中国西部典型铜镍矿床亲铜元素特征对比

王建中,钱壮志,董富权,赵玉梅

(1.长安大学地球科学与资源学院,陕西西安 710054;2.中国人民武装警察部队黄金第八支队,新疆乌鲁木齐 830057)

中国西部典型铜镍矿床亲铜元素特征对比

王建中1,2,钱壮志1,董富权1,赵玉梅1

(1.长安大学地球科学与资源学院,陕西西安 710054;2.中国人民武装警察部队黄金第八支队,新疆乌鲁木齐 830057)

通过对喀拉通克、黄山东、金川和白马寨4个铜镍矿床亲铜元素特征进行比较,结果发现所有矿床具有相似的左倾原始地幔标准化配分模式和铂族元素明显亏损的共同特点;其亲铜元素质量分数却明显不同,铂族元素质量分数最高的金川铜镍矿床以Ni为主,喀拉通克矿床则表现为Cu占优势;矿床的初始岩浆为铂族元素不亏损的玄武质岩浆,应是地幔岩石较高程度部分熔融的产物;少量硫化物预先熔离是造成中国铜镍矿床成矿母岩浆亏损铂族元素和w(Cu)/w(Pd)远大于原始地幔(w(Cu)/w(Pd))的控制因素;不同程度(量)的硫化物熔离导致母岩浆中亲铜元素质量分数不同,R值低不是主要原因;早期发生硫饱和可能是铜镍矿床成矿的必要条件,成矿的关键可能在于新鲜岩浆的不断补给;少量硫化物预先熔离结合不含矿岩石亏损铂族元素,暗示这些矿区深部具有找矿潜力。

亲铜元素;铂族元素;硫化物;预先熔离;铜镍矿床;亏损;中国西部

0 引言

亲铜元素(Chalcophile Elements)包括Ni、Cu和铂族元素(Platinum-group Elements,PGE),既具有亲铜性质(Copper-loving),即这些元素与S、As、Se、Te等以共价键结合,进而形成硫化物、砷化物、硫砷化物和碲化物等化合物;又具有亲铁性质(Iron-loving),即容易与铁或相互之间以金属键结合形成合金。PGE包括Os、Ir、Ru、Rh、Pt和Pd,他们在铁金属/硅酸盐熔体相中的分配系数分别高达107(Pd)和1012(Pt、Ir)级[1-2],所以主要富集在地核,少量分布于地幔。根据熔点的高低不同, PGE又可以划分为IPGE(Os、Ir、Ru)和PPGE (Rh、Pt、Pd)2个亚族[3]。由于它们之间熔点和地球化学性质的差异,导致在演化过程中产生分异[4]。因此,近20年来,PGE作为一种新的地球化学示踪剂逐渐被人们所认识[5-8],不仅为核-幔分离[9]、“后增薄层”历史和核-幔作用全球规模的分异过程提供关键信息,而且在示踪超镁铁质和镁铁质岩石演化、地幔源区与成因上(包括部分熔融、熔体渗滤、地幔交代、岩浆混合、地壳混染和分离结晶作用)具有不可替代的重要应用价值[7-8,10]。 11.9%的铜矿储量、95%的PGE储量来自与镁铁质-超镁铁质岩有关的岩浆铜镍矿床[11]。中国已发现的铜镍矿床绝大多数分布在华北克拉通、中亚造山带和扬子陆块西部的峨眉山大火成岩省(图1)。其中西部地区是中国重要的铜镍铂族元素矿产地,从北向南依次有准噶尔板块北缘的额尔齐斯构造带,矿床实例为喀拉通克铜镍矿床;东天山造山带,典型矿床有黄山东、香山、葫芦和图拉尔根等铜镍矿床;华北克拉通的西南缘,典型矿床有金川、冷水箐等铜镍矿床;峨眉山大火成岩省,代表性矿床有白马寨、力马河等铜镍矿床。以上4个地区分别属于造山带、稳定陆块边缘和大火成岩省3种地质构造背景。中国铜镍硫化物矿床以铜镍为主,伴生的PGE则通常作为镍、铜的副产品加以回收利用,成为利用PGE示踪剂研究超镁铁质、镁铁质岩石演化及其与之密切相关的矿床成因的理想对象,笔者仅选取4个典型铜镍矿床(图1)作为研究对象。已有多位学者分别阐述了喀拉通克[12-14]、黄山东[15]、

