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《華南下寒武統重晶石礦床的地球化學特徵：以天柱大河邊-新晃超大型重晶石礦床為例》選取華南揚子地塊東南緣的湘黔桂陸緣斷陷盆地為主要研究區，以天柱大河邊一新晃重晶石礦床、玉屏重晶石礦床為主要典型研究礦床，通過對上述兩個重晶石礦床的礦石礦物學、微量元素地球化學、同位素地球化學及其熱水沉積成礦機制的研究，探討了熱水沉積成礦作用與生物一環境演化關係，認為華南晚震旦一早寒武世熱水沉積成礦作用促進了生物一環境演化，並為後期的華南燕山期大面積成礦提供了重要的成礦物質來源。《華南下寒武統重晶石礦床的地球化學特徵：以天柱大河邊-新晃超大型重晶石礦床為例》可供礦物岩石礦床學、地球化學等方面的研究人員參考使用。·
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《華南下寒武統重晶石礦床的地球化學特征:以天柱大河邊-新晃超大型重晶石礦床為例》可供礦物巖石礦床學、地球化學等方面的研究人員參考使用。
目次
前言第1章 緒論1.1 研究目的與意義1.2 研究現狀1.2.1 熱水沉積作用的研究現狀1.2.2 熱水沉積礦床的分類及特點1.2.3 海相熱水沉積礦床的研究意義1.2.4 我國熱水沉積成礦作用的研究現狀及發展趨勢1.3 研究內容、方法與技術路線1.3.1 研究內容1.3.2 研究方法與技術路線第2章 區域地質背景2.1 大地構造背景2.2 區域地層2.2.1 前寒武系地層2.2.2 古生界2.2.3 中、新生界2.3 區域構造2.3.1 江南深大斷裂2.3.2 鎮遠一芷江深斷裂2.3.3 貢溪複式向斜2.4 區域岩漿活動2.5 區域礦產分佈本章小結第3章 礦床地質特徵3.1 天柱大河邊一新晃超大型重晶石礦床地層與構造特徵3.1.1 礦區構造特徵3.1.2 礦區地層特徵3.2 礦體特徵3.3 礦石礦物特徵3.4 玉屏重晶石礦床地質概況3.4.1 礦區構造與地層特徵3.4.2 礦體與礦石礦物特徵本章小結第4章 礦床礦物學特徵4.1 礦石礦物組成及其特徵4.1.1 礦物分析方法4.1.2 重晶石4.1.3 鋇冰長石4.1.4 黃鐵礦等硫化物礦物4.1.5 含稀土礦物4.1.6 礦石礦物流體包裹體特徵4.2 礦床成因指示本章小結第5章 礦床微量元素地球化學特徵5.1 微量元素地球化學特徵5.1.1 微量元素分析方法5.1.2 天柱大河邊一新晃重晶石礦床微量元素地球化學特徵5.1.3 玉屏重晶石礦床微量元素地球化學特徵5.2 稀土元素地球化學特徵5.2.1 天柱大河邊一新晃重晶石礦床稀土元素地球化學特徵5.2.2 玉屏重晶石礦床稀土元素地球化學特徵本章小結第6章 同位素地球化學特徵6.1 碳、氧同位素地球化學特徵6.1.1 碳、氧同位素組成6.1.2 碳的來源探討6.2 硫同位素地球化學特徵6.3 鉛同位素地球化學特徵6.3.1 鉛同位素組成6.3.2 鉛的來源探討6.4 鍶同位素地球化學特徵6.4.1 海水的鍶同位素組成與演化6.4.2 鍶同位素組成6.4.3 鍶的來源探討本章小結第7章 熱水沉積成礦作用與生物一環境演化7.1 礦床熱水沉積成礦機制7.1.1 區域構造特徵7.1.2 岩相古地理特徵7.1.3 礦床地球化學特徵7.1.4 礦床成礦模式7.1.5 找礦遠景及標誌7.2 華南晚震旦一早寒武世熱水沉積成礦作用與生物一環境演化7.2.1 熱水沉積成礦作用促進生物一環境演化7.2.2 生物一環境演化有利於熱水沉積成礦本章小結第8章 結束語8.1 主要研究成果與結論要點8.2 存在的問題參考文獻·
