Giant ore deposits formed by optimal alignments and combinations of geological-中文翻译

1 Giant ore deposits formed by optimal alignments and combinations of geological processes 超大型矿床形成地质过程的最佳路线和组合 Jeremy P Richards Department of Earth and Atmospheric Sciences University of Alberta Edmonton Alberta Canada T6G 2E3 e mail Jeremy Richards ualberta ca 超大型矿床含有巨量的金属资源 因此被矿产勘查企业作为优先目标 对 于这些超大型矿床是否有独特的成因模式 学术界尚存争论 或者他们可能仅 仅代表矿床的极限规模 通过常规地质过程的最佳组合形成异常大量的金属富 集 如果超大型矿床是通过独特的过程形成 那么它的出现可能是难以预测的 如果超大型矿床是通过常规地质过程形成 那么了解其形成机制的最优环境 可以对勘查给予指导 通过对几个超大型斑岩铜 钼 金矿床和浅成热液金 银矿 床的考察 显示 很多矿床在形成上与常规的最佳成矿过程具有一致性 在一 些情况下 大规模的矿床反应特定因素 如不同的构造形态 活性寄主岩或集 中的流体运移 这些不属于它们自身的异常 却对于整个成矿过程有促进作用 因此 我认为超大型矿床的有效勘探 应该在有利于形成矿床的基础地质环境 下 寻找有可能加大成矿过程的截然不同的地质特征 矿产勘探公司寻求超大型矿床因为它们储有更多的金属 并可能获取最大 的开采利润 专栏 1 但经济地质学家们对于超大型矿床的定义和控矿因素存 在相当大的争议 例如 大于 100 吨的金 Au 矿床 大于 200 万吨的铜矿 床分别被称为超大型矿床 1 但另有学者把以上储量的三倍的矿床定义为超大型 矿床 2 然而 最大的分歧是 超大型矿床是否有其独特的成矿模式 或者仅仅 代表正常过程通过最高水平和效率运作的最终结果 和 或通过最佳的富集过程 形成异常巨大的金属沉积 2 每类矿床都有从小型到大型尺度范围的著名实例 其中一些可能被列为超 大型系列 然而 每个矿床在细节上都是独一无二的 许多超大型矿床显示了 与标准斑岩铜 钼 金 Cu Mo Au 矿床以及浅成热液金 银 Au Ag 矿床模型明显 不同的特征 见补充资料 我认为 以矿床形成与岩浆冷凝过程中释放的高 低温热液流体相关的斑岩矿床和浅成热液矿床作为例子 可以分别地作为一个 标准模型来解释大型矿床 而形成超大型矿床则可能需要一个或者多个额外的 或者特殊的附加过程 这些过程不一定是不寻常的 并且可能仅仅是显著增强 的标准模型的组成部分或者变种 因此 超大型矿床是成矿过程中成矿物质在 最佳层位以最高的效率偶然富集 以至于它们的形成不同于其他的正规体系 这些过程很多可以被预测或被勘查到 因此 可在成矿靶区通过详查手段发现 巨型矿床 专栏 1 对于采矿来说 矿床越大越好 矿产勘探的目的是要找到一定体积的岩石充分富集一种特定的元素或矿物 并有足够大的规模 可以经济地开采 矿床 品位 越富 矿化岩石的体积 吨位 越大 越可能赚取更多的利润 并且可以较长时间地开采获利 大型 矿山也在规划和管理集中化 以及使用大规模设备的过程中受益于规模经济 从而降低成本 同样 矿山的长期开采证实 大规模和长期的基础设施建设需 要投入很高成本 此外 