Question

模型八 火山成因块状硫化物型矿床找矿模型

Answer 1

一、概 述

火山成因块状硫化物型矿床 ( VMS) 是指与海底火山作用有一定联系的含大量黄铁矿和一定数量铜、铅、锌的矿床。西方多称该类矿床为 “火山成因块状硫化物矿床” ( Volcanic or volcanogenicmassive sulfides，VMS) ，或称 “火山岩容矿的块状硫化物矿床” ( Volcanic-hosted massive sulfides，VHMS) ，前苏联地质学家称其为 “黄铁矿型矿床”。加拿大 R. W. Hutchinson ( 1973) 根据此类矿床的主要成矿元素及伴生的岩石类型将其分为 3 类，即产在分异的镁铁质到长英质火山岩中的黄铁矿 －闪锌矿 － 黄铜矿矿床 ( 锌 － 铜型) ，时代以太古宙为主; 产在偏酸性的钙碱性火山岩中的黄铁矿 － 方铅矿 － 闪锌矿 － 黄铜矿矿床 ( 铅 － 锌 － 铜型) ，时代以显生宙为主; 以及产在镁铁质、蛇绿岩套火山岩中的黄铁矿 － 黄铜矿矿床 ( 铜型) ，时代为显生宙。根据 VMS 型矿床产出的构造环境和容矿岩系，F. J. Sawkins ( 1976) 把该型矿床分成 4 种主要类型: ①黑矿型 ( Kuroko) ，产在大洋板块会聚边缘，赋存在太古宙 － 第三纪长英质钙碱性火山岩系中; ②塞浦路斯型 ( Cyprus) ，产在大洋板块离散边缘，赋存在古元古代 － 第三纪蛇绿岩杂岩上部低钾玄武质火山岩系中; ③别子型 ( Besshi) ，不具明确的板块构造环境，可能产在拉张性陆缘裂谷环境，或产在弧前海槽、海沟环境，赋存在古元古代 － 第三纪强烈变形的碎屑沉积岩和镁铁质火山岩系中; ④沙利文型 ( Sullivan) ，发育于板块内部的活动带，与大陆分裂早期张性活动有关 ( 堑陷盆地) ，产在元古宙 － 古生代相当厚的陆源沉积岩系中，同火山活动层位几乎没有关系。本书把沙利文型矿床归入喷气沉积型 ( SEDEX) 。

近年来又划分出一类亚型，称富金火山成因块状硫化物矿床 ( Au － VMS) ( B. Dube 等，2006) ，它被定义为金的浓度 ( 10－ 6) 大于贱金属 ( Zn + Cu + Pb，% ) 合计的质量百分比，是一类含有大量银和金的铁 － 铜 － 锌和铅的硫化物矿床，这意味着 VMS 和浅成热液矿床在成因上是过渡的。

VMS 型矿床是世界铜和铅锌金银的主要来源之一，截至 2002 年，VMS 型矿床估计提供了世界超过 50 ×108t 的硫化物矿石，包括提供世界锌产量的 22% 、铜产量的 6% 、铅产量的 9. 7% 、银产量的8. 7% 和金产量的 2. 2% 。同时，VMS 矿床也是 Co、Sn、Se、Mn、Cd、In、Bi、Te、Ga 和 Ge 的重要来源，某些矿床还含有大量 As、Sb 和 Hg。

该类矿床分布广泛，全球范围内规模大于 20 ×104t ( Cu + Pb + Zn 合计金属储量) 的该类矿床就有 800 个之多，西班牙、葡萄牙、加拿大、澳大利亚、俄罗斯、哈萨克斯坦、日本、印度等均有该类超大型矿床产出 ( 表 1; 图 1) 。我国的这类矿床有甘肃白银厂 ( 铜 115. 22 × 104t，铜品位1. 486% ) 、甘肃小铁山 ( 铅 + 锌 105. 54 × 104t，铅 + 锌 品位 8. 9% ) 、新 疆 阿 舍勒 ( 铜 108. 56 ×104t，铜品位 2. 49% ) 、新疆可可塔勒 ( 铅 + 锌 283. 44 × 104t，铅 + 锌品位 2. 46% ～ 6. 95% ) 、青海锡铁山 ( 铅 + 锌 331. 24 ×104t，铅 + 锌品位 9. 02% ) 和云南大红山 ( 铜 152. 51 × 104t，铜品位0. 81% ) 等。

