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NG:沉积岩容矿Cu-Pb-Zn矿床受控于克拉通边缘稳定性
2020-07-16 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  贱金属是指除了金、银、铂等贵金属之外其它的所有金属,如铁、铜、铅、锌、镍、铝、锡和钨等。沉积岩容矿贱金属矿床由于储量大(相对于火山块状硫化物矿床)、品位高(相对于斑岩铜矿),并且开采过程中环境污染小,适应社会可持续发展和向清洁能源经济过渡的需求,但现有矿产资源的开采速度已经超过了新矿床发现的资源量。为了扭转这种态势,必须大幅度提高矿床勘查的成功率,尤其是找寻那些埋藏在沉积物或冰层等浅覆盖物之下的矿床。 

  沉积岩容矿贱金属矿床大多产在裂谷和被动大陆边缘环境,成矿流体来源于低纬度的蒸发岩,为中温(80-250 )、中-高盐度(10-30 wt.NaCl)的氧化性流体,被途经的氧化性陆相沉积物稀释,并淋滤长石砂岩和长英质火山岩中的Pb和镁铁质岩石中的CuZnHitzman et al., 2010)。成矿流体在裂谷作用或盆地反转过程中沿断层运移,到达氧化还原界面(如远端黑色页岩)时沉淀出金属(Huston et al., 2016)。目前,控制沉积岩容矿矿床空间分布的一级地质因素仍然未知,严重限制了圈定新找矿靶区的成功率。 

  前人对岩浆成矿系统的研究,提出与岩浆作用有关矿床的空间分布受岩石圈尺度结构控制,结合板块构造背景约束关键成矿系统的位置,可大大缩小找寻岩浆矿床的勘查范围(Griffin et al., 2013)。岩浆矿床分布研究为沉积岩容矿Cu-Pb-Zn矿床的分布研究提供了新思路。 

  基于此思路,Hoggard et al. (2020) 统计分析了全球2166个贱金属矿床的空间分布,包括沉积岩容矿Cu矿床(Cu-sed)、碎屑岩容矿铅锌矿床(PbZn-CD)、密西西比河谷型Pb-Zn矿床(PbZn-MVT)、斑岩型铜矿床(Cu-por)、岩浆Ni-Cu-PGE矿床和火山块状硫化物矿床(VMS)。并以澳大利亚北部的Carpentaria铅锌矿带为重点研究对象,该带产有几个世界级碎屑岩型铅锌矿(PbZn-CD),呈弧线状分布于地壳地质边界附近(图1a),暗示受深部岩石圈尺度构造控制。Hoggard et al. (2020)用地震层析成像方法绘制了澳大利亚岩石圈-软流圈边界(LAB),利用FR12模型获得高分辨率区域LAB图,并用SL2013sv模型制作了全球LAB图(Fishwick and Rawlinson, 2012; Schaeffer and Lebedev, 2013)。 

1 澳大利亚沉积岩容矿和IOCG型贱金属矿床分布与岩石圈厚度关系图。a. Carpentaria铅锌矿带,黑色虚线表示170 km LAB厚度线;b. 澳大利亚LAB厚度图(Hoggard et al., 2020)    

  研究结果显示,澳大利亚主要的沉积岩容矿贱金属矿床的分布与厚岩石圈边缘之间有着惊人的相关性(图1b)。Carpentaria铅锌矿带主要的PbZn-CDCu-sed矿床沿170 km岩石圈厚度等值线分布。Hoggard et al. (2020)将研究扩展到全球范围,进一步证实了这种相关性(图2)。全球所有的大型沉积岩容矿贱金属矿床分布与170 km岩石圈厚度等值线相关,由于180-220 kmLAB厚度可能代表了克拉通岩石圈,170 km等值线则代表了克拉通边界。 

2 全球沉积岩容矿贱金属矿床分布与岩石圈厚度关系图(Hoggard et al., 2020)

  为了量化这种视觉关系,Hoggard et al. (2020)计算出每个矿床与170 km LAB厚度等值线之间的最短距离,并将结果绘制在累积分布函数(CDF)中(图3)。结果显示,在全球范围内约95%的Cu-sed、约90%的PbZn-CD和约70%的PbZn-MVT资源位于170 km LAB厚度等值线两侧的200 km范围内(图3b)。 

3 全球沉积岩容矿贱金属矿床所含金属量与距170 km LAB厚度等值线最短距离的累积分布函数图(Hoggard et al., 2020)

