巖漿型銅鎳硫化物礦床研究進(jìn)展

劉城先，溫志宏，陳 佳，孟藝博，鄧承來(lái)，李霞鵬，孫 博，陸 旭，趙 云

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130021； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

0 引言

與鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)小巖體有關(guān)的巖漿型銅鎳礦床是賦存銅、鎳及鉑族元素的重要礦床類(lèi)型，分別占世界銅儲(chǔ)量的5.5%和世界鎳的60%以上[1]。我國(guó)的情況更為突出，鎳金屬儲(chǔ)量近86%，鉑90%以上，銅7.3%，均來(lái)源于巖漿銅鎳硫化物礦床[2-4]。在合金中加入鎳會(huì)在一個(gè)廣闊的溫度范圍內(nèi)增加合金的強(qiáng)度，提高合金的抗疲勞極限，以及增加耐腐蝕性[5]。鉑族元素具有熔點(diǎn)高、強(qiáng)度大、電熱性穩(wěn)定、抗電火花蝕耗性高、抗腐蝕性?xún)?yōu)良、高溫抗氧化性能強(qiáng)、催化活性良好等特點(diǎn)[6]。鎳和鉑族金屬的這些特有的屬性，使其被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)和尖端技術(shù)中，如制造燃?xì)鉁u輪、核反應(yīng)堆和高速飛行器等[5，7]。因此，無(wú)論是巖漿型銅鎳礦床成礦理論研究還是礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)，一直是學(xué)術(shù)界和礦業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)外主要關(guān)注產(chǎn)出在穩(wěn)定克拉通地區(qū)的鎂鐵—超鎂鐵巖體及其中賦存的銅鎳硫化物礦床，例如Noril’sk和金川銅鎳礦。而我國(guó)東天山地區(qū)的巖漿銅鎳硫化物礦床則產(chǎn)于中亞造山帶中。這類(lèi)礦床不僅經(jīng)濟(jì)意義巨大，而且其形成的構(gòu)造背景和成巖成礦作用等問(wèn)題頗受關(guān)注[8-13]。因此，這一系列含礦的鎂鐵—超鎂鐵巖體為我們理解成礦背景和豐富已有的成礦理論具有重要的意義。另一方面，對(duì)該類(lèi)礦床成礦理論的深入理解有助于更好地為找礦工作服務(wù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 巖漿銅鎳硫化物礦床的分類(lèi)

世界上最早對(duì)巖漿硫化物礦床的研究可追溯到19世紀(jì)50年代加拿大Sudbury礦床。國(guó)際地質(zhì)對(duì)比計(jì)劃(IGCP)161項(xiàng)工作組在Naldrett(1973)[14]分類(lèi)意見(jiàn)基礎(chǔ)上，將構(gòu)造環(huán)境和鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)容礦巖石的性質(zhì)作為分類(lèi)系統(tǒng)的兩個(gè)基礎(chǔ)，劃分礦床為3大類(lèi)：1)同火山型礦床；2)與在克拉通地區(qū)侵位的侵入巖體有關(guān)的礦床；3)與造山作用過(guò)程中侵位的鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)巖體有關(guān)的礦床。李文淵(1996)[15]在對(duì)中國(guó)巖漿銅鎳硫化物礦床總結(jié)研究基礎(chǔ)上，將中國(guó)巖漿銅鎳硫化物礦床分為大陸裂谷型和裂陷槽型。在此基礎(chǔ)上再根據(jù)巖體類(lèi)型劃分為不同的亞類(lèi)。湯中立(1995，2002)[2-3]針對(duì)超大型、大型巖漿硫化物礦床的分類(lèi)方案，將巖漿硫化物礦床分為4類(lèi)：1)元古宙與古隕石坑有關(guān)的蘇長(zhǎng)巖—輝長(zhǎng)巖型礦床；2)元古宙以后與大陸邊緣裂解有關(guān)的小侵入體礦床；3)顯生宙與大陸裂谷有關(guān)的相當(dāng)于溢流玄武巖的侵入體礦床；4)與太古宙綠巖帶與科馬提巖有關(guān)的礦床。Naldrett(2004)[16]對(duì)巖漿銅鎳硫化物礦床進(jìn)行新的分類(lèi)研究，劃分為科馬提巖型、溢流玄武巖型、鐵質(zhì)苦橄巖型、斜長(zhǎng)巖—花崗質(zhì)—拉斑玄武巖型、混合苦橄—拉斑玄武巖型和撞擊熔體型等6大類(lèi)。Naldrett(2010)[17]在上述6大類(lèi)的基礎(chǔ)上又增加了阿拉斯加型鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)巖相關(guān)的巖漿銅鎳硫化物礦床的分類(lèi)。但是新疆產(chǎn)在中亞造山帶南緣的一系列含礦的鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)的小巖體在此分類(lèi)中并未體現(xiàn)出來(lái)。

