区域岩石圈各时期构造环境中成矿作用的地球化学分析——以长江中下游地区及邻区为例 模型十二 长江中下游地区铜多金属矿床找矿模型

作者&投稿:招美 (若有异议请与网页底部的电邮联系)

众所周知,各类矿床是区域岩石圈各种构造环境中所形成主岩的一部分,在某个时期一定的构造环境中,由于岩浆作用、沉积作用、变质作用等,而形成了时间、空间和成因上相近的岩石和矿石。人们之所以把矿床形成环境与构造环境联系起来,其目的是为了认识在各种构造环境中所形成岩石的含矿潜力,以确定各构造环境中成矿的有利部位。通过十几年来,从事区域成矿规律地球化学研究的实践,我们深刻认识到,构造环境对岩石组合、岩石地球化学特征及成矿过程起决定性作用。因为不同性质的构造动力机制在岩石圈中通过部分熔融、变质分异、风化剥蚀等作用,造成物质活化,迁移层次的深度和程度是不同的,这也必然导致元素在层圈之间,层圈内部富集和贫化的机制、规模及程度是迥异的。简而言之,即一定性质的构造运动决定成岩、成矿作用的物质来源及成因机制。

长江中下游地区及邻区经历了长期地质构造演化。从总体上来看,研究区构造演化经历了三个大的时期。第一个时期为前震旦纪扬子(华北、华夏)陆块独立发展时期,形成了各具特征的基底和地壳结构。中新元古代扬子陆块东部南北两缘经历了沟、弧、盆体系的碰撞、造山、大陆增生等过程。第二个时期从震旦纪开始,扬子陆块从活动转向稳定盖层沉积时期,广泛接受了巨厚层海相碳酸盐岩和碎屑岩的沉积。第三个时期为中—新生代陆内活化再造时期,中生代印支期扬子陆块与华北陆块碰撞造山开始,研究区进入了强烈活化期,以壳幔不同层次的物质交换、调整、改造为特征,形成复杂的推覆构造体系、广泛的花岗岩侵入和火山岩的喷溢。在以上各个时期构造环境演化过程中进行着各具特色的成矿作用,但是对本区成矿作用最有意义的构造环境是中生代受扬子陆块和华北陆块碰撞造山,加上其后古太平洋板块及印澳板块对中国东部大陆制约的板内俯冲构造环境。

一、中新元古代扬子陆块东部南北两缘构造环境中的成矿作用

据汪东波、马振东(1990)研究表明,扬子陆块北缘中元古代武当群相当于主动大陆边缘的岛弧环境,而与之相对应的是位于其南侧的神农架群,则相当于弧后盆地的构造环境。在这期间古秦岭洋板块向南俯冲于扬子板块之下,引起强烈的火山活动,形成了广泛分布的钙碱性火山岩系列的岛弧火山岩,在火山活动的中期喷溢了大量酸性火山岩(武当群挡鱼河组上亚组的变石英角斑质晶屑凝灰岩,石英角斑岩等),并伴随着Ag、Au矿化作用,形成了大型银硐沟Ag、Au、Pb、Zn火山热液矿床。其后该地区连续下降,沉积了杨坪组一套富含硫、磷、碳的复理石建造,同时间有火山喷发活动及Au、Ag、Te矿化,形成了许家坡Au、Ag、Te中型火山沉积矿床(图2-26A)。到了新元古代(850Ma左右),扬子陆块北缘发生了强烈地壳运动,构造应力发生了逆转,由挤压转为了引张,形成了边缘裂陷海槽,在这环境中喷发了具有双峰模式的耀岭河群、张八岭群等火山岩系。此后,扬子陆块北缘进入了被动大陆边缘演化时期。

扬子陆块南缘、东南缘,中元古代时发育着江南古岛弧,古岛弧的产生和发展是不平衡的,西段发育较早,古元古代末就已开始,即形成四堡群复理石建造和基性、超基性岩建造(文通组火山岩Sm-Nd等时线年龄为2219Ma,毛景文,1990)中段冷家溪群、双娇山群、上溪群沉积了一套泥砂质、凝灰质复理石建造夹少量细碧-角斑岩,为弧后盆地的构造环境,南侧却发育着岛弧火山岩组合,如赣东北铜厂群、浙西北双溪坞群,绍兴西裘细碧-角斑岩系型含铜块状硫化物矿床就产在双溪坞群中(图2-26A)。下面着重就当时扬子陆块东南缘的成矿环境进行矿源和富集机制的分析:

1)处于弧后盆地中的双娇山群、上溪群泥质岩和凝灰岩的εNd(t)(t=1000Ma)值为-2.57~4.21,其投点在εNd(t)-t图上(图2-27)接近球粒陨石演化线,明显高于上部地壳的值,这一信息表明以上两群泥质岩和凝灰质岩中除了含有陆壳再循环的碎屑物质外,还包含着幔源物质(海底火山喷发)。

图2-26A 中新元古代扬子陆块南北两侧主动大陆边缘构造环境中矿产分布示意图

1—洋壳;2—蛇绿岩;3—双娇山、上溪群;4—神农架群;5—武当山群;6—双溪坞群;7—扬子陆块基底;8—过渡壳;9—火山热液型As、Au矿;10—海相火山岩型Cu、Zn矿;11—地幔上涌方向

图2-26B 震旦纪—早三叠世扬子陆块东部被动大陆边缘构造环境中矿产分布示意图

1—浅水台地相碳酸盐岩、碎屑岩;2—滑塌角砾岩;3—斜坡相泥灰岩;4—深水盆地相炭质泥岩、硅质岩、薄层灰岩;5—陆块基底;6—元素迁移方向;7—海平面

图2-26C 中新生代扬子陆块东部陆内活化再造时期的矿产分布示意图

1—盖层;2—正变质岩基底;3—副变质岩基底;4—变质中基性火成片麻岩;5—变质泥砂质片麻岩;6—太古宙基底;7—幔源熔浆;8—基性岩;9—中性岩;10—酸性岩;11—W.Sn储层;12—深断裂

