斑岩型铜矿成矿流体特征及研究进展

王旭辉，邓煜霖，娄渝明，韩鹏



斑岩型铜矿成矿流体特征及研究进展

王旭辉，邓煜霖，娄渝明，韩鹏

（成都理工大学地球科学学院，成都 610059）

斑岩型铜矿是世界上铜资源最主要来源。目前广泛的认为典型斑岩型铜矿是由高氧逸度、高盐度的成矿流体形成的，称为氧化性斑岩型铜矿，成矿流体属于NaCl-H2O-CO2体系。但随着人们不断深入研究发现，斑岩型铜矿的成矿流体也可以是具有还原性质的，如含CH4、H2和CO，属于H2O-NaCl-CH4-CO2体系。该文分别分析了两种矿床成矿流体的性质，说明了氧化性成矿流体的来源、演化以及早期阶段磁铁矿的沉淀引起还原S的形成机制。对于还原性成矿流体，重点探讨了成矿流体中CH4的来源，以及CH4的存在对矿化机制的影响。

斑岩铜矿；流体来源；流体演化；成矿机制

斑岩型铜矿是世界上铜资源最主要来源，在空间上，主要分布在环太平洋成矿域东岸和西岸，包括智利、美国、加拿大、菲律宾和印度尼西亚等国。随着我国矿产普查工作的进行，在古特提斯成矿域发现了大量的斑岩型铜矿，如玉龙成矿带、冈底斯成矿带和班公错成矿带。在成因上，斑岩型铜矿作为“与侵入岩有关金属矿床”大家族的一员，其成矿流体与中酸性岩浆活动有密切的联系[1]。成矿流体携带了大量的成矿信息，如成矿流体的温度、盐度、pH值、Eh值、压力和成矿物质等，所以成矿流体是研究矿床成因的重要媒介。本文主要对斑岩型铜矿成矿流体的基本特征进行总结，希望对斑岩型铜矿的矿床成因和成矿流体研究有一定的参考价值。

1 斑岩型铜矿类型的划分

随着研究和勘探工作的进行，人们发现的数以千计的斑岩型铜矿，它们产于不同的大地构造背景，具有不同的矿物组合、围岩蚀变和成矿流体特征。为了使斑岩型铜矿方向的知识系统化，更加清楚地认识斑岩铜矿的自然属性，多年来，很多学者对斑岩型铜矿进行过研究，提出了不同的分类方案，以下是具有代表性的3种分类方案：

1）芮宗瑶等根据斑岩体侵入深度和矿化深度，把我国斑岩型铜矿划分为3类，再根据矿化特点细分为8个亚类：火山斑岩矿床（海相和陆相），浅成斑岩矿床（全岩筒式、角砾岩筒式、复合式和接触交代式）和中成斑岩矿床（网脉带式和大脉-网脉式）[2]。

2）邹国富等根据斑岩型铜矿与大洋板块的俯冲关系，将斑岩型铜矿划分为与俯冲作用有关的弧环境斑岩型铜矿（包括岛弧型和陆缘弧）和与俯冲作用无关的大陆环境斑岩型铜矿（包括大陆裂谷型和碰撞造山型）[3]。

3）徐文刚等根据成矿流体和成矿岩体的性质，将与高氧化性-磁铁矿系列I型花岗岩有关的斑岩型铜矿称为氧化性斑岩型铜矿，而将与还原性-钛铁矿系列I型花岗岩有关的斑岩型铜矿称为还原性斑岩型铜矿[4]。

2 氧化性斑岩型铜矿成矿流体特征

2.1 成矿流体性质

许多矿床学家对斑岩型铜矿研究表明典型的斑岩型铜矿应属于氧化性斑岩型铜矿，成矿流体为高氧逸度、高盐度的流体，氧逸度位于Ni-NiO（镍-氧化镍）缓冲线和H-M（赤铁矿-磁铁矿）缓冲线之间（图1）[5]。成矿流体所含的挥发组分主要为H2O、CO2、Cl-、F-和S[6-10]，属于NaCl-H2O-CO2体系，在成因上表现为与高氧化性-磁铁矿系列I型花岗岩有着密切联系。在矿物组合上表现为发育大量的高氧化特征的矿物，如硬石膏、赤铁矿和磁铁矿。

图1 氧化性斑岩型铜矿SO2-H2O及常见矿物缓冲线氧逸度-温度图解(据文献[11])

