江西省眾埠街熱水噴流沉積型錳鉛鋅礦的成礦機制研究

龍細友， 饒小鵬， 彭蜀濤， 劉志軍， 魯詩陽， 張連湘

(1.江西有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院,江西 南昌 330001； 2.贛州鑫宇礦冶有限公司,江西 贛州 341000)

江西眾埠街錳鉛鋅礦位于江西省東北部,原名花亭錳礦,歷史上于上世紀50～60年代開展過地質(zhì)勘查工作,地表礦體早已采完。近年來,礦區(qū)深邊部找礦勘查取得顯著成果,同時也帶來了對礦床成因研究的熱潮。礦床以往成因認識眾說紛紜,未有定論,如海底火山熱液成礦[1],海相火山噴發(fā)—沉積—變質(zhì)—熱液錳礦床[2],古風(fēng)化殼—沉積型錳礦床[3]。筆者以實施中國地質(zhì)調(diào)查局礦調(diào)項目為背景,對礦床開展了成礦規(guī)律研究,搜集了國內(nèi)外同類型錳礦床的研究資料,并進行對照分析,來探討眾埠街錳鉛鋅礦床的成礦機制。

1 礦區(qū)地質(zhì)

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

眾埠街錳鉛鋅礦位于欽杭結(jié)合帶東段的萬年推覆體的西北側(cè),屬萬年—德興成礦帶的一部分。礦區(qū)處于晚古生代—中生代沉積盆地的西緣,盆地基底為新元古界萬年群淺變質(zhì)巖,盆地內(nèi)部沉積地層以上石炭統(tǒng)黃龍組碳酸鹽沉積為主,局部沉積有下石炭統(tǒng)梓山組,盆地東面在石炭紀之后的二疊紀繼續(xù)接受海相沉積。至中生代,陸內(nèi)造山作用形成的山間拗陷沉積了一套含火山噴發(fā)物的河湖相碎屑巖。區(qū)域構(gòu)造經(jīng)歷了晉寧期板塊拼貼、加里東期擠壓造山、海西—印支期拉張沉降、燕山期強烈的陸內(nèi)擠壓及巖漿活動、喜馬拉雅期差異沉降。不同時期、不同層次及不同環(huán)境下形成的構(gòu)造形跡相互疊加,形成了“晉寧期近東西向緊閉基底褶皺+加里東期北東向網(wǎng)結(jié)狀韌(脆)性剪切變形帶+燕山期推覆巖片堆疊”為特點的基本格局[3-4]。斷裂構(gòu)造以北東向、北西向和北東東向為主(圖1)。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)

礦區(qū)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主,可分為北北東、北北西、北東東、北西等四組。北北東向斷裂F6控制礦區(qū)內(nèi)鉛鋅礦帶產(chǎn)出,走向北東20°～40°,傾向南東東,傾角70°～75°；長1 300 m,寬200～300 m,帶內(nèi)發(fā)育構(gòu)造角礫巖、碎裂巖、片理化構(gòu)造巖。北東東向斷裂、北西向斷裂和北北西向斷裂為成礦后構(gòu)造,對礦體產(chǎn)生破壞或錯斷。

礦區(qū)內(nèi)巖漿巖主要為閃長巖、輝綠巖。在礦區(qū)西南外圍見燕山期英安斑巖和石英斑巖。閃長巖在礦區(qū)西北邊萬年群中大面積出露,呈大巖枝產(chǎn)出,具片理化和變質(zhì)。

圖1 眾埠街地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造略圖[3]
Fig.1 Tectonic sketch map of Zhongbujie area

1.第四系；2.白堊系；3.晚三疊世—侏羅系；4.晚泥盆系—中二疊世；5.晚二疊系/中二疊系；6.新元古界；7.燕山期酸性侵入巖及圍巖蝕變帶；8.性質(zhì)不明斷裂；9.推覆斷裂及滑覆斷裂；10.網(wǎng)結(jié)狀韌(脆)性剪切變形帶；11.角度不整合界線；12.中二疊世海相火山巖(玄武巖)；13.構(gòu)造窗；14.倒傳向斜及編號；15.倒轉(zhuǎn)背斜及編號；16.向斜及編號。

