張照偉，李文淵，高永寶

(國土資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室，西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

1 項目背景與研究意義

歐亞大陸產(chǎn)出兩例超大型巖漿Ni-Cu-PGE礦床，一例是產(chǎn)于西伯利亞穩(wěn)定克拉通西北緣的俄羅斯諾里爾斯克礦床，另一例就是位于中朝克拉通西南緣的中國金川礦床。這兩例超大型礦床對世界鎳金屬礦業(yè)格局構(gòu)成了重要影響，是世界硫化鎳金屬的主要產(chǎn)地之一。隨著勘查技術(shù)的進步和地質(zhì)認識的提高，近十余年來世界上幾乎所有的超大型巖漿Ni-Cu-PGE礦床外圍均有新的礦床被發(fā)現(xiàn)，儲量在不斷增加。但金川礦床自1958年發(fā)現(xiàn)以來，近50年來勘查工作在其外圍龍首山鎂鐵-超鎂鐵巖帶再無新的礦床發(fā)現(xiàn)，金川礦床本身除在勘探剖面之間礦山開采中發(fā)現(xiàn)未控制的塊狀特富礦體，而使鎳、銅金屬儲量有所增加外，在深部也并未發(fā)現(xiàn)新的重要礦體。金川礦床鎳金屬儲量已由世界第二大巖漿鎳硫化物礦床，降為第三位，位于加拿大的薩德伯里(Sudbury)和俄羅斯的諾里爾斯克(Noril’sk)礦床之后[1]。這是一個令人困惑的問題，是金川礦床果真如人們所講的“獨生子”呢，還是勘查認識上的偏差未能有效發(fā)現(xiàn)新的礦床？近十余年來的進一步勘查選區(qū)研究和局部勘查驗證工作仍未做出明確回答。運用現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)的認識，與板塊構(gòu)造關(guān)系不大的巖漿Ni-Cu-PGE礦床，愈來愈多的研究表明其成礦物質(zhì)來源和成礦動力是地幔柱作用，特別是大規(guī)模巖漿事件和親地核、下地幔的Ni、Co等金屬元素的超常富集是超級地幔柱作用的結(jié)果。這個超級地幔柱起源于核幔邊界的“D”層，是地殼演化早期殼幔物質(zhì)交換的主要作用方式，并貫穿于地球的整個演化過程[2]。所以，一些學(xué)者認為通過判定幔源鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖的形成演化和成生類型，已成為解決具有重要工業(yè)價值巖漿Ni-Cu-PGE礦床成礦和找礦問題的主要研究內(nèi)容，而且已經(jīng)認為與地幔柱有關(guān)的幔源鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖可能是形成大規(guī)模巖漿Ni-Cu-PGE礦床的主要母巖，除了太古宙噴出的科馬提巖直接成礦外，元古宙以來以層狀侵入體成礦為典型特征，并伴有大量噴發(fā)的大陸溢流玄武巖(CFB)，表現(xiàn)為大陸內(nèi)部大火成巖省(LIPs)的特點[3-4]。

因此，金川超大型礦床作為前寒武紀幔源金屬元素的異常聚集體，決不可能是孤立的成礦作用產(chǎn)物，而應(yīng)是一個重要的殼幔物質(zhì)交換地質(zhì)事件的結(jié)果。這種結(jié)果不可能是一個孤立的點上的富集，應(yīng)是一個重要地質(zhì)事件重要巖漿活動范圍多個點上富集被偶然發(fā)現(xiàn)的一個表現(xiàn)?，F(xiàn)在問題的關(guān)鍵是，由于多期重大構(gòu)造改造，現(xiàn)殘存地質(zhì)遺跡已不可能恢復(fù)其內(nèi)含成礦作用地質(zhì)事件的全貌。

2 取得的研究進展與成果

祁連-龍首山大火成巖省與金川型銅鎳礦關(guān)系研究本身就是一個很大的研究命題，即便金川銅鎳礦床是新元古代大規(guī)模的巖漿成礦地質(zhì)事件的結(jié)果，與之同期的基底和巖體多已剝蝕殆盡，要恢復(fù)當時的構(gòu)造巖漿狀貌相當困難。在以往研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過兩年多的工作，結(jié)合最新研究認識，得出該研究項目的階段性進展與成果。

