沉积喷流型矿床热水沉积旋回及其地球化学特征.pdf

第23卷 第2期西安科技学院学报Vol. 23 No. 2 2003年6月 JOURNAL OF XI’AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYJun. 2003 文章编号 1671 - 1912200302 - 0151 - 05 沉积喷流型矿床热水沉积旋回及其地球化学特征Ξ 端木合顺 西安科技学院 地质与环境工程系,陕西 西安 710054 摘 要银洞子硫化物多金属矿床为一沉积喷流型矿床,后期叠加改造作用较弱,比较完整地保 存了热水同生沉积特征,构成完整记录喷溢热水流体活动的演化序列,是盆地古流体研究的理想 天然实验室。矿区内热水沉积体在纵向上由于热水沉积岩层厚变化形成的一系列小的韵律层, 组成一个热水沉积层厚从小 大 小的完整旋回结构层。该旋回结构层可以分为3部分下部 为含闪锌矿纹层碳质千枚岩;中部为以13号主矿体为代表的条带状富矿体;上部为含方铅矿纹 层的铁白云质千枚岩。反映了热水喷溢沉积作用完整演化序列。热水沉积旋回岩石中Al2O3, MgO ,Na2O ,K2O含量以及Fe Mn/ Ti ,SiO2/ Al2O3,SiO2/ MgO ,SiO2/ K2O比值等均表现出相 似的旋回式变化特点。 关键词热水沉积体;热水沉积旋回;岩石化学;硫同位素 中图分类号 P 618. 4 文献标识码 A 0 引 言 热水沉积作为揭示盆地古流体时间演化和空间分布 盆地流体场的有效工具和可靠途径,在盆地 流体研究中具有重要意义。作为典型的沉积喷流型热水沉积矿床,银洞子矿区有一个长期存在的古地热 异常[1],足以推动和完成热水对流房的全部演化历史;具有较为发育的,并有较高成矿元素本底值的下伏 沉积柱耀岭河群火山沉积地层 [2] ,保证了成矿热液中有较高成矿元素浓度;同沉积期构造演化完整且 强烈[3 ,4],提供了热水对流房形成系统及封闭性好的成矿盆地和通畅的喷溢通道,使之能完成热水成矿的 全过程;后期构造改造较弱,不足掩盖同生性质的盆地填集特征,构成完整记录流体活动的演化序列[5], 从而成为盆地古流体演化研究的理想天然实验室。 古代热水沉积岩更多是作为火山喷流型块状硫化物矿床和沉积喷流型热水沉积矿床含矿建造的组成 部分被识别,为解决矿床成因提供岩石学依据[7～13],对盆地充填序列热水沉积学研究则显不足。研究能 够反映热水活动强度及性质的岩石学和地球化学特征在空间上的演化规律,是查明热水沉积体的组合关 系、 空间三维结构和热水作用的发生、 发展和消亡过程的有效途径。 1 研究区地质背景 银硐子矿床位于秦岭微板块北缘被动陆缘断陷盆地[3 ,4]。盆地基底为震旦系耀岭河群中-基性火山 熔岩,以底砾岩和古风化壳与中泥盆统地层呈角度不整合接触,说明在中泥盆统之前该区曾抬升,遭受强 烈剥蚀。 自中泥盆世开始,地壳快速而持续下沉,首先堆积了以长石石英杂砂岩为主的牛耳川组,岩性岩相和 沉积厚度在整个成矿区变化不大,以银洞子地区为沉降中心。到池沟组沉积期,从快速下沉堆积形成底部 Ξ收稿日期 2003 - 03 - 15 基金项目国家重大科学基金资助项目10299040 作者简介端木合顺1960 - ,男,陕西泾阳人,在职博士研究生,副教授,主要从事岩石矿物学与矿物加工工程的科研与教学. 杂砂岩、 砂岩开始,随后转化为持续稳定下沉,形成以二峪河地段为中心的深水盆地环境,岩性岩相和沉积 厚度变化加剧。青石垭组沉积期,持续下沉受同生断裂构造影响,盆地内出现相对隆起地段及相间的次级 水下洼地,盆地总体上表现为沉降大于沉积的非补偿性质,主要热水沉积岩包括低温长石岩类、 铁镁碳酸 盐岩类、 硅岩类、 绿泥石岩、 重晶石岩和层状硫化物矿石即产于这种环境[5]。整个区域自西向东在3个洼 地环境形成了特征相似的银洞子菱特多金属矿床、 黑沟矿床和桐木沟矿床。 2 热水沉积旋回特征 2. 1 热水沉积层垂向加积特征 热水沉积岩中之层纹状或条带状构造由不同类型热水沉积条带或纹层与正常海水沉积纹层相间垂向 加积构成,单一韵律均由正常海水沉积泥质或钙质薄层或纹层与热水沉积层或不同热水沉积纹层组成 薄厚相间的近对称结构。 在主矿体上下的贫矿石中,热水沉积岩中之层纹状或条带状构造由不同类型热水沉积条带或纹层与 正常海水沉积纹层相间叠积而成,单一韵律均由正常海水沉积泥质或方介石质薄层或纹层与热水沉积 层或不同热水沉积纹层组成薄厚相间的近对称结构,如层纹状方铅矿 → 碧玉、 方铅矿 → 黄铁矿磁黄铁矿 黄铜矿方铅矿 → 铁白云质泥千枚岩→ 铁白云石;方铅矿黄铁矿重晶石钠长石方解石 → 泥 质千枚岩 ; 方铅矿闪锌矿黄铁矿黄铜矿 → 重晶石 → 泥质千枚岩等。 