深部礦床成礦作用和金屬分帶性

1、深部礦床成礦作用和金屬分帶性張榮華，胡書敏，張雪彤，王勇中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所，地球化學動力學實驗室，北京市百萬莊26號，100037摘要：大多數(shù)熱液金屬氧化物礦石形成于中地殼。地殼深部水巖相互作用及其成礦流體性質(zhì)決定了礦石的性質(zhì)。大區(qū)域地球化學和成礦規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)：礦床成因類型和金屬礦石具有大區(qū)域分帶性和不同尺度的分帶性及分布規(guī)律的自相似性。水巖相互作用的流動反應實驗發(fā)現(xiàn)：有時物質(zhì)遷移出現(xiàn)周期振蕩和空間的周期性分布。巨大規(guī)模的區(qū)域金屬分帶說明了它是由深部的地幔流體物質(zhì)的活動引起的?，F(xiàn)代的地面發(fā)現(xiàn)的巨大地球化學塊體和跨越若干地質(zhì)單元的金屬異常，也說明了現(xiàn)代的地幔流體物質(zhì)的活動。從地面的金屬

2、異常性質(zhì)和金屬分帶性分布規(guī)律可以判斷深部埋藏的金屬礦石分布。多次巖漿活動帶來大規(guī)模流體活動和多次水巖相互作用，隨后的多次成礦作用，會出現(xiàn)水熱蝕變和金屬礦化的疊加。需要認識多次分帶性的疊加過程。關鍵詞：中地殼，金屬分帶性，周期性分布，自相似性。一、序各種不同類型礦床的形成深度和溫度壓力條件是可以根據(jù)礦物的填充流體包體性質(zhì)來確定的。同時，實驗研究也可以幫我們判斷礦石形成深度。現(xiàn)在，提出深部礦床成礦理論和找礦問題，其原因之一是為了找尋深埋的金屬礦石的問題。深部成礦作用主要有三個問題：金屬深部來源，金屬在深部的遷移和堆積過程。一個成礦的熱液系統(tǒng)，在流動過程中不斷與圍巖反應，一面沉淀金屬礦物，一面改變流

3、體的性質(zhì)，可以形成空間的金屬分帶性（Barnes，1979；）。判斷更深的地段有沒有礦石始終是一個大問題。長時間以來的國內(nèi)外的許多科學家關于金屬成礦省，成礦時代和金屬空間分帶性的研究的經(jīng)驗值得我們借鑒。目前，我國有大范圍地質(zhì)和地球化學填圖，提供了深部礦床作用的研究背景。水巖相互作用的實驗和流體動力學研究的新結果，也提供了我們洞察深部礦床成因的新窗口。本文從化學動力學角度敘述深部成礦和找礦的理論和實際問題，提成一些概括性意見。二、重要熱液礦石形成于中地殼熱液礦床的礦物流體包體研究提供了豐富的成礦流體性質(zhì)數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、鹽度和溶解的多種化學組分，如圖1。這些數(shù)據(jù)可以用于推測礦床形成的深度與礦石

4、共生的熱液性質(zhì)。如我國斑巖銅礦（玉龍），長江中下游火山巖區(qū)鐵銅礦，長江中下游矽卡巖銅礦和南嶺的鎢錫鉬鉍和稀土稀有金屬礦床，基本是在350-450ºC和中等鹽度的流體里沉淀的。根據(jù)與礦石共存的流體-NaCl濃度溫度關系圖，可以看出：實際觀測大多數(shù)熱液礦床，都是在跨越NaCl溶液臨界線，在水的臨界點附近時才形成礦石的沉淀。于是，可以引出一個結論，大部分熱液礦床形成于中地殼的溫度壓力下。各種不同類型硫化物礦石形成于上中地殼至地表的熱泉的各種不同環(huán)境。深部地殼和上地幔可能發(fā)生與中-基性巖漿巖石有關的礦石。礦物在水中溶解反應動力學實驗模擬了上中地殼的水/巖相互作用。深部巖石圈上升的熱液，在通過

5、中-深地殼時會遷到一個機會-跨越水的臨界態(tài)。這時，水性質(zhì)的變化會強烈影響礦物溶解作用，會出現(xiàn)礦物與水反應速率的漲落（Zhang et al.2000；張榮華胡書敏2002）圖1 含礦溶液的溫度鹽度圖解（Zhang et al, 2000; 張榮華 胡書敏，2001）1.羅德西亞銅礦帶，2.與U±Ni±Co有關的不整合界面類型；3.阿森耐型脈狀Ni、Co、Ag多金屬礦床；4.密西西比鉛鋅礦；5.日本黑礦礦床；6.塞普路斯型礦床；7.我國斑巖銅礦（玉龍）；8.長江中下游火山巖區(qū)鐵銅礦（羅河鐵礦）；9.長江中下游矽卡巖銅礦；10.滇東北細脈型銅礦；11.蝕變類型金礦；12.黔西南

