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综述：俯冲带斑岩铜矿系统成矿机理

陈华勇吴超

中国科学院矿物学与成矿学重点实验室,中国科学院广州地球化学研究所,广州

通讯作者,E-mail:huayongchen

出版日期：Mar31,

铜、钼、金等多种金属的重要生产者

斑岩铜矿具有重要的经济价值,近百年来供应了全球近3/4的铜、1/2的钼和1/5金元素需求量,以及大量的银、锌、锡和钨等金属(Sillitoe,;Sun等,).

板片俯冲过程

全球大型斑岩铜矿床多分布于岛弧和大陆边缘等俯冲边界，成矿母岩浆与俯冲作用密切相关。俯冲板片在俯冲过程中，存在脱水和熔融两种机制，近似反映了洋壳随着俯冲深度的行为变化。在浅部,俯冲洋壳及沉积物脱水作用占主导;随着深度增加,洋壳经历榴辉岩相变质并发生熔融作用。需要指出的是，俯冲带中洋壳脱水是比板片熔融更普遍的地质过程(Pearce等,)。此外，尽管流体与熔体两种交代形式均可以在地幔楔形成金云母、角闪石等含水矿物和单斜辉石和磷灰石等矿物,区别在于流体交代引入较多易溶于水的大离子亲石元素(Wilkinson,),而熔体交代则会使地幔相对富集高场强元素。另外，值得注意的是，俯冲带可能会产生一种超临界流体的过渡态(km),兼具富水流体相和富水熔体相的特征。

板片俯冲过程对地幔楔氧逸度的影响目前仍然争议较大，有研究者提出俯冲过程增高了俯冲带地幔楔的氧逸度(Mungall,)，但有学者认为俯冲过程没有提高地幔楔的氧逸度(Lee等,)。

下地壳MASH带的壳幔岩浆混合作用

地幔部分熔融产生的原始玄武质弧岩浆一般都难以直接上升至地表,而是由岩浆在地幔中的浮力效应上升底侵至加厚下地壳的底部,又因周围岩石的低密度而在下地壳底部高热区(HotZone)滞留并发生一系列复杂的壳幔相互作用,包括熔融、同化、贮存和均一化(MeltingAssimilationStorageandHomogenization,MASH)(DePaolo,;Hildreth和Moorbath,).

下地壳MASH带在演化过程中伴随有富水地幔玄武岩的周期性注入,从而积累丰富的挥发分和较高含量的金属(Wilkinson,).下地壳MASH带内熔体高的水含量还会促进橄榄石、辉石和尖晶石等较重的基性矿物大量结晶,在下地壳的底部形成一层超镁铁质的堆晶层。有研究估算,含有50wt.%角闪石的中下地壳堆晶层如“海绵”一般,可以贮存弧岩浆20wt.%的水含量(Davidson等,).不断有研究发现,下地壳堆晶体中出现了含Fe-Ni硫化物熔体或结晶相(Jagoutz等,;Hou等,).这种因高密度而被捕获的硫化物液滴通常具有较高的Au、Cu含量以及Au/Cu比值,因而被视为岛弧演化成熟期的富金斑岩系统(Davidson等,)以及俯冲后背景下富碱性岩浆活动形成的斑岩型铜-金矿和浅成低温型金矿床的金属来源(Richards,;Hou等,).

岩浆壳内运移和上地壳岩浆房演化

一般挤压的构造背景会导致地壳加厚,从而有利于下地壳内MASH过程的发生,但是过强挤压应力会关闭断裂通道而不利于岩浆随后在中、上地壳的上升(Richards,);另一方面,单一伸展背景会导致基性岩浆直接沿裂隙上升至地表,形成基性火山喷发,不利于成矿(Luhr,).因此,俯冲带经历长期挤压后的应力松弛,或挤压向伸展拉张的转换可能最有利于下地壳MASH带成矿母岩浆的形成和上升就位(Richards,).

初始的中酸性岩浆一般不会直接上升至地表,而是到达上地壳的中性浮力界面处经历分离结晶、注入补充以及流体(熔体)出溶等过程,逐渐积累形成岩浆房,而岩浆房的体积将决定最终形成矿床的规模(Richards,;Candela和Piccoli,;Sillitoe,).形成大型矿床需要从大规模的上地壳岩浆房中获取成矿物质补给,例如,地球物理观测模拟发现Bingham矿床下5~15km深度存在近km3规模的岩浆房(Steinberger等,).岩浆房中的对流作用将成矿物质源源不断地汲取到岩浆房的顶部,期间大量挥发分的出溶对于岩浆中富集成矿物质具有重要意义(Shinohara等,;Candela和Piccoli,).