2)从前述的中元古代江南基底Cu等成矿元素含量特征分析表明:Cu在泥质岩、凝灰质岩中是呈现各为分散贫化的趋势,泥质岩中Cu:(23.8~32.7)×10-6,而K.K.TureKian(1961)泥质岩中Cu含量为40×10-6。虽然在细碧-角斑岩系中Cu等元素有较高的含量,但是在从基性→中性→酸性演化过程中,Cu等元素含量却呈现降低的趋势,而甘肃白银厂折腰山、火焰山Cu、Zn矿床则产在分异良好的中酸性和基性-酸性钠质火山岩类中。

图2-27 赣西北和皖南浅变质沉积岩Nd同位素演化

(据凌洪飞,1990)

DM—亏损地幔演化线;CHUR—球粒陨石演化线

3)海相火山岩块状硫化物矿床的形成环境与海底火山喷溢或海底含矿热液的规模和强度有关。从上溪群、双娇山群中岩类特征来看,在几十米至几百米甚至更大间隔才出现一层九米厚的火山熔岩层,这样的火山喷溢强度Cu等成矿元素是很难堆积富集,形成一定规模的工业矿床的。

4)而处于岛弧环境中的双溪坞群(铜厂群),其火山喷溢强度大,时间间隔短。在浙江绍兴西裘地区形成了以中基性熔岩为主,具水下强烈喷发特征的细碧—角斑岩型含铜块状硫化物矿床。

5)至新元古代(970~800Ma)华夏陆块沿江绍一线向扬子陆块碰撞拼接,形成了伏川蛇绿岩套(夹小型铬铁矿床)和赣东北蛇绿岩套(图2-26A)。同时形成大型同碰撞江西九岭堇青石斜长花岗岩岩基和晚碰撞皖南休宁、许村、歙县三个堇青石花岗闪长岩体及造山阶段的邓家组山前磨拉石建造和铺岭组、井潭组陆相火山岩系。至晋宁期末,华夏陆块和扬子陆块完成了对接碰撞后,震旦纪开始接受盖层沉积。

二、盖层沉积时期扬子陆块东部被动大陆边缘构造环境中的成矿作用

扬子陆块东部南北两缘自震旦纪开始演化为被动大陆边缘的构造环境,转入了长达6亿~7亿年的相对稳定时期。在这时期沉积了巨厚层的海相碳酸盐岩和碎屑岩系。其厚度之大是世界上其它标准地台所少见的。这一特征充分表明扬子陆块沉积过程是在拉张、宽松的应力环境下,基底变薄,沉降作用范围广泛且十分强烈。基底地壳的减薄主要依靠拉张减薄,它是风化剥蚀减薄和地幔侵蚀地壳底部而变薄等因素共同作用的结果。在两侧被动大陆边缘稳定构造环境时期其成矿作用总特点是:

1)在时空分布上存在着相对稳定和不稳定的两类亚环境和沉积岩系。一类是稳定陆棚—陆坡沉积,以浅水相的厚层灰岩、白云岩及碎屑岩为主;另一类是陆缘裂陷海槽沉积,岩类以炭质泥岩、硅质岩、薄层灰岩为主,并夹有海底火山或热卤水活动,呈现了相对活动环境(图2-26B)。

2)在这些环境中沉积作用占主导地位。金属元素的补给源主要有三个途径:①陆源带入;②外海补给;③海底热卤水或火山源。成矿元素只有源源不断地补给、沉淀,才有可能在有利沉积环境下形成大规模矿化层。通过以上系统的盖层沉积地球化学研究表明;①后两种来源的信息很微弱;②即使以陆源带入为主,在沉积盆地形成早期(震旦纪、寒武纪、奥陶纪)海盆相隔,陆源供给有限,北区主要源自华北陆块,南区则是华南陆块成分占优势。

3)本区沉积盖层的物源主要源自相邻陆壳的风化剥蚀产物,Cu、Pb、Zn、Ag、Au、U、V、P、Mo、Sb等成矿元素在表生作用条件下,通过风化、剥蚀、迁移在海盆中相对还原的水域中再沉淀下来。其中有些亲硫的重金属元素被“捕获”在还原性沉积层中,其富集机制有以下三类:①有机质还原

形成亲硫元素的沉淀剂S2-,促使其沉淀;②活的生物体吸收金属元素;③生物死后有机质或有机碳吸附金属离子。从本区盖层中成矿元素的赋存状态来看,第一类机制占主导优势。为此,在Z2

、O3、P2等层位中形成了重金属等元素的富集层(图2-26B)。

4)对早震旦世—晚三叠世构造环境物源和富集机制的分析表明,本区由沉积作用、海底热卤水和火山热液等成因所形成的大型重金属硫化物矿床的可能性不大。然而它们的积极意义不容忽视,即为后期成矿作用储备了诸多丰富多彩的衍生矿源层。

总之,扬子地陆东部震旦纪至晚三叠世盖层沉积时期是Cu等重金属元素成矿作用的低潮期、沉闷期、分散期。然而宇宙间万物都是正反共存的,区域岩石圈的成矿作用也是一样,在这一时期,正是本区地幔能量的积蓄期,成矿物质调整储备期,赋矿空间的构筑期。这就是事物的矛盾转化,事物的发展规律。

三、中新生代扬子陆块东部板内活化再造时期的成矿作用

扬子陆块东部岩石圈经过了长时期的能量积蓄和漫长的地壳稳定演化时期,终于在晚三叠世244~245Ma(李曙光,1992),扬子陆块开始向华北陆块俯冲,并很快过渡为陆块碰撞,与随后陆内大规模滑脱俯冲、推覆叠置的强烈构造活化阶段,同时在古太平洋板块及印澳板块构造应力场对东亚大陆的制约下,导致了大规模岩浆侵入和火山喷发活动,致使华北、扬子两块大陆最终焊接在一起(古地磁研究表明上侏罗世中国东南部南、北极移轨迹完全相同),从此中国东部进入了环太平洋构造岩浆带的新格局。

由于各构造单元岩石圈地球化学组成的差异、各类岩浆源于不同层圈、成岩方式各异、富集金属的基底和盖层的性质、分布的不同等等因素导致在不同构造位置形成了丰富多彩、形态各异的矿产:

