李文淵
(中國地質調(diào)查局西安地質調(diào)查中心,陜西西安710054)
現(xiàn)代海底熱液成礦作用仍在持續(xù)發(fā)生,目前全球已發(fā)現(xiàn)海底熱液活動分布區(qū)達130多處[1-5],對它們的觀察研究極大地提高了對古代塊狀硫化物礦床的認識。由于中國大陸復雜的構造演化格局,在各時期重要造山帶中殘存了眾多海底物質和洋片,具有尋找古海底熱液礦床的地質條件,研究現(xiàn)代海底熱液成礦作用有助于理解古代塊狀硫化物礦床。同時,中國廣闊的海域,亟待加強現(xiàn)代海底成礦物質的研究。
依賴于深海鉆探計劃(DSDP)和大洋鉆探計劃(ODP)的全球海底地質調(diào)查[6],至少已發(fā)現(xiàn)了15個與陸上礦床相當?shù)膲K狀金屬硫化物礦床,這些礦床主要集中在大洋中脊(海底擴張中心)和弧后盆地擴張脊的離散板塊邊界以及島弧和火山板塊中心[3]。洋脊環(huán)境是已知目前世界海底熱水活動和金屬硫化物礦床形成最多和最重要的環(huán)境[7],并且成礦潛力與擴張脊擴張速率的大小有明顯關系。根據(jù)Rona等[3]對全球海底熱水成礦作用(Seafloorhydrothermal mineralization)的統(tǒng)計資料,146個熱水活動區(qū)有58處有硫化物礦床或礦化存在。其中,東太平洋洋脊、洋隆和轉換斷層附近26處,中大西洋洋脊裂谷、海嶺14處,紅海海淵2處,印度洋西南部洋脊1處,西太平洋弧后環(huán)境10處,西太平洋島弧環(huán)境4處以及南太平洋海山環(huán)境1處(圖1)??梢姶笱蠡蜓笈璀h(huán)境火山成因塊狀硫化物礦化地數(shù)量占絕對優(yōu)勢,這與地質歷史上保留下來的古火山成因塊狀硫化物的情形是不一樣的,后者由于大洋約1 Ma的周期俯沖消減,從而留存下來的主要是島弧和弧后環(huán)境的成礦遺跡[8]。但現(xiàn)代大洋或洋盆的熱水成礦活動,對認識古代火山成因塊狀硫化物礦床形成,提供了極好的可以直接觀察的天然實驗場所,同時它本身也是潛在的可利用礦產(chǎn)資源。
圖1 全球現(xiàn)代海底熱液成礦活動區(qū)(包括塊狀硫化物礦床)分布Fig.1 Distribution Map of Active Areas for Hydrothermal Mineralization at the Modern Seafloor in the Globe
就大洋/洋盆、島弧和弧后環(huán)境而言,與現(xiàn)代海底火山作用有關的熱水成礦作用,其硫化物的成礦特征和成礦過程并不似古代火山成因硫化物礦床的類型劃分和成因所認識的那樣清晰,不同環(huán)境的成礦特征與具體熱水成礦活動部位的特征有密切關系(表1),每種地質環(huán)境由于所處的發(fā)展歷史不同可能造就不同的成礦特征,難以用一種明確的成礦相和成礦方式來概括?,F(xiàn)代海底成礦作用提供了了解這種成礦變化的可能,例如大洋/洋盆的洋脊,屬洋脊裂谷環(huán)境,它可以是洋盆拉張初期(陸間裂谷)洋脊火山活動帶,現(xiàn)代紅海就是這種環(huán)境形成的實例,而且還存在擴張速率快慢的差異,紅海是慢速擴張的例子(半速率小于或等于2 cm/a),而西南太平洋的Woodlark盆地擴張軸則為中等—快速擴張的環(huán)境(半速率大于2 cm/a);洋盆進一步拉張,形成具一定規(guī)模的印度洋型和大規(guī)模的大西洋型大洋洋盆,主要表現(xiàn)為慢速擴張的特點,并分別在大洋中脊裂谷和兩翼、海嶺、平行洋脊裂谷軸正斷層和垂直軸的轉換斷層交匯處產(chǎn)生熱水活動區(qū)及其礦化;洋盆成熟期則形成現(xiàn)代太平洋大洋環(huán)境,具中等—快速擴張脊的特點(2.1~9.0 cm/a),除了表現(xiàn)出大洋中脊、側翼、海山、平行洋脊斷層和轉換斷層處差異的礦化特征外,大洋不同地域洋脊成礦的差異也是顯著的。