当采矿对矿山本地社区造成破坏时 规模经济通常可 以通过能源效率和土地破坏的隔离 每单位产品 减少对环境的影响 因此 大多数勘探公司寻找能够提供最大的投资回报 在很长一段时间具有持续回报 前景的 以及具有最小的环境和社会影响的较大或超大型矿床 矿床的矿产储量的报道通常以矿石的平均品位 丰度大的元素用质量百分 比 像金等稀有元素则用每吨克 g t 和含矿岩石的吨位 常见的以百万或数 十亿吨计 Mt 或 Gt 计算 矿床总储量通过这些吨数和矿石品位计算 最盈 利的矿床通常有高品位及高吨位 但实际上单个矿床有大范围的实际等级 因此 建立在最佳矿石类型组合基础上的 储量 估计 使最有效和最经 济的矿井设计成为可能 并尽可能多的获取矿床储量中的金属 通常也报道 边界品位 这是矿床开采可盈利的最低等级 这个边界品位和由此产生的储 3 量数据 可能会受全球金属价格波动的影响 当价格下降时 可能使低品位矿 石不具经济效益 而当金属价格上涨时 以前被认为是废矿的矿石也可以盈利 开采 生产成本可以具有类似的效果 例如 燃料的价格的上升或下降 斑岩型和低温热液矿床斑岩型和低温热液矿床 斑岩型 Cu Mo Au 和热液型金 银矿床都是热液中的成矿物质经沉淀形成 的 斑岩型矿床是高温流体 300 700 形成的 流体来自于侵入上地壳岩浆 的冷凝结晶 通常发育在上俯冲带的火山岛弧环境 矿床含有铜 钼和金 主 要以硫化物黄铜矿的形态产出 然而 低温热液矿床则形成于较低温度 300 成矿流体可能与岩浆作用有关 也有的和岩浆作用毫无关系 热液矿 床通常含有自然 Au 和自然 Ag 或 Au 和 Ag 赋存于硫化物或其他矿石矿物中 参见这些矿床类型的更详细的并支持参考的资料 这两种矿床类型可以依据金属类别 蚀变作用 反映流体化学性质 构造 背景或共生岩浆的化学性质做进一步的划分 但是这些亚类之间的界限往往模 糊不清 并且主要矿床类型之间也存在过渡关系 因此以矿床的一个不同寻常 特征作为唯一的 或作为已知矿床谱系特征的一部分 来定义一个特殊矿床 是不客观的 然而 在许多情况下 这类矿床中的超大型矿床往往具有独特的 或某些典型特征 显示了它们成因的异常 这些特征我们下面将进行逐一讨论 超大型斑岩超大型斑岩 Cu Mo Au 矿矿 几个标准的超大型斑岩矿床产出在美国西部 如 Butte Bagdad Morenci and Sierrita deposits 和墨西哥北部 如 Cananea and La Caridad 矿床 的晚中生代 早新生代的 Laramide 斑岩带 以及智利北部的始新世 渐新世斑岩带 如 Collahuasi Chuquicamata and La Escondida 矿床 图 1 然而 值得注意的是 那几个最大的标准斑岩 如 Chuquicamata 和 La Escondida 矿床 在原生矿床形 成后 次生富集作用的规模与斑岩规模不相符 这些过程在此不再赘述 其他地区的几个超大型斑岩矿床 只有部分符合标准模型 四个实例论述 4 如下 见附表 S1 的储量估算 美国犹他州 宾汉姆峡谷美国犹他州 宾汉姆峡谷 Cu Au Mo 斑岩型矿床 斑岩型矿床 在经过一个多世纪的开采后 宾汉姆斑岩型矿床仍含有超过 4 百万吨铜储 量 附图 S1 该矿床位于亚利桑那州 Laramide 主岛弧东北部几百公里处的 与岛弧相关的斑岩带 矿床形成是由于始新世的二长岩侵入晚石炭世的砂岩和 灰岩 该矿床的巨大规模可能是多种因素造成的 包括推断的下部大面积源岩 基 与成矿相关的弱碱性岩浆 适当的侵位深度 原始深度 2 3km 