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本博士论文主要内容是对两个不同构造背景下斑岩型铜-金矿床相关的侵入岩及其成矿作用。该研究由两个部分组成:首先是对印尼巴布亚Grasberg铜-金矿床主成矿期的埃达克质岩的成岩与成矿研究;然后对长江中下游地区新发现的茶亭铜-金矿床两类的含矿埃达克质岩与不含矿闪长玢岩进行对比研究。通过对其含矿相关的埃达克质岩进行系统的地球化学分析研究,从岩石属性及成因机制、源区组成的研究,对不同构造背景下斑岩铜-金矿床的成岩与铜金成矿及动力学背景进行一个有效的制约。并通过两者成矿相关的埃达克质岩进行地球化学特征对比,探讨岩浆源区组成和成矿物理化学条件。具体如下:
(1)印尼巴布亚Grasberg成矿埃达克质岩与铜金成矿
新生代的斑岩在印尼巴布亚Grasberg地区孕育了一个世界级的斑岩铜-金矿床。本次主要针对Grasberg铜-金矿床主成矿期的埃达克质岩开展了相关的成岩、成矿地球化学研究。主成矿期的侵入岩是二长斑岩,对其三个样品锆石LAICP-MSU-Pb年龄分析显示,主成矿期侵入岩形成于3.06～2.86Ma,属于上新世。这些岩石表现出埃达克质岩的地球化学特征,如高Sr,低Y,Yb含量,与高Sr/Y(48.8～65.5)和(La/Yb)N。它们还表现出高的Al2O3、K2O含量,以及高的K2O/Na2O(0.94～1.33)比值,属于钾质埃达克质岩。它们还富集轻稀土和大离子亲石(LIELs)元素,贫化高场强(HFSEs)和重稀土元素,无Eu负异常(Eu/Eu*=0.97-1.28,av.1.04),Nb-Ta-Ti明显负异常,Pb正异常。同位素上,它们还表现出富集的(87Sr/86Sr)i=0.7052～0.7060,负的εNd(t)=-11.8～-14.6和高的放射成因Pb,(206Pb/204Pb)i=17.88～18.19,(207Pb/204Pb)i=15.54～15.58,(208Pb/204Pb)i=38.49～38.59。结合其锆石中发现古老的继承锆石核以及负的εHf(t)=-6.7～-20和老的二阶段模式年龄1.6～2.3Ga,指示了Grasberg埃达克质岩源区有大量古老下地壳的加入。同时,其适中的MgO含量和Mg#(38-52,av.42)和同位素证据,指示了地幔物质的参与。Th/Yb-Ba/Th和Nb/Y-Ba/La图解也证明了地幔端元为受流体交代的富集岩石圈地幔。锆石Ce4+/Ce3+和Eu/Eu*结合硫同位素特征表明Grasberg含矿埃达克质岩具有高氧逸度,高水含量以及深源的硫。因此,我们认为Grasberg埃达克岩是古老下地壳部分熔融与受流体交代的富集岩石圈地幔熔体混合后,经历单斜辉石和角闪石分离结晶,之后同化混染部分下地壳形成的,其铜-金矿化是古老下地壳与受流体交代的富集岩石圈地幔共同作用的产物。
通过同位素和微量元素特征,结合该区新生代的构造演化,我们判定Grasberg埃达克岩处于一个后碰撞背景。在约25Ma时,澳大利亚北缘洋壳开始向北俯冲到太平洋板块下,在俯冲的早期阶段是洋壳向下俯冲,俯冲作用导致玄武岩和沉积物脱水,中间释放的大量的水和含Cl等卤素流体交代上覆岩石圈地幔,形成受流体交代的富集地幔。随着澳大利亚板块继续俯冲,碰撞造山活动开始。约6Ma,澳大利亚大陆岩石圈向东北俯冲中开始发生碰撞拆沉,重的大陆岩石圈向下拆沉后,由于热软流圈上涌和岩石圈地幔的伸展减压作用,约6～3Ma发生了古老下陆壳的部分熔融。同时,受流体交代的大陆岩石圈富集地幔由于软流圈上涌提供的热量而发生部分熔融。部分熔融的富集的岩石圈地幔熔体与部分熔融的古老下地壳混合形成埃达克质岩浆,在之后的上升过程中发生单斜辉石和角闪石的分离结晶。在4～2Ma,俯冲带的碰撞过程以巴布亚造山带发生大规模的走滑断裂结束。而这一走滑事件为岩浆的上升以及后来岩浆侵入到浅部形成铜金矿床创造了通道。
(2)长江中下游成矿带茶亭成矿埃达克岩与不成矿闪长玢岩
