新疆东天山天宇铜镍硫化物矿床Re-Os 同位素物质来源示踪研究

王亚春，张弘刚，许家玲，杨长江

1.吉林省第一地质调查所，吉林 长春 130033；2.吉林省第四地质调查所，吉林 通化 134001

新疆东天山为我国重要铜镍矿产集中区域，东天山黄山—镜儿泉铜镍成矿带的赋矿岩石为镁铁—超镁铁岩体，在该带分布有土墩、二红洼、香山、黄山、黄山东、黄山南、葫芦图拉尔根和四黑山等镁铁—超镁铁岩体，沿康古尔塔格断裂和次级断裂侵位于石炭系干墩组和梧桐窝子组中，这些岩体高度分异，普遍具有铜镍矿化；现在业已探明黄山、黄山东和图拉尔根为大型矿床，土墩、香山为中型矿床，黄山南、二红洼为小型矿床（图1）；近年来通过在该区实施地质大调查项目后，又在该区中天山地块中找到了白石泉（吴华等，2005）和天宇铜镍矿床（Maoet al., 2008），进一步拓宽了该区铜镍硫化物矿床的找矿范围，显示东天山地区具有很好的找矿潜力和资源前景。

自从新疆地质矿产勘查开发局第六地质大队1979 年发现土墩铜镍硫化物矿床以来，黄山—镜儿泉铜镍成矿带受到国内外地质界和矿业界的广泛关注，并取得了有关矿床地质特征、矿床地球化学、成岩成矿时代和矿床成矿预测等方面的研究成果（王润民等，1987；顾连兴等，1994；李华芹等，1998；毛景文等，2002； 韩宝福等, 2004；Zhouet al., 2004； 李月臣等，2006；Maoet al., 2008；）。对于中天山近年来发现的白石泉和天宇铜镍硫化矿床进行了岩石地球化学和年代学的研究（吴华等，2005；毛启贵等，2006； 柴凤梅等，2006）。

图1 东天山东部铜镍硫化物矿床地质简图(根据Mao et al., 2008)Fig.1 Geological sketch map of Cu-Ni sulf ide deposit in the eastern Tianshan

近年来，随着负热离子质谱技术（NTIMS）的广泛应用和187Re 衰变常数的精确测定（λ ＝1.666×10-11/year, Smoliar et al., 1996），导致Re-Os同位素体系在岩石学和矿床学应用研究方面取得了很大进展（吴福元和孙德有，1999）。Re-Os 同位素体系近年来在成矿研究方面的主要进展集中体现在与岩浆硫化物有关的大型Cu-Ni-PGE 矿床成矿时代限定和成矿物质来源示踪（Martin,1989； Walker et al., 1991,1 994； Dickin et al., 1992；Lambert et al., 1999, 2000）。为了进一步厘定天宇铜镍硫化物矿床物质来源，笔者挑选了该矿床矿石中的硫化物进行Re-Os 同位素测定，旨在追索其成矿物质来源和探讨其成矿动力学背景。

1 矿床地质特征

天宇铜镍矿位于哈密市东南170 km。地理坐标为东经94°55′28.9″～94°58′03.5″，北纬41°53′30.7″～41°55′04.7″。矿区出露地层主要为中元古界长城系星星峡群下亚组和中亚组的地层，长城系星星峡群下亚组分布于工区东南部，主要为一套眼球状混合岩、条带状混合岩、混合岩化花岗岩，倾向北，倾角多大于60°，个别地段大于75°，南侧岩层倾向南。条带状混合岩片理发育。长城系星星峡群中亚组主要分布于该区中部，整体为一套浅海－滨海相正常沉积碎屑岩与其后中基性—酸性侵入岩经受区域变质作用形成。岩石整体倾向141°～164°，倾角54°～82°，为区内基性—超基性杂岩体的主要围岩。现已探明镍金属量3.464 1×104t , 铜1.298 3×104t，伴生钴0.250 5×104t，矿床品位：Ni 为0.30%～3.03%，Cu 为0.07%～0.99%，Co 为0.037%～0.171%（Mao et al., 2008）。

杂岩体出露于相对低洼地带。整体呈带状分布,总体走向49°。地表出露长＞ 1 125 m ,一般宽40～70 m ,其西北侧为片麻状花岗岩,东南侧为花岗质糜棱岩（糜棱岩化花岗岩） 或云母斜长片岩、变粒岩（图2）。