以及岩浆 侵位集中在膨胀性的结构通道 3 所有这些特征都不是宾汉姆所仅有的 然而 有一些证据显示宾汉姆地区存在异常的富铜铁镁质岩浆 这可能为下部基岩补 充了铜元素 4 5 最近 有学者提出 宾汉姆岩浆来源于古老的交代的大陆岩石 圈 并没有涉及到活动俯冲 6 因此 宾汉姆超大型矿床的形成除了传统的斑 岩铜矿体系之外还有其他的一些特殊因素 另一方面 宾汉姆矿床或者可以作 为后俯冲斑岩铜矿的一个新的子类 7 9 图 1 超大型矿床 本文讨论的超大型矿床的位置以及重要的弧相关金属成矿带 紫色线 底图据世界 地图有修改 TM 布鲁斯 琼斯设计 2010 年 经许可 5 智利智利厄尔尼诺 厄尔尼诺 Teniente 矿区斑岩型铜矿区斑岩型铜 钼矿床 钼矿床 晚中新世 上新世早期的厄尔尼诺 Teniente 矿床是世界上最大的斑岩铜矿之 一 铜储量超过 94 百万吨 参考文献 10 对于厄尔尼诺 Teniente 矿床属于斑 岩型铜矿 10还是角砾岩型矿床11 目前仍存在争论 但矿化的主体是浸染状的 黄铜矿赋存于黑云母化的基性围岩 这意味着成矿作用受控于一个重要的局部 化学作用 例如围岩中的铁氧化物的硫化作用 12 13 有人基于流体地球化学研 究认为 深部具 Cu Mo Li 异常的并且可能富 S 挥发相的正在活动演变上的 地壳岩浆 热液体系的加入使矿床储量巨大 14 其他作者认为 大约 0 7Ma 长 期持续的岩浆 热液活动 导致铜的逐渐积累 13 15 然而 其他人的研究都集 中于构造岩浆对成矿作用的控制 并指出 源岩浆形成于岛弧岩浆作用的末期 俯冲角度变小的一个较长时期 俯冲板片的变浅可能造成含水矿物的分解从而 释放大量流体 16 广泛的上俯冲带地幔水化可能对富水 氧化岩浆的生成有重 要作用 17 另外 地壳增厚过程中深部地壳弧堆晶的脱水熔融可能导致岩浆发 育 18 显然 厄尔尼诺的 Teniente 矿床在某些方面是不寻常的 它规模巨大的关 键因素可能是其独特的基性赋矿围岩的存在 围岩富集了超过 80 的矿化 12 在这方面 厄尔尼诺的 Teniente 矿床类似于亚利桑那州的 Resolution 超大型斑 岩矿床 Resolution 矿床的高品位矿化 铜 1 也赋存于基性 辉绿 围岩 19 20 印度尼西亚 巴布亚新几内亚 格拉斯伯格铜印度尼西亚 巴布亚新几内亚 格拉斯伯格铜 金金 银斑岩型银斑岩型 矿床矿床 格拉斯伯格斑岩体含有超过 24 百万吨铜和 2000 吨金 甚至经过 40 多年的 开采后 仍然拥有世界上最大的可采铜 金储量 格拉斯伯格与一个约 3 亿年 的二长岩侵入体关系密切 它侵位于抬升的白垩纪 古近纪大陆架碳酸盐岩序列 此后弧地体和澳大利亚东北边缘发生碰撞 21 格拉斯伯格是一个典型的后俯冲 斑岩体系 可能产生于后碰撞构造调整过程中的俯冲改造岩石圈的重新活动 22 左旋拉张构造的局部上地壳岩浆侵位对岩浆和热液活动是至关重要的23 浅 6 侵位 2 5 的铜 0 5 2g t 的 Au 文献 28 因为矿化伴生大量的高级泥质蚀变而背离了标准的斑岩型 矿化 其特点是斑铜矿 黄铜矿 铜蓝以及硫砷铜矿和黄铁矿的高硫化矿物组 合 参见术语定义的补充资料 这种关系被解释为反映高硫化类型蚀变矿化对 早期斑岩型体系的进一步叠加 28 29 部分非常高级的铜 金矿化反映了事件的叠 加 然而 斑岩期的矿化也很发达 伴生明显的席状矿脉带 30 附图 S2 暗 示在一个大面积的岩浆源之上靠近构造中心的热液流体运移 超大型斑岩矿床的构造控制超大型斑岩矿床的构造控制 