2 巖漿銅鎳硫化物礦床成巖成礦背景

全球主要的巖漿銅鎳礦產(chǎn)出的構(gòu)造環(huán)境，除了與隕石有關(guān)的Sudbury特例外，主要有3種：穩(wěn)定克拉通上的張裂帶或陸內(nèi)裂谷(如美國(guó)Duluth，Voisey’s Bay和我國(guó)金川)，地幔柱(如俄羅斯Noril’sk和我國(guó)峨眉山地區(qū))和增生弧(如美國(guó)阿拉斯加Duke巖體)[17-19]。其中，世界級(jí)的銅鎳礦主要與前兩種構(gòu)造環(huán)境相關(guān)。我國(guó)東天山發(fā)現(xiàn)的一系列晚古生代銅鎳礦，其產(chǎn)出在中亞造山帶，產(chǎn)出環(huán)境明顯不同于全球其他經(jīng)典的巖漿銅鎳礦區(qū)。一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)于克拉通內(nèi)部或其邊緣的礦床成巖成礦環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，而造山帶中的礦床的產(chǎn)出環(huán)境則較為動(dòng)蕩[20-21]。我國(guó)東天山地區(qū)巖漿銅鎳硫化物礦床不僅經(jīng)濟(jì)意義大，而且形成背景和成巖成礦作用問(wèn)題頗受關(guān)注[8-13]。劉德權(quán)(1983)[22]和Xiao et al.(2008)[23]研究認(rèn)為帶內(nèi)巖體屬阿拉斯加型鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)巖體，部分學(xué)者將這些含礦巖體理解為造山后巖石圈伸展產(chǎn)物[9-10]，也有一些學(xué)者認(rèn)為它們屬地幔柱成因[13-24]。在東天山地區(qū)發(fā)現(xiàn)圖拉爾根II和III號(hào)(～350 Ma)等形成于石炭紀(jì)的俯沖環(huán)境下的無(wú)明顯礦化的鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)巖體[25-27]。然而，四頂黑山巖體(367 Ma)[27]中發(fā)現(xiàn)了鎳黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦等形成銅鎳硫化物礦床十分有利的礦物相，預(yù)示著較好的成礦前景[28]。

3 巖漿銅鎳硫化物礦床成礦過(guò)程及控制因素

Barnes and Lightfoot(2005)[18]和Naldrett(2010)[17]分別系統(tǒng)總結(jié)了巖漿銅鎳硫化物礦床的成礦過(guò)程及控制因素。主要包括：1)原始巖漿的產(chǎn)生；2)原始巖漿由深部向淺部巖漿房運(yùn)移；3)母巖漿達(dá)到硫飽和，熔離出來(lái)的硫化物在局部位置聚集；4)硫化物不斷從母巖漿中“萃取”成礦金屬。一般來(lái)講，鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)原始巖漿的源自軟流圈或者巖石圈的部分熔融，地殼物質(zhì)的組分在原始巖漿上升過(guò)程中也會(huì)混入并在一定程度上改變?cè)紟r漿的成分。上地幔由98%的硅酸鹽礦物、2%的尖晶石、0.07%的硫化物和極少量的金屬合金(<0.05%)組成[29]。雖然Ni在硫化物和硅酸鹽熔體中的分配系數(shù)較大(257～1 300)[17]，但是硫化物在地幔中含量太少。Ni在橄欖石和硅酸鹽熔體中的分配系數(shù)中等(1.5～13)[18]，但是橄欖石在地幔中的含量達(dá)到70%，是控制Ni的主要礦物相。因此，初始母巖漿中的Ni含量主要取決于地幔橄欖巖的部分熔融程度。Cu和PGE對(duì)橄欖石來(lái)說(shuō)并不相容，所以主要受硫化物的控制。總而言之，高程度的地幔部分熔融更加有利于原始巖漿中富集成礦元素。

