《1 前言》

1 前言

鎳、銅和鉑族元素(PGE)由于特殊的用途是十分重要的戰略資源,Ni和PGE資源主要來源于與鎂鐵質-超鎂鐵質巖相關的礦床,如巖漿硫化物型鎳礦、大型層狀雜巖體鉑族礦床及紅土型鎳礦床。巖漿硫化物型鎳礦床占全球鎳儲量(約1.16×1010 t)的28 %,紅土型鎳礦床占72 %[1] 。全球具有經濟價值的約99 %的PGE資源和40 %的Ni資源都賦存于與幔源巖漿有關的巖漿硫化物礦床中 [2,3] 。紅土型鎳礦床中約85 %與增生地體內的純橄巖、方輝橄欖巖和橄欖巖有關,其余15 %與克拉通內科馬提巖和層狀鎂鐵質-超鎂鐵質巖漿巖有關。因此,巖漿型Ni-Cu-PGE硫化物礦床是Ni與PGE資源最終的重要成礦類型。

巖漿Ni-Cu-PGE硫化物礦床品位較高、雜質較少、選冶容易,是目前全球60 %以上Ni金屬的來源礦床。世界范圍內Ni和PGE資源的空間分布極不均勻,巖漿硫化物型鎳礦主要集中在加拿大(Sudbury和Voisey’s Bay礦床)、俄羅斯(Noril’sk礦床)和中國(金川礦床)等國,紅土型鎳礦主要集中于新喀里多尼亞、印度尼西亞和古巴等國,大型層狀雜巖鉑礦主要集中于南非(Bushveld 礦床)和美國(Stillwater 礦床)?,F有勘探實踐表明全球共發現 5 個超大型鎳銅硫化物礦床,Ni、Cu和PGE資源量主要集中在這幾個超大型巖漿礦床中 [3] ,如Noril’sk礦床、Sudbury礦床、Voisey’s Bay礦床和金川礦床等超大型Ni-Cu-PGE硫化物礦床控制著該類礦床的資源量,鎳資源總量估計高達3.8×107 t,占世界上已知該類礦床資源總量(含PGE)的73 %[3,4] ??梢奛i-Cu-PGE硫化物礦床超大規模成礦作用具有重要意義。

Sudbury Ni-Cu-PGE硫化物礦床由隕石沖擊誘發的地殼重熔形成 [5] ,其他超大型巖漿Ni-Cu-PGE硫化物礦床是地幔(地幔柱)巖漿作用及相關的殼幔相互作用的產物 [3,4,6] 。這些超大型礦床的形成需要巨量的成礦金屬,要求成礦巖漿在地球內部較大范圍內富集成礦金屬物質,因此Ni-PGE硫化物礦床常賦礦于大型巖體中,或伴生有同期的巖漿巖。Noril’sk礦床周圍有同時代的噴出巖和侵入巖。賦礦巖體較小的Voisey’s Bay礦床被認為是幔源巖漿體系巖漿通道賦礦 [7] 。

金川Ni-Cu-PGE硫化物礦床賦存巖體極小,且區域內沒有發現同時代的幔源噴出巖和侵入巖,金川礦床區域內碎屑鋯石也沒有顯示同期的巖漿過程 [8] ,因此難以用大規模巖漿作用(大巖體)或通道成礦模式解釋,成礦巖漿深部熔離、分期灌入時,硅酸鹽熔體由于密度較小,比硫化物熔體優先被擠出巖漿房侵位。碎屑鋯石指示金川巖體應該屬于華北克拉通 [8] ,并非構造推覆地質體,因此推斷金川礦床成礦巖漿的規??赡懿淮?。小規模的巖漿作用(小巖體)是否可以形成超大型 Ni-PGE 硫化物礦床?巨量成礦金屬富集的機理是什么?

地質觀測和實驗數據表明,流體組分(特別是地幔條件下超臨界態流體)對幔源硅酸鹽巖漿形成及成礦元素的遷移和富集具有不可忽視的作用,在Ni-PGE成礦金屬富集過程中可能具有重要作用 [9~13] 。本文從幔源成礦巖漿作用體系、硫飽和與硫化物熔離等成礦控制因素、流體的作用等方面總結了Ni-Cu-PGE硫化物礦床形成的機制,探討小規模巖漿形成超大型巖漿礦床的可能性。

