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吉林东部前寒武纪热水沉积成矿作用研究

叶丽娜  
【摘要】:本研究所涉及范围属华北克拉通内三条古元古代造山带之一——胶–辽–吉构造活动带的北缘东段位置。研究区地球动力学演化史可划分为四个阶段:太古宙古陆形成阶段;古元古代“辽吉洋”构造演化阶段;古生代–早中生代古亚洲洋构造域演化阶段;中–新生代古太平洋构造域演化阶段。本文通过对老岭群大栗子组地层变质碎屑岩的研究,获得大栗子组地层的沉积下限为ca.1.97 Ga,并在ca.1.91和1.84 Ga经历了两次变质作用,其中ca.1.91 Ga代表同碰撞地壳增厚阶段的峰期变质作用,ca.1.84 Ga代表碰撞后伸展阶段的退变质(即折返与冷却)作用时间。这表明胶–辽–吉带北缘的俯冲作用可能止于ca.1.91 Ga,并引发龙岗陆块与狼林陆块的碰撞融合,与此同时,2.1~1.8 Ga全球范围的碰撞拼合事件引发哥伦比亚超大陆重组,并将华北克拉通纳入其中。热水沉积活动往往发生在地球能量交换的地方,是地球内部能量释放到地表的载体之一。由于内部热水沉积作用与外部正常沉积作用是同时发生的,加之热水活动自身的脉动性特点,野外常见热水沉积岩与陆源沉积物以及火山喷发沉积物呈交互出现,并形成典型的热水沉积构造,如条带构造、纹层构造等。海底正常沉积作用产物会随物理化学条件改变而呈现有规律的变化,热水沉积作用可以形成一套特定的矿化分带,正常沉积偕同热水沉积会使得现实情况更加复杂。以大栗子铁多金属矿床为例,沉积成因的赤铁矿形成于高温、强氧化环境,喷口的氧化环境迫使通道相产物被分解或无法沉淀,因此不具有“双层”构造中的通道相。黄铜矿为高温、强还原环境产物,实地勘察发现铜矿体与赤铁矿和磁铁矿体关系密切,整体上处于铁矿体的上部,这种垂向上的矿物演替记录了热水沉积环境的改变。铁同位素研究显示,大栗子铁多金属矿床内铁矿物相的分带源于喷流中心至远端所对应不同的物理化学环境,而成矿物质来源和成矿机制是一致的,表现为喷流中心的赤铁矿过渡到远端的菱铁矿,而磁铁矿作为后期变质成因产物在赤铁矿及菱铁矿地带均有出现。近喷流中心地带形成铜的硫化物而远端形成铅锌硫化物则是典型的热水沉积矿化分带,是同时沉积形成的水平上的相变关系。热水沉积岩(exhalite,又名喷流岩)是识别热水沉积型矿床的重要标志之一。本文在研究区范围识别出多种热水沉积岩,包括老岭群珍珠门组和大栗子组地层发育的硅质岩和硅化大理岩,集安群蚂蚁河组地层发育的电英岩(电气石石英岩)、电气石岩以及大理岩等。并发现该类矿床附近普遍发育一种代表海底还原环境、标志着热水沉积活动结束的含碳岩系,这种含碳岩系在白房子组底部、大栗子组中上部、花山组、珍珠门组以及蚂蚁河组顶部均有发育,部分有机质通过后期变质作用已转变为石墨。在一次热水沉积活动过程中,热水流体通过垂向对流循环萃取洋壳及深部地层中的有益元素并喷出至洋底水岩界面形成矿体的同时也形成一系列热水沉积岩,当喷流活动结束时喷口处的生物群相伴死亡形成含碳岩系。热水沉积岩与含碳岩系是热水沉积活动不同阶段的产物,对矿体空间位置具有指示意义,二者共同组成“热水沉积的双建造”模式,可作为判别该类矿床的一种重要标志性岩石组合。通过典型矿床研究发现,区内热水沉积成矿流体均属中低盐度、低密度的Na Cl–H_2O均质体系,对比于世界上典型的热水沉积型矿床呈现较大相似性。流体温度较高,与现代海底喷口所记录的最高温度相似,高温可能来自于海水的深层循环。通过传统、非传统稳定同位素和原位同位素测试手段对成矿物质来源方面研究发现,上地幔物质、海水、洋壳以及深部地层对吉林东部前寒武纪热水沉积成矿物质来源方面有着重要贡献。伴随龙岗陆块与狼林陆块的汇聚以及最终拼合,洋壳的俯冲引发区域岩浆事件形成热流异常,为热水的循环对流提供了动力来源。区内热水沉积型矿床在时间上集中于古元古代辽吉洋构造演化阶段,空间上集中于华北克拉通东部陆块胶–辽–吉构造活动带内。