斑岩铜矿研究的若干进展

第16卷第4期2001年8月

地球科学进展

ADVANCE IN EAR TH SCIENCES

Vol.16　No.4

Aug.,2001

文章编号:100128166(2001)0420514206

斑岩铜矿研究的若干进展Ξ

王奖臻1,2,李朝阳1,胡瑞忠1

(11中国科学院地球化学研究所矿床地球化学开放研究实验室,贵州　贵阳　550002;

21成都理工学院,四川　成都　610059)

摘　要:综述了近年来斑岩铜矿研究领域取得的最新成果。包括6个方面:①斑岩铜矿与岩浆的氧化状态有关,只有氧化型岩浆才能形成斑岩铜矿,并提出了确定岩浆氧化状态的新标志;②岩浆中硫和氯的含量、存在状态、溶解度等对成矿有重要控制作用;③岩浆能否较早达到水过饱和状态,并发生流体相的出溶是成矿的另一个控制因素;④俯冲板片释放出的流体对上覆楔形地幔的交代作用是形成含矿岩浆的重要环节;④岩浆混合或底侵作用可能在某些斑岩铜矿成矿中起到了重要作用;⑤提出了一些新的成矿及找矿标志,如早期磁铁矿蚀变相。

关　键　词:斑岩铜矿;成矿作用;矿化剂;研究进展

中图分类号:P618141 文献标识码:A

斑岩铜矿以其规模大、埋藏浅、易开采而成为最主要的铜矿床类型。多年来人们对斑岩铜矿的研究常盛不衰,不断有新的矿床发现和新的观点提出。特别是近年来,有关斑岩铜矿床的研究取得了长足的进展,主要体现在以下几方面。

1　岩浆氧化状态的确定标志及其与斑岩铜矿之间的成因联系

石原舜三[1,2]最早发现花岗质岩浆的氧化状态与热液矿床之间有一定的成因联系:氧化状态较高的氧化型花岗岩浆与斑岩铜矿有关,氧化状态较低的还原型花岗岩浆与钨、锡矿床有关。他还提出氧化型花岗岩浆形成的岩石中含较多磁铁矿(0.2%2 2%),不含钛铁矿;而还原型花岗岩浆形成的岩石中含较多的钛铁矿,而不含磁铁矿或含量很低(<0. 2%)。因此可以用花岗岩中铁氧化物的种类来判断相应岩浆的氧化状态。最近Takagi等[3]指出,上述标志只有当花岗岩浆中铁含量较高时才是可用的,但是当岩浆中铁含量较低时,即使岩浆的氧化状态较高,也不会形成较多的磁铁矿。在这种情况下,若再按岩石中磁铁矿含量来判断岩浆的氧化状态,就会得出错误的结论。另一方面,大量的研究[46]发现,在氧化型花岗岩浆中硫以S+6形式为主,而在还原型花岗岩浆中硫以S-2形式为主。因此可以用岩浆中SO2的含量作为划分花岗岩浆的氧化状态的标志,凡是SO2>250×10-6的属于氧化型花岗岩浆,反之凡是SO2<250×10-6的则为还原型花岗岩浆。Luhr[7]对中酸性岩浆中硫的形式进行了实验研究,结果表明氧逸度比Ni-NiO缓冲线高1个对数单位(logfo2=Ni-NiO+1)的岩浆结晶时,

现硬石膏和磁黄铁矿共存的现象;而氧逸度高于此条件的岩浆则仅会结晶出硬石膏。进一步的研究[5]证明,当岩浆氧逸度高于Ni-NiO+1时,岩浆中大多数的硫都呈高价态(S+6),即以硫酸盐的形式出现。因此,可以把Ni-NiO+1作为岩浆氧化与还原的界限。Streck等[8]指出大多数斑岩铜矿母岩浆的氧逸度为Ni-NiO+2或更高,因此产斑岩铜矿的岩浆应属氧化型岩浆,而且在其结晶过程中

