塔里木板块东北部坡十侵入体铂族元素地球化学特征及成矿作用

夏明哲，赵献军，宋艳芳，郭娜欣，夏昭德，姜常义

(1.长安大学地球科学与国土资源学院，陕西西安 710054;2.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安 710054;3.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查局第六地质大队，新疆哈密 839000)

塔里木板块东北部分布有较大面积的镁铁－超镁铁质岩带，西起罗布泊东侧坡北岩体，向东延续至甘肃省西部柳园镇以东地区。该带岩体众多，且规模相差悬殊。坡北岩体是出露面积最大的单个岩体，约200km2。其中，岩体中晚期侵入的、以超镁铁质岩石为主体的小型侵入体赋存镍铜硫化物矿床，例如坡一、坡十侵入体。近年来，一些学者对坡北岩体形成时代、岩浆演化过程、地幔动力学机制以及成矿前景等方面进行了探讨。姜常义等(2006)获得坡北岩体中辉长岩锆石U－Pb谐和年龄为(274±4)Ma，论证其原生岩浆应该是相对富镁的拉斑玄武岩浆，部分熔融作用发生在尖晶石稳定域内，岩浆演化过程中发生了显著的同化混染作用。李鸿儒等(1994)和高怀忠(1992)认为坡北岩体的形成与深大断裂活动有关，是幔源岩浆多期次侵入的结果，晚期侵入的小岩体具有形成铜镍硫化物矿床的良好前景。颉炜等(2011)认为坡十侵入体地球化学特征与岛弧火山岩以及阿拉斯加型杂岩体相似。也有一些学者认为，这些镁铁－超镁铁质岩体与地幔柱作用密切相关(毛景文等，2006;Pirajno et al.，2007;Qin et al.，2011;姜常义等，2012)。综合以上研究成果，对坡北岩体中晚期小侵入体(例如坡一和坡十)岩浆演化过程与成矿作用的研究较少。因此，本文试图通过对岩/矿石铂族元素地球化学特征的研究来探讨坡北岩体内坡十侵入体的原生岩浆性质和成矿作用过程，为研究区镍铜硫化物矿床的勘查评价工作提供理论指导。

1 地质背景

坡北岩体位于塔里木板块东北部(图1a)，岩体形态受白地洼－淤泥河大断裂控制，平面上呈相互联通的岩盆状，长轴方向与区域断裂带方向一致，岩体北部被该断裂切割(图1b)。围岩主体为长城系古硐井岩群，还有少量的石炭系。其中，长城系古硐井岩群主要岩性为黑云母片岩、二云母片岩、大理岩、石英岩、石英片岩，变质级达高绿片岩相至低角闪岩相。石炭系仅在局部以残留顶盖形式存在，原岩岩性为生物碎屑灰岩，含大量海百合茎。由于热接触变质作用，已变为粗粒大理岩。除上述变质地层和沉积地层外，岩体的围岩中还有片麻状花岗岩，此种花岗岩侵入于长城系古硐井岩群，普遍具有片麻状构造，表明它们已经受了区域变质改造，应属元古代。

图1 坡北岩体区域地质图(图1a和1b)及坡十侵入体平面图(图1c)Fig.1 Regional geological map of the Pobei rock mass(1a and 1b)and plane view of the Poshi ultramafic intrusion with sampling drill-core locations(1c)

坡北岩体由五个阶段的侵入体构成。第一阶段形成镁铁质层状岩系，构成岩体的主体。其底部为纹层状橄榄辉长苏长岩，中部为粗粒辉长岩，上部为淡色辉长岩、斜长岩，局部有石英闪长岩。第二阶段形成非层状橄榄辉长苏长岩，与镁铁质层状岩系呈侵入接触关系。第三阶段形成以超镁铁质岩石为主的层状岩系，构成十几个小侵入体，侵入到第一、二阶段形成的侵入体中。坡一、坡十侵入体即形成于此阶段;这两个侵入体内的橄榄岩相中含有以浸染状构造为主的镍铜硫化物矿体。第四阶段主要形成斜长岩、淡色辉长岩和少量的细粒辉长岩，呈岩枝、岩脉状侵入于前三个阶段的侵入体中。第五阶段包括幔源岩浆分异形成的石英闪长玢岩和壳源钾长花岗岩枝、岩脉。坡十侵入体平面形态近似椭圆形，东西长约2km，南北宽约1.6km，出露面积约3.2km2(图1c)。围岩是第一次岩浆活动阶段形成的具有辉长结构的粗粒辉长岩，二者之间为侵入接触关系。在地貌上，超镁铁岩分布区呈负地形，大部分被第四纪覆盖，周围的辉长岩是正地形，局部可见古硐井岩群和石炭系大理岩残留顶盖。此外，侵入体内部多见围岩顶垂体，主要岩性为大理岩、黑云母片岩、石英岩、片麻状花岗岩等。李华芹等(2009)和 Qin et al(2011)分别获得坡十侵入体辉长岩的锆石UPb谐和年龄为289±13Ma、284±2.2Ma。

