西環(huán)太平洋菲律賓群島中酸性巖漿活動(dòng)與斑巖型銅金成礦:兼論埃達(dá)克巖與斑巖型銅金成礦

楊曉勇,蔡逸濤,徐敏成

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院, 安徽 合肥 230001;2.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016; 3.環(huán)太平洋戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源聯(lián)合研究中心,江蘇 南京 210016)

成礦作用的實(shí)質(zhì)是元素的遷移、富集和保存,而流體和巖漿是元素遷移、富集最重要的載體。板塊俯沖帶是全球最重要的元素分異、富集、成礦場所,是近年來固體地球科學(xué)和成礦作用地球動(dòng)力學(xué)研究的熱點(diǎn)。一般認(rèn)為,在板塊俯沖過程中,俯沖板片變質(zhì)脫水產(chǎn)生大量富集H2O、S、Cl、CO2的流體[1-2]。這些流體不僅通過助熔產(chǎn)生大量的島弧巖漿,而且流體在上升過程中可以活化、萃取成礦元素形成成礦熱液[3-4],促進(jìn)銅、金、鐵、鉬、鎢、鉛、鋅和鈾等元素的富集成礦。

斑巖型銅礦是世界上最重要的銅礦資源,目前普遍認(rèn)為這類礦床往往產(chǎn)在與大洋板塊消減有關(guān)的匯聚板塊邊緣[5],主要受俯沖帶氧逸度和流體性質(zhì)等因素控制[6-10]。但是,俯沖洋殼如何影響斑巖型銅金成礦?影響程度和方式如何?這些問題都值得進(jìn)一步研究。另外,通過研究中酸性巖漿活動(dòng)與斑巖型銅金成礦響應(yīng),對(duì)西太平洋板塊構(gòu)造演化進(jìn)行約束,特別是研究中新生代島弧巖漿巖和斑巖型銅金礦床進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)-地球化學(xué)特征,可對(duì)西太洋板塊構(gòu)造演化提供重要的科學(xué)判據(jù)。菲律賓島弧南北中新生代成巖成礦作用的時(shí)代差異明顯,二者在成礦模式上是否也存在差異?這個(gè)問題值得進(jìn)一步探討。埃達(dá)克巖對(duì)斑巖型銅金礦床的制約作用是目前國際上研究的熱點(diǎn),但也存在著激烈的爭議[11-12],爭議焦點(diǎn)是太平洋板塊的俯沖作用僅僅在動(dòng)力學(xué)機(jī)制上(板內(nèi)),還是同時(shí)在能量和物質(zhì)上(活動(dòng)大陸邊緣)主導(dǎo)著島弧的成巖成礦作用?菲律賓島弧屬于環(huán)太平洋成礦帶的重要組成部分,區(qū)內(nèi)大部分礦床形成于新生代,與中酸性巖漿巖在成因上密切相關(guān),主體是受太平洋板塊俯沖、改造和影響的結(jié)果。菲律賓島弧中新生代巖漿作用和多金屬成礦集中爆發(fā),且從南到北,巖漿巖和成礦作用存在明顯差異,這為深入開展相關(guān)研究提供了條件。因此,本文對(duì)上述問題進(jìn)行深入研究和探討,以期能深入探討國際學(xué)術(shù)界長期爭議的關(guān)鍵科學(xué)問題。

1 區(qū)域構(gòu)造背景及島弧巖漿巖

菲律賓群島位于東南亞地區(qū)最東側(cè),由大陸島弧及大洋島弧合并拼貼而成,四周被現(xiàn)今仍活動(dòng)的俯沖帶環(huán)繞,俯沖板塊包括菲律賓海板塊、南海板塊、蘇祿海板塊和西里伯斯海板塊,它們分別從菲律賓群島東、西兩側(cè)進(jìn)行俯沖(圖1)。西里伯斯海、南海以及蘇祿海3個(gè)邊緣海盆地均形成于特提斯構(gòu)造域,分別于中始新世(47 Ma)[13]、漸新世(33～15 Ma)[14-15]及早中新世(18 Ma)[16]相繼打開,其構(gòu)造演化歷史與新特提斯洋的關(guān)閉及印度板塊沿巽他海溝向大陸俯沖—碰撞過程緊密相關(guān)。45～25 Ma,因受澳大利亞板塊向北運(yùn)動(dòng)的影響,在菲律賓群島—哈馬黑拉島弧一帶形成了向北的俯沖帶[17-18],直到約25 Ma, 澳大利亞板塊與菲律賓—哈馬黑拉島弧在新幾內(nèi)亞發(fā)生弧-陸碰撞,澳大利亞北部大洋巖石圈向北俯沖才結(jié)束[19]。白堊紀(jì)以來,該區(qū)巖漿作用一直很活躍,在新生代達(dá)到巖漿活動(dòng)峰值,形成了一系列巖漿巖帶,時(shí)代包括白堊紀(jì)、始新世、漸新世、中新世、上新世、第四紀(jì)等,絕大多數(shù)巖漿活動(dòng)均與俯沖事件有關(guān)[20]。