Ξ　收稿日期:2000207226;修回日期:20002122221E2m ail:lzq@https://www.360docs.net/doc/ed4359519.html,

3基金项目:博士后基金项目“氧化性岩浆作用———斑岩铜矿形成的关键因素”;国家杰出青年基金项目“热液矿床矿化剂地球化学”

(编号:49925309)资助1

　作者简介:王奖臻(19592),男,河北人,副教授,主要从事矿床地质研究1

可以形成岩浆成因硬石膏。但是由于硬石膏很容易被后期作用所破坏,因此很难在斑岩铜矿中发现岩浆成因硬石膏。另一些研究[911]发现,与斑岩铜矿有关的氧化型长英质岩浆中晶出的磷灰石内往往含有较高的SO3,而且这些磷灰石中SO3的分布不均匀,内核的含量较高达1%,外壳的含量较低仅为0.2%。造成这种现象的原因在于,岩浆结晶过程中,硫达到过饱和前富含硫酸盐,此时结晶出富SO3的磷灰石内核;而硫达到过饱和后有硫酸盐结晶,降低了岩浆中SO3的含量,此时晶出贫SO3的外壳。因此磷灰石中SO3的含量可以作为判断岩浆氧化状态以及含矿性的标志。上述这些现象进一步说明,斑岩铜矿床的母岩浆氧化状态较高,并且硫的含量也较高。

Lynton等[12]的研究表明,铜在磁黄铁矿和中酸性硅酸盐熔体之间的分配系数大于550。因此在岩浆演化过程中,如果氧逸度较低,其中的硫呈S-2;那么当硫达到饱和后,就会晶出磁黄铁矿等硫化物或发生硫化物熔体的分离。在这种情况下,岩浆中绝大多数的铜将进入磁黄铁矿或硫化物熔体中而发生分散,从而阻碍了斑岩铜矿的形成。如Can2 dela[13]通过计算得出,若原始含硫、铜分别为1000×10-6和20×10-6的安山质岩浆,在结晶过程中,若有磁黄铁矿晶出,那么岩浆中98%的铜将进入磁黄铁矿而发生分散,仅有1.8%进入热液。相反,如果岩浆处于氧化状态,其中的硫主要呈S+4;那么当硫达到饱和后,不会形成硫化物而是形成硬石膏。铜并不进入硬石膏,而是仍然留在岩浆中,并最终进入流体而用于成矿。Sillitoe[14]根据对世界范围内大型热液铜—金矿床的研究成果,指出氧化型岩浆是大型斑岩铜矿床形成的必要条件。另一些研究者则认为[15,16],岛弧环境中的斑岩铜矿床往往富含金和铂族元素,这也与岩浆具有较高的氧化状态有关。

2　岩浆中硫的溶解度及硫来源的研究硫是斑岩铜矿的重要矿化剂,因此岩浆中硫的溶解度及硫含量是重要的控矿因素之一。实验研究[5,7]表明,未经演化的玄武质岩浆中硫的溶解度为1000×10-6。普通钙碱性英安质—流纹质岩浆中硫的溶解度为200×10-6300×10-6,而产斑岩铜矿的氧化型钙碱性岩浆中硫的溶解度较高[17,18],可以达到500×10-6。实验研究[1922]还表明岩浆中硫的溶解度与温度、压力、氧化状态以及FeO t(全铁)的含量有关。岩浆的温度及铁含量越高,硫的溶解度也越高。压力对硫溶解度的影响尚有争论,一些实验结果[1921]表明压力越高,硫的溶解度也越高;但是另一些实验结果却表明,硫的溶解度与压力成反比[22],或者硫的溶解度随压力降低而呈指数倍升高[23]。到底那一种结论正确,有待进一步研究。氧逸度对硫溶解度的影响比较复杂,一些研究[24]表明当岩浆的氧逸度处于MFQ至MFQ+1的范围内时硫的溶解度最低,而在其他氧逸度条件(更氧化或更还原)下,硫的溶解度都会升高。

