地球深部矿床成矿作用和

qiang · 发表于 2010-3-8 17:16

深部成矿会议,合肥,2007.9,27
地球深部矿床成矿作用和
金属分带性
张荣华张雪彤胡书敏
地球化学动力学开放研究实验室
中国地质科学院
矿产资源研究所

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基本思想:
大多数热液金属氧化物矿石形成于中地壳.
地壳和上地幔流体性质和深部水岩相互作用决定了矿石的性质.
金属矿石大区域分带性和不同尺度的分带性及分布规律的自相似性,是深部流体性质决定的.
深部深部流动/反应/迁移出现周期性分布.由深部的地幔金属流体活动(Influx)引起的.
从地面的金属异常性质和金属分带性可以判断深部埋藏的金属矿石分布,多次水热/金属矿化的叠加.
地球深部流体在高温高压下的性质随深度的改变,导致在岩石圈里由深到浅在不同层次里发生的化学动力学过程的变化.
需要进行高温高压的原位的实验,研究深部流体进入地壳过程.
深部流体从高温高压下进入低温低压过程,一定会遇到水的临界态的条件下de水与岩石或矿物与水溶液的反应.
一. 序,主题:
水岩相互作用实验证明,跨越水的临界态时,出现矿物与水的反应动力学的涨落是导致矿石的形成原因之一.
中地壳成矿.
主题:
为了找寻深埋的金属矿石,研究深部成矿作用主要有三个问题:
金属深部来源,金属在深部的迁移, 堆积过程.
一个金属流体,在流动过程中不断与围岩反应,一面沉淀金属矿物,一面改变流体的性质,可以形成空间的金属分带性.
二,重要热液矿石形成于中地壳
热液矿床的矿物流体包体研究提供了丰富的成矿流体性质数据,如温度,压力,盐度和溶解的多种化学组分.
这些数据可以用于推测矿床形成的深度与矿石共生的热液性质.
地壳和岩石圈的主要流体是NaCl-H2O和NaCl-H2O-CO2.一般地说,地壳是处于35公里深.温度是650 C和500-600MPa.上地幔的底界条件大致是在1000 C左右和2GPa,大致400公里深它是辉石橄榄石区.
研究地球深部流体性质.
深部成矿部位-中地壳
科学发现主要热液矿床形成于中地壳条件,与流体从近临界到超临界流体的性质涨落有关.
含矿卤水在降温,跨越临界态时沉淀它的矿石.
临界温度374度
我国斑岩铜矿(玉龙),长江中下游火山岩区铁铜矿,长江中下游矽卡岩铜矿和南岭的钨锡钼铋和稀土稀有金属矿床,基本是在350-450 C和中等盐度的流体里沉淀的.
大部分热液矿床形成于中地壳的温度压力下.各种不同类型硫化物矿石形成于上中地壳至地表的热泉的各种不同环境.
深部地壳和上地幔可能发生与中-基性岩浆岩石有关的矿石.
地球深部流体的物理化学性质:
地球深部的流体主要成分是H2O,CO2,各种电解质及有机物.半个世纪以来H2O,CO2,H2O-CO2,NaCl-H2O,H2O-CO2-NaCl,CaCl2-H2O等许多体系经过了反复实验研究.
通常说,H2O作为溶剂能够溶解大量的离子和亲水化合物.
但是在高温高压状态下水的性质发生改变,在临界点出现突变.矿床学家过去对这些问题并不关心,现在需要重新思考,以再认识矿床成因.
深部地壳水-超临界态流体性质
跨越临界态时,气与液相分离时,气体迁移金属.
这个二元系的液相,气相和L-V两相界面,在高温压沸腾时的性质,近临界态及临界态的性质, NaCl-H2O系统临界线,水里NaCl含量决定了临界温度和压力.
