江西德興銅礦床成礦流體來源及演化研究綜述

江西德興銅礦床成礦流體來源及演化研究綜述

德興特殊的斑巖銅礦床位于中國東南的江西省德興市。它屬于太平洋金屬帶的西帶部分（圖1a）。該礦床構(gòu)造上位于揚(yáng)子地塊東南緣的江南臺隆上,靠近揚(yáng)子地塊與華夏地塊新元古代縫合線———江紹(江山—紹興)斷裂帶,距礦床東南側(cè)約50km處,為北東—南西向的贛—杭裂谷(圖1b)。區(qū)內(nèi)廣泛出露中—新元古界(前南華系)變質(zhì)老地層及新元古界(南華系—震旦系)、古生界和中生界地層(圖1c)。德興銅礦是中國東部最大的斑巖型銅礦產(chǎn)地,含有礦石1500Mt,約含銅6.45Mt,鉬0.25Mt,金24t和銀285t(Zawetal.,2007)。該礦床包括銅廠、富家塢和朱砂紅三個礦床,分別受控于呈NW向分布的三個小侵入斑巖體(圖1d)。斑巖體的巖石類型主要為花崗閃長斑巖。在目前已經(jīng)開采的銅廠和富家塢礦區(qū)中,前者主要產(chǎn)銅,后者則產(chǎn)銅和鉬。前人(如朱訓(xùn)等,1983;芮宗瑤等,1984)對德興銅礦已進(jìn)行了大量的調(diào)查和研究,基本查明了該礦床的地質(zhì)特征、熱液蝕變(包括圍巖蝕變類型和分帶型式)及礦化等特征。在成礦流體來源及演化方面取得了較為一致的認(rèn)識:主要來源于原始巖漿,變質(zhì)水和大氣降水也有不同比例的介入(如金章東等,1998;郭新生等,1999;JinZhangdongetal.,2001;2002;朱金初等,2002;毛景文等,2010;MaoJingwenetal.,2011)。然而,在其它方面尚存在較大的爭議。在含礦(花崗閃長質(zhì))斑巖的形成時代方面,全巖或礦物的年齡從早侏羅世(193Ma)到晚白堊世(112Ma)都有報道(朱訓(xùn)等,1983;芮宗瑤等,1984;朱金初等,1990;華仁民等,2000;金章東等,2002;WangQiangetal.,2006)。對德興斑巖銅礦床的成礦年齡報道少,僅在毛景文等(2006)的專著中有所提及(銅廠輝鉬礦Re-Os等時線年齡:170.4Ma)。另外,對該礦床含礦斑巖成因及構(gòu)造環(huán)境的認(rèn)識主要有:(1)消減環(huán)境下(JiangYaohuietal.,2005;2009;2011;SunWeidongetal.,2007;蔣少涌等,2008;LingMingxingetal.,2009)地幔熔體受地殼物質(zhì)混染(朱訓(xùn)等,1983;劉姤群等,1983;芮宗瑤等,1984;ZhouXinminandLiWuxian,2000;華仁民等,2005;MaoJingwenetal.,2011);(2)陸內(nèi)拉張環(huán)境下(LiZengxiangandLiXianhua,2007)加厚拆沉下地殼部分熔融(如WangQiangetal.,2006);(3)前寒武紀(jì)具火山弧特征的殘留下地殼部分重熔(LiuXuanetal.,2012)。對成礦物質(zhì)來源的認(rèn)識:季克儉等(1989)、梁祥濟(jì)(1995)認(rèn)為銅主要來源于前震旦系雙橋山群老變質(zhì)巖地層;而朱訓(xùn)等(1983)、劉姤群等(1983)、朱金初等(2002)、毛景文等(2008,2010)、JinZhangdong等(2001,2002)、WangQiang等(2006)、MaoJingwen等(2011)則堅持成礦物質(zhì)主要來源于中酸性母巖巖漿,其中不少觀點(diǎn)也認(rèn)為不排除成礦流體曾受到地層物質(zhì)的混染。