最給人啟發(fā)的是島弧和弧后盆地環(huán)境的成礦現(xiàn)象,島弧環(huán)境并不像古代火山成因塊狀硫化物礦床那樣是成礦最發(fā)育的地區(qū),僅在西太平洋小笠原島弧海山或破火山口內(nèi)見到微弱礦化,尚未發(fā)現(xiàn)有一定規(guī)模的礦床[10],倒是島弧裂解形成弧后盆地初期和成熟期的環(huán)境形成了比較重要的礦床和礦化現(xiàn)象?;『笈璧爻跗诃h(huán)境完全是以往所認識的島弧環(huán)境成礦的特點,例如沖繩(Okinawa)海槽、勞(Lau)海槽為過渡特征,馬里亞納(Mariana)海槽則已顯示為大洋的特征。其中,中大西洋脊裂谷東5 km(26°08′N、44°49′W)附近的熱水礦化,與中國甘肅省石居里Ⅷ號溝中奧陶世的古Cu-Zn型礦化特征非常相似,均屬于發(fā)育于平行洋脊軸向的正斷層和垂直軸向轉換斷層的交匯點位置的熱水噴口成礦。只是現(xiàn)代海底的熱液成礦因未受改造,成礦特征表現(xiàn)的更清晰罷了,而古代的礦體特征已是遭受成礦后改造綜合作用的產(chǎn)物。洋脊裂谷底部火山中心發(fā)育高溫硫化物丘,為塊狀Cu-Fe、Zn-Fe和Fe硫化物組成,在裂谷壁的下部斷層中發(fā)育殘留帶,也由塊狀Cu-Fe、Zn-Fe和Fe硫化物組成,并有層狀氧化錳結殼等產(chǎn)出,裂谷壁中等深度處則形成低溫帶,為間歇活動的綠、紅色似層狀土狀沉淀物組成。這些成礦特點有助于對甘肅省石居里Ⅷ號溝古代Cu-Zn型礦床原始成礦過程的認識。
表1 現(xiàn)代海底硫化物礦床和熱液成礦活動特征對比Tab.1 Comparison Between Massive Sulfide Accumulations and Activities of Hydrothermal Mineralization at the Modern Seafloor
全球現(xiàn)代海底硫化物礦床或礦化現(xiàn)象調(diào)查結果表明,現(xiàn)代海底熱液成礦作用與海底擴張作用密切相關,但硫化物成礦至少有以下3個方面的控制因素:①源自海水和巖漿流體[18-19]的成礦熱水流體;②高位巖漿房加熱成礦流體對流循環(huán)的巖漿熱源;③可使成礦流體(熱水)進行循環(huán)的斷裂裂隙系統(tǒng)。同時,成礦流體中成礦金屬組分和成礦后的保存環(huán)境亦很關鍵[1,20-22]?,F(xiàn)代海底硫化物礦床成礦作用觀察結果,使一些學者認識到海底成礦熱水流體與冷海水的混合作用、海底物質的滲透性、成礦熱液系統(tǒng)的穩(wěn)定性、海水的沸騰作用以及地質蓋層條件對硫化物礦床的重要性[6,23-24]。
海底煙囪生長過程中,煙囪通道內(nèi)的成礦熱水與海底冷海水有限混合,引起熱水對流和硫化物沉積。這種有限混合主要發(fā)生在丘狀堆積體內(nèi)部,其頂部通常發(fā)育滲透性差的蓋層或結殼(圖2,據(jù)文獻
