矿床形成深度与深部成矿预测

深度的Red Moun-tain矿床、5 km深度的Santa Rita矿床、7 km深度的Bingham Canyon矿床,直到10km深度的Butte斑岩铜矿床[8]。中国斑岩铜矿的形成深度也呈现较大的变化范围,马拉松多斑岩岩浆侵位深度为0.5 km,玉龙斑岩铜矿岩浆侵位深度为2.5~3km,德兴斑岩铜矿床岩浆侵位深度为3~4km,黑龙江多宝山斑岩矿床岩浆侵位的深度达4~6 km[9]。对于不同矿种的斑岩矿床,其形成深度与前述矽卡岩矿床类似,浅部形成斑岩铜矿床,较深部位形成斑岩钼矿床,更深部位形成斑岩钨锡矿床[10]。热液矿床形成的深度一般小于5km[11]。将深度与温度相联系,分为浅成低温热液矿床(epithermal)、中温中深热液矿床(mesothermal)和深成高温热液矿床(hypothermal)[7]。目前的研究已经有了很大的改变,如浅成矿床不一定是低温热液矿床,而中温矿床的形成深度也不一定是中等深度。浅成热液矿床源自Lindgren[12]对热液矿床的分类,指那些形成在浅部地壳(epizone)位置的矿床。根据对成矿环境,特别是对新西兰北岛Taupo火山岩带现代活动热液产物的研究,浅成热液矿床是指形成温度为160~270℃、形成压力相当于50~1000m深

度的热液矿床。20世纪70年代以来,在环太平洋地区发现了大量世界级的与活动火山或最新火山环境有关的浅成热液矿床。这是重要的金矿床类型。分为高硫化作用(HS)和低硫化作用(LS)浅成热液矿床。前者形成深度达1500m,后者一般不超过1000m,且可以出露地表,如泉华壳和热泉矿床。高硫化作用环境的更深部分会侵犯斑岩系统,表明高硫化作用浅成热液矿床的深部可以过渡到斑岩矿床。如菲律宾吕宋岛Lepanto浅成热液铜-金矿床与Far Southeast斑岩铜-金矿床都赋存在上新世晚期的火山岩中,二者空间上相距很近,浅成热液矿床位于斑岩矿床之上,而低硫化作用金-银矿化位于Lepanto-Far Southeast成矿系统几千米之外。这表明在高硫化作用矿床、低硫化作用矿床与斑岩矿床之间存在密切的空间和成因联系[13]。

高温气化热液矿床———脉状钨、锡、钼矿床的形成温度为600~300℃,压力为20~100 MPa,形成深度为1.5~5km,与中成—深成岩浆岩的关系密切,常产于岩体内外接触带或

其附近。Cerny等[2]阐述了与脉状钨锡矿床有关的花岗岩岩钟的结构和组成分带。与锡、钼和/或钨矿化有关的花岗岩形成在高度分异的长英质侵入体的上部,与它们有关的接触变质晕形成在较浅的深度。侵入体上部形成岩钟、岩脊、高位小岩株、岩枝或岩脉群。岩石一般呈斑状到连续不

等粒(seriate)结构,包括伟晶岩和细晶岩,向内和向下变为等粒结构的花岗岩。中国南岭地区石英大脉型钨矿床形成的深度更大,为4~8km[9]。中温热液脉状金矿床(Mesothermal lode gold de-posits),又称造山型金矿(orogenic gold ores)[14],形成于不同时代的区域变质地体中,空间上与消减相关的热事件有关。金属元素的富集产生于增生(大洋-大陆板块相互作用)和碰撞(陆-陆碰撞)会聚板块边缘的压性到转换变形的过程中。在长期的碰撞过程中,含水的大洋沉积物和火山岩加入到大陆边缘,增生楔或边缘增生带中赋存有不同地质时代的金矿床。剪切带、与剪切带伴生的含金石英脉及围岩形成的深度变化范围很大,从近地表(3~5 km)到中深成(15~20km)的深度都能发生金的沉淀[15]。舍赫特曼等[16]指出,“矿床形成深度”的概念有某些不明确之处,因为对深度不知作何理解:是矿石沉淀的上限?金属矿物分出的最大可能深度?还是矿体形成于其中的一个间隔(包括典型矿体的平均分布深度)?地表是成矿深度的上限,而成矿深度的下限则是该矿床标型金属矿物按温度已不能沉淀的深度,开放裂隙空腔的存在也是决定矿体形成极限深度的重要条件。从成矿预测的角度,金属沉淀的总垂直范围最具实用意义,这一范围直接决定了原则上进行深部勘查工作的垂直间隔,在详细勘探具体矿体或容矿带(中段、块段)向深部的可能延伸时成为首要问题。石英脉型钨钼矿床与含矿岩体的顶部关系最为密切,据此可以查明影响这类矿化规模和富集程度的重要因素。脉状钨矿的含脉垂直范围为矿 床中石英脉出露最高标高和延深最低标高之间的距离,包括石英脉或脉带上部和下部的无矿带在内;而含矿垂直范围指矿化的最高标高与最低标高之间的距离。南岭地区脉状钨矿床的含脉垂直范围为1400~-100m,而含矿垂直范围为1200~-80m[17]或1100~-150m,这一规律被称为脉状钨矿床的“等深规则”(南岭钨矿成矿区划组,1986)。前苏联学者[4]

