基于红外光谱特征与磁化率综合指标的铜山口矽卡岩–斑岩铜–钼–钨矿床（中国东部）热液流体演化示踪

《Journal of Asian Earth Sciences》：Tracing hydrothermal fluid evolution of the Tongshankou skarn–porphyry Cu–Mo–W deposit (Eastern China) using integrated infrared spectroscopic characteristics and magnetic susceptibility

　　

斑岩铜矿成矿系统通常包含伴生的铜矽卡岩矿床，是全球经济价值最高的热液矿床类型之一，约占全球铜储量的75%、钼的50%和金的20%，并常含有铼、硒、碲等关键金属元素。尽管前人研究在构造背景、岩浆特征、蚀变分带及流体演化等方面取得了显著进展，但成矿热液流体的性质及其演化轨迹仍存在关键不确定性。传统成矿模型认为这些流体主要呈碱性至中性，但近期研究在某些铜–金和锌–铅矽卡岩矿床中识别出清晰的酸性流体特征，对这一传统认识提出了挑战。长江中下游成矿带（MLYRB）是中国东部最重要的矽卡岩–斑岩铜–金–铁多金属成矿带之一，近年来在已知矿田深部及外围发现了多个中大型钨–铜–钼矽卡岩矿床，并识别出钴、硒、碲、铼等关键金属的显著成矿潜力。铜山口铜–钼–钨矿床是该成矿带内一个典型的矽卡岩–斑岩矿床，前人研究主要集中于成矿斑岩的成因与源区、岩浆与成矿时代、典型矿物地球化学以及热液流体的来源与演化等方面，但该矿床热液流体的特征与演化仍约束不足，且尚未建立针对深部隐伏矿体的综合蚀变矿物勘查指标体系。本研究采集了铜山口矽卡岩–斑岩铜–钼–钨矿床三个代表性地质剖面的八个钻孔岩心，通过岩石学特征鉴定、短波及热红外光谱分析以及体积磁化率（K_bulk）测量，构建了该矿床的综合数据库，旨在厘清矿物共生序列与蚀变分带、约束热液流体的地球化学性质与演化过程，并建立精细化的勘查指标。

铜山口矽卡岩–斑岩铜–钼–钨矿床热液流体演化示踪研究

一、研究背景与意义

斑岩铜矿成矿系统及其伴生的铜矽卡岩矿床是全球经济价值最高的热液矿床类型之一，约占全球铜储量的75%、钼的50%和金的20%，并常含有铼（Re）、硒(Se)、碲(Te)等关键金属元素。长江中下游成矿带（Middle–Lower Yangtze River Metallogenic Belt, MLYRB）是中国东部最重要的矽卡岩–斑岩铜–金–铁多金属成矿带之一，近年来在已知矿田深部及外围发现了多个中大型钨–铜–钼矽卡岩矿床，并识别出钴、硒、碲、铼等关键金属的显著成矿潜力。在此背景下，进一步完善区域矽卡岩–斑岩成矿理论、建立深部矿产勘查的可靠判据，对于指导该成矿带的未来找矿工作至关重要。

铜山口铜–钼–钨矿床位于鄂东矿田西南部，是该成矿带内一个典型的矽卡岩–斑岩矿床。前人研究主要集中于成矿斑岩的成因与源区、岩浆与成矿时代、典型矿物地球化学以及热液流体的来源与演化等方面，为该矿床的成因机制理解奠定了重要基础。然而，该矿床热液流体的特征与演化仍约束不足，且尚未建立针对深部隐伏矿体的综合蚀变矿物勘查指标体系。尤其值得关注的是，传统成矿模型认为矽卡岩–斑岩铜矿的成矿流体主要呈碱性至中性，但近期研究在某些铜–金和锌–铅矽卡岩矿床中识别出清晰的酸性流体特征，对这一传统认识提出了挑战。此外，高岭石等粘土矿物在矽卡岩矿床中的成因归属（热液成因vs.表生风化成因）长期存在争议。因此，开展铜山口矿床热液流体演化精细研究，不仅具有重要的科学意义，也具有直接的勘查应用价值。

