加拿大薩德伯里奈恩(Nairn)銅多金屬礦地球化學(xué)特征及意義

賈潤幸，張漢城，張文山，高軍輝

(1.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012;2.中色金地資源科技有限公司，北京 100012)

巖漿銅鎳硫化物礦床是一種重要的金屬礦床類型，前人對其已進(jìn)行了大量的研究(湯中立，1982，2002，2004;朱文鳳等，2000;惠衛(wèi)東等，2001; Barnes，2004;Yakubchuk et al.，2004;Cawthorn，2005;Sindern et al.，2007;Eckstrand et al.，2007; Ernst，2007;Seat et al.，2007;Ripley et al.，2007)。超大(巨)型Ni－Cu(Pt)巖漿硫化物礦床按照地質(zhì)定位條件和特征劃分為5種重要類型:元古宙與古隕石坑有關(guān)的蘇長巖 －輝長巖型礦床(如 Sudbury);元古宙與大陸邊緣裂解有關(guān)的小侵入體礦床(如金川);顯生宙大陸裂谷有關(guān)的相當(dāng)于溢流玄武巖的侵入體礦床(如Noril’sk);太古宙綠巖帶與科馬提巖有關(guān)的礦床(如Agnew);早元古代大陸層狀侵入雜巖體中硫化物與鉑族元素(如Bushveld)(湯中立，2002)。近些年在加拿大安大略省薩德伯里(Sudbury)鎳銅礦集區(qū)的外圍已先后發(fā)現(xiàn)了多處中－小型銅鎳礦床或礦化點，如位于其西北方向的莎士比亞(shakespeare)銅鎳礦床等(MICON，2006)，該區(qū)外圍有望成為下一步找礦熱點。奈恩(Nairn)工作區(qū)位于薩德伯里(Sudbury)鎳銅礦集區(qū)南西方向約50km處，本文著重從巖(礦)石的礦物組合特征和地球化學(xué)特征對奈恩(Nairn)工作區(qū)兩種類型的礦(化)體進(jìn)行研究，初步探討了兩種礦(化)體之間的空間分布規(guī)律和成因聯(lián)系，目的在于為該地區(qū)的進(jìn)一步找礦工作提供理論依據(jù)。

1 工作區(qū)域地質(zhì)概況

工作區(qū)大地構(gòu)造位置位于蘇必利爾克拉通南緣元古代活動帶內(nèi)，區(qū)內(nèi)出露地層和巖體為早元古代休倫超群和薩德伯里基性巖漿雜巖組成。早元古代休倫超群為一套濁積巖沉積，從早到晚巖性分布大致為雜礫巖－雜砂巖－長石砂巖－石英巖等，在礦區(qū)出露的較廣，巖石中節(jié)理發(fā)育，其中可見晚期發(fā)育的石英脈。區(qū)內(nèi)出露的薩德伯里巖漿雜巖主要為變質(zhì)基性輝長巖，呈巖墻、巖枝狀侵入于休倫超群地層中，巖墻整體走向為北東向，與北東向區(qū)域構(gòu)造線方向一致，近南北向構(gòu)造發(fā)育(圖1)。工作區(qū)內(nèi)的礦化類型可劃分兩類:①產(chǎn)于輝長巖中的銅鎳礦化，礦石呈浸染狀構(gòu)造，主要金屬硫化物有磁黃鐵礦、黃銅礦和鎳黃鐵礦等(如Ⅰ－1和Ⅰ－2礦化點);②產(chǎn)于石英角礫巖中的銅礦化，礦石呈角礫狀構(gòu)造，硅化強烈，主要金屬硫化物為黃銅礦和少量的磁黃鐵礦等(如Ⅱ－1礦化點)。