《2 成礦巖漿作用》

2 成礦巖漿作用

《2.1 成礦巖漿類型》

2.1 成礦巖漿類型

Ni和PGE等為親鐵元素,在地球早期化學分異演化時期,原始地球核-幔分異過程中,Ni和PGE高度富集于地核,致使地幔的Ni和PGE豐度低,比地球平均值和球粒隕石低兩個數量級;地殼的Ni和PGE豐度更低 [14~16] 。Cu是典型的親硫元素,在地幔中Cu的虧損明顯弱于Ni和PGE,其地殼豐度高于地幔豐度。但部分幔源鎂鐵質火成巖中Ni、Cu和PGE的豐度卻能達到地殼平均值的數倍至數十倍,形成巖漿礦床 [17,18] ,因此,幔源巖漿系統是Ni-Cu-PGE硫化物礦床形成的重要體系。

幔源巖漿的Ni和PGE組成與含量主要取決于地幔源區的成分、Ni和PGE的賦存狀態以及部分熔融程度 [4,19] 。Ni在硫化物與硅酸鹽巖漿的分配系數遠高于在橄欖石與硅酸鹽巖漿的分配系數,Ni、Cu和PGE優先賦存于地幔源區硫化物中,幔源巖漿中Ni、Cu和PGE的含量取決于硫化物是否被全部熔融出來進入成礦巖漿中 [19,20] 。但地幔中的硫化物含量有限,因而地幔中大量的Ni主要賦存于橄欖石中,成礦巖漿中Ni的含量受控于難熔礦物橄欖石的熔融量,即部分熔融程度 [2,20,21] 。部分熔融程度高的科馬提巖和苦橄巖具有較高的Ni和PGE含量,而地核或核幔邊界起源的地幔柱巖漿作用中Ni和PGE的含量較高,如Bushveld、Noril’sk和Stillwater礦床。源區Ni含量低且部分熔融程度較低的大洋中脊玄武巖(MORB)具有非常低的PGE含量 [19] 。因此高鎂巖漿是 Ni-Cu-PGE 硫化物礦床成礦巖漿的主要類型 [3,4,22,23] 。

巖漿Ni-Cu-PGE硫化物礦床成礦巖漿類型主要有 M 科馬提質巖漿和玄武質巖漿[21] ,成分變化較大[3,4,24] ??岂R提質巖漿是一些重要硫化物礦床的母巖漿,相關礦床形成局限于太古代(如Kam-balda礦床)和古元古代(如Thompson和Raglan等礦床)[3] ,硫化物中Ni含量最高,具有最高的Ni/Cu值和最低的Pd/Ir值。拉斑玄武質巖漿形成的礦床中的Ni-PGE資源量明顯高于科馬提質巖漿(見圖1),主要發育于克拉通地區,礦化不如科馬提質巖漿形成的礦床那么普遍,但卻形成了重要的礦床 [3,4] 。

《圖1》

圖1 不同巖漿類型的Ni-Cu-PGE硫化物礦床的PGE、Co、Cu與Ni礦石量

Fig. 1 Ore tonnages of PGE,Co,Cu and Ni from different types of magma in magmatic Ni-Cu-PGE sulfide deposits

注:Koma為科馬提質巖漿;Th-B為拉斑玄武質巖漿;數據來源于參考文獻[3,4]

科馬提質巖漿和拉斑玄武質巖漿形成的 Ni-Cu-PGE硫化物礦床中礦石的PGE配分型式不同,(Pt+Pd)/ (Os+Ir+Ru)值有所差異,科馬提質巖漿礦床具平坦的PGE配分型式,(Pt+Pd)/ (Os+Ir+Ru)=3~3.5。拉斑玄武質巖漿礦床具有 Pt-Pd 富集的PGE配分型式, (Pt+Pd)/ (Os+Ir+Ru)=5.6~55.6[11,25] 。

《2.2 成礦巖漿(巖體)規?!?/span>

2.2 成礦巖漿(巖體)規模

幔源硅酸質巖漿(科馬提質巖漿和玄武質巖漿)中 Ni-PGE 的溶解度有限 [14,21] ,因此超大型 Ni-PGE硫化物礦床的形成一般需要大規模的巖漿作用以聚集巨量的成礦金屬作為成礦物質。賦礦巖體有大型(層狀)巖體、通道及小巖體等不同的類型 [23,24,26] ,成礦巖漿(巖體)規模有較大差異。

