【老邢】初论紫金山铜金矿床超临界成矿流体系统

1、第 21卷 增刊2006年 10月 地 质 找 矿 论 丛 Vol.21 Sup.Oct. 2006 收稿日期 :2006203229作者简介 :王少怀 (19652 , 男 , 福建仙游人 , 高级工程师 , 在读博士 , 主要从事矿床学研究及矿产地质普查与勘探工作。初论紫金山铜金矿床超临界成矿流体系统王少怀 1,2(l. 中国地质科学院 矿产资源研究所 , 北京 100037;2. 中国冶金地质勘查工程总局 第二地质勘查院 , 福建 莆田 351111摘 要 : 紫金山矿床是我国东南沿海发现的大型金铜矿床 。 在分析超临界成矿流体系统形成的 区域地质背景和研究成矿物理化学条件的基础上 ,

2、件 , 提出该系统的成矿机理 :与燕山晚期酸性火山 -、 张 性或向张性过渡背景下形成的 , 酸性岩浆经熔体 -合 , 经水 -关键词 : 形成机理 ; 动力学 ; 中图分类号 : P59; P618. 51 文献标识码 2(2006 S020005205 紫金山矿床是 20世纪 的大型金铜矿床 , 次火山岩体和隐爆 角砾岩控制 , 。 矿床就位于统一的构造空间内 , 属岩浆期后超临界 成矿流体系统成因 (为主 矿床 。 它拥有 200多吨可 利用的金金属资源量 , 研究其成矿流体系统对于今 后内生贵金属和有色金属矿的勘查具有重大的指导 意义 。1 铜金矿区超临界成矿流体系统形成的区域地质背景

3、 紫金山铜金矿床位于闽西南拗陷之西南 , N E 向宣和复背斜与云霄 上杭 N W 向深断裂带交汇 部位 , 上杭白垩纪火山 -沉积盆地的东缘 1。紫金山矿区的前中生界主要呈 N E 向展布 , 基 底为下震旦统楼子坝群浅变质细碎屑岩 , 构成背斜 核部 , 两翼为泥盆 -石炭系碎屑岩和灰岩 , 白垩纪火 山 -沉积岩主要分布于西部上杭火山盆地中 。燕山 早期酸性岩浆岩沿背斜轴部侵入 , 并成为紫金山矿 区最主要的地质体和矿化围岩 , 主要岩性为花岗岩 和二长花岗岩 。燕山晚期火山 -侵入作用主要受 NW 向断裂构造及其与 N E 向构造交汇部位控制 , 该部位常成为火山活动中心 。 火山 -

4、岩浆成矿流体活动对矿区的蚀变和成矿作用有重要影响 , 其主要 岩性为花岗闪长岩类 (如才溪超单元岩体 , 与之有 成因联系的英安玢岩和隐爆角砾岩在区内较为发 育 , 主要分布于火山机构及其附近 。物探资料和地 质推测紫金山矿区深 部可能 存在 花岗 闪长岩 岩 基 2。燕山早期和燕山晚期侵入岩隶属于两个不同的 成岩系列 , 它们分别具有 S 型和 I 型花岗岩的基本 特征 , 特别是燕山晚期火山 -侵入岩为扩张环境下 与深源机制有关的岩浆岩 。 深部岩浆房通过中间通 道对浅部含矿次火山岩的演化施加影响 , 岩浆的熔 离 -流体作用得以持续进行 , 有利于岩浆流体成矿 系统的形成与演化 3。 紫

5、金山矿区岩石蚀变极为强 烈 , 燕山早期岩体几乎全岩蚀变 。主要蚀变类型有 硅化 、 明矾石化 、 地开石化和绢云母化 。 强烈的硅化 作用常出现在上部 , 与金的矿化关系密切 , 绢云母化 则出现在下部 , 明矾石化分布于火山机构边缘 , 地开 石化分布较为广泛 。紫金山矿区存在显著的 Au , Cu , Pb , Zn , Ag , Mo 和 Sn 水系沉积物异常 , 明显突出于区域背景场 之上 , 异常基本上围绕紫金山复式岩体分布 , 面积十 几至几十平方公里 。 该区的中比例尺岩石及土壤测 量显示低值异常呈 N E 向 , 高值异常呈 NW 向 , 且有 一定的分带性 。以紫金山火山机