成矿斑岩体就位与挥发分出溶

如果，斑岩体侵位早期的压力快速释放还能形成角砾岩筒,尤其当成矿物质未随着爆发作用散失到地表时,可在岩筒内产生矿化,例如世界最大的斑岩铜矿ElTeniente矿床矿化赋存在包含黑云母、硬石膏和电气石的岩浆热液角砾岩筒中(Candela和Piccoli,).

初次沸腾”过程中出溶的挥发分对于热液成矿过程至关重要.最初产生的流体是单相、低盐度富水流体,在上升过程中分异为大量的低密度气相和少量的高盐度卤水相(Rusk等,;Sillitoe,).早期出溶的单相挥发分具有超临界流体的性质(Candela和Piccoli,),富含成矿元素.随后,由超临界流体分异或者直接由岩浆出溶形成的高盐度卤水相(盐度高达35~70wt.%)倾向富集Fe、Zn、Pb、Mn和Mo等元素,而低密度的气相更易富集Cu、Au、Ag和S等元素(Heinrich等,;Pokrovski等,).一般认为主体的Mo元素通过卤水相搬运,半数的Cu以及主体的Au金属量通过大量的气相搬运(Zajacz等,),这表明Au倾向于随气相运移形成浅成低温矿化(Heinrich等,).

热液蚀变

虽然斑岩体一般出露面积较小,但是斑岩铜矿围绕着矿化中心向外通常发育延伸数公里的热液蚀变带.因此,准确识别热液蚀变分带也能极大提高斑岩铜矿勘查工作效果(Sillitoe,,).Lowell和Guilbert()最早提出了围绕矿化中心向外延伸的“钟罩”状的蚀变分带,核部的钾硅酸盐化蚀变带及中部围绕其分布的黄铁绢英岩化带,再到外围的青磐岩化带和顶部的泥化带.作为主要含矿带,钾化带是斑岩铜矿中最早形成的蚀变带,一般产于岩体顶部,主要蚀变矿物组合为钾长石、石英、黑云母和磁铁矿等.与钾硅酸盐化蚀变同时形成的青磐岩化蚀变一般能延伸至距离矿化中心数公里外,代表性蚀变矿物组合包含绿泥石、绿帘石、方解石、钠长石、阳起石和黄铁矿等,且空间上远离矿化中心依次发育有阳起石化、绿帘石化和绿泥石化三个亚带(Cooke等,).绢英岩化蚀变包含绢云母、石英、绿泥石和黄铁矿等矿物组合.值得注意的是,不同于早期的斑岩矿床蚀变空间分带模型中认为绢英岩化呈环状分布于钾硅酸盐化带和青磐岩化带之间的模式(Lowell和Guilbert,),更多研究发现绢英岩化空间上常受构造控制叠加于早期的钾硅酸盐化和青磐岩化蚀变带上(Sillitoe,).

两种成矿环境：洋-洋和洋-陆俯冲

俯冲带斑岩铜矿总体存在岛弧和陆缘弧两种不同的形成环境(Sillitoe,).岛弧环境指一个大洋板片俯冲到另一个大洋板片之下,产生大洋弧岩浆活动,以西南太平洋的群岛为代表(Uyeda和Kanamori,;Harrison等,;Maryono等,),典型矿床包括菲律宾的FarSouthEast和Atlas铜金矿床、印度尼西亚的BatuHijau和Tumpanpitu铜金矿床,以及巴布亚新几内亚的Lihir斑岩浅成低温Au矿床.陆缘弧环境指大洋板片俯冲到大陆之下形成大陆弧岩浆活动,以南美安第斯山脉为代表(Uyeda和Kanamori,),典型矿床包括阿根廷BajodelaAlumbera铜金矿床和智利ElTenient铜钼矿床.

主要参考文献如下，其他文献在文中：

中文引用格式:陈华勇,吴超..俯冲带斑岩铜矿系统成矿机理与主要挑战.中国科学:地球科学,50,doi:10./SSTe--

英文引用格式:ChenH,WuC..Metallogenesisandmajorchallengesofporphyrycoppersystemsabovesubductionzones.ScienceChinaEarthSciences,