2.2.1 大型(層狀)巖體中的礦床

大型(層狀)巖體產出礦床的成礦巖漿規模巨大,常由多個小礦床組成礦群。例如,Noril’sk礦床和Sudbury礦床是世界上兩個最大的Ni富集區,是由多個小礦床組成的礦群 [4] 。南非的Bushveld礦床(2.06 Ga)[27] 、美國的Stillwater礦床(2.7 Ga) [28] 和Du-luth礦床(1.1 Ga)[29] 賦存于大型層狀巖體中,賦存鉑族金屬礦床,同時蘊含有巨量的鎳硫化物礦石儲量。

加拿大安大略湖北部山脈Sudbury Ni-Cu硫化物礦床賦存于1.85 Ga的層狀火成雜巖體 [3] 中,成礦巖體侵位于云英閃長片麻巖與石英二長巖間的接觸帶上,是隕石巨大撞擊導致的大規模巖漿活動的產物,具獨特的巖石組合:深部為基性-超基性巖石,基底為石英蘇長巖,中間為石英輝長巖,近地表由長英質巖石組成,頂部為花崗巖帽,賦礦巖石為蘇長巖-輝長巖 [3] 。Sudbury礦床由多個小的礦床群組成,不同礦床中Ni、Cu和PGE等金屬元素含量差異大,具有垂直分帶特征。

Noril’sk-Talnakh Ni-PGE硫化物礦床位于西伯利亞地臺西北部,賦存在二疊紀末期西伯利亞地幔柱巖漿作用相關的大型超鎂鐵質巖體中。玄武巖鋯石U-Pb年齡為251.2±0.3 Ma[30] 。鎂鐵-超鎂鐵質侵入巖主要由橄欖輝長巖、磁鐵輝長巖、斑雜輝長巖和輝長閃長巖組成,侵位于泥盆紀沉積巖和大火成巖省最底部的大陸溢流玄武巖中 [3] 。巨大致密的硫化物礦體賦存于苦橄巖-輝長巖-輝綠巖巖床,輝長巖-輝綠巖中具有圓形硫化物析離體的滴狀礦石(下部為鎳黃鐵礦-黃鐵礦帶,上部為黃銅礦帶),礦石具海綿隕鐵結構和填隙結構,在輝長巖-輝綠巖和接觸變質圍巖中疊加了硫化物礦化作用形成的角礫狀和細脈狀礦石。Noril’sk礦床的資源量可能需要多達200 km3 的成礦巖漿 [24] 。

2.2.2 ?。ㄍǖ佬停r體賦存礦床

小巖體及通道型巖體產出礦床的賦礦巖體較小,如Voisey’s Bay礦床和金川礦床。Voisey’s Bay礦床是20世紀末發現的超大型巖漿Ni-PGE硫化物礦床,為巖漿通道賦礦,賦礦巖體規模小,成礦巖漿規??赡芫薮?[7,31] 。金川Ni-Cu-PGE硫化物礦床由一個單獨的大礦床組成,賦存世界第三的Ni-Cu資源量,同時富集PGE,但賦礦巖體極小 [32] 。

Voisey’s Bay Ni-Cu硫化物礦床產于Nain深成巖系(NPS,1350~1290Ma)的橄長巖席(1334Ma)中,侵位于東太古代Nain省和NNW向Torngat造山帶(1 850~1 730 Ma)交界部位 [33] 。Voisey’s Bay礦床成礦巖漿在早期遭受中下地殼太古宙巖石的混染,晚期則遭受古元古代上地殼 Tasiuyak 片麻巖的混染 [34] 。

金川Ni-Cu-PGE硫化物礦床位于阿拉善地塊西南緣的龍首山隆起,呈NW-SE向不整合侵位于前長城系白家嘴子組大理巖、片麻巖及少量混合花崗巖中。含礦超鎂鐵質巖體主要由富橄欖石和鉻鐵礦的二輝橄欖巖、斜長二輝橄欖巖、橄長巖、橄欖二輝巖和二輝巖組成 [32] 。超鎂鐵質侵入體鋯石-斜鋯石U-Pb年齡為831 Ma[35] 。金川Ni-Cu硫化物礦床賦礦巖體極小,硫化物與硅酸鹽比例極高 [36] 。

《2.3 成礦巖漿過程》

2.3 成礦巖漿過程

地幔高程度部分熔融形成的成礦巖漿演化過程中,經歷巖漿結晶分異、不混熔硫化物熔漿與硅酸鹽巖漿熔離等巖漿過程,Ni及PGE硫化物得以富集成礦。賦存于鎂鐵-超鎂鐵質雜巖中的Ni-PGE硫化物礦床主要形成于上述兩種巖漿作用過程。

