地质地球所揭示斑岩铜矿岩浆的起源与成因,广

来源:http://www.020tL.com 作者:云顶集团简介 人气:59 发布时间:2019-09-22
摘要:图2.富铜基性包体的BSE照片 成矿斑岩通常具有高的Sr/Y、La/Yb比值,也被称为埃达克质特征。俯冲板片熔融以及加厚下地壳部分熔融都被认为是斑岩铜矿重要的成因机制。本文利用分离部

图2.富铜基性包体的BSE照片

成矿斑岩通常具有高的Sr/Y、La/Yb比值,也被称为埃达克质特征。俯冲板片熔融以及加厚下地壳部分熔融都被认为是斑岩铜矿重要的成因机制。本文利用分离部分熔融分别模拟计算了下地壳、俯冲洋壳为初始成分,熔体中Sr/Y、La/Yb以和铜含量随部分熔融程度的变化。模拟发现, 5%-30%洋壳部分熔融可以形成埃达克岩的Sr/Y、La/Yb特征,而下地壳则需要>40%部分熔融。

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成矿前岩石具有正常弧岩浆特征,而成矿岩石显示埃达克质属性,两者均显示典型弧岩浆特征(富集大离子亲石元素、亏损高场强元素)。且两者具有相似的Sr-Nd-Pb-Hf-O同位素组成,相似及年轻的全岩Nd和锆石Hf模式年龄(320-680Ma)指示两者具有共同的源区-新生下地壳。

针对上述问题,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研究员徐兴旺与合作者,在国家基金重大项目、国家科技支撑计划项目与中科院创新项目的资助下,从斑岩铜矿区寻找与研究包体入手,揭示了斑岩铜矿岩浆的形成机制。

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大型斑岩铜矿常与俯冲背景下的高氧化性(氧逸度通常≥NNO+1)岩浆活动有关,且成矿岩石地球化学组成常表现出埃达克质特征(高Sr、低Y及高Sr/Y),明显区别于非成矿岩石-正常弧岩浆(低Sr、高Y及低Sr/Y特征)。因此,埃达克质岩石被认为更有利于形成大型斑岩铜矿。中哈萨克斯坦阿克斗卡铜矿为全球前25的超大型斑岩铜矿,产于泥盆纪-石炭纪岩浆弧中,为研究成矿前与成矿期岩石属性提供了极佳的研究对象,同时可为探究我国境内斑岩铜矿形成环境提供科学依据。

基于基性包体研究,科研人员提出与建立了富铜斑岩岩浆形成机制模型:活动大陆边缘俯冲板片的俯冲过程可造成洋壳的部分熔融和流体的析出;一些富K+和Fe3+的水-熔体运移进入俯冲板片上覆的岩石圈地幔,并交代岩石圈地幔,岩石圈地幔被氧化并在流体的诱发下发生部分熔融,形成高铜富绕的、氧化的玄武质岩浆;这些玄武质岩浆上侵于壳幔边界并发生结晶分异作用,残余岩浆中富集K、Na、Al、Fe3+、H2O、S与Cu,氧逸度升高;这些富铜的、包含斑晶的岩浆被岩墙输送到地壳浅部形成富铜斑岩岩浆;斑岩岩浆通过矿物的结晶作用及K、Na和Fe3+的耗竭,导致岩浆-流体系统氧逸度降低和硫的还原,岩浆-流体中Al2O3的耗竭导致铜的过饱和,Fe-Cu硫化物在晚期岩浆-热液阶段的沉淀形成斑岩铜矿。即斑岩铜矿岩浆起源于被俯冲流体交代的、氧化的地幔楔的部分熔融,成因于氧化的、富饶的玄武岩浆的结晶分异。此外,他们提出了斑岩成矿系统中硫还原的新机制,即岩浆-流体中一价铜氧化为二价铜过程伴生硫的还原:Cu++SO2+H+→Cu2++S2-+H2O。