2.1 提出世界級金川超大型巖漿銅鎳硫化物礦床是元古宙重大地質(zhì)事件的產(chǎn)物

借鑒近年來地幔柱學(xué)說和世界上大型—超大型巖漿銅鎳硫化物礦床的最新研究成果，認為賦存于1 km3超鎂鐵質(zhì)巖內(nèi)儲量達鎳560萬噸、銅389萬噸、鉑族金屬200噸的金川礦床，要聚集如此巨量的鎳金屬，應(yīng)該存在大規(guī)模的巖漿作用。金川銅鎳礦床位于華北古陸阿拉善陸塊西南緣龍首山隆起中。龍首山隆起南鄰早古生代祁連造山帶的河西走廊山前沉降帶，北接中—新生代的潮水盆地。大地電磁測深(MT)結(jié)果表明，以往認為是金川含礦巖體導(dǎo)巖構(gòu)造的龍首山北緣F1大斷裂，實際是10 km深處向南收斂的電性薄層，是中生代印支期陸內(nèi)造山作用逆沖構(gòu)造的界面，龍首山是一自南而北被推覆拼貼在阿拉善地塊上的構(gòu)造巖片，龍首山南北界斷層是巖片的頂?shù)捉缑?。金川含礦巖體及其外圍龍首山鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體均作為構(gòu)造巖片的地質(zhì)組成至少于10 km深處被推向地殼淺部，經(jīng)風(fēng)化剝蝕而出露于地表。因此，巖體的空間形態(tài)是被改變了的，是最易于就位的層狀或似層狀巖體逆時針旋轉(zhuǎn)而成陡傾斜，表現(xiàn)為現(xiàn)在向西南傾斜的板狀或透鏡狀。金川礦床決不是一個孤立的地質(zhì)現(xiàn)象，而是一期大規(guī)模殼幔物質(zhì)交換作用的表現(xiàn)，可能是大火成巖省(LIPs)的產(chǎn)物。由于金川成礦事件形成于元古宙，目前祁連-龍首山地區(qū)古老地塊的鑲嵌現(xiàn)狀并不代表成巖成礦期的拼貼狀貌，加之后期造山作用的影響，致使大部分噴出巖和部分侵入巖體剝蝕殆盡，金川巖體外圍茅草泉、塔馬子溝等巖體和北祁連朱龍關(guān)群、北秦嶺熊耳群大陸溢流玄武巖等，可能為金川巖漿事件殘存的侵入巖和噴出巖。

2.2 獲得金川礦床含礦巖體新元古代的年齡信息

獲得金川礦床二輝橄欖巖的ID-TIMS鋯石U-Pb年齡( 831.8±0.6 Ma)，與金川超鎂鐵質(zhì)巖體的鋯石 LA-ICP-MS U-Pb年齡(807.3±3.7 Ma)和SHRIMP U-Pb 年齡(827±8 Ma)相近[5-7]。同時較相對切穿金川超鎂鐵質(zhì)侵入體的閃長巖脈828±3 Ma年齡要早[7]，金川礦床的成巖成礦時代應(yīng)為新元古代。金川礦床橄欖石、輝石和硫化物中He、Ne、Ar豐度和同位素組成顯示，具有地幔、地殼和大氣來源組分混合的特征，表明較高比例的混染地殼流體組分可能在深部巖漿房橄欖石結(jié)晶初期就已混入成礦巖漿中，且在巖漿結(jié)晶過程中持續(xù)加入，硫化物熔體的分離發(fā)生在巖漿分異的早期。金川含礦巖體整體以二輝橄欖巖為主體，其次為純橄巖、斜長二輝橄欖巖和橄欖輝石巖。近60%的巖體由不同品位礦體構(gòu)成，從而構(gòu)成了巨大的金屬儲量。因此，成礦的巖體本身是富含已熔離的金屬硫化物液相的。主要證據(jù)是橄欖石虧損Ni，而結(jié)晶早于橄欖石或同時的鉻鐵礦也虧損Ni、Co、Al，相對富集Ti，反映了侵入巖漿結(jié)晶前硫化物液相和硅酸鹽熔體間的不混熔作用的徹底發(fā)生，Ni、Co等金屬元素已優(yōu)先進入硫化物液相，而使隨后最早結(jié)晶的鉻鐵礦、橄欖石Ni、Co虧損，Ti富集可能示蹤了原始巖漿的特點，是來源于深部較高溫度的一種部分熔融的巖漿。

2.3 金川含礦巖體所在的龍首山鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖帶，通過LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡測定，發(fā)現(xiàn)至少存在兩期成巖作用

