斑岩型铜矿床为世界提供了大部分的铜而备受关注。世界上环太平洋、特提斯和中亚等三大成矿域均发育斑岩铜矿床。前人已对太平洋和特提斯成矿域的斑岩铜矿床进行了系统的研究,提出了一系列经典的成矿理论和成矿模式。普遍认为,大型斑岩铜矿的形成与加厚的下地壳有关,成矿岩浆主要为埃达克质岩浆,成矿岩浆源于地幔楔、俯冲板片或加厚下地壳的部分熔融等,而成矿模式包括了部分熔融模式和MASH(熔融、同化、存储和均一)模式。

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。

应胡瑞忠所长邀请,并受国际经济地质学会安排,全球著名矿床学家、国际经济地质学会
2016年“Thayer Lindsley
Lecture塞耶尔林兹黎讲座”教授、加拿大阿尔伯塔大学Jeremy P.
Richards教授于6月30日至7月3日访问地化所。在为期3天的访问中,Richards教授做了“Tectonomagmatic
Controls on Arc Metallogeny ”、“Porphyry and Epithermal Ore Formation in
Post-subduction Tectonic Settings” 及“Neotethyan Metallogeny From the
Carpathians to the
Himalayas”等一系列精彩的跟弧岩浆-铜金成矿作用有关的学术报告。矿床地球化学国家重点实验室钟宏研究员和高剑锋研究员分别主持了报告会。

中亚成矿域发育了许多大型、超大型斑岩铜矿床,这些矿床形成的关键因素(包括地壳厚度、岩浆源区和岩浆性质等方面)是否与环太平洋和特提斯成矿域一致?已有的经典的斑岩铜矿床成矿模式是否适合于中亚成矿域斑岩铜矿床?这些都是需要解决的问题。

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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在国家科技支撑计划课题和国家自然科学基金项目连续十余年的资助下,中国科学院地质与地球物理研究所固体矿产资源研究院重点实验室申萍研究团队对中亚7个大型-超大型斑岩铜矿床的成矿岩体进行了岩石学、岩相学、地球化学、年代学和Sr-Nd-Hf-O同位素研究,确定中亚大型斑岩铜矿床的形成具有多样性和复杂性,不能用单一的模式来解释,在地壳厚度、岩浆源区、岩浆性质等方面也与环太平洋和特提斯成矿域不同,提出了适合于中亚成矿域斑岩铜矿床形成的三种成矿模式,丰富了世界斑岩型铜矿床的成矿理论和成矿模式,具体如下:

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)。

Jeremy P. Richards教授作报告

  1. 控制中亚成矿域大型斑岩铜矿床形成的三个关键因素:

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。

在“Tectonomagmatic Controls on Arc Metallogeny
”的报告中,Richards教授以弧环境斑岩铜矿的构造-岩浆制约机制为主线,系统论述了弧环境斑岩铜矿产出的过程及条件,认为受俯冲板片交代的地幔楔部分熔融产生的含水高镁玄武质岩浆在壳幔边界与壳源岩浆发生岩浆混合作用是产生与铜金成矿有关钙碱性岩浆的重要过程。此外,岩浆的含水量、硫逸度及氧逸度等对岩浆最后是否成矿起着关键性的控制作用。在“Porphyry
and Epithermal Ore Formation in Post-subduction Tectonic
Settings”报告中,Richards教授详细介绍了后俯冲环境斑岩铜矿及浅成热液矿床成矿理论,对比了三种动力学背景下岩浆作用和铜金矿化过程。强调了俯冲期残留在地幔楔或软流圈中的硫化物在后俯冲过程中可能会发生分解,并溶解于S不饱和的熔体,导致金属元素富集,并最终随岩浆上升成矿。在第三个报告中,Richards教授结合他在该构造域的工作经历和成果,从宏观到微观讲述了特提斯构造域的构造演化过程及不同时期对应的成矿作用,并详细介绍了该成矿域中斑岩铜矿和浅成低温热液型金矿的野外地质特征、蚀变矿物组合和矿化类型等。

世界大多数大型斑岩铜矿床的形成与加厚的下地壳有关(特提斯:”40~”55公里;安第斯:40~45公里);与之不同的是,中亚成矿域除了少数矿床形成与加厚的下地壳有关外,大多数斑岩铜矿床的形成与较薄的下地壳和正常的下地壳有关,即较薄的地壳同样也有利于中亚成矿域大型斑岩铜矿的形成。

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。

“塞耶尔林兹黎讲座”是国际经济地质学会设立的著名讲座,Jeremy
Richards是其2016年讲座教授,将在中国多个高校和科研院所进行一系列讲座。此次Richards教授在我的学术报告是其“塞耶尔林兹黎讲座”的一部分。
报告结束后,Richards教授与矿床室斑岩铜金矿床研究团队就三江、环太平洋等地区斑岩成矿作用进行热烈的学术讨论,并对今后进一步开展国际合作进行商谈。双方初步确定在研究生培养、特提斯构造域构造演化和铜金成矿作用的研究等方面展开深入合作。

世界大多数大型斑岩铜矿的形成与埃达克岩浆有关;不同的是,中亚成矿域除了少数矿床形成与似埃达克质岩浆(adakite-like)有关外,大多数斑岩铜矿床的形成与钙碱性岩浆以及与具埃达克质—钙碱质过渡的岩浆有关,即非埃达克岩浆以及埃达克质—钙碱质过渡岩浆同样也有利于中亚成矿域大型斑岩铜矿的形成。

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。

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世界大多数大型斑岩铜矿成矿岩浆源于地幔楔、俯冲板片、古老或新生地壳;不同的是,中亚成矿域大型斑岩铜矿床成矿岩浆均源于新生下地壳,有幔源物质和古老地壳物质的混染,即新生下地壳源区对中亚成矿域斑岩铜矿的形成起了决定性作用。

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)。

报告会现场

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