本研究发表在《Journal of Asian Earth Sciences》上，研究人员通过系统采集铜山口矿床三个代表性地质剖面的八个钻孔岩心样品，综合运用岩石学鉴定、短波红外（Short-Wave Infrared, SWIR）光谱、热红外（Thermal Infrared, TIR）光谱以及体积磁化率（K_bulk）测量等技术手段，构建了该矿床的综合数据库，旨在厘清矿物共生序列与蚀变分带、约束热液流体的地球化学性质与演化过程，并建立精细化的勘查指标。研究结果不仅为矿区深部找矿提供了科学依据，也为完善整个长江中下游成矿带矽卡岩–斑岩铜多金属矿床的成矿模型提供了关键见解。

二、主要技术方法

本研究采用的技术方法主要包括：（1）短波红外光谱分析，使用TerraSpec 4 Hi-Res矿物光谱仪获取1300–2500 nm范围内的光谱数据，提取Al–OH、Fe–OH和Mg–OH官能团的特征吸收峰参数；（2）热红外光谱分析，采用Agilent 4300手持式FTIR光谱仪获取5200–650 cm^-1波数范围的光谱数据，用于识别无水硅酸盐和碳酸盐矿物；（3）体积磁化率测量，使用Terraplus KT-10RS/C磁化率仪在10 kHz频率下获取样品的体积磁化率（K_bulk）数据；（4）扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）分析，包括背散射电子成像和能谱分析，用于精细鉴定矿物组合与交代关系。样品采集自铜山口矿床的八个钻孔，基线采样间隔约6米，根据岩性变化和热液蚀变强度动态调整。

三、研究结果

根据矿物组合和脉体穿插关系，铜山口矽卡岩–斑岩铜–钼–钨矿床可划分为四个热液阶段：进矽卡岩–钾硅化阶段（S1）、退矽卡岩化–铁氧化物阶段（S2）、石英–绿泥石–硫化物成矿阶段（S3）和晚期碳酸盐化阶段（S4）。

**进矽卡岩–钾硅化阶段（S1）**

该阶段以斑岩体内广泛的钾质蚀变和外接触带无水矽卡岩矿物的沉淀为特征。斑岩体内发育面状、脉状和浸染状钾长石蚀变。外接触带广泛沉淀石榴子石、辉石、符山石和硅灰石等无水矽卡岩矿物。石榴子石分为三个世代（Grt¹至Grt³），其中Grt¹和Grt²在该阶段结晶。Grt¹呈暗褐色至暗绿色，在正交偏光下完全消光；Grt²呈浅褐色至浅绿色，优先沿Grt¹晶体边缘生长，显示非均质性消光。随着远离斑岩体，石榴子石晶体颜色逐渐变浅，辉石相对丰度增加。

**退矽卡岩化–铁氧化物阶段（S2）**

该阶段以广泛发育的退矽卡岩蚀变矿物为特征，包括金云母、蛇纹石、透闪石、阳起石和绿帘石等，这些矿物普遍叠加于早期进矽卡岩矿物之上，或在外接触带围岩中形成退矽卡岩脉网。该退矽卡岩事件伴随广泛的磁铁矿和赤铁矿沉淀。宏观上，蛇纹石在白云质大理岩中形成细脉构造，透辉石矽卡岩被磁铁矿强烈交代，石榴子石矽卡岩被赤铁矿叠加。

**石英–绿泥石–硫化物成矿阶段（S3）**

该阶段代表铜山口矽卡岩–斑岩矿床的主成矿期，主要矿石矿物为黄铜矿、斑铜矿、辉钼矿、白钨矿和闪锌矿，脉石矿物以石英和方解石为主。石英–辉钼矿–黄铁矿（±黄铜矿）脉明显切穿钾化花岗闪长斑岩；浸染状石英（±辉钼矿）交代石榴子石矽卡岩；浸染状黄铜矿叠加石榴子石矽卡岩；细粒黄铁矿交代透辉石含磁铁矿矿石；浸染状黄铜矿部分交代蛇纹石；不规则黄铜矿–黄铁矿集合体交代含残留石榴子石的赤铁矿矿石；大理岩中发育石英–黄铁矿网脉。该阶段还形成大量绿泥石，可细分为三种类型：（i）由花岗闪长斑岩或石英闪长斑岩中原生角闪石和/或黑云母蚀变形成的绿泥石；（ii）产于斑岩体内的绿泥石–辉钼矿脉；（iii）交代各种矽卡岩矿物或与硫化物矿物直接共生的绿泥石。