6、构为中心 , 向 NW 和 SE 两侧依次为 Mo 2(Cu Au 2Cu Pb 2Zn 2Ag 2(Cu 。 中部 Mo 2(Cu 异常值较高 , 与该地段燕山晚 期中酸性岩浆岩侵位较高相一致 , 在火山机构附近 常形成异常浓集区 。 紫金山矿区存在一套较完整的 斑岩成矿系列 ; 斑岩型 、 次火山岩型和火山岩型以及 一些过渡类型矿床 4。2 矿床地质特征紫金山矿区主要矿化围岩为燕山早期侵入岩 , 以中细粒花岗岩为主 , 细粒花岗岩和中粗粒花岗岩 次之 。岩石已强烈蚀变 , 基本上由原生石英 +蚀变 矿物组成 , 构造作用强烈 , 其中裂隙很发育 , 常见碎 裂构造 。 矿区中部为燕山晚期次

7、火山作用中心 , 由 直径约 700m 的英安质隐爆碎屑岩组成 ,熔浆在近地表条件下隐蔽爆破作用形成 。部为隐爆相 ,岗岩接触带 , ,岗岩过渡 。 , 主要由一系 , 是矿区最主要的 赋矿构造 。 NW 、 金铜 矿体有基本一致的产状 , 反映了它们之间的成因 联系 。矿床分布于火山中心的 N W 侧外接触带 , 矿化 带的分布与脉状角砾岩近于一致 , 矿化带长宽均达 1000余 m , 金铜矿 (化 体具有 NW 走向右行侧列 的特点 , 总体呈 NWW 走向 , 倾向 NN E , 倾角 10° 60°, 具上陡下缓的特点 。金矿主要分布于高程 700 m 以上的氧化

8、带中 , 铜矿则主要分布于 650m 以下 的原生带内 。 中间过渡带中发现少量金铜矿体 。 金矿石组分较简单 , 以微晶蚀变石英为主 , 金属 矿物以褐铁矿 、 针铁矿为主 。金主要以自然金形式 存在于充填裂隙的铁的氧化物 、 氢氧化物细脉和网 脉中 , 具有很好的可选性 。铜矿石金属矿物含量约 8%10%, 以黄铁矿为主 , 铜矿物主要为蓝辉铜矿 , 其次为铜蓝 , 少量 -微量的斑铜矿等 。金矿石自然 类型为石英 -褐铁矿氧化矿石 , 铜矿石自然类型为 明矾石 (石英 、 地开石 -蓝辉铜矿 (铜蓝 、 硫砷铜矿 硫化铜矿石 5。矿床岩石蚀变极其强烈 , 主要蚀变类型有硅化 、 明矾石化

9、 、 地开石化和绢云母化 , 各蚀变类型具有多 次形成并互相叠加的特点 , 钾明矾石化宏观上与铜 的主要矿化带分布近于一致 6。 矿区氧化带极其发 育 , 氧化带厚度一般可达 200m , 局部地段厚达 400 m , 氧化作用对金的成矿有重要的意义 , 铜矿体在氧 化带中被淋滤 , 而金则产生较显著的次生富集作用 。3 铜金矿区超临界成矿流体系统形成 的物理化学条件3. 1 热力学条件3. 1. 1 温度对矿床各蚀变带包裹体进行了较系统的均一法 测温 , 温度区间为 100420 , 即使在同一样品中 , 3个温度 峰值 (图 1 , 、 晚, 成矿流体 , 成矿流体性质由岩 浆成矿流体向次

