斑巖 Cu-(Mo-Au)礦床的成礦構造環境及勘查意義

秦建華,丁 俊,劉才澤,張啟明

(成都地質礦產研究所,四川成都 610081)

斑巖 Cu-(Mo-Au)礦床的成礦構造環境及勘查意義

秦建華,丁 俊,劉才澤,張啟明

(成都地質礦產研究所,四川成都 610081)

斑巖礦床是重要的礦床勘查目標。斑巖礦床的成礦構造環境研究有助于確定斑巖礦床的戰略勘查方向。斑巖礦床形成的成礦構造環境包括板塊匯聚邊緣、大陸轉換板塊邊界、陸內造山環境和非造山環境。本文重點對斑巖礦床在匯聚邊緣和大陸轉換板塊邊界的成礦構造環境及其勘查意義進行初步總結。構造變化對斑巖礦床的形成起到觸發作用。微弱和中等程度的轉換擠壓應力最有利于巖漿的集聚、上升和就位。巖漿侵入可以是在廣闊的轉換擠壓斷層帶內或在其周圍局部呈引張的地區集中出現。對于斑巖礦床戰略勘查方向而言,應注意研究區域走滑斷層與侵入體的關系,加強對地表淺部噴氣蝕變的識別。在我國西南地區已勘查發現的 5個斑巖成礦帶中,應注意沿區域走滑斷裂構造方向開展找礦。從成礦構造環境與哀牢山-紅河構造帶對比來看,鮮水河-小江斷裂帶可能是西南地區新的斑巖礦床勘查區。

斑巖礦床;成礦構造環境;區域走滑斷層;找礦方向

斑巖 Cu-(Mo-Au)礦床 (下稱斑巖礦床)以規模大、品位低而成為礦床主要勘探目標。當前,在全球斑巖礦床勘查中面臨著直接找礦信息越來越少、地表直接找礦難度加大的問題,換句話說,在斑巖礦床勘查中,人們需要解決的第一個問題就是到哪里去尋找斑巖礦床。

據研究,世界上超大型斑巖成礦系統主要集中形成于幾個成礦省,在全球 25個超大型斑巖銅礦中就有 14個集中出現在 4個成礦省中,即:智利中部、智利北部、亞利桑那西南和墨西哥。超大型斑巖礦床在成礦省內成群聚集的趨勢,說明在超大型斑巖礦床的定位 (localizing)上,地球動力學環境和地殼格架起到了重要作用[1]。因此,需要在區域尺度上詳細研究斑巖礦床形成的構造環境,在更為廣闊的框架下研究斑巖礦床形成的構造 -巖漿活動過程[2]。

本文結合近年來國際上對斑巖礦床成礦構造環境的研究進展和我們對我國西南地區斑巖礦床成礦構造環境的研究,重點對斑巖礦床在匯聚邊緣和大陸轉換板塊邊界的成礦構造環境及其勘查意義進行初步總結和概述。

1 斑巖礦床與板塊構造環境

斑巖礦床形成的板塊構造環境包括島弧、板塊同碰撞和后碰撞陸內俯沖匯聚及大陸轉換板塊邊界和陸內等構造環境。

島弧是斑巖礦床產出的主要構造環境。目前世界上已勘查發現的大型、特大型斑巖礦床,主要發育在太平洋周圍第三紀和第四紀陸緣弧和洋內弧中[3]。在西南地區,云南普朗特大型斑巖銅礦就是產出在與甘孜-理塘結合帶有關的晚三疊世俯沖造山島弧環境。

板塊同碰撞陸內俯沖匯聚構造環境形成斑巖礦床,可以班公湖-怒江燕山期斑巖成礦帶為代表。在該成礦帶,目前已勘查發現多不雜銅金礦和波龍銅金礦兩個大型、特大型斑巖礦床,斑巖成巖成礦時代為早白堊世,斑巖礦床形成于拉薩地體與羌塘地體早白堊世發生初始碰撞后的同碰撞環境[4]。

形成于板塊后碰撞陸內俯沖匯聚環境的斑巖礦床,在特提斯成礦帶比較發育。在特提斯西段,伊朗和巴基斯坦中新世超大型斑巖礦床形成于正在發生的陸-陸碰撞構造環境[3]。在特提斯東段,西藏玉龍和驅龍兩個超大型斑巖銅礦形成的構造環境就是后碰撞陸內俯沖匯聚構造環境。玉龍銅礦形成于金沙江結合帶在早第三紀發生活化向西發生持續斜向陸內俯沖環境,驅龍銅礦則是形成于印度板塊和亞洲板塊在中新世后碰撞期持續發生的斜向陸內匯聚環境[4]。

