中印度洋脊Kairei和Edmond热液活动区成矿作用对比研究

摘要

分布在大洋中脊、弧后扩张中心、火山岛弧等构造环境的现代海底多金属硫化物矿床，一直是地质学界的研究热点。由于具有潜在的巨大经济价值，近年来各国政府纷纷对海底多金属硫化物的勘探加大投资力度，中、俄两国已于2011年分别在印度洋和大西洋获得硫化物资源勘探矿区。长直以来，对洋中脊多金属硫化物的勘探和研究多集中在快速扩张的东太平洋海隆和慢速扩张的大西洋中脊，然而对中速扩张的中印度洋脊硫化物矿床的成矿作用研究鲜见。为了全面了解中速扩张洋脊硫化物矿床的成矿作用特征，本文选取了中印度洋脊上的超镁铁质岩系热液系统Kairei热液区(25°19.23'S，70°02.42’E)和镁铁质岩系热液系统Edmond热液区(23°52.68'S，69°35.80'E)，系统研究了两个热液区的成矿特征、成矿时代、成矿物质及流体来源、控矿因素与成矿模式。取得了以下几点认识：
　　 1、Kairei热液区热液产物包括了块状硫化物，烟囱体和矿化角砾。Kairei热液区硫化物具有富集Cu、Zn(Cu、Zn总和>29.3％)和Au(平均5.28ppm)等元素，Cu/Zn比值(平均3.5)高的特征，与大西洋中脊超镁铁质岩系硫化物矿床具有一致特征。共经历了三个成矿阶段：(1)产出黄铜矿+等轴古巴矿+黄铁矿组合的高温成矿阶段；(2)产出闪锌矿+黄铁矿组合的中低温成矿阶段；和(3)产出次生铜硫化物，包括斑铜矿、蓝辉铜矿、铁铜蓝和铜蓝，以及铁氧化物、非晶硅和铜的氯化物(氯铜矿和副氯铜矿)矿物组合的热液消减或低温风化阶段。从高温成矿阶段形成富Cu的Cu-Fe硫化物，逐渐演化成Cu硫化物，反映了矿物形成时的氧逸度、硫逸度以及H2S活性等物化条件的改变，同时指示了矿床具有较高的成熟度。
　　 Edmond热液区热液产物包含了块状硫化物、烟囱体和矿化角砾，但矿物组成不如Kairei热液区丰富。Edmond热液区硫化物以富集Zn(平均22.4％)、Cu(6.8％)，Co(0.1％)、Ag(206ppm)和Au(3.34ppm)等元素，Cu/Zn比值(平均0.6)低的特征，与大西洋中脊、中印度洋脊、东太平洋海隆的镁铁质岩系硫化物矿床一致。成矿过程亦经历了三个阶段：(1)产出黄铁矿+白铁矿+黄铜矿-硬石膏的早期高温阶段；(2)产出黄铁矿+闪锌矿+铁闪锌矿的中低温阶段：以及(3)产出非晶硅、铁氧化物、重晶石、石膏、铜蓝、莓球状黄铁矿的低温风化阶段。
　　 2、Kairei和Edmond热液区硫化物的δ34S值分布范围分别为5.30～6.71‰和5.67～7.18‰，较多数洋中脊地区硫化物矿床的δ34S值略高，表明硫化物中硫同位素组成主要来自于玄武岩基底的硫，同时约有30％的硫来自于海水硫酸盐的贡献。“时间效应”，即具有较长的成矿史，和“空间效应”，即热液丘顶部发育的浅循环系统，可能是造成Kairei和Edmond热液区具有较重硫同位素组成的形成机制。
　　 Kairei热液区样品的206Pb/204Pb为17.345～17.502，207Pb/204Pb为15.438～15.489，208Pb/204Pb为37.264～37.561；而Edmond热液区硫化物具有更高的放射性成因铅，其206Pb/204Pb为17.879～17.970,207Pb/204Pb为15.433～15.550,208Pb/204Pb为37.743～37.130。认为Kairei热液区的成矿物质来源主要来自于上洋壳，Edmond热液区的成矿物质来源也主要来自上洋壳，但可能有一定程度的沉积物影响。
　　 3、通过对硫化物流体包裹体内的稀有气体丰度和氦、氩同位素组成分析发现：Kairei和Edmond热液区成矿流体的稀有气体丰度模式总体上具有介于大气饱和海水和MORB模式之间，具有相对亏损轻稀有气体而富集重稀有气体的特征，其中20Ne应来自于海水与MORB的混合，而84Kr和132Xe来自除海水与MORB的混合之外，可能还有部分来自于下地幔。
　　 Kairei热液区硫化物流体包裹体中的3He/4He均值6.08Rα，多期性的成矿特征导致了不同类型矿物之间的3He/4He比值存在差异，即由于更多的海水混入了成矿流体，使成矿晚期矿物更具大气端元氦，而主成矿期矿物则更多的保留了原地氦，即更接近于MORB端元。Edmond热液区硫化物流体包裹体中的3He/4He均值5.80Rα，介于MORB与海水之间。认为，黄铁矿和闪锌矿中的流体包裹体的3He/4He比值具有大气型氦比重增多的趋势，与这两种硫化物具有多期成矿特征有关。
　　 Kairei和Edmond热液区硫化物中流体包裹体40Ar/36Ar均值分别为283.8和295.1，接近海水的40Ar/36Ar比值，而远低于MORB和留尼旺地幔柱的40Ar/36Ar比值。两区硫化物的36Ar浓度亦与海水的36Ar浓度接近，且要远高于MORB和留尼旺地幔柱中的36Ar浓度。认为，Kairei和Edmond热液区成矿流体中的氩同位素组成均与海水类似，即氩来源于海水，非MORB或者地幔柱。
　　 4、通过210Pb/Pb测年和230Th/234U测年发现，Kairei热液区相比Edmond热液区具有较长的成矿史。其中，Kairei热液区硫化物的成矿年龄集中在96.3±6.1ka，94.5±6.0ka，61.2±4.0ka，58.8±1.4ka，56.6±3.9ka，10.6±0.5ka，8.4±0.5ka和<180a，具有幕式成矿特征，表明至少存在4次成矿事件。同时，空间上又具有迁移特征，即成矿作用先发生在热液区的南端，后迁移至中部，再迁移至东部，最后迁移到中部与西部。Edmond热液区硫化物的成矿年龄普遍小于1000a，分别为906±55a，108±4a，130±3a，146±5a和172±6a。
　　 5、揭示了Kairei热液区和Edmond热液区的控矿因素，并提出了它们的成矿模式。认为：Kairei热液区的主要控矿因素为非对称扩张脊末端发育的低角度拆离断层和平行洋脊走向的高角度正断层的活动；镁铁质岩浆活动以及超镁铁质岩的蛇纹石化作用为热液系统提供了驱动力；其成矿模式类似于慢速扩张大西洋中脊超镁铁质岩系硫化物矿床。Edmond热液区的主要控矿因素包括平行于对称扩张洋脊走向的高角度正断层；镁铁质岩浆的侵入为热液系统提供了驱动力；其成矿模式与大西洋中脊和中印度洋脊上的镁铁质岩系硫化物矿床类似。