2 樣品采集與分析

為研究本區(qū)不同巖(礦)石的地球化學(xué)特征，分別對本區(qū)具代表性的巖(礦)石進(jìn)行了樣品采集，同時采集了少數(shù)薩德伯里的巖(礦)石樣品以便進(jìn)行對比。巖(礦)石樣品主要為未氧化的原生礦石，磨制電子探針片后，除留巖石標(biāo)本，其余粉碎至200目后送至核工業(yè)地質(zhì)分析測試研究中心對其進(jìn)行主量元素和微量元素的分析，主量元素采用X熒光光譜分析方法，微量元素采用等離子質(zhì)譜分析方法(ICPMS)(Jia et al，2010)。樣品類型及分析結(jié)果見表1。

3 巖(礦)石礦物組構(gòu)及地球化學(xué)特征

3.1 巖礦石礦物組構(gòu)特征

變質(zhì)輝長巖:塊狀構(gòu)造、輝長結(jié)構(gòu)，巖石蝕變強烈，輝石多纖閃石化而呈其假象。主要由中長石(35%～40%)，透閃石(35%～45%)、綠簾石(5%～10%)綠泥石(5%)和其它少量的鈦鐵礦、榍石、黃銅礦、磁黃鐵礦等。

Cu－Ni礦石:浸染狀構(gòu)造、輝長結(jié)構(gòu)，巖石蝕變強烈，輝石等暗色礦物全部為透閃石交代，呈假像產(chǎn)出，長石部分綠簾石化，巖石中脈石礦物主要由中長石(30% ～35%)、透閃石(30% ～35%)、綠簾石(10%)、綠泥石(5%～10%)組成，金屬礦物主要有磁黃鐵礦(8%～15%)、黃鐵礦(2%～5%)、黃銅礦(1%～3%)和其它少量的鈦磁鐵礦、榍石等(圖2－A1～A3)。

圖1 加拿大薩德伯里奈恩(Nairn)銅鎳礦區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch map of the Nairn，Sudbury copper nickel deposit in Ontario province，Canada1－變質(zhì)輝長巖;2－復(fù)成分礫巖、雜砂質(zhì)基質(zhì);3－石英雜砂巖;4－礦化點;5－斷層1－metagabbro;2－polymictic conglomerate，greywacke matrix;3－quartz greywacke;4－mine occurrence;5－fault

圖2 加拿大薩德伯里奈恩礦區(qū)不同巖(礦石)露頭及其礦物組構(gòu)特征Fig.2 Photos showing outcrops and mineral compositions of different rocks(ores)in the Nairn，Sudbury copper nickel deposit in Ontario Province，CanadaA－1:N1樣品采集的銅鎳硫化物礦露頭;A－2:N1樣品中輝石多透閃石化(正交光);A－3:N1樣品中的金屬硫化物主要為磁黃鐵礦、黃銅礦和黃鐵礦(反光);B－1:N13樣品采集的銅礦化石英角礫巖露頭;B－2:N13樣品主要由石英和絹云母等泥質(zhì)膠結(jié)物組成(單光);B－3:N13樣品中黃銅礦沿石英裂隙充填分布(反光);C－1:N7樣品采集的石英雜砂巖露頭;C－2:N7樣品主要由石英和鱗片狀云母等泥質(zhì)膠結(jié)物組成(單光);C－3:N7樣品主要由石英和鱗片狀云母等泥質(zhì)膠結(jié)物組成(正交光)A－1:Sample N1 from the outcrop of Cu－Ni sulfides in Nairn area;A－2:Pyroxene was mainly replaced by tremolite in sample N1 (crossed nicols);A－3:The sulfides are mainly composed of pyrrhotite，chalcopyrite and pyrite in sample N1(reflected light);B－1: Sample N13 from the outcrop of quartz breccia with copper mineralization;B－2:Sample 13 are mainly composed of quartz，sericite and other argillaceous cements(single nicol);B－3:Chalcopyrite filled in the cranny of quartz in sample N13(reflected light);C－1:Sample N7 from the outcrop of quartz graywacke;C－2:Sample N7 are mainly composed of quartz，scalelike mica and other argillaceous cements(single nicol);C－3:Sample N7 are mainly composed of quartz，scalelike mica and other argillaceous cements(crossed nicols)

