密西西比河谷型铅锌矿床分析.ppt

密西西比河谷型矿床 MississippiValley type MVT 密西西比河谷型矿床 MVT 密西西比河谷型矿床 MVT 是以广泛分布于美国中部的寒武纪至石炭纪碳酸盐建造中的许多巨大铅锌矿床而得名 是世界铅锌矿床第二大类型 在统计的58个世界超大型铅锌矿床中 它的矿床数占24 其铅锌储量数占23 矿床规模 Pb Zn 从几百万吨到几千吨不等 Pb Zn品位一般在3 10 低于喷流沉积型矿床 MVT矿床规模较大 一般成群成带分布 MVT矿带的分布范围从几十平方公里到几千平方公里 甚至数万平方公里 常伴生同类型的黄铁矿矿床 沉积菱铁矿矿床 重晶石 萤石 闪锌矿矿床等 有重要的经济意义 碳酸盐岩型铅锌矿床的吨位及品位 据DanL Mosier和JosephA Briskey 1986 一 MVT矿床的时空分布 MVT矿床是北美的特产 世界其它地区也有 但分布较为分散 美国的这类矿床集中分布于密西西比河谷地区 有密苏里州东南部巨大的老铅矿带和新铅矿带 维伯纳姆 Viburnum 矿带 威斯康星 伊利诺伊州的密西西比河谷上游地区 UpperMississippi 东田纳西的马斯科特 杰斐逊 Mascott Jefferson 等 加拿大重要矿床有 派因波因特 波拉里斯 盖纳河 加斯河 普雷里克里克等 欧洲有 波兰 UpperSilesia 奥地利的Bleiberg 前南斯拉夫梅日察和意大利的Raibl 除波兰外 主要分布于阿尔卑斯山脉区 澳大利亚有AdmiralsBay 伊朗有迈赫迪巴德和安古兰矿床 90年度在南美洲和非洲也发现了MVT矿床 我国已知矿床如 广东 凡口 广西 泗顶等 近年来在扬子台周缘发现了一系列该类矿床 包括川 滇 黔交界地区 陕南地区 鄂西和湘西地区 世界主要MVT矿床的分布 此类矿床多赋存在从前寒武纪到白垩纪的各个时代的岩石中 但成矿时代多见于古生代及中生代 尽管全球元古宙碳酸盐岩非常丰富 但产于其中的MVT矿床很少 且规模也不大 时控特征不显著 有利于形成此类矿床的大地构造环境是稳定的大陆板块 大陆边缘拗拉古 裂谷 二 MVT矿床的一般特征 密西西比河谷型矿床的产出构造环境 含矿岩系 含矿岩系为以浅海相碳酸盐岩为主 可夹有砂岩 页岩及砾岩的沉积建造 碳酸盐岩包括生物礁相 潮坪相灰岩 白云岩 礁角砾岩及崩塌角砾岩等 矿床形成于主岩成岩之后 a 美国中部地区 b 中国川 滇 黔接壤地区 c 爱尔兰中部地区 d 秘鲁中部地区 1 结晶基底 2 砾岩 砂岩 4 页岩 5 白云岩 6 灰岩 7 中酸性火山岩 8 花岗岩 9 石膏透镜体 10 矿体 密西西比型铅锌矿床柱状剖面对比图 沉积岩中铅锌多金属矿床谱系及成矿作用特征简图 R Large 2002 矿区范围内一般不出露火成岩 少数矿区发现有火成岩 经证实也和成矿无关 MVT矿体大多以开放空隙充填方式形成 具后生成矿特征 矿体有似整合和不整合两类 似整合矿体为层状 似层状 与地层产状一致 不整合矿体呈脉状 网脉状 受断裂和裂隙控制 产出部位多为碎屑沉积盆地的边缘 沉积基底突起部位 砂岩尖灭部位 岩屑堆积层及其尖灭部位 生物礁 断裂扩容部位 不整合面及其附近的岩溶崩塌角砾岩 产于白云岩中呈浸染状似层状交代的铅锌矿体剖面图 矿石的主要金属矿有方铅矿 闪锌矿 黄铁矿 白铁矿 黄铜矿 等 常见脉蚀矿物为白云石 方解石 菱铁矿 重晶石 萤石 胶状二氧化硅等 矿石多具交代结构 粒状结构 草莓状结构及团粒状结构 浸染状 细脉浸染状 角砾状 条纹及条带状 胶状构造 矿体的围岩蚀变微弱 常见白云岩化 硅化 方解石化及退色化 成矿流体源自沉积建造水 成矿过程中演化为含矿热卤水 成矿温度70 200 也有些MVT矿床流体包裹体Th较高 如法国LesMa