黃健瀚, 陳華勇, 韓金生, 陸萬儉, 張維峰,4

(1. 中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 礦物與成礦學(xué)重點實驗室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3. 廣東省 礦物物理與材料研究開發(fā)重點實驗室, 廣東 廣州 510640; 4. 中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心, 湖北 武漢430205)

0 引 言

VMS礦床即火山成因塊狀硫化物礦床(volcanogenic massive sulfide deposits), 是 Zn、Cu、Pb、Ag、Au等金屬資源的重要來源, 同時也是研究最為深入的礦床類型之一[1–3], 現(xiàn)代海底熱液系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)和研究則進一步豐富和發(fā)展了 VMS的成礦理論[4–10]。VMS礦床與伸展構(gòu)造背景密切相關(guān), 主要產(chǎn)出于大洋中脊、洋內(nèi)弧后、陸緣弧后和大陸裂谷等[3,11]。礦體由上部與地層整合的塊狀礦體和下部不整合的網(wǎng)脈狀礦體(礦化帶)組成[2]; 下盤圍巖蝕變發(fā)育, 包括不整合的筒狀蝕變和半整合蝕變帶, 前者很可能為含礦金屬流體在海底釋放的通道, 后者則可能由熱液流體對流循環(huán)的水巖作用形成[12–13]。VMS礦床形成時代廣泛, 從太古宙到現(xiàn)代均有分布[2,14]; 在全球分布主要包括加拿大Noranda和Bathurst、澳大利亞Tasmania、西班牙-葡萄牙 IPB、俄羅斯烏拉爾、日本黑礦等[2], 現(xiàn)代海底VMS礦床則主要分布于東太平洋隆起(East Pacific Rise)、Lau盆地、Manus盆地、沖繩海槽等[5]。中國的VMS礦床主要分布于西南三江、北祁連和阿爾泰地區(qū); 其中在中亞造山帶的新疆北部發(fā)育一系列古生代 VMS礦床[15], 包括阿爾泰地區(qū)的阿舍勒、可可塔勒和東天山的小熱泉子及紅海等礦床。

卡拉塔格地區(qū)位于東天山大南湖-頭蘇泉島弧帶中, 自從1999年首次發(fā)現(xiàn)地表高硫型礦化蝕變以來[16], 在該區(qū)的勘查工作中已發(fā)現(xiàn)了紅山淺成低溫?zé)嵋恒~金礦床、紅石-梅嶺脈狀銅礦床、紅海 VMS銅鋅礦床及玉帶斑巖銅礦床[17]。前人主要對紅山、梅嶺、紅石礦床開展了成礦地質(zhì)背景、礦床地質(zhì)特征、同位素組成、成礦時代和礦床成因等方面的研究工作[15–26], 并取得了重要的進展和認識, 促進了卡拉塔格地區(qū)的找礦工作及礦床學(xué)研究。

然而, 紅海VMS礦床由于發(fā)現(xiàn)時間較短, 研究程度相對較低, 目前研究工作主要針對礦床的同位素地球化學(xué)和年代學(xué)[15,17,27], 對于礦床成礦期次、圍巖蝕變分帶的精細礦床解剖工作不夠深入, 一定程度上阻礙了勘查工作和進一步的礦床成因研究。因此, 本文在綜合前人研究的基礎(chǔ)上, 基于野外觀察、鉆孔編錄及系統(tǒng)的巖相學(xué)、礦相學(xué)工作, 根據(jù)礦物的交代次序、脈體穿插關(guān)系、礦物共生組合類型等,對紅海礦床蝕變分帶及礦化特征進行較為詳細的基礎(chǔ)地質(zhì)工作, 為找礦勘查和礦床學(xué)研究提供基礎(chǔ)資料。同時, 本文還將紅海礦床礦化蝕變特征與典型VMS礦床進行對比, 探討紅海礦床與典型 VMS礦床的異同。

1 地質(zhì)背景

圖1 中亞造山帶構(gòu)造簡圖(a, 據(jù)文獻[36]修改)、新疆北部構(gòu)造綱要圖(b, 據(jù)文獻[37]修改)和東天山地質(zhì)和礦產(chǎn)分布圖(c, 據(jù)文獻[18,24])Fig.1 Simplified tectonic map of the Central Asia Orogenic Belt (a, modified after [46]), sketch map showing the tectonic units of North Xinjiang(b, modified after [37]) and geological map of East Tianshan and the distribution of ore deposits (Modified after [18,24])

中亞造山帶是全球最大的顯生宙增生造山帶和大陸成礦域, 在其大陸地殼增生和改造過程中, 伴隨多期次、多類型的成礦作用, 形成了Cu、Au、Ni等多類型成礦系統(tǒng)[28–35]。東天山地區(qū)位于中亞造山帶南緣的新疆北部地區(qū), 其北側(cè)為準噶爾板塊, 南側(cè)為塔里木板塊(圖1a和1b)。東天山由近東西向的康古爾斷裂、雅滿蘇斷裂和阿其克庫都克斷裂自北向南劃分為大南湖-頭蘇泉島弧帶、康古爾剪切帶、阿齊山-雅滿蘇島弧帶和中天山地塊[24,31,38](圖 1c)。紅海 VMS銅鋅礦床位于吐哈盆地南緣的卡拉塔格古生代構(gòu)造“天窗”中[16], 構(gòu)造單元劃分屬于大南湖-頭蘇泉島弧帶。大南湖-頭蘇泉島弧帶內(nèi)發(fā)育一套奧陶系-二疊系火山巖-火山碎屑巖地層, 以島弧拉斑系列和島弧鈣堿性系列為主[23,31,39]。大南湖-頭蘇泉島弧帶內(nèi)巖漿活動強烈, 侵入體形成時代以古生代為主, 巖性包括花崗巖類以及閃長巖等[40–45]。該島弧帶內(nèi)產(chǎn)出的主要礦產(chǎn)包括著名的土屋-延?xùn)|斑巖銅礦帶、小熱泉子VMS銅鋅礦床和卡拉塔格銅金成礦帶等[17,46,47]。