書摘/試閱
第1章 緒論
1.1 研究目的與意義
華南揚子地塊是我國古熱水沉積成礦作用最為發育的地區之一，其熱水沉積特性最早引起我國學者的關注（陳先沛，1986）。華南下寒武統黑色巖系中賦存多個與熱水沉積成礦作用相關的大型、超大型重晶石礦床，其形成的時間區段正值寒武紀“生命大爆發”前夕及開始時間。Lott（1999）、Li（2000）、Steiner（2001）、Ma（2004，2003）、Pan（2004）等對華南下寒武統底部Ni-Mo-U-V多金屬富集層進行了系統的礦物學與地球化學研究。研究表明，Ni-Mo-U-V多金屬富集層形成于海相熱水沉積作用。Ma（2004，2003）、Pan（2004）等對華南下寒武統黑色巖系的微量元素研究表明，華南下寒武統底部黑色巖系由于熱水沉積作用影響而強烈富集Ni、Mo、V、U、Ba等成礦元素。
天柱大河邊―新晃重晶石礦床、玉屏重晶石礦床位于華南揚子地塊的東南緣，湘黔桂陸緣斷陷盆地中，湘黔邊界處（朱訓等，1999）。其中大河邊―新晃重晶石礦床是儲量最大、礦石質量最好的超大型重晶石礦床，礦床產出在下寒武統牛蹄塘組底部，含礦巖系為黑色硅質巖、碳質頁巖夾磷塊巖、重晶石礦層和碳質頁巖序列。國內外許多學者就華南下寒武統重晶石礦床的分布、組成特征和沉積類型進行了廣泛的討論，但對其成因尚有許多爭議：褚有龍（1989）持陸源化學沉積成因的觀點；高懷忠（1998）則認為海水中的浮游生物和藻類對鋇（Ba）的富集和沉積起著至關重要的作用，提出了生物化學沉積成礦模式；彭軍等（1999）通過對重晶石包裹體特征的研究，吳朝東等（1999a）、方維萱等（2002）通過對重晶石礦床礦石和圍巖的微量元素及稀土元素地球化學特征的研究，均認為礦床的形成是海底熱水沉積作用的結果。
選擇大河邊―新晃重晶石礦床、玉屏重晶石礦床作為華南下寒武統典型的重晶石礦床開展系統的礦物學、巖石學、地球化學研究，不僅有助于進一步探討分布在華南揚子地塊黑色巖系中的金屬、非金屬礦床成因及其地球化學特征，而且對認識華南乃至全球晚震旦―早寒武世生物與環境演化有著十分重要的意義。
1.2 研究現狀
1.2.1 熱水沉積作用的研究現狀
熱水沉積作用是指巖石圈中以水為主的流體體系在其循環流動中，獲得化學物質，到達地表或地表附近時，所發生的沉積作用、交代充填作用和熱動力作用（侯增謙等，2003）。巖石圈中熱水沉積作用是非常重要的地質作用，經常伴生成礦物質的富集。自20世紀60年代初首次在紅海海底發現現代熱水沉積物以來，對該現象的研究已引起國內外學者的廣泛關注，并已成為地質學理論的新生長點。由于熱水沉積作用的復雜性，不同學者以不同的名詞來表達熱水沉積作用，如噴氣沉積、噴流沉積、熱鹵水沉積、熱液沉積、溫泉堆積等，不同的歷史階段，對熱水沉積作用內涵的認識不是完全一致的。
通過熱水沉積作用形成的礦床被稱為熱水沉積礦床（陳先沛等，1997）。涂光熾先生（1987）將熱水沉積礦床定義為：“熱水沉積礦床是指在熱水介質（海水、湖水和熱泉等，水溫在90～350℃或更高）中形成的礦床。”
