加拿大Sudbury盆地岩浆硫化物镍矿床成因典型性研究与找矿标志分析

许芳磊

(五矿勘查开发有限公司，北京 100010)

加拿大Sudbury盆地岩浆硫化物镍矿床成因典型性研究与找矿标志分析

许芳磊

(五矿勘查开发有限公司，北京 100010)

摘要：岩浆硫化物矿床中富含镍、铜等基本金属元素，部分矿床含有铂族元素(PGE)。目前全球每年近60%的镍产量出自此类矿床，并且也是全球勘探市场中最为活跃的勘探目标矿床之一。加拿大安大略省内部广阔的Sudbury盆地，边缘勘探发现并转产了一批大型矿山，前人综合研究认为盆地成因为外太空陨石撞击。鉴于外力作用来源清晰，有利于矿床成因的综合分析研究。Sudbury镍硫化物矿床的成因可简要概括为：陨石作用撞击使局部地壳产生大量深部裂隙，激发并影响岩浆喷发作用，导致岩浆与上覆快速沉积岩层物质发生反应，在岩层界限部位聚集富含镍、铜等金属元素的非混合相态的硫化物，并伴随后期构造作用改造形成不同规模和品位的矿床。

关键词：岩浆硫化物矿床；Sudbury盆地；成因研究；找矿标志

镍金属是生产不锈钢制品的重要原料，年消耗全球将近60%的镍生产供应量，同时，新兴发展中国家大规模基础设施建设也依赖并长期需要大量镍。尽管拥有强有力的需求保障，但全球镍金属价格持续偏低，很大程度上是受镍铁合金生铁(NPI)的抑制，镍铁合金生铁是一种从铁矾土中提取镍的中间过程制品。然而，随着较高品位(镍当量大于2%)铁矾土矿石开采殆尽，偏低品位的矿石在提取加工过程中成本较之原先大幅攀升，加之全球最大的高品位铁矾土矿石输出国家印度尼西亚，自2014年初起限制未完全加工铁矾土矿石的出口，直接影响了中国等新兴发展中国家低成本镍铁合金生铁的供给。随着印尼港口高品位镍矿石库存已接近枯竭，供需关系有可能进一步失衡，这将很可能间接导致伦敦金属交易所镍金属价格在未来持续攀升。

目前，全球较大规模的镍矿床高级勘探项目，大多已为人们熟知超过40年以上，并以低品位铁矾土氧化物矿床为主，受制于较高的项目转产启动资本投入以及较高的选冶技术风险，大部分项目的投产计划延缓甚至取消。

岩浆硫化物型镍矿床被普遍认为是替代开采获得镍矿石的上佳来源，该类矿床具备转产资本投入低、品位高且矿石选冶技术已充分论证等优势。目前，全球新开采的镍矿石近60%来源于硫化物矿床。但遗憾的是，全球近期新发现的硫化物镍矿床数量相当有限，也使得全球镍金属的远景供应不容乐观。基于加拿大安大略省Sudbury盆地内镍硫化物矿床的成矿特征以及成因进行综合研究，探寻镍硫化物矿床的找矿线索。

1岩浆硫化物型镍矿床形成机制

目前，镍-铜-铂族多金属型岩浆岩硫化物矿床，每年可产出全球近60%镍矿石。该类矿床形成于上地幔镁铁质和/或超镁铁的岩浆侵入地壳母岩的过程中，岩浆中铁、镍及铜金属元素与母岩当中的硫融合，形成不相溶稠密状金属富集硫化物流体，侵入并受重力作用沉降至空隙底部。岩浆持续侵入成岩冷却，促进硫化物流体灌入并凝结，形成中等至大型规模的硫化物矿体。矿床当中通常含有磁黄铁矿(铁硫化物)、镍硫铁矿(镍硫化物)以及黄铜矿(铜硫化物)等含硫矿矿物，而残余富集镍金属的非硫化物相态岩石(通常为橄榄岩和富镍硅酸岩)在现今普遍使用泡沫浮选选冶工艺中是无法被提取。

全球一些超大型的岩浆硫化物镍矿床，多被发现于次生岩脉碎裂构造构成的大型岩浆房当中(图1)。通常情况下，岩浆在进入岩浆房过程中会迅速减缓流速，并依此促进硫化物凝结沉淀，这被认为是硫化物局部聚集的关键因素。岩浆侵入过程中重复冒起，同样可以在原地向上部聚集，提高硫化物金属含量。另外，区域断裂下盘分支构造本身也是富集铜-铂族金属成矿的重要部位，但通常情况下这些区域宽度较窄。

图1　全球范围大型镍矿床及矿床类型(据US Geological Survey修改，2010)

这类矿床在全球范围内，世界级的大型矿床包括俄罗斯Noril’sk-Talnakh，中国金川，俄罗斯Pechenga，加拿大拉布拉多Voisey’s Bay，坦桑尼亚Kabanga，以及加拿大曼尼托巴Thompson矿带等。

