海底硫化物综述.doc

西北大学地质学系研究生综述性课程成绩单学生姓名赵军辉（201021142）类 别硕士专 业矿产普查与勘探年 级2010课程名称矿床地球化学任课教师朱赖民学 时40学 分2课程成绩（百分制）教师评语：任课教师签名：年 月 日教师注意事项：1、课程总成绩应基本符合正态分布；2、若有两种（及以上）方式进行综合考核，需明确各部分所占比例；3、评语中应指出该份作业的特点与不足。现代海底硫化物矿床研究现状及展望西北大学 地质系 矿产普查与勘探专业 10级硕士 赵军辉 学号：201021142摘 要：现代海底热液活动及其资源效应是近30年来地球科学中的重要研究方向。调查研究表明,海底多金属硫化物矿床是热液活动的产物,有200多个现代海底热液块状硫化物矿床分布于现代海底的各种构造环境中。因此，现代海底硫化物矿床成矿作用观察与研究,不仅为研究古代矿床注入了新的活力,而且对我们现有的成矿理论提出了严重挑战,并已成为发展和开创成矿新理论的摇篮。本文主要针对块状硫化物的活动区、成矿物质来源、硫化物堆积机制做一研究。关键词：海底块状硫化物矿床 成矿物质来源 硫化物堆积机制1 现代海底热液成矿作用研究的重要进展现代海底热液成矿作用研究近年来已取得重大进展,主要体现在两个方面:(1)大批正在活动或业已停止的热液区和硫化物矿床在诸如洋脊、弧后和板内火山活动中心等海底环境加速发现,不仅为人类提供了重要的金属矿产资源,而且极大地丰富了我们矿床学内容和知识储备；(2)现代海底硫化物矿床成矿作用观察与研究,不仅为研究古代矿床注入了新的活力,而且对我们现有的成矿理论提出了严重挑战,并已成为发展和开创成矿新理论的摇篮。2 现代海底重要硫化物矿床块状硫化物矿床(MSD)是一类重要的金属矿床,通常产于海相火山岩系和沉积岩系中,主要由Fe、Cu、Zn和Pb的硫化物组成,伴有Au、Ag、Co等多种有益元素。这类矿床的研究很大程度上得益于对现代洋底热液活动与成矿作用的深化,后者已成为开创和发展成矿新理论的摇篮。在古代地质记录中,以火山岩为容矿岩石和以沉积岩为容矿岩石的硫化物矿床占有举足轻重地位,这两大类矿床的现代类比物已在现代海底大量发现,它们主要出现于大洋中脊、弧后盆地(弧间裂谷)和板内火山活动中心诸海底环境,通常形成于张裂或裂谷作用阶段,并随着张裂盆地的发育,形成各具特色的硫化物矿床,构成完整的成矿谱系。这里,我们将海底硫化物矿床分为以火山岩和以沉积岩为容矿岩石的两大类矿床,按成矿地质背景对现有重要的海底硫化物矿床和热液活动区做一简单概述。2.1 以火山岩为容矿岩石的硫化物矿床2.1.1 洋脊环境(1)红海海渊热卤水和硫化物矿床:是大洋板块缓慢扩张(半速度约1cm/a)、大洋盆地初期阶段形成的典型矿床类型。海渊深达2000余m,产于转换断层附近平行火山喷发轴部地带的狭长盆地中。据估计,该矿床的无盐金属储量高达1亿吨,大于日本整个北鹿盆地黑矿矿床总储量(7000万吨)。矿床主要为含金属沉积物,伴有硫化物、硫酸盐、氢氧化合物和碳酸盐及大量热卤水。此外,尚可见到块状硫化物烟囱(chimney)碎屑。其主要矿物组合为Fe蒙脱石、赤铁矿、硫化物(闪锌矿、白铁矿、黄铜矿、黄铁矿)、重晶石、石膏、磁铁矿和富Mn菱铁矿等。(2)中大西洋脊20N60N硫化物矿床:热液活动和硫化物矿床发生于慢速扩张(半速度为1.01.5cm/a)洋脊环境,形成于洋盆扩张的晚期阶段。