礦床學(xué)噴流礦床

礦床學(xué)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(hào)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(guó)Caana號(hào)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(guó)Alvin號(hào)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(jì)80年代,世界上出現(xiàn)了對(duì)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(guó)的科學(xué)家相繼開展了這方面的調(diào)查研究。已發(fā)現(xiàn)的礦點(diǎn)和礦床有139個(gè)左右,但規(guī)模比較大的不足20處。根據(jù)麻省理工學(xué)院海洋學(xué)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(jì)在大洋中有5000個(gè)。海底多金屬硫化物礦床與海底熱液活動(dòng)有著密不可分的關(guān)系。海底熱液活動(dòng)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(shí)驗(yàn)室,并有助于更新舊有的成礦模式;同時(shí)與陸地塊狀硫化物礦床進(jìn)行對(duì)比,有助于指導(dǎo)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(yīng)，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(jiǎn)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(rèn)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(rèn)為錫鐵山鉛鋅礦、甚至凡口鉛鋅礦都屬之?，F(xiàn)在看來，這一礦床類型有被擴(kuò)大的趨勢(shì)。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(guó)際地球科學(xué)最為活躍的研究領(lǐng)域之一，究其原因主要有：（1）科學(xué)家們普遍認(rèn)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(yán)格評(píng)價(jià)的紅海Atlantis正號(hào)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(chǔ)量估測(cè)為Zn：3.2×106t；Cu：0.8×106t；Pb：8×104t；Ag：4500t和Au：45t。（2）海底高溫活動(dòng)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(xué)物質(zhì)平衡、循環(huán)和熱收支等的天然實(shí)驗(yàn)室。加強(qiáng)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(jī)制。（3）活動(dòng)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(xué)合成的細(xì)菌作用過程可以替代海洋真光層光合作用過程，這對(duì)早期生命體演化的認(rèn)識(shí)有著重大意義。因此，人們預(yù)測(cè)，在未來海洋地球科學(xué)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(qiáng)。8.2海海底熱熱液礦床床形成的的構(gòu)造背背景8.2.1地地理位置置海底多金金屬硫化化物礦床床主要分分布在太太平洋、、大西洋洋、紅海海(見圖圖)。在太平洋上,有有3個(gè)個(gè)重要成成礦區(qū):a.