對巖漿來源的學(xué)者觀點(diǎn),又有所分歧,除多數(shù)(如朱訓(xùn)等,1983;芮宗瑤等,1984;錢鵬等,2003;MaoJingwenetal.,2011)支持成礦物質(zhì)主要來源于地幔外,還有少數(shù)學(xué)者認(rèn)為來源于具火山弧特征的殘留下地殼(LiuXuanetal.,2012),或是形成于加厚拆沉下地殼部分熔融成因的巖漿與巖石圈地幔的相互作用(如WangQiangetal.,2006)。此外,對該礦床內(nèi)出現(xiàn)的脈狀石英閃長玢巖卻缺乏較多的關(guān)注和研究,僅在朱訓(xùn)等(1983)專著中略有提及;對礦區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的后期大脈型礦石的研究同樣尚無文獻(xiàn)記載。最近,筆者等在上述方面做了不少工作,并取得了一些進(jìn)展,為澄清這些爭議、進(jìn)一步制約德興超大型銅礦床的成巖、成礦機(jī)制提供了良好的證據(jù)。1含礦巖的成因研究1.1鋯石u-pb年齡ZhouQingetal.(2012a)對德興銅礦銅廠、富家塢、朱砂紅3個礦區(qū)的含礦斑巖進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學(xué)研究,結(jié)果表明其鋯石加權(quán)平均年齡分別為171.00±0.84Ma(N=22,MSWD=0.86)、170.16±0.88Ma(N=22,MSWD=0.61)、170.73±0.84Ma(N=22,MSWD=0.60)。這些結(jié)果與WangQiangetal.(2006)發(fā)表的德興銅廠、富家塢斑巖體的SHRIMP鋯石U-Pb年齡(171±3Ma)和LiuXuanetal.(2012)報道的銅廠斑巖體的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡(172.5±0.5Ma)極為相近,而不同于先前朱訓(xùn)等(1983)、芮宗瑤等(1984)、朱金初等(1990)、華仁民等(2000)、金章東等(2002)對全巖或礦物Rb-Sr、K-Ar、Sm-Nd寬泛年齡(112~193Ma)的報道。由于全巖或礦物的Rb-Sr、K-Ar等體系的封閉溫度較低,介于200~550°C之間(VanBreemenetal.,1979;Cliff,1985),易受蝕變的影響;而鋯石的U-Pb體系封閉溫度高,可達(dá)900~1100°C(VanBreemenetal.,1979;Cliff,1985;Leeetal.,1997;Cherniaketal.,2003),不易受外界條件的影響,其U-Pb同位素年齡目今被公認(rèn)為可以代表巖體確切的侵入時間。因此,筆者傾向性地認(rèn)為,近期這幾次相近的鋯石U-Pb年齡應(yīng)能較精確地代表含礦花崗閃長斑巖的形成時代———即德興銅礦三個含礦斑巖體近乎同時形成于中侏羅世早期。1.2德興含礦斑巖的定義先前與最近對弱蝕變巖石的測試分析(朱訓(xùn)等,1983;芮宗瑤等,1984;WangQiangetal.,2006;LiuXuanetal.,2012;ZhouQingetal.,2012a)均表明,德興銅廠、富家塢和朱砂紅三個礦床中的含礦斑巖具有一致的主、微量元素特征,呈中—酸性高鉀鈣堿性系列,少部分呈鈣堿性系列;其Mg#[=n(Mg)/[n(Mg)+n(FeT)]高于純的地殼部分熔融體。斑巖體富集輕稀土元素(LREE),不見顯著的負(fù)Eu異常。巖石均富集大離子親石元素(LILE)而相對虧損高場強(qiáng)元素(HFSE),并在微量元素蛛網(wǎng)圖中顯示較強(qiáng)的Nb、Ta負(fù)異常。