岩浆型铜镍硫化物矿床研究进展

2018-03-30刘城先温志宏孟艺博邓承来李霞鹏

长春工程学院学报（自然科学版） 2018年2期

刘城先，温志宏，陈佳，孟艺博，邓承来，李霞鹏，孙博，陆旭，赵云

(1.长春工程学院，长春 130021； 2.中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083)

0 引言

与镁铁—超镁铁质小岩体有关的岩浆型铜镍矿床是赋存铜、镍及铂族元素的重要矿床类型，分别占世界铜储量的5.5%和世界镍的60%以上[1]。我国的情况更为突出，镍金属储量近86%，铂90%以上，铜7.3%，均来源于岩浆铜镍硫化物矿床[2-4]。在合金中加入镍会在一个广阔的温度范围内增加合金的强度，提高合金的抗疲劳极限，以及增加耐腐蚀性[5]。铂族元素具有熔点高、强度大、电热性稳定、抗电火花蚀耗性高、抗腐蚀性优良、高温抗氧化性能强、催化活性良好等特点[6]。镍和铂族金属的这些特有的属性，使其被广泛地应用于现代工业和尖端技术中，如制造燃气涡轮、核反应堆和高速飞行器等[5，7]。因此，无论是岩浆型铜镍矿床成矿理论研究还是矿产开发，一直是学术界和矿业界关注的焦点。长期以来，国外主要关注产出在稳定克拉通地区的镁铁—超镁铁岩体及其中赋存的铜镍硫化物矿床，例如Noril’sk和金川铜镍矿。而我国东天山地区的岩浆铜镍硫化物矿床则产于中亚造山带中。这类矿床不仅经济意义巨大，而且其形成的构造背景和成岩成矿作用等问题颇受关注[8-13]。因此，这一系列含矿的镁铁—超镁铁岩体为我们理解成矿背景和丰富已有的成矿理论具有重要的意义。另一方面，对该类矿床成矿理论的深入理解有助于更好地为找矿工作服务，具有重要的现实意义。

1 岩浆铜镍硫化物矿床的分类

世界上最早对岩浆硫化物矿床的研究可追溯到19世纪50年代加拿大Sudbury矿床。国际地质对比计划(IGCP)161项工作组在Naldrett(1973)[14]分类意见基础上，将构造环境和镁铁—超镁铁质容矿岩石的性质作为分类系统的两个基础，划分矿床为3大类：1)同火山型矿床；2)与在克拉通地区侵位的侵入岩体有关的矿床；3)与造山作用过程中侵位的镁铁—超镁铁质岩体有关的矿床。李文渊(1996)[15]在对中国岩浆铜镍硫化物矿床总结研究基础上，将中国岩浆铜镍硫化物矿床分为大陆裂谷型和裂陷槽型。在此基础上再根据岩体类型划分为不同的亚类。汤中立(1995，2002)[2-3]针对超大型、大型岩浆硫化物矿床的分类方案，将岩浆硫化物矿床分为4类：1)元古宙与古陨石坑有关的苏长岩—辉长岩型矿床；2)元古宙以后与大陆边缘裂解有关的小侵入体矿床；3)显生宙与大陆裂谷有关的相当于溢流玄武岩的侵入体矿床；4)与太古宙绿岩带与科马提岩有关的矿床。Naldrett(2004)[16]对岩浆铜镍硫化物矿床进行新的分类研究，划分为科马提岩型、溢流玄武岩型、铁质苦橄岩型、斜长岩—花岗质—拉斑玄武岩型、混合苦橄—拉斑玄武岩型和撞击熔体型等6大类。Naldrett(2010)[17]在上述6大类的基础上又增加了阿拉斯加型镁铁—超镁铁质岩相关的岩浆铜镍硫化物矿床的分类。但是新疆产在中亚造山带南缘的一系列含矿的镁铁—超镁铁质的小岩体在此分类中并未体现出来。