长江中下游成矿带新发现一个与白垩世侵入岩有关的超大型茶亭斑岩型铜-金矿床。在茶亭地区有两类侵入岩被识别出来,与铜金矿化相关的石英闪长斑岩(埃达克质岩)和不含矿的闪长玢岩。锆石LA-ICP-MSU-Pb定年显示茶亭侵入岩在145-136Ma侵入。两者都属于高钾钙碱性系列,具有富集大离子亲石元素和轻稀土元素,亏损高场强元素和重稀土元素,显示出轻微的Eu的负异常。赋矿石英闪长斑岩具有埃达克质岩的特征,具有高的Sr和Sr/Y比值,低的MgO(1.31-2.09 wt.％),中等的(La/Yb)N和Mg#(34.6-54.6)和低的K2O/Na2O(＜1)比值,脱耦的Sr/Y和(La/Yb)N,以及低的Th/U(3.49-6.08)比值。赋矿石英闪长玢岩具有略微富集Sr-Nd-Hf同位素((87Sr/86Sr)i=0.70655～0.70717;εNd(t)=-6.9～-8.8;εHf(t)=-7.6～-10.6)和高的放射成因Pb同位素((206Pb/204Pb)i=18.22～18.70,(207Pb/204Pb)i=15.63～15.66和(208Pb/204Pb)i=38.49～38.97),表明赋矿石英闪长斑岩来源于俯冲洋壳的部分熔融混合了富集地幔并在上升过程中混染了少量下地壳物质。而贫矿的闪长玢岩,因其具有低的SiO2含量和高的MgO(3.89～4.06wt.％),Cr、Ni(平均值47.6ppm和15.01ppm)和高的Mg#(51.2～69.8),结合与赋矿侵入岩相似的Sr-Nd-Pb-Hf同位素特征,显示其形成于富集岩石圈地幔的部分熔融并同化了陆壳物质。锆石Ce4+/Ce3+和Eu/Eu*表明茶亭赋矿石英闪长斑岩比贫矿的闪长玢岩具有更高的氧逸度,可能与部分熔融的俯冲洋壳密切相关,因此有利于铜金矿化的形成。
结合该区中生代的构造演化,茶亭地区在古太平洋板块俯冲背景下处于一个活动大陆边缘环境。在约148Ma之前,古太平洋板块俯冲到扬子地块的大陆岩石圈之下,俯冲洋壳的脱水或流体使岩石圈地幔交代,形成富集地幔。在大约145Ma时,俯冲的大洋板片和沉积物的部分熔融发生在茶亭地区,产生了原生埃达克质熔体。埃达克质熔体不可能直接上升到浅部地壳,而是与来自交代的幔源岩浆的熔体混合。混合后的高氧逸度岩浆在岩浆上升过程中经历了部分地壳同化作用,并就位于地壳浅层,在茶亭地区形成了含矿石英闪长斑岩体及其相关铜金矿床。几个百万年后,同化了部分下陆壳物质的部分熔融的富集地幔熔体侵位到浅部地壳中,形成不含矿的闪长玢岩侵入体。
通过对印尼巴布亚Grasberg和长江中下游茶亭两个斑岩铜-金矿床的研究,我们认为不同的构造背景下的斑岩型铜-金矿床的成岩、成矿机制与其源区组成及其构造动力学背景密不可分。
(1)印尼巴布亚Grasberg成矿埃达克质岩与铜金成矿
新生代的斑岩在印尼巴布亚Grasberg地区孕育了一个世界级的斑岩铜-金矿床。本次主要针对Grasberg铜-金矿床主成矿期的埃达克质岩开展了相关的成岩、成矿地球化学研究。主成矿期的侵入岩是二长斑岩,对其三个样品锆石LAICP-MSU-Pb年龄分析显示,主成矿期侵入岩形成于3.06～2.86Ma,属于上新世。这些岩石表现出埃达克质岩的地球化学特征,如高Sr,低Y,Yb含量,与高Sr/Y(48.8～65.5)和(La/Yb)N。它们还表现出高的Al2O3、K2O含量,以及高的K2O/Na2O(0.94～1.33)比值,属于钾质埃达克质岩。它们还富集轻稀土和大离子亲石(LIELs)元素,贫化高场强(HFSEs)和重稀土元素,无Eu负异常(Eu/Eu*=0.97-1.28,av.1.04),Nb-Ta-Ti明显负异常,Pb正异常。同位素上,它们还表现出富集的(87Sr/86Sr)i=0.7052～0.7060,负的εNd(t)=-11.8～-14.6和高的放射成因Pb,(206Pb/204Pb)i=17.88～18.19,(207Pb/204Pb)i=15.54～15.58,(208Pb/204Pb)i=38.49～38.59。结合其锆石中发现古老的继承锆石核以及负的εHf(t)=-6.7～-20和老的二阶段模式年龄1.6～2.3Ga,指示了Grasberg埃达克质岩源区有大量古老下地壳的加入。同时,其适中的MgO含量和Mg#(38-52,av.42)和同位素证据,指示了地幔物质的参与。Th/Yb-Ba/Th和Nb/Y-Ba/La图解也证明了地幔端元为受流体交代的富集岩石圈地幔。锆石Ce4+/Ce3+和Eu/Eu*结合硫同位素特征表明Grasberg含矿埃达克质岩具有高氧逸度,高水含量以及深源的硫。因此,我们认为Grasberg埃达克岩是古老下地壳部分熔融与受流体交代的富集岩石圈地幔熔体混合后,经历单斜辉石和角闪石分离结晶,之后同化混染部分下地壳形成的,其铜-金矿化是古老下地壳与受流体交代的富集岩石圈地幔共同作用的产物。