含矿流体NaCl-H2O体系
岩石圈含矿流体性质及其与岩石相互作用化学动力学:
深部流体进入地壳:与岩石反应,金属来源:
中上地壳条件下,流动热液内矿物矿石的化学动力学-跨越临界态的涨落
跨越临界态:大于300℃条件的矿物-水反应动力学
在近临界态时出现矿物反应动力学过程涨落.实验结果表明:多数情况下,钠长石,阳起石,辉石溶解反应是不一致溶解作用,各种阳离子溶解速率不一致.当温度小于300℃,钠长石,阳起石和辉石溶解反应的不一致溶解表现为钠,铝,钙,镁等更易进入溶液.当温度大于300℃,不一致溶解表现为硅更易进入溶液.在研究的温度范围内,在升温过程中,钠长石,阳起石和辉石溶解反应的溶解速率由低到高逐渐变化,抵达最大值.然后再升温,溶解速率随之减低.钠长石,阳起石和辉石在水中的溶解反应的最大反应速率是在300℃.并且,在近临界态时溶解反应出现很大涨落
在临界态的涨落:
矿物/流体相互作用的化学动力学在临界态的涨落,在国际地学界尚未开始.钠长石最大反应速率在300°C
钠长石的最大溶解反应速率在近临界温度,在300℃.
矿物与水反应动力学在跨越临界态时的涨落
科学发现:
辉石的最大溶解速率在近临界温度
在中地壳条件下跨越临界态时玄武岩-水的相互作用实验
在岩石圈深部流体上升,通过中地壳时,水溶液会处于临界态.因为在地壳10-15公里深处,可以找到374 C水临界温度的地方.大洋中脊的热水喷口,一般是2000多米水深,喷口的温度多是408 C.喷出前,在深部处于超临界态,超临界流体与洋底玄武岩石反应.在洋底的喷出流体处于是一个跨越临界态的恒压,迅速降温减低过程中.喷出的液相物质向喷口周围流动,与海水快速反应.大量硫化物快速沉淀.同时.流体还与洋底玄武岩反应.
玄武岩与水反应:Si, Al, K, Na, Fe, Mn, Ti, Li, Ba,
Cu,Zn,Pb,Ag,..的最大溶解速率在近临界温度
堆积:矿石形成于中地壳
实验与矿床的调查相结合,进一步证实许多金属矿石都是在跨越临界态时迅速堆积的基本规律.矿石形成于中地壳条件下.
矿化蚀变的等温线在300-374C范围
是一相转变线
洋中脊的热水活动
350度等温线 300度等温线 (矿物流体包均一温度)
三,金属的分带性
成矿带和矿床都存在金属矿床类型和矿石的带状分布.
最简单的表达方式:
内带为W-Sn-Mo-Bi-Mo-REE-(BeNbTa);中带为Cu-Zn-Pb-Ag;
外带As-Au-Sb-Hg和W.
前苏联,加拿大,澳大利亚,美国等,金属矿床原生晕研究代表了当前国际水平.
前苏联,有人提:元素统一分带序列:
W-Be-As-Sn-U- Mo-Co-N—Bi- Cu1-Au-Sn-Zn-Pb-Ag-Cd-Cu2-Sb-Hg-Ba-Sr.
用特征元素: 矿体前缘元素与尾部元素的累乘晕或累加晕比值的级次来确定矿床侵蚀深度,评价盲矿.
据戈里格良法计算原生晕轴向分带.
前苏联,加拿大,澳大利亚,美国等,金属矿床原生晕研究代表了当前国际水平.
用元素比值反映矿床分布规律比单元素明显.
地球化学系统的结构: 成矿元素与共生元素富集的(正异常)和亏损的(负异常)的原生晕组成
美国在金属矿床原生晕,60年,识别同生模式,蚀变模式,矿石的组分分带,同位素模式及较大的分散环最为有用.
