澳大利亞Cloncurry地區(qū)鐵礦化巖石與銅金礦化的時空關系

張德賢，戴塔根，侯林慧，馬偉東

（1.中南大學資源與安全工程學院，長沙 410083；2.中南大學“有色金屬成礦預測”教育部重點實驗室，地球科學與信息物理學院，長沙 410083）

0 引言

鐵氧化物銅金礦床（iron oxide copper and gold deposit，簡稱“IOCG礦床”）由于其礦種多、產(chǎn)量大，是目前國際礦床勘探的主要目標之一。典型的IOCG礦床 Olympic Dam，Ernest Henry，Osborne和Candelaria等大都賦存于元古宙地體中，如澳大利亞的Cloncurry地區(qū)、Gawler－Curnamona克拉通和Tennant Creek，美國 Missouri東南部，瑞典Bergslargen和Norrbotten，加拿大的 Wernecke山和 Great Bear巖基等。Williams等［1］、Corriveau和Humid［2］提出了一些識別IOCG礦床的典型特征：①成礦元素以Cu為主，可含或不含Au，其次為多金屬元素（Cu，F(xiàn)e，Pb，Ni，Zn）、貴金屬元素（Au，Ag，PGE）、稀土元素（REE）以及具有戰(zhàn)略價值的元素（Co，Bi，V ）和核能元素（U）；②礦床受強烈的構造控制和地層控制；③礦床貧硫，多金屬，與大規(guī)模的磁鐵礦 （如澳大利亞Cloncurry地區(qū)）或赤鐵礦（如南澳的Olympic Dam）有關；④礦床鐵氧化物中Fe／Ti比明顯高于大部分的巖漿巖和地殼；⑤區(qū)域及礦床中廣泛發(fā)育 Na，F(xiàn)e－Ca，F(xiàn)e－K 和 Fe蝕變，但和巖漿巖侵入巖沒有明顯的空間分布關系［1，3－5］；⑥礦床與大量的熱液－構造角礫巖有關。

Hitzman［6］認為Cu－Au礦化與貧礦的鐵礦化巖石具同源和同時的特點，說明貧礦的鐵礦化巖石是后期Cu－Au礦化的賦礦圍巖，這種鐵礦化巖石對于鐵氧化物礦床的形成具有重要的作用。鐵氧化物型礦床中Cu－Au礦化在礦物學、地球化學和時間上的不同，反映出其是不同流體和賦礦圍巖相互作用的結果。在這些關系中，鐵氧化物與Cu－Au礦化之間的關系問題顯得更為重要。澳大利亞Cloncurry地區(qū)區(qū)域地層和礦床中廣泛分布有鐵礦化巖石（Ironstone），本文旨在討論Cloncurry地區(qū)鐵礦化巖石與Cu－Au礦化的時空關系。

1 區(qū)域地質背景

澳大利亞Cloncurry地區(qū)主要由元古宙（1 760～1 660Ma）的Cover2強硅化變沉積巖和Cover3變火山巖（分別形成于1 740Ma和1 670Ma）覆蓋于Barramundi造山作用（1 880～1 850Ma）形成的結晶基底之上［7］（圖1），但該結晶基底在Cloncurry地區(qū)未出露，大量的鐵氧化物型銅金礦床賦存于該地層中。Cover2和Cover3在Isan造山期（1 600～1 500Ma）經(jīng)歷了變形和變質作用。在整個Mount Isa Inlier共有3期構造運動：區(qū)域綠片巖相到上角閃巖相變質峰，與區(qū)內水平方向EW向擠壓（D2）事件的時代相同；變質峰相對復雜，含有多個變質幕，至少包括2個比較明顯的變質時期（1 580～1 595 Ma（M1）和1 550～1 530Ma（M2））。在Cloncurry地區(qū)西南部與D2同期的花崗巖侵入時代為1 550 Ma。許多研究者已認識到，區(qū)域內局部SN向變質后的強烈變形與鐵銅金礦化之間有著重要的聯(lián)系。

