Question

成矿机制及成因分析

Answer 1

(一) 成矿物质来源

内生矿床的形成离不开矿源、水源和热源，季克俭早就提出内生矿床的“三源”成因模式;张德会指出，矿源—成矿物质迁移途径—矿体是矿床学研究的基本问题，简称为“源—流—汇”(SPS)(source－path－sink)。可见，研究内生矿床的形成机制，首要解决的问题便是成矿物质来源。

1.矿质来源

安庆铜铁矿床主要成矿金属Cu、Fe主要来源于岩浆，少量来源于围岩地层中。其主要依据有:

(1)矿床与岩体的亲缘关系

矿床产于岩体侵入的前峰，矿体严格接触带控制，说明了两者之间成因上的亲缘关系，成矿是成岩的继续。成矿岩体为深源成因，富含成矿元素Cu、Fe的深源岩浆可以为成矿作用提供充足的矿质。

(2)矿床地球化学特征依据

从前述矿床地球化学特征分析可知，矿石的微量元素特征，H、O、C、S同位素组成及稀土配分模式特征，都证明了矿质Cu、Fe具有深源的特点，但也不排除有部分来自于地层，尤其是成矿晚期气液阶段，外来物质有所增加。但从矿床的近矿围岩地球化学研究结果看，其总量有限。

2.硫源

矿石的硫同位素数据分布离散，δ³⁴S在－11.25‰～+19.24‰之间，说明硫具混合源性质，大部分的硫来自深源岩浆，但地层中的生物硫及膏盐层中的硫在成矿中起重要作用。

3.流体源

不同矿化阶段氧同位素组成及其演化特点表明，含矿流体主要是岩浆水，但有地层中封存水及大气降水的加入。

4.热源

来自深源的含矿流体，驱动往地表传输的热能可能为深部热源，含矿流体运移中氧化作用释放的热能也是一种热来源。

(二)成矿物理化学条件

1.包裹体矿物学特征

(1)包裹体特征

安庆铜铁矿床矿物包裹体较发育，作为不同阶段的成矿流体样品被保存下来，通过研究可基本了解成矿流体的盐度、密度、压力、化学成分和成矿温度等物理化学条件，为阐明矿床成因提供了可靠的证据。本次工作特取各类岩矿石样13块，样品送桂林矿产地质研究院岩矿鉴定室磨制成两面光薄片，在镜下进行包裹体形态观察。

包裹体形态主要为椭圆状、长条状和不规则状，一般10～30μm，按其相态可分成四类:

A 型———多相包裹体 由子晶矿物、气相、液相成分三部分组成，含量分别为10%～30%、15%～30%和40%～60%。子晶多数为NaCl，少量KCl、CaCl₂、Fe₂O₃，是成矿流体物质成分的直接反映，子晶出现说明成矿流体盐度高，浓度大，处于过饱和状态;

B 型———气液包裹体 由气相和液相组成，含量分别为20%～40%和60%～80%。各类矿物中均能见到，以低温矿物最常见。

C 型———液相包裹体 几乎全为液体充填。

D 型———气相包裹体 主要由气体组成，不常见，仅个别石英中发育。

(2)包裹体成分

本次工作在收集前人所做包裹体成分资料的基础上，在1、2号矿体共采取不同岩矿石样品3个进行包裹体气、液相成分分析，每个样品分析13个组分，其数据及有关参数计算结果见表5－10和表5－11。

表5－10 包裹体液相成分及有关参数计算表

注:RZA－号样来自安徽省地矿局326地质队，其余数据(据李长庆，2000)。

(1)液相成分特征分析

从表5－10中可看出，包裹体液相成分中阳离子有Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Li⁺等，阴离子有F^－、Cl^－、SO^2－₄，以富含F^－、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺为特征。

