斑巖銅礦體系

1 巖漿與流體的形成

斑巖銅礦體系一般分布在地表以下4 km以內的深度范圍內(Singer et al.，2008)，中心部位的巖株向下與位于5～15 km處的母巖漿房相連接(Cloos，2001;Richards，2005)。母巖漿房是整個體系演化過程中巖漿和高溫高壓富金屬流體的來源。

據野外觀察和理論計算表明，容積50 km3的母巖漿房才能夠釋放出形成一個斑巖Cu礦床所需的流體，但是如果要形成巨型體系、尤其是在礦床群或者礦帶存在的地區，這個數值則要增加一個數量級。開放體系巖漿對流作用中母巖漿房的分異和冷卻作用、停滯巖漿的結晶作用均可以釋放出富金屬的含水相。對流作用是一種輸送大量含水相的有效機制，含水相以富氣泡巖漿的形式穿過母巖漿房到達斑巖巖株或巖墻群的底部。在大多數體系中，幾乎所有的火山活動都在斑巖銅礦體系形成之前都已經停止。

淺部的斑巖巖株本身并不產生巖漿流體，但是它們可以作為母巖漿房向上傳送流體的“閥門”，這種機制可能是通過其頂部的圓屋頂狀構造來實現的。這種機制可以解釋某些活動時間較長的斑巖Cu礦體系中流體與巖漿的定點階段性上升活動，也可以解釋另一些體系中侵入活動和熱液活動有規律的位移、上升到斑巖Cu礦和淺成低溫熱液型Au礦床群/帶中的現象。

若要使含水相中金屬濃度達到最大，母巖漿需要有較多的水分(＞4wt%)，且為氧化態。巖漿中高的含水量使得其中含水相達到飽和狀態，因此成礦金屬可以有效地分異到后者中;而高的氧化態抑制了巖漿硫化物(如磁黃鐵礦)的沉淀(這個過程可以導致金屬在分異到含水相中之前被隔離)。而在氧化態巖漿流體上升的過程中，任何硫化物熔體的加入都會增加整體的金屬量。硬石膏的出現表明，巖漿含S量是非常高的。鎂鐵質熔漿加入到母巖漿房中，可以增大S和金屬的總含量(Keith et al.，1997;Hattori and Keith，2001;Maughan et al.，2002;Halter et al.，2005;Zajacz and Halter，2009)。

2 早期斑巖銅礦體系的演化

在Butte及其它地區，深部鉀化蝕變帶的斑巖Cu礦化作用始于單相的、相對低鹽的(相當于2～10wt%NaCl)含水相流體(Rusk et al.，2004，2008);該相可能含有數千至數萬 10－6的堿金屬以及幾個10－6的Au。然而，對大部分產出較淺的礦床(＜4 km)來說，礦化始于一種兩相的流體，分別為少量的超鹽度流體(鹵水)和大量的低鹽度蒸汽，這種流體有兩種可能的形成機制:直接從熔體中出溶或(更典型的)在單相流體減壓冷卻時同溶體分離形成。不混溶的超鹽度流體和蒸汽共存的現象在眾多的流體包裹體研究中得到證實(Roedder，1984)，研究表明，流體相富Na、K和Fe綠泥石，鹽度達到35～70wt%NaCl;氣相中含有揮發性酸，如 SO2、H2S、CO2、HCl及少量 HF。流體包裹體顯微分析和實驗研究表明，在相分離的過程中，不同的元素組合選擇性地進入到流體相與蒸汽相中。在很多情況下，蒸汽可以容納可觀的 Cu、Au、Ag 和 S，以及 As、Sb、Te 和 B，而 Fe、Zn、Pb、Mn(可能還有Mo)則偏向于進入到超鹽度流體中。

過去幾十年來，Cu(可能也包括Au)在超鹽度流體相中一直被認為是以氯化物的形式進行運輸的，但是最近的實驗研究以及S的流體包裹體分析表明，蒸汽相中的揮發性S配體(H2S±SO2)也可以作為Cu和Au的主要運輸介質。而Mo則可能在超鹽度流體相中以氯氧化物的形式被搬運。

當前主流的觀點認為，斑巖銅礦體系中鈉—鈣化蝕變是圍巖來源的鹵水加入之后的產物，這與硅酸鹽緩沖環境下流體流動加熱途徑的理論預期相符。Yerington地區的鈉—鈣化蝕變的輕穩定同位素研究表明外部沉積巖圍巖來源的鹵水也參與其中，盡管鈉長石—陽起石化蝕變受到磁鐵礦的破壞。在其它情況下，還有超鹽度巖漿流體來源的證據，由于過高的溫度和氧逸度以及由此引起的還原S的缺失，缺少硫化物礦化。