2 Cloncurry地區(qū)鐵氧化物和Cu－Au礦化之間的聯(lián)系

在Cloncurry地區(qū)，Cu－Au礦化與鐵氧化物之間具有明顯的時間、空間和成因上的聯(lián)系，這種時空關系主要反映在成礦流體和圍巖的化學組分及礦物組分等方面?；诖?，該區(qū)礦床可分為4類：①鐵礦化巖石較少的礦床，主要由磁鐵礦、赤鐵礦、磷灰石、角閃石、透輝石等組成；②賦存于鐵氧化物中的銅金礦床，該類礦床先前形成的鐵氧化物被后期不一定相關的銅金礦化事件（如Starra Au－Cu礦床）疊加；③鐵氧化物銅金礦床，該類礦床銅金礦化與主要的鐵氧化物沉積同期（如Ernest Henry，Osborne和Mt Elliott礦床等）；④銅金礦化和少量（或無）鐵氧化物與成礦流體的演化密切相關（如Lady Clayre，Mt Dore，Green Mount Cu－Au礦床）。以下主要討論一些典型礦床的地質特征和流體特征。

2.1 磁鐵礦－磷灰石鐵礦化巖石礦床

Cloncurry地區(qū)除賦存有大量的鐵氧化物型礦床外，還有大量以磁鐵礦為主的鐵礦化巖石，這些鐵礦化巖石可能是沉積成因的（如Monakoff和Fairmile［8］），也有交代成因的［9］，大部分礦床形成于變質期后。

圖1 澳大利亞Cloncurry地區(qū)地質簡圖（據(jù)文獻［13］，修改）Fig.1 Geological sketch of Cloncurry district，Australia

大部分鐵礦化巖石來自于熱液，呈透鏡狀或直立的角礫巖筒狀。這種鐵礦化巖石通常與構造有關，主要賦存于斷層（或剪切帶）的膨脹部位或斷層交匯部位。通常由磁鐵礦和少量石英、鈉化斜長石、方柱石、陽起石、磷灰石、透輝石及其他一些副礦物組成。圍巖可以是鈣硅酸鹽巖、硅化變沉積巖或基性和酸性巖，以交代或熱液充填形式存在。其形成的地球化學過程目前尚不完全清楚，但其形成的流體可能來源于：①從侵入巖中出溶的流體；②含鐵巖石的Na和／或Na－Ca蝕變，通過鐵的重新遷移進入流體；③前兩者的混合流體。

2.2 賦存于鐵氧化物中的Cu－Au礦床

Starra Au－Cu礦床是Cloncurry地區(qū)較典型的賦存于鐵氧化物中的Cu－Au礦床之一。Starra Au－Cu礦床賦存于Mary Kathleen群的Staveley組變沉積巖中，偶見有少量角閃石巖單元，兩者均局部被變質峰后強烈的鈉化所改造。該礦床中鐵礦化巖石主要由粗－中粒磁鐵礦、石英、黑云母和細粒赤鐵礦、方解石、自然銀、黃鐵礦、黃銅礦和綠泥石組成。

Starra Au－Cu礦床熱液演化經(jīng)歷了3個階段：一是發(fā)育于變沉積巖中的早期Na－Ca蝕變（鈉化斜長石、陽起石）；二是與塊狀富磁鐵礦或赤鐵礦有關的賦存于角礫巖中的鐵礦化巖石沿著Selwyn高應變帶（1 530Ma）的Fe－K 交代作用（磁鐵礦、黑云母、赤鐵礦）；三是與第二階段中富磁鐵礦的鐵礦化巖石選擇性地赤鐵礦化有關的Au－Cu礦化（黃鐵礦、金、黃銅礦、重晶石、赤鐵礦、方解石、石膏和磁鐵礦）。金以包體形式賦存于黃銅礦、赤鐵礦中，或呈細粒分布于方解石中，盡管鐵礦化巖石有利于Au－Cu礦化，但還是存在只含金或只含銅的貧的鐵礦化巖石［9］。氧同位素（δ（18O）＝6×10－3～9.2×10－3）和硫同位素研究表明，成礦流體為高氧化態(tài)巖漿流體，但也有一些數(shù)據(jù)顯示可能會有變質流體的成分［10］。

