Question

模型二十一 密西西比河谷型铅锌矿床找矿模型

Answer 1

一、概 述

密西西比河谷型 ( MVT) 铅锌矿床是以碳酸盐岩为容矿岩石的层控硫化物矿床。硫化物主要组分为闪锌矿和方铅矿。它之所以这样命名，是因为几个经典的 MVT 矿床均位于美国中部密西西比河流域盆地内的碳酸盐岩中。这类矿床大约占世界铅和锌资源的 25%，是世界铅锌矿床中仅次于SEDEX 型的第二大类型。

MVT 矿床规模从几百万吨到几千万吨，铅、锌合计品位低于 SEDEX 型矿床，一般在 3% ～ 10%之间，很少超过 15%。

MVT 矿床分布在世界各地，但在北美较为集中 ( 图 1) ，初步统计全球 MVT 型超大型铅锌矿床( 区) ( Pb + Zn 金属储量超过 500 ×104t) 大约有 14 个 ( 表 1) ，其中美国就占有 5 个。这类矿床在美国主要集中分布在密西西比河谷地区，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 ( 图 2) ，威斯康星 － 伊利诺伊州的密西西比河谷上游地区 ( Upper Mississippi) ，堪萨斯 － 密苏里 － 俄克拉何马州交界的三州地区 ( Tri State) ，以及靠近阿巴拉契亚山脉的东田纳西的马斯科特 － 杰斐逊 ( Mascot － Jefferson) 矿床和中田纳西的埃尔姆伍德 ( Elmwood) 矿床等; 加拿大重要矿床有西北地区的派因波因特 ( Pine Point) 和波拉里斯 ( Polaris) 矿床，以及西北地区马更些山脉中的盖纳河 ( Gayna R. ) 地区矿床和 20 世纪 90 年代新发现的西北地区普雷里克里克 ( PrairieCreek) 矿床，还有阿巴拉契亚地区的加斯河 ( Gays R. ) 矿床等; 欧洲有波兰的上西里西亚地区( Upper Silesia) ，奥地利的布莱贝格 ( Bleiberg) ，前南斯拉夫的梅日察和意大利的莱勃尔 ( Raibl) 矿床，后 3 个国家的矿床集中在阿尔卑斯山脉区; 亚洲有伊朗的迈赫迪耶巴德 ( Medhdiabad) 和乌兹别克斯坦的乌奇库拉奇 ( Uchkulach) 矿床以及中国广东的凡口铅锌矿床; 澳大利亚有阿德米勒尔湾( Admirals Bay) 矿床等; 20 世纪 90 年代在南美洲和非洲也发现了 MVT 矿床，如阿根廷的埃尔韦西亚和纳米比亚的斯科比翁 ( Skorpion) 矿床等。

图 1 全球 MVT 矿床分布示意图( 据张长青，2008，修编)

图 2 美国密苏里州东南部铅 － 锌采矿区( 引自地矿部情报所，1985)

表 1 世界超大型 MVT 铅锌矿床*

续表

* 铅+锌金属储量＞ 500 × 104 t。

二、地 质 特 征

1. 区域构造背景

MVT 矿床形成的有利大地构造环境为稳定克拉通或大陆架内部靠近造山带前陆盆地一侧，产于克拉通边缘沉积盆地内大面积的古陆隆起地带上，也有的产在前陆褶皱带和逆冲断层带内。矿床产在世界各地的许多沉积盆地中，往往出现在盆地的边缘或其附近，或在盆地之间的隆起处。矿区通常很大，产状彼此相似的各个矿床可产在面积达几百、几千平方千米的区域内，如美国密苏里州东南部矿区面积达 3000km2，加拿大西北地区的派因波因特矿区面积为 1600km2。矿床具有成群产出的特征，如加拿大努纳武特地区的康沃利斯 ( Cornwallis) 矿区至少有 25 个矿床和 75 个矿体; 加拿大西北地区的派因波因特矿区有 2 个矿床和 90 多个矿体。