圖2 眾埠街錳鉛鋅礦區(qū)地質(zhì)略圖[5]
Fig.2 Geological sketch of Zhongbujie manganese lead and zinc ore deposit

1.第四系；2.白堊系冷水塢組；3.白堊系石溪組下段；4.石炭系黃龍組下段；5.青白口系萬年群程源組；6.石英斑巖；7.閃長巖；8.整合地層界線；9.擠壓片理帶及編號；10.實測斷層及編號；11.推測斷層及編號；12.勘探線及編號；13.鉆孔及編號。

2 礦床地質(zhì)

礦床為上錳下鉛鋅、錳和鉛鋅主要為異體共生的錳鉛鋅礦床,上部新元古界萬年群結(jié)晶基底之上分布錳礦體和零星鉛鋅礦體,錳礦體內(nèi)伴生有鉛鋅。鉛鋅礦呈北東向帶狀分布在新元古界萬年群結(jié)晶基底圍巖內(nèi)(圖3)。

圖3 眾埠街錳鉛鋅礦東西向剖面略圖[1]
Fig.3 E-W profile of Zhongbujie manganese lead and zinc ore deposit

1.第四系；2.白堊系石溪組；3.石炭系上統(tǒng)黃龍組上段；4.石炭系上統(tǒng)黃龍組下段；5.新元古代萬年群；6.斷裂破碎帶；7.錳礦體；8.鉛鋅礦體。

2.1 錳礦體地質(zhì)特征

錳礦體分布在萬年群淺變質(zhì)巖之上,晚石炭世黃龍組底部,礦體呈似層狀和透鏡狀,向東緩傾斜。已查明錳礦體平面上南北向長1 400 m,東西向?qū)? 200 m。礦體厚度1.57～41.75 m,平均品位：Mn23.31%、TFe18.10%。受成礦時海底地形影響,錳礦分布在上下兩個臺階上,兩臺階之間的陡坎缺失錳礦或礦層變薄。

礦石礦物成分,上部的Ⅰ臺階礦石中含錳礦物以錳的氧化物礦物硬錳礦和軟錳礦為主,系由碳酸鹽礦石氧化后變來;下部的Ⅱ臺階礦石中含錳礦物以菱鐵礦、菱錳礦為主，兩者錳礦石中伴生有鐵、鉛、鋅硫化物礦物,脈石礦物以方解石為主,白云石和石英次之。礦石化學(xué)成分除鐵和錳外,伴生元素Pb 0.2%～0.26%,Zn 0.6%～1.1%,Ag 9～12.5 g/t。礦石結(jié)構(gòu)主要為自形和半自形結(jié)構(gòu)、交代殘余結(jié)構(gòu)、乳濁狀結(jié)構(gòu)和骨格狀結(jié)構(gòu)等。礦石構(gòu)造為膠狀、角礫狀構(gòu)造，條帶狀構(gòu)造，環(huán)帶狀構(gòu)造，脈狀構(gòu)造，其中脈狀構(gòu)造較普遍,地表常見氣孔構(gòu)造[5]。

2.2 鉛鋅礦體地質(zhì)特征

鉛鋅礦分布在不整合面之下的萬年群淺變質(zhì)巖內(nèi),受北北東向斷裂構(gòu)造帶控制,礦帶長1 350 m、寬150～500 m,總體走向30°,礦體主要呈細網(wǎng)脈狀。鉛鋅礦平均品位Pb 1.36%,Zn 2.2%,Pb+Zn 3.56%,屬貧礦,伴生銀64.6 g/t。

礦石的礦物成分較簡單。金屬礦物主要有閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦,并以黃鐵礦最為常見,偶見黃銅礦、毒砂、輝銅礦、磁黃鐵礦、赤鐵礦,局部見褐鐵礦；非金屬礦物主要為石英、絹云母、方解石、菱鐵礦等。礦石結(jié)構(gòu)主要為他形晶、自形—半自形晶、交代殘余、乳濁結(jié)構(gòu)、壓碎結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造為塊狀、細脈狀、條帶狀、角礫狀、浸染狀構(gòu)造等。