热液活动区分布较广,南起15N,北至60N,绵延数千km,但尤以26N附近的吨AG热液活动区最为强烈、最为典型。该区位于中大西洋底裂谷东翼5km处,热液活动带位于裂谷正断层与转换断层交汇处的火山中心西缘的深水(20003500m)盆地中,有三种热液成矿类型:活动的高温硫化物丘堤,宽约250m,高达45m,估计金属储量达35百万吨。其矿石类型包括块状CuFe硫化物,具蜂窝状结构,黄铁矿闪锌矿交生的块状ZnFe硫化物、块状Fe硫化物及黄灰色晶质烟囱碎屑,灰色粗粒硫酸盐(石膏)、碳酸盐(方解石)和铁氧化物及铁硫酸盐。主要硫化物组合为黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿和白铁矿。停息的热液硫化物带,亦可鉴别出不活动的块状CuFe硫化物、ZnFe硫化物、Fe硫化物、层状Mn结壳及Fe的氧化物和羟化物。低温热液沉积带,在裂谷壁部断块上发育不连续氧化物-硅酸盐沉积。(3)西Woodlark盆地硫化物矿床:形成于迅速扩张(2.76.0cm/a)的深水(20002300m)盆地环境,发育于洋盆扩张初期阶段。其扩张轴部延伸到张裂的大陆壳中。矿床分布于扩张轴地段破火山口内,与玄武质安山岩带有关。矿床由活动的FeMnSi氧化物沉积、重晶石非晶硅硫化物烟囱和FeMnSi丘堤及窒息的重晶石非晶硅硫化物组成。主要矿物包括重晶石、非晶硅、黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、方铅矿、birnessite和todorokite。(4)东太平洋21N21S硫化物矿床:形成于中快速扩张(2.13.0cm/a)的大洋中脊环境,发育于洋盆扩张的晚期阶段。热液活动区断续分布于长达数千km的东太平洋隆带上,但硫化物矿床规模一般较小,单个矿床矿石仅几千吨,矿床主要产于洋底扩张中轴附近的轴部地堑、块断或裂隙化的扩张边缘带以及地堑与海底高地交汇处。在深达2600m的轴部地堑盆地,出现块状硫化物丘堤和块状硫化物矿床。其顶部被众多烟囱覆盖,据观察,活动的和停息的烟囱多达80余个。其烟囱类型包括富Cu烟囱、富Zn烟囱和富FeCu硫化物烟囱。此外,在块状硫化物丘堤和烟囱上,尚发育外表蚀变带。2.1.2 弧后扩张盆地环境弧后扩张盆地沿西南太平洋展布,北起小笠原岛弧的Sumisu裂谷(弧后盆地),经Okinawa(冲绳)海槽、北Fuji盆地和Mariana(马里亚纳)海槽,向东南折向Manus盆地,抵达Lau盆地。其中,每一弧后扩张盆地拥有自身独特的发育历史,但它们均为中快速(半速度大于2cm/a)扩张产物。(1) Okinawa海槽硫化物矿床:Okinawa海槽是目前已知的唯一发育在厚达20km陆壳基底上的弧后扩张盆地,它是因菲律宾大洋板块向西俯冲而发育的琉球弧发生张裂的产物。因弧后盆地沿岛弧“热线”开裂,因此,该弧后扩张盆地实际上是一种“岛弧裂谷”作用产物。在此深约12001600m弧后盆地内,发育双峰岩石组合,由流纹质(英安质)岩石和玄武质岩石构成。沿弧后扩张带,出现高热流异常。热液活动区和硫化物矿床形成于裂谷地堑内部的塌陷盆地中,发育于长英质火山岩系顶部。矿床特征十分类似于日本黑矿。矿床由下部硫化物丘堤和生长其上的硫化物硫酸盐烟囱组成。