海底热液矿床是20世纪60十年代发现的一种海洋矿产, 一般位于2000m～3000m水深的大洋中脊区、裂谷带和沿大洋中脊和边缘岛弧区岩浆活动带[1]。一般来说, 海底多金属硫化物矿床的主要元素是Cu、Zn、Pb、Ag、Ba、Ca和Au等。形成的矿物以黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、斑铜矿、白铁矿、方铅矿、磁黄铁矿为主, 也有一些热液型粘土矿物和非硫化物矿物, 如硬石膏以及非晶质SiO2等[2]。调查研究表明, 有200多个现代海底热液块状硫化物矿床分布于为洋中脊、弧后扩张中心及地幔热点处, 其中以洋中脊和弧后环境居多。这些矿床中有40多个还具有较大的规模和储量, 其中的10个在目前阶段是可以进行勘探和开采利用的。
1 海底多金属硫化物矿床的地质构造背景
已发现的海底多金属硫化物矿床产出在多种构造环境中, 它们是快速扩张大洋中脊, 慢速扩张大洋中脊, 轴向火山、海山、大陆边缘附近的沉积断裂带, 与俯冲带相关的后弧环境等。海底热液活动在离散板块边界和汇聚板块边界均可出现, 但都集中在拉张性构造带上[3], 主要分布于洋中脊、弧后扩张中心等。通过对已知海底热液活动区的详细研究, 地质构造对多金属硫化物矿床有重要控制作用。并且, 不同的构造环境对会导致热液活动及元素同位素组成不同的原因[4]。
2 深部热液对流循环系统
研究发现, 洋壳内的热液流体活动非常普遍。热流值最高、热液活动最强烈的地区明显受大地构造与火山活动的控制, 大洋中脊与地幔热点区是海底金属硫化物的沉淀场所。海水对流循环模式能有效地解释大洋中脊与洋壳生长等相伴的高热流异常及洋中脊的金属硫化物矿床, 并逐渐成为各种构造背景下块状硫化物矿床成矿模式的基本内容。J.LBiscoff等发展了简单海水对流循环模式, 提出了双扩散对流循环模式:热液循环体系由两个垂向分离的对流循环胞组成, 下部的高密度卤水层加热并驱动上部海水为主的热液流体对流循环;卤水层的形成与下渗到深部的流体的相分离有关, 还可能有岩浆流体的参与 (图1) 。而侯增谦等 (2003) 对海底流体系统及火山成因块状硫化物 (VMS) 典型矿床——甘肃白银厂矿床和四川呷村矿床, 研究中提出, 在不断被加热循环的海水加入的卤水池中, 金属硫化物通过开放空间的沉淀堆积, 形成块状硫化物矿体, 在海底下部热液补给带内, 来自岩策房的富气的流体与较冷的海水混合以及对流经火山岩的交代和充凑, 形成脉状——网脉状矿带[5]。这也为双扩散对流循环模式提供了证据。
3 矿床成因综合研究
综合Jade区块状硫化物的REE、硫和铅同位素研究, 揭示了海底热液成矿物质具有多来源的特点, 海水、长英质火山岩、沉积物和深部地幔源是形成块状硫化物的物源[6]。
但对于海底成矿热液来源问题一直存有争议, 争论的焦点为强调海水成因的热液淋滤模式和强调岩浆成因的岩浆热液模式。海水淋滤模式认为成矿热流体及矿质源自高温海水与岩石相互反应, 岩浆热液模式认为深部岩浆房挥发组分直接释放形成的富含金属组分的岩浆流体对成矿体系有较大的贡献。近几年来的研究表明, 岩浆流体对海底成矿热水系统有不可低估的作用。目前, 相当多的研究者认为, 易溶解元素 (如Pb, Zn, Ag等) 主要来自淋滤, 而难溶元素 (Cu、Sn、Bi、Mo等) 主要来自岩浆;即同一矿床中与铜矿化有关的流体主要来自岩浆, 而与铅锌矿化有关的流体多被解释为来自循环海水。