3 礦床成礦機制研究

3.1 礦床地球化學(xué)特征

(1) 稀土元素特征。礦床鐵錳礦石的稀土元素總量雖然低,但和新元古代萬年群基底含鐵錳千枚巖具有相似的曲線形態(tài)(圖4),反映了鐵錳礦石和含鐵錳千枚巖具有物質(zhì)繼承性,顯示基底中的含鐵錳千枚巖為礦質(zhì)來源層位。鐵錳礦石具有富輕稀土、銪正異常、鈰正(或負)異常等特點,這些特點與現(xiàn)代大洋中脊噴流—熱水沉積的含金屬沉積物及其熱液的富輕稀土、低∑REE、顯著的銪正異常、鈰異常等稀土元素特征極其相似,反映噴流—熱水沉積作用性質(zhì)[6]。

圖4 礦區(qū)鐵錳礦石和萬年群千枚巖稀土元素配分曲線圖?
Fig.4 REE patterns graph of iron manganese ore and Wannian group phyllite

?中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院 江西省眾埠街錳鉛鋅礦找礦靶區(qū)預(yù)測基礎(chǔ)研究 江西有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院2015。

(2) U-Th及Cr-Zr相關(guān)分析。鐵錳礦石U-Th元素相關(guān)如圖5所示,其投影均落在成巖熱水鐵錳沉積區(qū)；鐵錳礦石Cr-Zr元素相關(guān)性如圖6所示,鐵錳礦石投影點落于熱液型含金屬沉積物上。以上二者均表明錳礦床的熱水沉積成因特征。

(3) SiO2/Al2O3比值。鐵錳礦石的SiO2/Al2O3值達12.8～51.7,前人指出其>3.6(陸殼比值)[7]為受熱水作用影響,結(jié)合其它地質(zhì)特征說明礦質(zhì)來源和成礦作用主要受熱液作用影響。

上述元素及組分的含量分布特征表明，錳礦的成礦與熱液或熱水作用相關(guān)。錳在地球中的分布,主要集中在地幔,錳含量平均值1 150×10-6,錳在地殼中的分布以下陸殼最集中。深層的錳質(zhì)在地表或淺層成礦需經(jīng)歷活化轉(zhuǎn)移過程,這種過程表現(xiàn)為內(nèi)源型和外源型兩種形式。內(nèi)源型為錳質(zhì)以海底熱水作為載體,其不論是由火山噴氣、噴液產(chǎn)生,抑或由海水經(jīng)地下循環(huán)上溢海底而發(fā),錳質(zhì)都是通過深部(或地殼內(nèi)部)的反應(yīng)而使錳質(zhì)活化運移[8]。

圖5 鐵錳礦石U-Th關(guān)系圖?
Fig.5 U-Th relationship diagram of iron manganese ore

RH.紅海熱鹵水沉積區(qū)；EH.東太平洋隆熱水沉積區(qū)；FH.已成巖的熱水鐵錳沉積區(qū)；OS.普通遠洋沉積區(qū)；MN.錳結(jié)核沉積區(qū)；AH.鋁土礦區(qū)。

?中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院 江西省眾埠街錳鉛鋅礦找礦靶區(qū)預(yù)測基礎(chǔ)研究 江西有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院2015。

圖6 鐵錳礦石Cr-Zr關(guān)系圖?
Fig.6 Cr-Zr elationship diagram of iron manganese ore

Ⅰ.成巖型含金屬沉積物；Ⅱ.深海沉積物；Ⅲ.熱液型含金屬沉積物。

?中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院 江西省眾埠街錳鉛鋅礦找礦靶區(qū)預(yù)測基礎(chǔ)研究 江西有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院2015。

