科学网—矿河长游-Sillitoe的矿产勘查生涯Ⅱ
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2024-12-7 15:40
| 系统分类: 科普集锦
当Sillitoe还在读本科时，就知道魏格纳的大陆漂移学说，但岩石学、构造地质学等课程还受困于地槽理论，1960s末，板块构造理论问世，然忙于毕业无暇顾及于此。在智利地质调查局图书馆阅览时无意发现几篇出版不久与板块构造相关文章，Sillitoe将之带到了野外，在一间脏兮兮的小屋里，在露营床上的睡袋里，在寒冷如冰的夜晚里，借助熹微的煤油灯光如饥似渴阅读，久而忘倦，不知时光之过。慢慢地，Sillitoe意识到这种新的构造模式有着根本成矿意义，斑岩铜矿正是岩浆弧典型特征之一，就像安山岩一样，也必然与海洋板块俯冲有着千丝万缕的联系。在秘鲁利马1970年召开的第一届拉丁美洲会议上，Sillitoe首次将他的崭新思想公布于众（图4）。会后考察秘鲁斑岩铜矿入住酒店时，突然听到有女郎喊他的名字，声音清脆宛转，充满磁力，Sillitoe回眸一望，原来是一位来此旅游的伦敦朋友Jeannie Billington，她后来成了他的终身伴侣。
在利马会议上，有地质学家建议Sillitoe将他的板块构造与矿床关系的想法扩充为一篇完整论文，随之投稿给了Economic Geology杂志，顶住了一番审稿人吹毛求疵般枪林弹雨后，于1972年最终出版。一位初出茅庐的菜鸟想在知名期刊上发表文章就要鼓足勇气，接受质疑，合理反驳，大步向前，跨过障碍，登上高山，方见朝暾初上。板块俯冲与斑岩铜矿的关系逐渐得到业界重视与认同，斑岩铜矿连同钙碱性火山中心和岩基已成为汇聚板块边缘构造环境的显著标志。但随着越来越多斑岩型铜矿特别是富含金的矿床被发现和记录，再加上可靠的放射性同位素年龄辅助，显示一些形成于俯冲后的碰撞晚后期，如青藏高原冈第斯斑岩型铜钼矿。对于铜的来源及具体形成机制一直争论不休，各种见解与认识层出不穷，迷人耳目，成为当下现代矿床学研究热闹的“集贸市场”。
图4 斑岩铜矿的原始构造 模式（1970）
板块构造为理解当时世界上几乎所有已知矿床类型的形成提供了一个基本框架。成矿构造环境主要包括陆内裂谷、洋中脊、弧后扩张中心、俯冲带边缘、陆-陆或陆-弧碰撞带等，这集中反映在Mitchell与 Garson的《Mineral Deposits and Global Tectonic Settings》（1981）和Sawkins的《Mineral Deposits and Global Tectonic Settings》（1984）著作中。自1970s末，大部分矿床类型的板块构造模式已经建立起来，自此以后，矿床研究和找矿勘探都以之为准绳，至今除在个别细节上有所补充，总体保持不变。应用板块构造理论，可以重建某个国家或地区的大地构造演化，进而重塑成矿作用与找矿潜力。板块构造革命带动了矿床学迅速彻底变革，今天板块构造对矿床的影响已深入人心，成为一种共识，那些研究者及勘探者都难以体会到当初参与者的兴奋激动之情，那就是一个初吻！
Sillitoe初到智利时，已有不少斑岩型铜矿成矿年代学数据发表，但使用Pb-α法，误差较大，后来开展了精度较高的K-Ar法，测定矿床中遭受热液蚀变的云母矿物。经过十余年不懈努力，智利全境、阿根廷西部、秘鲁最南部所有已知斑岩型铜矿K-Ar年龄跃然纸上，明显呈南北向带状分布（图5，带年龄≈10百万年，带宽<10km），由太平洋沿岸向东逐渐变新，具体为白垩纪-古新世-始新世-早渐新世-中新世，叠加于一条晚古生代成矿年龄带之上。1980s以来，更为精确的40Ar/39Ar、U-Pb锆石、Re-Os辉钼矿测年方法登上舞台，扮演重要角色，K-Ar与40Ar/39Ar法提供热液蚀变年龄，U-Pb法提供容矿斑岩年龄，Re-Os法直接提供矿化年龄，由于锆石与辉钼矿闭合温度明显高于云母，因此年龄更为可靠。