1)結晶分異作用:巖漿就地結晶過程中堆積作用形成了鉑族金屬礦床及鉻鐵礦、鈦鐵礦和磁鐵礦礦床,如Bushveld礦床、Stillwater礦床和Duluth鉑族金屬礦床的大型層狀雜巖具層狀堆積特征。南非Bushveld雜巖體中Merensky礦層是一個PGE富集層位(占總資源量的30 %),硫化物是PGE的主要聚集體。該礦層由兩個或兩個以上含硫化物的基性巖漿上升匯聚形成50 cm至數米厚的超鎂鐵質堆晶巖,即Merensky輝石巖,主要是斜方輝石巖,局部包括橄欖巖。如果沒有硫化物的早期熔離,則巖漿分異結晶過程使成礦金屬分散進入巖漿礦物,并發生分異。

2)硫化物熔離作用:由于Ni、Cu、PGE等具有很高的硫化物-硅酸鹽巖漿分配系數,硫化物的熔離使成礦物質進入硫化物富集 [19,20] 。地幔條件下幔源成礦巖漿中的硫不飽和,隨巖漿侵位上升過程中,壓力減小促使巖漿中硫的溶解度增加,因而巖漿中的硫仍處于不飽和狀態。因此要使硫化物從硅酸鹽巖漿中熔離出來形成Ni-Cu-PGE礦床,需要其他因素促使硫飽和 [4,24,36] ,如Noril’sk、金川和Voisey’s Bay礦床成礦過程中地殼物質混染促使巖漿中硫達到飽和。因此,硫飽和是巖漿中成礦物質富集、硫化物礦床形成的主要控制因素。

《3 成礦作用控制因素》

3 成礦作用控制因素

在Ni-PGE硫化物礦床超大規模成礦過程中,成礦母巖漿的組成中成礦金屬的大量聚集及巖漿演化系統中硫飽和、硫化物熔離、Ni-Cu-PGE元素富集是礦床形成的兩個重要過程,具不同的控制因素。

《3.1 成礦物質聚集》

3.1 成礦物質聚集

巖漿型Ni、Cu和PGE硫化物礦床形成的物質基礎是成礦金屬元素及硫。與硅酸鹽巖漿平衡的不混熔硫化物熔漿富集Ni、Cu和PGE金屬,Ni-Cu-PGE硫化物礦床的形成是成礦巖漿演化過程中不混溶硫化物的熔離聚集、在特定部位(底部、通道等)濃集、堆積的過程 [3,4,21,31] 。

3.1.1 成礦金屬

在地幔巖漿作用體系中Ni、Cu和PGE的地球化學行為在硫含量飽和與否的條件下有所差異。在巖漿體系硫不飽和的條件下,Ni、Os、Ir和Ru為相容元素,而Cu和Pd是強不相容元素,巖漿分離結晶過程中二者發生分異。在體系硫飽和的條件下,Ni、Cu和PGE為強不相容元素,硅酸鹽巖漿與硫化物分配系數低 [19,25,37] 、特別是PGE具有極高的硫化物熔漿/硅酸鹽熔漿分配系數,且受R因子(硅酸鹽熔漿與硫化物熔漿的質量比值)的控制 [38,39] ,相關元素進入硫化物熔漿。

Ni、Cu和PGE在地幔部分熔融和幔源巖漿分離結晶過程中地球化學性質差異導致其發生分異。Ni、Ir和Ru對于橄欖石、輝石和尖晶石是相容元素,Rh是橄欖石的相容元素,Pt是尖晶石和輝石的相容元素,特別是Ir、Ru和Rh的DSp/Sil 可達102 ~103 數量級,而Pd和Cu在這些礦物中為不相容元素,分離結晶過程中總是殘留在巖漿中 [2] 。在某些層狀巖體的鉻鐵礦層(如南非Bushveld巖體的UG1和UG2層)或蛇綠巖帶的鉻鐵礦礦床(如西藏羅布莎)中可能形成銥鉑族(IPGE:Ir、Os、Ru)的富集。

除隕石沖擊成因的Sudbury超大型Ni-Cu硫化物礦床為陸殼變質火山巖和沉積巖熔融物提供成礦物質外,其他巖漿Ni-Cu硫化物礦床的成礦物質主要來源于地幔。地幔是地殼PGE富集的主要源庫,大陸拉斑玄武巖中的Ni含量為99 ppm(1 ppm=1×10-6 ),Cu為90 ppm。PGE遷移主要有兩個途徑:地幔部分熔融產生的巖漿侵入地殼,或地幔板片就位于俯沖/碰撞帶。

