礦床學08噴流礦床

第八章

噴流礦床8.1概述8.1.1緣起早在1948年,瑞典海洋考察船“信天翁”號在紅海中部水深1937ｍ的地方,發(fā)現(xiàn)水溫與鹽度的異常

60年代中期,美、英、德的考察船又在此發(fā)現(xiàn)富含F(xiàn)e,Mn及Zn,Cu,Cd,Pb和Ag的多金屬軟泥1978年美、法聯(lián)合用法國Caana號深潛器，在東太平洋洋脊21oN，首次發(fā)現(xiàn)海底熱液硫化物1979年美國Alvin號深潛器再度下潛，發(fā)現(xiàn)了含熱源硫化物的黑煙囪

在20世紀80年代,世界上出現(xiàn)了對海底硫化物礦床作為一種新型潛在礦物原料的廣泛關(guān)注。美、法、德、日、加、澳和前蘇聯(lián)等國的科學家相繼開展了這方面的調(diào)查研究。已發(fā)現(xiàn)的礦點和礦床有139個左右,但規(guī)模比較大的不足20處。根據(jù)麻省理工學院海洋學教授埃德蒙的說法，這些熱液噴口是地球核心失去熱量的主要通道，估計在大洋中有5000個。海底多金屬硫化物礦床與海底熱液活動有著密不可分的關(guān)系。海底熱液活動作為正發(fā)生的成礦作用,成為我們研究現(xiàn)代海底硫化物礦床的天然實驗室,并有助于更新舊有的成礦模式;同時與陸地塊狀硫化物礦床進行對比,有助于指導海底與陸地找礦工作。8.1.2概念含礦熱流體（熱液）噴出海底的過程稱為噴流作用（exhalation），由此形成的巖石稱噴流巖（exhalite）。海底噴流熱水沉積作用(Exhalativesedimentation)泛指深部上升的不同成因的含礦熱流體在噴出海底的過程中，與常溫的海水互相反應，致使礦物沉淀的過程。如果該過程中有有用物質(zhì)的富集，則稱海底噴流沉積成礦作用，形成的礦床稱噴流熱水沉積礦床（SEDEX礦床），簡稱噴流礦床。該類礦床以熱液硫化物為主，即海底熱液硫化物礦床。據(jù)認為，噴流礦床不僅存在于現(xiàn)代海底，而且在古代形成的礦床中也大量存在。如甘肅西成鉛鋅礦、四川岬村鉛鋅礦等，也有人認為錫鐵山鉛鋅礦、甚至凡口鉛鋅礦都屬之。現(xiàn)在看來，這一礦床類型有被擴大的趨勢。8.1.3現(xiàn)代海底熱液硫化物礦床的意義海底熱液礦床和熱液礦化作用的研究已成為國際地球科學最為活躍的研究領(lǐng)域之一，究其原因主要有：（1）科學家們普遍認為，熱液多金屬礦床是最有開發(fā)前景的一種深海底資源。例如按照陸地礦床前景作過嚴格評價的紅海Atlantis正號深淵，在水深大干2000m、面積僅為6×15km2的范圍內(nèi)，含有的金屬儲量估測為Zn：3.2×106t；Cu：0.8×106t；Pb：8×104t；Ag：4500t和Au：45t。（2）海底高溫活動熱液噴口處的礦化作用過程及其“煙囪”產(chǎn)物是了解地球化學物質(zhì)平衡、循環(huán)和熱收支等的天然實驗室。加強現(xiàn)代熱液礦化作用的研究有助于理解地質(zhì)記錄中各類金屬礦床的形成模式和成礦機制。（3）活動噴口處發(fā)現(xiàn)的與噴口周圍小生境有關(guān)的深?；钌锶郝涞拇嬖冢沂玖伺c地球內(nèi)部熱能有關(guān)的化學合成的細菌作用過程可以替代海洋真光層光合作用過程，這對早期生命體演化的認識有著重大意義。因此，人們預測，在未來海洋地球科學和海洋礦產(chǎn)資源調(diào)查中，熱液成因的多金屬礦床的探索最有可能得到加強。8.2海底熱液礦床形成的構(gòu)造背景8.2.1地理位置海底多金屬硫化物礦床主要分布在太平洋、大西洋、紅海(見圖)。在太平洋上,有3個重要成礦區(qū):a.東部沿美洲大陸西側(cè)的海域延伸形成一個漫長的礦帶,具有代表性的有:(1)南探索者(Explorer),(2)努力者(Endeavour),(3)軸海山(AxialSeamount),(4)瓜伊馬斯海盆(GuaymasBasin),(5)東太平洋北緯21°(EPR21°N),(6)東太平洋北緯13°(EPR13°N),(7)東太平洋北緯11°(EPR11°N),(8)加拉帕格斯(Galapagos),(9)南胡安得?？?SouthJuanDeFuca),(10)伊斯卡納巴海槽(EscanabaTrough)等。b.西太平洋成礦區(qū)