对于已经获得广泛研究认识地质成因的矿床，例如西澳大利亚的Kamabalda地区，超镁铁质岩浆上涌抵达地表后，流动的科马提岩型火山岩浆随后在地热源的引导下侵蚀深部通道侧向迁移，在同化作用下，熔融富集硫磺物质的地壳岩石。这种过程持续往复，引导不相融的稠密状金属富集硫化物流体发生构造变形，并最终汇集于形似河道状的岩浆房底部。

2Sudbury盆地镍硫化物矿床成因研究

加拿大安大略省Sudbury盆地火成岩杂岩带(SIC)，是全球较大规模的岩浆硫化物镍矿床富集区，自1883年内部发现首个矿床以来，转产了一大批地下或露天开采矿山。

SIC杂岩带的行成成因被认为与18.5亿年前的陨石(直径超过10km)撞击有关，这次撞击不仅形成了深度超过10km直径超过200km的巨型火山口，还破碎了地壳岩层，协助底部地幔物质溢出充填撞击形成的盆地。地幔衍生的熔融物质带来了SIC杂岩带内部富含大量铁、镍以及铜金属。随后地幔熔融物质与富集硫磺的地壳岩石融合，形成富含金属元素的稠密不融硫化物流体，铸造成SIC杂岩带基底，形成大量镍硫化物矿床，并由此形成Sudbury矿集区(图2、图3)。

图2　加拿大Sudbury盆地地质图

图3　加拿大Sudbury盆地镍岩浆硫化物矿床成因示意图(非标准尺度)

深部破裂部位自身也为高品位的铜-镍-铂族金属硫化物矿床提供了成矿空间，特别是Sudbury放射状的“断层错断岩脉”矿床占据了矿集区已经投产矿山的绝大部分。例如淡水河谷旗下长期开采的铜岩壁断层错断岩脉控制的Sudbury盆地北部和南部矿床，以及位于Worthington错断岩脉中最新转产的Totten矿山，Whistle错断岩脉当中KGHM旗下Podolsky矿山，另外Worthington错断岩脉内部的Victoria矿床(目标2019年投产)。另外，铜-铂族金属富集的底盘成矿带也形成了一系列高品位的硫化物脉状矿床(例如Wallbridge矿业公司旗下位于Sudbury盆地北缘的Broken Hammer矿山)。

陨石撞击与岩浆岩硫化物矿床成因相关的事例不仅仅是Sudbury盆地一个，North American镍矿公司旗下位于格陵兰岛的Maniitsoq项目的地幔熔融物质被认为与300万年前巨大陨石撞击有关，撞击导致炽热的超铁镁质岩浆经过一系列限制通道和大规模岩浆硐房上涌至地表，与Sudbury相似的是，炽热的岩浆同化围岩(原地硫富集)导致硫饱和，形成不溶硫化物流体。这种稠密的镍-铜-钴-铂族金属富集的流体在内部沟渠通道内以较低流速聚集，硫化物当中镍金属品位随着岩浆流体活动而逐步富集提高。随着岩浆作用终止，流体系统内部冷却储藏形成紫苏辉长岩，最终地层抬升和剥蚀使得金属富集的火山通道易被勘探获得。

3全球已发现岩浆硫化物矿床形态与规模

对现阶段资源与历史投产的全球50个岩浆岩性硫化物镍金属矿床进行统计研究，获得了全球建议的矿床规模的平均估算值，大致为1.6亿t，1.5%镍当量以及0.4%铜当量。与此同时，品位永远是初级勘探和发展公司所关注的焦点，在此基础上，大型矿业公司更加着重关注矿床规模，期待获得较长开采年限且具有更大规模开采商业价值的资产，并准备抓住多种金属价格上行周期的过程中投产。但遗憾的是，大自然所创造的大型高品位矿床，大多属于超出常规偶然形成的，而并非常态。

历史上，全球那些高品位硫化物矿床的大规模开采选冶，通常应用已被长期验证的泡沫浮选工艺。然而，经过20世纪90年代的研究与发展，市场的关注力投向(转回)到从铁矾土中回收金属元素。随着矿山的逐步被开采，技术方面的挑战与成本支出的超值，持续困扰这些超大型(低品位)的镍矿项目，导致近年来又重新关注回硫化物主导的镍矿项目来。一些大型，较低品位的镍硫化物项目，近来越发被认为那些存在巨大风险争议的铁矾土矿项目的潜在替代来源，这种经济角度的评价越发的与斑岩型铜矿项目相似。Royal Nickel公司旗下100%权益为与魁北克省的Dumont项目，总计12亿t矿石储量，镍当量0.27%(约含690万磅的镍，以目前金属价格计算，大于0.65%铜当量)。这个项目被看作是填充全球镍加工选厂运营的硫化物矿石来源。

