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《中国地质大学》 2019年
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岩浆-热液体系的形成和演化及其对超大型斑岩铜矿床的控制

昌佳  
【摘要】:斑岩铜矿床提供了全世界大约70%的铜、50%的钼和25%的金。由于超大型斑岩铜矿床规模巨大,具有极其重要的工业意义,因此一直是矿床学家和矿产勘查学家重点关注的对象。近一个世纪以来,国内外学者围绕斑岩铜矿床的成因开展了大量研究;这些研究使我们对斑岩铜矿床的基本特征和成因已经有了非常清楚的认识,但针对与超大型斑岩铜矿床有关的岩浆-热液体系是否具有异常高的铜等成矿元素含量这一关键科学问题的认识仍然争议很大。本文在详细的矿床地质和火成岩岩相学的基础上,通过高精度同位素定年、钼同位素、流体包裹体、熔体包裹体和硫化物包裹体等先进的研究手段,对超大型斑岩铜矿床岩浆和热液演化过程中成矿金属元素行为这一关键科学问题开展了系统的研究,以期深化和完善对超大型斑岩铜矿床成矿作用和成因模式的认识,为矿产勘查提供理论指导。本文首先对西藏玉龙超大型斑岩铜矿床的矿化特征和热液演化过程开展深入研究,以揭示成岩-成矿时限、流体组成、演化和成矿机制。鉴于玉龙铜矿区及外围缺少适合开展岩浆演化的样品(缺少与成矿相关的中基性岩浆岩),因此本文进一步以美国新墨西哥州Santa Rita和Cerrillos岩浆系统为研究对象,对与成矿相关的闪长岩中富辉石和富角闪石捕掳体进行了研究,这两个岩浆系统分别形成了一个超大型斑岩铜矿床和一个小型斑岩铜矿床。本文具体研究内容和研究目标包括:(1)揭示Santa Rita和Cerrillos富辉石和富角闪石捕掳体的岩石成因,在此基础上反演基性岩浆结晶分异过程中铜等金属元素的地球化学行为;(2)基于精细的岩芯编录和蚀变-矿化特征研究,建立玉龙铜矿床的描述地质模型;(3)精确限定玉龙铜矿床多期次矿化的成矿时间和时限;(4)反演玉龙铜矿床多期次岩浆-热液流体的形成和演化过程,重点关注铜、钼等金属元素在流体演化过程中的行为。本文首先通过详细的岩相学观察和岩浆矿物、单个熔体包裹体和硫化物包裹体的LA-ICP-MS分析,制约了Santa Rita和Cerrillos岩浆系统中富辉石和富角闪石捕掳体的岩石成因和金属含量。这两个系统中不同类型的捕掳体记录了基性岩浆分离结晶的过程,依次形成单斜辉石+橄榄石+金云母堆晶岩(1000-1100°C)、角闪石岩(920-1000°C)、角闪石+斜长石堆晶岩(830-950°C)和角闪辉长岩(850-910°C),岩浆结晶的深度范围为10-20 km,结晶富角闪石岩岩浆的氧逸度约为ΔFMQ+2。大部分的角闪石岩并不是由传统意义上的堆积作用形成,而是由残余熔体在晶粥环境下交代早期结晶的单斜辉石+橄榄石+金云母矿物组合而形成。岩相学研究表明,形成单斜辉石+橄榄石+金云母矿物组合的基性熔体(≤47-53 wt%SiO_2)并未饱和出硫化物,而演化程度更高的熔体(53-65 wt%SiO_2)则通常经历了硫化物±硬石膏的饱和。有些反应交代成因的角闪石岩中含有高达0.8 wt%的岩浆硫化物,这些硫化物主要为单硫化物相固溶体,其中含有1-8 wt%Cu、0.1-2.2 wt%Ni、1-15ppm Ag和0.1-1.3 ppm Au,但也有少量中间相固溶体,含有高达37 wt%Cu、0.5 wt%Ni、1100 ppm Ag和190 ppm Au。本文通过定量模拟计算,很好地反演了Santa Rita岩浆系统斑岩脉体和捕掳体中硅酸盐熔体包裹体和岩浆硫化物包裹体中铜含量随着岩浆的演化的系统变化:基性熔体(≤47-55 wt%SiO_2)未发生硫化物饱和时,铜含量从300 ppm缓慢增加到380 ppm,当熔体在55 wt%SiO_2发生硫化物的饱和后,随着熔体的继续演化(伴随着大量角闪石的结晶),在很窄的SiO_2变化范围内(55-58 wt%SiO_2),熔体中铜含量会急剧降低至≤50-100 ppm,岩浆硫化物中的铜含量也会发生明显降低。因此,基性岩浆在地壳深部不断结晶的过程中,虽然岩浆具有较高的氧逸度(~ΔFMQ+2),但是随着富角闪石岩的形成和硫化物的分离,残余熔体(≥55-60 wt%SiO_2)的矿化潜力将急剧降低。因此,本文提出中上地壳岩浆房中基性岩浆的注入可能有利于大型斑岩铜矿床的形成。