这四个超大型斑岩矿床的实例都不符合斑岩型矿床形成的标准模型 这些 矿床具有不同的构造岩浆环境 后俯冲或碰撞 异常富 Cu 岩浆的作用 围岩 中明显存在的活性化学障 或高度集中 长时间或重复性的流体流事件 见表 1 如果没有这些独特的属性 它可能只能形成一般规模的矿床 甚至不能形 成具有经济价值的矿化 因此 虽然每个矿床可以被简单地认定为属于斑岩型 矿床 但是 特定条件或过程会产生异常富集和大吨位的金属矿床 在矿床谱系的另一方面 成矿潜力可能会因为任何一些因素的缺失而被破 坏 由下至上包括 岩浆弧的体积或作用时间不足 地幔或深部岩石圈的还原 环境 造成早期硫化物分离和金属从岩浆中损失 岩浆水含量不足以产生大的 岩浆 热液体系 岩浆侵位深度过大或围岩不透水 热液循环被抑制 大规模的 喷发至地表 导致热液体系的泄漏 或缺乏热液流体的集中活动 导致弥漫性 的低级矿化 因此 一个岩浆系统如果要产生大的斑岩型矿床 它必须相继满 足一些基本步骤和条件 任何一个步骤的遗漏可能会导致成矿潜力的损失 但 7 一个超大矿床的形成可能需要额外条件或成矿过程的增强 以提高矿化的吨位 和品位 使其超出标准体系的范围 超大型低温热液金超大型低温热液金 银矿床银矿床 超大型低温热液金 银矿床比超大型斑岩型铜 钼 金矿床较少见 世界范 围内 20 比 100 尽管这是利用标准的分级的结果 31 它们欠缺超大型矿床 100t 储量的金 或者达到高品位的中级矿脉和细矿脉 可以经济地大量开采 或者 在一个或多个大的矿脉体系中赋存特别高品位 富矿 的矿石 表 1 概括地说 高硫化 HS 和中级硫化 IS 低温热液金 银矿床通常为前一 个范畴 而高品位富矿通常出现在低硫化 LS 矿床中 见补充资料这些矿床 亚型的描述 通过对低温热液矿床的考察 32 所描述的超大型低温热液金矿床 和地 表 1 一些超大型斑岩型铜 钼 金矿床和低温热液型金 银矿床特征和标准矿床体系的对比 特征标准矿床超大型矿床 斑岩型铜 钼 金矿床 20 43 48 构造环境下俯冲带之上的火山弧带类似 或者前俯冲 弧后 碰撞 或后俯冲 岩浆组合钙碱至弱碱性类似 岩浆中金属含 量 通常 100 ppm Cu 参考文献 49 类似 某些情况下富集 高达 125 ppm Cu 文献 4 热液活动持续 时间 单一的成矿事件通常 0 1 Ma在多个成矿事件中最多 0 7 Ma in 文献 15 寄主岩火山碎屑沉积岩类似 化学反应的镁铁质岩浆岩 碳酸盐岩 热液700 300 C 岩浆成因的含盐流体类似 某些情况下金属含量异常 流体运移集中在浅层岩体上部在结构通道高度集中 低温热液型金 银矿床 50 55 构造环境HS IS 俯冲带之上的火山弧 LS alkalic 伸展或弧后环境 HS IS 过渡岛弧 浅俯冲 LS alkalic 大陆裂谷 后碰撞弧后拉 张 岩浆组合HS IS 钙碱性 LS 两种模式 长英质的 镁铁质 的 或者无相关关系 Alkalic 碱性的 类似 寄主岩火山碎屑沉积岩类似 碳质火山 沉积岩 碳酸盐岩 热液来源HS IS 岩浆流体类似 8 区中 八个当中的四个为 HS 或 HS IS 特征 其余四个为 IS 或 IS LS 特征 三 个最大的 HS IS 矿床分别为 多明尼加共和国的旧普韦布洛矿床和帕斯夸 喇嘛 矿床 以及位于智厄尔尼诺 Indio 带的贝拉德罗矿床 而巴布亚新几内亚的 Porgera 金矿床是碱性型 LS 的子类型 见附表 S1 的储量估算 这些矿床将 在下面做简要介绍 旧普韦布洛旧普韦布洛 HS 金金 银银 铜矿铜矿 多明尼加共和国多明尼加共和国 普韦布洛的 