西環太平洋菲律賓群島中酸性巖漿活動與斑巖型銅金成礦:兼論埃達克巖與斑巖型銅金成礦

楊曉勇,蔡逸濤,徐敏成

(1.中國科學技術大學地球和空間科學學院, 安徽 合肥 230001;2.中國地質調查局南京地質調查中心,江蘇 南京 210016; 3.環太平洋戰略礦產資源聯合研究中心,江蘇 南京 210016)

成礦作用的實質是元素的遷移、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和成礦作用地球動力學研究的熱點。一般認為,在板塊俯沖過程中,俯沖板片變質脫水產生大量富集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,目前普遍認為這類礦床往往產在與大洋板塊消減有關的匯聚板塊邊緣[5],主要受俯沖帶氧逸度和流體性質等因素控制[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?這些問題都值得進一步研究。另外,通過研究中酸性巖漿活動與斑巖型銅金成礦響應,對西太平洋板塊構造演化進行約束,特別是研究中新生代島弧巖漿巖和斑巖型銅金礦床進行詳細的地質-地球化學特征,可對西太洋板塊構造演化提供重要的科學判據。菲律賓島弧南北中新生代成巖成礦作用的時代差異明顯,二者在成礦模式上是否也存在差異?這個問題值得進一步探討。埃達克巖對斑巖型銅金礦床的制約作用是目前國際上研究的熱點,但也存在著激烈的爭議[11-12],爭議焦點是太平洋板塊的俯沖作用僅僅在動力學機制上(板內),還是同時在能量和物質上(活動大陸邊緣)主導著島弧的成巖成礦作用?菲律賓島弧屬于環太平洋成礦帶的重要組成部分,區內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,主體是受太平洋板塊俯沖、改造和影響的結果。菲律賓島弧中新生代巖漿作用和多金屬成礦集中爆發,且從南到北,巖漿巖和成礦作用存在明顯差異,這為深入開展相關研究提供了條件。因此,本文對上述問題進行深入研究和探討,以期能深入探討國際學術界長期爭議的關鍵科學問題。

1 區域構造背景及島弧巖漿巖

菲律賓群島位于東南亞地區最東側,由大陸島弧及大洋島弧合并拼貼而成,四周被現今仍活動的俯沖帶環繞,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、西兩側進行俯沖(圖1)。西里伯斯海、南海以及蘇祿海3個邊緣海盆地均形成于特提斯構造域,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,其構造演化歷史與新特提斯洋的關閉及印度板塊沿巽他海溝向大陸俯沖—碰撞過程緊密相關。45～25 Ma,因受澳大利亞板塊向北運動的影響,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亞發生弧-陸碰撞,澳大利亞北部大洋巖石圈向北俯沖才結束[19]。白堊紀以來,該區巖漿作用一直很活躍,在新生代達到巖漿活動峰值,形成了一系列巖漿巖帶,時代包括白堊紀、始新世、漸新世、中新世、上新世、第四紀等,絕大多數巖漿活動均與俯沖事件有關[20]。

大地構造位置上,菲律賓群島位于歐亞大陸和西菲律賓海板塊交界處,是一個由海洋、大陸和島弧組成的地體[21]。這里地震活動劇烈,發育眾多活火山[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、呂宋島西北部等地區大陸基底巖石外,菲律賓群島及周邊塊體常被學術界稱為“菲律賓活動帶”,形成于菲律賓海/太平洋板塊的洋內島弧[24]。一般認為,該活動帶在菲律賓板塊和太平洋板塊形成了洋內島弧[24-26]。菲律賓活動帶東部和西部分別被幾個俯沖帶包圍(圖1),其中位于呂宋島東部海槽—菲律賓海溝的東部島弧[27],與遠洋沉積物向西俯沖有關。位于馬尼拉、蘇祿—內格羅斯、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[27-29]。有學者[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。菲律賓巖漿活動帶是一個以外來地體為主的復雜組合體,其主要構造源自南太平洋,可能是新第三紀從印度—澳大利亞板塊斷裂,進而合并為現今的構造格局。菲律賓活動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]。

