青海牛鼻子梁铜镍硫化物矿床含矿岩体锆石U-Pb年代学及其成矿意义*

2021-06-18周自强尹晨曦赵少卿孟庆昊陆相吉张乐乐

现代矿业 2021年4期

周自强尹晨曦赵少卿孟庆昊陆相吉张炎张乐乐

（长江大学地球科学学院）

岩浆矿床是起源于地幔部分熔融形成的镁铁—超镁铁质岩浆在上侵过程中经历结晶分异、地壳混染、岩浆熔离等作用，使分散在岩浆中的成矿物质聚集而形成的矿床。其主要类型包括铬铁矿矿床、钒钛磁铁矿矿床和铜镍硫化物矿床，是Cr、Ti、Cu、Ni、铂族元素（PGE）等金属的主要来源。金属Ni、Cu和PGE是非常重要的金属矿产资源，在钢铁、军工、航天、机械制造、通讯器材、医疗、化工等方面均有广泛的用途。岩浆铜镍硫化物矿床是赋存Cu、Ni及PGE的重要矿床类型，它们占世界Cu、Ni、PGE开采量的一半以上，占世界铜储量的5.5%，具有巨大的经济价值［1-5］。

岩浆铜镍硫化物矿床主要形成于太古代、元古代、二叠纪—三叠纪［6］，典型矿床如加拿大的Sudbury［7］和Voisey"s Bay［8］、美国的Stillwater［9］和Duluth、俄罗斯的Noirl"sk Camp和Pechenga［10］、澳大利亚的Perseverance和Kambalda［11］以及中国的金川［12］和夏日哈木［13］等。构造背景方面，除加拿大的Sudbury矿床被认为是形成于陨石撞击外，其它矿床主要产于稳定的克拉通张裂带或陆内裂谷、地幔柱活动区、造山带弧构造环境［6］。值得注意的是，我国的岩浆铜镍硫化物矿床成矿时代则以新元古代早期和晚古生代末期为主，如形成于古大陆边缘裂解构造背景中的甘肃金川矿床（837 Ma）［12］，碰撞造山带环境中的喀拉通克（287 Ma）［14］、黄山（269 Ma）［15］以及地幔柱活动区的白马寨（259 Ma）［16］矿床等。

青海柴达木盆地周缘地区近年来陆续发现了一批与镁铁—超镁铁质岩有关的Cu-Ni-（PGE）硫化物矿床或矿化点，以柴南缘东昆仑造山带内的夏日哈木超大型矿床最为典型，其Ni金属量已超过百万吨。牛鼻子梁铜镍硫化物矿床是青海省境内新发现的铜镍硫化物矿床，其规模是仅次于夏日哈木的又一中型矿床。然而，对该矿床的成矿时代研究相对较少，且成矿构造背景还存在争议。鉴于此，对牛鼻子梁铜镍硫化物矿床含矿岩体进行LA-ICP-MS锆石UPb年代学分析，并结合区内前人研究成果，探讨其形成的构造环境及成矿意义，为柴周缘地区岩浆铜镍硫化物矿床成矿理论研究提供一些新资料。

