2. 西安西北有色物化探总队有限公司, 陕西 西安 710068;
3. 贵州省有色金属和核工业地质勘查局物化探总队, 贵州 都匀 558000;
4. 浙江省水文地质工程地质大队, 浙江 宁波 315012;
5. 中国冶金地质总局山东正元地质勘查院, 山东 济南 250101
2. Northwest Nonferrous Geophysical-Geochemical Exploration Co., Ltd., Xi'an 710068, China;
3. Geophysical-Geochemical Exploration Team, Guizhou Bureau of Geological Exploration for Nonferrous Metals and Nuclear Industry, Duyun 558000, Guizhou Province, China;
4. Zhejiang Hydrogeology and Engineering Geology Brigade, Ningbo 315012, Zhejiang Province, China;
5. Shandong Zhengyuan Institute of Geological Exploration, China Metallurgical Geology Bureau, Jinan 250101, China
超大型矿床在国民经济中发挥了重要作用,大量工业建设也依托于超大型矿床,因此研究和寻找超大型矿床具重要意义.本文从国内外超大型斑岩铜矿入手,对世界级超大型斑岩铜矿的研究作出初步尝试.
按铜资源规模要求超过250×104 t为超大型,达到世界级超大型铜矿要求500×104 t以上.前人研究认为特提斯-喜马拉雅地区和太平洋东部边缘为世界级超大型斑岩铜矿主要产出地[1-7],最大的为智利埃尔特尼恩特(El Teniente)超过9000×104 t [5-7].我国达到世界级超大型的斑岩铜矿主要在特提斯-喜马拉雅成矿带,尤其是近年来发现的玉龙、驱龙、甲玛、普朗、铁格隆南、雄村、厅宫、冲江、聚龙、多龙、莽总、拉抗俄及马拉松多等以斑岩铜矿为主系列[8-14],多数已达500×104 t以上.随着勘查程度不断加深,还有新的超大型斑铜矿出现,成为我国最重要的成矿区带之一.
1 全球超大型斑岩铜矿斑岩铜矿指矿化在时间上和空间上与钙碱性、碱性中-酸性斑岩体有关,成因上与火山-侵入活动有密切内在联系的浅成-超浅成矿床,具有明显蚀变和矿化分带性,结构具斑岩结构,构造以细脉浸染状为主,是全球最重要的铜矿床,占已探明铜矿储量的一半以上[3, 7-11].
1.1 时空分布斑岩铜矿的形成时代主要集中于中—新生代,古生代至前寒武纪发现的很少.形成这种分布的原因有2种,一是因为斑岩铜矿主要形成于板块汇聚区,新生代以前全球板块活动机制尚未完善,中—新生代是全球板块活动最强烈的时期,是斑岩铜矿形成的高峰期;二是由于形成于板块俯冲、碰撞带,这些带的后期发育往往形成造山带,成为主要剥蚀区,加上其多形成于浅成-超浅成侵入岩中,岩体及围岩节理、裂隙发育,有利于剥蚀作用形成,随着时间推移古老的斑岩铜矿很难保存[3, 11-14].
根据前人总结的全球三大成矿带,斑岩型铜矿主要集中于太平洋东部边缘成矿带、特提斯-喜马拉雅成矿带及古亚洲成矿带[3, 11-14],即太平洋东部边缘的美洲西部科迪勒拉地区和特提斯-喜马拉雅地区,形成于大洋板片俯冲产生的岛弧-陆缘环境和陆-陆碰撞造山环境.
1.2 构造环境 1.2.1 太平洋东部边缘太平洋东部边缘的美洲西部科迪勒拉地区为海沟-前弧-前弧盆地-火山弧-大陆环境,具有从张性弧向中性弧、压性弧转化的规律.喜马拉雅运动促进了太平洋板块向东俯冲和美洲大陆向西漂移.由于俯冲作用巨大,太平洋东部边缘板块直接插入上地幔软流圈,软流圈被下冲洋片阻挡,形成了向上的对流,在岩浆弧一侧形成类似弧后构造地热模式和张性弧后盆地,并产生以拉斑玄武岩系列为主的火山作用[3, 6, 13-15],伴随强烈的岩浆活动和成矿物质上涌,为大规模成矿作用提供了前提条件.