中段金川、茅草泉等巖體形成于新元古代，獲得茅草泉暗色角閃輝長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡833.8±4.0 Ma，Sr-Nd-Pb同位素和地球化學(xué)特征表明巖漿來自于富集地幔；西段藏布臺、青井子等巖體形成于古元古代，獲得藏布臺輝長輝綠巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡1 855±48 Ma，Sr-Nd-Pb同位素和地球化學(xué)特征表明巖漿來自于虧損地幔。對金川礦區(qū)侵入龍首山群的紅色碎裂正長花崗巖進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡研究，獲得了2 116±61 Ma、2 257±43 Ma、2 385±41 Ma 3個捕獲鋯石年齡，確定巖體形成年齡為1 834±37 Ma ，并證實了北祁連碰撞造山熱事件于早古生代晚期(380±9 Ma～407±6 Ma)對龍首山地塊存在影響。巖石化學(xué)成分以貧堿、低鋁為特點，REE表現(xiàn)為LREE富集。金川巖體巖石化學(xué)成分投圖落入拉斑玄武系列(TH)的F-M邊緣，與國外科馬提巖的分布位置相似。硫化物礦體礦石δ34S值為-0.05‰～+2.53‰，不同礦石間沒有明顯分餾，顯示地幔硫源的特征。礦床Ni/Cu值較低，平均1.46。與國外玄武巖質(zhì)巖石類型的礦床接近，這類礦床Ni/Cu值多在0.5～1.5之間，與科馬提巖類型的礦床差別較大，太古宙溢流科馬提巖Ni/Cu值可達60以上。(Pt+Pd)/(Os+Ir+Ru)值為7.17，低于Sudbury礦床的13.05～12.7，又顯著高于太古宙的科馬提巖類型礦床的0.31～0.36。

2.4 金川礦床的深部過程

以往的研究中，金川巖體超鎂鐵質(zhì)的巖石特點一直是研究者關(guān)注的焦點。形成金川含礦巖體的巖漿是基性巖漿，還是超基性巖漿？爭論的結(jié)果，大家普遍認為是基性巖漿，或確定為偏基性的苦橄質(zhì)拉斑玄武巖漿系列，也即金川巖體是基性巖漿演化分異形成的超基性巖漿結(jié)晶的產(chǎn)物。而基性巖漿要演化形成超基性巖漿，主要是長英質(zhì)成分的移離，使鎂鐵質(zhì)成分相對增高所致。從板內(nèi)大規(guī)模巖漿作用主要是地幔柱作用結(jié)果的認識出發(fā)，元古宙(中元古代/新元古代？傾向于新元古代)超級地幔柱作用產(chǎn)生的拉斑玄武質(zhì)巖漿，上侵中遭受巖石圈的混染，在深部巖漿房使硫逸度降低，硫產(chǎn)生過飽和而不混溶形成硫化物液滴，通過重力分異，深部巖漿房上部巖漿由于橄欖石結(jié)晶下沉，基性程度降低、質(zhì)量變輕，有合適噴出的條件則快速噴溢于地表形成大陸溢流玄武巖(CFB)，由于后期的造山作用多已剝蝕殆盡，造山帶中CFB殘存下來的很少，噴出管道則形成大量的基性巖墻群，也由于后期構(gòu)造改造，空間位置亦遭受很大的變化。剩余的巖漿應(yīng)為富含硫化物液相的偏基性巖漿，在地殼擠壓應(yīng)力環(huán)境下，上侵到地殼淺部形成規(guī)模不大的似層狀巖漿房，并進一步分異和不混溶作用，形成賦礦巖體。這期間巖漿的上侵應(yīng)該是多期次，也應(yīng)該有多個就位的巖漿房。當然多期次的巖漿上侵，成分肯定有所變化。

2.5 與金川銅鎳礦非同期巖漿事件的化隆鎂鐵-超美鐵質(zhì)侵入巖可能與弧巖漿作用相關(guān)