3.1.2 硫

地球演化過程的化學分異產生地幔不均一性,不同地幔源區的硫含量也有很大差異,地幔中的硫含量一般僅為5~400 ppm,平均為200 ppm [40] 。 在地幔壓力下,科馬提質與玄武質巖漿中硫的溶解度為500~1 000 ppm[41,42] ,是巖漿溫度、壓力、氧逸度()和硫逸度()的函數[43,44] 。

1)溫度:在地幔條件下,巖漿中硫的飽和度與溫度呈正相關。硫不飽和巖漿體系中,隨溫度的升高,硅酸鹽熔體中硫的溶解度增大,在巖漿溫度為1 000 ℃時,溫度每增加100 ℃,硫溶解度增長6倍,當巖漿溫度為1 400 ℃時,硫溶解度增長3倍 [45] 。在溫度為1 200 ℃、 =10-10.5 時,鐵硫化物達到飽和,含10 %(質量分數)FeO的拉斑玄武質巖漿可以溶解大約0.04 %的硫 [42] ,溫度每增加100 ℃就可以增加溶解0.05 %~0.09 %的硫。

2)壓力:巖漿中硫的飽和度隨壓力的升高呈指數減小,硫化物和硅酸鹽熔體間的可混溶性隨著壓力的升高而增大 [41] 。

3)氧逸度:氧逸度對硫飽和度的影響相對小,主要影響硫的存在形式。在地幔巖漿溫度(1 400~1 500 ℃)范圍內,巖漿的氧逸度大于10-6 大氣壓時,硫以SO42- 的形式溶解;氧逸度小于10-6 大氣壓時,硫則以硫化物的形式存在。

4)巖漿成分:硫飽和度隨著熔體成分而變化,FeO、MgO及CaO組分的增加促使硫溶解度增加,而SiO2 和Al2O3 的作用相反。巖漿上升侵位、演化分異、與地殼圍巖同化混染等物理化學條件的變化都會引起巖漿中硫溶解度的改變。例如,層狀侵入體結晶分異過程中,在常壓下,巖漿溫度、FeO含量和氧逸度對硅酸鹽巖漿中硫化物的溶解度至關重要。在封閉條件下,當尖晶石沒有大量結晶時,巖漿冷卻和結晶遵從緩沖曲線,此時氧逸度不是硫化物溶解度的主要控制因素,巖漿溫度和FeO含量的下降會導致硫化物溶解度降低。橄欖石結晶過程中,巖漿溫度和FeO含量的下降會使硫化物溶解度降低。古銅輝石結晶的過程中,溫度連續快速下降,但FeO含量相對穩定,以后隨FeO/MgO值的增加而增加。隨斜長石的結晶,巖漿的FeO含量開始增加,影響硫化物溶解度連續下降的速度。

《3.2 硫化物熔離作用的控制因素》

3.2 硫化物熔離作用的控制因素

硫化物熔體的熔離是Ni-Cu-PGE硫化物礦床形成的關鍵過程,而硫化物熔體熔離的關鍵在于成礦巖漿中硫的過飽和,受巖漿體系中硫含量的影響[21,42] 。Vogt [46] 提出巖漿硫化物礦床的不混熔成因機制——巖漿熔離說,即原始含礦巖漿在結晶重力分異之前發生硫化物液態分異作用。硫化物的熔離取決于巖漿中硫的溶解度、氧化還原電位以及巖漿的溫度和粘度等眾多因素。

地幔硅酸鹽巖漿中硫的飽和度與溫度正相關,與壓力負相關。成礦巖漿上侵至地殼巖漿房時,壓力下降,硫的溶解度增高,大多數巖漿源區硫不飽和,即使硫飽和的成礦巖漿上升后也將不再飽和[41,47] ,因此促使巖漿中硫達到飽和需要其他因素,包括巖漿快速冷卻、巖漿混合、結晶分異作用、外來硫的加入或地殼混染等因素 [3,4,24,48,49] 。

1)巖漿快速冷卻。隨溫度的降低巖漿中硫的溶解度降低,巖漿快速冷卻可促使硫達到飽和,如Sudbury礦床 [50] 。

2)巖漿混合。巖漿混合可降低巖漿的液相線溫度,成分差異較大的巖漿混合可改變硫的飽和曲線,使硫進入飽和區間 [24] 。

3)巖漿分離結晶。分離結晶作用的不斷進行促使幔源巖漿中硫富集,隨橄欖石、輝石等造巖礦物的不斷結晶,成礦巖漿中不相容元素硫的濃度不斷增高達到飽和。巖漿經歷60 %以上的分離結晶作用后達到硫飽和 [24,41,51] 。

