为什么中酸性小岩体成大矿_

文章编号:1009-6248(2012)04-0128-06
为什么中酸性小岩体成大矿?
陈衍景
(北京大学地质学系,北京100871)
摘要: 小岩体成大矿 是对岩浆-流体成矿规律的科学总结,是找矿勘查的重要依据㊂笔者认为,中酸性小岩体成大矿的原因是在岩浆形成㊁演化过程中,小岩体比大岩体更容易富集成矿元素,更有利于成矿流体和物质运移,是更有利的成矿物质沉淀储集空间㊂
关键词:中酸性小岩体;矿床;成矿金属;流体运移
中图分类号:P611.1文献标识码:A
1前言 现象
自汤中立(2002)强调了 小岩体成大矿 的现象之后,小岩体成大矿的普遍性和客观性被越来越多的勘查事实所验证㊂例如,东秦岭地区新发现的东沟超大型钼矿床㊁鱼池岭超大型钼矿床(L i e t a l.,2012,2013),大别山地区新发现的千鹅冲和沙坪沟超大型钼矿床(Y a n g e t a l.,2013),东北地区新发现的曹四夭㊁大黑山㊁岔路口㊁鹿鸣等超大型钼矿床,天山地区新勘查证实的东戈壁㊁白山超大型钼矿床,皆与浅成中酸性小岩体密切相关㊂可见, 小岩体成大矿 学术思想在矿床发现和勘查工作中发挥了积极而重要的作用,其充分表明了深入研究和揭示 小岩体成大矿 的机理和规律的必要性㊂
在复杂多样的岩浆岩中,汤中立等(2006)强调了两类岩浆的小岩体成大矿现象,一是与基性-超基性杂岩体有关的岩浆熔离型铜镍硫化物ʃ铂族元素矿床;二是与浅成中酸性小岩体有关的铜金钼金等成矿系统(斑岩型㊁矽卡岩型㊁爆破角砾岩型㊁I O C G型)㊂受这一思想的启发,笔者认为另外两类岩浆的小岩体成大矿现象也应重视,即与碳酸岩-碱性岩杂岩体有关的稀土㊁钼㊁铀等矿床,如内蒙白云鄂博㊁湖北庙垭和山东微山稀土矿床,河南黄龙铺钼矿床;与金伯利岩有关的金刚石矿床,如辽宁瓦房店㊁山东沂蒙和安徽蚌埠等地的金伯利岩筒㊂
在上述4类岩浆中,浅成中酸性小岩体成大矿(特别是储大矿)的现象最为普遍和重要,是世界铜㊁金㊁钼㊁钨㊁锡等矿产的重要来源㊂例如,东秦岭钼矿带的6个超大型钼矿床(金堆城㊁上房沟㊁南泥湖㊁三道庄㊁鱼池岭和东沟)均由不足1 k m2的斑岩体所形成(图1)㊂而且,相比而言,这类小岩体成大矿的机理和规律研究薄弱,认识分歧较大㊂笔者基于对一些典型矿床的研究体会,初步探讨这一问题㊂
2机理
无论是小岩体成大矿或大岩体成小矿,还是小岩体成小矿或大岩体成大矿,都属于分散的成矿物质通过地质作用聚集或富集在有限的空间范围内㊂事实上,中酸性小岩体成矿作用遵循矿床形成的普遍规律,也就是源 运 储㊂成矿物质的源㊁运㊁
收稿日期:2012-12-01
基金项目:国家自然科学基金(U1139301),国家973项目(2006C B403500)资助
作者简介:陈衍景(1962-),男,教授,矿床学教学科研㊂E m a i l:y j c h e n@p k u.e d u.c n或g i g y j c h e n@126.c o m
图1东秦岭6个超大型钼矿床及成矿小岩体
(汇编自Y a n g e t a l.,2012;L i e t a l.,2012;杨永飞等,2009,2011)
F i g.1 S i x g i a n tM od e p o s i t s i nE a s t e r nQ i n l i n g a n d t h e i r r e l a t e d s m a l l
g r a n i t i c s t o c k s(M o m p i l e da f t e rY a n g e t a l.,2009,2011,2012,2013;L i e t a l.,2012)921
第4期陈衍景:为什么中酸性小岩体成大矿?