10、火山超临界成矿流体 、 热水溶液演 化 。 绢云母交代岩和早期高温硅化岩代表了早期面 型热液蚀变 , 二期明矾石温度峰值基本上代表了铜 的两个主要成矿阶段 , 硅化岩的低温峰值代表了金 的主要成矿温度 。图 1 紫金山铜金矿床包裹体均一温度直方图(据张德全 1990年资料修改 Fig. 1 Histogram of homogeneous temperaturefor Zijinshan Cu 2Au depositsa. 全区总体 b. 石英 -明矶石交代岩 c. 石英 -地开石交代岩 d. 石英 -绢云母交代岩 ;e. 硅化岩3. 1. 2 盐度 、 密度 、 压力和 p H 值矿床盐度

11、w (NaC1 =021. 6%, 其中 4% 8%形成显著峰值 , 从早到晚由于大气降水的稀释作 用 , 盐度有降低趋势 , 但沸腾作用流体盐度升高 。根 据 NaCl 2H 2O 体系估计的流体密度为 0. 61. 0g/6 地 质 找 矿 论 丛 2006年cm 3, 低盐度 、 低密度是矿床流体的总特点 。对液态 CO 2包裹体进行压力测定 , 结果为 980MPa , 估算 的成矿深度大致为 3002400m 。溶液 p H 值 3. 644. 13, 从早到晚由于 H +被置换而使成矿流 体 p H 值逐渐增大 , 从强酸性向弱酸性变化 。 3. 1. 3 流体的沸腾不同气液比的包

12、裹体样品可以获得相近的临界 温度 , 这是流体沸腾的证据 , 此类包裹体在石英 -明 矾石蚀变带中最为常见 , 特别在该带中的铜矿石和 角砾岩及附近最为发育 , 超临界成矿流体携带大量 金属元素在上升过程中进入裂隙密集带后减压沸 腾 , 导致气液分离 , 成矿流体盐度 、 密度加大 , 富含矿 化剂和金属组分 , 为成矿物质聚集沉淀创造了有利 的条件 。 沸腾作用也是矿区隐爆角砾岩和碎裂角砾 岩形成的重要因素之一 。3. 1. 4 流体组分与富家坞斑岩铜矿对比 ,显贫 Na +,Cl -,Fe 3+/F -/Cl -都 , 2+2+, HCO -3, SO 2-4和 F -, 7,8。根 ,

13、紫金山铜 金矿床成矿流体是一个高 Si , 富 K ,S , F 和 CO 2, 低 Fe , 贫 Na 和 Cl , 富含成矿元素 Cu ,Au ,Mo 的成矿 流体系统 , 其他金属元素 Ag ,Se , Ge , Ga , Pb , Sn 也 有较高的含量 , 显示其具有深源性的特点 。3. 2 同位素地球化学特征3. 2. 1 铅同位素据 Pb 同位素组成分析结果表明属正常铅 , 采 用单阶段模式年龄计算 , 其年龄区间主要在 129 166Ma , 为燕山期 ; 早期黄铁矿年龄 265466Ma , 为加里东 -海西期 。 Pb 的来源除与燕山期岩浆活 动有关外 , 一部分可能来源于

14、晚古生代地层 , 燕山早 期花岗岩属壳源重熔成因 , 具有较高的 Cu , Au 背 景 , 也预示了地层供源的可能性 9。3. 2. 2 硫同位素主要成矿期黄铁矿 、 铜蓝 、 方铅矿和闪锌矿的 (34S =-3. 1×10-3-8. 4×10-3, 当 p H 5,lg f (O 2 10时 , 据矿床硫化物和硫酸盐的 (34S 组 成 , 体系的 (34S 近似等于 0, 具有深源特点 。 3. 2. 3 氢氧同位素据 10件氢氧同位素的图解显示 , 早期硅化石英 样品集中分布于右侧 , 以岩浆水为主 , 并有部分大气 降水参与 ; 晚期硅化石英样品分布于左侧 , 表