(4) 鉛鋅礦的S同位素特征。鉛鋅礦脈中出現(xiàn)黃鐵礦—磁黃鐵礦—方解石的礦物組合特征,因此可以用黃鐵礦的δ34S值大致代替熱液的δ34S值。即熱液的δ34S大致均值為2.8(表1),意味其來源應(yīng)是深源巖漿或地幔硫,表明鉛鋅礦的內(nèi)生熱液成礦成因。

表1 鉛鋅礦硫化物的δ34S值?(‰)Table 1 δ34S value of lead and zinc sulphide

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3.2 錳鉛鋅的同源探討

中國的錳和鉛鋅共生的礦床也不在少數(shù),如江蘇棲霞山，廣東小帶、汾水，湖南瑪瑙山，福建連城，龍巖小娘坑[9]等,前人總結(jié)這些礦床兼具沉積和熱液改造特征,過去多數(shù)劃為層控型錳鉛鋅礦床。典型的如湘桂粵地區(qū)的棋梓橋組/東崗嶺組和佘田橋組是一套白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、生物碎屑灰?guī)r、泥灰?guī)r夾暗色砂頁巖組合,為含礦層,由鈣鎂質(zhì)碳酸鹽巖和層控鉛鋅硫化物—鐵錳碳酸鹽巖礦層組成。鉛鋅硫化物相礦層和鐵錳碳酸鹽巖相礦層呈層狀、似層狀、透鏡狀互層,賦存于白云巖、生物碎屑灰?guī)r夾紋層狀黑色頁巖、泥灰?guī)r、硅質(zhì)巖層序中,間或夾有多層火山凝灰?guī)r薄層,也認為是同沉積裂塹盆地邊緣與火山噴氣作用有關(guān)的產(chǎn)物[10]。上述礦床由于錳和鉛鋅密切共生,且均為主礦產(chǎn),因此一致認為是同源的,成礦物質(zhì)來源于海相沉積的含礦層位或火山噴發(fā)。

元素在各類巖漿巖中的含量分布特征表明：錳和鋅在基性巖中的含量最高,分別為1 500×10-6，105×10-6?？梢?礦區(qū)錳和鋅元素的成礦,可能與深部基性巖漿的活動有關(guān),如礦床以南的贛南地區(qū)于都營腦錳銀多金屬礦,經(jīng)研究顯示錳、銀和鉛鋅來源于石英閃長玢巖[11]；粵北的梅縣錳礦,其錳和共伴生的鉛鋅與閃長巖和閃長玢巖有關(guān)[12]?；詭r的侵入活動常發(fā)生在地殼沉降和拉張時期,如本區(qū)晚石炭世的海侵期。

3.3 成礦時代

錳礦的成礦時代由于礦石中礦物均不能進行同位素定年,無法獲得年齡數(shù)據(jù),但根據(jù)其地質(zhì)特征,可充分確定其成礦時代屬晚石炭世海水侵入期,黃龍組地層沉積期具有層控特征。對于鉛鋅礦的成礦時代,顧連興曾對礦區(qū)方鉛礦開展了單階段模式年齡測定,其結(jié)果為306 Ma、336 Ma、382 Ma,成礦年齡應(yīng)為晚石炭世,與錳礦成礦的晚石炭世相吻合,同時空間上鉛鋅礦分布于錳礦之下,并有錳礦礦化強、鉛鋅礦化亦強的相關(guān)性,而且錳礦中基本未見鉛鋅礦脈的穿切疊加,這些事實支持了鉛鋅礦與錳礦為同時代成礦的認識。

3.4 礦床成礦機制

本區(qū)海西期的晚石炭世處于陸內(nèi)伸展沉降時期[13],形成了廣闊的陸表淺海。同時,板塊的拉張誘發(fā)了深部基性巖漿活動,基性巖漿中較富集成礦元素鐵、錳、鉛、鋅和銀等,在巖漿上侵的過程中,基底圍巖中的鐵、錳、鉛、鋅等組分在熱液的作用下一部分也會被溶析出來進入熱液中,隨著熱液不斷向上運移,溫度和壓力降低,鉛、鋅和銀在海底以下巖石裂隙的還原環(huán)境下沉淀富集,同時熱液與圍巖發(fā)生交代反應(yīng),形成硅化、綠泥石化、絹云母化和碳酸鹽化等。