储,不但决定了矿床能否形成,还决定了矿床的规模㊁品位㊂通常,超大型矿床的形成需要3个有利因素的耦合,即丰富的成矿物质来源㊁高效的成矿物质运移方式和适宜而有限的储集空间㊂
2.1成矿物质的来源
岩体的地球化学特征或含矿性受控于3个要素,即物质背景㊁岩浆的产生(部分熔融)和岩浆的冷凝(含结晶分异作用)㊂
当物源区质量和成矿元素含量一定时,由于元素分配系数(D熔体-固相)的控制,低程度部分熔融所产生的岩浆的成矿元素含量高,高程度部分熔融所产生的岩浆的成矿元素含量低㊂同时,部分熔融程度越低,形成的岩浆越少,但岩浆中挥发分含量越高(挥发分倾向于进入熔体相),岩浆黏度越小,上侵能力越强,从而形成浅侵位的斑岩㊁爆破角砾岩等小岩体;相反,部分熔融程度越高,形成的岩浆越多,挥发分含量相对偏低,岩浆黏度较大,易于形成深侵位的大岩基㊂不难理解,上述两个原因势必导致小岩体比大岩体更容易成矿,成大矿㊂在物质背景和部分熔融程度相同或一定的条件下,岩浆结晶分异至冷凝固结的过程对岩体的含矿性也有明显影响㊂由于元素分配系数的控制,岩浆结晶分异越充分,残余岩浆越少,成矿元素越富集,越容易形成大矿,从而造成小岩体成大矿的现象㊂在这种情况下,如果岩浆上侵到地壳内部一定深度而滞留成岩浆房(内侵),经历了岩浆房结晶分异而派生的岩浆势必更加富含挥发分和成矿元素,更容易成矿㊂显然,我们完全可以将后一种情况理解为两阶段结晶分异作用㊂事实上,自然界确实存在着单阶段㊁两阶段甚至多阶段结晶分异的现象,斑岩体之粒度悬殊的斑晶和基质共存现象就是两阶段甚或多阶段结晶分异的证据,斑岩体有利于成矿的现象也诠释着结晶分异越充分,越有利于成矿的科学道理㊂
在岩浆作用相似的情况下,岩浆作用的物质背景(含岩浆源区和岩浆侵入的围岩)制约着岩体的含矿性㊂物源中成矿物质越丰富,越有利于岩浆成矿㊂这种成矿物质来源可分为静态和动态两种㊂传统的热液矿床成矿理论中所考虑的成矿物质来源基本属于静态的,也就是矿区周围的地层㊁岩体或深部的地壳㊁地幔或岩浆房㊂按照这种思路,学者们开展了大量成矿元素丰度研究(陈衍景等,1992),成矿元素丰度较高的或者初步富集的地质体,被称为矿源层甚或矿胚㊂例如,已有资料显示,东秦岭钼矿带前寒武纪地层普遍具有较高的钼含量,据李诺(2012)统计,太华超群变质基底的M o丰度为2.97ˑ10-6(n=70),熊耳群火山岩M o丰度为3.72(n=130),栾川群煤窑沟组㊁南泥湖组㊁三川组和白术沟组的M o丰度分别为5.01ˑ10-6㊁7.51ˑ10-6㊁19.50ˑ10-6和13.1ˑ10-6(胡受奚,1988),它们明显高于1.0ˑ10-6的C l a r k值(N e w s o m,1995)㊂李诺(2012)和D e n g e t a l.(2012)研究表明,这种M o预富集现象缘于前寒武纪多期次的钼矿化作用㊂无疑,华北克拉通南缘的这种高M o地球化学背景为燕山期钼成矿大爆发和大型㊁超大型斑岩型/矽卡岩型钼矿床形成提供了有利条件,是小规模岩浆-流体系统 就地取材 (涂光炽,1988)而形成大矿的物质基础㊂然而,考虑到元素在不同物相之间的分配系数和化学反应速度,物源区或矿源层中的成矿物质在有限时间内被活化浸出并运移聚集至储矿空间的比例是有限的,至少存在着极限㊂事实上,成矿系统的成矿能力是有限的,成矿功能的存活时间也是有限的(翟裕生,2010)㊂问题在于往往所谓的 矿源层 其成矿元素含量并不是特别高,甚至一些著名成矿省的成矿元素背景值反而低于克拉克值㊂例如,澳大利亚Y i l g a r n金矿省的A u丰度低于克拉克值(胡受奚,1997),小秦岭和熊耳山金矿田的主要岩石单元的A u丰度值均低于1ˑ10-9(陈衍景等,1992)㊂应该说,静态物源思路很难解决低背景下巨型矿田或矿床的成因问题㊂而且,就斑岩成矿系统而言,成矿功能存活时间往往比较短暂(一般不超过10M a),这就使小岩体成矿系统在很短时间内形成超大型斑岩矿床称为难解之谜,长期困惑着矿床学家㊂
为解决成矿物质来源的问题,胡受奚(1988)提出了成矿物质侧向源思想,笔者将侧向源理解为动态物源㊂正如传输带原理一样,板片通过A型或B型俯冲作用将成矿物质源源不断地提供给成矿系统,致使能够在低成矿元素背景下形成超乎想象的巨型矿床㊂应该说,动态物源的供应效率高于静态物源,因为这种机制基本不受成矿元素分配系数的制约,不需要源岩中成矿元素高比例地活化迁移㊂动态物源思想被众多地质和成矿事实所验证,
