现代海底热水成矿作用概述

作者&投稿:文胁 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
现代海底热液成矿作用的研究~

(一)现代海底热液矿床的发现
依赖于深海钻探计划(DSDP)和大洋钻探计划(ODP)的全球海底地质调查(孙枢,1995),至少已发现了15个与陆上矿床相当的块状金属硫化物矿床,这些矿床主要集中在大洋中脊(海底扩张中心)和弧后盆地扩张脊的离散板块边界,以及岛弧和火山板块中心(Rona and Scott,1993)。洋脊环境是已知目前世界海底热水活动和金属硫化物矿床形成最多和最重要的环境(Fouquet,1997),并且成矿潜力与扩张脊扩张速率的大小有明显关系。根据Rona and Scott(1993)对全球海底热水成矿作用(seafloor hydrothermal mineralization)的统计资料,146个热水活动区有58处有硫化物矿床或矿化存在。其中,东太平洋洋脊、洋隆和转换断层附近26处,中大西洋洋脊裂谷、海岭14处,红海海渊2处、印度洋西南部洋脊1处,西太平洋弧后环境10处,西太平洋岛弧环境4处,以及南太平洋海山环境1处(图2-1)。可见大洋或洋盆环境火山成因块状硫化物矿化地数量占绝对优势,这与地质历史上保留下来的古火山成因的块状硫化物的情形是不一样的,后者由于大洋约1Ma的周期俯冲消减,从而留存下来的主要是岛弧和弧后环境的成矿遗迹(Wilson,1989)。但现代大洋或洋盆的热水成矿活动,对认识古代火山成因块状硫化物矿床的形成提供了极好的直接观察天然实验场所,同时它本身也可产生潜在可利用的矿床。

图2-1 全球现代海底热水成矿活动区(包括块状硫化物矿床)分布图

但就大洋/洋盆、岛弧和弧后环境而言,现代海底火山作用有关的热水成矿作用,其硫化物的成矿特征和成矿过程并不像古代火山成因硫化物矿床的类型划分和成因所认识的那样清晰而明确,不同环境的成矿特征与具体热水成矿活动部位的特征有密切关系(表2-7),每种地质环境由于所处的发展历史不同可能造就不同的成矿特征,难以用一种明确的成矿相和成矿方式来概括。现代海底成矿世界提供了了解这种成矿变化的可能。例如大洋/洋盆的洋脊环境,就洋脊裂谷环境,它可以是洋盆拉张初期(陆间裂谷)洋脊火山活动带,现代红海就是这种环境的实例,而且还存在扩张速率快慢的差异,红海是慢速扩张的例子(半速率≤2cm/a),而西南太平洋的Woodlark盆地扩张轴则为中等-快速扩张的环境(半速率>2cm/a);洋盆进一步拉张,形成具一定规模的印度洋型和大规模的大西洋型的大洋洋盆,主要表现为慢速扩张的特点,并分别在大洋中脊裂谷和两翼、海岭、平行洋脊裂谷轴正断层和垂直轴的转换断层交汇处产生热水活动区及其矿化;洋盆成熟期则形成现代太平洋大洋环境,为中等-快速扩张脊的特点(2.1~9.0cm/a),除了表现出大洋中脊、侧翼、海山、平行洋脊断层和转换断层处差异的矿化特征外,大洋不同地域洋脊成矿的差异也是显著的。最给人启发的是岛弧和弧后盆地环境的成矿现象,岛弧环境并不似古代火山成因块状硫化物矿床认识的那样是成矿最发育的地区,仅在西太平洋小笠原岛弧海山或破火山口内见到微弱矿化,尚未发现有一定规模的矿床(Urabe et al.,1991),而是岛弧裂解形成弧后盆地初期和成熟期的环境形成了比较重要的矿床和矿化现象。弧后盆地初期环境完全是以往所认识的岛弧环境成矿的特点,例如冲绳(Okinawa)海槽,劳(Lau)海槽为过渡特征,马里亚纳(Mariana)海槽则已显示为大洋的特征。
表2-7 现代海底硫化物矿床和热液成矿活动特征对比