克拉马祖斑岩铜矿矿床最具代表性… … ,
无矿的核部蚀变带的晕是B.Ba.Sr.Li;
矿带晕是Mn.Mo.Ag.Au.Te,K;
矿带四周的正晕有Co.V.Fe.S.Se.Au.Te;
矿带四周的负晕有Mn.Gn.Yb.Rb.Cs.Sr.Tl.
无矿的核部蚀变带的晕是B.Ba.Sr.Li;
矿带晕是Mn.Mo.Ag.Au.Te,K;
矿带四周的正晕有Co.V.Fe.S.Se.Au.Te;
矿带四周的负晕有Mn.Gn.Yb.Rb.Cs.Sr.Tl.
Porphry 围岩蚀变
青盘岩化,泥化及钾化蚀变带:
带出: Fe, Mg, Ca, Na 退色浅色蚀变
加入: SiO2, K, H2O: 水化/钾质蚀变
在长江中下游矿带:几百KM矿床类型分带
内到外:矽卡岩-磁铁矿-磁黄铁矿-黄铁矿矿石分带,外带有金矿化及Pb/Zn矿石.
铜陵矿田:/矿区矿石分带:
内到外带:磁铁矿-磁黄铁矿-黄铁矿Cu矿石内带,外带有Au矿化---Pb/Zn矿石.
矿床原生晕的研究
矿床围岩成矿元素和微量元素, 与地区元素丰度比较,圈出矿体原生晕异常形态,强度及元素组合特征. 选取Cu,Ag,Mo,Pb,Zn等指示元素来圈定异常
轴向分带元素分带序列:
原生晕轴向分带梯度,
指示元素比值特征方法,等.
Au
★
矿床原生晕的轴向分带
---金属分带与蚀变分带:
用国际国内流行的数据处理方法(研究元素丰度,元素分带序列,指示元素比值特征,戈里格良法,多元统计分析.
根据物理化学条件变化(PTX),元素迁移性质与金属-蚀变分带之间相关关系判断:矿化前锋,矿体里和矿的根部;成矿后的金属分带.
重点:远矿/弱异常/多次叠加蚀变
蚀变分带-PTX条件分带对应:
外带:浅色蚀变
内带:暗色蚀变
对应金属分带
外带:负异常MnSrVCo
正异常:Zn,PbBa,AgAu,Cu,Co
Zn
PbBa
AgAu
Cu,
Co
金属分带与蚀变分带的一致性:蚀变矿物在矿床(矿体)的前,中,后部位置和垂直和水平分带中演化.用蚀变矿物区别不同阶段金属矿化.矿物的UV-NIR-IR分析,确定矿物在空间里的变化.蚀变分带确定/识别远矿,近矿和根部的标志.
已往一种铜矿剖面原生晕研究结果与地表相同:剖面里的金属深度分布态势,分为四组:
前缘晕:Au, Bi, Hg和Mo,位于铜矿带的前上方,
与金矿带的产出位置相当;
二组:Ag,As,Sb,Pb和Cu:
在Au矿带下部和Cu矿带前上部中,近程指示元素;
三组:W(Zn,Sn) ,在Cu矿带的下半部,
四组:Be,在整个Au,Cu矿带部位出现低值区.
金属分带机制
从溶解反应动力学来说,低温时,离子键化合物容易溶解,升温以后,变为极性键化合物容易溶解.反过来,从高温条件下降温,首先沉淀是离子键氧化物,再降温才沉淀极性键的硫化物.同时金属氧化物的金属-氧之间的键性不同,决定它们的不同沉淀次序.在南岭地区容易发现;一个金属矿床的内带(常是岩体的接触带)是磁铁矿/铁钨/Sn矿石.在外带,在离开一定距离上出现脉状硫化物(Pb/Zn/Ag). 在很远的地方有Au,As,Sb等.
在同一温度压力下,各种金属的溶解度,或溶解(或沉淀)的速率不同.在一个含金属流体,从高温,高于水的临界态的流体中沉淀金属矿物时,首先沉淀金属氧化物.在减低温度过程中依次为金属硫化物,碳酸盐矿物.