菲律賓活動帶最古老的變質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,原巖形成時代為侏羅紀—白堊紀[20],其構造屬性大多數具有特提斯型特征[23, 32]。此外,一部分活動帶來自于印度—澳大利亞板塊[33],但目前并未發現早于侏羅紀(類似于澳大利亞板塊)的古老變質基底。因此,研究菲律賓活動帶各個地區可能存在的古老變質基底的年代及其屬性具有重要意義,可以對反演其初始構造屬性(僅是太平洋洋內島弧,還是來源于古老的澳大利亞板塊)提供直觀的地質證據。

菲律賓群島北部呂宋島弧北部巴丹地區已發現埃達克質安山巖[34],在群島北部曼卡延、碧瑤等地區和群島中部東、西兩側分布的火山島鏈也表現為埃達克巖或埃達克質巖石的地球化學特征[11, 35-37],這些埃達克(質)巖均被認為是南海海盆沿馬尼拉海溝向呂宋島深部發生俯沖的產物[38]。中部內格羅斯島內格羅斯山地區發現的埃達克巖與蘇祿海盆沿內格羅斯海溝俯沖有關[34, 39]。南部棉蘭老地區埃達克巖稍顯復雜,因為該區東、西兩側均為俯沖帶,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,該區哥打巴托斷裂帶以南部分地區(包括現今的南哥打巴托礦集區,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 菲律賓構造巖漿活動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]

上述區域巖漿—成礦活動分別受控于新特提斯構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域單個礦床及含礦巖石的地質特征、年代學及成因等方面[43-49],而對巖漿-成礦物質來源卻鮮有報道。前人關于巖石年代學研究大多數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際年齡,因此,運用鋯石U-Pb定年技術更有利于精確厘定各類Cu-Au成礦相關巖漿巖的形成時代。此外,呂宋島埃達克巖的形成,究竟與南海海盆俯沖洋殼部分熔融相關,還是與黃巖海山鏈的洋脊俯沖相關[50-51]?這些問題也值得進一步研究和探討。

內格羅斯島西南礦集區出露與蘇祿海俯沖無關的漸新世斑巖銅礦及含礦島弧巖石,其中部內格羅斯山地區又發現一些與蘇祿海俯沖相關的全新世埃達克巖,二者在成因和物質來源上有何區別?對應何種性質的俯沖大洋巖石圈?這些問題同樣值得探討,深入開展相關對比研究,有助于理解菲律賓活動帶西側及南部不同邊緣海盆的殼幔組成差異和演化歷史。

2 埃達克巖與斑巖型銅金成礦作用

埃達克巖的原始定義指形成于島弧環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]。大多數埃達克巖都與斑巖型銅礦床有關[6,12,53-54],但也有例外,如蘇魯—大別山造山帶的埃達克巖則無銅礦化。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克巖確實有利于斑巖銅礦化[10,12,53,59]。目前,關于埃達克巖的成礦潛力主要有以下認識。

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,盡管氧化對于斑巖礦化至關重要,但與普通弧巖漿相比,埃達克巖的系統性氧化并不強[6,29,59-60], 正?；∪垠w的系統性銅含量沒有大洋中脊玄武巖(MORB)高[61]。

2.2 水的參與

有學者[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晶,并促進閃石的形成,從而導致高Sr/Y特征[62]。但問題在于,目前沒有研究表明埃達克巖比普通弧巖漿含水量更高。此外,閃石的結晶在銅礦化中無任何作用。銅與大多數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,關于水豐度的論據不能合理解釋埃達克巖和斑巖礦床之間的關系。由于存在不確定性,因此,有學者[63]認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 長英質組分加入