2 岩石、矿石特征

本文主要采集了坡十侵入体中的ZK1－2钻孔岩石、矿石样品(分选硫化物)，进行岩石学、矿相学以及PGE地球化学分析。根据岩石天然矿物组成(modal)按照IUGS火成岩分类学分委会推荐的分类方案(1991)。ZK1－2钻孔中的主要岩石类型有:纯橄岩、二辉橄榄岩、含长二辉橄榄岩、橄榄二辉岩、正堆晶辉长岩(图2)。它们最主要的结构类型为正堆晶结构，还有包橄结构、反应边结构等。在橄榄岩相中，橄榄石全部为堆晶相;斜方辉石既可是堆晶相，也可是填隙相;单斜辉石、褐色普通角闪石和黑云母基本是填隙相。辉石岩相的堆晶相以斜方辉石为主，局部也可以是单斜辉石(图3a，b)。辉长岩相中，单斜辉石成堆晶相，斜长石为填隙相。总体上，岩石蚀变较强，堆晶相橄榄石和斜方辉石二者多已强烈蛇纹石化、滑石化，在蚀变过程中析出大量粉尘状磁铁矿，后经氧化作用转化为褐铁矿。填隙相单斜辉石呈细小它形粒状，已强烈透闪石化、绿泥石化。常见副矿物有尖晶石、榍石及磷灰石。

坡十侵入体中已发现多个矿(化)体，呈似层状产出。矿石镍品位一般0.2% ～0.6%，局部较富，镍品位达0.96%。主要的含矿岩石为橄榄岩相。矿石中主要的金属硫化物矿物有镍黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿，还有少量辉铜矿、斑铜矿、马其诺矿、红砷镍矿。矿石具有自形－半自形粒状结构，局部具陨铁结构。矿石构造以星散浸染状－稀疏浸染状为主，局部具稠密浸染状构造(图3c，d)。

3 分析方法

铂族元素测试分析在中国科学院广州地球化学研究所同位素与年代学重点实验室完成。硫化物和岩石样品PGE含量采用同位素稀释－电感耦合等离子体质谱法(ID-ICPMS)测定。主要流程为:(1)Carius管溶样法分解岩石样品中富集铂族元素的矿物;(2)四氯化碳萃取法分离出 Os;(3)微蒸馏法进一步纯化Os;(4)阳离子交换树脂法将铂族元素(Pt、Pd、Ir和 Ru)以及Re与主要的基体阳离子分离;(5)利用“钽试剂”螯合树脂将干扰元素(Zr、Hf、Mo和 W 等)分离。铂族元素 (Pt、Pd、Ir和 Ru)和Os的含量采用同位素稀释－电感耦合等离子体质谱法(ID-ICPMS)测定。具体的实验条件和步骤参见文献(李杰等，2011)。

图2 坡十侵入体ZK1－2钻孔柱状图及采样位置Fig.2 Column of the drill hole ZK1－2 and sampling location in the Poshi intrusion

图3 坡十侵入体主要造岩矿物及硫化物特征Fig.3 The features of rock-forming minerals and sulfide in the Poshi intrusion

4 铂族元素地球化学特征

本文主要选择岩石及从浸染状矿石中分离出的硫化物进行PGE测试。矿石中分离出的硫化物主要以镍黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿为主。岩石和硫化物的PGE含量见表1。其中，岩石中∑PGE丰度很低，介于0.34×10－9～11.94 ×10－9之间，平均 5.07×10－9，远低于原始地幔的∑PGE 值(23.5 ×10－9;McDonough and Sun，1995)。岩石中纯橄岩PGE含量为11.94×10－9;二辉橄榄岩PGE含量为7.22×10－9～7.69×10－9;斜长二辉橄榄岩 PGE含量为2.32×10－9;橄榄二辉岩 PGE 含量为0.93×10－9;正堆晶辉长岩PGE含量分别为为0.34×10－9，整体上显示岩石PGE含量随岩石基性程度降低而变小。

从浸染状矿石中分离的硫化物中PGE含量为52.69×10－9～480.42 ×10－9，平均248.02 ×10－9，明显高于岩石中的PGE含量，比金川矿床矿石的PGE含量平均值3248×10－9低一个数量级，比俄罗斯Noril’sk-Talnakh矿床矿石PGE含量平均值82209×10－9低两个数量级。在原始地幔标准化图解上，岩石和矿石中硫化物具有基本相似的PGE配分模式，均具有PGE平坦，PPGE和IPGE分异弱的特征。两件岩石和硫化物样品有弱的Ru正异常(图4)。

