东昆仑石头坑德铜镍硫化物矿床磁黄铁矿和镍黄铁矿特征及硫饱和机制研究

周伟，祁晓鹏，徐磊

（中陕核工业集团地质调查院有限公司，陕西 西安 710100）

0 引言

石头坑德矿床是继夏日哈木超大型铜镍矿床之后，在东昆仑造山带发现的又一例岩浆铜镍硫化物矿床，该矿床位于青海省东昆仑造山带五龙沟沟脑（北纬35°57′05″；东经96°11′08″），已探获镍资源量6.98×104t（Ni平均品位1.17%），钴0.33×104t（Co平均品位0.04%），铜0.09×104t（Cu平均品位0.21%）（谢恩顺等，2017），矿床规模已达中型。石头坑德岩浆铜镍硫化物矿床与夏日哈木同处东昆仑造山带，大地构造位置极其相似。周伟等（2016）从岩体的原生岩浆、构造标志、岩石组合、直接矿化标志及矿物组合方面分析其成矿潜力；董俊等（2017）研究了岩体的地质特征和成矿条件，并认为岩体是多期次岩浆侵入的产物，深部成矿条件有利；谢恩顺等（2017）报道了该岩体的岩石矿物特征，通过与夏日哈木矿床的对比，总结了石头坑德岩体有利成矿的条件；张照伟等（2017）结合岩体的矿物学特征，探讨了对成矿的指示作用。以往的研究工作主要集中在岩体含矿性评价及成矿潜力方面，对矿床中的金属硫化物研究略显不足。众所周知，磁黄铁矿和镍黄铁矿是岩浆铜镍矿床中最主要的金属矿物，其形成与成矿过程密切相关（杨镇等，2014；芮会超等，2016；张志炳等，2017；吕晓强等，2019）。石头坑德矿床中的磁黄铁矿和镍黄铁矿有何特征？它们对岩浆铜镍成矿又具有什么指示意义？本文在开展地质调查和钻探工作的基础上，通过对矿区不同矿石开展矿相学的研究，并结合磁黄铁矿和镍黄铁矿电子探针微区测试技术和矿石硫同位素特征，论述了磁黄铁矿和镍黄铁矿的结晶条件，探讨了矿床硫达到饱和的机制，为研究矿床成因提供新证据。

1 区域地质背景

石头坑德铜镍硫化物矿床位于柴达木地块南缘，东昆仑造山带东段的五龙沟地区（图1a）。东昆仑造山带位于中央造山带西段，其东、西两端分别被温泉-哇洪山断裂和阿尔金断裂所截切。不同学者根据区域断裂和蛇绿构造混杂岩带对东昆仑构造单元进行了划分（青海省地质矿产局，1991）。以昆北、昆中、昆南3条区域性大断裂为界，从北向南依次将东昆仑造山带分为东昆北带、东昆中带、东昆南带和巴颜喀拉-松潘甘孜带，即“三断裂四分带”。昆北断裂是穿越格尔木的东西走向的山前逆冲断裂，昆中断裂由西向东穿越阿牙克库木湖、纳赤台和清水泉，昆南断裂由西向东穿越木孜塔格、昆仑山口，直至阿尼玛卿带。昆北断裂以北为昆北区，主要为柴达木盆地。昆北断裂和昆中断裂之间为昆中区，昆中断裂和昆南断裂之间为昆南区，昆南断裂以南为巴颜喀拉-松潘甘孜区。