1 地质背景

研究区大地构造位置位于青藏高原柴达木盆地西北缘、阿尔金断裂南侧，属鄂博梁古元古宙古陆（图1（a））。古陆块的主体是由元古界结晶岩系和不同时期花岗岩类组成，该块体向盆地之下自然延伸，由于后期构造掀升，盆地西北部基底隆起［17］。阿尔金山南深断裂在研究区北部呈北东向横贯而过，岩浆侵入活动频繁而剧烈，侵入岩从超基性—酸性均有出露，其分布广、规模大、类型繁多，是本区最显著的一个特征。区内出露地层以古元古界达肯大坂群和第四系为主，其次有少量的中元古界蓟县系万洞沟群及早—中侏罗世大煤沟组、采石岭组及古近—新近系干柴沟组、新近系油砂山组零星出露。由于受阿尔金和柴北缘陆缘活动带的影响，研究区形成了复杂的构造形迹，主体为阿尔金山深大断裂带。次生断裂以北东东向、近东西向和北西向为主，严格控制着区内地层、岩浆和矿产的分布，是区内最主要的控矿构造之一。牛鼻子梁铜镍硫化物矿床含矿岩体位于柴北缘早古生代结合带西端（图1（b）），区内出露地层较单一，主要为古元古代金水口群，岩性以黑云斜长片麻岩、角闪斜长片岩、条带状透辉石大理岩、含石墨大理岩为主。区内断裂构造发育，主要为近东西向和北东东向2组，其中以近东西向F4断裂规模最大，为区域性断裂（图2）。次为F3断裂，其出露虽少，但在东西向延伸已形成较大的沟谷。F1和F2规模较小，被F3截穿，同时在断层破碎带中见有黄铁矿化、黄铜矿化、磁黄铁矿化、孔雀石化等现象。区内岩浆活动强烈，以一种酸性侵入岩类为主，其次为镁铁—超镁铁质岩类，以加里东、华力西期岩浆活动最为强烈。

2 岩体地质及含矿性特征

牛鼻子梁矿床含矿镁铁—超镁铁质岩体的出露面积约8 km2，岩体平面形态呈长条状，长轴方向近东西向，与区域构造线方向一致。根据岩性的不同以及F1、F2断裂对岩体的切割情况，将其分成3个岩体，并编号为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ号（图2）。I号岩体为矿区内最大的超基性岩体，但含矿性较差，岩体平面形态呈长条状，长轴方向近东西向，长约6 km，最大宽度约1.5 km，岩性主要以辉长岩为主，局部有辉石，角闪橄榄岩、辉石岩及二辉橄榄岩岩体呈岩株状侵入于辉长岩中，目前在该岩体中发现含铜镍硫化物矿（化）体5条（表1），以G-MI矿体规模最大（图3）。Ⅱ号岩体呈北西西向延伸，地表出露长680 m，宽20～250 m，岩性主要为辉石角闪橄榄岩、角闪橄榄岩及二辉橄榄岩，该岩体中含铜镍硫化物矿体7条（表1）。Ⅲ号岩体位于矿区中部，呈北西西向延伸，东窄西宽，地表出露长1 000 m，宽20～250 m，岩性主要为辉石角闪橄榄岩和辉长岩。

牛鼻子梁镁铁—超镁铁质岩体主要划分为橄榄岩相、辉石岩相和辉长岩相，其中橄榄岩相是重要的含矿岩相，主要岩性包括二辉橄榄岩、斜长单辉橄榄岩、角闪二辉橄榄岩。二辉橄榄岩主要由橄榄石和辉石组成。辉石主要为单斜辉石，其多色性不明显，少数可见2组近正交解理，多呈它形颗粒。橄榄石的含量占40%～50%以上，并且含有少量的角闪石、黑云母及铬铁矿等。样品颜色呈深绿色，结构以粒状为主，亦有反应边结构、包含结构、海绵陨铁结构等。