隨著斑巖銅礦體系自700℃冷卻至550℃范圍，單相的流體或共存的兩相體系驅動鉀化蝕變的形成，同時在早期的侵入體內部及周圍可能會有金屬的沉淀。然而，在很多礦床中，Cu是在550℃～350℃的溫度范圍內、在水巖反應的促進下以低硫化態Cu—Fe硫化物組合的形式沉淀的，這期間伴隨著少量的Au的沉淀。除此之外，流體/蒸汽向上運移伴隨的減壓作用及蒸汽相的膨脹導致了以蒸汽為運輸介質的金屬溶解度大大降低，在高溫常壓的噴氣孔中這些金屬較低的含量證明了這一理論。溶解度的降低導致了Cu—Fe硫化物和Au的大規模沉淀，這也可能是富Au斑巖銅礦床形成深度較淺的原因。與之不同的是，Mo的絡合物沉淀時間不僅在時間上晚于Cu±Au，而且在空間上與后者相分離。

鉀化蝕變以及相關的金屬沉淀作用發生在接近于靜巖壓力的條件下。深成的斑巖銅礦床中的單相流體(即礦化劑)可以形成較少見的EDM脈體，而兩相流體形成更常見的A型和B型石英脈。以上脈體的局部地段出現早期石英脈中熔體與含水相流體包裹體共存的現象證實了因密度的顯著差異相互分離的巖漿與礦體流體也可以共存。網脈狀礦脈控制了流體的上升，而石英脈在反向溶解度區域內(T＜550～400℃，P＜900 b)會部分溶解，增強了A型石英脈的滲透性;礦化期的斷層與斷裂也具有相同的作用。鉀化帶的石英脈核在溫度過高的條件下，Cu—Fe硫化物和Au不能有效沉淀，因此不含礦，這可能是形成鈴鐺狀或帽子狀的礦化帶的原因。在斑巖銅礦形成過程中，由于裂隙周期性的張開與閉合以及圍壓的逐漸降低，流體壓力可能會在靜巖壓力與靜水壓力之間波動。壓力的變化可能會導致流體相的變化以及金屬的沉淀與再溶解。在脆—韌性轉換帶，膨脹的蒸汽相造成頂部巖石的破裂，超壓流體突然釋放，會引起巖漿—熱液角礫巖化。

鉀化蝕變持續時間較長，影響到早期斑巖、礦化期斑巖以及附近的圍巖。在此期間，受熱的外來水(大部分為天水，也可能含少量原生成分)通過中溫水化作用形成外圍的青磐巖化蝕變。如果巖石滲透性較高，則可以形成外部水的對流循環——這是斑巖銅礦體系的一個有效的冷卻機制。

大量的蒸汽從共存的超鹽度流體中分離出來，上升到斑巖侵入體上方1～2 km后的巖石中。SO2與HCl進入到地下水中時，SO2逐漸發生歧化作用，形成pH極低的流體。這種流體與高級泥化巖帽形成過程中高度的堿解作用相關。活動流體沿著斷層與高滲透性的通道不斷的上升，可以形成多孔的殘留石英核，在核的側面形成分帶的高級泥化蝕變暈，這種蝕變暈反映了流體向外滲透、中和以及冷卻的過程。然而，由于巖帽中的低壓環境，蒸汽相對金屬的運輸能力較低，形成的酸性流體不太可能產生較多的礦化，因此這可能是很多巖帽比較貧礦的原因。

3 斑巖銅礦體系的晚期演化

隨著下面的母巖漿房逐漸凝固以及巖漿對流活動的逐漸停止，上部斑巖銅礦體系的熱流量和含水相流體的供應顯著減少，靜巖壓力轉變為靜水壓力。在低溫條件下，水流體相從正結晶的巖漿中出溶的速度變緩，運送速度也變得更慢，冷卻速度變快，因此有可能無法達到固溶體分離界點。如果這情形是正確的，則會形成一種單相的、中—低鹽度(相當于5～20wt%NaCl)、溫度介于350～250℃之間流體;或者在流體臨界曲線之上的高壓下經鹵水分離后，通過蒸汽(具有相同成分的)冷凝與收縮形成一種單相流體。這種流體直接從母巖漿房上升到上覆的斑銅礦體系中低鹽度流體的上升受網脈狀石英脈、礦化期斷裂以及侵入體接觸帶的高滲透層控制，流體與綠泥石—絹云母化蝕變、絹云母化蝕變、高級泥化蝕變以及巖帽中的Cu和Au礦化有關。