岩体形态沿走向出露不甚完整, 中部相对连续分布, 东北端及西南端零星分布于花岗质糜棱岩中； 岩体产状变化较大, 主体反映向北西陡倾, 倾角83°左右, 局部向南东陡倾（图3）。

岩体主要岩性有橄榄岩、橄辉岩、辉石岩 、辉长岩、闪长岩。其中橄榄岩、橄辉岩、辉石岩呈

图2 新疆天宇铜镍硫化物矿床地质和采样位置图（根据唐冬梅等，2009）Fig.2 Geology and sampling location map of Tianyu Cu- Ni sulf ide deposit, Xinjiang

图3 天宇铜镍硫化物矿床地质剖面图(据唐冬梅等，2009)Fig.3 Geological prof ile of Tianyu Cu- Ni sulf ide deposit

橄辉岩是该岩体的主要含矿岩石之一,分布于岩体中心部位,岩石蚀变强,暗绿色，熔蚀粒状结构。主要由橄榄石（8%～25%）、辉石（30%～50%）、角闪石（5%～10%）、斜长石（＜8%）及金属硫化物组成。橄榄石呈熔蚀柱状-他形残体状，大小0.25～4.75 mm，多具一组不发育的解理，裂纹发育，沿裂纹有少量蛇纹石化蚀变并析出磁铁矿，在其外侧常有完整－不完整的反映边，宽0.1～0.35 mm，主要为顽火辉石细小颗粒，局部为闪石；辉石多呈半自形板状，大小0.5～4.7 mm，有弱的滑石化、纤闪石化蚀变；角闪石呈他形，部分有褪色；斜长石他形填隙－包含状产出，大小2～4 mm，双晶发育。金属硫化物呈局部陨铁状结构、稀疏－中等浸染状构造，主要为磁黄铁矿（2%～8%）、镍黄铁矿（＜2.5%）、黄铜矿（＜2%）、磁铁矿（1%）。

辉石岩为该杂岩体的主体,亦为岩体的主要含矿岩石,多呈灰绿色略带褐红色斑点,假像纤状变晶结构，块状构造。主要由斜方辉石 （5%～8%）、普通角闪石（8%），纤状假像纤闪石（72%），黑云母（15%）、绿泥石化斜长石（3%）组成。纤闪石大小0.2～2.5 mm，多在0.3～1.0 mm 之间，为单辉辉石蚀变后的产物；方辉辉石被纤闪石、滑石-镁绿泥石集合体代替；角闪石他形包含状（包单辉辉石），边缘常褪色并析出大量钛铁矿。硫化物主要为磁黄铁矿，其次为镍黄铁矿、黄铜矿，多呈3～10 mm 的不规则斑杂状集合体存在，亦有少量星散浸染状存在，质量分数大于10%。

辉长岩分布于东南侧及西侧, 零星出露, 岩石蚀变弱, 基本无矿化。闪长岩分布于岩体中部偏南侧, 呈脉状产出,岩石蚀变弱, 无矿化。

橄榄岩分布于杂岩体中部，形态呈不规则透镜状、椭圆状。岩石普遍具纤闪石化、金云母化、蛇纹石化蚀变，褐铁矿化、孔雀石化较普遍。橄榄岩是沙泉镍矿主要赋矿岩石之一。

矿体总体特征：区内以镍≥0.2 %圈定的铜镍矿体有2 个（编号I ,Ⅱ号） , 主要产于杂岩体中部或中南部,呈条带状、透镜状； 含矿岩石主要为橄辉岩及（含橄）辉石岩, 次为橄榄岩； 围岩主要为辉石岩、橄辉岩, 次为元古界的花岗质糜棱岩、片麻状花岗岩、云母斜长片（麻）岩、变粒岩。

Ⅰ号镍矿体呈带状, 长1 125 m , 走向241°,倾向北, 倾角83°，平均厚度为16.11 m。矿体平均品位∶ 镍：0.37 %, 铜：0.15 % , 钴：0.033 % ； 含矿岩石有橄榄岩、橄辉岩、辉石岩。地表顶底板围岩均为辉石岩或含橄辉石岩,与矿体呈渐变过渡,具强纤闪石化、金云母化、滑石化。深部钻孔中顶底板围岩均为中元古界的二云母斜长片岩,具明显的侵入接触关系。