硫化物丘堤以ZnPbCu为主,显示明显的矿物分带,顶部为重晶石矿石,下部为由闪锌矿和方铅矿组成的黑矿,底部为似黑矿,黄铜矿含量增多,但不足以形成“黄矿”。因此认为Okinawa矿化物矿床可能处于黑矿型矿床的早期发育阶段。在硫化物丘堤之下的流纹质岩石,发生明显硅化,发育浸染状矿化,其特征类似于日本黑矿之“硅质矿”。硫化物硫酸盐烟囱覆于硫化物丘堤之上,高达5m。其喷出热水温度可高达320。烟囱碎屑构成碎屑状或角砾状矿石或矿层,分布于硫化物丘堤顶部及附近。尽管Okinawa矿床没有出现黑矿型矿床特征的硅质岩,但发育众多的硅质烟囱。(2) Mariana海槽硫化物矿床:Mariana海槽亦是沿岛弧热线劈开而成的弧后扩张盆地,其东侧为Pagan岛弧,西侧为残留弧西马亚里纳海脊。马里亚纳海槽因强烈扩张出现洋壳,发育典型的大洋中脊玄武岩而非双峰岩石组合。热液活动区和硫化物矿床发育于弧后盆地内沿扩张中轴发育的火山岩附近的裂隙系统和塌陷构造洼地内,水深达36003700m。其矿化作用总体上类似于大洋中脊情况,以CuZn矿化为主。热液活动区内,存在大量活动的和停息的热液喷口和烟囱。喷出热液高达287。烟囱矿物除硫化物外,尚出现大量非晶硅。硫化物主要由闪锌矿、黄铜矿、黄铁矿及少许方铅矿组成。脉石矿物主要为重晶石和非晶硅。冲绳海槽和马里亚纳海槽分别代表着弧后扩张盆地发育幼年期和成熟期阶段产物。介于两端元之间尚存在过渡类型,如Lau盆地,形成连续的多金属矿化谱系。2.1.3 岛弧环境岛弧环境的海底成矿作用仅见于西太平洋小笠原岛弧,矿化出现于岛弧海山上或海底火山口内。矿化主要为多金属矿化,在海底堆积物内可鉴别出少量重晶石、闪锌矿、方铅矿、黄铁矿和黄铜矿、斑铜矿等,见块状硫化物团块和脉状浸染状矿化角砾或团块。总体上矿化较弱,尚未发现成规模的矿床。2.2 以沉积岩为溶矿岩石的硫化物矿床(1) Escanaba海槽硫化物矿床:Escanaba海槽是Gorda洋脊南段缓慢(半速度为2.3cm/a)扩张形成的充填沉积物的中轴谷地。沉积物为半远洋沉积和浊流沉积,厚约3001200m。谷底多平坦,但发育链形分布的沉积丘和直径数km的火山穹丘或中心。环状沉积丘高达120m,可能是岩浆侵位和块断作用产物。热液活动区和块状硫化物则形成于沉积丘周圈的环形凹陷内,其中块状硫化物矿床出露厚度至少100m,据估计,金属储量达几千万吨,系现代海底第二个最大的硫化物矿床。硫化物矿床主要为磁黄铁矿矿床,伴有少量黄铜矿、闪锌矿、毒砂和白铁矿。局部出现富重晶石和多金属硫化物。富磁黄铁矿块状硫化物矿石,富含Zn、Pb、Ag、As、Sb和Sn。碎屑状硫化物矿石见于富磁黄铁矿矿石顶部,硫化物间断出现红褐色含金属泥,并被绿泥石化的半远洋沉积物和浊流泥、粉砂覆盖。此外尚发育以硫酸盐为主的沉积,包括产于硫化物丘堤之上的重晶石烟囱和在活动热水喷口附近的硫酸盐泉华。(2) Middle Valley硫化物矿床:Middle Valley是Juan de Fuca海脊最北端中快速(半速度大于2cm/a)扩张形成的长约50km的大洋裂谷。它亦由半远洋沉积物和浊积物充填。裂谷谷底总体平坦,但存在平行裂谷中轴断裂分布的若干沉积丘和小火山穹丘。谷底沉积序列厚度不等,从裂谷边缘的几米至谷底中心的几百米。沉积丘和熔岩穹丘之下存在洋中脊玄武岩及岩浆房。该区段出现明显的高热流异常。热液活动区有两个,一个为块状硫化物区,矿床厚度超过95m,达超大型矿床规模(几千万吨),另一个为正在喷射高温(265)流体的热液区。