031西北地质N O R THW E S T E R NG E O L O G Y2012年
环太平洋岩浆弧区的斑岩矿床就是由太平洋板块不
断俯冲而持续供应成矿物质的结果,巨量的新生陆
壳也是俯冲板块持续供应中酸性岩浆的结果㊂同样
道理,A型俯冲作用导致碰撞造山带广泛发育陆壳改造型花岗岩类,形成丰富的热液矿床㊂而且,
克拉玛依油田探明石油储量高于准噶尔盆地沉积物
最大生油量的现象只能由侧向源观点解释(陈衍景
等,2001);熊耳山和小秦岭地区金矿床P b㊁S r等同位素地球化学特征也排他性地证明了侧向源思想的科学性(陈衍景等,2003;N i e t a l.,2012)㊂2.2成矿物质的运移
高效的成矿物质运移是大型㊁超大型矿床形成
的保障㊂正如日常生活中所见的物流方式一样,运
输能力取决于载体的载荷能力㊁道路的畅通性㊁运
载速度㊁驱动能量等因素㊂例如,汽车的载荷能力
和速度明显优于自行车,但没有燃料时反而不如自
行车㊂按照同样的原理,笔者分析小岩体比大岩体
容易成矿或储矿的原因㊂
中酸性岩浆S i O2含量高,黏度和挥发分含量大(表1),使其可以喷出,又可深侵,自然广泛发育链接深成相和喷出项之间的通道相,尤其以斑状岩株㊁岩脉和爆破角砾岩筒最为常见㊂较高的挥发分含量可使中酸性岩浆呈中心式喷发,导致围岩震裂㊁破碎,裂隙系统强烈发育,甚至形成爆破角砾岩㊂如此,中酸性小岩体的浅侵位㊁超浅侵位或喷发作用,为流体循环和运载成矿物质㊁能量等,构筑了 高速公路 ㊂
表1不同类型岩浆性质和成岩方式对比
T a b.1 C o n t r a s t i n g n a t u r e a n de m p l a c e m e n t
o f d i f f e r e n t t y p e s o fm a g m a s
岩浆类型基性-超基性中酸性-酸性
温度高低造岩矿物类型岛状㊁链状层状㊁架状黏度小大
挥发分含量低高
侵位深度㊁规模浅成小岩体深成大岩基㊁浅成小岩体
喷出规模㊁方式大规模,裂隙式溢流小规模,中心式爆发来源地幔地壳或壳幔过渡带通道相特征线性排列的筒状或脉状筒状为主,断裂交汇处
中酸性岩浆富含K,N a,F,C l,S,C O2,H2O 等成分,容易分异出溶成富含H+,K+,N a+和C O2-H C O3--C O32-,S2--S O42-,F-,C l-,O H-等离子的流体㊂显然,这种流体具有很强的溶解㊁络合和迁移多种金属成矿元素的能力,特别是钼㊁钨㊁锡㊁铍㊁稀土㊁金㊁银㊁铜㊁铅㊁锌等金属,因此易于形成多种金属的矿床㊂
流体运移的驱动力来自压力变化,运移速度取决于流体的压力梯度,压力梯度越大,运移速度越快㊂流体压力与流体的温度㊁密度㊁盐度等密切相关,在体积不变时,温度越高,流体压力越大(摩尔定律)㊂与大岩体相比,小岩体与围岩之间的温度梯度更大或更陡,无疑加大了流体循环的速度,使流体能够快速地将成矿物质运移㊁卸载至储矿空间(岩体内部㊁接触带或围岩中),从而形成大型㊁超大型矿床㊂
显然,与小岩体(特别是斑岩㊁爆破角砾岩)有关的流体活动具有成矿优越性,造成了广泛的小岩体成矿大矿的现象㊂例如,福建紫金山金铜矿田㊁黑龙江金厂金矿田㊁河南祁雨沟金矿田等都发育了多个规模不足0.01k m2爆破角砾岩筒或角砾岩带㊂
2.3成矿物质的储集
道理非常简单,有限的成矿物质分散在较大的空间范围时,就无法形成矿床,至少不能形成高品位的大型㊁超大型矿床;相反,相同质量的成矿物质被聚集在很小的空间范围时,就成了高品位的大型矿床了㊂如此,与大岩体相比,小岩体成(或储)大矿的现象具有内在必然性㊂
事实上,小岩体成大矿的深层次原因在于如下方面:
(1)差异显著的地球化学障㊂化学反应速度是决定成矿物质能否有效活化㊁运移和沉淀的重要因素,它取决于化学势差异的大小㊂与大岩体相比,小岩体驱动的热液成矿系统不仅具有更陡的压力㊁温度梯度,而且具有更大的化学势差,包括成分差异(如岩体与碳酸盐围岩之间)㊁p H值㊁E h值以及氧逸度等各种参数,这导致小岩体驱动的热液成矿系统的化学反应速度较快,提高了成矿物质活化萃取㊁迁移聚集和沉淀堆积的有效性㊂这种成分等物理化学条件差异较大的界面常被称为地球化学障,是有利的成矿物质堆积空间㊂举例来说,河南南泥湖小岩体导致了宽大数千米的矽卡岩带和角岩化带,蕴含了丰富的钨钼金属资源㊂
(2)密集的裂隙系统㊂浅成中酸性小岩体(斑
131
第4期陈衍景:为什么中酸性小岩体成大矿?