图1 银洞子矿床矿体剖面结构示意图 Fig. 1 Sketch of ore2body sectiong in Yindongzi deposit 2. 2 热水沉积层的旋回结构 从矿体本身看,热水沉积层具有明显的近对称分布 特征。即矿体中部为条带-层块状富矿石 13 号主矿 体 , 上部为稀疏条带状平行小铅矿体,下部则为含闪锌 矿条纹的黑色千枚岩图 1 。现以银洞子矿床13号主 矿体银铅矿段剖面说明如下。 中部条带浸染状富矿石单脉厚变化在0. 1～1. 3 m , 富矿石总厚度5～13 m ,矿石为中细粒结构,主要金属矿 物为方铅矿、 闪锌矿,其次为黄铁矿及磁黄铁矿;银矿物 主要为辉银矿;脉石矿物主要为重晶石、 石英玉髓、 钠 长石、 碳酸盐、 有机质等。 矿体上部为条纹、 条带状铅矿石,矿脉呈条纹、 条带 状沿铁白云质千枚理分布,局部可见呈串珠状,或 “尖灭再现” 等现象,单脉厚0. 1～2 cm ,每米岩石含矿脉 10～15条,最多可达25条以上。越接近富矿石则矿脉条纹、 条带越密集,金属矿物大都呈中-细粒状,主 要为方铅矿,少量黄铁矿,微量闪锌矿,矿体中局部有后期迭加的呈不规则脉状或团块状方铅矿铁白云石 脉。 矿体下部主要为黑色千枚岩含条纹状闪锌矿,有少量方铅矿纹层,最大厚度7 m ,一般在一米之内有3 ～5条矿脉,单脉厚0. 2～1 cm ,个别可达25 cm ,沿含碳绿泥绢云千枚岩的层理分布。矿体下部分布的这 种条纹状贫矿石的岩石学特征与河北兴隆地区块状硫化物矿床底板发育的热水沉积成因硫化物黑色页岩 特征[14]一致,具有找矿标志层意义。它的出现预示上部条带浸染状富矿体的存在。 热水沉积层的含量与规模在纵向上组成低 高 低完整旋回。文献[15]将类似现象称之为 “眼式构 造”,并将之视为热水沉积的典型岩石学标志。 矿体走向上相变剧烈,以银铅矿段为例,硫化物重晶石岩 → 硫化物钠长似碧玉岩 → 硫化物铁碳酸盐; 似碧玉岩沿矿层急剧相变,呈透镜状顺层产出,走向长度一般在0. 5～30 m ,与硫化物岩间界线为锯齿状。 硫化物重晶石岩侧向变为重晶石千枚岩 → 钡白云母千枚岩 → 绢云母千枚岩。由于热水沉积物相变,造成 整个矿体水平分带明显,其分带特征与红海阿蓝蒂斯 Ⅱ 号海渊富金属软泥热水沉积[16]类似。 一般来讲,热水中矿质的淀出与底水介质性质 pH 值、Eh值、 离子类型及浓度有关,有人提出了岩相 控矿理论并据以建立以岩相古地理研究为基础的成矿预测模型,即所谓地层、岩相、构造部位控 251西安科技学院学报 2003年 矿[17]。 但在缺氧盆地微相微环境尺度,上下盘围岩岩性变化包含的微环境变化信息使控矿作用并不明显。 尽管热水中物质沉淀有多种机制,如蒸发浓缩、pH值变化和阳离子效应等,但控制水下矿物淀出的主要因 素是热水演化过程中的温度降低冷却 [18 ,19]。因此 ,可以认为热水沉积层内部的岩相变化主要是热水温 度变化的函数。银洞子矿床下盘围岩中碳质富集至少部分地与酸性还原性热水活动有关,而不能说下盘 围岩碳质富集所反映的还原环境是热水沉积得以进行的前提条件。 总之,热水喷溢进入海底后,由于温度变化发生了明显的横向分异,控制了主矿体不同部位的成矿金 属元素组合,但没有改变热水岩系纵向上的旋回沉积特征。 3 热水沉积旋回层序地球化学 无论是一次大的热水事件,还是一次小的喷溢都有从出现到增强并逐渐减弱以至消失的过程。因此 热水对背景沉积环境的影响也有从弱到强再到弱的变化,相应的热水携带物质对背景沉积物的加入也有 从少到多至极盛后逐渐减少、 消失的趋势。热水活动在时空上的变化必然在热水沉积旋回中留下相应的 地球化学纪录。 3. 1 岩矿石化学成分 笔者采集并化学定量分析了13号主矿体及围岩样品表 1 。从表1可以看出,围岩中K2O含量大于 Na2O ;矿体中则Na2O大于K2O。岩矿石中这种Na和K不同的分布特征,反映了深源物质交代的K - Na不相容规律[20]。这是热水喷溢作用带来的富钠热水就地对沉积碱交代的结果[21]。 作为陆源物质的铝主要赋存于粘土矿物和镁则表现为以矿体为中心的高 低 高趋势。常作为热 水沉积岩岩石化学标志的Fe Mn/ Ti热水沉积岩中大于20[22] ,SiO2/ Al2O3,SiO2/ MgO ,SiO2/ K2O比 值也有类似的变化特征表 2 。 表1 银洞子矿床矿体及围岩矿石化学成分表 Tab. 1 The chemical contents of the Yindongzi ore body and the surrounding rocks10 - 2 地质位置岩石类型样数 岩石化学成分平均含量 SiO2TiO2Al2O3Fe2O3FeOMnOCaOMgOK2ONa2OP2O5CO2TCCorg 上盘围岩 铁白云质千枚岩352. 750. 68 18. 461. 214. 540. 225. 