通过系统的岩心编录和岩相学观察,建立了玉龙斑岩铜矿床多期次斑岩-脉体-矿化-蚀变的描述地质模型,并在此基础上,对两个主要矿化期的脉体进行了辉钼矿的高精度Re-Os同位素年代学研究。含矿岩体3期斑岩体组成,由从早到晚分别为二长花岗斑岩、钾长花岗斑岩和石英钠长斑岩。伴随着这三期斑岩体的侵位,分别发育了早期(E)、转换期(T)和晚期(L)的蚀变、脉体和/或矿化。伴随着高温钾化蚀变(和低温中级泥化蚀变),早期和转换期分别发育了一系列的脉体:(1)M_E脉/单向固结结构(UST_T),(2)EB_(E/T)脉,(3)A1_(E/T)脉,(4)A2_E/B_T脉和(5)A3_(E/T)脉。前三套高温脉体未发生明显矿化,A2_E/B_T和A3_(E/T)脉体是矿床铜、钼矿化的主要载体,其中主要矿物分别为石英和黄铜矿±黄铁矿。矿床超过80%的铜、钼矿化都是早期形成,而剩余的矿化在转换期形成。晚期发育一套伴随绢云母化蚀变的黄铁矿-石英脉体(D_L脉),未形成具有经济价值的矿化。早期和转换期含辉钼矿石英脉体的高精度Re-Os同位素年龄结果表明,矿床主要铜、钼矿化在1.36±0.24百万年的时间内形成,而超过80%的矿化(也就是早期的矿化),可能在0.82±0.24百万年内形成。综合分析认为超大型斑岩铜矿床的形成,可能通常在数万年-数十万年的时间尺度上,由多期次岩浆-热液流体的注入和演化而形成。在对多期次石英脉体和岩浆磷灰石显微结构观察的基础上,通过流体包裹体显微测温和单个包裹体的LA-ICP-MS成分分析,定量制约了玉龙铜矿床3个期次岩浆-热液流体的形成和演化过程。基于早期和转换期石英脉体中不同类型的流体包裹体具有相似的成分和均一行为这一观察事实,认为这两个期次的初始单相中等密度、中低盐度的成矿流体来自于具有相似演化程度的岩浆储库。单相中等密度流体(盐度约为9 wt%NaCl_(equiv),含大约1000 ppm Cu和20 ppm Mo)在上升、减压和冷却的过程中,会发生强烈的相分离,形成富含金属的高密度、高盐度卤水(盐度约为42 wt%NaCl_(equiv),含大约9300 ppm Cu和330 ppm Mo)和低密度、低盐度的富蒸汽相流体(蒸汽相/卤水相的质量比约为4)。这套富含金属的卤水在成矿部位的有效聚集和逐渐冷却导致大量金属矿物的沉淀,可能是玉龙铜矿床大量铜、钼堆积的关键过程之一。早期钼和铜依次从高盐度卤水中沉淀出来,可能是造成矿床浅部局部铜、钼分离的原因,而矿床深部一套富钼贫铜的矿化则可能是转换期金属元素从单相中等密度流体中选择性沉淀的产物。本文在3期斑岩体岩浆磷灰石中均发现与伟晶质熔体包裹体共生的高演化岩浆流体包裹体,两者具有异常高的Cs-Rb±B含量,这些元素与K的比值比早期和转换期的成矿流体高约1个数量级。晚期与绢云母化密切共生的D_L脉中的流体包裹体与岩浆磷灰石中的流体包裹体具有非常相似的成分特征,因此本文推测形成D_L脉体和晚期绢云母化的流体可能主要来自于岩浆房中高演化的熔体组分,相比成矿流体形成于一套显著不同的岩浆。另外,本文通过玉龙矿床早期A2_E脉和转换期B_T脉中辉钼矿的钼同位素分析,进一步制约了两个期次辉钼矿的沉淀机制。早期辉钼矿的钼同位素具有较窄的变化范围(δ~(98)Mo=0.03-0.18‰),与辉钼矿从相对停滞的高密度卤水相中沉淀出来的结论一致。相反,转换期辉钼矿的钼同位素则具有更为宽泛的变化范围(δ~(98)Mo=-0.16-0.60‰),表明辉钼矿很可能是从快速上升的单相中等密度流体中逐渐沉淀出来,流体和辉钼矿中的钼同位素发生了类似于瑞利分馏的过程。辉钼矿的钼同位素为解释玉龙矿床尺度上铜、钼纵向分离的现象提供了新的证据。基于以上研究,本文认为与超大型斑岩铜矿床有关的岩浆和流体可能并不具有异常高的铜含量(与中小型斑岩铜矿床相比)。相反,超大型斑岩铜矿床的形成可能需要有大型岩浆房(±大量基性岩浆注入)就位于合适的地壳深度(5-15 km),并在岩浆房顶部发育有利于成矿流体有效聚集的喷口构造(如斑岩突起、角砾岩筒或石英网脉等)。因此,在有矿化潜力的区域寻找超大型斑岩铜矿床,应该集中在有利于大型中上地壳岩浆房形成的构造部位。在这一认识的基础上,本文对玉龙铜矿带不同区域发现新的大型-超大型斑岩铜矿床的潜力进行了初步评价。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:P618.2

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【参考文献】
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