巖漿銅鎳硫化物礦床的礦物學(xué)特征

巖漿銅鎳硫化物礦床的礦物學(xué)特征

1巖漿通道模型在過去的20年中，巖漿銅硫礦床的最顯著成就是認(rèn)識到“巖漿通道形成”和“小巖體形成大礦”（lietal.2001；maie等人，2001；唐中立，2006；宋謝燕等，2010；2012年，歌詠等等。劉平等，2010；秦克璋等，2014年；田玉龍，2009；閆海青，2013）。為了解釋直接侵入體的小體積與大型礦床中堆積巨量金屬之間的矛盾,學(xué)者們提出了三種成礦模型:(1)就地(InSitu)熔離成礦模型;(2)深部熔離聚集-貫入模型;(3)透巖漿流體模型。就地熔離成礦模型強調(diào)巖漿通道在銅鎳硫化物礦床形成中的巨大作用(Lietal.,2001;Maieretal.,2001),認(rèn)為攜帶硫化物“珠滴”的玄武質(zhì)巖漿在巖漿通道的轉(zhuǎn)折部位或者通道界面變大、分叉處由于巖漿速度降低硫化物“珠滴”在重力作用下不斷沉降堆積成礦(Lesheretal.,1993;Lightfoot,2007;Lightfootetal.,2012;Naldrett,1999)。該模型的主要問題是不能解釋銅鎳硫化物礦床中“礦漿”型礦體侵入圍巖的現(xiàn)象。在銅鎳硫化物礦床中,普遍存在含礦巖石與非含礦石之間的明顯接觸界線,硫化物礦石侵入于圍巖,以及“礦漿”型礦體往往是主礦體,很難用硫化物“液滴”在玄武質(zhì)巖漿中的重力堆積機制來解釋。深部熔離聚集-貫入模型由湯中立等(湯中立和任端進(jìn),1987;湯中立,1990;湯中立和李文淵,1995;湯中立等,2006;Tang,1993)提出,該模型認(rèn)為硫化物礦漿在深部階段巖漿房形成,并最終定位于終端巖漿房。該模型的主要問題是銅鎳硫化物礦漿的比重大(高達(dá)3.6g/cm3)上侵能力不足的問題。理論計算表明,比重大的礦漿不能上侵至比重小的圍巖中(Naldrett,1999;Lietal.,2009;羅照華等,2009)。透巖漿流體模型認(rèn)為存在一個連接幔源流體源區(qū)和致礦侵入體的通道,幔源含礦流體沿著該通道源源不斷上升至淺部地殼巖漿房中,并在那里堆積成礦(Зотов,1989)。該模型的主要問題是這樣的流體通道是否存在,如果存在是否可以長期維持(羅照華等,2009)。該模型也難以解釋“礦漿”型礦體與圍巖呈侵入接觸關(guān)系的問題。因此,銅鎳硫化物“礦漿”是如何產(chǎn)生、上升和定位的問題目前仍存在很大爭議,是銅鎳硫化物礦床成礦學(xué)的關(guān)鍵科學(xué)問題。為了解決這一科學(xué)問題,本文對世界主要銅鎳硫化物礦床的特征進(jìn)行了歸納和總結(jié),并在此基礎(chǔ)上提出了“巖漿通道成礦系統(tǒng)”模型。2礦床地質(zhì)特征巖漿銅鎳硫化物礦床中,硫化物礦體與圍巖的關(guān)系對于理解硫化物“礦漿”的形成和就位過程具有重要意義。從目前已有的資料來看,世界上最主要的巖漿銅鎳硫化物礦床中礦石與圍巖界線清晰,且礦石都侵入于圍巖之中,侵入關(guān)系明顯。下面是世界最主要巖漿銅鎳硫化物礦床中礦體與圍巖關(guān)系實例。加拿大Sudbury銅鎳硫化物礦床是世界第一大鎳礦床,Sudbury層狀雜巖體則侵位于太古代花崗質(zhì)片麻巖與元古代休倫副片麻巖之間(圖1a)。SudburyCu-Ni硫化物礦床主要賦存于雜巖體底部及輝長巖或閃長巖巖脈中(圖1a,b)。