也指出,矿体垂直幅度在250~350m以下的规模不大的脉状钨钼矿床主要赋存于内接触带中,垂直幅度达1200~1500m的大型矿床则分布于岩体顶部的上方,只有矿床下部才局部伸入花岗岩中达200~250m。这与南岭地区脉状钨矿床“五层楼分带”的模式类似。含脉垂直范围、含矿垂直范围及“等深规则”对石英脉型黑钨矿床的深部预测具有重要意义。龙德克维斯特[18]提出“大地水准面控矿原则”,即与花岗岩类有关的矿床形成时的大地水准面附近最有利于矿床形成并在成矿后保存下来。大地水准面是重力矢量的等势面,是大陆下面的世界大洋面,一般情况下决定了区域的侵蚀基准面、渗滤水的渗透面、渗滤水和深部上升水的混合面,代表了氧化和还原条件的交替带,因此会对成矿作用产生重要的影响。这一认识对于矿床形成深度和保存能力等的研究很重要,但是没有考虑地壳中多孔岩石的渗透张德会等:矿床形成深度与深部成矿预测1511地质通报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA 2007年

率及其变化,岩浆的氧化还原状态,挥发组分的含量及其出溶时间等对成矿深度的影响。在一定程度上,成矿深度是根据控制流体流动的断裂裂隙的发育深度、温度变化与岩石脆韧性的变化等来推断的。大陆地壳多孔介质的渗透率足够大,可使自由对流出现在大多数地热梯度环境中,对流驱动或地形驱动的流动可以产在15km深度上,而在走滑或张性断裂地区和低级区域变质地区,流体可以渗透到至少15km的深处。

综上所述,矿床可以形成于比传统所认识的更大的深度空间中。考虑到科拉半岛和德国超深钻获得的资料,热液成矿作用的下限可以下降到10000~12000m[16]或10000m以下[19]。而不同类型矿床成矿的深度范围与成矿时的具体地质构造特征有关,可以有很大的变化空间。

2热液矿床成矿深度的主要控制因素

金属矿床形成的深度与成矿母岩的形成深度有关。伟晶岩的形成深度决定了伟晶岩矿床的形成深度,镁矽卡岩和钙矽卡岩的形成深度决定了与此相关的矽卡岩矿床的形成深度。与变质作用有关的中温脉状金矿床的形成深度受变质相的控制。浅成矿床(epizonal)

与葡萄石-绿纤石相和低绿片岩相有关,中深矿床(mesozonal)与高绿片岩相和角闪岩相有关,而深成矿床(hypozonal)则与麻粒岩相有关。矿床的形成深度从浅部的葡萄石-绿纤石的低级变质作用到中深部高级变质的角闪岩相,再到深部超地壳岩石的麻粒岩相[14],构成了中温脉状金矿床的地壳连续成矿模型[20]。与岩浆作用有关的矿床形成深度的主要控制因素是岩浆侵位的深度,而侵位深度与挥发组分的含量、流体释放的时间、成矿元素的分配系数等有关。来自不同岩浆源区的物质熔融形成的花岗岩浆初始水的含量不同。主要由白云母组成的岩石深熔形成的S型花岗岩浆含水7wt%~8wt%。因初始含水量大,上侵过程中较早地交切饱和水的岩浆固相线,侵位到白云母分解线与饱和水花岗岩固相线相交的中地壳(400~500MPa,约16km)深度,岩浆结晶变为固相不再上侵。由于向围岩散失热量,结晶作用可能在此深度之下进行。含角闪石源区的岩石在更高温压(更深地壳)的条件下脱水熔融形成含2wt%~3wt%水的熔体,更干的I型花岗岩浆主要源自岩石圈深处,临近消减带且获得地幔物质的贡献,岩浆温度更高(≥1000℃),初始水含量较低(<3wt%~4wt%),在压力较低的浅部交切饱和水的岩浆固相线。因此I型花岗岩浆可以侵位到地壳更浅

的部位,甚至喷发形成火山[21]。构造-岩浆活动的研

究结果显示,S型花岗岩常沿逆掩断层贯入,断裂带相对比较闭合,岩浆不易于在断裂带内流动,因而其起源深度小(15~20km),但就位深度大(5~15km);I型花岗岩浆经常沿张性断裂贯入,岩浆易于在断裂带内流动,因而其起源深度大(莫霍面之下),但就位深度浅(1~3km)[22]。与I型花岗岩类有关的矿床是斑岩型或矽卡岩型铜-钼-金矿床,与S型花岗岩类有关的矿床是斑岩型或矽卡岩型和高中温热液型钨-锡多金属矿床。以斑岩铜-(钼)、斑岩钼-(铜)和斑岩钨矿床的形成为例,讨论岩浆挥发分的初始含量、出溶早晚、氧化状态及其与成矿深度的关系。斑岩铜-(钼)矿床的形成可以归结为初始水含量较低的岩浆在大量结晶作用发生之前上升到地壳上部。高位岩浆房内的一部分熔体可能从中溢出并喷出到地表,结晶形成火山岩和次火山(斑)岩系列。由于先于喷出产生的低度