[5]),防止大量海水的涌入對成礦熱液系統(tǒng)的稀釋而難于成礦。海底火山巖系的滲透性對成礦熱液流體從海底下部向海底表面的輸出狀況,能否形成有規(guī)模的礦床起著關鍵作用。在滲透性差的火山熔巖地區(qū),斷裂裂隙是重要的噴溢排泄位置,因此是否存在斷裂、熔巖角礫是影響火山巖地區(qū)滲透性的重要條件。長英質火山巖地區(qū),由于火山碎屑物質或高空隙火山巖系發(fā)育,熱水流體難以集中,故多形成脈狀—網(wǎng)脈狀礦化特征,而滲透性差的基性火山巖地區(qū),成礦熱水流體通常沿斷裂裂隙系統(tǒng)集中排泄,因此多在海底下部形成蝕變—礦化巖筒。由熱源和相應的含礦熱水構成的成礦熱液系統(tǒng)長期穩(wěn)定的作用是形成較大規(guī)模礦床的先決條件,已觀察到快速擴張的洋脊熱液活動明顯有沿軸向移動的特點,顯然不利于硫化物集中有規(guī)模的沉淀堆積,故亦難形成有規(guī)模的礦床。因此,要形成較大規(guī)模的礦床必須在同一地點熱液循環(huán)體系經(jīng)歷幾個連續(xù)的活動時期才有可能,大西洋TA G熱水活動區(qū)的現(xiàn)代海底硫化物礦床的形成至少熱水活動已經(jīng)歷了26 000年的歷史和5個以上的熱水活動期[7]。在淺水環(huán)境,由于熱水流體發(fā)生沸騰作用,使氣相和液相分離,導致液相變冷、鹽度增加和金屬元素富集(以NaCl進入液相),H2S虧損(進入氣相),在海底巖系中形成脈狀—網(wǎng)脈狀礦體和浸染狀礦體,在海底表面僅形成低溫金屬元素虧損的熱水沉積堆積;而在深水環(huán)境,熱水流體處于沸騰點之下,僅在海底形成金屬硫化物沉淀伴隨有限的網(wǎng)脈礦化。要使硫化物持續(xù)堆積必須要有合適的蓋層條件,以阻止熱水流體的大量排泄,促使熱水流體在蓋層下大量聚集,同時還可使硫化物堆積后起到保護作用,這些蓋層可以是煙囪碎屑和熱水沉積物,例如石膏、重晶石和非晶硅等,形成一種結殼層,有時也可以是火山凝灰層。
圖2 大西洋慢速擴張脊15°20′N構造帶新生洋殼Logatchev熱液流體活動破火山煙囪和形成的富銅、鋅丘堤Fig.2 Photographs of Cu-rich Smoking Crater and Zn-rich Mounds and Towers of Logatchev Hydrothermal Field, 15°20′N Fracture Zone of NewOceanic Crust at Slow Spreading Ridges on the MAR
當巖漿上侵或從海底呈火山噴出時,在其侵位、噴出過程中或稍后,巖漿流體通過脫氣而脫離巖漿體,與其他來源水匯合,在適宜部位形成與巖漿作用密切相關的對流循環(huán)熱液體系。這個對流循環(huán)熱液體系即構成重要的熱液成礦系統(tǒng),一直存在爭議的是成礦熱液系統(tǒng)中成礦物質的來源問題,并成為近年來礦床學研究的熱點問題之一[18]。歸納起來主要有兩種認識:一種認為含礦巖系及下伏基底物質的淋濾是成礦物質的供給源[25-26];另一種認識是來源于巖漿房揮發(fā)分直接釋放[18-19,27-28]。
一般認為,有沉積物覆蓋的洋中脊,熱液沉積物的形成除與深部巖漿活動有關外,沉積物也為海底熱液成礦提供了部分乃至主要物質來源。在無沉積物覆蓋的洋中脊,洋中脊玄武巖是海底沉積物形成的主要物質來源,而在弧后盆地環(huán)境,有關熱液沉積物來源問題一直存在爭議。相當多的研究者認為,易溶元素(Pb、Zn、Ag等)主要來自淋濾,而難溶元素(Cu、Sn、Bi、Mo等)主要來自巖漿。關于淋濾模式,有些研究者強調(diào)基底類型(洋殼或陸殼)及巖石組合(基性火山巖或中酸性火山巖)制約著金屬礦化的類型[29]。與洋殼基底即與玄武巖有關的礦床,成礦組分類型為Cu-Zn型或Cu型,含少量Pb和Ba,而與島弧鈣堿性火山巖系或長英質-玄武質雙峰式巖石組合有關的礦床,則主要為Zn-Pb-Cu(Cu-Pb-Zn)型或Zn-Cu(Cu-Zn)型,Fe含量降低,Pb和Ba含量明顯增加。Large[30]研究認為,無論Cu型、Cu-Zn型或是Zn-Pb-Cu型,均與酸性火山巖有關,而以玄武巖為主的火山巖缺乏重要的硫化物礦床。