且礦體往往分布于脈巖中心部位(圖2a);礦床中塊狀礦石往往侵入于片麻巖中(圖2b),有些塊狀礦石可以遠(yuǎn)離主礦體達(dá)300m。這些特征均表明,Sudbury銅鎳硫化物礦床中礦石是最后定位于現(xiàn)存空間。俄羅斯Norilsk-Talnakh銅鎳硫化物礦床是世界第二大鎳礦床,礦床圍巖主要為石炭紀(jì)-二疊紀(jì)碳質(zhì)板巖和硬石膏巖等(Зотов,1989)。礦床中塊狀礦石與圍巖接觸界線清晰,且塊狀礦石中可見圍巖捕虜體,侵入接觸關(guān)系明顯(圖3a,b)。有時可見硫化物塊狀礦石順層侵入于圍巖中,呈“互層”狀產(chǎn)出(圖3c)。金川銅鎳硫化物礦床是世界第三大鎳礦床,礦床中超鎂鐵質(zhì)巖石、浸染狀礦石、網(wǎng)狀礦石、塊狀礦石之間分布界線清楚,侵入關(guān)系明顯。在二礦區(qū)1000m水平段,網(wǎng)狀礦石中有浸染狀礦石和超鎂鐵巖捕虜體,說明網(wǎng)狀礦石侵位時間晚于浸染狀礦石和超鎂鐵質(zhì)巖石(圖4)。綜上所述,世界最主要銅鎳硫化物礦床都具有硫化物礦石侵入于圍巖的特征。就地熔離成礦模型不能解釋這一現(xiàn)象,更不能解釋硫化物礦石與圍巖呈“互層”侵入關(guān)系這一地質(zhì)現(xiàn)象。深部熔離聚集-貫入模型遇到的主要問題是銅鎳硫化物礦漿的密度比重大(高達(dá)3.6g/cm3)上侵能力不足的問題;理論計算表明,比重大的礦漿不能上侵至比重小的圍巖中(Naldrett,1999;Lietal.,2009)。有鑒于此,為了更好的理解銅鎳硫化物礦床的成因,我們提出了“巖漿通道成礦系統(tǒng)”模型。3巖漿通道成礦系統(tǒng)模型的成礦要素組合近年來,Naldrettetal.(1995)、Naldrett(1999,2004)、Evans-Lamswoodetal.(2000)、Lietal.(2001)、Lightfootetal.(2012)提出了“巖漿通道成礦”模型,得到廣泛的傳播。該模型的貢獻(xiàn)在于刻畫了銅鎳硫化物礦床中礦體分布的“通道”特征。但是該模型也存在一些問題,主要表現(xiàn)在該模型不能解釋“礦漿”型礦體與圍巖的侵入接觸關(guān)系,與地質(zhì)實際有效大差距。據(jù)此,蘇尚國和湯中立(2010,2012)提出了“巖漿通道成礦系統(tǒng)”的概念模型?！皫r漿通道成礦系統(tǒng)”的具體定義是:在巖漿成礦系統(tǒng)中,巖漿演化晚期,“礦漿”運移和就位的空間及其相關(guān)成礦要素的組合?！皫r漿通道成礦系統(tǒng)”模型主要強調(diào)以下3點:(1)深部巖漿房在巖漿礦床的形成過程中起著非常重要的作用,“礦漿”定位于巖漿成礦系統(tǒng)演化的晚期;(2)所謂的“礦漿”實際上為“含礦熔體-流體流”,“含礦熔體-流體流”在定位過程中因失去揮發(fā)份而呈“礦漿”狀,以大的流體體積和流體/熔體比值為特征;(3)“礦漿”具有整體的流動性,因而提出了“巖漿通道前進(jìn)方向”的概念。巖漿通道成礦系統(tǒng)模型與巖漿通道成礦模型的異同點見表1。為了解決硫化物礦漿上升過程中的密度問題,可以假定礦漿為硫化物熔體與揮發(fā)份流體的混合物,后者的密度、粘度和流動體制(flowregime)是礦漿上升侵位的關(guān)鍵因素。利用流體動力學(xué)軟件COMSOLMultiphysics中的混合流湍流模型進(jìn)行模擬表明,當(dāng)揮發(fā)份流體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時,硫化物礦漿運移所需的驅(qū)動力就完全處于地殼內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力所能達(dá)到的范圍內(nèi)了。