塔里木板塊東北部坡十侵入體鉑族元素地球化學(xué)特征及成礦作用

夏明哲，趙獻(xiàn)軍，宋艷芳，郭娜欣，夏昭德，姜常義

(1.長安大學(xué)地球科學(xué)與國土資源學(xué)院，陜西西安 710054;2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710054;3.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局第六地質(zhì)大隊(duì)，新疆哈密 839000)

塔里木板塊東北部分布有較大面積的鎂鐵－超鎂鐵質(zhì)巖帶，西起羅布泊東側(cè)坡北巖體，向東延續(xù)至甘肅省西部柳園鎮(zhèn)以東地區(qū)。該帶巖體眾多，且規(guī)模相差懸殊。坡北巖體是出露面積最大的單個(gè)巖體，約200km2。其中，巖體中晚期侵入的、以超鎂鐵質(zhì)巖石為主體的小型侵入體賦存鎳銅硫化物礦床，例如坡一、坡十侵入體。近年來，一些學(xué)者對(duì)坡北巖體形成時(shí)代、巖漿演化過程、地幔動(dòng)力學(xué)機(jī)制以及成礦前景等方面進(jìn)行了探討。姜常義等(2006)獲得坡北巖體中輝長巖鋯石U－Pb諧和年齡為(274±4)Ma，論證其原生巖漿應(yīng)該是相對(duì)富鎂的拉斑玄武巖漿，部分熔融作用發(fā)生在尖晶石穩(wěn)定域內(nèi)，巖漿演化過程中發(fā)生了顯著的同化混染作用。李鴻儒等(1994)和高懷忠(1992)認(rèn)為坡北巖體的形成與深大斷裂活動(dòng)有關(guān)，是幔源巖漿多期次侵入的結(jié)果，晚期侵入的小巖體具有形成銅鎳硫化物礦床的良好前景。頡煒等(2011)認(rèn)為坡十侵入體地球化學(xué)特征與島弧火山巖以及阿拉斯加型雜巖體相似。也有一些學(xué)者認(rèn)為，這些鎂鐵－超鎂鐵質(zhì)巖體與地幔柱作用密切相關(guān)(毛景文等，2006;Pirajno et al.，2007;Qin et al.，2011;姜常義等，2012)。綜合以上研究成果，對(duì)坡北巖體中晚期小侵入體(例如坡一和坡十)巖漿演化過程與成礦作用的研究較少。因此，本文試圖通過對(duì)巖/礦石鉑族元素地球化學(xué)特征的研究來探討坡北巖體內(nèi)坡十侵入體的原生巖漿性質(zhì)和成礦作用過程，為研究區(qū)鎳銅硫化物礦床的勘查評(píng)價(jià)工作提供理論指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

坡北巖體位于塔里木板塊東北部(圖1a)，巖體形態(tài)受白地洼－淤泥河大斷裂控制，平面上呈相互聯(lián)通的巖盆狀，長軸方向與區(qū)域斷裂帶方向一致，巖體北部被該斷裂切割(圖1b)。圍巖主體為長城系古硐井巖群，還有少量的石炭系。其中，長城系古硐井巖群主要巖性為黑云母片巖、二云母片巖、大理巖、石英巖、石英片巖，變質(zhì)級(jí)達(dá)高綠片巖相至低角閃巖相。石炭系僅在局部以殘留頂蓋形式存在，原巖巖性為生物碎屑灰?guī)r，含大量海百合莖。由于熱接觸變質(zhì)作用，已變?yōu)榇至４罄韼r。除上述變質(zhì)地層和沉積地層外，巖體的圍巖中還有片麻狀花崗巖，此種花崗巖侵入于長城系古硐井巖群，普遍具有片麻狀構(gòu)造，表明它們已經(jīng)受了區(qū)域變質(zhì)改造，應(yīng)屬元古代。

圖1 坡北巖體區(qū)域地質(zhì)圖(圖1a和1b)及坡十侵入體平面圖(圖1c)Fig.1 Regional geological map of the Pobei rock mass(1a and 1b)and plane view of the Poshi ultramafic intrusion with sampling drill-core locations(1c)

