东天山路北铜镍钴硫化物矿床铂族元素地球化学特征及意义
李平 何蕾 梁婷 赵同阳 田江涛 李大海
摘 要：新发现的路北铜镍钴硫化物矿床位于东天山黄山-镜儿泉铜镍矿带西段，探明的镍金属量6.8×104 t（平均品位0.88%），铜3.9×104 t （平均品位0.50%），钴2 317 t（平均品位0.03%），矿床规模已达中型。路北岩体位于康古尔大断裂北侧，侵位于下石炭统小热泉子组凝灰质碎屑岩中，由早至晚依次为辉长岩、橄榄岩、辉石橄榄岩、橄榄辉石岩和闪长岩，其中橄榄辉石岩为最重要的含矿岩石。路北镁铁质岩石的铂族元素（PGE）含量偏低，∑PGE为3.21×10-9～45.13×10-9，平均14.96×10-9，IPGE（Os，Ir，Ru）略高于PPGE（Ru，Pt，Pd）含量。在原始地幔标准化图解上，岩石具相似的分布模式，PPGE和IPGE之间分异很弱。综合分析认为，形成路北铜镍钴矿床的母岩浆性质为后造山伸展环境下具交代岩石圈地幔特征的高镁玄武质岩浆，发生硫化物熔离的主要机制是下地壳物质的加入。
关键词：铂族元素;地球化学;铜镍钴硫化物矿床;路北;东天山
东天山位于中亚造山带（CAOB）南缘，有着优越的成矿条件，是我国铜镍资源的重要基地[1-2]。造山带中小型镁铁-超镁铁岩体成就大型铜镍矿是东天山铜镍矿成矿的显著特色之一，如沿黄山-康古尔断裂带上分布的图拉尔根、葫芦、黄山、香山、二红洼、土墩铜镍矿床，以岩体规模小、多阶段侵入、岩相分带清晰、成群成带出现为特点[1-2]，成矿时代主要集中在290～275 Ma[3-7]（图1）。目前，对于区内镁铁-超镁铁岩体的岩浆源区与构造背景的研究还存在争议，焦点主要集中在俯冲碰撞的交代地幔、碰撞后伸展的俯冲交代地幔或软流圈地幔及与塔里木地幔柱有关的地幔柱[4，6，8]。
路北铜镍钴硫化物矿床是2014年新疆地质调查院在东天山西段化探异常检查中新发现的[9]，该矿床探明镍金属量6.8×104 t，平均品位0.88%;铜金属量3.9×104 t，平均品位0.50%;钴2 317 t（平均品位0.03%）。前人就路北岩体特征、岩浆源区和成矿构造环境方面进行了研究[6，9-11]，但缺少对岩浆铜镍硫化物成矿机制的研究。2020年新疆地质调查院在矿区北部又取得较好的找矿成果，在现有勘查工作的基础上，系统研究构造岩浆演化和成矿作用过程，对于指导该区找矿具现实意义。本文拟在精细划分路北岩体岩相基础上，通过分析路北岩体中PGE含量，利用铂族元素特殊地球化学性质，示踪岩体母岩浆性质并反演成岩成矿作用，以期为揭示路北铜镍矿床母岩浆源区性质和硫化物熔离机制提供新的证据。
1 矿区地质
路北岩体位于康古尔断裂北侧，侵位于下石炭统小热泉子组的凝灰质碎屑岩中，平面上呈半环状展布，出露面积1.35 km2，由南北矿带两部分组成，南部为超基性-基性岩石组成，是富矿体的赋矿围岩，主要岩性为橄榄岩、辉石橄榄岩、橄榄辉石岩、辉石岩，外围及边部有少量辉长岩、闪长岩、石英闪长岩，地表长约2 000 m，宽400～800 m，平均500 m，面积约为0.89 km2;北部为基性岩石组成，是低品位矿体的赋矿围岩，主要岩性为辉长岩、角闪辉长岩及外围少量闪长岩（图2）。通过野外露头和钻孔岩心观察，结合空间分布、岩石组合和矿化蚀变特征，可将路北岩体由早至晚划分为5个岩相，依次为辉长岩相→橄榄岩相→辉石橄榄岩相→橄榄辉石岩相（最主要的赋矿岩石）→（石英）闪长岩相。各岩相特征详细介绍如下：
