矿床学08喷流矿床45

矿床学中南大学地质工程专业A方向第八章喷流矿床8.1概述•8.1.1缘起•早在1948年,瑞典海洋考察船“信天翁”号在红海中部水深1937ｍ的地方,发现水温与盐度的异常•60年代中期,美、英、德的考察船又在此发现富含Fe,Mn及Zn,Cu,Cd,Pb和Ag的多金属软泥•1978年美、法联合用法国Caana号深潜器，在东太平洋洋脊21ºN，首次发现海底热液硫化物•1979年美国Alvin号深潜器再度下潜，发现了含热源硫化物的黑烟囱•在20世纪80年代,世界上出现了对海底硫化物矿床作为一种新型潜在矿物原料的广泛关注。•美、法、德、日、加、澳和前苏联等国的科学家相继开展了这方面的调查研究。已发现的矿点和矿床有139个左右,但规模比较大的不足20处。•根据麻省理工学院海洋学教授埃德蒙的说法，这些热液喷口是地球核心失去热量的主要通道，估计在大洋中有5000个。•海底多金属硫化物矿床与海底热液活动有着密不可分的关系。•海底热液活动作为正发生的成矿作用,成为我们研究现代海底硫化物矿床的天然实验室,并有助于更新旧有的成矿模式;同时与陆地块状硫化物矿床进行对比,有助于指导海底与陆地找矿工作。•8.1.2概念•含矿热流体（热液）喷出海底的过程称为喷流作用（exhalation），由此形成的岩石称喷流岩（exhalite）。•海底喷流热水沉积作用(Exhalativesedimentation)泛指深部上升的不同成因的含矿热流体在喷出海底的过程中，与常温的海水互相反应，致使矿物沉淀的过程。•如果该过程中有有用物质的富集，则称海底喷流沉积成矿作用，形成的矿床称喷流热水沉积矿床（SEDEX矿床），简称喷流矿床。该类矿床以热液硫化物为主，即海底热液硫化物矿床。•据认为，喷流矿床不仅存在于现代海底，而且在古代形成的矿床中也大量存在。如甘肃西成铅锌矿、四川岬村铅锌矿等，也有人认为锡铁山铅锌矿、甚至凡口铅锌矿都属之。现在看来，这一矿床类型有被扩大的趋势。•8.1.3现代海底热液硫化物矿床的意义•海底热液矿床和热液矿化作用的研究已成为国际地球科学最为活跃的研究领域之一，究其原因主要有：•（1）科学家们普遍认为，热液多金属矿床是最有开发前景的一种深海底资源。例如按照陆地矿床前景作过严格评价的红海Atlantis正号深渊，在水深大干2000m、面积仅为6×15km2的范围内，含有的金属储量估测为Zn：3.2×106t；Cu：0.8×106t；Pb：8×104t；Ag：4500t和Au：45t。•（2）海底高温活动热液喷口处的矿化作用过程及其“烟囱”产物是了解地球化学物质平衡、循环和热收支等的天然实验室。加强现代热液矿化作用的研究有助于理解地质记录中各类金属矿床的形成模式和成矿机制。•（3）活动喷口处发现的与喷口周围小生境有关的深海活生物群落的存在，揭示了与地球内部热能有关的化学合成的细菌作用过程可以替代海洋真光层光合作用过程，这对早期生命体演化的认识有着重大意义。•因此，人们预测，在未来海洋地球科学和海洋矿产资源调查中，热液成因的多金属矿床的探索最有可能得到加强。8.2海底热液矿床形成的构造背景•8.2.1地理位置•海底多金属硫化物矿床主要分布在太平洋、大西洋、红海(见图)。•在太平洋上,有3个重要成矿区:•a.东部沿美洲大陆西侧的海域延伸形成一个漫长的矿带,具有代表性的有:–(1)南探索者(Explorer),–(2)努力者(Endeavour),–(3)轴海山(AxialSeamount),–(4)瓜伊马斯海盆(GuaymasBasin),–(5)东太平洋北纬21°(EPR21°N),–(6)东太平洋北纬13°(EPR13°N),–(7)东太平洋北纬11°(EPR11°N),–(8)加拉帕格斯(Galapagos),–(9)南胡安得福卡(SouthJuanDeFuca),–(10)伊斯卡纳巴海槽(EscanabaTrough)等。•b.西太平洋成矿区:–(1)冲绳海槽的伊是名海洼JADE区(OkinawaTrough),–(2)马里亚纳(Mariana)。