海底热液多金属硫化物分布及控矿因素

海底热液多金属硫化物分布及控矿因素
景 春 雷１，郑 彦 鹏１，刘 保 华２，崔 迎 春１，３
（１．国家海洋局 第一海洋研究所，青岛 ２６６０６１；２．国家深海基地管理中心，青岛 ２６６０６１； ３．海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，青岛 ２６６０６１）
摘要：基于最新公布的全球热液矿点数据讨论了海 底 热 液 多 金 属 硫 化 物 矿 体 形 成 的 构 造 环 境，探 讨 了 深 部 岩 浆活动、断裂构造以及沉积物盖层等控矿因素对洋 中 脊 多 金 属 硫 化 物 矿 体 成 矿 的 影 响。 研 究 结 果 表 明：海 底 热 液 多金属硫化物矿点主要分布于离散型板块边界和汇聚型板块边界；深部岩浆活动和 断 裂 构 造 是 洋 中 脊 热 液 多 金 属 硫化物成矿最主要的控矿因素；快、慢扩张洋中脊环境 深 部 岩 浆 活 动 和 断 裂 构 造 的 差 异 导 致 在 海 底 形 成 了 不 同 规 模的多金属硫化物矿体。对认识海底热液多金属硫化物矿床分布与成矿规律、以 及 开 展 海 底 多 金 属 硫 化 物 资 源 勘 查具有一定的指导意义。
弧后 盆 地 由 于 演 化 程 度 的 不 同，造 成 不 同 演 化 阶段弧后扩张中心 的 热 液 活 动、形 成 的 多 金 属 硫 化 物矿体类型和规模存在差异。一般认为弧后盆地演 化 程 度 越 高 ，热 液 活 动 越 发 育 ，越 容 易 形 成 多 金 属 硫 化物矿体。位于弧 后 扩 张 初 期 的 弧 后 扩 张 系 统，热 液矿体主要分布在 地 堑 内 部 的 塌 陷 盆 地，其 金 属 类 型 为 Ｚｎ－Ｐｂ－Ｃｕ 型 （如 冲 绳 海 槽［３］）；处 于 扩 张 中 期 的弧后环境，如 劳 海 盆［１２］，热 液 硫 化 物 矿 体 主 要 位 于扩张脊的叠复系统，富含 Ｂａ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｐｂ和 Ａｕ；而 处于 扩 张 晚 期 的 弧 后 环 境 ，如 北 斐 济 盆 地［１３］，热 液
关 键 词 ：海 底 热 液 多 金 属 硫 化 物 ；控 矿 因 素 ；断 裂 构 造 ；深 部 岩 浆 活 动 中 图 分 类 号 ：Ｐ７３６．１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０２５６－１４９２（２０１３）０１－００５７－０８
海底热液多金 属 硫 化 物 是 继 大 洋 铁 锰 结 核、富 钴结壳 之 后 一 种 新 的 海 底 多 金 属 矿 产 资 源，富 含 Ｃｕ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｐｂ 及 Ａｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｍｏ 等 金 属 元 素 和稀有金 属 元 素［１，２］，具 有 易 于 冶 炼 和 资 源 量 巨 大 的优点，被认为是有 可 能 最 早 被 人 类 所 利 用 的 深 海 矿产资源之一。
２０１３年 ２ 月 海 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质
第 ３３ 卷 第 １ 期 ＭＡＲＩＮＥ ＧＥＯＬＯＧＹ ＆ ＱＵＡＴＥＲＮＡＲＹ ＧＥＯＬＯＧＹ
ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１１４０．２０１３．０１０５７
Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．，２０１３
超慢速扩张洋中脊环境中发现的热液矿点主要 位于西南印度洋中 脊；慢 速 扩 张 洋 中 脊 环 境 下 的 热 液矿点在大西洋、太 平 洋、印 度 洋 中 均 有 分 布，尤 其 是在北大 西 洋 中 脊 发 现 了 规 模 巨 大 的 Ｌｏｇａｔｃｈｅｖ、 ＴＡＧ、Ｓｎａｋｅ Ｐｉｔ等热液 区；中 速 扩 张 洋 中 脊 环 境 下 的热液矿点主要位 于 东 北 太 平 洋；快 速 扩 张 洋 中 脊 环境产生的热液矿点主要位于南太平洋。目前在扩 张速率超过１６０ｍｍ／ａ的洋中脊构 造环境中仅发现 一处热 液 活 动，位 于 南 太 平 洋 ３１．８５°Ｓ、１１２．０３°Ｗ 处 （扩 张 速 率 达 １９４．２ ｍｍ／ａ）。