卡拉塔格地區(qū)處于大南湖島弧帶北部, 廣泛出露古生代地層, 總體為一背斜, 其核部為奧陶系大柳溝組, 向外依次發(fā)育志留系紅柳峽組、泥盆系大南湖組、石炭系臍山組、二疊系阿爾巴薩依組(圖2)。大柳溝組自下而上可劃分為三套火山-沉積巖建造:第一套為基性火山-火山碎屑巖建造, 巖性為鈉質(zhì)玄武巖、玄武安山巖; 第二套為中性火山-火山碎屑巖建造, 主要由凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖、角礫凝灰?guī)r和沉凝灰?guī)r構(gòu)成, 發(fā)育強烈的黃鐵絹英巖化, 頂部發(fā)育紅海塊狀硫化物礦床; 第三套為中酸性火山巖-火山碎屑巖建造, 主要為英安質(zhì)火山巖-火山碎屑巖,夾少量安山質(zhì)熔巖和火山碎屑巖[15,17]。

圖2 卡拉塔格地區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)圖(據(jù)文獻[17])Fig.2 Geological map of the Kalatag district (Modified after [17])

卡拉塔格地區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造作用, 構(gòu)造變形與區(qū)域構(gòu)造特征一致, 褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育[15]。褶皺構(gòu)造是一個近EW向的背斜。斷裂構(gòu)造可分為NW向、NNW向和NEE向三組。NW向斷裂活動時間長, 延伸數(shù)百千米, 早期為張性特征, 晚期轉(zhuǎn)為壓性, 控制了卡拉塔格的火山作用和成礦作用; NNW向斷裂只發(fā)育在火山巖地層中, 延伸幾千米至十幾千米; NEE向斷裂為左行走滑斷裂, 錯斷了NNW向斷裂以及晚期花崗巖類[18]。

卡拉塔格地區(qū)侵入巖發(fā)育, 形成時代主要為古生代, 巖性包括花崗巖、斜長花崗巖、二長花崗巖、花崗閃長巖、閃長巖、輝長巖和輝綠巖等。其中卡拉塔格復(fù)式巖體出露面積約74 km2[20], 由石英閃長巖相、二長花崗巖相和花崗斑巖相組成, 其鋯石U-Pb年齡為 429～426 Ma, 指示復(fù)式巖體近乎同時侵位, 均為早古生代晚期[18]。

2 礦床地質(zhì)特征

紅海 VMS銅鋅礦床位于卡拉塔格成礦帶東段,北西向與紅石脈狀銅礦床相接(圖2)。礦床賦存于奧陶系大柳溝組海相長英質(zhì)火山巖-火山碎屑巖中, 巖性包括英安質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖和沉凝灰?guī)r等[15](圖3)。塊狀硫化物礦體具有明顯的層控特征,主要產(chǎn)于第二套中性火山-沉積巖頂部, 塊狀礦體下盤發(fā)育強烈的黃鐵絹英巖化和綠泥石化; 塊狀礦體上覆為第三套中酸性火山-碎屑巖建造, 發(fā)育綠泥石化、綠簾石化、鈉長石化和硅化等。礦床由上部整合的似層狀塊狀硫化物礦體和下部不整合的脈狀-網(wǎng)脈狀礦體組成。礦床儲量Cu為27萬t, Zn為27萬t, Au為7.1 t, Ag為281 t, 礦石品位分別為1.49%、3.51%、0.6 g/t和26 g/t[17]。塊狀礦體總體呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出, 長達1100 m, 寬為53 m, 傾向NE, 產(chǎn)狀為傾向 40°～50°, 傾角 20°～50°。塊狀礦體外圍和頂部圍巖中, 常夾有大小不等的塊狀硫化物、硅質(zhì)巖、沉凝灰?guī)r、英安巖構(gòu)成的角礫狀礦石[15]。礦體最外圍發(fā)育層狀、條帶狀的硅質(zhì)巖, 其中發(fā)育少量的浸染狀、細脈狀黃鐵礦±黃銅礦。脈狀礦體產(chǎn)于塊狀礦體下盤的蝕變巖筒中, 包括脈狀礦化和浸染狀礦化,發(fā)育強烈的黃鐵絹英巖化、綠泥石化。金屬礦物主要為黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦以及少量砷黝銅礦、方鉛礦、磁黃鐵礦、磁鐵礦等, 脈石礦物為石英、絹云母、綠泥石和少量重晶石、白云母和方解石等。

3 圍巖蝕變類型及分帶

圖3 紅海銅鋅礦床礦區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)文獻[15]修改)Fig.3 Geological map of the Honghai VMS deposit (Modified after [15])

在詳細的野外工作過程中, 共對紅海礦床21個鉆孔(累計 11000多米)進行編錄(鉆孔位置見圖 3),并系統(tǒng)采集蝕變、礦化樣品共 520余件, 采樣間距一般為20 m, 巖性、蝕變或礦化變化處加密至幾米的間距; 除鉆孔外, 還對 5條主要坑道穿脈進行編錄、采樣; 室內(nèi)工作中共對 250多個樣品進行光薄片顯微鏡下觀察。下文主要以這些第一手的基礎(chǔ)資料為依據(jù), 對圍巖蝕變類型、蝕變分帶、礦化類型及成礦期次進行描述、劃分等。