有些研究者认为与斑岩铜矿有关的岩浆中的硫除来自地幔深处外,尚有一部分“额外”来源。即认为来自海水硫酸盐及海底岩石中的硫化物[25,26];来自岩浆通道附近的蒸发岩层[27];或者由岩浆混合作用所带来[28]。对现代火山作用的研究结果[2931]已经证明,当中酸性岩浆在岩浆房中冷却结晶时,如果有更高温度的玄武质岩浆的底垫(underplating)、混合,那么后者就可以向前者释放大量富含硫的挥发份,即为其提供“额外”硫。

3　岩浆中氯的分配系数、含量及其对成矿的重要性

长期以来,Burnham和Candela等认为[32,33]氯在流体及长英质熔体之间的分配系数(D Cl)在40左右,并且不随岩浆温度压力条件的变化而改变。然而近年来的实验研究[3436]发现,D Cl强烈地受岩浆成分以及体系温、压条件的影响,随着这些条件不同, D Cl可以有很大的不同(变化于0.8117之间)。D Cl 随温度的升高而减小。D Cl与压力的关系比较复杂,在压力小于200MPa的情况下,D Cl与压力呈斜率较大的线性正相关;在压力为200600MPa的条件下,D Cl随压力升高而略有增大;当压力大于600 MPa时,D Cl随压力的增大而急剧减小。在温度压力一定的条件下,熔体的Al2O3、Na2O及K2O含量对D Cl有很大影响,当熔体的Al2O3/(Na2O+K2O)比值近于1时,D Cl最大,当这一比值升高或降低, D Cl均减小。此外,岩浆中的F及CO2含量对D Cl也有影响,D Cl随岩浆中F及CO2含量的增大而降低。Shinohara[37]的实验研究进一步表明,若酸性岩浆在大于临界压力(0.15GPa)的条件下结晶,则最初分离出的超临界流体具最大的D Cl,随结晶作用的进行,D Cl逐渐减小。但是如果岩浆在低于临界压力的条件下结晶,则D Cl不随结晶作用的进行而发生变化。

515

第4期 王奖臻等:斑岩铜矿研究的若干进展

氯在岩浆中的溶解度也与岩浆的成分有关。Metrich 等[38]曾报道,在800℃和100MPa 条件下,流纹岩浆中氯的溶解度为2720×10-6,响岩质熔体的为6270×10-6,而碱性流纹质岩浆的为8960×10-6。可见氯的溶解度随岩浆碱性程度的增大而升高。另外一些研究结果[3941]表明,氯的溶解度随岩浆基性程度的降低而降低,而随岩浆(Al +Na +Ca +Mg )/Si 摩尔比值的升高而升高。此外氯的溶解度还与压力有关,随压力的升高而略有升高。

氯对成矿的重要性首先体现在它在铜迁移中的重要性。业已证明,在岩浆结晶过程中,当水达到过饱和后会出现三个相,即结晶相、熔体相和以水为主

的流体相。由于铜在高温(>400℃

)下呈氯络合物形式迁移,因此当流体相出现后,铜在流体及熔体相之间的分配,主要取决于氯在这两个相中的分配系数及岩浆中氯的初始含量。分配到流体相中的氯越多,则进入到流体相中的铜也越多,成矿的可能性也就越大。Cline 等[42]利用数值模拟方法研究了典型

钙碱性岩浆形成斑岩铜矿的可能性。他们指出,熔体中的初始氯含量对成矿有重要影响,如果岩浆的Cl/H 2O 比值从0.03提高到0.1,则其成矿能力提

高5倍多。含矿斑岩中黑云母的氯含量普遍比不含矿斑岩中黑云母的高的事实[43],也证明了氯在矿床形成中的作用。其次氯的存在可以增加流体相的出溶能力[3941]。如在0.2GPa 和800℃条件下,不含氯的花岗岩浆中水的出溶,必须要等到H 2O 的含量达到5%6%时才会发生;而如果岩浆含0.26%的氯,那么当水的含量达到1%时就会发生出溶作用。一般情况下,出溶作用越早对成矿越有利(见后)。因此,岩浆中氯的含量越高,其成矿的可能性越大。

