黑色岩系成矿作用及其相关金属矿床找矿.pdf

黑色岩系成矿作用及相关金属矿床找矿 单卫国1 钟维敷1 宋懿红2 段 辉2 收稿日期 2004201215. 作者简介单卫国1964～ , 男,江苏南通人,高级工程师,从事地质矿产科研和管理. 1 1 云南省地质调查院,云南 昆明 650011; 21 云南地矿资源股份有限公司 曲靖公司,云南 曲靖 655000 摘 要诸多矿床的形成和产出与黑色岩系、特别是有机质岩石有不可分割的关系,表现 为矿床与黑色岩系的空间相关性。有机质包括微生物在成矿元素的活化、迁移、富集以及 矿石矿物的结晶等方面起重要作用富集过程中金属硫化物可以直接置换有机质,有机质还可 以作为还原剂存在于含矿热液。石油固化为沥青过程中,金属元素沉淀的不同阶段有不同的作 用早期以还原作用为主,而晚期则出现氧化过程,沥青在此阶段也由均质体变为各向异性体, 内部的化学组成也随之发生变化。黑色岩系矿床勘探中,目标层位的选择要考虑的因素有有 机质的丰富程度,有用组份的初始富集程度,目标层位内部的岩石组合。同时还要考虑区域成 矿地质背景和热液通道 构造控制因素。 关键词黑色岩系;黑色岩系矿床;成矿作用;找矿 中图分类号 P61112 文献标识码 A 文章编号1004218852004022125216 Agricola 1556首次描述了沥青质页岩与波兰西南部Lubin地区的 Kupferschiefer铜银矿 的空间关系。近几年,黑色岩系特别是有机质成矿与找矿已经成为上世纪末的一个新热点, 国际地科联还专门设立了第254项研究课题 Pa ˝ava , 1996 ,即“黑色页岩成矿metalloge2 ny of black shales” 。除传统的有机质矿床如石油、天然气、煤、磷矿外, 现在已经有研究表 明一些金属、贵金属据范德廉等1999年的不完全统计,包括金银铜铅锌锡铂钯等在内 已有27种矿床形成的各个阶段也存在有机质的作用,形成了众多大型超大型矿床 An 2 drew P1Gize , 1999 ,如密西西比谷型Mississipi valley2 type 铅锌矿、卡林型Carlin2 type 金 矿、库普夫契夫型Kupferschiefer2 type 铜银矿及穆龙套式Muruntar2 type 金矿等,而热液 硫化物矿床的形成与黑色岩系主要是富炭质有机质沉积岩的关系最为密切,火山岩中发育的 矿床如智利的曼托型铜矿等也与有机质有成因联系。本文旨在讨论与有机质有关的黑色沉积 岩的金属硫化物矿床成矿作用,并在此基础上阐述金属成矿特征,以期用于云南类似矿床的 寻找与勘探。 11 黑色岩系与黑色岩系矿床 111 黑色岩系 黑色岩系,指含有机碳 C 有机含量 ≥ 1 、硫化物的暗灰～黑色的各类沉积岩含沉积 2004年第23卷 第2期125～139页云 南 地 质CN53 - 1041/ P ISSN1004 - 1885 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图1 卡林金矿Alligator岭和Bald山地区综合地层柱状 Fig11 Comprehensive Stratigraphic Column of Alligator and Bald Areas of Carlin Au Deposit 反映卡林型金矿的含矿岩石和以钙质岩石为特征的地层。Alligator 岭地区的侵入岩目前还没有资料,此类侵入岩目前仅出现于北部的 Bald山地区以及Guadalupe 1 - Lv石油勘探井2000m深处 凝灰岩和相关的沉积变质岩。 岩石类型包括硅质岩、碳酸盐 岩、细碎屑岩、泥质岩、沉凝灰 岩及其与其它岩石组成的岩石组 合。 导致岩石黑色的原因是有机 炭、细分散硫化物及颗粒的超微 粒度,关键是有机质的多少。有 机碳的富集是在特定的环境背景 下通过一定的地质作用实现。 黑色岩系的形成。已经发现 的黑色岩系沉积环境包括有深 海和半深海、滞流海、泻湖滨浅 海、三角洲平原和沼泽、湖泊 等,这些环境的共同特点就是生 物含微生物的大量死亡和堆 积。 生物的大量死亡必须以巨量 发育为前提,在上述环境中可以 分为两类一类是狭生性生物生 长。