3.1 主要蝕變類型

紅海VMS銅鋅礦床發(fā)育廣泛的蝕變作用, 主要蝕變類型包括黃鐵絹英巖化、綠泥石化、綠簾石化、硅化、鈉長石化、重晶石化和碳酸鹽化等。

3.1.1 黃鐵絹英巖化

黃鐵絹英巖化是紅海礦床重要的蝕變, 與礦化關(guān)系密切, 主要發(fā)育在塊狀硫化物礦體下盤 100 m范圍, 局部可延伸到上盤20 m范圍內(nèi), 蝕變發(fā)育連續(xù)。黃鐵絹英巖化主要由石英、絹云母和黃鐵礦組成, 局部含少量黃銅礦、閃鋅礦等。黃鐵絹英巖化以石英為主, 占60%以上, 顆粒大多在100 μm左右,絹云母、黃鐵礦充填于石英集合體或者顆粒之間(圖4a)。黃鐵礦含量多在 5%～10%之間, 局部黃鐵礦等硫化物發(fā)育較少, 過渡為絹英巖化。黃鐵絹英巖化在礦體下盤強烈發(fā)育, 原巖礦物幾乎全部被交代,但可見原巖的紋層狀、角礫狀、斑狀等結(jié)構(gòu)。發(fā)生黃鐵絹英巖化的巖石, 普遍產(chǎn)生褪色現(xiàn)象, 外觀多呈現(xiàn)白色、灰白色, 但細粒凝灰?guī)r原巖發(fā)生黃鐵絹英巖化后褪色不明顯, 多為灰色-深灰色。

3.1.2 綠泥石化

綠泥石化是紅海礦床發(fā)育最為廣泛的蝕變。根據(jù)綠泥石的礦物組合關(guān)系、空間分布情況, 可將其分為兩個世代: 早期綠泥石化(Chl1)和晚期綠泥石化(Chl2)。Chl1主要分布在塊狀礦體下盤的蝕變巖筒內(nèi), 少數(shù)分布在塊狀礦體上盤15 m左右范圍以內(nèi),緊鄰塊狀礦體的部分多以綠泥石化凝灰?guī)r的形式產(chǎn)出, 少數(shù)Chl1疊加于黃鐵絹英巖化上。該世代綠泥石與塊狀硫化物礦化關(guān)系密切, 礦物組合為綠泥石-黃鐵礦±絹云母±石英±黃銅礦。在手標本中Chl1呈灰綠到墨綠色, 在鏡下一般則為淺綠色, 幾乎不見多色性, 干涉色較低, 多為 I級灰白, 局部帶灰色(圖 4b)。

Chl2的形成明顯晚于 VMS礦化, 發(fā)育在塊狀礦體上盤的第三套中酸性火山巖中, 呈斑點狀、彌散狀、似流紋狀, 礦物組合為綠泥石-鈉長石-綠簾石-絹云母-方解石。該世代綠泥石主要交代暗色礦物、斜長石、火山巖基質(zhì)等, 常見綠泥石板狀、柱狀的假晶(圖 4c), 以及與綠簾石一起沿斜長石解理交代斜長石。Chl2在手標本中多為墨綠色, 鏡下顏色比Chl1深, 可見多色性, 干涉色可見“墨水藍”異常干涉色(圖4c), 其礦物光學(xué)特征與Chl1存在明顯差別。

圖4 紅海礦床主要蝕變類型顯微照片F(xiàn)ig.4 Representative photomicrographs of the main alteration types from the Honghai dep osit

3.1.3 綠簾石化

綠簾石化主要分布在塊狀礦體上盤火山巖中,伴生蝕變包括綠泥石化、鈉長石化、硅化、絹云母化等。綠簾石主要以脈狀、斑點狀、團塊狀等形態(tài)產(chǎn)出。脈狀綠簾石常與方解石、石英、赤鐵礦等共生, 團塊狀綠簾石常見交代鈉長石。綠簾石-石英-方解石-赤鐵礦脈中, 礦物邊界平直, 石英、方解石比較自形, 綠簾石則為粒狀、柱狀-長柱狀(圖4d), 赤鐵礦一般產(chǎn)在石英或方解石內(nèi)部。浸染狀分布的綠簾石顆粒, 大者可達 500 μm, 解理發(fā)育, 自形程度不如脈狀產(chǎn)出的綠簾石。綠簾石化中可見少量銅礦化, 銅礦化多產(chǎn)于綠簾石脈中,少數(shù)分布于團塊狀綠簾石中。塊狀礦體下盤一般不發(fā)育綠簾石化, 而以黃鐵絹英巖化、綠泥石化為主, 僅在部分鉆孔底部揭露的玄武巖內(nèi), 發(fā)育少量顆粒狀的綠簾石化。

3.1.4 鈉長石化

鈉長石化主要發(fā)育在塊狀礦體上盤火山巖中,手標本為淺紅色, 野外容易被誤認為是鉀長石化。鈉長石化主要呈團塊狀, 通常被綠簾石、綠泥石、碳酸鹽等交代, 或被綠簾石脈穿插。顯微尺度下, 鈉長石化為粒狀集合體, 或為長柱狀顆粒, 表面渾濁,與細粒硅化共生(圖4e)。

3.1.5 碳酸鹽化

碳酸鹽化為成礦后期發(fā)育的蝕變, 其分布廣泛,主要為方解石, 還有少量鐵白云石。碳酸鹽化主要以脈狀形式產(chǎn)出, 與石英構(gòu)成碳酸鹽-石英脈(圖4f),也常常與綠簾石等構(gòu)成綠簾石-石英-方解石±赤鐵礦脈(圖4d); 少量為團塊狀產(chǎn)出, 交代斜長石、綠泥石等(圖4c)。碳酸鹽-石英脈常常切穿鈉長石化、綠泥石化、綠簾石化, 在塊狀礦體下盤的黃鐵絹英巖化中, 也可見到少量方解石-石英細脈產(chǎn)出。