15、明大气 降水成为主要水源 , 为火山期后成矿流体作用产 物 10。3. 2. 4 同位素年龄燕山早期岩体锆石 U 2Pb 法年龄为 157Ma , Rb 2Sr 全岩等时年龄为 (145士 9. 2 Ma , 燕山晚期 岩体 Rb 2Sr 全岩等时年龄 (102. 2士 9. 2 Ma , 金矿 石 Rb 2Sr 全岩等时年龄为 (99. 6士 9. 11 Ma ,2件明 矾石和 1件绢云母单矿物 K 2Ar 年龄 94. 1111. 8 Ma , 上述成岩成矿和蚀变年龄 , 较好地反映了紫金 山矿区主要地质事件的顺序和时代 。3. 3 成矿成岩作用, 构 , , 在岩体的部 , 紫金山矿区发

16、 , 具深源成因特点 , 主要隐 。 该隐伏岩体导致紫金山矿 区地质体强烈蚀变 , 主要为区域性的面型硅化和绢 云母化 。 由该期岩浆上侵形成的个别斑岩可能在局 部地段形成斑岩铜 (钼 矿床 。 该岩浆的超浅成侵入 及喷出地表 , 形成火山机构 , 并发生隐蔽爆破作用 。 在 NW 向构造背景下的火山 -次火山气液作用形 成一系列脉状角砾岩 , 同时发生多期次的蚀变和矿 化作用 , 形成蚀变和矿化分带 。这一期火山 -次火 山成矿流体活动是 “ 紫金山式” 铜金矿床的主要成矿 作用 , 它不仅提供成矿流体 , 也提供硫源和部分水源 以及成矿物质 。火山成矿流体期后由于大气降水的大量参与 , 成

17、矿作用逐渐过渡到低温成矿流体期 , 并在上部形 成低温硅帽 , 伴生着重要的金矿化作用 。氧化作用 使金在地表贫化 , 并在氧化带中部发生富集 , 同时使 氧化带中的铜矿受到破坏 。4 铜金矿区超临界成矿流体系统形成 的动力学条件4. 1 超临界流体的特性超临界流体是一种温度高于临界温度的流体 , 其性质介于流体和气体之间 , 在临界温度以上 , 气液 具有相同的密度 , 增压不能使流体液化 。它有别于 气液相 , 由于性质介于气液两相之间 , 易于随压力调 节 ; 不仅具有近似于气体的粘度小 、 传质系数大 、 相 对密度大 、 溶解度高于气相等特点 , 而且还具有液体 的行为 。 在介电常

18、数 、 极化率和分子行为等方面 , 超 临界流体均有别于气液两相 , 因此超临界流体具有 7第 21卷 增刊 王少怀 :初论紫金山铜金矿床超临界成矿流体系统高溶解性和高扩散性 , 在成矿作用过程中 , 当它与矿 源层相互作用时有可能高效萃取成矿元素形成成矿 流体 ; 有利于成矿元素以有机络合物形式发生长距 离迁移并影响流体的酸碱度和氧化还原条件 ; 超临 界成矿流体系统在临界点附近温压变化引起的流体 体系失衡直接导致成矿元素巨量堆积 。近年来的一些研究表明 , 下地壳及深部流体均 处于超临界状态 (即温度和压力在水的临界温度和 临界压力之上 , 超大型热液多金属矿床的成矿可能 与此有关 。 紫

19、金山铜金矿区包裹体特征所反映的成 矿流体系统形成的热力学条件以及同位素地球化学 特征 、 成岩成矿作用过程可推断出成矿流体中的水 处于超临界状态 。4. 2 铜金矿床超临界成矿流体系统形成的动力学 条件用是特定地球动力学过程的产物 ,本形成 。 , 该区的壳 , 在纵向上和横向上都存 在不均一性 , 它是 中生代岩浆活动的反映 。 可以认为 , 在主成矿期 (燕 山晚期 , 本区发生地幔持续上隆 , 并有大量岩浆上 升 , 铜金矿床的形成与本区壳幔结构的特征及其演 化密切相关 12214。紫金山矿区经历了多旋回发展历程 , 区内前震 旦系变质基底 (板溪群 仅在汀江以西局部地段出 露 , 指示