:(1)沖繩海槽的伊是名海洼JADE區(qū)(OkinawaTrough),(2)馬里亞納(Mariana)。c.西南太平洋成礦區(qū)

:勞厄弧后盆地(Lauback-arcbasin),Manus海盆,北斐濟盆地(NorthFijibasin)。大西洋的代表性礦床有:大西洋中脊的TAG熱液活動區(qū),中大西洋脊北緯23°蛇洞(Snakepit)。紅海

:Atlantisll深裂谷。8.2.2構(gòu)造部位目前所發(fā)現(xiàn)的“正在形成過程中”的海底熱液礦，其產(chǎn)地與斷裂和火山活動帶相聯(lián)系。主要屬兩類大地構(gòu)造：離散型板塊邊緣和火山島弧環(huán)境洋脊熱液礦化點的初步調(diào)查表明，其賦存的構(gòu)造要素包括①寬1km的火山噴出軸向帶和寬約10km的活動擴張邊緣帶，后者與擴張軸相垂直；②長約10km量級的線形擴張塊段，它們是由斷裂帶的轉(zhuǎn)換斷層切割而成。8.2.3形成條件噴流作用可以形成于大陸地表、河湖相水體及海底。但形成有意義的礦床還需要一定的條件：海水深度決定噴流熱液到達海底以前是否沸騰。由于沸騰而使得噴出的成礦物質(zhì)快速地與海水混合而分散開來，而不能形成富厚的大型塊狀礦化，只能形成網(wǎng)脈狀礦化和貧礦。這一點對于研究海底塊狀硫化物礦床產(chǎn)出的地質(zhì)環(huán)境所必須考慮的。

純水的臨界點決定了爆發(fā)性噴發(fā)（沸騰）的最大水深。純水的臨界點壓力為2.16×107Pa，對應水深為2160m。在此壓力下氣相和液相無異，均不具可壓縮性。在更深處巖漿中水的出溶為液態(tài)，熱液中的氣相呈液態(tài)性質(zhì)，純巖漿水或過熱海水均不會排斥圍壓而發(fā)生爆發(fā)性膨脹。對于塊狀硫化物礦床而言，一般的成礦溫度為250～350℃，個別達400℃。抑制沸騰的最低壓力為：250℃時為4×106Pa，對應水深為400m；300℃時為7×106Pa～8×106Pa，對應水深為700～800m。困此，如果300C的成礦熱液噴流到淺于700m的海底，就會發(fā)生沸騰現(xiàn)象，而不會形成塊狀礦體，只可能形成網(wǎng)脈狀礦化和浸染狀礦化。隨成礦溶液鹽度的增加，最低抑制沸騰的壓力會有所下降。流體包裹體研究表明，塊狀硫化物礦床的成礦溶液中含有不等量的CO2氣體。CO2加入到NaCI－H2O體系中會大大增加最低抑制沸騰壓力，如0.2mol的CO2加入到中等鹽度的250℃的溶液中，最低抑制沸騰壓力將增大到5.0×106Pa，對應水深為500m。因此，一般溫度的含NaCI和CO2的成礦溶液至少要噴射到500m的海底才不致沸騰，而通常深度還將更大。