图1 中国西部典型铜镍矿床分布Fig.1 Distribution of Typical Ni-Cu Sulfide Deposits in Western China

镁铁质、超镁铁质岩浆岩中的镍、铜、铂族资源在世界上占有重要地位。中国86%的镍矿储量、金川[16-21]和白马寨[22-23]4个铜镍矿床的岩石地球化学特征、岩石成因、矿床亲铜元素特征、矿床成因、成岩成矿时代与构造背景等。焦建刚等[24]以MAPGIS为平台开发了矿产空间数据库软件,借助空间数据库软件对中国镍铜铂族岩浆硫化物矿床进行地质研究,总结了中国此类矿床小岩体成矿特征和富集规律,但对其亲铜元素特征的综合比较不够,可能影响中国铜镍矿床成矿作用的类比和联系。鉴于此,笔者试图通过对比其亲铜元素特征,总结其共同特点和差异性,通过分析造成其Ni、Cu、PGE质量分数差异和PGE亏损的原因,初步得出几点认识,为理解矿床成因和进一步指导找矿勘探提供科学依据。

1 亲铜元素特征对比

1.1 镍、铜元素质量分数变化

表1表明,中国铜镍矿床中的Ni和Cu质量分数变化较大。喀拉通克矿石w(Ni)/w(Cu)介于0.1和12之间,其中多数小于1,说明矿床以Cu为主[12]。金川和白马寨矿石明显表现出以Ni为主的特点[18,23]。黄山东矿石w(Ni)/w(Cu)均大于1,也反映出矿石中Ni含量大于Cu的总体特征[15]。

表1 中国西部典型铜、镍硫化物矿床铂族元素含量和特征值Tab.1 Contents of Chalcophile Element and Eigenvalues of Typical Ni-Cu Sulfide Deposits in Western China

表1表明,4个矿床的镁铁质--超镁铁质岩石和矿石的PGE质量分数总体偏低,且分布不均匀,以Rh、Pt、Pd为主,Ir、Os、Ru质量分数较低,与岩浆铜镍硫化物矿床PGE原始地幔标准化配分模式特点相一致。

不同构造环境和相同构造背景下铜镍硫化物矿床的PGE质量分数总量存在很大差别(图2)。所有矿床岩石样品PGE质量分数总量为(1.99～35)×10-9,平均值为12.23×10-9,低于原始地幔PGE质量分数总量(23.5×10-9)[25],说明母岩浆为PGE亏损的演化岩浆。例如,喀拉通克岩石样品PGE质量分数总量(10.05×10-9)与大陆拉斑玄武岩相似[26-27],与峨眉山大火成岩省岩石的PGE

1.2 铂族元素质量分数总和差异和亏损质量分数相当[13,28],高于东天山造山带的香山和图拉尔根矿床岩石样品的PGE质量分数(1～5)× 10-9[29],是黄山东岩石样品PGE质量分数(1.89× 10-9)和白马寨岩石样品PGE质量分数(1.99× 10-9)的5倍;但低于金川矿床超镁铁质岩石的相应值(PGE质量分数平均为35×10-9)[18]。基于100%硫化物计算,矿石样品PGE质量分数为(33.46～3984)×10-9,喀拉通克矿石PGE质量分数为573×10-9,比金川矿床矿石的PGE质量分数平均值(3 248×10-9)低一个数量级,比俄罗斯Noril’sk-talnakh矿床矿石PGE质量分数平均值(82 209×10-9)低2个数量级[12]。除白马寨铜镍矿床外,块状矿石PGE质量分数比浸染状矿石PGE质量分数低。例如,喀拉通克块状矿石PGE质量分数(304×10-9)比浸染状矿石(823×10-9)低,黄山东铜镍矿床和金川铜镍矿床存在同样的现象。总之,喀拉通克矿床块状矿石PGE质量分数与白马寨矿床块状矿石PGE质量分数(371× 10-9)接近。

图2 中国西部典型铜--镍硫化物矿床原始地幔标准化配分模式Fig.2 Primitive Mantle-normalized Plots of the Typical Cu-Ni Deposits in Western China

