Центры интрузивной деятельности и интрузии медно-порфировых месторождений

Медно-порфировые месторождения являются минерализованными гидротермальными системами, связанными с интрузиями. На пространственную и временную связь минерализации с интрузиями указывает главным образом распространение зон изменения и минерализации, которые располагаются симметрично или асимметрично у порфировых интрузий или их контактов. Чаще всего месторождения связаны с небольшими (диаметром 1—3 км) плутонами порфировых пород. На генетическую связь указывает также совпадение возраста интрузий и гидротермальных минералов, определенного K-Ar-методом. Однако все еще мало известно о процессах, ведущих к образованию различных магматических серий и ассоциирующихся с ними измененных боковых пород и минеральных месторождений.

Интрузивные центры, с которыми связаны медно-порфировые месторождения, во многом различны, и не существует какого-либо характерного типа пород или типичной конфигурации этих центров. Различия заключаются в составе, текстуре, количестве интрузий, внутренней геометрии или тренде дифференциации. Хотя плутоны располагаются среди самых разных коровых пород, мы не имеем свидетельств того, что на состав магм оказывают большое воздействие вмещающие породы; однако гидротермальные процессы, сопровождающие остывание плутонов, могут испытывать влияние состава пород, располагающихся в непосредственной близости.

Центры интрузивной деятельности. Интрузивные центры, концентрирующие медную минерализацию, по своим размерам варьируют от небольших (1 км и менее в диаметре) плутонов однородного состава до крупных (диаметром ~5 км) комплексов, включающих большое количество разнообразных типов интрузивных пород. Некоторые медно-порфировые системы на разведанных горизонтах не представляют собой единую интрузию. Подобные месторождения, такие, как Саффорд и Ред-Маунтин (Аризона), размещаются среди вулканических пород, пересеченных роями даек; в этих случаях можно только предполагать наличие порфирового плутона на глубине. Рассмотрим несколько представительных примеров.

Многочисленные изолированные мелкие (<1 км в диаметре) плутоны однородного состава и текстуры на медно-порфировых месторождениях района Бабин-Лейк в северной части центральной Британской Колумбии образуют центры. На месторождениях Белл и Гренайл имеются штоки биотит-полевошпатовых порфиров, концентрирующие медную минерализацию в кластических осадочных и вулканических боковых породах. Подобные мелкие плутоны сходного состава, с которыми ассоциируется минерализация медно-порфирового типа, наблюдаются в других районах Тихоокеанского обрамления, например на Филиппинах и на островных дугах юго-западной части Тихого океана. Имеется тенденция к развитию большего числа интрузий разнообразного состава и (или) текстуры в центрах интрузивной деятельности больших размеров; однако медь обычно концентрируется вокруг одиночных, небольших и относительно молодых интрузий внутри этих комплексов.

Большим распространением пользуются медно-порфировые системы, связанные с крупными и петрологически более сложными сериями интрузивных пород. Такие комплексы располагаются во многих местах Тихоокеанского обрамления; по размерам они сильно варьируют: к ним относятся такие крупные батолиты, как Гишон в Британской Колумбии (~100 кв. км) и батолит Бисмарка на Новой Гвинее (~3500 кв. км), и штоковые комплексы юго-восточной части США и Анд площадью 10—50 кв. км. Внутри этих комплексов порфировые интрузии, которые концентрируют медную минерализацию, редко превышают по площади 4 кв. км. Некоторые интрузивные комплексы имеют зональное строение, отдельные фазы различаются по составу и текстуре; например, большую часть батолита Гишон в Британской Колумбии образуют шесть самостоятельных фаз или разновидностей магматических пород. Мак-Миллан показал, что до смещения по разломам каждая последующая фаза батолита обладает более ограниченным развитием и располагается ближе к центру по сравнению с предшествующей (рис. 8). Внешняя часть батолита сложена самой древней гибридной породой, по составу варьирующей от диорита до кварцевого диорита; гранодиорит и кварцевый монцонит являются более молодыми образованиями, и они располагаются ближе к центру. Месторождения, связанные с батолитом, ассоциируются главным образом с бетлехемской фазой, породы которой пересекаются многочисленными еще более молодыми порфировыми дайками. Прочие месторождения на этой площади размещаются в породах скинской и бетсайдской фаз и находятся в центре батолита или вблизи него.