表 1 世界超大型 VMS 型矿床*

* 铜金属储量＞ 500 × 104 t 或铅+锌金属储量＞ 500 × 104 t。

二、地 质 特 征

1. 区域构造背景

VMS 型矿床通常形成于板块边缘附近，包括大洋中脊或弧后拉张盆地的离散板块边缘、岛弧中会聚板块边缘或大陆边缘以及板块内的海岛和以太古宙绿岩带为代表的构造环境。矿床生成于水下火山环境中的海底或其附近，通过富金属的热液流体集中排放而形成，是近火山口的一类 “喷气”矿床。

2. 矿床地质特征

( 1) 容矿岩石

VMS 型矿床与海相火山作用有关，是以火山岩或火山 － 沉积岩为容矿岩石的块状硫化物矿床，矿床是地槽发育早期海底火山活动的产物。大多数矿体直接的容矿岩石为酸性火山岩相，尤以酸性火山碎屑岩相最为常见 ( 图 2) 。集块岩、粗凝灰岩、偶尔为块状英安质到流纹英安质岩流构成许多块状硫化物矿床的含矿层。大约有 50%的 VMS 型矿床在空间上与长英质火山岩伴生，矿床具有与流纹岩穹丘或长英质碎屑岩伴生的倾向。

( 2) 矿体产状与矿石矿物

VMS 型矿床往往成群产出，如加拿大 150 个该类矿床中约有一半 ( 69 个) 产在 6 个成矿区内，平均每个成矿区有12 个矿床。西班牙 － 葡萄牙矿带含有88 个 VMS 型矿床。俄罗斯乌拉尔东部有100多个这类矿床。这些矿床群均位于火山喷发中心附近。

图l 世界VMS型矿床(区)分布示意图(资源来源: 陶炳昆等， 1994 )主导

图 2 葡萄牙内维斯 － 科尔沃矿区综合剖面图( 引自陶炳昆等，1994)

矿体上部呈层状、透镜状，多与岩层整合产出，受地层控制，矿石为块状。矿体下部为角砾状补给带，矿石呈网脉状或浸染状，并伴有较大范围的熔岩蚀变带 ( 图 3，图 4) 。这种网脉带代表海底热液系统的近地表通道，而块状硫化物透镜体则代表在海底排放口之上及周围从热液中沉积出来的硫化物堆积体。在许多情况下，硫化物堆积体之上有一层薄的黄铁矿质或赤铁矿质、硅质喷气岩，形成一个盖层，并从该矿床向外侧延伸，可以作为一个地层标志。这种沉积层被认为代表火山静止期间热液活动衰减阶段的化学沉积作用。

图 3 塞浦路斯典型硫化物矿床图解剖面( 引自 R. W. Hutchinson 等，1971)

矿石中主要金属矿物以铁硫化物尤其以黄铁矿或磁黄铁矿为主，还有黄铜矿、闪锌矿和方铅矿，有时还出现有斑铜矿、黝铜矿和磁铁矿等。与硫化物同时沉淀的脉石矿物有石英、绿泥石、重晶石、石膏和碳酸盐等。

图 4 理想化的火山成因块状硫化物矿床的基本特征示意图( 引自 J. W. Lydon，1984)

( 3) 热液蚀变

容矿岩石的热液蚀变明显，最常见的是硅化、石英 － 绢云母化、青磐岩化和泥岩化。石英 － 绢云母化多与铜型矿床伴生，而泥岩化则多是铅 － 锌 － 铜型矿床的特点。蚀变带在矿体下盘岩石中较发育，受到强烈的镁交代作用。而覆盖在矿体之上的岩石形成于成矿之后，故蚀变作用很微弱或无。沿矿石层位侧向发生硅化作用，地层下盘层序中可能广泛分布着钠亏损带，直接在矿床之上的地层上盘中可能有钠加入。顶板火山岩中可见区域性绢云母 ± 绿泥石蚀变。

( 4) 成矿时代

VMS 型矿床从太古宙到现代海底均有产出。从世界范围看，太古宙、古元古代、加里东期、海西期、基米里期和阿尔卑斯期均有重要矿床产出。但不同地区的主要成矿时代有所不同，如加拿大以太古宙和元古宙的矿床为主，俄罗斯的乌拉尔和哈萨克斯坦的阿尔泰以海西期最为重要，日本以第三纪矿床为最多。现代正在洋底形成的块状硫化物矿床是 1978 年在北纬 21°附近的东太平洋中脊上首次发现的，之后于 1981 年美国在加拉帕戈斯中脊上又有发现，1982 年继续在北纬 13°海域发现了好几个矿床，后又在加拿大温哥华岛附近海域的埃克斯普劳勒中脊发现了铜锌硫化物矿床。