坡北巖體由五個(gè)階段的侵入體構(gòu)成。第一階段形成鎂鐵質(zhì)層狀巖系，構(gòu)成巖體的主體。其底部為紋層狀橄欖輝長蘇長巖，中部為粗粒輝長巖，上部為淡色輝長巖、斜長巖，局部有石英閃長巖。第二階段形成非層狀橄欖輝長蘇長巖，與鎂鐵質(zhì)層狀巖系呈侵入接觸關(guān)系。第三階段形成以超鎂鐵質(zhì)巖石為主的層狀巖系，構(gòu)成十幾個(gè)小侵入體，侵入到第一、二階段形成的侵入體中。坡一、坡十侵入體即形成于此階段;這兩個(gè)侵入體內(nèi)的橄欖巖相中含有以浸染狀構(gòu)造為主的鎳銅硫化物礦體。第四階段主要形成斜長巖、淡色輝長巖和少量的細(xì)粒輝長巖，呈巖枝、巖脈狀侵入于前三個(gè)階段的侵入體中。第五階段包括幔源巖漿分異形成的石英閃長玢巖和殼源鉀長花崗巖枝、巖脈。坡十侵入體平面形態(tài)近似橢圓形，東西長約2km，南北寬約1.6km，出露面積約3.2km2(圖1c)。圍巖是第一次巖漿活動(dòng)階段形成的具有輝長結(jié)構(gòu)的粗粒輝長巖，二者之間為侵入接觸關(guān)系。在地貌上，超鎂鐵巖分布區(qū)呈負(fù)地形，大部分被第四紀(jì)覆蓋，周圍的輝長巖是正地形，局部可見古硐井巖群和石炭系大理巖殘留頂蓋。此外，侵入體內(nèi)部多見圍巖頂垂體，主要巖性為大理巖、黑云母片巖、石英巖、片麻狀花崗巖等。李華芹等(2009)和 Qin et al(2011)分別獲得坡十侵入體輝長巖的鋯石UPb諧和年齡為289±13Ma、284±2.2Ma。

2 巖石、礦石特征

本文主要采集了坡十侵入體中的ZK1－2鉆孔巖石、礦石樣品(分選硫化物)，進(jìn)行巖石學(xué)、礦相學(xué)以及PGE地球化學(xué)分析。根據(jù)巖石天然礦物組成(modal)按照IUGS火成巖分類學(xué)分委會(huì)推薦的分類方案(1991)。ZK1－2鉆孔中的主要巖石類型有:純橄巖、二輝橄欖巖、含長二輝橄欖巖、橄欖二輝巖、正堆晶輝長巖(圖2)。它們最主要的結(jié)構(gòu)類型為正堆晶結(jié)構(gòu)，還有包橄結(jié)構(gòu)、反應(yīng)邊結(jié)構(gòu)等。在橄欖巖相中，橄欖石全部為堆晶相;斜方輝石既可是堆晶相，也可是填隙相;單斜輝石、褐色普通角閃石和黑云母基本是填隙相。輝石巖相的堆晶相以斜方輝石為主，局部也可以是單斜輝石(圖3a，b)。輝長巖相中，單斜輝石成堆晶相，斜長石為填隙相?？傮w上，巖石蝕變較強(qiáng)，堆晶相橄欖石和斜方輝石二者多已強(qiáng)烈蛇紋石化、滑石化，在蝕變過程中析出大量粉塵狀磁鐵礦，后經(jīng)氧化作用轉(zhuǎn)化為褐鐵礦。填隙相單斜輝石呈細(xì)小它形粒狀，已強(qiáng)烈透閃石化、綠泥石化。常見副礦物有尖晶石、榍石及磷灰石。

坡十侵入體中已發(fā)現(xiàn)多個(gè)礦(化)體，呈似層狀產(chǎn)出。礦石鎳品位一般0.2% ～0.6%，局部較富，鎳品位達(dá)0.96%。主要的含礦巖石為橄欖巖相。礦石中主要的金屬硫化物礦物有鎳黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦，還有少量輝銅礦、斑銅礦、馬其諾礦、紅砷鎳礦。礦石具有自形－半自形粒狀結(jié)構(gòu)，局部具隕鐵結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造以星散浸染狀－稀疏浸染狀為主，局部具稠密浸染狀構(gòu)造(圖3c，d)。

