沉積巖型鉛鋅礦床的成因機制及其硫源類型＊

楊慶坤,郭福生,姜勇彪

(東華理工大學, 江西撫州市 344000)

沉積巖型鉛鋅礦床的成因機制及其硫源類型＊

楊慶坤,郭福生,姜勇彪

(東華理工大學, 江西撫州市 344000)

通過對世界上儲量較大的沉積巖型鉛鋅礦床資料的收集和整理,總結出每種沉積巖型鉛鋅礦床的容礦巖層、沉積構造特征及其成因機制,同時將成礦硫源分為 3類:地層鹵水、火山鹵水、海水。通過對比不同類型礦床及其硫源,可以知道:(1)同生滑動柔皺、破碎構造以及紋層狀構造為 SEDEX型鉛鋅礦床的典型特征;(2)若 SEDEX型鉛鋅礦床的成礦流體來自火山鹵水,往往還會具有隱晶質結構和噴流管道等特征;(3)碳酸鹽巖和碎屑巖的容礦巖系分別為MVT和 SST型鉛鋅礦床的典型代表;(4)成礦流體在各種沉積巖型鉛鋅礦床成礦過程中的演化規(guī)律。

沉積型鉛鋅礦;硫源;地層鹵水;火山鹵水

沉積巖型鉛鋅礦床是指成礦容巖為碳酸鹽巖或硅質碎屑巖,一般與巖漿活動無關,成礦空間為相對封閉的、還原環(huán)境為主的一類鉛鋅礦床,是世界上鉛鋅資源的主要來源。產(chǎn)于碳酸鹽巖系地層中的鉛鋅礦床較多,產(chǎn)于砂巖中的鉛鋅礦床較少。

1 沉積巖型鉛鋅礦床類型

1.1 沉積巖容礦的噴流沉積型礦床(SEDEX)

該類礦床的發(fā)現(xiàn)和研究是 20世紀地質學界的一個熱點,沉積巖容礦的噴硫礦床是一種在泥頁巖狀沉積巖中的致密塊狀及半致密塊狀鉛 -鋅硫化物礦床。從成分上看,它們是富鉛、鋅、銀而貧銅的層狀和層控礦床[1]。

1.1.1 沉積構造特征

(1)紋層狀構造,紋層寬度為零點幾毫米到數(shù)厘米,例如在冀東地區(qū)黑色頁巖內閃鋅礦紋層寬度多數(shù)為 0.1～0.3 mm,部分為 1.2～2 mm。

(2)同生滑動柔皺、破碎構造,這是在裂陷槽盆斜坡帶上形成的獨特滑動構造系列 (孟祥化,1979;翟裕生,1994)。如果成礦溶液為火山鹵水,往往具有以下兩類特征:一是隱晶質結構;二是噴流管道,例如白云巖中發(fā)育的石英晶體,代表了熱液通過的特征。

1.1.2 礦床成因機制

SEDEX礦床產(chǎn)于擴張盆地,形成于熱沉降的裂谷晚期,是沉積盆地的局部凹陷內靜水熱水還原環(huán)境的特定物質表現(xiàn)[2,3]。該類礦床還具有明顯的層控性,礦床均賦存在一定的地層層位內。這類礦床的成礦構造環(huán)境是沉降、張裂和裂谷環(huán)境。礦床產(chǎn)于受裂谷控制的克拉通內或其邊緣坳陷沉積盆地內(見圖1)。

圖1 噴流沉積型礦床控礦模式(據(jù) Em sbo等)

礦體初步定位后,由于熱鹵水噴溢作用,深部含礦熱鹵水繼續(xù)沿裂隙上涌,疊加了環(huán)狀結構,斑塊狀、網(wǎng)脈狀構造,在層狀礦體的基礎上形成一種非層狀礦體,這種非層狀礦體的流體與層狀礦體有一定的繼承性。

1.2 碳酸鹽巖容礦的后生礦床(M VT)

早在 1939年,在美國密西西比河谷地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一系列低溫盆地熱鹵水成因的后生熱液硫化物礦床,且近 400個礦床 (點)具相同的地質地球化學特征,故命名為密西西比河谷型。

1.2.1 沉積構造特征

根據(jù) Sverjeasky,Leach以及候增謙等人對MVT型礦床領域的研究,本文總結出這類礦床主要有以下 5種沉積構造特征:

(1)硫化物侵位于早先存在的孔隙內;

(2)除肯塔基 -伊利諾斯鉛鋅礦外,其成因與巖漿活動無關;

(3)屬于淺成后生成礦,埋藏深度一般在 600～1500 m范圍內;大多是在 50～250℃條件下從稠密的盆地鹵水中沉淀形成的;