熱水沉積作用最早的概念為噴氣成礦作用。Vogt于1889年就提出了產于火山巖和火山沉積巖中塊狀硫化物礦床與海底火山活動有關的論點，德國著名的礦床學家Schneiderhohm首先將噴氣作用（exha-lation）引入礦床學，并于1925年明確提出了“礦化流體海底上升噴氣”的理論（劉家軍等，1991）。最初的噴氣作用專指與巖漿有關的成礦作用，其“氣”專指巖漿分離出的氣體。1958年，C.Oftedahl修改了礦床噴氣起源的舊概念，首次系統地闡述了海底噴氣沉積成礦的假說，并命名為“exhalativesedimentary”，引起了地質學界的極大關注與爭議。
1948年，瑞典海洋考察船“Albatross”（信天翁）號在紅海中部水深1937m處發現水溫及鹽度異常，從而拉開了人類認識現代海底熱水沉積作用的序幕。自20世紀60年代以來，通過大規模的海洋地質調查，首先在紅海海底發現了熱鹵水池及其中2m厚的富含Fe、Mn、Zn、Cu的沉積礦化體；1977年又在東太平洋隆起水深2600m以下的海底直接觀察到了噴溢的熱水柱（黑煙囪），隨后陸續在各大洋中脊有熱水噴流的發現和報道（Horibeetal.，1986；Rona，1984，1983；Edmonetal.，1983）。到1988年已發現150余處海底熱泉，而且還不斷有新的海底熱泉被發現（陳先沛等，1997）。現代熱水沉積作用的發現大大推動了熱水沉積礦床理論的研究，礦床學家經過深入的研究發現：產于沉積巖中的許多“噴氣”礦床并不伴隨明顯的氣體噴射活動，而主要是熱液的沉積作用。Sangster（1985）認為：“噴氣實際上是指噴到海底的流體而不是氣體，因為從通道搬運至海底，應當是液體狀態”。所以許多學者用“噴流沉積作用”或“噴溢沉積作用”代替了“噴氣沉積作用”。
80年代以來，“噴流沉積”或“噴溢沉積”礦床的研究受到國內學者普遍重視，并創造性地提出了熱水沉積作用的概念。涂光熾（1989，1987）首先指出：“熱水沉積礦床指在熱水介質中形成的礦床。礦床主體以沉積方式形成于水巖界面之上的水體中，但也包含此界面以下可能存在的，以交代和充填方式形成的筒狀、錐狀或面型熱液含礦蝕變體，兩者可共生或分別出現。”這個范圍較廣泛的定義深刻地揭示了熱水沉積礦床的本質。王秀璋等（1986）認為熱水沉積礦床是層控礦床的一種特殊類型，包括過去所稱的火山沉積礦床、火山噴氣礦床、熱泉礦床、海底噴氣礦床等。陳先沛等（1997）對熱水沉積礦床開展了深入系統的研究，并得出了以下重要結論：
（1）溫度明顯高于當地背景溫度的水稱為熱水，熱水溫度可達幾十至數百攝氏度，且溫度越高，成礦意義越大。
（2）熱水的來源是相當復雜的，可以是地表的大氣水、海水、巖漿期后熱液或上述幾種的混合，熱水沉積作用僅僅強調水的熱狀態、運移方向和堆積方式，而不涉及水的來源。
（3）熱水沉積作用與過去流行的熱液作用既有區別又有聯系，熱液成礦作用強調地表之下的交代、充填、結晶作用，而熱水沉積作用主要是地表水巖界面附近所發生的沉積作用，也有交代、充填和熱動力作用。
總之，熱水沉積這個廣義的術語概括了循環對流的熱水體系在涌出帶附近所發生的作用，它包括了噴氣沉積作用與噴流沉積作用。對熱水沉積作用的研究包括對現代熱水體系的觀察和古代熱水沉積作用的識別與重建。
1.2.2 熱水沉積礦床的分類及特點