銅礦化角礫巖:角礫狀構(gòu)造、砂礫狀結(jié)構(gòu)，含石英巖，長英質(zhì)硅質(zhì)巖，千枚巖，粉砂巖等礫石。礫石粒度多在0.5～3 mm之間，中含均勻細(xì)粒浸染狀黃銅礦和磁黃鐵礦，砂礫粒度0.1 mm左右，其它為隱晶狀長英巖，絹云母以及細(xì)粒金屬硫化物。其中石英(30%～35%)，綠泥石(5%～10%)，絹云母(5%～10%)，長英質(zhì)基質(zhì)(45% ～55%)，金屬硫化物(2%～5%)(圖2－B1～B3)。

石英雜砂巖:變余砂狀結(jié)構(gòu)，巖石主要由石英礫石(50%～70%)、長石砂粒(10%)及綠泥石(10%～15%)、白云母(15%)、黑云母(5%～15%)等泥質(zhì)膠結(jié)物及少量的少量鋯石，褐鐵礦、金紅石、黃鐵礦等組成(圖2－C1～C3)。

3.2 主量元素

從表1和圖3－A中可以看出，奈恩(Nairn)變質(zhì)輝長巖中的SiO2、Al2O3、CaO、Na2O、K2O平均含量明顯高于礦化輝長巖中對應(yīng)的主量元素平均含量，而礦化輝長巖中的Fe2O3+FeO平均含量明顯高于前者，這主要與礦化輝長巖中含有大量的金屬硫化物有關(guān)。從圖3－B中可以看出，奈恩(Nairn)礦化角礫巖與本區(qū)石英雜砂巖中的 SiO2、Al2O3、FeO、MgO、TiO2的平均含量基本一致，表明礦化角礫巖的原巖應(yīng)主要為石英雜砂巖。同時，礦化角礫巖中的Fe2O3、Na2O平均含量高于石英雜砂巖，而CaO和K2O的平均含量低于后者，這主要與角礫巖礦化蝕變有關(guān)。

續(xù)表

3.3 不相容元素

采用原始地幔(Sun et al.，1989)對本區(qū)不同巖(礦)石進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化配分(圖4)，從圖4可看出，不同巖(礦)石中不相容元素分異明顯，具有相似的變化趨勢。除S6樣品外，其余樣品均具有富集Th－Zr－Hf而相對虧損Nb－Ta等高場強元素，富集Rb－UPb而相對虧損Ba－P－Ti等大離子親石元素。S6樣品之所以有別于其它樣品主要與其強烈的硅化有關(guān)。

3.4 稀土元素

圖3 不同巖(礦)石中平均主量元素含量變化曲線圖Fig.3 Diagrams showing variation of averaged major elements for different rocks(ores)in the Nairn deposit

圖4 不同巖(礦)石中不相容元素原始地幔配分蜘蛛圖Fig.4 Spider diagrams of incompatible elements normalized by primitive mantle for different rocks(ores)in the Nairn deposit

采用球粒隕石(王中剛等，1989)為標(biāo)準(zhǔn)對本區(qū)不同礦體礦石作稀土配分曲線土圖(圖5)。從稀土元素的特征來看(表1，圖5)，本區(qū)不同類型巖(礦)石中的稀土元素特征具有一定的相似性，均相對富集輕稀土，輕稀土元素分餾程度明顯而重稀土元素分餾程度不明顯;鈰異常不明顯，而銪異常變化較大，總體上表現(xiàn)為負(fù)異常，表明本區(qū)的成礦物質(zhì)來源具有一定的相似性。

3.5 共伴生組分

從圖6中可以看出，奈恩(Nairn)礦區(qū)Cu－Ni礦石中Ni、Cu的平均含量分別為4093×10－6和3551× 10－6，薩德伯里(Sudbury)礦床中的銅鎳礦石中Ni、Cu的平均含量分別為6969×10－6和21287×10－6，同時兩者Co、V、Cr、Zn的平均含量多大于100×10－6;奈恩(Nairn)礦區(qū)礦化石英角礫巖Ni、Cu的平均含量分別為171×10－6和10353×10－6，Co、Cr、Zn的平均含量多大于100×10－6;薩德伯里(Sudbury)礦床礦化石英角礫巖Ni、Cu的平均含量分別為1017×10－6和6976×10－6，僅有Cr含量大于100×10－6。上述特征表明與輝長巖有關(guān)的礦石Ni、Cu等元素的含量都較高，而與石英角礫巖有關(guān)的礦石中Ni含量相對較低，反映出兩者成礦過程中存在一定的差異。

