成矿古水热系统与热液铀矿床研究历史_现状与展望

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1、成矿古水热系统与热液铀矿床研究历史、 现状与展望孙占学李学礼史维浚(华东地质学院江西临川344000) 汪集0(中国科学院地质研究所北京100029)摘摘 要要 介绍了成矿古水热系统与热液铀矿床研究的历史与现状。指出了 以往研究只强调水及溶质起源, 而对热源重视不够的欠缺。 同时, 结合热液铀矿床的研究 情况, 对成矿古水热系统研究的下一步发展方向进行了展望。 认为, 古水文系统和水化学系统的恢复、 矿质起源的综合论证和成矿热源的定量模拟应该得到广泛重 视, 并提出当前矿床地质工作者面临的重要任务之一就是综合运用多学科的手段, 将 “水源” 、 “热源” 、 “矿源” 结合起来, 深入探讨热液

2、矿床的成因机制, 建立成矿模 式, 进而指导找矿工作。 关关键词键词古水热系统热液矿床铀矿床古水文地质学古地热学近代大量的地质地球化学研究表明, 大多数产于火山岩或侵入岩中的热液矿床形成于规模、 化学成分和行为与我们今天见到的活动地热系统相似的古水热系统中。 越来越多的地 学工作者已开始认识到, 地热、 地下水及一定构造背景和温度、 压力条件下的水2岩相互作用 构成的开放水热系统与矿床的形成和分布规律之间存在着密切的内在联系和制约作用, 阐明这种联系和作用, 大大有助于成矿理论的完善和成矿预测可靠性、 准确性的提高。 因此, 成 矿古水热系统的研究愈来愈受到人们的重视, 并取得了许多突破性进展

3、。 尤其是近年来环太 平洋带, 如日本、 巴比亚2新几内亚、 菲律宾、 新西兰、 澳大利亚和美国西部与古地热活动有关矿床的普查评价获巨大成果1- 3, 从而使成矿古水热系统的研究成为当今的 A u、A g、H g、U 地学前沿课题之一而倍受关注。 这里仅结合热液铀矿床对成矿古水热系统的研究进展作一简要评述。1水热系统、 古水热系统及热液矿床水热系统指地表以下在不同温度、 压力条件下进行侧向和垂向循环的热流体系统。 这些第一作者简介: 孙占学, 男, 1962 年 9 月出生, 副教授, 主要从事成矿水文地球化学与地热地质学的研究。 收稿日期: 1996204215; 修改稿: 19962052

4、27流体无论是否在地表排泄, 它们的出现与运动, 构成了水热活动4。 涉及水热系统的因素包括驱动系统的能源 (热源)、 流体相的起源 (水源及溶质来源)、 控 制源区与排泄区浸透构造的产生与分布、 流体相的化学成分及流体岩石相互作用的程度 。 这些因素通过沉积作用、 压实作用、 地壳变形 (构造活动)、 变质作用及岩浆的产生与侵入等 许多地质过程而联系起来。 古水热系统是在一定的地质与构造背景条件下 “冻结” 的水热活动体系4。 它实际上指 的是在地质历史上曾经活动, 而现在已停止活动的水热系统, 常常以热液矿床的形式表现出 来。 热液矿床是由淋滤迁移成矿物质, 后来又由于物理化学条件改变而沉

5、淀成矿物质的温、热流体 (约 50 到大于 500 ) 的循环作用形成的矿床4。 显然, 它们是古水热系统活动的 产物, 其形成过程反映了成矿古水热系统的演化过程。2成矿古水热系统的研究历史与现状成矿古水热系统的研究历史, 其实就是热液矿床的研究历史。 早在 16 世纪, A g r ico la5就认为地下热水中可沉淀出某些成矿金属。 不过, 直至本世纪 50 年代末, 在加州索尔顿海地热田中钻探到的热卤水中沉淀了矿石品位的铜、 银, 才使这一认识非常有力地得以重新确 认6。 后来, 世界范围内许多地热田的勘探发现, 热水有能力迁移和沉淀出矿石品位的贱、 贵 金属, 如新西兰怀达布地热田的

6、C h am p a ign e poo l 和布罗德兰兹地热田的 O h ak i poo l, 在其 非晶质 A u 2A g2Sb 2A s2S 的沉淀物中A u、A g 含量分别达到 8510- 6 和 50010- 61, 7。近年 来, 海 底扩张中心水热作用研究的不断深入8更使人们深刻认识到, 热水在压力下确实是许多成矿元素的良好溶剂。 看来, 过去几十年逐渐积累的地热经验与实验的确激发了人们关 于成矿古水热系统形成机制的许多想法, 并且很多热液矿床还可以在今天找到一个活动的 类似物。 如B row n9指出, 密西西比河谷型矿床可以与在德克萨斯湾和中国勃海湾的地压系 统中得到的