2 矿床及矿石地质特征

石头坑德矿区内的前寒武纪变质岩石主要为古元古代金水口岩群，由下部白沙河岩组和上部小庙岩组组成。下部白沙河岩组主要由大理岩、片麻岩、混合岩和角闪岩等组成；上部小庙岩组主要由石英岩、大理岩、片麻岩和片岩等组成。矿区内出露3个镁铁-超镁铁质岩体（图1b），直接围岩为金水口岩群白沙河岩组的黑云斜长片麻岩，铜镍矿床赋存于Ⅰ号杂岩体内，Ⅰ号杂岩体主要由辉长岩、辉长苏长岩、暗色橄榄辉长岩、单辉辉石岩、二辉辉石岩、方辉辉石岩、单辉橄榄岩、方辉橄榄岩和纯橄岩等多种岩石组成。赋矿岩石主要为橄榄岩和辉石岩。矿石中脉石矿物主要为尖晶石+橄榄石+辉石+角闪石+斜长石组合。矿石矿物主要为磁黄铁矿+镍黄铁矿+黄铜矿，并发育少量铬铁矿、磁铁矿、紫硫镍矿、马基诺矿、钛铁矿、白铁矿，石墨偶见。按照成因特点，矿石可分为3种类型，即就地熔离型、矿浆贯入型和热液交代型三类（图2）。

图1 石头坑德矿床大地构造位置（a）（据孟繁聪等，2013）和矿床地质简图（b）

图2 石头坑德矿石野外照片

就地熔离型矿石：广泛发育于早期硫化物阶段，伴随着橄榄石、辉石、斜长石等硅酸盐矿物结晶，硫逐渐饱和，发生硫化物熔离作用，聚集成硫化物浸染体，这些硫化物浸染体呈胶结物状充填于中细粒硅酸盐晶体粒间，形成海绵陨铁状结构（图3a）。浸染体为磁黄铁矿和镍黄铁矿集合体（图3b～c），粒度多在0.5～1 mm之间，最大可达3 mm。磁黄铁矿为较早熔离出的金属矿物，稍晚出溶的镍黄铁矿沿磁黄铁矿晶格析出，这些镍黄铁矿有的具有定向分布的特点。黄铜矿浸染体出溶很少，在局部范围内，可见以镍黄铁矿为主的硫化物（图3d），甚至可见单一较自形镍黄铁矿（图3e），这反映了矿石富镍贫铜的特点。此阶段也有很少量磁铁矿、钛铁矿发育。这类矿石主要为星点状、浸染状及海绵陨铁状矿石。

图3 石头坑德矿石镜下照片

矿浆贯入型矿石：随着硫化物不断富集，形成富含硫化物的矿浆，沿着岩石破碎面贯入，形成准块状-块状、团块状、斑杂状矿石，金属矿物以磁黄铁矿、镍黄铁矿为主，黄铜矿较少，多具有自形-半自形粒状结构、固溶体分离结构。

热液型交代矿石：受岩浆期后热液控制，硫化物呈细脉状，沿着构造裂隙充填，交代溶蚀结构发育，金属矿物以黄铜矿较多，磁黄铁矿、镍黄铁矿、紫硫镍矿、马基诺矿、磁铁矿次之，也见钛铁氧化物。镍黄铁矿可蚀变为紫硫镍矿（图3f～g），马基诺矿可交代磁黄铁矿（图3h）。热液期磁铁矿细脉极为发育，沿磁黄铁矿边缘形成环边。铬尖晶石晶粒碎裂，可被磁铁矿穿切交代（图3i）。紫硫镍矿交代磁黄铁矿，磁黄铁矿有微弱白铁矿化，更晚期阶段可见热液磁铁矿交代热液钛铁矿。

3 金属硫化物特征

金属矿物微区分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室采用JXA-8100型电子探针完成。实验条件：电压15 kV；束电流2.0×10-8A；束斑大小0.5 μm；分辨率6 nm。