大地構(gòu)造位置上,菲律賓群島位于歐亞大陸和西菲律賓海板塊交界處,是一個(gè)由海洋、大陸和島弧組成的地體[21]。這里地震活動(dòng)劇烈,發(fā)育眾多活火山[22-23]。除了源自歐亞板塊的巴拉望島、民都洛島、朗布隆島、棉蘭老島西部(三寶顏)、班乃島部分地區(qū)、呂宋島西北部等地區(qū)大陸基底巖石外,菲律賓群島及周邊塊體常被學(xué)術(shù)界稱為“菲律賓活動(dòng)帶”,形成于菲律賓海/太平洋板塊的洋內(nèi)島弧[24]。一般認(rèn)為,該活動(dòng)帶在菲律賓板塊和太平洋板塊形成了洋內(nèi)島弧[24-26]。菲律賓活動(dòng)帶東部和西部分別被幾個(gè)俯沖帶包圍(圖1),其中位于呂宋島東部海槽—菲律賓海溝的東部島弧[27],與遠(yuǎn)洋沉積物向西俯沖有關(guān)。位于馬尼拉、蘇祿—內(nèi)格羅斯、哥打巴托海溝之間的西部島弧(圖1),與覆蓋陸源沉積物的南海(早漸新世—早中新世)、蘇祿海(早中新世)、西里伯斯海(始新世)海盆向東俯沖有關(guān)[27-29]。有學(xué)者[30]提出,菲律賓南部棉蘭老島不僅有棉蘭老中部島弧,可能還存在桑義赫島弧北部延伸部分。菲律賓巖漿活動(dòng)帶是一個(gè)以外來地體為主的復(fù)雜組合體,其主要構(gòu)造源自南太平洋,可能是新第三紀(jì)從印度—澳大利亞板塊斷裂,進(jìn)而合并為現(xiàn)今的構(gòu)造格局。菲律賓活動(dòng)帶被上新世菲律賓斷裂帶縱向切割 (圖1),該斷層是左旋走滑斷層[20,31]。

菲律賓活動(dòng)帶最古老的變質(zhì)基底來自于大洋巖石圈碎塊,巖性包括角閃巖、石英—鈉長石—云母片巖及蛇紋巖等,原巖形成時(shí)代為侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)[20],其構(gòu)造屬性大多數(shù)具有特提斯型特征[23, 32]。此外,一部分活動(dòng)帶來自于印度—澳大利亞板塊[33],但目前并未發(fā)現(xiàn)早于侏羅紀(jì)(類似于澳大利亞板塊)的古老變質(zhì)基底。因此,研究菲律賓活動(dòng)帶各個(gè)地區(qū)可能存在的古老變質(zhì)基底的年代及其屬性具有重要意義,可以對(duì)反演其初始構(gòu)造屬性(僅是太平洋洋內(nèi)島弧,還是來源于古老的澳大利亞板塊)提供直觀的地質(zhì)證據(jù)。

菲律賓群島北部呂宋島弧北部巴丹地區(qū)已發(fā)現(xiàn)埃達(dá)克質(zhì)安山巖[34],在群島北部曼卡延、碧瑤等地區(qū)和群島中部東、西兩側(cè)分布的火山島鏈也表現(xiàn)為埃達(dá)克巖或埃達(dá)克質(zhì)巖石的地球化學(xué)特征[11, 35-37],這些埃達(dá)克(質(zhì))巖均被認(rèn)為是南海海盆沿馬尼拉海溝向呂宋島深部發(fā)生俯沖的產(chǎn)物[38]。中部內(nèi)格羅斯島內(nèi)格羅斯山地區(qū)發(fā)現(xiàn)的埃達(dá)克巖與蘇祿海盆沿內(nèi)格羅斯海溝俯沖有關(guān)[34, 39]。南部棉蘭老地區(qū)埃達(dá)克巖稍顯復(fù)雜,因?yàn)樵搮^(qū)東、西兩側(cè)均為俯沖帶,菲律賓海板塊沿菲律賓海溝向西俯沖,西里伯斯海海盆沿哥打巴托海溝向東北方向俯沖[40-41]。此外,該區(qū)哥打巴托斷裂帶以南部分地區(qū)(包括現(xiàn)今的南哥打巴托礦集區(qū),圖1)在約10 Ma以來仍受摩鹿加海盆沿桑義赫海溝向西俯沖影響[42]。

圖1 菲律賓構(gòu)造巖漿活動(dòng)與主要斑巖型銅金礦床分布圖[43,52]Fig. 1 Tectonic-magmatic activities and distributions of porphyry copper-gold deposits in the Philippines[43,52]

