Giantoredepositsformedbyoptimalalignmentsandcombin

1Giantoredepositsformedbyoptimalalignmentsandcombinationsofgeologicalprocesses超大型矿床形成地质过程的最佳路线和组合JeremyP.RichardsDepartmentofEarthandAtmosphericSciences,UniversityofAlberta,Edmonton,Alberta,Canada,T6G2E3.e-mail:[e-mail]超大型矿床含有巨量的金属资源，因此被矿产勘查企业作为优先目标。对于这些超大型矿床是否有独特的成因模式，学术界尚存争论。或者他们可能仅仅代表矿床的极限规模，通过常规地质过程的最佳组合形成异常大量的金属富集。如果超大型矿床是通过独特的过程形成，那么它的出现可能是难以预测的。如果超大型矿床是通过常规地质过程形成，那么了解其形成机制的最优环境，可以对勘查给予指导。通过对几个超大型斑岩铜-钼-金矿床和浅成热液金-银矿床的考察，显示：很多矿床在形成上与常规的最佳成矿过程具有一致性。在一些情况下，大规模的矿床反应特定因素，如不同的构造形态，活性寄主岩或集中的流体运移，这些不属于它们自身的异常，却对于整个成矿过程有促进作用。因此，我认为超大型矿床的有效勘探，应该在有利于形成矿床的基础地质环境下，寻找有可能加大成矿过程的截然不同的地质特征。矿产勘探公司寻求超大型矿床因为它们储有更多的金属，并可能获取最大的开采利润（专栏1）。但经济地质学家们对于超大型矿床的定义和控矿因素存在相当大的争议，例如，大于100吨的金（Au）矿床，大于200万吨的铜矿床分别被称为超大型矿床1；但另有学者把以上储量的三倍的矿床定义为超大型矿床2。然而，最大的分歧是：超大型矿床是否有其独特的成矿模式，或者仅仅代表正常过程通过最高水平和效率运作的最终结果，和/或通过最佳的富集过程形成异常巨大的金属沉积。2每类矿床都有从小型到大型尺度范围的著名实例，其中一些可能被列为超大型系列。然而，每个矿床在细节上都是独一无二的。许多超大型矿床显示了与标准斑岩铜-钼-金(Cu±Mo±Au)矿床以及浅成热液金-银(Au–Ag)矿床模型明显不同的特征（见补充资料）。我认为：以矿床形成与岩浆冷凝过程中释放的高-低温热液流体相关的斑岩矿床和浅成热液矿床作为例子，可以分别地作为一个标准模型来解释大型矿床。而形成超大型矿床则可能需要一个或者多个额外的或者特殊的附加过程。这些过程不一定是不寻常的，并且可能仅仅是显著增强的标准模型的组成部分或者变种。因此，超大型矿床是成矿过程中成矿物质在最佳层位以最高的效率偶然富集，以至于它们的形成不同于其他的正规体系。这些过程很多可以被预测或被勘查到。因此，可在成矿靶区通过详查手段发现巨型矿床。专栏1对于采矿来说，矿床越大越好矿产勘探的目的是要找到一定体积的岩石充分富集一种特定的元素或矿物，并有足够大的规模，可以经济地开采。矿床（品位）越富，矿化岩石的体积（吨位）越大，越可能赚取更多的利润，并且可以较长时间地开采获利。大型矿山也在规划和管理集中化，以及使用大规模设备的过程中受益于规模经济，从而降低成本。同样，矿山的长期开采证实，大规模和长期的基础设施建设需要投入很高成本。此外，当采矿对矿山本地社区造成破坏时，规模经济通常可以通过能源效率和土地破坏的隔离（每单位产品），减少对环境的影响。因此，大多数勘探公司寻找能够提供最大的投资回报，在很长一段时间具有持续回报前景的，以及具有最小的环境和社会影响的较大或超大型矿床。矿床的矿产储量的报道通常以矿石的平均品位（丰度大的元素用质量百分比，像金等稀有元素则用每吨克（g/t））和含矿岩石的吨位（常见的以百万或数十亿吨计：Mt或Gt）计算。矿床总储量通过这些吨数和矿石品位计算。最盈利的矿床通常有高品位及高吨位，但实际上单个矿床有大范围的实际等级。