(4)礦床產(chǎn)在沉積盆地中,往往是在盆地的邊緣或其附近,礦床不產(chǎn)于基底巖石中,但空間上往往在盆地之間的隆起處也有分布;

(5)礦床常常賦存于輕度變形區(qū)域,顯示出脆性破裂、平緩的穹窿或盆地以及平緩的褶皺等特點。

1.2.2 礦床成因機制

越來越多的研究表明,世界上多數(shù)MVT鉛鋅礦床都是由大規(guī)模成礦流體在相鄰造山帶重力驅動下,流經(jīng)前陸盆地時發(fā)生金屬硫化物沉淀形成的(Garven,1985;Ge et al.,1992;Appold et a1.,1999)。因此目前一般認為重力梯度驅動下的流體流動是形成MVT鉛鋅礦的主要機制[4](見圖2)。

圖2 前陸盆地重力或地形引起的流動(據(jù) G.Garven)

1.3 砂巖容礦的沉積型礦床(SST)

我國砂巖容礦的沉積型鉛鋅礦床儲量居世界之首。

1.3.1 沉積構造特征

通過對已知世界砂巖型鉛鋅礦床資料的收集以及對前人的總結,可將這類礦床的沉積構造環(huán)境分為以下幾點:

(1)礦床受一種或多種層位控制,形成時代主要集中于中生代和新生代早期,古生代也有富集;

(2)礦床具有同生或后生兩種成礦模式;

(3)容礦主巖石是一套細 -粗碎屑巖系,主要為砂巖,次為礫巖,常與蒸發(fā)巖伴生;基底巖石多為變質巖、花崗巖及碎屑巖,常經(jīng)過長時間強烈風化;

(4)礦石礦物主要有方鉛礦、閃鋅礦、白鐵礦、黃鐵礦、重晶石和石膏等;

(5)礦床常沿構造帶呈帶狀分布或順沉積巖各層理產(chǎn)出;

(6)礦區(qū)內一般無巖漿活動,或與巖漿活動無直接關系。無圍巖蝕變或較弱;

(7)礦物成分簡單,金屬組分復雜,鉛鋅含量變化較大;

(8)海相礦床常產(chǎn)于海侵初期的底部砂巖和礫巖中,向上沉積物變細;陸相礦床常產(chǎn)于內陸湖泊、盆地的邊緣,湖盆深處往往并不成礦;

(9)海相砂巖多見石英砂巖,成熟度較高。陸相砂巖多見長石石英巖,表明搬運距離不遠。

1.3.2 礦床成因機制

礦床的形成機制主要有兩種——盆地熱鹵水模式和基巖風化模式。

(1)盆地熱鹵水模式 (Sangster,1984)。盆地內沉積物脫水,這種水含有很高的鹽度和含氯絡合物的金屬;含金屬的鹵水通過滲透性良好的砂巖向上、向外運移到盆地邊緣;隨溫度壓力的降低或遇到含硫的地下水與之結合沉淀。

(2)基巖風化模式?；鶐r經(jīng)風化分解釋放出鉛鋅等成礦元素,而后鉛鋅等元素在表生作用下富集;陸相鉛鋅等成礦含鉛鋅風化物以碎屑、懸浮體的形式快速搬運,并在河流相及湖相沉積物中沉積,形成含鉛鋅沉積層,在一定的條件下與還原性硫結合成礦;海相鉛鋅等成礦含鉛鋅風化物受海侵作用的影響,在海侵初期沉積在底部砂礫巖中,同還原型硫結合成礦 (見圖3)。

圖3 金頂砂巖型礦床剖面(據(jù)趙興元)

2 成礦硫源

鉛鋅等金屬元素主要是以各種絡合物的形式遷移,形成工業(yè)硫化物礦床除必須有容礦巖石和構造控制的通道外,還必須在成礦地點有大量還原型硫,因此還原型硫的形成方式的不同,也導致鉛鋅礦床不同的成礦環(huán)境。一般情況沉積型鉛鋅硫化礦的硫源主要來自地層鹵水、火山鹵水和海水 3種。

2.1 地層鹵水

根據(jù)地層鹵水中硫的來源可分為原生鹵水和次生鹵水兩類。

原生鹵水是指來自含鹽建造蒸發(fā)環(huán)境或在沉積物埋藏成巖過程中滲濾作用形成的鹵水?？煞譃橐韵聨追N形式 (崔銀亮,1994):

