李建平等-GCA:海水-弧火山巖反應成礦實驗對鐵氧化物銅金礦床 (IOCG) 成礦機制的啟示
IOCG是鐵氧化銅金礦床的英文簡稱,主要是指一組含大量原生磁鐵礦或赤鐵礦的銅金(-銀-鈾等)礦床,其中最知名的為澳大利亞Olympic Dam礦床,其是全球最大的單個鈾礦,也是全球重要的Cu-Au礦床。IOCG的概念自1992年被Hitzman正式提出以來一直是礦床學界的熱點,但由于其定義比較寬泛而飽受爭議。眾多的地質和同位素證據顯示,大部分富銅型IOCG礦床的形成普遍顯示非巖漿流體參與的特征。然而,這種非巖漿流體在成礦過程中到底起到何種作用目前仍存在爭議,爭論的焦點集中于成礦物質來源以及早期Fe礦化與晚期Cu-(Au)礦床的成因聯系。此外,這些外部流體參與的IOCG礦床雖顯示相似的地質和礦化特征,但不同礦床之間礦化品位,金屬儲量存在很大差異。是何因素導致IOCG礦床間礦化程度顯著不同,當前還缺乏較為清晰的認識。針對上述科學問題,中國科學院廣州地球化學研究所陳華勇研究團隊及合作者利用水-巖作用實驗和熱力學模擬手段并結合自然樣品微區(qū)及熔融包裹體分析,對海水-弧火山巖反應過程中流體演化、成礦物質的活化過程,以及含Cu外部流體與IOCG成礦系統(tǒng)不同類型Fe礦體的交代反應開展了系統(tǒng)研究,得到如下認識:
1. 實驗結果顯示海水與弧安山巖和弧玄武巖反應后,流體化學組成變化趨勢一致:流體Ca含量顯著增加,Mg和SO42-含量明顯降低,流體由初始的弱堿性、富Na-Mg-SO4-Cl流體向中性-弱酸性、富Na-Ca-Cl流體轉變,這與IOCG成礦流體(富Na-Ca)性質較為接近。熱力學模擬計算結果也顯示了與實驗結果相似的元素變化特征。
2. 安山巖中Cu發(fā)生明顯淋濾,而玄武巖中Cu淋濾微弱,并隨溫度升高Cu的淋濾進一步加強。這主要受控于Cu在兩種巖石中的賦存形式,以及溫度對圍巖蝕變和流體中金屬絡合物穩(wěn)定性的影響。安山巖中Cu主要賦存于基質和長石中的熔融包裹體內,水-巖反應過程中長石和基質更易蝕變和溶解,有利于Cu的釋放。而玄武巖中Cu主要賦存于輝石中,輝石在低溫富Mg流體中難蝕變,導致Cu很難釋放。
3. 在較低溫度條件下(150-240 °C),海水-火山巖反應導致海水硫與巖漿硫發(fā)生混合,流體總硫的δ34S值下降,流體中殘余SO42-的δ34S值與初始海水一致,指示水-巖反應并未導致明顯的硫酸鹽還原和硫的瑞利分餾過程。
4. 含Cu外部流體交代IOCG系統(tǒng)不同類型Fe礦體的熱力學模擬結果顯示,流體-黃鐵礦反應是最有利于Cu沉淀的機制;當含Cu外部流體與磁鐵礦體反應時,需要額外的硫源,例如圍巖中早期沉淀的黃鐵礦。
5.本項研究為外部流體參與的IOCG成礦模式提供了實驗學和熱力學證據。研究結果顯示,有利的外部條件1)Cu主要賦存在基質或者易蝕變礦物中,如長石含大量的富Cu熔融包裹體;2)高溫和高鹽度流體,會促進流體萃取火山圍巖中的Cu形成富Cu流體。當該種流體遇到IOCG系統(tǒng)早期形成的“鐵礦體”時,流體-黃鐵礦反應會導致流體中的Cu快速沉淀發(fā)生礦化,不同類型的“鐵礦體”會導致不同的礦化分帶特征。

圖1. 外部流體(改造海水或盆地鹵水)參與的IOCG礦化過程示意圖。
在相對較低的溫度下,海水連續(xù)和廣泛地與安山巖作用,形成氧化的、富銅的和低硫的流體。早期巖漿流體產生不同的鐵氧化物礦體,以黃鐵礦或磁鐵礦為主。在淺部,富銅外部流體在低溫(≤ 250 ℃)下與氧化鐵礦體發(fā)生反應形成不同類型的IOCG礦床和礦化分帶特征。粗線、細線和虛線分別表示外部流體逐漸流經鐵礦體過程中,形成的大量、少量和微量的礦石礦物及分帶特征。礦物簡稱:Hem: 赤鐵礦,Mt: 磁鐵礦,Cc: 輝銅礦,Bn: 斑銅礦,Cpy: 黃銅礦,Po: 磁黃鐵礦。
論文信息:Li Jianping (李建平), Chen Huayong(陳華勇), Liu Weihua(劉衛(wèi)華), Ding Xing(丁興), Zhong Richen(鐘日晨), Yu Chang(于暢). Copper mobilization via seawater-volcanic rock interactions: New experimental constraints for the formation of the iron oxide Cu-Au (IOCG) mineralization. Geochim. Cosmochim. Acta (2022), https://doi.org/10.1016/j.gca.2022.06.004

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