3 锆石U-Pb年代学测试

选取了牛鼻子梁矿床I号岩体中的含矿二辉橄榄岩进行了锆石U-Pb年代学测试。锆石挑选在中国地质大学（武汉）地质工程与矿产资源国家重点实验室完成，先经破碎、浮选、电磁选等方法清洗后，再手工挑出晶形、透明度较好的单颗粒锆石。将锆石固定于环氧树脂上制靶并抛光，首先进行透射光、反射光观察照相，然后通过阴极发光显微照相观察锆石内部结构，得到锆石阴极发光（CL）图像。接着利用LA-ICP-MS分析进行锆石U-Pb同位素年龄测定。质量分馏校正采用标样GEMOC/GL-1（207Pb/207Pb）年龄为608.5±0.4 Ma，206Pb/238U年龄为599.8±4.5 Ma，每轮测试约分析20个点，开始和结束前分别分析GJ-1标样2～4次，中间分析未知样品10～12次，其中包括1次已知年龄的锆石样品Mud Tank（735 Ma）。仪器工作参数：波长213 nm，剥蚀孔径25μm。剥蚀时间60 s，背景测量时间40 s，激光脉冲重复频率5 Hz，脉冲能量为10～20 J/cm2，206Pb、207Pb、208Pb、232Th、238U停留时间依次为15、30、10、10、15 ms。实验原理和详细的测试方法见文献［18］。分析数据通过即时分析软件GLITTER计算获得同位素比值、年龄和误差，分析结果通过ISOPLOT软件（版本4.15）完成加权平均年龄计算和U-Pb谐和图的绘制。对年龄小于100 Ma的锆石采用206Pb/238U年龄表示，而对年龄大于1 000 Ma的锆石则采用207Pb/208Pb年龄表示。

4 结果分析

对含矿二辉橄榄岩样品共进行了20个点的激光剥蚀U-Pb同位素定年分析。样品中的锆石多为无色—淡黄色透明状，具自形—半自形长柱状结构，长度为80～250μm，长宽比多介于2∶1～3∶1。阴极发光图像显示，锆石均发育有明显的岩浆振荡环带（图4），暗示这些锆石为岩浆成因，其同位素年龄应代表岩体侵位的时代。在对二辉橄榄岩中20颗锆石的20个点进行测定时，发现所测锆石U和Th含量分别为217×10-6～1 135×10-6和117×10-6～1 389×10-6，Th/U比值为0.66～1.30，与岩浆成因锆石的Th/U比值（＞0.1）一致。同时，所有数据点都位于谐和线上或附近（图5），无明显Pb丢失。206Pb/238U年龄变化于391±4～405±4 Ma，加权平均年龄为400±2 Ma（MSWD=0.4），该年龄代表了牛鼻子梁镁铁—超镁铁质含矿岩体的侵位年龄，即牛鼻子梁铜镍硫化物矿床的成矿时代应为中泥盆世。

5 讨论

牛鼻子梁含矿镁铁质—超镁铁质岩体位于柴达木盆地西北缘与阿尔金山南缘交汇处，其大地构造位置拥有复杂的地质条件，产出背景与相邻造山带的构造演化有着密切的联系。在早古生代早期，牛鼻子梁地区岩体大部分产出于柴达木北缘花岗岩中［19］，大地构造背景为具有良好成矿条件的柴达木地块北缘的俄博梁古元古宙古陆断隆区。柴北缘构造带是古特提斯洋在晚古生代末期闭合后由弧后裂陷转变为弧后挤压环境［20］。柴北缘西段发育上泥盆统磨拉石建造，东昆仑牦牛山组下部流纹岩的锆石U-Pb年龄为400～423 Ma［21，22］，而周春景等［23］使用锆石定年法测得东昆仑三道湾流纹英安斑岩的年龄为425.9±2.6 Ma，由此可以推测出流纹英安斑岩属于牦牛山组中流纹岩的次火山岩相，牦牛山组磨拉石建造的形成时代为晚志留世—晚泥盆世，此时古洋盆早已经消亡，已经开始了陆内伸展。同时，宗务隆—鄂拉山岩带中的泥盆纪鱼卡组火山岩、柴北缘岩带中的牦牛山组火山岩都是在大陆裂谷环境中形成的［24］。从而说明，在晚志留世—晚泥盆世期间，影响本区域的褶皱带属于总体平稳但持续伸展或裂谷化阶段，而并非处于挤压碰撞造山阶段。在对该区域褶皱带进行主微量元素分析得出岩浆源区可能为洋岛玄武岩，其岩体所处的构造环境为大陆边缘拉张裂解环境［25］，这一结论在凌锦兰等对牛鼻子梁矿区进行成矿环境中得以验证，确定了岩体形成的大地构造环境为大陆边缘拉张裂解环境。同样李睿华结合区域内地球化学特征，确立了岛弧或活动大陆边缘环境，在对岩体进行锆石U-Pb定年发现牛鼻子梁矿床的成矿时间为373～389 Ma，属于晚泥盆世阶段［26］，而钱兵采用锆石U-Pb年龄测定方法，大致确定了牛鼻子梁矿区内岩体形成锆石年龄为2个重要时期，早古生代早期（402～458 Ma）以及晚古生代末期（245～258 Ma）［27］，这期间所产生的镁铁—超镁铁质岩体可能是在与俯冲—消减作用有关的活动大陆边缘环境中形成的。