岩㊁爆破角砾岩等)的不等粒结构㊁角砾或集块构造之间的缝隙,由爆破形成的的裂隙和由岩浆冷缩所致的裂隙等,构成了密集的不同尺度的裂隙系统,不但是流体快速运移和水岩反应的有利因素,而且为成矿物质沉淀卸载提供了良好的场所㊂因此,常见金属硫化物优先交代斑岩或角砾岩的基质,充填于角砾或集块之间的裂隙,甚至充填于围岩中的断层㊁层理之中㊂
(3)优越的流体沸腾和混合条件㊂斑岩体或爆破角砾岩筒等浅成小岩体及其裂隙系统是深部流体㊁热量和成矿物质向上运移的最佳通道,也是浅部密度较大的低温流体循环涌入的最佳场所,自然是深源岩浆流体与浅层流体混合的最佳空间㊂流体混合促使成矿物质的快速沉淀㊂深源流体压力较大(静岩压力),当运移至裂隙发育的浅成小岩体时(静水压力),因围岩突然降低而沸腾,同样导致成矿物质快速卸载㊂
可见,浅成中酸性小岩体是有力的储矿空间㊂3结论
中酸性小岩体成大矿是常见的现象,也是客观的成矿规律,原因在于小岩体比大岩体更富集成矿元素,有利于成矿流体和物质运移,是理想的成矿物质储集空间㊂
小岩体成大矿 是宝贵的学术思想,是对成矿理论研究和找矿勘查的重要贡献㊂
致谢:本人在学习和研究过程中得到汤中立院士的关心㊁指导和扶持,适逢先生从事地质科研㊁教学和勘查工作60年之际,谨以此短文向先生汇报学习体会,表达对先生的感谢和祝贺,并祝愿先生健康长寿,青春永驻,再创辉煌成果!
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m a l lG r a n i t i c S t o c k sA s s o c i a t ew i t h G i a n tM i n e r a l S y
s t e m s ?C H E N Y a n -
j i n g (D e p a r t m e n t o f G e o l o g y ,P e k i n g U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 1
00871,C h i n a )A b s t r a c t :T h ev i e w o f s m a l l i n t r u s i o n sh o s t i n g l a r g e m i n e r a ld e p o s i t s s c i e n t i f i c a l l y s
u mm a r i z e dt h e f e a t u r e so f m a g m a t i c-h y d r o t h e r m a l m i n e r a l i z a t i o n s ,w h i c h h a s b e e n e v i d e n c e d t o b e a n e f f e c t i v e e x p l o r a t i o n c r i t e r i o n .H o w e v e r ,w h y t h es m a l l i n t r u s i o n s g e n e r a l l y a s s o c i a t ew i t hl a r g
eo r g i a n tm i n e r a l s y s t e m s r e m a i no p e n t o s t u d y .T h e a u t h o r p r o p o s e s t h a t t h e s m a l l g r a n i t i c s t o c k s ,c o m p a r e d t o h u g e b a t h -
o l i t h s ,a r e f a v o r a b l e f o rm e t a l e n r i c h m e n t d u r i n g m a g m a g e n e r a t i o n a n d e v o l u t i o n ,f o r f l u i dm i g
r a t i o n a n d m e t a l t r a n s p o r t a t i o n ,a n d a c c o mm o d a t i n g m e t a l p r e c i p i t a t i o na n d a c c u m u l a t i o n .K e y w
o r d s :G r a n i t i c s t o c k ;m i n e r a l d e p o s i t ;o r em e t a l ;f l u i dm i g r a t i o n 3
31 第4期 陈衍景:为什么中酸性小岩体成大矿?。