這一認識事實上否定了成礦環(huán)境對成礦元素組合的控制作用。但Sawkins[31]發(fā)現(xiàn),塊狀硫化物礦床金屬組分從富Cu(塞浦路斯型)到富Pb-Zn-(Cu)礦床(黑礦型)連續(xù)分布,是成礦巖漿中大離子元素逐漸富集的結果,其與礦床相伴的長英質侵入體巖石化學變化有關,而這種變化還是將與島弧和板塊消減作用有關的巖漿作用聯(lián)系了起來,說明了構造環(huán)境對成礦類型的實際控制作用。Ulrich等[32]認為,在成礦物質來源上斑巖型礦床是與火山成因塊狀硫化物礦床緊密相關的礦床,斑巖型銅-鉬-金礦床的成礦金屬物質來源及其演化的研究結果,可啟發(fā)對火山成因塊狀硫化物礦床成礦金屬物質來源的進一步認識。
與巖漿作用相關的熱液作用形成的金屬礦床中的金屬含量,是主要受控于巖漿和巖漿出溶流體相之間分離的金屬,還是源于固相上地殼地表派生流體分離的金屬存在爭議,但愈來愈多的證據(jù)表明主要來源于巖漿流體[18-19]。同樣存在疑問的是,這種礦床中金屬含量受制于來自含礦流體礦物沉淀的程度有多大。Ulrich等[32]根據(jù)格雷茲貝哥(Grasberg)(位于印度尼西亞伊安里島世界上最富的斑巖型銅金礦床)和阿魯姆貝亞(Bajo de la Alumbreera)(阿根廷另一富金銅礦床)的地質、同位素和實驗證據(jù),認為沉淀的石英和礦石礦物脈中含鹽的流體暗示了存在有意義的巖漿派生成分,通過激光-電感偶合等離子質譜儀(ICP-MS)發(fā)現(xiàn)石英中單個流體包裹體的金、銅富集。這一結果顯示初始高溫鹵水的 w(Au)/w(Cu)完全相同于2個世界上最大的銅-金礦體的整體 w(Au)/ w(Cu)表明巖漿熱液礦床總的金屬儲量主要受控于內(nèi)生流體。
Ulrich等[32]檢測了格雷茲貝哥(Grasberg)和阿魯姆貝亞(Bajo de la Alumbreera)最高溫、最富鹽鹵水的包裹體[33]。從流體包裹體測試來看,具有相似的58%~65%NaCl(相當?shù)?鹽度和550~650℃的均一溫度。格雷茲貝哥鹵水包裹體具有68%~76%NaCl(相當?shù)?鹽度和600℃以上的均一溫度。這清楚證明了金、銅和其他痕量、微量、主要元素(包括Na)起源于流體包裹體內(nèi)部。
表2給出了Au、Cu、Na和As在鹵水和蒸氣包裹體中的平均豐度以及相同包裹體群中其他元素的分析結果。格雷茲貝哥的數(shù)據(jù)顯示,鹵水包裹體的平均w(Au)/w(Cu)幾乎與整個礦床(質量分數(shù)1.1×10-4)的比率是相同的。相似地在阿魯姆貝亞一組有關富Cu鹵水包裹體疊置在整個礦床(質量分數(shù)1.2×10-4)的金屬比率上。格雷茲貝哥蒸氣包裹體與鹵水包裹體共生,具有可比較的w(Au)/w(Cu),但在質量分數(shù)上平均要高于這兩金屬的10倍。格雷茲貝哥樣品相關聯(lián)的(但不一定共生)蒸氣包裹體具有高的Cu含量,但未檢測到Au。不知道阿魯姆貝亞鹵水包裹體成分是否是由于Cu優(yōu)先分離到蒸氣相中,或部分加入到了Cu-Fe硫化物中??赡転辂u水與礦石金屬比率相配套,兩熱液體系進入流體的主金屬具有最相近的初始成分的結果。
表2 巖漿熱液礦床流體包裹體平均豐度Tab.2 Average Abundances of Fluid Inclusions in Magma Hydrothermal Deposit
初始成礦流體和整個礦床 w(Au)/w(Cu)的一致性是明顯的,這兩種金屬的各自豐度在普通地殼流體中通常認為是相互獨立的。與這種變化相同的是,從礦石品位的緊密相關不難得出Cu和Au肯定以相同流體遷移并幾乎等量共同沉淀為經(jīng)濟礦體量的結論。這顯著表明,進入巖漿鹵水的成分對最終礦床的整個金屬成分具有主要化學控制作用。