Ⅱ号镍矿体呈透镜状,视厚度3.8 m，矿体倾向北, 倾角79°。矿体平均真厚度为1.36 m。矿体平均品位∶镍：2.97%, 铜：0.69%, 钴：0.151%。含矿岩石含橄二辉辉石岩，顶底板围岩均为黑云母石英片岩, 具明显的侵入接触关系, 具纤闪石化、伊丁石化。矿石类型为块状矿石, 形成块状富—特富矿石, 磁黄铁矿达91% , 镍黄铁矿2% , 黄铜矿约3 %。原生金属矿物以磁黄铁矿为主,黄铜矿、镍黄铁矿、黄铁矿次之。

矿石矿物成分主要为磁黄铁矿、黄铁矿、白铁矿、紫硫镍矿、镍黄铁矿、黄铜矿、方黄铜矿、墨铜矿、四方硫铁矿、磁铁矿、钛铁矿、铬铁矿、褐铁矿、赤铁矿、磁赤铁矿等，闪锌矿、方铅矿、辉钼矿少量，银金矿偶见。脉石矿物主要为辉石、橄榄石、蛇纹石、斜长石、透闪石、黑云母、绿泥石、方解石、白云石、滑石等。矿石结构为自形—半自形粒状结构、半自形—他形粒状结构、他形粒状结构；矿石构造为浸染状构造、珠球（滴）状构造、块状构造、脉状—网脉状构造、角砾状构造。

2 样品及测试方法

本次研究所取的样品集中于矿体中北部，共采集了10 件矿石样品进行Re-Os 同位素测定，其具体采样位置示于图2中，为了保证采集样品的代表性，我们所取的样品具有不同的矿石类型，其中有网脉状-浸染状和块状矿石。

本次样品同位素组成是在国家地质实验中心采用同位素稀释ICP-MS 质谱法测定；实验中采用Carious 管封闭溶样来分解样品（杜安道等，2001；Shirey and Walker,1995），化学处理过程简述如下。

2.1 样品分解

将准确称取的待分析样品，通过长细颈漏斗加入到Carious 管（一种高硼厚壁大玻璃安瓿瓶）底部，然后置于温度为-50～80 ℃的盛有液氮与乙醇混合溶液的保温杯中。经过一段时间的冷却后，把准确称取的185Re 和190Os 混合稀释剂加入到Carious 管底部，再加入2 mL（HCl）=10 mol/L 的HCl，6 mL（HNO3）=1 610 mol/L 的HNO3。当管底溶液冰冻凝固后，用丙烷氧气火焰加热将Carious管封闭。待封闭的Carious 管回温至室温后，放入不锈钢套管内，并置于鼓风烘箱内，逐渐升温到230 ℃，保温10 h。最后，在Carious 管底部冷冻的情况下打开，并用40 mL 水将管中溶液转入蒸馏瓶中。

2.2 蒸馏分离Os

为满足仪器测量所要求的酸度及消除OsO4水吸收液中的少量铼的干扰，锇的蒸馏分两次进行。首先，于105～110 ℃蒸馏50 min，用10 mL 水吸收蒸出的OsO4，将蒸馏残液转入50 mL 小烧杯中待分离铼用。然后，将吸收液转入已洗净的原蒸馏瓶中，再加入40 mL 水进行第二次蒸馏，蒸馏约1 h 左右。蒸出的OsO4用10 mL 水吸收后用于ICPMs 测定锇同位素比值。

2.3 萃取分离Re

将第一次蒸馏残液置于电热板上，加热至近干后，再加入少量水，加热至近干。然后加入10 mL（NaOH）=5 mol/L 的NaOH，使其转为碱性介质。稍微加热后取上清液转入120 mL Tef lon 分液漏斗中，加入10 mL 丙酮，萃取5 min。静止分相后弃去水相。再加2 mL（NaOH）=5 mol/L 的NaOH 溶液到分液漏斗中，振荡2 min，洗去丙酮相中的杂质，弃去水相。将丙酮转到已加有2 mL 水的小玻璃烧杯中。在电热板上50 ℃加热以蒸发丙酮，并加热溶液至近干后加数滴浓硝酸，以除去残存的锇。最后，用数毫升稀HNO3溶解盐类并转移至10 mL比色管中，调整溶液硝酸浓度为2%，用ICP-MS测定铼同位素比值。

