新疆伊寧縣瓊布拉克銅礦床成礦流體特征及成因探討

新疆伊寧縣瓊布拉克銅礦床成礦流體特征及成因探討

瓊布拉克銅礦床位于新疆伊寧縣。位于北門前約11公里處，銅金屬儲量達到中型規(guī)模。前人有稱其為“穹布拉克”或“窮布拉克”,后因村易名為“瓊布拉克銅礦”而改為現名。上世紀50年代民間就開始對該礦床開采,但直到上世紀80年代末才在該礦區(qū)圈出具有開采價值的工業(yè)礦體。王士明(1989)首先對瓊布拉克銅礦床進行了研究,認為該礦床為中型銅銀礦床,它是一個與火山機構有關的火山熱液型礦床,并認為該礦床的成礦作用可以分為高-中溫熱液和低溫熱液2期,以低溫熱液期為主;隨后,王士明(1994)又對瓊布拉克銅礦床的控礦構造進行了分析,指出上、下二疊統(tǒng)砂礫巖與玄武巖接觸面及構造復合部位是最佳賦礦空間。李小軍(1990)認為瓊布拉克銅礦床受火山作用的控制,并對礦區(qū)內的火山巖的噴發(fā)旋回和噴發(fā)韻律進行了分析,明確指出下二疊統(tǒng)小旋回火山活動較為強烈,尤其是第三韻律與成礦作用關系最為密切。魏在強(1993)根據賦礦圍巖特征將瓊布拉克銅礦床的礦體分成砂礫巖型和火山熔巖型2類,認為前者為火山熱泉型銅礦化,而后者為火山熱液型銅礦化,同時他指出,雖然2類礦體的礦化機制不同,但兩者具有明顯的親緣關系。雷宇涓(1993)強調瓊布拉克銅礦化與火山作用密切相關,并根據硫同位素分析結果推斷成礦流體來自深部。莫江平等(1997)將瓊布拉克銅礦床的成礦作用分成火山-次火山熱液成因和沉積-改造成因2類,并對2類礦體中的黃鐵礦和黃銅礦的硫同位素組成進行了研究,發(fā)現火山-次火山熱液礦體的硫同位素組成變化范圍較窄,接近隕石硫,它主要來自深部的巖漿源,而沉積-改造型礦體的硫同位素組成變化較大,顯示出沉積硫的特征,主要來自地層。鉛同位素示蹤研究顯示,無論是火山-次火山熱液型,還是沉積-改造型礦床的鉛同位素都位于上地幔鉛和下地殼鉛之間,表明成礦的金屬物質均由火山作用從深部帶來(莫江平等,1997)。此外,莫江平等(1997)還對火山-次火山熱液礦體的形成溫度進行了初步探討,認為該類礦體形成于低溫條件(92～192℃)。最近,楊明德等(2009)對瓊布拉克銅礦床的控礦條件和找礦標志進行了探討,認為強烈的綠泥石化-碳酸鹽化組合,并疊加硅化是最佳的找礦標志。綜上所述,盡管人們對礦床的成因還存在爭議,但均認為二疊紀的火山活動對瓊布拉克銅礦床的形成具有重要的控制作用。雖然人們對瓊布拉克銅礦床進行了一些研究,但關于礦床形成的物理化學條件方面的研究還很零散,僅有少量的方解石流體包裹體測溫工作和論述(王士明,1989;魏在強,1993;莫江平等,1997),而關于成礦機制的討論更顯薄弱。流體包裹體是礦物形成過程中所捕獲的原始流體,它攜帶了成礦過程的各種地質地球化學信息,是揭示礦床形成物理化學條件、探討礦床成因的最直接地質樣品(盧煥章等,2004;Roedder,2002)。本文對瓊布拉克銅礦床的流體包裹體進行了系統(tǒng)的巖相學、顯微測溫學研究,同時對主要脈石礦物方解石進行了碳、氧穩(wěn)定同位素研究,以期探討該礦床形成的物理化學條件和礦床形成機制。1礦物地質特征瓊布拉克銅礦床位于新疆西天山伊犁板塊阿吾拉勒成礦帶西段(王永新,1997;隗合明等,1999),夾持在喀什河斷裂和鞏乃斯河斷裂之間。