尽管在世界许多地方K-Ar年龄饱受质疑，但智利等地却经受住了时间考验，究其原因主要与岩浆活动东移减少了热重置事件有关。斑岩铜矿年龄带的确定并不仅限于学术意义，在过去的近半个世纪一直被用作找矿勘探模版，超大型斑岩铜矿主要产于始新世-早渐新世带及中新世-早上新世带西南部，古新世带虽然有重要矿床产出但总体规模较小，白垩纪带规模更小，二叠纪-三叠纪带只具有次经济意义。因此可以根据测定的年龄值初步判断成矿潜力，例如智利北部一不起眼岩体黑云母K-Ar年龄为43Ma（始新世），最终发现了当前正在开采的Gabriela Mistral矿床。
图5 智利等国家斑岩铜矿成矿年龄分带（1981）
1980s初，Sillitoe参与了哥伦比亚项目，并帮助发现了Mocoa斑岩铜矿。那时哥伦比亚局势动荡，M-19游击队组织猖獗，是几起恐怖绑架事件的策划者。一天晚上，Sillitoe开车行驶在Mocoa向西的山路上，车内装满了待分析的岩心样品，在一个军事检查站被拦了下来，一个战士让他下车双手举过头顶，用枪紧紧顶住他的后背，打开了车后门。借助战士的手电筒灯光，Sillitoe惊恐地看到白色的样品袋上赫然都写着“M-19”的字样，那是Mocoa第19个钻孔的样品，幸好那个战士没有注意到，再回到车上时，Sillitoe全身颤抖，久久不能平静。哥伦比亚的野外工作给了收集测年样品的机会，结果显示成矿年龄向西变新，与智利等地恰相反，当是岛弧和大洋地体的增生使北安第斯大陆边缘扩张的结果。结合别人工作Sillitoe编纂了整个安第斯山脉斑岩铜矿成矿年龄，依然对应于不同年龄段呈带状分布（图6）。
图6 中北安第斯山铜矿带
辉钼矿是一种较为常见的矿物，见于几种矿床类型中，又耐高温，甚至高级变质作用，是Re-Os测年的标准矿物，颇受研究人员青睐。中非铜矿带赋存于沉积岩中，层控特征明显，常被认为是沉积盆地中卤水逸出的产物，当在赞比亚某铜矿观察岩心时，Sillitoe偶然发现了与铜矿密切的几粒辉钼矿，其Re-Os测年结果显示为寒武纪晚期，与新元古代沉积围岩年龄相去甚远。为进一步求证，又费尽周折获取了几十粒样品，从赞比亚出境岩石并非易事，Sillitoe将之藏于底裤之中，以躲避飞机安检，随后排队检票时，再神不知鬼不觉转移到行李箱内。冒险是值得的，测年结果依然显示是寒武纪，表明辉钼矿与共生的铜矿物形成于碰撞造山高峰和造山后隆升降温时期，是挤压构造环境下盆地反转的产物（图7），不出所料，立即引起了旧有理论支持者的强烈反驳。这种小插曲强调了放射性年龄如何能够提高对成矿条件与意义的理解，并在某些情况下影响勘探决策。
图7 中非铜矿构造背景示意图
有一次，在飞机靠窗的座位上Sillitoe俯瞰安第斯山脉，夕阳下，一排白雪裹头，红光扑面的火山群映入眼帘，格外引人注目，后经实地考察，发现这些层状火山都遭受了强烈风化、蚀变作用，粉末状的明矾石、高岭土，自然硫随处可见。火山与斑岩铜矿均形成于俯冲带之上，它们之间有什么内在联系呢？这个想法让他兴奋不已，在Bajo de la Alumbrera等地的工作让他坚信至少有些斑岩铜矿形成于层状火山根部，这导致了斑岩铜矿模式的初步建立（1973）。虽然智利北部的填图工作没有发现相伴火山岩，但在Escondida等地却发现了大致与斑岩铜矿形成同时代的安山角砾岩、熔结凝灰岩、长英质火山岩，这表明火山岩可能普遍存在，只是由于规模较小，多已剥蚀殆尽。现已清楚，富金斑岩铜矿与火山岩相依相伴，与其侵位深度较浅有关。早先认为直径几十千米主要由熔结凝灰岩组成的破火山口有利于斑岩铜矿形成，但实际情况恰恰相反，大概是熔结凝灰岩喷发时岩浆挥发份及成矿元素分散到大气中的缘故，近来研究更是强调了这一结论，巨量斑岩铜矿可能是大型火山喷发失败的产物，但在海水下却是另一番情景，有助于形成VMS矿床。