Cu、Au源的演化,根據(jù)整個礦石的平均質量分數(shù)(0.79×10-6的Au和0.76%的Cu)和總金屬儲量(460 t Au和3.7×106t Cu研究,要形成這樣的金屬聚集,至少需要5.8×108t的鹵水。鈣堿性金屬估算質量分數(shù)2×10-6或更少的Au,要提供這個礦床的Au總量至少需要2.3×1011t的巖漿。這比賦礦和緊依礦體下伏的斑巖的量要大的多,這需要100 km3或更多深位巖漿房存在,這與航磁證據(jù)和暴露的殘留大型層狀火山巖的認識是一致的。對于來自相同巖漿房源的 Cu將僅需提取15× 10-6,即1/4典型安第斯巖漿(60×10-6)的Cu量相比,耗用5.8×108t的鹵水,就需要2.3×1011t的巖漿。因此獲得了一個 1/400等于 0.2%的w(鹵水)/w(巖漿)。借助于實驗流體/熔體分離數(shù)據(jù),提出高富集Cl、Cu和Au的成礦鹵水可能存在第一次從巖漿溶解流體的分離,其含有4%的初始H2O。其巖漿就位,并在流體飽和情況下,約在現(xiàn)勘探水平礦床之下3 km開始結晶。高金屬荷載鹵水的不斷補給,說明富 Au或富 Cl(w(H2O)/ w(Cl)遠小于10)的巖漿提供了熱液型銅-金礦床形成的可能。
Bai等[34]在750~800℃、1~4 kPa下測定了H2O、NaCl、NaCl+KCl、HCl、NaF、Na2CO3或Na2CO3+K2CO3含水流體與花崗質熔體間的Na、K、Rb、Sr、Al、Ge、Cu、W、Mo、La和Ce的分配。分配系數(shù) DNa、DK、DRb和 DCu(Di=Civ/Cim,Civ和 Cim分別是元素i在含水流體和熔體中的豐度)隨流體中(Na,K)Cl豐度呈線型增加,表明有(Na,K,Rb或Cu)Cl絡合物存在。DSr表明了與氯化物豐度的方程關系,提出了這些流體中存在一種SrCl2絡合物。DK和 DRb在相當Cl豐度時大約是 DNa的一半。相反,Al、Ge、Mo、W、La和Ce強烈地傾向分配于熔體。NaF對這些元素的分配很少有影響,但對Al、W和Mo例外,DAl隨NaF含量增加而增加, DAl和DGe在過堿性熔體中輕微增加。在實驗中具高的過堿性熔體除Al、Ge、W外,所有元素的分配系數(shù)遠大于1。隨著 w(Na+K)/w(Al)增加到0.3,除Cu和Mo,分配系數(shù)變得小于1。升壓到4 kPa,除DGe、DMo顯示有增加外,其他元素沒有明顯變化。
海底熱液系統(tǒng)中,成礦流體的性質及其對成礦的貢獻一直是火山作用有關塊狀硫化物礦床研究中爭論的主要問題。20世紀60年代以來,一些學者對穩(wěn)定同位素研究認為,大氣降水和海水在各種熱液系統(tǒng)中占主導地位后,導致一些研究者推定礦石金屬是加熱的海水/大氣降水形成的流體通過巖石中循環(huán)大規(guī)模淋濾出來而成[35]。但另一方面,愈來愈多的研究者認識到巖漿流體是普遍存在的,只是由于后來大量的海水/大氣降水的疊加而被屏蔽或遭清洗,認為巖漿流體在成礦熱液系統(tǒng)中可能占很小比例,但在成礦作用中占主導地位[36-37]。近20年來,現(xiàn)代海底熱液噴出流體、硫化物采樣分析和直接觀察以及礦物的微量元素、揮發(fā)分同位素和礦物中火山玻璃、圈閉巖漿/流體包裹體通過離子、質子、激光(激光消融 ICP-MS)探針顯微分析結果[38],大大推進了對海底熱液成礦系統(tǒng)中巖漿流體的起源、演化以及在各種構造背景下對成礦熱液系統(tǒng)作用的深入認識。
