中國(guó)硫礦成礦作用對(duì)重大地質(zhì)轉(zhuǎn)折期的響應(yīng)

曹 燁 熊先孝 金 鑫 李 響

1．中化地質(zhì)礦山總局化工地質(zhì)調(diào)查總院，北京，100013；2．中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，河北涿州，072750

地質(zhì)·礦床

中國(guó)硫礦成礦作用對(duì)重大地質(zhì)轉(zhuǎn)折期的響應(yīng)

曹 燁*1熊先孝1金 鑫1李 響2

1．中化地質(zhì)礦山總局化工地質(zhì)調(diào)查總院，北京，100013；2．中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，河北涿州，072750

通過(guò)對(duì)不同地質(zhì)時(shí)期的硫礦成礦作用的綜合對(duì)比分析研究，從古大陸成礦作用地球動(dòng)力學(xué)角度入手，梳理了15個(gè)與硫礦有關(guān)的成礦系列，并將其與構(gòu)造和超大陸旋回對(duì)應(yīng)；并依據(jù)硫在表層儲(chǔ)庫(kù)和地質(zhì)儲(chǔ)庫(kù)以不同形式相互轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，前寒武紀(jì)和顯生宙時(shí)期硫多金屬礦床地形成環(huán)境和保存特點(diǎn)，揭示了地球不同演化階段構(gòu)造-巖漿事件與硫礦成礦作用的偶合關(guān)系。從硫礦成礦的角度反映了地球的節(jié)律具有突發(fā)性和旋回性或周期性，總的構(gòu)成不同的發(fā)展階段。

硫礦 成礦作用 地質(zhì)轉(zhuǎn)折 節(jié)律

0 引言

從太古宙到新生代，各地質(zhì)時(shí)代均有不同類型的金屬硫化物、硫酸鹽和自然硫產(chǎn)出，如火山巖型、沉積型、變質(zhì)型的硫鐵礦床形成。這些硫鐵礦床實(shí)際上就是一些獨(dú)特的火成巖、變質(zhì)巖或沉積巖，其產(chǎn)出環(huán)境和類型在地球演化歷史中同樣存在著重復(fù)、變化與消失，如此不斷循環(huán)?？傮w上看，不同地質(zhì)時(shí)期硫的演化在某種程度上可視為一種“循環(huán)”過(guò)程，而硫酸鹽在這個(gè)過(guò)程中的作用是不容忽視的。通過(guò)對(duì)硫鐵礦床的時(shí)、空分布特征的研究可以獲取地帽、地殼、水圈、大氣圈和生物圈演化方而的信息，進(jìn)而為建立地球演化事件序列表提供理論依據(jù)。

1 硫元素的地球化學(xué)習(xí)性

盡管地球演化過(guò)程是由不同時(shí)間段構(gòu)成的，但是地球各演化階段硫元素總含量是不變的。一般來(lái)講，硫元素在地球中均已生存了47億年之久。研究表明，地球中硫占3.79%，集中分布于地幔，地殼中硫的克拉克值僅為0.04%【1】。硫廣泛分布于巖石圈、生物圈、水圈和大氣圈中。硫的化合物在自然界廣泛分布，其數(shù)量?jī)H次于氧的化合物，占第二位。與硫化合成各種化合物的元素有40多種，其總重量約占地殼的0.15%。硫元素大都經(jīng)歷過(guò)多次搬運(yùn)與再分配，多次分散與富集，但是它們本身并未遭受過(guò)任何破壞作用。地球內(nèi)外地質(zhì)圈層間或內(nèi)部所發(fā)生的復(fù)雜物理和化學(xué)反應(yīng)是造成金屬元素分散與富集的主要地質(zhì)營(yíng)力。