lines矿床主成矿期第一阶段重晶石Th为180 3800C 育空地区Blende矿床主成矿期闪锌矿Th为283 左右 爱尔兰Tynagh矿床闪锌矿的Th为126 243 成矿溶液盐度 15 20 wt NaCl 高的可达30 硫化物的 34S为8 03 31 36 且一般认为矿床的硫主要来源于海相蒸发岩 如膏盐层 蒸发岩中的硫酸盐转变为MVT矿床中硫化物的还原态硫的机制可能是通过热化学还原作用实现的 MVT矿床矿石铅同位素组成比较复杂 一些矿床富放射性成因铅 同一矿床甚至单一方铅矿晶体的铅同位素组成差异较大 如密苏里东南部和上密西西比河谷地区一些矿床则不具此特点 铅同位素组成较为均一 MVT矿床的一显著特征便是具有 J型异常铅 川滇黔地区主要铅锌矿床硫同位素直方图 川滇黔地区主要铅锌矿床铅同位素演化 MVT矿床脉石矿物方解石和白云石的 13C和 18O明显低于围岩 近矿围岩的 13C 18O介于二者之间说明其为正常围岩受成矿热液交代重结晶而致 与碳和氧的情况相反 其硫化物和脉石矿物87Sr 86Sr皆不低于主岩的值 近年来 多数人倾向于认为 这类矿床中的铅 锌矿化在沉积和成岩时已初步富集 后经地下热卤水对富含铅 锌的沉积层进行溶滤和搬运 在有利的地层和构造环境中充填 交代而成矿床 三 MVT矿床的成因和成矿模式 MVT矿床还没有统一的描述性模式可成因模式 S A杰克逊和F A比尔斯以加拿大派因波因特矿床为了提出了沉积 成因模式 认为在大型盆地内由沉积物的压实作用所产生并驱动的流体 通过卤水的淋滤作用获得金属 并以氯化物或有机络合物状态携带金属 当它们从盆地深处排除时 在碳酸盐岩中遇到有H2S的地方就沉淀出硫化物 即MVT矿床是在成岩作用晚期阶段正常沉积盆地演化的产物 碳酸盐岩型铅锌矿床成矿模式 成矿模式参与深部循环的地下水或盆地沉积物封存的卤水受地热增温的影响溶解了地层中的盐分 铅等成分形成含矿的低温热卤水 此种热卤水沿断裂 不整合面 砂岩及角砾岩等渗透性层运移并在有利的部位沉淀成矿 据JosephA Briskey 1986的图修改 一 矿质来源 1 卤水在沉积盆地内 淀积不久的富粘土沉积物可能含70 80 的水 在埋深达几千英尺 如3000英尺 的情况下 由于压实作用 这种水大部分从沉积物中排泄出来 随着深度增加 这种地层水含盐度逐渐增高 可达15 30 比海水正常盐度 3 5 高得多 这可能是由蒸发岩层被地下水溶解而造成的 或是蒸发岩层排出的间隙流体造成的 氢可氧同位素研究表明 盆地卤水既不是浓缩的卤水 也不是卤化的大气水 在北美五大沉积盆地中 卤水均可能是海水与部分大气水的复杂混合物 并且由于与盆地岩石相互作用及其它因素的影响而发生了变化 因此 这些卤水不是单一成因的 成矿卤水的特点 流体包裹体资料显示这种卤水具有以下特点 密度常大于1 盐度通常大于15 超过海水盐度4倍及以上 但几乎未见NaCl子晶 表明包裹体中除Na Cl之外 还存在大量Fe 包裹体内含有浓缩的Na Ca氯化物溶液 以及少量K Ma Br和部分重金属 如Cu Zn 有机质是常见的 呈甲烷或类似的气体 或呈不混溶的像石油那样的小液滴 或在卤水内呈乳化液 流体包裹体充填温度约80 2000C 大多数温度范围为100 1500C 2 金属来源 实验研究和对天然卤水的观察证实 富含氯化物的卤水能够从它们所流经的岩石中淋滤出痕量金属 既可以把表明吸附的金属吸收过来 也可把矿物重结晶及重结晶期间释放出来的金属吸收过来 另一种可能是由于热液蚀变或金属有机络合物破坏而从这种络合物中吸收其释放出的金属 关于源岩 页岩 碳酸盐岩 蒸发岩层 基底有人主张是页岩 因为页岩通常相对富含痕量金属 还因为随埋藏深度加大和稳定增高 粘土矿物结构发生变化 可能释放出这些痕量金属 碳酸盐岩作为源岩 