一些學者通過對正在活動的產(chǎn)生黑煙囪的海底熱液系統(tǒng)的觀察,認為是類似于古代火山成因塊狀硫化物礦床的形成塊狀硫化物的天然實驗室[3,39],而各種構造背景火山巖巖漿包裹體的研究結果,直接提供了巖漿噴發(fā)前巖漿中揮發(fā)分的性狀、金屬的遷移以及去(脫)氣作用的信息[18,40]。自20世紀60年代中期現(xiàn)代海底發(fā)現(xiàn)含金屬熱鹵水以來,已在太平洋、大西洋、印度洋和地中海海底已發(fā)現(xiàn)約有140個熱液礦化點(黑煙囪),其中現(xiàn)代塊狀硫化物的主要成分特點,是富Pb的塊狀硫化物與覆蓋于玄武巖質擴張脊的沉積和產(chǎn)在弧后盆地的長英質火山巖密切聯(lián)系,而貧Pb的塊狀硫化物則主要發(fā)現(xiàn)于匱乏沉積物的洋中脊環(huán)境中??梢?Pb的來源十分可疑,與殼源物質密切相關。巖漿的揮發(fā)分由海底火山的去氣作用而成的認識,主要來源于Bonin弧后裂谷(超過1 800 m海平面之下)火山角礫沉積的觀察,認為火山碎屑沉積是富水巖漿在質量分數(shù)為1.3%氣泡時爆發(fā)沉積的結果[41],因此,推論大量的巖漿揮發(fā)分可由海底火山噴發(fā)釋放出來。圈閉在火山氣泡中的揮發(fā)分相主要以CO2、CH4、H2O和N2等組成,含有典型地幔源特點的微量氣體和穩(wěn)定同位素(C、D、O),這些特征提供了洋底巖漿脫氣的直接證據(jù)。
許多上升的巖漿具有飽和的流體相,成礦金屬在整個火山巖中是微量的,但卻高富集于蒸氣相的巖漿流體中[18,39]。大量揮發(fā)分和金屬是巖漿上升至淺部地殼時由巖漿脫氣而成,當巖漿流體從巖漿分離時,攜帶了巖漿中的金屬,適時而富集。而且不同構造環(huán)境的巖漿流體成礦組分存在差異,與俯沖消減作用有關的匯聚型板塊邊界玄武巖中的熔融包裹體明顯富H2O,而離散型板塊邊界的巖漿作用,揮發(fā)分含量較低,以CO2為主。
Bishcoff等[42]依據(jù)現(xiàn)代大洋海底成礦觀察和實驗室模擬,提出雙擴散對流(double-diffusive convection)模式來解釋海底熱液循環(huán)成礦的事實,認為海底熱液系統(tǒng)由兩個垂向上分離的對流循環(huán)圈組成,下部為熱鹵水層,加熱并驅動上部冷的海水體系循環(huán)。來自海水和巖漿的熱鹵水在鹵水庫中發(fā)生氣、液分離,使熱鹵水鹽度升高,上部海水層是一個單循環(huán)圈,在其底部海水通過擴散界面被熱鹵水加熱。熱鹵水層主要形成于下部的塊狀礦化,向上排泄時也可形成不整合礦化,上部海水層形成上部不整合礦化。Jamesa等[43]通過取自 Escanaba海槽 Center Hill地區(qū)裂隙水和沉積物樣品中的Li、B同位素指出,影響裂隙水化學成分的因素有熱的海水與洋殼的相互作用、熱液流體與沉積物的相互作用以及熱液流體與海水或(和)裂隙水的反應,熱液循環(huán)是海底熱液活動和硫化物形成的關鍵問題。Alt等[29]對ODP資料研究提出,上升的熱液流體與冷的海水混合導致過渡帶和上部巖石在混合帶發(fā)生蝕變,并在補給區(qū)海水沿裂隙和斷裂進入巖石從而形成硬石膏的沉淀。但依舊有許多問題有待解決,例如海底熱液循環(huán)、熱液噴出后的沉淀過程等認識仍存在不同看法[44]。