3.2 蝕變分帶

由于紅海礦床地表多為第四系覆蓋物, 本文主要對鉆孔中圍巖蝕變的垂向分帶進行劃分, 蝕變分帶結(jié)合多個鉆孔構(gòu)成的交叉剖面(包括由 ZK001、ZK002和ZK004構(gòu)成的0線剖面, 以及由ZK0302、ZK001、ZK0801和ZK1601構(gòu)成的NW-SE向剖面)進行。結(jié)果表明, 紅海VMS礦床自上而下依次發(fā)育綠泥石-鈉長石-絹云母-方解石帶、綠簾石-綠泥石-鈉長石-絹云母-方解石帶、石英-絹云母-黃鐵礦帶、塊狀硫化物帶、綠泥石-黃鐵礦±絹云母帶、綠泥石-絹云母-石英帶(圖5、表1)。

圖5 紅海礦床NW向剖面蝕變分帶Fig.5 Alteration zonation of the NW section in the Honghai deposit

表1 紅海礦床主要蝕變帶的礦物組合Table 1 The mineral assemblages of the main alteration zones in the Honghai deposit

① 綠泥石-鈉長石-絹云母-方解石蝕變帶: 該帶一般從地表垂向延伸100 m左右, 部分鉆孔中發(fā)育較深, 可達150 m以上(ZK0801、ZK1601)。主要由綠泥石、鈉長石、絹云母和少量方解石構(gòu)成, 局部含有斑塊狀的碳酸鹽, 裂隙面中可見少量石膏發(fā)育,可見少量綠簾石。由于靠近地表, 常見赤鐵礦化。

② 綠簾石-綠泥石-鈉長石-絹云母-方解石蝕變帶: 該帶是紅海礦床中發(fā)育最廣泛的蝕變帶, 厚度大多超過200 m, 局部厚達300 m, 頂部從綠泥石+鈉長石+絹云母帶的下端(地表以下100 m深), 底部到黃鐵絹英巖的頂端。綠簾石、綠泥石化強烈發(fā)育,呈斑點狀、團塊狀, 交代暗色礦物或斜長石。綠簾石還常為脈狀產(chǎn)出, 與石英、碳酸鹽和赤鐵礦密切共生。另外可見少量銅礦化發(fā)育, 包括黃銅礦、斑銅礦, 以及藍輝銅礦、銅藍, 通常產(chǎn)于綠簾石-石英脈或綠簾石團塊中, 礦化與綠簾石關(guān)系密切。

③ 石英-絹云母-黃鐵礦蝕變帶: 即黃鐵絹英巖帶, 該帶發(fā)育廣泛, 一般發(fā)育在塊狀礦體以下, 局部可延伸至礦體上盤。該帶盡管包含多種巖性, 但均發(fā)育強烈的黃鐵絹英巖化; 原巖的構(gòu)造(如紋層、角礫等)尚可見, 但礦物幾乎被完全蝕變, 產(chǎn)物均為絹云母、石英和黃鐵礦。黃鐵礦、絹云母主要產(chǎn)在石英顆粒之間, 局部絹云母呈團塊狀集合體分布。部分黃鐵礦內(nèi)部發(fā)育針狀-長條狀的白云母。該蝕變帶中發(fā)育少量黃銅礦、閃鋅礦, 主要產(chǎn)于黃鐵礦顆粒間, 或者產(chǎn)在黃鐵礦-石英脈內(nèi)。位于塊狀礦體下部的黃鐵絹英巖帶, 常見石英-黃鐵礦±黃銅礦脈、黃鐵礦-黃銅礦脈-網(wǎng)脈等。也可見晚期石英-碳酸鹽脈穿插現(xiàn)象。

④ 塊狀硫化物礦體: 塊狀硫化物礦體賦存在黃鐵絹英巖蝕變帶內(nèi), 厚幾米到幾十米, 主要由黃鐵礦-黃銅礦-閃鋅礦構(gòu)成, 礦石礦物還有少量砷黝銅礦、方鉛礦, 主要脈石礦物為絹云母-白云母、石英和重晶石。綠泥石在礦石中較少, 但在礦體附近以綠泥石-黃鐵礦的組合出現(xiàn)。

⑤ 綠泥石-黃鐵礦±絹云母蝕變帶: 綠泥石主要由 Chl1組成, 分布于塊狀礦體下盤的蝕變巖筒中,少量見于塊狀礦體上盤。該蝕變帶主要由綠泥石和黃鐵礦組成, 黃鐵礦多呈他形-半自形粒狀、集合體形式產(chǎn)出。局部可見少量絹云母, 緊密分布于黃鐵礦周圍。

⑥ 綠泥石-石英-絹云母蝕變帶: 位于黃鐵絹英巖蝕變帶之下, 處于鉆孔揭露的最深部, 蝕變帶發(fā)育范圍較小。主要蝕變礦物為石英、綠泥石和絹云母, 此外還有少量綠簾石和碳酸鹽脈。局部可見黃銅礦和斑銅礦, 與綠泥石化關(guān)系密切。

坑道中穿脈編錄工作也顯示類似的分帶結(jié)果(圖 6), 從上盤圍巖穿過礦體到下盤圍巖, 依次發(fā)育含角礫凝灰?guī)r、塊狀硫化物礦體、綠泥石蝕變巖筒、黃鐵絹英巖, 蝕變分帶依次對應(yīng)綠泥石-綠簾石-鈉長石-絹云母-方解石帶、塊狀硫化物帶、綠泥石-黃鐵礦±絹云母帶和石英-絹云母-黃鐵礦帶。同時, 可以看到黃銅礦-黃鐵礦脈在塊狀礦體下盤綠泥石蝕變巖筒中發(fā)育明顯, 在上盤火山巖中可見硅質(zhì)巖發(fā)育。

4 礦化特征和成礦階段劃分

4.1 礦化特征

紅海 VMS銅鋅礦床的主體為塊狀硫化物礦化,此外還有塊狀礦化下盤的網(wǎng)脈狀-浸染狀礦化、以及后期熱液在上盤火山巖疊加形成的浸染狀礦化。

4.1.1 塊狀硫化物礦化

圖6 紅海礦床240中段5號進路剖面素描圖Fig.6 Sketch map of No.5 roadway at level 240 m in the Honghai deposit