2.4 质谱测定

采用美国TJA 公司生产的TJA PQ ExCell ICPMS（电感耦合等离子体质谱仪）测定铼同位素比值。采用美国Finigan 公司HR ICP-MS 测定锇同位素比值。对于Re：选择质量数为185、187，用190 监测Os。对于Os：选择质量数为186、187、188、189、190、192，用185 监测Re。

本实验全流程空白Re 约为10 pg，普Os 约为1 pg，远远小于所测样品中的铼、锇质量分数，不会影响实验中铼、锇质量分数的准确测定。

3 测试结果

Re-Os 同位素测试结果列于表中。由于矿石类型的差异，普Os 的质量分数存在着明显差异，对于块状铜镍矿石普Os 的质量分数相对较低，普Os质量分数介于（5.956～10.45）×10-9之间。而网脉状-浸染状铜镍矿石普Os 的质量分数明显增高，普Os 质量分数介于（12.89～33.83） ×10-9之间。根据等时线方程187Os/188Os ＝（187Os/188Os）i+187Re/188Os（eλt—1）（Peck et al., 1992）， 其 中，187Os/188Os为现今所测定到的比值；（187Os/188Os）i 为体系中相对于Re 及Os 封闭时的初始比值；187Re/188Os为现今测到的比值；采用的衰变系数（λ）为1.666×10-11/year（Smoliar et al.,1996），t 为体系相对于Re 及Os 封闭以后所经历的地质年龄。根据上述公式计算，（187Os/188Os）i 介于0.864 9～2.910 6之间，表明成矿过程中有大量地壳物质加入。

与Sm-Nd 同位素体系研究的εNd（t）值一样，Re-Os 同位素体系，是用γOs来反映t时相对于统一地幔库（UMR）的Os 同位素成分差异；γOs是指示地壳物质加入成矿体系的一个重要参数，它能够反映壳幔混染程度，根据Walker et al.（1989）提出 的 公 式：γOs＝[（187Os/188Os）样品（t）/（187Os/188Os）UMR（t）—1]×100，计算得出天宇矿床的γOs除Ty—3 偏高外（γOs＝2 227），大部分样品γOs位于592～884 之间，高于东天山的香山铜镍矿床γOs值（γOs＝321～440；李月臣等，1996），而低于与加拿大著名的Voisey’s Bay 矿床的γOs为值（γOs＝898～1 908；Lambert et al., 1999）,也表明成矿过程中有大量地壳物质加入。

4 讨论

4.1 成矿物质来源

负热离子质谱的应用和衰变常数的精确测定（λ ＝1.666×10—11/year, Smoliar et al., 1996）导致Re-Os 同位素体系在矿床学应用研究方面取得了很大进展，主要表现为与岩浆铜镍硫化物矿床的成矿时代限定和成矿物质来源示踪研究方面（李文渊，1996； Yang et al., 2004），如Norseman Wiluna（西澳）、Noril’sk Camp（俄罗斯西伯利亚）、Stillwater杂岩（美国蒙塔那地区）、Pechenga 杂岩（俄罗斯克拉半岛）、Bushveld 杂岩（南非）、肖德贝里杂岩（加拿大安大略）、甘肃金川、广西宝坛、陕西省略阳煎茶岭、准噶尔喀拉通克、东天山香山、黄山东和葫芦等大型与岩浆铜镍硫化物矿床都进行了大量的Re-Os 同位素体系方面的研究（Shireyet al., 1998；毛景文和杜安道，2001；毛景文等，2002；王瑞廷等，2005； 胡克兵等， 2008）。岩浆成因的Cu-Ni 硫化物矿床中因普遍富含铂族元素而被认为其成矿物质来源于地幔（Naldrett，1981）。但通过近年来的Re-Os 同位素研究表明：岩浆铜镍硫化物矿床的成矿物质既可完全来自于地幔，也可完全来自于地壳，但多数情况下，则是壳—幔混合来源的产物（Shireyet al., 1998；Lambertet al., 1999； Sprouleet al., 1999）。