在此类环境的泻湖和滞流海 中,以狭生性生物为主,物种单 调且出现异常发育,而出现某些 生物的巨量繁衍。而在深海半深 海环境中,则以微生物和厌氧生 物的大量繁殖为特征,此环境中 沉积物补给少,盆地处于饥饿状 态,很薄的沉积物可以有较长的 沉积时间,也可以出现大量生物 包括微生物的死亡。实际上无论 是泻湖、滞流海还是深海半深海 都是以某些生物的异常繁殖来实 现生物的大量死亡和巨量堆积 的。 另一类是广生性生物生长 包括滨浅海、海陆交互相及湖 泊,这类环境中生物物种丰富, 以喜氧的广适性生物为主,并出 621 云 南 地 质23卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 现大个体生物。生物繁殖程度快而产生大量死亡。 上述两类环境中生物死亡后,遇有利埋藏条件即得以保存而形成黑色岩系。 112 黑色岩系矿床 黑色岩系矿床Black Lithologic2series Deposit , BLD或有机质矿床Organic Deposit , OD ,系有机质参与或直接导致金属元素的迁移、富集形成的矿床。此类矿床,无论其形成 过程抑或产出空间、时间都与黑色岩系有关。 113 黑色岩系与矿床的关系 1黑色岩系有机质与矿源层 生物有机质在其生命的演化进程中,以其吸附、与环境的反应而使成矿物质产生初 步富集作用,形成矿源层。 对于矿源层中的金属物质的来源问题,因不同矿床的地质背景而异,不同的学者提出各 不相同的看法,归纳起来,成矿物质的来源应包括基底的岩石和矿床、沉积地层本身及含矿 热液和喷气等。来自基岩的金属物质最终得经过沉积作用进入沉积地层之中。因而,除含矿 热液及喷气外,矿源层的金属物质主要是沉积层本身。 云南东部金属、贵金属矿床发育的层位和岩石学特征分析,矿体出露层位多数与黑色岩 系或有机质有密切关系。即使在一个矿床中,矿体的出现部位也同样受生物或有机质富集层 位左右。二十世纪90年代以来,在卡林型金矿图1 , Jeffery B1hulen , 1999矿区还发现了 石油和天然气储层,并勘探出工业油气层。该矿区的7个容矿地层中有4个矿体直接产于黑 色岩系中包括寒武系神秘峡谷页岩和Dundorborg页岩、泥盆系～下石炭统的Pilot页岩和下 石炭统的Chainman页岩 , 另外还有2个含矿层发育于奥陶系Kanosh页岩之上。仅有下石炭 统钻石峰组上部的有机质富集层不含矿,奥陶系G oodwin灰岩中的金矿与有机质的关系尚不 明显。这类现象在云南众多矿床也有类似表现,如滇东古生代以来不同地层所发育的以铅锌 为主的各类矿床,其矿体产出层位大部分都位于生物富集层位附近。其中,下寒武统底部的 渔户村组、筇竹寺组为黑色页岩、粉砂质页岩含矿,矿种丰富,包括钼钒铀镍铅锌矿等。上 古生代发育的会泽铅锌矿即产于含黄铁矿生物碎屑灰岩有的为“臭灰岩”即沥青质灰岩 , 等等。说明生物对矿源层的形成起到了明显的作用,促进了成矿物质的初始富集。即使是无 矿区,相近地层的岩石地球化学特征也有类似反映。 ① 2矿体与黑色岩系的空间关系 许多与沉积作用有关矿床层控矿床的研究成果表明矿体的赋存部位与黑色岩系 有机质地层之间存在着空间上相伴出现的规律。一般有以下两种情况 ① 黑色岩系发育矿体。除上述卡林型金矿的多数金矿体发育于黑色岩系中外,国内外的 一些大型矿床也有类似表现,如Kupferschiefer型铜银矿图2 ;云南一些贵金属矿床也如 此,如滇东地区铂钯矿化线索等。而大部分与有机质有关的金矿,一般都赋存于有机质层 中,如云南最近发现的金平地区金矿。此外,一些贱金属矿床,如湖南大坪镍钼矿及云南会 泽、德泽镍钼矿等,矿体赋存于牛蹄塘组底部渔户村组的黑色页岩中。此外,与火山喷 流有关的块状硫化物矿床,大部分也产于黑色岩系中。这一现象说明矿体的形成与黑色岩 721 2期单卫国等黑色岩系成矿作用及相关金属矿床找矿 ①云南省地质矿产局地球物理地球化学勘查队,云南省区域物化资料综合研究报告, 1990。 