6、金礦。另外，有Co Fe Cu Ni四條曲線（三實一虛）表示二價離子的八面配合體（與Cl-化合），四面體配合物的轉(zhuǎn)變線，左側八面體配合物，右側四面體配合物（按Pr, D. Crerar, 1987 年資料，作者增加內(nèi)容并改動）硅酸鹽礦物(鈉長石、輝石、陽起石)在水中溶解在多數(shù)溫度條件下是不一致溶解過程。鈉長石(或透輝石、陽起石)的不一致溶解表現(xiàn)為在25300范圍Na和Al(或Ca、Mg、Fe、Al)比Si溶解更快，更容易進入溶液。硅的溶解速率低于其它金屬元素Na、Mg、Ca、Al等。在溫度上升在300400范圍，硅比其它元素容易進入溶液。但是，在22MPa 300時，變?yōu)橐恢氯芙膺^程。礦物的最

7、大溶解速率(硅的釋放速率)發(fā)生在22MPa 300條件下，這時候，硅酸鹽礦物骨架會崩塌。繼續(xù)升溫，300400的升溫會導致硅酸鹽礦物溶解反應速率逐步降低。同時，會更有利金屬礦物沉淀。從300至400，水性質(zhì)變化導致硅酸鹽溶解速率的變化。根據(jù)熱力學實驗和理論預測：在50 MPa-100 MPa條件，硅酸鹽礦物與水反應的最大溶解度的溫度出現(xiàn)在300400。在300500范圍內(nèi)，繼續(xù)升溫促使石英溶解度下降（降級溶解）。進入臨界態(tài)，各種金屬礦物的溶解速率也下降，會使大量金屬氧化物礦石沉淀。這是在中地殼出現(xiàn)的蝕變或變質(zhì)性質(zhì)轉(zhuǎn)變的原因，也是礦石出現(xiàn)在中深地殼的原因。中地殼水/巖相互作用會有一個大變化。從這

8、一個意義看，礦床的出現(xiàn)在中深地殼主要是選擇了物理化學條件。中深地殼條件下，礦床應該是廣泛分布的。三、金屬的分帶性1金屬分帶性成礦帶和礦床都存在金屬礦床類型和礦石的帶狀分布。許多人總結出“幾層樓”或者各種模式。例如，最簡單的表達方式：內(nèi)帶為W-Sn-Mo-Bi-Mo-REE-（BeNbTa）；中帶為Cu-Zn-Pb-Ag；外帶As-Au-Sb-Hg和W。每一個帶還可以仔細劃分。各地的地質(zhì)情況不同：主要是物質(zhì)來源，流體運動形式不同，因此哪些金屬礦石出現(xiàn)并不一樣。金屬礦物的性質(zhì)，前人有很豐富的經(jīng)典總結：在同一溫度壓力下，各種金屬的溶解度，或溶解（或沉淀）的速率不同。在一個含金屬流體，從高溫、高于水的

9、臨界態(tài)的流體中沉淀金屬礦物時，首先沉淀金屬氧化物。在減低溫度過程中依次為金屬硫化物，碳酸鹽礦物。另一種影響因素是元素的豐度（化學上，有時稱質(zhì)量作用定律）。從圖1也可看出：降溫時，礦床類型的改變。這也是金屬分帶性。從溶解反應動力學來說，低溫時，離子鍵化合物容易溶解，升溫以后，變?yōu)闃O性鍵化合物容易溶解。反過來，從高溫條件下降溫，首先沉淀是離子鍵氧化物，再降溫才沉淀極性鍵的硫化物。同時金屬氧化物的金屬-氧之間的鍵性不同，決定它們的不同沉淀次序。在南嶺地區(qū)容易發(fā)現(xiàn)；一個金屬礦床的內(nèi)帶（常是巖體的接觸帶）是磁鐵礦/鐵鎢/Sn礦石。在外帶，在離開一定距離上出現(xiàn)脈狀硫化物（Pb/Zn/Ag）。 在很遠的地方

