斑岩型铜矿成矿作用的周期性、瞬时性和流体混合降温机制

编者按：西藏冈底斯成矿带驱龙铜矿Cu资源量705.13万吨，钼资源量45.54万吨，银资源量5340.07吨，为超大型斑岩铜钼矿床。李扬，英国杜伦大学地质学博士，耶鲁大学博士后,主要研究方向为ID-TIMS高精度Re-Os和U-Pb同位素年代学及其在成矿过程研究中的应用。本文中，李扬博士利用高精度年代学、流体包裹体研究和SIMS原位氧同位素为西藏驱龙斑岩型铜矿成因提供了全新的视角和充分的证据，文章发表在Geology,Economic Geology 和MineraliumDeposita。

 

 

以斑岩、矽卡岩等矿床类型为代表的斑岩型成矿系统是铜，钼，铼等金属的主要来源，因此一直是矿产勘查和成矿作用研究的重点。概念性模型(Sillitoe, 2010)认为，斑岩型成矿系统系源自上地壳底部岩浆房，伴随着斑岩体的侵位，岩浆-热液流体上升到浅表，并经历一系列物理化学过程，如降温，降压，相分离，流体混合和水岩反应等，形成大规模的蚀变和矿化(Wilkinson, 2013)。

 

图1 斑岩型成矿系统流体演化过程，Wilkinson，2013， Nature Geosciences

 

 

以研究程度最深的斑岩型矿床为例，学术界对其成因和流体演化的概念性基本取得一致认识，但尚有一些关键科学问题存在争议。例如：

1，形成超大型矿床的时间尺度是多少？

除了确定成矿年龄之外，巨量金属堆积需要的时间一直是成矿作用研究的重点，前人通过现代含金属热泉的金属含量，同位素测年，石英等矿物的微量元素扩散平衡以及热模拟等手段开展了大量的研究(Chiaradia et al., 2014)。但得到的结论相差极大，从几十个千年到好几个百万年不等。考虑到成矿系统较浅的侵位深度，现代岩浆-火山学研究一般认为：规模较小的岩浆房难以维持长达几个百万年的岩浆-热液过程(Cashman et al., 2017)。因此有必要重新解读这些“超长”的成矿过程。

 

 

2，岩浆热液流体的出溶过程是连续的吗？

除了关注成矿作用的持续时间之外，一个有意思的话题是源自深部的岩浆流体出溶过程是怎样的？比如，深部岩浆房是不断向上释放流体还是间歇的(Seedorff et al., 2008)？

图2 成矿流体出溶过程是持续还是断续的？

 

3，大气降水是否参与了成矿过程？

一般认为成矿物质（金属和硫等）和成矿流体均为岩浆来源。但一个重要的观察事实是：世界范围内的斑岩型矿床氢氧同位素研究均显示出明显的大气降水信号(Cooke et al., 2014)。比较流行的解释是非岩浆来源的大气降水仅在成矿晚期进入到斑岩型矿床成矿系统中，对成矿作用基本没有贡献。但也有很多的研究显示大气降水在成矿早期就进入到斑岩型矿床成矿系统中。

 

图3 世界范围内典型斑岩型矿床成矿流体的H-O同位素投图，均显示有一定程度的大气降水贡献，但对其意义暂不明确，通常认为不重要。

 

针对上述科学问题，我们选取西藏驱龙斑岩型铜矿开展相关研究，尝试推进对这些科学问题的理解。在详细的矿床地质，蚀变组合研究基础上开展的流体包裹体研究显示驱龙铜矿形成于~2.7公里的古深度，之后经历了~2.3公里的剥蚀作用，刚好将矿体出露于地表，为驱龙形成世界级的斑岩型矿床创造有绝佳的条件(Li et al., 2017c)。

 

以驱龙为例的高精度年代学研究(Li et al., 2017a)首次通过矿石矿物直接定年阐明了斑岩型铜矿成矿作用的瞬时性（整个热热液过程约~266千年）和周期性（包含至少三个独立的成矿事件，每个持续几十个千年），并结合高精度定年和流体包裹体测温（来自不同成矿阶段的辉钼矿以及与之共生的石英）指出成矿作用经历了快速非线性的降温过程（> 0.5度/千年），这些结论丰富了对斑岩型矿床岩浆-热液演化过程的认识。

 

图4 基于高精度年代学（千年级尺度）的驱龙斑岩铜钼矿的热演化史

 

通过分析已经发表的有关的成矿作用持续时间的数据，我们注意到解释的成矿时间尺度和采用分定年方法的精度正相关，这表明相当部分较长的成矿持续可能并不可靠，利用低精度的测年数据探讨高时间分辨率的地质事件要谨慎(Li et al., 2017a)。