由于德興斑巖體顯示由Defant和Drummond(1990)所定義的Adakite的某些地球化學(xué)特征,諸如:SiO2(≥56%)和Al2O3含量(≥15%);虧損Y(<18×10-6)和Yb(<1.9×10-6)但富集Sr,Sr極少情況下低于400×10-6(WangQiangetal.,2006;ZhouQingetal.,2012a);具有高的Sr/Y和La/Yb值。因而WangQiang等(2006)曾將其直接定義成德興埃達(dá)克斑巖,ZhouQing等(2012a)也使用“(類)埃達(dá)克質(zhì)(adakitelike)”的說法。然而,Defant和Drummond(1990)關(guān)于adakite的初始定義主要是根據(jù)一套特定的巖石地球化學(xué)特征,并不代表為新的一種巖石類型,其指示的只是特定環(huán)境(大洋板片俯沖)下以產(chǎn)地(Adak)命名的一種特殊的巖石。對于目前“埃達(dá)克巖”在國內(nèi)被廣泛發(fā)現(xiàn),其原始的定義被擴(kuò)大,甚至被作為一種巖石分類,華仁民(2011,2012)、王登紅(2011)等提出了強(qiáng)烈的反對意見,據(jù)此筆者等放棄ZhouQing等(2012a)使用的“(類)埃達(dá)克質(zhì)(adakite-like)”術(shù)語,恢復(fù)使用德興含礦花崗閃長斑巖一詞。WangQiangetal.(2006)先前通過德興銅礦含礦斑巖的主、微量地球化學(xué)和Sr—Nd同位素特征(87Sr/86Sri為0.7044~0.7047;εNd(t)為-1.14~1.80)認(rèn)為其成因為加厚拆沉下地殼的部分熔融。而ZhouQing等(2012a)近期對含礦斑巖較弱蝕變樣品Pb同位素的研究結(jié)果(206Pb/204Pbi可達(dá)18.41;207Pb/204Pbi可達(dá)15.61)既高于下地殼,又高于虧損地幔,因而排除了該成因模式;并結(jié)合新的鋯石原位Hf同位素(εHf(t)為2.6~4.6)和先前的Sr—Nd同位素特征,提出德興銅礦含礦斑巖可能是古太平洋板片及其上覆沉積物部分熔融后的熔體在上升過程中與地幔楔橄欖巖相互作用后的產(chǎn)物;此外,根據(jù)德興含礦斑巖較高的Mg#值及巖石的MgO含量和εNd(t)值之間呈兩種趨勢的線性負(fù)相關(guān)這一特征,進(jìn)一步認(rèn)為板片熔體很可能受到了富集巖石圈地幔橄欖巖的選擇性混染。1.3德興含礦斑巖的形成機(jī)制長久以來,高鉀鈣堿性巖漿作用被認(rèn)為是可以形成于活動大陸邊緣環(huán)境(如Condie,1976)。Pearce等(1984)發(fā)現(xiàn)形成于火山弧環(huán)境的花崗質(zhì)巖石具有相對低的Yb和Ta含量,而前面提到,德興含礦斑巖樣品顯示出這種地球化學(xué)特征,因此ZhouQing等(2012a)提出其形成于俯沖環(huán)境這一觀點(diǎn),且認(rèn)為該觀點(diǎn)得到上述含礦斑巖Sr—Nd—Pb—Hf同位素組成特征的進(jìn)一步支持:這些同位素特征揭示出德興含礦斑巖很有可能起源于俯沖沉積物和洋片的部分熔融,并伴隨熔體在其上升過程中與上覆地幔楔橄欖巖發(fā)生相互作用———該成巖過程與陸緣弧環(huán)境是相吻合的。朱訓(xùn)等(1983)、華仁民等(2005)、JiangYaohui等(2005,2009,2011)、SunWeidong等(2007)、蔣少涌等(2008)、LingMingxing等(2009)、MaoJingwen等(2011)等學(xué)者的前期研究結(jié)果也表明華南在早—中侏羅世處于與古太平洋俯沖相關(guān)的陸緣弧環(huán)境。