澳大利亚Cloncurry地区铁矿化岩石与铜金矿化的时空关系

张德贤，戴塔根，侯林慧，马伟东

（1.中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083；2.中南大学“有色金属成矿预测”教育部重点实验室，地球科学与信息物理学院，长沙 410083）

0 引言

铁氧化物铜金矿床（iron oxide copper and gold deposit，简称“IOCG矿床”）由于其矿种多、产量大，是目前国际矿床勘探的主要目标之一。典型的IOCG矿床 Olympic Dam，Ernest Henry，Osborne和Candelaria等大都赋存于元古宙地体中，如澳大利亚的Cloncurry地区、Gawler－Curnamona克拉通和Tennant Creek，美国 Missouri东南部，瑞典Bergslargen和Norrbotten，加拿大的 Wernecke山和 Great Bear岩基等。Williams等［1］、Corriveau和Humid［2］提出了一些识别IOCG矿床的典型特征：①成矿元素以Cu为主，可含或不含Au，其次为多金属元素（Cu，Fe，Pb，Ni，Zn）、贵金属元素（Au，Ag，PGE）、稀土元素（REE）以及具有战略价值的元素（Co，Bi，V ）和核能元素（U）；②矿床受强烈的构造控制和地层控制；③矿床贫硫，多金属，与大规模的磁铁矿 （如澳大利亚Cloncurry地区）或赤铁矿（如南澳的Olympic Dam）有关；④矿床铁氧化物中Fe／Ti比明显高于大部分的岩浆岩和地壳；⑤区域及矿床中广泛发育 Na，Fe－Ca，Fe－K 和 Fe蚀变，但和岩浆岩侵入岩没有明显的空间分布关系［1，3－5］；⑥矿床与大量的热液－构造角砾岩有关。

Hitzman［6］认为Cu－Au矿化与贫矿的铁矿化岩石具同源和同时的特点，说明贫矿的铁矿化岩石是后期Cu－Au矿化的赋矿围岩，这种铁矿化岩石对于铁氧化物矿床的形成具有重要的作用。铁氧化物型矿床中Cu－Au矿化在矿物学、地球化学和时间上的不同，反映出其是不同流体和赋矿围岩相互作用的结果。在这些关系中，铁氧化物与Cu－Au矿化之间的关系问题显得更为重要。澳大利亚Cloncurry地区区域地层和矿床中广泛分布有铁矿化岩石（Ironstone），本文旨在讨论Cloncurry地区铁矿化岩石与Cu－Au矿化的时空关系。

1 区域地质背景

澳大利亚Cloncurry地区主要由元古宙（1 760～1 660Ma）的Cover2强硅化变沉积岩和Cover3变火山岩（分别形成于1 740Ma和1 670Ma）覆盖于Barramundi造山作用（1 880～1 850Ma）形成的结晶基底之上［7］（图1），但该结晶基底在Cloncurry地区未出露，大量的铁氧化物型铜金矿床赋存于该地层中。Cover2和Cover3在Isan造山期（1 600～1 500Ma）经历了变形和变质作用。在整个Mount Isa Inlier共有3期构造运动：区域绿片岩相到上角闪岩相变质峰，与区内水平方向EW向挤压（D2）事件的时代相同；变质峰相对复杂，含有多个变质幕，至少包括2个比较明显的变质时期（1 580～1 595 Ma（M1）和1 550～1 530Ma（M2））。在Cloncurry地区西南部与D2同期的花岗岩侵入时代为1 550 Ma。许多研究者已认识到，区域内局部SN向变质后的强烈变形与铁铜金矿化之间有着重要的联系。

2 Cloncurry地区铁氧化物和Cu－Au矿化之间的联系

在Cloncurry地区，Cu－Au矿化与铁氧化物之间具有明显的时间、空间和成因上的联系，这种时空关系主要反映在成矿流体和围岩的化学组分及矿物组分等方面。基于此，该区矿床可分为4类：①铁矿化岩石较少的矿床，主要由磁铁矿、赤铁矿、磷灰石、角闪石、透辉石等组成；②赋存于铁氧化物中的铜金矿床，该类矿床先前形成的铁氧化物被后期不一定相关的铜金矿化事件（如Starra Au－Cu矿床）叠加；③铁氧化物铜金矿床，该类矿床铜金矿化与主要的铁氧化物沉积同期（如Ernest Henry，Osborne和Mt Elliott矿床等）；④铜金矿化和少量（或无）铁氧化物与成矿流体的演化密切相关（如Lady Clayre，Mt Dore，Green Mount Cu－Au矿床）。以下主要讨论一些典型矿床的地质特征和流体特征。

2.1 磁铁矿－磷灰石铁矿化岩石矿床

Cloncurry地区除赋存有大量的铁氧化物型矿床外，还有大量以磁铁矿为主的铁矿化岩石，这些铁矿化岩石可能是沉积成因的（如Monakoff和Fairmile［8］），也有交代成因的［9］，大部分矿床形成于变质期后。