因此，建立在最佳矿石类型组合基础上的‘储量’估计，使最有效和最经济的矿井设计成为可能，并尽可能多的获取矿床储量中的金属。通常也报道“边界品位”，这是矿床开采可盈利的最低等级；这个边界品位和由此产生的储量数据，可能会受全球金属价格波动的影响。当价格下降时，可能使低品位矿石不具经济3效益，而当金属价格上涨时，以前被认为是废矿的矿石也可以盈利开采。生产成本可以具有类似的效果，例如，燃料的价格的上升或下降。斑岩型和低温热液矿床斑岩型Cu±Mo±Au和热液型金-银矿床都是热液中的成矿物质经沉淀形成的。斑岩型矿床是高温流体（300-700℃）形成的，流体来自于侵入上地壳岩浆的冷凝结晶，通常发育在上俯冲带的火山岛弧环境。矿床含有铜、钼和金，主要以硫化物黄铜矿的形态产出。然而，低温热液矿床则形成于较低温度（≤300℃），成矿流体可能与岩浆作用有关，也有的和岩浆作用毫无关系。热液矿床通常含有自然Au和自然Ag，或Au和Ag赋存于硫化物或其他矿石矿物中（参见这些矿床类型的更详细的并支持参考的资料）。这两种矿床类型可以依据金属类别、蚀变作用（反映流体化学性质）、构造背景或共生岩浆的化学性质做进一步的划分。但是这些亚类之间的界限往往模糊不清，并且主要矿床类型之间也存在过渡关系。因此以矿床的一个不同寻常特征作为唯一的，或作为已知矿床谱系特征的一部分，来定义一个特殊矿床，是不客观的。然而，在许多情况下，这类矿床中的超大型矿床往往具有独特的或某些典型特征，显示了它们成因的异常。这些特征我们下面将进行逐一讨论。超大型斑岩Cu±Mo±Au矿几个标准的超大型斑岩矿床产出在美国西部（如Butte,Bagdad,MorenciandSierritadeposits）和墨西哥北部（如CananeaandLaCaridad矿床）的晚中生代/早新生代的Laramide斑岩带，以及智利北部的始新世-渐新世斑岩带（如Collahuasi,ChuquicamataandLaEscondida矿床）（图1）。然而，值得注意的是，那几个最大的标准斑岩，如Chuquicamata和LaEscondida矿床，在原生矿床形成后，次生富集作用的规模与斑岩规模不相符。这些过程在此不再赘述。其他地区的几个超大型斑岩矿床，只有部分符合标准模型。四个实例论述如下（见附表S1的储量估算）。4美国犹他州，宾汉姆峡谷Cu–Au–Mo斑岩型矿床，在经过一个多世纪的开采后，宾汉姆斑岩型矿床仍含有超过4百万吨铜储量（附图S1）。该矿床位于亚利桑那州Laramide主岛弧东北部几百公里处的，与岛弧相关的斑岩带，矿床形成是由于始新世的二长岩侵入晚石炭世的砂岩和灰岩。该矿床的巨大规模可能是多种因素造成的，包括推断的下部大面积源岩基，与成矿相关的弱碱性岩浆，适当的侵位深度（原始深度2-3km），以及岩浆侵位集中在膨胀性的结构通道3。所有这些特征都不是宾汉姆所仅有的。然而，有一些证据显示宾汉姆地区存在异常的富铜铁镁质岩浆，这可能为下部基岩补充了铜元素4,5。最近，有学者提出，宾汉姆岩浆来源于古老的交代的大陆岩石圈，并没有涉及到活动俯冲6。因此，宾汉姆超大型矿床的形成除了传统的斑岩铜矿体系之外还有其他的一些特殊因素。另一方面，宾汉姆矿床或者可以作为后俯冲斑岩铜矿的一个新的子类7-9。图1|超大型矿床。本文讨论的超大型矿床的位置以及重要的弧相关金属成矿带（紫色线），底图据世界地图有修改TM（©布鲁斯·琼斯设计，2010年，经许可）。5智利厄尔尼诺，Teniente矿区斑岩型铜-钼矿床。晚中新世/上新世早期的厄尔尼诺Teniente矿床是世界上最大的斑岩铜矿之一，铜储量超过94百万吨（参考文献10）。对于厄尔尼诺Teniente矿床属于斑岩型铜矿10还是角砾岩型矿床11，目前仍存在争论。但矿化的主体是浸染状的黄铜矿赋存于黑云母化的基性围岩，这意味着成矿作用受控于一个重要的局部化学作用（例如围岩中的铁氧化物的硫化作用12,13）。有人基于流体地球化学研究认为：“深部具Cu,Mo,Li异常的并且可能富S挥发相的正在活动演变上的地壳岩浆-热液体系的加入使矿床储量巨大”14。