2 讨论

中国铜镍矿床母岩浆亲铜元素质量分数变化差异明显。Chai等[16]指出,硫化物中Cu、Ni、PGE的质量分数主要受母岩浆中的质量分数以及硅酸盐岩浆和液态硫化物的质量比(R值)的影响。Song等[28]进一步指出,影响Cu-Ni-PGE岩浆硫化物矿床中成矿元素质量分数的主要因素包括母岩浆中金属元素的丰度、液态硫化物与岩浆反应的量、硫化物熔体的结晶分异作用、金属元素未亏损的新鲜岩浆的加入。

2.1 亲铜元素质量分数差异性

研究表明,当R值为100～2 000时,Ni、Cu、PGE等成矿金属中主要为Ni富集成矿,PGE质量分数低。而当R值为10 000～100 000时,硫化物中Ni、Cu质量分数与低R值的岩浆体系中Ni、Cu质量分数比较变化不大,主要是PGE质量分数增高很快[29-30]。喀拉通克、黄山东和白马寨铜镍矿床的平均R值分别为2 624、324、70[12,15,22],而金川矿床除块状矿石R值约100外,大多为1 000～10 000[17]。多数矿床的R值小于2 000,矿床应当主要富集Ni,但是,喀拉通克矿床却表现出Cu大于Ni的总体特征,同时,喀拉通克块状矿石PGE质量分数恰恰与R值很低的白马寨矿床块状矿石PGE质量分数相当。因此,R值低不是亲铜元素质量分数变化和PGE低(亏损)的主要原因,成矿母岩浆中金属元素质量分数的差异可能是矿床元素质量分数变化的控制因素。亲铜元素在硫化物中的质量分数也可能因为与新鲜补给的岩浆发生反应以及硫化物熔体分异而改变,或者因为后期热液作用而变化[31-32]。至于喀拉通克矿床岩石较黄山东、白马寨、金川矿床更富镁铁质而缺失超镁铁质岩,各矿床矿化均赋存在相对更富镁铁质的岩相中,矿化程度和金属质量分数随岩性的基性程度增大而升高。Ni倾向于超镁铁质岩中富集,与超镁铁质岩相关的煎茶岭矿床w(Ni)/w(Cu)大于10[33]和青海德尔尼矿床超镁铁质围岩中Ni质量分数高于矿石Ni质量分数[34],均说明Ni与超镁铁质岩关系密切。这是偶然还是成矿专属性的反映?如果是后者,笔者认为超镁铁质岩可能比镁铁质岩更具有形成镍矿的潜力,因为Cu比Ni具有更强的亲硫性,但它的应用需要将来进一步验证。

2.2 铂族元素亏损

中国铜镍矿床PGE明显亏损,从整体上看,造山带内的铜镍矿床PGE质量分数与峨眉山大火成岩省矿床的PGE质量分数相当,低于稳定陆块边缘金川矿床的PGE质量分数,同时,造山带环境中不同矿床间PGE的质量分数又存在差异。就岩石相对矿石而言PGE亏损更强烈,除白马寨铜镍矿床外,块状矿石PGE质量分数比浸染状矿石PGE质量分数低。

导致中国铜镍矿床PGE亏损的原因尚无定论,PGE的系统研究还处于起步阶段,它们在不同构造环境中的分异行为并不十分清楚[6]。峨眉山大火成岩省与约260 Ma地幔柱活动有关,发育有金宝山、黄狮涝铂矿床和亏损PGE的白马寨矿床[35],而处于稳定陆块边缘的金川铜镍矿床也亏损PGE[20],成矿作用可能与约825 Ma地幔柱活动导致罗迪尼亚大陆裂解有关[21],所以金川矿区及其外围应该具有铂族元素成矿的潜力,实际上在该地区至今未发现铂族元素矿床。造山带铜镍矿床(喀拉通克、黄山东)的构造环境则为后碰撞伸展环境,同样具有PGE亏损的显著特点。不同构造环境和相似构造背景下的所有矿床均亏损PGE,因此,构造环境不可能是中国铜镍矿床PGE亏损的原因,其对PGE质量分数是否具有决定性的作用还需要进一步证实。造成中国铜镍矿床亏损PGE的原因可能包含2个方面:部分熔融程度低造成初始岩浆中PGE质量分数过低,后期硫化物对PGE的富集达不到经济品位;PGE质量分数正常的初始岩浆在大规模的硫化物形成之前,已经发生过硫化物的预先熔离[29]。喀拉通克初始岩浆是MgO质量分数为11.55%的拉斑玄武质岩浆[14],其地幔源区发生大约14%的部分熔融;而黄山东含矿岩体的初始岩浆是MgO质量分数为11.70%的拉斑玄武质岩浆[15]。同样,金川铜镍矿床是地幔橄榄岩更高熔融程度(33%)的产物[19],初始岩浆是MgO质量分数为11.50%的玄武质岩浆[17]。以上矿床初始岩浆的MgO质量分数已接近苦橄质岩浆(12%)[36],均为高镁玄武质岩浆,推断其地幔源区经历了较高程度的部分熔融,其初始岩浆中PGE不应亏损[12,15,20,22-23],所以,部分熔融程度低不应是中国铜镍矿床PGE亏损的原因。