區(qū)內斷裂構造和火山巖十分發(fā)育,總體構造線近于EW向。瓊布拉克銅礦區(qū)出露地層主要為二疊系,包括下二疊統(tǒng)塔爾得套組(P1t5)和上二疊統(tǒng)塔姆其薩依組(P2t),兩者是該區(qū)的主要含礦層位,二者呈平行不整合接觸。塔爾得套組第五巖性段(P1t5)為一套韻律明顯的陸相火山巖建造,主要為火山沉積相凝灰角礫集塊巖、溢流相安山玄武巖、氣爆溢流-弱爆發(fā)相角礫熔巖、火山角礫巖及安山玄武巖、溢流相安山玄武巖、爆發(fā)相火山角礫巖。塔姆其薩依組(P2t)為一套陸源碎屑巖夾火山巖建造。下部為火山沉積建造,以紫紅色、灰紫色砂巖、砂礫巖為特征,表現為氧化沉積環(huán)境;上部為陸相火山巖建造,以灰色、灰綠色、灰紫色中-細粒碎屑巖夾灰-灰黑色碳質灰?guī)r、泥灰?guī)r為特點,反映出相對還原的沉積環(huán)境(劉荻,2005;楊明德等,2009)。礦體主要賦存在P1t5中基性火山巖和P2t砂礫巖地層中(圖1)。礦區(qū)內褶皺構造不發(fā)育,但斷裂構造十分發(fā)育,總體呈弧形,中部向南凸出,東西兩側向北收斂的弧形張扭性大斷裂。核部主要為P1t5火山巖地層,外側及西翼是P2t地層。主礦體多位于弧形構造中部向南凸出部位,沿斷裂帶巖石破碎并見有較多的斷層角礫巖分布,斷裂破碎帶寬數十米至百余米;沿斷裂帶碳酸鹽化、褐鐵礦化和綠泥石化等蝕變較強;說明該斷裂是區(qū)內重要的控礦斷裂構造。在礦區(qū)還發(fā)育一系列近于垂直地層分布的NNE向和NNW向的次級斷裂,其內亦可見含銅方解石脈。瓊布拉克銅礦床的主要礦體分別產于二疊紀中基性火山巖和砂礫巖中,前者為火山-次火山熱液型,而后者則為沉積-改造型(魏在強,1993;雷宇涓,1993;莫江平等,1997;楊明德等,2009)。沉積-改造型是礦區(qū)內重要的銅礦化類型,以Ⅰ-1、Ⅰ-2號礦體為代表。賦礦地層為上二疊統(tǒng)塔姆其薩依組砂礫巖的下部層位,銅礦化穩(wěn)定,產于下部紫紅色砂巖與上部灰綠色砂巖過渡的粗礫巖層中,銅礦化主要發(fā)育于礫巖填隙物中。礦體呈似層狀、透鏡狀順層產出,產狀與地層基本一致,金屬礦物主要有輝銅礦、斑銅礦、黃銅礦、黃鐵礦,少量方鉛礦,伴生礦物為角銀礦和自然銀。礦化垂向分帶比較明顯,地表以孔雀石為主,其次為輝銅礦、斑銅礦,局部有方鉛礦;中淺部(200m以上)為輝銅礦、斑銅礦、黃銅礦和少量黃鐵礦組合;200m以下以黃鐵礦為主,少量黃銅礦。礦體長400～600m,厚2～9.7m,平均為6.02m,傾向延伸270m,銅品位一般為0.6%～1%,地表和淺部銅礦化一般較好,向深部品位較低,礦化主要發(fā)育在膠結物中,礫石中礦化很弱,蝕變和金屬礦物沿礫石間交代填隙發(fā)育。礦石礦物呈細脈狀、網脈狀分布于礫石的膠結物中。圍巖蝕變主要為碳酸鹽化、綠泥石化、硅化,其中硅化和碳酸鹽化與礦化的關系最為密切?；鹕?次火山熱液成礦型礦化是礦區(qū)內最重要的銅礦化類型,以Ⅱ-2、Ⅱ-5、Ⅱ-6、Ⅱ-7號礦體為代表。礦體產于下二疊統(tǒng)塔爾得套組第五巖性段上部杏仁狀玄武安山巖與安山質角礫熔巖接觸面及其兩側,呈似層狀、順層透鏡狀成帶狀展布,表現明顯的層控特征。礦石以浸染狀和細脈狀為主,局部為塊狀,熔巖中有時見銅礦化發(fā)育于杏仁體中。