加拿大萨德伯里奈恩(Nairn)铜多金属矿地球化学特征及意义

贾润幸，张汉城，张文山，高军辉

(1.有色金属矿产地质调查中心，北京 100012;2.中色金地资源科技有限公司，北京 100012)

岩浆铜镍硫化物矿床是一种重要的金属矿床类型，前人对其已进行了大量的研究(汤中立，1982，2002，2004;朱文凤等，2000;惠卫东等，2001; Barnes，2004;Yakubchuk et al.，2004;Cawthorn，2005;Sindern et al.，2007;Eckstrand et al.，2007; Ernst，2007;Seat et al.，2007;Ripley et al.，2007)。超大(巨)型Ni－Cu(Pt)岩浆硫化物矿床按照地质定位条件和特征划分为5种重要类型:元古宙与古陨石坑有关的苏长岩 －辉长岩型矿床(如 Sudbury);元古宙与大陆边缘裂解有关的小侵入体矿床(如金川);显生宙大陆裂谷有关的相当于溢流玄武岩的侵入体矿床(如Noril’sk);太古宙绿岩带与科马提岩有关的矿床(如Agnew);早元古代大陆层状侵入杂岩体中硫化物与铂族元素(如Bushveld)(汤中立，2002)。近些年在加拿大安大略省萨德伯里(Sudbury)镍铜矿集区的外围已先后发现了多处中－小型铜镍矿床或矿化点，如位于其西北方向的莎士比亚(shakespeare)铜镍矿床等(MICON，2006)，该区外围有望成为下一步找矿热点。奈恩(Nairn)工作区位于萨德伯里(Sudbury)镍铜矿集区南西方向约50km处，本文着重从岩(矿)石的矿物组合特征和地球化学特征对奈恩(Nairn)工作区两种类型的矿(化)体进行研究，初步探讨了两种矿(化)体之间的空间分布规律和成因联系，目的在于为该地区的进一步找矿工作提供理论依据。

1 工作区域地质概况

工作区大地构造位置位于苏必利尔克拉通南缘元古代活动带内，区内出露地层和岩体为早元古代休伦超群和萨德伯里基性岩浆杂岩组成。早元古代休伦超群为一套浊积岩沉积，从早到晚岩性分布大致为杂砾岩－杂砂岩－长石砂岩－石英岩等，在矿区出露的较广，岩石中节理发育，其中可见晚期发育的石英脉。区内出露的萨德伯里岩浆杂岩主要为变质基性辉长岩，呈岩墙、岩枝状侵入于休伦超群地层中，岩墙整体走向为北东向，与北东向区域构造线方向一致，近南北向构造发育(图1)。工作区内的矿化类型可划分两类:①产于辉长岩中的铜镍矿化，矿石呈浸染状构造，主要金属硫化物有磁黄铁矿、黄铜矿和镍黄铁矿等(如Ⅰ－1和Ⅰ－2矿化点);②产于石英角砾岩中的铜矿化，矿石呈角砾状构造，硅化强烈，主要金属硫化物为黄铜矿和少量的磁黄铁矿等(如Ⅱ－1矿化点)。

2 样品采集与分析

为研究本区不同岩(矿)石的地球化学特征，分别对本区具代表性的岩(矿)石进行了样品采集，同时采集了少数萨德伯里的岩(矿)石样品以便进行对比。岩(矿)石样品主要为未氧化的原生矿石，磨制电子探针片后，除留岩石标本，其余粉碎至200目后送至核工业地质分析测试研究中心对其进行主量元素和微量元素的分析，主量元素采用X荧光光谱分析方法，微量元素采用等离子质谱分析方法(ICPMS)(Jia et al，2010)。样品类型及分析结果见表1。

3 岩(矿)石矿物组构及地球化学特征

3.1 岩矿石矿物组构特征

变质辉长岩:块状构造、辉长结构，岩石蚀变强烈，辉石多纤闪石化而呈其假象。主要由中长石(35%～40%)，透闪石(35%～45%)、绿帘石(5%～10%)绿泥石(5%)和其它少量的钛铁矿、榍石、黄铜矿、磁黄铁矿等。

