还原性斑岩铜矿(Reduced Porphyry Copper deposit,简称RPCD)以富含CH4的成矿流体和钛铁矿系列、I型花岗岩作为成矿岩石,发育大量的磁黄铁矿,而不含硬石膏和赤铁矿等高氧化矿物为特征。由于RPCD典型实例甚少,导致RPCD成岩、成矿理论认识明显不足,如钛铁矿系列、I型花岗岩是否形成于磁铁矿系列、I型花岗岩经同化混染地层?成矿流体中的CH4是否来自地层中的碳?RPCD形成过程怎样?产于西准噶尔的包古图斑岩铜矿发育磁黄铁矿、成矿流体发育大量的CH4,暗示包古图铜矿可能是一个RPCD。本文选取包古图铜矿为解剖对象,在详实的野外地质特征观察基础上、通过系统的岩相学、矿相学、矿物化学、精细的同位素年代学-低温年代学、岩石地球化学、流体包裹体显微测温、激光拉曼和气液相成分、同位素地球化学和稳定同位素地球化学研究,明确了包古图铜矿是一个典型的RPCD,对其成岩、成矿过程、流体中CH4成因、构造抬升历史进行了研究,并对其与巴尔喀什斑岩矿带进行了对比。
矿物学方面,矿区发育大量的岩浆阶段的磁黄铁矿,以及大量的热液磁黄铁矿和毒砂,缺少高氧化特征的矿物(硬石膏和赤铁矿),表明成岩、成矿氧逸度条件很低;成矿岩石产出的钛铁矿明显多于磁铁矿,甚至在角闪闪长玢岩中没有Ti-Fe氧化物的产出,结合全岩Fe2O3/FeO比值,成矿岩石为钛铁矿系列、I-型花岗岩。流体组成方面,流体包裹体显微测温、激光拉曼和气液相成分显示,成矿流体气相几乎全为CH4,流体为H2O-NaCl-CH4±CO2还原体系。进一步根据产出的矿物组合、磷灰石SO3含量、全岩Fe2O3/FeO比值和成矿流体组成等方法估算了成岩、成矿岩石和流体的氧逸度,为NNO~NNO-2,明显低于OPCD的氧逸度条件(NNO~HM,且大多数>NNO+2)。因此,证实包古图是一个典型的RPCD,而明显不同于OPCD。
基于野外穿插关系和年代学测试,系统厘定了包古图RPCD岩浆演化序列,从早到晚依次为闪长质岩石(~320Ma,局部表现为细粒闪长岩)、闪长玢岩-花岗闪长斑岩(309~312Ma)和角闪闪长玢岩(~306Ma),均为晚石炭世岩浆活动的产物。矿区出露的岩石地化特征显示亚铝质、钙碱性、钛铁矿系列、I-型花岗岩特征;强烈亏损Nb,Ta,P和Ti,显著富集Sr;中等程度富集LREE(LaN/YbN=4.1~9.3),平坦的HREE分布,无明显的Eu异常(Eu/Eu*=0.8~1.2)。各岩性同位素显示均一的Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成,具有与MORB和同期玄武质火山岩相似的Sr-Nd-Pb同位素组成,以及与亏损地幔相似的Hf同位素组成。浸染状硫化物δ34S值(-2.3~1.1‰),显示岩浆S同位素组成。SiO2与同位素和微量元素变化图解以及分异结晶模拟结果显示,矿区钛铁矿系列、I-型花岗岩可能形成于同期的玄武岩经低压分异结晶作用形成,残留相矿物组成为橄榄石+单斜辉石+角闪石+钛磁铁矿,而非传统认为的来自于沉积组分的混染,且这一过程可能形成于板片窗构造背景,而其还原性的特征极有可能继承了楔形地幔还原性特征,由来自深部软流圈的CO2+CH4等挥发分与原始的较氧化的楔形地幔相互反应形成。
斜长石精细研究可以指示斜长石结晶时的形成过程,对岩石成因具有重要的指示意义。闪长岩和花岗闪长斑岩中斜长石均显示明显的反应结构-溶蚀边,且斜长石化学成分显示出An和FeO明显的正相关关系,同时剖面组成较大An变化范围,重复性的An、FeO和Sr同位素逆向环带,表明岩浆房中发生重复性的基性岩浆的注入。利用简单扩散模型估算了来自花岗闪长斑岩的B CK2-1-2斜长石颗粒的最大存留时间,模拟结果显示该颗粒记录的最大存留时间可能为300y。因此包古图岩石斜长石剖面研究表明深部岩浆房可能受到周期性基性岩浆的补给,大量基性岩浆注入的同时也可能带来了大量的Cu、Au等成矿元素,从而形成包古图RPCD。