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图2 Lubin矿区的西Polkowice以东含贵金属地区氧化还原边界附近的地层柱状图 Fig12 Stratigraphic Column near Oxidation2Reduction boundary in Precious Metal Region , East of West Polkowice in Lubin Orefield 该地区氧化还原边界平行于黑色页岩与红色砂岩具表生红色褐铁矿晕的地层界线。黑色页岩和黑色 白云岩构成氧化还原体系的还原边,红色砂岩构成氧化边。A1 反映Cu、Ag、Au、Pd及Pt横跨此边界的 纵向变化; B1 反映此氧化还原边界附近自然金含量的变化; C1 反映主要贵金属矿物的垂向分布 系有机质富集地层形成的沉积背景有关,地层中发育的黑色岩系特别是黑色页岩多数属 于沉积速率缓慢、沉积物补给不足的盆地饥饿时期形成的凝缩段;盆地处于最高海湖平 面,沉积物表现为单层厚度小、生物富集,金属物质异常丰富、一种沉积可以在盆地大范围 对比。 滇东北地区的玄武岩型自然铜矿床是一类特殊的火山红层型 R 1V1Kirkham , 1984 ,这 类铜矿与有机质富集区有着密切的关系有机质包括沥青、有机炭富集区,铜相对 富集。 ② 矿体发育于黑色岩系有机质富集层之下现有的研究成果发现,这种赋存状态较 为常见,有色金属矿床尤为明显。过去云南发现的大型～超大型铅锌矿,包括会泽铅锌矿、 金顶铅锌矿等,还有最近发现的白秧坪铅锌银多金属矿图 3 均属此。 3黑色岩系矿床的时间分布 Kirkhem 1990研究表明矿床的形成时代可以与围岩同时 沉积矿床 , 但多数矿床 是在围岩以后形成广义的沉积改造矿床,即沉积主岩层状矿床, SSD。就云南而言,由 于成矿背景和成矿地质作用的差异,不同地区的成矿时代有所不同,但主要的形成时代为中 新生代。 4黑色岩系矿床金属矿床的主要矿种 黑色岩系矿床中目前已经发现的金属矿床的矿种很多,有色金属包括铜钼、镍、铅 锌等,黑色金属有铁和锰,贵金属有金、银、铂钯等。 ① 铜矿 包括库普弗契弗型、火山块状硫化物型铜矿等。波兰超大型铜银矿库普弗契弗 821 云 南 地 质23卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图3 云南兰坪白秧坪银多金属矿区剖面图 Fig13 Section of Baiyanyping Ag Polymetallic Deposit , Lanping 11 古近系宝相寺组红色岩屑长石石英砂岩, 21 上三叠统三合洞组深灰色生物碎屑灰岩, 31 断裂, 41 矿体编号, 51 厚度m Cu 10 - 2 | Ag 10 - 6 , 61 钻孔编号 孔口标高 型铜矿规模最大,铜平均品位2ω、储量68106t ,伴生银品位4010 - 6、储量 17104t , 此外还伴生铅锌、铁及铂钯等有用金属元素,个别地段贵金属铂钯可形成品位极高 n ～n10 g/ t 的独立矿床 H 1Kucha和I1R1Plimer , 1999。部分学者将与玄武岩有关的铜矿也归于黑 色岩系矿床,但对其的认识各不相同。笔者认为判断是否是黑色岩系矿床的重要标志在于 成矿过程中有机质作用是否贯穿于整个过程,不同的矿床应进行具体分析。 ② 铅锌矿 以密西西比谷型Mississippi Valley - Type铅锌矿为代表,如秘鲁中部利马 地区的圣韦森特San Vicente特大型铅锌矿,矿床平均品位Zn为10ω、Pb为018ω , 储量为20106t Fontbote等, 1995。 ③ 银矿 以中国西部兰坪白秧坪型Baiyangpin - Type银多金属矿为代表图3 ,为 近年新发现,初步控制储量银大于7103t、铜大于50104t、铅锌近150104t、钴1 544t。 ④ 金矿 以卡林型和穆龙套型金矿为代表。其中美国内华达州卡林金矿,至1965年仅 921 2期单卫国等黑色岩系成矿作用及相关金属矿床找矿 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 罗伯茨山逆冲断层的构造窗即控制金品位为913g/ t的金矿石11106t ,整个矿区贵金属的储 量至少有80106盎司Christensen , 1993。 黑色岩系矿床的其它矿种还有很多,不一一列述。 