因为这些金属是在初始亚稳定态的文石和高镁方解石被稳定态的低镁方解石和白云石交代过程中释放到水溶液中的 根据对加拿大西部的中泥盆世蒸发岩层中金属富集作用的研究 在蒸发作用期间 铜留在卤水中 而铅锌进入石膏和硬石膏这些固相内 富铜的残余卤水能形成小规模的红层铜矿床 而铅锌则在很晚才被高盐度卤水活化 成矿金属元素主要来源于碳酸盐岩层之下的含矿古老基底岩系 成矿流体通过下渗基底岩系 萃取成矿元素 然后以氯配合物或硫代硫酸盐配合物形式迁移 上升至浅部有利地段沉淀 如此构成循环流通体系 就可造成巨量的堆积 Sangster 1983 铅同位素表明 MVT矿床的铅同位素是 异常 铅或J型铅 这种铅不是来自地幔 而是来自某一或几个壳源 3 硫的来源 多数地下卤水含少量硫 其含量范围从几十到几千ppm 硫几乎总是呈硫酸盐状态存在 而不是呈形成硫化物矿床所需的还原硫状态存在 要使卤水中还原硫含量增加 一般有两种途径 把卤水中已有的某些硫酸盐还原为硫化物 这可通过卤水中其它组分 如甲烷的作用来逐步实现 甲烷可将硫酸盐还原为H2S 或者卤水在其运动过程中与某一还原营力 如与石油相遇 从而是硫酸盐还原 增加卤水中的外加还原硫 这可通过细菌对硫酸盐的还原作用 石油的热降解以及石油与无菌硫酸盐的还原作用来达到 从硫同位素看 MVT矿床的硫同位素比值很宽 一般认为归因于使硫还原的细菌作用 但这不会改变硫的地壳成因 最终是海水成因的结论 二 搬运形式与驱动力 在盆地中 由于压实作用的水压差 间隙流体从地层中被挤压出来 这些溶液沿最容易渗透的通道上升 纵横交错的天然通道系统能使大量流体迁移 一旦遇到像砂岩或具有岩溶或破碎带的灰岩等渗透性强的地段 溶液就会流动相当长的距离 这些海水能否搬运金属取决于卤水中还原硫的含量 而金属在含还原硫较多的溶液中的溶解度是相当低的 所以 一种溶液在1000C时 是不可能既搬运大量金属又搬运大量还原硫而形成矿床的 溶液要么携带大量的金属 要么携带大量的还原硫 往往不可能兼而有之 金属在这种溶液里主要是呈氯化物或有机络合物形式被卤水携带的 这种运移的驱动力和运移型式有待深入探讨 目前研究看 初期成岩压实作用应是主要驱动力之一 其它可能包括渗透作用 粘土化的脱水作用 或由于温度升高引起水膨胀等 成矿流体的驱动力 Ndoble 1963 提出盆地沉积成岩压实作用可作为形成密西西比河谷型矿床流体的驱动力 但正常的稳定盆地沉积成岩压实作用 无论在温度方面 还是成矿流体的流动方面 成矿所需要的流体流动速度是沉积压实作用所能达到最大的值的300一500倍 都不能满足成矿的需要 CathieandSmith提出了盆地快速沉淀 脉动快速排泄流体的观点 一些学者结合北美密西西比河谷型矿区及区域地层建造特征 通过数字化模拟发现沉积压实作用在温度 流体的量和持续时间 太短 上 不能满足成矿的需要 即使是快速沉积脉动排泄流体模式也不例外 Oliver提出了构造应力模式 构造挤压使岩石空隙中的流体被挤出 而密西西比河谷型矿床也确定与一些造山活动有关 LeachandRowan利用包裹体等研究表明造山带活动排出成矿流体形成Ozark地区广泛发育的密西西比河谷型矿床 有人还提出了地震泵驱动的观点 而成矿流体大规模迁移的动力一般认为是碰撞造山过程中的构造挤压所产生的驱动力 盆地流体被构造应力和重力势驱动由盆地深部向边缘流动 并在盆地边缘的碳酸盐岩断裂裂隙带中成矿 三 沉淀机制 MVT矿床大多赋存在碳酸盐岩中 并且广泛与碳酸盐岩局部溶解带和坍塌带伴生 常与岩溶有关 碳酸盐岩中这些开放空间既便于流体运移 也可为大量硫化物沉积提供空间 因此碳酸盐岩层不仅构成盆地脱水的最佳通道 也是矿石的最好容矿岩层 MVT矿床产出位置示意图 混合机制 关于硫化物从卤水沉淀出来的原因可能是pH值变化 