在块状硫化物矿区,块状硫化物矿体产出于宽400m、厚60m的沉积物丘中。碎屑硫化物矿层与蚀变的和未蚀变的半远洋沉积和浊流沉积互层产出,硫化物结构表明,硫化物丘堤是硫化物烟囱生长与塌落堆积并被热液流体过滤的交代产物。主要硫化物组合为磁黄铁矿、黄铁矿、白铁矿、闪锌矿、黄铜矿及少许方铅矿。非金属组合主要为重晶石和非晶硅。综上所述,现代海底热液成矿作用可产生于不同海底环境,但均与海底扩张作用和断陷活动密切相关。尽管不同构造环境的热液流体化学、热传输及矿化类型可能存在重要差异,但基本的热液作用过程是类似的,即具有类似的成矿三部曲:由扩张中心及其附近岩浆热源驱动海水在海底下循环；加热的海水与渗透性壳岩发生反应；热液在海底排泄成矿。2.3 成矿物质来源 这是块状硫化物矿床研究中的一个长期争议的问题。H.Ohmoto等认为还原海水硫酸盐和岩浆硫是硫的两种主要来源；岩浆硫可以直接来源于岩浆喷气或从火山岩中淋滤出来。对比不同海底热液区硫化物和硫酸盐的硫同位素组成可以看出,各热液活动区硫酸盐矿物的硫同位素组成主要为1924,海水在其中起主导作用；而硫化物的硫同位素组成多集中于19,不同热液区乃至同一热液矿床中有较大的差异,且硫化物与硫酸盐间的同位素分馏程度也不同,可见各矿床中硫源各异,获取方式也根据具体地质条件而异,如沉积物较多有机质丰富的地层应多考虑生物还原作用,而有膏盐层的地区应考虑其物质溶解对硫源的贡献。现代海底热液沉积物中硫化物的硫源可大致分三种类型: 以火成岩来源硫为主,并有海水来源硫部分的加入(以EPR21N,大西洋中脊Snake Pit,Axial Seamount和北胡安德富卡洋脊为代表)；以沉积物来源硫为主,并有海水来源硫和有机还原硫的加入(以Guaymas Basin为代表)；以火山岩来源硫和沉积物来源硫的混合硫为主,并有海水来源硫的部分加入(以Okinawa Trough和Jade热液活动区为代表)。2.4 硫化物堆积机制Sato研究提出,排泄入海的热液有三种：任何混合程度下密度均高于海水的高盐度热液,可沿坡而下向低洼处淤积形成卤水池,发育席状或板状矿床；初始密度小于海水,但在与海水混合一定程度后,其密度高于海水的热液,可形成锥状或丘状矿床；在任何混合程度下均小于海水的热液,在海水中形成上浮热柱,仅形成热柱散落而成的薄层沉积。现代海底热液观察研究表明,海底喷出口热液流体最高温度可达350,最低温度仅高出周围海水几度。高温流体可能代表着原始的热液流体。其盐度多数不超过海水的2倍,它们多通过烟囱向海水中排泄,形成上浮热柱,其性状类似于Sato的第三类溶液。然而,实地测定和包裹体研究表明,部分热液流体,其W(NaCl)超过7%,其性状可能类似于Sato第二类溶液。这些热液流体可能多封闭于硫化物丘堤之下。关于硫化物堆积机理,人们对古代矿床研究认为,硫化物要么从排泄于海底的热液流体中直接沉淀,要么金属组分从卤水池中直接淀积而成。对现代海底硫化物成矿作用观察与研究极大地冲击了这些观念,并给出了全新的硫化物堆积机理。现代海底硫化物堆积过程实际是烟囱生长、倒塌堆积和热液流体在其开放空间充填与交代的过程。硫化物的形成首先通过硫化物烟囱来完成。最早发育的烟囱可能形成于高渗透性的火山沉积岩系顶部、热液喷出口及其附近。晚期发育的烟囱则建筑于硫化物丘堤之上。