在海洋蒸發(fā)巖中，硫以[SO4]2-形式存在，在某些沉積礦床中以及在火山中以自然硫形式出現(xiàn)，在各種內(nèi)生礦床中與金屬結(jié)合生成硫化物，呈S2-形式。由于硫呈現(xiàn)不同的價(jià)態(tài)和形式，導(dǎo)致硫在地質(zhì)過(guò)程中出現(xiàn)較大的同位素分餾，硫有4種穩(wěn)定同位素，其相對(duì)豐度為【2】——32S：95.02%；33S：0.75%；34S：4.21%和36S：0.02%。

自然界δ34S的總變化范圍為-65×10-3～120×10-3，其中98%的樣品落在-40×10-3～40×10-3范圍內(nèi)（鄭永飛等，2000）。δ34S變化的一般特點(diǎn)為：①除碳質(zhì)球粒隕石以外，隕石硫同位素組成變化很穩(wěn)定，范圍約為（0±1）×10-3。超基性巖、基性巖及有關(guān)礦床的δ34S變化范圍也很窄，與隕石硫一致；②隨著巖石酸度增加，δ34S的絕對(duì)值增加，變化范圍增大；③現(xiàn)代海洋硫酸鹽的δ34S相當(dāng)穩(wěn)定，為（20.0±0.5）×10-3。海相蒸發(fā)巖代表了地史上海洋硫酸鹽的δ34S變化特征，為9×10-3～32×10-3；④沉積巖中的硫化物、石油和煤中硫的δ34S多為負(fù)值，且變化范圍大。

2 全球硫循環(huán)模式

硫在巖石圈(火成巖、沉積巖、變質(zhì)巖)、水圈、大氣圈、生物圈之間，通過(guò)地球化學(xué)、生物化學(xué)等多種作用不停地運(yùn)動(dòng)。構(gòu)成全球硫循環(huán)的儲(chǔ)庫(kù)主要包括蒸發(fā)巖、海水溶解的硫酸鹽以及海相碎屑沉積物（巖）中硫化物（主要以黃鐵礦形式存在），同時(shí)這些儲(chǔ)庫(kù)中的硫也經(jīng)常被火山作用釋放出的硫（SO2，H2S）或者火成巖風(fēng)化的硫所補(bǔ)充（圖1）。

由于構(gòu)造抬升，地層出露地表并遭受風(fēng)化剝蝕，因此，在這個(gè)過(guò)程中，蒸發(fā)巖和碳酸鹽巖將會(huì)發(fā)生溶解，而黃鐵礦與氧氣也會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成硫酸鹽溶液，而后通過(guò)水文循環(huán)重新回到海洋。這其中黃鐵礦和氧氣的反應(yīng)是一種影響大氣O2含量的重要過(guò)程，它與風(fēng)化過(guò)程中沉積有機(jī)質(zhì)的氧化共同控制了大氣O2含量【9】。

圖1 全球硫循環(huán)模式圖（引自參考文獻(xiàn)3、4，有改動(dòng)）Fig.1 Globle sulfur cyclical pattern

3 硫元素的大規(guī)模運(yùn)移及成礦

硫元素從地幔到地殼、從流體到固體、從巖漿到熱液、從分散到富集均需要巨大的地質(zhì)營(yíng)力，成礦作用強(qiáng)度與地質(zhì)營(yíng)力呈正相關(guān)關(guān)系。

大量研究結(jié)果表明，自地球形成之日起，地幔和軟流圈就無(wú)時(shí)不處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在過(guò)去的2億年中，大洋中脊擴(kuò)張與裂解為大陸與大洋板塊的碰撞-對(duì)接提供了動(dòng)力來(lái)源，洋中脊巖漿活動(dòng)所形成的大量火山巖可通過(guò)大洋板塊運(yùn)移至板塊邊緣俯沖帶，并且在大陸殼之下發(fā)生消減作用。大洋與大陸板塊的裂解，碰撞和對(duì)接作用以及由此所誘發(fā)的局部構(gòu)造-巖漿活動(dòng)為硫元素及親硫元素的巨量堆積提供了物質(zhì)和動(dòng)力來(lái)源【10】。