大陸轉換板塊邊界中形成的斑巖礦床可以西南地區麗江-金平第三紀斑巖成礦帶為代表。該斑巖成礦帶為富堿斑巖成礦帶,以正長斑巖為主,主要形成斑巖銅金礦。斑巖礦床形成的構造環境與哀牢山-紅河剪切帶始新世到中新世發生的左行走滑構造環境有關。哀牢山 -紅河剪切斷裂帶,在漸新世到中新世表現為大陸轉換板塊邊界環境 (continental transform plate boundary),是印支陸塊與南中國陸塊的一級邊界(first-order boundary)[5,6]

陸內環境,可以我國燕山期構造巖漿活化為特征的陸內造山環境以及以構造體制轉換為標志的非造山或后造山伸展環境為代表,產出大量的斑巖型礦床,如著名的德興銅礦[7]。

2 斑巖礦床與區域構造應力

斑巖礦床的形成與構造-巖漿活動密切相關。要研究斑巖礦床形成的構造-巖漿活動就需要研究區域構造應力和應變作用[2]。

2.1 匯聚邊緣區域構造應力

世界上,斑巖礦床多數都出現在匯聚板塊邊緣。在匯聚板塊邊緣,島弧巖漿作用與區域構造過程是緊密聯系的,所有的島弧巖漿都是同構造或同造山運動的[8]。據研究[2],在島弧上疊板塊,不存在單一 (unique)的應力狀態,其應力狀態在三維方向上可從壓性變化到張性和剪切應力,即:垂向上可通過巖石圈發生變化,側向上可沿島弧變化,橫向上可從弧前到弧后。而據 James和 Sacks(1999)研究,在匯聚邊緣上疊板塊,應力狀態是隨時間變化的,有時在很短的時間內 (＜1Ma)就發生了變化。Ramos等也(2002)指出,洋底的異常特征,如海山和洋脊海嶺的俯沖可以造成間歇性的不同時期的應力狀態。壓應力或剪切應力傳遞到上疊板塊可通過與下插板塊的摩擦耦合來進行,而板塊的摩擦耦合又是與許多因數有關,如板塊匯聚速度、匯聚方向、匯聚角度和板塊浮力等。板塊匯聚速度和匯聚方向變化頻率是百萬年或更短。而板塊俯沖角度和浮力的變化頻率則是幾個百萬年[9]。

在板塊匯聚邊緣,板塊匯聚方向極少是垂直正向的,普遍發育剪切應力。Teyssier等[10]和 McNulty等[11]指出,擠壓或引張剪切應力可通過摩擦耦合傳遞到上疊板塊。在上疊板塊,應變通常是分段分塊表現出擠壓、引張和剪切應力。換句話說,在上疊板塊可同時出現地殼縮短和 (或)引張和走滑斷層的情況。在剪切或擠壓中,也可同時出現呈引張應力狀態的區域。

2.2 大陸轉換板塊邊界區域構造應力

Leloup等 (1995)對大陸轉換板塊邊界環境的區域構造應力和巖漿活動進行了研究,認為在簡單剪切-加熱模式下可以形成從軟流圈到地表連通的巖漿熔融管道或裂隙。

2.3 斑巖礦床形成的應力狀態

何種應力狀態下有利于斑巖礦床的形成,是個非常重要的問題。在匯聚邊緣,斜向構造應力有利于巖漿的分離和在剪切帶的集聚。理論研究、地球物理和野外證據都表明,巖漿上升穿過地殼是以巖墻形式進行的。在走滑和引張環境下,巖墻等擴容構造是垂直的;在壓應力環境下,引張構造將呈水平狀態,形成巖席[12]。因此,與走滑和引張環境相比,壓應力狀態不利于巖漿垂向流動。在島弧,除了在裂谷拉張時期,橫切巖石圈的引張或轉換引張極少出現。在裂谷期,發育鎂鐵質火山作用,不利于斑巖銅礦形成[13];收縮擠壓變形,雖然通過地殼加厚,在地殼基底有利于MASH層 (見下述)的形成,但它不利于巖漿上升進入到上部地殼。比較起來,轉換擠壓變形在斷層交叉部位和聳處部位 (jogs)沿著引張通道可為巖漿提供上升和就位的地方。因此,剪切應力可以獲得最有利于巖漿集聚和上升的狀態[14],中等程度的 (moderate)轉換擠壓應變有助于在走滑斷層系統中局部的不連續的地方形成垂直的引張空間 (拉分),而正是這些垂直的引張空間引導著巖漿上升并停留在上部地殼中 (圖 1、圖 2)。巖漿就位和斑巖礦床的形成雖然可以沿著島弧的任何地方發生,但是大型礦床最有可能形成在由地殼結構格架集中的巖漿上升的地方,特別是在構造交切部位,可以形成垂直的張性的切穿地殼的擴容通道。