4 討論

4.1 成礦物質(zhì)來源

研究表明(Ames et al，2007)，薩德伯里地區(qū)先后經(jīng)歷的構(gòu)造熱事件主要有:Blezardian造山運動時的尼普森(Nipissing)輝長巖漿侵入(～2.22 Ga)、Penokean造山運動時隕石撞擊 (1.85Ga)、Mazatzal/ Yavapai造山運動 Eden/Cutler巖漿侵入(～1.75 Ga)、格林威爾(Grenville)造山期輝綠巖株侵入(0.59Ga)。薩德伯里銅鎳礦的形成主要與18.50億年前的隕石撞擊有關(guān)，共形成超過77個Ni－Cu－鉑族礦床，總礦石量達(dá)1500百萬噸，Ni和Cu平均品位均為1%，Pt+Pd含量達(dá)1g/t。這些礦床根據(jù)其相互關(guān)聯(lián)的生成環(huán)境，可劃分為三種主要的礦床類型:接觸帶礦床、巖枝礦床(OffSet)礦床和下盤礦床(footwall deposit)，成礦的最大深度超過2000多米。

圖6 不同礦石類型中主要有用元素平均含量變化曲線圖Fig.6 Diagrams showing variation of the main useful metal elements for different ores in the Nairn deposit

奈恩地區(qū)位于薩德伯里礦集區(qū)外圍西南方向約50 km，區(qū)內(nèi)出露的巖漿巖主要為2.22Ga形成的北東向尼普森(Nipissing)輝長巖墻 (Ames et al， 2007)，從奈恩礦區(qū)野外地表考查結(jié)果來看，礦區(qū)內(nèi)存在兩種礦化類型，一種是與蝕變輝長巖有關(guān)的鎳、銅礦化，礦化呈稀疏浸染狀和稠密浸染狀分布，金屬礦物主要有磁黃鐵礦、黃鐵礦、鎳黃鐵礦、黃銅礦，以及少量的鈦磁鐵礦、榍石等。另外一種是與蝕變石英雜砂巖有關(guān)的銅礦化。從本區(qū)不同類型巖(礦)石樣品中的微量元素地球化學(xué)來看，含礦蝕變輝長巖與含礦蝕變石英雜砂巖中多數(shù)樣品富集Th－Zr－Hf而相對虧損Nb－Ta等高場強元素，富集Rb－U－Pb而相對虧損Ba－P－Ti等大離子親石元素;稀土元素均相對富集輕稀土，輕稀土元素分餾程度明顯而重稀土元素分餾程度不明顯;鈰異常不明顯，而銪異常變化較大，總體上表現(xiàn)為負(fù)異常。上述特征表明奈恩地區(qū)與蝕變輝長巖有關(guān)的鎳、銅礦化和與蝕變石英雜砂巖有關(guān)的銅礦化，兩者可能來源于同一物源，都與Blezardian造山期尼普森(Nipissing)輝長巖漿的侵入及其后的結(jié)晶分異作用有關(guān)，早期的高溫銅鎳硫化物隨輝長巖中硅酸鹽礦物的結(jié)晶而后生成，晚期的含礦熱液沿構(gòu)造產(chǎn)生的斷層破碎帶遷移并最終充填在構(gòu)造裂隙中。