上述區(qū)域巖漿—成礦活動(dòng)分別受控于新特提斯構(gòu)造域背景下形成的西里伯斯海、南海、蘇祿海以及摩鹿加海等海盆俯沖,前人研究集中在各區(qū)域單個(gè)礦床及含礦巖石的地質(zhì)特征、年代學(xué)及成因等方面[43-49],而對(duì)巖漿-成礦物質(zhì)來源卻鮮有報(bào)道。前人關(guān)于巖石年代學(xué)研究大多數(shù)基于全巖或含鉀礦物的K-Ar法,由于該定年體系封閉溫度較低,測得的年齡可能低于實(shí)際年齡,因此,運(yùn)用鋯石U-Pb定年技術(shù)更有利于精確厘定各類Cu-Au成礦相關(guān)巖漿巖的形成時(shí)代。此外,呂宋島埃達(dá)克巖的形成,究竟與南海海盆俯沖洋殼部分熔融相關(guān),還是與黃巖海山鏈的洋脊俯沖相關(guān)[50-51]?這些問題也值得進(jìn)一步研究和探討。

內(nèi)格羅斯島西南礦集區(qū)出露與蘇祿海俯沖無關(guān)的漸新世斑巖銅礦及含礦島弧巖石,其中部內(nèi)格羅斯山地區(qū)又發(fā)現(xiàn)一些與蘇祿海俯沖相關(guān)的全新世埃達(dá)克巖,二者在成因和物質(zhì)來源上有何區(qū)別?對(duì)應(yīng)何種性質(zhì)的俯沖大洋巖石圈?這些問題同樣值得探討,深入開展相關(guān)對(duì)比研究,有助于理解菲律賓活動(dòng)帶西側(cè)及南部不同邊緣海盆的殼幔組成差異和演化歷史。

2 埃達(dá)克巖與斑巖型銅金成礦作用

埃達(dá)克巖的原始定義指形成于島弧環(huán)境的高鋁高鍶貧重稀土的中酸性巖漿巖,具有銅金礦床的成礦潛力[6,53]。大多數(shù)埃達(dá)克巖都與斑巖型銅礦床有關(guān)[6,12,53-54],但也有例外,如蘇魯—大別山造山帶的埃達(dá)克巖則無銅礦化。增厚的榴輝巖下陸殼部分熔融[55-56]、石榴石[57]或角閃石[58]的分離結(jié)晶也可能形成高Sr/Y巖漿。與俯沖板片相比,下陸殼熔體的銅含量及氧逸度低得多,不利于形成斑巖型銅礦床[59]。通過板片熔融形成的埃達(dá)克巖確實(shí)有利于斑巖銅礦化[10,12,53,59]。目前,關(guān)于埃達(dá)克巖的成礦潛力主要有以下認(rèn)識(shí)。

2.1 氧化作用

由于氧化海床蝕變引起高Fe3+含量,所以板片熔體可能被異常氧化并富含硫[54]。升高的氧逸度導(dǎo)致地幔楔中含親硫金屬的硫化物被氧化,將金屬釋放到硅酸鹽熔體相中[10]。然而,盡管氧化對(duì)于斑巖礦化至關(guān)重要,但與普通弧巖漿相比,埃達(dá)克巖的系統(tǒng)性氧化并不強(qiáng)[6,29,59-60], 正?；∪垠w的系統(tǒng)性銅含量沒有大洋中脊玄武巖(MORB)高[61]。

2.2 水的參與

有學(xué)者[11]提出板片熔體可能通常富含水。巖漿中的高水含量抑制斜長石的結(jié)晶,并促進(jìn)閃石的形成,從而導(dǎo)致高Sr/Y特征[62]。但問題在于,目前沒有研究表明埃達(dá)克巖比普通弧巖漿含水量更高。此外,閃石的結(jié)晶在銅礦化中無任何作用。銅與大多數(shù)主要硅酸鹽礦物不相容,但在閃石中可能相容,這取決于巖漿和閃石的成分[6]。因此,關(guān)于水豐度的論據(jù)不能合理解釋埃達(dá)克巖和斑巖礦床之間的關(guān)系。由于存在不確定性,因此,有學(xué)者[63]認(rèn)為沒有明顯理由說明板片熔體具有異常高的形成斑巖型礦床的潛力。

2.3 長英質(zhì)組分加入

埃達(dá)克巖由玄武巖的部分熔融形成,因此,邏輯上它們應(yīng)該比橄欖巖熔體顯示長英質(zhì)的特征[53]。有學(xué)者[53]認(rèn)為由于長英質(zhì)具有黏性,埃達(dá)克巖作為侵入深成巖體可能更易結(jié)晶,從而產(chǎn)生更有效的地殼巖漿-熱液系統(tǒng)。實(shí)際上,與斑巖型銅礦床相關(guān)的埃達(dá)克巖的成分大多數(shù)為中間體,而不是長英質(zhì)。

2.4 構(gòu)造擠壓

埃達(dá)克巖通常由年輕洋殼的平面俯沖產(chǎn)生,與上盤壓應(yīng)力相關(guān)。這樣的環(huán)境應(yīng)有利于捕獲非噴發(fā)的封閉系統(tǒng)巖漿,在該巖漿中,硫可能以熱液型硫化物和硫酸根的形式沉淀,而不是以SO2的形式脫氣[54]。另外,擠壓還導(dǎo)致隆起和剝蝕,有利于斑巖型礦床的出露。

