铜-钼矿一般产于岩浆弧环境,与源自俯冲洋壳部分熔融或者受俯冲板片交代的地幔楔部分熔融形成的钙碱性斑岩有关,通常被称之为斑岩型矿床。世界上大约3/4的铜矿、1/2的钼矿均与斑岩型矿床有关。王家庄铜-钼矿位于华北克拉通东部鲁西地块的邹平地区,产于陆内环境,形成于早白垩世,赋存于碱性石英二长岩中,具有细脉浸染状-伟晶岩状矿体以及铜钼分带的的特征,其在构造背景和成矿岩体方面明显不同于传统的产于弧环境、与钙碱性岩石有关的斑岩型铜-钼矿,因此在揭示陆内铜-钼成矿作用方面具有重要研究意义。此外,其形成时间与华北克拉通岩石圈破坏的峰期时间一致,对克拉通破坏的成矿作用也具有重要指示意义。
中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室蓝廷广副研究员及其团队对此作了探究。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年表明,赋矿围岩石英二长岩侵位年龄为128.8±1.0 Ma,矿石辉钼矿Re-Os定年显示成矿年龄为128.3 ± 0.7 Ma,成岩与成矿年龄非常一致,表明石英二长岩为成矿岩体。石英二长岩为碱性、准铝质,富集轻稀土以及大离子亲石元素元素,亏损重稀土以及高场强元素,显示埃达克质特征,暗示其源区经历了交代作用或者岩浆经历了较强的结晶分异作用。Nb/Ta vs. SiO2以及Zr/Sm vs. SiO2等元素协变图表明角闪石等的结晶分异是导致其具有埃达克质特征的重要原因之一。岩体Sr-Nd-Hf同位素组成明显不同于研究区陆壳以及岩石圈地幔,而与更深的软流圈地幔具有相似性(图1)。模拟计算表明,石英二长岩可能形成于软流圈地幔熔体与15~20%的下地壳熔体的混合。锆石饱和温度计以及石英Ti温度计显示岩体形成温度为∼746 °C 、侵位深度∼4 km。全岩Fe2O3/FeO比值以及锆石Ce4+/Ce3+比值明显高于同期源自岩石圈地幔的基性岩,表明岩体氧逸度较高((fO2>橄榄石-磁体矿-石英缓冲线)。黑云母等含水矿物的出现则指示岩体富水(H2O≥4 wt%)。全岩铜(~840 ppm)和钼(~11.9 ppm)含量也明显高于研究区陆壳和岩石圈富集地幔。石英二长岩的这些特征不同于同时期源自陆壳和富集岩石圈地幔部分熔融的岩体,表明其形成铜钼矿具有独特因素。综合其地球化学特征,其软流圈地幔源区可能受到位于地幔过渡带(410~610 km)的古太平洋洋壳板片的交代(图2)。
矿石硫化物的He-Ar同位素表明成矿流体主要来自地幔,与赋矿围岩的地幔特征一致。流体包裹体显微测温和激光拉曼研究表明,流体高温、高盐、高氧逸度,形成温度为287~466 °C、 盐度33.8~55.3 wt% NaCleqv.,具有岩浆热液的特征,为石英二长岩岩浆分异的产物。流体包裹体LA-ICP-MS微区原位分析表明(图3),富气相包裹体更富K和Cu,而含子矿物包裹体富Na和Mo(图4a 和b),暗示Cu和Mo具有不同的搬运机制,即Cu更倾向于气相搬运,而Mo则倾向于进入高盐液相。石英微量元素LA-ICP-MS分析表明,从早期岩浆石英-成矿期石英-成矿期后石英,微量元素具有明显的Ti降低而Al升高的趋势,特别是从成矿期到成矿期后石英,Al含量具有台阶式上升的变化(图4c),由于石英中的Ti含量通常与温度具有正相关关系(Wark and Watson, 2006),Al含量的升高与pH值降低有关(Rusk et al., 2008),暗示王家庄Cu-Mo矿成矿元素的沉淀受到温度和流体酸碱度变化的控制。此外,硫化物δ34S具有从成矿早期到晚期逐步升高的趋势(-7.07~-1.02‰),表明矿质的搬运和沉淀与还原作用有关。