研究表明,国内众多铜镍矿床普遍存在深部少量硫化物预先熔离的现象。例如,喀拉通克矿床在深部岩浆房(Staging Chamber)经历了少量硫化物的预先熔离作用导致成矿母岩浆亏损PGE[12-13]。钱壮志等[15]认为,黄山东PGE不亏损的初始岩浆,在上升的过程中发生早期硫化物深部熔离,带走了岩浆中大部分的PGE,其结果造成母岩浆中的PGE质量分数亏损,这可能是造成黄山东矿床PGE质量分数很低的主要原因。同样的硫化物预先熔离过程也发生在白马寨、力马河和天宇铜镍矿床[28,37-38],造成母岩浆亏损PGE。Song等[20]指出,早期少量硫化物的预先熔离是造成金川矿床母岩浆PGE亏损的主要因素,并推测Pechenga和Voisey'Bay矿床可能也经历了类似的熔离过程。而孙赫等[29]则认为金川铜镍矿床和香山、图拉尔根铜镍矿床母岩浆亏损PGE可能是地幔源区低度部分熔融(10%～20%)的结果。w(Cu)/w(Pd)是单一岩浆流之间演化程度的重要指示,主要在地幔以上的部分适用[26]。PGE在硫化物/硅酸盐熔体中的分配系数为20 000,远大于Cu的分配系数1 000[39-40],因此若早期岩浆经历过S饱和,硫化物熔离过程将使Pd相对于Cu更多被带走,而剩余岩浆w(Cu)/w(Pd)将明显增高,并高于相应的原始地幔比值。从表1可以看出,中国4个典型铜镍矿床岩石、矿石的w(Cu)/w(Pd)均远大于原始地幔的w(Cu)/w(Pd)(7.69×103)[25],表明其初始岩浆在早期演化过程中曾发生过深部硫化物熔离作用。图拉尔根铜镍矿床岩石w(Cu)/w(Pd)接近10 000[29],说明图拉尔根铜镍矿床也经历了深部硫化物熔离过程,与东天山诸多铜镍矿床的侵位母岩浆为含硫化物的“晶粥”相一致[41]。从表2可知,金川和喀拉通克铜镍矿床初始岩浆中亲铜元素均不亏损,喀拉通克矿床PGE质量分数较金川矿床的PGE质量分数高。由于Ni、Cu在硫化物/硅酸盐熔体中的分配系数远小于PGE的分配系数(20 000)[39-40],喀拉通克矿床早期预先熔离的硫化物的质量分数(0.018%)是金川矿床硫化物熔离质量分数(0.008%)的2倍,促使喀拉通克矿床母岩浆中PGE质量分数比金川矿床母岩浆中PGE质量分数更亏损,而Cu(Ni)亏损不明显或基本上不亏损。

表2 金川与喀拉通克铜镍矿床初始岩浆及母岩浆亲铜元素质量分数对比Tab.2 Comparisons for the Compositions of Chalcophile Element Between Jinchuan and Kalatongke Ni-Cu Sulfide Deposits

