非岩浆后生热液矿床构造—流体耦合成矿作用研究现状综述

构造—流体耦合成矿作用是矿床学研究的核心问题之一。本文聚焦非岩浆后生热液矿床成矿系统的构造—流体耦合成矿作用研究成果,从构造对流体作用、流体对构造作用两个方面,总结了构造活动与流体作用同步进行且相互影响的机制。通过典型实例分析,认为构造—流体耦合成矿作用研究要从时间、空间、物质方面的耦合关系阐明构造与流体成矿作用过程及其“矿源—输运—聚集”过程,揭示构造活动与流体成矿作用机理。在此基础上,提出了构造—流体耦合成矿作用研究的主要方向及发展趋势。该研究对丰富热液矿床成因理论研究和成矿规律的认识具有重要意义。

楚雄盆地砂岩型铜矿床构造-流体耦合成矿模型

砂岩型铜矿床是楚雄陆相红层盆地的典型矿床类型。在构造-流体-成矿体系的动力学演化中,该类矿床的形成经历了沉积-成岩成矿作用、改造成矿作用及后期断裂作用的演化过程:燕山中晚期形成煤-铜-盐"三色建造"和盆地流体;喜马拉雅早期构造-热演化形成褶皱圈闭盆地流体,来自基底的富铜流体沿同生断裂(隐伏断裂)上升将一些亲铜元素从深部带入煤层而被吸附,形成富铜的还原性流体(H2O-SO2-CO2-CH4(C3H8-C2H6)-HSO4-HCO3-型),还原性流体沿次级断裂、隐伏断裂和层间断裂及轴面变形带上升,与大气降水深循环淋滤膏盐层形成高盐度的氧化性流体(H2O-SO2-CO2-N2-CO-HSO4-型)在砂(页)岩相遇时发生水-岩相互作用,并封闭于高孔渗的砂(页)岩储层,在褶皱翼部或核部的中细粒砂岩和层间断裂带中形成层状、似层状矿体;喜马拉雅中期由于构造改造,在更次级断裂带中形成脉状矿(化)体。所以,该类矿床是褶皱构造圈闭盆地流体-含矿岩相和构造裂隙封闭成矿流体定位成矿的产物,是铜矿源、构造与流体三者耦合作用的结果,更好地解释了矿床既沿褶皱分布又沿含矿层定位及矿物、元素分带的主要原因。故建立了该类矿床的构造-流体耦合成矿模型。

构造-流体-成矿耦合机制——以会泽超大型富锗铅锌矿床为例

以会泽超大型富锗铅锌矿床为例,在研究该矿床“三位一体”成矿规律的基础上,从不同尺度精细刻画了会泽铅锌矿床构造-流体-成矿耦合过程,完善了铅锌超常富集机制:(1)酸性成矿流体(pH<3.6)被陆内构造作用圈闭于川滇黔“三角区”内,并大量汇聚,强劲的构造动力驱使其远距离迁移并不断从途经地层中萃取成矿物质;(2)深部成矿流体沿断褶构造带“贯入”,经减压沸腾作用、气-液分离作用,进一步浓缩富集,水-岩相互作用下的铅锌水解和白云石化作用使成矿物质再次富集;(3)当盆地中循环的还原性流体进入容矿断裂时,氧化性成矿流体和还原性流体混合发生矿质沉淀,形成富锗铅锌矿床。从宏观和中观上看,会泽铅锌矿床形成于构造体制转换背景下,并由于构造空间类型、力学性质转变和构造活动的脉动性使成矿过程具有多阶段性;而且流体反过来影响和改变构造。缓冲溶液作用与络合物形成、减压沸腾及重晶石脉形成、多阶段主要成矿作用过程,都是微观层次上流体-岩石化学反应及成矿元素的输运-沉淀-富集等作用的具体表现,均为构造-流体耦合作用的产物。

热液成矿系统构造控矿理论

构造对成矿的控制是热液成矿系统的典型特征之一,系统剖析多重尺度控矿构造的几何学、运动学、动力学、流变学和热力学对认识矿床成因和预测找矿至关重要;而如何实现控矿构造格架、渗透性结构、成矿流体通道和矿化变形网络由静态到多尺度时-空四维动态的转变,查明流体通道和矿床增量生长过程与控制因素,揭示热液成矿系统的构造-流体耦合成矿机制和定位规律是亟待解决的关键科学难题。为此,我们在对已有相关成果系统梳理的基础上,提出了科学构建热液成矿系统构造控矿理论的基本要点与对应方法及应用范畴:(1)流体而非构造是构造控矿理论的中心,热液系统的流体流动与成矿作用受控于断裂带格架及其渗透性结构,其中渗透率是将流体流动与流体压力变化联系起来理解控矿构造的核心;(2)不同控矿构造组合的关键控制是构造差应力和流体压力的大小,而矿化类型的变化可能是由于构造应力场引起的容矿构造方位的不同和赋矿围岩之间的强度差异所致;(3)流体通道的生长始于超压流体储库上游围岩中孤立的微裂隙沿流体压力梯度最大的方向、随裂隙发育且相互连结而形成新的长裂隙,并最终连通形成断裂网络内的流体通道,矿床的增量生长发生在高流体通量的短爆发期,断层反复滑动驱动其内流体压力、流速和应力快速变化,当由此诱发的流体通道生长破坏了流体系统的动态平衡时,随之而来的流体快速降压就成为金属沉淀成矿的关键驱动因素;(4)以热液裂隙-脉系统野外地质观测和构造-蚀变-矿化网络三维填图为基础,通过宏观与微观各级控矿构造相结合、地质历史与构造应力分析相结合、局部与区域点-线-面相结合、浅部与深部相结合、时间与空间相结合、定性和定量相结合,对各种控矿因素开展多学科、多尺度、多层次、全方位综合研究,是应遵循的基本原则;(5)通过构造-蚀变-矿化网络填图,将蚀变-矿化体与控矿构造的类型、形态、规模、产状和间距等几何学特征联系起来,利用热液裂隙-脉系统和断裂网络拓扑学及矿体三维几何结构分析等定量方法查明控矿构造格架和渗透性结构并揭示矿化变形网络的连通性与成矿潜力;(6)合理构建地质模型,选取合适的热力学参数和动力学边界条件,利用HCh和COMSOL等方法,定量模拟成矿过程中的流体流动、热-质传递、应力变形和化学反应等的时-空变化,是揭示构造-流体耦合成矿机理和定位规律、预测矿化中心和确定找矿目标的有效途径。进而提出了构造控矿理论的研究流程:聚焦构造-流体耦合成矿机制和定位规律这一关键科学问题,选择热液裂隙-脉系统和构造-蚀变-矿化网络为重点研究对象;通过几何学描述、运动学判断、流变学分析、动力学解析和热力学综合,厘定控矿构造格架,定位矿化中心,示踪成矿流体通道和多种矿化样式的增量生长过程及其关键控制,揭示渗透性结构的时-空演变规律及构造再活化与成矿定位的成因关联,建立构造-流体耦合成矿模式,服务新一轮战略找矿突破。以胶东焦家金矿田为例,开展控矿构造理论研究和成矿预测应用实践,证实了其科学性和有效性。