冷却作用 稀释作用和还原硫增加 加拿大G M安德森研究认为 携带金属的溶液与携带硫的溶液不是同一种溶液 而是两种溶液 携带金属的溶液与碳酸盐一致 偏碱性 而携带硫的溶液偏酸性 矿石沉淀在两种溶液混合的地段 因此 MVT矿床成矿的基本模式是 Pb Zn以Cl的络合物形式搬运 H2S呈气态 二者在同一地段出现 但不一定同时 可能有先后 两者相遇 络合物不稳定 就沉淀出PbS和ZnS Pb Zn Cl2 液态 H2S 气态 PbS或ZnS当然 两种溶液来自何处 怎么成矿 仍有很多争论 还原沉淀机制 成矿金属以氯配合物和 或有机配合物和 或硫代硫酸盐配合物形式存在于流体中 在富含有机质的成矿部位还原硫酸盐 引起硫化物沉淀 硫酸盐可以随同成矿流体一起迁移而来 也可以是成矿部位的硫酸盐被就地还原 硫酸盐的还原是此模式的关键 密西西比河谷型矿床成矿流体中及成矿部位的有机质数量少 难以对成矿产生显著的影响 在成矿部位 无机质作为还原剂的效能 使硫化物沉淀所用的时间也不能满足成矿的需要 且众多密西西比河谷型矿床成矿部位中可用作还原剂的无机质 如低价状态的变价元素 在量上并不丰富 共同迁移机制 认为成矿流体中的成矿金属以硫氢配合物形式迁移 在成矿部位中 由于fo2升高 pH值降低 还原态硫浓度降低 造成硫化物沉淀 Zn HS 02 aq ZnS H2S aq fo2升高 会导致H2S aq 被氧化 浓度降低 并有可能使之转化成为强酸 如硫酸 使pH值降低 pH值降低 不仅仅由 fo2升高造成 则导致硫氢配合物失稳 还原态硫浓度降低 除受fo2影响外 也可由其它因素造成 如体系一定的开放性引起的H2S散失 都促使反应向右进行 众多经典密西西比河谷型矿床 如密苏里东南部 上密西西比河谷地区 东田纳西等 同位素和流体包裹体等研究证实 还原态硫和绝大部分成矿金属的确是同一热液体系中迁移的 且成矿流体的pH值愈高 对成矿金属以硫氢配合物形式迁移有利 四 成矿环境与成矿条件 1 MVT矿床在空间上基本分布于古老克拉通的边缘或内部 有些则产于裂谷环境中 如Canning盆地 2 MVT矿床一般与构造碰撞和 或裂谷活动 多离矿床较远 有关 这不仅可以从地质 其它地球化学特征上得到支持 而且就近年测得的可靠成矿年龄来说 北美MVT矿床一般与造山活动有关 如上密西西比河谷地区MVT铅锌矿床与Alleghenian puachita造山活动 东堪萨斯Jumbo矿床与Appalachian Ouachita造山活动有关 Polaris矿床与Ellesmerian造山活动有关 东田纳西Coy和Irnmel矿床与Acadian造山活动有关 爱尔兰中部平原Gortdrum矿床与原始大西洋封闭晚期有关 Canning盆地的MVT矿床是裂谷环境的产物 沉积岩中的铅锌矿床综合模式 ModelbyGoodfellowetal 1993 3 MVT矿床主要赋存于厚的碳酸盐岩 主要为白云岩 建造中 具明显的岩控特征 4 MVT矿床在空间和成因上往往与高的基底 basementhigh 有关 或直接产于基底中 5 人们曾经一度认为MVT矿床与主岩的沉积相 变 有关 受主岩形成时的岩相古地理控制 ViburnumTrend和PinePoint等矿区可以说是这种观点的经典实例 然而现在经过仔细的工作发现 在前者几乎没有矿体产于礁体中 相反 矿体多产于渗透性较好的白云岩中和礁体周围 在PinePoint和东田纳西 矿体多产于溶蚀角砾岩中 与其说MVT矿床受沉积相 变 等控制 不如说受主岩的可渗透性控制 为成矿流体运移及成矿物质沉淀提供了有利空间部位 在MVT矿床研究中由于一直缺少对控矿构造 主要为断层 断裂 和成矿后构造的区分 才致使人们把过多的注意力转移到MVT矿床与主岩地层沉积相 变 的关系上 