辉长岩相 赋矿岩石之一，包括辉长岩和角闪辉长岩。辉长岩分布于矿区南侧辉石岩边部，具弱铜镍矿化，主要形成了4～9号矿体。岩石以单斜辉石（约25%）、斜长石（约70%）为主，偶见橄榄石。单斜辉石呈短柱状，粒径0.1～0.24 mm，具阳起石化、绿泥石化;基性斜长石，粒径0.12～0.6 mm，具高岭土化。角闪辉长岩仅分布于矿区北部，主要形成了10～14号矿体。
橄榄岩相 分布于岩体最南侧，被闪长岩侵入， 由橄榄石（62%）、蛇纹石（25%）、方解石（10%）、磁铁矿（3%）组成，岩石具伊丁石化、蛇纹石化和碳酸盐化。橄榄石呈半自形粒状，粒径0.3～1 mm，矿物内部多网状裂纹，蛇纹石分布于橄榄石间。
辉石橄榄岩相 仅分布于路北岩体南侧，被闪长岩侵入，是赋矿岩石之一，主要形成了2号矿体。主要由橄榄石（约62%）、普通辉石（约15%）、蛇纹石（约15%）组成，岩石具蛇纹石化、滑石化。橄榄石呈自形和半自形粒状，粒径0.5～1.5 mm;普通辉石分布于橄榄石间，呈半自形柱状，粒径0.5～1mm;蛇纹石呈纤维状分布于橄榄石和辉石之间。
橄榄斜方辉石岩相 主要分布于矿区南部， 被晚期闪长岩侵入，局部零星出露，是最重要的赋矿岩石，形成了最大的1号矿体。岩石主要由橄榄石（约25%）、斜方辉石（约53%）组成，偶见橄榄石，辉石具纤闪石化、绿泥石化。橄榄石呈他形粒状，粒径（0.28±2.3） mm;斜方辉石呈柱状，粒径（0.24±3.2） mm。
闪长岩相 包括闪长岩和石英闪长岩，主要分布于杂岩体边部和底部，为最晚期侵入产物。岩石由斜长石（约75%）、角闪石（约15%）、石英（约10%）组成，微量黑云母、磁铁矿。斜长石呈自形板状，粒径0.4～2 mm，具轻度泥化，大致定向分布。角闪石具阳起石化，分布于斜长石之间。黑云母呈叶片状分布在斜长石之间。磁铁矿呈他形粒状分布在角闪石、斜长石之间。见有暗色捕掳体。
2 矿床地质特征
路北铜镍矿共查明14个矿体，其中南部1～4号矿体主要赋存于橄榄辉石巖中，中部5～9号矿体主要赋存于辉长岩中，北部10～14号5个矿体主要赋存于角闪辉长岩中（图2）。铜镍钴矿体呈层状、似层状（图3），向南倾斜，倾角14°～28°。其中，1号矿体是矿区最大的矿体，平面延伸800多米，深200多米，平均品位为镍1.05%，铜0.63%。
矿石矿物有镍黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿、紫硫镍矿及少量黄铁矿。其中，黄铜矿呈浸染状或脉状，多分布于磁黄铁矿、镍黄铁矿裂隙中。镍黄铁矿呈他形-半自形粒状，呈浸染状及微裂隙脉状分布，常与黄铜矿、磁黄铁矿共生。磁黄铁矿呈他形粒状，与镍黄铁矿呈连晶状产出，在微裂隙发育的磁黄铁矿中，常有微裂隙脉状黄铜矿充填。脉石矿物为橄榄石、辉石、角闪石、斜长石、云母，次生蚀变矿物有透闪石、纤闪石、滑石、绿泥石、蛇纹石。
3 测试方法及分析结果
PGE测试由国家地质测试中心完成，测试流程为：将0.07 mm（200目）待测样品与一定比例碳酸钠、硼酸钠、硼砂、玻璃粉、硫磺、面粉混合，倒入坩埚中，加入适量锇稀释剂，在1 150℃高温炉内熔融，把熔体倒入铁模中冷却后取出镏扣，用6 mol/L的盐酸溶解镏扣并滤出不溶物，在封闭溶样器中用王水溶解滤渣，用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定Os，Ir，Ru，Rh，Pt和Pd。ICP-MS测定精度RSD≤6.5，测试标样为GDP-3和GDP-4，测试仪器为等离子质谱仪（PE300D），检测方法依据GB/T17418.7-2010。岩石样品的Cu，Ni和S含量测试均在澳实分析检测（广州）有限公司采用ICP-MS完成（表1）。
