斑岩型矿床成铜、成金、成钼特征差异性研究

changyz001 2022-12-02 发布于河南

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斑岩型铜、金、钼矿床成岩成矿特征差异的原因和意义

疏孙平，李秋根，刘树文，陈衍景

北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室

第一作者：疏孙平，博士研究生，地球化学专业.

通讯作者：李秋根，博士，副教授，主要从事岩石地球化学和前寒武纪地质学研究.

导读：

斑岩体多，斑岩成矿少。什么样的斑岩能成矿？成矿又有什么样的差异？

疏孙平等进行了相关研究，总结了斑岩型金矿、铜矿和钼矿在产出的构造环境，岩石地球化学特征和出溶流体的温度、压力、盐度、蚀变等方面的异同点，重点从元素的地球化学性质、岩浆的源区和过程(熔体和流体演化)3个方面解释了上述差异。

研究认为可以从特定元素含量的角度评估斑岩型矿床的类型，高的Rb含量是斑岩型钼矿的特征，高的Ba含量是斑岩型钼+铜矿的特征，高的Sr含量是斑岩型铜+金矿的特征，相对于俯冲环境，后俯冲环境下的成矿岩体具有更高的大离子亲石元素含量。根据岩浆岩的结构可以初步判断有无成矿潜力。

------内容提纲------

0 引言

1 铜、金、钼的地球化学特征

2 母岩浆的形成、演化和成矿岩体微量元素特征

3 流体出溶及其演化

4 结论

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0 引言

斑岩型矿床是一类在时间、空间和成因上与中酸性浅成、超浅成小斑岩体（多呈岩筒或岩墙状产出）有关的岩浆热液矿床。这类矿床提供了世界上约75%的Cu、50%的Mo和20%的Au。根据金属的品位可以划分为斑岩型金矿、斑岩型铜矿和斑岩型钼矿（斑岩型钨矿和锡矿不在讨论范围之内）。该类型矿床既可以产于俯冲过程，也可以形成于俯冲结束后的碰撞至伸展阶段。在岩石地球化学特征上，与无矿岩体相比，成矿岩体通常具有高的Al₂O₃/TiO₂、Sr/Y、V/Sc比值。但是相对于斑岩型金+铜矿，斑岩型铜矿的SiO₂含量及AI₂O₃/TiO₂与S/Y比值偏高。在地壳伸展减薄环境下，存在相当多以低Sr/Y比值为特征的成矿岩体，如中国大别碰撞造山带中的大银尖、天目沟、汤家坪和沙坪沟等斑岩型钼矿的岩体。另外，形成斑岩型钼矿的岩体氧化性比铜矿和金矿的弱，其中对于裂谷型钼矿，其氧逸度可以低至FMQ可有岩浆阶段的辉钼矿生成。

主流观点认为，只有深部的岩浆房才能提供足够的流体和成矿物质。出溶的流体从氧化性的母岩浆中直接带走金属，该过程称为“one-stepprocess'。但也存在'twc-stepprocess''，即先是岩浆硫化物的饱和预富集金属，再分解随后被岩浆出溶的流体带走成矿。尽管如此，不同类型的斑岩型矿床在成矿流体和蚀变特征上也存在差别。相对于斑岩型铜矿，斑岩型金矿的成矿流体温度更高，压力较低，几乎不含CO₂，同时钾化和绢云母化蚀变弱，中级泥化和高级泥化蚀变强；而斑岩型钼矿，尤其是碰撞型钼矿，成矿流体温度稍低，压力明显较大，且富含CO₂，发育强烈的钾化、萤石化等“无水”蚀变。

为了解释上述差异，本文从Cu、Au、Mo的地球化学特征，岩浆演化和流体出溶这3个方面进行了较为系统的梳理总结，结合对分配系数和岩石地球化学数据以及出溶流体的P-T-X数据的分析，认为岩浆源区及演化程度（源区和过程）和元素地球化学特征的差异是导致斑岩型矿床差异的根本原因，同时提出可通过大离子亲石元素含量来判断矿床类型，通过中酸性岩石的结构（斑状、似斑状、不等粒和等粒结构）来初步指示成矿的潜力。