从而产生了误导 MVT型碳酸盐岩容矿的铅锌矿床成矿条件示意图 MVT型矿床的形成多与碰撞造山活动关系密切 如密西西比河谷地区MVT型矿床与Alleghenian造山运动有关 Brannon1992 爱尔兰中部的Gortdrum矿床与原始大西洋的封闭成陆有关 Duane 1986 其赋矿围岩主要是未变质较纯的厚层浅水碳酸盐岩系 以白云岩为主 灰岩次之 具有明显的岩控特征 区域控矿构造从比较平缓的岩层到前陆褶皱和逆冲推覆构造都有 而碳酸盐岩中的断裂系统 不整合面和喀斯特等构造是主要的控制矿体产出的次级构造 矿化集中区主要发育在前陆盆地与穹隆的过渡部位 1 矿床 a 三州交界地区 b 密苏里州中部地区 c 维伯纳姆地区 d 老铅带 e 阿肯色州北部地区 2 沉积盆地 3 褶皱带 4 推测的流体流向美国中部地区密西西比型铅锌矿床的分布和前陆盆地与造山带的关系 据Plumlee等 1994 美国中部地区 尤其是欧扎克 Ozark 隆起区内的矿床 主要形成于古生代末的阿勒格尼 Alleghanian 造山运动 320 250Ma 期间 造山运动形成了沃希托山脉 使造山带与阿科玛 Arkoma 和黑沃尔 BlackWarrior 前陆盆地 图 之间产生了巨大的地形高差 使大气降水从南部的造山带一侧下渗到Lamotte砂岩 透水层 之后 在重力梯度的驱动下向北部的前陆盆地流动 在这一过程中流体从地层中淋滤出成矿物质 并获得热量而成为含矿热液 当这些热液到达盆地另一侧时 由于含水层的尖灭或被断层破坏流体释放出成矿物质而成矿 也有人认为在阿勒格尼运动期间 构造应力为成矿流体的流动提供了驱动力 即在造山作用所引起的挤压应力下 成矿流体从造山带一侧向前陆盆地流动 并在盆地的北缘成矿 在扬子陆块西部 以沉积型为主中部以岩浆改造形成的SK型Pb Zn为主东部为构造热液型PbZn矿 五 扬子陆块及其周边的沉积 改造型铅锌矿床 扬子地台隆起区周围铅锌矿化集中区分布图 汉南隆起 马元地区铅锌矿产于碑坝穹隆周缘灯影组白云岩中 可分为南 东 北三个铅锌矿 化 带 成矿带主体由震旦系灯影组白云岩组成 铅锌矿化集中产于灯影组上亚组第三岩性段砾屑白云岩中 成矿带规模大 产出层位稳定 矿带内铅锌矿化具有分段富集的特点 在断裂构造和角砾岩发育 角砾岩带厚度大 角砾含量增高 且沥青 重晶石化较强地段 铅锌矿化相对富集 川滇黔多金属成矿区 川滇黔多金属成矿区位于扬子地块西南缘 包括黔西北 滇东北 川南部分地区 是中国重要的铅 锌 锗 银产地之一 其中包括银厂坡 麒麟厂 金沙厂和会理 会东一带400多个大 中 小型矿床及矿点 其中大中型铅锌矿床十余处 储量近千万吨 该多金属成矿区与陆相峨眉山玄武岩的分布范围基本一致 但赋矿层位全部为不同时代 震旦系至二叠系 的碳酸盐岩 为比较典型的密西西比河谷型 MVT 铅锌矿 川滇黔地区主要铅锌矿床分布图 据骆耀南 2002 川滇黔多金属成矿区在大地构造位置上处于扬子地块曲靖台褶带西北部 该地区在太古宙 中元古代形成了以中 低变质岩为主的褶皱基底 晋宁运动以后 本区开始了被动大陆边缘演化阶段 张云湘 1988 震旦纪至三叠纪总体上处于拉张状态 属于地裂发展旋回 晚震旦世开始 由于古上扬子海的不断海侵 该区出现了一个广阔的浅海台地 形成了一套以震旦系碳酸盐岩为主的沉积地层 铅锌矿床 点 分布在NS向安宁河线性断裂带 震旦系碳酸盐岩为主要赋矿地层 铅锌矿体多呈脉状 似层状 透镜状 扁豆状 囊状产于白云岩中 滇川黔地区密西西比型铅锌矿床成矿模式图1 海盆 2 碳酸盐岩地层 3 地幔 4 热卤水 5 大气降水 6 侵入岩 7 矿体 8 断层 构造环境 古特提斯洋向扬子克拉通的俯冲 碰撞带后相对伸展盆地 区域性断裂及次一级断裂是成矿物质运移的主要通道 断裂的长期活动