4)外來硫的加入。富硫圍巖被巖漿同化,增加硫含量促使硫飽和;外來硫的補充是超大型Ni-Cu-PGE硫化物礦床形成的關鍵因素 [49] 。例如,加拿大的Thompson礦石的硫同位素組成指示硫來源于海水碳酸鹽,俄羅斯Noril’sk硫化物礦床形成中硫飽和是圍巖硫加入巖漿 [49,52] 。源于圍巖硫的同化作用促使幔源巖漿硫飽和 [41,51] 。

5)富Si圍巖混染。SiO2 的加入可降低巖漿中硫的溶解度。地殼物質的污染、高硅物質加入鎂鐵質巖漿,改變了巖漿中四面體和八面體的比例,也改變了巖漿中硫的溶解度,硫飽和促使硫與金屬結合形成硫化物 [53] 。Bushveld、Voisey’s Bay Ni-Cu硫化物礦床中O、Os、Nd、Sr和Pb同位素體系均表明強烈的地殼物質的混染促使硫化物的熔離 [53,54] 。

Ni-Cu-PGE硫化物礦床超大規模成礦作用中,需要大量的硫促使硫化物從硅酸鹽熔體中熔離。巖漿快速冷卻和巖漿混合在理論上是完全可行的,但相關巖漿過程的地質實際較少。巖漿分離結晶作用可促使硫飽和,但易使成礦金屬分散,難以形成品位較高的礦床,如美國的Stillwater礦床和Du-luth鉑族金屬礦床。

《3.3 超大規模成礦的構造環境因素》

3.3 超大規模成礦的構造環境因素

超大型Ni-Cu-PGE硫化物礦床的形成一般需要下列關鍵因素:富Mg巖漿,大陸地殼環境,圍巖中的硫源,同期巖體存在親銅元素虧損,與圍巖相互反應和巖漿通道 [3,4] 。在構造環境上超大型Ni-Cu硫化物礦床主要形成于裂谷、地幔柱等張性環境中[6,55] 。成礦巖漿通道系統是Ni-Cu-PGE硫化物礦床形成聚集的重要環境。例如,Noril’sk-Talnakh、Voisey’s Bay 等礦床均發現于較小的通道型巖體中[7 ,49] 。在不同構造控制的部位形成的巖體形態各異 [31] 。

《4 巖漿流體揮發分與成礦作用》

4 巖漿流體揮發分與成礦作用

現有巖漿硫化物礦床成礦理論建立在硅酸鹽巖漿溶解成礦金屬、硫化物熔離富集成礦的基礎上,受成礦金屬元素和硫在幔源硅酸鹽巖漿中溶解度的限制 [14~16,21,42] ,需要大規模的巖漿才足以聚集巨量的成礦物質,即超大型巖漿硫化物礦床的形成要求大型(層狀)巖體或通道巖體。由于成礦巖漿硫飽和、硫化物熔離富集成礦金屬在地殼巖漿房不難實現,所以小規模巖漿作用(即小巖體)能否形成超大型礦床的關鍵問題和必要條件是巨量成礦金屬元素聚集的可能性。地幔條件下超臨界流體(特別是CO2 )對金屬元素(特別是納米級金屬元素)的超強搬運能力提供了成礦潛在的可能性 [10~12,56] 。

地幔部分熔融形成巖漿的過程中流體揮發分的助熔作用得到模擬實驗的證實和廣泛認同,近年來的實踐觀察和實驗確認流體揮發分對成礦金屬元素具有淋濾、遷移和聚集作用 [10~13,56] 。

《4.1 巖漿流體揮發分對金屬元素的遷移富集》

4.1 巖漿流體揮發分對金屬元素的遷移富集

現有成礦金屬元素氣液遷移實驗研究側重于水熱溶液及固-液反應 [57] ,對氣相遷移的研究較少。許多金屬元素的遷移、富集和成礦過程中氣相(特別是超臨界流體)起著重要作用。地幔排氣、巖漿去氣、火山噴氣及海底噴流中的各種地球內部流體揮發分是元素遷移和富集的重要介質 [58~60] 。在火山噴氣和巖漿礦床的氣體包裹體中保留著金屬元素氣相遷移的痕跡。