原始巖漿中富集的成礦元素充分地被運(yùn)移至淺部巖漿房過(guò)程是形成巖漿銅鎳硫化物礦床的重要因素。地殼處于松弛環(huán)境下地幔巖漿作用也同樣可以上侵到地殼淺部，如大陸裂解邊緣、造山帶后碰撞伸展環(huán)境等。形成銅鎳硫化物礦床最理想的環(huán)境被認(rèn)為是地幔柱和區(qū)域深大斷裂的耦合部位[18]。橄欖石的結(jié)晶和硫化物的熔離會(huì)導(dǎo)致成礦元素的消耗。尤其是鉑族元素在硫化物和硅酸鹽巖漿之間的分配系數(shù)很大(>10 000)[18]，即使少量的硫化物熔離也會(huì)導(dǎo)致大量的鉑族元素從巖漿系統(tǒng)中丟失。因此，原始巖漿/母巖漿在上升過(guò)程中始終處于硫的不飽和狀態(tài)是非常重要的。上升的原始巖漿/母巖漿在途徑地殼的過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致硫化物的熔離和硅酸鹽礦物的結(jié)晶。因此，原始巖漿/母巖漿迅速地通過(guò)下地殼，就位于上地殼的淺部巖漿房是成礦的有利條件。

進(jìn)入到淺部巖漿房的母巖漿達(dá)到飽和，硫化物熔體從巖漿中熔離出來(lái)并局部富集是巖漿銅鎳成礦的關(guān)鍵[18]。母巖漿成分變化可能由殼源物質(zhì)的混染和自身結(jié)晶分異等因素引起。同化混染會(huì)引起母巖漿溫度的顯著下降，但這種情況下即使發(fā)生硫化物的熔離，硫化物會(huì)與結(jié)晶的硅酸鹽礦物一起沉降在巖漿房的底部，可能難以形成富礦體[30]。母巖漿自身的結(jié)晶分異會(huì)導(dǎo)致巖漿中FeO含量降低，進(jìn)而引起硫化物熔離并富集成礦。Ni在橄欖石和輝石等硅酸鹽礦物與巖漿之間的分配系數(shù)較大，D橄欖石/巖漿=1.35～13.6[31]，D輝石/巖漿=2.6～4(http://earthref.org)，即使巖漿中硫最終達(dá)到飽和，也不能形成具有重要的礦床。而在淺部巖漿房中，硫溶解度受氧逸度、硫逸度影響明顯，而后兩者主要受控于巖漿中FeO含量[32]。地殼硫的加入對(duì)巖漿銅鎳硫化物成礦至關(guān)重要。

基于質(zhì)量平衡計(jì)算，賦存在小的鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)巖體中巖漿銅鎳硫化物礦床成礦的巖漿房一定是一個(gè)開(kāi)放的體系，當(dāng)新的巖漿注入時(shí)，硫化物乳珠沉降下來(lái)，而成礦元素虧損的巖漿隨著新巖漿的不斷補(bǔ)充而不斷被擠出，新形成的不含礦的巖體噴出地表[30]。從另一個(gè)方面講，熔離出來(lái)的硫化物可以與后期脈動(dòng)侵位的大量的硫不飽和的富含成礦元素的母巖漿進(jìn)行反應(yīng)，Ni、Cu和PGE在硫化物和硅酸鹽巖漿中的分配系數(shù)很大(DNi硫化物/巖漿=257～1 300；DCu硫化物/巖漿=80～1 670；DPGE硫化物/巖漿>10 000)[17-18]，強(qiáng)烈的趨向于進(jìn)入硫化物相。大量巖漿經(jīng)過(guò)的巖漿通道無(wú)疑是理想的成礦空間，例如俄羅斯Noril’sk，我國(guó)的金川和北疆的一系列銅鎳礦。賦存在科馬提巖熔巖中的Kambalda銅鎳礦床的形成被認(rèn)為是懸浮在熔巖流中的硫化物熔體與大量的巖漿反應(yīng)，導(dǎo)致大量成礦金屬富集[33]。