塊狀硫化物礦化是紅海礦床最主要的礦化類型,發(fā)育在第二套中性火山-沉積巖頂部, 呈似層狀-透鏡狀產(chǎn)出。塊狀硫化物礦體是紅海礦床最重要的Cu、Zn以及 Au、Ag、Ga、Cd來源[17]。礦體從中心向外、從下往上, 鋅礦化增強、銅礦化減弱, 礦石由黃礦漸變?yōu)楹诘V, Cu/Zn比值降低。塊狀礦體最外側(cè)發(fā)育角礫狀礦石和層狀-條帶狀硅質(zhì)巖。塊狀礦石中金屬礦物主要包括黃鐵礦、黃銅礦和閃鋅礦(圖7a～d), 少量的砷黝銅礦、方鉛礦、磁鐵礦、毒砂和磁黃鐵礦, 其中硫化物占據(jù) 60%以上; 脈石礦物主要為石英、絹云母、白云母、綠泥石、重晶石和方解石等。礦石結(jié)構(gòu)包括粒狀結(jié)構(gòu)、交代殘余結(jié)構(gòu)、乳滴狀結(jié)構(gòu)、骸晶結(jié)構(gòu)、共結(jié)邊結(jié)構(gòu)等, 主要構(gòu)造為塊狀構(gòu)造(圖7a)、條帶狀構(gòu)造和角礫狀構(gòu)造等。

黃鐵礦多呈自形-半自形粒狀、或集合體形式產(chǎn)出。閃鋅礦-黃銅礦表現(xiàn)出交代黃鐵礦的現(xiàn)象, 當(dāng)閃鋅礦-黃銅礦較少時(＜ 10%), 可見其沿黃鐵礦集合體的裂隙、晶隙間充填交代, 呈脈狀、網(wǎng)脈狀(圖7b), 并且破碎、溶蝕黃鐵礦, 使黃鐵礦呈港灣狀-孤島狀; 當(dāng)閃鋅礦-黃銅礦含量增高, 局部大于黃鐵礦時(＞ 50%), 可見黃銅礦包裹黃鐵礦顆粒, 并且將其溶蝕、破碎(圖 7c)。次要金屬礦物包括砷黝銅礦、方鉛礦, 其中砷黝銅礦多與黃銅礦、閃鋅礦共生(圖7d), 而方鉛礦呈脈狀切穿黃鐵礦集合體。重晶石作為脈石礦物出現(xiàn)在塊狀礦石中, 與石英共生,區(qū)別于典型的重晶石巖。

4.1.2 脈狀-網(wǎng)脈狀礦化

脈狀-網(wǎng)脈狀礦化位于塊狀硫化物礦化下盤的蝕變巖筒中, 礦化包括脈狀和浸染狀礦化, 圍巖發(fā)育強烈的黃鐵絹英巖化、綠泥石化。脈狀-網(wǎng)脈狀礦化主要發(fā)育黃銅礦脈(圖 7e)、石英-黃鐵礦±黃銅礦脈(圖7f), 少數(shù)為網(wǎng)脈狀石英-黃鐵礦-黃銅礦。發(fā)育在黃鐵絹英巖化中的浸染狀礦化則為浸染狀黃鐵礦-黃銅礦(圖7g和7h), 礦化主要以銅為主, 鋅少。主要礦物包括石英、黃鐵礦、絹云母以及黃銅礦、閃鋅礦、白云母和綠泥石等。與塊狀硫化物礦化類似, 脈狀、浸染狀礦化中黃鐵礦形成較早, 黃銅礦和微量閃鋅礦主要沿黃鐵礦裂隙、內(nèi)部產(chǎn)出(圖7g), 充填交代黃鐵礦。產(chǎn)于黃鐵絹英巖化中的黃銅礦與絹云母關(guān)系密切。

4.1.3 上盤火山巖銅礦化

上盤火山巖中發(fā)育礦化規(guī)模較小, 主要發(fā)育在塊狀硫化物礦體上盤的第三套中酸性火山巖-火山碎屑巖中, 屬于VMS成礦系統(tǒng)之后疊加的礦化。銅礦化見于部分綠簾石±石英脈(圖 7i)和石英脈中, 部分發(fā)育于綠簾石團塊中。主要金屬礦物包括黃銅礦、斑銅礦、藍輝銅礦、銅藍、黃鐵礦、磁鐵礦、鏡鐵礦, 黃鐵礦有時不出現(xiàn), 僅出現(xiàn)銅礦物組合(圖7j和7k)。黃銅礦-斑銅礦兩者邊界平直, 邊緣常被藍輝銅礦-銅藍交代(圖7j-7l), 或沿黃銅礦-斑銅礦裂隙中交代產(chǎn)出(圖 7k), 可見銅藍呈格狀結(jié)構(gòu)交代黃銅礦-斑銅礦。磁鐵礦-鏡鐵礦交生, 鏡鐵礦多呈長條狀產(chǎn)出,磁鐵礦則發(fā)育于鏡鐵礦顆粒之間。含礦圍巖發(fā)育綠簾石化、綠泥石化、絹云母化和鈉長石化。

4.2 成礦階段劃分

在野外和室內(nèi)詳細觀察的基礎(chǔ)上, 根據(jù)礦物交代蝕變關(guān)系、脈體的穿插關(guān)系以及蝕變礦物的共生組合類型, 將紅海 VMS銅鋅礦床成礦過程劃分為VMS成礦期、后期熱液疊加期和表生期, 其中VMS成礦期可進一步劃分為黃鐵礦階段、黃銅礦-閃鋅礦階段和重晶石階段, 后期熱液疊加期亦可進一步劃分為鈉長石化階段、綠泥石-綠簾石階段和石英-碳酸鹽階段(圖 8)。