圖 1 俯沖帶和大陸弧剖面圖 (據 Richards,2003)Fig.1 Cross section through asubduction zone and continental arc(after Richards,2003)

圖 2 深切巖石圈剪切帶示意圖 (據 Richards,2003)Fig.2 Schematic cross section of a translithopheric shear zone(after Richards,2003)

Kerrich等[15]認為,斑巖礦床并不是典型的島弧火山作用的產物,構造變化對斑巖礦床的形成起到觸發作用,在主導的構造應力體制下發生的擾動才可能觸發形成斑巖成礦系統。由無震洋脊、海山鏈和海洋高原引起的俯沖板塊的上浮可以為斑巖礦床提供有利的成礦環境。Cooke等[3]指出,環太平洋地區的超大型斑巖銅鉬和銅金礦床的形成是與無震洋脊、海山鏈、海洋高原在洋島或陸緣弧之下的俯沖緊密相關。在幾個重要成礦省,都表現出超大型斑巖和淺成熱液礦床與板塊扁平俯沖的關系。在洋內島弧,洋脊俯沖可以引起板塊變平和 (或)短暫的島弧反轉;在大陸島弧,洋脊俯沖可以延長扁平俯沖作用。這些構造擾動促進板塊發生扁平俯沖 (flatslab subduction)、地殼增厚、抬升和侵蝕、促進埃達克質巖漿作用,同時形成斑巖或 (和)淺成熱液成礦省。此外,人們對較古老的構造環境的研究也發現斑巖礦床與扁平俯沖造山作用之間具有成因關系,如在美國西南部發生的 Laramide造山作用就形成了 6個超大型斑巖銅鉬礦,該造山作用由于缺乏火山作用、廣泛的后陸變形和厚皮構造而被認為與扁平俯沖作用有關 (Murphy,2001)。

3 斑巖礦床與構造巖漿演化

Cline和 Bodnar[16]認為,就斑巖銅礦有關的巖漿作用、蝕變作用和成礦作用類型而言,斑巖銅礦具有全球廣泛的一致性,斑巖礦床的形成機制是十分清楚并可以再現,無需任何獨有的過程和巖漿類型。據研究[3],在全球25個特大型斑巖銅礦中,大多數都是與鈣-堿性侵入體有關,部分與高 K的鈣-堿性侵入體有關;而在全球25個特大型富金斑巖礦床中,鈣-堿性斑巖和高 K的鈣-堿性斑巖侵入體都可以形成超大型富金斑巖礦床。世界上與堿質斑巖系統有關的最大的金富集區見于澳大利亞 Cadia地區。據芮宗瑤等[17]研究,我國與成礦密切的斑巖主要屬于鈣堿性和高鉀鈣堿性系列,少部分屬于堿性系列。

Richards[2]指出,對斑巖銅礦成因的研究不能孤立于源巖漿的構造-巖漿成因來進行,匯聚板塊邊緣島弧構造應力與巖漿活動是緊密聯系的。已有的研究表明[18,19,20],在匯聚邊緣現代島弧和陸緣弧的絕大多數巖漿巖,是來自于地幔楔形體的部分熔融,下插巖石圈發生在大約100km深度綠片巖-榴輝巖過渡帶的脫水反應可能是一個關鍵過程 (圖 1)。地幔楔形體熔融產物雖然也是玄武質的,具有較高含量的 H2O和 L ILE(large ion lithophile elements)和異常低的 Ti,Nb和 Ta,明顯不同于洋中脊玄武巖(MORB),反映交代后的原巖成份[21]。Hildreth和Moorbath(1988)研究智利中部安第斯山島弧巖漿作用提出了MASH模式 (圖 1)。MASH層是一個由侵入巖、巖墻和巖床組成的集合體。在該模式中,由地幔楔形體熔融形成的鎂質巖漿比絕大多數的地殼巖石密度大的多,因而在從地幔楔形體形成并上升到地殼基底附近時就停止上升在地殼與地幔邊界形成巖漿池,即下地殼 MASH層。在 MASH層,上升的巖漿在地幔與地殼物質之間發生了廣泛的交換和相互作用,形成了具有中性成份的熔融體 (玄武安山質到英安質),在這一過程中形成的混合巖漿富含揮發份、硫和其他不相溶的化學成分,包括親銅的硫化物相容元素 Cu,Au等而具有了成礦潛力 (Spooner,1993)。值得注意的是,匯聚邊緣島弧是一個在時空上不斷演化的構造-巖漿系統,MASH層的發展可能是一個短暫的過程[2]。

