹体群中其他元素 的分析结果。格雷兹贝哥的数据显示, 卤水包裹体 的平均 w Au / w Cu 几乎与整个矿床 质量分数 11 10 - 4 的比率是相同的。相似地在阿鲁姆贝亚 一组有关富 Cu 卤水包裹体叠置在整个矿床 质量分 数 1 2 10 - 4的金属比率上。格雷兹贝哥蒸气包裹体 与卤水包裹体共生, 具有可比较的 w Au / w Cu, 但在质量分数上平均要高于这两金属的10倍。 表 2 岩浆热液矿床流体包裹体平均丰度 Tab. 2 Average Abundances of Fluid Inclusions in Magma Hydrothermal Deposit 元素 阿鲁姆贝亚 卤水蒸气* 格雷兹贝哥 卤水蒸气 Au0. 79∗ 0. 39 0. 530. 26∗ 0. 1810. 17∗ 6. 20 Cu0. 76∗ 0. 493. 30∗ 1. 200. 30∗ 1. 001. 20∗ 1.30 Na16. 00∗ 2. 00 1. 70∗ 0. 1416. 00∗ 1. 003. 00∗ 1.00 K12. 50∗ 2. 70 0. 72∗ 0. 2415. 40∗ 4. 701. 30∗ 0.20 Mn1. 50∗ 0. 300. 14∗ 0. 062. 40∗ 0. 800. 20∗ 0.10 Fe8. 50∗ 1. 901. 30∗ 0. 1513. 00∗ 3. 501. 00∗ 0.50 Zn1. 40∗ 0. 300. 12∗ 0. 031. 30∗ 0. 400. 15∗ 0.07 Pb1. 45∗ 0. 130. 02∗ 0. 010. 50∗ 0. 250. 04∗ 0.01 Rb750∗ 17525∗ 6960∗ 24080∗ 30 Sr85∗ 3010∗ 7640∗ 35030∗ 20 Mo70∗ 60 300600∗ 12060∗ 20 Ag45∗ 70 401. 200∗ 300100∗ 40 Cs60∗ 1520∗ 2070∗ 355∗ 1 As20∗ 2020∗ 10190∗ 220 Ba95∗ 2540∗ 20380∗ 17010∗ 10 注 Cu、 Na、 K、 Mn、 Fe、 Zn、 Pb 质量分数/ , 其余质量分数/ 10- 6; * 为来自相关实验和卤水包裹体的低温数据, 这些蒸气包裹 体的绝对元素丰度肯定比丰度比率要低; 据文献[ 32] 19第 1 期 李文渊 现代海底热液成矿作用 格雷兹贝哥样品相关联的 但不一定共生 蒸气包 裹体具有高的 Cu 含量, 但未检测到 Au。不知道阿 鲁姆贝亚卤水包裹体成分是否是由于 Cu 优先分离 到蒸气相中, 或部分加入到了 CuFe 硫化物中。可 能为卤水与矿石金属比率相配套, 两热液体系进入 流体的主金属具有最相近的初始成分的结果。 初始成矿流体和整个矿床 w Au / w Cu 的 一致性是明显的, 这两种金属的各自丰度在普通 地壳流体中通常认为是相互独立的。与这种变化 相同的是, 从矿石品位的紧密相关不难得出 Cu 和 Au 肯定以相同流体迁移并几乎等量共同沉淀为 经济矿体量的结论。这显著表明, 进入岩浆卤水 的成分对最终矿床的整个金属成分具有主要化学 控制作用。 Cu、 Au 源的演化, 根据整个矿石的平均质量分 数 079 10 - 6的 Au 和 076 的 Cu 和总金属储 量 460 t Au 和 3 7 106t Cu 研究, 要形成这样的 金属聚集, 至少需要 58 108t 的卤水。钙碱性金 属估算质量分数 2 10 - 6或更少的 Au, 要提供这个 矿床的 Au 总量至少需要 2 3 10 11 t 的岩浆。