圖7 紅海礦床礦化特征照片F(xiàn)ig.7 Photographs and photomicrographs of mineralization for the Honghai deposit

4.2.1 VMS成礦期

VMS成礦期可分為三個成礦階段, 主要形成塊狀硫化物礦化以及下部的脈狀、浸染狀礦化, 圍巖蝕變主要為綠泥石化、黃鐵絹英巖化和重晶石化(圖9a)。該成礦期主要礦物包括黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦、石英、絹云母和綠泥石, 以及少量重晶石、白云母、砷黝銅礦、方鉛礦、磁黃鐵礦等。

(1) 黃鐵礦階段: 以黃鐵礦的大量出現(xiàn)為標志,蝕變主要為黃鐵絹英巖化。黃鐵礦以集合體、半自形-自形粒狀形式產(chǎn)出, 在礦體的絕大部分均可見, 與石英、絹云母、白云母共生, 顆粒大小多為0.1～0.2 mm,部分小于 0.1 mm。黃鐵礦邊緣通常發(fā)育絹云母-白云母, 部分針狀白云母還發(fā)育在黃鐵礦內(nèi)部。

圖8 紅海礦床礦化蝕變期次Fig.8 Paragenetic sequence of the Honghai Cu-Zn deposit

(2) 黃銅礦-閃鋅礦階段: 該階段是最重要的成礦階段, 大量發(fā)育黃銅礦、閃鋅礦及少量的方鉛礦、砷黝銅礦等礦物。黃銅礦-閃鋅礦主要充填交代黃鐵礦顆粒之間, 呈他形、集合體形式產(chǎn)出, 少量分布于黃鐵礦顆粒內(nèi), 交代使黃鐵礦呈半自形、骸晶以及孤島狀等(圖 9b和 9c), 表明黃銅礦-閃鋅礦的形成稍晚于黃鐵礦。黃銅礦與閃鋅礦共生, 兩者邊界較為平直, 通常為他形集合體, 并見以乳滴狀出溶于閃鋅礦中(圖 9d); 黃銅礦內(nèi)可見少量砷黝銅礦。閃鋅礦為他形結(jié)構(gòu), 主要分布于塊狀礦體的上部, 向下閃鋅礦變少, 在脈狀-網(wǎng)脈狀區(qū)域較少見;閃鋅礦內(nèi)亦可見砷黝銅礦。在黃銅礦、閃鋅礦邊緣及內(nèi)部多發(fā)育結(jié)晶較好的白云母, 多為針狀-長柱狀,長度可達 100 μm, 而寬度通常小于 10 μm (圖 9d)。在VMS礦化相關(guān)的黃鐵絹英巖化中, 絹云母主要呈細粒團塊狀集合體, 常與浸染狀黃鐵礦發(fā)育于石英顆粒間(圖9e), 可見少量黃銅礦化(圖9f)。綠泥石主要發(fā)育于塊狀礦體下部的蝕變巖筒中, 以綠泥石化凝灰?guī)r的形式產(chǎn)出, 少數(shù)可見于塊狀礦體上部, 局部可見綠泥石交代黃鐵絹英巖化中的絹云母(圖9e)。

(3) 重晶石階段: 重晶石與石英呈脈狀切穿銅鋅礦化(圖 9g), 表明其形成稍晚于硫化物礦化; 重晶石主要以自形柱狀形式產(chǎn)出, 與石英共生, 兩者邊界平直(圖9h)。

4.2.2 后期熱液疊加期

后期熱液疊加期主要發(fā)育在礦體上盤火山巖-火山碎屑巖中, 包括鈉長石階段、綠泥石-綠簾石階段以及石英-碳酸鹽階段。該成礦期形成礦化較弱,礦化主要在綠泥石-綠簾石階段發(fā)育。主要礦物包括鈉長石、綠泥石、綠簾石、石英、方解石和少量絹云母、赤鐵礦、磁鐵礦、黃銅礦、斑銅礦等。

(1) 鈉長石階段: 發(fā)育強烈的鈉長石化, 在礦體上盤廣泛發(fā)育, 主要呈團塊狀、斑點狀分布?；鹕綆r-火山碎屑巖中的晶屑、巖屑常發(fā)生鈉長石化,其顏色為特征的淺紅色。手標本中團塊鈉長石常被綠簾石交代, 或被綠簾石脈切穿。在顯微鏡下鈉長石常集中發(fā)育, 呈他形粒狀, 表面常渾濁不清, 并被后期的綠簾石、綠泥石充填交代(圖4e和10a); 鈉長石還可見長柱狀, 被綠簾石、綠泥石交代。

圖9 紅海礦床VMS成礦期手標本和鏡下照片F(xiàn)ig.9 Representative hand specimen photographs and photomicrographs of the VMS mineralization period from the Honghai deposit

(2) 綠泥石-綠簾石階段: 以綠泥石、綠簾石的強烈發(fā)育為特征, 共生礦物還包括絹云母、石英、方解石等; 該階段發(fā)育少量的銅礦化, 以及赤鐵礦、磁鐵礦、鏡鐵礦等。在上盤英安質(zhì)、安山質(zhì)火山巖-火山碎屑巖中, 綠泥石發(fā)育比塊狀礦體下盤更為廣泛且強烈, 幾乎在整個上盤均有分布, 可見彌散狀、似條帶狀、斑點狀綠泥石, 交代暗色礦物和斜長石斑晶、火山基質(zhì)等。綠泥石在鏡下呈綠色-淺綠色, 可見弱多色性, 片狀, 局部粒度可達500 μm以上, 部分可見綠泥石包裹許多小圓粒狀的石英等雜質(zhì)。綠簾石發(fā)育在綠簾石-綠泥石-鈉長石-絹云母蝕變帶中,呈團塊狀、斑點狀分布, 在安山巖中尤為發(fā)育, 與斑點狀綠泥石共生; 脈狀、粒狀產(chǎn)出的綠簾石顆粒大,結(jié)晶較好, 解理發(fā)育。少數(shù)綠簾石與絹云母共生, 為脈狀或團塊狀(圖 10b); 大部分綠簾石為綠簾石-石英-碳酸鹽-赤鐵礦的組合出現(xiàn)(圖 10c), 呈脈狀穿插鈉長石。綠泥石-綠簾石階段發(fā)育少量的銅礦化, 主要產(chǎn)于綠簾石脈或綠簾石團塊中(圖10d)。銅礦物包括黃銅礦、斑銅礦, 與磁鐵礦-鏡鐵礦共生, 黃鐵礦較少見(圖10e和10f)。