1)在华北(大别)陆块及扬子陆块碰撞造山带缝合线的附近,是软流圈上拱部位,那里地壳最薄。经强烈地幔交代作用而分异出来的富Cu熔浆,熔融了闪长质-英闪质-花岗闪长质的火成片麻岩的下地壳,构成了玄武-安山质岩浆房,分异出的富Cu熔体,沿着壳幔断裂,在具强烈富集机制的成岩作用下,于地壳浅部的有利位置侵位,形成了与Cu、Fe有密切时、空和成因关系的中酸性岩浆系列(图2-26c)。

2)在碰撞造山带的北南两侧(大别隆起和江南台隆),由于陆内深层滑脱俯冲,诱发了大规模壳熔酸性花岗岩岩浆的上侵,由于所熔地壳的地球化学组成差异,各自打上了明显的“遗传基因”烙印,江南台隆花岗岩熔融了富W、Sn储层的基底地壳、致使其花岗岩具较普遍的W、Sn、Nb、REE、U等矿化,其中有些花岗岩体(曾家垅二云母碱长花岗岩,高湖二长花岗岩)形成了大型、特大型W、Sn矿床(图2-26c);而已是“山根”的、分异程度高,成熟度又好的大别基底,经重熔后的花岗岩往往在亲氧元素的成矿作用方面也已是无能为力了。

3)中生代岩浆的上侵不仅带来了深源的成矿物质,而且也是驱动各矿源层中金属元素活化、迁移、重新富集沉淀的热场源,在基底和盖层中形成了组合多变、丰富多彩的沉积叠加改造型矿床。

这一时期是长江中下游地区及邻区、乃至中国东部成矿作用的鼎盛时期。

4)中—新生代东秦岭构造环境中的成矿作用。随着扬子地块和华北地块晚古生代碰撞造山运动的结束,奠定了秦巴地区总体构造格架,形成了中国大陆的主体部分—南北联合陆块,然而陆块内构造活动并没有平静下来,在印度板块对欧亚板块的俯冲碰撞作用和太平洋板块对中国板块的俯冲作用的大构造背景下,秦巴地区继承和持续着深层由南往北俯冲和上部地壳的大规模收缩构造运动,秦德余等(1988)提出在侏罗纪—白垩纪初秦巴地区发生了中生代第二次影响全区的陆内俯冲构造作用,在深层部位扬子地块基底沿商丹所裂向北滑脱,并俯冲到北地块基底和加里东造山带之下,迫使南秦岭—北大巴地区褶皱盖层向南逆冲滑脱。而在陆内俯冲主界面(商丹分界断裂)以北的仰冲块体强烈隆起,深层部位出现以糜棱岩为特征的韧性剪切带。为此在本区深部与浅部构造活动方式明显不同,深部具有陆内板块俯冲性质,而浅部则以滑脱推覆挤压,隆起构造为特征。前者通过俯冲消减界面而控制深熔岩浆形成并以中酸性小斑岩体形式成群、成带产出在华北地台南缘从基底到盖层的所有层位;后者使壳内物质发生部分熔融,形成壳源型花岗岩大岩基,在这些过程中,成矿元素在各自的演化历史中活化、迁移,富集成矿,最终形成了东秦岭最富有特色的Au(Ag)和Mo(W)优势矿产。Mo(W)的成矿作用明显受中生代深源中酸性小岩体的控制,而Au(Ag)的成矿作用与中生代壳熔花岗岩活化迁移古老结晶岩系中的成矿元素有关。另外南秦岭中—新生代岩浆活动相对华北地台南缘要弱得多,为此其Hg、Sb的成矿作用主要与深断裂构造活动关系密切。由此可见,东秦岭中—新生代的构造环境所导致的岩浆作用,或断裂活动是Au(Ag)、Mo(W)、Hg、Sb等元素成矿的主导因素。