3.1 磁黄铁矿

磁黄铁矿常发育在熔离型矿石和贯入型矿石中。反光镜下具有浅粉红色微带紫色调，与镍黄铁矿共生时，粉红色调更加明显，具有微弱多色性，强非均质性，硬度中等。石头坑德矿石磁黄铁矿电子探针数据见表1。其中，S含量变化于35.95%～38.21%；Fe含量变化于59.98%～61.54%；Pb含量变化于0.09%～0.22%；Cu变化于0%～0.19%；Ni含量为0%～0.20%；基本不含As和Co。这些特点表明，石头坑德矿石磁黄铁矿具有Pb、Cu、Ni等元素置换Fe的现象，并且Ni含量要高于Cu，这也与矿石中富镍贫铜一致，反映了岩浆自身高Ni低Cu的属性。磁黄铁矿的化学通式可表示为Fe1-XS（0≤X≤0.125），根据Fe（mol%）的含量，可分为六方磁黄铁矿（hpo；NC型）、单斜磁黄铁矿（mpo；4C型）和斜方磁黄铁矿三种类型。六方磁黄铁矿（NC型）N值可以为1、5、6、7、11，当N为2时，就是陨硫铁（Becker et al.,2010；Dupuis et al.,2011）。通过计算，石头坑德矿石磁黄铁矿Fe（mol%）=47.39～49.35，相应的，分子式为Fe0.901S～Fe0.972S，表明均属于六方磁黄铁矿（hpo），在图4中，样品分别位于NC型和2C+NC型。

表1 石头坑德矿石磁黄铁矿电子探针结果/%

图4 石头坑德磁黄铁矿铁原子百分数频率分布（据Arnold，1962）

3.2 镍黄铁矿

镍黄铁矿出现在熔离型矿石、贯入型矿石和热液期矿石中，反光镜下呈淡黄色调，比磁黄铁矿略微亮白，比黄铜矿黄色略淡。镍黄铁矿具有均质性，无磁性，反射率介于黄铁矿和方铅矿之间。石头坑德矿石镍黄铁矿电子探针数据见表2。S变化于32.88%～34.58%，平均为33.54%；Fe变化范围较大，介于33.38%～38.88%，平均36.24%；Ni变化范围为20.50%～32.86%，平均为28.41%；Co变化于0.16%～1.24%，平均为0.52%。镍黄铁矿Co含量远远高于磁黄铁矿，说明Co更易赋存于镍黄铁矿中。通过标准矿物计算，石头坑德镍黄铁矿Fe（mol%）=4.64～5.90，Ni（mol%）=2.96～4.34，Co（mol%）=0.02～0.17。

表2 石头坑德矿石镍黄铁矿电子探针结果/%

4 讨论

4.1 磁黄铁矿、镍黄铁矿结晶温度

磁黄铁矿属于单硫化物，在各种内生金属矿床中常见，尤其在岩浆铜镍硫化物矿床中广泛发育，是重要的造矿矿物。一般认为，单斜磁黄铁矿的形成温度较低，其形成温度不高于304±6 ℃（Arnold，1962；Kissin and Scott,1982）。当硫化物集合体温度下降至该温度以下时，单斜磁黄铁矿（mpo）才会从六方磁黄铁矿（hpo）中出溶，形成含有单斜磁黄铁矿和六方磁黄铁矿的混合硫化体（图5）。电子探针结果显示，石头坑德矿石磁黄铁矿均为六方磁黄铁矿，表明其结晶温度要高于304 ℃。实验岩石学结果表明，当体系缓慢降温时，黄铁矿首先从六方磁黄铁矿中出溶；如果经历快速降温的过程，六方磁黄铁矿中多余的硫不完全以黄铁矿的形式出溶，则当温度降至254 ℃以下时，会有单斜磁黄铁矿的出溶现象发生（Arnold，1962；Dupuis et al.,2011）。在显微镜下，并未发现磁黄铁矿与黄铁矿相互交生的现象，一方面说明了体系经历了快速降温的过程，另一方面可能与体系中硫并不富足有关。