東部部沿美洲大陸陸西側(cè)的的海域延伸形成成一個(gè)漫漫長(zhǎng)的礦礦帶,具有代代表性的的有:(1)南探索索者(Explorer),(2)努力者者(Endeavour),(3)軸軸海山(AxialSeamount),(4)瓜瓜伊馬斯斯海盆(GuaymasBasin),(5)東東太平洋洋北緯21°(EPR21°°N),(6)東東太平洋洋北緯13°(EPR13°°N),(7)東東太平洋洋北緯11°(EPR11°°N),(8)加加拉帕格格斯(Galapagos),(9)南南胡安得得?？?SouthJuanDeFuca),(10)伊伊斯卡納納巴海槽槽(EscanabaTrough)等。b.西太平洋洋成礦區(qū)區(qū):(1)沖繩海海槽的伊伊是名海海洼JADE區(qū)(OkinawaTrough),(2)馬里亞亞納(Mariana)。c.西南太平平洋成礦礦區(qū):勞厄弧后后盆地(Lauback-arcbasin),Manus海盆盆,北斐濟(jì)盆盆地(NorthFijibasin)。大西洋的代表性性礦床有有:大西洋中中脊的TAG熱液活活動(dòng)區(qū),中大西洋洋脊北緯緯23°蛇蛇洞(Snakepit)。紅海:Atlantisll深裂裂谷。8.2.2構(gòu)構(gòu)造部部位目前所發(fā)發(fā)現(xiàn)的““正在形形成過程程中”的的海底熱熱液礦，，其產(chǎn)地地與斷裂和火山活動(dòng)動(dòng)帶相聯(lián)系。。主要屬屬兩類大大地構(gòu)造造：離散型板板塊邊緣緣和火山島弧弧環(huán)境洋脊熱液液礦化點(diǎn)點(diǎn)的初步步調(diào)查表表明，其其賦存的的構(gòu)造要要素包括括①寬1km的火火山噴出出軸向帶帶和寬約約10km的活活動(dòng)擴(kuò)張張邊緣帶帶，后者者與擴(kuò)張張軸相垂垂直；②長(zhǎng)約10km量級(jí)的的線形擴(kuò)擴(kuò)張塊段段，它們們是由斷斷裂帶的的轉(zhuǎn)換斷斷層切割割而成。。8.2.3形形成條條件噴流作用用可以形形成于大大陸地表表、河湖湖相水體體及海底底。但形形成有意意義的礦礦床還需需要一定定的條件件：海水深度度決定噴噴流熱液液到達(dá)海海底以前前是否沸沸騰。由于沸沸騰而使使得噴出出的成礦礦物質(zhì)快快速地與與海水混混合而分分散開來來，而不不能形成成富厚的的大型塊塊狀礦化化，只能能形成網(wǎng)網(wǎng)脈狀礦礦化和貧貧礦。這這一點(diǎn)對(duì)對(duì)于研究究海底塊塊狀硫化化物礦床床產(chǎn)出的的地質(zhì)環(huán)環(huán)境所必必須考慮慮的。純水的臨臨界點(diǎn)決決定了爆爆發(fā)性噴噴發(fā)（沸沸騰）的的最大水水深。純純水的臨臨界點(diǎn)壓壓力為2.16×107Pa，對(duì)對(duì)應(yīng)水深深為2160m。在此此壓力下下氣相和和液相無無異，均均不具可可壓縮性性。在更更深處巖巖漿中水水的出溶溶為液態(tài)態(tài)，熱液液中的氣氣相呈液液態(tài)性質(zhì)質(zhì)，純巖巖漿水或或過熱海海水均不不會(huì)排斥斥圍壓而而發(fā)生爆爆發(fā)性膨膨脹。對(duì)對(duì)于塊狀狀硫化物物礦床而而言，一一般的成成礦溫度度為250～350℃℃，個(gè)別別達(dá)400℃。。抑制沸騰的最最低壓力為：：250℃時(shí)時(shí)為4×106Pa，對(duì)應(yīng)水水深為400m；300℃時(shí)為7××106Pa～8×106Pa，對(duì)應(yīng)水水深為700～800m。困此，，如果300C的成礦礦熱液噴流到到淺于700m的海底底，就會(huì)發(fā)生生沸騰現(xiàn)象，，而不會(huì)形成成塊狀礦體，，只可能形成成網(wǎng)脈狀礦化化和浸染狀礦礦化。隨成礦溶液鹽鹽度的增加，，最低抑制沸沸騰的壓力會(huì)會(huì)有所下降。。流體包裹體體研究表明，，塊狀硫化物物礦床的成礦礦溶液中含有有不等量的CO2氣體。CO2加入到NaCI－H2O體系中會(huì)大大大增加最低低抑制沸騰壓壓力，如0.2mol的的CO2加入到中等鹽鹽度的250℃的溶液中中，最低抑制制沸騰壓力將將增大到5.0×106Pa，對(duì)應(yīng)水水深為500m。因此此，一般溫度度的含NaCI和CO2的成礦溶液至至少要噴射到到500m的的海底才不致致沸騰，而通通常深度還將將更大。實(shí)際觀察表明明，現(xiàn)代海底底上硫化物活活的黑煙囪（（BlackSmoker）均見見于深水區(qū)，，一般達(dá)數(shù)千米深。目前已知最淺的黑煙囪囪距海面1km以下，如Jadesit地地區(qū)為1400m深的海海底，Lau盆地水深為為1700m。