2.2 初始成矿流体来源

上文已经提到斑岩型铜矿是与侵入岩体有关的矿床，其初始成矿流体来源主要来源于岩浆的演化，那么成矿物质均匀分布的岩浆是如何演变成为富含成矿物质的流体呢？研究表明存在两种成因，一种是岩浆侵入到地壳浅部，随着温度压力的降低，岩浆发生不混溶作用，从而产生不混溶成矿流体；另一种是岩浆并没有发生不混溶作用，而是随着岩浆侵入到地壳的浅部，温度压力降低，岩浆熔体中的水达到饱和析出形成流体相，Cu、Au等不相容元素向流体相中富集，从而形成富含成矿物质的流体，并且水越早达到饱和，越有利于成矿物质的富集和迁移[12]。岩浆能否较早达到水过饱和主要取决于下面两个因素：（1）岩浆中岩浆水的含量是否丰富；（2）岩浆侵入的环境，因为岩浆中水分的溶解度与压力呈正比，如果岩体侵位较浅，压力小，有利于岩浆中的水分析出。

然而关于斑岩型铜矿中最原始的成矿流体来源，在已有的文献中报道较少，Campos记录了智利北部Zaldivar矿床的最原始的成矿流体是多含固相、均一温度为1 000℃、平均盐度为70wt%NaCl的成矿流体[13]；Harris等研究阿根廷Bajo de la Alumbrera富金斑岩型铜矿发现熔融包裹体和高温、高盐度流体包裹体共存[14]。而这种熔融包裹体和流体包裹体的共存解释为岩浆不混溶形成的[15]。

2.3 成矿流体演化与成矿

成矿流体从原始的岩浆房析出后，随后在岩体的顶部、边缘与围岩相互作用，从早到晚依次产生钙-钠硅酸盐蚀变、钾硅酸盐蚀变、青磐岩化蚀变、中级泥质蚀变、绢云母化蚀变和高级泥质蚀变。在各个蚀变阶段均伴随着大量的脉体产生。对各个阶段脉体中的流体包裹体研究显示成矿流体演化可分为3各阶段：早期成矿阶段、主成矿阶段和晚期成矿阶段。早期成矿阶段对应的脉体形态不规则，含金属硫化物较少，形成于岩体未完全固结之前（图2a）。大量学者对该阶段的的流体包裹体研究表明，早期成矿阶段成矿流体的形成温度高达600~800℃，压力高达120MPa，盐度较高，在45wt%NaCl~51wt%NaCl之间变化[16,17]。主成矿阶段形成的脉体形态规则平直，形成岩体完全固结成岩之后的裂隙事件大量发生期间，含金属硫化物较多，该阶段形成的脉体明显切断早期成矿阶段形成的脉体，如雄村铜矿II矿体脉体特征（图2b、2c）。对该阶段的流体包裹体研究表明，成矿流体的温度相对于早期成矿阶段的的温度有所下降，大约在300~500℃之间，成矿流体的盐度变化较大，大约在5wt%~40wt%之间变化[16,17]。同时该阶段流体包裹体显示出高盐度流体包裹体和不同气相充填度的气液包裹体共存，且两类流体包裹体具有相似的均一温度，该现象可解释为成矿流体发生过沸腾作用，沸腾作用引起气相物质的不混溶，使得流体中的有利于金属溶解的气相物质减少，从而影响金属在流体中的溶解度，因此主成矿阶段金属硫化物沉淀主要是由于沸腾作用引起的。安徽沙溪斑岩铜矿床、安徽铜陵冬瓜山斑岩型铜矿床、藏东玉龙斑岩铜矿床和德兴铜厂斑岩铜矿均显示出成矿流体发生过沸腾作用[18-22]。晚期成矿阶段对应的脉体形态规则平直、矿物颗粒粗大，含金属硫化物较少或不含（图2d）。对该阶段脉体的流体包裹体研究表明，该阶段的成矿流体温度较低，约150~200℃，盐度在10wt%~20wt%之间变化[16,17]。对成矿流体的H、O同位素研究表明，在早期成矿阶段和主成矿阶段成矿流体主要以岩浆热液为主，在晚期成矿阶段可能有不同比例大气水加入成矿流体中参与成矿作用[16]。

图2 雄村铜矿II号矿体脉体特征

a、早期成矿阶段的石英硫化脉（EQS），形态不规则；b、主成矿阶段的黄铜矿-黄铁矿脉（CPV）切断早期成矿阶段的石英硫化脉（EQS）；c、主成矿阶段的磁铁矿-硫化物脉（MSV）穿插早期成矿阶段的石英硫化脉（EQS）；d、晚期成矿阶段的石英硫化物脉（QSE）