151. 214. 100. 490. 1335. 991. 680. 05 绿泥绢云千枚岩257. 100. 79 20. 301. 726. 110. 160. 341. 055. 000. 360. 152. 030. 560. 01 矿体 条带状含铜银矿石547. 200. 57 15. 204. 044. 06 0. 1361. 570. 722. 513. 300. 1241. 810. 540. 05 浸染状含铅银矿石446. 400. 45 13. 674. 058. 280. 072. 020. 972. 062. 870. 155. 240. 13 下盘围岩 含碳铁白云质千枚岩253. 850. 60 15. 561. 134. 160. 175. 602. 103. 970. 410. 134. 921. 340. 00 含碳菱铁千枚岩245. 450. 54 12. 851. 8217. 820. 560. 341. 610. 880. 210. 147. 063. 030. 11 测试单位西北有色金属地质研究院;测试方法化学定量法;资料来源本文。矿石中没有测成矿元素含量。 3. 2 方柱石单矿物成分环带Na ,Cl含量变化 赋存于钠长岩中的钙钠方柱石,矿物粒径0. 2～0. 7 mm ,具有交代钠长石矿物的残余结构。笔者在 银洞子矿床13号主矿体不同部位采集了成分环带发育的方柱石样品并作了电子探针定量分析表3 ,发 现在成矿早期矿体下部样品 , 热水交代成因方柱石成分环带显示从中心到边部从早到晚 Na ,Cl含量 逐渐升高;成矿中晚期形成的方柱石成分环带刚好相反,从中心到边部Na ,Cl含量逐渐降低。这可能与 热水喷溢进入海底后形成的双元水体结构造成的底水介质周期性变化有关。在成矿作用早期,海底热水 活动过程中底水中Na ,Cl含量是逐渐富集的,至主成矿阶段,Na ,CI含量也达到最大值;到了成矿作用中 晚期,随着热水作用的减弱,海水中Na ,CI的含量也逐渐降低,从而不同期成矿热水对先成矿物钠长石的 交代就形成了两种截然不同的方柱石成分环带。 3. 3 硫同位素组成 在硫同位素单矿物样品采集中,为了排除后期叠加改造作用的影响,笔者从底板围岩通过矿体到顶板 351第2期 端木合顺 沉积喷流型矿床热水沉积旋回及其地球化学特征 围岩进行系统采样,从中挑选出同生期矿物颗粒作硫同位素组成分析。黄铁矿和方铅矿δ 34S 值均出现了 从较低值底板围岩变化至较高值主矿体再到较低值顶板平行铅矿体的变化。19件分析样品表明, 13号矿体下盘围岩δ 34S黄铁矿平均为 1. 27‰,δ 34S方铅矿平均为 2. 85‰,13号矿体δ 34S黄铁矿平均为 17. 79 ‰,δ 34S方铅矿平均为 10. 82‰. 表2 岩矿石中元素、 氧化物比值据表1计算 Tab. 2 Ratio of element and oxide in ore body and the surrounding rocksaccording to table 1 地质位置岩石类型Fe Mn/ TiSiO2/ Al2O3SiO2/ MgOSiO2/ K2O 上盘围岩 铁白云质千枚岩10. 032. 8643. 5912. 87 绿泥绢云千枚岩10. 292. 8154. 3811. 42 矿体 条带状含铜银矿石14. 453. 16518. 88 浸染状含铅银矿石27. 483. 394122. 52 下盘围岩含碳铁白云质千枚岩9. 222. 872513. 56 表3 方柱石电子探针分析 Tab.3 Electron microprobe analysis of scopolite10 - 2 产状样品数环带SiO2Al2O3FeOMgOCaONa2OK2OCl其他总量 矿体上部钠长岩3个样品平均 中心54. 4822. 960. 240. 028. 138. 950. 503. 100. 7097. 81 边部55. 0123. 690. 740. 118. 118. 640. 542. 990. 6899. 47 矿体下部钠长岩2个样品平均 中心52. 9525. 500. 090. 0812. 497. 420. 452. 150. 48100. 09 边部54. 5524. 840. 060. 0310. 388. 510. 523. 320. 64101. 07 测试单位西安矿产研究所;分析条件电压15 kV ;电流20 nA;束斑3μm ,ZAF校正;J EOL - 733电子探针仪定量分析。 银洞子矿床主矿体上部分布的小铅矿体δ 34S 值很低。小铅矿体中δ 34S黄铁矿为 1. 91‰ ～4. 61‰,平 均3. 46‰,δ 34S方铅矿为 - 1. 69‰ ～2. 36‰,平均0. 