１９６５年，红 海 发 现 高 温 热 卤 水 和 ＡｔｌａｎｔｉｓⅡ 海 渊热液多金属软泥，揭 开 了 现 代 海 底 热 液 活 动 与 热 液成矿 研 究 的 序 幕［３－５］，１９９３ 年，世 界 海 底 圈 出 了 １３９处热液“矿 点”［６］，２００４ 年 确 定 的 热 液 矿 点 达 到 近４００个［７］，随着国际上大洋调查活动的不断 开 展， 至２０１０ 年 发 现 的 海 底 热 液 矿 点 已 达 到 了 ５８８ 个 （ｗｗｗ．ｉｎｔｅｒｒｉｄｇｅ．ｃｏｍ）。 关 于 现 代 海 底 热 液 活 动 的 区 域 地 质 条 件 、构 造 环 境 、矿 床 类 型 及 控 矿 因 素 等 问题一直 是 关 注 的 焦 点 。 ［８－１０］ 本 文 基 于 ＩｎｔｅｒＲｉｄｇｅ 发布的５８８个热液 矿 点 数 据 和 相 关 文 献 资 料，深 入 研究了海底热液活 动 的 分 布 规 律，重 点 探 讨 了 洋 中 脊构造环境下深部 岩 浆 活 动、海 底 断 裂 构 造 和 沉 积 物盖层对热液多金属硫化物成矿的控制作用。
太平洋
热液矿点数及比例
备注
２４
３３ １３％
２０
３９
１０ １３％
１３ ５４％
１３
５５
６ １２％
９
３０ １６％
６３
１０９
２ ２０％
１
５
１２２
６
２４％
１５
太平洋共１６７个矿点，大西洋７３个，印 度 洋 ５５ 个，北 冰 洋 ２０ 个
热液矿点集中分布于 南 太 平 洋 （８６ 个 ），其 中 劳 海 盆 ５１ 个，马努斯盆地１４个，北斐济盆 地 １１ 个，北 太 平 洋 热 液 矿 点 主 要 位 于 冲 绳 海 槽 （１２ 个 ）和 马 里 亚 纳 海 槽 （７ 个 ） 其 中 北 太 平 洋 矿 点 数 为 ５３，南 太 平 洋 矿 点 数 为 ６９
１．１ 洋 中 脊 构 造 环 境
洋中 脊 是 洋 壳 的 发 源 地，也 是 全 球 发 现 热 液 矿 点 最 多 （３１５ 个 ，约 占 全 部 热 液 矿 点 的 ５４％ ，）的 构 造 环境。从表１可以 看 出 海 底 热 液 矿 点 在 超 慢 速、慢 速、中速和快速４ 种 类 型 洋 中 脊 构 造 环 境 下 均 有 分 布、数目也相当，相 对 而 言，在 快 速 扩 张 洋 中 脊 环 境 中热液矿点更易发生。图１显示热液喷口主要分布 于扩张速率 为 １０～３０ ｍｍ／ａ、５０～６０ ｍｍ／ａ、１４０～ １５０ ｍｍ／ａ范 围 内 的 洋 中 脊 构 造 环 境 。
６
１％
矿点均位于太平洋 中 部，不 同 矿 点 水 深 变 化 悬 殊，最 深 达 到 ５ ０００ ｍ，最 浅 仅 １５０ ｍ
Hale Waihona Puke 其他地中海、北太平洋沿海 ７
１％
水深在１０～３０ｍ 范围内
第 １ 期
景 春 雷 ，等 ：海 底 热 液 多 金 属 硫 化 物 分 布 及 控 矿 因 素
５９
基金项目：国 际 海 底 区 域 研 究 与 开 发 “十 一 五 ”项 目 （ＤＹＸＭ－ １１５－０２－１－１０）；国 家 海 洋 局 第 一 海 洋 研 究 所 中 央 级 公 益 性 科 研 院 所 基 本 科 研 业 务 项 目 （ＧＹ０２－２０１２Ｔ０４）
作 者 简 介 ：景 春 雷 （１９８７— ），男 ，硕 士 生 ，海 洋 地 球 物 理 与 海 底 构 造 专 业 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｃｌ０３１９＠１６３．ｃｏｍ
表 １ 不 同 构 造 环 境 下 海 底 热 液 矿 点 分 布 统 计（数据来源于 ｗｗｗ．ｉｎｔｅｒｒｉｄｇｅ．ｏｒｇ） Ｔａｂｌｅ １ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ ｓｉｔｅｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｅｔｔｉｎｇｓ （Ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｗｗｗ．ｉｎｔｅｒｒｉｄｇｅ．ｏｒｇ）
通 讯 作 者 ：郑 彦 鹏 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｙｐ＠ｆｉｏ．ｏｒｇ．ｃｎ 收 稿 日 期 ：２０１２－０９－１０；改 回 日 期 ：２０１２－１０－２０． 张 光 威 编 辑
１ 海底热液活动分布