Cu－Ni矿石:浸染状构造、辉长结构，岩石蚀变强烈，辉石等暗色矿物全部为透闪石交代，呈假像产出，长石部分绿帘石化，岩石中脉石矿物主要由中长石(30% ～35%)、透闪石(30% ～35%)、绿帘石(10%)、绿泥石(5%～10%)组成，金属矿物主要有磁黄铁矿(8%～15%)、黄铁矿(2%～5%)、黄铜矿(1%～3%)和其它少量的钛磁铁矿、榍石等(图2－A1～A3)。

图1 加拿大萨德伯里奈恩(Nairn)铜镍矿区地质略图Fig.1 Geological sketch map of the Nairn，Sudbury copper nickel deposit in Ontario province，Canada1－变质辉长岩;2－复成分砾岩、杂砂质基质;3－石英杂砂岩;4－矿化点;5－断层1－metagabbro;2－polymictic conglomerate，greywacke matrix;3－quartz greywacke;4－mine occurrence;5－fault

图2 加拿大萨德伯里奈恩矿区不同岩(矿石)露头及其矿物组构特征Fig.2 Photos showing outcrops and mineral compositions of different rocks(ores)in the Nairn，Sudbury copper nickel deposit in Ontario Province，CanadaA－1:N1样品采集的铜镍硫化物矿露头;A－2:N1样品中辉石多透闪石化(正交光);A－3:N1样品中的金属硫化物主要为磁黄铁矿、黄铜矿和黄铁矿(反光);B－1:N13样品采集的铜矿化石英角砾岩露头;B－2:N13样品主要由石英和绢云母等泥质胶结物组成(单光);B－3:N13样品中黄铜矿沿石英裂隙充填分布(反光);C－1:N7样品采集的石英杂砂岩露头;C－2:N7样品主要由石英和鳞片状云母等泥质胶结物组成(单光);C－3:N7样品主要由石英和鳞片状云母等泥质胶结物组成(正交光)A－1:Sample N1 from the outcrop of Cu－Ni sulfides in Nairn area;A－2:Pyroxene was mainly replaced by tremolite in sample N1 (crossed nicols);A－3:The sulfides are mainly composed of pyrrhotite，chalcopyrite and pyrite in sample N1(reflected light);B－1: Sample N13 from the outcrop of quartz breccia with copper mineralization;B－2:Sample 13 are mainly composed of quartz，sericite and other argillaceous cements(single nicol);B－3:Chalcopyrite filled in the cranny of quartz in sample N13(reflected light);C－1:Sample N7 from the outcrop of quartz graywacke;C－2:Sample N7 are mainly composed of quartz，scalelike mica and other argillaceous cements(single nicol);C－3:Sample N7 are mainly composed of quartz，scalelike mica and other argillaceous cements(crossed nicols)

铜矿化角砾岩:角砾状构造、砂砾状结构，含石英岩，长英质硅质岩，千枚岩，粉砂岩等砾石。砾石粒度多在0.5～3 mm之间，中含均匀细粒浸染状黄铜矿和磁黄铁矿，砂砾粒度0.1 mm左右，其它为隐晶状长英岩，绢云母以及细粒金属硫化物。其中石英(30%～35%)，绿泥石(5%～10%)，绢云母(5%～10%)，长英质基质(45% ～55%)，金属硫化物(2%～5%)(图2－B1～B3)。

石英杂砂岩:变余砂状结构，岩石主要由石英砾石(50%～70%)、长石砂粒(10%)及绿泥石(10%～15%)、白云母(15%)、黑云母(5%～15%)等泥质胶结物及少量的少量锆石，褐铁矿、金红石、黄铁矿等组成(图2－C1～C3)。

3.2 主量元素

从表1和图3－A中可以看出，奈恩(Nairn)变质辉长岩中的SiO2、Al2O3、CaO、Na2O、K2O平均含量明显高于矿化辉长岩中对应的主量元素平均含量，而矿化辉长岩中的Fe2O3+FeO平均含量明显高于前者，这主要与矿化辉长岩中含有大量的金属硫化物有关。从图3－B中可以看出，奈恩(Nairn)矿化角砾岩与本区石英杂砂岩中的 SiO2、Al2O3、FeO、MgO、TiO2的平均含量基本一致，表明矿化角砾岩的原岩应主要为石英杂砂岩。同时，矿化角砾岩中的Fe2O3、Na2O平均含量高于石英杂砂岩，而CaO和K2O的平均含量低于后者，这主要与角砾岩矿化蚀变有关。

