金川超大型岩浆 Cu-Ni-PGE 矿床深部及外围找矿.pdf

1 金川超大型岩浆金川超大型岩浆 CuCu- -NiNi- -PGEPGE 矿床深部及外围找矿矿床深部及外围找矿 李文渊 张照伟 姜寒冰 谭文娟 中国地质调查局西安地质调查中心 陕西西安 710054 提要提要金川深部和外围找矿是世界矿业界关注的问题。本论文在重新审视金川矿床所在龙首山岩带构造背景及 构造演化历程的基础上，对金川矿床成矿所依托的重要幔源岩浆事件及其 Ni、Cu、Co 等金属硫化物和 PGE 的富 集成矿过程与最终可能的就位方式进行了探讨，对龙首山镁铁-超镁铁岩体（群）与金川含矿岩体进行地质和地 球化学对比研究，指出元古宙金川岩浆事件，有多种形式的岩浆作用产物遗留了下来，其中金川岩体是经过地 壳混染，硫化物液相大规模熔离，贫硫化物硅酸盐岩浆移离以后，剩余的富含金属硫化物液相的硅酸盐岩浆侵 入的产物，是大规模岩浆事件后期侵入作用的结果。龙首山岩带还应有金川同期次富金属硫化物岩体分布，关 键是确定岩石微量元素地球化学指标和地球物理组合特征予以判别预测新的找矿靶区。金川含矿岩体成岩成矿 的原始几何形态的判断和后期逆冲构造推覆作用过程的重塑，是实现金川矿床深部找矿的重要基础工作，金川 Ⅰ矿区北缘 1001000m 2断面金属硫化物矿体的地表出露，表明金川岩体原始水平状态的延长决不止 1000m 长 度，金川深部仍有未勘探控制的矿体存在，主要在于利用井下采场或井中电磁测量预测深部矿体。 关关 键键 词词超大型矿床；岩浆 Cu-Ni-PGE 矿床；成矿特征；深部找矿；外围找矿 中图分类号中图分类号 欧亚大陆产出两例超大型岩浆 Cu-Ni-PGE 矿床，一例是产于西伯利亚稳定克拉通西北缘的 俄罗斯诺里尔斯克矿床，另一例就是位于中朝克拉通西南缘的中国金川矿床。这两例超大型矿 床对世界镍金属矿业格局构成了重要的影响，是世界硫化镍金属的主要产地之一。随着勘查技 术的进步和地质认识的提高，世界上几乎所有的超大型岩浆 Cu-Ni-PGE 矿床外围近十余年来均 有新的矿床发现，储量在不断增加 [1～2]。但金川矿床自 1958 年发现以来，近 50 年来勘查工作在 其外围龙首山镁铁-超镁铁岩带再无新的矿床发现， 金川矿床本身除在勘探剖面之间矿山开采中 发现未控制的块状特富矿体，而使镍、铜金属储量有所增加外，在深部也并未发现新的重要矿 体。金川矿床镍金属储量已由世界第二大岩浆镍硫化物矿床，降为第三位，位于加拿大的萨德 伯利（Sudbury）和俄罗斯的诺里尔斯克（Noril’sk）之后。这是一个令人困惑的问题。是金川 矿床果真如人们所讲的“独生子”呢，还是勘查认识上的偏差未能有效发现新的矿床近 10 余 年来的进一步勘查选区研究和局部勘查验证工作仍未得出明确回答。运用现代地质学的认识， 与板块构造关系不大的岩浆 Cu-Ni-PGE 矿床，愈来愈多的研究表明其成矿物质来源和成矿动力 是地幔柱作用，特别是大规模岩事件和亲地核、下地幔的 Ni、Co 等金属元素的超常富集是超级 地幔柱作用的结果。这个超级地幔柱起源于核幔边界的“D”层，是地壳演化早期壳幔物质交换 的主要作用方式，并贯穿于地球的整个演化过程 [3～4]。 因此，金川超大型矿床作为前寒武纪幔源金属元素的异常聚集体，决不可能是孤立的成矿 作用产物，而应是一个重要的壳幔物质交换地质事件的结果。这种结果不可能是一个孤立的点 上的富集，应是一个重要地质事件重要岩浆活动范围多个点上富集偶然发现的一个表现。