区域成矿模式的建立~

(一)区域成矿模式的内容
一般包含以下内容:
(1)区域岩石圈结构及组成;
(2)区域成矿构造环境(伸展、挤压、走滑、隆升、沉降等);
(3)区域主要地层及岩石建造(含沉积岩、火山岩及变质岩);
(4)区域的侵入岩(岩相、时代、规模、穿切地层情况);
(5)区内的控岩控矿构造;
(6)矿床类型(矿种、成因类型)及其时-空展布;
(7)主要控矿因素,如流体、fo2、fs2、Eh等。
区域成矿模型反映了现阶段对该区域成矿规律的认识水平。建立以成矿系列内容为主的成矿模型,需要下列的研究工作为基础:
(1)研究成矿系列形成的地质背景。研究、总结该成矿系列所处的区域地质环境和区域地质构造发展历史,重点放在形成该成矿系列的构造运动和所属年代、重大的构造—热事件等。
(2)研究成矿系列的主要控制因素。根据区域矿床类型划分和代表性矿床及矿田成矿规律的研究结果,分别总结各类成矿系列的地层、构造、岩浆岩、沉积和变质作用等控制因素。由于矿床类型的差别,主要控制因素不全一致,要抓住主要因素,详加论述。
(3)研究成矿系列中矿床空间分布规律。总结各类矿床的空间分布特征,分析控制因素,研究各矿种、矿床成因类型、矿化规模以及矿体形态、产状、蚀变及品位的空间变化规律。
(4)研究成矿系列的形成作用。研究总结成矿系列形成的温度、压力、深度和物理、化学条件,分析成矿物质来源、流体来源及富集成矿的制约因素;研究形成不同矿床类型、不同矿种的局部控制因素。
(5)研究成矿系列的内部结构。研究、阐明成矿系列的内部结构,查明各有关矿床类型间的时间、空间和物质组成上的耦合关系。
(6)研究成矿系列的成矿多期次性,包括成矿系列的叠加及后期改造作用。总结成矿系列的多期成矿特点,揭示不同矿床的主成矿期和多期成矿的叠加现象,分析不同成矿期和不同地质作用时期对成矿系列的作用的效果及机理。
在上述工作的基础上,用简明的文字或图、表形式表示成矿系列各方面的控制因素和形成机理的内在联系,并加以恰当组合和理论概括,建立起成矿系列模型。
成矿系列模型的研究和建立,涉及面广,综合性强,较之对单一矿床的成因研究更为复杂。因此,所建立的成矿系列模型,仍然带有一定的推断性和假定性。随着研究区内资料的逐步丰富和人们认识水平的提高,成矿系列模型也应加以修正并不断完善。
(二)建模的原则和工作要点
1.建模原则
矿床建模一般要依据3个原则:相似性、简化和客观性(张贻侠等,1993)
(1)相似性原则。即模型与原型之间必有某种程度的相似性。模型是对应于“原型”而言的。原型是指要研究的系统,而研究的工具是模型。只要模型与原型间在几何形态、结构功能和其他属性上存在着相似性,二者关系即可建立。
(2)简化原则。模型不再现原型的全部特征,但能描述原型的本质特征,这就需要科学的抽象和简化,要突出主要内容,略去次要内容,有取有舍,分清主次。
(3)客观性原则。模型是真实性和简化性的统一。简化而不失实,这就要求我们在建立和使用模型时,坚持客观性原则。要根据所研究系统的真实情况,对模型进行核实、修正,尽力改正在建模中的随机性和模糊性。
2.建模工作要点
(1)选择研究程度较高的区域和矿床类型,充分搜集和掌握全面而准确的地质和矿床信息,反复对比,综合分析,抓住关键因素,概括出一些本质联系,并将其表现为模型的形式。
(2)将含矿区域的地质构造研究放在首位,研究和阐明控制矿床形成和分布的大地构造环境。只有通过区域地质这个环节,才能把同一区域的诸矿床联系起来,阐明它们的时、空位置及它们之间的关系。在此基础上,就能从总体上把握矿床产出的几率,合理地进行区域资源评价和找矿。
(3)要建立合理的成矿系列模型,必须从时间、空间和物质组成3个方面进行综合分析,从发展演化的观点,进行四维成矿分析(三度空间+时间),即动态的、整体的成矿系列模型。
(4)要逐步做到定量化,定量地表示矿床特征(地质的、地球物理的、地球化学的),定量地解释矿床的成因(与相图结合),尽可能地建立各矿床类型间的空间、时间和储量间的“量”的关系。
(5)注意时间概念:区域成矿模式是指成矿作用发生时的各种条件和环境,而不是现在的矿床产出模式。因此,用地质示意剖面法表示时,一定要标明当时的古地表、古海水面等,如为内生矿床,则应定量或半定量地表明矿床的形成深度。
(6)区域成矿模式是概念模型,但不是一般的示意图或简图,其岩层厚度、成矿深度、构造型式等应尽可能是真实情况的缩写,各种地质体的关系符合比例、逻辑合理。
(7)当成矿区域中有多次成矿事件和多个成矿系统时,为清晰表示成矿的时间关系和因果关联,可考虑用连环图画式方法,如图I、II、III等,分别表示早晚不同时期的成矿景象,显示出区域中成矿的历史过程。
(三)区域成矿模式的实例
以对长江中下游地区成矿研究为例,有以下几个成矿模式:
(1)长江中下游安山岩-闪长岩质火山-深成岩铁矿系列理想模式(图4-14)。突出了本区铁、铜、金矿床形成的地质构造环境、矿床与岩浆岩的专属联系以及矿床形成的时间和空间位置。
(2)长江中下游铁-铜成矿系列(见第二章,图2-4)。兼顾了铁、铜矿床,并划分了玢岩铁矿、矽卡岩铁矿、斑岩及矽卡岩铜矿等3个亚系列,在图上还表示了上述3个亚系列的风化改造产物称风化成矿系列。模式的特点是区分了各矿床类型间的不同联系——共生、过渡和叠加等形式,以及根据成矿理论在本区可能存在的但目前尚未发现的矿床类型(“新类型”),用“?”表示,列出其在成矿系列中的位置。这样,就赋予这个模式图以指导研究方向和找寻新类型矿床的意义。
(3)长江中下游构造-地层-岩浆岩-成矿演化模式(图4-15)。突出了成矿的主要控制因素,显示了在构造的控制下,不同岩浆岩建造与沉积岩建造相匹配所形成的不同矿种和矿床成因类型。
以上是从不同侧面,有不同着重点地显示区域成矿系列模型的表达方式,随着研究工作的深入,尤其是深部地质矿化现象的逐步被揭露,上述这些模型将会进一步修改充实,并会建立新的更加完善的成矿系列模型。

图4-14 长江中下游区域成矿系列图(以中生代成矿为主)

一、概 述
长江中下游地区铜多金属矿床以矽卡岩型铜矿床为主,也包括一些斑岩型铜矿、块状硫化物矿床等。矽卡岩型铜矿床亦称接触交代型铜矿床,通常是指中酸性岩体侵入碳酸盐岩或其他钙质围岩,经双交代作用形成由钙或镁硅质矿物组成的矽卡岩,矽卡岩被稍晚的含铜等元素的热液交代而形成的铜矿床。矽卡岩型铜矿床是我国重要的铜矿床类型,其探明储量占全国铜金属储量的四分之一,仅次于斑岩型铜矿而位居第二位,在我国主要集中分布在长江中下游地区 ( 表 1) 和燕辽等成矿带内。成矿时代主要为中生代 ( 黄崇轲等,2001) 。本文以江西九江城门山 “多位一体”铜多金属矿床为例,论述长江中下游地区铜多金属矿床找矿模型。
表 1 长江中下游地区主要矽卡岩型铜矿床储量


资料来源: 朱训等,1999
二、地 质 特 征
1. 区域地质背景
( 1) 长江中下游及邻区岩石圈成矿元素背景
从表 2 长江中下游及邻区岩石圈地球化学背景研究中认识到:
1) 中国东部上地幔 Cu 含量具有南高北低的趋势,且南部上地幔交代作用强烈,分异出富含 Cu等元素的地幔岩浆,地幔交代作用导致了地幔 “亏损”,致使 Cu 等元素在分异出来的地幔岩浆中富集,为此在地壳中呈现了各自的继承性 ( 表 2) 。
2) 从长江中下游及邻区各构造单元总地壳 ( TC) Cu 成矿元素丰度 ( ( 19 ~ 31 ) × 10- 6) 与Taylor 等 ( 1995) 的地壳丰度 ( 75 × 10- 6) 相比,明显偏低。长江中下游铜 ( 铁) 成矿带的结晶基底、褶皱基底和沉积盖层中 Cu 的丰度亦相对较低,分别为 12 × 10- 6、27 × 10- 6,这一特征清楚显示,长江中下游地区在沉积作用、变质作用过程中 Cu 等成矿元素不具明显的密集趋势,而深源岩浆分异作用是中国东部 ( 长江中下游) Cu 成矿作用的主导机制。
3) 处于中生代南北陆块碰撞挤压及陆内俯冲带上的长江中下游地区,沿其陆块拼接带的方向平行分布着两个与成矿有关的花岗岩成岩系列。一个是沿拼接带分布的与 Cu ( Au) 、Fe 有关的深源中酸性花岗岩系列; 另一个是沿着内侧断裂带分布与 W、Sn 有关的壳源酸性花岗岩系列。由于两者的成岩源区的迥异,前者是幔壳混合源,后者是重熔陆壳源,为此在地球化学特征上存在着明显的差异( 表 3) 。
表 2 长江中下游及邻区岩石圈成矿元素背景值


