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彭自栋等-EG:太古宙末期绿岩带中VMS-BIF成矿组合成因机制
2022-07-11 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  由火山成因块状硫化物矿床(VMS)和条带状铁建造(BIF)构成的成矿系统为太古宙绿岩带中特有的成矿组合,是前寒武纪地质构造和环境演化耦合作用的产物。该组合不仅是全球铜、锌和铁等金属的重要来源,而且记录了当时特定的构造、大气和海洋环境,因而,对其开展研究具有经济和科学两个方面的重要价值。聚焦VMS-BIF成矿组合形成机制这一关键科学问题,目前的研究工作主要集中于两类矿床共生的时空分布、构造背景、物质来源和沉积环境等方面,其中,该成矿组合的物质来源和沉积环境是当前研究的难点和热点。  

  位于华北克拉通北缘的太古宙末期的清原绿岩带,不仅是我国唯一同时发育VMSCu-Zn矿床和BIF型铁矿的绿岩带,同时也是这一时期世界范围内少有发育VMS-BIF成矿组合的研究区。中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究院重点实验室彭自栋博士后与张连昌研究员(合作导师)、王长乐副研究员联合英国利兹大学Simon Poulton教授和加拿大阿尔伯塔大学Kurt Konhauser教授等,对清原绿岩带内的多个VMSBIF矿床开展了详细的地质、地球化学、铁同位素和多硫同位素(δ33Sδ34Sδ36S)研究,有效约束了VMS-BIF成矿组合的物质来源、沉积环境和成矿机制。 

  物质来源方面:绿岩带BIF型铁矿的铁质主要来自水体中积累的由早期海底热液活动输入的Fe(II),但是不同层位BIF铁同位素的系统变化(图1A),却反映与VMS相关的成矿热液系统为晚期沉淀的BIF提供了大量铁质;含硫化物BIF和形成于海底沉积作用的层状VMS矿石中的黄铁矿具有非零的Δ33S值(平均为-0.05‰ ± 0.007‰2SDn = 9)和与典型硫同位素非质量分馏一致的Δ36S/Δ33S比值(-1 ± 0.3,图1B和图2A)说明早期缺氧大气中SO2光解作用形成的硫酸盐为其形成提供部分硫质。

1 清原绿岩带VMS-BIF成矿组合Fe-S同位素特征。(AVMS矿石黄铁矿和不同层位BIF中的磁铁矿和黄铁矿的δ56Fe值;(B)含硫化物BIFVMS矿石中黄铁矿的δ34SΔ33S

  沉积环境方面:绿岩带不同层位BIF的发育指示当时海水整体处于缺氧富铁状态。基于前人铁同位素的“扩散-反应”模型(dispersion-reaction model)计算,绿岩带最下部BIF正的δ56Fe值(0.48–0.69 ‰)指示表层海水的氧气含量约为10-4~10-3 μmol/L(图2B)。沉积型层状VMS矿石中黄铁矿接近于零的δ56Fe值(-0.58~0.51 ‰,图1A),反应其形成于受海底热液活动形成的局部硫化水体。     

2 清原绿岩带VMS-BIF成矿组合铁同位素和多硫同位素判别图。(A)含硫化物BIFVMS矿石中黄铁矿具有与典型硫同位素非质量分馏(MIF)效应一致的Δ36S/Δ33S比值。(B)绿岩带最下部BIF与不同时期沉积型铁氧化物的δ56Fe值对比及模拟计算的可能表层水体氧气含量

  成矿机制方面:网脉状、块状和层状VMS矿石系统变化的Cu含量和Cu/(Cu+Zn)比值反应成矿流体从早期阶段海底热液主导向晚期阶段海水主导转变,该认识与上述矿石的FeS同位素差异相匹配。基于该绿岩带构造演化模型,本研究认为在弧间盆地拉张的早期阶段,海底主要发育一些低温热液系统,成矿作用以BIF沉淀为主,铁质的部分氧化沉淀会导致水体的δ56Fe值偏负(图3A);在拉张峰期阶段,海底发育高温热液系统,此时热液喷口处形成VMS矿床,远离喷口则发育BIF;同时,VMS热液系统向海水中输入的Fe(II)会显著改变盆地水体的铁同位素组成(图3B),这一变化体现在绿岩带上部BIF铁同位素组成上(图3C)。     

  该研究不仅有助于完善国际上关于早期地球表层系统物质循环和环境演变与成矿作用之间耦合机制的认识,而且可为建立VMS-BIF成矿组合的成因机制模型提供实例支撑。 

3 清原绿岩带VMS-BIF成矿组合成矿模式示意图

  研究成果发表于国际矿床学杂志Economic Geology(彭自栋,王长乐Simon Poulton,佟小雪,Kurt Konhauser张连昌. Origin of the Neoarchean VMS-BIF Metallogenic Association in the Qingyuan Greenstone Belt, North China Craton: Constraints from Geology, Geochemistry, and Iron and Multiple Sulfur (δ33S, δ34S, and δ36S) Isotopes [J]. Economic Geology, 2022, 117(6): 1275–1298. DOI: 10.5382/econgeo.4920)。研究受所岩石圈演化国家重点实验室独立研究项目(No. 1191139)、所重点部署项目(IGGCAS-201905)和国家自然科学基金青年基金项目(41902078)联合资助。

 
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