路北铜镍矿石的Ir组元素含量为3.10×10-9～87.90×10-9，Pd组元素含量为19.01×10-9～39.70×10-9，∑PGE含量为44.72×10-9～137.28×10-9。镁铁质岩石的PGE含量较低（表1），Ir组（IPGE，包括OS，Ir，Ru）元素含量为0.75×10-9～3.10×10-9，Pd组（PPGE，包括Rh，Pt，Pd）元素含量为1.20×10-9～19.03×10-9，∑PGE含量为3.21×10-9～45.13×10-9，平均14.96×10-9，相对于原始地幔∑PGE（23.5×10-9）亏损[12]，与东天山典型矿床相比，略高于黄山东岩体中PGE含量（0.67×10-9～2.42×10-9，平均2×10-9）[13]，高于葫芦岩体中PGE含量（1.98×10-9～26.62×10-9，平均7.9×10-9）[3]，略高于土墩岩体中PGE含量（1.91×10-9～2.57×10-9）[14]。在原始地幔标准化PGE及Cu，Ni分布模式图上（图4），除1件块状矿石样品外具相似的左斜分布型式，呈Os-Ir右倾，Ir-Pt左倾，Pt-Pd平缓，Pt，Pd较Os，Ir，Ru和Rh富集，这与东天山地区典型铜镍矿超镁铁岩铂族元素的分布型式一致（如黄山东、黄山南、土墩、葫芦铜镍矿）。
4 讨论
4.1 热液蚀变对岩体PGE的影响
一般来说，镁铁-超镁铁岩中PGE的含量除受地幔源区成分及部分熔融程度控制外，在岩浆演化过程中主要受岩浆分离结晶、硫化物熔离及后期岩浆热液作用的影响[16-17]。通常情况下，热液硫化物矿床具极低的Ir含量和高的Pd/Ir比值，受热液交代作用影响的岩体Pd/Ir比值一般大于100，而岩浆硫化物矿床则具相对高的Ir含量和低的Pd/Ir值[18-19]，这是由于Pd和Ir在蚀变过程中发生分馏所致[16]。路北地表岩体具较强的伊丁石化蚀变，而深部岩体Pd/Ir比值为0.45～32.39，明显小于100，说明路北矿床受热液蚀变作用的强度不足以改变岩石和矿石的PGE组成，故该矿床的PGE亏损与热液作用无关。
4.2 母岩浆性质
经岩石圈地幔部分熔融程度越高的岩浆，其Ni/Cu比值小于地幔值，而Pd/Ir比值高于地幔值，在硫化物/硅酸盐岩浆体系中，硫化物熔体不混溶作用对残余岩浆的Ni/Cu比值和Pd/Ir比值影响不大。因此，可用Ni/Cu和Pd/Ir比值指示铜镍矿床的母岩浆性质[20]。路北铜镍矿床岩石的Ni/Cu和Pd/Ir比值均落在高镁玄武质岩浆范围内（图5）。Pt/（Pt+Pd）比值也可用于推测母岩浆性质，玄武质岩浆范围值为0.28～0.72，科马提质岩浆范围值为0.36～0.38[21]。路北岩体的Pt/（Pt+Pd）比值为0.44～0.73，表现出玄武质岩浆特点。
通过野外岩心样品观察，路北岩体与围岩接触带具热接触变质现象，晚期侵位的闪长岩中可见暗色捕掳体，表明其就位方式为岩浆热侵位方式，与构造就位的蛇绿岩套无关。目前，关于东天山铜镍成矿带镁铁-超镁铁质岩源区是否与塔里木大火成岩省有关成为焦点[8，22]。通常大火成岩省表现为相对集中的一段地质时期内（约几个 Ma）大规模幔源岩浆活动，主要包括溢流玄武岩和放射状基性岩墙群[23]，岩浆源区表现为相对“干”且低挥发分特征[24]。目前该地区未报道有大火成岩省有关特征的岩石组合，且路北岩体中普遍可见角闪石、黑云母等含水原生矿物，表明其源区岩浆是相对“湿”的。可见，路北岩浆源区不具有塔里木大火成岩省的岩浆源区特点。Chen et al对路北岩体开展Sr-Nd同位素源区示踪研究，获得路北岩体的εNd（t）值介于+4.01～+6.33（t=288 Ma），认为岩浆源区为交代岩石圈地幔[6]，但从空间分布和岩石组合等方面明显区别于俯冲背景下的阿拉斯加型岩体[25]。前人已经获得路北岩体最早侵位的辉长岩和最晚侵位的闪长岩锆石U-Pb年龄分别为（288±1.8） Ma、（281.2±1.5） Ma[6，26]，该时间段明显晚于东天山地区晚石炭世俯冲作用结束时间[27]。由于受早期俯冲板片流体的改造，许多造山后伸展环境中的岩浆也常显示弧岩浆特征[28]。由此可见，路北铜镍矿床的母岩浆性质为后造山伸展环境下，交代岩石圈地幔部分熔融形成的高镁玄武质岩浆。