上世纪四五十年代在美国西南部就有关于斑岩铜矿钾蚀变（钾长石-黑云母）的记录，然而当时人们普遍认为斑岩铜矿与绢云母蚀变更为密切，到六十年代情形才有所改变。钾蚀变通常位于绢云母和泥质蚀变的内侧，外围为青磐岩蚀变，在许多勘探公司内部早已成为共识，但出于商业保密，鲜少公开发表，从而使得许多在南美工作地质学者没有提前注意到。更为直接的原因是钾蚀变粗看起来与未曾蚀变的原岩并无两样，且在风化环境中常为高岭石等黏土矿物掩盖（图8）。Sillitoe很早就意识到钾蚀变对形成斑岩铜矿的重要性，正着手准备撰稿时，被Lowell与Guilbert捷足先登，引为憾事。
图8 富黑云母钾化斑岩a未风化，b风化
很早就有斑岩铜矿含金的报道，如巴布亚几内亚某矿床平均含金达0.56g/t，Bajo de la Alumbrera也有0.7g/t，1970s中后期，Sillitoe参与了巴基斯坦及东南亚斑岩铜矿勘查，显示含金斑岩铜矿富集脉状和浸染状热液磁铁矿。Sillitoe对菲律宾45个矿区的调查尤为有说服力，那时菲律宾到处活跃着新人民军毛派游击队，棉兰老岛部分岛屿更是实际为伊斯兰独立运动组织莫罗民族解放战线控制。许多矿区停工停产，进入需要复杂的手续与行程安排，在当地向导带领下，或乘坐叛军皮卡车，或乘坐菲律宾陆军履带式装甲运兵车，穿过毒液渗透的热带雨林。1991年，Sillitoe去到了当时世界上规模最大，品位最高位于新几内亚岛高山之巅的Grasberg矿床，任务之一是乘坐配备绞车的直升机调查矿区外围。清晨大风中，身体悬挂在绞车上，从距地面约100米的高空如中国功夫轻踏丛林树冠，上升几千米进入一条深沟，落入冰冷河水，再溯溪而上，检查矿化转石。返回也不轻松，螺旋桨旋转使得树冠四周摇晃，人需将四肢平展以抵消旋转力，上升到滑梯时，更是要倒着身子退着爬进客舱，这有些类似西毒欧阳锋练习蛤蟆功，是Sillitoe一生最为恐怖的经历之一。含金斑岩铜矿与斑岩铜钼矿相比：磁铁矿含量高，形成深度浅，侵入岩较为基性，缺乏绢云母蚀变，铜金外围存在钼晕。
图9 在Grasberg矿床外围乘直升机调查
斑岩铜矿中常见热液角砾岩（图10），多呈规模较小筒状，单独或集群存在，有一次在智利北部若非助手反应神速，Sillitoe就要殒命于地震后数秒崩落的直径达几米的角砾岩块下。在与明尼苏达大学Sawkins合作发表的文章中，Sillitoe认为角砾为热液侵蚀坍塌所致，但有研究者指出角砾是超压岩浆流体引起，且与地质事实更为相符。一些角砾直径较大，常被含铜矿物胶结，称为岩浆热液角砾岩（magmatic-hydrothermal），由岩浆冷却流体出溶破裂围岩所致。非洲布基纳法索南部某斑岩铜矿，矿体明显赋存于岩浆热液角砾岩中，Sillitoe去检查时，身后水坑突然传来阵阵水花声，一回头，一条鳄鱼正向岸边游来，被迫仓皇离开。还有一种角砾岩，充填于火山通道，地表为低平火山口，火山口周边环绕一圈凝灰岩，称为岩浆蒸汽角砾岩（Phreatomagmatic），通常晚于矿化。八十年代初，Sillitoe曾于巴布亚新几内亚填绘与此类角砾岩有关浅成低温热液矿床，上山时喜欢带着茶具，与青山相伴白云相饮，周末晚上则与矿工及当地咖啡种植者共享晚餐。某次两个小偷溜了进来，想偷走商店里的啤酒，结果被保安发现，有个屁股上挨了一箭，哀嚎着狼狈而去。美国蒙大拿州一处金银矿赋存于火山通道中，地表平坦长满了野草，Sillitoe跪在草地上，用手扒开草丛，仔细寻找地松鼠打洞时掏出的角砾岩碎片，突然听到一声枪响，原来是猎人不小心射杀了一头正在吃草的老牛。此外还有一种蒸汽角砾岩（Phreatic），在浅成热液环境中最为常见，由岩浆加热地表（下）水引起，通常包含一些高品位贵金属矿体。
图10 热液角砾岩类型及位置