目前已發(fā)現(xiàn)的的絕大多數(shù)海海底硫化物礦礦床，尤其是是具有經(jīng)濟(jì)意意義的礦床都都是存在于水深超過2000米的水域。8.3海海底熱液硫化化物礦床的特特征8.3.1礦礦床規(guī)模模已發(fā)現(xiàn)的熱液液礦點(diǎn)大小變變化甚劇。大大多數(shù)產(chǎn)出規(guī)規(guī)模十分小，，它們往往以以熱液礦物的的顯示物為特特征。少數(shù)礦礦床規(guī)模在1×106t以上（脫鹽鹽后的干重））。8.3.2組組成成分分1.礦物成分分海底熱液礦床床的礦物相和和形態(tài)系列包包括了層狀、、塊狀、網(wǎng)脈脈狀或浸染狀狀硫化物（高溫終端端產(chǎn)物）；；或?qū)訝盍蛩猁}、硅酸鹽、碳酸鹽、氧化物和氫氫氧化物（中溫終端端產(chǎn)物）。。主要礦物物以黃鐵礦礦、閃鋅礦礦、黃銅礦礦、斑銅礦礦、白鐵礦礦、方鉛礦礦、磁黃鐵鐵礦為主,也有一一些熱液型型粘土礦物物和非硫化化物礦物,如硬石石膏以及非非晶質(zhì)SiO2等。2.化化學(xué)成分主要元素是是Cu,Zn,Pb,Ag,Ba,Ca和Au等。微量元素的的種類較多多,以東東太平洋21°°N、胡安安德?？ê秃图永粮窀袼篂槔?所含微微量元素有有: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)造背景所形成的礦礦床具有不不同的化學(xué)學(xué)組成：：a.在洋脊環(huán)境,洋脊為相相對(duì)富含Cu和Fe的玄武質(zhì)巖巖石,因因而礦床多多為Cu-Zn型或Cu型。b.在島弧張裂環(huán)環(huán)境,島弧下部部的“基底底”多為陸陸殼或過渡渡殼,火火山作用產(chǎn)產(chǎn)物主要為為相對(duì)富含含Pb和Zn的長(zhǎng)英質(zhì)火火山巖系。。3.礦礦床類型熱液成因的的礦床形成成物各異，，但基本上上可分屬三三個(gè)主要類類型：（1）廣海型礦床床：氧化硅、、鐵和錳熱熱液沉積礦礦床，如褐褐鐵礦、赤赤鐵礦和（（或）水錳錳礦。它們們可以是低低溫礦液中中未分異的的沉淀產(chǎn)物物或大洋邊邊緣屬高溫溫硫化物礦礦床外圍的的分異產(chǎn)物物。分布廣廣，但近期期內(nèi)無應(yīng)用用前景。（2）成層層的軟泥狀金屬屬硫化物礦礦床。構(gòu)造活動(dòng)動(dòng)形成的洼洼地造成有有利干原始始含礦溶液液發(fā)生分餾餾作用，形形成硫化物物、硅酸鹽鹽和氧化物物礦床。最最典型的的實(shí)例為Atlantis皿號(hào)深淵淵及圍區(qū)的的富金屬軟軟泥礦床。。（3）塊狀（包括括浸染狀、、網(wǎng)脈狀））礦床。形成于高高溫?zé)嵋簢妵姎饪谥車鷩?、以小丘丘狀或煙囪囪狀為特征征的礦床。。含Cu、、Zn、Fe為主的的硫化物，，混有硫酸酸鹽、硅酸酸鹽網(wǎng)狀脈脈，如東太太平洋海隆隆和加拉帕帕戈斯等地地?zé)嵋旱V床床。8.4熱熱液液礦化作用用只要在海水水能深入地地殼發(fā)生熱熱循環(huán)的地地方均可發(fā)發(fā)現(xiàn)熱液礦礦化點(diǎn)。海底熱液對(duì)對(duì)流模式可可簡(jiǎn)述為：：冷的密度度大的堿性性海水，在在熱的高度度破碎的地地殼加積帶帶即活動(dòng)大大洋脊軸帶帶不斷下降降，其滲透透深度取決決于地殼滲滲透性和熱熱梯度，而而主要受巖巖漿源影響響不斷加熱熱的熱水則則上升。溫溫度、壓力力和圍巖成成分控制了了循環(huán)熱水水溶液在流流動(dòng)過程中中從巖石中中浸析出Mn、Fe、Zn、、Cu等，，并使海水水中硫酸鹽鹽還原為硫硫化物，形形成了酸化化的富金屬屬的稀釋熱熱液流體。。8.4.1熱液及及礦質(zhì)來源源相當(dāng)多的研研究者認(rèn)為為,易溶解解元素(如Pb,Zn,Ag等)主主要來自淋淋濾,而而難溶元素素(Cu,Sn,Bi,Mo等)主主要來自巖巖漿;即即同一礦床床中與銅礦礦化有關(guān)的的流體主要要來自巖漿漿,而與與鉛鋅礦化化有關(guān)的流流體多被解解釋為來自自循環(huán)海水水。8.4.2雙雙對(duì)流模式在同一地段的洋洋底熱液系統(tǒng)中中可以同時(shí)存在在兩種不同鹽度度的流體,有有些流體的鹽度度低于正常海水水,另有的鹽鹽度(NaCl)則高達(dá)達(dá)15%～32%。。