图5 Fe-S系统相平衡简图（据Kissin and Scott,1982）

磁黄铁矿中Fe的含量与体系的温度存在线性关系，张述根等（2011）根据磁黄铁矿Fe（mol%）和其形成温度（T/℃）拟合出线性关系：T=-201.22Fe（mol%）+9854.32，该公式适合Fe（mol%）=45.50～47.50的磁黄铁矿。笔者认为，该公式只能约束磁黄铁矿结晶温度的下限。将磁黄铁矿（4001-2-4）Fe（mol%）=47.39 代入上述公式，得到T=319 ℃，说明石头坑德磁黄铁矿结晶温度高于319℃，而磁黄铁矿和镍黄铁矿固溶体分离温度区间为300～500 ℃（Naldrett et al.,2000），两者可相互印证。实验岩石学表明，自形镍黄铁矿的结晶上限温度为865±3 ℃（Sugaki et al.,1998；Dare et al.,2012），显微镜下可见两种产状的镍矿铁矿，一是从磁黄铁矿中出溶的镍黄铁矿，二是单一的较自形镍黄铁矿，进而推测前者结晶温度低于后者。综合以上论述，石头坑德磁黄铁矿和镍黄铁矿结晶温度可大致约束在865～319 ℃。

4.2 硫饱和机制

研究表明，岩浆Cu-Ni-Co-PGE硫化物矿床金属元素来源于地幔，成矿的关键是岩浆中硫达到饱和状态，与Cu、Ni、Co、PGE等亲铜元素结合形成硫化物，引起岩浆中硫饱和的因素主要有：同化混染作用、地壳硫的加入以及分离结晶作用（Naldrett et al.,2000；Ripley et al.,2003；Ripley and Li,2017；汤中立等，2006）。

石头坑德矿石δ34S介于1.9‰～4.3‰（周伟等，2016），说明有地壳硫的贡献，地壳硫加入岩浆后，增加了硫的含量，促使硫达到饱和。另一方面，岩体中发现的围岩捕掳体以及矿石中石墨矿物的存在，都可视为同化混染的直接证据。石头坑德岩体围岩主要为片麻岩，此外还有少量大理岩，这些富硅、钙岩石的加入可以增加岩浆中SiO2的活度，使岩浆氧逸度增高，进而可以降低岩浆中硫的溶解度，促使硫达到饱和。石头坑德岩体岩石类型多样，造岩矿物有尖晶石、橄榄石、辉石、角闪石、斜长石等，这些含铁镁、硅铝矿物的分离结晶，会降低岩浆中FeO的活度，进而降低了硫逸度，使体系达到硫饱和。此外，前已述及，石头坑德岩浆体系可能经历了快速降温的过程，这也可以引起硫化物发生熔离，但这并非主导因素。

因此，地壳硫的加入、围岩同化混染作用以及分离结晶作用，是促使石头坑德矿床硫饱和并发生熔离的重要因素。

5 结论

（1）石头坑德矿石中脉石矿物主要为尖晶石+橄榄石+辉石+角闪石+斜长石组合。矿石矿物主要为磁黄铁矿+镍黄铁矿+黄铜矿组合，少量铬铁矿、磁铁矿、紫硫镍矿、马基诺矿、钛铁矿、白铁矿，石墨偶见。矿石可分为就地熔离型、矿浆贯入型、热液交代型三类。矿石具有富镍贫铜的特点。

（2）石头坑德磁黄铁矿分子式：Fe0.901S～Fe0.972S，为六方磁黄铁矿（hpo），属于NC型和2C+NC型，磁黄铁矿结晶温度高于319 ℃，结晶体系经历了快速降温的过程。镍黄铁矿分子式中Fe（mol%）=4.64～5.90，Ni（mol%）=2.96～4.34，Co（mol%）=0.02～0.17，单一的较自形镍黄铁矿结晶温度高于从磁黄铁矿出溶的镍黄铁矿。磁黄铁矿和镍黄铁矿结晶温度可大致约束在865～319 ℃。

（3）地壳硫的加入、围岩同化混染作用以及岩浆结晶分异作用，是促使石头坑德矿床硫达到饱和并且发生熔离作用的重要因素。