其他作者认为，大约0.7Ma长期持续的岩浆-热液活动，导致铜的逐渐积累13，15。然而，其他人的研究都集中于构造岩浆对成矿作用的控制，并指出：源岩浆形成于岛弧岩浆作用的末期，俯冲角度变小的一个较长时期。俯冲板片的变浅可能造成含水矿物的分解从而释放大量流体16。广泛的上俯冲带地幔水化可能对富水、氧化岩浆的生成有重要作用17。另外，地壳增厚过程中深部地壳弧堆晶的脱水熔融可能导致岩浆发育18。显然，厄尔尼诺的Teniente矿床在某些方面是不寻常的。它规模巨大的关键因素可能是其独特的基性赋矿围岩的存在，围岩富集了超过80％的矿化12。在这方面，厄尔尼诺的Teniente矿床类似于亚利桑那州的Resolution超大型斑岩矿床，Resolution矿床的高品位矿化（铜1％）也赋存于基性（辉绿）围岩19，20。印度尼西亚，巴布亚新几内亚，格拉斯伯格铜-金-银斑岩型矿床格拉斯伯格斑岩体含有超过24百万吨铜和2000吨金，甚至经过40多年的开采后，仍然拥有世界上最大的可采铜，金储量。格拉斯伯格与一个约3亿年的二长岩侵入体关系密切。它侵位于抬升的白垩纪-古近纪大陆架碳酸盐岩序列，此后弧地体和澳大利亚东北边缘发生碰撞21。格拉斯伯格是一个典型的后俯冲斑岩体系，可能产生于后碰撞构造调整过程中的俯冲改造岩石圈的重新活动22。左旋拉张构造的局部上地壳岩浆侵位对岩浆和热液活动是至关重要的23，浅侵位（1千米）过程中陡峭的温度梯度（〜500℃/km）导致矿物快速沉淀24。本区富碳酸盐性的岩石也为高品位铜-金矽卡岩矿化提供了地球化学障25。6奥尤陶勒盖铜金斑岩型矿床，蒙古。奥尤陶勒盖矿床是世界最大的铜-金矿床之一，有13万吨铜和528吨黄金储备。它位于一个晚古生代岛弧地体，在二叠纪大陆碰撞后嵌入到中亚26,27。奥尤陶勒盖是延伸22公里长的八个独立的斑岩型矿床，与晚泥盆世二长闪长质侵入岩共生28,29。潜伏的HugoDummett矿床发育高级矿化（2.5％的铜，0.5-2g/t的Au;文献28）。因为矿化伴生大量的高级泥质蚀变而背离了标准的斑岩型矿化，其特点是斑铜矿，黄铜矿，铜蓝以及硫砷铜矿和黄铁矿的高硫化矿物组合（参见术语定义的补充资料）。这种关系被解释为反映高硫化类型蚀变矿化对早期斑岩型体系的进一步叠加28,29。部分非常高级的铜-金矿化反映了事件的叠加。然而，斑岩期的矿化也很发达，伴生明显的席状矿脉带30（附图S2），暗示在一个大面积的岩浆源之上靠近构造中心的热液流体运移。超大型斑岩矿床的构造控制这四个超大型斑岩矿床的实例都不符合斑岩型矿床形成的标准模型。这些矿床具有不同的构造岩浆环境（后俯冲或碰撞），异常富Cu岩浆的作用，围岩中明显存在的活性化学障，或高度集中，长时间或重复性的流体流事件（见表1）。如果没有这些独特的属性，它可能只能形成一般规模的矿床，甚至不能形成具有经济价值的矿化。因此，虽然每个矿床可以被简单地认定为属于斑岩型矿床，但是，特定条件或过程会产生异常富集和大吨位的金属矿床。在矿床谱系的另一方面，成矿潜力可能会因为任何一些因素的缺失而被破坏，由下至上包括：岩浆弧的体积或作用时间不足；地幔或深部岩石圈的还原环境，造成早期硫化物分离和金属从岩浆中损失；岩浆水含量不足以产生大的岩浆-热液体系；岩浆侵位深度过大或围岩不透水，热液循环被抑制；大规模的喷发至地表，导致热液体系的泄漏；或缺乏热液流体的集中活动，导致弥漫性的低级矿化。因此，一个岩浆系统如果要产生大的斑岩型矿床，它必须相继满足一些基本步骤和条件。任何一个步骤的遗漏可能会导致成矿潜力的损失。但一个超大矿床的形成可能需要额外条件或成矿过程的增强，以提高矿化的吨位和品位，使其超出标准体系的范围。7超大型低温热液金-银矿床超大型低温热液金-银矿床比超大型斑岩型铜±钼±金矿床较少见（世界范围内〜20比〜100，尽管这是利用标准的分级的结果31）。它们欠缺超大型矿床（100t储量的金）或者达到高品位的中级矿脉