20、该矿区存在元古代基底 。而海西构造旋回 形成的 N E 向宣和复背斜 , 云霄 上杭 NW 向深断 裂带 , 具有多阶段活动特点 。 进入燕山构造旋回后 , 该区受古太平洋构造域动力学体制及与之相关联的 深部作用过程控制 , 发生上地幔上隆而导致构造环 境由挤压向伸展转变或处于张性构造背景 。 所以本 区铜金矿床成矿流体系统的形成 、 演化及成矿作用 受到压性或向张性过渡的地球动力学背景的制约 。5 铜金矿床成矿流体系统的成矿机理5. 1 成矿作用动力学铜金矿床的形成是在特定的地层岩性 、 岩浆活 动和构造运动的条件下 , 超临界成矿流体的流动和 化学反应的综合结果 , 即输运和化学反应耦合过

21、程 的动力学产物 。 15。区内岩浆的侵入 、 冷凝过程中 常形成以岩体为中心的温度场 , 由岩浆熔体流体分 离作用形成的超临界成矿流体汇集在以 NW 向为 主的断裂裂隙处 , 形成成矿流体循环系统 , 产生强烈 的水岩作用 , 既淋滤出围岩中的成矿物质参与成矿 , 增加成矿流体系统中成矿物质的浓度 , 又导致温度 下降 , 最终导致超临界成矿流体系统发生卸载作用 , 沉淀形成超巨量金工业堆积的酸性硫酸盐型浅成热 液矿床 。 同时由于成矿流体系统的降温而引起沸腾 作用进而在火山岩筒及旁侧的断裂裂隙中发生隐 爆 , 这种作用又促成热液流体的升温 , 但此时的温度度 , 。从 (张德全 ,2003

22、 , 因。斑岩型矿床是在斑岩结晶过程中 , 成矿流体系 统产生以岩体为中心的热致及流体驱动断裂裂隙系 统 , 通过流体与侵入岩的相互作用耦合过程 , 形成斑 岩型铜金矿床 。5. 2 成矿机理基于以上超临界成矿流体系统分析 , 紫金山矿 区铜金矿床主要有两个类型 :紫金山矿床是酸性硫 酸盐型浅成热液矿床类型 , 中寮矿床是位于紫金山 矿区北东部的一个斑岩型 Cu (Mo 矿床类型 , 而五 子骑龙可能是它们的过渡类型 。 它们的成矿机理概 括如下 :进入燕山晚期 , 上地幔岩石圈继续隆起 , 区域处 于张性或向张性过渡的构造环境 。 不同部位的岩浆 岩源区发生部分熔融作用 , 形成酸性花岗质岩

23、浆 , 先 后沿不同方位基底断裂上升侵位 , 发生结晶分异并 与地壳物质发生同化混染联合作用 16。在有利的 断裂构造配合下 , 以较快的速度上升 , 张性基底断裂 构造输导性好 , 浅成定位的岩浆与深部岩浆房相连 形成 “ 二层结构” 岩浆生长系统 。 花岗质岩浆适中的 含水量确保了岩浆发生熔体流体作用时生成的流体 相物质多 , 进入超临界成矿流体系统中的成矿元素 及载体元素的量亦随之增加 ; 快速上升的岩浆浅部 定位后 , 在固相线温度以上的超临界状态 , 岩浆产生 对流作用 , 促进熔体流体作用过程中流体相的稳定 和较彻底分离 , 并在结晶晚期进一步聚集 ; 深部岩浆 房的缓慢结晶作用又