中国北方砂岩型铀矿深部探测新发现及其意义

在充分利用油气勘探钻井和地震资料的基础上,结合中国北方砂岩型铀矿调查工程,北方砂岩型铀能源矿产基地深部探测技术示范项目在中国北方系列盆地获得了砂岩型铀矿深部探测新发现,实现了新区、新层位找矿突破。在鄂尔多斯盆地西南缘,700~2000 m深白垩系洛河组风成沉积体系内新发现了铀矿(化)体。在准噶尔、塔里木、柴达木、酒泉、松辽等盆地新发现多处深部铀异常区。这些深部铀矿(化)体和铀异常区的发现,有效拓展了砂岩型铀矿的研究领域和找矿空间,将对砂岩型铀矿的理论研究和勘查产生深远的影响。系列研究表明,中亚铀成矿带和中国北方具有相似的铀成矿地质背景,赋矿地层普遍具有红层控矿的特点。相对于早期重视在还原性地层中研究氧化砂体及其成矿机理,本次工作中新发现的铀矿(化)体或铀异常多位于红色氧化环境中,而后期还原性含烃流体的灌入对于铀成矿具有重要控制作用。因此,氧化地层(红层)中还原性砂体(褪色蚀变)的研究应引起更大的关注。中国北方具有优越的成矿地质背景和古气候条件,包括丰富的铀源、大规模的砂体、后期的构造挤压(反转)形成的断裂和构造圈闭等,为流体提供了迁移通道和聚集场所。构造活动触发了地表含氧含铀流体和深层含烃流体的运移,构筑起了补‒径‒排流体成矿系统,尤其在古油气藏(断裂)边缘(顶部)形成的斜坡带,两种流体相互作用、耦合,巨量铀富集成矿。

贵州贵定竹林沟锌矿床的新发现及其研究价值

经过近三年的产学研用联合攻关,在热液矿床流体-构造-岩性耦合成矿模式指导下(Zhou et al., 2018a),位于贵州省贵定县东南5 km的竹林沟锌矿床找矿取得重要突破。截至2019年底,新探明(111b+122b+333)锌矿石量428万t,Zn金属量28万t,Zn平均品位6.54%(贵州省地质矿产勘查开发局地球物理地球化学勘查院,2019内部资料),达中型锌矿床规模,远景金属资源量超过50万t,有望达到大型或超大型锌矿床规模。

贵州贵定半边街锌矿床地球化学特征与找矿进展

贵定半边街锌矿床位于湘西—黔东铅锌成矿带西南部黄丝背斜西翼,赋存于泥盆系碳酸盐岩中。该矿床矿物组成简单,主要由闪锌矿和碳酸盐矿物(方解石、白云石)组成,黄铁矿和方铅矿次之。矿物结构以半自形-他形粒状、交代、港湾状等为主,矿石构造多为块状、纹层状和脉状。硫化物(闪锌矿、黄铁矿和方铅矿)单矿物颗粒法和LA-MC-ICPMS原位法获得的δ^(34)S值介于-20.35‰~-4.65‰,具有明显的亏重硫同位素特征,暗示该矿床成矿流体中的硫很可能来自赋矿围岩中的海相硫酸盐矿物,且经历了海相硫酸盐矿物的细菌还原作用(BSR)。方铅矿LA-MC-ICPMS原位Pb同位素组成变化范围较窄,且其^(206)Pb/^(204)Pb比值介于18.362~18.365,^(207)Pb/^(204)Pb比值介于15.714~15.723,^(208)Pb/^(204)Pb比值介于38.275~38.286,壳源特征明显,暗示成矿流体中的金属地壳来源且来源单一或多来源但均一化程度很高。通过与潜在源区及邻区矿床对比,本文认为半边街锌矿床成矿流体中的金属很可能来自赋矿地层及其下伏地层(包括基底),并经历了成矿流体均一化过程,是流体-构造-岩性耦合成矿的产物。在新的流体-构造-岩性耦合成矿模式指导下,半边街锌矿床实现锌金属增储39万吨,并发现锗的显著超常富集,取得了找矿重要新进展。