21 黑色岩系矿床的成矿作用 早在上世纪70年代, I1D1Saxby 1976就否定了Krauskopf 1955“有机质是重建金属 沉积环境的主要的障碍”的论点,进一步指出铜、银、铅锌、铀钍、金及铁锰等金属矿石与 有机质之间存在着某种关系。这些金属矿石的形成,往往需要特殊的阳离子与适当的阴离子 结合,才能形成异常高的浓集。下面对这种异常浓集过程进行分析,说明金属和贵金属与有 机质之间的关系和成矿作用。 211 有机质中金属元素变迁 有机质使金属元素富集的路径,主要包括生物的物理作用和化学作用两个方面,而且在 成矿的不同阶段各不相同。 1金属元素与有机质的结合初步富集 生物机体中存在金属元素的事实已经成为地学界和生物界的共识。笔者研究了兰坪白秧 坪地区上三叠统三合洞组的地球化学特征,发现 Pb , Zn , Ag平均含量分别是该区其它地 层的5、10和11倍。其中的生物碎屑灰岩和灰黑色硅质岩中的含量又是整个三合洞组的10 倍。正是因为生物的作用,促使本区铅锌银金属元素的高背景。Boychenko等1968指出 仅仅在植物体内的Cu , Co , Mn , Mo , Ni , Zn总量就比矿体的还多。近期的研究进一步说 明,包括植物、动物及微生物在内的生物,对许多金属元素如Ag , Al , Au , Ba , Bi , Cd , Cr , Cs , Cu , Fe , Ga , Mn , Ni , Pb , Ti , V , Zn等都具有惊人的富集能力,富集系数从n 100～n105殷鸿福等, 1999。 金属元素与有机质的结合,即金属元素有机质初步富集,可以通过以下几种途径实现 ① 物理吸附收作用 成矿作用过程中的碳,特别是活性碳,由于其内部特殊的结构 多孔结构,而可以提供比一般物质更多的表面积,以利于金属物质堆积。因此,活性炭对 于分散的金属元素,具有较强的吸附能力Landais和Gize , 1997。微生物在生存期可从周 围如水、空气、岩石等介质中选择性吸收或吸附某些元素,储存于有机体内使之成为有机体 组织的一部分;动植物一方面通过粘合或静电吸附作用使金属元素或金属 有机化合物 直接聚集于生物细胞表面,或使其成为组织、器官的一部分;另一方面,一些以微生物为食 物的生物还可以通过食取已经吸附收有金属元素的微生物,使这些元素再次富集。 ② 有机化学作用 这种作用的结果导致金属有机化合物的形成。生物学研究表明与某 种有机配合基结合的金属存在于所有活的物质中,并有可能形成异常富集Vinogradov , 1963 ; Peterson , 1971。不同金属元素与配位基的结合具有选择性 表1 ,也就决定了不同 生物与不同金属结合的能力。 031 云 南 地 质23卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表1 与金属元素结合的常见配位基及结合能力的变化 Tab11 Usual Coordination Base and V ariation of Combination Capacity with Metallic Elements 元 素易结合的配位基 Fe卟啉、咪唑、- NHNH1R2S、- S-、- COO-、- O-、 PO4 - Mn- COO-、 PO4 - 、咪唑 CuNH2、NH、R2S、S- ZnNH2、NH、R2S、S- MoNH2、NH、R2SS- 结合能力 → 结合能力变弱 据Bowen , 1966和Williams , 1967综合 天然水中溶解的金属,可以通过与适当的有机配位基反应,形成金属 有机化合物。它 们可以直接并入沉积堆积中,或者被粘土和其它表面积大的矿物所吸附,而在沉积盆地中聚 集。形成金属 有机化合物金属络合物的途径有三种 一是水中存在的各种有机分子不同环境水中的有机分子浓度不同 , 能够通过包括氮、 氧、硫原子在内的配价健与许多金属相结合,形成包括氨基酸、其它有机酸、醇类以及含 氮、硫的杂环化事物。这一形成机制已被Kranz 1968对热液成矿溶液中的气液包裹体的 研究所证实。 