巖漿熱液、水蒸氣、海水和地表水均有可能成為硫及親硫元素的“載體”，與“稠密”的巖漿相比，上述各種含礦流體在巖石圈與水圈中最為活躍，并且是鹽、酸和堿的最佳溶劑。這些流體可對(duì)地殼中各類巖層中的硫元素進(jìn)行最為有效的淋濾與萃取，從而極大地提高原始含礦流體的礦化濃度，最終沉淀形成硫多金屬礦石（表1）。一般來(lái)講，大量的地表水或海水可以通過(guò)各種斷裂向地殼深部滲透，并且與部分圍巖發(fā)生強(qiáng)烈物理與化學(xué)反應(yīng)，受此影響，含礦流體和圍巖在化學(xué)組份和物理特性方面將會(huì)發(fā)生重要變化，例如，當(dāng)某種氧化的酸性流體流經(jīng)具還原特征圍巖時(shí)，其與圍巖所發(fā)生的強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)致使流體變?yōu)橹行詰B(tài)或還原態(tài)。含礦流體物理-化學(xué)性質(zhì)的改變將導(dǎo)致大量硫化物發(fā)生沉淀與富集。另外，在特定物理化學(xué)條件下含礦流體本身亦會(huì)發(fā)生分異或稀釋作用，進(jìn)而形成含礦流體相和非含礦流體相，例如，含礦蒸氣和含礦濃集熱鹵水就是流體不同演化階段的產(chǎn)物。

表1 全國(guó)硫礦床成因類型及主要分布地區(qū)Table 1 The genetic type and major distribution of sulfur deposit through the country

4 硫礦成礦作用的時(shí)間節(jié)律

地球的演化具有節(jié)律【11】，硫礦成礦作用的時(shí)間節(jié)律可能是地球節(jié)律的一個(gè)縮影。硫在熱液作用中普遍存在，它既是搬運(yùn)金屬的礦化劑，也是沉淀成礦元素的沉淀劑。高溫階段主要形成低硫化合物，如磁黃鐵礦、毒砂、硫錫礦等；中溫階段可以形成大量具工業(yè)意義的硫化物，如黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦、方鉛礦，以及雌黃、雄黃、輝銻礦、黝銅礦等；低溫階段可形成復(fù)硫鹽及高硫化合物，如淡紅銀礦、黝銅礦、重晶石、硫酸鉛礦、硬石膏、明礬石等。磁黃鐵礦和黃鐵礦可統(tǒng)稱為硫鐵礦。

一般來(lái)說(shuō)，沉積變質(zhì)型硫鐵礦礦床，多形成于太古宙、元古宙，其次是古生代，以元古宙為最多；沉積型硫鐵礦礦床多形成于古生代，無(wú)論是海相沉積的或煤系沉積型的，集中于石炭紀(jì)—二疊紀(jì)，其次是奧陶紀(jì)和石炭紀(jì)，屬于華力西期形成的較多；巖漿熱液型（包括熱液脈型和斑巖型），多形成于侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)，屬于燕山期形成較多；海相火山巖型形成于寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)，屬于加里東期；陸相火山巖型有形成侏羅紀(jì)，燕山期的，也有形成華力西期的（西北地區(qū)）；自然硫型多形成于古近紀(jì)—第四紀(jì)，喜馬拉雅期（表2）。

表2 硫礦成礦系列一覽表Table 2 Sulfur metallogenic series list

4.1 新太古代—古元古代火山噴發(fā)-沉積事件

該地質(zhì)事件主要發(fā)生在我國(guó)華北地臺(tái)與塔里木地臺(tái)上，或于古陸核邊緣的弧后火山盆地或火山島弧盆地中。以太古宙綠巖帶中與受變質(zhì)海相火山熱液活動(dòng)有關(guān)的塊狀硫化物型Cu、Zn(Au)礦床成礦系列為代表。