这 比赋矿和紧依矿体下伏的斑岩的量要大的多, 这需 要 100 km3或更多深位岩浆房存在, 这与航磁证据 和暴露的残留大型层状火山岩的认识是一致的。 对于来自相同岩浆房源的 Cu 将仅需提取 15 10- 6, 即 1/ 4 典型安第斯岩浆 60 10- 6 的 Cu 量 相比, 耗用 5 8 10 8 t 的卤水, 就需要 23 10 11 t 的岩浆。因此获得了一个 1/ 400 等于 0 2 的 w 卤水 / w 岩浆 。借助于实验流体/ 熔体分离数 据, 提出高富集 Cl、 Cu 和 Au 的成矿卤水可能存在 第一次从岩浆溶解流体的分离, 其含有 4 的初始 H2O。其岩浆就位, 并在流体饱和情况下, 约在现 勘探水平矿床之下 3 km 开始结晶。高金属荷载卤 水的不断补 给, 说明 富 Au 或富 Cl w H2O / w Cl 远小于 10 的岩浆提供了热液型铜 金矿床 形成的可能。 Bai 等[ 34]在 750 800 、 1 4 kPa 下测定了 H2O、 NaCl、 NaCl KCl、 HCl、 NaF、 Na2CO3或 Na2CO3 K2CO3含水流体与花岗质熔体间的 Na、 K、 Rb、 Sr、 Al、 Ge、 Cu、 W、 Mo、 La 和 Ce 的分配。分 配系数 DNa、 DK、 DRb和 DCuDi Civ/ Cim, Civ和 Cim 分别是元素 i 在含水流体和熔体中的丰度随流体 中 Na, K Cl 丰度呈线型增加, 表明有 Na, K, Rb 或 Cu Cl 络合物存在。DSr表明了与氯化物丰度的 方程关系, 提出了这些流体中存在一种 SrCl2络合 物。DK和 DRb在相当 Cl 丰度时大约是 DNa的一 半。相反, Al、 Ge、 Mo、 W、 La 和 Ce 强烈地倾向分 配于熔体。NaF 对这些元素的分配很少有影响, 但 对 Al、 W 和 Mo 例外, DAl随 NaF 含量增加而增加, DAl和 DGe在过碱性熔体中轻微增加。在实验中具 高的过碱性熔体除 Al、 Ge、 W 外, 所有元素的分配 系数远大于 1。随着 w Na K / w Al 增加到 03, 除 Cu 和 Mo, 分配系数变得小于 1。升压到 4 kPa, 除 DGe、 DM o显示有增加外, 其他元素没有明 显变化。 海底热液系统中, 成矿流体的性质及其对成矿 的贡献一直是火山作用有关块状硫化物矿床研究 中争论的主要问题。20 世纪 60 年代以来, 一些学 者对稳定同位素研究认为, 大气降水和海水在各种 热液系统中占主导地位后, 导致一些研究者推定矿 石金属是加热的海水/ 大气降水形成的流体通过岩 石中循环大规模淋滤出来而成[ 35]。但另一方面, 愈 来愈多的研究者认识到岩浆流体是普遍存在的, 只 是由于后来大量的海水/ 大气降水的叠加而被屏蔽 或遭清洗, 认为岩浆流体在成矿热液系统中可能占 很小比例, 但在成矿作用中占主导地位[ 3637]。近 20 年来, 现代海底热液喷出流体、 硫化物采样分析和 直接观察以及矿物的微量元素、 挥发分同位素和矿 物中火山玻璃、 圈闭岩浆/ 流体包裹体通过离子、 质 子、 激光 激光消 融 ICPMS 探 针显微分析 结 果 [ 38] , 大大推进了对海底热液成矿系统中岩浆流体 的起源、 演化以及在各种构造背景下对成矿热液系 统作用的深入认识。 