图4 岩石和硫化物原始地幔标准化PGE配分曲线图Fig.4 Primitive mantle-normalized PGE patterns of rocks and sulphide

表1 坡十侵入体铂族元素分析数据Table1 Concentrations of PGE in rocks and ores of Poshi intrusion

5 讨论

5.1 热液作用

坡十侵入体岩石的Pd/Ir比值为2.47～14.1，平均值为6.97。硫化物Ir含量为1.73×10－9～6.2×10－9，平均值为4.61 ×10－9;Pd/Ir比值为 3.71 ～21.94，平均值为14.21。通常情况下热液硫化物矿床具有极低的Ir含量和高的Pd/Ir比值(Pd/Ir比值一般大于100)，而岩浆硫化物矿床则具有相对高的Ir含量和低的Pd/Ir值(Keays et al.，1995;Maier et al.，1996)，这是由于Pd和Ir在热液蚀变过程中发生分馏所致(Barnes et al.，1985)。因此，坡十侵入体岩石及硫化物较高的Ir含量和较低的Pd/Ir值表明岩浆成矿过程中热液作用对PGE含量的影响很小。在图5上，Ir与Ru、Pt、Pd均为正相关，进一步证明硫化物形成于岩浆阶段。

5.2 原生岩浆与深部硫化物的熔离

一般认为，与镁铁－超镁铁质岩浆有关的铜镍硫化物矿床的原生岩浆是成矿作用的关键。亲铜元素(Cu、Ni、PGE)丰度基本不会受到陆壳同化混染和分离结晶作用的影响，所以它们的丰度比值可以用来讨论原生岩浆的性质。PGE主要赋存在地幔橄榄岩的硫化物中(Barnes et al.，1985;Shirey and Walker et al.，1998)。在地幔熔融过程中，Os，Ir，Ru和Ni是相容的，而Rh，Pt，Pd和Cu是不相容的。因此，不同程度的部分熔融可以导致Pd/Ir和Ni/Cu的分异，高度部分熔融形成的科马提岩具有高的Ir含量，低的Pd/Ir和高的Ni/Cu比值(Barnes et al.，1999)，例如 Kambalda矿床(Ni/Cu=13;Lesher et al.，1984)。较低部分熔融形成的玄武岩具有低的Ir含量，高的Pd/Ir和低的Ni/Cu比值，例如Duluth 矿床(Ni/Cu=0.3;Naldrett，2004)。坡十侵入体具有中等的 Ni/Cu(2.39～12.5，平均6.75)和Pd/Ir(2.5～21.9，平均9.38)比值，在 Ni/Cu-Pd/Ir图解中，岩石和硫化物样品全部都落入高镁玄武岩区，表明其原生岩浆来自中等程度熔融的高镁玄武质岩浆(图6)。坡十侵入体岩石和硫化物相似的PGE 配分模式，Ir与 Pd、Pt、Ru以及 Pt与 Pd的显著相关性特征，表明它们是同源岩浆演化的产物。PGE元素高度亲硫，它们的组成特征主要受到硫化物的控制。硫过饱和的岩浆会发生硫化物的熔离作用，使得PGE特别是Os、Ir、Pt和Pd的丰度随着硫化物的熔离而大大降低，从而影响残余岩浆中PGE的含量和分布特征。通常，Pd在硫化物/硅酸盐熔体中的分配系数为20000，远大于Cu的分配系数1000(Francis，1990)，因此若早期岩浆经历过 S饱和，硫化物熔离过程将使Pd相对于Cu更多被带走，使得剩余岩浆中Cu/Pd值将明显增高，并高于相应的原始地幔值。坡十侵入体岩石的Cu/Pd值30829.6～661888.9(平均297292.9)，硫化物 Cu/Pd值190836～1072155(平均488355.6)，二者都远远高于原始地幔的Cu/Pd比值(7690)(McDonough and Sun，1995)，表明原始岩浆在早期演化过程中曾发生过深部硫化物熔离作用。

图5 坡十侵入体岩石及硫化物中Ir与Pd、Pt、Ru和Pd与Pt相关图Fig.5 Diagrams of Ir vs.Pd，Pt，Ru and Pd vs.Pt in rocks and sulphide

图6 坡十侵入体岩石Ni/Cu-Pd/Ir关系图(据 Barnes et al.，1988)Fig.6 Diagram of Ni/Cu vs.Pd/Ir in the Poshi intrusion(after Barnes et al.，1988)