2.3 鐵氧化物Cu－Au礦床

（1）Ernest Henry IOCG礦床。

Ernest Henry鐵氧化物型銅金礦床是澳大利亞最大的以磁鐵礦為主的鐵氧化物型銅金礦床，也是澳大利亞的第二大鐵氧化物型銅金礦床（僅次于Olympic Dam礦床，但該礦床以赤鐵礦為主）和第三大銅礦生產(chǎn)基地（第一是Olympic Dam礦床；第二是賦存于黑色頁巖中的Mount Isa銅礦床）。礦床礦石量226Mt，其中銅品位1.10%，金品位0.51×10－6。礦體賦存于2個NW向的剪切帶內，呈似筒狀，延伸超過1 400m［11－12］，并向SE50°側伏。礦化主要賦存于熱液角礫巖中［11，13－14］。充填熱液角礫巖至外圍邊緣爆破角礫巖脈的轉變十分明顯，這一轉變也意味著礦體已到邊緣。

Ernest Henry IOCG礦床中的熱液蝕變?yōu)榈V化前的 Na－Ca蝕變、K－（Mn－Ba）蝕變（以強烈的黑云母－磁鐵礦為主）和少量的鉀長石－石榴石（富Mn）［11，13－20］。賦礦的熱液角礫巖中鉀長石普遍蝕變?yōu)槲⒕У匿^長石，鉀化蝕變在整個Cloncurry地區(qū)都比較發(fā)育，在Ernest Henry IOCG礦床中形成了圍繞礦體延伸約2km的暈［19］。成礦期有多種流體進入成礦系統(tǒng)，形成Ernest Henry IOCG這一復雜的熱液礦床。礦床中的礦化多種多樣，如以角礫為主的角礫巖系統(tǒng)、以基質為主的角礫巖系統(tǒng)、第二期次磁鐵礦為主的角礫巖系統(tǒng)、礦體上盤剪切帶和礦體下盤剪切帶及其他一些與脈相關的熱液系統(tǒng)［13，21］等。礦床賦礦圍巖經(jīng)受4期熱液蝕變：①早期Na－Ca蝕變；②成礦前的Fe，Mn，K和Ba蝕變；③Cu－Au礦化；④晚期碳酸鹽脈。這一順序也表明從磁鐵礦到赤鐵礦穩(wěn)定的流體條件。

Ernest Henry IOCG礦床既不同于Cloncurry地區(qū)其他鐵氧化物型銅礦，也有別于全球其他以磁鐵礦為主的鐵氧化物型銅礦。該礦床形成于350～450℃和200MPa［20］，熱液流體由攜帶不同元素的兩種或多種流體混合而成（如高溫、高鹽度和低溫、低鹽度流體）。穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)（δ（18D）＝－40×10－3～－60×10－3，δ（18O）＝7×10－3～12×10－3，δ（34S）＝－3×10－3～3×10－3）表明流體主要來自巖漿，但金屬、S和其他元素可能還有其他來源。黑云母40Ar／39Ar成礦年齡為1 510～1 500Ma，其封閉溫度為250℃。

在Ernest Henry礦區(qū)，成礦后有大量的石英脈和方解石脈切穿先前的礦體，這些脈中赤鐵礦比磁鐵礦多。這些脈與Cu－Au礦化間的關系目前尚不清楚，但大部分的石英脈和方解石脈主要賦存于下盤。大量的穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)和其他溫度（450～550℃）約束表明其主要來自變質流體。