**晚期碳酸盐化阶段（S4）**

该阶段广泛沉淀大量热液碳酸盐矿物，主要为方解石和铁白云石，少量萤石、石英、高岭石、伊利石和蒙脱石。铁白云石脉切穿含石英–黄铁矿网脉的大理岩；方解石和方解石–萤石脉切穿钾化花岗闪长斑岩。

**蚀变分带特征**

基于岩相观察和SWIR-TIR蚀变填图，研究人员在铜山口矿床识别出五个清晰的蚀变分带，从成矿斑岩体向外过渡至远端围岩：（i）白云母–钾长石蚀变带（带I）；（ii）白云母–绿泥石–钾长石–强矽卡岩化带（带II）；（iii）高岭石–白云母–强矽卡岩化带（带III）；（iv）绿泥石–中等矽卡岩化带（带IV）；和（v）绿泥石–弱矽卡岩化带（带V）。主要矿体赋存于蚀变带III和IV中。绿泥石和白云母广泛分布，是界定蚀变分带和提取诊断性光谱参数的关键矿物。相比之下，高岭石和地开石主要局限于侵入体接触带附近，这两种矿物的出现标志着接近热液矿化中心。

**光谱参数特征**

绿泥石Fe–OH吸收波长位置（Pos²²⁵⁰）是区分Mg-绿泥石（2240–2249 nm）、过渡型绿泥石（2249–2257 nm）和Fe-绿泥石（2257–2270 nm）的关键参数。铜山口矿床绿泥石的Pos²²⁵⁰值范围为2240.3–2270.0 nm，数据集呈现显著的双峰聚类特征，分别对应Mg-绿泥石和Fe-绿泥石。钻孔测井和剖面填图显示，绿泥石Pos²²⁵⁰值向热液矿化核部呈系统性升高趋势。在远离侵入接触带的蚀变带I和V中，多数Pos²²⁵⁰值低于2250 nm；而接近矿化中心的蚀变带II至IV显示明显升高的Pos²²⁵⁰值，且超过2250 nm的测量比例显著上升。

白云母–蒙脱石的Al–OH吸收位置（Pos²²⁰⁰）范围从2195.5至2229.7 nm，主峰聚类于2206–2213 nm，均值为2210.4 nm。Pos²²⁰⁰值呈现系统的空间变化：在远端围岩（蚀变带V）中 consistently 较高，多数>2205 nm；向侵入接触带方向显著降低，多数值低于2205 nm。

**磁化率特征**

铜山口矿床样品的体积磁化率（K_bulk）变化范围为0.004×10^-3至732.000×10^-3 SI，均值为2.464×10^-3 SI。未蚀变或弱蚀变大理岩和白云质大理岩的K_bulk值最低，平均值<0.200×10^-3 SI；弱蚀变石英闪长斑岩的K_bulk值多集中于0.200×10^-3–1.000×10^-3 SI；花岗闪长斑岩变化较大，反映蚀变和矿化强度的非均一性；镁铁质微粒包体（MMEs）的K_bulk值中等偏高；不含铁磁性矿物的矽卡岩K<sub>bulk值<1.000×10^-3 SI，而主要含矿矽卡岩集中分布于1×10^-3–100×10^-3 SI，局部磁铁矿富集矿石显示急剧升高的Kbulk值，可达100×10^-3–800×10^-3 SI。