持續(xù)的海相火山噴發(fā)活動(dòng)導(dǎo)致超鎂鐵質(zhì)火山熔巖巖層厚度驟增，進(jìn)而引起原生綠巖層的快速下沉。當(dāng)原生綠巖層到達(dá)地殼一定深度時(shí)，受高溫和高壓變質(zhì)作用影響，它們將會(huì)發(fā)生局部熔融，并且形成一定量的巖漿。如若這些再生巖漿在構(gòu)造作用驅(qū)動(dòng)下上侵定位，它們將疊加在早期火山-沉積巖層之上，并且構(gòu)成較為復(fù)雜的構(gòu)造-地層單元，玄武巖與流紋巖常常交替出現(xiàn)。該事件早期有一定規(guī)模中基性-基性火山噴發(fā)，晚期趨于穩(wěn)定，以正常海相沉積為主。成礦物質(zhì)主要聚集在遠(yuǎn)離火山噴口的陸緣地帶，強(qiáng)烈的構(gòu)造變動(dòng)致使古陸塊發(fā)生部分熔融作用，并且形成再生綠巖帶。海水與火山熔巖的相互作用可將大量金屬硫、鋅、銅等從早期巖層中淋濾山來(lái)，并且在再生綠巖帶內(nèi)形成一系列硫多金屬礦床，并且在海底火山噴口處或鄰近地區(qū)沉淀形成塊狀硫化物礦石。

4.2 中—新元古代裂解事件

該地質(zhì)事件主要發(fā)生在古陸塊上。它是受當(dāng)時(shí)全球性裂解作用影響而在古陸邊緣附近產(chǎn)生了規(guī)模不一的裂谷、裂陷槽或拗拉槽。在它形成過(guò)程中早期以拉張為主，沉積了巨厚的碎屑巖與碳酸鹽巖，并伴有不同規(guī)模的火山噴發(fā)；晚期以擠壓為主，沉積了一套以細(xì)碎屑巖為主的地層，并逐漸地拼貼在古陸塊上。這次地質(zhì)事件始于古元古代末，至中、新元古代最為鼎盛。在裂解中早期常伴有以S 、Pb、Zn、Cu多金屬為主，F(xiàn)e、稀土元素為次的成礦作用。其含礦層或礦體多于火山巖層之上的碳酸鹽巖中，沿一定層位呈層狀、似層狀分布，構(gòu)成了不同成礦帶，如狼山成礦帶、中條山成礦帶、康滇成礦帶等。

以華北地臺(tái)西部與中元古代裂陷拉張環(huán)境火山-沉積變質(zhì)改造作用有關(guān)Fe、Cu、Pb，Zn、REE、稀有、Au、硫鐵礦礦床成礦系列組為代表。

4.3 古生代海底火山噴發(fā)事件

4.3.1 早古生代早期海底火山噴發(fā)事件 這次地質(zhì)事件出現(xiàn)在秦昆活動(dòng)帶中，它是在裂陷或裂谷向島弧演化環(huán)境下產(chǎn)生的。中心海槽斷裂發(fā)育，并控制海底火山噴發(fā)，而大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)多發(fā)生在海盆發(fā)育的早期晚階段，以中酸性-中基性火山巖與火山碎屑巖為主，屬于偏堿質(zhì)的鈣堿系列。火山巖中枕狀熔巖與放射蟲硅質(zhì)巖十分發(fā)育，局部有科馬提巖、基性巖、超基性巖類出露，與蛇綠巖套有些相似。S、Cu、Pb、Zn多金屬為主的礦化作用主要于長(zhǎng)英質(zhì)火山碎屑巖夾沉積巖向鐵鎂質(zhì)火山巖過(guò)渡部位。礦化規(guī)模較大，延伸數(shù)公里，如北祁連山成礦帶。