2.5 高銅物質(zhì)對(duì)成礦作用的控制

洋殼的銅含量(約100×10-6)遠(yuǎn)高于地幔(30×10-6)[64]或陸殼(約27×10-6[65])。有學(xué)者[59]認(rèn)為,俯沖洋殼部分熔融會(huì)形成具有較高初始銅含量的埃達(dá)克巖,有利于斑巖型銅礦化。目前,氧逸度對(duì)普通弧巖漿的影響已建立了相關(guān)模型[61]。普通弧巖漿巖是由地幔楔中橄欖巖部分熔融形成的,原始地幔S含量約250×10-6[64],而虧損地幔橄欖巖S含量約150×10-6[66]。即使在還原條件下,地幔橄欖巖部分熔融也可消除殘留的硫化物,例如,在ΔFMQ=0時(shí),約20%的地幔橄欖巖發(fā)生部分熔融[61]。相反,洋殼的硫含量>1 000×10-6[66],比原始地幔的硫含量高約4倍[64]。如前所述,高于ΔFMQ=+2的氧逸度對(duì)于消除板片熔融過程中的殘留硫化物至關(guān)重要。但是,在氧逸度高于ΔFMQ=+2的情況下,5%～10%的部分熔融足以消除俯沖洋殼中殘留的硫化物。當(dāng)然,巖漿高Cu含量、高S含量與含礦斑巖高Cu含量、高S含量一致。

3 銅在弧巖漿中的地球化學(xué)行為

銅在弧巖漿中具有復(fù)雜的地球化學(xué)行為。大陸弧和島弧中原始弧巖漿(MgO>6%)的銅含量不僅相似,且與大洋玄武巖(如洋中脊玄武巖)的銅含量也相似[61],表明俯沖板塊對(duì)銅的貢獻(xiàn)最小。這些相似之處也表明,弧下地幔的氧化還原條件與洋中脊擴(kuò)張中心的氧化還原條件不存在顯著差異。如果弧下地幔氧化作用更強(qiáng),硫化物在熔化過程中會(huì)被消耗,導(dǎo)致巖漿中的銅含量增加。這些氧化還原條件的相似性令人困惑,因?yàn)閹缀跛袊姲l(fā)的弧熔巖[67]和斑巖型銅礦[68]比典型的大洋玄武巖更容易被氧化。斑巖型銅礦的母巖漿是一開始就被氧化了還是在分異過程中被氧化?

另一個(gè)值得關(guān)注的問題是弧巖漿的分異和演化[61,69]。大陸弧巖漿的銅含量減少,而大多數(shù)島弧的含銅量增加。因此,斑巖型銅礦與耗盡銅元素的巖漿有關(guān)(即貧銅巖漿),銅含量較高的島弧巖漿一般沒有形成斑巖型銅礦。銅在分異過程中的行為差異是由于硫的行為差異造成的:在銅的脫溶過程中硫化物飽和,在銅的富集過程中硫化物飽和被抑制[70]。壓力、溫度、氧逸度、巖漿水和鐵含量控制了硫化物的飽和時(shí)間。雖然初始氧逸度可能存在差異,但差異太小,無法發(fā)揮主導(dǎo)作用[71-72],對(duì)提升硫化物在高壓下的穩(wěn)定性也具有一定作用[73-74]。然而,由于硫化物的溶解度與巖漿的FeO含量密切相關(guān),最重要的因素可能是鐵的演化[66,75]。目前,鐵的行為與地殼厚度之間的關(guān)系尚不清楚。

4 菲律賓群島銅金礦床

菲律賓群島以世界級(jí)銅金礦床聞名于世,包括斑巖型銅金礦床及淺成熱液型金礦床[52,76-77],礦床成因?yàn)榕c群島周圍的現(xiàn)今板塊或古板塊的俯沖作用有關(guān)。這些斑巖型銅金礦床大多數(shù)與淺成閃長巖、石英閃長斑巖在時(shí)空上存在親緣關(guān)系,其中一些斑巖與火山巖-次火山巖有一定的親緣關(guān)系,值得注意的是,這些斑巖大多數(shù)具有埃達(dá)克巖的地球化學(xué)特征[11,22,37,43,78-81]。此外,還有少量斑巖型銅金礦床與堿性二長巖-正長巖相關(guān)。這些長英質(zhì)斑巖大多數(shù)表現(xiàn)出埃達(dá)巖的地球化學(xué)特征[11,37,43,79-80],即Sr含量高、Sr/Y值高、Y和Yb含量低[30,82-83]。菲律賓活動(dòng)帶火山活動(dòng)大多數(shù)與白堊紀(jì)以來的俯沖有關(guān),其中巖漿活動(dòng)峰值出現(xiàn)在始新世、中新世和上新世—第四紀(jì)[20]。如今仍在活躍的新生代俯沖造成了弧狀火山巖、富鈮玄武巖、埃達(dá)克巖和大型銅金礦床廣泛發(fā)育[11,28,30,34,79]。斑巖型銅金礦床及淺成熱液型金礦廣泛分布在菲律賓群島[49,52,76-77]。(圖1),尤以呂宋島、內(nèi)格羅斯島、宿霧島和棉蘭老島為主,其形成原因是菲律賓群島周邊的當(dāng)代俯沖(呂宋島和棉蘭老島)或古代俯沖(內(nèi)格羅斯島和宿霧島)作用。