圖10 紅海礦床后期熱液疊加及表生期手標本和鏡下照片F(xiàn)ig.10 Representative hand specimen photographs and photomicrographs of the hydrothermal overprinting period from the Honghai deposit

(3) 石英-碳酸鹽階段: 主要是以方解石-石英脈、方解石-赤鐵礦-石英脈的形式產(chǎn)出, 切穿 VMS成礦期的礦物組合及早期的鈉長石化、綠泥石化、綠簾石化等(圖10g和10h)。部分碳酸鹽也呈斑塊狀,交代長石、綠泥石等。

4.2.3 表生期

表生期主要表現(xiàn)為VMS成礦期、后期熱液疊加期的部分礦物發(fā)生蝕變, 產(chǎn)生以赤鐵礦、藍輝銅礦、銅藍、石膏等為代表的蝕變作用。表生期蝕變主要發(fā)育在近地表的位置, 巖石裂隙面中也常見, 礦物呈被膜狀或網(wǎng)脈狀產(chǎn)出。

5 討 論

5.1 紅海銅鋅礦床與典型VMS礦床的對比

基于對VMS礦床實例的研究, Lydon[48]提出了VMS礦床的描述性模型, 即由上部與地層整合的塊狀硫化物礦體和下部不整合的脈狀、浸染狀礦體組成; 上部的塊狀硫化物礦體由下部向上黃鐵礦-黃銅礦±磁黃鐵礦的含量減少, 閃鋅礦±方鉛礦±重晶石含量增加; 下部網(wǎng)脈狀、浸染狀礦化由中心向外亦由黃銅礦-黃鐵礦變?yōu)辄S鐵礦-閃鋅礦±方鉛礦, 伴隨蝕變則由綠泥石化向絹云母化-綠泥石化過渡。這一描述模型得到大量礦床研究實例驗證, 包括中亞造山帶的阿舍勒礦床、可可塔勒礦床、小熱泉子礦床[49–52], 以及北祁連造山帶的白銀廠礦田折腰山礦床、三江義敦島弧帶的呷村礦床等[53]。Large認為,雖然澳大利亞 VMS礦床具有許多不同的礦化形態(tài),但是這類型礦床往往具有類似的礦化分帶、蝕變特征、硫同位素特征、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等[54–55]。通過對澳大利亞 Hellyer礦床下盤蝕變巖筒的地球化學(xué)實驗?zāi)M, Schardt et al.認為VMS礦床下盤蝕變分帶的原因, 是由于熱液系統(tǒng)從核部到外圍其溫度、pH值、水/巖比值、氧化-還原狀態(tài)等系統(tǒng)變化造成的; 其中綠泥石、絹云母的分帶取決于溫度和pH值的差異,低溫(＜ 250 ℃)、低 pH 值(＜ 4.5)形成蝕變以絹云母為主, 而高溫(250～350 ℃)、中等 pH 值(4.5～5.5)則形成以綠泥石為主的蝕變[56]。

對于VMS的形成機制, 目前普遍的認識為: 富含金屬的成礦流體上升到海底, 與海水發(fā)生混合作用, 使成礦流體的物理-化學(xué)條件發(fā)生改變, Cu、Zn、Pb、Au、Ag等金屬元素發(fā)生沉淀, 在海底堆積形成塊狀硫化物礦體[2,57,58]。然而, Converse et al.發(fā)現(xiàn),混合作用不能形成大型的VMS礦床, 且在海底沉淀的硫化物中能有高達95%的金屬被海水帶走[59]。此外, 許多研究者在VMS的塊狀硫化物中發(fā)現(xiàn)大量的交代現(xiàn)象, 并且認為交代作用在塊狀硫化物的形成中起到了關(guān)鍵作用[12,54,60–63]。Doyle et al.[60]總結(jié)了 5個VMS礦床海底交代作用(subseafloor replacement)的判別標準: ①硫化物礦體中的圍巖殘留; ②圍巖快速的就位; ③硫化物沉積物與圍巖沉積物的交代前鋒;④塊體與圍巖的不整合接觸; ⑤上盤圍巖蝕變強烈,蝕變類型和強度與下盤圍巖類似。對比一些沉積型和交代型 VMS礦床, 發(fā)現(xiàn)紅海礦床與交代型 VMS礦床也有類似的特征: ①礦化基本是由交代作用產(chǎn)生的, 即黃銅礦-閃鋅礦基本為交代黃鐵礦產(chǎn)生(圖7b、7c、9b和9c); 而典型的膠狀黃鐵礦、草莓狀黃鐵礦等很少見, 黃鐵礦多為自形-半自形粒狀和集合體, 或呈交代殘余結(jié)構(gòu)[15,17]; ②塊狀礦體邊緣常見硫化物礦體與圍巖交錯, 礦體與上盤圍巖的邊界不是平直的(見文獻[15]中圖5a); ③圍巖包括熔結(jié)凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖等, 指示圍巖快速沉淀; ④緊鄰塊狀礦體的上盤圍巖, 發(fā)育蝕變的類型、強度與塊狀礦體下盤的圍巖相似(圖 5); ⑤重晶石作為脈石出現(xiàn)于礦體中, 這與典型的噴流型 VMS礦床中的層狀重晶石巖有明顯差異[64]。通過對比交代型與沉積型 VMS礦床主要特征(表 2), 認為海底交代作用在紅海銅鋅礦床塊狀硫化物的形成過程中起了重要的作用。