四、讨论

**蚀变分带的成因与勘查意义**

蚀变矿物分带在约束热液流体活动、示踪成矿流体演化及指导勘查钻探中发挥关键作用。铜山口矿床与前人建立的蚀变分带模型相比，本次详细的SWIR和TIR光谱分析在侵入接触带附近识别出大量高岭石和地开石。背散射电子图像显示，细粒高岭石与石英和方解石交生，钾长石被地开石、石英、黄铁矿和方解石集合体交代，或与其发生交生。这两种粘土矿物作为新颖、可靠的指标，有效约束了热液蚀变分带边界的厘定。

**热液流体演化**

本研究通过SWIR和TIR蚀变填图，识别出铜山口矿床广泛分布的层状硅酸盐矿物。成矿过程中铁氧化物和硫化物的沉淀释放大量H⁺和H2O，导致热液逐渐酸化。上升的热液流体通过与周围围岩的水–岩反应被中和，伴随CO2和H2O的释放。酸性流体与浅部花岗闪长斑岩和石英闪长斑岩的相互作用促进了原生长石向高岭石和地开石的转化。在（白云质）大理岩序列中，流体–岩石反应产生大量CO2和H⁺，进一步与花岗闪长斑岩和石英闪长斑岩在接触交代过程中释放的Si–Al残留物反应，共同解释了铜山口矿床隐伏矽卡岩矿体上接触带附近酸性高岭石和/或地开石的广泛发育。

铜山口矿床的花岗闪长斑岩和石英闪长斑岩属于高钾钙碱性岩系，具有埃达克质地球化学特征，以高Sr/Y和La/Yb比值为标志，具有高氧逸度、高含水量和高硫逸度的特点，有利于矽卡岩–斑岩铜–钼矿化的发育。前人流体包裹体显微测温学和氧同位素分析已识别出三个连续的流体演化阶段：早期进矽卡岩–钾硅化阶段（S1）以高温（600–450 °C）、弱碱性富岩浆流体为特征；中期石英–硫化物阶段（S3）受岩浆流体与大气降水混合控制，温度450–280 °C，流体酸化和沸腾触发大量铜–钼硫化物沉淀，伴随广泛的绢云母化和硅化；晚期碳酸盐化阶段（S4）以大气降水为主，温度280–97 °C，弱碱性，以广泛碳酸盐化为特征。

综合而言，本研究重建了铜山口矽卡岩–斑岩铜–钼–钨矿床的完整岩浆–热液演化和成矿序列：（i）原始岩浆热液首先与（白云质）灰岩围岩反应，发生接触变质作用，使碳酸盐原岩转化为大理岩和白云质大理岩；（ii）进矽卡岩矿物（石榴子石、辉石、硅灰石）从近岩体到远区的顺序生长，同时斑岩体内广泛发育浸染状和脉状钾硅化；（iii）演化流体从岩体核部向外迁移，叠加改造先期进矽卡岩，产生退矽卡岩矿物（绿帘石、阳起石、金云母、蛇纹石、透闪石）与铁氧化物共生；（iv）持续冷却及岩浆–大气降水混合触发大量硫化物沉淀，伴随围岩中广泛的绿泥石化、高岭石化和地开石化，同时斑岩内形成强烈的绢云母化和石英–硫化物脉网。铁氧化物和硫化物的大量沉淀释放大量H⁺和H2O，逐渐酸化热液流体。在斑岩体内，酸性流体淋滤原生钾长石和斜长石，沉淀高岭石和地开石；在外矽卡岩和（白云质）大理岩中，这些酸性流体与来自斑岩的Si–Al组分反应，生成与石英和硫化物矿石密切共生的高岭石和地开石。绿泥石化学成分呈现岩性依赖性变化：Mg富绿泥石形成于斑岩体内岩浆角闪石和黑云母的交代替换，而Fe富绿泥石叠加于矽卡岩带的早期石榴子石和绿帘石之上。最终热液阶段，持续的流体–碳酸盐反应中和流体体系，形成大量晚期碳酸盐脉，使流体返回弱碱性条件。