硫化物烟囱的生长通常从硬石膏沉淀而始,高温矿物组合黄铜矿-黄铁矿淀积而终。因硬石膏溶解度随温度降低而增大,因此在上浮热液与冷海水间的高热梯度的热界面上沉淀硬石膏。随高温热液活动,石膏壁向上向外增长。在烟囱壁内外温度梯度、物化梯度下,不同温度成矿组合相继从烟囱壁向烟囱通道中央沉淀,形成特殊的环状分带,内部带以黄铜矿为主, 外部带以闪锌矿、方铅矿为主,边缘以重晶石和非晶硅为主。当烟囱生长至一定高度后,便崩塌形成烟囱碎屑丘堤,其结果既阻止了热液流体高速、聚集式喷射,又促使了热液流体在烟囱堤内对流循环,同时在丘堤之上形成新的弥散式热液排泄点,发育诸如黑烟囱、白烟囱和雪球等,在丘堤顶部发育热液柱散落物,降低丘堤渗透性,并胶结烟囱碎屑,形成低渗透外壳。在硫化物烟囱碎屑丘堤之内,低渗透壳抑制流体外流,导致高温液体在丘堤内平流循环,自外而内淀积自低温至高温的矿物组合。因此,海底硫化物沉淀作用是在丘堤烟囱联合构成的坚固机构内发生的。块状硫化物透镜体的生长主要是由硫化物在丘堤内的开放空间充填与交代的结果。3、展望研究认为，太平洋海区是海底热液分布范围最为广泛、研究程度最高的海区。特别是环太平洋构造带中的西太平洋和西南太平洋的沟弧盆体系中的弧后扩张盆地和东太平洋的东太平洋海隆。前者主要有伊豆小笠原弧、冲绳海槽、马里亚纳海槽、马努斯海盆、伍德拉克海盆、北斐济海盆和劳海盆等；后者主要有勘探者海脊、轴海山、胡安德富卡海脊、戈达海脊、加里福尼亚湾的瓜伊马斯海盆、东太平洋海隆(EPR)21N、EPR 13N、加拉帕戈斯裂谷(扩张带)、EPR 20S等，并查明有百万吨级硫化物矿床多处。除此以外，在太平洋海盆东南，尚有以热点形式形成的海底热液矿化点分布，称之为“板内热点区”。大西洋海底热液矿点主要沿大西洋中脊构造带分布，自北而南大约已探查到23处热液“矿点”和“矿化点”，其中以吨AG区为代表的4处最为重要。印度洋和红海则以红海的阿特兰蒂斯海渊多金属软泥最为著名，印度洋研究程度最差，但其资源前景仍被看好。即便如此，在总计约5.5万km的全球大洋构造带上，目前已查明的海底热液“矿点”和“矿化点”，仅占据的海域还不到大洋构造带的1/100海底热液硫化物的调查研究自上个世纪40年代在红海发现温盐偏高海水开始，至今已有半个多世纪，而发现海底热液黑烟囱也仅有20余年。随着陆地资源的不断消耗，人类也把可持续发展的资源来源瞄准了深海大洋。截止到20世纪末，大洋多金属结核的矿区圈定基本结束，新一轮的富钻结壳资源竞争也早已是战火弥漫。可以预言，海底热液硫化物的矿区圈定也将是随之而来的事件，从形势发展上暗示了它的紧迫性，这也给我国加紧此项资源调查提供了难得的机遇和时间。目前，我国在国际海底水域已拥有自己的大洋多金属结核矿区，富钻结壳也将在“十五”期间完成矿区圈定工作。由此，在“区域”概念的实践中，加紧世界海底热液硫化物矿区资源调查已经列于我国大洋资源勘查规划中。我国是世界大家庭的发展中国家，也是海洋大国，海底热液硫化物资源对于我国21世纪的可持续发展同样具有深远的战略意义。我们将依据勘查计划的安排落实，规划好我国21世纪战略资源可接替区目标，增强我国拥有和开发这类深海资源的国际竞争能力，为今后的海底热液硫化物资源勘探提供科学依据。结语：海底热液硫化物，是继大洋多金属结核和富钻结壳的又一种潜在的大洋底金属矿产资源类型。从国际日益激烈竞争的今天，我国应在已有基础之上，保持较高