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部分熔融熔体铜含量受氧逸度、源区S以及铜含量共同影响。部分熔融熔体在高氧逸度(”ΔFMQ+1.5)条件下具有更高的铜含量。洋壳部分熔融形成埃达克岩对应的铜含量最高可达390 ppm;加厚下地壳部分熔融形成的埃达克质岩具有Sr/Y、La/Yb特征时,对应的熔体铜含量低于75ppm。同时对比Lee CT et al 模拟的地幔楔部分熔融结果,形成的弧岩浆(20-30%部分熔融)中铜含量“150 ppm。值得注意的是,含大量硫化物堆晶的源区,即使在高氧逸度环境下部分熔融也不能形成富铜岩浆(详见Sun et al. Acta Geochimica)。利用铜在流体与熔体之间的分配系数(集中在100-400),以及斑岩铜矿对应的最初始流体包裹体中的铜含量(3000 ppm-10 wt%),估算岩浆源区铜含量至少需要160 ppm才能形成斑岩铜矿。因此,高氧逸度(”ΔFMQ+1.5)环境下,俯冲洋壳部分熔融是形成斑岩铜矿最可能的机制。尽管高氧逸度是斑岩铜矿的普遍特征,全球斑岩铜矿的锆石氧逸度与其对应的铜储量并没有明显的相关性。这不仅支持了氧逸度(~ΔFMQ +1.5)为成矿的关键指标,同时暗示了除氧逸度以外,还有其他的因素控制铜的储量,如俯冲板块占源区的比重、热液富集作用的效率、矿床在地壳的保存出露情况等。

中国科学院地质与地球物理研究所固体矿产资源研究室造山带与成矿作用学科组副研究员曹明坚与副研究员李光明、研究员秦克章等合作者,对中哈萨克斯坦阿克斗卡超大型斑岩铜矿成矿前与成矿期岩石开展了详细的年代学、矿物学及地球化学研究,其结果显示:

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该研究成果近期在线发表于Geochimica et Cosmochimica Acta,第一作者为中科院广州地球化学研究所中科院矿物学与成矿学重点实验室博士研究生张潺蝉,导师为孙卫东研究员。本研究成果受国家重点研发计划"深地资源勘查开采"重点专项(2016YFC0600408)、中国科学院战略性先导科技专项以及国家自然科学基金资助。

图2 斑岩铜矿与氧逸度。右图表示德兴锆石及其对应的氧逸度估算值。新元古代锆石氧逸度低于成矿期岩浆锆石氧逸度。左图为用同样方法估算的全球斑岩铜矿锆石氧逸度值,括号内数值代表矿床对应的铜储量。其中,与长江中下游沙溪斑岩铜矿同时期的不含矿岩体具有比斑岩铜矿更低的氧逸度。

图2 成矿前与成矿期岩石磷灰石MnO-SO3含量相关图解

研究人员在中亚斑岩铜矿带新疆东准噶尔琼河坝斑岩铜矿区桑南英云闪长岩中发现富铜斑状基性包体,并开展包体与围岩详细的岩石学、地球化学、年代学、矿石学与成矿作用的研究。结果显示:1、基性包体含有斑状结构、浸染状硫化物和碎裂的堆积斑晶,含有快速结晶形成的细长板状斜长石和针状锆石基质,钾长石、黄铜矿和绿帘石呈交生结构,与主岩有不同的地球化学成分,但与主岩具相似的形成深度和锆石年龄,为富Cu的镁铁质岩浆滴;2、岩石学与岩石化学特征显示,基性包体属于高钾钙碱性闪长质岩浆,形成于正常岛弧背景,而主岩英云闪长岩具埃达克质的特征,可能形成于基性下地壳的部分熔融;3、基性包体多由含磁铁矿的壳和Cu-Fe硫化物核组成,大多数Cu-Fe硫化物呈填隙状分布于基质硅酸盐矿物更长石、钾长石和石英之间,并表现出交生结构,少量Cu-Fe硫化物分布晶洞中,并发育黄铜矿-绿帘石的嵌晶结构,包体记录了斑岩铜矿系统岩浆结晶与流体析出和沉淀的完整过程。研究指出,富铜斑状基性包体岩浆形成于地壳底部岩浆房中的氧化的玄武质岩浆的结晶分异作用。

高氧逸度是斑岩铜矿所具有的一个普遍性特征,然而关于氧逸度,还存在一些问题并未得到解决,例如,斑岩铜矿何时氧化、如何获得高氧逸度、为什么大量高氧逸度的岛弧岩石并不能形成斑岩矿床?为什么高氧逸度下俯冲洋壳部分熔融是斑岩铜金矿床成矿的最佳条件?