菲律賓銅金礦產(chǎn)資源世界一流,聞名遐邇,其中大型斑巖型銅金礦床及淺成熱液型金礦在菲律賓群島廣泛發(fā)育[49,52,76-77],其形成原因是群島周圍現(xiàn)代俯沖或古代俯沖作用。這些斑巖型銅金礦床大多數(shù)與淺成閃長玢巖、石英閃長玢巖存在時(shí)空親緣關(guān)系,其中一些還與火山—次火山斑巖(如安山玢巖、英安斑巖)有親緣關(guān)系。此外,還有少量斑巖型銅金礦床與堿性二長—正長巖相關(guān)。有趣的是,這些長英質(zhì)斑巖大多數(shù)表現(xiàn)出埃達(dá)克巖的地球化學(xué)特征[11,37,43,79-80],即Sr含量高,Sr/Y比值高,Y和Yb含量低[30,82-83]。

埃達(dá)克巖成因模型主要有:① 俯沖洋殼部分熔融后,地震脊或海山鏈俯沖[78,84-86]或板片回撤形成[78,81];② 含石榴石角閃巖下部島弧地殼部分熔融形成[87];③ 幔源玄武質(zhì)鈣堿性島弧巖漿在地殼層(角閃石、磷灰石、鈦鐵礦,呂宋島西部和棉蘭老島南部)[48,58,88]或地幔層(石榴石,棉蘭老島東部)分離結(jié)晶形成[57,89];④ 由板片埃達(dá)克質(zhì)熔體與幔源鎂鐵質(zhì)熔體的巖漿混合形成[34,79]。菲律賓群島埃達(dá)克質(zhì)巖石的多種生成模型,使探究斑巖銅金礦床及伴生含礦斑巖的成因和源巖遇到挑戰(zhàn)。

菲律賓群島埃達(dá)克巖的不同成因認(rèn)識(shí)給斑巖銅金礦床及其伴生含礦斑巖的成因和來源認(rèn)識(shí)帶來困難。例如,在呂宋島北部勒班陀—遠(yuǎn)東南地區(qū)的斑巖-高硫化熱液礦床中[90-91],自漸新世晚期—上新世—更新世,斑巖和超熱成礦達(dá)到高峰,但含礦斑巖或侵入體的成因仍有待闡明。此外,這些礦床內(nèi)部或附近還存在早期或幾乎同期的輝長巖脈或輝綠巖脈,這些基性巖脈具有弧地球化學(xué)特征,并與埃達(dá)克質(zhì)斑巖緊密共存。然而,這些基性巖脈與含礦斑巖的成因聯(lián)系長期被忽視。

4.1 菲律賓北部呂宋島碧瑤斑巖銅礦

位于呂宋島西側(cè)科迪勒拉中央山脈的碧瑤礦區(qū)及其周邊發(fā)育一套早中新世—上新世—更新世鈣堿性和埃達(dá)克質(zhì)侵入體,同時(shí)伴隨斑巖銅礦及低溫?zé)嵋盒偷V床(圖1)。該區(qū)已發(fā)現(xiàn)的最古老基底為形成于島弧—邊緣海盆地環(huán)境的晚白堊世SSZ(supra-subduction zone)型蛇綠巖套[92-93],其上被始新世弧后特征的拉斑質(zhì)普哥變火山巖覆蓋,早漸新世—早中新世日格乍哥組深海相沉積地層不整合覆蓋于普哥變火山巖之上,日格乍哥組火山巖之上又被厚層的早中新世科隆礁灰?guī)r(約16 Ma)整合覆蓋。碧瑤地區(qū)東部安布克勞壩地區(qū)出露早中新世鈣堿性花崗閃長雜巖侵入體,被稱為阿尼奧巖基或中央科迪勒拉閃長雜巖(簡稱CCDC)[94], 侵入于普哥/日格乍哥地層中,其形成時(shí)代早于科隆礁灰?guī)r,前人研究發(fā)現(xiàn)其時(shí)代為21.2～ 18.7 Ma[46,94], 與西菲律賓海盆向西俯沖相關(guān),礦化作用較弱。該區(qū)第二期巖漿活動(dòng)集中在15.3～8.0 Ma, 形成了一系列鈣堿性和埃達(dá)克質(zhì)火山巖-侵入巖及斑巖銅金礦床,該期巖漿活動(dòng)與南海形成后開始向呂宋島的動(dòng)向俯沖相關(guān)。位于碧瑤礦區(qū)北側(cè)的羅博-博納斑巖銅礦床中賦礦石英閃長玢巖(10.5±0.4 Ma)[43]是該期巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。該區(qū)第三期巖漿活動(dòng)集中于上新世—更新世,伴隨鈣堿性—埃達(dá)克質(zhì)的閃長質(zhì)和英安質(zhì)侵入體及銅金成礦作用[36,43,94],與南海(黃巖海山鏈)洋脊俯沖背景下板片撕裂作用相關(guān)[46,95],代表性礦床為勒班陀-遠(yuǎn)東南斑巖型銅金礦床。