在海底以下巖漿熱液為酸性和還原環(huán)境,鐵、錳的溶解度很大,形成絡(luò)合物分布在氣水熱液中[14]。氣液在海底斷裂發(fā)育和裂隙密集處形成不斷涌出的熱泉或噴氣,與海水相遇后形成氧化錳礦物。隨著海水中的氧離子不斷被消耗和海底生物的不斷死亡,海底逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原和堿性環(huán)境,部分高價錳離子還原為低價錳離子,還原條件下當溶液Mn2+濃度很高時,Mn2+可置換碳酸鹽中的Ca2+，并以富錳碳酸鹽礦物的形式沉淀形成菱錳礦[15]。

另外,海底火山噴流活動導(dǎo)致海水發(fā)生熱水循環(huán),熱水中富含各種礦化劑和絡(luò)陰離子,暴露在海水底部的萬年群含鐵錳千枚巖,其中的鐵錳質(zhì)也會被溶解出來,與火山噴流中的鐵錳混合后成礦。

隨著含礦氣液的上升,鉛鋅在裂隙中不斷被充填交代沉淀析出,鉛鋅濃度不斷降低,相應(yīng)的鐵錳濃度不斷增高,直至氣液噴出海底,與海水發(fā)生成礦作用形成的錳礦石中鉛鋅含量仍然較高,含量Pb 0.2%～0.26%,Zn 0.6%～1.1%,Ag 9～12.5 g/t。錳和鉛鋅同體共伴生這一現(xiàn)象說明了它們之間并不是獨立的,且上覆黃龍組地層中未分布脈狀或?qū)訝畹奈◣r型鉛鋅礦床,這一現(xiàn)象進一步否定了礦區(qū)鉛鋅礦在錳成礦之后的后期熱液成礦觀點,并只有在海水入侵環(huán)境下，黃龍組地層尚未沉積固結(jié)成巖時發(fā)生的巖漿熱液充填交代、海底噴氣、熱水沉積成礦活動這一成礦假設(shè)才能解釋這些特征。

礦區(qū)錳礦石的一些結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征也反映了熱液和海水之間相互作用的結(jié)果,如氧化錳礦物和碳酸錳礦物的共存,兩者之間相互交代,相間排列形成的條帶狀構(gòu)造、環(huán)帶狀構(gòu)造，交代溶蝕結(jié)構(gòu)、膠狀構(gòu)造等充分體現(xiàn)了熱液作用和海水沉積的水動力作用特征。稀土元素組成具低∑REE、明顯的銪正異常,與現(xiàn)代大洋中熱液噴口附近的含金屬沉積物之稀土元素組成極其相似,反映其成礦方式及成礦環(huán)境亦與之類似。

涂光熾(1988)提出：“熱水沉積礦床(即噴流沉積礦床)是指在水溫70～350 ℃或更高的熱水介質(zhì)(海水、湖水、熱泉水等)中形成的,主體是以沉積方式形成于水—巖石界面之上水體中的層狀、似層狀礦體,但也包括此界面之下可能存在的以充填和交代形成的筒狀、錐狀或面型熱液含礦蝕變體,兩者可共生或分別出現(xiàn)”[16]。

現(xiàn)代海底考察和研究表明,現(xiàn)代洋底高溫噴流成礦作用具有兩套成礦系統(tǒng),即噴口以下的熱水補給系統(tǒng)和噴口以上的噴流沉積系統(tǒng)。補給系統(tǒng)在海底以下的通道中形成網(wǎng)脈狀礦化和強烈蝕變,礦化明顯晚于周圍的圍巖,屬后生成礦作用；而噴流沉積系統(tǒng)則在海底以上形成層狀、似層狀或透鏡狀礦體,與其圍巖近于同時形成,屬于典型的同生成礦作用。