由于熱水沉積礦床包括了范圍廣泛的成礦系列，故有很多的分類方案，但主要根據以下三方面進行劃分。
1）根據礦床的容礦巖石及成礦環境劃分
如Sangster（1985）將火山噴氣沉積礦床劃分為三類，即產于沉積巖、火山巖及火山沉積巖環境中的礦床。白文吉（1985）將熱水沉積礦床劃分成四類，即黑礦型（產于海洋區板塊聚斂處的長英質鈣堿性火山巖中）、塞浦路斯型（產于板塊擴張處蛇綠巖體上部的低鉀玄武質火山巖中）、別子型（產于無固定板塊構造環境中的碎屑沉積巖及鐵鎂質火山巖中）、沙利文型（產于沉積巖為主的巖系中）。涂光熾（1989）將產于地層中的熱水沉積礦床分為兩大類，即產于主要為火山巖層序中的礦床與產于火山巖中的礦床，然后按其他標志進行細分。
2）根據礦石組分劃分
如Huchison（1973）首先提出按礦石組分將火山噴氣沉積礦床劃分為三類，即Zn-Cu型、Pb-Zn-Cu-Ag型與Cu-黃鐵礦型；Rona（1984）將現代洋底擴張中心的熱水沉積礦床按成分與結構分為五類：塊狀硫化物類、浸染狀硫化物類、網脈狀硫化物類、結核狀氧化物類與含金屬沉積物類。
3）根據大地背景來劃分
如芮宗瑤（1989）將火山噴氣沉積礦床劃分為六類：大洋中脊型、海溝型、火山島弧型、弧后盆地型、大陸裂谷黑碎屑巖型與大陸裂谷碳酸巖型。
熱水沉積礦床有以下主要的特征：
（1）熱水沉積作用與洋中脊、裂谷和斷陷盆地的發育和演化密切相關（王京彬，1991；李朝陽，1990；Kazmin，1987），如現代熱水沉積作用主要發生在洋中脊附近。一些著名的超大型礦床，如加拿大沙利文Pb-Zn礦床、澳大利亞麥克阿瑟河礦床與芒特艾薩礦床及德國麥根礦床都產于裂谷帶中。
（2）熱水沉積礦床礦石具有一定特征的結構構造及不對稱蝕變，產于水巖界面以上的礦體是沉積作用形成，……
1.1 研究目的與意義
華南揚子地塊是我國古熱水沉積成礦作用最為發育的地區之一，其熱水沉積特性最早引起我國學者的關注（陳先沛，1986）。華南下寒武統黑色巖系中賦存多個與熱水沉積成礦作用相關的大型、超大型重晶石礦床，其形成的時間區段正值寒武紀“生命大爆發”前夕及開始時間。Lott（1999）、Li（2000）、Steiner（2001）、Ma（2004，2003）、Pan（2004）等對華南下寒武統底部Ni-Mo-U-V多金屬富集層進行了系統的礦物學與地球化學研究。研究表明，Ni-Mo-U-V多金屬富集層形成于海相熱水沉積作用。Ma（2004，2003）、Pan（2004）等對華南下寒武統黑色巖系的微量元素研究表明，華南下寒武統底部黑色巖系由于熱水沉積作用影響而強烈富集Ni、Mo、V、U、Ba等成礦元素。
天柱大河邊―新晃重晶石礦床、玉屏重晶石礦床位于華南揚子地塊的東南緣，湘黔桂陸緣斷陷盆地中，湘黔邊界處（朱訓等，1999）。其中大河邊―新晃重晶石礦床是儲量最大、礦石質量最好的超大型重晶石礦床，礦床產出在下寒武統牛蹄塘組底部，含礦巖系為黑色硅質巖、碳質頁巖夾磷塊巖、重晶石礦層和碳質頁巖序列。國內外許多學者就華南下寒武統重晶石礦床的分布、組成特征和沉積類型進行了廣泛的討論，但對其成因尚有許多爭議：褚有龍（1989）持陸源化學沉積成因的觀點；高懷忠（1998）則認為海水中的浮游生物和藻類對鋇（Ba）的富集和沉積起著至關重要的作用，提出了生物化學沉積成礦模式；彭軍等（1999）通過對重晶石包裹體特征的研究，吳朝東等（1999a）、方維萱等（2002）通過對重晶石礦床礦石和圍巖的微量元素及稀土元素地球化學特征的研究，均認為礦床的形成是海底熱水沉積作用的結果。