В Axo (Аризона) Уодсуорт выделил пять отчетливых фаз плутона Корнилия, который он и Гиллули рассматривали как пример магматического тела, эродированного до относительно более глубоких горизонтов. Внешняя кварц-диоритовая фаза имеет четкий контакт с более молодой гранодиоритовой фазой, а гранодиорит по резкому контакту соприкасается с кварц-монцонитовой фазой. Ближе к центру располагается широкая гибридная зона, которая постепенно переходит в кварц-монцонитовый порфир. Магматический процесс, по-видимому, завершился внедрением тела порфировых кварцевых микромонцонитов, форма которого повторяет форму рудной зоны в сброшенном более высоком блоке рудного тела Нью-Корнилия (рис. 9).

Третьим примером служит рудное тело Пангуна на острове Бугенвиль. Здесь последовательное внедрение кварцевого диорита, затем биотитового гранодиорита и, наконец, лейкократового кварцевого диорита, видимо, происходило по краям интрузивных масс; при этом каждая из более молодых фаз интрудировала с внешней стороны предыдущей фазы, но всегда на контакте с ней (рис. 10). Рудное тело располагается концентрично относительно двух более молодых интрузий. В отличие от Axo и батолита Гишон, где интрузии играют роль рудовмещающей породы, интрузивный комплекс Пангуна контактирует со слоистыми вулканическими породами, заключающими существенную часть медной минерализации. Эль-Сальвадор представляет другую разновидность интрузивного комплекса с обратной общей направленностью изменения состава; отношение калия к натрию выше в более ранних фазах. После периода риолитового и андезитового вулканизма сначала произошло внедрение богатых кварцем риолитов и кварцевых порфиров, а затем секущих их более молодых масс гранодиоритового порфира. По геометрической форме и составу этот интрузивный комплекс, диаметр которого около 2 км, сходен с комплексом Пангуна.

Магматические процессы, которые приводили к образованию тел различного состава внутри комплекса, слабо изучены. На месторождении Axo последовательные интрузивные фазы рассматриваются как результат дифференциации известково-щелочной магмы, давшей отчетливо различающиеся типы пород; в комплексе Эль-Сальвадор выявлены две самостоятельные фазы внедрения. Таким же образом на Гуадалканале медно-порфировая минерализация ассоциируется с двумя, по-видимому, самостоятельными интрузивными телами. Более древний комплекс, включающий габбро, диорит и гранодиорит, позже интрудирован магмой, обусловившей образование зонального плутона, в котором выделено восемь основных типов магматических пород, застывание которых заняло очень короткий период времени (около 2 млн. лет). Чивас предположил, что, поскольку приконтактовые явления незначительны, эти восемь типов пород комагматичны и остывали как единое целое.

На основании данных по соотношению, геометрии и составу интрузий и интрузивных комплексов, с которыми связаны медно-порфировые месторождения, можно сделать некоторые обобщающие выводы.

1. Крупные (> 100 млн. т) медные месторождения обычно связаны с относительно большими интрузиями или интрузивными комплексами, хотя интрузивное тело внутри этого комплекса, генетически связанное с минерализацией, может быть небольшим (примерно 1—2 км в диаметре). Мелкие плутоны (<1 км в диаметре) создают относительно меньшие концентрации меди.

2. В некоторых комплексах интрузии представляют собой единые магматические тела, в других предполагается внедрение одной или двух порций магмы.

3. Многие интрузивные комплексы характеризуются зональным расположением разных типов магматических пород — от диорита до кварцевого монцонита или более кислых пород, таких, как аплит, при этом меняется структура — от фанеритовой до полнокристаллической порфировой. Медные месторождения обычно ассоциируются с самыми молодыми и наиболее кислыми порфирами.