现在 问题的关键，是由于多期重大构造改造，现残存地质遗迹已不可能恢复其内含成矿作用的地质 收稿日期收稿日期 ；改回日期改回日期 基金项目基金项目国家科技支撑计划项目（2006BAB01B08）和中国地质调查局地质调查项目（200110200081）资助。 作者简介作者简介李文渊，男，1962 年生，博士，研究员，主要从事矿床勘查和研究工作。 2 事件的全貌。但就金川矿床外围找矿问题，又可将问题浓缩到外围出露或浅部的镁铁-超镁铁岩 体上。是否与金川岩体是同期的产物，形成时代是否一致岩石地球化学成分是否相同，有无 同样有利于成矿的物理化学条件这两个问题归结起来，就是要对金川外围镁铁-超镁铁岩体 （包括浅部隐伏的）与金川岩体的精细对比，通过对比提出相似的选区予以找矿验证。而金川 矿床本身深部找矿，主要是解决成矿岩体原始形态形成时成岩成矿特点，进而明确找矿方位和 目标。本论文主要通过利用以往研究数据，以上述思想进行对比研究，初步指出金川矿床深部 和外围找矿的方向。并就存在的问题，提出进一步工作的认识。 1 成矿地质背景 金川铜镍矿床位于华北古陆阿拉善陆块西南缘龙首山隆起中。龙首山隆起南邻早古生代祁 连造山带的河西走廊山前沉降带，北接中新生代的潮水盆地。大地电磁测深（MT）结果表明， 以往认为是金川含矿岩体导岩构造的龙首山北缘 F1 大断裂，实际是 10km 深处向南收敛的电性 薄层，是中生代印支期陆内造山作用逆冲构造的界面，龙首山是一自南而北被推覆拼贴在阿拉 善地块上的构造岩片，龙首山南北界断层是岩片的顶底界面 [5]。金川含矿岩体及其外围龙首山 镁铁-超镁铁岩体均作为构造岩片的地质组成至少于 10km 深处被推向地壳浅部，经风化剥蚀而 出露于地表。因此，岩体的空间形态是被改变了的，是最易于就位的层状或似层状岩体逆时针 旋转而成陡倾斜，表现为现在向西南倾斜的板状或透镜状。 2 金川矿床成矿特征 金川含铜镍岩体在地表的出露应是一个被斜切的横断面，约 1.34km 2，出露面积十分有限， 但延深控制已达 1000m，岩体并未尖灭，实际应为岩体原生状态的延长。岩体地表走向为北西 向 50，倾向南西，倾角 50～80。岩体地表出露追索长约 6500ｍ，宽 20ｍ至 527ｍ。岩 体西端呈楔形向下尖灭，东端则呈鸭蹼状向下延伸。金川含矿岩体形态总体上东、西两段有差 异，以勘探线 34 线为界，西段为板状体，上部还有分支，下部主板状体靠下边部为基性程度最 高的纯橄岩，其实也就海绵陨铁矿石的富矿体，主要由 24 号和 1 号两个主矿体构成，其储量占 据整个金川含矿岩体矿石储量的 70以上，向上矿体与岩体呈渐变关系，主要由二辉橄榄岩组 成，上边部为橄榄辉石岩，局部有斜长二辉橄榄岩出现；东段过渡为漏斗状至透镜状，矿体发 育于岩体的下侧部，2 号矿体为主要矿体，以星点状贫矿为主，其次为海绵陨铁状富矿和块状 特富矿 [6～7]。 陡倾的金川含矿岩体不论是板状体或是透镜状体，总体上下边部为海绵陨铁状富矿石堆积 为特征，如果将金川岩体置平，所谓板状即为层状体。基性程度愈高的岩石即纯橄岩趋向于岩 体下部，而富矿石也趋于下部，向上岩石基性程度降低，主要相变为二辉橄榄岩，局部分布有 星点状贫矿石，向边部则出现橄榄辉石岩，局部有斜长二辉橄榄岩产出。以往认识中根据地表 大比例尺填图结果，由于海绵陨铁状富矿（纯橄岩）与二辉橄榄岩局部明显的界线，而引发出 矿浆、富矿岩浆、贫矿岩浆多期次上侵-贯入的观点。