 

图5 分析方法的精度和解释的时间尺度正相关，表明较长的时间尺度系数据过度解读的结果

 

在此基础上，我们率先将高精度年代学和流体包裹体研究及微区原位氧同位素分析结合起来，定量重建了驱龙斑岩型铜钼矿床的成矿流体演化历史(Li et al., 2017b)，首次实现在绝对时间尺度上来理解热液矿床的流体演化过程，并使评估成矿速率和效率成为可能。

 

图6  驱龙斑岩铜钼矿热液石英的离子探针（SIMS）原位微区氧同位素分析

 

图7 驱龙成矿流体的氧同位素随时间的演化特征，暗示成矿过程中大气降水和岩浆热液流体相互角力

 

结合矿床地质特征，我们论证绝大多数金属在第一次成矿事件中（first pulse）沉淀下来，随着时间的推移，后续的成矿事件成矿潜力逐渐降低。传统观点认为斑岩型岩浆热液体系的热稳定条件主要受热传导控制，如果成矿过程快速发生，则效率较低的热传导模型无法满足将高温（>600^oC）的原始岩浆热液流体快速冷却到大规模成矿所需的中低温度区间（450—300^oC），而流体混合则能简单高效的实现快速降温(Li et al., 2017b)。

 

考虑到成矿作用的周期性，一种可能的机制是，在岩浆热液流体（高氧同位素）的间歇期，浅表的断层-裂隙系统主要被大气降水为主的地下水充填（低氧同位素）。当岩浆流体开始活动时，将逐渐稀释地下水（氧同位素升高），并最终由岩浆热液流体主导断层-裂隙系统。而岩浆-热液流体活动衰减时，断层裂隙系统则又将逐渐被地下水占据（氧同位素降低）(Seedorff et al., 2008)。伴随着多期次的成矿的事件，对应的混合流体的氧同位素则会出现循环往复的升高-降低-升高-降低的演化特征(Li et al., 2017b)。此外，我们还进一步推测周期性的流体出溶可能受到深部岩浆房逐渐分异结晶作用导致的水饱和控制。

 

图8 一个成矿周期内岩浆流体和大气降水相互角力的概念性模型

 

相关文章：

    Li, Y., Selby, D., Condon, D., and Tapster, S., 2017a, CyclicMagmatic-Hydrothermal Evolution in Porphyry Systems: High-Precision U-Pb andRe-Os Geochronology Constraints on the Tibetan Qulong Porphyry Cu-Mo Deposit:Economic Geology, v. 112, no. 6, p. 1419-1440.

    Li, Y., Li, X. H., Selby, D., and Li, J. W., 2017b, Pulsed magmaticfluid release for the formation of porphyry deposits: tracing fluid evolutionin absolute-time from the Tibetan Qulong Cu-Mo deposit: Geology,v. 46, no. 1, p. 7-11.

    Li, Y., Selby, D., Feely, M., Costanzo, A., and Li, X. H., 2017c,Fluid inclusion characteristics and molybdenite Re-Os geochronology of theQulong porphyry copper-molybdenum deposit, Tibet: MineraliumDeposita, v. 52, no. 2, p. 137-158.

 

其他文献：

    Cashman, K. V., Sparks, R. S., and Blundy, J. D., 2017, Verticallyextensive and unstable magmatic systems: A unified view of igneous processes:Science, v. 355, no. 6331.

    Chiaradia, M., Schaltegger, U., and Spikings, R., 2014, Time Scalesof Mineral Systems-Advances in Understanding Over the Past Decade: BuildingExploration Capability for the 21st Century, no. 18, p. 37-58.

    Cooke, D. R., Hollings, P., Wilkinson, J. J., and Tosdal, R. M.,2014, 13.14 - Geochemistry of Porphyry Deposits, in Turekian, H. D. H. K., ed.,Treatise on Geochemistry (Second Edition): Oxford, Elsevier, p. 357-381.

    Seedorff, E., Barton, M. D., Stavast, W. J. A., and Maher, D. J.,2008, Root Zones of Porphyry Systems: Extending the Porphyry Model to Depth:Economic Geology, v. 103, no. 5, p. 939-956.

    Sillitoe, R. H., 2010, Porphyry Copper Systems: Economic Geology, v.105, no. 1, p. 3-41.

    Wilkinson, J. J., 2013, Triggers for the formation of porphyry oredeposits in magmatic arcs: Nature Geoscience, v. 6, no. 11, p. 917-925.