Петрология. Хотя немногие серии интрузивных пород медно-порфировых месторождений изучены детально, все же имеются публикации с описанием состава отдельных образцов магматических пород. Сильный импульс подобные исследования получили в течение последнего десятилетия в связи с возросшим интересом к глобальной тектонике, тектонической истории коры и соотношениям различных типов магматических пород в ходе этой истории. Следующим толчком послужила необходимость получить ответы на чисто экономические вопросы о природе и соотношениях «продуктивных» и «непродуктивных» порфиров в определенных медных провинциях. Важная проблема определения первичного состава пород в магматических сериях, с которыми связаны медно-порфировые месторождения, возникла в связи с широким распространением измененных магматических пород, характеризующихся развитием вторичных (гидротермальных) биотита и хлорита, которые теперь установлены во многих центрах минерализации. Такие трудноуловимые изменения описаны на месторождениях Бабин-Лейк в Британской Колумбии, Эль-Сальвадор, Саффорд, Бьютт и Йандера. Весьма возможно, что этот тип изменения имеет место и на многих других месторождениях. Изменения содержания калия п натрия, а также железа и магния, происходящие при этом, необходимо учитывать при интерпретации результатов химических анализов пород.

Второй фактор, мешающий изучению этих пород, — супергенные изменения. Так как большие объемы пород в пределах развития гипогенной минерализации превращены в глины, кремнезем и окислы, они не могут служить материалом для опробования. Таким образом, остаются не полностью опробованными многие из крупных порфировых систем юго-запада США и Анд, где поверхностное изменение широко распространено и супергенные процессы экстенсивны и глубоки, и это положение, возможно, сохранится еще долгое время. Даже там, где проводится систематическое опробование (например, на месторождениях Бингем, Рей), перед исследователями встала проблема отбора материала из отдаленных частей систем. Лучше всего изучены комплексы магматических пород западной части Тихого океана, где супергенные изменения проявлены незначительно из-за быстрого поднятия и эрозии. Тем не менее, как будет показано дальше, сравнение данных, полученных в одном районе, с данными по какому-либо другому объекту показывает, что полученная информация может иметь во многих отношениях лишь местное значение. Широкое использование этих данных при изучении других медно-порфировых месторождений в общем, по крайней мере в настоящее время, носит в лучшем случае экспериментальный характер.

Имея в виду вышеперечисленные ограничения, мы выбрали анализы неизмененных или лишь слабо измененных пород. Данные относятся главным образом к Антильским и западнотихоокеанским островным дугам и к Северной Америке. Информация с континентальных и островодужных месторождений разделена и сопоставляется на вариационных диаграммах. На вариационной диаграмме щелочи — кремнезем (рис. 11) сопоставляются анализы интрузивных пород из десяти месторождений юго-западной части США, трех регионов западной Канады, восьми месторождений западнотихоокеанских островных дуг и четырех месторождений Новогвинейской возвышенности, а также из восьми месторождений Карибского региона. Обосабливаются три группы, хотя имеется и некоторое их перекрытие. За исключением щелочных пород из Гейлор-Крика (Канада), интрузивные породы из месторождений западной части Северной Америки и островных дуг имеют известково-щелочную природу. Щелочным составом характеризуются также магматические породы из месторождений Коппер-Маунтин и Ингер-белл, Афтой, Карибу-Белл и Лоррен.

Далее проанализированные породы сопоставляются на тройной диаграмме щелочи — известь, которая выявляет дополнительные различия между ними (рис. 12). Явно выделяются три группы: породы с островных дуг обладают в общем более низкими отношениями K2О/Na2О, чем породы из месторождений на Северо-Американском кратоне и породы щелочной серии, имеющие тенденцию к явному обогащению K2O. Макнаб выделил две серии известково-щелочных пород, слагающих батолиты в восточной части острова Новая Британия. Одна серия характеризуется более высоким содержанием K2O, чем другая, и обе они четко обособлены как пространственно, так и по составу. Такие же различия были установлены Хайном и Мейсоном и Мейсоном и Мак-Доналдом в других районах западной части Тихого океана. Однако немногие из описанных пород с высоким содержанием К, включенных без указания номеров в диаграмму на рис. 12, имеют отношения K2О/Na2О, которые позволили бы относить их по составу к группе, охватывающей большое число пород из западной и юго-западной частей Северной Америки.

