成矿演化轨迹

成矿流体演化~

冷水坑矿田发育两种矿床类型，即与次火山热液有关的斑岩型与沉积成矿叠加斑岩岩浆热液而成的叠生型矿床。可以看出，这两类矿床类型均与斑岩热液有关，这里对斑岩型矿床即斑岩成矿期的成矿流体的演化进行简要分析。
前已述及，矿田具有明显的蚀变分带与矿化分带，且矿化分带与蚀变分带具有显著的相关性，同时矿化的空间分带与成矿演化的阶段性也存在着紧密的联系。这一特点深刻地揭示了成矿流体演化的轨迹。
斑岩岩浆热液成矿期的铜矿化发生在成矿的早期，出现于较深部位，主要分布在斑岩体的底部，并多集中于矿田的西南部。在以铜矿化为主的部位，绿泥石化比较发育，向上或向外出现绢云母化带和碳酸盐化带，伴随铅锌矿化，向上至地表或斑岩体的接触带，发育碳酸盐化，并出现强烈的银矿化。这种分带性的特点，说明成矿热液自南西向北东方向运移演化，同时伴有成矿物理化学条件有规律性的变化。
铜硫化物成矿阶段，成矿温度为320～360℃，成矿压力为1.5×105kPa，氧逸度、硫逸度较高，流体呈酸性，K+，Na+和Cl-含量相对较高，Ca2+含量较低。在随后的铅锌硫化物成矿阶段，成矿温度在240～300℃之间，成矿压力、氧逸度、硫逸度逐渐降低，流体酸碱度略微升高，成矿流体K+，Na+和Cl-组分含量减少，Ca2+和Mg2+含量增高。在银铅锌硫化物成矿阶段，成矿温度在200℃左右，氧逸度、硫逸度不断降低，流体酸碱度持续升高，呈弱酸性，流体中K+，Na+，Mg2+和Cl-含量降低，而Ca2+，F-和 含量增高。因此，成矿从早到晚即从铜矿化→铅锌矿化→银铅锌成矿，成矿环境的温度、压力、硫逸度、氧逸度持续下降，而流体的酸碱度则不断升高，由酸性到弱酸性。从流体组分组成特点看，在铜硫化物阶段，成矿流体以富集KCl和NaCl为主；在晚期的银铅锌成矿阶段，流体中的Ca2+和 含量显著增加，同时，气相组分中的CO2含量增加迅速，此阶段的成矿溶液具有弱酸性特点。总体上，成矿流体来自于斑岩系统，而大气水(地下水)在整个成矿过程中均有不同程度的参与。从早阶段到晚阶段，成矿流体显示出酸性到弱酸性的变化，早期铜矿化为酸性环境，铅锌矿化为酸性到弱酸性的转化阶段，银铅锌矿化则为弱酸性环境。