图4 不同氧逸度条件下,俯冲洋壳、下地壳分离部分熔融,对应的熔体铜含量。黄色虚线代表了形成部分熔融熔体最终形成斑岩铜矿所需的最低铜含量;黄色阴影对应了成矿斑岩源区熔体的铜含量范围。粉色、蓝色阴影分别代表洋壳和加厚下地壳部分熔融形成成矿斑岩的Sr/Y、La/Yb特征所对应的铜含量范围。绿色实线为Lee CT et al 模拟不同氧逸度条件下,地幔楔部分熔融熔体对应的铜含量。绿色阴影代表了弧岩浆对应的铜含量范围。

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图4.富铜斑岩岩浆的起源与成因框图

部分熔融熔体铜含量受氧逸度、源区S、以及铜含量共同影响。部分熔融熔体在高氧逸度条件下具有更高的铜含量。洋壳部分熔融形成埃达克岩对应的铜含量最高可达390 ppm;加厚下地壳部分熔融形成的埃达克质岩所具有的Sr/Y、La/Yb特征时,对应的熔体铜含量低于75ppm 。同时对比Lee CT et al 模拟的地幔楔部分熔融结果,形成的弧岩浆中铜含量<150 ppm。值得注意的是,含大量硫化物堆晶的源区,即使在高氧逸度环境下部分熔融也不能形成富铜岩浆。利用铜在流体与熔体之间的分配系数,以及斑岩铜矿对应的最初始流体包裹体中的铜含量,估算岩浆源区铜含量至少需要160 ppm才能形成斑岩铜矿。因此,高氧逸度环境下,俯冲洋壳部分熔融是形成斑岩铜矿最可能的机制。尽管高氧逸度是斑岩铜矿的普遍特征,全球斑岩铜矿的锆石氧逸度与其对应的铜储量并没有明显的相关性。这不仅支持了氧逸度(~ΔFMQ +1.5)为成矿的关键指标,同时暗示了除氧逸度以外,还有其他的因素控制铜的储量,如俯冲板块占源区的比重、热液富集作用的效率、矿床在地壳的保存出露情况等。

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图1 成矿前与成矿期岩石主微量元素相关图解

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本次研究以德兴斑岩铜矿为例。德兴斑岩铜矿形成于中侏罗时期,位于江南古陆东段,是我国华南最大的斑岩型铜矿。该矿床具有高氧逸度特征,然而前人研究认为德兴斑岩铜矿的高氧逸度继承于新元古代的俯冲,而非侏罗纪时期的古太平洋板块的俯冲。铜则来源于新元古代相关的加厚下地壳。利用LA-ICPMS分析了德兴斑岩中的岩浆锆石以及继承锆石的微量元素同时得到其U-Pb年龄,并计算了锆石对应的氧逸度。研究结果表明,新元古代锆石形成时的岩浆对应的氧逸度并不高,相反,侏罗纪岩浆锆石具有更高的氧逸度。因此,德兴斑岩铜矿的高氧逸度并非继承于新元古代新生下地壳。其高氧逸度更可能是受侏罗纪古太平洋板块俯冲影响。

图1德兴斑岩铜矿构造背景地质图,深蓝色圆点代表了计算继承锆石氧逸度所用到新元古代岩石分布位置。德兴斑岩铜矿地质图。

以上研究成果近期发表在国际期刊《美国科学杂志》(Cao et al. Assessing the magmatic affinity and petrogenesis of granitoids at the giant Aktogai porphyry Cu deposit, Central Kazakhstan. American Journal of Science, 2016, 316: 614-668)。

桑南富铜斑状基性包体的发现及其深入研究,不仅确证富铜斑岩岩浆的存在,并揭示了富铜斑岩岩浆的起源与成因,这对于斑岩铜矿形成机制的研究具重要意义。以上研究成果近期在线发表在Ore Geology Reviews上。

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高氧逸度是斑岩铜矿所具有的一个普遍性特征,然而关于氧逸度,还存在一些问题并未得到解决,例如,斑岩铜矿何时氧化、如何获得高氧逸度、为什么大量高氧逸度的岛弧岩石并不能形成斑岩矿床?为什么高氧逸度下俯冲洋壳部分熔融是斑岩铜金矿床成矿的最佳条件?