详细的激光拉曼测试显示,早期岩浆阶段流体C以CO2的形式存在,晚期岩浆阶段和热液流体中的C从早期的CO2几乎完全转变成了CH4,因此,包古图流体中的CH4由岩浆阶段的CO2转变而来。斑晶H-O同位素组成表明,在黑云母斑晶结晶之前就发生了大规模的岩浆去气作用,与脉型石英平衡的流体具有宽的δD(-58.4~-107.0‰)和δ18O(+1.2~+9.3‰),极有可能由封闭体系下经W/R比值为0.5~6,或开放体系下W/R比值为0.4~2的水-岩反应形成。含CH4流体包裹体的热液绿帘石非常均一且与全岩相同的Sr同位素组成((87Sr/86Sr)i=0.70369-0.70404),表明富含CH4的成矿流体来自地幔。流体包裹体δ13CCH4(-28.6~-22.6‰)、δDCH4(-108.0~-59.5‰)和δ13CCO2(-13.5~-7.2‰),显示明显不同于生物成因和热解成因的CH4同位素组成,而是由费托反应(CO2+4H2→CH4+2H2O)在晚期岩浆阶段和热液阶段形成,同时岩浆去气作用形成了流体宽的δ13CCO2值(-13.4~-7.4‰)。
包古图矿床发育多种成因的榍石,其形成过程记录了岩浆流体演化信息。我们区分出了两种阶段榍石,分别是岩浆榍石和热液榍石。闪长岩粒间榍石和花岗闪长斑岩包裹于原生黑云母内的榍石可能为岩浆榍石:首先,产状显示形成于岩浆阶段;其次,该榍石化学组成显示低的Al含量,高的Fe含量和低的Al/Fe比值,高的REE含量和Y,Sn,Zr和Nb含量,以及明显的负Eu异常和平坦的HREE配分模式,均为典型岩浆组成;第三,榍石Zr温度计显示这两种榍石形成温度较高,为687-739℃。其它产状的榍石均为热液榍石:首先,产状表明其形成于热液阶段;其次,该榍石化学组成显示高的Al含量,低的Fe含量和高的Al/Fe比值,绝大部分均落在变质榍石范围;第三,榍石Zr温度计和绿泥石Al温度计显示,热液榍石形成温度较低且温度范围很宽,可从高温(628-668℃)→中温(250-310℃)→低温(<200℃)。热液榍石的形成均伴随着原生黑云母或角闪石的水化作用,没有形成磁铁矿而是形成了大量的H2,表明榍石形成于高的fH2O和低的O2( 利用多种年代学方法,包括锆石U-Pb、辉钼矿Re-Os、黑云母Ar-Ar、黑云母K-Ar、钾长石Ar-Ar、锆石/磷灰石(U-Th)/He,获得了包古图矿床冷却、抬升历史。结果显示包古图岩体不同阶段的冷却速率分别为,2.8℃/Ma(297 Ma→270Ma),0.8℃/Ma(270Ma→221Ma),1.0℃/Ma(221 Ma→104 Ma)和0.56℃/Ma(104Ma→0 Ma)。因此体系温度保持在>200℃条件下至少经历了50Ma时间,而温度保持100~200℃将近150Ma,如此慢速的冷却过程,可能造成原始的幔源He-Ar同位素组成通过扩散作用丢失掉了,而与地壳岩石达到了He-Ar同位素平衡,从而记录了地壳的He-Ar同位素组成。
磷灰石主微量元素组成可以反映成岩过程及成矿类型,我们对巴尔喀什斑岩成矿带主要矿床含矿岩体的磷灰石研究显示,磷灰石中的Sr,Mn,Y,可能F,可以反映岩浆的分异程度;磷灰石REE分配模式,(La/Yb)N,(Eu/Eu*)N,Th/U等地球化学指标可以指示出磷灰石结晶时的环境,同时不同矿床类型显示出不同的Sr,Mn,Y和F含量,以及(La/Yb)N,(Eu/Eu*)N比值,可以用于指示矿床类型。
年代学研究表明,Aktogai和Kounrad斑岩矿床形成于~327Ma,Borly斑岩矿床形成于~315 Ma,Sayak矽卡岩Cu矿形成于~310Ma,East Kounrad W-Mo矿形成于~298Ma,Zhanet W-Mo矿可能有两期成矿作用(分别为~310 Ma和284.6Ma),AkshatauW-Mo矿形成于~292Ma。同时结果显示,随着纬度的增加,从Kounrad斑岩矿床→Borly斑岩Cu矿→Zhanet W-Mo矿→Akshatau W-Mo矿,成岩、成矿年龄逐渐变年轻,可能暗示中哈萨克斯坦在中晚石炭世俯冲作用结束,进入了碰撞阶段。结合已有的低温热年代学结果显示,各矿床具有与包古图矿床相似的极为缓慢的冷却速率,指示西准噶尔南部地区与巴尔喀什地区各矿床经历相似的构造演化,暗示两者在晚石炭世可能相连接,但俯冲、碰撞和成矿作用的时间略有差别。