作為斑巖銅礦形成的前提條件,MASH帶中豐富的巖漿要發生集聚和上升。而MASH層中形成的混合巖漿要上升遷移,必須要經歷一個巖漿分離和集聚的過程。Vigneresse and Tikoff[22]指出,在MASH層,剪切應力可降低熔融體逃逸臨界值并將混合巖漿集聚到剪切帶 (圖 2),斜向構造應力有利于巖漿的分離和在剪切帶的集聚。在MASH層中,這些含有豐富物質的巖漿在大量侵入到上部地殼時,不能發生過量的噴發,只有如此,巖漿在淺部進一步的演化和揮發分的溶離才能進行。在巖漿旋回晚期,在輕微的 (mild)走滑擠壓應力狀態下,最有利于含有豐富物質的巖漿呈較大體積就位于地殼淺部。而在上部地殼巖漿房中,這些較大體積的巖漿將進一步發生巖漿分異和大量揮發分的飽和溶離,并可能伴生形成大型的斑巖礦床 (圖 2)。超強擠壓不利于巖漿的上升,正如在造山幕中所看到的,超強擠壓更有利于巖漿以巖席的形式圈閉在地殼的基底。

來自MASH帶的巖漿沿著巖墻上升進入到上部地殼后的就位位置,主要取決于巖漿局部的相對于地殼的密度和中和浮力面的位置 (level of neutral buoyancy)。上部地殼維持巖漿作用的關鍵因素是巖漿供應速度。Petford(1996)估計在巖墻中巖漿實際的上升速度是約10～2m/s對于一個大的長英質侵入體的巖漿供應可以在 ＜104yr的時間內完成。Paterson和 Tobisch[23]也認為類似的過程不應超過幾個百萬年。在島弧環境,由于上覆的火山巖和沉積巖較為軟弱而且密度低于上升的安山質-英安質巖漿,因而,巖漿通常 (包括形成斑巖銅礦的巖漿)是侵入就位在同時期的火山堆的基底或是在基底與蓋層的界面上。斑巖銅礦主要形成于巖漿旋回的晚期,在一個地區,斑巖侵入就是最為典型的代表了最后一期巖漿侵入事件[24]。

4 勘查意義

對匯聚邊緣和大陸轉換板塊邊界斑巖礦床形成的成礦構造環境進行的研究對斑巖礦床勘查具有重要意義。

(1)許多情況下,斑巖成礦中心與主要橫推斷層帶之間,特別是與這些構造相切的線性構造的交切部位之間存在著清楚的空間關系。對于斑巖礦床戰略勘查方向而言,應研究區域走滑斷層與侵入體的關系,注意沿構造方向尋找礦床。

如上所述,初始 (primitive)島弧巖漿在壓應力狀態下,堆積在上疊板塊地殼的基底并開始沿著原型島弧長度方向發育成一個相對狹窄的呈線性分布的MASH帶 (圖 1)。在 MASH帶初始形成的約幾個百萬年間,在MASH帶發生的充分的部分熔融和均一化形成了密度較低成分中性的巖漿,這些巖漿將上升到地殼的較淺部位。剪切應變既可以沿著先前存在的有利的構造聚集,也可以形成新的構造。巖漿沿著這些構造薄弱帶渠道化上升,造成巖漿作用被限制形成在與島弧平行的狹窄的構造帶上。Richards[25]指出,侵入體的就位可以抹去先前構造存在的證據,侵入作用可以是在廣闊的轉換擠壓斷層帶內或其周圍局部的引張地區集中出現而不一定沿著走滑斷層本身分布。