高级泥质蚀变指在酸性条件下（pH≈5-1）形成的一套矿物组合，以石英为主，高岭土、明矾石等其他矿物不一而足，常与黄铁矿、斑铜矿等硫化物相随。酸性流体是深部岩浆中的SO 2 与HCl进入浅部含水层冷凝而成，高酸性流体（pH<1.5）会溶蚀掉大部分矿物，仅留下带有孔洞的石英，石英抗风化能力强，因此地形上常较高耸。1977年，Sillitoe到了缅甸某高级泥质蚀变发育矿床，那里民族叛乱普遍，岩心编录时常需要军人守卫。一天早晨醒来，Sillitoe在蚊帐里穿好了衣服，弯腰准备去穿床底下的鞋时，一条黑颈眼镜蛇盘卷着身子睡得正香。九十年代，根据多年对高级泥质蚀变带的认识，Sillitoe提出了岩帽（lithocap）的概念，岩帽主要由石英-明矾石蚀变带组成，向上渐变为孔洞发育的残余石英，向下过渡为石英-叶腊石，外围则是石英-高岭土。Lowell与Guilbert（1970）的斑岩铜矿模式缺乏高级泥质蚀变帽，很可能与美国西南部斑岩铜矿普遍遭受较深侵蚀有关。如今岩帽的概念和总体蚀变分带模式已广为接受，并为勘探深部斑岩铜矿提供了依据。Sillitoe对玻利维亚历史上赫赫有名的波托西银矿（Potosí）的调查表明，银与锡都赋存于孔洞石英中，坑道内湿度、温度非常高，矿工就是在这样的环境下只穿着内裤打钻，硫酸烟雾四处弥漫，只呆了几个小时，Sillitoe的舌头表层开始脱落。
构造收缩、地壳缩短增厚、迅速抬升与剥蚀是碰撞造山带的典型特征，与斑岩铜矿形成紧密相连。构造收缩会抑制火山作用，使岩浆存留于上地壳，从而释放出大量成矿流体，形成大型、高品位斑岩铜矿。而迅速抬升则使得浅部特别是富金矿体被剥蚀掉，因此大型矿床多出现于新生代，特别是中新世以来，除非成矿后被火山、沉积、构造等作用埋藏起来。如果在抬升侵蚀过程中，又有热液相伴，则会发生蚀变、矿化叠加，如高级泥质蚀变叠加于绿泥石-绢云母蚀变之上，更有甚者叠加于深部钾蚀变之上，在侵入接触、断层、脉岩、角砾岩等处更为常见。抬升也有利于发生次生富集作用，沉淀高品位辉铜矿，干旱与半干旱环境更为有利，在热带地区，侵蚀快于富集，经济意义减小。当侵蚀于斑岩铜矿深部时，黄铁矿含量少，不利于次生富集，会产生一些特殊铜矿物，例如在钾化区会产生氯铜矿、硅孔雀石等。
在长期阅读、观察、思考过程中，Sillitoe脑海里慢慢有了斑岩铜矿整体成矿模式的画卷。许多概念想法来自八十年代，那时对斑岩铜矿的研究与勘探均处于冰点，提到这种矿床在勘探界会遭受恶意的嘲笑，在学术界会招致茫然的凝视。而现今即使黄金矿业公司也在勘探和收购斑岩铜矿，非矿床科班出身研究人员也加入了斑岩铜矿研究热潮，有些更是连这种矿床真面目也未见过。2008年 Economy Geology 主编Larry Meinert说服Sillitoe让他全面阐述他对斑岩铜矿的思想认识，条件是答应请他吃一顿丰盛的晚餐，从而有了“Porphyry copper systems”这一经典文献的问世（2010，图11）。回顾多年来的斑岩铜矿发现史，Sillitoe自认是以野外观察与成矿模式为准绳，而非靠复杂的逻辑推理与先进的化验分析。他多通过野外填图，岩心编录对蚀变标志、石英脉密度、角砾岩类型、高级泥质岩帽发育情况做出判断，进而对下步找矿方向与目标做出推断。正是因为以扎实的实践与理论为基础，他才勇于坚决果敢地建议实施深部钻孔，多有奇迹发生。在阿拉斯加Pebble，Sillitoe注意到石英网脉向东延伸，从而在沉积盖层下发现了规模大、品位高的矿体。硫化物多从内到外呈黄铜矿±斑铜矿—黄铜矿+黄铁矿—黄铁矿分带规律，借助于此Sillitoe帮助发现了巴西元古代Chapada，尽管这个矿床韧性变形强烈，矿体拉伸显著，然而硫化物活化却很弱。在哥伦比亚Mocoa，沟壑纵横，林草深密，仅凭着绢云母蚀变了的岩浆热液角砾就做出了深部钻孔的决定，很快发现了下部高铜品位的钾化带。
图11 斑岩铜矿成矿模式a矿化类型 b蚀变模式
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