研究表明祁連山化隆-日月山鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖帶形成于早古生代，分別獲得東段亞曲輝石巖和西段裕龍溝角閃輝石巖的ID-TIMS鋯石U-Pb年齡為440.74 ± 0.33 Ma和442.4 ± 1.6 Ma。巖體主要為輝石巖、輝長巖及橄欖巖等，蝕變強烈，且多已角閃石化。裕龍溝、拉水峽、亞曲以及沙加的Re-Os同位素特征表明，巖帶東段拉水峽銅鎳礦床的Os以幔源為主，γOs為+68.3～+84.6，沙加和西段裕龍溝礦床的Os為殼幔混合來源，沙加的γOs為+222.8～+323.9，裕龍溝的γOs為+123.4～+273.6，而亞曲礦床的Os以殼源(>80%)為主，只有少部分來自地幔，γOs為+1 144.2～+1 604.2?；℃V鐵-超鎂鐵質(zhì)巖帶，北側(cè)以拉脊山南緣逆斷層為界與拉脊山雜巖帶隔開，南側(cè)以青海南山斷裂為界與秦嶺褶皺系毗鄰。亞曲、裕龍溝、拉水峽、乙什春等鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體都不同程度地侵位到化隆群這一套中深變質(zhì)巖系中，且多數(shù)被古、新近系紅層所覆蓋。依據(jù)SiO2含量，拉水峽、裕龍溝為基性巖，下什堂、乙什春為超基性巖，亞曲為中基性巖。拉水峽巖體的m/f為0.5～1.9，平均1.1；裕龍溝m/f為0.8～4.5，平均3.0；亞曲的 m/f為1.0～2.3，平均1.5；下什堂m/f為3.7～4.8，乙什春m/f為1.88～2.69，均屬于鐵質(zhì)系列的鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體。在SiO2-Na2O+K2O圖上，樣品均投影在亞堿性系列區(qū)。在AFM圖解上，除拉水峽個別樣品，均投影于鈣堿性系列區(qū)。稀土元素均具輕稀土富集型特征，顯示明顯的負Eu異常，說明巖漿演化過程中發(fā)生了大量斜長石等的分離結(jié)晶作用。微量元素特征基本一致，總體上顯示出相容元素(如Ni、Cr、Co、V)含量高，不相容元素(如Rb、Ba、Th、U 等)含量低的特點。微量元素蛛網(wǎng)圖中具有Nb、Ta負異常，可能與熱液蝕變和地殼混染有關(guān)。在Nb/Ce-Nb/U 、Nb/Th-Ce/Pb和Th/Yb-Ta/Yb圖上均顯示了明顯的正相關(guān)，表明它們是同源巖漿分異演化的產(chǎn)物。且?guī)r漿演化過程中發(fā)生了一定程度的同化混染作用。但Nb、Ta虧損程度以及∑REE的不同等，說明母巖漿在上升形成各巖體的過程中遭受了不同程度的同化混染作用。

2.6 南祁連化隆地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)侵入巖形成特點與找礦潛力

化隆-日月山鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖帶已知拉水峽、裕龍溝、亞曲和沙加等銅鎳礦床屬巖漿熔離礦床，但遭受熱液作用改造顯著，其中拉水峽礦床最為明顯。礦石中PGE研究表明，拉水峽Os、Ir、Ru、Rh 含量較亞曲要高，拉水峽礦石形成于巖漿熔離早期，為深部熔離礦漿貫入的產(chǎn)物，而亞曲則為深部已發(fā)生硫化物液相熔離的殘余硅酸鹽巖漿上侵后就地熔離而成。熱液改造作用使拉水峽礦石中的Pt、Pd進一步富集?；r帶銅鎳礦床礦石的δ34S值在0.8‰～4.32‰之間，集中分布于0～3 ‰之間，平均2.12 ‰，與正常幔源硫的范圍(0±3 ‰)一致，表明礦石中的硫主要來自地幔[8]。因此，導(dǎo)致S不飽和的可能是富Si組分的同化混染作用。據(jù)夏林圻研究認為，拉脊山奧陶紀火山巖具有島弧鈣堿性火山巖的地球化學(xué)特點，形成于陸間裂谷造山環(huán)境。據(jù)徐學(xué)義研究，南祁連還發(fā)育有奧陶紀基性-超基性巖漿作用，形成橄欖巖-輝石巖-閃長巖雜巖體。同時在拉脊山還存在具俯沖型花崗巖巖石地球化學(xué)特點的巖體，形成時代多介于450～470 Ma之間。區(qū)域地質(zhì)研究表明，本區(qū)在中奧陶世已經(jīng)是俯沖碰撞階段，隨后進入板內(nèi)演化過程，巖帶內(nèi)巖體形成于440 Ma左右，此時不可能為島弧環(huán)境，應(yīng)是碰撞后伸展環(huán)境，其地球化學(xué)特征之所以具有島弧巖漿的某些特征，可能是源區(qū)保留有早期俯沖的洋殼[9]。由上述地球化學(xué)特征可推測其礦床成因，地幔發(fā)生部分熔融產(chǎn)生大量的玄武質(zhì)巖漿，巖石圈碎片的不斷加入，上升的巖漿成分會發(fā)生變化；地殼物質(zhì)(富Si地層)的同化混染使巖漿儲庫中的硫飽和，從而硫化物液相與硅酸鹽巖漿熔融體之間發(fā)生不混溶，于殼幔界線處形成一定規(guī)模的硫不飽和巖漿儲庫；在巖漿分異的早期，發(fā)生硫化物熔體的分離，Ni、Co、Cu、PGE進入硫化物液相中，而使巖漿儲庫上部的基性硅酸鹽巖漿虧損；含硫化物巖漿或礦漿由于構(gòu)造擠壓作用而向上侵入和貫入，形成亞曲、拉水峽、裕龍溝、乙什春、下什堂等礦床，含礦巖漿在上升過程中由于地殼混染程度的不同，致使形成不同品位的銅鎳礦床[10]?？梢?，化隆—日月山鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖帶是祁連山重要的銅鎳成礦帶，具有良好的找礦潛力。