На рис. 13 изображены нормативные составы пород из островных дуг, западной Канады и юго-западной части США, помещенные на диаграмму кварц — ортоклаз — плагиоклаз. На диаграмме выявляются четыре различных тренда эволюции (терминология заимствована у соответствующих авторов). На Гуадалканале (Колоула) тренд направлен от диорита и габбро к тоналиту, на месторождении Рей — от кварцевого диорита к кварцевому монцониту и аплиту, на месторождении Бренда — от диорита к гранодпориту и на месторождении Бингем — от монцонита к кварцевому монцониту. За исключением месторождения Колоула, промышленный потенциал которого еще не установлен, все остальные объекты разрабатываются. Если соотношения щелочей и кремнезема и вариации по содержанию кальция и щелочей в этих породах рассматривать совместно с трендами изменения содержания нормативных кварца, ортоклаза и плагиоклаза, то выясняется, что в целом интрузии медно-порфировых месторождений Тихоокеанского обрамления не принадлежат к специфическому типу пород или их серии. На AFM-диаграмме (рис. 14) сравниваются серии пород из различных мест (Бингем и Рей, США; батолит Гишон, Канада; Колоула, Соломоновы острова, и Йандера, Новогвинейская возвышенность). При этом некоторые небольшие отклонения от общей картины могут быть обусловлены вариациями методов аналитического определения железа в конкретных сериях. Размещение точек показывает, что определение специфических трендов для большинства серий может иметь лишь спекулятивный характер, однако с наибольшим приближением можно говорить об известково-щелочном тренде.

Бесплодные и продуктивные плутоны. В пределах каждой медно-порфировой провинции имеются бесплодные интрузии, по возрасту и составу сходные с интрузиями, обусловившими возникновение центров минерализации. Попытки распознать, является ли плутон продуктивным или нет, обычно оказывались неудачными. Конечно, бесплодные плутоны не содержат медь или другую минерализацию в количествах или концентрациях, обеспечивающих в настоящее время промышленную эксплуатацию. Хотя имеется много плутонов, которые можно идентифицировать именно на этом основании, все же между этими двумя типами интрузий устанавливаются некоторые петрологические различия. Рассмотрим, например, состав ферромагнезиальных минералов. Пироксен в порфирах, с которыми ассоциируется медная минерализация, редок или совсем отсутствует, зато роговая обманка и особенно биотит достаточно обильны. Исследования ферромагнезиальных минералов из западной части Тихого океана, главным образом из западных районов Новогвинейской возвышенности, привели Мейсона к заключению, что составы этих минералов в продуктивных и бесплодных интрузиях различны и что некоторые из этих различий можно объяснить вариациями fO2 соответствующих магм. Поведение летучих компонентов в процессе эволюции расплавов нельзя полностью оценить на основе лабораторных данных. Фактором, имеющим большое значение при распознавании продуктивных и бесплодных интрузий, является степень трещиноватости. Минерализованные плутоны всегда трещиноваты, при этом трещины имеют всевозможные размеры и содержат продукты изменения и сульфидные минералы. Природа и механизм трещинообразования в медно-порфировых системах явились объектом недавних детальных исследований. Напп и Нортон пришли к заключению, что магматическое давление в течение ранних стадий остывания, которое сменилось термонапряжением, является важным механизмом развития трещиноватости внутри интрузивных тел. Бернем п Уитни проследили изменение содержания летучих компонентов во время остывания и предположили, что трещины обязаны своим возникновением кристаллизации насыщенных водой расплавов, которая создавала высокие давления, вызывающие расколы плутона. При рассмотрении ряда процессов в комплексе большинство авторов именно в составе порфирового расплава видят источник термомеханической энергии, приводящей к возникновению штокверков. Таким образом, проблема различия продуктивных и бесплодных интрузий может быть разрешена путем изучения трещиноватости.