79‰,与主矿体的硫同位素组成相差甚远。小铅矿体 与主矿体地质特征相同,铅同位素组成一样,二者均位于206Pb/ 204 Pb 17. 900～18. 200 ,207Pb/ 204 Pb 15. 550～15. 750 ,208Pb/ 204Pb 37. 900～38. 500 的狭小范围内[22 ,23],说明小铅矿体与主矿体具有相同的 物质来源和成因。小铅矿体的δ 34S 值变低与成矿后期成矿盆地由封闭变为开放,硫酸盐的还原速度由快 变慢有关。即柞-山成矿盆地从早到晚逐渐由开放变为封闭,至成矿后期又由封闭转化为开放;硫酸盐还 原速度、 硫化物沉淀速度也由快变慢。 4 结 论 1 热水沉积旋回反映了热水沉积作用过程中盆地古流体的演化规律; 2 热水沉积旋回结构层中的地球化学标志具有相应的空间变化规律; 以上特征可以为建立热水沉积矿床勘探模式提供依据。 参考文献 [1] 翟刚毅,徐 强,杨志华.东秦岭沉积盆地演化中的成矿作用[J ].矿物岩石,2001 ,203 51 - 55. [2] 杨志华.边缘转换盆地的构造岩相与成矿[M].北京科学出版社,1991. 18 - 38 ;80 - 87. [3] 翟裕生,邓 军,宋鸿林,等.同生断裂对层控超大型矿床的控制[J ].中国科学 D 辑 ,1998 ,283 214 - 218. [4] 李 英,祁思敬.秦岭铅锌-金成矿带超大型矿床的形成条件[J ].西安工程学院学报,2000 ,22增刊 46 - 51. [5] 方维萱,卢继英.陕西银洞子 大西沟菱铁银多金属矿床热水沉积岩相特征与成因[J ].沉积学报,2000 ,183 431 - 438. [6] Rona P A ,Scott S D. A special issue on sea - floor hydrothermal mineralization , new perspecitive[J ]. Economic Geology , 1993 ,888 1 935 - 2 294. [7] 薛春纪,祁思敬,郑名华,等.热水沉积研究中的科学问题[J ].矿物岩石地球化学通报,2000 ,193 155 - 163. 451西安科技学院学报 2003年 [8] Rone P A. Hydrothermal mineralization at oceanic ridges[J ]. The Canadian Mineralogist - Sea Floor Hydrothermal Mineral2 ization ,1988 ,263 431 - 466. [9] Sangster D F.与火山有关的块状硫化物矿床[J ].国外矿床地质,1985 ,增刊 1 - 37. [10] 周永章,涂光炽,Edward H ,等.粤西古水剖面震旦系顶部层状硅岩的热水成因属性岩石学和地球化学证据[J ].沉 积学报,1994 ,123 1 - 13. [11] 张复新.铁白云石硅质岩的海底喷流沉积成因特征[J ].西北大学学报,1987 ,3 35 - 43. [12] 薛春纪,马国良,隗合明,等.东秦岭泥盆系似碧玉层纹钠长石岩的发现与研究[A].中国科学院矿床地球化学开放研 究实验室年报[C].贵阳贵州科学技术出版社,1990. 1 - 11. [13] 方维萱.秦岭造山带古热水场地球化学类型及流体动力学探讨[J ].西北地质科学,1999 ,202 17 - 27. [14] 陈先沛,高计元,陈多福.热水沉积作用概念和几个岩石学标志[J ].沉积学报,1992 ,103 78 - 85. [15] 夏学惠,刘昌涛,闫 飞.河北兴隆地区硫化物黑色页岩地球化学及海底喷气成因研究[J ].地球化学,1999 ,285 496 - 504. [16] Bischoff J L. Red sea geothermal brine deposits[A]. In Degens E T ,Ross D A. Hot Brines and Recent Heavy Metal De2 posits of the Red Sea[C]. New York Springer - Verlag ,1969. 338 - 371. [17] 涂光炽.中国层控矿床地球化学第二卷 [M].北京科学出版社,1987. 