3 分析方法

鉑族元素測(cè)試分析在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素與年代學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。硫化物和巖石樣品PGE含量采用同位素稀釋－電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ID-ICPMS)測(cè)定。主要流程為:(1)Carius管溶樣法分解巖石樣品中富集鉑族元素的礦物;(2)四氯化碳萃取法分離出 Os;(3)微蒸餾法進(jìn)一步純化Os;(4)陽離子交換樹脂法將鉑族元素(Pt、Pd、Ir和 Ru)以及Re與主要的基體陽離子分離;(5)利用“鉭試劑”螯合樹脂將干擾元素(Zr、Hf、Mo和 W 等)分離。鉑族元素 (Pt、Pd、Ir和 Ru)和Os的含量采用同位素稀釋－電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ID-ICPMS)測(cè)定。具體的實(shí)驗(yàn)條件和步驟參見文獻(xiàn)(李杰等，2011)。

圖2 坡十侵入體ZK1－2鉆孔柱狀圖及采樣位置Fig.2 Column of the drill hole ZK1－2 and sampling location in the Poshi intrusion

圖3 坡十侵入體主要造巖礦物及硫化物特征Fig.3 The features of rock-forming minerals and sulfide in the Poshi intrusion

4 鉑族元素地球化學(xué)特征

本文主要選擇巖石及從浸染狀礦石中分離出的硫化物進(jìn)行PGE測(cè)試。礦石中分離出的硫化物主要以鎳黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦為主。巖石和硫化物的PGE含量見表1。其中，巖石中∑PGE豐度很低，介于0.34×10－9～11.94 ×10－9之間，平均 5.07×10－9，遠(yuǎn)低于原始地幔的∑PGE 值(23.5 ×10－9;McDonough and Sun，1995)。巖石中純橄巖PGE含量為11.94×10－9;二輝橄欖巖PGE含量為7.22×10－9～7.69×10－9;斜長二輝橄欖巖 PGE含量為2.32×10－9;橄欖二輝巖 PGE 含量為0.93×10－9;正堆晶輝長巖PGE含量分別為為0.34×10－9，整體上顯示巖石PGE含量隨巖石基性程度降低而變小。

從浸染狀礦石中分離的硫化物中PGE含量為52.69×10－9～480.42 ×10－9，平均248.02 ×10－9，明顯高于巖石中的PGE含量，比金川礦床礦石的PGE含量平均值3248×10－9低一個(gè)數(shù)量級(jí)，比俄羅斯Noril’sk-Talnakh礦床礦石PGE含量平均值82209×10－9低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解上，巖石和礦石中硫化物具有基本相似的PGE配分模式，均具有PGE平坦，PPGE和IPGE分異弱的特征。兩件巖石和硫化物樣品有弱的Ru正異常(圖4)。

圖4 巖石和硫化物原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化PGE配分曲線圖Fig.4 Primitive mantle-normalized PGE patterns of rocks and sulphide

表1 坡十侵入體鉑族元素分析數(shù)據(jù)Table1 Concentrations of PGE in rocks and ores of Poshi intrusion

5 討論

5.1 熱液作用

坡十侵入體巖石的Pd/Ir比值為2.47～14.1，平均值為6.97。硫化物Ir含量為1.73×10－9～6.2×10－9，平均值為4.61 ×10－9;Pd/Ir比值為 3.71 ～21.94，平均值為14.21。通常情況下熱液硫化物礦床具有極低的Ir含量和高的Pd/Ir比值(Pd/Ir比值一般大于100)，而巖漿硫化物礦床則具有相對(duì)高的Ir含量和低的Pd/Ir值(Keays et al.，1995;Maier et al.，1996)，這是由于Pd和Ir在熱液蝕變過程中發(fā)生分餾所致(Barnes et al.，1985)。因此，坡十侵入體巖石及硫化物較高的Ir含量和較低的Pd/Ir值表明巖漿成礦過程中熱液作用對(duì)PGE含量的影響很小。在圖5上，Ir與Ru、Pt、Pd均為正相關(guān)，進(jìn)一步證明硫化物形成于巖漿階段。