Re-Os 同位素体系是铜镍硫化物矿床形成的强有力的示踪剂和成矿过程地壳物质混入程度的高度灵敏的指示剂（Fosteret al., 1996）。在镁铁质—超镁铁质岩浆上涌过程中及其在地壳岩浆房中与地壳物质，尤其是与含硫化物地壳发生反应，使其组分发生变化。由于地壳相对富Re，混入越多地壳物质产生放射性187Os 质量分数越高，相应187Os/188Os 初始值发生变化。Os 被认为是一种像Ni 和Cr 一样相容性元素（Martinet al., 1994；Hart and Ravizza, 1996），Re 是 一 种 不 相 容 元 素（Walkeret al., 1989），而且与S 丰度相关性好。在壳幔分异和地球化学循环过程中，Os 趋于在地幔富集，Re 相对亲地壳。由此以来，可以使用Re/Os 和普通Os 判断成岩成矿物质的来源。Fosteret al.（1996）在Re/Os 和普Os 图中初步确定地幔熔体的位置，Sprouleet al.（1999）把世界上主要的铜镍硫化物矿床中矿石和富硫地壳的数值范围也标在图中。Walker.（1994）在研究俄罗斯Noril’sk 岩浆型铜镍硫化物矿床及有关基性—超基性岩时做了大量Re-Os 同位素分析测量，认为Noril’sk 铜镍矿为地幔柱的产物，基本上未受地壳同化混染；而Voisey’s Bay，Duluth，Sudbury 和Sally Malay 同化混染了不同量的地壳物质（Lambertet al., 1999；Sprouleet al., 1999）。侵入体与诺利尔斯克和泰拉克矿床中的Re-Os 同位素分析得到187Os/188Os 初始比值，与其它同位素数据（Pb、Nd）一起，反映了洋岛玄武岩（OIB）是幔源。因此诺利尔斯克型含矿侵入体肯定来源于热点地区的原始地幔熔体。王瑞廷等（2005）对陕西省略阳煎茶岭铜镍硫化物矿石的Re-Os 同位素测年，获得等时线年龄数据为878±27 Ma，其等时线187Os/188Os 初始比值为0.131±0.01，γOs为－15.37～＋280.65，表明成矿物质主要来自于Re 亏损地幔，后期有壳源物质加入成矿系统。毛景文等（2002）通过对黄山东铜镍硫化物矿石的Re-Os 同位素测年，获得等时线年龄数据为282±20 Ma，其等时线187Os/188Os 初始比值为0.25±0.04，γos值平均为99，显示出在成矿过程及岩浆侵位期间有大量地壳物质混入成岩成矿系统。毛景文和杜安道（2001）对宝坛铜镍硫化物矿石进行了计算，得到宝坛地区铜镍硫化物矿石的γOs变化范围比较大，从＋5～＋716。其中贯入型矿石的γOs达＋5 和＋20，底部熔离型矿石的γOs为＋320～＋716。胡克兵等（2008）通过对葫芦铜镍硫化物矿石的Re-Os 同位素物质来源示踪研究，其187Os/188Os 初始比值介于1.40～1.97，γOs值介于1 110～1 565，平均为1 379，表明在成矿过程及岩浆侵位期间有大量地壳物质加入到成矿系统中。这些结果表明来自地幔的镁铁质-超镁铁质岩浆及铜镍硫化物矿质，在上涌和定位过程中由于地壳物质的同化混染而导致γOs增加。由上述Re-Os 同位素研究表明，与镁铁质-超镁铁岩有关的铜镍硫化物矿床的成矿物质既可完全来自于地幔，也可完全来自于地壳，但多数情况下，则是壳-幔混合来源。

本次工作获得天宇矿石硫化物的187Os/188Os 初始 比 值 为0.864 9～2.910 6, γOs位 于592～884之间，高于东天山的香山铜镍矿床γOs值（γOs＝321～440；李月臣等，1996），而低于与加拿大著名的Voisey’s Bay 矿床的γOs为值（γOs＝898～1 908；Lambertet al., 1999）,也表明成矿过程中有大量地壳物质加入到成岩成矿系统中， 这个结论在在Re/Os 和普通Os 图中也可以得到印证（图4）。