二是在温度不高的条件下,有机流体的存在可以降低矿物和岩石的稳定性,使碳酸盐、 硅铝酸盐等矿物溶解,如含特殊有机配位基的渗透水对某种矿物的选择性侵蚀作用 Ba 2 keer , 1973等,使其中所含的微量金属元素释放出来 ,形成可溶的金属 有机络合物或各 种胶体而实现长距离迁移。 三是含炭物质与溶解在渗滤地下水、热液中的金属或金属络合物反应。早在70年代, Martin和Bessot 1966发现由于炭质页岩将地下水中可溶U 6还原为 U 4而沉积。另一方 面,在有低变质程度腐植质的地方,铀还可以结合为铀的腐植酸。以后的研究表明,含炭物 质可与之结合的金属种类增多,包括许多贱金属和一些贵金属,均可以与之结合形成金属络 合物。 当有机质存在时,金属的溶解度大为提高,方铅矿和闪锌矿的溶解度实验表明,当温度 在190C～200C ,分别测定PbS和ZnS在各种介质溶液中的溶解度发现,在中性及有机质存 在的溶液中,其溶解度与仅有氯化钠存在的溶液中的溶解度相比高几倍到几十倍。 随着有机质成矿作用研究的深入,对这种选择性侵蚀作用的发现越来越多。其中,参与 侵蚀或风化作用的配位基有水杨酸、二氧代卜糖酸和三磷酸腺甙等。还发现天然有机酸腐 植酸对Cu , Al , Fe , Pb , Zn , Au这类元素的风化和搬运过程中是有效的作用剂。腐殖质 的氨基酸络合作用,可以从金属不溶盐中溶解出大量的金属达682mg/ g。A1 辛格 Singer等用腐殖酸对玄武岩进行溶解,发现几乎所有的元素,在被溶解初期的溶解度均大 幅度上升,然后溶解速度变缓。同时根据相对萃取量的大小获得不同元素腐殖酸的溶解能力 131 2期单卫国等黑色岩系成矿作用及相关金属矿床找矿 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 排序 Cu Zn Mn Cr Ni Al Fe Mg Ca。值得注意是,自然状态下的腐殖酸作用远 比实验室中强烈得多,主要原因是腐殖酸在为生长在玄武岩衍生的土壤上的植物提供微量养 分方面起到重要作用,进而促进腐殖酸的形成,且不断叠加,加剧了腐殖酸对其中金属元素 的萃取。 212 金属硫化物和自然金属与有机质的分离 生物生命结束,有机质或炭质发生自变质,致使原有的平衡被破坏,原有的金属络 合物金属 有机化合物也将在此条件下发生变化。其中有机质部分的变化将在下面进一 步说明,金属元素的变化可以形成多种多样的物质形式,而与成矿有关的主要是金属硫化物 和自然金属的形成。 1硫化氢 硫化氢的形成过程与细菌等微生物的作用有密切关系。硫是植物生长所必 需,而海底硫的出现与大陆的各种风化淋滤作用有关,也与海底火山喷发有关。大陆的各种 风化淋滤作用促使岩石中硫以溶解状态如硫酸盐形式搬运进入海洋。另外,海底火山喷发过 程也会伴随自然硫的喷发,这就聚集了足够的硫酸盐为植物所吸收。而大部分动物则可以从 植物及其他动物和细菌得到它们所需要的硫。硫酸盐及硫均可在微生物的作用下形成硫化 氢,其形成方式有 在一定环境条件下,细菌分解动植物残骸,并以硫化氢的形式释放出来。这种方式是盆 地硫化氢形成的主要方式。 一些细菌如硫酸盐还原菌,还可以通过硫酸盐同化还原作用assimilatory sulfate reduc2 tion 直接将硫酸盐还原成硫化氢 CaSO4 CH3COO→HCaCO3 H2S H2O CO2,在碳酸钙 出现沉淀的同时释放出硫化氢Nealson , 1983。 厌气菌如脱硫菌在其生命过程中就能将SO4还原成H2S ,是因为含有氢化酶。此酶 是一种氢元素还原硫酸盐的生物催化剂,只要有氢存在,生物化学反应极为迅速,如4H2 SO4 - 2H 脱硫菌 4H2O H2 S 阎荷瑞等, 2000。 2金属硫化物的形成 金属硫化物的形成可有各种各样的途径,有机质随环境条件改 变对金属硫化物形成作用也各不相同,特别是在低温和中高温条件的作用有明显区别,但无 论何种条件,金属物质的原始状态可以是卤化物氯化物、溴化物、碘化物或者是它们的复 合体、有机化合物、络合物等,有机质对金属硫化物的形成起还原作用,只是不同阶段所 起的作用有差异。 动植物死亡后、埋藏前在静海湖盆地条件,特别是在沉积物顶部几厘米地段发生的 生物化学作用,包括由于细菌对含碳物质的作用下,将释放出甲烷、硫化氢及氨等气体,而 含蛋白质物质发生水解作用而成为可溶性物质。