资料来源: 胡云中等,2006
注: A 为用科马提岩补偿法计算; B 为用 Rinwood 地幔模型估算; C 为以科马提岩样品代表地幔的成分; D 为上地幔元素丰度。SC—沉积盖层; UC—上地壳; MC—中地壳; LC—下地壳; TC—总地壳。
表 3 长江中下游地区中生代两个成岩 ( 矿) 系列地质地球化学特征


( 2) 长江中下游地区铜多金属成矿带主要矿田地质特征
长江中下地区游铜多金属矿带处于华北 ( 大别) 陆块及扬子陆块碰撞造山带缝合线附近,那里是软流圈上拱部位,地壳最薄。经强烈地幔交代作用,形成了高碱富钾中酸性岩浆岩系列 ( 闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长 ( 斑) 岩、花岗岩和石英斑岩等) ,及与之有密切时空关系的 Cu、Au 多金属矽卡岩型 ( 斑岩型、热液型) 成矿系列。区内发育着古生代—中生代碳酸盐岩 - 碎屑岩沉积建造,其中上石炭统和下三叠统碳酸盐岩地层为主要的成矿与赋矿层位。成矿作用主要受深源浅成超浅成钙碱系列中酸性侵入岩制约,在它们与围岩的接触带、顶缘冷缩裂隙、隐爆角砾岩带、围岩层间破碎带,使之发生普遍蚀变、矿化,局部形成工业矿体、富矿体 ( 翟裕生等,1992) 。与铜矿化密切的蚀变围岩主要是透辉石 ( 次透辉石) 矽卡岩、金云母 - 透辉石矽卡岩和透辉石 - 石榴子石矽卡岩。这类型矿石铜品位较富,矿石成分复杂,矿石矿物主要由铜铁硫化物、铁氧化物组成,伴生铅锌等硫化物; 脉石矿物常为钙铁、钙镁等矽卡岩矿物。矿石有益组分除 Cu 外,共生、伴生 Fe、S、Mo、Au、Ag、Pb、Zn、Co、W、Sn 等。矿石元素组合有 Cu - Fe、Cu - Mo、Cu - Au、Cu - Pb - Zn - ( Ag) 、Cu - W、Cu - W( Sn) 、Cu - Fe - ( Co) 等。长江中下游铜多金属成矿带主要矿田地质特征见表 4。
表 4 长江中下游地区铜多金属成矿带各矿田地质特征


2. 典型矿床地质特征
现以江西城门山铜多金属矿床为例进行介绍。城门山 “多位一体”( 矽卡岩型、斑岩型、似层状块状硫化物型) 铜多金属矿床位于扬子陆块北东缘,为燕山期中酸性小岩体侵入到中生代 - 古生代的碳酸盐岩地层中形成的。在花岗闪长斑岩与灰岩的接触带形成矽卡型矿床,在石英斑岩与花岗闪长斑岩的岩体中形成斑岩型铜钼矿床,在中石炭统黄龙组灰岩与上泥盆统五通组砂岩层面上形成了似层状块状硫化物型矿床 ( 图 1) ,组成了 “

世界找矿模型与矿产勘查
”型 ( 油条烧饼型) 特大型铜多金属矿床。
城门山铜矿矿体在空间上呈现以斑岩体为中心的环带状分布。矿体产在斑岩体内、外接触带及接触带围岩中,空间上与斑岩体密切相关,离开岩体一定范围,即为无矿围岩。铜矿体分布于岩体上部、接触带和接触带外,钼矿体分布于岩体中心较深的部位。空间上铜、钼矿体的分布规律: 垂向上为上铜下钼; 水平上为钼矿体→铜矿体→铜、硫矿体,构成了以钼矿体为核心的中心式带状分布模式。

图 1 城门山 “多位一体”铜多金属矿区地质简图( 据黄恩邦等,1990,修改)

以接触带为中心形成的矽卡岩铜矿体主要分布在接触带,矿体的形态与产状变化,取决于接触带形态变化的复杂程度。
块状硫化物矿体受五通组与黄龙组之间的假整合面及层间破碎带控制,呈似层状产于五通组砂岩及黄龙组碳酸盐岩地层中,并以岩体为中心向东西两侧作对称分布。
斑岩铜矿体主要分布于岩体的浅部和边缘; 斑岩钼矿体则分布在岩体较深部的中心部位及紧靠岩体的砂岩中。少数深部钻孔显示,铜矿体往深部逐渐减少、变贫,而为钼矿体所取代,钼矿体至- 800m 的矿化强度尚未减弱,推测尚有钼矿体存在。
城门山花岗闪长斑岩钾长石铅同位素显示深源岩浆特征:206Pb /204Pb = 18. 042,207Pb /204Pb =15. 572,208Pb /204Pb = 37. 933,其氧、氢、硫同位素组成见表 5。成矿阶段的成矿温度: 矽卡岩型石英 - 硫化物阶段的石英均一化温度为 336℃; 斑岩型石英 - 辉钼矿阶段的石英均一化温度为 366℃;块状硫化物型石英 - 硫化物阶段的石英均一化温度为 330℃。城门山花岗闪长斑岩 Rb - Sr 等时线同位素年龄表明城门山矿床的成岩成矿时代约为 154Ma,石英斑岩中辉钼矿 Re - Os 等时线同位素年龄为 140Ma。
综上所述,城门山各类型矿体分布受 “两个中心” ( 岩体和接触带) “三带” ( 层间破碎带、断裂带、岩体裂隙带) “一面” ( 五通组与黄龙组假整合面) 所控制,形成了以钼为核心的斑岩铜矿、矽卡岩型铜矿、块状硫化物铜矿 “三位一体”的组合分布规律 ( 图 2) 。
表 5 江西九江城门山 “多位一体”铜多金属矿床氧、氢、硫同位素组成