1.2.2 特提斯-喜马拉雅成矿带印度板块与欧亚板块的碰撞,造成特提斯-喜马拉雅造山带与扬子陆块西缘在新生代快速抬升.构造活动剧烈并切穿了上地幔,发生一系列强烈的逆冲推覆、走滑拉张运动和岩浆作用.特提斯-喜马拉雅地区经历了前中生代特提斯演化后,成为欧亚次大陆的南缘部分.燕山-喜马拉雅运动,尤其在喜马拉雅期印度板块向北俯冲和欧亚板块碰撞,东部受雅鲁藏布江洋闭合以及受到扬子地台阻挡影响,形成了一系列反“S”形构造格局,促进了新生代走滑、逆冲推覆和拉张构造发育,产生了错综复杂的构造网络和空间[3, 8, 12-18],伴随强烈的各类岩浆活动和成矿物质上涌,为大规模成矿作用提供了前提条件.
1.3 蚀变、矿化分带特征斑岩铜矿蚀变具明显的分带性,根据矿物组合大致可以分为4个蚀变带[11],由内到外依次为:钾化带→石英-绢云母化带→泥化带→青磐岩化带.钾化带:属于早期蚀变带,多分布于蚀变带内部(内带),主要蚀变矿物有钾长石、石英、黑云母;石英-绢云母化带:属中期蚀变阶段(中间带),主要蚀变矿物为绢云母、石英、水化白云母、水化黑云母;泥化带:多分布于石英、绢云母化带外侧,主要蚀变矿物为高岭石、蒙脱石、伊利石;青磐岩化带:属晚期蚀变阶段(外带),主要蚀变矿物为绿泥石、绿帘石、方解石、黄铁矿.矿体一般在钾化带和石英-绢云母化带产出.
该类矿床也具有4个矿化分带,由内到外依次为:低品位核部→主矿带→黄铁矿带→贫黄铁矿壳.低品位在钾化带内,品位较主矿带低,一般具钼矿化、黄铁矿化及黄铜矿化;主矿带在钾化带外围和石英-绢云母化带接触部位,矿物组合主要有黄铁矿、黄铜矿、斑铜矿、磁铁矿;黄铁矿带位于石英-绢云母化带外侧及泥化带中,主要出现黄铁矿化而铜钼矿化较弱;贫黄铁矿壳则位于青磐岩化带内,发育有少量黄铁矿化.矿物在各带的赋存状态由内到外依次为:浸染状→浸染状+微细脉→浸染状+细脉状→细脉状.
2 讨论(1)斑岩铜矿床多产于汇聚板块边界,即大洋板片俯冲产生的岛弧-陆缘弧环境和陆-陆碰撞环境,形成时代集中于中—新生代,是全球板块活动最强烈的时期,也是斑岩铜矿形成的高峰期.古生代至前寒武纪发现的很少,可能是新生代以前全球板块活动机制尚未完善,“加厚旋涌”效应未完全成熟.
(2)地表主要为沉积岩和少量变质岩、岩浆岩,元素活化能力弱.有色金属、黑色金属、贵金属及稀有稀土元素等在地壳中丰度低,若达到最低工业品位并形成矿床,如Cu从地壳丰度27×10-6富集到0.4%以上[19-21],必须经过特定地质富集作用.
目前地质学家们对地球的直接研究仅限于上地壳,下地壳及更深处仅能根据地球物理测试及相关资料间接推测(地质学家们对此分歧较大,学派众多).地壳平均密度为2.8 g/cm3,地壳主要由密度在2.5~3.0 g/cm3的硅酸盐组成(表 1)[19-22];地幔密度为4.5 g/cm3.下地壳加厚和下地壳-上地幔软流圈的拆沉作用,形成密度较高(约3.5 g/cm3)的镁铁质麻粒岩相、榴辉岩相、橄榄岩相等[19-24],在软流圈中因熔融体积膨胀而导致密度降低.因此软流圈与高密度相关的有色金属、黑色金属、贵金属、稀有稀土元素等成矿物质明显富集. Cu为中度不相容元素[7, 25, 26],在特定地质作用下,能大规模以成矿流体形式上涌并完成富集作用,为世界级超大型斑岩铜矿提供成矿物质来源.从特提斯-喜马拉雅成矿带和太平洋东部边缘成矿带上主要矿床来看,除产出斑岩铜矿外,也是有色金属、贵金属、黑色金属、稀有稀土及分散元素等大型—超大型矿床系列集中产出地[3, 13-17],如罗布萨铬铁矿、金顶铅锌矿、临沧锗矿等为代表的超大型矿床系列.要完成大规模成矿作用,必须有更大规模来源支撑.顾学祥等提出喜马拉雅运动控制下的深部过程和成矿作用有关[27],李定谋等[28]、王登红等[13-14]、黄波等[16-17]在研究三江成矿带时指出:特提斯-喜马拉雅成矿带大规模矿床产出,必须以大规模深源性成矿物源为前提,并在有利条件下完成各种成矿作用.