这种作用的结果,除形成新的有机质外,还 使环境趋向于还原,含矿流体金属络合物或其它化合物如氯化物、硫酸盐及亚硫酸盐等 在新的环境中,由于非生物还原作用而发生还原,如 CH4 ZnCl2 SO42 -Mg2 3CaCO3→ZnS CaMg CO32 2Ca2 2Cl - H2O 2HCO3 - 此外,地表条件下生物对金属元素富集作用的形式,还有一种物理和化学吸附,形成的 矿床较多,张立生2001列举典型矿床有瑞典的兰斯塔德含铀黑色页岩,哈萨克斯坦晚 元古代和寒武纪含钒页岩及中国中西部早寒武世筇竹寺期含钒、镍、钼、金及铂族元素的黑 231 云 南 地 质23卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图4 华南地区铜镍矿形成的地球化学模式 Eh 和Ph值反映了当时大致的地球化学条件 Fig14 Geochemical Model of Cu2Ni Deposit ation in South China 色岩、页岩等。 里卡德等1975 在瑞典密西西比型莱斯 瓦铅锌矿中直接鉴定出 一系列的正烷烃 C 18 ～C27和角鲨烯,其 最大含量可达100 10 - 6 ,占可萃取 物 的 10 ,进一步说明有机 质对此类矿床形成的直 接作用。 一般意义上,金的 化学性质属不活泼类, 但如果有生物存在,金 在生物地球化学条件下 是非常活泼的,地表就 可以被溶解。众所周 知,岩石和地层中含有 痕量金,如在地表、有 微生物和真菌存在时形 成腐殖酸,使金溶出并 富集,地表浅部和土壤 中金的含量大幅度增 加,最终形成红土型 金矿。 生物尸体被埋藏, 温度的增高及埋藏深度 的增加,水和有机质脱 羟而形成的二氧化碳一 起从富金属的沉积物中 逐渐丢失。此阶段的末 期,如原来的物质含氢低即陆源 , 那末有机质在化学上就和高挥发份的烟煤类似;如果 沉积物中的氢含量高海源 , 有机质在化学成分上就和油页岩干酷根类似。随着盆地的持 续沉降,围岩温度也会由此增高,当达到100C或者更高时,有机质即发生热降解。此过程 中粘土矿物可能起着催化作用而加快这一降解过程。有机质中的甲烷和其它烃类挥发份将逐 渐析出,有机残留物使沉积物颜色加深。有机质的脱水使金属硫化物开始缓慢结晶。这一过 程归纳起来有以下几种方式 ① 金属硫化物直接置换有机质。D1A1Lott等1999在研究中国西南和南部与筇竹寺组 331 2期单卫国等黑色岩系成矿作用及相关金属矿床找矿 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 黑色岩系有关的镍钼矿床时发现一些贱金属,可以因为有机质的存在,而从下伏灯影组的 叠层石碳酸盐岩中滤出,进入含镍钼的含矿溶液中。随着有机质在盆地的一些部位堆积,一 般会导致和保持盆地中氧的异常或缺氧环境,说明黑色页岩中含有丰富的硫化物和一些硫酸 盐如重晶石形成。在这种Ph和氧化还原电位条件下,有机质如蛋白质等物质的分解而有利 于水成磷酸盐的形成,同时因为沉积物上部的海水氧化还原条件的波动,而出现碳酸氟酸盐 颗粒沉淀。有机质相与硫的相互作用,使环境的Ph出现变化 Ph值下降,可能引起有机质 碎屑被硅质假晶置换; Ph增高,就会引起局部方解石的沉淀图 4 。无论是方解石还是磷 灰石,它们的显微结构上均保持藻、蓝藻菌、真细菌及其它生物碎屑的分子结构,镍钼金属 硫化物同样也会出现微化石的假晶。 ② 有机质作为还原剂存在于含矿热液。有机质在金属矿物形成过程中的关键是金属和 硫。扎克和多贝斯1991研究捷克的普瑞布拉姆铀矿发现,其成矿温度仅为80C～140C , 且低盐,在这种温度条件下,动力抑制硫酸盐的非生物还原是有限的。但是,在含铀溶液中 有机质流体的氧化作用可以减少溶解分子氧的数量,而使其对金属元素的富集能力数倍增 加。如澳大利亚的不整合型铀矿中,由于有机质的存在,大气分压力氧饱和流体在这一氧化 过程可以将铀富集至 10 ～100010 - 6 Jaireth , 1992。 ③ 石油固化为沥青过程中金属元素的沉淀。南美洲的一些火山红层型铜矿,如智利El Soldada铜矿等,多数不同程度地发育有机质,尤其是沥青丰富,其中发现的矿石矿物组合 也与有机质有密切成生联系。