综上分析，祁连褶皱带和东昆仑褶皱带在晚志留世至晚泥盆世期间的状态一致，均处于持续的大陆裂谷化或内部伸展阶段。而本研究对牛鼻子梁地区的含矿二辉橄榄岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，牛鼻子梁镁铁质—超镁铁质含矿岩体的侵位年龄为400±2 Ma，产于中泥盆世，是早古生代末期的产物。综合前人的研究对比分析，该时期牛鼻子梁岩体形成于造山带张性环境，结合该地区地球化学特征也显示了造山带伸展背景下大陆边缘拉张裂解环境。

在我国，新元古代早期和晚古生代末期是已知的2个岩浆铜镍矿床重要成矿期，其它时代发现极少。因此形成于中泥盆世的牛鼻子梁矿床无疑是打开了我国岩浆铜镍硫化物矿床成矿期的另一个窗口。近些年来，在柴周缘地区相继发现了尕秀雅平、夏日哈木、红柳沟等同牛鼻子梁岩体一样产出于早古生代末期的矿床，如柴达木盆地中夏日哈木铜镍矿床Ⅱ号岩体辉长岩的成岩年龄为385.2 Ma，属于早泥盆世岩浆活动的产物，该矿床的形成是早泥盆世早期岩浆活动于柴达木盆地边缘东昆仑造山带夏日哈木地区具体的成矿表现［28］。同时王冠等对矿区正长花岗岩中的岩浆锆石采用LA-MC-ICP-MS U-Pb技术，获得了其加权平均年龄为391.1±1.4 Ma，属于早泥盆世产物，其高钾钙碱性、弱过铝质系列花岗岩的岩石学及化学成分以及岩体高硅、富碱、高铁镁比、贫钙、贫镁都显示了夏日哈木矿区正长花岗岩为铝质A型花岗岩，形成于造山后伸展的构造环境［29］。另一方面，周伟等对位于柴达木地块北缘构造带内欧龙布鲁克微陆块东缘的2个镁铁—超镁铁质岩体、含Cu-Ni的尕秀雅平东岩体和含Ti-Fe的红柳沟北岩体开展测年分析，前者LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为408.0±1.5 Ma，属早泥盆世，后者的SHRIMP锆石UPb年龄为418.3±2.8 Ma，属晚志留世［30］，而区域地质资料研究表明东昆仑地区、柴北缘在晚志留世—晚泥盆世处于后造山伸展阶段，尕秀雅平东岩体和红柳沟北岩体正是拉张环境下幔源岩浆活动的产物。

在东昆仑地区、柴北缘发现的铜镍矿床和铜镍矿点基本都形成于晚志留世—晚泥盆世。结合中国不同时代、不同构造背景的矿床进行对比分析（图6），认为晚志留世—晚泥盆世期间，东昆仑造山带和祁连造山带之间的柴达木地块、欧龙布鲁克微陆块，以及位于这两大造山带内部的微型古陆块区，是形成岩浆铜镍硫化物矿床的有利环境。而本研究所研究的牛鼻子梁矿床形成于早泥盆世末期造山带环境下，结合柴周缘近几年发现的尕秀雅平与夏日哈木矿床同牛鼻子梁矿床一样产出于早古生代末期，早古生代末期造山带伸展背景可能是我国第三大铜镍铂成矿事件和有利构造背景。