以柴達(dá)木北緣-祁連與加里東期陸緣裂谷海相火山作用有關(guān)Cu、Pb、Zn、Au、Ag塊狀硫化物礦床成礦系列為代表。

4.3.2 晚古生代海底火山噴發(fā)-侵入事件 該事件出現(xiàn)在活動(dòng)帶中，分布較廣，主要于新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等地。它的形成是受海西中期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，使活動(dòng)帶中洋盆或裂谷逐漸閉合或俯沖，向陸緣或島弧帶過(guò)渡。在這過(guò)程中發(fā)生較強(qiáng)烈的火山噴發(fā)，其沉積噴發(fā)旋回較好，通常為中酸性 中基性，具雙峰式特征。火山噴發(fā)晚期在陸緣有殼幔同熔型巖漿侵入?；◢弾r常成帶分布，分居結(jié)合帶兩側(cè)。該地質(zhì)事件以中石炭世-早二疊世最發(fā)育。在火山噴發(fā)-沉積作用的中期或早期晚階段常有Cu、Pb、Zn、Au、Ag等礦化作用，位于中酸性-中基性火山巖之間，如北天山、北山等成礦帶（表3）。

以華力西期海相火山-沉積及侵入巖漿作用有關(guān)的Pb、Zn、Au、Cu、Fe、S、P、螢石、重晶石礦床成礦系列為代表。

4.4 晚古生代早期華南海侵事件

該事件出現(xiàn)在我國(guó)湘、桂、粵、黔、鄂、贛、閩諸省。它是在志留紀(jì)末華南加里東冒地槽褶皺隆起并與揚(yáng)子地臺(tái)拼合后發(fā)生的。海侵始于泥盆紀(jì)初，并由西南向北、向東北進(jìn)發(fā)，所以隨海侵方向其地層層位逐漸升高，而沉積相也隨之不斷變化，從而導(dǎo)致有用組分在較大范圍內(nèi)堆積。通常在沉積海盆的潮坪相與臺(tái)地相之間有Fe、Mn、P沉積成礦；在礁灰?guī)r相附近有Pb、Zn以及黃鐵礦等礦化，而在陸緣局部地段受張裂構(gòu)造影響有小規(guī)模火山噴發(fā)，有時(shí)也伴有Cu、Pb、Zn等礦化。這次成礦地質(zhì)事件可一直延續(xù)至早石炭世。如湘中、粵北鉛鋅硫鐵礦等。

表3 古生代海相火山巖型硫多金屬礦床時(shí)空分布及實(shí)例簡(jiǎn)表Table 3 The temporal-spatial distributions and instance simple list of palaeozoic sea facies volcanic sulfur polymetallic deposit

4.5 中生代濱西太平洋構(gòu)造-巖漿事件

該事件出現(xiàn)在中國(guó)東部地區(qū)，尤其沿海諸省。它是受太平洋板塊運(yùn)動(dòng)影響使中國(guó)東部陸內(nèi)發(fā)生NNE向的構(gòu)造形變，并置于前中生代構(gòu)造層之上，同時(shí)伴有大規(guī)模陸相火山噴發(fā)與巖漿侵入活動(dòng)。噴發(fā)作用以侏羅紀(jì)晚期最發(fā)育，并且從沿海向內(nèi)地將由酸性過(guò)渡為中酸性與中性；侵入作用于燕山中期最鼎盛，其從沿海至內(nèi)地將由殼幔同熔型向陸殼重熔型演化。在這過(guò)程中具有十分廣泛的有色、稀有金屬成礦作用，形成了南嶺W、Sn、Pb、Zn成礦帶，長(zhǎng)江中下游S、Fe、Cu、Au、Pb、Zn成礦帶（寧蕪、銅陵硫鐵礦礦集區(qū)），膠東Au成礦帶以及東南沿海Pb、Zn、Ag與非金屬礦產(chǎn)成礦帶，為我國(guó)東部地區(qū)重要的成礦地質(zhì)事件。

以廬樅-寧蕪火山盆地與殼幔源中基性-中酸性-堿性火山巖有關(guān)的Fe、Cu、Au、P、S、膨潤(rùn)土礦床成礦亞系列，九江-銅陵-安慶斷陷帶與殼幔源花崗巖有關(guān)的Cu、Fe、Mo、Au、Pb、Zn、S礦床成礦亞系列最為著名。

5 結(jié)論

硫礦的成礦作用可能受控于賦礦構(gòu)造單元之形成/消亡速率，結(jié)合Windley (1984)之大陸地殼演化模式【12】，把硫礦成礦作用歷史和構(gòu)造發(fā)展分為4個(gè)時(shí)期：