因此,如果加入礦漿中的揮發(fā)份流體足夠多,就有可能使其具有上侵能力(王俊,2013)。根據(jù)這種模擬結(jié)果,假定深部巖漿房中熔離產(chǎn)生的硫化物熔體被突然注入大量揮發(fā)份流體,因密度問題滯留于深部巖漿房中的硫化物熔體將快速活化、上升并侵位,深部熔離聚集-貫入模型中的密度問題將不再存在。另一方面,理論分析表明,巖漿成礦系統(tǒng)產(chǎn)生過程中熔體與流體的產(chǎn)量呈反比,因而大型-超大型礦床往往形成于大規(guī)模巖漿活動之后,稱為巖基后成礦作用(羅照華等,2014)。在這種模型中,巖漿活動晚期以大規(guī)模流體活動為特征。由于流體中成礦金屬的溶解度與壓力正相關(guān),來自深部的流體應(yīng)當(dāng)具有很高的成礦金屬濃度。這種含礦流體具有更強的上升能力,也是一種高速運動的熔體-流體流(羅照華等,2008,2009)。當(dāng)這種熔體-流體流上升到地殼淺部,將發(fā)生強烈的熔體-流體和不同類型流體之間的相分離,導(dǎo)致成礦金屬濃聚,也可以形成“礦漿”型礦體。據(jù)此,無論是哪一種模式,礦漿型礦體的形成都要求熔體-流體流沿通道快速上升,礦漿中必然含有大量的揮發(fā)份流體。因此,本文認(rèn)為,所謂的“礦漿”實際上就是富含成礦金屬的熔體-流體流。因此,硫化物礦石中是否保存含礦流體活動的證據(jù)成為巖漿通道成礦系統(tǒng)模型的關(guān)鍵。4流體晶礦物組合目前,巖漿被重新定義為至少由熔體、固體和流體等三個端元子系統(tǒng)組成的復(fù)雜性動力系統(tǒng)(羅照華等,2011)。由這三個端元子系統(tǒng)可以構(gòu)成熔體-固體、熔體-流體和流體-固體等三個二元系,它們分別相當(dāng)于傳統(tǒng)火成巖理論中的巖漿系統(tǒng)、成礦系統(tǒng)和水-巖相互作用系統(tǒng)。由于流體溶解非揮發(fā)性組分的能力隨壓力增加而增加,理論上減壓作用可導(dǎo)致晶體從流體中析出。據(jù)此,羅照華等(2013)依據(jù)晶體進(jìn)入巖漿系統(tǒng)的方式將其劃分為固體晶體群、熔體晶體群和流體晶體群,其中流體晶體群可能對討論成礦系統(tǒng)的習(xí)性具有重要意義。根據(jù)羅照華等(2013),流體晶體群系由從流體相中析出的晶體組成的晶體群,包括從超臨界流體晶出的晶體亞群(超臨界晶體亞群)、從氣體晶出的晶體亞群(凝聚晶體亞群)和從熱液晶出的晶體亞群(熱液晶體亞群)。流體晶礦物組合是不同于巖漿巖和變質(zhì)巖的另一類礦物組合,是在巖漿演化晚期“熔體-流體流”在從熔體向流體轉(zhuǎn)變過程中直接結(jié)晶形成的礦物組合(Suetal.,2014)。前人對流體的研究主要強調(diào)了交代作用,“流體晶”提出的意義在于證實了在自然界中很多礦物是直接從流體中結(jié)晶作用形成的,而不是交代作用的產(chǎn)物。流體晶礦物組合最典型的實例為內(nèi)蒙文圪乞鉑族金屬礦床中的流體晶礦物組合:鐵韭閃石+鈉長石+綠簾石+磷灰石+方解石。如圖5所示,所有這些礦物都具有平直的邊界,沒有相互交代穿插的現(xiàn)象。因此,它們的產(chǎn)生不是通過對先存礦物的交代作用而成。