续表


其中,中大西洋脊裂谷东5km26°08′N、44°49′W附近的热水矿化非常相似于中国甘肃雪泉Ⅷ号沟中奥陶世的古铜-锌型矿化特征,均属发育于平行洋脊轴向的正断层和垂直轴向的转换断层的交汇点位置的热水喷口成矿。只是现代海底的热液成矿因未受改造,成矿特征表现的更清晰罢了,而古代的矿体特征已是遭受成矿后改造的综合作用的产物。洋脊裂谷底部火山中心发育高温硫化物丘,为块状铜-铁、锌-铁和铁硫化物组成,在裂谷壁的下部断层中发育残留带,也由块状铜-铁、锌-铁和铁硫化物组成,并有层状氧化锰结壳等产出,裂谷壁中等深度处则形成低温带,为间歇活动的绿、红色似层状土状沉淀物组成。这些成矿特点有助于对雪泉Ⅷ号沟古代铜-锌型矿床原始成矿过程的认识。
(二)现代海底热液成矿作用观察结果
全球现代海底硫化物矿床或矿化现象调查结果表明,现代海底热液成矿作用密切关系于海底的扩张作用,但硫化物成矿至少有以下3个方面的控制因素:①源自海水和岩浆流体(Yang and Scott,1996,2002)的成矿热水流体;②高位岩浆房加热成矿流体对流循环的岩浆热源;③可使成矿流体(热水)进行循环的断裂裂隙系统。同时,成矿流体中成矿金属组分和成矿后的保存环境亦很关键(Frankin et al.,1981;Ohmoto et a1.,1983;Lydon,1988;Hezig et a1.,1995)。现代海底硫化物矿床成矿作用观察结果表明,海底成矿热水流体与冷海水的混合作用、海底物质的渗透性、成矿热液系统的稳定性、海水的沸腾作用,以及地质盖层条件对硫化物矿床的重要性(Fouquet et al.,1997;崔汝勇,2001;侯增谦等,2003)。
海底烟囱生长过程中,烟囱通道内的成矿热水与海底冷海水有限混合,引起热水对流和硫化物沉积。这种有限混合主要发生在丘状堆积体内部,其顶部通常发育渗透性差的盖层或结壳,防止大量海水的涌入对成矿热液系统的稀释而难于成矿。海底火山岩系的渗透性对成矿热液流体从海底下部向海底表面的输出状况,能否形成有规模的矿床起着关键作用。在渗透性差的火山熔岩地区,断裂裂隙是重要的喷溢排泄位置,因此是否存在断裂、熔岩角砾是影响火山岩地区渗透性的重要条件。长英质火山岩地区,由于火山碎屑物质或高孔隙火山岩系发育,热水流体难以集中,故多形成脉状-网脉状矿化特征,而渗透性差的基性火山岩地区,成矿热水流体通常沿断裂裂隙系统集中排泄,因此多在海底下部形成蚀变-矿化岩筒。由热源和相应的含矿热水构成的成矿热液系统长期稳定的作用是形成较大规模矿床的先决条件,已观察到快速扩张的洋脊热液活动明显有沿轴向移动的特点,显然不利于硫化物的集中沉淀堆积,故亦难形成有规模的矿床。因此,要形成较大规模的矿床必须在同一地点热液循环体系经历几个连续的活动时期才有可能,大西洋TAG热水活动区的现代海底硫化物矿床的形成至少热水活动已经历了26000年的历史和5个以上的热水活动期(Fouquet et al.,1997)。在浅水环境,由于热水流体发生沸腾作用,致使气相和液相分离,从而液相变冷、增加盐度和金属元素富集(以NaCl进入液相),亏损H2S(进入气相),在海底岩系中形成脉状-网脉状矿体和浸染状矿体,在海底表面仅形成低温的金属元素亏损的热水沉积堆积;而在深水环境,热水流体处于沸腾点之下,仅在海底形成金属硫化物的沉淀伴随有限的网脉矿化。要使硫化物持续堆积必须要有合适的盖层条件,以阻止热水流体的大量排泄,促使热水流体在盖层下大量聚集,同时还可使硫化物堆积后起到保护作用,这些盖层可以是烟囱碎屑和热水沉积物,例如石膏、重晶石和非晶硅等,形成一种结壳层,有时也可以是火山凝灰层。

自20世纪60年代起相继发现很多海底热水成矿区和由其形成的硫化物矿床。如在非洲与阿拉伯半岛间经缓慢扩张形成的红海海渊,发现规模巨大的多金属矿床(约1亿t)和含金属热卤水(Bischoff,1969)。在海底热卤水盆地中沉积出胶冻状物质,由非晶质氧化硅、氧化铁和相当量的针铁矿、闪锌矿、黄铁矿、白铁矿、硬石膏、蒙脱石、菱锰矿等组成。干物质含Zn达5%,Ag、Ba、Cd、Co、Cu、Mo、Pb等从百分之零点几到千分之零点几。
又如在大西洋中脊和东太平洋中脊,热水活动区分布广泛,断续长数千千米。热水沉积物以硫化物黑烟囱和丘堤为代表,热水活动区大多位于断层交汇处的深水(大于2000m)盆地中。当热水从喷口喷出时,硫化物等就地发生沉淀,形成黑烟囱和丘堤等。它们的规模大小不等,单个矿床矿石量从几千吨至500万吨。侯增谦等(2003)指出:在短短十几年时间里,在占海底不到1%的地段,已发现百余个金属矿床和热水区,其发展速度之快,远远超过陆地矿床。热水成矿作用正在海底进行,对这一天然实验室的观察与研究,不仅为古代矿床成因提供不可估价的成因信息,同时可丰富和更新我们现有的知识储备和成矿理论。
热液成矿作用可分3个阶段:热液的形成;热液的迁移;热液的沉淀。对已知矿床的3个阶段,只能根据有关的地质现象进行推测。而对海底热水成矿来说,部分的热液迁移和热液沉淀都可以进行直接观察和测定,这为成矿过程的研究提供了最可靠的信息。
海洋环境的现代热液和块状硫化物矿床流体的共同特征是,热液初始水的δD和δ18O值为零或接近于零(表1-1),即初始水均为海水。
表1-1 海洋环境的现代热液和块状硫化物矿床的流体(SMOW)特征