10、有Au、As、Sb等。在長江中下游，內(nèi)到外：磁鐵礦-磁黃鐵礦-黃鐵礦礦石分帶，外帶有金礦化及Pb/Zn礦石。金屬的性質(zhì)可以簡化地表達為：金屬的電負性，或者Z/r（電價/半徑比）。Z/r從10 <2，依次為Si，Mo，W，Al，Sn，（Fe），Cu，Zn，F(xiàn)e，Mg，Mn，Pb，Ca，Sr，Ba，Na。這是一種金屬與氧（或其它陰離子）之間的鍵性的次序，可以用于理解金屬分帶性，或理解金屬原生暈（共價鍵的半徑數(shù)據(jù)有爭議）。2不同尺度的金屬分帶的自相似性在南嶺、長江中下游、華北地臺的中生代的金屬成礦帶和秦嶺古生代成礦帶，我們常發(fā)現(xiàn)金屬分帶在不同尺度上出現(xiàn)自相似性。例如，我們在顯微鏡下或手標本上看

11、到：一個金屬氧化物（磁體礦/黑鎢礦）細脈的兩側是硫化物（Pb/Zn或黃鐵礦），這時候尺度為2cm。在2米、10米到百米礦體里，氧化物（磁體礦/黑鎢礦）脈體的外測有是硫化物（Pb/Zn或黃鐵礦）脈。在2-3公里范圍內(nèi)，氧化物（磁體礦/黑鎢礦）礦體和硫化物（Pb/Zn或黃鐵礦）礦體分開出現(xiàn)。如單一鐵礦種，會出現(xiàn)磁鐵礦磁黃鐵礦黃鐵礦連續(xù)分布。在礦田的十幾或近百公里范圍，如一個火山盆地（廬樅，寧蕪），盆地中心是鐵礦，邊緣是Pb/Zn或黃鐵礦床。在長江中下游四省范圍的800公里的成礦帶內(nèi)，西有鐵銅，中有金，東有Pb-Zn-Ag礦及螢石礦。南嶺的七省區(qū)域的金屬也是不同尺度具自相似性。由東到西，綿延幾千公里

12、的金屬分帶，東部是金屬氧化物礦石的大礦床；西部，金屬氧化物礦床伴隨Pb-Zn-Ag礦石；然后是大面積低溫礦床。南嶺南北兩側的Pb/Zn/Ag或黃鐵礦礦帶。更外側的Sb/Au/Hg礦帶。金屬分帶和不同尺度的自相似性表明：控制幾百到千公里的金屬分布是來自地球的深部物質(zhì)運動，流體的活動，至少是百公里深部的物質(zhì)活動。大區(qū)域的地球化學探測，也發(fā)現(xiàn)不同尺度的金屬分布（異常形式）的自相似性。金屬分帶性是我們在深部找礦的依據(jù)。實際上，礦石、礦床、礦田、礦帶在幾個不同尺度上具有自相似的金屬分帶性。大區(qū)域的自相似的金屬分帶性說明了成礦作用深部來源和深部物質(zhì)遷移過程。大規(guī)模的區(qū)域金屬分帶說明了它是由深部的地幔流體物

13、質(zhì)的活動引起的?，F(xiàn)代的地面的巨大地球化學塊體和跨越若干地質(zhì)單元的金屬異常，也說明了現(xiàn)代的地幔流體物質(zhì)的活動。從地面的金屬異常性質(zhì)和金屬分帶性分布規(guī)律可以判斷深部金屬礦石分布。四、金屬周期性遷移1多期成礦作用中國大陸內(nèi)的成礦過程與大規(guī)模巖漿活動有關。同時，多期巖漿活動又對應多次成礦過程。最近幾年，成礦年齡的測試表明了多期成礦作用。受地殼活動影響，在不同期的成礦過程不一定發(fā)生于同一位置，可以存在于不同的地區(qū)或不同深度。上世紀，美國人發(fā)現(xiàn)在克來梅克斯斑巖礦床有多次鉬礦化的疊加，后期礦化的深度越來越大。從一次上升的巨大巖漿房的冷卻過程看，后期活動的巖漿的深度要大。它伴隨后期的礦化地段，要深。這種情況下