综上所述，斑岩型铜矿初始成矿流体显示出具有高温和高盐度性质，随着流体的演化和金属硫化物的沉淀，盐度和温度逐渐降低，其中在主成矿阶段流体的沸腾作用是金属硫化物沉淀的重要机制。

2.4 S元素演化

S元素的存在状态在一定程度上可以反应出成矿流体的氧化还原性，上文已经提到氧化性斑岩型铜矿初始成矿流体具有高氧逸度的性质，S元素主要以SO2和SO42-的形式存在，那么在主成矿期所需要的大量S2-是从何而来？Liang等经过多年研究发现，在酸性条件下，成矿流体中存在大量的Fe2+，磁铁矿的大量结晶将导致还原性的S产生（8FeO+H2SO4=4Fe3O4+H2S）[23]，在钾硅酸盐阶段，正是由于这种原因，导致大量的磁铁矿生成，因此在斑岩型铜矿矿石组合中可见浸染状的钾长石和磁铁矿共生，如德兴铜矿、雄村铜矿II号矿体等。磁铁矿沉淀后的主成矿期还原性S主要以H2S的形式存在，在高温高压的条件下，H2S为挥发性气体主要存在气相中有利于成矿物质迁移和富集。对斑岩型铜矿流体包裹体进行高温实验技术研究证实了这一点[24-28]；随着成矿流体演化温度压力降低，流体发生沸腾作用，挥发性气体的逸出和散失，成矿物质发生沉淀而成矿。主成矿期后，由于大气水和氧气的加入，未逸出的S元素发生氧化生成大量的SO42-，因此在成矿的最晚期发育大量的石膏。综上，S元素演化经历了3个阶段，即从早期成矿阶段的氧化硫（SO2和SO42-）到主成矿阶段的还原硫（S2-和H2S）再到晚期成矿阶段的氧化硫（SO42-）。

图3 还原性斑岩型铜矿CO2-CH4及常见矿物缓冲线氧逸度-温度图解(据文献[11])

3 还原性斑岩型铜矿成矿流体特征

3.1 成矿流体性质

还原性斑岩型铜矿是2000年由Rowins提出的[5]，自提出这个概念以来，这种矿物组合中富含磁黄铁矿、成矿流体富含CH4的斑岩型铜矿被不断被发现并引起研究者注意，其成因上与还原性-钛铁矿系列I型花岗岩有关；成矿流体属于H2O-NaCl-CH4-CO2体系，表现为发育大量的还原性气体，如CH4、H2和CO，氧逸度一般在在F-M-Q（铁橄榄石-磁铁矿-石英）缓冲线以下（图3）[5]；矿物组合方面发育大量的原生磁黄铁矿，缺少高氧化特征的矿物，如硬石膏、赤铁矿和磁铁矿等。例如在西准噶尔的包古图斑岩型Cu矿、西天山喇嘛苏Cu矿、西藏冈底斯雄村斑岩型Cu-Au矿区I号矿体、云南中甸的普朗Cu矿和加拿大的Catface斑岩型Cu-Mo-Au矿等斑岩型Cu矿的成矿流体中发现富含CH4[29-33]。

3.2 成矿流体中CH4的来源

关于还原性成矿流体中CH4的来源，目前有两种主要观点，一种外源成因，另一种是内源成因。

1）外源成因：Rowins和Ague研究认为，原始岩浆在上升、就位、演化的过程中，经过含碳质的围岩，发生混染作用，从围岩中萃取以碳质为主的还原性物质[5,34-35]。徐文刚等并不赞同这个观点[36]，因为如果存在上述成因，那么地壳中大量存在含碳质的沉积岩，还原性成矿流体应该大量存在。然而事实并不是这样，相对于氧化性成矿流体而言，还原性成矿流体只占成矿流体的很小一部分。所以富CH4还原性成矿流体的的外源成因有待进一步研究。