實際觀察表明，現(xiàn)代海底上硫化物活的黑煙囪（BlackSmoker）均見于深水區(qū)，一般達數(shù)千米深。目前已知最淺的黑煙囪距海面

1km以下，如Jadesit地區(qū)為1400m深的海底，Lau盆地水深為1700m。目前已發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)海底硫化物礦床，尤其是具有經(jīng)濟意義的礦床都是存在于水深超過2000米的水域。8.3海底熱液硫化物礦床的特征8.3.1礦床規(guī)模已發(fā)現(xiàn)的熱液礦點大小變化甚劇。大多數(shù)產(chǎn)出規(guī)模十分小，它們往往以熱液礦物的顯示物為特征。少數(shù)礦床規(guī)模在1×106t以上（脫鹽后的干重）。8.3.2組成成分1.礦物成分海底熱液礦床的礦物相和形態(tài)系列包括了層狀、塊狀、網(wǎng)脈狀或浸染狀硫化物（高溫終端產(chǎn)物）；或?qū)訝盍蛩猁}、硅酸鹽、碳酸鹽、氧化物和氫氧化物（中溫終端產(chǎn)物）。主要礦物以黃鐵礦、閃鋅礦、黃銅礦、斑銅礦、白鐵礦、方鉛礦、磁黃鐵礦為主,也有一些熱液型粘土礦物和非硫化物礦物,如硬石膏以及非晶質(zhì)SiO2

等。2.化學成分主要元素是Cu,Zn,Pb,Ag,Ba,Ca和Au等。微量元素的種類較多,以東太平洋21°N、胡安德?？ê图永粮袼篂槔?所含微量元素有:B,Bi,Cd,Co,Cr,Cs,Ga,Ge,Hg,Mo,Ni,Pd,Pt,Rh,Sb,Sc,Se,Sr,Tr,Tl,U,Y,W,Zr等。不同的構(gòu)造背景所形成的礦床具有不同的化學組成：a.在洋脊環(huán)境

,洋脊為相對富含

Cu和Fe的玄武質(zhì)巖石,因而礦床多為

Cu-Zn型或

Cu型。b.在島弧張裂環(huán)境

,島弧下部的“基底”多為陸殼或過渡殼,火山作用產(chǎn)物主要為相對富含

Pb和Zn的長英質(zhì)火山巖系。3.礦床類型熱液成因的礦床形成物各異，但基本上可分屬三個主要類型：（1）廣海型礦床：氧化硅、鐵和錳熱液沉積礦床，如褐鐵礦、赤鐵礦和（或）水錳礦。它們可以是低溫礦液中未分異的沉淀產(chǎn)物或大洋邊緣屬高溫硫化物礦床外圍的分異產(chǎn)物。分布廣，但近期內(nèi)無應用前景。（2）成層的軟泥狀金屬硫化物礦床。構(gòu)造活動形成的洼地造成有利干原始含礦溶液發(fā)生分餾作用，形成硫化物、硅酸鹽和氧化物礦床。最典型的實例為Atlantis皿號深淵及圍區(qū)的富金屬軟泥礦床。（3）塊狀（包括浸染狀、網(wǎng)脈狀）礦床。形成于高溫熱液噴氣口周圍、以小丘狀或煙囪狀為特征的礦床。含Cu、Zn、Fe為主的硫化物，混有硫酸鹽、硅酸鹽網(wǎng)狀脈，如東太平洋海隆和加拉帕戈斯等地熱液礦床。8.4熱液礦化作用只要在海水能深入地殼發(fā)生熱循環(huán)的地方均可發(fā)現(xiàn)熱液礦化點。海底熱液對流模式可簡述為：冷的密度大的堿性海水，在熱的高度破碎的地殼加積帶即活動大洋脊軸帶不斷下降，其滲透深度取決于地殼滲透性和熱梯度，而主要受巖漿源影響不斷加熱的熱水則上升。溫度、壓力和圍巖成分控制了循環(huán)熱水溶液在流動過程中從巖石中浸析出Mn、Fe、Zn、Cu等，并使海水中硫酸鹽還原為硫化物，形成了酸化的富金屬的稀釋熱液流體。8.4.1熱液及礦質(zhì)來源相當多的研究者認為,易溶解元素(如Pb,Zn,Ag等)主要來自淋濾,而難溶元素(Cu,Sn,Bi,Mo等)主要來自巖漿;即同一礦床中與銅礦化有關(guān)的流體主要來自巖漿,而與鉛鋅礦化有關(guān)的流體多被解釋為來自循環(huán)海水。8.4.2雙對流模式在同一地段的洋底熱液系統(tǒng)中可以同時存在兩種不同鹽度的流體,有些流體的鹽度低于正常海水,另有的鹽度(NaCl)則高達15%～32%。海底熱液噴口的最高溫度為350℃左右,這種高溫能持續(xù)相當長的時間;另外噴口熱液的化學組成只能在近400℃左右的海水與玄武巖實驗中產(chǎn)生,以上這些現(xiàn)象用以往單循環(huán)對流模式是不易解釋的。Bischoff和Rosenbauer根據(jù)野外和實驗室重新驗證,提出新的洋中脊海底熱液循環(huán)模式——雙擴散對流(Double-diffusiveconvection)模式。雙擴散對流模式認為海底熱液活動區(qū)有兩個對流圈:下方是高溫高鹽度的鹵水,順層分布并對流;上方是低溫低鹽度的海水對流圈