1)成矿溶体的Na⁺/K⁺和F^－/Cl^－值可作为判别成矿热液来源的一个重要标志。一般来说，岩浆热液Na⁺/K⁺值一般小于1;变质岩、伟晶岩的Na⁺/K⁺值通常大于1;而沉积或地下热卤水有关的矿床Na⁺/K⁺值较高(Roedder，1984)。安庆铜铁矿床中含Na⁺较高，Na⁺/K⁺比值高，这似乎与上述结论相矛盾，却也说明了该矿床成矿介质的特殊性，不同于一般的岩浆期后气液。同时也证实了成矿流体与岩浆(富钠)之间的亲缘关系。

2)成矿流体中F含量远大于Cl，F^－/Cl^－值为1.2～76，根据F和Cl的地球化学特性，F主要存在于岩浆熔体中，而Cl则趋向于存在于热液中，即在岩浆体系中F^－＞Cl^－，热液体系中F^－＜Cl^－。我国大多数接触交代矿床和热液矿床成矿流体中都是F^－＜Cl^－，如铜官山0.055(4个样)、铜录山0.134(8个样)，而安庆铜矿的这种独特的成矿流体成分特征说明其成矿流体不同于一般的成矿气液，而是一种类似于岩浆熔体的熔流体。

3)成矿流体中F^－/Cl^－变化幅度为1.2～76、Na⁺/K⁺变化幅度为2.4～23.3，变化范围都比较宽，显示出成矿流体的不均匀性，造成这种不均一性的原因可能是由于介质中矿浆和气液共存而使得成矿介质相对黏稠，不利于矿质的均匀扩散所引起的。这也证实了介质中矿浆的存在。

4) 成矿流体中阳离子Ca²⁺、Mg²⁺的富集可能与围岩中富Ca²⁺、Mg²⁺中有关，而阴离子中大量的SO^2－₄可能来自熔融体中SO₃随温度降低所产生的水解作用，也有可能来自富含膏盐层的围岩。F^－和SO^2－₄对金属元素的迁移和沉淀起着重要作用，并导致金属络合物分解和金属硫化物的沉淀。

5) 从离子的演化和离子总浓度的变异可以看出，随着成矿作用进行，自氧化物阶段到硫化物阶段，总离子浓度降低，表明随矿物不断沉淀，成矿介质逐渐变得稀薄。

(2) 气相成分特征分析

从表5－11中可看出，包裹体气相成分中以富含H₂O、CO₂为特征，其次有N₂、CO，并有少量CH₄和H₂。氧化性气体(H₂O+CO₂)总量明显高于还原性气体(CH₄+CO+H₂)。

包裹体气相成分中CO₂、H₂、H₂O是重要的常见气体，在成岩成矿过程中起到极为重要的作用，CO₂/H₂O比值是矿石搬运、围岩蚀变、变质程度的标志。安庆铜矿包裹体气相成分中CO₂/H₂O=0.19～0.55，具有岩浆热液特点。

表5－11 包裹体气相成分及有关参数计算结果表

B.K.KaPЖaBИИ等的实验证明，包裹体中H₂单质的大量存在是深成岩的标志，因此，包裹体中H₂含量普遍较高可能指示其热液是深部来源，安庆铜矿包裹体H₂含量虽不算太高，但也可以部分代表成矿流体来源于深部。

2.成矿物理化学条件

(1) 成矿温度与盐度

矿床不同矿物形成温度及盐度区间见表5－12和图5－7。

表5－12 矿床主要矿物形成温度及盐度

注:据安徽省地矿局326地质队和安徽省地科所资料整理。

(2)不同矿化阶段温度与盐度特征

由单矿物爆裂法测温和矿物包裹体均一法测温等综合资料表明，安庆铜铁矿床各成矿阶段成矿流体从高温、高盐度向低温、低盐度演化，金属矿物在脉石矿物盐度变化区间形成，同时改变了流体的盐度。

早期矽卡岩阶段促进双交代作用的气水溶液三相共存，以液相为主，占40%～45%，气相、固相分别为15%～30%，均一温度390～580℃，透辉石最高可达760℃，盐度40%～45%。