它們也不是由硅酸鹽熔體晶出的的礦物組合,因為自然熔體中不可能晶出這樣的礦物,如鈉長石(Yang,2012)。根據(jù)礦物組合和礦物成分的特征,我們推測這種礦物組合是直接從超臨界流體中析出,屬于超臨界晶體亞群。在金川巖漿銅鎳硫化物礦床中,我們也發(fā)現(xiàn)有流體晶礦物組合(圖6)。其中2號礦體中流體晶礦物組合為:金云母+方解石+鎳黃鐵礦+黃銅礦+磁黃鐵礦(圖6a);24號礦體中流體晶礦物組合為:金云母+白云石+磷灰石+鎳黃鐵礦+黃銅礦+磁黃鐵礦(圖6b,c);58號礦體中流體晶礦物組合為:石英+菱鎂礦+鎳黃鐵礦+黃銅礦+磁黃鐵礦(圖6d)。這些礦物之間邊界平直,沒有交代、穿插關(guān)系,反映它們?yōu)榛就瑫r形成(共結(jié)關(guān)系)。流體晶礦物金云母有時多具綠泥石化(圖6a,b)應(yīng)為后期退變質(zhì)作用的產(chǎn)物。在金川不同礦體中流體晶礦物也呈有規(guī)律的變化。在礦區(qū)2號礦體中碳酸鹽類礦物為方解石,在24號礦體為白云石,在58號礦體為菱鎂礦。礦區(qū)從東往西流體成分從富鈣→富鈣鎂→富鐵方向演化。5巖漿通道相成礦系統(tǒng)巖漿通道相是指巖漿演化晚期含礦熔體-流體流運動的環(huán)境及其形成產(chǎn)物的總和。巖漿通道相的主要鑒別標(biāo)志有:(1)由于熔體-流體流的快速運動,具有較強切割、捕獲通道壁巖石的能力,因此,巖漿通道相巖石中含有較多的圍巖捕虜體;(2)熔體-流體流的快速運動和環(huán)境的低溫使得巖漿通道相巖石中流動構(gòu)造發(fā)育;(3)巖漿通道相中巖石結(jié)構(gòu)復(fù)雜,流體活動特征明顯;(4)有時巖漿通道相呈斑雜狀構(gòu)造或多斑斑狀結(jié)構(gòu)等;(5)有流體晶礦物組合(Suetal.,2014)。熔體-流體流通道主要是指構(gòu)造薄弱面,包括不同巖性的接觸界面,斷層面,不整合面等。由于熔體-流體流的強烈相分離可產(chǎn)生異常高的流體超壓,亦即快速運動對屏蔽介質(zhì)的撞擊作用,這些構(gòu)造薄弱面容易活化、擴容而成為成礦物質(zhì)遷移的路徑和定位的場所。由于熔體-流體流的低粘度和低密度特點,在巖漿通道成礦系統(tǒng)中,可以存在復(fù)雜的通道系統(tǒng)。通道系統(tǒng)的性質(zhì)可以顯著影響礦體的形態(tài)和空間展布樣式。例如,當(dāng)通道系統(tǒng)具有振蕩式收縮和膨脹的樣式時,充填作用產(chǎn)生的礦體也呈周期性膨大的樣式;通道中存在大型喀斯特溶洞時,將導(dǎo)致成礦金屬的大規(guī)模堆積,礦體形態(tài)依溶洞形態(tài)而改變。6巖漿通道的組成在巖漿通道成礦系統(tǒng)中,可根據(jù)巖石、礦石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及地球化學(xué)特征等識別巖漿通道的前進(jìn)方向。以加拿大Voisey’sBay銅鎳硫化物礦床為例,巖漿通道相可以劃分出3個不同的組成部分:Feeder(拓路)部分、Noisy(翻騰)部分和Quiet(寧靜)部分。Feeder部分位于巖漿通道的前端和邊部;Noisy部分位于巖漿通道的過渡位置;Quiet部分位于巖漿通道的后端或中心部位(圖7,Evans-Lamswoodetal.,2000;Lightfootetal.,2012)。各部分的特征如下。6.1早期的邊緣狀態(tài)(1)分布在巖漿通道的前端及邊部,主要由貧硫化物和少碎片的鐵輝長巖組成。