很多金屬和金屬絡合物在巖漿條件下呈高揮發性氣相運移,親銅元素及Au、Ir和Pt等貴金屬元素高度富集于火山氣體和海底噴流中 [10,11,61~63] 。隨著巖漿成分與溫度的不同,火山噴氣中金屬元素的濃度變化很大,約×10-9 ~×10-6 [57,62,64,65] 。玄武質巖漿(尤其是堿性玄武質巖漿)噴氣中Cu、Zn、Pb、As、Ag和Au的濃度較高。深部來源的高溫火山氣體攜帶的大量金屬元素,隨溫度降低在火山噴氣孔及附近析凝為固態的礦物集合體(升華殼)和凝結水,其中富集Cu、Pb、Ag和Au等多種成礦金屬 [59,62,64,66] 。例如,從夏威夷Kilauea火山噴氣的凝結物中檢測到Co、V、Cr、Cu、Au、Ag、In、Re 和 Ir 等 元 素 ,Kilauea 火山氣相中PGE Ir的高富集與該區玄武質巖漿的深部來源及噴氣的高F、Cl含量有關 [61,67] 。凝結物中Cu等元素相對于母巖漿具很高的富集因子(即富集系數=凝結物元素濃度/母巖漿元素濃度),如 Cu 為 10~102 ,Zn、W、Ir 和 Ag 為 102 ~105 ,Au、Cd、Re和S則高于105 ,且最高富集因子見于最富氣體的噴發期內 [67] 。印度尼西亞Merapi火山液態的凝結水中Ni、Cr、Sb、Cu、Pb的富集因子為5~35 [68] 。

金屬呈簡單氯化物、氟化物、硫化物、含氧酸鹽及原子遷移的理論假設低估了氣體搬運金屬的能力,基于實驗數據的熱力學模擬計算表明,水熱氣相可運移足夠的成礦金屬以形成具有經濟價值的淺成熱液型和斑巖型礦床 [56,69,70] 。某些斑巖型Cu-Au礦床的富氣體包裹體比共存的鹽水包裹體更富集Cu和Au[69,71] 。如,Grasberg斑巖銅礦床中富氣相包裹體的Cu和Au含量平均為1.2 %和10.17 ppm,而共存的鹽水(液相)包裹體的Cu和Au平均含量為0.3 %和0.26 ppm[71] 。

流體揮發分在地球分異過程中對親銅元素在硅酸鹽和硫化物熔體間的分異具有重要影響 [16,72] 。金屬元素在蒸汽相中的溶解實驗研究表明Cu、Au和As等元素在富含硫的巖漿流體相分離時優先進入蒸汽相 [70] 。

火山噴氣的凝結物中高濃度的Cu、Zn、Pb、As、Ag和Au,以及斑巖型礦床中低密度流體包裹體(蒸氣相)中硫化物礦物的存在,預示著這些金屬元素可能是以氣相搬運的。

《4.2 地幔環境流體揮發分對金屬的搬運作用》

4.2 地幔環境流體揮發分對金屬的搬運作用

地幔條件下超臨界流體對Cu、Ni和PGE(特別是納米級PGE)的搬運聚集具有重要的作用。超臨界CO2 流體對Cu、Ni和Au等金屬的溶解、搬運能力巨大,并在適當的環境下富集 [9,12,13,59,70,73~75] 。例如,Cu在巖漿氣相中的濃度比共存熔體中高幾百倍[67,73] 。

地幔捕虜體普遍存在Cu、Ni和PGE合金或微粒,南非Bushveld雜巖Merenskey礦層橄欖石、鉻鐵礦及金屬硫化物中發現直徑<100 nm 的 Cu、Ni 和PGE 的微粒包體[76,77] ,揭示金屬元素以微?;蚴╟lusters)的形式通過幔源巖漿而遷移 [78] ,表明Cu、Ni和PGE在地球深部超臨界態地幔流體上涌過程中被淋濾、搬運大量注入成礦系統,為成礦作用的持續進行和巨量成礦元素堆積提供了有利條件。由此可見超臨界流體對金屬成礦物質的搬運與聚集對超大型礦床的形成具有重要的意義。

流體化學組成、硫的含量對巖漿的氧化還原狀態和硫飽和具有重要的影響 [79] 。Cu、Ag和Au在硅酸鹽熔體+蒸汽+鹵水±礦物(磁鐵礦±磁黃鐵礦)體系中的分配系數在無硫和含硫體系中有較大差別,含硫體系明顯較高 [80] 。Lowenstern [74] 認為含有CO2的巖漿流體在中-上地殼環境下普遍存在不混溶現象。Au在富硫巖漿流體相分離時優先進入蒸汽相,因此CO2 的存在對成礦流體中Au的再分配與富集具有重要的作用。