金屬礦物組合較簡單,地表以孔雀石為主,少量輝銅礦,淺部以輝銅礦、斑銅礦為主,深部則為黃銅礦、黃鐵礦,輝銅礦和斑銅礦為主的礦體下部可見自然銅礦化。圍巖蝕變以綠泥石化、碳酸鹽化為主,少量綠簾石化、硅化。礦化富集程度與蝕變強度成正相關關系。含銅礦芯中黃銅礦、輝銅礦呈他形粒狀沿裂隙和氣孔充填,光片中發(fā)現銅磁鐵礦的殘留體,并在其表面見到輝銅礦和黃銅礦,表明熱液交代作用貫穿成礦過程的始終(魏在強,1993)。在Ⅱ-6號礦體ZK7808孔深部約400m處輝綠巖中見到含星點狀或稀疏浸染狀自然銅礦化,含礦巖石為輝綠巖,礦化層厚度約20多米,但礦化較好的僅有幾米,揀塊分析w(Cu)為0.32%,銅礦物僅為自然銅,沒有發(fā)現其他硫化物,圍巖蝕變主要為綠泥石化、碳酸鹽化和硅化。該類型銅礦目前看來品位不高,規(guī)模不大,但在東部的木斯銅礦床也是以自然銅礦化為主,成礦地質條件相似。在瓊布拉克銅礦床中,方解石與黃銅礦、輝銅礦等共生,說明方解石與銅礦化關系十分密切(圖2A～D)。本文以火山-次火山熱液型銅礦化為研究對象,探討瓊布拉克銅礦床主要成礦作用成礦流體的特征及礦床形成機制。2方解石碳氧同位素測試本文研究所用樣品為采自瓊布拉克銅礦床Ⅱ-2、Ⅱ-5、Ⅱ-6、Ⅱ-7號礦體中的脈狀方解石,流體包裹體的巖相學和顯微測溫研究在中國科學院廣州地球化學研究所成礦動力學重點實驗室用LinkamMDS600型冷熱臺完成。儀器測定溫度范圍為-196～550℃,測量精度在-100～25℃范圍內為±0.1℃,25～400℃范圍內為±1℃,400℃以上為±2℃。測試升溫速率一般為0.2～5℃/min。方解石的碳、氧穩(wěn)定同位素分析在中國科學院廣州地球化學研究所同位素年代學和地球化學重點實驗室完成,分析儀器為GVIsoPrimeⅡ型穩(wěn)定同位素質譜儀,測試精度:δ13C好于0.05‰,δ18O好于0.08‰。對于鹽度不飽和的流體包裹體,根據包裹體冷凍回溫后冰完全融化的溫度(冰點),利用冰點-鹽度公式:wt=0.00+1.78Tm+0.0442T2mm2+0.000557Tm3(Bodnar,1993)算出相應的鹽度,wt為NaCl的質量分數,Tm為冰點溫度;劉斌等(1999)根據實驗數據推導出NaCl-H2O體系不同鹽度流體包裹體的密度式:ρ=A+B×t+C×t2,ρ為流體密度(g/cm3),t為均一溫度(℃),A、B和C為無量綱參數,不同鹽度流體對應不同值,根據該公式計算出不同類型包裹體的流體密度。3體包裹體3.1流體包裹體大小及形狀在瓊布拉克銅礦床方解石中,流體包裹體呈孤立或群狀分布,一般呈群狀分布的包裹體較小,而孤立狀分布的包裹體較大。根據室溫條件下的相態(tài)及相態(tài)比,可以將瓊布拉克銅礦床火山熱液型礦體的流體包裹體分為以下3種類型(表1):VL型包裹體:該類包裹體最明顯的特征就是氣泡的體積較大,約占整個包裹體體積的30%～50%(圖3A、3B、3C)。該類流體包裹體的直徑小于50μm,主要在10μm左右;其形狀為方形、橢圓形、不規(guī)則狀;呈孤立狀分布(圖3G、3H、3I),為原生包裹體,在所研究的樣品中個數相對較少。LVa型包裹體:該類包裹體氣泡體積相對較小,約占整個包裹體的10%～30%(圖3D)。