一般可以分为两个阶段Wilson和Zentilli , 1999 第一阶段低温 100 C 组合。与沥青石油有关的矿物以黄铁矿为主,占99 , 并以草霉状、球粒状自形黄铁矿颗粒为特征。另外还有微量黄铜矿和闪锌矿。球粒状黄铁矿 的形态、直径与草霉状黄铁矿相似,通常具不规则边缘和大量“空隙”,说明球粒状是由草 霉状黄铁矿演变而成;草霉状黄铁矿呈环脉状分布于沥青球体周围,说明黄铁矿生长于石油 球状体的外边,石油固化为沥青时出现体积收缩,收缩的空间即为黄铁矿充填,黄铁矿的环 脉即代表石油球状体的原始直径;石油充填于大体积空隙时,体积收缩的另一个表现是出现 收缩裂隙,这些规则的裂隙可为脉石矿物、矿石矿物充填,此时的沥青可出现在中晶～微晶 颗粒之间;出现大的空隙且完全为沥青充填时,也可以包裹整个黄铁矿霉球体。微量的闪锌 矿在一些标本中可以包裹草霉状黄铁矿,同时闪锌矿中还会出现黄铜矿包含物。这些结构说 明黄铁矿形成时石油还处于液态,闪锌矿则是草霉状黄铁矿形成之后沉淀的。 第二阶段矿物形成组合。据分析, El Soldado铜矿第二阶段形成时间要比第一阶段的 石油进入成矿系统晚20Ma。因此,第二阶段的铜矿化作用形成的铜硫化物矿物组合,可以 切割和交代早期形成的黄铁矿,并使沥青发生热蚀变。矿化流体与沥青之间的化学反应促使 铜硫化物沉淀,形成第二阶段的矿物组合主要有;黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿及少量铜蓝。无 论在矿体的那一分带,这些矿物的重点特点除自形晶外,仍然还有一部分第二阶段的矿物保 存球状或者草霉球状的外形,矿体的一些部位、特别是下部仍然可以发现草霉状黄铁矿,说 明这类矿物是含矿流体对黄铁矿的交代而成。此阶段,除方解石、绿泥石英、钾长石和石英 外,与铜矿形成有关的脉石矿物还有赤铁矿和磁铁矿。赤铁矿一般与沥青相伴出现,常呈环 脉状发育于沥青的周围,并沿裂隙充填于沥青颗粒内部。一些矿石矿物如斑铜矿、辉铜矿, 既可以围绕赤铁矿,又可以反过来被赤铁矿所包裹;磁铁矿一般呈自形～半自形包含于斑铜 431 云 南 地 质23卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 矿 辉铜矿之中,也可以为赤铁矿所包裹。沥青出现热蚀变,由矿体的核部向边缘反射率增 加、由均质体改变各向异性体外,化学成分也发生了明显改变,一般由均质体向各向异性体 变化 Cu增加, Pb2Cl减少, Fe的含量变化不大。 许多专家认为,沥青由于其内部多孔的特殊结构而具有巨大的表面积600m2/ g～ 1500m2 / g 。对于金属堆积而言。这种特殊结构可以看成活性炭为金属提供规则的场所。另 外,不同地质环境中,液态石油的固化和随之的排气作用都会引起沥青粘力破裂,形成不配 对电子负电荷。因而,活性碳具有吸收溶液中低浓度金属元素如 Au 和还原氯化物、 溴化物、碘化物复合体中的金属元素的能力Dissanayake , 1993 ,致使沥青在成矿系统中既 能作为金属元素的聚集介质,又是含矿液体中金属元素沉淀的理想还原剂。 先期形成的沥青,在其流动的过程中还吸附和吸收了一些金属元素,产生早期矿物组 合,包括黄铁矿和少量的黄铜矿。此阶段,沥青与含矿溶液间由于温度低等因素,基本上没 有或者只有很少的化学反应,生物特别是微生物的作用明显,其环境温度一般不会超过 70C ,按正常地温推算成矿系统处于2km～3km深。溶液随着流体在进行垂向和侧向循环的 过程中,与岩浆活动形成的高温热液混合,不断地在含矿围岩中萃取含铜物质而形成含矿热 液。一旦含矿热液与黄铁矿沥青的混合体接触,含矿热液的环境即发生改变。此过程中, 以黄铁矿为主的矿物群、沥青在成矿系统中作为还原剂,当氧化的富铜流体进入该组合时, 黄铁矿在不增加硫的情况下被黄铜矿置换。当成矿系统中部分黄铁矿被完全置换,矿化流体 的氧气活性ao2会因早期矿物组合发生改变而增加,并出现沥青与黄铜矿组合。矿化流 体与沥青发生化学反应、沥青的化学组分发生改变的同时,其还原能力进一步增强,促使黄 铜矿被斑铜矿和继之的辉铜矿置换。