這一部分最經(jīng)常被作為邊緣序列而提到,它同化混染大量就位之地的圍巖,以后的地質(zhì)事件常常只是沿通道的邊緣記錄下來。(2)值得注意的是,這一階段不形成大量的硫化物。但是,它告訴我們此時已處在礦化事件的邊緣。6.2、要素型巖石(1)稱之為“Noisy”是因為混雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的巖漿混合作用。(2)包含碎片富集、橄欖輝長巖-橄長巖巖石,可見斑狀結(jié)構(gòu),適度礦化(<30%)。(3)碎片不是原地衍生的,更像是被改變的伴隨巖漿來自深部圍巖(片麻巖)的巖石。(4)碎片序列不僅僅是存在于片麻巖碎片,也是早期序列與其相遇時產(chǎn)生的碎片(例如:來自圍巖)。6.3金川巖漿通道前進(jìn)方向(1)這個環(huán)境是最后一個礦化脈沖,產(chǎn)生了最重要的礦化。(2)就像這一期的名字“Quiet”一樣,這一區(qū)域包含簡單和一致的硫化物結(jié)構(gòu)。(3)它包含少碎片、橄長巖巖石形成豹紋結(jié)構(gòu)(橄欖石斑晶和硫化物基質(zhì),可見斑點;強烈礦化30%~60%),常見偉晶狀礦石礦物。(4)最后,它們被厚的巖脈或半塊狀-塊狀硫化物(60%~100%)序列所穿插。由于Cu-Ni硫化物礦漿在深部巖漿房和上升過程中存在單硫化物固溶體分離結(jié)晶作用,因此,在硫化物礦床中可利用Cu/Ni比值,鉑族金屬含量等來判斷巖漿通道的前進(jìn)方向(蘇尚國和湯中立,2010,2012)。因此,根據(jù)Ni、Cu元素在硫化物結(jié)晶分異作用中的地球化學(xué)行為,從Ni/Cu比值的角度來看,金川各主要礦體侵位順序:2#礦體→1#礦體→24#礦體→58#礦體,即2#礦體就位最早,58#礦體就位最晚(表2)。圖8為金川礦床不同礦體礦石百分之百硫化物中Ir-Pt相關(guān)圖解。從圖解中我們可以看出,從2號礦體→1號礦體→24號礦體→58號礦體中,鉑族元素的含量逐漸增高。那么是什么因素控制不同礦體鉑族元素的差異?不同礦體中鉑族元素的差異主要受2個因素影響,(1)是R因子控制;(2)是硫化物礦漿的單硫化物固熔體分離結(jié)晶作用。金川礦床中不同礦體鉑族元素的含量是否由R因子控制?我們選取金川母巖漿中Ir、Pt的濃度分別為0.2×10-9和2×10-9來進(jìn)行模擬(Suetal.,2008)。硫化物礦漿中某一元素的濃度由原始巖漿中該元素濃度和R因子密切聯(lián)關(guān)(CampbellandNaldrett,1979)。具體公式如下:其中,CC=硫化物液體中該元素的濃度;CL=初始硅酸鹽巖漿中該元素的濃度;R=硅酸鹽熔體質(zhì)量/硫化物熔體質(zhì)量;D=該元素在硫化物-硅酸鹽中的分配系數(shù)。模擬結(jié)果見圖8,從圖中看出金川不同礦體Ir-Pt分布特征不受R控制。鉑族元素在單硫化物固溶體/硫化物熔體中的地球化學(xué)行為主要由其分配系數(shù)決定,在硫飽和條件下,D(Ir)=3.4~11,D(Os)=4.3,D(Ru)=4.2,D(Rh)=1.17~3.03,D(Pt)=0.05~0.2,D(Pd)=0.09~0.2,各鉑族元素分配系數(shù)大小順序為:Ir>Os>Ru>Rh>>Pt>Pd。因此,在硫化物礦漿發(fā)生單硫化物固熔體分離結(jié)晶過程中Os、Ir、Ru、Rh優(yōu)先進(jìn)入單硫化物固溶體,Pt、Pd優(yōu)先保留于殘留硫化物熔體中。