4.3 硫化物熔离机制
PGE具极高的硫化物熔体与硅酸盐熔体的分配系数（20 000），远大于Cu的分配系数1 000[29]。因此，岩浆演化过程中发生S饱和，熔浆中的Pd比Cu更易被大量带走而导致熔浆Cu/Pd比值大幅升高，即发生了硫化物熔离作用的岩浆及产物中的Cu/Pd比值应大于相应的原始地幔值。路北岩体中的Cu/Pd（98.64×103～1 518.27×103）远远大于相应的原始地幔中Cu/Pd值（6.5×103）[19]，表明路北矿床的母岩浆可能在深部发生过硫化物的熔离。PPGE与相容元素（Cr）和不相容元素（Y）比值的关系进一步证明了上述推测，即Pd/Cr和Pt/Y比值同时降低，而Pd/Pt比值不變（图6-a， b），主要是硫化物发生熔离作用而导致的[17]。此外，路北岩矿石中Pd/Pt比值变化较小，介于0.37～1.26，平均0.98，均小于Voisey"s Bay 矿床的Pd/Pt比值（1.90）[30]，表明路北硫化物矿石形成于单一的硫化物饱和事件 [31]。
巖浆达到硫饱和而触发硫化物熔离机制的因素包括温度降低、压力升高、岩浆的结晶分异、地壳混染[28，32]。通常情况下，岩浆沿通道上升过程是温度和压力降低的过程，但压力降低引发的硫溶解度升高程度远大于温度降低所引发的硫溶解度降低[28，33]。岩浆中硫的溶解度与FeO含量成正比，与SiO2含量成反比[34]，即橄榄石、辉石等矿物的结晶作用将引起岩浆中SiO2含量升高、FeO含量降低，从而降低岩浆中硫的溶解度。而Barnes and Lightfoot认为，科马提质玄武岩浆需经过40%的结晶分异才能达到硫饱和，即使岩浆中硫达到饱和[33]，也很难形成具有重要经济意义的矿床[28]。由此看来，地壳物质混染是形成硫化物矿床的关键因素。Chen et al.获得路北矿石δ34S（-0.3‰～+1.8‰），具地幔硫特征，与东天山黄山西（-0.2‰～+0.86‰）、黄山南（-0.4～+0.8‰）矿床一致[11，35，36]，基本可忽略地壳硫加入的影响。Chen et al.获得路北岩石的εNd（288Ma）（ +4.01～+6.33）、（87Sr/86Sr）（0.703 33～0.706 36） [11]，大致估算岩浆遭受了5%左右的下地壳物质混染，与东天山地区图拉尔根（小于5%）、黄山东（5～8%）、二红洼（小于5%）、黄山南（约5%）铜镍硫化物矿床的特征一致[37-40]。因此，我们认为岩浆温度降低、压力升高、岩浆的结晶分异及地壳硫加入的影响可基本忽略，路北铜镍钴矿床发生硫化物熔离的主要机制是下地壳物质的加入。
5 结论
（1） 路北铜镍矿床镁铁质岩石的PGE总量低，PPGE略高于IPGE含量;岩石具相似的PGE原始地幔标准化分布模式，Pd组和Ir组之间分异较弱。
（2） 路北铜镍矿床的母岩浆性质为后造山伸展环境下交代岩石圈地幔部分熔融形成的高镁玄武质岩浆。
（3） 路北铜镍钴矿床发生硫化物熔离的主要机制是下地壳物质的加入。
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