  Hoggard et al. (2020)的研究结果揭示了厚的岩石圈边缘是控制拉伸盆地和沉积岩容矿贱金属矿床空间分布的一级地质因素。那么,为什么经历裂谷作用的克拉通岩石圈容易形成大型矿床?裂谷作用导致岩石圈局部减薄,并产生从氧化陆地环境到海洋环境的横向过渡,这种过渡提供了矿床形成所必需的最佳因素和位置。相邻的克拉通提供了丰富的氧化沉积物和广阔的低海拔平台,这些平台可促使蒸发岩的形成。邻近的陆地物质还有助于发展受限的海洋环境,非常适合积累厚的蒸发岩序列,并促进了富营养的水质条件,有利于沉积高有机碳含量的还原性页岩。盆地中部岩石圈的变薄导致减压熔融,生成镁铁质和长英质的火山岩,为金属提供源区。 

  沉积岩容矿贱金属矿床中金属沉淀通常是由在约250下氧化还原反应驱动的(Huston et al., 2016)。可以使用拉伸因子β估算盆地的总拉伸量,该因子是原始地壳厚度与最终地壳厚度之比。在普通大陆岩石圈(如北海)上的裂谷通常具有β≈2,纯剪切裂谷作用下简单热模拟表明,这会产生约4 km的同裂谷沉积物,其底部温度<250(图4a)。极端的裂谷作用会导致软流圈上升到相当浅的深度,将底部沉积物加热到>250,这会抑制金属的沉淀(图4b)。 

4 盆地沉降历史热模拟。a.普通大陆岩石圈内同裂谷沉积,β=2b.普通大陆岩石圈内同裂谷沉积,β=10c.克拉通大陆岩石圈内同裂谷沉积,β=2d.普通大陆岩石圈裂谷作用控制下的成矿系统,颜色代表沉积物厚度,阴影区代表温度过高不沉淀金属矿物;e.克拉通大陆岩石圈裂谷作用控制下的成矿系统(Hoggard et al., 2020)

  在克拉通岩石圈形成裂谷期间发生两个重要的差异。首先,岩石圈的初始厚度越大,地热梯度就越低,因而裂谷过程中基底热流峰值大大低于普通的大陆裂谷。其次,与普通岩石圈相比,化学侵蚀使克拉通岩石圈的密度降低了约50kgm-3。增加的浮力降低了裂谷沉降过程的阻尼作用,导致在固定拉伸因子时,沉积物厚度大大增加。假设有无限量的沉积物供给,β≈2会产生8-9km的同裂谷沉积物堆积,其底部保持在比阈值250低的温度(图4c)。因此,经历裂谷作用的克拉通岩石圈可产生两倍量以上的成矿系统,持续时间最多可达四倍(图4d, e)。这种机制解释了为什么大型矿床形成在最厚岩石圈边缘的裂谷盆地。并且,在随后发生的造山事件和超大陆循环中,厚岩石圈边缘背景可以增强矿床的保存潜力。 

  Hoggard et al. (2020)的研究揭示了大型沉积岩容矿贱金属矿床与稳定的厚岩石圈边缘之间的紧密联系。世界上约55%的铅、45%的锌和20%的铜都在分布在该边缘两侧约200km范围内。这一成果可以用于寻找沉积岩容矿贱金属矿床,仅根据岩石圈厚度标准,全球寻找新矿床的搜索空间就可减少三分之二。     

  【致谢:感谢岩石圈室万博研究员、矿产室徐兴旺研究员的宝贵修改意见。】     

  主要参考文献: 

  Fishwick S, Rawlinson N. 2012. 3-D structure of the Australian lithosphere from evolving seismic datasets [J]. Australian Journal of Earth Sciences, 59: 809–826.链接  

  Griffin W L, Begg G C, O’Reilly S Y. 2013. Continental-root control on the genesis of magmatic ore deposits [J]. Nature Geoscience, 6: 905–910.链接 

  Hitzman M W, Selley D, Bull S. 2010. Formation of sedimentary rock-hosted stratiform copper deposits through Earth history [J]. Economic Geology, 105: 627–639.链接 

  Hoggard M J, Czarnota K, Richards F D, et al. 2020. Global distribution of sediment-hosted metals controlled by craton edge stability [J]. Nature Geoscience, 13: 504–510.链接 

  Huston D L, Mernagh T P, Hagemann S G, et al. 2016. Tectono-metallogenic systems – the place of mineral systems within tectonic evolution, with an emphasis on Australian examples [J]. Ore Geology Reviews, 76: 168–210.链接 

  Schaeffer AJ, Lebedev S. 2013. Global shear speed structure of the upper mantle and transition zone [J]. Geophysical Journal International, 194: 417–449.链接    

  (撰稿:李兴辉,范宏瑞/矿产室) 

 
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