據(jù)此,ZhouQing等(2012a)提出德興斑巖銅礦含礦斑巖新的成巖模式(圖2):在大約171Ma前,古太平洋板塊已呈低角度俯沖到中國東南大陸之下,俯沖板片(及其上覆沉積物)發(fā)生部分熔融,這種部分熔融體在其上升過程中與巖石圈地幔發(fā)生相互作用,最終侵位到地殼淺部雙橋山群地層中,形成德興具高Sr、Sr/Y和La/Yb值特征的高鉀鈣—堿性含礦花崗閃長斑巖。2關(guān)于采礦機(jī)的起源的研究2.1誤差年齡及u-pb年齡最近ZhouQing等(2012a)對德興銅礦富家塢礦區(qū)中與黃銅礦、黃鐵礦共生的輝鉬礦進(jìn)行Re-Os定年,得到模式年齡加權(quán)平均值為170.9±1.1Ma(2σ),與等時線年齡為172.3±2.3Ma(2σ)在誤差范圍內(nèi)一致。該加權(quán)平均模式年齡與銅廠礦床的輝鉬礦Re-Os同位素年齡170.4±1.8Ma(毛景文等,2006)非常相近;也與前面提到含礦斑巖的鋯石U-Pb年齡(約171Ma)較一致;由此證實(shí)德興斑巖型銅礦各礦床的主成礦作用與斑巖體成巖作用基本同時,均發(fā)生在中侏羅世早期。2.2成礦物質(zhì)源區(qū)主要源于地潭,且多源形成了一定的周延甲10-10-6,5.2.3,5.2成礦物質(zhì)源區(qū)主要集中于地潭,2.周清等(2013)對德興銅礦銅廠和富家塢礦床中主要類型礦石硫化物的Pb同位素進(jìn)行了研究,結(jié)果表明德興銅礦的成礦物質(zhì)主要來源于含礦花崗閃長斑巖體,而不是贛東北雙橋山群新元古代的輕微變質(zhì)老地層,這與較早的研究結(jié)果(如朱訓(xùn)等,1983;毛景文等,2010;MaoJingwenetal.,2011)較為一致。在Zartman和Doe(1981)的Pb構(gòu)造判別圖解中,黃鐵礦所有樣品全投在地幔Pb的演化線上面或附近,暗示其成礦物質(zhì)源區(qū)主要來源于地幔。另外,ZhouQing等(2013)通過總結(jié)前人(朱訓(xùn)等,1983;LiXiaofengandSasaki,2007)對德興銅礦中礦石S同位素的研究結(jié)果也表明,該礦床三礦區(qū)的成礦物質(zhì)主要來源于地幔,俯沖大洋板片也可能貢獻(xiàn)有一定成礦物源。這一結(jié)論進(jìn)一步得到了礦床中輝鉬礦Re-Os同位素特征的支持。ZhouQing等(2012a)總結(jié)了國內(nèi)外多個斑巖型、矽卡巖型等類型含鉬礦床輝鉬礦中的Re(及相應(yīng)的放射性187Os)含量變化范圍及其相應(yīng)的物質(zhì)來源與成礦環(huán)境后認(rèn)為:幔源成因輝鉬礦中Re含量非常高,一般都超過75×10-6;相反,殼源成因輝鉬礦中Re含量非常低,普遍低于10×10-6;殼幔混源成因的輝鉬礦Re含量則介于兩者之間。該規(guī)律與MaoJingwen等(1999)先前得出的結(jié)論極為吻合:即從幔源、殼?；煸吹綒ぴ摧x鉬礦中Re含量由n×10-4~n×10-5~n×10-6各遞降一個數(shù)量級。而德興銅礦銅廠、富家塢礦區(qū)中輝鉬礦的Re以及相應(yīng)的187Os含量非常高,其中Re主要變化于172.3×10-6~1199.9×10-6(ZhouQingetal.,2012a;毛景文等,2006)。根據(jù)上面得到的規(guī)律,ZhouQingetal.(2013)認(rèn)為德興銅礦的成礦物質(zhì)主要來源于深部地幔,這與LiuXuan等(2012)近期對德興銅礦含礦斑巖鋯石中的氧同位素研究結(jié)果具幔源特征是非常一致的。