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表 1 大陆地壳主要成分估值 Table 1 Valuation of the main compositions in continental crust |
(3)涂光炽等提出“地震泵效应”的成矿动力学模式[3],即地震使地层裂隙增多,成矿流向上运移,与水泵抽水相似.王登红等提出“幔涌壳旋”动力学模式的反“S”构造是特提斯-喜马拉雅成矿带大规模成矿的主要成因,与涂光炽等、李定谋等、黄波等提出的深成物源相对应,均具有丰富成矿流体、运移通道和沉积的有利成矿条件,在不同条件下形成不同的矿床,如壳源、幔源和混源等成矿流体,形成结晶分异、流体交代、裂隙充填、推覆-剪切等类型矿床.孙卫东等认为洋脊俯冲带产生的埃达克岩与太平洋东部边缘斑岩铜矿有密切关系[7].埃达克岩指年轻的、热的俯冲洋壳发生部分脱水熔融形成的特殊岩石[7, 29],其中Cu的丰度是地壳的3倍(90×10-6)[19-21],从而有利于成矿.然而洋壳部分熔融提供的物源有限,而洋脊俯冲带引起的俯冲板片插入软流圈现象[7, 30],同样会引起大规模成矿物质上涌,因此软流圈成矿物质上涌也是斑岩铜矿的重要来源.
(4)地幔对流被认为是太平洋东部边缘和古特提斯构造发展演化的驱动力[3, 13-14, 31-32].马晓旻提出的“全球旋涡构造”假说认为[33-34]:在地球自转带动软流圈离极运动和科里奥利力作用下(地球自转偏向力)[35-36],赤道以北产生5个顺时针和1个北极逆时针的旋涡对流单元,而赤道以南形成相对应的旋涡对流单元,每个对流单元所受的构造应力方向大致为旋涡中心向心挤压应力和旋转方向上旋转动力的复合作用,二者近于相互垂直,并在近赤道处有相对加快而远离赤道处滞后的特点.
我国地处北半球5个顺时针旋转对流单元之中的东亚旋涡单元,旋涡中心大致位于102°10′E,28°20′N,即四川冕宁县南部约40 km处.西藏南部地区的喜马拉雅成矿带地处东亚旋涡西部.应力方向为近南北向旋转动力和近东西向挤压应力,形成一系列近东西向构造.而三江地区地处东亚旋涡南部偏西,产生近南北向挤压和从东往西的旋转应力作用.在三江地区南部的相对加快(近赤道处),而北部相对滞后的运动,产生反“S”形构造,与王登红等提出的“幔涌壳旋”对应.
(5)国内外地质学家们对地壳的研究认为大陆地壳平均厚度为37~40 km,洋壳通常不足10 km,最厚的为科迪勒拉山地区和喜马拉雅山地区,尤其是喜马拉雅山地区高达80 km [19, 21, 23],比大陆平均厚度超过40 km,比洋壳超过70 km,表明科迪勒拉山地区和喜马拉雅山地区的下地壳加厚并深插软流圈.燕山—喜马拉雅运动,尤其是来自65 Ma前强烈撞击[19, 37],促进印度板块向北漂移,印度板块与欧亚板块强烈碰撞,带动喜马拉雅造山带与扬子陆块西缘抬升,产生了“加厚旋涌”效应,即下地壳加厚并深插软流圈.无论是地幔对流,还是旋涡对流方式,都使得软流圈的运动方式改变而上涌,与涂光炽等[3]在研究太平洋东部边缘的俯冲带时指出“俯冲作用巨大,太平洋东部边缘板块直接插入上地幔,软流圈被下冲阻挡,形成了向上的对流”对应.伴随强烈岩浆活动和成矿物质上涌,在有利条件下完成大规模成矿作用;正如王登红等[13-14]指出的“成岩—成矿同样来自于地幔,在不断加厚的地壳环境下,地幔物质能够到达近地表,表明了地幔物质和能量作用之强烈”.