1 铜、金、钼的地球化学特征

据Goldschmidt的元素地球化学分类，Cu和Au属于亲铜元素，而Mo属于亲铁元素。当这3种元素为0价态（原子状态）时，具亲铁性，以自然金属或金属互化物形式存在于地核中。当这些元素以正价阳离子形式存在于岩浆中时，因电负性的不同（Mo<Cu<Au）导致在亲硫（Mo<Cu<Au）、亲氯（Mo<Cu<Au）和亲氧（Mo＞Cu＞Au）倾向上存在一定的差异。Au的溶解度主要受控于还原性S的含量（AuSH），Au在水溶液中以AuHS（aq.）或Au(HS)^2-的形式迁移，但在岩浆中则是AuSK、AuSNa和Au-Cl络合物，高的碱含量和氯含量有助于提高金在岩浆中的溶解度；Cu主要是以氧化物的形式存在（CuO_0.5），同时Cu-Cl化合物的稳定性高于Cu-S化合物；Mo在岩浆中主要以MoO₄^2-的形式存在，少部分为MoO_nS_n（n=1，2，3）。Au、Cu和Mo在地球化学性质上的共性和个性影响了其在地球各个圈层中的分布。其在地核中最为富集，但差别在于（表1）：Au在地幔、大陆地壳（尤其是下地壳）中含量较高，分别为1.0X10^-9和1.3X10^-9，但在洋壳中最低，仅有0.23X10^-9；Cu在大洋地壳中的含量仅次于地核，为86X10^-6，但陆壳和地幔中含量相似，为（20〜30）X10^-6；Mo在地壳中含量远高于地幔（0.05X10^-9），且倾向于富集在大洋地壳和大陆上地壳，分别为1.0X10^-6和1.1X10^-6。

表1 Cu、Au和Mo在地球各圈层中的含量

地球的地壳和地幔不同程度地参与到各种大地构造环境下的岩浆形成过程中。而上述元素在地球不同圈层的分布体现了不同构造环境下成矿金属的差异性，如岛弧地区易于产出铜-金矿，碰撞环境易于产出钼矿。然而，能否成矿、成什么类型的矿取决于金属在岩浆中的相容性和大地构造环境。

在玄武质岩浆中，常有硫化物相的分离，Cu、Au、Mo均为相容元素，但在硫化物与熔体的分配系数上，D_Au^Sulfide/Mel=10⁴〜10⁵，D_Cu^Sulfide/Mel=10²〜10³，D_Mo^Sulfide/Mel=10²〜10³。所以，形成于俯冲阶段的斑岩型金矿需要较高的氧逸度，否则少量硫化物的分离结晶并赋存在下地壳底部和岩石圈地幔将导致熔体强烈亏损Au、亏损少量Cu而基本不改变Mo，或在后俯冲阶段富碱熔体溶解上述硫化物，形成富金的斑岩型和浅成低温热液型金矿。如果在洋壳俯冲阶段，弧岩浆偏还原，那么源区大规模的硫化物分离结晶将导致后俯冲阶段更容易形成斑岩型铜_-钼矿。

岩浆在上升过程中，磁铁矿的结晶或与还原性围岩的反应，都会导致硫化物相的沉淀。同样，这将对成矿产生重大影响。由于缺乏上述元素在硫化物与玄武安山质-安山质熔体中的分配系数数据，我们仅在花岗质熔体中探讨。若有硫化物存在，D_Cu^Po/Mel=10²〜10³，D_Au^ISS/Mel=10³〜10⁴，D_A^Po/Mel=15〜322（大部分<100），D_Mo^Po/Mel=161；若无硫化物存在，Au和Cu为弱相容元素或不相容元素(D_Au^Amp/Mel =1.2〜16)，而Mo是极不相容元素(D_Au^Crystal/Mel=0.02)。但当有流体出溶时，Au、Cu和Mo均偏向于进入流体。因此，若要形成斑岩型金矿，则需要尽可能避免磁铁矿的分离结晶导致的硫化物沉淀。现有的研究表明磁铁矿的分离结晶始于w(SiO₂)=60%，所以成矿岩浆多为安山质，SiO₂含量主体小于60%。若要形成斑岩型铜矿，只需要岩浆房中有一小部分的硫化物分离结晶(最可能是ISS(黄铜矿的高温变种)或者斑铜矿)，就可以带走岩浆中绝大部分的Au，而不会对Cu的含量产生重要影响，成矿熔体多为英安质，w(SiO₂)=65%〜70%。所以，对于Cu和Au而言，矿物相(尤其是硫化物)和流体(主要为水)相饱和的先后顺序对成矿影响巨大。而形成斑岩型钼矿，Mo始终作为强不相容元素进入残余岩浆，其含量不受岩浆硫化物的影响，但使高硅花岗岩缺少Cu的矿化，此时岩体为流纹质，w(SiO₂)>70%。

