成矿作用与成矿模式 讲课稿

早期,许多矿床的成矿物质来源均被认为是比较单一的,如:
热液矿床的成矿物质认为都是与花岗岩及其分异产物有关, 沉积矿床都是与陆源沉积作用有关。
成矿物质主要 来自地球各圈 层（主要为地 壳、地幔）
Siderophile: Core Lithophile: Silicate shell Atmophile: Atmosphere & hydrosphere Goldschmidt‘s classification
成矿物质多来源的认识逐步形成,提出成矿物质不仅来自地球各 圈层（主要为地壳、地幔）, 而且亦可能有宇宙来来自百度文库。 对大多数大型超大型矿床来说,成矿物质来源往往不是单一的,如:
白云鄂博铁—铌—稀土矿床 大厂锡多金属矿床 柿竹园钨—锡—钼—铋矿床
1
亲石元素 lithophile

亲铜元素chalcophile
成矿物质来源研究: 新的同位素方法
Cu同位素
65Cu =
( 65 Cu / 63Cu ) sample
65 63
( Cu / Cu ) reference
1 10 00
• Cu standard: NIST 976 certified value 65Cu/63Cu=0.4456±4
Fe同位素
( 57 Fe Fe 57 （ Fe
57 54 54
各储库Fe同位素组成特征
1 10000
Fe) 样品 Fe） 标样
Standard: IRMM-14
xFe= [(xFe/54Fe)samp/(xFe/54Fe)std-1] x 104
矿床的Fe同位素
56
Fe同位素
( 56 Fe δ Fe 56 （ Fe
54 54
Fe) 样品 Fe） 标样
1 1000
其中标样为15块地球火成岩石和5块高钛月球玄武岩(E-M) 的平均值，其（54Fe/56Fe）E-M=0.063683±0.000017， Beard & Johnson (1999)认为地球和月球岩石的Fe同位素 组成十分均一。 也有人用冰岛的玄武岩BIR-1 或欧共体联合研究中心标准 物质研制与测量研究所提供的IRMM-14作为标样。

研究发现，黄铜矿、黄铁矿的δ56Fe与Se含量呈明显的正相 关关系， Se富集的样品其δ56Fe值接近玄武岩的值，而Se 亏 损的样品明显富集Fe的轻同位素，说明热液流体因为温度 降低、硫化物沉积而发生了明显的Fe同位素分馏效应 （δ56Fe比值降低）。
• • • • • 成矿溶液的硫同位素组成 成矿温度 pH fO2 受矿物形成时体系的开放或封闭性质所控制
Furong
花岗岩和地层都提供了成矿所需的硫
热液矿床的硫同位素组成与成矿的 物理化学环境

热液矿床的硫同位素组成与成矿的 物理化学环境

在高温（ T>400℃）条件下，热液体系中硫主要为 H2S和SO2。热液全硫(∑S) 的34S值可表示为：
Cu同位素
产 地
65Cu(‰) -0.23 ~ +0.13
与岩浆岩有关的高温热液矿 英国Cornwall， 南非Bushveld, 床中黄铜矿 芬兰Outokumpo 等地
岩浆成因铜镍硫化物矿床中 加拿大Sudbury矿 -0.62 ~ +0.40 黄铜矿 床 -0.48 ~ +1.15 现代大洋底块状硫化物矿床 21oN EPR 中黄铜矿 13oN EPR Broken Spur
成矿作用与成矿模式
蒋少涌 shyjiang@cug.edu.cn
中国地质大学(武汉) 2015-12
讲座提纲
成矿作用研究 必须回答如下三个问题: 成矿物质来源 成矿流体来源 成矿年代
成矿模式建立：成矿地质背景、成矿地质 体、成矿构造、成矿作用、等综合因素
Why？When？Where？
How？
1. 成矿物质来源