( 5) 富金火山成因块状硫化物型矿床 ( Au － VMS)

富金火山成因块状硫化物型矿床的地质特征与 VMS 型矿床基本相同，由于其金含量高，有的就被视为金矿床。据统计，目前世界上仅有约 30 个世界级 ( 金储量 + 产量≥30t) 的 Au － VMS 型矿床( 表 2) ，分布在加拿大、澳大利亚、苏丹、瑞典、哈萨克斯坦和美国等地。Au － VMS 型矿床中金的世界储量 + 产量约为 1453t，相当于全世界金储量 + 产量 ( 世界金储量 + 产量约 120689t) 的 1. 2%。Au － VMS 型矿床金的规模从 2t 至 300t 不等。金品位一般 ＞ 4g / t。已知最大的矿床为加拿大的霍尔内( Horne) ，含金 331t; 最富的矿床是加拿大的埃斯凯克里克 ( Eskay Creek) ，金品位高达 44g/t。矿床中金主要呈自然金、银金矿，也有呈金的碲化物等形式出现，金的颗粒很细，一般 1 ～5μm，主要呈包裹体产在黄铁矿中。

表 2 世界主要 Au － VMS 型矿床*

资料来源: B. Dube 等，2006

* 金储量 + 产量 ＞ 30t。

三、矿床成因和找矿标志

1. 矿床成因

由于人们能亲眼目睹现代海底块状硫化物矿床的形成，因而对这类矿床的成因认识已日趋一致，多数学者认为是同生沉积的火山喷气成因，这种成因模式的要点表示在图 5 中。

图 5 VMS 型矿床成因模式示意图( 引自 J. W. Lydon，1988)

图 5 示出了关于 VMS 型矿床成因的 3 种设想。这 3 种可能的成因模式都与断裂有关，是断裂活动把成矿溶液带至海底，并把矿石沉积在海底的。图中左、右两种模式被称为对流环模式，表示热液系统是一种主要由海水组成的对流体。对流环模式的基本概念是: 主要为海水成因的地下水在岩浆热源的作用下发生对流，沿途从岩石中淋滤出成矿组分形成 VMS 型矿床。然而，这种对流假说不能满意地解释这样的一些事实———在许多矿区内，与火山活动所跨越的时间相比，大多数块状硫化物矿床仅赋存在相当窄的地层区间内，也不能解释为什么许多海底火山岩堆积体都明显不含有这类矿床。但如果运用图 5 中间的模式，就可以对这些现象作出令人满意的解释。这种模式即地震泵送机理，也称含水层模式。如图所示，海水储集在可渗透的岩石中，并被不透水层所包围; 储集在渗透性岩石中的冷水溶液被下伏次火山侵入体加热到 400℃左右; 被加热的原生水把火山岩层中的金属淋取出来; 当构造活动 ( 地震断裂) 切割不透水层时，富含金属的热液便沿断裂上升; 含金属的热液与冷海水混合，金属硫化物便迅速沉淀，堆积形成矿体。

2. 找矿标志

总结此类矿床的形成与分布规律，可以为普查和预测提供重要的依据，长期以来各国都在这类矿床的普查问题方面进行了研究和总结，并且已得出许多有利于寻找这类矿床的特殊的地质、地球物理和地球化学找矿标志和方法。

( 1) 地质找矿标志

1) 大洋中脊、离散板块边缘、会聚板块边缘、大陆边缘、板块内的海岛、弧内和弧间裂谷盆地等构造环境是 VMS 型矿床产出的有利环境。

2) 优地槽内分异良好的富钠或富钾、钠的细碧角斑岩分布地区、蛇绿岩分布地区、古老的绿岩带地区以及与火山喷气沉积作用有关的以沉积岩为主的岩系分布地区，均有可能出现 VMS 型矿床。

3) VMS 型矿床往往出现在上述火山岩区的酸性火山喷发中心附近; 位于火山中心近端 ( 富 Cu矿) 或远端的火山岩相 ( 富 Pb － Zn 矿) 。

4) 各种酸性火山碎屑岩 ( 酸性集块岩、酸性火山碎屑角砾岩和酸性凝灰岩等) 是 VMS 型矿床常见的容矿岩石。流纹岩是最常见的底板岩石，沉积岩和/或基性火山岩是最常见的顶板岩石。