成矿前岩石形成于早石碳世,明显早于成矿岩石(327.7-331.4 Ma)。

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成矿斑岩通常具有高的Sr/Y、La/Yb比值,也被称为埃达克质特征。俯冲板片熔融以及加厚下地壳部分熔融都被认为是斑岩铜矿重要的成因机制。该研究利用分离部分熔融分别模拟计算了下地壳、俯冲洋壳为初始成分,熔体中Sr/Y、La/Yb和铜含量随部分熔融程度的变化。模拟发现,5%-30%洋壳部分熔融可以形成埃达克岩的Sr/Y、La/Yb特征,而下地壳则需要”40%部分熔融。

相对于成矿前岩石,成矿期岩石磷灰石明显高的SO3含量及高的磷灰石饱和温度,表明成矿期岩石氧逸度和岩浆温度显著升高。地球化学特征及部分熔融模拟结果显示,成矿前岩石形成于正常厚度下地壳部分熔融,而成矿期岩石来源于榴辉岩化的加厚下地壳。

图3.富铜基性包体及其围岩英云闪长岩岩浆形成模型

论文信息:Zhang, C.C., Sun, W.D. , Wang, J.T., Zhang, L.P., Sun, S.J., Wu, K., 2017. Oxygen fugacity and porphyry mineralization: a zircon perspective of Dexing porphyry Cu deposit, China. Geochimica et Cosmochimica Acta, in press.

基于以上结果,他们提出早石碳世准噶尔-巴尔喀什洋盆北向俯冲过程中,在中哈萨克斯坦形成了大规模的成矿前正常弧岩浆。伴随俯冲作用的持续,楔形地幔氧逸度不断升高,新生下地壳及岩石圈地幔不断加厚,同时硫化物不断在新生下地壳堆积。在成矿期,加厚的岩石圈地幔发生拆沉,上涌的软流圈地幔加热上覆富含硫化物的榴辉岩下地壳,导致后者发生部分熔融形成富矿岩浆,该岩浆具有埃达克质属性。成矿岩浆高氧逸度促使Cu等成矿元素不断富集,最终沉淀形成Aktogai超大型斑岩铜矿。该研究证实弧背景下的超大型斑岩矿床可能与长期俯冲作用有关,而具有埃达克质属性、高氧化性的弧岩浆更有利于形成斑岩铜矿。

图1.富铜基性包体的显微照片

德兴斑岩铜矿形成于中侏罗时期,位于江南古陆东段,是我国华南最大的斑岩型铜矿。该矿床具有高氧逸度特征,然而前人研究认为德兴斑岩铜矿的高氧逸度继承于新元古代的俯冲,而非侏罗纪时期的古太平洋板块的俯冲。铜则来源于新元古代相关的加厚下地壳。中国科学院广州地球化学研究所研究人员利用LA-ICPMS分析了德兴斑岩中的岩浆锆石以及继承锆石的微量元素同时得到其U-Pb年龄,并计算了锆石对应的氧逸度。研究结果表明,新元古代锆石形成时的岩浆对应的氧逸度并不高(ΔFMQ-2.4到 ΔFMQ+0.7),相反,侏罗纪岩浆锆石具有更高的氧逸度(ΔFMQ+0.7到ΔFMQ+1.9)。因此,德兴斑岩铜矿的高氧逸度并非继承于新元古代新生下地壳。其高氧逸度更可能是受侏罗纪古太平洋板块俯冲影响。

图3 成矿前与成矿期岩石成因模型

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斑岩型铜矿是最主要的铜矿床类型,为世界提供了70%的铜资源,其成因机制是现今矿床学与经济地质学的研究热点。斑岩铜矿是指与具斑状结构中酸性侵入岩伴生、矿石以细脉状与浸染状为主、低品位大储量的铜矿床,多分布在板块会聚边缘。斑岩铜矿的成矿流体为岩浆流体,铜矿床和蚀变带与含矿斑岩密切的时空关系显示成矿流体源于成矿斑岩。一般认为,富铜岩浆的形成对斑岩铜矿的形成起制约作用。然而,是否存在富铜斑岩岩浆仍缺乏岩石学证据,富铜斑岩岩浆的形成机制也暂不清楚。

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图3 分离部分熔融模型下,估算俯冲洋壳和下地壳部分熔融熔体Sr/Y、La/Yb比值。

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该研究成果近期在线发表于Geochimica et Cosmochimica Acta,第一作者为广州地化所中科院矿物学与成矿学重点实验室博士研究生张潺蝉,导师为研究员孙卫东。该研究成果受国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项(2016YFC0600408)、中科院战略性先导科技专项(XDB18020000)以及国家自然科学基金(91328204,41421062)资助。

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