,鹵水層下方是一個隱伏的巖漿房,在巖漿房上部有一個破裂鋒面,形成了熱阻擋層。熱阻擋層的溫度估計為450～700℃。下方對流圈中的鹵水一部分來自海水,一部分來自巖漿,流體在鹵水庫中發(fā)生相分離,即由于氣相逸出使鹵水鹽度升高。上方海水循環(huán)對流圈是一個單循環(huán)圈,在該圈底部,海水通過擴散界面被鹵水層加熱,并且通過擴散界面?zhèn)鬏敳糠秩芙饨M分。鹵水層主要形成位于下部的層狀礦化,往上排泄時也可形成部分不整合礦化,上方海水層形成上部的不整合礦化。8.4.3硫化物堆積機制排泄入海的熱液有三種:1.任何混合程度下密度均高于海水的高鹽度熱液,可沿坡而下向低洼處淤積形成鹵水池,發(fā)育席狀或板狀礦床;2.初始密度小于海水

,但在與海水混合一定程度后,其密度高于海水的熱液

,可形成錐狀或丘狀礦床;3.在任何混合程度下均小于海水的熱液,在海水中形成上浮熱柱,僅形成熱柱散落而成的薄層沉積?，F(xiàn)代海底熱液觀察研究表明,海底噴出口熱液流體最高溫度可達350℃,最低溫度僅高出周圍海水幾度。高溫流體可能代表著原始的熱液流體。其鹽度多數(shù)不超過海水的2倍,它們多通過煙囪向海水中排泄,形成上浮熱柱,其性狀類似于Sato的第三類溶液。然而,實地測定和包裹體研究表明,部分熱液流體,其w(NaCl)超過7%,其性狀可能類似于第二類溶液。這些熱液流體可能多封閉于硫化物丘堤之下。關(guān)于硫化物堆積機理,人們對古代礦床研究認為,硫化物要么從排泄于海底的熱液流體中直接沉淀,要么金屬組分從鹵水池中直接淀積而成。對現(xiàn)代海底硫化物成礦作用觀察與研究極大地沖擊了這些觀念,并給出了全新的硫化物堆積機理?，F(xiàn)代海底硫化物堆積過程實際是煙囪生長、倒塌堆積和熱液流體在其開放空間充填與交代的過程。硫化物的形成首先通過硫化物煙囪來完成。最早發(fā)育的煙囪可能形成于高滲透性的火山-沉積巖系頂部、熱液噴出口及其附近。晚期發(fā)育的煙囪則建筑于硫化物丘堤之上。硫化物煙囪的生長通常從硬石膏沉淀而始,高溫礦物組合黃銅礦-黃鐵礦淀積而終。因硬石膏溶解度隨溫度降低而增大,因此在上浮熱液與冷海水間的高熱梯度的熱界面上沉淀硬石膏。隨高溫熱液活動,石膏壁向上向外增長。在煙囪壁內(nèi)外溫度梯度、物化梯度下,不同溫度成礦組合相繼從煙囪壁向煙囪通道中央沉淀,形成特殊的環(huán)狀分帶:內(nèi)部帶以黃銅礦為主,外部帶以閃鋅礦、方鉛礦為主,邊緣以重晶石和非晶硅為主。

當煙囪生長至一定高度后,便崩塌形成煙囪碎屑丘堤,其結(jié)果既阻止了熱液流體高速、聚集式噴射,又促使了熱液流體在煙囪堤內(nèi)對流循環(huán),同時在丘堤之上形成新的彌散式熱液排泄點,發(fā)育諸如黑煙囪、白煙囪和雪球等,在丘堤頂部發(fā)育熱液柱散落物,降低丘堤滲透性,并膠結(jié)煙囪碎屑,形成低滲透外殼。在硫化物煙囪碎屑丘堤之內(nèi),低滲透殼抑制流體