從奈恩地區(qū)與薩德伯里鎳銅礦石的地球化學(xué)特征來看，兩者主量元素、微量元素和稀土元素的含量變化曲線較為相近，表明它們的成礦物質(zhì)來源基本相同，都與基性巖漿作用有關(guān)。同時，從本區(qū)主要構(gòu)造熱事件和時空關(guān)系來看，薩德伯里后期的隕石撞擊事件所引發(fā)的巨大構(gòu)造巖漿作用對奈恩地區(qū)與早期尼普森(Nipissing)輝長巖有關(guān)的礦化具有一定的改造和疊加成礦作用。

4.2 找礦方向及靶區(qū)定位

在已知老礦山深部及外圍找礦工作已成為各國地勘工作者的共識，王京彬等通過對我國二輪找礦實踐中提出了礦山整體勘查的新思路，其中外圍尋找新類型、新礦種則是一項重要內(nèi)容(王京彬等，2006)。Reimold等認(rèn)為世界上很多巨大的隕石撞擊構(gòu)造都具有礦產(chǎn)資源或具有重要經(jīng)濟(jì)資源的潛力，一般在5～10 km直徑范圍內(nèi)的撞擊構(gòu)造范圍可作為潛在的重要經(jīng)濟(jì)礦產(chǎn)資源的找礦靶區(qū)(Reimold et al，2005)。

在薩德伯里地區(qū)，巖枝型礦床(offset)主要賦存在放射狀或同軸狀的“石英閃長巖”巖枝中，這些巖枝代表了撞擊熔融物冷卻后的早期階段，目前在距薩德伯里火成雜巖(SIC)最遠(yuǎn)超過7公里的沃辛頓(Worthington)巖枝中已發(fā)現(xiàn)具有經(jīng)濟(jì)價值的托騰(Totten)礦床(Ames et al，2007)。所以，在靠近薩德伯里的外圍地區(qū)，尋找?guī)r枝型礦床將是值得注意的重要找礦方向。

近些年隨著薩德伯里外圍勘查范圍的不斷擴大，加拿大大熊星座大礦業(yè)(Ursa Major)公司在奈恩(Nairn)礦區(qū)西部新發(fā)現(xiàn)了與尼普森巖墻有關(guān)的莎士比亞銅－鎳－鉑族礦床，該礦床主要產(chǎn)于尼普森鎂鐵質(zhì)侵入巖與米西薩吉(Mississagi)組石英巖的接觸帶(MICON，2006)。上述信息表明，與莎士比亞銅－鎳－鉑族礦床處于同一構(gòu)造背景和成礦條件之下的奈恩地區(qū)同樣具有進(jìn)一步的找礦潛力。湯中立在研究金川銅鎳礦時，把這種與鐵質(zhì)超基性巖墻有關(guān)的巖漿熔離型硫化銅鎳礦床按照成礦作用的不同劃分熔離型底部礦床，熔離型上部礦體，貫入式礦體和接觸式礦體(湯中立，1982)。奈恩礦區(qū)的成礦類型顯然具有接觸式礦體的特征，兩種礦化露頭都靠近輝長巖墻與上伏圍巖的接觸部位，所以參照莎士比亞礦床的成礦模式，在奈恩礦區(qū)輝長巖墻與上伏圍巖的接觸部位，特別是構(gòu)造發(fā)育或相互交匯處將為最有利的成礦部位。

5 結(jié)論

(1)本區(qū)礦化類型可劃分為兩種類型:一種為產(chǎn)于輝長巖中的銅鎳礦化，另一種為產(chǎn)于石英角礫巖中的銅礦化;兩種礦石類型具有相似的地球化學(xué)特征，表明銅鎳礦化和銅礦化為同一物源;

(2)兩種礦化類型主要與中－基性巖漿的結(jié)晶分異作用有關(guān)，早期的高溫銅鎳硫化物隨輝長巖中硅酸鹽礦物的結(jié)晶而后生成，晚期的含礦熱液沿構(gòu)造產(chǎn)生的斷層破碎帶遷移并最終充填在構(gòu)造裂隙中。

(3)從奈恩礦區(qū)成礦特征來看，本區(qū)輝長巖墻與上伏圍巖的接觸部位，特別是構(gòu)造發(fā)育或相互交匯處將為最有利的成礦部位。

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