另一种影响因素是元素的丰度(化学上,有时称质量作用定律).降温时,矿床类型的改变.这也是金属分带性.
金属/矿物溶解度
硫化物溶度积速率:K=[M2+][S2-] ,K=[M+]2[S2-]
ZnS> PbS > CuS> Cu2S > Ag2S
在25～300℃22MPa范围,Ca,Mg,Fe,Al比硅更容易进入溶液,
300 C/22MPa (340 C/50MPa)H2O溶解Si最大速率.
而在300～400范围,溶解作用表现为Si比其它元素更容易溶解到水中去.
金属氧化物快速沉淀.
在小于300℃的外围出现硅化岩石.
溶解速率次序
金属的性质可以简化地表达为:
金属的电负性,或者Z/r(电价/半径比).Z/r从~10→ <2,
依次为Si,Mo,W,Al,Sn,(Fe),Cu,Zn,Fe,Mg,Mn,Pb,Ca,Sr,Ba,Na.
这是一种金属与氧(或其它阴离子)之间的键性的次序,可以用于理解金属分带性,或理解金属原生晕(共价键的半径数据有争议).
迁移:气体也迁移金属使金属分带复杂化
深部流体进入地壳:与岩石反应,气与液相分离,气体迁移金属.
气体迁移金属Au/Cu/Sn/W/Zn
金属流体研究发现
金,铜,锡,钨矿床的流体包裹体的沸腾.金属流体进入两相不混溶区.在矿床的外带发生气体迁移金属的过程.
原始流体NaCl-H2O相分离:
低盐度V
高盐度 L
上部大脉网脉带:气体迁移金属
下部似层状,近接触带矿体.
南岭钨锡矿的两种矿体
2.不同尺度的金属分带自相似性
南岭,长江中下游,华北地台的中生代的金属成矿带和秦岭古生代成矿带,我们常发现金属分带在不同尺度上出现自相似性.
这是成矿作用的深部控制
也是找矿方向.
长江中下游矿带:Fe/Cu-Au-Pb/Zn-AgPbZn
近东西,南北向基底构造及其交汇点控制岩浆及成矿作用.中生代一系列断陷盆地和隆起区.
在长江中下游四省范围的800公里的成矿带内,
西有铁铜,中有金,东有Pb-Zn-Ag矿及萤石矿.
主要矿床基木上分布在金口岭向斜–铜官山背斜一顺安复式向(含狮子山矿青山次级背斜等)一新桥背斜一新屋里复式向斜一(含凤凰山矿田凤凰山次级向斜)一沙滩角背斜一等一系列北东向S状褶皱带构造内.
FeCu – Cu,Py – Au - Pb/Zn-AgPbZn
40KM——在矿田范围内的金属分带:凹陷区火山岩区和隆起区矽卡岩矿床
中心向外:
铁铜矿床
黄铁矿床
金/铅锌矿床
如一个火山盆地(庐枞,宁芜),盆地中心是铁矿,边缘是Pb/Zn或黄铁矿床.
2 KM范围
中心向外:
铁铜矿石
黄铁矿石
金/铅锌矿石
在时间上,
铁铜矿石——
黄铁矿石——
金/铅锌萤石矿脉
实际上,从矿石,矿床,矿田,矿带几个不同尺度上具有自相似的金属矿石带状分带性质.说明了成矿作用深部来源和深部物质迁移过程.这个影响着上千公里的金属分布的过程发生在岩石圈深部.
在100米矿体,1米矿脉,…2mm光薄片的显微镜观测:磁铁矿-黄铁矿-硬石膏-石英分带
南岭成矿带分带
As Hg Sb Au W Pb Zn Cu W Sn Mo Bi
W Sn Mo Bi
Pb Zn Cu
As Hg Sb Au W
s
As Hg Sb Au W
Pb Zn Cu
W Sn Mo Bi
柿竹园矿床的空间分带
金属分带自相似性是深部找矿依据.