Происхождение магм. Сравнение химических и минералогических характеристик порфировых интрузий и связанных с ними пород из многих регионов Тихоокеанского обрамления показывает, что медно-порфировые интрузии не относятся к каким-то определенным уникальным дифференцированным сериям. Хотя большинство серий, видимо, являются известковощелочными, другие включают и известковые, и щелочные породы. Источники серий порфировых пород могли быть довольно разнообразными и включать толеиты и базальты. Происхождение известково-щелочных расплавов стало объектом оживленной дискуссии. При обсуждении генезиса медно-порфирового оруденения Кеслер и др., Хайн и Мейсон и Мейсон и МакДоналд рассмотрели также вопрос об источнике магм, породивших медно-порфировые плутоны в обстановке островных дуг.

Важным аспектом изучения состава и источника расплавов является определение первичного изотопного состава стронция — первоначальные (неконтаминированные) источники имеют низкие значения отношения 87Sr/86Sr, а сложные источники (например, испытавшие контаминацию в земной коре, длительное время развивавшиеся) характеризуются высокими значениями. Кеслер и др. показали, что начальные стронциевые отношения в породах плутонов из районов с молодой корой, таких, как островные дуги, значительно отличаются от отношений в медно-порфировых плутонах из континентальных областей. Эти данные, обобщенные Криси и дополненные данными для Новой Гвинеи, показаны на рис. 15, где различные типы пород из медно-порфировых месторождений размещены в порядке возрастания в них начальных стронциевых отношений. Шкала отношений изотопов стронция разделена на две части в точке, соответствующей значению 0,705; Кеслер и др. полагают, что эта точка служит границей плутонов и других магматических пород островных дуг (низкие значения), с одной стороны, и подобных образований из районов континентального характера (высокие значения) — с другой. На рисунке видно, что к медно-порфировым системам с высокими значениями отношения относятся объекты из западной части США и Мексики; все они старше 40 млн. лет и имеют в основном ларамийский возраст. Месторождения и интрузии с отношениями менее 0,705 главным образом располагаются в районах островных дуг, и диапазон их возраста очень широк. Батолит Гишон в Британской Колумбии (который вмещает медно-порфировые месторождения Хайленд-Валли) находится за краем древнего кратона и характеризуется низкими отношениями. Это — магматическое тело, и находящиеся в нем месторождения имеют возраст более 180 млн. лет, что контрастирует с интрузиями и месторождениями Серро-Колорадо, Панама, возраст которых примерно 3,3 млн. лет. Однако начальные отношения изотопов стронция у обоих объектов сравнительно низкие.

Различие первичных отношений в зависимости от геологического местоположения видно также при сравнении данных для Новой Гвинеи с материалом для Аризоны и Мексики. Среднемиоценовые (возраст около 14 млн. лет) рудоносные порфировые интрузии, батолиты и вулканические породы Новой Гвинеи обладают почти идентичными стронциевыми отношениями, равными примерно 0,704. Эти цифры в табл. 2 сравниваются с данными по продуктивным и непродуктивным плутонам и одновозрастным с ними вулканическим породам из юго-западной части Северной Америки.

Данные по порфировым плутонам и связанным с ними магматическим породам показывают, что различия в начальных отношениях, по-видимому, обусловлены разными тектоническими условиями. Хотя различия существуют и в пределах региона, намного более значительные различия устанавливаются между регионами или между двумя рассматриваемыми тектоническими обстановками. Далее, данные, относящиеся к этим двум несходным тектоническим обстановкам, свидетельствуют, что одновозрастные вулканические породы, безрудные плутоны и медно-порфировые штоки в общем имеют одинаковые величины отношений. Эти начальные стронциевые отношения до некоторой степени характеризуют магматическиз источники регионов; возможно, что три вида магматических пород из юго-западной части Северной Америки имели одинаковые источники или, что магмы, образовавшие вулканические породы и различные типы плутонов, имели сходную историю возникновения расплавов и внедрения в приповерхностные части коры.