4.2 菲律賓中部內(nèi)格羅斯島西南部Cu-Au礦集區(qū)

位于菲律賓中部內(nèi)格羅斯島西南部的Cu-Au礦集區(qū)從西北部錫帕萊一直延伸60 km到東南部安唷地區(qū),該礦集區(qū)發(fā)育一系列著名的斑巖型礦床,如錫帕萊, 希諾巴安和巴賽等(圖1),礦體大多數(shù)侵入閃長雜巖體中,形成時(shí)代為漸新世(38.4～34.4 Ma)[44],早于蘇祿海盆打開的時(shí)間(19～15 Ma)[16],與蘇祿海盆的俯沖無關(guān)。值得注意的是,這些斑巖銅礦以及相關(guān)的島弧巖石可能與漸新世新特提斯洋閉合過程中印—澳板塊向北俯沖相關(guān)[17]。該區(qū)礦床除了通過K-Ar法對(duì)含礦巖石的形成時(shí)代進(jìn)行了限定以外[44],系統(tǒng)的地球化學(xué)研究還相當(dāng)匱乏。選取該區(qū)漸新世斑巖銅礦及相關(guān)的巖石開展地球化學(xué)研究,厘清巖石屬性、巖石成因、源區(qū)性質(zhì)等,同時(shí)對(duì)比上新世—全新世形成的與蘇祿海俯沖相關(guān)的島弧火山巖-埃達(dá)克質(zhì)巖等(如坎拉翁和柯爾諾地區(qū))[48],對(duì)于反演新特提斯洋俯沖及隨后的新特提斯洋俯沖背景下邊緣海盆地形成中的物質(zhì)循環(huán)具有重要意義。

4.3 菲律賓中部究宿務(wù)島阿特拉斯Cu-Au礦集區(qū)

阿特拉斯Cu-Au礦集區(qū)位于菲律賓中部宿務(wù)島中部[52], 礦區(qū)包括早白堊世火山巖組合以及Cu-Au成礦相關(guān)的埃達(dá)克質(zhì)閃長巖[80-81]。

菲律賓中部宿務(wù)島坎西地區(qū)火山巖組合主要包括玄武巖、輝綠巖、玄武安山質(zhì)火山碎屑巖及安山玢巖,安山玢巖年齡為(126.2± 2.4) Ma,火山碎屑巖年齡為(118.5±1.2) Ma,與Cu-Au成礦相關(guān)的閃長巖及閃長玢巖年齡為(112.5±1.5) Ma,均顯示其形成于早白堊世[80]。宿務(wù)地區(qū)早白堊火山巖與西菲律賓盆地北部及南部邊緣奄美高原以及印度尼西亞哈馬黑拉島地區(qū)早白堊島弧玄武巖具有相似的微量元素特征[80]。宿務(wù)火山巖組合中火山碎屑巖的鋯石Hf同位素組成接近虧損地幔,與奄美高原玄武巖接近,指示其源區(qū)可能為俯沖的天平洋型MORB[80]。相比火山碎屑巖及MORB,安山玢巖鋯石Hf同位素組成更富集,指示其源區(qū)除了俯沖大洋殼以外,還有少量俯沖沉積物。坎西地區(qū)中部發(fā)現(xiàn)的閃長巖位于Atlas銅礦外圍,侵入于早期火山碎屑巖中,并在接觸帶部位伴隨銅礦化,具有高Sr/Y值、La/Yb值及低Y、Yb含量,高M(jìn)gO含量及Mg#值特征,具有典型的高鎂埃達(dá)克巖特征。

菲律賓阿特拉斯斑巖銅礦含礦閃長巖體形成時(shí)代為109～107 Ma,具有典型的埃達(dá)克質(zhì)巖地球化學(xué)特征,形成于俯沖的古太平洋板塊部分熔融,反應(yīng)了古太平洋板塊的俯沖-后撤作用。該閃長巖體具有高的氧逸度,是形成該區(qū)大型斑巖型銅礦床的有利因素。結(jié)合該區(qū)新生代以前的構(gòu)造演化史,認(rèn)為宿務(wù)地區(qū)普通島弧巖石與埃達(dá)克巖組合形成于古太平洋板塊向古菲律賓板塊俯沖及后撤過程,區(qū)內(nèi)阿特拉斯等斑巖型銅金可能是構(gòu)造巖漿事件的產(chǎn)物。鋯石U-Pb定年結(jié)果[81]顯示,巖漿結(jié)晶時(shí)形成的鋯石極少,大多數(shù)為新元古代—古元古代的古老鋯石或繼承核,暗示呂宋島基底存在類似于澳大利亞或華南的古老基底。

4.4 菲律賓南部棉蘭老島哥打巴托礦集區(qū)