《4.3 巖漿Ni-Cu硫化物礦床中流體的作用》

4.3 巖漿Ni-Cu硫化物礦床中流體的作用

Ni-Cu-PGE硫化物礦床成礦巖漿體系中流體的化學組成隨構造環境不同有所差異 [81~84] ??死ōh境的金川Ni-Cu-PGE硫化物礦床成礦巖漿流體主要由CO2 和SO2 組成,稀有氣體同位素表明成礦巖漿起源于地幔來源的流體與殼源流體混合的環境,演化過程中混入大氣來源再循環組分 [85] 。中亞造山帶新疆北部喀拉通克和東天山Ni-Cu-PGE硫化物礦床成礦巖漿流體揮發分以 H2O 為主(平均為92 %),其次為CO2 、H2 、H2S和SO2 ,成礦巖漿流體主要以H2 (黃山)、H2O(喀拉通克)為主,橄欖石和輝石中高的H2 和H2O揮發分相表明大量流體可能與再循環板片脫水相關 [81,83] 。地幔柱大火成巖省巖漿Ni-Cu硫化物礦床成礦巖漿流體主要由H2O、CO2 和SO2組成 [82,84] 。

中亞造山帶喀拉通克硫化物礦床中CO2 與成礦金屬Cu和Ni含量呈正比 [81] (圖2a、圖2b),地幔柱大火成巖省朱布Ni-Cu硫化物礦床CO2 與成礦金屬Cu和Ni含量沒有相關性(圖2c、圖2d)。結果表明造山帶環境成礦巖漿體系中高溫高壓下超臨界態的CO2參與搬運與聚集金屬成礦物質,可能是大量的Cu和Ni等金屬聚集的關鍵因素;但地幔柱大規模成礦巖漿體系中Cu和Ni等金屬聚集可能與流體揮發分關系不明顯。

《圖2》

圖2 喀拉通克和朱布Ni-Cu硫化物礦床CO2 與Cu和Ni含量相關圖(數據來自文獻[83,84]

Fig. 2 The correlation diagram of CO2 vs. Cu and Ni contents in Karatongke and Zhubu Ni-Cu sulfide deposits (data from Ref. [83,84])

俄羅斯Dovyren層狀雜巖體中含有浸染狀硫化物,流體包裹體中CH4 和H2 等含量峰與PGE和Au層位一致 [86] 。Sudbury雜巖體中接觸帶型Cu-PGE-Au礦床以CH4 為主要成分的碳氫化合物對成礦金屬元素起搬運作用,Cu、Au、B和Ag在CH4 包裹體與鹵水包裹體中的分配系數遠大于Na、Ca、Fe、Mn、Zn和Pb在兩相中的分配系數,兩種流體發生不混溶時,碳氫化合物流體中更富集成礦金屬。碳氫化合物等貧水揮發分從硫化物熔體中的出溶最終決定了Au和PGE在成礦系統中的分配。足夠證據表明巖漿礦床成礦巖漿起源于流體富集的地幔源區 [23] 。

《5 結語》

5 結語

1)超大型巖漿Ni-Cu-PGE硫化物礦床的形成取決于地幔巖漿作用中Ni、Cu和PGE元素在成礦巖漿中的聚集數量以及巖漿演化過程中硫飽和與硫化物熔離的程度。高度部分熔融和流體對成礦金屬的運移富集具有重要作用。

2)大規模的高度部分熔融(高Mg)促使地幔硫化物及橄欖石中巨量的Ni和PGE進入巖漿、硫化物熔離聚集形成大型層狀(或通道)巖體賦存的超大型Ni-Cu-PGE硫化物礦床。

3)地幔超臨界流體可能大范圍內搬運聚集大量Ni-PGE金屬元素,對巖漿硫化物礦床成礦可能有重要貢獻,是小規模巖漿(小巖體)成礦的可能機制。

致謝:特將本文獻給湯中立教授從事地質工作60年暨80華誕。李文淵和張銘杰攜同事和弟子祝賀湯中立院士80華誕,感謝湯老師多年來的指導與關懷。在本文完成過程中Chusi Li、焦建剛、張照偉及匿名評審專家等給予了指導和幫助,在此表示衷心的感謝。