•c.西南太平洋成矿区:–劳厄弧后盆地(Lauback-arcbasin),–Manus海盆,–北斐济盆地(NorthFijibasin)。•大西洋的代表性矿床有:–大西洋中脊的TAG热液活动区,–中大西洋脊北纬23°蛇洞(Snakepit)。•红海:Atlantisll深裂谷。•8.2.2构造部位•目前所发现的“正在形成过程中”的海底热液矿，其产地与断裂和火山活动带相联系。主要属两类大地构造：离散型板块边缘和火山岛弧环境•洋脊热液矿化点的初步调查表明，其赋存的构造要素包括–①宽1km的火山喷出轴向带和宽约10km的活动扩张边缘带，后者与扩张轴相垂直；–②长约10km量级的线形扩张块段，它们是由断裂带的转换断层切割而成。•8.2.3形成条件•喷流作用可以形成于大陆地表、河湖相水体及海底。但形成有意义的矿床还需要一定的条件：–海水深度决定喷流热液到达海底以前是否沸腾。由于沸腾而使得喷出的成矿物质快速地与海水混合而分散开来，而不能形成富厚的大型块状矿化，只能形成网脉状矿化和贫矿。这一点对于研究海底块状硫化物矿床产出的地质环境所必须考虑的。•纯水的临界点决定了爆发性喷发（沸腾）的最大水深。纯水的临界点压力为2.16×107Pa，对应水深为2160m。在此压力下气相和液相无异，均不具可压缩性。在更深处岩浆中水的出溶为液态，热液中的气相呈液态性质，纯岩浆水或过热海水均不会排斥围压而发生爆发性膨胀。对于块状硫化物矿床而言，一般的成矿温度为250～350℃，个别达400℃。•抑制沸腾的最低压力为：250℃时为4×106Pa，对应水深为400m；300℃时为7×106Pa～8×106Pa，对应水深为700～800m。困此，如果300C的成矿热液喷流到浅于700m的海底，就会发生沸腾现象，而不会形成块状矿体，只可能形成网脉状矿化和浸染状矿化。•随成矿溶液盐度的增加，最低抑制沸腾的压力会有所下降。流体包裹体研究表明，块状硫化物矿床的成矿溶液中含有不等量的CO2气体。CO2加入到NaCI－H2O体系中会大大增加最低抑制沸腾压力，如0.2mol的CO2加入到中等盐度的250℃的溶液中，最低抑制沸腾压力将增大到5.0×106Pa，对应水深为500m。因此，一般温度的含NaCI和CO2的成矿溶液至少要喷射到500m的海底才不致沸腾，而通常深度还将更大。•实际观察表明，现代海底上硫化物活的黑烟囱（BlackSmoker）均见于深水区，一般达数千米深。•目前已知最浅的黑烟囱距海面1km以下，如Jadesit地区为1400m深的海底，Lau盆地水深为1700m。•目前已发现的绝大多数海底硫化物矿床，尤其是具有经济意义的矿床都是存在于水深超过2000米的水域。8.3海底热液硫化物矿床的特征•8.3.1矿床规模•已发现的热液矿点大小变化甚剧。大多数产出规模十分小，它们往往以热液矿物的显示物为特征。少数矿床规模在1×106t以上（脱盐后的干重）。•8.3.2组成成分•1.矿物成分•海底热液矿床的矿物相和形态系列包括了层状、块状、网脉状或浸染状硫化物（高温终端产物）；或层状硫酸盐、硅酸盐、碳酸盐、氧化物和氢氧化物（中温终端产物）。主要矿物以黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、斑铜矿、白铁矿、方铅矿、磁黄铁矿为主,也有一些热液型粘土矿物和非硫化物矿物,如硬石膏以及非晶质SiO2等。•2.化学成分•主要元素是Cu,Zn,Pb,Ag,Ba,Ca和Au等。•微量元素的种类较多,以东太平洋21°N、胡安德福卡和加拉帕格斯为例,所含微量元素有:B,Bi,Cd,Co,Cr,Cs,Ga,Ge,Hg,Mo,Ni,Pd,Pt,Rh,Sb,Sc,Se,Sr,Tr,Tl,U,Y,W,Zr等。•不同的构造背景所形成的矿床具有不同的化学组成：•a.在洋脊环境,洋脊为相对富含Cu和Fe的玄武质岩石,因而矿床多为Cu-Zn型或Cu型。•b.