火山成因块状硫化物矿床的成矿演化及形成环境

火山成因块状硫化物矿床的成矿演化及形成环境
全球火山成因块状硫化物矿床的地质分布存在着鲜明的演
化特征。太古代绿岩中变质火山岩主要形成锌铜型块状硫化物矿
床,且矿床规模巨大,如加拿大地盾的诺兰达和基德克里克等超大
型矿床的表现,中国的红透山大型矿床可能亦属此列。进入古元
古代锌铅铜型矿床开始出现,但矿床规模减小,中元古代基本没有
有规模的块状硫化物矿床的形成,到新元古代开始以锌铅铜型矿
床为主要特色,发展到显生宙早古生代,又开始出现锌铜型矿床,
但这类锌铜型矿床与太古代形成的锌铜型矿床不同,主要与洋壳
有关,矿床规模普遍不大。
进入晚古生代以后,火山成因块状硫化物矿床又开始了一个新的
发展阶段,有大型超大型矿床的再度出现,比如西班牙的里奥廷托
超大型矿床,仍是锌铅铜型和锌铜型矿床并存,表明了洋壳、岛弧/
陆壳拉张环境的火山作用均有块状硫化物矿床产出。
中新生代是火山成因块状硫化物矿床一个大的发展时期,可与太
古代相比拟,只是形成的范围更宽阔了,太平洋两岸及阿尔卑斯造
山带都是形成块状硫化物矿床的重要地区,在北美西岸形成有世
界上最大的温迪克拉基超大型矿床。可见,从全球角度讲,太古代
和中新生代是火山成因块状硫化物矿床的最主要形成期,其次是
晚古生代,这是由全球大陆形成演化和壳幔作用的节奏强度决定
的。但中国已有的发现,以白银厂为代表的祁连山早古生代的V
HMS 矿床最为重要,与全球的发现有显著差异。可见,中国大陆
太古代、中新生代和晚古生代火山岩系中,还应进一步加强V
HMS 矿床的成矿研究和找矿勘查工作。
太古代陆壳很薄,硅铝层不发育,尚未形成铅的富集,幔源岩浆很
容易冲破陆壳形成火山,即使重熔了陆壳亦并没有多的铅加入,由
于壳幔延化剧烈易形成锌铜型块状硫化物矿床,中国华北陆块的
辽宁红透山矿床可看作一个响应。中元古代没有成型的块状硫化
物矿床出现是一个令人费解的问题,是火山作用不发育,但
Columbia 超大陆的裂解事件,应该有大规模火成岩省发育。没有
形成块状硫化物矿床主要原因可能还是火山作用发育于陆上的
缘故,形成块状硫化物矿床的必要条件除了火山作用,还应有海底
的环境,才可形成水岩交换反应产生成矿热液系统。
新元古伴随Rodinia 超大陆的裂解,与早古生带形成拉张洋盆和
消减汇聚应是一个连续的过程,地壳的连续拉张既有海水的进入,
又有各种类型火山作用在加里东造山带中造山前的发育,因此形
成了各种构造环境锌铅铜型和锌铜型矿床并存的特点,但由于早
古生代或者更早新元古代所形成的与洋壳有关的蛇绿岩难以保
存完整,所以与洋壳有关的锌铜型(应为铜黄铁矿型) 矿床不十分
发育,但有重要矿床存在,例如阿巴拉契亚加里东造山带的加拿大
纽芬兰和中国北祁连加里东造山带的雪泉(石居里沟) 等矿床。
晚古生代由于乌拉尔洋、古特提斯洋和古亚洲洋的大规模扩张、
消减闭合作用,在大洋、岛弧、弧后盆地和闭合后的壳幔均衡作
用再次拉张环境形成了各种类型的锌铅铜型和锌铜型矿床,并有
西班牙里奥廷托、葡萄牙内维斯- 科尔沃和“十月革命五十周年”
等大型超大型矿床发现,形成火山成因块状硫化物矿床成矿史上
的又一强成矿期,中国新疆北部阿尔泰的阿舍勒大型块状硫化物
矿床即是这一成矿时期的产物。
中新生代是大陆飘移、大洋重新格局一个最显著的时期。中生代
太平洋、古地中海(特提斯海) 的强烈扩张和相应的大陆边缘消
减活动,在洋、岛、盆不同环境形成了重要的块状硫化物矿床,并
且表现为古地中海(阿尔卑斯) 古太平洋东岸(科迪勒拉)中生代
强烈矿化,形成与洋壳有关的大型超大型锌铜型矿床(迪克拉基、
塞浦路斯) ,太平洋东岸岛弧带主要是与新生代第三纪岛弧裂解
有关的大型及规模不等的锌铅铜型矿床的形成(黑矿) ,中国三江
的三叠纪呷村锌铅铜型矿床应属于古地中海(特提斯) 东延喜马
拉雅与古太平洋对接处特殊环境的成矿实例。
通过全球火山成因块状硫化物矿床的分布与形成演化分析,不难
看出矿床矿石组分的铅是一个关键性的指示元素。铅在地壳中的
丰度为12ppm, 而上地幔、下地幔分别为2.1ppm和0.1ppm,块状
硫化物矿床中铅要得以富集,地壳的供给是主要的。因此火山成
因块状硫化物矿床,从岩浆火山为主要成矿金属元素来源认识出
发,岩浆中有无地壳物质的加入,可能是重要的控制因素,洋壳环
境形成的塞浦路斯型矿床可以肯定铅含量很低,岛弧和陆内拉张
环境火山作用相关的块状硫化物矿床,一般应含铅,但主要还是与
部分熔融岩浆来源的位置或在作用过程中有无地壳物质的大量