热液流体在洋底喷出时, 与周围的海水发生混合, 造成热液流体温度骤降而析出大量金属硫化物。由于从喷口喷溢的热液流体温度盐度和化学组成的差异, 它们在喷出后会产生多种形态, 黑烟囱、白烟囱最为常见。黑烟囱流体是一种高温 (200℃～350℃) 、酸性、富含多种金属元素 (如Cu、Zn、Pb、Mn、Ba、K、Fe等) 的还原流体, 其盐度和溶解的气体组分通常与海水有明显的差别。对古代块状硫化物矿床成矿流体的研究表明其性质与现代海底黑烟囱流体非常相似[7], 它与海水一同构成了硫化物堆积成矿过程中最主要的两种流体端员。流体混合作用对金属硫化物的沉积和堆积成矿有着重要作用。对现代海底热液矿床矿体内部和深部的研究显示, 现代海底硫化物堆积过程实际上就是烟囱生长、倒塌堆积和热液流体在其开放空间充填和交代的过程。总之, 流体混合是硫化物堆积理论的基础, 海底界面之上悬浮热柱中硫化物的沉积和海底界面及下方的烟囱丘堤生长共同促成了块状硫化物矿床的形成, 而成矿热液温度的演化、不同矿物相的交代置换等过程对块状硫化物矿床的矿体构成与化学分带起着关键作用。
4 高温热液活动区有机物质的指示意义
现代海洋地质调查取得的另一个重大突破是海底生物圈的发现。通过洋底观测和大洋钻探, 在洋底沉积物、洋壳玄武岩中陆续发现了大量细菌活动的证据。而在对冲绳海槽硫化物矿石中有机质研究过程中, 发现生物标志化合物表明形成环境还原至缺氧, 通常是高盐度环境, 与冲绳海槽现代热水流体化学和矿物学研究一致。在有机物质存在时, 还原条件可能导致化学作用和细菌将硫盐还原成硫化物。冲绳海槽样品的金属含量与tmax值不成正比, 说明硫盐的非生物还原作用并不占主导地位。有机物沉淀的同时, 也导致硫盐通过生物或非生物还原作用沉积为硫化物, 形成矿石堆积[8]。
5 海底多金属硫化物开发与潜力
海水在洋壳中的循环作用是在海底环境下块状硫化物矿床形成的最根本因素:即在高位岩浆房上部, 强烈的水岩反应使得渗入地壳的海水被改造为低pH、低Eh和高温的热液流体, 它能够从岩石淬取和搬运各种金属元素, 在海底沉淀形成块状硫化物矿体, 或在海底之下一定部位形成网脉状矿石, 进而形成规模可达几千至亿吨量级的硫化物矿床。这些矿床一般都具有高的贱金属 (Cu、Pb、Zn) 和贵金属 (Au、Ag) 含量和可观的资源潜力[9]。海底块状多金属硫化物 (SMS:Seafloor Massive Sulfide) 是继多金属结核、富钴结壳等深海矿产资源人类认识到的又一种新的海底矿产资源, 由于其赋存水深较浅、距离陆地较近, 经济价值也相对较高, 被认为具有较好的开采价值和优势。因此, 对这些海底热液硫化物矿床的调查研究、勘探开采前景吸引着众多国际矿业公司的关注与投资[10]。
尽管人类发现多金属结核、富钴结壳、SMS等深海矿产资源已有几十年的历史, 但深海矿产资源的商业开采却尚未真正开始。应当说, 20世纪70年代末几个国际财团在太平洋所进行的深海多金属结核现场开采试验在一定程度上表明了深海采矿的可行性, 而近年来深海 (水深超过2000m以上) 石油开采工业的发展也能够给深海采矿以经验和信心。与海底多金属结核以数厘米级的结核状赋存于稀软的海底沉积物表面的情况不一样, SMS的赋存状态为海底崎岖不平的烟囱状岩石, 有些高达十几米。根据对大量样品的力学性能测试, SMS的断裂性能类似于煤, 韧性和塑性类似于盐和碳酸钾, 轴向压缩强度小于40MPa。对于这类岩石的切割, 陆上采煤业已有相当成熟的技术。而且, 如上所述, 鹦鹉螺矿业所进行海底原位切削采样试验已初步证明了SMS岩石切削采集的可行性。
结语:通过对海底热液硫化物矿床的成因和矿物富集的研究, 可以为即将进行的商业开采提供理论依据, 并且对海底构造运动和洋底变迁、演化有指示意义。
摘要：现代海底热液活动及其资源效应是近30年来地球科学中的重要研究方向。调查研究表明, 海底多金属硫化物矿床是热液活动的产物, 有200多个现代海底热液块状硫化物矿床分布于现代海底的各种构造环境中。本文对近10年来国内外研究硫化物矿床的有关研究进行了综述, 并结合古洋底块状硫化物矿床进行了成因分析。
关键词：海底块状硫化物矿床,海底热液活动,成矿作用,矿产开发
参考文献
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