表2 紅海礦床與其他典型VMS礦床主要特征對比Table 2 Comparison of the characteristics of the Honghai deposit with those of the typical VMS deposits

5.2 斑巖系統(tǒng)疊加

通常認為, 斑巖系統(tǒng)與VMS系統(tǒng)是不會在同一區(qū)域產(chǎn)出的, 因為 VMS系統(tǒng)與伸展背景密切相關(guān)(如弧后或弧間盆地), 以雙峰式長英質(zhì)-鎂鐵質(zhì)火山作用為標志; 而斑巖型銅礦床則產(chǎn)于擠壓背景中(如陸緣弧和島弧), 以安山質(zhì)-英安質(zhì)火山作用為主[24,65,66]。但在我國礦床的研究實例中, ?？梢奦MS礦床被疊加改造, 包括斑巖型礦床疊加于VMS礦床。例如位于中亞造山帶新疆北部的 VMS型礦床常見后期熱液疊加改造, 包括阿爾泰的阿舍勒銅鋅礦床、可可塔勒鉛鋅礦床[51,67,68], 以及東天山大南湖-頭蘇泉島弧帶的小熱泉子銅鋅礦床等[69–70]。后期熱液的疊加作用, 表現(xiàn)為改造期的石英-硫化物脈切穿VMS成礦期的條帶狀、塊狀硫化物礦石, 顯微鏡下可見明顯的交代結(jié)構(gòu)等, 同時疊加的熱液作用還使這些VMS礦床的成礦元素發(fā)生活化、進一步富集[67]。后期斑巖系統(tǒng)疊加于 VMS系統(tǒng)的實例可見于云南三江地區(qū)的老廠鉛鋅鉬礦床及羊拉多金屬礦床(VMS-夕卡巖-斑巖疊加), 隨著構(gòu)造背景的演化, 斑巖系統(tǒng)等可在同一空間內(nèi)與VMS型礦床發(fā)生疊加改造作用, 使礦床規(guī)模提升、伴生礦種增加[71]。

卡拉塔格地區(qū)位于大南湖-頭蘇泉島弧帶北段,在紅海VMS礦床發(fā)現(xiàn)之前, 前人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了紅山、梅嶺、紅石等多個小型晚古生代淺成低溫?zé)嵋盒豌~金礦床、熱液脈型銅礦床等[16,18], 并認為卡拉塔格成礦帶具有大型斑巖-淺成低溫?zé)嵋旱V床的找礦潛力[16,19–22], 且在最新的找礦工作中發(fā)現(xiàn)了玉帶斑巖銅礦床[17]。礦區(qū)中出露許多古生代巖漿巖, 除早古生代晚期卡拉塔格復(fù)式巖體以外, 還出露許多晚古生代小巖株, 巖性包括石英斑巖、花崗閃長巖、閃長巖和輝長巖等。本次紅海VMS礦床鉆孔巖心編錄過程中, 在塊狀礦體上盤的第三套火山-沉積巖系中,發(fā)現(xiàn)強烈的彌散狀綠簾石化、綠泥石化和綠簾石-石英-黃銅礦-斑銅礦脈、石英-硫化物-氧化物脈、石英-碳酸鹽脈和少量的石英-方鉛礦-閃鋅礦脈等蝕變和礦化。其中, 銅礦化與綠簾石化關(guān)系密切(圖7j、10d和10f), 同時伴生磁鐵礦-鏡鐵礦(圖10e)。這些蝕變和礦化特征, 可以與斑巖銅礦床的青磐巖化蝕變帶進行對比, 指示紅海礦床可能處于斑巖銅礦系統(tǒng)的外圍,其斑巖銅礦的找礦潛力需要進一步的工作評價。

6 結(jié) 論

(1) 紅海 VMS礦床由淺到深依次發(fā)育綠泥石-鈉長石-絹云母-方解石帶、綠簾石-綠泥石-鈉長石-絹云母-方解石帶、石英-絹云母-黃鐵礦帶、塊狀硫化物帶、綠泥石-黃鐵礦±絹云母帶、綠泥石-絹云母-石英帶。

(2) 礦床成礦過程劃分為VMS成礦期、后期熱液疊加期和表生期, 其中VMS成礦期可劃分黃鐵礦階段、黃銅礦-閃鋅礦階段和重晶石階段, 后期熱液疊加期由鈉長石化階段、綠泥石-綠簾石階段和碳酸鹽-石英階段組成, 主要礦化在黃銅礦-閃鋅階段形成。與典型VMS礦床對比, 紅海礦床礦化蝕變總體特征類似, 但同時也表現(xiàn)出來許多海底交代型VMS礦床的特征。

(3) 紅海礦床上覆第三套火山巖中發(fā)育綠簾石化、綠泥石化和綠簾石-石英-硫化物脈、石英-碳酸鹽脈等, 這些蝕變和礦化可能是后期斑巖熱液系統(tǒng)的外圍蝕變和礦化; 結(jié)合卡拉塔格所處的構(gòu)造背景,紅海礦床外圍和深部具有斑巖礦化的潛力。

本文受國家重點基礎(chǔ)研究計劃“973”項目“新疆北部古弧盆體系成礦機理”(批準號: 2014CB440802)、中國科學(xué)院創(chuàng)新交叉團隊合作項目(項目號: Y433131A07)的聯(lián)合資助。野外工作得到了北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院、新疆紅石礦業(yè)公司同行們的大力支持; 室內(nèi)工作及論文寫作得到了北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院鄧小華、中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所江宏君、許超、肖兵、王云峰的幫助; 審稿人提出了寶貴的修改意見, 在此一并表示衷心感謝！

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