前面列举的成矿演化的总趋势和阶段性，是受以下几种主要地质因素制约的。
1.成矿元素的地球化学性质
化学元素在地幔和地壳中的丰度和化学活性，对它们的成矿时空演化有重要影响。一些大丰度元素如Fe，Al，Ti等，只要因地质作用将其丰度富集十倍或几十倍，即可达到矿石品位，且有一定规模时，即成为矿床；而一些小丰度元素，如Hg，Sb，As，Ag等，则要富集到上万倍甚至十万倍，才能形成矿床。因此，前一类元素有可能经历一两次地质浓集作用即可成矿；而后一类元素则需要多次地质作用的反复浓集才有可能成矿。以铁为例，它是大丰度元素，在太古宙基性火山喷发广泛发育，铁的地壳丰度值很可能高于现代（据李志鹄估算太古宙时为8.6%，1987），其富集比相应小于现代值，因此，就构成了前寒武纪时能形成大量铁矿，得以成为铁矿集中期的物质基础。与铁类似，Cr，Ti，Co，Ni等元素也多在地史早期（元古宙—早古生代）成矿。而W，Sn，Be，Hg，Sb，As，Ag，Bi等元素则多在地史上的较晚时期，如中生代—新生代，才形成数量多、规模大的矿床。
元素的化学活性的差异性，也明显影响不同元素的演化轨迹。稳定性元素成矿后较易保存，不易再参加到大规模的新的地球化学循环中去。而化学活动性大的元素，一般易受热动力扰动，较易于参加到多种地球化学循环中去，经历多重富集作用而成矿。成矿后也较易再活化，而不易长期稳定地保存原状。
2.水圈、大气圈和生物圈的演化
地球表层的海平面变化、海水化学成分、大气成分和生命活动等因素，直接制约着地表的物理化学状态，因而就影响到不同类型矿床的形成和时空分布。可以古元古代与中元古代间的突变为例（约在1800Ma），这一间断大致相当于我国的吕梁（中条）运动时期，其特点是，在河流-三角洲相中，通常的碎屑状黄铁矿和沥青铀矿不再出现，苏必利尔型条带状铁矿的比重也明显下降，而代之以红层铜矿（如著名的扎伊尔-赞比亚铜带），而基鲁纳型海相火山-沉积铁矿和克林顿（Clinton）型铁矿也相继产出。这一新旧矿床类型的更替，与变价元素Fe，Mn，Cu，U有关，也即与沉积环境的氧化-还原状态的急剧变化有关。根据矿物共生组合特征，有理由推断这一时期的气圈和水圈中自由氧的含量剧增，CO2相对减少，生物活动在沉积过程中开始起到较明显作用。
生物和有机质的成矿作用研究对探讨成矿演化有重要意义。叶连俊（1993）曾精辟地指出：生物作用是“成矿时代成因的一个重要因素”。他还指出，中国和澳洲、印度、越南的一些磷矿主要产在新元古代到早-中寒武世，可能与当时海洋中菌、藻类微生物的一次空前繁茂及小壳化石第一次出现有关。震旦纪和寒武纪的蓝藻和叠层石通过其代谢作用富集形成了优质磷块岩。世界上工业铝土矿开始形成于晚古生代，可能是当时正是大陆上最早出现陆生生物的时代，有了植物及衍生的有机质，大大加强了表生风化作用，岩石组成包括硅也被大量淋失，最难溶的Al2O3得以残留富集在风化壳中而形成铝土矿床。晚石炭世及以后煤矿的丰富则与陆生植物的大量繁衍有关。
3.地球构造运动的演化
全球构造运动涉及核-幔作用和壳-幔作用、大陆聚散，以及大陆动力学等重大问题，其与地史上成矿演化的关系尚不很清晰。但总的可以认为，陆壳演化和成矿演化基本是同步的，可以概括出以下几点：
1）太古宙的高度活动性。陆核形成，原始地壳薄，很高的地热流值逐步降低，镁铁质火山活动广泛而强烈，形成大量与火山岩和火山-沉积岩有直接和间接关系的矿床（矿源层）。
2）元古宙稳定克拉通。在漫长的古陆形成并日趋扩大的过程中，非造山成因的富钾花岗岩提供了丰富的金属矿源，经过剥蚀风化搬运，在古陆盆地或陆缘裂谷中形成众多的铅、锌、铜等矿床，而在显著增厚陆壳中由幔源岩浆上升侵位而成的层状火成杂岩体中，则分异形成巨型的铜-镍、铬-铂和铁-钒-钛矿床。
3）显生宙板块构造运动开始了大地构造演化成矿的新纪元。在聚敛板块接合部，壳幔的物质显著交换，发育构造-岩浆-成矿带，广泛形成火山岩型、斑岩型、花岗岩型等矿床类型。在离散板块的伸展构造体制下，幔源物质上涌，地壳增生，形成蛇绿岩套，以及海相沉积有关的成矿系统；在大陆边缘的裂谷中，喷流沉积成矿作用普遍而强烈，形成大量的大型SEDEX矿床。
Goldfarb 等（2010）以 Meyer（1988）和 Barley 等（1992）的图表为基础，加以改编，提出了克拉通汇聚边缘和克拉通内的成矿演变趋势图（图8-3），图中表示了主要矿床类型在不同地质时期的成矿强度。

图8-3 克拉通汇聚边缘和克拉通内成矿演变趋势图

（据Goldfarb等，2010）
Goldfarb 等（2010）强调超大陆旋回（一个旋回3亿～5亿年），不同演化阶段（汇聚阶段、稳定大陆阶段、裂解阶段）由近陆缘到远陆缘所形成的主要矿床类型（图8-4）。
小结：成矿的演化是一个复杂、繁难但又有重要科学价值和实用意义的研究领域。一定类型矿床是特定大地构造环境的标志物，深入研究成矿演化的历史轨迹所得出的丰富信息将能加深对全球历史演化过程的认识；而成矿演化研究所总结提出的矿床在时间上的分布规律能为矿产勘查指明方向。为此，笔者建议加强对成矿历史演化的研究。除系统研究成矿演化的总趋势外，还应研究矿化在时间上的突变性、继承性、节律性等；同时，还要注意不同矿种、不同矿床类型在地质时间上分布的不均一性。