2. 矿床地质特征

( 1) 容矿岩石

矿床的容矿岩石为碳酸盐岩，通常为白云岩，有时为灰岩。在大多数矿区内未发现火成岩。

矿床显然是后生的，硫化物充填于早先存在的孔隙内，这种孔隙通常出现在碳酸盐岩内的角砾岩带或古岩溶地形内，如美国密苏里州东南部维伯纳姆矿带的马格蒙特矿山铅锌储量大部分集中在溶解坍塌构造造成的岩层角砾化的白云岩中 ( 图 3) 。特征的矿石结构以开放孔隙充填结构为主。孔隙可以是原生的，如多孔的礁体格架、沉积角砾等，也可以是次生的，如溶解坍塌角砾、岩溶洞穴等。矿床常常产在岩溶、岩礁、不整合、岩层相变、岩层尖灭处和盖层裂隙中 ( 图 4) 。因此，碳酸盐岩中由种种机制造成的开放孔隙是形成具有经济价值矿床必不可少的首要条件。

( 2) 矿石组分

大多数矿床的矿物组成比较简单，主要矿石矿物有方铅矿和 ( 或) 闪锌矿，常伴有黄铁矿和( 或) 白铁矿，某些矿床内有极少量黄铜矿伴生。通常方铅矿含银低，闪锌矿含铁低。脉石矿物为白云石、方解石、石英，偶尔有重晶石和萤石。

矿床还可按金属比值的不同进一步分为富铅、富锌以及富锌、铅矿床。绝大多数矿床锌比铅多，如美国三州矿区矿床含 Zn 2. 3%，而含 Pb 仅为 0. 6%; 东田纳西地区和密西西比河上游地区的矿床是富锌的，含 Zn 4. 0%，几乎不含铅; 密苏里州的矿床是富铅的，如老铅矿带含 Pb 3. 0%，几乎不含Zn; 维伯纳姆矿带含 Pb 6. 0% ，含 Zn 1. 0% 。加拿大派因波因特矿区含 Zn 7. 0% ，含 Pb3. 0% 。MVT矿床平均铅、锌合计品位为 3% ～10%，银含量低。

( 3) 热液蚀变

大多数 MVT 矿床显示有热液角砾化、重结晶作用、溶解作用、白云岩化等特征，这与其容矿的碳酸盐岩的溶解、重结晶、热液交代和角砾化有关。热液角砾呈坍塌角砾，由上覆碳酸盐岩岩层的溶解作用造成。热液白云岩是 MVT 矿床的显著特征之一，通常在交代围岩后，在矿体周围形成明显的白云岩蚀变晕。

图 3 美国密苏里州东南部维伯纳姆矿带的马格蒙特矿山横剖面图( 引自地矿部矿床地质研究所，1985)

图 4 MVT 矿床产出位置示意图( 引自地矿部矿床地质研究所，1985)

( 4) 流体包裹体和同位素特征

对粗晶闪锌矿、重晶石和碳酸盐内流体包裹体的研究表明，MVT 矿床平均矿化温度为 80 ～200℃ ，含矿流体是高盐度的 Na － Ca － Cl 卤水，盐度为海水的 5 ～ 10 倍。流体包裹体中常见有石油，容矿岩石中常见有呈干酪根或沥青形式出现的有机质。

同位素研究表明，硫通常为重硫，其值域很宽，表明硫来自壳源。铅同位素也显示出相当大的值域，并且放射性铅含量高，多来源于基底。

因为矿床产在相对未受变动的地台环境，所以地层证据可以表明矿化发生在较浅部，深度多半为几百米至 1000m，压力不超过几百大气压。在这种环境中，标准的地温梯度为 25 ～30℃ /km，形成容矿岩石的平均温度小于 100 ～150℃。

( 5) 成矿时代

形成 MVT 矿床的重要时期是泥盆 － 二叠纪和白垩 － 第三纪。迄今为止，世界上 MVT 矿床 70%以上产在泥盆 － 二叠纪时期。这与地球演化历史中强烈的挤压构造事件密切相关。

三、矿床成因和找矿标志

1. 矿床成因

尽管 MVT 矿床还没有统一的描述性模式和成因模式，但人们认为 S. A. 杰克逊和 F. M. 比尔斯于1966 年和 1967 年以加拿大派因波因特矿床为例提出的沉积 － 成岩模式可以解释 MVT 矿床的许多特征，即 MVT 矿床是成岩作用晚期阶段正常沉积盆地演化的产物。该模式认为，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出时，在碳酸盐岩中遇到 H2S 便沉淀出硫化物 ( 图 5) 。

图 5 与 MVT 矿床有关的沉积盆地总体概念示意图( 引自地矿部矿床地质研究所，1985)