與VL型流體包裹體一樣,LVa型流體包裹體的直徑小于50μm,主要在10μm左右;其形狀為不規(guī)則狀、長條形和橢圓形;呈孤立或群狀分布(圖3G、3H、3I),為原生或假次生包裹體,在所研究的樣品中個數相對較多。LVb型包裹體:該類包裹體氣泡體積較小,一般小于10%,個別小于5%(圖3E、3F),其大小及形狀與上述兩類流體包裹體相似。在主礦物方解石中該類流體包裹體也是呈孤立或群狀分布(圖3G、3H、3I),為原生或假次生包裹體,在所研究的樣品中個數最多。3.2流體包裹體溫度分布流體包裹體顯微測溫結果(表2)顯示,瓊布拉克銅礦床流體包裹體的均一溫度和冰點溫度的變化范圍較大,分別為92～356℃和-0.5～-13℃,其鹽度w(NaC1eq)在0.88%～16.89%之間變化,而密度則在0.62～1.04g/cm3之間變化。測溫結果同時還顯示,不同類型包裹體的溫度范圍差異明顯(圖4),VL型包裹體的均一溫度范圍275～356℃,冰點溫度范圍-3.3～-0.5℃,根據冰點溫度計算的鹽度w(NaC1eq)范圍為0.88%～5.41%,根據均一溫度計算流體密度范圍為0.62～0.80g/cm3,VL型包裹體在升溫過程中氣泡擴大,最終均一成氣相;LVa型包裹體的均一溫度范圍245～338℃,冰點溫度范圍-13～-5.9℃,根據冰點溫度計算的鹽度w(NaC1eq)范圍為9.08%～16.89%,根據均一溫度計算流體密度范圍為0.78～0.91g/cm3,LVa型包裹體在升溫過程中氣泡縮小,最終氣泡消失均一成液相;LVb型包裹體的均一溫度范圍92～288℃,冰點溫度范圍-9.8～-0.1℃,根據冰點溫度計算的鹽度w(NaC1eq)范圍為0.18%～13.72%,根據均一溫度計算流體密度范圍為0.82～1.04g/cm3,LVb型包裹體在升溫過程中氣泡縮小,最終氣泡消失均一成液相。4osmow本次研究挑選了7件瓊布拉克的方解石樣品,分析了其碳、氧穩(wěn)定同位素組成。測試結果(表3)顯示,δ13CPDB為-7.37‰～-4.19‰,與地幔碳同位素值(-5±2)‰基本吻合;δ18OSMOW為9.63‰～11.91‰,與火山巖氧同位素值5%～15‰也基本一致(鄭永飛等,2000)。在圖5中,瓊布拉克的方解石的投影點主要落在原始巖漿碳酸巖區(qū)域附近,沿著巖漿流體去氣漂移方向排列(Demenyetal.,2010),表明瓊布拉克火山熱液型銅礦化的成礦流體可能源于地幔,巖漿流體的去氣作用使得δ13CPDB和δ18OSMOW發(fā)生漂移。據莫江平等(1997)研究,該類型銅礦化成礦流體的δ34S值介于-10.6‰～0.1‰,平均為-5.8‰,變化范圍較窄,接近隕石硫的同位素組成,也暗示其成礦流體來源于深源地幔巖漿。5流體運移規(guī)律瓊布拉克火山熱液型銅礦體內3類包裹體捕獲的流體性質有明顯的差異,在均一溫度與鹽度圖解中其投影點分別落在3個區(qū)域中,LVb型包裹體落在相對低溫區(qū),LVa型包裹體落在相對高溫高鹽度區(qū),而VL包裹體則落在相對高溫低鹽度區(qū)(圖6)。VL型包裹體的溫度與鹽度成負相關,隨著溫度的上升,鹽度有明顯降低的趨勢,這些特征在一定程度上暗示,在瓊布拉克銅礦床形成過程中成礦流體曾發(fā)生過沸騰作用(Roedder,1984;張德會,1997;Hedenquisteta1.,1985)。