坡十侵入体的岩浆源自亏损的地幔源区(颉炜等，2011)，原生岩浆为高镁玄武岩浆。假设原始岩浆为类似于大陆拉斑玄武岩的PGE不亏损的原始玄武质岩浆，其含有 4.3 ×10－9的 Pt，4.7 ×10－9的Pd，0.1 × 10－9的 Ir和 90 ×10－6的 Cu(Brügmann et al.，1993;Fryer and Greenough，1995)。PGE 元素在硫化物熔体/硅酸盐熔体中的分配系数分别为D(Ir)=51000，D(Ru)=7000，D(Pt)=16500，D(Pd)=20000(Crocket et al.，1997)，以及 Cu 为 1000(Francis，1990)。根据硫化物中 Cu平均值(18438.67 ×10－6)，利用 Campbell and Naldrett(1979)提出的公式)，其中是元素i在硫化物熔体中的浓度是元素i在硅酸盐熔体中的浓度;Di是元素i在硫化物熔体/硅酸盐熔体中的分配系数;R是硅酸盐熔体与硫化物熔体间的质量比，可以求出坡十侵入体的R因子值为256，以此R值可以推算出形成岩体的母岩浆中PGE及Cu含量分别为:Pt为0.22×10－9，Pd为0.41 ×10－9，Ir为 0.06 ×10－9，Cu 为 90×10－6。与上述假定的PGE不亏损大陆拉斑玄武岩的原始岩浆相比，岩体母岩浆中的PGE明显亏损。由此推断，成矿母岩浆PGE亏损是造成岩体和硫化物PGE含量很低的主要原因。PGE不亏损的原生岩浆在上升的过程中发生早期硫化物深部熔离，因此造成了岩体母岩浆PGE亏损 。应用瑞利方程)(式中为没有发生硫化物熔离的原始岩浆中元素i的浓度;为经过早期硫化物熔离后残余岩浆中元素i的浓度;F为经过早期硫化物熔离后残余岩浆的量;Di为元素i在硫化物熔体/硅酸盐熔体中的分配系数)，利用元素Ir计算得到其发生了0.012%硫化物的熔离。据此推断，原始岩浆在深部发生了硫化物熔离，导致成矿母岩浆亏损PGE，使得坡十侵入体岩、矿石的PGE含量总体偏低。

5.3 成矿作用

坡北岩体规模大，从质量平衡角度看，有形成大型矿床的潜在物质基础。其中，坡十侵入体是以超镁铁质岩石为主体的层状岩体，岩浆分异充分，岩石蚀变较强。侵入体中常见有围岩残留顶盖和顶垂体，表明岩体与围岩之间同化混染作用较强，这些都有利于硫化物的形成、聚集以及硫化物与硅酸盐的熔离。现有钻探资料显示，钻孔见矿化率高，矿石具有自形－半自形粒状结构，局部具陨铁结构。矿石构造以星散浸染状－稀疏浸染状为主，局部具稠密浸染状构造。在个别钻孔中见有以黄铜矿为主的块状矿脉。由于矿石类型主体属浸染状矿石，海绵陨铁状和块状矿石少，因而，目前圈定的矿体基本属贫矿。但从目前所见矿体在侵入体中赋存的部位、矿石类型和矿石结构构造分析，现阶段的勘查深度主要限于侵入体的中上部，所评价的主要是上悬矿体，这些矿体应是含有少量硫化物的岩浆侵位后分异的产物。在一些钻孔中见到的呈脉状贯入的块状矿石，含有大量的黄铜矿，应该是岩浆期后热液阶段的产物。这暗示岩体中有热液阶段的富矿存在。通常，在浸染状矿石和热液阶段矿石的形成过程之间应当有海绵陨铁状矿石和岩浆阶段形成的块状矿石。按照世界上层状岩体的一般规律，海绵陨铁状矿石、岩浆阶段形成的块状矿石和热液阶段形成的富矿，主要分布在岩体的下部和边部。也有一些矿体受岩体内部的构造控制，块状矿石沿构造带呈脉状产出。因此，以超镁铁质为主的坡十侵入体，深部找矿潜力较大，我们要在系统矿床理论研究的基础上，开展有效的物探工作，科学圈定、解译异常，进行必要的深部钻探工作。

6 结论

坡十侵入体位于塔里木板块东北部，是以超镁铁质岩石为主的层状岩体，赋存镍铜硫化物矿床。钻孔显示主要岩石类型有:纯橄岩、二辉橄榄岩、斜长二辉橄榄岩、橄榄二辉岩和正堆晶辉长岩。其中，二辉橄榄岩赋存多层硫化物矿体。PGE地球化学特征表明，原生岩浆为高镁玄武质岩浆，演化过程中深部发生了约0.012%硫化物熔离。综合坡十侵入体的岩体特征、矿体赋存部位、矿石类型和矿石结构/构造综合分析，侵入体深部找矿潜力大。

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