图1 澳大利亚Cloncurry地区地质简图（据文献［13］，修改）Fig.1 Geological sketch of Cloncurry district，Australia

大部分铁矿化岩石来自于热液，呈透镜状或直立的角砾岩筒状。这种铁矿化岩石通常与构造有关，主要赋存于断层（或剪切带）的膨胀部位或断层交汇部位。通常由磁铁矿和少量石英、钠化斜长石、方柱石、阳起石、磷灰石、透辉石及其他一些副矿物组成。围岩可以是钙硅酸盐岩、硅化变沉积岩或基性和酸性岩，以交代或热液充填形式存在。其形成的地球化学过程目前尚不完全清楚，但其形成的流体可能来源于：①从侵入岩中出溶的流体；②含铁岩石的Na和／或Na－Ca蚀变，通过铁的重新迁移进入流体；③前两者的混合流体。

2.2 赋存于铁氧化物中的Cu－Au矿床

Starra Au－Cu矿床是Cloncurry地区较典型的赋存于铁氧化物中的Cu－Au矿床之一。Starra Au－Cu矿床赋存于Mary Kathleen群的Staveley组变沉积岩中，偶见有少量角闪石岩单元，两者均局部被变质峰后强烈的钠化所改造。该矿床中铁矿化岩石主要由粗－中粒磁铁矿、石英、黑云母和细粒赤铁矿、方解石、自然银、黄铁矿、黄铜矿和绿泥石组成。

Starra Au－Cu矿床热液演化经历了3个阶段：一是发育于变沉积岩中的早期Na－Ca蚀变（钠化斜长石、阳起石）；二是与块状富磁铁矿或赤铁矿有关的赋存于角砾岩中的铁矿化岩石沿着Selwyn高应变带（1 530Ma）的Fe－K 交代作用（磁铁矿、黑云母、赤铁矿）；三是与第二阶段中富磁铁矿的铁矿化岩石选择性地赤铁矿化有关的Au－Cu矿化（黄铁矿、金、黄铜矿、重晶石、赤铁矿、方解石、石膏和磁铁矿）。金以包体形式赋存于黄铜矿、赤铁矿中，或呈细粒分布于方解石中，尽管铁矿化岩石有利于Au－Cu矿化，但还是存在只含金或只含铜的贫的铁矿化岩石［9］。氧同位素（δ（18O）＝6×10－3～9.2×10－3）和硫同位素研究表明，成矿流体为高氧化态岩浆流体，但也有一些数据显示可能会有变质流体的成分［10］。

2.3 铁氧化物Cu－Au矿床

（1）Ernest Henry IOCG矿床。

Ernest Henry铁氧化物型铜金矿床是澳大利亚最大的以磁铁矿为主的铁氧化物型铜金矿床，也是澳大利亚的第二大铁氧化物型铜金矿床（仅次于Olympic Dam矿床，但该矿床以赤铁矿为主）和第三大铜矿生产基地（第一是Olympic Dam矿床；第二是赋存于黑色页岩中的Mount Isa铜矿床）。矿床矿石量226Mt，其中铜品位1.10%，金品位0.51×10－6。矿体赋存于2个NW向的剪切带内，呈似筒状，延伸超过1 400m［11－12］，并向SE50°侧伏。矿化主要赋存于热液角砾岩中［11，13－14］。充填热液角砾岩至外围边缘爆破角砾岩脉的转变十分明显，这一转变也意味着矿体已到边缘。

Ernest Henry IOCG矿床中的热液蚀变为矿化前的 Na－Ca蚀变、K－（Mn－Ba）蚀变（以强烈的黑云母－磁铁矿为主）和少量的钾长石－石榴石（富Mn）［11，13－20］。赋矿的热液角砾岩中钾长石普遍蚀变为微晶的钡长石，钾化蚀变在整个Cloncurry地区都比较发育，在Ernest Henry IOCG矿床中形成了围绕矿体延伸约2km的晕［19］。成矿期有多种流体进入成矿系统，形成Ernest Henry IOCG这一复杂的热液矿床。矿床中的矿化多种多样，如以角砾为主的角砾岩系统、以基质为主的角砾岩系统、第二期次磁铁矿为主的角砾岩系统、矿体上盘剪切带和矿体下盘剪切带及其他一些与脉相关的热液系统［13，21］等。矿床赋矿围岩经受4期热液蚀变：①早期Na－Ca蚀变；②成矿前的Fe，Mn，K和Ba蚀变；③Cu－Au矿化；④晚期碳酸盐脉。这一顺序也表明从磁铁矿到赤铁矿稳定的流体条件。