（2）Mt Elliott Cu－Au礦床。

Mt Elliott Cu－Au礦床遭受了多期次變形，賦存于強烈夕卡巖化的變沉積巖石（如片巖和碳酸鹽千枚巖）和元古宙的角閃巖中。礦床賦礦圍巖保存了4期蝕變：①早期硅化；②鈉長石化；③透輝石－方柱石－陽起石似夕卡巖蝕變；④Cu－Au礦化。后期巖石具有強烈的鈉長石化，銅金礦化包含各種不同的磁鐵礦成分，礦床中既有富鐵氧化物的礦化，也見貧鐵氧化物的蝕變。礦化主要受構造控制，大部分賦存于倒轉斷層和剪切帶的強烈鈉化及夕卡巖化的膨大脈中和角礫巖中。Cu－Au礦化主要是高鹽度、低XCO2流體從500℃冷卻到350～400℃的過程中硫化物得以沉淀而成。礦化期流體成分的穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)（δ（18O）＝10.5×10－3，δ（D）＝－16×10－3～－68×10－3）表明，成礦流體主要來自巖漿。

2.4 貧鐵氧化物的Cu－Au礦床

在Cloncurry地區(qū)，Eloise Cu－Au礦床為貧鐵氧化物Cu－Au礦床的典型代表，該礦床賦存于Soldiers Cap組（1 670Ma）的石英－黑云母片巖和角閃巖中，形成于Isan造山作用減弱時期，主要受制于Levuka剪切帶和南部剪切帶。構造決定礦區(qū)內巖石磁性的強弱，但Cu－Au礦化卻遠離了富磁鐵礦帶。

Eloise礦床中大部分礦體賦存于Eloise和Levuka脈中，礦脈具相對狹長的蝕變暈，礦體呈SN走向，傾角較陡且向S側伏，與Eloise剪切帶中的高應力帶和蝕變巖石有關。礦脈主要由富黃銅礦、磁黃鐵礦及少量磁鐵礦、黃鐵礦組成。蝕變和礦化（包括不同的脈和蝕變形式）分3個階段：第1階段主要為強烈的鈉化，與變質峰后早期區(qū)域鈉化有關；第2階段為高溫熱液階段，主要由角閃石、黑云母和含石英的脈，圍巖蝕變和剪切帶組成；第3階段為Cu－Au礦化，部分礦脈疊加于階段2的脈中，脈石礦物主要為石英、方解石、綠泥石、白云母、陽起石等。由此說明，第2階段經(jīng)歷了退變質，而第3階段則顯示進一步冷卻的條件。采用40Ar／39Ar測試成礦前和成礦后的角閃石和云母，顯示Eloise礦床的成礦時代為1 530～1 514Ma［22］。流體包裹體數(shù)據(jù)表明，流體受控于早期蝕變過程中形成的鐵硅酸鹽冷卻和硫酸鹽化。高鹽度和穩(wěn)定同位素特征一致反映成礦流體來自于巖漿。

3 討論

鐵氧化物和Cu－Au礦化、區(qū)域Na－Ca蝕變和Williams－Naraku巖基之間明顯的時間關系說明，侵入巖在由硫化物和氧化物組成的熱液系統(tǒng)有著重要的作用。鐵氧化物與礦化之間的關系主要受fS2，溫度，流體鹽度，fO2，pH和壓力的控制，因為其影響熱液系統(tǒng)中鐵氧化物和鐵硫化物的穩(wěn)定性和溶解度。該熱液系統(tǒng)中鐵可能有兩種來源：一是來自巖漿的富鐵流體［23－24］；二是與圍巖 Na－Ca蝕變有關的富鐵礦體。貧礦化的磁鐵礦或赤鐵礦型鐵礦化巖石主要由這兩種流體形成（圖2）。在Cloncurry地區(qū)，鐵氧化物和Cu－Au礦化之間有3類關系：一是早期形成的鐵氧化物，后期的Cu－Au礦化即賦存于該類鐵氧化物中；二是Cu－Au礦化期主要的鐵氧化物沉積；三是Cu－Au礦化時沒有或有少量鐵氧化物，盡管鐵硅酸鹽十分常見。

圖2 Cloncurry地區(qū)不同Cu－Au礦床中成礦期流體的δ（18 Ofluid）—δ（Dfluid）組成（據(jù)文獻［18－19］，修改）Fig.2 Isotopic composition ofδ（18 Ofluid）vs δ（Dfluid）of ore fluid from several Cu－Au deposits in Cloncurry district

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