第27卷　第4期 成都理工学院学报 V ol.27N o.4　2000年10月JOU RNAL OF CHENGDU U NIVERSIT Y OF T ECHNOLOGY O ct.2000　[文章编号]1005-9539(2000)04-0335-08现代海底多金属硫化物矿床a别风雷1　李胜荣1　侯增谦2　孙岱生1(1.中国地质大学地质学系,北京100083; 2.中国地质科学院)[摘要]海底多金属硫化物矿床是热液活动的产物,主要分布在东太平洋海隆、西太平洋构造活动带、西南太平洋以及大西洋中脊,其产出构造背景为洋中脊、弧后扩张中心及地幔热点处。

该文系统地总结了现代海底多金属硫化物矿床产出的地质背景特点,对各地质环境中矿化的规律进行了对比,并对其形成机制等热点问题作了概述,详细介绍了矿床成因方面的新进展,着重阐述了海底多金属矿床的双扩散对流模式。

[关键词]海底多金属硫化物矿床,海底热液活动,大洋中脊,弧后扩张环境,双扩散对流[分类号]P618.2 [文献标识码]A 1978年,在东太平洋洋脊北纬21°首次发现现代热水活动喷流的黑烟囱及其堆积的硫化物矿石[1],该矿床为应用岩石圈板块构造所预测到的第一种矿床类型。

因此,在20世纪80年代,世界上出现了对海底硫化物矿床作为一种新型潜在矿物原料的广泛关注。

此后近一二十年来,一些国家如加拿大、美国、法国和日本以及德国对海底多金属硫化物做过许多研究和调查,已发现的矿点和矿床有139个左右[2],但规模比较大的不足20处[3]。

海底多金属硫化物矿床与海底热液活动有着密不可分的关系。

海底热液活动作为正发生的成矿作用,成为我们研究现代海底硫化物矿床的天然实验室,并有助于更新旧有的成矿模式;同时与陆地块状硫化物矿床进行对比,有助于指导海底与陆地找矿工作。

1　海底多金属硫化物矿床的全球分布及地质构造背景1.1　地理位置海底多金属硫化物矿床主要分布在太平洋和大西洋[3],[4],见图1。

在太平洋上,有3个重要成矿区:a.东部沿美洲大陆西侧的海域延伸形成一个漫长的矿带,具有代表性的有:(1)南探索者(Ex plo rer),(2)努力者(Endeavour),(3)轴海山(Axial Seam ount),(4)瓜伊马斯海盆(Guaym as Basin),(5)东太平洋北纬21°(EPR21°N),(6)东太平洋北纬13°(EPR13°N),(7)东太平洋北纬11°(EPR11°N),(8)加拉帕格斯(Galapago s),(9)南胡安得福卡(South Juan De Fuca),(10)伊斯卡纳巴海槽(Escanaba T rough)等。

b.西太平洋成矿区:(1)冲绳海槽的伊是名海洼JADE区(Okinaw a T rough),(2)马里亚纳(Mariana)。

c.西南太平洋成矿区:劳厄弧后盆地(Lau back-arc basin),M anus海盆,北斐济盆地(North Fiji basin)。

大西洋的代表性矿床有:大西洋中脊的TAG 热液活动区,中大西洋脊北纬23°蛇洞(Snakepit)。

红海:Atlantisll深裂谷。

1.2　地质构造背景已发现的海底多金属硫化物矿床产出在多种构造环境中,它们是快速扩张大洋中脊,慢速扩张大洋中脊,轴向火山、海山、大陆边缘附近的沉积断裂带,与俯冲带相关的后弧环境等。

概括讲,主要分布于洋中脊、弧后扩张中心及地幔热点等。

通过对已知海底热液活动区的详细研究,地质构造对多金属硫化物矿床有重要控制作用。

1.2.1　大洋中脊大洋中脊可分为快速、中速与慢速扩张洋脊。

a[收稿日期]2000-02-21[基金项目]国家攀登预选项目(95预39)和国家自然科学基金资助项目(49873013) [作者简介]别风雷(1970-),男,博士生,矿床矿物岩石学专业.(E-mail:flbie@)图1　海底多金属硫化物矿床位置分布图Fig.1　W or ld map sho wing the locations of the know n hydro thermal polymet allic sulfide depo slts(据文献[3]和[4]修改) 20世纪70年代末发现东太平洋脊12°N现代洋底地热系统后,大量的热液活动区和硫化物矿床在快速扩张洋脊被发现。