7、高盐度卤水相比较。 大的层状和层控贱金属矿床, 如昆士兰艾沙山和麦克阿瑟河 的矿床, 显示出了与位于沿大洋中脊和转换断层分布的海 底地热系统的许多相似之处。 著 名的日本黑矿也认为是海 底地热活动的产物。更深的钻探业已揭示, 即使是斑岩铜矿床, 也 有诸如菲律宾和印度尼西亚某些火山地热系统那样的活动类似物。W h ite10- 11详细讨论了活动地热系统中浅成低温贱、 贵金属矿床的形成, 强调了诸如加 州 Su lp h u r B an k 和新西兰 N agw h a 这样活动的汞成矿系统。 对浅成低温热液 A u 2A g 矿床 成矿古水热系统的研究发现, 这些矿床近地表 ( 500m

8、) 沉淀环境和现代热泉系统的沉淀环境相似, 并且这种认识已被后来美国西部和加拿大的勘探活动所证实。图加林诺夫12对前苏联某火山洼地铀矿床的研究是铀成矿古水热系统研究的成功先 例。 通过古水文地质、 矿床矿物学、 围岩蚀变及成矿物理化学条件下的综合分析得出, 大气降 水由洼地四周补给沿顺层断裂向下深循环, 温度不断升高, 并不断富集铀和其它矿化剂, 从 而形成含铀热水溶液。 当其循环到洼地中部时, 因受透水性差的霏细斑岩岩墙的阻挡, 从而向上排泄, 在排泄区形成铀矿床。 因上、 中、 下不同层位裂隙发育情况的差异, 底部形成网状, 似层状铀矿化, 中部形成网状碱交代矿体, 上部形成单脉型沥青铀矿

9、。D eck so n13和 R ad tk e14对内毕达卡林型金矿成矿古水热系统的研究表明, 其成矿流体 主要起源于大气降水, 热源来自第三纪次火山岩的侵入, 矿石和脉石组分源于深部超过350 温度条件下的水- 岩相互作用。他们认为矿石的形成是由于温度的急剧变化, 也可能是由于压力的突然释放或垂直渗透性能的增加所致。 科罗拉多 C reede A g 2P b 2Zn 矿床成矿古水热系统的研究15, 16揭示, 其水来自 C reede 破 火山口谷型洼地水的补给, 并受破火山口环形断裂的控制。 最初以低盐度、 相对气体含量较 高的流体占优势, 在较晚阶段, 则与来自地壳或破火山口谷形洼地

10、沉积物较深部位的高盐 度、 高 A g 及贱金属含量的流体相混合。沸腾与混合在矿石的沉淀中起了重要作用。同时也 暗示热源系由深部岩浆活动提供。 李学礼17, 18通过长期对华东南地下热水与铀矿床的研究发现, 热水与铀矿在空间展布 上具有一致性, 在形成的构造条件上具有相似性, 从而得出热液铀矿床是成矿古水热系统活 动产物的认识, 并进而提出了 “古水热系统排泄区 (减压区) 铀成矿模式” 。 季克俭19, 20根据 德兴铜矿等若干矿床实例的解剖研究, 得出热液矿床的水主要源于降水, 热为岩浆供热, 矿 质则源于围岩的结论, 并提出热液矿床的 “水、 热、 矿” 三源成矿模式。 张理刚21从同位

11、素地 球化学的角度对我国许多热液矿床的水源、 矿源进行了比较深入、 系统的研究。胡文王 宣22对 宁芜和庐枞地区铁、 硫矿床的研究得出其成矿水源为地表盆地卤水, 矿质来自火山岩及其围 岩, 热可能为火山岩浆活动热的结论。 朱梅湘等23通过对比分析浅成低温热液矿床和地热 系统形成的大地构造背景、 蚀变矿物学、 地热流体与成矿流体的温度和化学组分及地球化学 共生关系, 以及研究浅成低温热液矿床分布区常见的地热活动证据 (如古硅华、 硅帽、 水热角 砾岩等) , 证明许多浅成低温热液矿床实质上是古地热系统的遗迹, 并初步确定康家湾、 团结 沟等金矿属于与古地热活动有关的矿床, 进而推断东南沿海的丽水