2 岩浆铜镍硫化物矿床成岩成矿背景

全球主要的岩浆铜镍矿产出的构造环境，除了与陨石有关的Sudbury特例外，主要有3种：稳定克拉通上的张裂带或陆内裂谷(如美国Duluth，Voisey’s Bay和我国金川)，地幔柱(如俄罗斯Noril’sk和我国峨眉山地区)和增生弧(如美国阿拉斯加Duke岩体)[17-19]。其中，世界级的铜镍矿主要与前两种构造环境相关。我国东天山发现的一系列晚古生代铜镍矿，其产出在中亚造山带，产出环境明显不同于全球其他经典的岩浆铜镍矿区。一般来说，产于克拉通内部或其边缘的矿床成岩成矿环境相对稳定，而造山带中的矿床的产出环境则较为动荡[20-21]。我国东天山地区岩浆铜镍硫化物矿床不仅经济意义大，而且形成背景和成岩成矿作用问题颇受关注[8-13]。刘德权(1983)[22]和Xiao et al.(2008)[23]研究认为带内岩体属阿拉斯加型镁铁—超镁铁质岩体，部分学者将这些含矿岩体理解为造山后岩石圈伸展产物[9-10]，也有一些学者认为它们属地幔柱成因[13-24]。在东天山地区发现图拉尔根II和III号(～350 Ma)等形成于石炭纪的俯冲环境下的无明显矿化的镁铁—超镁铁质岩体[25-27]。然而，四顶黑山岩体(367 Ma)[27]中发现了镍黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿等形成铜镍硫化物矿床十分有利的矿物相，预示着较好的成矿前景[28]。

3 岩浆铜镍硫化物矿床成矿过程及控制因素

Barnes and Lightfoot(2005)[18]和Naldrett(2010)[17]分别系统总结了岩浆铜镍硫化物矿床的成矿过程及控制因素。主要包括：1)原始岩浆的产生；2)原始岩浆由深部向浅部岩浆房运移；3)母岩浆达到硫饱和，熔离出来的硫化物在局部位置聚集；4)硫化物不断从母岩浆中“萃取”成矿金属。一般来讲，镁铁—超镁铁质原始岩浆的源自软流圈或者岩石圈的部分熔融，地壳物质的组分在原始岩浆上升过程中也会混入并在一定程度上改变原始岩浆的成分。上地幔由98%的硅酸盐矿物、2%的尖晶石、0.07%的硫化物和极少量的金属合金(<0.05%)组成[29]。虽然Ni在硫化物和硅酸盐熔体中的分配系数较大(257～1 300)[17]，但是硫化物在地幔中含量太少。Ni在橄榄石和硅酸盐熔体中的分配系数中等(1.5～13)[18]，但是橄榄石在地幔中的含量达到70%，是控制Ni的主要矿物相。因此，初始母岩浆中的Ni含量主要取决于地幔橄榄岩的部分熔融程度。Cu和PGE对橄榄石来说并不相容，所以主要受硫化物的控制。总而言之，高程度的地幔部分熔融更加有利于原始岩浆中富集成矿元素。

原始岩浆中富集的成矿元素充分地被运移至浅部岩浆房过程是形成岩浆铜镍硫化物矿床的重要因素。地壳处于松弛环境下地幔岩浆作用也同样可以上侵到地壳浅部，如大陆裂解边缘、造山带后碰撞伸展环境等。形成铜镍硫化物矿床最理想的环境被认为是地幔柱和区域深大断裂的耦合部位[18]。橄榄石的结晶和硫化物的熔离会导致成矿元素的消耗。尤其是铂族元素在硫化物和硅酸盐岩浆之间的分配系数很大(>10 000)[18]，即使少量的硫化物熔离也会导致大量的铂族元素从岩浆系统中丢失。因此，原始岩浆/母岩浆在上升过程中始终处于硫的不饱和状态是非常重要的。上升的原始岩浆/母岩浆在途径地壳的过程中可能会导致硫化物的熔离和硅酸盐矿物的结晶。因此，原始岩浆/母岩浆迅速地通过下地壳，就位于上地壳的浅部岩浆房是成矿的有利条件。