在岛弧张裂环境,岛弧下部的“基底”多为陆壳或过渡壳,火山作用产物主要为相对富含Pb和Zn的长英质火山岩系。•3.矿床类型•热液成因的矿床形成物各异，但基本上可分属三个主要类型：•（1）广海型矿床：氧化硅、铁和锰热液沉积矿床，如褐铁矿、赤铁矿和（或）水锰矿。它们可以是低温矿液中未分异的沉淀产物或大洋边缘属高温硫化物矿床外围的分异产物。分布广，但近期内无应用前景。•（2）成层的软泥状金属硫化物矿床。构造活动形成的洼地造成有利干原始含矿溶液发生分馏作用，形成硫化物、硅酸盐和氧化物矿床。最典型的实例为Atlantis皿号深渊及围区的富金属软泥矿床。•（3）块状（包括浸染状、网脉状）矿床。形成于高温热液喷气口周围、以小丘状或烟囱状为特征的矿床。含Cu、Zn、Fe为主的硫化物，混有硫酸盐、硅酸盐网状脉，如东太平洋海隆和加拉帕戈斯等地热液矿床。8.4热液矿化作用•只要在海水能深入地壳发生热循环的地方均可发现热液矿化点。•海底热液对流模式可简述为：冷的密度大的碱性海水，在热的高度破碎的地壳加积带即活动大洋脊轴带不断下降，其渗透深度取决于地壳渗透性和热梯度，而主要受岩浆源影响不断加热的热水则上升。温度、压力和围岩成分控制了循环热水溶液在流动过程中从岩石中浸析出Mn、Fe、Zn、Cu等，并使海水中硫酸盐还原为硫化物，形成了酸化的富金属的稀释热液流体。•8.4.1热液及矿质来源•相当多的研究者认为,易溶解元素(如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;即同一矿床中与铜矿化有关的流体主要来自岩浆,而与铅锌矿化有关的流体多被解释为来自循环海水。•8.4.2双对流模式•在同一地段的洋底热液系统中可以同时存在两种不同盐度的流体,有些流体的盐度低于正常海水,另有的盐度(NaCl)则高达15%～32%。•海底热液喷口的最高温度为350℃左右,这种高温能持续相当长的时间;另外喷口热液的化学组成只能在近400℃左右的海水与玄武岩实验中产生,以上这些现象用以往单循环对流模式是不易解释的。Bischoff和Rosenbauer根据野外和实验室重新验证,提出新的洋中脊海底热液循环模式——双扩散对流(Double-diffusiveconvection)模式。•双扩散对流模式认为海底热液活动区有两个对流圈:下方是高温高盐度的卤水,顺层分布并对流;上方是低温低盐度的海水对流圈,卤水层下方是一个隐伏的岩浆房,在岩浆房上部有一个破裂锋面,形成了热阻挡层。热阻挡层的温度估计为450～700℃。下方对流圈中的卤水一部分来自海水,一部分来自岩浆,流体在卤水库中发生相分离,即由于气相逸出使卤水盐度升高。上方海水循环对流圈是一个单循环圈,在该圈底部,海水通过扩散界面被卤水层加热,并且通过扩散界面传输部分溶解组分。卤水层主要形成位于下部的层状矿化,往上排泄时也可形成部分不整合矿化,上方海水层形成上部的不整合矿化。•8.4.3硫化物堆积机制•排泄入海的热液有三种:•1.任何混合程度下密度均高于海水的高盐度热液,可沿坡而下向低洼处淤积形成卤水池,发育席状或板状矿床;•2.初始密度小于海水,但在与海水混合一定程度后,其密度高于海水的热液,可形成锥状或丘状矿床;•3.在任何混合程度下均小于海水的热液,在海水中形成上浮热柱,仅形成热柱散落而成的薄层沉积。•现代海底热液观察研究表明,海底喷出口热液流体最高温度可达350℃,最低温度仅高出周围海水几度。高温流体可能代表着原始的热液流体。其盐度多数不超过海水的2倍,它们多通过烟囱向海水中排泄,形成上浮热柱,其性状类似于Sato的第三类溶液。•然而,实地测定和包裹体研究表明,部分热液流体,其w(NaCl)超过7%,其性状可能类似于第二类溶液。这些热液流体可能多封闭于硫化物丘堤之下。•关于硫化物堆积机理,人们对古代矿床研究认为,硫化物要么从排泄于海底的热液流体中直接沉淀,要么金属组分从卤水池中直接淀积而成。•对现代海底硫化物成矿作用观察与研究极大地冲击了这些观念,并给出了全新的硫化物堆积机理。现代海底硫化物堆积过程实际是烟囱生长、