**多光谱数据与磁化率对隐伏矿体的矢量示踪**

SWIR和TIR光谱参数结合体积磁化率变化，在全球矽卡岩和斑岩铜多金属矿床勘探中被广泛用于构建可靠的矿物矢量。在铜山口矿床，绿泥石广泛分布于几乎所有识别出的蚀变带中，三种类型的绿泥石均形成于石英–绿泥石–硫化物成矿阶段（S3），与铜–钼–钨矿化存在密切成因联系。绿泥石Pos²²⁵⁰值在远端斑岩体和（白云质）大理岩围岩中相对较低，但在接近热液中心的蚀变带II至IV中明显升高，向矿化中心呈现清晰的增加趋势。Fe富绿泥石以其高Pos²²⁵⁰值为特征是铜山口矿床有价值的勘查替代指标。

白云母–蒙脱石Pos²²⁰⁰光谱指数向热液中心逐渐降低，低光谱值可作为圈定侵入接触带的可靠矢量。靠近热液中心的高温度有利于形成八面体Al^vi含量更高的白云母，对应更低的Pos²²⁰⁰值。在靠近侵入接触带的花岗闪长斑岩和石英闪长斑岩中，异常低的Pos²²⁰⁰值（<2202 nm）频繁出现。

体积磁化率（Kbulk）在铜山口矿床表现出显著的空间变异性。统计分析表明，Kbulk向热液矿化中心系统性升高。这种空间差异源于岩性类型、蚀变强度和矿化程度控制的磁性特征变化。因此，异常高的Kbulk值是铜山口矿床关键的勘查指标。

基于此，研究提出三个有效指示隐伏矿体的参数：（i）Pos²²⁵⁰>2250 nm的Fe富绿泥石；（ii）Pos²²⁰⁰<2205 nm的白云母–蒙脱石；（iii）Kbulk>1.0×10^-3 SI的体积磁化率异常。

**区域矽卡岩–斑岩矿床流体演化与深部勘查意义**

长江中下游成矿带广泛发育与早白垩世高钾钙碱性花岗岩类有成因联系的矽卡岩–斑岩铜多金属矿床。前人关于该成矿带矽卡岩–斑岩铜多金属矿床蚀变组合的研究认为，其成矿热液流体主要呈中性至弱碱性，矽卡岩矿床中出现的高岭石传统上被解释为表生风化的产物。然而，本研究对铜山口矿床的岩相学和地质调查，结合此前对铜绿山铜–金–铁矽卡岩矿床的研究工作，证实在侵入体近端区域广泛发育高岭石和地开石，这些粘土矿物与金属硫化物 exhibit 密切的共生关系，且在深部持续出现而无系统的垂直消减，进一步排除了表生成因。

这些证据表明，高岭石和地开石是长江中下游成矿带矽卡岩–斑岩铜多金属矿化中普遍发育的热液蚀变矿物，与成矿作用同期形成。在铜多金属矿化过程中，侵入接触带附近的热液流体中发育局部酸性微环境，促进了酸敏感性高岭石和地开石的形成，并促进了金属硫化物的同步沉淀。因此，这些粘土矿物可作为圈定矽卡岩–斑岩成矿系统近端热液矿化中心的可靠矢量指标。

五、研究结论

基于上述综合分析，本研究得出以下结论：

铜山口矽卡岩–斑岩铜–钼–钨矿床可划分为四个热液阶段：进矽卡岩–钾硅化阶段（S1）、退矽卡岩化–铁氧化物阶段（S2）、石英–绿泥石–硫化物阶段（S3）和晚期碳酸盐化阶段（S4）。结合岩相资料，SWIR和TIR蚀变填图进一步确定了从中心含矿斑岩向远端碳酸盐围岩延伸的五个蚀变带。

基于SWIR和TIR光谱参数分析及体积磁化率统计，提出铜山口铜–钼–钨矿的四项勘查准则：（i）高岭石、地开石、矽卡岩矿物和退矽卡岩蚀变组合的大量出现；（ii）Pos²²⁵⁰>2250 nm的Fe富绿泥石；（iii）Pos²²⁰⁰<2205 nm的白云母–蒙脱石；（iv）超过1.0×10^-3 SI的显著Kbulk异常。

高岭石和地开石的出现表明，在矽卡岩–斑岩铜–钼–钨矿化过程中，成矿热液流体从碱性演变为酸性条件。</sub>