进入到浅部岩浆房的母岩浆达到饱和，硫化物熔体从岩浆中熔离出来并局部富集是岩浆铜镍成矿的关键[18]。母岩浆成分变化可能由壳源物质的混染和自身结晶分异等因素引起。同化混染会引起母岩浆温度的显著下降，但这种情况下即使发生硫化物的熔离，硫化物会与结晶的硅酸盐矿物一起沉降在岩浆房的底部，可能难以形成富矿体[30]。母岩浆自身的结晶分异会导致岩浆中FeO含量降低，进而引起硫化物熔离并富集成矿。Ni在橄榄石和辉石等硅酸盐矿物与岩浆之间的分配系数较大，D橄榄石/岩浆=1.35～13.6[31]，D辉石/岩浆=2.6～4(http://earthref.org)，即使岩浆中硫最终达到饱和，也不能形成具有重要的矿床。而在浅部岩浆房中，硫溶解度受氧逸度、硫逸度影响明显，而后两者主要受控于岩浆中FeO含量[32]。地壳硫的加入对岩浆铜镍硫化物成矿至关重要。

基于质量平衡计算，赋存在小的镁铁—超镁铁质岩体中岩浆铜镍硫化物矿床成矿的岩浆房一定是一个开放的体系，当新的岩浆注入时，硫化物乳珠沉降下来，而成矿元素亏损的岩浆随着新岩浆的不断补充而不断被挤出，新形成的不含矿的岩体喷出地表[30]。从另一个方面讲，熔离出来的硫化物可以与后期脉动侵位的大量的硫不饱和的富含成矿元素的母岩浆进行反应，Ni、Cu和PGE在硫化物和硅酸盐岩浆中的分配系数很大(DNi硫化物/岩浆=257～1 300；DCu硫化物/岩浆=80～1 670；DPGE硫化物/岩浆>10 000)[17-18]，强烈的趋向于进入硫化物相。大量岩浆经过的岩浆通道无疑是理想的成矿空间，例如俄罗斯Noril’sk，我国的金川和北疆的一系列铜镍矿。赋存在科马提岩熔岩中的Kambalda铜镍矿床的形成被认为是悬浮在熔岩流中的硫化物熔体与大量的岩浆反应，导致大量成矿金属富集[33]。

4 产于造山带环境和稳定克拉通地区岩浆铜镍矿床对比：以我国东天山地区为例

世界级的岩浆铜镍矿床一般产于稳定克拉通上的张裂带或陆内裂谷，而造山带环境下一般被认为不利于形成岩浆铜镍矿床，经济意义不大[17]。然而，近年来在我国东天山地区发现了一系列岩浆铜镍矿床(黄山东、黄山西和图拉尔根等)。本文试图对比这两种环境下形成的岩浆铜镍矿床的异同点，以期抛砖引玉，增进人们对成矿理论的理解。

4.1 构造的控制作用

世界上赋存在小岩体中的岩浆铜镍矿床一般都邻近深大断裂，这种断裂有时耦合于重要的地壳缝合带。如产于稳定克拉通上的张裂带或陆内裂谷的俄罗斯Noril’sk-Talnakh地区的镁铁质—超镁铁质岩体均沿Noril’sk-Talnakh深断裂带分布；我国峨眉山大火成岩省的浆铜镍矿床也分布在岩石圈伸展导致的深大断裂附近；金川铜镍矿形成于华北板块的边缘裂谷。类似地，东天山地区的黄山东、黄山西、黄山南、葫芦和图拉尔根矿床均沿着康古尔—黄山深大断裂带分布；红旗岭矿床南缘发育辉发河深断裂带；喀拉通克矿床位于额尔齐斯北西向深断裂带南缘。因此，在稳定的克拉通和造山带环境下深大断裂对岩浆铜镍矿床均具有明显的控制作用。