位于菲律賓南部棉蘭老南哥打巴托礦集區(qū)(圖1),地處復(fù)雜的地體增生—弧弧碰撞相關(guān)的同碰撞-后碰撞構(gòu)造環(huán)境,屬于中新世—上新世桑義赫火山弧的北緣,與摩鹿加海板塊向西俯沖相關(guān)[17,88]。這些洋殼俯沖及弧-弧碰撞形成的巖漿提供了成礦物質(zhì),使該區(qū)發(fā)育一系列斑巖型銅金礦床。該區(qū)地殼擠壓以及相應(yīng)的構(gòu)造變形從約7 Ma一直持續(xù)到現(xiàn)今,在4～2 Ma達(dá)到高峰,斑巖銅礦以及高硫型熱液礦床成礦作用在這期間最活躍[88]。坎銅金礦床是該區(qū)疊加在深部斑巖型銅金礦床上的高硫型熱液礦床,估計(jì)礦石總量2 500 Mt(Cu 0.48%, Au 0.2 g/t),是東南亞地區(qū)現(xiàn)今尚未開采的最大的銅金礦床[88,96]。礦體賦存在Tampakan安山巖序列上新世層狀火山巖中,與下地殼巖漿房中的閃長質(zhì)巖漿及成礦物質(zhì)的不斷釋放(7 Ma開始)密切相關(guān),形成角閃閃長玢巖巖株和巖脈,并伴隨斑巖型及高硫熱液型Cu-Au礦化作用。該區(qū)角閃閃長玢巖的地球化學(xué)特征、源區(qū)性質(zhì)、巖漿氧逸度條件等研究還較欠缺,進(jìn)一步開展研究工作對(duì)了解該區(qū)金屬元素富集機(jī)制,限定Molucca海板塊中新世以后的俯沖及弧—弧碰撞過程具有重要意義。

5 值得關(guān)注的幾個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題

菲律賓島弧埃達(dá)克巖成礦金屬元素(如Cu、Au等)的初始富集機(jī)制存在爭議,主要觀點(diǎn)包括:① 具有相對(duì)高Cu含量的俯沖洋殼部分熔融,形成具有高初始Cu含量的含水富硫埃達(dá)克質(zhì)巖漿,高的氧逸度使巖漿中的硫以硫酸鹽的形式存在,進(jìn)而確保親硫金屬元素(Cu、Au等)可在熔體中搬運(yùn)至淺地表并最終成礦[6,61];② 盡管含水幔源島弧巖漿具有初始較低的親硫元素含量(或具有高的親硫元素含量),但在高氧逸度條件下,經(jīng)AFC過程也可以逐漸富集親硫元素并最終成礦[62]。也有學(xué)者[6]認(rèn)為,后期的AFC過程對(duì)Cu富集礦化并有沒有作用,只有初始富銅且具有高氧逸度的埃達(dá)克質(zhì)巖漿才可能在后期的巖漿熱液演化過程中形成斑巖銅礦。

世界上大部分經(jīng)濟(jì)型銅資源都賦存在斑巖型銅礦床中,這些淺層巖漿侵入體多數(shù)與厚(>45 km)的巖漿弧有關(guān),如成熟的島弧和大陸弧。然而,尚未解決的問題是:對(duì)于穿過厚地殼的弧巖漿,特別是大陸弧,通常銅元素被耗盡,而在島弧中,斑巖型銅礦床較少,巖漿中銅元素含量增加。有學(xué)者[97]認(rèn)為從下地殼到上地殼,斑巖型銅礦床的形成需要復(fù)雜的地殼巖漿作用序列。當(dāng)?shù)貧ぷ兊米銐蚝?>45 km),能使石榴石結(jié)晶時(shí),可形成斑巖型銅礦床。安第斯山脈中部斑巖型銅礦床研究[97]表明,當(dāng)大陸弧達(dá)到最大厚度(>60 km)時(shí),巖漿活動(dòng)終止之前就會(huì)成礦。

當(dāng)前研究[8,10,43,68,98]普遍認(rèn)為,大多數(shù)斑巖型銅礦是通過注入富含S和金屬的、水流體飽和的氧化性埃達(dá)克巖漿而形成,即母巖漿必須富水和被氧化。但是,有爭議的是:為什么高氧逸度有利于斑巖型礦床的礦化?巖漿是如何被氧化的?埃達(dá)克質(zhì)巖漿在斑巖礦化中是否不可或缺?斑巖型礦床是否與普通弧巖漿巖相關(guān)?為什么純斑巖型鉬礦床也與高度氧化的巖漿密切相關(guān)?