殘余巖漿一般都分布于巖漿通道的尾部,富集Pt,Pd。因此,可以推測金川巖漿通道前鋒應(yīng)該在巖體東部,24號礦體與58號礦體處于巖漿通道的尾部。金川礦床巖漿通道的前進(jìn)方向是由西往東流。俄羅斯Norilsk-Talnakh礦床巖漿通道的前鋒圍巖中矽卡巖化作用強烈,巖漿通道前端礦石富Ni,尾部礦石富Cu,富Pt,Pd(圖9a)。Sudbury礦區(qū)Froodmine礦區(qū)礦石特征表明前端礦石富Ni尾端礦石富富Cu,富Pt,Pd(圖9b)。這些均表明Cu/Ni比值及Pt,Pd含量可作為巖漿通道前進(jìn)方向的判別標(biāo)志。7voisey’sch巖漿通道世界主要的巖漿銅鎳硫化物礦床都具有巖漿通道成礦的特征。最典型實例有Voisey’sBay巖漿銅鎳硫化物礦床,Voisey’sBay礦床位于加拿大東部紐芬蘭省,東西長約6km,寬約數(shù)百米到一千米。Voisey’sBay巖漿銅鎳硫化物礦床僅在DiscoveryHill山頂露出地表,其余部分均產(chǎn)于地表之下。Voisey’sBay礦床從西往東依次由ReidBrook、DiscoveryHill、MiniOvoid、Ovoid、SoutheasternExtension及EasternDeeps等6個部分組成(圖10)(Lightfootetal.,2012;LiandNaldrett,2007)。在Voisey’sBay礦床西部ReidBrook地區(qū),巖漿通道傾向總體南傾,礦石主要分布于通道膨大部位或通道轉(zhuǎn)折端部位(圖11)。通道的西端在深部與WesternDeeps巖體南部邊緣相接(圖11);雖然它們之間的關(guān)系往往隱藏在年輕的花崗巖席下,但地球化學(xué)和鉆孔的證據(jù)顯示通道巖石與WesternDeeps巖體之間存在薄的副片麻巖(圖11)。WesternDeeps巖體由弱礦化-無礦化的橄欖輝長巖、蘇長巖、輝長巖、淺色輝長巖及橄長巖組成(Evans-Lamswoodetal.,2000)。巖漿通道由西往東,在ReidBrook及DiscoveryHill之間,通道傾向由南傾逐漸轉(zhuǎn)向直立或略有北傾(圖12a)。巖漿通道相的主要組成巖石為橄長巖、橄欖輝長巖及角礫巖化礦石,與中元古代紫蘇花崗閃長巖質(zhì)正片麻巖和(或)Tasiuyak副片麻巖截然接觸。在DiscoveryHill剖面巖漿通道由向直立轉(zhuǎn)變?yōu)橄虮眱A,通道在-300m處逐漸變寬。通道往東從DiscoveryHill向Miniovoid過渡,通道北傾傾角由陡逐漸變緩;巖漿通道在55945E一線繼續(xù)膨大,通道在Ovoid處變得更緩、更寬,并在此堆積了巨量金屬硫化物,通道的膨大部分形成了Ovoid礦床(圖12b);同時,該剖面亦可見通道的分支EasternDeeps通道連接EasternDeeps巖體。在Ovoid礦體東部,通道在EasternDeeps巖體的北部邊緣尖滅(Naldrettetal.,1996)。Voisey’sBay巖漿通道成礦系統(tǒng)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在整個系統(tǒng)中,2個通道控制了硫化物礦體的分布,一個是Ovoid通道,另一個是EasternDeeps通道(Evans-Lamswood,2011(1))。Voisey’sBayCu-Ni礦床的主通道為“Ovoid通道”?！癊asternDeep