5) 矿石产在火山岩层之间的有利层位，有利层位可以是富铁喷气岩、含硫化物的表生碎屑岩、页岩或碳酸盐岩。火山岩系中各种岩性、岩相的接触带，尤其是基性或中性火山岩和酸性火山岩接触带，以及酸性或基性火山岩与上覆沉积岩的界面，往往是 VMS 型矿床赋存的位置; 薄层硅质、铁质和锰质的沉积岩等是 VMS 型矿床上部具有特殊意义的岩性标志。

6) 区分各个时代的火山旋回，研究各地区成矿的时代，特别是确定主要成矿时代尤为重要。由于矿床与一定时期火山活动有关，且多与岩层整合产出，因此在普查时要注意成矿的地层控制。

7) 注意各种断裂的交会处、断裂与褶皱交切处和复杂的构造地区，以及各种火山构造 ( 如酸性火山穹窿、破火山口分布地区等) ，尤其要注意同火山期裂谷断层。

8) 矿床的热液蚀变有区域性绢云母 ± 绿泥石蚀变，下盘岩石的镁交代作用，沿矿石侧向层位的硅化作用等，都是有用的勘查标志。

9) 对富金 VMS 型矿床来说，含铝矿物组合的存在是这类矿床有用的勘查标志，含有红柱石、蓝晶石、十字石和富锰的石榴子石是古老变质地体中 Au － VMS 型矿床的主要矿物组合。

10) 此类矿床往往成群产出，其直径范围在 20 ～ 40km 之间。因此，在已有此类矿床的地区，要继续在有利地段或部位内根据控矿因素并运用找矿标志寻找新矿床。

( 2) 地球物理找矿标志

物探方法是普查 VMS 型矿床的重要手段，经常采用的有电磁法、电法、磁法、重力法和电阻率法等。各国地质条件不同，方法效果也不同。

1) 在前寒武纪地盾区，电磁法寻找此类矿床很有效，如加拿大地盾区，很多矿床均是用电磁法或地面电磁法发现的，在印度、非洲、南美、东南亚和澳大利亚的工作也已证实了这一点。

2) 在西班牙 － 葡萄牙矿带，由于矿带地形极为崎岖不平，航空电磁法无效。该带最有效的物探方法是重力法、直流大地电阻率法、电磁法 ( 土拉姆法) 。在该矿带通常首先用大地电阻率法来勘查新区，然后用重力法来检查异常。

3) 前苏联各国在详查某些异常和查明某些地质构造时，电法 ( 激发极化法、过渡场法、自然电场法等) 、磁测和高精度重力测量等应用较多。一般用激发极化法圈出整个矿化地区，用过渡场法在这些地段内查明各隐伏矿体。

4) 区域磁测能确定主要的火山岩层、构造和蚀变，激发极化法能确定矿 ( 石) 带和黄铁矿蚀变晕。

( 3) 地球化学找矿标志

VMS 型矿床的化探异常规模要比矿体大许多倍，所以在预测和普查中，广泛应用各种化探方法，包括原生晕、次生晕、水化学晕以及生物地球化学方法等。

1) 采用原生晕方法对寻找 VMS 型矿床的盲矿体有一定效果。VMS 型矿床原生晕的主要指示元素为 Cu、Zn、Pb、Ag、As、Mo、Co 和 Ba，有时用 Bi、Hg、Se 和 Te 等元素作为辅助指示元素。

2) 次生晕的规模大大地超过矿体和矿体原生晕的规模，因而它更有利于地球化学普查。VMS 型矿床其矿体次生晕的标型元素是 Cu、Ag、Pb、Ba、Zn、Mo、Sn、Co、Hg。在这些元素中只有 Zn、Cu 常形成具有意义的次生聚集。Ba、Mo 和 Ag 活动性不强，因此，它们在次生晕中出现，就表示矿源已在附近了。

3) 水地球化学普查标志是水的 pH 值偏低; 水中矿化组分含量偏高，水中主要的特征元素有 Fe、S、Cu、Pb、Zn，次要元素有 Cr、Hg、Au、As、Sb、Ba、Bi、In 等。

4) 金属垂直分带 ( 沿地层向上) 是: Cu、Au→Pb、Zn、Ag、Au→Ba。

5) 锌矿石中的痕量元素是 As、Sb、Mg、Tl，铜矿石中的痕量元素是 Bi、Te、Mo、Co。

6) 多数矿床都有明显的土壤 Pb 异常，Zn 和 Pb 显示分散土壤异常。

7) 铁帽的痕量元素为 Au、Se、Te、As、Sb、Bi、Cd、In、Tl、Hg、Sn 和 Ba。

( 戴自希)