銅是一種親硫元素,易于形成硫化物礦物[99-100]。銅在大多數(shù)硅酸鹽相中不相容[61,101-102]。在高度氧化條件下,硫的主要形態(tài)是硫酸鹽(S6+),硫化物不穩(wěn)定,且銅被有效地輸送到熔體或流體相中[61,79,103]。在外界條件下降到足以使硫化物種類穩(wěn)定時(shí),如果體系中硫化物達(dá)到飽和,銅將被保留在硫化物礦物中。從含硫化物的物質(zhì)中提取銅,需要有高到足以耗盡硫化物的熔融程度或高到足以破壞硫化物的穩(wěn)定狀態(tài)[61, 104]。同樣,當(dāng)巖漿達(dá)到硫化物飽和時(shí),熔體中的銅被有效地提取,導(dǎo)致富銅堆積。當(dāng)然,由于諸多復(fù)雜因素,上述均為概括特征。例如,在不考慮氧逸度時(shí),高熔點(diǎn)會(huì)耗盡硫化物,使銅不相容,對(duì)其物質(zhì)來源會(huì)造成一定影響。目前,壓力、溫度、水含量和熔體成分對(duì)溶解度和物質(zhì)形成的控制方式尚未得到完全解決。

實(shí)驗(yàn)表明,硫酸根比硫化物在巖漿中的溶解度更高[105-106]。因此,在更高的氧逸度條件下,多數(shù)硫以硫酸根的形式被去除[6,8,61]。在氧化性巖漿的演化進(jìn)程中,硫化物處于不飽和狀態(tài),不會(huì)發(fā)生硫化物熔離[98]。因此,作為中度不相容元素的Cu、Mo和Au[64],在巖漿演化早期富集,并在磁鐵礦結(jié)晶的還原作用下[107],或其他還原過程中溶解到巖漿流體中。問題是,大多數(shù)弧深成巖體都是水飽和和高度氧化的,為什么在弧環(huán)境中只有極少數(shù)特殊巖漿(主要以高Sr/Y和高Sr為特征的埃達(dá)克巖)形成斑巖礦床呢?這是值得深入探索的科學(xué)問題。 據(jù)此,我們將主要前緣科學(xué)問題歸納如下。

(1)為什么大多數(shù)與氧化性巖漿有關(guān)的斑巖型礦床都分布在匯聚板塊邊緣?重點(diǎn)研究與構(gòu)造活動(dòng)密切相關(guān)的成巖-成礦作用的耦合機(jī)制,關(guān)注中新生代成巖—成礦作用是否存在差異?成巖-成礦構(gòu)造機(jī)制是否存在轉(zhuǎn)化?研究白堊紀(jì)成礦和第三紀(jì)成礦作用起始和持續(xù)時(shí)間差異的動(dòng)因,是否反映了兩者基本處在統(tǒng)一的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景之下?這種構(gòu)造背景是古太平洋板塊俯沖還是現(xiàn)今太平洋板塊提供的物質(zhì)與動(dòng)力?

(2)斑巖礦化最有利的氧逸度范圍是多少?識(shí)別有利于成礦的地球化學(xué)指標(biāo),研究中新生代板塊俯沖洋殼重熔巖漿作用形成機(jī)理,探討其對(duì)區(qū)域銅金等多金屬礦床的貢獻(xiàn)。探討在源區(qū)部分熔融、巖漿演化和熔流體相互作用等過程中,哪些內(nèi)在條件(巖漿物質(zhì)端元,結(jié)晶分異,氧逸度,H2O含量,F、Cl含量,溫度)是控制成礦物質(zhì)遷移與富集的關(guān)鍵因素?這些控制因素與什么樣的深部過程和構(gòu)造背景相對(duì)應(yīng)?

(3)探索銅在弧中具有的復(fù)雜行為。大陸弧和島弧中原始弧巖漿(MgO>6%)的銅含量不僅相似,且與大洋玄武巖(如洋中脊玄武巖)的銅含量也相似[61],表明俯沖板塊對(duì)銅的貢獻(xiàn)最小。因此,查明不同成因及物質(zhì)來源的斑巖銅礦金屬富集機(jī)制,是一個(gè)重要的科學(xué)問題,是初始埃達(dá)克質(zhì)熔體就已經(jīng)富集成礦金屬元素?還是巖漿在后期AFC過程中才逐漸富集成礦元素?巖漿演化過程中Cu、Au等成礦金屬元素是何種變化趨勢(shì)?這些問題均需要進(jìn)一步深入研究。這些相似之處也表明,弧下地幔的氧化還原條件與洋中脊擴(kuò)張的氧化還原條件并不存在顯著差異。如果弧下地幔的氧化作用更強(qiáng),硫化物在熔化過程中會(huì)被更有效地消耗,導(dǎo)致巖漿中銅含量增加。這些氧化還原條件的相似性令人困惑,因?yàn)閹缀跛袊姲l(fā)的弧熔巖[108-109]和斑巖型銅礦[68]比典型的大洋玄武巖更容易被氧化。與斑巖型銅礦成礦有關(guān)的巖漿是一開始就被氧化了還是在分異過程中被氧化?

(4)建議從中新生代板塊俯沖洋殼重熔巖漿作用及礦床形成機(jī)理入手,揭示板塊俯沖過程中以流體為紐帶的跨圈層(海洋—地殼—地幔)物質(zhì)和能量交換及其資源環(huán)境效應(yīng),深入研究菲律賓全島斑巖型銅金礦床區(qū)域成礦規(guī)律和控礦因素,建立其成礦和找礦模式。