一些学者通过对正在活动的产生黑烟囱的海 底热液系统的观察, 认为是类似于古代火山成因块 状硫化物矿床的形成 块状硫化 物的天然实 验 室[ 3, 39], 而各种构造背景火山岩岩浆包裹体的研究 结果, 直接提供了岩浆喷发前岩浆中挥发分的性 状、 金属的迁移以及去 脱 气作用的信息[ 18, 40]。自 20 世纪 60 年代中期现代海底发现含金属热卤水以 来, 已在太平洋、 大西洋、 印度洋和地中海海底已发 现约有 140 个热液矿化点 黑烟囱 , 其中现代块状 硫化物的主要成分特点, 是富 Pb 的块状硫化物与 覆盖于玄武岩质扩张脊的沉积和产在弧后盆地的 长英质火山岩密切联系, 而贫 Pb 的块状硫化物则 主要发现于匮乏沉积物的洋中脊环境中。可见, Pb 的来源十分可疑, 与壳源物质密切相关。岩浆的挥 20地球科学与环境学报 第 32 卷 发分由海底火山的去气作用而成的认识, 主要来源 于Bonin 弧后裂谷 超过 1 800 m 海平面之下 火山 角砾沉积的观察, 认为火山碎屑沉积是富水岩浆在 质量分数为 1 3 气泡时爆发沉积的结果[ 41], 因 此, 推论大量的岩浆挥发分可由海底火山喷发释放 出来。圈闭在火山气泡中的挥发分相主要以 CO2、 CH4、 H2O 和 N2等组成, 含有典型地幔源特点的 微量气体和稳定同位素 C、 D、 O , 这些特征提供了 洋底岩浆脱气的直接证据。 许多上升的岩浆具有饱和的流体相, 成矿金属 在整个火山岩中是微量的, 但却高富集于蒸气相的 岩浆流体中[ 18, 39]。大量挥发分和金属是岩浆上升 至浅部地壳时由岩浆脱气而成, 当岩浆流体从岩浆 分离时, 携带了岩浆中的金属, 适时而富集。而且 不同构造环境的岩浆流体成矿组分存在差异, 与俯 冲消减作用有关的汇聚型板块边界玄武岩中的熔 融包裹体明显富 H2O, 而离散型板块边界的岩浆作 用, 挥发分含量较低, 以 CO2为主。 4 热液循环机制及硫化物堆积成矿 机理 Bishcoff 等 [ 42] 依据现代大洋海底成矿观察和 实验室模拟, 提出双扩散对流 doublediffusive convection 模式来解释海底热液循环成矿的事实, 认为海底热液系统由两个垂向上分离的对流循环 圈组成, 下部为热卤水层, 加热并驱动上部冷的海 水体系循环。来自海水和岩浆的热卤水在卤水库 中发生气、 液分离, 使热卤水盐度升高, 上部海水层 是一个单循环圈, 在其底部海水通过扩散界面被热 卤水加热。热卤水层主要形成于下部的块状矿化, 向上排泄时也可形成不整合矿化, 上部海水层形成 上部不整合矿化。Jamesa 等 [ 43] 通过取自 Escanaba 海槽 Center Hill 地区裂隙水和沉积物样品中的 Li、 B 同位素指出, 影响裂隙水化学成分的因素有 热的海水与洋壳的相互作用、 热液流体与沉积物的 相互作用以及热液流体与海水或 和 裂隙水的反 应, 热液循环是海底热液活动和硫化物形成的关键 问题。Alt 等 [ 29] 对 ODP 资料研究提出, 上升的热 液流体与冷的海水混合导致过渡带和上部岩石在 混合带发生蚀变, 并在补给区海水沿裂隙和断裂进 入岩石从而形成硬石膏的沉淀。但依旧有许多问 题有待解决, 例如海底热液循环、 热液喷出后的沉 淀过程等认识仍存在不同看法[ 44]。 在古代块状硫化物矿床成因研究中, 硫化物的 沉淀堆积模式一直是最富争议的问题, 现代海底硫 化物成矿作用的直接观察与研究对这一问题的解 决提供了实际可能。现代海底热水流体活动中表 现出来的烟囱生长、 倒塌堆积和热水流体充填交代 反映了硫化物堆积的实际过程。硫化物的形成首 先是通过硫化物烟囱完成的, 最早发育的烟囱形成