Ernest Henry IOCG矿床既不同于Cloncurry地区其他铁氧化物型铜矿，也有别于全球其他以磁铁矿为主的铁氧化物型铜矿。该矿床形成于350～450℃和200MPa［20］，热液流体由携带不同元素的两种或多种流体混合而成（如高温、高盐度和低温、低盐度流体）。稳定同位素数据（δ（18D）＝－40×10－3～－60×10－3，δ（18O）＝7×10－3～12×10－3，δ（34S）＝－3×10－3～3×10－3）表明流体主要来自岩浆，但金属、S和其他元素可能还有其他来源。黑云母40Ar／39Ar成矿年龄为1 510～1 500Ma，其封闭温度为250℃。

在Ernest Henry矿区，成矿后有大量的石英脉和方解石脉切穿先前的矿体，这些脉中赤铁矿比磁铁矿多。这些脉与Cu－Au矿化间的关系目前尚不清楚，但大部分的石英脉和方解石脉主要赋存于下盘。大量的稳定同位素数据和其他温度（450～550℃）约束表明其主要来自变质流体。

（2）Mt Elliott Cu－Au矿床。

Mt Elliott Cu－Au矿床遭受了多期次变形，赋存于强烈夕卡岩化的变沉积岩石（如片岩和碳酸盐千枚岩）和元古宙的角闪岩中。矿床赋矿围岩保存了4期蚀变：①早期硅化；②钠长石化；③透辉石－方柱石－阳起石似夕卡岩蚀变；④Cu－Au矿化。后期岩石具有强烈的钠长石化，铜金矿化包含各种不同的磁铁矿成分，矿床中既有富铁氧化物的矿化，也见贫铁氧化物的蚀变。矿化主要受构造控制，大部分赋存于倒转断层和剪切带的强烈钠化及夕卡岩化的膨大脉中和角砾岩中。Cu－Au矿化主要是高盐度、低XCO2流体从500℃冷却到350～400℃的过程中硫化物得以沉淀而成。矿化期流体成分的稳定同位素数据（δ（18O）＝10.5×10－3，δ（D）＝－16×10－3～－68×10－3）表明，成矿流体主要来自岩浆。

2.4 贫铁氧化物的Cu－Au矿床

在Cloncurry地区，Eloise Cu－Au矿床为贫铁氧化物Cu－Au矿床的典型代表，该矿床赋存于Soldiers Cap组（1 670Ma）的石英－黑云母片岩和角闪岩中，形成于Isan造山作用减弱时期，主要受制于Levuka剪切带和南部剪切带。构造决定矿区内岩石磁性的强弱，但Cu－Au矿化却远离了富磁铁矿带。

Eloise矿床中大部分矿体赋存于Eloise和Levuka脉中，矿脉具相对狭长的蚀变晕，矿体呈SN走向，倾角较陡且向S侧伏，与Eloise剪切带中的高应力带和蚀变岩石有关。矿脉主要由富黄铜矿、磁黄铁矿及少量磁铁矿、黄铁矿组成。蚀变和矿化（包括不同的脉和蚀变形式）分3个阶段：第1阶段主要为强烈的钠化，与变质峰后早期区域钠化有关；第2阶段为高温热液阶段，主要由角闪石、黑云母和含石英的脉，围岩蚀变和剪切带组成；第3阶段为Cu－Au矿化，部分矿脉叠加于阶段2的脉中，脉石矿物主要为石英、方解石、绿泥石、白云母、阳起石等。由此说明，第2阶段经历了退变质，而第3阶段则显示进一步冷却的条件。采用40Ar／39Ar测试成矿前和成矿后的角闪石和云母，显示Eloise矿床的成矿时代为1 530～1 514Ma［22］。流体包裹体数据表明，流体受控于早期蚀变过程中形成的铁硅酸盐冷却和硫酸盐化。高盐度和稳定同位素特征一致反映成矿流体来自于岩浆。

3 讨论

铁氧化物和Cu－Au矿化、区域Na－Ca蚀变和Williams－Naraku岩基之间明显的时间关系说明，侵入岩在由硫化物和氧化物组成的热液系统有着重要的作用。铁氧化物与矿化之间的关系主要受fS2，温度，流体盐度，fO2，pH和压力的控制，因为其影响热液系统中铁氧化物和铁硫化物的稳定性和溶解度。该热液系统中铁可能有两种来源：一是来自岩浆的富铁流体［23－24］；二是与围岩 Na－Ca蚀变有关的富铁矿体。贫矿化的磁铁矿或赤铁矿型铁矿化岩石主要由这两种流体形成（图2）。在Cloncurry地区，铁氧化物和Cu－Au矿化之间有3类关系：一是早期形成的铁氧化物，后期的Cu－Au矿化即赋存于该类铁氧化物中；二是Cu－Au矿化期主要的铁氧化物沉积；三是Cu－Au矿化时没有或有少量铁氧化物，尽管铁硅酸盐十分常见。

图2 Cloncurry地区不同Cu－Au矿床中成矿期流体的δ（18 Ofluid）—δ（Dfluid）组成（据文献［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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