图 2 江西九江城门山 “三位一体”铜多金属矿床成矿模式( 据黄恩邦等,1990,修改)

在多次成矿蚀变作用的叠加下,在矿区不同类型矿体周围形成迥异的蚀变矿化分带。
( 1) 以斑岩体为中心的水平环状分带 ( 图 3)
1) 以石英斑岩为中心往外的蚀变矿化分带为: 钾硅化钼矿化带→石英绢云母矽卡岩化铜矿化带→绿泥石碳酸盐化黄铁矿化带。
2) 对应成矿元素分带: Mo、W( Cu) →Cu( Au) 、Co、Ni→Pb、Zn、Ag、As、Sb、Hg、Mn。
3) 斑岩体的垂向分带 ( 图 4) : 上为绿泥石碳酸盐化黄铁矿带,主要成矿元素为 Pb、Zn、Ag、As、Sb、Hg; 中为石英绢云母铜矿带,主要成矿元素为 Cu( Au) 、Co、Ni; 下为钾硅化、钼矿化带,主要成矿元素为 Mo、W( Cu) 。

图 3 江西九江城门山铜矿基岩残积物地球化学图( 质量分数单位为 10- 6)


图 4 江西九江城门山 0 线元素地球化学图( 质量分数单位为 10- 6)

( 2) 以花岗闪长斑岩与碳酸盐岩接触带矽卡岩为中心的水平分带
灰岩←绿泥石、绿帘石化大理岩化灰岩←黄铁矿矿化透辉石、阳起石大理岩←黄铜矿化钙铁矽卡岩、黄铜矿化钙铝矽卡岩→黄铁矿化绢云母、高岭土化花岗闪长斑岩→绿泥石、绿帘石化花岗闪长斑岩→花岗闪长斑岩。
对应成矿元素分带: As、Sb、Hg←Pb、Zn、Ag←Cu( Au) →Pb、Zn、Ag→As、Sb、Hg。
( 3) 似层状含铜黄铁矿水平对称分带
从岩体接触带向东西两侧: 灰岩←铅锌矿、黄铁矿化灰岩←含铜黄铁矿←含铜矽卡岩→含铜黄铁矿→铅锌矿、黄铁矿化灰岩→灰岩。
对应成矿元素分带: Hg、Sb←Pb、Zn、Ag←Cu( Au) 、Co、Ni←Cu( Au) →Cu( Au) 、Co、Ni→Pb、Zn、Ag→Hg、Sb。
城门山铜矿矿石的矿物成分有 80 多种,其中金属矿物 50 多种,非金属矿物近 30 种。按矿物的成因可分为内生矿物和表生矿物。内生成矿阶段形成的金属矿物以硫化物种类最多,所占比例也高,非金属矿物以硅酸盐类为主,主要是钙铁石榴石,其次为石英、方解石。表生成矿阶段的矿物主要是金属氧化物,其次是硫化物 ( 辉铜矿、蓝铜矿等) 、碳酸盐以及自然元素。
具有工业意义的矿物主要为黄铜矿、黄铁矿、辉钼矿和闪锌矿。其中,黄铜矿、黄铁矿、闪锌矿除单独构成工业矿体外,常构成铜、硫复合矿体,有时与闪锌矿一起构成铜、硫、锌复合矿体; 辉钼矿单独构成矿体。贵金属矿物有自然金和自然银,都具有综合回收价值。
微量金属矿物种类繁多,显示了组成各矿床的元素复杂程度。
三、矿床成因和找矿标志
1. 矿床成因
( 1) 区域成矿带成因
长江中下游地区铜多金属矿床的成因机制为区域岩石圈三级 “岩浆泵”的逐级富集而形成( 图 5) 。

图 5 九瑞地区铜三级 “岩浆泵”富集示意图( 引自马振东等,1997)