4 產(chǎn)于造山帶環(huán)境和穩(wěn)定克拉通地區(qū)巖漿銅鎳礦床對(duì)比：以我國(guó)東天山地區(qū)為例

世界級(jí)的巖漿銅鎳礦床一般產(chǎn)于穩(wěn)定克拉通上的張裂帶或陸內(nèi)裂谷，而造山帶環(huán)境下一般被認(rèn)為不利于形成巖漿銅鎳礦床，經(jīng)濟(jì)意義不大[17]。然而，近年來(lái)在我國(guó)東天山地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一系列巖漿銅鎳礦床(黃山東、黃山西和圖拉爾根等)。本文試圖對(duì)比這兩種環(huán)境下形成的巖漿銅鎳礦床的異同點(diǎn)，以期拋磚引玉，增進(jìn)人們對(duì)成礦理論的理解。

4.1 構(gòu)造的控制作用

世界上賦存在小巖體中的巖漿銅鎳礦床一般都鄰近深大斷裂，這種斷裂有時(shí)耦合于重要的地殼縫合帶。如產(chǎn)于穩(wěn)定克拉通上的張裂帶或陸內(nèi)裂谷的俄羅斯Noril’sk-Talnakh地區(qū)的鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)巖體均沿Noril’sk-Talnakh深斷裂帶分布；我國(guó)峨眉山大火成巖省的漿銅鎳礦床也分布在巖石圈伸展導(dǎo)致的深大斷裂附近；金川銅鎳礦形成于華北板塊的邊緣裂谷。類(lèi)似地，東天山地區(qū)的黃山東、黃山西、黃山南、葫蘆和圖拉爾根礦床均沿著康古爾—黃山深大斷裂帶分布；紅旗嶺礦床南緣發(fā)育輝發(fā)河深斷裂帶；喀拉通克礦床位于額爾齊斯北西向深斷裂帶南緣。因此，在穩(wěn)定的克拉通和造山帶環(huán)境下深大斷裂對(duì)巖漿銅鎳礦床均具有明顯的控制作用。

4.2 地幔柱作用

地幔柱活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模的溢流玄武巖和相關(guān)的侵入體的形成。地幔柱來(lái)源深、溫度高，可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨量的玄武巖，并被認(rèn)為是形成巖漿銅鎳礦床的有利條件[18]。俄羅斯Noril’sk礦床、加拿大的Voisey’s Bay、我國(guó)金川和我國(guó)峨眉山大火成巖省的一系列礦床均被認(rèn)為與地幔柱的活動(dòng)有關(guān)。雖然地幔柱的活動(dòng)為巖漿銅鎳礦床的形成提供了有利條件，但也并不是所有的地幔柱活動(dòng)均能產(chǎn)生強(qiáng)烈的成礦作用。雖然部分學(xué)者認(rèn)為我國(guó)東天山地區(qū)的一系列巖漿銅鎳礦床受塔里木大火成巖省的影響[1，20]，但是我國(guó)的塔里木大火成巖省范圍內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)該類(lèi)礦床。此外，大洋板內(nèi)的眾多大火成巖省也未發(fā)現(xiàn)巖漿銅鎳礦床[30]。因此，地幔柱活動(dòng)是形成銅鎳礦床的重要條件，并不具有因果關(guān)系。

4.3 巖漿性質(zhì)