2.7 化隆鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體所侵位的圍巖特點

通過對南祁連化隆群關(guān)藏溝組黑云母片麻巖中碎屑鋯石進行LA-ICP-MS法 U-Pb測年及Hf同位素研究，獲得碎屑鋯石U-Pb年齡為893 Ma與919 Ma兩個峰值，Hf同位素兩階段模式年齡峰值位于1 700～1 900 Ma之間，化隆群黑云石英片巖的Nd同位素T2DM多集中于1 700 Ma，結(jié)合化隆群白云母石英巖1 844±10 Ma的SHRIMP碎屑鋯石U-Pb年齡[11]，認為化隆群形成于中元古代，在新元古代遭受了強烈的構(gòu)造熱事件改造。

3 下一步研究思考

在項目的研究過程中，深感到該研究命題所涉及問題的龐雜性和深厚性，許多深層次的問題限于學(xué)識和能力無力解決或明確，現(xiàn)提出以請教于師長和同仁，也作為進一步可能深入研究的方向。

(1) 導(dǎo)致羅迪尼亞超大陸裂解的超級地幔柱所表現(xiàn)的大火成巖省如果真發(fā)生在新元古代(825 Ma左右)，金川巖漿銅鎳硫化物礦床巨量的金屬聚集則可能是該大火成巖省的最為重要的成礦。但板塊是在時刻運動的，主動上升表現(xiàn)為大火成巖省的地幔柱，無論地球表殼是大陸還是大洋，也不管是華北地塊還是南澳大利亞地臺，地幔柱都要上升，同時產(chǎn)生大規(guī)模巖漿作用并伴隨銅鎳成礦?？梢娖洚敵醭蓭r成礦的復(fù)雜性。對于古地幔柱的識別和判定更為困難，古陸塊經(jīng)過長時間的后期構(gòu)造改造和剝蝕，當初地幔柱作用時表現(xiàn)在地球表殼大火成巖省的那些古老陸塊基底已基本剝蝕殆盡，要恢復(fù)其當初的狀貌根本無法做到。

(2) 本文對祁連-龍首山古陸中LIPs存在認識的提出，還屬于推測性的，尚缺乏地幔柱作用誘發(fā)的大陸溢流玄武巖(CFB)、基性巖墻群(mafic dyke swarm)和層狀侵入體(layered intrusion)三位一體之間實質(zhì)性聯(lián)系的研究，由于祁連-龍首山古陸已后期破裂被卷入到造山帶，與世界上其他著名的LIPs分布于大陸或大陸邊緣不同，殘留的火成巖很可能已支離破碎，其原始位置的恢復(fù)研究相當困難。細節(jié)上藏布太是否為CFB底部的科馬提巖或苦橄巖，基性巖墻群的厘定更需更大范圍的系統(tǒng)研究。

(3)以金川為代表的元古宙重大地質(zhì)事件，不應(yīng)只有金川一處成礦表現(xiàn)。如果真是大火成巖省所引發(fā)大規(guī)模巖漿作用的結(jié)果，類似于金川的成礦表現(xiàn)還應(yīng)很多，只是現(xiàn)在未被發(fā)現(xiàn)。地幔柱所導(dǎo)致的大火成巖省波及的范圍也會很大，巖漿作用也不會只在一個微陸塊上表現(xiàn)，大火成巖省形成后經(jīng)過后期長時間的裂解、匯聚和剝蝕改造，古老陸塊早已面目全非。大火成巖省所表現(xiàn)的巖漿作用與古陸塊的研究是解決尋找金川型銅鎳礦成礦背景的關(guān)鍵，進而研究與金川超鎂鐵質(zhì)巖體同時期同類型的含礦巖體，這些均是未來研究的方向和思考。

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