事实上，矿山开采过程中展现出来的更加 丰富的地质现象，可能更为支持多期次富含金属硫化物液相的硅酸岩岩浆上侵。有金属硫化物 液相多寡的差异，但并不存在先贫矿岩浆上侵，再富矿岩浆上侵，最后矿浆贯入的理想模式。 因为，地表发现的岩/矿界线，在井下并不连续，而呈局部清晰界线，局部过渡的特点。这更相 似与花岗岩研究中认识出来的“涌动”或“脉动”的特征 [7]。 金川含矿岩体整体以二辉橄榄岩为主体，其次纯橄岩、斜长二辉橄榄岩和橄榄辉石岩。近 60的岩体由不同品位矿体构成，从而构成了巨大的金属储量。因此、成矿的岩体本身是富含已 3 熔离的金属硫化物液相的。主要证据是橄榄石亏损 Ni，而结晶早于橄榄石或同时的铬铁矿也亏 损 Ni、Co、Al，相对富集 Ti，反映了侵入岩浆结晶前硫化物液相和硅酸盐熔体间的不混熔作用 的彻底发生，Ni、Co 等金属元素已优先进入硫化物液相，而使随后最早结晶的铬铁矿、橄榄石 Ni、Co 亏损，Ti 富集可能示踪了原始岩浆的特点，是来源深的较高温度一种部分熔融的岩浆。 岩石化学成分以贫碱、低铝为特点，REE 表现为 LREE 富集。金川岩体岩石化学成分投图落 入拉斑玄武系列 （TH） 的 F-M 边缘， 与国外科马提岩的分布位置相似。 硫化物矿体矿石δ 34S （‰） Ｓ值为-0.05～2.53 之间，不同矿石间没有明显分馏，为地幔硫源的特征。矿床 Ni/Cu 比值较 低，平均 1.46。与国外玄武岩质岩石类型的矿床接近，这类矿床 Ni/Cu 比值多在 0.5～1.5 之 间，与科马提岩类型的矿床差别较大，太古代溢流科马提岩 Ni/Cu 比值可达 60 以上。（PtPd） /（OsIrRu）比值为 7.17，低于 Sudbury 的 13.05～12.7，又显著高于太古代的科马提岩类型 矿床的 0.31～0.36 [7]。 3 深部找矿 金川矿区的深部找矿，赋存岩体的空间定位、变形和位移的研究是关键。如果大地电磁测 深（MT）所揭示的龙首山构造岩片地质事实存在的话，造成这一构造状貌的动力学机制应是研 究的首要问题。以往的研究，将其简单的归结为印度/欧亚大陆碰撞，对青藏高原北部作用的结 果，但在时限上又认为是印支期作用的结果。近来研究认为，阿尔金断裂带的左行走滑控制了 祁连山的生长和隆升。白垩纪时期，阿尔金断裂走滑过程中，祁连山北缘逆冲断裂形成（可能 最早形成于 120Ma） ，随着印度/欧亚大陆碰撞（65～41Ma） ，欧亚大陆强烈变形，祁连山北缘逆 冲断裂再次强烈活动，形成了现今祁连山构造山貌 [8]。龙首山构造岩片的形成，如果与祁连山 的隆升联系起来，龙首山构造岩片也应是白垩纪向北逆冲的结果，为祁连山的物质组成。而最 终祁连山与龙首山以河西走廊断陷盆地相隔，可能是古近纪以来造成喜马拉雅山急剧隆升，印 度/欧亚大陆碰撞作用在青藏高原北部的反映，北祁连山和龙首山进一步逆冲并遭受剥蚀，而河 西走廊沉陷，造成了现今凹形的构造地貌。因此，确定龙首山构造岩片逆冲断裂发育的时限， 是追溯金川含矿岩体就位构造过程的基本工作，通过测定 F1、F2 断裂构造糜棱岩化岩石形成的 年龄，有望解决这一认识上疑惑的问题。 龙首山作为自南而北被推覆拼贴在阿拉善地块上的构造岩片，金川岩体成岩成矿期应为水 平或近水平的层状或似层状分布的岩浆房，为富含 Ni、Cu、Co、PGE 的硫化物液相的超镁铁质 岩浆，由于重力分异和结晶分异作用，使先期结晶的橄榄石、铬铁矿坠落至岩浆房下部或底部， 已分离的硫化物液滴也降落至橄榄石颗粒之间，构成了海绵晶铁状的富矿石，剩余的岩浆随着 物理化学条件和岩浆化学成分的变化，进一步发生不混溶作用，可能在局部造成硫化物液滴分 散产出的星点状贫矿石。