12、2龙岩断裂带和镇海2漳 州断裂带可能是两个古地热带。总之, 国内外有关文献的综合分析表明, 成矿古水热系统的研究主要围绕构成水热系统 的三个要素 水、 热、 矿进行。 其研究现状与存在问题可大致归纳如下: (1) 成矿古水热系统中水的起源与成矿古水文地质条件。水是地壳的基本成分之一, 它既是固相物质活化转移的重要因素, 又是矿源物质迁移的载体和矿化物质沉淀富集的源泉。 因此, 水源是成矿古水热系统研究首先必须予以重视的问题。 大多数研究现已表明, 成矿古水热系统中的水主要来源于大气降水 ( 包括地表水和浅层地下水) , 其它成因的水, 如岩浆 水、 变质水所占比例多不超过 10% 。 现在的问

13、题是, 如果有这些低比例的非降水流体存在,在成矿过程中它们到底能起什么作用, 成矿古水热系统的补给、 径流、 排泄条件如何有效地 予 以恢复。由于热液矿床往往形成于古水热系统的排泄区, 因此, 恢复古水文系统和综合考 虑 “古排泄带” 及 “地球化学垒”, 运用古水文地质资料分析、 预测热液矿床的形成、 保存和破 坏过程是一个很困难但却应该在今后予 以高度重视的问题。(2) 成矿古水热系统中的矿质来源。 成矿古水热系统中的矿质可能来自正在冷却的岩 浆, 也可能来自热水溶液通道中通过的岩石, 现有的研究表明, 由围岩提供矿质可能最为重 要。 虽矿质来源愈已受到普遍重视, 但尚有很多问题有必要 加

14、强研究, 如: 提供矿质的岩石 是否应该特别富含相应的矿质组分, 矿质组分在源岩中的存在形式对热水溶液淋滤矿质有 何影响, 源区岩石是否形成元素降低埸 (或负晕) 。 目前趋向于运用同位素、 元素地球化学、成矿模拟实验等 综合手段来予以判断。(3) 成矿古水热系统的热源。 热是水热系统活动的动力, 也是促进水2岩相互作用和元 素迁移、 沉淀的重要因素, 因此它是热液矿床形成的必备条件。 但以往成矿古水热系统的研 究对热源注意不够, 仅有少数人24- 26, 采用数值模拟等方法对成矿热源作过初步探讨, 而大多数文章要末未予提及, 要末笼统地推之为岩浆热, 对经常遇到的诸如可能提供热能的岩浆活动时

15、间与成矿时间的较大差异等问题缺乏讨论, 可以说, 热源的研究, 尤其是成矿热源的 定量模拟是成矿古水热系统研究的最大薄弱环节, 今后应特别予以重视。热液铀矿床成矿研究的现状与展望热液铀矿床主要包括花岗岩型铀矿床、 火山岩型铀矿床和碳硅泥岩型铀矿床等。 这里仅 就华东南地区主要的热液铀矿床类型花岗岩、 火山岩型铀矿床予以简要评述。国外关于花岗岩、 火山岩型热液铀矿床的成矿理论归纳起来主要有以下几种: (1) 岩浆分异说。 主要依据热液铀矿床与花岗岩、 火山岩有密切的空间关系, 认为成矿 热液中的铀与水均为岩浆分异的产物, 这种含铀热液在上升过程中卸载成矿。 这一观点与越 来越多的地质事实相矛 盾

16、, 如矿岩时差过大, 水主要源于大气降水而不是岩浆水; 许多花岗 岩或火山岩体不同期次的侵入 (或喷发) 相中铀含量并不遵循该学说认为的越晚越富铀的规 律, 不少情况甚至恰恰相反等等。目前大多数人已认识到该学说不适用于绝大多数热液铀 矿床。 ( 2) 热水浸出说。根据矿岩时差大、 成矿温度较高和产铀花岗岩富含铀等, 法国人季弗 鲁瓦 (1958)41提出了花岗岩型铀矿床成矿的热水浸出说, 后来发展成 “内生风化论” 。 它认 为铀矿床是地下热水在沿断裂上升过程中从产铀花岗岩中浸出铀, 然后运移至近地表沉淀 成矿的。成矿水源则既可来自大气成因水, 也可来自岩浆分异水或是二者的混合。但该学说 尚不能很好地解释 不少地质事实, 如铀的含量在岩体中的分布往往是自边缘相边渡相 内部相逐渐降低, 如果铀的浸出发生于深部, 则浸 出部位位于相对贫铀带;