5.2 原生巖漿與深部硫化物的熔離

一般認(rèn)為，與鎂鐵－超鎂鐵質(zhì)巖漿有關(guān)的銅鎳硫化物礦床的原生巖漿是成礦作用的關(guān)鍵。親銅元素(Cu、Ni、PGE)豐度基本不會(huì)受到陸殼同化混染和分離結(jié)晶作用的影響，所以它們的豐度比值可以用來討論原生巖漿的性質(zhì)。PGE主要賦存在地幔橄欖巖的硫化物中(Barnes et al.，1985;Shirey and Walker et al.，1998)。在地幔熔融過程中，Os，Ir，Ru和Ni是相容的，而Rh，Pt，Pd和Cu是不相容的。因此，不同程度的部分熔融可以導(dǎo)致Pd/Ir和Ni/Cu的分異，高度部分熔融形成的科馬提巖具有高的Ir含量，低的Pd/Ir和高的Ni/Cu比值(Barnes et al.，1999)，例如 Kambalda礦床(Ni/Cu=13;Lesher et al.，1984)。較低部分熔融形成的玄武巖具有低的Ir含量，高的Pd/Ir和低的Ni/Cu比值，例如Duluth 礦床(Ni/Cu=0.3;Naldrett，2004)。坡十侵入體具有中等的 Ni/Cu(2.39～12.5，平均6.75)和Pd/Ir(2.5～21.9，平均9.38)比值，在 Ni/Cu-Pd/Ir圖解中，巖石和硫化物樣品全部都落入高鎂玄武巖區(qū)，表明其原生巖漿來自中等程度熔融的高鎂玄武質(zhì)巖漿(圖6)。坡十侵入體巖石和硫化物相似的PGE 配分模式，Ir與 Pd、Pt、Ru以及 Pt與 Pd的顯著相關(guān)性特征，表明它們是同源巖漿演化的產(chǎn)物。PGE元素高度親硫，它們的組成特征主要受到硫化物的控制。硫過飽和的巖漿會(huì)發(fā)生硫化物的熔離作用，使得PGE特別是Os、Ir、Pt和Pd的豐度隨著硫化物的熔離而大大降低，從而影響殘余巖漿中PGE的含量和分布特征。通常，Pd在硫化物/硅酸鹽熔體中的分配系數(shù)為20000，遠(yuǎn)大于Cu的分配系數(shù)1000(Francis，1990)，因此若早期巖漿經(jīng)歷過 S飽和，硫化物熔離過程將使Pd相對(duì)于Cu更多被帶走，使得剩余巖漿中Cu/Pd值將明顯增高，并高于相應(yīng)的原始地幔值。坡十侵入體巖石的Cu/Pd值30829.6～661888.9(平均297292.9)，硫化物 Cu/Pd值190836～1072155(平均488355.6)，二者都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原始地幔的Cu/Pd比值(7690)(McDonough and Sun，1995)，表明原始巖漿在早期演化過程中曾發(fā)生過深部硫化物熔離作用。

圖5 坡十侵入體巖石及硫化物中Ir與Pd、Pt、Ru和Pd與Pt相關(guān)圖Fig.5 Diagrams of Ir vs.Pd，Pt，Ru and Pd vs.Pt in rocks and sulphide

圖6 坡十侵入體巖石Ni/Cu-Pd/Ir關(guān)系圖(據(jù) Barnes et al.，1988)Fig.6 Diagram of Ni/Cu vs.Pd/Ir in the Poshi intrusion(after Barnes et al.，1988)

坡十侵入體的巖漿源自虧損的地幔源區(qū)(頡煒等，2011)，原生巖漿為高鎂玄武巖漿。假設(shè)原始巖漿為類似于大陸拉斑玄武巖的PGE不虧損的原始玄武質(zhì)巖漿，其含有 4.3 ×10－9的 Pt，4.7 ×10－9的Pd，0.1 × 10－9的 Ir和 90 ×10－6的 Cu(Brügmann et al.，1993;Fryer and Greenough，1995)。PGE 元素在硫化物熔體/硅酸鹽熔體中的分配系數(shù)分別為D(Ir)=51000，D(Ru)=7000，D(Pt)=16500，D(Pd)=20000(Crocket et al.，1997)，以及 Cu 為 1000(Francis，1990)。根據(jù)硫化物中 Cu平均值(18438.67 ×10－6)，利用 Campbell and Naldrett(1979)提出的公式)，其中是元素i在硫化物熔體中的濃度是元素i在硅酸鹽熔體中的濃度;Di是元素i在硫化物熔體/硅酸鹽熔體中的分配系數(shù);R是硅酸鹽熔體與硫化物熔體間的質(zhì)量比，可以求出坡十侵入體的R因子值為256，以此R值可以推算出形成巖體的母巖漿中PGE及Cu含量分別為:Pt為0.22×10－9，Pd為0.41 ×10－9，Ir為 0.06 ×10－9，Cu 為 90×10－6。與上述假定的PGE不虧損大陸拉斑玄武巖的原始巖漿相比，巖體母巖漿中的PGE明顯虧損。由此推斷，成礦母巖漿PGE虧損是造成巖體和硫化物PGE含量很低的主要原因。PGE不虧損的原生巖漿在上升的過程中發(fā)生早期硫化物深部熔離，因此造成了巖體母巖漿PGE虧損 。應(yīng)用瑞利方程)(式中為沒有發(fā)生硫化物熔離的原始巖漿中元素i的濃度;為經(jīng)過早期硫化物熔離后殘余巖漿中元素i的濃度;F為經(jīng)過早期硫化物熔離后殘余巖漿的量;Di為元素i在硫化物熔體/硅酸鹽熔體中的分配系數(shù))，利用元素Ir計(jì)算得到其發(fā)生了0.012%硫化物的熔離。據(jù)此推斷，原始巖漿在深部發(fā)生了硫化物熔離，導(dǎo)致成礦母巖漿虧損PGE，使得坡十侵入體巖、礦石的PGE含量總體偏低。