块状硫化物特富矿，并非直接的矿浆贯入，而是间隙于橄榄石之间已 连接成片的硫化物液相由于固结温度低（大约 600℃以下） ，而橄榄石和辉石的结晶温度高，分 别在 1200℃和 900℃左右，也就是说超镁铁质岩石结晶成岩后还要经历漫长的地质过程，硫化 物液相才可能固结。据研究镁铁-超镁铁岩体的结晶历史可长达几百万年。如此漫长的地质成岩 成矿过程中，先期结晶成岩的岩石遭受系统外地质应力发生破裂是完全可能的，此时连片的硫 化物液相被挤出，甚至在岩体之外的构造裂隙部位形成块状特富矿是完全可能的。 因此，金川矿床的深部找矿，要重新以水平层状空间岩体的岩相变化和赋矿部位的恢复， 来探索由于构造倾伏，深隐于 800m 深度之下似层状岩体另一端可能尚存在的矿化和矿体分布。 4 外围找矿 4 金川基性程度非常高的超镁铁质岩体，而形成该岩体的源生岩浆地球化学特征指示属于拉 斑质基性岩浆系列，这种成矿岩体与原始岩浆基性程度上的巨大差异，强烈表明金川岩体绝非 原始岩浆结晶的产物，而是原始岩浆演化分异成为超基性岩浆上侵结晶的结果。这个富含金属 硫化物的超基性岩浆所代表的岩演化机制和阶段，是认识这一矿床形成及外围进一步找矿的关 键。是有无与金川同类型岩体的分布，在外围找矿靶区筛选的基础。 以往的研究中，金川岩体超镁铁质的岩石特点一直是研究者关注的焦点。形成金川含矿岩 体的岩浆是基性岩浆，还是超基性岩浆争论的结果，大家普遍认为是基性岩浆，或确定为偏 基性的苦橄质拉斑玄武岩浆系列 [6～7]， 也即金川岩体是基性岩浆演化分异形成的超基性岩浆结晶 的产物。而基性岩浆要演化形成超基性岩浆，主要是长英质成分的移离，使镁铁质成分相对增 高所致。 从板内大规模岩浆作用主要是地幔柱作用结果的认识出发， 元古宙 （中元古/新元古代 倾向于新元古代）超级地幔柱作用产生的拉斑玄武质岩浆 [4]，上侵中遭受岩石圈的混染，在深 部岩浆房使硫逸度降低，硫产生过饱和而不混溶形成硫化物液滴，通过重力分异，深部岩浆房 上部岩浆由于橄榄石结晶下沉，基性程度降低、质量变轻，有合适喷出的条件则快速喷溢于地 表形成大陆溢溜玄武岩（CFB），由于后期的造山作用多已剥蚀贻尽，造山带中 CFB 残存下来 的很少，喷出管道则形成大量的基性岩墙群，也由于后期构造改造空间位置亦遭受很大的变化。 剩余的岩浆应为富含硫化物液相的偏基性岩浆，在地壳挤压应力环境下，上侵到地壳浅部形成 规模不大的似层状岩浆房，并进一步分异和不混溶作用形成赋矿岩体。这期间岩浆的上侵应该 是多期次，也应该有多个就位的岩浆房。多期次的岩浆上侵，成分肯定有变化；多个就位的岩 浆房，提供了外围找矿的理论根据 [9]。关键是同期次富含硫化物液相偏基性岩浆上侵岩浆房成 岩后异同的判别，关键指示地球化学元素的含量及比值可能是判别的主要渠道。选取指示元素 是基础，选取的途径可借鉴国内外已知研究或进行龙首山分析鉴别研究 [9～10]。同类成矿岩体判 别出来以后，找矿则需要更为精细的电磁地球物理测量方法进一步予以判断圈定找矿靶区 [11]。 参考文献 [1] Naldrett A J. 2004. 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