4　水与成矿关系的研究

中酸性岩浆中初始水的含量为2.5%6.5%,平均值为3.0%。岩浆中初始水的含量固然对矿床的形成有很大的影响[44],但是岩浆结晶过程中,达到水过饱和状态并发生流体相的出溶作用的早晚,对[45]。因为在结晶时铜可以进入铁镁硅酸盐矿物中,所以如果岩浆很晚才达到水过饱和,那么岩浆中的铜就会大量进入结晶相而发生分散。相反如果岩浆较早达到水过饱和并发生流体相的出溶,就能使更多的铜进入流体相并用于成矿。岩浆能否较早达到水过饱和状态,主要取决于两个因素。一是岩浆的初始水含量较高;另一个是结晶时压力的大小,因为岩浆中水的溶解

度与压力呈正比,因此如果岩体定位较浅(压力较小),将有利于流体的出溶。例如对于初始水含量为2.5%的安山岩浆来说,若在8km 深处结晶,则要到59%的熔体结晶后才能达到水过饱和;而若在4km 处结晶,那么只要有39%的熔体结晶便可达到水过饱和。

岩浆中水的溶解度也受成分的影响。Webester [35]的实验结果表明,酸性岩浆中水的溶解度按强碱性花岗岩、偏碱性花岗岩、正长石花岗岩的顺序降低,即随碱性程度的降低而降低。也有人报道[46],花岗岩浆中钠含量的升高或铝含量的降低,可以提高其水的溶解度。此外,前已述及岩浆中氯等挥发份的多少也会影响水的溶解度。因此在相同的温压条件下,不同成分的岩浆,水的溶解度也不相同,达到水过饱和的时间也有差别。

此外,在岩浆演化过程中如果有外来水的加入,也会对流体的出溶产生影响。Strees 等[47]报道,加拿大巴宾(Babine )湖地区与斑岩铜矿床有关的岩浆在地下深处发生结晶分异时,有大气降水的加入。一些研究者[48]发现,在某些斑岩铜矿形成过程中有深层卤水的加入。外来水的加入提高了熔体的水含量,从而促进了流体相的出溶。

5　蚀变作用的深入研究

近年来在斑岩铜矿中发现了一些新的蚀变类型。在美国Ann -Mason 斑岩铜矿形成过程中,钾质蚀变之后由于钠钙活度的升高,从而形成了更长石—阳起石—榍石蚀变组合,Dilles 等[49]称之为钠钙蚀变。这种蚀变从早先结晶的石英二长岩中淋滤出铜和铁并用于成矿,因此钠钙蚀变增大了矿床的规模。在世界上其它几个斑岩铜矿床中也发现有钠钙蚀变[50]。斑岩铜矿床的另一种新发现的蚀变是磁铁矿蚀变相[28,51]。这种蚀变发生于热液蚀变的最早期,形成磁铁矿—角闪石—斜长石组合。磁铁矿蚀变都发育于氧化状态较高的岩浆—热液体系中[33],而造成高氧化状态的岩浆—热液体系的机制有两种:一种是由氧化状态较高的岛弧岩浆演化而成[3];另一种是正在冷凝的长英质岩浆受到玄武质岩浆的底垫作用所致[29]岩铜矿也发育磁铁矿蚀变相,浆底垫作用有关。