大陆区富含矿质的热液或正在成矿的热液,开始都被视为岩浆热液,通过δD和δ18O值的测定,查明了它们都是大气降水热液,海洋区的现代热液都是海水热液。这两种热液都是水-岩作用的产物,都属交代热液。对世界各地大量现代热液的δD和δ18O值的测定,未发现证据确凿的岩浆水。
黑烟囱等现代海底热水成矿作用的发现,使热液的矿质沉淀和迁移,能够在海底进行直接的观察和取样测定,因此,有关热液来源的确定也变得简单和容易,结论更可靠。

在20世纪60年代,在非洲与阿拉伯半岛间经缓慢扩张形成的红海海渊,发现规模巨大的多金属矿床(约1亿吨)和含金属热卤水(Bischoff,1969),震动了整个地学界,激起了人们对现代海底热水成矿作用的极大兴趣。与此同时,在东太平洋脊沉积物中亦发现了热水金属组分(Arrhenius GOS,1965)。地球物理学家研究发现,依据离散板块边界上岩石圈侵位估算的传导热流值与实测值存在较大差异,因此推测海水通过洋壳发生着对流循环活动(Elder,1967)。70年代,在大西洋的TAG热水区发现了海底热泉和低温热水矿床,随之在Galapagos扩张中心亦发现海底热泉和热水喷口生物群(Rona et al.,1975)。根据Galapagos热水流体成分,人们推断可能有高温热水成矿活动存在。果然,在1978年,法国IFREMER机构组织的CYMEX科考队在东太平洋北纬21。成功地发现了正在活动的高温热泉和块状硫化物矿床(GYAMX科考队,1979),从此掀起了研究现代海底热水成矿作用的热潮。目前,以美国海洋与大气管理研究中心Peter Rona博士为首的美国科学家们在中大西洋取得一定突破后,迅速组织人马开展太平洋脊(13°S~21°N)和中大西洋脊(26°S~23°N)海底调查。法国IFREMER机构科学家不仅迅速占领东太平洋和中大西洋部分海域,而且进军西南太平洋,并取得重大进展。德国科学家虽起步较晚,但后来居上,与法国和日本科学家一道在西南太平洋岛弧和弧后扩张盆地发现了具重大意义的海底热水活动和硫化物矿床。日本地学界以Urabe博士为首的科学家在占尽天时地利人和优势的西南太平洋站稳脚跟并取得突破后,已转向另一科学至高点——东太平洋超快速扩张脊,发现了全球最大的热水云团(hydrothermal plume)和正在活动的黑烟囱式块状硫化物矿床。加拿大多伦多大学著名教授Scott博士已建立并主持着海洋地质研究实验室,重点开展现代海底热水成矿作用与古代矿床对比研究。以出色研究古代火山成因块状硫化物矿床而著称于世的加拿大地质调查所,亦将现代海底热水成矿作用研究列为重中之重,并在大力开展。

图1-1 全球岩石圈板块边界和基于初步调查确定的海底热液矿产地分布图

已知矿产地集中沿大洋中脊的离散板块边界(海底扩张中心)、火山岛弧的后面(弧后盆地)以及岛弧附近和板内火山中心处分布(据Rona and Scott,1993)

现代海底热水成矿作用研究近年来已取得重大进展,主要体现在两个方面:①大批正在活动或业已停止的热水区和硫化物矿床在诸如洋脊、弧后和板内火山活动中心等海底环境迅速发现,不仅为人类提供了重要的金属矿产资源,而且极大地丰富了矿床学内容和知识储备;②现代海底硫化物矿床成矿作用观察与研究,不仅为研究古代矿床注入了新的活力,而且对我们现有的成矿理论提出了严重挑战,并已成为发展和开创成矿新理论的摇篮。

据初步勘察的结果,已知产出的矿床主要集中在大洋中脊(海底扩张中心)和火山岛弧后面(弧后盆地)的离散板块边界、岛弧和火山板块中心(据Rona and Scott,1993)。




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