在古代塊狀硫化物礦床成因研究中,硫化物的沉淀堆積模式一直是最富爭議的問題,現(xiàn)代海底硫化物成礦作用的直接觀察與研究對這一問題的解決提供了實際可能?,F(xiàn)代海底熱水流體活動中表現(xiàn)出來的煙囪生長、倒塌堆積和熱水流體充填交代反映了硫化物堆積的實際過程。硫化物的形成首先是通過硫化物煙囪完成的,最早發(fā)育的煙囪形成于高滲透性火山巖系的頂部、熱水噴口及其附近,晚期的煙囪則發(fā)育于硫化物丘堤之上。硫化物煙囪的生長通常從硬石膏沉淀開始,以高溫礦物組合黃銅礦-黃鐵礦沉淀而終。由于煙囪內(nèi)外溫度梯度變化的差異,不同溫度成礦組合由煙囪壁向中心內(nèi)部生長,內(nèi)部帶以黃銅礦為主,外部帶以閃鋅礦、方鉛礦為主,邊緣以重晶石、非晶硅為主。當煙囪生長到一定高度后,便崩塌形成煙囪碎屑丘堤,結果阻止熱水流體聚集噴射,在煙囪堤內(nèi)形成對流循環(huán),并在丘堤上形成彌散式熱水排泄點,表現(xiàn)為黑煙囪、白煙囪等,熱水散落物質逐漸在丘堤表面膠結煙囪碎屑形成低滲透殼,抑制熱水流體外流,使丘堤內(nèi)充分進行循環(huán),形成完整的不同溫度的礦物組合,表現(xiàn)為底部浸染狀、網(wǎng)脈狀礦化與上覆塊狀硫化物相伴或疊生以及網(wǎng)脈狀礦之上塊狀礦的特點[1-2]。因此,海底硫化物沉淀作用應是煙囪-丘堤共同作用的結果,塊狀硫化物礦體是硫化物在丘堤內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定環(huán)境充填與交代的產(chǎn)物??傮w上,熱液硫化物堆積體上部以煙囪體為主,下部以塊狀硫化物為主,深部以網(wǎng)脈狀硫化物為主,是一種疊碗狀結構[4-5],基本揭示了海底熱液活動中成礦發(fā)生發(fā)育的全部過程。
成礦熱液系統(tǒng)的成礦過程與溫度關系密切, Hannington等[45]研究認為與溫度相關的熱液密度對硫化物沉淀有著關鍵性作用。當熱液密度低于海水密度時,熱液呈散流與海水快速混合而驟然降溫,礦化散布于海水中發(fā)生氧化作用,難以形成大規(guī)模礦化富集;而熱液密度大于海水時,熱液則易形成熱鹵水,在噴口之上沉積,溫度逐漸降低,形成與海水相對隔離的環(huán)境,故可能造成大規(guī)模礦床的堆積。Ohmoto[2]依據(jù)日本黑礦的研究提出的熱液礦化模式認為,成礦熱液系統(tǒng)開始排泄的是低溫熱液(<15℃),形成赤鐵礦,隨之熱液溫度逐步上升,最高可達400℃。溫度在180~280℃時,沉積含硬石膏、重晶石、閃鋅礦、方鉛礦和黝銅礦等細小顆粒的黑色原生礦石;當溫度達到280~380℃時更熱的熱液與黑色原生礦石發(fā)生反應,細小顆粒的原生礦石重結晶成大顆粒的礦物,并在底部被黃銅礦交代,而黃銅礦又被黃鐵礦交代。這一成因認識強調(diào)了熱液是深部(1~3 km)巖漿侵入引起熱穹窿之上循環(huán)回流而成的觀點,解釋了現(xiàn)代大洋海底并非到處成礦的事實,火山穹窿或洋脊高隆的地方易形成礦化。
現(xiàn)代海底熱液成礦作用是當代成礦研究的熱點問題,隨著探測技術的進步,人們對礦產(chǎn)資源的探索已經(jīng)從大陸開始逐步轉向廣闊的海洋。筆者從現(xiàn)代海底熱液成礦觀察結果、控制成礦的關鍵因素、熱液循環(huán)機制及硫化物堆積成礦機理3個方面對海底熱液成礦作用進行了綜述,特別報道了海底重要成礦現(xiàn)象的觀察結果,對其成礦物質來源與成礦機理的最新認識進行了介紹和評述?,F(xiàn)代海底熱液成礦作用的觀察結果與形成認識,無疑對重新審視古代塊狀硫化物礦床形成的理解有重要幫助,同時也將有助于促進中國廣闊海域海底礦產(chǎn)資源的調(diào)查和研究工作。
本文是筆者承擔地質大調(diào)查項目“塊狀硫化物礦床成礦作用及研究熱點”研究3篇論文中的第三篇論文。第一篇“塊狀硫化物礦床的類型、分布和形成環(huán)境”已在本刊2007年第4期刊出,第二篇“以蛇綠巖為容巖的塊狀硫化物礦床形成分布及勘查:以石居里溝礦床為例”已在《地質學報》(英文版)2010年第1期刊出。
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