巖漿水與天水的混入(以后者為主)被認為是形成絹云母化蝕變和中—低鹽度流體的必要條件，即超鹽度流體要稀釋5～10倍。但是最近的H—O同位素數據表明，巖漿流體也完全可以產生綠泥石—絹云母化以及絹云母化礦物組合。然而，絹云母化晚期天水的作用也無法排除。

碳酸鹽巖和非碳酸鹽巖中的堿—貴金屬礦床，不管有沒有后期斑巖巖株或巖墻中的流體通過巖性、結構以及孔隙加入，其巖漿流體都主要通過斑巖銅礦蝕變—礦化過程演化而來;矽卡巖環境中，早期的兩相流體——蒸汽相之后，隨著溫度下降，形成單相流體;單相流體與逆向矽卡巖Cu±Au±Zn、碳酸鹽巖交代型 Cu或者 Zn—Pb—Ag—(Au)以及噴流沉積型 Au—(As—Sb)礦床有關。

鉀化蝕變形成的石英脈中，超鹽度流體包裹體中Zn、Pb、Ag和Mn的含量較高，但是這些金屬仍以氯化物絡合物的形式存在于溶液中，因為它們不能有效地富集在斑巖銅礦體的硫化物中。Zn、Pb、Ag和Mn沉淀的原因可能有兩個:超鹽度流體與外部圍巖接觸后發生冷卻和超鹽度流體與天水混合。最有利于外圍Zn、Pb和Ag富集的圍巖條件是碳酸鹽巖;在碳酸鹽巖中，流體的中和作用導致了金屬在矽卡巖和碳酸鹽巖交代型礦床中的沉淀。

早期較為貧礦的巖帽中，中—低鹽度的富H2S含水相流體可以形成高硫化態Au±Ag±Cu礦化，這種流體也在下部形成絹云母化帶。中硫化態的流體進入到巖帽環境中后處于無緩沖狀態，隨著溫度的降低，很容易轉變為高硫化態。Cordilleran塊狀硫化物礦床中，流體沿著構造破碎帶流動，礦脈分布于絹云母化與高級泥化過渡帶。而很多Au礦床主要位于巖帽的淺部，因為流體上升過程中強烈的沸騰作用或者與冷的地下水的混合都可以導致Au溶解度的急劇下降。在滲透性較高的蒸汽角礫巖中Au的沉淀作用更為有效。

巖帽中與高硫化態礦床有關的中—低鹽度流體在有利的構造與水文條件下，可以進入到附近蝕變程度較弱的巖石中，在向外部流動以及水—巖反應的過程中發生中和以及還原作用，變為適于形成中硫化態淺成低溫熱液型礦床的流體。上述的例子中高—中硫化態過渡帶的礦化證實了這種機制。此外，深源的中硫化態流體可能會繞過巖帽，但仍會在淺部形成中硫化態礦化。

在巖帽及其附近的古潛水面，沸騰的高—中硫化態流體的液體部分沿著水文梯度流動，而富H2S的蒸汽則繼續上升到上部的滲流帶。在滲流帶，蒸汽與地下水混合，發生氧化，形成低溫的酸性流體，這種流體與以蒸汽加熱環境為特征的地毯狀高級泥化帶有關。

隨著斑巖銅礦體系逐漸降溫，淺部形成的蝕變—礦化類型套疊在深部形成的蝕變—礦化之上，導致了金屬的再溶解與再沉淀作用。事實上，斑巖侵入體的頂部可以經歷四次不同的蝕變—礦化事件，自鉀化蝕變至高級泥化均有發生。這種套疊現象，可以導致高級泥化蝕變深入到斑巖巖株內部。

成礦后斑巖相形成時，來自母巖漿房的流體活動幾乎停滯，K以及其他金屬供應量很少，不足以形成鉀化蝕變及其礦化。此時外來的流體是唯一仍在活動的流體，這些流體形成與青磐巖化。外來水加入到成礦后期巖漿中，火山口角礫巖。最末期的地下水侵蝕作用形成硬石膏脈。