长江中下游块状硫化物矿床 安徽冬瓜山铜矿 太古代火山岩容矿型块状硫 辽宁红透山 化物矿床

Zn同位素
由于团块状黄铜矿是在早成矿阶段，高温环境下形成的，脉状 黄铜矿是在晚成矿阶段，相对低温的环境形成的。因此，团块 状黄铜矿铜同位素组成相对较高，而脉状黄铜矿铜同位素组成 相对较低，表明了65Cu值的变化可能受成矿温度和成矿阶段 这两个因素的影响，但也不排除不同成矿物质来源对 Cu值的 制约。
250℃平衡 条件下热液 硫同位素组 成与成矿物 理化学条件 （fo2，pH） 关系图
在高fo2条件下形成的硫化物比热液的34S值要小很多。 只有在低fo2和低pH条件下，硫化物的34S值才与热液的 34S值相近。
pH=6条件下，fO2= -37, 硫化物的34S值=热液34S值 fO2= -34, 硫化物的34S值 (-20) << 热液34S值
铅构造模式图
Pb Pb i
Pb Pb i Pb Pb i
238 92
4 U 206 82 Pb 8 2 He 6e Q
==> ==> ==>
Pb Pb
Pb Pb Pb Pb
6
Zn同位素
Jiang等（2001）: 两个岩浆热液矿床中闪锌矿的66Zn值为 +0.20‰~+0.21‰。 一个变质热液矿床中的硅锌矿、锌铁尖晶石和红 锌矿的66Zn值无变化，均为+0.21‰。 尽管对Zn同位素的分馏机理还知之甚少，但不同 的成矿环境和成矿物质来源可能是控制Zn同位素 分馏的主因，而不同含锌矿物间不存在明显的Zn 同位素分馏。
5
Cu同位素
Jiang等（2001）: 矿床类型 低温热液脉状铜矿床 喷流沉积成因铜矿 产 地 云南金满、白秧 坪 江西东乡 65Cu(‰) -3.70 ~ +0. 30 -1.34 ~ -1.05 +0.32 ~ +0.78 +1.26 ~ +1.55
Cu同位素
Jiang等（2001）:云南金满铜矿是
产于兰坪—思茅盆地中侏罗系沉 积砂岩、泥岩中的一个低温热液 脉状铜矿床。 本文首次报道了产于该矿床中的 含Cu硫化物的Cu同位素组成，发 现其65Cu值较低，变化范围为3.70‰~+0.30‰，明显不同于高温 岩浆热液铜矿床（65Cu值为0.62‰~+0.40‰）和大洋底块状硫 化物矿床（65Cu值为0.48‰~+1.15‰）。 我们认为较低的成矿温度，不同 的成矿物质来源，不同的成矿阶 段和有机质参入成矿等因素可能 是造成金满型低温热液脉状铜矿 床Cu同位素分馏的原因。
在陨石硫化物相和陨硫铁(FeS)中富集的化 学元素； 在自然界中,它们往往易与S2-结合成硫化物 和复杂硫化物。如硫、铜、锌、铅、镉、 砷、银、硒、碲、锑等。 其离子最外层有18个电子。
在陨石硅酸盐相中富集的化学元素; 明显 富集在地壳内。 在自然界中都以氧化物,含氧盐，特别是 硅酸盐的形式出现。如硅、铝、钾、钠、 钙、镁、铷、锶、铀、稀土元素等。 其离子最外层电子数为2或8。
氧化态SO42-（海洋蒸发岩） 自然硫S（如某些沉积矿床及火山中） 还原态S2- （如金属硫化物）


Furong tin deposit
自然界中硫同位素分馏十分大， 34S值变化为: -65‰ ~ +120 ‰
硫同位素组成和硫源

热液矿床的硫同位素组成与成矿的 物理化学环境
热液矿床中含硫矿物的硫同位素组成:
206 204
238 204
U 238t (e 1) Pb
U 235t (e 1) Pb
235 92
4 U 207 82 Pb 7 2 He 4e Q
207 204
207 204
235 204
铅同位素研究中使用最多的是Zartman & Doe（ 1981）的铅构造模式图 用该模式图确实可以判断出某矿床的铅来自地 球的哪一圈层（上地壳、下地壳、地幔或混合 铅）