24、能为与之相联系的浅部岩浆体 (斑岩 在较长时间内不断地提供热源和超临界成矿 流体 , 并在一定程度上延缓浅部岩浆体的冷却速度8 地 质 找 矿 论 丛 2006年并促使其产生彻底的熔体流体分离作用 , 在超临界 成矿流体形成过程中 , 成矿物质大量分配进入流体 相 , 形成含高盐度和成矿物质浓度较高的成矿流体 系统 。 该系统向泄流 (聚矿 构造快速运移 , 并再次 与流经的地层或侵入岩发生水岩交换作用 , 形成具 复杂演化历史的含矿岩浆水 , 并吸取地层中的部分 硫 、 部分成矿元素 , 同时侵入岩中的少量成矿物质进 入成矿流体系统 , 使流体系统中成矿元素和总硫浓 度增加 。 由于成矿流体

25、系统进入地球化学为急变带 或受到大气降水的混入 , 该系统物理化学性质发生 变化 , 经过复杂而又多次发生的的输运反应动力学 过程 , 使得矿质多次在同一部位发生沉淀 、 聚集 , 在 特定的地质地球化学 -物理化学条件下形成超巨量 工业堆积的酸性硫酸盐型浅成热液矿床和具有良好 找矿远景的斑岩型 Cu (Mo 矿床 。 发生在岩体内部时 , 骑龙位于两者之间 , 致谢 :指导和帮助 、 , 谨致 谢忱 。参考文献 :1 冯宗帜 . 福建中生代火山作用与构造环境 J.中国区域地质 ,1993,15(4 :3112316.2 陈景和 . 紫金山铜金矿床成矿模式 J.黄金 ,1999,20(7 :6

26、211.3 张德全 , 李大兴 , 丰成友 , 等 . 紫金山地区中生代岩浆系统的空结构及其地质意义 J.地球学报 ,2001,22(5 :4032408.4 张德全 , 佘宏全 , 李大新 , 等 . 紫金山地区的斑岩 -浅成热液成矿系统 J.地质学报 ,2003,77(2 :1602168.5 张德全 , 李大新 , 赵一鸣 , 等 . 紫金山矿床 :我国大陆首例石英明矶石型浅成低温热液矿床 J.地质论评 ,1991,37(6 :4812491.6 张德全 , 李大新 , 赵一鸣 , 等 . 紫金山铜金矿床蚀变和矿化分带M .北京 :地质出版社 ,1992.7 高天钧 , 黄仁生 . J.

27、火山地质与矿产 ,1998,19(4 8 常印佛 , , 吴言昌 . M .北京 :,1991. 9 . ,20(4 :3482360., , 黄耀生 , 等 . 福建紫金山矿床流体运移 -反J, 地球化学 ,1998,27(2 :1872195.11 王培宗 . 福建地壳 -上地幔结构及深部构造背景研究 J.福建地质 ,1993,12(2 :792158.12 周涛发 , 岳书仓 , 兰天佑 . 安徽安庆铜矿床硫同位素地球化学M .地球科学 ,1995,20(6 :7052711.13 唐永成 , 吴言昌 , 储国正 , 等 . 安徽沿江地区铜金多金属矿床地质 M .北京 :地质出版社 ,1

28、998. 2102280.14 翟裕生 , 姚书振 , 林新多 , 等 . 长江中下游地区铁铜 (金 成矿规律 M .北京 :地质出版社 ,1992. 1211.15 翟裕生 . 论成矿系统 J.地学前缘 ,1998,6(l :13227. 16 邓晋福 , 赵海玲 , 莫宣学 , 等 . 大陆根 -柱构造 大陆动力学的钥匙 M .北京 :地质出版社 ,1996. 110.PRE LI MI NARY DISCUSSION ON SUPERCRITICAL ORE 2FORMI NGFLUID SYSTEM OF ZI J I NSH AN COPPER 2G OLD DEPOSIT I NWANG Shao 2huai1,