岩浆房幕式生长与斑岩铜矿的形成

斑岩铜矿是全球金属铜的主要来源，其在空间上和成因上与浅侵位的中酸性斑岩体密切相关。这些与成矿相关的斑岩体出露面积不大，难以提供足量的成矿物质（金属、水、硫化物和卤素）和能量以维持巨大的岩浆-热液成矿系统，因而一般认为大型斑岩铜矿的斑岩体根部都与一个较大的岩浆房相连（可达150km3）。成矿岩浆在岩浆房内经历一个较长时间的演化与结晶，从而达到流体过饱和，并诱发斑岩成矿，暗示斑岩铜矿形成于深部岩浆房的冷却阶段，即传统模型强调斑岩铜矿形成于岩浆-热液成矿系统的衰退阶段。
最近，中国地质大学（北京）郑远川等针对巴基斯坦Chagai斑岩成矿带内的Saindak斑岩铜矿床开展了系统研究，并以成矿岩体（英云闪长岩）中包裹于斜长石晶体内的磷灰石为主要研究对象。通过磷灰石和寄主斜长石原位主量元素、微量元素和Sr同位素的研究，揭示了斑岩铜矿成矿过程中深部岩浆房中S、Cl和Cu等成矿元素释放和再补给过程与岩浆房生长与演化的耦合关系，并提出这些成矿元素是通过成矿岩浆幕式注入岩浆房带来，并快速释放用于斑岩成矿。换而言之，斑岩铜矿成矿主要发生于岩浆房的生长阶段，而非衰退阶段。
挥发分是成矿金属元素运移的主要载体，也是矿石矿物沉淀的关键，因而了解挥发分的来源及其在成矿过程中的作用，对揭示斑岩铜矿的形成机制至关重要。磷灰石[Ca5(PO4)3(F,OH,Cl)]含有羟基、氯、氟和少量硫，因而可用于反演熔体挥发性的含量。然而，斑岩铜矿并非封闭体系，而是一个开放体系，在其形成过程中一直伴随着岩浆岩的结晶分异与演化，以及多期次深部岩浆对成矿系统热量和成矿物质的补给。因此，单颗粒磷灰石的研究并不足以限定岩浆-热液系统复杂的熔体脱气和挥发分补给过程。幸运的是，斜长石的成分与熔体成分密切相关，因而同时分析成矿岩体中斜长石和其内包裹的磷灰石成分，便可揭示出斑岩铜矿S和Cl等挥发分的来源和演化过程。
Saindak矿床成矿岩体英云闪长岩中，斜长石颗粒多呈自形，粒径介于0.5~2mm之间，发育明显的震荡生长环带，且从核部至边部并不连续，而是发育多个熔蚀边，显示矿物生长经历了多期次的熔蚀和再生长过程。斜长石由核部至边部反复出现由钙质向钠质成分逐渐变化，然后又由钠质突然向钙质成分快速变化，其锯齿状斜长石牌号（An）变化振幅超过15%（图1）。这种现象可能是偏基性熔体快速注入岩浆房引起的，但斜长石由核部至边部一致的Sr同位素组成表明偏基性熔体代表了演化程度较低的成矿斑岩岩浆。根据现有数据，斜长石颗粒至少记录了5次更热的偏基性岩浆的注入，表明Saindak斑岩矿床下伏岩浆房是通过多期次小体积原始熔体幕式注入形成，而非单次大规模岩浆注入所致，也不是不同源镁铁质熔体注入的结果。

图1 斜长石晶体内的磷灰石

(a)暴露于斜长石表面的11颗磷灰石包裹体，从核部到边部命名为Ap1~Ap11(红圈和黄圈分别代表磷灰石和斜长石分析点, 白色虚线表示斜长石部分生长区); (b)和(c)为宿主斜长石(a)内两条剖面的An变化趋势; (d)~(n)为Ap1~Ap11磷灰石背散射照片
包裹于同一斜长石内的磷灰石，单一磷灰石颗粒内SO3和Cl含量较为均一，但不同磷灰石颗粒间的成分差别较大。包裹于斜长石核部至边部的磷灰石间SO3和Cl含量变化与斜长石牌号变化趋势相似（图2）。随着斜长石核部至边部牌号的降低，其内磷灰的SO3和Cl含量也随之降低，而这种下降趋势则多次被斜长石牌号和磷灰石SO3和Cl含量升高趋势截断（图2），揭示了岩浆房熔体补给和演化与熔体中SO3和Cl补给与释放过程。磷灰石SO3和Cl含量随寄主斜长石牌号和Fe、Mg含量的降低而降低，指示了S和Cl随岩浆结晶分异演化而释放至成矿流体中。相反，磷灰石SO3和Cl含量随寄主矿物斜长石牌号和Fe、Mg含量的增加而增加，指示了相对原始的成矿岩浆注入带来了S和Cl元素的补给，并用于成矿。此外，寄主斜长石内的Cu含量与磷灰石的SO3和Cl含量相似的变化趋势，暗示金属成矿元素经历了与挥发分相似的过程。在图1和图2中，磷灰石从Ap1、Ap2到Ap3的Cl和SO3含量从3.14%和0.64%分别下降至0.40%和0.08%，而寄主斜长石的牌号仅从52%降为49%。数据特征表明当岩浆房流体过饱和时，S和Cl等成矿元素会快速从熔体中释放至流体中用于成矿。由此可知，一旦岩浆房停止生长，其成矿物质会快速释放至流体并消耗完毕，此后尽管岩浆演化依然可释放出大量流体，但不具备成矿能力。

图2 磷灰石包裹体及寄主斜长石元素含量变化

(a) 从核到边磷灰石包裹体附近的寄主斜长石An和FeO含量变化; (b) 从核到边磷灰石包裹体附近的寄主斜长石Mg和Cu含量变化; (c)从核到边磷灰石包裹体的SO3和Cl含量变化; (d) 从核到边磷灰石包裹体的Cl/F比值变化及包裹体附近的寄主斜长石的Sr同位素组成
综上所述，斑岩铜矿床应形成于深部岩浆房的生长阶段，而非冷却衰退阶段。岩浆房的生长与成矿岩浆的幕式注入有关，每一次新鲜岩浆的注入，都会带来S、Cl和Cu等成矿物质，而这些成矿物质会快速高效地释放到流体中，并用于斑岩成矿。一旦新鲜岩浆停止注入，即岩浆房停止生长，成矿作用也会随之迅速停止。停止生长的岩浆房仍能存活较长时间，亦可释放出大量流体，并引起广泛的热液蚀变，但此时流体的成矿物质含量已极低，故并不能引起重要的成矿作用（图3）。因此，寿命长达数百万年的岩浆-热液成矿系统得以深部岩浆房新鲜岩浆多期次小批量注入的维持，而斑岩铜矿的成矿规模则受岩浆房最终体量的控制。

图3 岩浆-热液系统发展阶段

(a)  初级阶段; (b) 成熟阶段; (c) 低矿化潜力的岩浆-热液系统的衰退阶段
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