续表

3.3 不相容元素

采用原始地幔(Sun et al.，1989)对本区不同岩(矿)石进行标准化配分(图4)，从图4可看出，不同岩(矿)石中不相容元素分异明显，具有相似的变化趋势。除S6样品外，其余样品均具有富集Th－Zr－Hf而相对亏损Nb－Ta等高场强元素，富集Rb－UPb而相对亏损Ba－P－Ti等大离子亲石元素。S6样品之所以有别于其它样品主要与其强烈的硅化有关。

3.4 稀土元素

图3 不同岩(矿)石中平均主量元素含量变化曲线图Fig.3 Diagrams showing variation of averaged major elements for different rocks(ores)in the Nairn deposit

图4 不同岩(矿)石中不相容元素原始地幔配分蜘蛛图Fig.4 Spider diagrams of incompatible elements normalized by primitive mantle for different rocks(ores)in the Nairn deposit

采用球粒陨石(王中刚等，1989)为标准对本区不同矿体矿石作稀土配分曲线土图(图5)。从稀土元素的特征来看(表1，图5)，本区不同类型岩(矿)石中的稀土元素特征具有一定的相似性，均相对富集轻稀土，轻稀土元素分馏程度明显而重稀土元素分馏程度不明显;铈异常不明显，而铕异常变化较大，总体上表现为负异常，表明本区的成矿物质来源具有一定的相似性。

3.5 共伴生组分

从图6中可以看出，奈恩(Nairn)矿区Cu－Ni矿石中Ni、Cu的平均含量分别为4093×10－6和3551× 10－6，萨德伯里(Sudbury)矿床中的铜镍矿石中Ni、Cu的平均含量分别为6969×10－6和21287×10－6，同时两者Co、V、Cr、Zn的平均含量多大于100×10－6;奈恩(Nairn)矿区矿化石英角砾岩Ni、Cu的平均含量分别为171×10－6和10353×10－6，Co、Cr、Zn的平均含量多大于100×10－6;萨德伯里(Sudbury)矿床矿化石英角砾岩Ni、Cu的平均含量分别为1017×10－6和6976×10－6，仅有Cr含量大于100×10－6。上述特征表明与辉长岩有关的矿石Ni、Cu等元素的含量都较高，而与石英角砾岩有关的矿石中Ni含量相对较低，反映出两者成矿过程中存在一定的差异。

4 讨论

4.1 成矿物质来源

研究表明(Ames et al，2007)，萨德伯里地区先后经历的构造热事件主要有:Blezardian造山运动时的尼普森(Nipissing)辉长岩浆侵入(～2.22 Ga)、Penokean造山运动时陨石撞击 (1.85Ga)、Mazatzal/ Yavapai造山运动 Eden/Cutler岩浆侵入(～1.75 Ga)、格林威尔(Grenville)造山期辉绿岩株侵入(0.59Ga)。萨德伯里铜镍矿的形成主要与18.50亿年前的陨石撞击有关，共形成超过77个Ni－Cu－铂族矿床，总矿石量达1500百万吨，Ni和Cu平均品位均为1%，Pt+Pd含量达1g/t。这些矿床根据其相互关联的生成环境，可划分为三种主要的矿床类型:接触带矿床、岩枝矿床(OffSet)矿床和下盘矿床(footwall deposit)，成矿的最大深度超过2000多米。

图6 不同矿石类型中主要有用元素平均含量变化曲线图Fig.6 Diagrams showing variation of the main useful metal elements for different ores in the Nairn deposit