处于华北 ( 大别) 陆块及扬子陆块碰撞造山带缝合线附近的长江中下游地区是软流圈上拱部位,那里地壳最薄,经强烈地幔交代作用,原始地幔岩浆分异出来的富 Cu融体与下地壳石英闪长质 - 花岗闪长质的片麻岩发生局部熔融,形成了玄武 - 安山质母岩浆房,Cu 含量为 ( 90 ~110) × 10- 6,其深度约 20 ~30km,这是第一级岩浆泵站。
在深部地壳范围内玄武安山质母岩浆不断分离结晶,沿着壳幔断裂分异出辉长质 - 闪长质 - 花岗闪长质岩浆,由于熔浆结构所产生的晶体场效应,Cu2 +等过渡族元素离子,倾向于在岩浆熔体中富集,其 Cu 含量为 ( 50 ~100) ×10- 6( 暗色包体) ,形成深度约 2 ~ 3km 至 4 ~ 5km,这是二级岩浆泵站在近地表 0. 5 ~ 2km 所形成的闪长岩、花岗闪长岩小岩株、小岩墙,就是目前所研究的含矿小岩体,它是铜富集的第三级岩浆泵站 ( 含铜几十 × 10- 6至几百× 10- 6) ,它又是赋矿空间,在它们与围岩的接触带、顶缘冷缩裂隙、隐爆角砾岩带、围岩层间破碎带,在深部岩浆气液流体多期次叠加作用下,使之发生普遍蚀变、矿化,局部形成工业矿体、富矿体。
由于多级岩浆泵的多期多次的 “泵吸”作用,源源不断地把 Cu 等成矿物质从深部带到地壳浅部,在有利的环境下富集成矿,这可能就是小岩体形成大矿床的主导因素,深源岩浆分异作用是长江中下游地区铜多金属成矿带 Cu 成矿作用的主导机制。
( 2) 城门山铜矿的成因
城门山铜矿是燕山期深源中酸性岩浆侵入活动及成矿作用下形成的斑岩型铜矿、矽卡岩型铜矿、块状硫化物铜矿。
它们空间上密切共生,时间上相近,在矿物组合、围岩蚀变、成矿物化条件等特征上相似,所有这些都表明,矿田内的这 3 种类型矿床是在同一岩浆侵入活动 - 成矿作用下,成矿热液在不同构造、围岩空间及物理化学差异环境下,以不同的沉淀方式,形成的 “三位一体”铜多金属矿床,即岩体中的斑岩铜、钼矿床,接触带的矽卡岩铜矿,五通组和黄龙组假整合面上块状硫化物铜矿 ( 图 2) 。另外,在成矿作用后期,由于成矿元素自身地球化学性质的不同,Ag、Au、Pb、Zn 等远程元素在围岩 ( 灰岩、砂页岩) 裂隙中形成脉状矿体 ( 图 2) 。具备这一模型的基本条件是: ①具有深源浅成多次侵入的中酸性斑岩体,这是成矿的首要条件,它为成矿提供物质来源; ②斑岩体内裂隙和爆破角砾岩发育,是形成斑岩型或爆破角砾岩筒型铜矿的有利因素; ③围岩是碳酸盐岩,在斑岩体的接触带形成矽卡岩型铜矿; ④斑岩体附近具有两种物理化学性质差异大的围岩界面存在,利于形成块状硫化物型铜矿; ⑤围岩中构造裂隙、层间破碎带发育。如仅具备其中的某些条件,则可能形成 “二位一体”( 武山铜矿) 、“一位一体”矿床。
2. 找矿标志
( 1) 区域地质找矿标志
长江中下游地区铜多金属成矿带深部构造为沿长江的地幔鼻状隆起带 ( 幔隆) ,处于华北 ( 大别) 陆块及扬子陆块碰撞造山带缝合线附近,隶属于扬子陆块北缘下扬子 - 钱塘台坳,浅部构造环境为块断的褶皱隆起区。
扬子陆块北缘分布着两套基底: 以安徽董岭群为代表的 “北基底”具双层结构,下部为片麻岩段,上部为片岩段; 以江西双娇山群 ( 安徽上溪群) 为代表的 “南基底”为一套浅变质泥砂质片岩;盖层为震旦系至中三叠统碎屑岩 - 碳酸盐岩沉积建造,其中上石炭统和下三叠统碳酸盐岩地层为主要成矿与赋矿层位。
以长江深大断裂为主线与次级构造要素 ( 基底断裂、断块构造、复式褶皱等) 的相互交叉构成了区段的网状构造系统,控制了沿江的岩浆 - 成矿活动。
中生代燕山期深源浅成超浅成钙碱系列中酸性侵入活动是铜多金属成矿作用的主导因素。
( 2) 局部地质找矿标志
1) 中酸性斑岩体是长江中下游地区铜多金属矿床形成必不可少的条件,也是重要的找矿标志之一。岩体呈岩株状产出,平面上呈不规则的椭圆形,剖面上呈筒状。浅成、超浅成侵位。岩体规模0. 50 ~ 1. 0km2。岩石类型以花岗闪长斑岩对铜成矿最为有利。
2) 在中酸性侵入小岩体附近,围岩为碳酸盐类岩石 ( 下二叠统茅口组与上二叠统长兴组、上二叠统长兴组与下三叠统大冶组等不同岩性的差异面) ,在接触带及岩体内围岩捕虏体形成矽卡岩型矿体; 围岩为碎屑岩时注意寻找斑岩型矿床及围岩中细脉浸染型及脉状型矿体; 五通组碎屑岩与黄龙组碳酸盐岩之层间界面是似层状含铜块状硫化物矿体赋存的重要层位。
3) 围岩矽卡岩化、硅化及大理岩化是找矿的重要标志之一。矽卡岩化形成早于金属矿化,二者关系最突出的特征是矿化叠加在矽卡岩体上,矽卡岩体基本上就是矿体; 成矿阶段的蚀变主要是硅化,共同组成了成矿作用中最为重要的石英硫化物阶段; 大理岩化分布范围较大,可利用大理岩化预测隐伏岩体。
4) 长江中下游地区铜多金属成矿带内铁帽发育,铁帽是硫化物矿床的直接找矿标志,虽然原生矿物在表生氧化作用下发生了强烈的变化,但仍可找到原生硫化物的残留及铜等次生矿物,铁帽中 Cu、Pb、Zn、Au 等元素含量较高,利用铁帽残留原生矿物、次生矿物及元素组合来判断原生矿床种类。
5) 铜草 ( 海洲香糯) 是铜矿床 ( 矿化) 重要的植物标志,尤其在含硅质岩或燧石结核碎石的残坡积层中常见,以成片生长和紫色牙刷形花序为特征而被发现和识别。
6) 岩体硅化、绢云母化、高岭土化强烈,伴随着 “Fe3 +染”呈褐红色; 岩体与围岩接触带矽卡岩化、硅化、褐铁矿化尤为突显,呈正地形; 原生含铜黄铁矿风化后的铁帽十分引人注目。地质填图是发现含矿中酸性小岩体及其矿化蚀变的传统方法。
( 3) 地球物理找矿标志
1) 磁异常: 城门山矿区的磁异常是广义的矿致异常。黄铜矿本身属非磁性,而其所赋存的地质体绝大部分是具较强磁性的矽卡岩和强磁性的含铜磁铁矿,特别是含铜矽卡岩分布广、规模大、埋藏浅,引起了具有一定强度和规模的磁异常,构成了在平面上与矿体分布范围基本相吻合的异常特征,因此磁异常在找矿中具有直接找矿的地质意义。土壤磁化率背景值为 536 ×10- 6SI,异常值为 949 × 10- 6SI。
2) 电法: 激发极化异常可指示矿化带的范围,激电场背景值为 1% ~ 3% ,异常值为 5% ~ 18% ;联合剖面法的低电阻正交点 ( 阻值为 40Ω·m) 指示有块状硫化物矿体存在。
( 4) 地球化学找矿标志
1) 1∶ 20 万水系沉积物成矿元素的高背景区 ( 带) 是最为醒目的靶区,在二叠系—三叠系沉积建造的铜低背景区 ( Cu 为 ( n ~20) ×10- 6) 叠加了 ( 几十至几百) × 10- 6的铜高值带。例如,九瑞地区区域 1∶ 20 万水系沉积物数据显示 ( 图 6) ,Cu、Mo 等成矿元素异常呈现 NW 向空间分布格局,它们为与中酸性小岩体有关的铜多金属矿床所致。1∶ 20 万水系沉积物测量是寻找该类矿床十分有效的勘查方法之一。