4镍硫化物矿床绿地勘探项目找矿标志

勘探到具有经济开发潜力的大型岩浆硫化物镍矿床，至多可以创造超过几十亿美元的经济价值。因此，探索提炼出一套找矿模型，可作为勘探地质师们找矿用以依赖的钥匙。识别岩层作为绿地勘探项目的基础，可以作为判断潜在富矿层位的重要依据。大部分镍硫化物矿床富集区和矿床具有一些普遍的特征，可为勘探提供相当有用的指导。归类分析，包括下列特征。

1)铁镁质或超铁镁质岩石。地幔热留柱中衍生形成，大规模富集。

2)临近贯穿地壳破裂的构造部位。断层为岩浆穿破地壳有效运移提供空间，在运移过程中伴随着较小尺度的橄榄岩分馏或硫化物流体的分支流动。

3)富集硫物质的沉积岩层。沉积岩的同化作用被认为是岩浆伴随硫磺物质浸透发生，裂隙周边的沉积岩供应了地壳中硫物质，并在铁镁质岩浆灌入过程中，毫无阻碍的沿着层位清晰的水平沉积岩岩层吸收含硫物质。

4)矿床边缘存在大量富含硫化物的变异岩石或富含硫磺物质的角砾岩。角砾岩的存在被认为是曾经大量岩浆灌入事件以及硫化物重新沉积过程的重要标志。在物质运输过程中，硫化物细小微滴可以与大量不稳定的岩浆平衡，并在附近的硫化物流体中富集金属物质。

5)流体侵入作用影响聚集的大量硫化物。包括断层下盘形成的港湾式空间以及那些岩浆进入分支裂隙或是逐步变宽的渠道位置。在这些部位，岩浆流速显著减缓，无法再夹挟稠密的硫化物微滴继续运移。

6)上部覆盖铂族元素贫化的铁镁质或超铁镁质岩石(与镍和铜相关)。这种类型的矿床是硫化物流体从岩浆主体分离所形成的，较之铜和镍，这种现象与铂族元素金属分割灌入硫化物流体密切相关(与剩余的硅酸岩流体相对)。

7)若橄榄岩在变质过程中遭受毁坏。岩层中散布的硫化物含量可能显著提高，导致硫化物中的镍富集。此后，变质岩石中的散布的硫化物则被认为是可以开发的。新鲜岩石中散布的硫化物在开采过程中被证明镍并非足够充足的。

可以认为全球巨型的镍-铜-铂族金属硫化物矿床的形成与各式各样陨石撞击作用、岩浆侵入以及科马提岩流体等机制有关。然而，真正开放的找矿思维方式仍然是勘探成功的关键。

5结论与总结

加拿大Sudbury盆地受到外太空陨石的撞击，造就了极为显著的地质特征，同时在盆地内部提供了非常优质的成矿因素。依此作为示例，力求对镍岩浆硫化物矿床的成因进行了综合分析。Sudbury镍硫化物矿床的成因可简要概括为：陨石作用撞击使局部地壳产生大量深部裂隙，激发并影响岩浆喷发作用，导致岩浆与上覆快速沉积岩层发生反应，在岩层界限部位聚集富含镍、铜等金属元素的非混合相态的硫化物，并伴随后期构造作用改造形成不同规模和品位的矿床。

对于其他更为复杂的地质环境找矿，则需要更多的勘探综合研究，竭力寻找岩浆硫化物富集和局部裂隙及地质构造等的综合区域，以此作为深部找矿钻探的重要标志依据，加以物探等技术的辅助，逐步缩小勘探目标，最终确定矿体的准确位置。

参考文献

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Typical genesis study and mining exploration sign of magmatic sulphide deposit in Canada Sudbury Basin

XU Fang-lei

(Minmetals Exploreration & Development Co.，Ltd.，Beijing 100010，China)

Abstract:Magmatic sulphide deposit was rich in nickel，copper and other base metals elements，partly full with Platinum Group Elements(PGE).This kind of deposit account for 60% of the world`s nickel production，and also one of the most active exploration target in the mineral market.The Sudbury basin in Ontario is a world-class magmatic nickel sulphide camp，following first discovery，dozens of mines were putting into production on the surround boundary of Sudbury.According to the predecessors` comprehensive research，Sudbury basin was considerate as origin from outer space meteorolite impact.Clear exogene processes is help for researching clear meaning of magmatic sulphide deposit origin.The brief summary of Sudbury nickel sulphide deposit was：The outer space impact fractured the earth`s crust，the deep fractures themselves arouse and influence the magmatic exhalation，lead to the magma reacting after mixture with the upper sedimentary bedding.On the contact surface，the dense metal-rich immiscible liquid including nickel，copper etc.accumulation rapidly.Finally，it formed to magmatic sulphide deposit with different form，size and grade，by the affection of tectonic deformation.

Key words：magmatic sulphide deposit；Sudbury Basin；genesis study；sign of exploration

收稿日期：2015-09-20

作者简介：许芳磊，男，地质工程师，五矿勘查开发有限公司。E-mail：bernardxu@126.com。

中图分类号：P612

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)02-0166-04