(1)封存古海水。原沉積海底的凹陷部位,海水排不出去,經(jīng)上部成巖作用壓實后,被沉積物覆蓋并與其它水體相隔絕而埋藏保留下來的古海水。

(2)深循環(huán)地層水。地層水含鹽度的變化隨埋藏深度的增加而增加 (可稱為密度梯度)。在深部循環(huán)過程中,由于鹽篩作用使地層水中含鹽度增高而變成的鹵水。

(3)蒸發(fā)的成鹽鹵水。蒸發(fā)鹽湖的成鹽鹵水大部分為氯化物鹵水,的含量一般較高。

(4)蒸發(fā)巖壓實固結過程中排出的孔間鹵水。

(5)石油鹵水也稱油田水,往往富含一定量的還原型硫。

次生鹵水指的是地表水或地下水淋濾地下各類已固結巖石 (包括蓋層與基底巖石)形成的鹵水[18～20]。含硫的次生鹵水一般為溶解蒸發(fā)鹽巖(如鹽巖、石膏、重晶石、螢石等)鹽分后生成的鹵水,含有一定量的。例如,膏巖被溶解后,經(jīng)還原作用轉變?yōu)槌傻V溶液中的 S2-。

成礦溶液來源于地層鹵水的礦床,通常δ34S值變化較大。密西西比河谷型礦床的成礦溶液為典型的盆地熱鹵水,其鉛鋅礦δ34S值為 +5‰～+25‰。

2.2 火山鹵水

來自高溫火山鹵水的硫,其同位素組成變化范圍不大,均一化程度高,離差小,δ34S值為零值附近的值,與隕石硫相接近,具塔式分布特征[5]。但在噴溢過程中往往受到分異作用、地殼硫的污染以及揮發(fā)組分變化的影響,δ34S值變化范圍較大。

2.3 海水

在海水和洋水中,硫以溶解硫酸鹽的形式存在。在某一個時期內,全球氣候相對穩(wěn)定,硫酸鹽的濃度也是恒定的。但是在不同的歷史時期,全球氣候往往是不同的,因此不同時期的硫酸鹽的濃度不同,δ34S值也有所不同。寒武紀海水硫酸鹽的δ34S值為27‰～32‰,第三系海水硫酸鹽的特點是δ34S值處于 +20‰附近,來自海水的現(xiàn)代蒸發(fā)巖硫酸鹽的δ34S值同樣處于 +20‰附近。

3 沉積巖型鉛鋅礦床及其硫源特征對比

綜上所述,從礦床產(chǎn)出的容礦巖系、構造背景以及硫源等方面,可以看出沉積巖型鉛鋅礦成礦體系中各類礦床有著一定的差異性和相同性,對比分析各種沉積巖型鉛鋅礦床沉積構造特征及其硫源 (見表1),可以總結成礦規(guī)律,便于指導這類礦床的找礦工作。

表1 沉積巖型鉛鋅礦床沉積構造特征和硫源分類

縱觀各個歷史時期,便會發(fā)現(xiàn)每個歷史階段都會相對富集同一類型的礦床。例如,中新生代以砂巖型鉛鋅礦床為主,古生代主要集中產(chǎn)出密西西比河谷型鉛鋅礦床,而元古代又以富集沉積巖容礦的噴流型鉛鋅礦床最盛。因此,在判定某些鉛鋅礦床的成因模式和其硫源時,不能僅僅通過其個別的特征就對其進行定義,而應該做出更為系統(tǒng)的研究。

[1] 戴自希.世界鉛鋅資源的分布、類型和勘查準則[J].世界有色金屬,2005,(3):15～24.

[2]Bjorlykke A,SanysterD F.An overview of sandstone lead deposits and their relation to red-bed copper and carbohate hosted leadzinc depoeits[J].Eco Geol,1981,76:179～213.

[3] Garven G Ge S,Person M A.Genesis of strata bound ore deposits in them idcontinental basins of North America.The role of regional ground-water flow[J].American Journal of Science,1993,293.

[4] SeanA Guiary,et al.Factors governing subaqueous siliceous sinter precipitation in hot spririgs:examples from Yellowstone National Park,USA[J].Sedimentology,2002,49(6):1253～1267.

[5] Kathleen A Campbell,Rodgers KA,Brotheridge Jane M A,et al.An unusualmodern silica-carbornate sinter from Pavlova spring,Ngatamariki,New Zealand[J].Sedimentology,2002,49(4):835～854.

國家自然科學基金項目(U0933605).

(文中部分參考文獻作者省略,如有問題請讀者直接與作者聯(lián)系,謝謝)

2010-04-29)

楊慶坤 (1984-),男,黑龍江鶴崗人,碩士研究生,研究方向:沉積盆地的演化,Email:197267245@qq.com。