2.3巖漿與地表巖的相互作用德興含礦斑巖起源于俯沖板片(及上覆沉積物)的部分熔融(毛景文等,2008;ZhouQingetal.,2012a),伴隨熔體與地幔楔的相互作用,這種俯沖板片部分熔融形成的熔體,富含大量的Fe3+(Sillitoe,1997),在其向上運(yùn)移過程中與地幔楔橄欖巖發(fā)生交代反應(yīng)時,Fe3+會氧化地幔中的硫化物而轉(zhuǎn)化為Fe2+,而硫化物中的Cu(Mo)和Au則被釋放出來進(jìn)入巖漿。巖漿與地幔楔橄欖巖的相互反應(yīng),大幅度提高了熔體的Fe、Cr、Ni含量(Kay,1978;Keleman,1995),從而增大硫在熔體中的溶解度。周清等(2013)認(rèn)為這種相互反應(yīng)也將提高幔巖的氧逸度,更有利于幔巖中的金屬氧化并進(jìn)入巖漿系統(tǒng);攜帶有大量Cu—Mo—Au等金屬的高鉀鈣堿性巖漿上侵到地殼淺部有利構(gòu)造部位,在巖體內(nèi)外接觸帶發(fā)生沉淀而形成礦體,其形成(約170.9Ma)幾乎與含礦花崗閃長斑巖(約171Ma)同時(ZhouQingetal.,2012a)。這與毛景文等(2011)提出的:華南中晚侏羅世斑巖—矽卡巖—熱液脈狀銅多金屬礦床可能由俯沖板片沿古欽杭結(jié)合部位發(fā)生局部重熔,形成高鉀鈣堿性花崗巖,然后上侵定位和成礦這一觀點(diǎn)是一致的。3巖的形成時代在德興銅廠礦區(qū)內(nèi),周清等(2012)研究發(fā)現(xiàn)有晚期的侵入石英閃長玢巖脈,其特征與朱訓(xùn)等(1983)曾提及的較為一致。該類巖石呈淺灰色細(xì)粒斑狀結(jié)構(gòu),暗色礦物較多,超過70%;斑晶含量不超過15%,斑晶主要為斜長石(3~5mm)和石英(1~2mm)、其次為黑云母(約2mm)和角閃石(約2mm),基質(zhì)為斜長石、石英和黑云母。巖石蝕變較強(qiáng)烈(燒失量達(dá)12.07),鏡下只見到少量蝕變后的角閃石、斜長石及原生石英晶形。玢巖中較少見到礦化現(xiàn)象。周清等(2012)通過SHRIMP鋯石U-Pb年代學(xué)研究表明閃長玢巖的206Pb/238U年齡區(qū)間為150.6±1.8~159.0±2.4Ma,加權(quán)平均值為153.5±2.4Ma(2σ,MSWD=2.5),揭示該玢巖脈體形成于晚侏羅世。德興脈狀石英閃長玢巖處于華南地區(qū)十杭帶北帶,其形成時代與同處十杭帶南帶的A型花崗巖形成時代(151~163Ma)較為一致(如蔣少涌等,2008;JiangYaohuietal.,2009;2011;ZhaoKuidongetal.,2012),因此,它們形成的構(gòu)造背景也應(yīng)相同,即很可能同形成于弧后伸展的構(gòu)造背景(周清等,2012)。結(jié)合鋯石原位Hf(εHf值~4.73)和全巖Nd同位素(εNd值~0.5)的研究結(jié)果,周清等(2012)認(rèn)為德興脈狀閃長玢巖很可能形成于古太平洋板塊西向俯沖引起的弧后或弧內(nèi)拉張環(huán)境下,為幔源玄武質(zhì)巖漿底侵后受地殼物質(zhì)混染所致。與早期的含礦花崗閃長斑巖不同,該期閃長質(zhì)巖漿侵入事件則尚未顯示出與成礦有緊密的聯(lián)系。4老鋯石地球化學(xué)特征朱訓(xùn)等(1983)前期工作表明德興銅礦的礦石主要呈浸染狀、細(xì)脈狀、細(xì)脈浸染狀和薄膜狀構(gòu)造。礦石礦物主要為黃鐵礦、黃銅礦,次為輝鉬礦,再次為砷黝銅礦、斑銅礦等。而ZhouQing等(2012b)近期還鑒別出另一種礦石類型———大脈型礦石,與上述細(xì)脈型礦石有較大區(qū)別。該類型礦石礦物組成簡單,主要由黃鐵礦和黃銅礦組成,賦存于石英(或方解石)脈中,脈寬普遍在5cm以上(上述細(xì)脈型礦石脈寬通常小于1cm)。