共识别出4期热水沉积成矿事件,时间上呈幕式发育,空间上呈不均匀分布,时间上体现在热水沉积成矿作用期次的控制,空间上体现在不同地质单元沉积相的控制,但均集中在拉张盆地充填层序的碳酸盐向细碎屑的过渡阶段,与地质构造演化阶段关系紧密。第一期形成矿种为硼,产自集安群蚂蚁河组地层。硼矿体的形成与火山活动关系密切,火山活动加热海水下渗与深部岩浆混合成高温热水流体淋滤深部地层和玄武质洋壳,携带丰富硼质的热水流体喷溢出洋底与冷的海水混合引发硼、镁、铁、硅等组分卸载,并形成以电英岩、电气石岩和硅化大理岩为代表的热水沉积岩。喷流作用结束时喷口处大量生物的死亡形成含碳岩系经深变质作用形成了一系列晶质石墨矿床。该期热水沉积成矿作用特点是规模巨大,与火山活动关系密切有高热流异常背景,沉积水体环境封闭陆源补给少避免了硼的分散,沉积地层富镁促进了硼的沉淀。第二期形成矿种为铅锌,产自老岭群珍珠门组地层。该期热水活动构造背景相对稳定,矿体下方的深部岩浆房驱动加热海水下渗并形成垂向对流循环。处于弧后盆地持续拉张期的高水位沉积体系域,沉积物非补偿的饥饿盆地盆底沉积物主要为碳酸盐,有利于洋底裂隙发育和含矿热水流体运移,热水沉积岩类型为硅质岩和硅化大理岩。Pb、Zn元素的运移除了需要特定的温度、盐度、p H范围和运移通道,还需要平衡洋底H_2S浓度,珍珠门组地层内铅锌矿床附近发育的硫铁矿很可能是H_2S平衡机制的产物。矿体上部地层发育的黑色碳质条纹硅化白云石大理岩、碳质板岩以及白云石大理岩碎斑周围空隙中的石墨构成“含碳岩系”,指示该期热水沉积活动结束。第三期形成矿种为铜(镍)钴,产自老岭群花山组地层。弧后盆地进入拉张极盛期,基底破裂深部物质(包含上地幔物质)上涌,形成了以钴、镍为代表的深源元素喷流沉积成矿,表层与深部的物质和能量交换达到最强。局部的基性岩浆活动对该期成矿至关重要,与岩浆房空间位置接近的海水与基性岩浆混合形成高温且携带更多幔源组分的热水流体(杉松岗铜镍钴矿床),与岩浆房空间位置较远的海水则形成温度不太高的热水流体(大横路铜钴矿床)。热水在对流循环过程中萃取洋壳及深部地层中的Co、Ni、Cu、As、Bi、Sb、Ag、Pb等元素并沿构造裂隙部位喷溢出洋底水岩界面与冷的海水混合致元素卸载成矿,并形成以硅质岩为主的热水沉积岩。部分矿体上方可见黑灰色含碳千枚状变质粉砂岩,是该期热水沉积成矿作用的最后地质记录。第四期形成矿种为铁多金属,产自老岭群大栗子组地层。弧后盆地进入拉张缓和期,此时局部区域拉张可能仍很强,诱发岩石圈破裂进而发展成小洋盆,加之俯冲碰撞所伴随的火山活动作为热驱动力加热海水下渗形成对流循环,萃取洋壳及深部地质体中的有益元素携带至洋底水岩界面,以中心式热水喷流的方式沉积形成矿体和硅质岩。不断变化的水体环境配合热水沉积的特定矿化分带使得该期热水喷流活动呈现复杂的矿物水平分带和垂向分带特征。大栗子组地层“含碳岩系”十分发育,指示该期热水沉积活动的尾声。整体上看,吉林东部前寒武纪热水沉积成矿作用演化呈现多期性、方向性和时代专属性。“热水沉积活动的双建造”岩石组合在识别出的四期热水沉积活动中均有体现。时间演化方向上,形成的矿物种类越来越复杂,整体成矿规模越来越小。各期次热水沉积成矿作用于特定的沉积地层和构造背景条件下形成特有的矿种类型,具有时代专属性。伴随着龙岗陆块与狼林陆块的最终碰撞融合以及两侧沉积建造的被动拼贴,触发了区域强烈的变形变质作用,先前形成的矿体在一定程度上被迫受到改造。微观上主要体现在部分元素的迁移及变质再分配;宏观上,不同矿物因自身性质差异而被差异性改造,破坏了初始矿体的稳定性和连续性,改变了矿体的产状、分布及品位。如大栗子铁多金属矿床的铁矿体受构造置换作用改造变成“似层非层,似脉非脉”的形态,若继续在并非原始沉积层理的片理面上做进一步的追索是徒劳的,应以铁矿体为标志体通过恢复构造变形S_0以复原原始热水沉积相变分带,进而找到“丢失”的矿体群。因此,在对研究区范围热水沉积型矿床的勘查和预测过程中一定要充分考虑变形变质作用对矿体的改造。


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