海底熱液噴口的的最高溫度為350℃左右右,這種高溫溫能持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)長(zhǎng)的時(shí)間;另外外噴口熱液的化化學(xué)組成只能在在近400℃℃左右的海水與與玄武巖實(shí)驗(yàn)中中產(chǎn)生,以上這這些現(xiàn)象用以往往單循環(huán)對(duì)流模模式是不易解釋釋的。Bischoff和和Rosenbauer根據(jù)據(jù)野外和實(shí)驗(yàn)室室重新驗(yàn)證,提出新的洋中中脊海底熱液循循環(huán)模式——雙雙擴(kuò)散對(duì)流(Double-diffusiveconvection)模式式。雙擴(kuò)散對(duì)流模式式認(rèn)為海底熱液液活動(dòng)區(qū)有兩個(gè)個(gè)對(duì)流圈:下方是高溫高鹽鹽度的鹵水,順層分布并對(duì)對(duì)流;上方是是低溫低鹽度的的海水對(duì)流圈,鹵水層下方是是一個(gè)隱伏的巖巖漿房,在巖巖漿房上部有一一個(gè)破裂鋒面,形成了熱阻阻擋層。熱阻擋擋層的溫度估計(jì)計(jì)為450～～700℃。。下方對(duì)流圈中中的鹵水一部分分來自海水,一部分來自巖巖漿,流體在在鹵水庫中發(fā)生生相分離,即即由于氣相逸出出使鹵水鹽度升升高。上方海水水循環(huán)對(duì)流圈是是一個(gè)單循環(huán)圈圈,在該圈底底部,海水通通過擴(kuò)散界面被被鹵水層加熱,并且通過擴(kuò)擴(kuò)散界面?zhèn)鬏敳坎糠秩芙饨M分。。鹵水層主要形形成位于下部的的層狀礦化,往上排泄時(shí)也也可形成部分不不整合礦化,上方海水層形形成上部的不整整合礦化。8.4.3硫硫化物堆積機(jī)機(jī)制排泄入海的熱液液有三種:1.任何混合程程度下密度均高于海水水的高鹽度熱液,可沿坡而下下向低洼處淤積積形成鹵水池,發(fā)育席狀或或板狀礦床;2.初始密度小于海海水,但在與海水混合一定程度后后,其密度高高于海水的熱液液,可形成錐狀或或丘狀礦床;3.在任何混合程度下下均小于海水的熱液,在海海水中形成上浮浮熱柱,僅形形成熱柱散落而而成的薄層沉積積?，F(xiàn)代海底熱液觀觀察研究表明,海底噴出口口熱液流體最高高溫度可達(dá)350℃,最最低溫度僅高出出周圍海水幾度度。高溫流體可可能代表著原始始的熱液流體。。其鹽度多數(shù)不不超過海水的2倍,它們們多通過煙囪向向海水中排泄,形成上浮熱熱柱,其性狀狀類似于Sato的第三類類溶液。然而,實(shí)地測(cè)測(cè)定和包裹體研研究表明,部部分熱液流體,其w(NaCl)超超過7%,其性狀可能類類似于第二類溶溶液。這些熱液液流體可能多封封閉于硫化物丘丘堤之下。關(guān)于硫化物堆積積機(jī)理,人們們對(duì)古代礦床研研究認(rèn)為,硫硫化物要么從排排泄于海底的熱熱液流體中直接接沉淀,要么么金屬組分從鹵鹵水池中直接淀淀積而成。對(duì)現(xiàn)代海底硫化化物成礦作用觀觀察與研究極大大地沖擊了這些些觀念,并給給出了全新的硫硫化物堆積機(jī)理理。現(xiàn)代海底硫化物物堆積過程實(shí)際際是煙囪生長(zhǎng)、、倒塌堆積和熱熱液流體在其開開放空間充填與與交代的過程。硫化物的形成首首先通過硫化物物煙囪來完成。最早發(fā)育的煙囪囪可能形成于高高滲透性的火山山-沉積巖系系頂部、熱液噴噴出口及其附近近。晚期發(fā)育的煙囪囪則建筑于硫化化物丘堤之上。。硫化物煙囪的生生長(zhǎng)通常從硬石石膏沉淀而始,高溫礦物組組合黃銅礦-黃鐵礦淀積而而終。因硬石膏溶解度度隨溫度降低而而增大,因此此在上浮熱液與與冷海水間的高高熱梯度的熱界界面上沉淀硬石石膏。隨高溫?zé)嵋夯顒?dòng)動(dòng),石膏壁向向上向外增長(zhǎng)。。在煙囪壁內(nèi)外外溫度梯度、物物化梯度下,不同溫度成礦礦組合相繼從煙煙囪壁向煙囪通通道中央沉淀,形成特殊的的環(huán)狀分帶:內(nèi)部帶以黃銅礦為主,外部帶以閃鋅礦、方鉛礦礦為主,邊緣以重晶石和非晶硅硅為主。當(dāng)煙囪生長(zhǎng)至一一定高度后,便崩塌形成煙煙囪碎屑丘堤,其結(jié)果既阻阻止了熱液流體體高速、聚集式式噴射,又促促使了熱液流體體在煙囪堤內(nèi)對(duì)對(duì)流循環(huán),同同時(shí)在丘堤之上上形成新的彌散散式熱液排泄點(diǎn)點(diǎn),發(fā)育諸如如黑煙囪、白煙煙囪和雪球等,在丘堤頂部部發(fā)育熱液柱散散落物,降低低丘堤滲透性,并膠結(jié)煙囪囪碎屑,形成成低滲透外殼。。在硫化物煙囪囪碎屑丘堤之內(nèi)內(nèi),低滲透殼殼抑制流體外流流,