另外，大地构造环境控制了斑岩型矿床的类型分布。岛弧环境下的侵入岩组合为以闪长岩和TTG为主的辉长岩＋闪长岩＋TTG±花岗岩组合，源区是软流圈地幔，可有洋壳的参与，更容易形成斑岩型铜矿和金矿，且后者形成较晚，一般在俯冲的末阶段。尽管钼在洋壳中含量较高，但岛弧岩浆主体偏中性，抑制了斑岩型钼矿的形成。大陆弧环境下的侵入岩组合以TTG和花岗岩为主，少量石英闪长岩、闪长岩和辉长岩，岩浆源区为岩石圈地幔和下地壳。偏酸性的岩石组合更易形成斑岩型铜±钼矿。在后俯冲环境，由开始的壳源偏酸性转变为后期伸展阶段的双峰式岩浆岩。斑岩型钼矿易产出于早阶段，无幔源岩浆的参与，如中国大别和秦岭地区；富金的斑岩型矿床可形成于各个阶段，成因上与下地壳是否有洋壳俯冲时残留的硫化物相密切相关。

2 母岩浆的形成、演化和成矿岩体微量元素特征

俯冲过程中富水的幔源玄武质岩浆与下地壳岩石在壳幔边界处的MASH过程将形成玄武安山质-安山质熔体；在后碰撞阶段，弧陆碰撞引发加厚的玄武质下地壳(角闪榴辉岩、石榴石角闪岩)部分熔融并有地幔物质参与的情况下，形成安山质熔体或英安质熔体；而陆陆碰撞则会引起加厚的古老地壳部分熔融，形成流纹质熔体，如与中国大别晚侏罗世至早白垩世或西北地区三叠纪钼矿有关的岩体。

上述母岩浆形成后，在上升的过程中因与围岩的密度差异会,不同程度地发生停留—矿物(如辉石、角闪石等)的分离结晶和围岩的混染—上升过程并最终会在中上地壳岩浆房就位，形成闪长质到花岗质的岩基，可能伴有不同程度的火山喷发和基性岩浆的补给等过程。岩浆房中岩浆不断的结晶，最常见的是向内部固化，熔体向长英质的方向发展，在末阶段甚至是最后阶段形成成矿岩浆和相应的矿床。

成矿岩体在岩石地球化学特征上，普遍具有高S/Y比值的特点，且Al和大离子亲石元素含量偏高。尽管有诸多共性，但个性依然明显：从斑岩型金±铜矿经斑岩型铜矿到斑岩型钼矿，岩体SiO₂含量不断升高，由安山质经英安质变为流纹质；相对于斑岩型铜矿，斑岩型钼矿的Rb含量偏高，且Climax型和碰撞型明显要高于俯冲型，而Sr含量明显偏低。

成矿岩体在微量元素特征上的差异与岩浆源区和过程密切相关：

（1）岩浆源区的温压条件和水含量控制了矿物的稳定域和结晶顺序。弧岩浆普遍具有高的水含量、富集大离子亲石元素、亏损高场强元素的特征囚。高的水含量导致：①水与硅氧四面体中的桥氧发生反应，抑制了硅氧四面体的聚合，从而抑制长石的结晶，促进了角闪石、辉石和榍石的结晶，形成高Al和Sr/Y比的岩浆；②角闪石先于钛磁铁矿（或磁铁矿）结晶，升高了熔体中的V/Sc比值，避免金属因磁铁矿结晶引发的硫化物还原而无法被出溶的流体带走成矿。在高压下（＞40km）加厚下地壳的熔融同样可以产生高Sr/Y、V/Sc比值和高Al含量的岩浆。但在低压下（地壳减薄，厚度约在30km以内），斜长石能够稳定存在，从而导致形成的熔体具有低的Sr/Y比值。

（2）母岩浆上升和就位的演化过程中，熔体的SiO₂含量、分离结晶的矿物相及其比例将对微量元素产生重要影响。对于安山质岩浆，分离结晶的暗色矿物以角闪石为主，少量单斜辉石，浅色矿物为斜长石。对于花岗质岩浆，分离结晶的暗色矿物变为黑云母，浅色矿物从以斜长石为主变为钾长石和石英。由已有的分配系数（表2）可知，从安山质岩浆变为花岗质岩浆，其中Rb的含量会不断升高，Sr和Ba的含量随着岩浆结晶分异到一定程度才开始降低，且Sr的降低趋势应该早于Ba。