通过同位素和微量元素特征,结合该区新生代的构造演化,我们判定Grasberg埃达克岩处于一个后碰撞背景。在约25Ma时,澳大利亚北缘洋壳开始向北俯冲到太平洋板块下,在俯冲的早期阶段是洋壳向下俯冲,俯冲作用导致玄武岩和沉积物脱水,中间释放的大量的水和含Cl等卤素流体交代上覆岩石圈地幔,形成受流体交代的富集地幔。随着澳大利亚板块继续俯冲,碰撞造山活动开始。约6Ma,澳大利亚大陆岩石圈向东北俯冲中开始发生碰撞拆沉,重的大陆岩石圈向下拆沉后,由于热软流圈上涌和岩石圈地幔的伸展减压作用,约6～3Ma发生了古老下陆壳的部分熔融。同时,受流体交代的大陆岩石圈富集地幔由于软流圈上涌提供的热量而发生部分熔融。部分熔融的富集的岩石圈地幔熔体与部分熔融的古老下地壳混合形成埃达克质岩浆,在之后的上升过程中发生单斜辉石和角闪石的分离结晶。在4～2Ma,俯冲带的碰撞过程以巴布亚造山带发生大规模的走滑断裂结束。而这一走滑事件为岩浆的上升以及后来岩浆侵入到浅部形成铜金矿床创造了通道。
(2)长江中下游成矿带茶亭成矿埃达克岩与不成矿闪长玢岩
长江中下游成矿带新发现一个与白垩世侵入岩有关的超大型茶亭斑岩型铜-金矿床。在茶亭地区有两类侵入岩被识别出来,与铜金矿化相关的石英闪长斑岩(埃达克质岩)和不含矿的闪长玢岩。锆石LA-ICP-MSU-Pb定年显示茶亭侵入岩在145-136Ma侵入。两者都属于高钾钙碱性系列,具有富集大离子亲石元素和轻稀土元素,亏损高场强元素和重稀土元素,显示出轻微的Eu的负异常。赋矿石英闪长斑岩具有埃达克质岩的特征,具有高的Sr和Sr/Y比值,低的MgO(1.31-2.09 wt.％),中等的(La/Yb)N和Mg#(34.6-54.6)和低的K2O/Na2O(＜1)比值,脱耦的Sr/Y和(La/Yb)N,以及低的Th/U(3.49-6.08)比值。赋矿石英闪长玢岩具有略微富集Sr-Nd-Hf同位素((87Sr/86Sr)i=0.70655～0.70717;εNd(t)=-6.9～-8.8;εHf(t)=-7.6～-10.6)和高的放射成因Pb同位素((206Pb/204Pb)i=18.22～18.70,(207Pb/204Pb)i=15.63～15.66和(208Pb/204Pb)i=38.49～38.97),表明赋矿石英闪长斑岩来源于俯冲洋壳的部分熔融混合了富集地幔并在上升过程中混染了少量下地壳物质。而贫矿的闪长玢岩,因其具有低的SiO2含量和高的MgO(3.89～4.06wt.％),Cr、Ni(平均值47.6ppm和15.01ppm)和高的Mg#(51.2～69.8),结合与赋矿侵入岩相似的Sr-Nd-Pb-Hf同位素特征,显示其形成于富集岩石圈地幔的部分熔融并同化了陆壳物质。锆石Ce4+/Ce3+和Eu/Eu*表明茶亭赋矿石英闪长斑岩比贫矿的闪长玢岩具有更高的氧逸度,可能与部分熔融的俯冲洋壳密切相关,因此有利于铜金矿化的形成。
结合该区中生代的构造演化,茶亭地区在古太平洋板块俯冲背景下处于一个活动大陆边缘环境。在约148Ma之前,古太平洋板块俯冲到扬子地块的大陆岩石圈之下,俯冲洋壳的脱水或流体使岩石圈地幔交代,形成富集地幔。在大约145Ma时,俯冲的大洋板片和沉积物的部分熔融发生在茶亭地区,产生了原生埃达克质熔体。埃达克质熔体不可能直接上升到浅部地壳,而是与来自交代的幔源岩浆的熔体混合。混合后的高氧逸度岩浆在岩浆上升过程中经历了部分地壳同化作用,并就位于地壳浅层,在茶亭地区形成了含矿石英闪长斑岩体及其相关铜金矿床。几个百万年后,同化了部分下陆壳物质的部分熔融的富集地幔熔体侵位到浅部地壳中,形成不含矿的闪长玢岩侵入体。
通过对印尼巴布亚Grasberg和长江中下游茶亭两个斑岩铜-金矿床的研究,我们认为不同的构造背景下的斑岩型铜-金矿床的成岩、成矿机制与其源区组成及其构造动力学背景密不可分。