4.2 地幔柱作用

地幔柱活动会导致大规模的溢流玄武岩和相关的侵入体的形成。地幔柱来源深、温度高，可以在短时间内产生巨量的玄武岩，并被认为是形成岩浆铜镍矿床的有利条件[18]。俄罗斯Noril’sk矿床、加拿大的Voisey’s Bay、我国金川和我国峨眉山大火成岩省的一系列矿床均被认为与地幔柱的活动有关。虽然地幔柱的活动为岩浆铜镍矿床的形成提供了有利条件，但也并不是所有的地幔柱活动均能产生强烈的成矿作用。虽然部分学者认为我国东天山地区的一系列岩浆铜镍矿床受塔里木大火成岩省的影响[1，20]，但是我国的塔里木大火成岩省范围内并未发现该类矿床。此外，大洋板内的众多大火成岩省也未发现岩浆铜镍矿床[30]。因此，地幔柱活动是形成铜镍矿床的重要条件，并不具有因果关系。

4.3 岩浆性质

在洋壳俯冲环境下形成的镁铁质—超镁铁质岩体，俯冲板片流体往往加入到地幔源区，造成地幔源区富水、高氧逸度的特点，如位于加拿大的Mascot大型铜镍-PGE矿[32]。由于早期俯冲板片流体的改造，许多产于造山后伸展环境中的岩浆也常显示出岛弧或者活动大陆边缘岩浆性质[34-35]，如我国东天山的黄山东、黄山西和黄山南等矿床。而产于稳定克拉通上的张裂带或陆内裂谷的镁铁质—超镁铁质岩体，其岩浆源区一般较“干”、氧逸度也较低，如俄罗斯Noril’sk矿床、加拿大的Voisey’s Bay和我国金川。在地幔源区高氧逸度条件下，硫化物会转变为硫酸盐，硫溶解度迅速升高[36]，在岩石圈地幔部分熔融程度较低时，初始岩浆仍可富集大量成矿金属[36]。在新疆东天山黄山地区的含矿的镁铁质—超镁铁质岩体富含角闪石和黑云母等富水矿物。而在临近的北山裂谷带，虽然也发育大量的镁铁质—超镁铁质岩体，但富水矿物很少或基本未见，岩体的含矿性也较差，暗示了岩浆源区富水对成矿的重要性。因此，造山带环境甚至比克拉通环境形成的原始岩浆，在相同地幔部分熔融程度的情况下富集更多的成矿元素。

4.4 岩浆通道系统

产于稳定克拉通上的张裂带或陆内裂谷的岩浆通道系统的规模一般比位于造山带内的岩浆通道系统的规模大[37]。规模较大的岩浆房内压力的变化较为缓慢，而压力对母岩浆中硫的溶解度影响很大，这可能会造成上述两种环境中的岩浆演化和硫饱和机制有所差异[37]。很多世界级的岩浆铜镍矿床产于稳定克拉通上的张裂带或陆内裂谷内，如俄罗斯Noril’sk矿床、加拿大的Voisey’s Bay和我国金川。而位于造山带内的矿床则规模较小。在最近的勘查工作中，在我国东昆仑造山带中发现了形成于造山后伸展背景下的夏日哈木超大型Ni-Cu-Co矿床[35]，矿石量157百万t(品位0.65 wt.% Ni、0.14 wt.% Cu和0.013 wt.% Co)。这说明造山带环境下也具有形成世界级岩浆铜镍矿床的潜力。我国东天山地区的一系列岩浆铜镍矿床也构成了我国第二大的Ni资源基地。

岩浆通道系统中大量岩浆参与成矿作用，特别是这些岩浆是连续补充的，不混溶的硫化物熔体与后续补充的岩浆持续反应，是形成大规模、集中矿化的决定性因素[16，30]。因此，无论是产于稳定克拉通上的张裂带或陆内裂谷的岩浆通道系统还是位于造山带内的岩浆通道系统，只要能够为其提供适宜的空间和围岩条件(如富硫和还原性物质的地层)，连续补充的母岩浆中的成矿元素能够被不断萃取出来，均具有形成超大型矿床的潜力。