選擇大河邊―新晃重晶石礦床、玉屏重晶石礦床作為華南下寒武統典型的重晶石礦床開展系統的礦物學、巖石學、地球化學研究，不僅有助于進一步探討分布在華南揚子地塊黑色巖系中的金屬、非金屬礦床成因及其地球化學特征，而且對認識華南乃至全球晚震旦―早寒武世生物與環境演化有著十分重要的意義。
1.2 研究現狀
1.2.1 熱水沉積作用的研究現狀
熱水沉積作用是指巖石圈中以水為主的流體體系在其循環流動中，獲得化學物質，到達地表或地表附近時，所發生的沉積作用、交代充填作用和熱動力作用（侯增謙等，2003）。巖石圈中熱水沉積作用是非常重要的地質作用，經常伴生成礦物質的富集。自20世紀60年代初首次在紅海海底發現現代熱水沉積物以來，對該現象的研究已引起國內外學者的廣泛關注，并已成為地質學理論的新生長點。由于熱水沉積作用的復雜性，不同學者以不同的名詞來表達熱水沉積作用，如噴氣沉積、噴流沉積、熱鹵水沉積、熱液沉積、溫泉堆積等，不同的歷史階段，對熱水沉積作用內涵的認識不是完全一致的。
通過熱水沉積作用形成的礦床被稱為熱水沉積礦床（陳先沛等，1997）。涂光熾先生（1987）將熱水沉積礦床定義為：“熱水沉積礦床是指在熱水介質（海水、湖水和熱泉等，水溫在90～350℃或更高）中形成的礦床。”
熱水沉積作用最早的概念為噴氣成礦作用。Vogt于1889年就提出了產于火山巖和火山沉積巖中塊狀硫化物礦床與海底火山活動有關的論點，德國著名的礦床學家Schneiderhohm首先將噴氣作用（exha-lation）引入礦床學，并于1925年明確提出了“礦化流體海底上升噴氣”的理論（劉家軍等，1991）。最初的噴氣作用專指與巖漿有關的成礦作用，其“氣”專指巖漿分離出的氣體。1958年，C.Oftedahl修改了礦床噴氣起源的舊概念，首次系統地闡述了海底噴氣沉積成礦的假說，并命名為“exhalativesedimentary”，引起了地質學界的極大關注與爭議。
1948年，瑞典海洋考察船“Albatross”（信天翁）號在紅海中部水深1937m處發現水溫及鹽度異常，從而拉開了人類認識現代海底熱水沉積作用的序幕。自20世紀60年代以來，通過大規模的海洋地質調查，首先在紅海海底發現了熱鹵水池及其中2m厚的富含Fe、Mn、Zn、Cu的沉積礦化體；1977年又在東太平洋隆起水深2600m以下的海底直接觀察到了噴溢的熱水柱（黑煙囪），隨后陸續在各大洋中脊有熱水噴流的發現和報道（Horibeetal.，1986；Rona，1984，1983；Edmonetal.，1983）。到1988年已發現150余處海底熱泉，而且還不斷有新的海底熱泉被發現（陳先沛等，1997）。現代熱水沉積作用的發現大大推動了熱水沉積礦床理論的研究，礦床學家經過深入的研究發現：產于沉積巖中的許多“噴氣”礦床并不伴隨明顯的氣體噴射活動，而主要是熱液的沉積作用。Sangster（1985）認為：“噴氣實際上是指噴到海底的流體而不是氣體，因為從通道搬運至海底，應當是液體狀態”。所以許多學者用“噴流沉積作用”或“噴溢沉積作用”代替了“噴氣沉積作用”。