研究人员提出了矿床热液活动强度、矿床规模与洋脊扩张速度相关性的各种模型[5],[6]。

至1985年,发现大西洋中脊成矿的证据。

成熟硫化物丘在TAG区[7]和Snake pit区[8]被发现。

现在,人们已认识到在快速、中速、慢速扩张洋脊均会形成矿床。

快速扩张脊与慢速扩张脊在硫化物组合、流体组成和温度方面没有显著不同,但快速扩张的东太平洋脊和慢速扩张的大西洋脊硫化物矿床的不同点之一便是成熟度和规模。

成熟度高者出现10～40m 的大硫化物丘。

低孔隙度、重结晶和交代反应以及热液活动多期性等现象是成熟硫化物样品的特征。

东太平洋区的矿床成熟度及规模普遍不如大西洋。

在快速扩张洋脊,多期热液活动均可发生在不同构造部位,如地堑壁或地堑中心。

另外,火山喷发中心呈线性分布,绵延达10km。

地堑的宽度是较稳定的,第一次热液喷发也绵延达10km,并形成一些单独的小矿体。

如在东太平洋海隆,主要的控矿构造是裂谷轴部地堑中的裂隙,从其中流出最年轻的熔岩,中心式火山的破火山口分布在附近(离轴部不到20km)的翼部。

受非转换位移限制的、含矿最富的海岭地段,形态上表现为良好的平顶山状轴部隆起和发育良好的中央地堑。

东太平洋海隆轴部矿石堆积的规模是由轴区构造上相同地段的长度(常达40 km)和地堑的宽度(常达1km)决定的。

矿石堆积体主要由数十个(有时达数百个)不大的(数百至数万吨)的丘状矿体所组成。

在数万年间发育起来的近轴部火山成因矿体储量可达数百万吨[9]。

相比之下,在慢速扩张洋脊,如大西洋中脊,其轴部地质构造复杂得多。

大量的喷发中心出现于新火山脊附近,火山喷发的热量相对更为集中,且产出透镜状的地堑,喷流热液被限制在地堑透镜体的宽度范围内,单独和多期次热液活动更集中于喷发中心和透镜状地堑最宽部位,断层为热液流体在新火山脊的高地貌处提供了长期通道,矿床通常位于边缘断裂附近。

由于喷发的集中,慢速扩张脊的矿床规模比快速扩张脊的普遍要大,这可能主要归因于两者地堑构造的形态。

以东太平洋13°N和大西洋中脊蛇洞为例,图2示之。

在具有中等扩张速度(4～6cm/a)的海岭范围・336・成都理工学院学报 第27卷图2　快速扩张脊(EP R13°N)与慢速扩张脊(蛇洞)成矿构造背景比较Fig.2　Schematic com par ison betw een the tectonic setting s o f hydro therma l depo sits at a fast-spr eading r idge(EPR13°N)and a slow-spreading r idge(Snake Pit)(据Y ves F ouquet,et al.,1993[8])内,硫化物矿床发现于东太平洋海隆和大西洋中脊所特有的环境中。

目前,在已知海底矿床中,储量约为25×106t的最大的Galapag os海岭矿床,就像大西洋的大部分矿石堆积一样,由限制裂谷的断裂控制[9](目前有研究人员人认为Galapago s为富锰铁沉积物,而非多金属硫化物)。

1.2.2　弧后扩张环境自冲绳海槽发现硫化物堆积以来,科研人员对现代弧后环境的热液活动进行了大量调查。

它的构造背景和当今陆上古代与长英质火山岩有关的块状硫化物矿床构造背景很相似[10]～[13],两者都是形成于岛弧环境[11]～[14],具有双峰式岩石组合。

它们的基本成矿过程与洋底扩张中心相似,但是流体和矿床的性质受控于反映构造环境的地壳的物理-化学性质。

目前,研究程度较高的弧后环境热液矿床主要是冲绳海槽(Okinaw a T rough)[14],[15],马里亚纳海盆(M ariana)[16]～[18],Manus海盆[19],及劳厄弧后盆地(Lau back-arc basin)[20]和北斐济海盆(Nor th Fiji basin)[21],[22]。

根据弧后环境的构造成熟度,即岛弧的不同发育阶段,可将弧后扩张环境划分为[20],[21]:(1)年轻弧后系统,代表岛弧的弧后扩张初期阶段产物,扩张的弧后区仍以陆壳为主,并发育大量长英质岩系和少量玄武岩,如冲绳海槽[15]。

(2)成熟的弧后系统,代表着弧后扩张晚期产物,弧后区已开裂成洋,发育大量玄武岩系。

其硫化物组成与洋脊矿床接近,如北斐济盆地[21]和马里亚纳海槽[16]～[18],矿床矿石化学特征与洋中脊非常相似。

由于岛弧亲和性火山岩系的分异,Lau弧后扩张盆地发育程度介于年轻弧后系统和成熟的弧后系统之间[20]。

1.2.3　裂谷环境大陆间裂谷区已知的硫化物矿床,按其结构和分布规律,与海洋裂谷区的该类矿床有较大的差别,典型的如红海。

西南阿拉伯大陆边缘开裂伸展及洋化造就了年轻的红海盆地,它是形成慢速扩张洋盆早期阶段的产物,其扩张力似已衰退[4],[23]。

硫化物位于裂谷轴部,为卤水沉积的结果。

2　矿床化学成分特点一般来说,海底多金属硫化物矿床的主要元素是Cu,Zn,Pb,Ag,Ba,Ca和Au等(表1)。

形成的矿物以黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、斑铜矿、白铁矿、方铅矿、磁黄铁矿为主,也有一些热液型粘土矿物和非硫化物矿物,如硬石膏以及非晶质SiO2等。

微量元素的种类较多,以东太平洋21°N、胡安德福卡和加拉帕格斯为例,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,T r, T l,U,Y,W,Zr等[3]。

不同的构造背景所形成的矿床具有不同的化学组成[8],[24](表1)。

由于海底热液成矿作用过程基本类似,热液系统的热历史基本一致[24];因此,洋脊与岛弧环境多金属硫化物矿床间矿石化学差异,可能反映不同热液体系内金属浓度的差异和成矿有关的水-岩反应体系的差异[24]。

a.在洋脊环境,洋脊为相对富含Cu和Fe的玄武质岩石,因而矿床多为Cu-Zn型或Cu型。

而在岛弧张裂环境,岛弧下部的“基底”多为陆壳或过渡壳,火山作用产物主要为相对富含Pb和Zn的长英质火山岩系;因而,在海水循环和水-岩反应过程中,岛弧环境的火山-沉积岩系无疑比洋脊环境的玄武岩系提供更多的Pb,Zn和较少的Cu,Fe组分(图3)。