14、，深部可能發(fā)生有晚期的礦體。研究后期構造和巖漿活動，也可以引導我們找另一期礦化。2水巖反應的周期振蕩同一次流體遷移與巖石反應會出現(xiàn)水巖反應的周期振蕩，及隨后的金屬周期性遷移。國際地學界已經(jīng)研究過許多不同尺度的地質(zhì)作用的周期性振蕩現(xiàn)象。我們實驗研究了開放流動體系的固液反應過程。長期實驗發(fā)現(xiàn)了在疊層反應器里螢石-水溶液反應的化學振蕩，和不同尺度不同層次的非線性動力學分布。實驗表明：如外界誘導的一次水巖相互作用，它的反應產(chǎn)物會以化學振蕩方式，或復雜周期振蕩方式向外傳播。圖2。從89年開始到93年，連續(xù)發(fā)現(xiàn)在開放流動體系內(nèi)礦物流體相間反應（螢石HCl-H2O系統(tǒng)）非線性動力學現(xiàn)象。對這樣一個非均相固液

15、體系，在穩(wěn)定外部條件時，長時間觀察發(fā)現(xiàn)：輸出溶液電導率的實時記錄顯示溶液化學成分波動，自發(fā)地波動（漲落），暫時混沌，多重態(tài)，孤立波，自發(fā)躍遷，激發(fā)等現(xiàn)象。輸入溶液成分變化的擾動也會出現(xiàn)非線性響應（或其它外界擾動也出現(xiàn)非線性響應）。圖2，螢石-HCl-H2O體系，自發(fā)出現(xiàn)的復雜振蕩。用全部計算機自動記錄的電導率變化。對應的化學分析確定是自發(fā)性的漲落。并，對外界誘導的變化而出現(xiàn)非線性響應。根據(jù)這一實驗可以對推論：水巖相互作用可能發(fā)生一種反應產(chǎn)物向外傳輸?shù)闹芷跐q落。于是，可以預測一些含金屬的熱液活動可能一周期振蕩方式傳輸。金屬礦石的形成是周期性向外傳輸?；仡櫳鲜兰o，一些科學家曾提出過成礦的“脈動”學

16、說。在地質(zhì)觀測中，我們發(fā)現(xiàn)過礦石或礦體多次重復出現(xiàn)的現(xiàn)象。根據(jù)這個道理，我們可以尋找深部的多層次成礦帶。五、金屬的深部來源深部的成礦作用問題之一是金屬來源。大量的同位素研究提供了礦石里的許多流體物質(zhì)來自深源，如C，H，He，等。許多金屬也來自地幔。我們從地球化學動力學實驗獲得證據(jù)。玄武巖與水反應實驗使用疊層反應器流動體系：水流速0.52.5ml/min，壓力22MPa，溫度25400。實驗是按一個恒壓的升溫過程進行操作。選用2040目巖石樣品進行反應實驗。實驗結果發(fā)現(xiàn)造巖元素、成礦元素和痕跡元素，在由低溫至水臨界態(tài)的升溫過程中溶解在水中的濃度不斷變化，或者說，溶解速率不斷變化。大致情況是：在4

17、00有最大溶解濃度是鉻；在374有最大溶解濃度是銀、銅等；在350有最大溶解濃度是鈉、鋁、鎳、鋇、鉛等；在300有最大溶解濃度是硅、鉀、鐵、錳、鈦、釩、鉬、鋅、硼等。其中，反應后輸出的濃度：硅最大濃度為247ppm，鉀28ppm，鈉22ppm，鋁17.3ppm，鈣為9.55ppm，釩 0.22ppm，鈦0.05ppm，鉻0.32ppm，鎳26ppm，鉬為0.8ppm，銅為0.473ppm，鋅為0.49ppm，銀0.029ppm，鉛0.009ppm。實驗證明地球深部的玄武巖與水反應能夠提供金屬來源。結束語：深部成礦作用對于金屬來源、遷移和礦石堆積起了關鍵作用(張榮華等2006)。大規(guī)模的流體活動

18、導致了金屬分帶規(guī)律性。金屬分帶的規(guī)律性可用于找尋深部另一種類型礦石，或者另一次成礦作用的同類型礦石。不同尺度金屬分帶的自相似性反映了地球深部流體活動的自組織過程。若對巖石的元素地球化學分帶性深入研究（空間/時間分布特征比較，用數(shù)學模型研究），能夠預測深部礦石礦體，解析/反演地面元素異常和深部地球化學探測數(shù)據(jù)。致謝：本文得到國土資源部項目20010302, 科技部項目2001DEA20023, 2001DEA30041，2003DEA2C021, G1999043212 及自然科學基金項目 4003011，49473196, 20373064的資助。文獻：Barnes H.L., 1979, ed: Geochemistry of hydrothermal ore deposits, A Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sons Brimhail G.H., and DA.Crerar (1987)"Ore Fluids:magmatic to supergene".ln Reviews in Mineralogy, I.S.E Carmichael and H.P.Eugster,Eds.,Vol-17. Mi