更重要的是低鹽度的富氣相的VL型包裹體的均一溫度與高鹽度的相對貧氣相的LVa型包裹體的均一溫度范圍十分相近(圖6),這也在一定程度上暗示在瓊布拉克銅礦床形成過程中成礦流體曾發(fā)生過沸騰作用。大量隱爆角礫巖的存在從巖相學角度也證實瓊布拉克銅礦床成礦流體曾發(fā)生過沸騰作用。原始均一的流體由于所處環(huán)境溫壓條件的變化,發(fā)生沸騰作用,從而導致流體包裹體鹽度和密度存在差異,這是導致瓊布拉克銅礦床多種流體包裹體共存的主要原因。沸騰作用是通過去氣作用(氣體的分離散失)引起金屬沉淀。沸騰作用所引起的礦化主要在沸騰面附近發(fā)生,礦質在小體積空間沉淀,一般形成的礦化具有品位高、礦化規(guī)模小、范圍小、但強度大等特點(Meinertetal.,1997;Luetal.,2003;張德會,1997)。由于瓊布拉克銅礦床斷裂發(fā)育,在流體運移過程中,構造環(huán)境的變化,如由韌性、壓性裂隙系統(tǒng)進入張性斷裂系統(tǒng),引起壓力的突然釋放,造成流體“減壓沸騰”(張文淮等,1996;Heinrichetal.,1992;Cline,2003),斷裂或水力壓裂形成的構造空間逐漸被減壓沸騰所沉淀的方解石和硫化物等所充填,后續(xù)上升的流體通道被堵塞,流體由靜水壓力逐漸轉化為靜巖壓力,沸騰作用停止。此后,隨著流體內壓的不斷增高,當新一輪構造破碎發(fā)生時,沸騰作用便可能再次發(fā)生(Calagari,2004)。本次研究中的VL型和LVa型包裹體可能為減壓沸騰的結果。測溫結果顯示,瓊布拉克銅礦床VL型和LVa型包裹體的均一溫度上限可達340～350℃,考慮到壓力效應,其捕獲溫度應更高,這暗示該礦床的原始成礦流體可能是一種高溫、高鹽度的超臨界流體,具有很高的滲透性和高的溶解能力,可以溶解大量的成礦金屬。當這種流體進入張性斷裂系統(tǒng),由于“減壓沸騰”突然卸載使成礦元素銅沉淀,同時形成了VL型和LVa型包裹體;在大多數情況下,由于溫度和壓力的逐漸下降,富含成礦元素的成礦流體緩慢卸載使成礦元素銅沉淀,并形成捕獲溫度和鹽度連續(xù)變化的LVb型包裹體。銅在流體中主要以氯化物CuCl(aq)(Creraretal.,1976)或CuCl2(Var’yashetal.,1981;Zotovetal.,1995)的形式存在。Cu的溶解度隨著Cl含量的降低而降低,達到飽和狀態(tài)即形成黃銅礦。在溫度低于250℃的熱水溶液中,銅硫化物的溶解度大大減小,有利于銅質的沉淀(李蔭清等,1995)。瓊布拉克銅礦床的流體包裹體均一溫度峰值主要出現在250℃以下,這表明溫度降低是導致該礦床銅沉淀的主要原因之一。通過公式計算,瓊布拉克銅礦床流體包裹體的密度在0.62～1.04g/cm3之間變化,主要集中在0.70～0.99g/cm3,與前人研究(Roedder,1976)的多數巖漿熱液流體密度(<1.0g/cm3)相當,說明巖漿熱液流體是成礦流體的來源之一。瓊布拉克銅礦床流體包裹體數量多、粒徑大,富氣相及富液相包裹體均有,氣相分數變化范圍大,成分以H2O為主、未見以CO2為主的包裹體出現,與楊巍然等(1996)所指出的張性斷裂體系中流體包裹體特征相似,這也在一定程度上暗示該礦床的形成受張性構造的控制。沿瓊布拉克