在洋殼俯沖環(huán)境下形成的鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)巖體，俯沖板片流體往往加入到地幔源區(qū)，造成地幔源區(qū)富水、高氧逸度的特點(diǎn)，如位于加拿大的Mascot大型銅鎳-PGE礦[32]。由于早期俯沖板片流體的改造，許多產(chǎn)于造山后伸展環(huán)境中的巖漿也常顯示出島弧或者活動(dòng)大陸邊緣巖漿性質(zhì)[34-35]，如我國(guó)東天山的黃山東、黃山西和黃山南等礦床。而產(chǎn)于穩(wěn)定克拉通上的張裂帶或陸內(nèi)裂谷的鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)巖體，其巖漿源區(qū)一般較“干”、氧逸度也較低，如俄羅斯Noril’sk礦床、加拿大的Voisey’s Bay和我國(guó)金川。在地幔源區(qū)高氧逸度條件下，硫化物會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩猁}，硫溶解度迅速升高[36]，在巖石圈地幔部分熔融程度較低時(shí)，初始巖漿仍可富集大量成礦金屬[36]。在新疆東天山黃山地區(qū)的含礦的鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)巖體富含角閃石和黑云母等富水礦物。而在臨近的北山裂谷帶，雖然也發(fā)育大量的鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)巖體，但富水礦物很少或基本未見(jiàn)，巖體的含礦性也較差，暗示了巖漿源區(qū)富水對(duì)成礦的重要性。因此，造山帶環(huán)境甚至比克拉通環(huán)境形成的原始巖漿，在相同地幔部分熔融程度的情況下富集更多的成礦元素。

4.4 巖漿通道系統(tǒng)

產(chǎn)于穩(wěn)定克拉通上的張裂帶或陸內(nèi)裂谷的巖漿通道系統(tǒng)的規(guī)模一般比位于造山帶內(nèi)的巖漿通道系統(tǒng)的規(guī)模大[37]。規(guī)模較大的巖漿房?jī)?nèi)壓力的變化較為緩慢，而壓力對(duì)母巖漿中硫的溶解度影響很大，這可能會(huì)造成上述兩種環(huán)境中的巖漿演化和硫飽和機(jī)制有所差異[37]。很多世界級(jí)的巖漿銅鎳礦床產(chǎn)于穩(wěn)定克拉通上的張裂帶或陸內(nèi)裂谷內(nèi)，如俄羅斯Noril’sk礦床、加拿大的Voisey’s Bay和我國(guó)金川。而位于造山帶內(nèi)的礦床則規(guī)模較小。在最近的勘查工作中，在我國(guó)東昆侖造山帶中發(fā)現(xiàn)了形成于造山后伸展背景下的夏日哈木超大型Ni-Cu-Co礦床[35]，礦石量157百萬(wàn)t(品位0.65 wt.% Ni、0.14 wt.% Cu和0.013 wt.% Co)。這說(shuō)明造山帶環(huán)境下也具有形成世界級(jí)巖漿銅鎳礦床的潛力。我國(guó)東天山地區(qū)的一系列巖漿銅鎳礦床也構(gòu)成了我國(guó)第二大的Ni資源基地。

巖漿通道系統(tǒng)中大量巖漿參與成礦作用，特別是這些巖漿是連續(xù)補(bǔ)充的，不混溶的硫化物熔體與后續(xù)補(bǔ)充的巖漿持續(xù)反應(yīng)，是形成大規(guī)模、集中礦化的決定性因素[16，30]。因此，無(wú)論是產(chǎn)于穩(wěn)定克拉通上的張裂帶或陸內(nèi)裂谷的巖漿通道系統(tǒng)還是位于造山帶內(nèi)的巖漿通道系統(tǒng)，只要能夠?yàn)槠涮峁┻m宜的空間和圍巖條件(如富硫和還原性物質(zhì)的地層)，連續(xù)補(bǔ)充的母巖漿中的成礦元素能夠被不斷萃取出來(lái)，均具有形成超大型礦床的潛力。

5 結(jié)語(yǔ)

1)造山帶環(huán)境和穩(wěn)定克拉通環(huán)境均是形成巖漿銅鎳硫化物礦床的有利背景。

2)深大斷裂、地幔柱活動(dòng)、富含成礦元素的母巖漿和巖漿通道系統(tǒng)是形成巖漿銅鎳硫化物礦床的有利因素。

3)產(chǎn)于穩(wěn)定克拉通上的張裂帶或陸內(nèi)裂谷較“干”的原始巖漿性質(zhì)與造山帶環(huán)境下產(chǎn)生的富水、高氧逸度的原始巖漿有所差別。