亲气元素atmophile
上地幔－超基性岩-基性岩岩浆源

组成地球大气圈的主要元素, 惰性气体元素,以及主要呈易挥发化合物 存在的元素。如氢、氮、碳、氧、及惰 性气体元素等。
Norilsk Sudbury
Bushveld
地壳－硅铝质物质重熔岩浆
• 可能存在大量地幔物质的贡献
地壳表层的沉积或化学过程
( 65 Cu / 63Cu ) sample ε 65 Cu = 65 1 10 000 63 ( Cu / Cu ) reference
Cu同位素
Marechal等（1999）首次分析了采自世界各地的7个含铜矿物，发
现Cu同位素组成变化范围十分大，65Cu值为-3.03‰~+5.74‰，其 中最低值为一个自然铜样品，最高值为一个黄铜矿样品。 产地 太平洋Lau 盆地 秘鲁Chuquicamata 美国Morenci 美国Ray 扎伊尔Shaba 法国Chessy 美国Bagdad 矿物 黄铜矿 黄铜矿 黄铜矿 自然铜 孔雀石 蓝铜矿 硅孔雀石 65Cu(‰) 0.32 0.27 5.74 -3.03 -0.24 2.05 -1.25 Zhu等（2000）: 矿床类型
蒸发岩型盐类
2
Large Impact creates Moon, magma ocean, core
示踪成矿物质来源所用的方法
成矿物质不 仅来自地球 各圈层（主 要为地壳、 地幔）, 而且 亦可能有宇 宙来源。
元素地球化学 稳定同位素 放射性同位素
成矿物质来源研究
应用铅和硫同位素来判别 成矿物质来源是矿床地球化学研究 中的一种基本方法。
Beard et al. (1999, Science)
太古代沉积条带状铁矿石的56Fe值为0‰ ~ +0.35‰ 而元古代条带状铁矿石的56Fe值变化稍大，为-0.34‰ ~ +0.91‰
Sharma et al. (2001, EPSL)
Juan de Fuca洋脊海底高温（>350oC）热液的56Fe值为0.30‰ ~ -0.77‰ 从该热液体系中沉淀的硫化物的56Fe值为-0.71‰ ~ -0.14‰
Pb同位素
母体 238U 、 235U 、 232Th 经过系列衰变最终分 别转变为稳定的子体206Pb、207Pb、208Pb。 Pb有 4个天然存在的同位素，即除了这三个 放射成因的同位素以外，还有一个非放射成 因的稳定同位素204Pb。
Pb同位素


206 204
Zn同位素
Jiang等（2001）: 对世界上十几个典型沉积岩容矿型（SEDEX）和 火山岩容矿型（VHMS）块状硫化物矿床的Zn同 位素组成的分析表明: SEDEX型矿床的66Zn值为-0.64‰~+0.15‰， VHMS型矿床的66Zn值稍有增高，为-0.51‰~+0.21‰， 它们均接近于现代大洋底黑烟囱的66Zn值（0.19‰）。
在中低温（T<350℃）条件下，热液体系中硫 以硫酸盐和H2S为主，其同位素组成可表示为：
34S∑s= 34SH2SXH2S+ 34SSO2XSO2

式中XH2S和XSO2分别是热液中H2S和SO2相对于总硫 的摩尔分数。
4
250℃平衡 条件下热液 硫同位素组 成与成矿物 理化学条件 （fo2，pH） 关系图
232 90
4 Th 208 82 Pb 6 2 He 4e Q
208 204
208 204
232 204
Th 232t (e 1) Pb
3
铅构造模式图

硫同位素
硫有4种稳定同位素：32S(95.02%), 33S(0.75%), 34S(4.21%), 36S(0.02%) 自然界中硫以多种价态存在：如
( 66 Zn δ Zn 66 （ Zn
66
64 64
Zn) 样品 Zn） 标样
1 1000
其中标样用Johnson & Mattey公司提供的JMC Zn溶液。
Zn同位素
Marechal等（1999）: 对现代大洋底沉积物的Zn同位素组成分 析表明，其66Zn值变化较小，且为正值 （+0.17‰~+0.33‰）； 三个热液矿床中硫化物66Zn值也为正值 （+0.02‰~+0.44‰）； 而一个现代大洋底黑烟囱中硫化物矿石的 66Zn值为负值（-0.19‰）。