國際上和國內(nèi)專著中總結(jié)熱水噴流沉積成因礦床一般的特征有：①礦床伴有典型的噴流巖(熱水沉積巖),以此區(qū)別于其它類型礦床。這些巖石主要是硅質(zhì)巖、條帶狀含電氣石巖或電氣石巖、條帶狀含長石巖或富長石巖、透輝巖與透閃巖(或雙透巖)、重晶石或石膏層等；②這類礦床的礦體往往呈層狀、似層狀或透鏡狀產(chǎn)于地層中,且礦體一般隨地層褶皺而褶皺。部分礦床具典型的“雙層”構(gòu)造,上部為層狀礦體,下部為細脈狀、筒狀含礦蝕變體；③富鐵(有時富錳)的硅質(zhì)巖形成于海底熱水活動的減弱階段,被認為是經(jīng)化學(xué)沉積形成的噴流巖,覆蓋在塊狀礦石的頂部或作為整合型礦體水平方向上的外延部分；④整合型礦體的下盤巖石(基底)中存在綠泥石和絹云母的蝕變,形成陡立的管(筒)狀蝕變帶,通常從內(nèi)向外具明顯的水平分帶。眾埠街錳鉛鋅礦表現(xiàn)出了極為相似的特征,礦區(qū)晚石炭世碳酸鹽巖底部含硅質(zhì)巖,下部夾硅質(zhì)白云巖；礦床具“雙層”構(gòu)造,上部為層狀錳礦體,下部為細網(wǎng)脈狀鉛鋅礦；錳礦層應(yīng)為基底中的火山噴出物質(zhì)在海底經(jīng)熱水作用和化學(xué)沉積作用形成的,分布在火山口或通道的外圍；鉛鋅礦賦礦圍巖的蝕變類型有硅化、綠泥石化、絹云母化、黃鐵礦化和碳酸鹽化等,與熱水噴流沉積成因礦床近礦圍巖蝕變特征一致。

鉛鋅礦脈多為方解石脈及近礦圍巖發(fā)育碳酸鹽化,一定程度上顯示了鉛鋅礦的成礦有海水的參與,即噴出海底的含礦氣液和海水混合后,形成的熱鹵水在熱循環(huán)作用下又經(jīng)斷裂裂隙帶滲透到基底圍巖中,和來自深部巖漿熱液混合，并與圍巖發(fā)生成礦作用,形成鉛鋅礦床。

綜上所述,礦區(qū)錳鉛鋅礦的成因可定義為與熱水噴流有關(guān)的充填交代型鉛鋅礦和沉積型錳礦床的復(fù)合礦床(圖7)。

圖7 眾埠街錳鉛鋅礦成礦模式圖
Fig.7 Genetic model of the Zhongbujie manganese lead and zinc ore deposit

1.巖漿熱液運移方向；2.海底熱水運移方向。

4 結(jié)論

經(jīng)與熱水噴流沉積型礦床的成礦模式類比研究,礦床呈現(xiàn)許多與熱水噴流沉積型礦床同樣的特征,眾埠街錳鉛鋅礦床的海底火山噴流或噴氣口分布在北東向含礦裂隙帶,為線性的裂隙式噴發(fā)。裂隙既是地下深部巖漿氣液的噴出通道,也是海底熱鹵水向結(jié)晶基底往下滲透的通道。

礦床上錳下鉛鋅的雙層結(jié)構(gòu),是同一個火山熱液成礦系統(tǒng)下的海底熱水噴流沉積相和火山噴流通道相的成礦物質(zhì)表現(xiàn)。錳礦體兼有氧化錳和碳酸錳的礦石礦物組合,含硅質(zhì)巖及硅質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r,具條帶狀、環(huán)帶狀和膠狀等構(gòu)造特征,充分體現(xiàn)了熱水噴流沉積特征。鉛鋅礦體為細網(wǎng)脈狀,近礦圍巖蝕變?yōu)楣杌?、綠泥石化、絹云母化和碳酸鹽化等,也顯示了海底火山噴出通道和裂隙圍巖在火山熱液和海底熱鹵水混合作用下的典型成礦特征。