5.3 成礦作用

坡北巖體規(guī)模大，從質(zhì)量平衡角度看，有形成大型礦床的潛在物質(zhì)基礎(chǔ)。其中，坡十侵入體是以超鎂鐵質(zhì)巖石為主體的層狀巖體，巖漿分異充分，巖石蝕變較強(qiáng)。侵入體中常見有圍巖殘留頂蓋和頂垂體，表明巖體與圍巖之間同化混染作用較強(qiáng)，這些都有利于硫化物的形成、聚集以及硫化物與硅酸鹽的熔離?，F(xiàn)有鉆探資料顯示，鉆孔見礦化率高，礦石具有自形－半自形粒狀結(jié)構(gòu)，局部具隕鐵結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造以星散浸染狀－稀疏浸染狀為主，局部具稠密浸染狀構(gòu)造。在個(gè)別鉆孔中見有以黃銅礦為主的塊狀礦脈。由于礦石類型主體屬浸染狀礦石，海綿隕鐵狀和塊狀礦石少，因而，目前圈定的礦體基本屬貧礦。但從目前所見礦體在侵入體中賦存的部位、礦石類型和礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造分析，現(xiàn)階段的勘查深度主要限于侵入體的中上部，所評(píng)價(jià)的主要是上懸礦體，這些礦體應(yīng)是含有少量硫化物的巖漿侵位后分異的產(chǎn)物。在一些鉆孔中見到的呈脈狀貫入的塊狀礦石，含有大量的黃銅礦，應(yīng)該是巖漿期后熱液階段的產(chǎn)物。這暗示巖體中有熱液階段的富礦存在。通常，在浸染狀礦石和熱液階段礦石的形成過程之間應(yīng)當(dāng)有海綿隕鐵狀礦石和巖漿階段形成的塊狀礦石。按照世界上層狀巖體的一般規(guī)律，海綿隕鐵狀礦石、巖漿階段形成的塊狀礦石和熱液階段形成的富礦，主要分布在巖體的下部和邊部。也有一些礦體受巖體內(nèi)部的構(gòu)造控制，塊狀礦石沿構(gòu)造帶呈脈狀產(chǎn)出。因此，以超鎂鐵質(zhì)為主的坡十侵入體，深部找礦潛力較大，我們要在系統(tǒng)礦床理論研究的基礎(chǔ)上，開展有效的物探工作，科學(xué)圈定、解譯異常，進(jìn)行必要的深部鉆探工作。

6 結(jié)論

坡十侵入體位于塔里木板塊東北部，是以超鎂鐵質(zhì)巖石為主的層狀巖體，賦存鎳銅硫化物礦床。鉆孔顯示主要巖石類型有:純橄巖、二輝橄欖巖、斜長二輝橄欖巖、橄欖二輝巖和正堆晶輝長巖。其中，二輝橄欖巖賦存多層硫化物礦體。PGE地球化學(xué)特征表明，原生巖漿為高鎂玄武質(zhì)巖漿，演化過程中深部發(fā)生了約0.012%硫化物熔離。綜合坡十侵入體的巖體特征、礦體賦存部位、礦石類型和礦石結(jié)構(gòu)/構(gòu)造綜合分析，侵入體深部找礦潛力大。

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