埃達克巖由玄武巖的部分熔融形成,因此,邏輯上它們應該比橄欖巖熔體顯示長英質的特征[53]。有學者[53]認為由于長英質具有黏性,埃達克巖作為侵入深成巖體可能更易結晶,從而產生更有效的地殼巖漿-熱液系統。實際上,與斑巖型銅礦床相關的埃達克巖的成分大多數為中間體,而不是長英質。

2.4 構造擠壓

埃達克巖通常由年輕洋殼的平面俯沖產生,與上盤壓應力相關。這樣的環境應有利于捕獲非噴發的封閉系統巖漿,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,擠壓還導致隆起和剝蝕,有利于斑巖型礦床的出露。

2.5 高銅物質對成礦作用的控制

洋殼的銅含量(約100×10-6)遠高于地幔(30×10-6)[64]或陸殼(約27×10-6[65])。有學者[59]認為,俯沖洋殼部分熔融會形成具有較高初始銅含量的埃達克巖,有利于斑巖型銅礦化。目前,氧逸度對普通弧巖漿的影響已建立了相關模型[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,約20%的地幔橄欖巖發生部分熔融[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的氧逸度對于消除板片熔融過程中的殘留硫化物至關重要。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行為

銅在弧巖漿中具有復雜的地球化學行為。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],表明俯沖板塊對銅的貢獻最小。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,硫化物在熔化過程中會被消耗,導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,因為幾乎所有噴發的弧熔巖[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?

另一個值得關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(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間。雖然初始氧逸度可能存在差異,但差異太小,無法發揮主導作用[71-72],對提升硫化物在高壓下的穩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,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系尚不清楚。

4 菲律賓群島銅金礦床

菲律賓群島以世界級銅金礦床聞名于世,包括斑巖型銅金礦床及淺成熱液型金礦床[52,76-77],礦床成因為與群島周圍的現今板塊或古板塊的俯沖作用有關。這些斑巖型銅金礦床大多數與淺成閃長巖、石英閃長斑巖在時空上存在親緣關系,其中一些斑巖與火山巖-次火山巖有一定的親緣關系,值得注意的是,這些斑巖大多數具有埃達克巖的地球化學特征[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。這些長英質斑巖大多數表現出埃達巖的地球化學特征[11,37,43,79-80],即Sr含量高、Sr/Y值高、Y和Yb含量低[30,82-83]。菲律賓活動帶火山活動大多數與白堊紀以來的俯沖有關,其中巖漿活動峰值出現在始新世、中新世和上新世—第四紀[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、埃達克巖和大型銅金礦床廣泛發育[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代俯沖(呂宋島和棉蘭老島)或古代俯沖(內格羅斯島和宿霧島)作用。

菲律賓銅金礦產資源世界一流,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育[49,52,76-77],其形成原因是群島周圍現代俯沖或古代俯沖作用。這些斑巖型銅金礦床大多數與淺成閃長玢巖、石英閃長玢巖存在時空親緣關系,其中一些還與火山—次火山斑巖(如安山玢巖、英安斑巖)有親緣關系。此外,還有少量斑巖型銅金礦床與堿性二長—正長巖相關。有趣的是,這些長英質斑巖大多數表現出埃達克巖的地球化學特征[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)分離結晶形成[57,89];④ 由板片埃達克質熔體與幔源鎂鐵質熔體的巖漿混合形成[34,79]。菲律賓群島埃達克質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。

菲律賓群島埃達克巖的不同成因認識給斑巖銅金礦床及其伴生含礦斑巖的成因和來源認識帶來困難。例如,在呂宋島北部勒班陀—遠東南地區的斑巖-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特征,并與埃達克質斑巖緊密共存。然而,這些基性巖脈與含礦斑巖的成因聯系長期被忽視。