Viejo 矿床具有 717 吨的金储量 参见 33 该矿床为露天开采 大面积的 3 10 千米 强烈酸性蚀变岩发育脉状矿化 晚期矿脉中金品位高 高达 21g t 但大部分矿石品位稍低 2 3 g t 的金 炭质沉积岩发育浸染状 矿化 34 旧普韦布洛异常地发育在岛弧序列 而大多数大型 HS 金 银矿床发育 在长英质大陆岛弧火山序列 作为主要的控矿因素 围岩与矿床之间的确切关 系存在争议 矿床规模较大 可能是由于厚层富 Fe 的碳质火山 沉积岩的存在 它为金银的矿化提供了一个有效的地球化学障 35 此外 不透水石灰岩顶板可 能封闭热液系统 导致高温蚀变类型和异常的高品位矿化 36 智利埃尔印第奥协金智利埃尔印第奥协金 银带银带 厄尔尼诺 Indio 带产出一系列独特的金 银 HS 体系矿床 包括超大的帕斯 夸 喇嘛矿床 508 吨 和贝拉德罗矿床 301 吨 33 矿化与中新世 上新世钙 LS 地下水为主 Alkalic 可能为岩浆流体 热液性质HS IS 高酸性蒸汽 LS 中性 pH 地矿化度水 Alkalic 中性 pH 地矿化度水 少量 CO2 类似 流体运移构造中心高度发育的构造中心 地震触发的 流体运移 矿石沉淀过程HS IS 流体混合 沸腾 LS 沸腾 Alkalic H2O CO2 相分离 类似 但是 沉淀过程不寻常 尤 其是地震引发的闪沸 并非给定的任何矿床都存在所有这些异常特征 关于成矿过程的更多信息 请参阅补充 资料 HS 高硫化作用 IS 中等硫化作用 LS 低硫化作用 9 碱性火山活动有关 但被限制在一个较小的时间间隔内 从 9 4 到 6 2Ma 之前 37 热液蚀变发生在整个火山序列 但矿化只发育在晚中新世系统 浅成低温 热液金 银成矿被限制这个时间段内的证据包括 流体释放是由于俯冲消亡带之 上的含水矿物被破坏 16 横向剪切导致区域地下水位下降 从而引起流体的混合 和沸腾 37 平俯冲过程中下地壳角闪岩的部分熔融和直接水合38 从层状安山 岩到英安质圆顶的形成 这与岩石圈应力状态的变化有关 39 这种对于在时空 上受限于中部安第斯山地区的几个大型矿床成因的多解性 突出了在一个原本 通常有利的成矿环境中限制矿床单一成因过程的困难性 巴布亚新几内亚巴布亚新几内亚 Porgera 碱性金矿碱性金矿 Porgera 金矿 过去曾开采 600 吨金 加上现有储量 40 属于 LS 低温热液 型矿床的碱性子类 在这种情况下 矿床与一套镁铁质 钠质 hawaiitic 到 mugearitic 岩株和岩墙侵入到澳大利亚东北缘中生代隆起的大陆架沉积物有关 岩浆活动和成矿作用在 6Ma 之前 与一部分新不列颠岛弧和大陆边缘的碰撞有 关 这种碰撞导致先前弧后环境俯冲改造地幔的小面积部分熔融 41 碱性铁镁 质岩沿着倾斜的造山带局部熔融 弧后拉张断裂系统侵入浅部地壳 Porgera 金 矿是一个断层控制的具有极高品位的大型金矿化带 这是较为独特的 附图 S3 在开采之初的 1990 年 预测储量为 51 5 百万吨 品位为 6 5g t 在当地采场金 的品位超过 300g t 流体在断裂带内的高效活动 以及垂向扩张后地震断层运 动过程中的闪沸导致高品位的金沉淀 随着成矿流体中二氧化碳浓度的升高而增 大 40 42 超大型低温热液矿床形成的控制超大型低温热液矿床形成的控制 正如上面讨论的四个超大型斑岩矿床的例子 这三个矿床可以明确地被定 为浅成低温热液型矿床 矿石构造的控制 例如围岩反应 在结构上集中的流 体运移或流体沸腾 以上特点并不唯一 并且与成矿相关的火成岩没有显著