奈恩地区位于萨德伯里矿集区外围西南方向约50 km，区内出露的岩浆岩主要为2.22Ga形成的北东向尼普森(Nipissing)辉长岩墙 (Ames et al， 2007)，从奈恩矿区野外地表考查结果来看，矿区内存在两种矿化类型，一种是与蚀变辉长岩有关的镍、铜矿化，矿化呈稀疏浸染状和稠密浸染状分布，金属矿物主要有磁黄铁矿、黄铁矿、镍黄铁矿、黄铜矿，以及少量的钛磁铁矿、榍石等。另外一种是与蚀变石英杂砂岩有关的铜矿化。从本区不同类型岩(矿)石样品中的微量元素地球化学来看，含矿蚀变辉长岩与含矿蚀变石英杂砂岩中多数样品富集Th－Zr－Hf而相对亏损Nb－Ta等高场强元素，富集Rb－U－Pb而相对亏损Ba－P－Ti等大离子亲石元素;稀土元素均相对富集轻稀土，轻稀土元素分馏程度明显而重稀土元素分馏程度不明显;铈异常不明显，而铕异常变化较大，总体上表现为负异常。上述特征表明奈恩地区与蚀变辉长岩有关的镍、铜矿化和与蚀变石英杂砂岩有关的铜矿化，两者可能来源于同一物源，都与Blezardian造山期尼普森(Nipissing)辉长岩浆的侵入及其后的结晶分异作用有关，早期的高温铜镍硫化物随辉长岩中硅酸盐矿物的结晶而后生成，晚期的含矿热液沿构造产生的断层破碎带迁移并最终充填在构造裂隙中。

从奈恩地区与萨德伯里镍铜矿石的地球化学特征来看，两者主量元素、微量元素和稀土元素的含量变化曲线较为相近，表明它们的成矿物质来源基本相同，都与基性岩浆作用有关。同时，从本区主要构造热事件和时空关系来看，萨德伯里后期的陨石撞击事件所引发的巨大构造岩浆作用对奈恩地区与早期尼普森(Nipissing)辉长岩有关的矿化具有一定的改造和叠加成矿作用。

4.2 找矿方向及靶区定位

在已知老矿山深部及外围找矿工作已成为各国地勘工作者的共识，王京彬等通过对我国二轮找矿实践中提出了矿山整体勘查的新思路，其中外围寻找新类型、新矿种则是一项重要内容(王京彬等，2006)。Reimold等认为世界上很多巨大的陨石撞击构造都具有矿产资源或具有重要经济资源的潜力，一般在5～10 km直径范围内的撞击构造范围可作为潜在的重要经济矿产资源的找矿靶区(Reimold et al，2005)。

在萨德伯里地区，岩枝型矿床(offset)主要赋存在放射状或同轴状的“石英闪长岩”岩枝中，这些岩枝代表了撞击熔融物冷却后的早期阶段，目前在距萨德伯里火成杂岩(SIC)最远超过7公里的沃辛顿(Worthington)岩枝中已发现具有经济价值的托腾(Totten)矿床(Ames et al，2007)。所以，在靠近萨德伯里的外围地区，寻找岩枝型矿床将是值得注意的重要找矿方向。

近些年随着萨德伯里外围勘查范围的不断扩大，加拿大大熊星座大矿业(Ursa Major)公司在奈恩(Nairn)矿区西部新发现了与尼普森岩墙有关的莎士比亚铜－镍－铂族矿床，该矿床主要产于尼普森镁铁质侵入岩与米西萨吉(Mississagi)组石英岩的接触带(MICON，2006)。上述信息表明，与莎士比亚铜－镍－铂族矿床处于同一构造背景和成矿条件之下的奈恩地区同样具有进一步的找矿潜力。汤中立在研究金川铜镍矿时，把这种与铁质超基性岩墙有关的岩浆熔离型硫化铜镍矿床按照成矿作用的不同划分熔离型底部矿床，熔离型上部矿体，贯入式矿体和接触式矿体(汤中立，1982)。奈恩矿区的成矿类型显然具有接触式矿体的特征，两种矿化露头都靠近辉长岩墙与上伏围岩的接触部位，所以参照莎士比亚矿床的成矿模式，在奈恩矿区辉长岩墙与上伏围岩的接触部位，特别是构造发育或相互交汇处将为最有利的成矿部位。

5 结论

(1)本区矿化类型可划分为两种类型:一种为产于辉长岩中的铜镍矿化，另一种为产于石英角砾岩中的铜矿化;两种矿石类型具有相似的地球化学特征，表明铜镍矿化和铜矿化为同一物源;

(2)两种矿化类型主要与中－基性岩浆的结晶分异作用有关，早期的高温铜镍硫化物随辉长岩中硅酸盐矿物的结晶而后生成，晚期的含矿热液沿构造产生的断层破碎带迁移并最终充填在构造裂隙中。

(3)从奈恩矿区成矿特征来看，本区辉长岩墙与上伏围岩的接触部位，特别是构造发育或相互交汇处将为最有利的成矿部位。

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