在我國西南地區,可劃分出 5個斑巖成礦帶,斑巖礦床與區域走滑斷裂存在緊密空間關系 (秦建華等,2010),因此,在西南地區開展斑巖礦床勘查工作應注意沿區域性走滑斷裂構造方向進行。另外,值得重視的是,由于鮮水河-小江左旋走滑斷裂在晚新生代構成了印度板塊相對于華南的地殼物質旋轉的東部邊界[6]。因此,從成礦構造環境相似類比分析,該斷裂帶及其兩側,極有可能像早新生代的紅河斷裂帶一樣,成為我國西南地區新的又一個斑巖礦床勘查戰略區 (圖 3)。

(2)地表淺部噴氣蝕變可能指示了深部侵位的巖漿 -熱液活動和潛在的斑巖礦床的形成。

圖 3 金沙江-紅河及鄰區新生代主要斷裂與斑巖礦床(點 )分布圖 (據 Lee等 ,2003;Hou等 ,2003;Leoup 等 ,1995;許志群等 ,2006;Wang等 ,1998;Wang等 ,2000;潘桂棠等,2003;潘杏南等,1987;綜合編制)1.走滑斷層;2.逆沖斷層;3.斷層活動時代;4.斑巖礦床 (點)Fig.3 Major Cenozoic faults and porphyry deposits along the Jinshajiang-Honghe fault zone and its adjacent areas(modified from Lee et al.,2003;Hou et al,2003;Leoup et al.,1995;Xu Zhiqun et al.,2006;Wang et al.,1998;Wang et al.,2000;Pan Guitang et al.,2003;Pan Xingnan et al.,1987)1=strike-slip fault;2=thrust fault;3=faulting age;4=porphyry deposit(spot)

斑巖銅礦形成時可上覆復式火山。火山大量噴發,一些重要關鍵揮發份的耗損 (比如硫)可以終止(short-circuit)斑巖的形成。但當大量的巖漿侵入到上部地殼的時候,不可避免的有一定數量的火山噴發。巖漿揮發分的溶出是斑巖銅礦形成的一個基本階段,是含水島弧巖漿在淺部冷卻和結晶的直接結果[26]。Hedenquist等[27]指出在部分斑巖系統上部出現的內生進變 (advanced)泥質蝕變代表了巖漿侵入在淺部的排氣作用。因此,這種地表淺部的噴氣蝕變就有可能指示了深部侵位的巖漿 -熱液活動和潛在的斑巖礦床的形成。

5 結 論

斑巖礦床不是典型的島弧火山作用的產物,斑巖礦床形成的構造環境具有多樣性,形成斑巖礦床無需任何獨有的過程和巖漿類型。我國西南地區的斑巖礦床主要形成于板塊匯聚邊緣和大陸轉換板塊邊界環境。剪切應力最有利于含礦巖漿在MASH帶的集聚和上升并最有可能在轉換擠壓應變狀態下沿著走滑斷層系統中局部的不連續的地方出現的垂直的引張空間 (拉分)上升形成斑巖礦床。在斑巖礦床勘查中,應注意研究區域走滑斷層與侵入體的關系,加強對地表淺部噴氣蝕變的研究,重點沿構造方向尋找斑巖礦床。

本文得到西南地區礦產資源潛力評價項目經費的支持。

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Metallogenic tectonic settings of porphyry Cu-(Mo-Au)depositsand their exploration significance:An overview

Q IN Jian-hua,D ING Jun,L IU Cai-ze,ZHANG Qi-ming
(Chengdu Institute of Geology and M ineral Resources,Chengdu610081,Sichuan,China)

The porphyry deposits as an important exploration target are not the products originated from typical island-arc volcanism.The metallogenic tectonic settingsof porphyry deposits consist of the plate convergentmargin,continental transfor m plate boundary,and intracontinental orogenic and anorogenic settings.The present paper gives a general review of the metallogenic tectonic settings of porphyry deposits including the plate convergent margin and continental transform plate boundary,and their exploration significance.The structural variations may serve as a trigger for the formation of the porphyry deposits,and slight and moderate transpressional stressmay be most favourable for the concentration,ascent and emplacement of magmas from the lower crust.The magmatic intrusion tends to occurwithin or around the broad transpressional fault zones.Formineral exploration strategies in southwestern China,particular attention is drawn to the regional strike-slip fault zone,with the emphasis on the Xianshuihe-Xiaojiang fault as potential prospects.

porphyry deposit;metallogenic tectonic setting;regional strike-slip fault;prospect area

1009-3850(2010)02-0078-06

2009-06-22;改回日期2010-06-28

P622

A