卷入关系密切,因此也有铅低的矿床,这样的实例很多。由于锌与
铜的地球化学习性基本一致,矿床中其含量的变化因素很多。由
此来看,火山成因块状硫化物矿床矿石组分可划分为锌铜型和锌
铅铜型,铜黄铁矿型(铜型) 其实可视为锌铜型的端元例子,是几
乎没有锌达到工业品位的锌铜型。正确的类型划分应为铜锌型和
铜铅锌型两大类,在两大类中,可能表现为端元的铜型和锌型。
值得指出的是,火山成因块状硫化物矿床的分布北半球明显发育,
南半球发现稀少,是南半球该类矿床确实不发育呢,还是勘查程度
不够? 不得而知。但有一点是清楚的,北半球发育的各构造环境
或时代的矿床,南半球都有发现的实例,特别是非洲和南美地台,
应该有进一步发现的前景。
与火山作用有关的块状硫化物矿床的成矿环境一直是矿床成因
认识中关注的问题之一。已认识到块状硫化物矿床主要形成于板
块边缘,矿床形成时应处于一种张性应力状态的环境,这种环境多
伴随着高渗透性的断裂带,为成矿流体循环提供了一种适宜的空
间位置,地质历史上保存下来的塞浦路斯型矿床往往是弧后盆地
扩张环境的产物,真正大洋都已消失殆尽,而黑矿所在的岛弧背景
主要是一种岛弧裂谷的环境,是岛弧裂解向形成弧后盆地过程中
的产物。现代海底调查结果似乎显出块状硫化物矿床形成的环境
非常广泛,Hezig et al 将其划分为大洋中脊(太平洋北21°附近矿
床) 、洋内弧后(Mariana 海槽矿床) 、陆内弧后Okinawa 海槽
矿床) 和陆内裂谷(红海海渊矿床) 等4 种环境。这一认识基础
是,火山样式的差别是由地壳中大规模构造演化引起的,3 种矿石
类型在整个地质时代中和造山发展过程中既是典型矿床的成矿
特征,又可作为示踪其指示环境变化的重要标志。
最近,Schandl and Gorton讨论了高场强元素对VHMS 矿床构造
背景的判别,利用各元素质量分数Th/ Ta 、Th/ Hf 、Th/ Yb 和
Ta/ Yb 比率可帮助确定成矿的火山作用是发生于洋弧、活动大
陆边缘还是板内火山岩带的构造环境。不相容元素和稀土元素的
地球化学特征可以示踪VHMS 矿床形成的构造环境,例如岛弧
环境的黑矿和San Nicolas 的流纹岩,与非岛弧裂谷环境形成的
Kidd Creek 流纹岩质量分数相比, Th/ Ta 、Th/ Nb 和La/ Yb 比
率明显要高。火山岩的La/ Yb 比率认为可以反映结晶分离的程
度和岩浆源的深度,因为高压条件下残留的石榴石将会降低熔融
体中重稀土元素的含量,导致陡倾的稀土元素模式,而Th/ Ta 比
率则认为可以示踪消减板片加入岩浆形成的状况以及消减沉积
岩石的再循环,或弧形成过程中地壳硅铝质组分拼入的情况。Th/
Ta 质量分数比率低的范围为板内火山带的特点,活动大陆边缘
升高为6～20 ,洋弧最高为20～75 。Gorton and Schandl 的Th/
Yb-Ta/ Yb 图解判别认为中生代日本的黑矿主要落入活动大陆
边缘(ACM) 环境,加拿大地盾大部分太古代的铜锌型矿床,以诺
兰达(Norandda) 为代表主要落入板内环境。
加拿大地盾诺兰达(Norandda) 火山杂岩由7～9 km 的双峰式火
山岩堆积组成,火山杂岩核部存在复合相的同火山侵入体,已发现
有19 个块状硫化物矿床,矿床形成于15×20 km 大的陷落火山
口内,在2697.9～2697.7 Ma 有限时段内发育5 次流纹岩旋回,其
流纹岩地球化学数据显示与其他太古代VMS 矿床类似, 主要表
现为较低的Th/Ta为2.2～5.1 。值得指出的是诺兰达(Norandda)
西约200 km 的Kidd CreekVMS 矿床,含矿的流纹岩流和角砾岩
位于科马提岩和玄武质科马提岩流的顶部,研究认为,科马提岩、
流纹岩火山作用是地幔柱派生裂谷和古老弧组合在缓慢扩张裂
谷盆地过程中部分熔融的产物。
产于绿色凝灰岩区的中生代日本黑矿,认为形成于衰退的岛弧裂
谷环境。绿色凝灰岩区由岛弧内部长约1500 km 的火山岩带组
成,黑矿地区的火山岩演化包括安山质火山作用、海平面小于
3500 m 之下的沉降带和一系列玄武质裂隙式喷发和微量长英质
火山岩。沉降带主要由长英质火山中心的喷发堆积而成,发育几
个陷落火山口(直径4～8 km) 。矿床均产于这些陷落火山口水深
小于1000 m 的“边缘凹陷”中,赋矿岩石为镁铁长英质火山岩和
凝灰岩,并密切与块状流纹质熔岩穹隆相关。黑矿的长英质火山
岩多投点于活动大陆边缘,Th/Ta相对较高,为(7.0～17.5)。