图5－7 安庆铜铁矿床矿物形成温度区间图

磁铁矿阶段 矿浆中三相共存，液相占35%～50%，气相30%～50%，固相20%～30%。成矿温度400～600℃，磁铁矿最高可达763℃。盐度37%～59%。

晚期矽卡岩阶 段残余浆液中以气、液两相为主，均一温度310～354℃，盐度17%～19%。

石英－硫化物阶段 含矿溶液三相共存，金属硫化物明显可分为两次成矿，第一次成矿温度292～375℃;第二次为230～300℃。盐度29%～33%。

石英－碳酸盐阶段 溶液三相共存，以液相为主，均一温度110～200℃，盐度7%～20%。

(3) 成矿压力

由于主矿体中未发现CO₂包裹体，对成矿压力只能采用间接方法估算。

方法1: 矿体上覆围岩厚度约3千米，按每千米厚产生静压250atm计，估算出矿床成矿压力为700～800atm;

方法2: 据Kennedy的H₂O－NaCl体系的P－x图解，求得透辉石、石榴子石包裹体平衡压力 (或最低压力)为500～800atm，与围岩静压力估算结果相近(图5－8)。

(4) 流体密度

根据已知矿物包裹体的均一温度和盐度，在密度关系图上(图5－9)求得矽卡岩形成流体密度为1～1.1g/cm³，在低温阶段降为0.9～1g/cm³，说明成矿介质浓度较大。

(5) 还原参数 (R)

李秉伦 (1982)把CH₄+CO+H₂与CO₂的比值定义为还原参数，该比值是衡量成岩成矿环境的氧化还原程度的重要参数。根据安庆铜铁矿床包裹体气相成分分析表(表5－12)可以计算得出，其还原参数为0.004～0.022，表明成矿作用是在弱还原环境下进行的。

(6) pH值

根据矿物包体中CO₂含量和CO₂－H₂O－NaCl体系pH值计算法，求得硫化物沉淀时pH为5.56～6.14，表明主成矿元素Cu是在弱酸性至近中性环境中沉淀的。

图5－8 H₂O－NaCl系P－x图解(高温侧)(据Sourirajanetal.，1962)

图5－9 矿物包裹体温度与盐度对应图

(7)氧逸度、硫逸度、二氧化碳逸度

通过对矿床主要成矿阶段的矿物共生组合、成矿温度、气液包裹体成分的研究，结合热力学计算，求得成矿过程中氧逸度、硫逸度和二氧化碳逸度如表5－13。

表5－13 各阶段氧、硫、二氧化碳逸度值表

上述数据表明，整个成矿流体的活动既分阶段又是连续的，随着温度下降，各阶段f_O2、f_S2和f_CO2呈由高向低的变化趋势，反映了逸度与温度的线性函数关系，代表一个完整的成矿作用过程。矽卡岩阶段是高温，向高f_O2低f_S2、碱性介质方向演化;磁铁矿阶段在空间上相对收缩，并向f_O2继续升高，温度和碱性相对降低的方向演化;硫化物阶段在空间上大规模扩展，并向f_O2和温度降低、高f_S2偏碱环境方向演化，先后晶出的磁黄铁矿、黄铁矿和黄铜矿的f_S2逐渐增高趋势(表5－14)。

表5－14 石英－硫化物阶段logf_S2值变化表

(据安徽省地矿局326地质队)

(三)矿液流动方向

成矿流体沿构造薄弱带因内压而产生的运移过程中，总是由高压域向低压域、由高温向低温方向流动。随着成矿作用的继续，在流体的运移路径上必然存在着温度梯度，温度梯度降低的方向指示矿液流动方向。基于这一思路，根据矿物形成温度的等值线上温度梯度的变化可以判断成矿流体的流动方向。

1.根据矿物分布特征推断流体运动方向

由于矿床矿物富集具有西铜东铁的规律，即高温氧化物(磁铁矿)在东部富集，中低温硫化物在西部富集，推断在成矿过程中矿液从东向西流动。

2.根据矿物测温资料推断流体运动方向

为了确定矿液运动方向，在主矿体走向和倾向上系统采集了磁铁矿样10个和石榴子石样2个，送桂林矿产地质研究院作包裹体爆裂测温，测温结果见表5－15。结合前人(王训诚，1995)测温资料编制了矿物温度等值线图(图5－10)。从图中可看出:

1)矿物形成温度总体表现出自东向西逐渐降低的趋势，表明矿液在空间上采取“倒贯”的方式自东向西、自上往下流动(图中箭头所指方向)，与矿物组合的分布规律相吻合;

2)图中高温区呈带状分布，高温带主要位于矿体中部并由东向西向下侧伏，显示出成矿介质流动的主通道。同时在高温带中明显表现出多个高温区，可能是矿液的脉冲式贯入作用所造成。

表5－15 矿物包裹体(爆裂)测温结果

测试单位:桂林矿产地质研究院

图5－10 矿体温度等值线及矿液流动方向示意图(图中箭头方向表示矿液流动方向)

(四)成矿作用方式

安庆铜铁矿床成矿经历了一个复杂的地质过程，其成矿作用也同样经历了由矿浆贯入成矿到气液交代成矿的自然演化，不同成矿作用所对应成矿的种类也不同。同一种矿种其成矿也表现出不同的方式。体现出多矿种、多方式成矿的特点。

1.铁

铁的成矿作用存在两种方式，即贯入式和交代式。它们在时间上呈连续过渡演化。

(1) 贯入式

接触交代矽卡岩形成之后，由富钠岩浆分异的铁矿浆沿原接触构造带向上运移和贯入，形成致密块状铁矿石，品位很富，高达60%，与围岩界线截然，呈刀砍状和阶梯状或舒缓波状，两侧无矿化过渡带，或在流动方向上，与脉石矿物(透辉石、次透辉石和石榴子石)相间分布组成条带状构造。

由于磁铁矿结晶较矿石矿物晚，形成自形－半自形、他形粒状结构和交代结构，常见次透辉石交代残余和石榴子石假象。

(2) 交代式

在铁矿浆贯入的同时，对其上部早期形成的接触交代镁质矽卡岩进行粒间渗透交代形成交代粒状结构和浸染状、斑点状、团块状构造，含铁品位不高。

2.铜

(1) 充填交代式

含铁铜硫化物沿早期形成的磁铁矿和交代型矽卡岩的粒间和裂隙，进行以离子交换为主的化学反应，表现为他形粒状、交代包含结构及浸染状、稠密浸染状、斑点状、团块状、条带状、细脉状和网脉状构造，形成含铜磁铁矿石和含铜矽卡岩矿石。

(2) 充填式

晚期石英硫化物沿大理岩舌状体前缘内接触带的收缩裂隙和岩体内部近南北向裂隙充填，形成含铜钼闪长岩矿石。

(五) 成矿作用时间

安庆铜铁矿床矽卡岩型铁矿石中金云母用K－Ar法测定同位素年龄为131Ma(安徽省地矿局326队，1990);而月山岩体侵入时代为138～147Ma，显然成矿作用是成岩作用的继续。

(六) 矿床成因

根据其矿体产于岩体与三叠系白云岩、白云质大理岩接触带位置，成矿与岩体有着成因上的联系，并具有典型的矽卡岩矿物组合，故属广义矽卡岩矿床无疑。

但该矿床的地质特征与典型的接触交代矽卡岩矿床有着明显的差别，主矿体贯入充填成矿作用特征明显，不同类型矿体在空间上有规律连续过渡性分布，表明矿床经历了多方式、多阶段成矿作用演化。其成矿介质也非一般的岩浆期后气液，也是一种具有一定黏性又富含一定挥发分的矿浆－气液混合体。而且表现在不同矿种的成矿作用方式上，铁以贯入充填作用成因为主，而铜则是气液交代作用的结果。因此本文认为，该矿床的成因应该是与燕山期富硅富碱中酸性闪长岩有关的矿浆贯入－接触交代混合的广义矽卡岩矿床。