实际上,矿石,矿床,矿田,矿带在几个不同尺度上具有自相似的金属分带性.大区域的自相似的金属分带性说明了成矿作用深部来源和深部物质迁移过程.大规模的区域金属分带说明了它是由深部的地幔流体物质的活动引起的.现代的地面的巨大地球化学块体和跨越若干地质单元的金属异常,也说明了现代的地幔流体物质的活动.从地面的金属异常性质和金属分带性分布规律可以判断深部金属矿石分布.
四,金属周期性迁移
1.多期成矿作用
中国大陆内的成矿过程与大规模岩浆活动有关.同时,多期岩浆活动又对应多次成矿过程.最近几年,成矿年龄的测试表明了多期成矿作用.受地壳活动影响,在不同期的成矿过程不一定发生于同一位置,可以存在于不同的地区或不同深度.
s
脉/网脉
As Hg Sb Au W
Pb Zn Cu
似层/接触带
W Sn Mo Bi
柿竹园矿床的空间分带
多次岩浆活动,多次成矿
2.水岩反应的周期振荡
同一次流体迁移与岩石反应会出现水岩反应的周期振荡,及随后的金属周期性迁移.国际地学界已经研究过许多不同尺度的地质作用的周期性振荡现象.我们实验研究了开放流动体系的固液反应过程.
实验表明:如外界诱导的一次水岩相互作用,它的反应产物会以化学振荡方式,或复杂周期振荡方式向外传播.
金属矿石的形成是周期性向外传输.回顾上世纪,一些科学家曾提出过成矿的"脉动"学说.在地质观测中,发现过矿石或矿体多次重复出现的现象.根据这个道理,可以寻找深部的多层次成矿带.
Porphry Cu围岩蚀变,4次矿化蚀变的叠加,向深部迁移1000M
不同期次成矿形成矿体-金属晕在空间上的叠加结构
多期次/多层次-矿化/蚀变的叠加结构
接触变质,矿化热液蚀变,晚期低温热液活动外,多次与铜矿有关的岩浆活动;
多次热液矿化和蚀变—不同的成矿金属元素晕.
不同期蚀变矿物/矿物组合判别金属分带叠加.
☆
Cu
Au
Pb
多层次的金属蚀变分带叠加:深部再出现的矿化带特点: 分带规律的反常现象.
深部的成矿作用问题之一是金属来源.大量的同位素研究提供了矿石里的许多流体物质来自深源,如C,H,He,等.
地球化学动力学实验获得证据,深部流体反应和迁移,携带金属进入地壳.
五,金属的深部来源
玄武岩-水相互作用实验:揭示金属来源
输出流动溶液内含有大量金属元素,有Si,Al,Mg,Ca,Fe,Mn,Ti,V,B,Mo,Cu,Pb,Zn,Sr,Ba,Co,Ni等.主要造岩元素在跨越临界态时出现最大溶解速率.其中,反应后输出溶液内元素的最大浓度分别是:硅最大浓度为247ppm,钾28ppm,钠22ppm,铝17.3ppm,钙为9.55ppm,钒 0.22ppm,钛0.05ppm,铬0.32ppm,镍26ppm,钼为0.8ppm,铜为0.473ppm,锌为0.49ppm,银0.029ppm,铅0.009ppm.
展望:
深部成矿作用对于金属来源,迁移和矿石堆积起了关键作用.深部大规模的流体活动导致了金属分带规律性.
金属分带的规律性可用于找寻深部另一种类型矿石,或者另一次成矿作用的同类型矿石.
不同尺度金属分带的自相似性反映了地球深部流体活动的自组织过程.
若对岩石的元素地球化学分带性深入研究(空间/时间分布特征比较,数学模型研究),解析/反演地面元素异常和深部地球化学探测数据,能够预测深部矿石矿体 .
谢谢!
地球化学动力学开放实验室