此外,其他地区造山带也不同程度插入软流圈,按熔融状态下的密度分异原则,向软流圈深部,高密度的成矿物质更为富集.燕山—喜马拉雅期构造运动,以特提斯-喜马拉雅地区和太平洋东部边缘地区最为强烈,下地壳加厚且插入软流圈最深,产生的构造网络和空间,在“加厚旋涌”作用下,软流圈大规模成矿物质上涌,形成了全球最大的斑岩铜矿产出地.由此我们认为“加厚旋涌”是特提斯-喜马拉雅和太平洋东部边缘特有的动力学效应.
(6)从特提斯-喜马拉雅成矿带岩浆岩来看,从超基性—基性到中酸性岩浆均有.它们为幔源、壳源及混源,或幔源型基性岩浆上涌过程中由中下地壳硅酸盐混入或壳幔的交换作用产生的中酸性岩浆岩,弱化了大规模的斑岩铜矿.该成矿带主要为喜马拉雅山脉,呈近东西走向,全长约2400 km,南北宽近2000 km(从孟加拉国最南端大陆到青藏高原最北端),形成近“正方形钝刀”插入上地幔约80 km;同时青藏高原分布的多条近东西向深大断裂对沿上地幔上涌的成矿物质产生分流作用.
而太平洋东部边缘地区的科迪勒拉山地区为弧后构造地热模式和张性弧后盆地,以拉斑玄武岩系列为主的岩浆作用具幔源型特点,其Cu的丰度较中酸性岩浆高,易于成矿.同时美洲西部的科迪勒拉山地区主要由南北美洲西部的落基山脉和安第斯山脉组成,落基山脉全长约4500 km,而安第斯山脉全长8900 km,是喜马拉雅山脉的近4倍.在太平洋东南缘的智利-秘鲁海沟,通常深度为4~6 km,往东约100 km进入南美洲大陆,便为迅速抬升的安第斯山脉,形成南北长8900 km,东西宽100~500 km的“锋利刀刃”插入上地幔,因此对上地幔的“伤害”超过喜马拉雅地区,成为软流圈上涌的成矿物质较为集中的地区,形成了全球最多的世界级斑岩铜矿.
3 结论(1)斑岩铜矿是全球重要的铜矿床,多集中于中—新生代板块汇聚区产出,主要是由于新生代以前全球板块活动机制尚未完善,“加厚旋涌”效应未完全成熟.
(2)上地幔软流圈较高的密度与有色金属、黑色金属、贵金属及稀有稀土元素的富集有关.在特定地质作用下,能大规模以成矿流体形式上涌,为世界级超大型斑岩铜矿提供成矿物质来源,是特提斯-喜马拉雅成矿带和太平洋东部边缘斑岩铜矿大规模成矿的前提,也是该成矿带上有色金属、黑色金属、贵金属及稀有稀土元素的主要来源.
(3)燕山—喜马拉雅期剧烈构造运动引起印度板块与欧亚板块强烈碰撞,太平洋板块向东俯冲与美洲大陆向西漂移,地壳加厚并深插上地幔,改变了软流圈运行方式而上涌,由于Cu是中度不相容元素,在有利条件下完成大规模成矿作用,产出世界级超大型斑岩铜矿.因此“加厚旋涌”是太平洋东部边缘和特提斯-喜马拉雅成矿带特有的动力学效应.
(4)太平洋东部边缘“锋利刀刃”超过特提斯-喜马拉雅地区近“近正方形钝刀”对地幔的“伤害”,同时喜马拉雅成矿带上多个深大断裂对上地幔成矿物质产生分流作用并有不同深度的中酸性岩浆的混染.而太平洋东部边边缘为弧后构造地热模式和张性弧后盆地,以基性拉斑玄武岩系列为主的Cu高丰度的岩浆活动,造成太平洋东部边缘明显超过特提斯-喜马拉雅成矿带.
总之,应加强对特提斯-喜马拉雅成矿带勘查工作,使其早日成为国家级的矿业开发基地.
有幸得到“全球旋涡”假说提出者马晓旻指导,表示诚挚感谢!笔者认为该假说也是板块运动和碰撞动力来源,并对研究全球大地构造、成矿预测及地震预报同样具有重要意义,今后将以各种方式与全球专家学者探讨和研究全球大地构造、成矿预测和地震预报.
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