并對其中一條脈寬達(dá)20cm的含礦石英大脈中的鋯石在國土資源部北京離子探針中心的SHRIMPII型離子探針儀器上進(jìn)行了U-Pb測年分析,結(jié)果顯示出一新一老兩個年齡序列:老鋯石諧和206Pb/238U年齡介于735.5±5.6~899.5±9.8Ma之間;年輕鋯石顯示兩組諧和206Pb/238U年齡加權(quán)平均值,分別為106.5±0.9~100.9±3.5Ma。CL圖像特征表明,這些老鋯石棱角鮮明,較自形,粒度較大(長100~150μm),且具有韻律環(huán)帶。這類鋯石顯示較低的U(77~823×10-6)、Th(64~538×10-6)和普Pb(主要<0.42),但具有較高的Th/U比值(~1.27)(ZhouQingetal.,2012b)。而年輕鋯石晶形則呈他形,粒度較小(長50~80μm),不顯韻律環(huán)帶。該類鋯石具有較高的U(主要為1227~8094×10-6,個別高達(dá)10603×10-6)、Th(主要為703~2505×10-6,個別高達(dá)5504×10-6)和普Pb(主要>0.60)含量及較低的Th/U比值(0.08~0.54)(ZhouQingetal.,2012b)。這些特征與Watson等(1997)、Hoskin(2005)、朱永峰和宋彪(2006)等報道的熱液鋯石特征非常相似。因此,ZhouQing等(2012b)以這組年輕鋯石的年齡代表含礦石英脈的形成時代。為進(jìn)一步區(qū)分上述兩類鋯石的成因,ZhouQing等(2012b)在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗室進(jìn)行了鋯石原位LA-ICP-MS激光剝蝕微量元素測試,結(jié)果顯示它們具有不同的微量元素地球化學(xué)特征———年輕鋯石相對富集輕稀土元素,并具有弱的負(fù)Ce異常,而老鋯石則虧損輕稀土元素,并顯示明顯的正Ce異常。在(Sm/La)N對La以及Ce/Ce*對(Sm/La)N投圖中(詳見ZhouQingetal.,2012b),年輕鋯石投入熱液鋯石區(qū)域中,而年老鋯石除一顆具有較低的Ce/Ce*和(Sm/La)N值外,其他均介于巖漿鋯石和熱液鋯石區(qū)域之間。ZhouQing等(2012b)認(rèn)為老鋯石年齡與新元古代圍巖地層時代相一致,應(yīng)為從圍巖地層中捕獲的鋯石。上述研究結(jié)果表明熱液鋯石和捕獲圍巖地層鋯石,在形態(tài)學(xué)、CL圖像特征、放射性同位素地球化學(xué)以及微量地球化學(xué)等特征方面均存在明顯的區(qū)別。因而ZhouQing等(2012b)認(rèn)為石英大脈中的年輕鋯石為新生的熱液鋯石,其U-Pb年齡正可代表該期熱液成礦年齡,該年齡較之上面的主成礦期年齡晚約70Ma,從而表明德興斑巖銅礦還存在一次早白堊世晚期的Cu(—Au?)成礦作用事件,疊加于大規(guī)模的主成礦事件之上。對德興銅礦含礦石英大脈中流體包裹體測溫的結(jié)果則表明銅廠和富家塢礦床本期成礦熱液均屬中低溫低鹽度熱液(ZhouQingetal.,2012b);不同于朱訓(xùn)等(1983)對德興斑巖銅礦早期主成礦流體的研究結(jié)果:經(jīng)歷了從高溫到中溫再到低溫的過程。該期熱液成礦事件,與毛景文等(2009)提出的華南白堊紀(jì)淺成低溫?zé)嵋盒豌~金銀成礦階段較一致,很可能隸屬于同一個成礦系統(tǒng)。5cu—結(jié)論中生代為中國東部成礦大爆發(fā)時期,該期間華南發(fā)生了大規(guī)模的成礦作用,被稱為中生代成礦爆發(fā)事件。華仁民等(2005)認(rèn)