2）内源成因：关于还原性成矿流体中CH4的来源的内源成因解释有四种：①I型花岗岩受到S型花岗岩的混染，因为S型花岗岩具有较高的CH4/CO2比值，显示还原的性质。Chappell和White在对澳大利亚东部古生代造山褶皱带中的花岗岩进行研究时，发现两套共生的的花岗岩：I型花岗岩和S型花岗岩[37]。因此认为I型花岗岩受S型花岗岩的混染显示出还原性质是可以存在的。②岩浆演化过程中发生了费托合成反应，费托合成反应是指CO2和H2在一定的温压条件下生成烃类物质：CO2+4H2CH4+2H2O[38-41]，2014年曹明坚等在对新疆包古图还原性斑岩型铜矿进行研究生发现成矿流体早期含有CH4和一定量的CO2，然而在晚期成矿流体中发现了更多的CH4和几乎不含CO2，这种现象可以通过费托合成反应得到解释[42]。③斑岩型铜矿绝大多数产于板块边界俯冲背景中[43]，在俯冲带向下俯冲洋壳与下地壳的脱水过程中，海洋沉积物中的C和H2O反应同样可以生成CH4和CO2[44,45]，岩浆中含CO2流体与暗色矿物蚀变（如橄榄石蛇纹石化）过程中产生的H2反应继续形成CH4。④徐文刚等认为地球内部圈层富含CH4，还原性成矿流体中CH4的来源可能是地幔通过脱气作用，使CH4进入地幔楔被I型花岗岩浆捕获，使成矿流体富含CH4[4,46]。

3.3 还原性成矿流体对矿化机制的影响

大量研究表明，还原性斑岩型铜矿的矿化规模一般都比典型的氧化性斑岩型铜矿矿化规模小，也就是说还原性成矿流体并不有利于成矿物质的富集[46]。

还原性成矿流体中富含CH4，改变了成矿流体的氧化还原状态，从而影响成矿物质的在各相中的分配、迁移和富集。在岩浆演化的早期阶段，当成矿流体处于还原状态下，由于成矿流体中富含CH4，在还原条件下易发生3CH4+4SO24H2S+3CO2+2H2O，该反应生成了大量的S2-，从而使流体中S2-过饱和，在岩浆流体演化的早期与从熔融体分离出来的成矿金属结合生成金属硫化物，从而使成矿元素贫化，不利于成矿物质的富集。同时在还原环境中，CH4大量存在，抑制了SO2的歧化反应（4SO2+4H2O3H2SO4+H2S），据此可以解释在还原性斑岩型铜矿床不发育石膏的现象。

4 结论与展望

综上所述，对斑岩型铜矿的长期讲究可以达成以下几点共识：①氧化性斑岩型铜矿成矿流体主要为高氧逸度、高盐度流体，成矿流体属于NaCl-H2O-CO2体系，在空间和成因上与高氧化性-磁铁矿系列I型花岗岩有密切联系。还原性斑岩型成矿流体富含CH4，成矿流体属于H2O-NaCl-CH4-CO2体系，其成因上与还原性的、钛铁矿系列I型花岗岩有关。②在主成矿阶段，成矿流体发生沸腾作用是引起金属硫化物沉淀的重要机制。③氧化性斑岩型铜矿主成矿期所需要的还原S主要来源于早期阶段磁铁矿的结晶。④还原性斑岩型铜矿受还原物质CH4的影响，其矿化规模和矿石品位一般都比典型的氧化性斑岩型铜矿低。⑤在还原的条件下，大量的CH4存在抑制了SO2的歧化反应，所以还原性斑岩型铜矿晚期不发育石膏。

对斑岩型铜矿研究取得了一些成果的同时，还有一些问题值得进一步研究：①初始成矿流体的来源机制；②还原性斑岩铜矿成矿流体中CH4的成因；③还原性成矿流体对矿化机制的具体影响机制。以上3点问题需要今后深入研究。

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Advances in Research for Ore Fluids of Porphyry Cu Deposits

WANG Xu-hui DENG Yu-lin LOU Yu-ming HAN Peng

(College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

Porphyry type of Cu deposits is major source of Cu resources in the world at present. Generally, a typical porphyry Cu deposit is considered as original from ore fluids with high oxygen fugacity and high salinity, therefore, under the name of oxidized porphyry Cu deposit. But, recent study indicates the ore fluids may be reduced, containing CH4, H2and CO and belonging to H2O-NaCl-CH4-CO2system. This reduced fluid, origin and influence of CH4are discussed.

porphyry Cu deposit; fluid origin; fluid evolution; genetic mechanism

P618.41

A

1006-0995（2017）02-0228-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.02.012

2016-09-22

四川省大学生创新创业训练计划项目（编号：201510616090）

王旭辉（1993-），男，四川达州人，硕士研究生，主要从事矿床学、流体地球化学研究