图8-4 不同构造背景和超大陆旋回形成不同类型的矿床

（据Goldfarb等，2010）
在我国各成矿期的研究中，当前应注重研讨元古宙成矿期及新生代成矿期。因为，元古宇在我国广泛出露，成矿潜力大；而对新生代成矿在过去重视不够，思路不甚开阔。在研究方法上应运用多学科交叉渗透，将岩石圈演化、地球表层层圈演化、大陆动力学和成矿动力学相结合，以求深入系统地认识地史上成矿作用演化的规律性。

在冲绳海槽，虽已实施了对现代海底热水成矿系统的动态观测，但因热水成矿过程是一个漫长而低效的过程，因此，热水体系的成矿热演化轨迹仍难以完整追溯，然而，海槽内部硫化物烟囱和矿石的结构构造和化学组成，有可能真实地记录热水体系的成矿热演化轨迹（图4-9）。

从本区3种主要硫化物矿石的Ag、Sb、As、Zn/Pb比值关系分析，Pb-Zn-Ba矿石具低Zn/Pb比值，Zn-Pb矿石具高Zn/Pb比值，而Cu-Zn矿石之Zn/Pb比值介于两者之间。不含As、Sb、Ag的硫化物Zn-Pb矿石与部分Pb-Zn-Ba矿石和Cu-Zn矿石，其Zn/Pb比值均与As、Sb、Ag呈负相关关系。这些矿石构成一个相关区带，它们的As、Sb和Ag可能不是以独立的As、Sb、Ag硫化物产出，而可能呈类质同象或微包裹体赋存于方铅矿等矿物中。然而，有相当部分的Pb-Zn-Ba和Cu-Zn矿石，因富含As、Sb、Ag硫化物，其As、Sb、Ag含量显著偏高，但其Zn/Pb比值却相当一致，变化于1.5～2.5之间，与冲绳海槽块状硫化物矿床的平均Zn/Pb比值相吻合。两类矿石在一致的Zn/Pb比值下出现As、Sb和Ag异常，可能揭示两类矿石至少又经历了一个以As、Sb、Ag为特色的成矿事件。据此推测，本区成矿作用至少可划分出4个成矿阶段，即Pb-Zn-Ba矿化阶段，Zn-Pb矿化阶段，Cu-Zn矿化阶段和As、Sb、Ag矿化阶段。

理论模拟计算表明，高位岩浆房或岩体加热的海水（热水），通常遵循低温—高温—低温的热演化趋势。日本黑矿流体包裹体研究表明，其热水流体同样具有类似的热演化轨迹（Pisutha-Arnond and Ohmoto,1983）。在冲绳海槽JADE热水区，热水体系的不同热演化阶段构成不同的烟囱类型和硫化物矿石。以重晶石为外墙的硫化物烟囱及Pb-Zn-Ba矿石，其重晶石稳定沉淀、闪锌矿出现“黄铜矿病”（黄铜矿交代闪锌矿所致）、矿石具低Zn/Pb比值诸事实，均说明Pb-Zn-Ba矿石代表着最早成矿阶段的产物，尽管主要金属硫化物堆积后又经历了低温As、Sb、Ag矿化的叠加。重晶石的流体包裹体均一温度为150～210℃，闪锌矿与黄铁矿共生要求最低温度为220℃，矿石缺少稳定的黄铜矿矿物相，均证实Pb-Zn-Ba矿石及硫化物烟囱形成于150～250℃范围内。

以非晶硅为外墙的硫化物烟囱和Cu-Zn矿石，可能代表着最高热状态下的热水成矿产物。闪锌矿内“黄铜矿病”大量发育，黄铜矿在矿石中稳定产出，温度高达320℃的热水流体通过烟囱不断排泄（Sakai et al.,1990），均证实Cu-Zn主矿带应形成于300～350℃范围内。

以溶解殆尽的石膏为外墙的硫化物烟囱和Zn-Pb矿石，其成矿阶段和成矿温度可能介于上述两者之间（图4-9），但其成矿过程可能相对短暂，没有经历以As、Sb、Ag矿化为特征的热水成矿活动。

因此，JADE热水区的热水成矿体系，可能是一个随时间推移强度不断强化的热水体系。尽管其目前仍处于最高热强度阶段，但热水区局部出现以As、Sb、Ag为特征的矿化，预示着热水体系热强度将开始衰减（图4-9）。

图4-9　冲绳海槽热水体系的热强度与成矿阶段的对应关系

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