1 - 42. [18] Sean A Guidry , Henry S Chafetz. Factors governing subaqueous siliceous sinter precipitation in hot springs examples from Yellowstone National Park , USA[J ]. Sedimentology ,2002 ,496 1 253 - 1 267. [19] Kathleen A Campbell , Rodgers KA , Brotheridge Jane M A , et al. An unusual modern silica - carbonate sinter from Pavlo2 va spring , Ngatamariki , New Zealand[J ]. Sedimentology ,2002 ,494 835 - 854. [20] 杜乐天.烃碱流体地球化学原理[M].北京科学出版社,1996. 342 - 371. [21] 陈德兴,林 兵.南秦岭泥盆系层状层控锌-铅成矿带成矿地球化学[A].秦巴区域地球化学文集[C].武汉中国地 质大学出版社,1990. 168 - 192. [22] 朱上庆,黄华盛.层控矿床地质学[M].北京冶金工业出版社,1988. 213 - 230. [23] 李延河,蒋少涌,薛春纪.秦岭凤-太矿田与柞-山矿田成矿条件及环境的对比研究[J ].矿床地质,1997 ,162 171 - 180. Geochemical characteristics and hydrothermal deposit cycling of sedimentary eruption ore deposit DUANMU He2shun Dept. of Geology and Environment Engineering , Xi’an University of Science and Technology , Xi’an710054, China Abstract Sulfide multi2metal deposit in Yindongzi is a sedimentary eruption ore deposit , since upper adding and alteration is very weak. It preserves hydrothermal syn2sedimentary feature perfectly and makes integral record of evolvement sequence of hydrothermal fluid activity , so it is an ideal inartificial laboratory to study basin ancient fluid. In longitudinal way , hot water sedimentary body in mine changes into a series of small rhythm laminea and constitutes an integral structural bed of cycling whose hot water sedimentary layer thick2 ness is from small to large to small. This structural bed of cycling is composed of three parts , the bottom is carbonic phyllite in which bearing sphalerite , the middle is No13 main stripped rich ore2body , and the top is Fe2dolomite phyllite in which bearing galenite , which reflects the evolvement sequence of hydrothermal fluid activity. Meanwhile , the content of Al2O3,MgO ,Na2O and K2O and the ratios of Fe and Mn to Ti , SiO2to Al2O3, SiO2to MgO , SiO2to K2O , the variety of scopolite’s component and sulfur isotopic composition in pyrite and galenite change with similar cycling pattern in hydrothermal sedimentary cycling rock. Key words hot water sedimentary body; hydrothermal sedimentary; cycling; petrochemistry sulfur isotopic 551第2期 端木合顺 沉积喷流型矿床热水沉积旋回及其地球化学特征