表2 大离子亲石元素在矿物和熔体中的分配系数

为了验证上述推断，作者搜集了28个与斑岩型矿床成矿岩体的SiO₂及大离子亲石元素Ba、Sr和Rb（图1和表3）含量，数据覆盖面广，不仅包括后碰撞环境下的斑岩型钼矿、铜-钼矿、铜矿和斑岩型铜-金-钼矿（简称碰撞型），还包括了洋壳俯冲过程中的斑岩型钼矿、铜_-钼矿、铜矿、铜_-金矿和金矿（简称俯冲型）。翔实的分析显示出如下特征：

⑴在SiO₂-Rb图解（图la）中，若固定SiO₂，在Rb的含量上表现出碰撞型>俯冲型的特点，且随着SiO₂的升高，从斑岩型金矿到斑岩型钼矿，Rb含量也呈现出不断升高的样式。

⑵在SiO₂-Sr图解（图lb）中，SiO₂的含量为固定值时，Sr的含量出现碰撞型>俯冲型的现象。

图1 不同类型斑岩型矿床的成矿岩体大离子亲石元素(Rb，Sr，Ba)与SiO₂关系图

表3 与斑岩型矿床有关的岩体部分元素含量

当w（SiO₂）＜65%时，从单个矿床类型上来看，如斑岩型金矿（Refugio），Sr含量与SiO₂含量正相关，但从整体上看，Sr含量变化规律不明显，比较模糊，可能为源区和岩浆演化程度的差异所致。当w（SiO₂）=65%〜70%时，无论是从整体数据还是从单个矿床类型数据，Sr含量随着SiO₂的增加均显示出较明显的下降趋势。

⑶在SiO₂-Ba图解（图1c）上，在w（SiO₂）＜60%的范围内，Ba含量整体趋势不明显，但单个矿床类型显示增加的特点。而当w（SiO₂）=60%〜70%时，其与Ba有着明显的正相关关系。w（SiO₂）＞70%时，表现出显著的负相关关系。

简言之，从斑岩型金矿经斑岩型铜矿到斑岩型钼矿，Rb的含量一直升高，Sr和Ba的含量经历了先升高后降低的过程，且Ba的降低趋势要晚于Sr，与从分配系数的角度做出的推测基本符合，或者称之为：高的Rb含量是斑岩型钼矿的特征，高的Ba含量是斑岩型钼＋铜矿的特征，高的Sr含量是斑岩型铜-金矿的特征。因此，这一特征将有助于判断斑岩型矿床矿化类型。

3 流体出溶及其演化

岩浆挥发分的出溶是形成斑岩型矿床必不可少的一步，也是浅部含水岩浆结晶和冷却过程中不可避免的结果。岩浆通道内的对流作用不断使深部岩浆房的富水熔体进入浅部筒状岩株。成矿流体主要在其顶部以“一类沸腾”或“二类沸腾”的形式岀溶。

岩基侵位的深度与岩浆源区的关系表现为深源浅成、浅源深成的特点，即闪长质岩基的就位深度较浅，而花岗质的就位深度较深，其原因可以归结为有不同含水矿物（白云母、黑云母、角闪石）的源岩脱水熔融所需的温压条件差异（图2）。这可以从不同斑岩型矿床的形成深度看出来：斑岩型金矿形成深度最浅，小于1km；斑岩型钼矿，尤其是碰撞型钼矿，形成深度最深，可达8km；斑岩型铜矿的形成深度在两者之间，集中在1.5〜4km，少数矿床，如Butte铜-钼矿，可达9km。由于中上地壳范围内，出溶的流体属于第一种超临界流体（SCF-I），与含水硅酸盐熔体的物理、化学性质完全不同，因而可以用NaCl-HO体系相图来分析流体出溶时的P-T-X条件。

图2 含角闪石、黑云母和白云母的原岩脱水熔融的温压条件和形成熔体的理想侵位深度

（1）形成斑岩型金矿的闪长质-石英闪长质成矿岩浆源于下地壳（常有镁铁质熔体的参与），形成于高压、高温（＞1000°C）和较贫水（3%〜4%）环境，在岩浆完全固结前能够上侵到地壳浅部（kbar）甚至喷出地表形成火山机构，此时以一次沸腾的形式出溶的流体多为低密度的岩浆蒸汽和少量的卤水相（图3），有利于水压致裂和角砾岩化作用。例如，斑岩型金矿Refugio矿发育与斑岩同源的安山质-英安质层状火山岩，早阶段A脉（磁铁矿、石英和少量黄铜矿）中发育沸腾包裹体组合（富气相包裹体为主，少量含子晶包裹体（含石盐、赤铁矿和未知矿物），根据质量平衡原理表明原始出溶流体的盐度低，密度低。研究表明，含子晶包裹体经历了子晶先熔化（石盐融化温度625〜675℃），后均一到气相（均一温度大于700℃）的过程，其形成压力为250bar。类似的还有斑岩型铜-金矿，如Bajo de la Alumbrera矿，最早从岩浆中出溶的流体（100MPa，8.5%NaCLeqv.）通过相分离形成大量的气相流体（体积占80%）和少量的卤水相流体（体积占20%），且后者的子晶熔化温度在480〜540C间，均一温度为745〜845℃。