与之对应,金属元素被还原的过程中,沥青被氧化形成 CO2,系统中沥青体积进一步缩小,其占据的空间为金属硫化物代替。沥青氧化形成的CO2, 既可以从系统中逸出,也可以方解石的形式沉淀。同时,先成的黄铁矿因为氧化作用,铁质 也会从系统中析出,出现赤铁矿沉淀。 就目前所掌握的资料看,滇东北地区玄武岩型自然铜矿床也反映出类似的结构构造,有 机质对矿体的形成必然也起到重要的作用。 31 寻找黑色岩系矿床 综上所述,有机质在成矿中的作用可分两种一是有机质形成期对有用金属组分初步富 集,形成广义的矿源层;二是后期成矿过程中,有机质作为还原剂而起作用。据这两点基本 考虑,笔者认为在选区和矿床勘探过程中有以下问题应予关注。 311 目标层位 选择目标层位要考虑的因素有机质丰富程度,有用组份的初始富集程度,目标层位内 部的岩石组合。 黑色岩系矿床的寻找首先应认定高有机质含量层位。一般意义上的黑色页岩与板块构造 演化有着密不可分的关系,如早古生代早期全球性的海底基性2超基性火山喷发,使全球 出现大面积的海平面上升和海侵,为环绕大陆周缘的活动海槽或边缘海、陆架海带来了大量 的大洋深部营养物质,引起海洋生物繁盛,为早古生代初期中国南方形成黑色页岩建造打下 了物质基础单卫国, 1997。广义的黑色岩系与黑色页岩建造存在一定区别,但可以肯定 531 2期单卫国等黑色岩系成矿作用及相关金属矿床找矿 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 的是按照目前通行的界定,黑色岩系的形成背景要比黑色页岩广得多。经过数十年的地质 工作,对不同地质体中有机质含量已经取得了相当丰富的资料。以云南为例,在扬子地台区 及其相邻地区,有早元古代的大红山群、中元古代的昆阳群美党组、震旦系灯影组、下寒 武统、志留系底部、中上泥盆统和中下石炭统、下二叠统及上、下三叠统等均表现出有机质 含量较高的特点云南省区域地质志, 1990。这些地层不仅有机质含量高,而且其分布从 盆地内部至边缘、陆相至海相均有发育。目前在这些层位中的一部分已经发现了一系列与有 机质有关的矿床。更为重要的是经过研究,云南一些重要矿床的形成与有机质的作用有密 切的关系,如会泽铅锌矿等。 岩石地球化学元素含量的高低,可以代表岩石形成过程中的对金属元素的初始富集作 用,因而目标层位的地球化学背景是最为重要的因素。根据云南省区域物化探资料综合研究 报告研究成果表明 Ξ 扬子地台区,不同层位岩石微量元素含量存在明显的差异, Cu主要富 集于侏罗系、上二叠统玄武岩、震旦系灯影组和昆阳群; Pb和Zn主要的富集层位为二叠 系、石炭系和志留系;昆阳群和石炭系等层位中还出现Ag的高背景。此外,上二叠统峨眉 山玄武岩存在多种向量元素的高背景,特别是 Cu , Cr , Ni , Co , V , Ti等元素,一般高出 其它层位一个数量级。除玄武岩外,金属元素的高背景均与上述的有机质高含量层位吻合。 早古生代早期渔户村组～筇竹寺组大面积分布的黑色页岩,由于被全区所有寒武系地层的元 素平均值而使之贫化,但微量元素富集已得到许多研究成果实证明,特别是V , Ni , Mo , U , Cr , Cu等的含量均高出其相邻地层1～2数量级罗惠麟等, 1982 ;张爱云等, 1987 , 同时还出现贵金属如铂钯的高背景。 纯属黑色岩系沉积直接形成矿床的种类,特别是金属矿床不多。除了铁锰矿,目前在云 南还发现有钒镍矿。绝大多数黑色岩系矿床的形成,应有其它地质作用、特别是热液作用的 叠加后才使得金属元素进一步富集。因而,热液作用是矿床形成的关键。黑色岩系内部及其 附近形成矿床,是否存在有利于热液形成的岩石组合,也是该类矿床形成的重要条件。这不 仅决定了热液类型,同时也会影响热液的运移。从现有黑色岩系矿床发育的地质背景分析, 有利的围岩主要是化学活动性强的岩石,如含盐类岩石包括红层,含石盐和膏盐等、镁 质碳酸盐类等。 312 目标区块 黑色岩系矿床勘探的目标区块选择,除了预测区域具备目标层位的一些要素,包括有机 质的丰富程度、有用组份的初始富集程度及目标层位内部的岩石组合等因素外,无论是何种 尺度的成矿预测,应重视以下两方面 1区域背景。有机质成矿作用区域地质背景,必须区分不