4.2 成矿动力学背景

图4 新疆天宇铜镍硫化物矿石Re/Os 和普通Os 同位素对比图(根据Lambert DD et al., 1999)Fig.4 Comparison of Cu-Ni sulf ide ores Re/Os of Tianyu with Os isotopic,Xinjiang

大量证据表明在造山带岩浆弧环境具有很好岩浆铜镍硫化物矿床成矿潜力，例如澳大利亚的早元古代Sally Malay 侵入杂岩（铜镍矿石4百万吨，平均品位：Ni 1.80%，Cu 0.73%；Hoatson and Blake，2000）、西班牙早石炭世Aguablanca 侵入岩体（铜镍矿石16 Mt，平均品位：Ni 0.68%，Cu 0.46%；Pinaet al., 2006）和博茨瓦纳Tati 造山带中铜镍矿床（如Phoenix，Selkirk and Tekwane 矿床；铜镍矿石4.5 Mt，平均品位：Ni 2.05%，Cu 0.85%；Maieret al., 2008）。中亚成矿域带中分布有大量的岩浆铜镍硫化物矿床，在斋桑造山带中，以马克苏特为代表，矿体赋存在辉长岩-苏长岩-粗玄岩建造中，矿床规模可达大型，是该区内最大的铜镍矿床；西天山造山带分布有箐布拉克铜镍矿床，准噶尔造山带北缘喀拉通克矿田包括有7 个矿床，其中大型镍矿床2 个，中型1 个，小型4 个，矿体赋存在苏长岩中（王润民等，1987； 韩春明等，2006；Hanet al., 2007）；东天山造山带黄山—镜儿泉一带，自西向东分布着土墩、二红洼、香山（黄山北）、黄山、黄山南、黄山东、红石岗、黑石梁、葫芦、串珠、马蹄等镁铁 超镁铁岩体，沿康古尔塔格断裂和次级断裂侵位于石炭系干墩组和梧桐窝子组中。这些岩体高度分异，普遍具有铜镍矿化，现已探明黄山、黄山东和图拉尔根为大型矿床，土墩、香山和白石泉铜镍为中型矿床，黄山南、二红洼为小型矿床（郭宏等，2006）。最近，在新疆—甘肃的北山造山带新发现了坡十、坡一、罗东和黑山等铜镍硫化物矿床（胡克兵等，2008）。

根据天宇岩体的岩石地球化学特征，并结合东天山东段基性一超基性岩体的空间分布特征，认为该岩体形成于洋内俯冲的增生岛弧环境，是晚古生代北天山洋壳向南俯冲增生的产物。样品的球粒原始标准化微量元素配分曲线图基本相似，总体上富集大离子亲石元素（LILES, 如Sr，Rb，Th），相对亏损高场强元素（HFSE）, 尤其明显亏损Nb、Ta 和Ti（表4和图5）。表明岩体形成于消减带之上的火山弧环境，具有岛弧岩浆特点。

5 结论

岩石地球化学特征表明天宇铜镍矿床形成于岛弧环境，结合东天山天宇—白石泉一带镁铁一超镁铁杂岩体和火山岩空间分布特征，表明该矿床为晚古生带北天山洋盆向南俯冲增生的产物；葫芦矿石硫化物的187Os/188Os 初始比值为0.864 9～2.910 6,γOs位于592～884 之间，γOs平均值为832.5，说明在成矿过程中仅有大量地壳物质混染加入到岩浆和成矿系统之中。东天山东部的镁铁-超镁铁侵入杂岩体属于阿拉斯加型杂岩体，并非蛇绿岩或碰撞后幔源侵入体，它与该区的钙碱性花岗岩、斑岩一起记录了古天山洋于泥盆纪—二叠纪向南北连续俯冲增生的连续过程。

致谢 实验分析测试过程中，中国科学院地质与地球物理研究所和国家地质测试中心实验室的工作人员曾付出了辛苦的劳动；成文过程中，得到陈衍景教授和孙亚莉研究员的严格审查和大量帮助；感谢肖文交研究员、马英军研究员、秦克章研究员、王京彬研究员、高俊研究员、李锦轶研究员、方维萱教授和徐新教授对本次研究工作的耐心指导，在此一并表示诚挚的感谢。

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