图 6 九瑞地区 1∶ 20 万水系沉积物 Cu、Mo 综合异常

2) 已知矿床 ( 城门山、武山、丰山洞) 1∶ 20 万水系沉积物形成了成矿元素面积广、强度高、元素组合复杂的异常特征。
3) 地球化学异常的面金属量与背景值的高比值 ( 衬度异常量) 是矿田主成矿元素活动的标志。
4) 城门山含矿花岗闪长斑岩地球化学评价标志见表 6。
表 6 江西九江城门山含矿花岗闪长斑岩地球化学评价标志


5) 岩石 ( 矿物) 原生晕地球化学标志: 包括成矿指示元素、原生晕异常含矿性评价和黄铁矿中微量元素标志 3 个方面。
成矿指示元素: 岩石原生晕测量结果表明,在成矿成晕过程中,矿床及其周围具有 Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Mo、W、Sn、Bi、As、Mn、Co、Ni、Hg、F 等元素的原生晕异常,这些元素可以作为寻找该类矿床的指示元素,其中最主要的指示元素为 Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Mo,它们代表了矿床主要成矿元素和伴生元素组合特征。对铜矿来讲,Pb、Zn、As、Mn( Hg) 为前缘晕; Cu、Au、Ag 为矿中晕; Mo、W、Sn 为矿尾晕。对钼矿床来讲,Mo、W( Sn) 元素以深部斑岩体为中心,往上往外,元素的组合为 Cu、Au、Ag→Pb、Zn、As、Mn( Hg) 。对赋存于五通组和黄龙组不整合面上的块状含铜黄铁矿来讲,则以花岗闪长斑岩体为中心,Cu、Au 元素向东西两侧对称分布为: Ag、Au( Cu) →Pb、Zn、As( Hg) 元素组合。
原生晕异常含矿性评价 ( 图 7) : ①异常面积和强度大,形态规整 ( 环状、半环状、带状) ,具多组分特征; ②成矿元素有明显的组分分带,无论在轴向上、横向上、纵向上都有较清晰的分带;③浓度分带清楚,主要成矿元素内、中、外带都有一定宽度,具有明显的浓集中心。

图 7 江西九江城门山原生晕分带模型

黄铁矿中微量元素标志: 黄铁矿是矿区内最常见、分布最广的一种矿化类型,黄铁矿内 Cu、Pb、Zn 等成矿元素含量一般较高。斑岩体内黄铁矿 Cu 元素含量达几百 mg / kg 至上千 mg / kg。一般矿体黄铁矿中 Cu 等成矿元素含量明显高于围岩中黄铁矿 Cu 等成矿元素含量,据此可指示矿体的赋存位置。城门山矿区黄铁矿中微量元素的含量和比值随深度具有明显的变化规律,可以用来作为判别深度的标志。 -400m 以上的黄铁矿 Cu、Pb、Zn、Co、Cd、As 等元素含量较高,Cu/Mo、( Ag ×100) /Mo 比值大 ( 16. 8、16. 2) ; 而 -400m 以下黄铁矿中 Mo 元素含量高,Cu/Mo、( Ag ×100) /Mo 比值明显偏低( 1. 99、2. 10) 。
6) 土壤次生晕地球化学标志: 城门山铜矿内 ( 中) 带土壤 ( 绝大部分已破坏) Cu 含量高达( 129. 3 ~267. 2) ×10- 6,Mo 为 ( 4. 07 ~47. 85) × 10- 6,内 ( 中) 带土壤成矿元素组合为: Cu、Mo、Au、Ag、W、Sn。城门山铜矿外带土壤 Cu 的背景值为 24 × 10- 6,异常下限为 36 × 10- 6; Mo 的背景值为 0. 72 ×10- 6,异常下限为 1. 00 × 10- 6; 外带土壤成矿元素组合为: Ag、Au、Pb、Zn、As、Sb、Bi、Hg ( 表 7) 。
表 7 城门山铜矿外带土壤 ( B2层) 多元素地球化学特征


城门山铜矿隐伏似层状块状硫化物矿体上覆土壤中 Cu 活动态率高达 33%,其中 Cu 的 Fe、Mn相态是活动态 Cu 的主要部分 ( 19. 5%) ,其次是有机相 Cu ( 13%) ,而志留系砂岩中隐伏的 Ag、Au矿体 ( 矿化体) 上覆土壤中 Au 的活动态率为 31%,其中 Au 的有机相态占了活动态 Au 的绝大部分( 26% ) 。
矿化花岗闪长斑岩、石英斑岩是上覆土壤壤中汞气的源,它是寻找斑岩铜矿的良好指示剂,城门山铜矿壤中汞气的背景值为 276. 6ng/m3,异常下限为 779. 9ng/m3,热释汞背景值为 9. 2 × 10- 9,异常下限为 19. 0 ×10- 9。1∶ 1 万土壤地球化学测量和壤中 Hg 气测量是查明浅表矿体、强矿化体位置行之有效的方法。
与深源岩浆岩有关的矿床,轻烃是隐伏矿体 ( 矿化) 的良好示踪剂,在志留系砂岩中所贯入的矿化花岗闪长斑岩岩脉的两侧,轻烃 ( 尤其是 C2、C3、iC4、nC4、iC5、nC5) 能在剖面上形成不对称双峰异常,在平面上呈带状展布。
矿床剥蚀深度评价: 根据区域 1∶ 20 万水系沉积物数据,利用 ( W + Sn + Mo) - ( Cu + Pb + Zn) -( As + Sb + Hg) 三组元素所制作的三角图解 ( 图 8) 显示,城门山铜矿剥蚀深度较大,为中等剥蚀程度,与客观实际情况吻合。

图 8 ( W + Sn + Mo) - ( Cu + Pb + Zn) - ( As + Sb + Hg) 三组元素三角图解

在长江中下游地区铜成矿带内,由于此类矿体形态复杂、规模小、变化大,为此需要布置小孔距( 30 ~50m) 的钻探工程来勘查。
( 马振东 龚 敏 龚 鹏 曾键年 王 磊 金 希)

岩浆-成矿-构造作用
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区域构造-岩浆演化和金成矿作用探讨
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