4.1 菲律賓北部呂宋島碧瑤斑巖銅礦

位于呂宋島西側科迪勒拉中央山脈的碧瑤礦區及其周邊發育一套早中新世—上新世—更新世鈣堿性和埃達克質侵入體,同時伴隨斑巖銅礦及低溫熱液型礦床(圖1)。該區已發現的最古老基底為形成于島弧—邊緣海盆地環境的晚白堊世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巖(約16 Ma)整合覆蓋。碧瑤地區東部安布克勞壩地區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,其形成時代早于科隆礁灰巖,前人研究發現其時代為21.2～ 18.7 Ma[46,94], 與西菲律賓海盆向西俯沖相關,礦化作用較弱。該區第二期巖漿活動集中在15.3～8.0 Ma, 形成了一系列鈣堿性和埃達克質火山巖-侵入巖及斑巖銅金礦床,該期巖漿活動與南海形成后開始向呂宋島的動向俯沖相關。位于碧瑤礦區北側的羅博-博納斑巖銅礦床中賦礦石英閃長玢巖(10.5±0.4 Ma)[43]是該期巖漿活動的產物。該區第三期巖漿活動集中于上新世—更新世,伴隨鈣堿性—埃達克質的閃長質和英安質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[46,95],代表性礦床為勒班陀-遠東南斑巖型銅金礦床。

4.2 菲律賓中部內格羅斯島西南部Cu-Au礦集區

位于菲律賓中部內格羅斯島西南部的Cu-Au礦集區從西北部錫帕萊一直延伸60 km到東南部安唷地區,該礦集區發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),礦體大多數侵入閃長雜巖體中,形成時代為漸新世(38.4～34.4 Ma)[44],早于蘇祿海盆打開的時間(19～15 Ma)[16],與蘇祿海盆的俯沖無關。值得注意的是,這些斑巖銅礦以及相關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[17]。該區礦床除了通過K-Ar法對含礦巖石的形成時代進行了限定以外[44],系統的地球化學研究還相當匱乏。選取該區漸新世斑巖銅礦及相關的巖石開展地球化學研究,厘清巖石屬性、巖石成因、源區性質等,同時對比上新世—全新世形成的與蘇祿海俯沖相關的島弧火山巖-埃達克質巖等(如坎拉翁和柯爾諾地區)[48],對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循環具有重要意義。

4.3 菲律賓中部究宿務島阿特拉斯Cu-Au礦集區

阿特拉斯Cu-Au礦集區位于菲律賓中部宿務島中部[52], 礦區包括早白堊世火山巖組合以及Cu-Au成礦相關的埃達克質閃長巖[80-81]。

菲律賓中部宿務島坎西地區火山巖組合主要包括玄武巖、輝綠巖、玄武安山質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]。宿務地區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早白堊島弧玄武巖具有相似的微量元素特征[80]。宿務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,指示其源區除了俯沖大洋殼以外,還有少量俯沖沉積物?？参鞯貐^中部發現的閃長巖位于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MgO含量及Mg#值特征,具有典型的高鎂埃達克巖特征。

菲律賓阿特拉斯斑巖銅礦含礦閃長巖體形成時代為109～107 Ma,具有典型的埃達克質巖地球化學特征,形成于俯沖的古太平洋板塊部分熔融,反應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,是形成該區大型斑巖型銅礦床的有利因素。結合該區新生代以前的構造演化史,認為宿務地區普通島弧巖石與埃達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,區內阿特拉斯等斑巖型銅金可能是構造巖漿事件的產物。鋯石U-Pb定年結果[81]顯示,巖漿結晶時形成的鋯石極少,大多數為新元古代—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

位于菲律賓南部棉蘭老南哥打巴托礦集區(圖1),地處復雜的地體增生—弧弧碰撞相關的同碰撞-后碰撞構造環境,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[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,使該區發育一系列斑巖型銅金礦床。該區地殼擠壓以及相應的構造變形從約7 Ma一直持續到現今,在4～2 Ma達到高峰,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]?？层~金礦床是該區疊加在深部斑巖型銅金礦床上的高硫型熱液礦床,估計礦石總量2 500 Mt(Cu 0.48%, Au 0.2 g/t),是東南亞地區現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巖漿及成礦物質的不斷釋放(7 Ma開始)密切相關,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。該區角閃閃長玢巖的地球化學特征、源區性質、巖漿氧逸度條件等研究還較欠缺,進一步開展研究工作對了解該區金屬元素富集機制,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 值得關注的幾個關鍵科學問題