研究 表 明，现 代 海 底 热 液 活 动 主 要 集 中 分 布 在 海底张性构造带，目 前 已 发 现 的 海 底 热 液 矿 点 在 洋 中脊、弧后扩张中 心、板 内 火 山、岛 弧 型 火 山 等 构 造 环 境 中 均 有 分 布 。 表 １ 基 于 全 球 ５８８ 个 热 液 矿 点 数 据对不同构造环境下的海底热液活动分布进行了统 计分析，研究表明热 液 矿 点 分 布 最 多 的 是 离 散 型 板 块边界和汇聚型板块边界，超 过 ５０％ 的 热 液 矿 点 位 于洋中脊扩张型构 造 环 境，其 次 主 要 为 岛 弧 型 火 山 （２４％ ）和 弧 后 盆 地 （２０％ ）构 造 环 境 。 根 据 扩 张 速 率 的不同，洋中脊扩张 型 构 造 环 境 又 可 进 一 步 分 为 超 慢 速 扩 张 洋 中 脊 （＜２２ ｍｍ／ａ）、慢 速 扩 张 洋 中 脊 （２２ ～５５ｍｍ／ａ）、中速扩张洋中脊（５５～８０ ｍｍ／ａ）和 快 速 扩 张 洋 中 脊 （＞８０ ｍｍ／ａ）［１１］四 类 。
２ 洋中脊热液多金属硫化物成矿的主 要控制因素
海底 热 液 多 金 属 硫 化 物 是 海 水 在 洋 壳 中 发 生 水－岩热液作用过程形成的，海 底 的 热液循环是控制 岩石圈向水圈能量和物质 传 输 的 基 本 过 程［１４］，它 的 发生离不开海底热 源 和 通 道 的 作 用，其 分 布 和 特 征 受到洋壳热流系统和构造渗透性的控制。不同扩张 速率洋中脊构造环 境 中 深 部 岩 浆 活 动 强 度、两 侧 海 底 断 裂／裂 隙 的 发 育 程 度 与 分 布 、以 及 海 底 沉 积 物 覆 盖情况等均存在差 异，造 成 其 上 形 成 的 热 液 多 金 属 硫 化 物 具 有 明 显 不 同 的 矿 体 规 模 、类 型 和 分 布 特 征 。 本文将针对海底热 液 活 动 最 频 繁、形 成 多 金 属 硫 化 物矿点最典型的洋中脊型热液活动区开展成矿控制 因素分析。
弧后盆地在全球板块构造演化过程中处于一种 张性构造环境，在弧 后 盆 地 由 拉 张 形 成 的 断 陷 盆 地 向扩张形成洋壳的 转 换 过 程 中，深 部 地 幔 物 质 沿 着 弧 后 扩 张 中 心 上 涌 ，造 成 上 部 地 壳 不 断 拉 张 减 薄 ，弧 后扩张中心伴随强烈的岩浆作用和热液活动。已发 现的弧后盆地型热液矿点（１１７个，约 占 全 部 热 液 矿 点的２０％）主要 位 于 西 南 太 平 洋 的 劳 海 盆、马 努 斯 盆 地 、北 斐 济 弧 后 盆 地 、以 及 西 北 太 平 洋 的 冲 绳 海 槽 和马里亚纳 海 槽，其 中，上 述 热 液 矿 点 中 的 ４０％ 都 发 现 于 劳 海 盆 （表 １）。
５ ８ 海 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质
２０１３ 年
１．２ 弧 后 盆 地 构 造 环 境
图 １ 不 同 扩 张 速 率 洋 中 脊 的 热 液 矿 点 分 布 （数据来源于 ｗｗｗ．ｉｎｔｅｒｒｉｄｇｅ．ｏｒｇ）
Ｆｉｇ．１ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ ｓｉｔｅｓ ｏｎ ｍｉｄ－ｏｃｅａｎ ｒｉｄｇｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｒａｔｅｓ （Ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｗｗｗ．ｉｎｔｅｒｒｉｄｇｅ．ｏｒｇ）
硫 化 物 矿 体 主 要 位 于 高 地 形 上 ，发 育 大 量 玄 武 岩 ，其 金属类型为 Ｃｕ－Ｚｎ型。
１．３ 岛 弧 型 火 山 与 板 内 火 山 构 造 环 境
岛弧 型 火 山 构 造 环 境 形 成 的 热 液 矿 点，集 中 分 布 于 西 太 平 洋 活 动 大 陆 边 缘 的 岛 弧 区 ，如 汤 加 岛 弧 、 马 里 亚 纳 岛 弧 、伊 豆 －小 笠 原 岛 弧 等 。 板 内 火 山 构 造 环境下形成的热液 矿 点 较 少，主 要 分 布 于 太 平 洋 板 块内部，热液矿点的 形 成 受 地 幔 热 点 火 山 作 用 的 控 制，如 夏 威 夷 群 岛 的 洛 希 海 山。 此 外，地 中 海、东 太 平洋的加利福利 亚 湾 和 墨 西 哥 湾 水 深 不 超 过 ３０ ｍ 的浅海地区也发现了少量热液矿点。
构造环境
超慢速扩张洋中脊 （＜２２ ｍｍ／ａ）
慢速扩张洋中脊 洋
中
（２２～５５ ｍｍ／ａ）
脊 中速扩张洋中脊
（５５～８０ ｍｍ／ａ）
快速扩张洋中脊 （＞８０ ｍｍ／ａ）
弧后盆地
岛弧型火山 板内火山
所属大洋 北大西洋
印度洋 北冰洋 北大西洋 南大西洋 北太平洋 印度洋 北太平洋 南太平洋 印度洋 北太平洋 南太平洋 太平洋 印度洋 地中海 南极海域 太平洋 大西洋 地中海