图3 不同类型斑岩型矿床出溶流体的p-T条件

（2）对于斑岩型钼矿，初始熔体偏酸性，熔体在较高压力下（2kbar）与饱和水花岗岩固相线相交，侵位于较深处，岩浆较强的结晶分异（可以达到60%）和较低的温度导致了高压、低温、高盐度单相流体的出溶。这一结论已得到流体包裹体研究的进一步支持。典型范例来自俯冲型钼矿Endako矿，对钾化带中网脉状石英中的流体包裹体研究表明初始成矿流体为高盐度（＞40%NaCleqv）、高压（kbar）、低温（360〜460°C）的单相流体（图3）。裂谷型钼矿和碰撞型钼矿存在类似的特征，但略有不同的是裂谷型（Questa，Henderson和Climax钼矿）的流体包裹体测温表明温度最高可到750°C，而碰撞型钼矿的温度在俯冲型和裂谷型之间，温度最高可达600°C。斑岩型钼矿高盐度包裹体多以石盐子晶熔化的方式均一，在不受到后期改造的前提下，其地质意义为高压下的均匀捕获或包裹体形成时捕获了先成的石盐晶体。

（3）斑岩型铜矿的初始流体介于两者之间，但从斑岩型铜矿（Santa Rila）经斑岩型铜-金-钼矿（Bing-ham）到斑岩型铜气钼矿（Bute），出溶流体温度有所降低（分别为500〜800°C、625°C、600°C），压力有所升高（分别为≥1 kbar，1.1kbar，2kbar），从同时出溶气相流体和高盐度卤水流体，经出溶气相流体，向出溶高盐度卤水流体演化（图3）。

斑岩型金、铜、钼矿的成矿岩体侵位深度的差异可以用来评估找矿方向和成矿潜力。斑岩型钼矿的成矿岩体呈似斑状或不等粒结构，甚至是等粒结构，属于中深成相，侵位深度在5-15km。但对于斑岩型金矿，岩浆岩常呈典型的斑状结构，可存在与矿床有成因联系的火山岩，形成深度小于5km。因而，呈似斑状-不等粒结构的岩体深部不应存在与之有直接成因联系的金矿，但寻找铜矿和钼矿是可能的。

地质流体中最主要的溶质是Na、K和Ca的氯化物。出溶流体的pT-X都会对元素在熔体-流体中的分配产生重要影响，而Cl含量的影响尤其明显，证据来自平衡共存热水溶液和硅酸盐熔体人工实验、对出溶流体化学成分的定量计算和模拟以及对流体和熔体包裹体的LA-ICPMS研究。来自无矿花岗岩的研究表明，出溶流体的盐度过低，将降低流体从熔体中萃取Cu和Mo的效率，但对Au的影响较小，原因在于Au可以与S结合，赋存在低盐度流体中，以络合物的形式迁移。以钾化蚀变为例，从斑岩型金矿到斑岩型钼矿，出溶流体的Cl含量不断升高，K在流体和熔体中的分配系数将随之线性增大。这就可以部分解释为什么相对于斑岩型铜矿发育的典型热液蚀变分带，斑岩型金矿钾化带和绢云母化带蚀变弱而中级泥化蚀变强烈，但斑岩型钼矿中尤其是碰撞型钼矿强烈发育钾化等无水蚀变。前者钾化不发育的另一个原因可能是成矿深度太浅，流体容易冷却，易发生中低温蚀变，后者发育的另一个原因在于源区是大陆地壳，使流体富集K、F、CO₂。F作为相容元素，易富集于残余熔体中，从而使经较强分异的钼矿岩体，尤其是碰撞型钼矿岩体出溶高F的流体。含氟化钙子晶的流体包裹体和萤石脉的发育就是最好的证明。碰撞型钼矿成矿流体富集CO₂的原因除了源区之外，在于其形成深度。岩浆上升过程中，从深部出溶以CO₂为主且含少量H₂O的流体逐渐演变成浅部富H₂O的流体，显然在深处矿物结晶时更容易捕获CO₂流体，这也解释了尽管俯冲型钼矿源区几乎没有CO₂，但由于形成深度较深（如Bute），仍有少量含CO₂包裹体存在。