（1）克拉通化階段：與綠巖帶共生，并最終替代之。大陸殼的形成和克拉通化約在（2.9±0.5）Ga前已達(dá)到最大，并在（1.75±0.5）Ga前已獲得接近現(xiàn)今那樣的穩(wěn)定狀態(tài)。在太古宙綠巖帶中形成與受變質(zhì)海相火山熱液活動(dòng)有關(guān)的塊狀硫化物型Cu、Zn(Au)礦床成礦系列，典型礦床是云盤式沉積變質(zhì)型硫鐵礦。

（2）裂谷作用階段：已穩(wěn)定化的大陸殼在（1.8±0.3）Ga之前發(fā)生普遍的鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)火山-深成作用，以古元古代裂谷區(qū)與與古元古代火山-沉積-侵入巖漿作用有關(guān)的Fe、Cu、Pb、Zn、Ni、Ag、B、S、石墨礦床成礦系列為特征。

（3）中—新元古代穩(wěn)定克拉通階段：約在1.7～0.9 Ga或0.6 Ga時(shí)期發(fā)生強(qiáng)烈的堿性火山-深成作用，但無(wú)鎂鐵質(zhì)-中性火山-深成巖及相關(guān)硫多金屬礦床。此時(shí)期內(nèi)生硫鐵礦成礦作用甚弱，可能是成礦作用得間隙。此時(shí)期有意義礦床大多形成于克拉通沉積蓋層中的外生礦床，如華北穩(wěn)定型的沉積和華南活動(dòng)型沉積。以與中元古代海相基性—中酸性火山噴流-沉積作用有關(guān)的Au、Fe、Pb、Zn、Cu、硫礦床成礦系列、燕遼裂谷中元古沉積型Fe-Mn-PbZn-石灰?guī)r-硫鐵礦成礦系列、揚(yáng)子地臺(tái)南部裂陷槽中與火山-熱水沉積作用有關(guān)的Fe、Cu、Pb、Zn、磷、硫鐵礦床成礦系列為特征。

（4）顯生宙時(shí)期：以豐富多變的、特別是熱液型成礦作用為特征，后者往往是古生代造山帶中花崗巖類深成作用的反映。這種到處發(fā)生的成礦作用反映了在中—新元古代靜止時(shí)期之后的構(gòu)造作用、造山作用和礦床形成的增強(qiáng)，也確證板塊構(gòu)造以現(xiàn)今那樣的多樣性和模式開始啟動(dòng)，且可能是早先存在的元古宙超大陸離散的結(jié)果。

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THE SULFUR ORE MINERALIZATION RESPONSES TO SIGNIFICANT GEOLOGICAL TWIST PERIOD

Cao Ye1Xiong Xianxiao1Jin Xin1Li Xiang2
1. General Institute of Chemical Geology Survey，China Chemical Geology and Mine Bureau，
Beijing，100013，China 2.Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau, Zhuozhou, 072750, China

Based on the contrastive analysis of different periods sulfur ore mineralization, several studies have been done from the point of ancient continental mineralization mineralization. 15 metallogenic series related to sulfur ore formation have been defined which corresponded with structure and supercontinent cycle. The features that sulfur converts in surface reservoir and geological reservoir in different form have been studied. This paper still studied the sulfur polymetallic deposit forming environment and preservation features in precambrian and Phanerozoic Eon periods and revealed the coupling relation between structure-magmatic event and sulfur ore mineralization in different evolutionary stages. The earth rhythm and cycle or periodicity has been reflected from the point of sulfur ore mineralization which formed different developing stages.

sulfur ore，mineralization，Geological twist，rhythm

P619.216

A

1006-5296（2014）01-0001-07

* 第一作者簡(jiǎn)介：曹燁（1983～），男，從事化工礦產(chǎn)地質(zhì)研究，博士，工程師

2013-10-25；改回日期：2013-11-05，2013-11-14