菲律賓島弧埃達克巖成礦金屬元素(如Cu、Au等)的初始富集機制存在爭議,主要觀點包括:① 具有相對高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克質巖漿,高的氧逸度使巖漿中的硫以硫酸鹽的形式存在,進而確保親硫金屬元素(Cu、Au等)可在熔體中搬運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AFC過程也可以逐漸富集親硫元素并最終成礦[62]。也有學者[6]認為,后期的AFC過程對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克質巖漿才可能在后期的巖漿熱液演化過程中形成斑巖銅礦。

世界上大部分經濟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與厚(>45 km)的巖漿弧有關,如成熟的島弧和大陸弧。然而,尚未解決的問題是:對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。有學者[97]認為從下地殼到上地殼,斑巖型銅礦床的形成需要復雜的地殼巖漿作用序列。當地殼變得足夠厚(>45 km),能使石榴石結晶時,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,當大陸弧達到最大厚度(>60 km)時,巖漿活動終止之前就會成礦。

當前研究[8,10,43,68,98]普遍認為,大多數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?埃達克質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?為什么純斑巖型鉬礦床也與高度氧化的巖漿密切相關?

銅是一種親硫元素,易于形成硫化物礦物[99-100]。銅在大多數硅酸鹽相中不相容[61,101-102]。在高度氧化條件下,硫的主要形態是硫酸鹽(S6+),硫化物不穩定,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定時,如果體系中硫化物達到飽和,銅將被保留在硫化物礦物中。從含硫化物的物質中提取銅,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定狀態[61, 104]。同樣,當巖漿達到硫化物飽和時,熔體中的銅被有效地提取,導致富銅堆積。當然,由于諸多復雜因素,上述均為概括特征。例如,在不考慮氧逸度時,高熔點會耗盡硫化物,使銅不相容,對其物質來源會造成一定影響。目前,壓力、溫度、水含量和熔體成分對溶解度和物質形成的控制方式尚未得到完全解決。

實驗表明,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,多數硫以硫酸根的形式被去除[6,8,61]。在氧化性巖漿的演化進程中,硫化物處于不飽和狀態,不會發生硫化物熔離[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,大多數弧深成巖體都是水飽和和高度氧化的,為什么在弧環境中只有極少數特殊巖漿(主要以高Sr/Y和高Sr為特征的埃達克巖)形成斑巖礦床呢?這是值得深入探索的科學問題。 據此,我們將主要前緣科學問題歸納如下。

(1)為什么大多數與氧化性巖漿有關的斑巖型礦床都分布在匯聚板塊邊緣?重點研究與構造活動密切相關的成巖-成礦作用的耦合機制,關注中新生代成巖—成礦作用是否存在差異?成巖-成礦構造機制是否存在轉化?研究白堊紀成礦和第三紀成礦作用起始和持續時間差異的動因,是否反映了兩者基本處在統一的構造動力學背景之下?這種構造背景是古太平洋板塊俯沖還是現今太平洋板塊提供的物質與動力?

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

(3)探索銅在弧中具有的復雜行為。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],表明俯沖板塊對銅的貢獻最小。因此,查明不同成因及物質來源的斑巖銅礦金屬富集機制,是一個重要的科學問題,是初始埃達克質熔體就已經富集成礦金屬元素?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?這些問題均需要進一步深入研究。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,硫化物在熔化過程中會被更有效地消耗,導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,因為幾乎所有噴發的弧熔巖[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)物質和能量交換及其資源環境效應,深入研究菲律賓全島斑巖型銅金礦床區域成礦規律和控礦因素,建立其成礦和找礦模式。