综上所述,少量硫化物预先熔离导致矿床母岩浆PGE质量分数低(PGE亏损)和w(Cu)/w(Pd)远大于原始地幔的w(Cu)/w(Pd),由于熔离的硫化物的量不同,进而造成各铜镍矿床成矿母岩浆中亲铜元素质量分数存在差异。由于金属元素未亏损的新鲜岩浆不断补给,造成硫化物同更多的岩浆达到平衡,促使硫化物从岩浆中萃取更多的亲铜元素,进而使PGE质量分数升高,这也可能是金川矿床PGE质量分数最高的又一重要因素,但不排除硫化物熔体结晶分异作用的影响。所以,早期发生硫饱和可能是国内众多铜镍矿床成矿的必要条件[20],金属元素未亏损的新鲜岩浆加入引起岩浆多阶段(多次)硫饱和从而发生硫化物熔离可能是成矿的关键[42],少量硫化物熔离结合不含矿岩石强烈亏损PGE,意味着这些铜镍矿床深部具有进一步找矿的潜力。

3 结语

(1)对比结果显示,4个铜镍矿床中亲铜元素的质量分数明显不同;铂族元素特征十分相似,所有矿床具有Pt-Pd型原始地幔标准化配分模式;同时,尤为显著的共同点是铂族元素质量分数明显偏低,其中造山带背景下的铜镍矿床PGE质量分数最为亏损,岩石相对矿石而言PGE亏损更为强烈。

(2)推断矿床的初始岩浆为PGE不亏损的高镁玄武质岩浆,少量硫化物预先熔离是导致母岩浆PGE质量分数低(亏损PGE)和w(Cu)/w(Pd)远大于原始地幔w(Cu)/w(Pd)的根本因素;不同程度(量)的硫化物熔离造成各矿床成矿母岩浆中亲铜元素质量分数存在差异,而R值低不是Ni、Cu、PGE质量分数变化的主要原因,但不排除硫化物熔体结晶分异作用的影响。

(3)早期发生硫饱和可能是国内众多铜镍矿床成矿的必要条件,意味着这些矿床深部具有进一步找矿的潜力;成矿的关键在于新鲜岩浆(未亏损金属元素)的加入引起岩浆多阶段(多次)硫饱和熔离。

(4)超镁铁质岩可能较镁铁质岩更具有形成镍矿的潜力,仍需要进一步研究。

成文中得到了汤中立院士的指导;野外工作得到了喀拉通克铜镍矿党新生、王勇、王彬等和新疆地矿局第四地质大队周刚、杨文平、何永胜等以及长安大学田战武、潘振兴、孙涛等研究生的大力帮助,在此一并致谢。

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Comparisons for the Characteristics of Chalcophile Elements of Typical Cu-Ni Sulfide Deposits in Western China

WANGJian-zhong1,2,QIAN Zhuang-zhi1,DONG Fu-quan1,ZHAO Yu-mei1

(1.School of Earth Sciences and Recources,Chang'an University,Xi'an710054,Shaanxi,China;
2.No.8Gold Geological Party,Chinese People's A rmed Police Force,Urumqi830057,Xinjiang,China)

Compared of the characteristics of chalcophile elements among Kalatongke,Huangshandong,Jinchuan and Baimazhai Cu-Ni sulfide deposits,the results show that it is similarly left leaning primary mantle normalized plots and notable depletion of platinum group element(PGE)in all deposits;mass fraction of chalcophile elements is significantly different,and it is mainly Ni in Jinchuan Cu-Ni deposit which is highest in mass fraction of PGE and mainly Cu in Kalatongke deposit;their primary magmas derived from the mantle by high degree partial melt maybe fertile in PGE;the initial magma of deposit is no loss basaltic magma of PGE,and is the product of higher partial melting of mantle rocks;a small quantity of sulfide pre-segregation is the control factor for PGE deficit of ore-forming primary magma of Cu-Ni deposits in China and the ratio of mass faction of Cu and Pd is much larger than that in primitive mantle;the lowerRis not the main reason for the different mass faction of primary magma chalcophile elements which is resulted from different quantity sulfide segregation;sulfur saturation in the early stage may be necessary for the formation of Ni deposit,the key of formation of Ni deposit may be continuously supplement of fresh melts;the phenomenon that a small quantity of sulfide pre-segregation does not include mineral rock deficit PGE,indicates that the potentiality of exploration in the depth of these deposits is great.

chalcophile element;PGE;sulfide;pre-segregation;Cu-Ni deposit;deficit;Western China

P618.41

A

1672-6561(2010)02-0137-07

2009-09-20

国家自然科学基金项目(40534020);中国地质调查局项目(1212010630508)

王建中(1978-),男,山东单县人,理学博士研究生,从事矿床学研究。E-mail:zhong_jw2004@yahoo.com.cn