80年代以來，“噴流沉積”或“噴溢沉積”礦床的研究受到國內學者普遍重視，并創造性地提出了熱水沉積作用的概念。涂光熾（1989，1987）首先指出：“熱水沉積礦床指在熱水介質中形成的礦床。礦床主體以沉積方式形成于水巖界面之上的水體中，但也包含此界面以下可能存在的，以交代和充填方式形成的筒狀、錐狀或面型熱液含礦蝕變體，兩者可共生或分別出現。”這個范圍較廣泛的定義深刻地揭示了熱水沉積礦床的本質。王秀璋等（1986）認為熱水沉積礦床是層控礦床的一種特殊類型，包括過去所稱的火山沉積礦床、火山噴氣礦床、熱泉礦床、海底噴氣礦床等。陳先沛等（1997）對熱水沉積礦床開展了深入系統的研究，并得出了以下重要結論：
（1）溫度明顯高于當地背景溫度的水稱為熱水，熱水溫度可達幾十至數百攝氏度，且溫度越高，成礦意義越大。
（2）熱水的來源是相當復雜的，可以是地表的大氣水、海水、巖漿期后熱液或上述幾種的混合，熱水沉積作用僅僅強調水的熱狀態、運移方向和堆積方式，而不涉及水的來源。
（3）熱水沉積作用與過去流行的熱液作用既有區別又有聯系，熱液成礦作用強調地表之下的交代、充填、結晶作用，而熱水沉積作用主要是地表水巖界面附近所發生的沉積作用，也有交代、充填和熱動力作用。
總之，熱水沉積這個廣義的術語概括了循環對流的熱水體系在涌出帶附近所發生的作用，它包括了噴氣沉積作用與噴流沉積作用。對熱水沉積作用的研究包括對現代熱水體系的觀察和古代熱水沉積作用的識別與重建。
1.2.2 熱水沉積礦床的分類及特點
由于熱水沉積礦床包括了范圍廣泛的成礦系列，故有很多的分類方案，但主要根據以下三方面進行劃分。
1）根據礦床的容礦巖石及成礦環境劃分
如Sangster（1985）將火山噴氣沉積礦床劃分為三類，即產于沉積巖、火山巖及火山沉積巖環境中的礦床。白文吉（1985）將熱水沉積礦床劃分成四類，即黑礦型（產于海洋區板塊聚斂處的長英質鈣堿性火山巖中）、塞浦路斯型（產于板塊擴張處蛇綠巖體上部的低鉀玄武質火山巖中）、別子型（產于無固定板塊構造環境中的碎屑沉積巖及鐵鎂質火山巖中）、沙利文型（產于沉積巖為主的巖系中）。涂光熾（1989）將產于地層中的熱水沉積礦床分為兩大類，即產于主要為火山巖層序中的礦床與產于火山巖中的礦床，然后按其他標志進行細分。
2）根據礦石組分劃分
如Huchison（1973）首先提出按礦石組分將火山噴氣沉積礦床劃分為三類，即Zn-Cu型、Pb-Zn-Cu-Ag型與Cu-黃鐵礦型；Rona（1984）將現代洋底擴張中心的熱水沉積礦床按成分與結構分為五類：塊狀硫化物類、浸染狀硫化物類、網脈狀硫化物類、結核狀氧化物類與含金屬沉積物類。
3）根據大地背景來劃分
如芮宗瑤（1989）將火山噴氣沉積礦床劃分為六類：大洋中脊型、海溝型、火山島弧型、弧后盆地型、大陸裂谷黑碎屑巖型與大陸裂谷碳酸巖型。
熱水沉積礦床有以下主要的特征：
（1）熱水沉積作用與洋中脊、裂谷和斷陷盆地的發育和演化密切相關（王京彬，1991；李朝陽，1990；Kazmin，1987），如現代熱水沉積作用主要發生在洋中脊附近。一些著名的超大型礦床，如加拿大沙利文Pb-Zn礦床、澳大利亞麥克阿瑟河礦床與芒特艾薩礦床及德國麥根礦床都產于裂谷帶中。
（2）熱水沉積礦床礦石具有一定特征的結構構造及不對稱蝕變，產于水巖界面以上的礦體是沉積作用形成，……
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