因此，MVT 型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，二者在同一地点出现，但并不一定同时，可能一个先到，另一个后到，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。MVT 矿床矿石的就位时间，通过各种方法测试得到的结果差异也很大，许多问题仍有待进一步研究。

不过，近十年来，在 MVT 矿床矿化年代的测定方面有了显著的进展，测年表明，大多数 MVT 矿床形成于泥盆纪—二叠纪，认为这与泛古陆同化作用有关的收缩构造事件有关，矿化也形成于白垩纪—第三纪时期，认为这与北美西部边缘和非洲 － 欧洲微板块同化作用的拼贴构造事件有关。所以Leach 等 ( 2001) 强调，MVT 矿化与区域性和全球规模的构造事件有成因联系。

2. 找矿标志

( 1) 区域地质找矿标志

1) 大地构造环境。MVT 矿床形成的有利大地构造环境多为稳定的克拉通地台。

2) 区域基底构造、基底隆起和断裂。MVT 矿床往往就位于大的区域断裂控制系统中; 某些 MVT矿床产于基底高地之上或附近，基底高地控制着沉积相、角砾岩化、断裂作用等。

3) 断层和破碎带。这是 MVT 矿床重要的控矿因素，矿体多集中产于与断层有关的膨胀带。

4) 巨大的沉积盆地。MVT 矿床一般产在盆地的边缘。

5) 地台碳酸盐岩系。常构成 MVT 矿床的容矿岩石。

6) 矿石受碳酸盐岩前沿 ( 碳酸盐岩 － 页岩的相变部位) 控制。

7) 与 MVT 矿床同时代的 SEDEX 型矿床可以存在于邻接的大陆裂谷盆地。

8) 成矿时代。从中奥陶世到第三纪之间，多数矿床形成于泥盆纪 － 二叠纪或白垩纪 － 第三纪时期。

9) 不整合。在碳酸盐岩地层中，不整合为岩溶构造、溶解角砾岩等的生成创造了条件，这些构造常常成为容矿空间。

10) 存在蒸发岩。它在形成卤水方面有重要作用，因此，盆地内蒸发岩层的存在被看作是一个好兆头。

( 2) 局部地质找矿标志

1) 矿床主要产在碳酸盐岩系的白云岩中，少量在灰岩和砂岩中。

2) 矿床常出现在不整合面之下，受礁堡杂岩、溶解坍塌角砾岩、古岩溶、断裂或裂隙等开放空间控制。

3) 矿床往往受碳酸盐岩 / 页岩沉积边缘、岩相圈闭、基底高地所控制。

4) 碳酸盐岩中广泛发育热液白云岩化，它与矿化密切伴生，因此，是一个好的标志。

5) 有机质存在也是一个良好的标志。

6) 在碳酸盐岩中浸染状硫化物的出现可以作为各类矿体的近矿标志。

( 3) 地球物理找矿标志

1) 矿床上方能显示出电阻率低和重力高。与 MVT 矿床有关的某些地质特征，例如断裂、古岩溶、岩溶坑、碳酸盐岩/页岩相变处、基底高地等，常可能被地震、磁法、重力、地面电磁测量所鉴别。

2) 激法极化测量 ( IP) 是有效的，地面电磁法 ( EM) 可以在含铁硫化物矿床中应用。如果矿床组分中大部分是闪锌矿，那么这些方法可能会失效。

3) 分析区域物探数据对识别有远景的地质背景是极为重要的找矿手段。地震、航磁和重力综合测量对区域分析极为有用。航磁和重力测量可以识别控矿的要素，如基底高地、碳酸盐岩台地和断层等。尤其是地震反射数据，能提供有关构造、构造演化、沉积作用，可能还有流体和金属源区的详细深部信息。

( 4) 地球化学找矿标志

1) 在残积物中有 Pb、Zn、Cu、Mo、Ag、Co 和 Ni 的区域性异常。垂向分带由下往上大致为Cu( ± Ni， ± Co) － Pb － Zn － Fe 硫化物; 碳酸盐岩中 Pb、Zn 和 Cu 的背景值较高，一般为: Pb 为 9 ×10－ 6，Zn 为 20 ×10－ 6，Cu 为 4 ×10－ 6。

2) 在土壤和水系沉积物测量中，可能存在有 Zn、Pb、Fe、Ag 和 Mn 异常。

3) 有远端的热液沉积物，如有 Mn － Fe － Ca － Mg 碳酸盐岩存在。

( 戴自希 唐金荣)