6　成矿岩浆的起源及成矿物质来源

Bouse 等[52]详细研究了美国亚丽桑那州晚白垩

6

15 地球科学进展 第16卷

—早第三纪火成岩及相关的斑岩铜矿床的物质来源。他们认为成矿岩浆是由该地区前寒武纪结晶基底的部分熔融形成的,在岩浆形成过程中,来自地幔深处的玄武质岩浆的内垫作用(intraplate)所带来的热量对部分熔融的发生有重要意义,但地幔物质的加入却很微弱,因此由这种方式形成的岩浆以及相应矿床的物质主要来自地壳。Lang等[53]根据对亚丽桑那州南部拉拉米期和侏罗纪斑岩的地球化学的研究结果认为,产斑岩铜矿的岩浆经历了两个形成阶段。第一阶段是来自下伏俯冲板片释放出的流体交代以角闪质岩石为主的下部地壳,第二阶段由玄武质岩浆的内垫作用引起部分熔融,形成岩浆。由于在流体交代过程中,可以使大范围内岩石中的硫化物不稳定而发生分解,同时将其中的铜等金属释放到熔体中。因而以这种方式形成的岩浆往往富含铜等成矿金属。他们还指出,含矿的拉拉米期斑岩与不含矿的侏罗纪斑岩之间的最大差别在于,前者随时间的推移地幔物质的混染逐渐减弱,而后者却逐渐增强。因此能否形成含矿岩浆,主要取决于地幔交代作用的强度,而不在于地幔物质的加入与否。我国一些研究者[54]也强调地幔交代作用对斑岩铜矿床形成的重要意义。对于初始岛弧环境中的斑岩铜矿而言,母岩浆中有较多的幔源组分。McInnes 等[55]认为在这种环境中,来自俯冲板片的氧化性流体交代上覆地幔楔,并使其发生部分熔融,而形成富碱岩浆。由于有较多的地幔物质的加入,因此这些地区的斑岩铜矿往往含有较高的金或铂族元素。Solomon等[56]则提出,岛弧地区的斑岩铜矿床可能系由早先经历过部分熔融的地幔,再次发生部分熔融所形成的岩浆而形成的,即所谓的两阶段熔融模式。由上述可见在有关成矿岩浆的物质来源以及形成机制方面还存在很大分歧,还有许多问题有待进一步研究。地幔交代作用与成矿岩浆之间的关系将是这方面的主要研究方向。

一般认为斑岩铜矿的成矿物质主要由岩浆从深处带来。但是,最近Force[57]根据美国滴泉山地区斑岩铜矿的空间分布特征,以及区内元古代辉绿岩(总厚达450m)在受到与岩浆作用有关的热液蚀变时有铜的迁出等事实,提出斑岩铜矿床中36%的铜,是在蚀变过程中从辉绿岩中淋滤出来的。Dilles 等[49]也提出,Ann-Masson斑岩铜矿中约1/3的铜是由热液从早已冷凝了的石英二长岩岩基中淋滤出来的这些新的认识也应该引起我们的重视。参考文献(R eferences):

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RESEARCH PR OGRESS IN PORPH Y R Y COPPER DEPOSIT

WAN G Jiang 2zhen 1,2,L I Chao 2yang 1,HU Rui 2zhong 1

(1.O pen L aboratory of O re Deposit Geochemist ry ,Instit ute of Geochem ist ry ,CA S ,Guiyang 550002,

Chi na ;2.Chengdu U niversity of Technology ,Chengdu 610059,Chi na )

Abstract :The progress in research on porphyry copper deposit is viewed ,including the following five as 2pects :(1)It has been proved that porphyry copper deposit is related to oxidized 2type granite magma.And some new symbol which can be used to determine the redox state of magmas have been established.(2)The contents and solubility of sulfur and chlorine in magma are very important to the mineralization of porphyry copper de 2posit.(3)It has been illustrated that the earlier reached the oversaturation of water during magmatism ,the more advantageous for the mineralizatuon.(4)Mantale metasomatism and magma mixing plays an important role in the origin of the magma which relate to the deposit.(5)Some new kinds of alteration in the deposit ,such as magnetite alteration facies and Na 2Ca alteration ,have been discovered and studied.

K ey w ords :Porphyry copper deposit ;Mineralization ;Research progress 1

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15第4期 王奖臻等:斑岩铜矿研究的若干进展