红旗岭矿床茶尖矿区铂族元素地球化学特征及其意义

赵新运，郝立波，陆继龙，赵玉岩，魏俏巧

吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026

0 引言

铂族元素（PGE）指元素周期表中第Ⅷ族第5周期的钌（Ru）、铑（Rh）、钯（Pd）和第6周期的锇（Os）、铱（Ir）、铂（Pt）6种元素。基性和超基性岩是地壳中主要富集PGE的岩石［1］。PGE的熔点很高，化学性质相似而且稳定，在岩浆演化过程中受各种因素的影响表现出不同的地球化学行为。基于以上特点，PGE可以用来反映成矿物质的来源，示踪岩浆演化，推断地质活动等。尽管有学者认为PGE在不同环境及岩石中的分异行为有许多模糊的地方，还存在着某些偏差，尤其是在地球化学动力学过程中的分异行为仍存在着较大争议［2］；但自1958年以来，PGE测试方法及其理论研究仍得到了快速发展，国内外众多学者对PGE地球化学进行了大量研究。郑建斌［3］对峨眉山玄武岩PGE富集机理进行了研究，认为其岩浆演化过程中发生了硫化物熔体与硅酸盐熔浆熔离，进而富集成矿；周美付等［4］对西藏罗布莎的纯橄岩进行了PGE研究，认为其形成于上地幔熔体和斜方辉石橄榄岩的反应；Arndt等［5］对俄罗斯的Noril’sk－Talnakh矿床进行了PGE研究，认为成矿岩浆发生了轻微的地壳混染，否定了Naldrett［6］等人的“Noril’sk－Talnakh矿床岩浆发生了大量的地壳混染”的说法；Benedek Gál等［7］在美国的Duluth岩体进行了PGE成矿作用研究等。不过已开展的研究多集中在PGE质量分数相对较高的岩体或矿床，对于质量分数较低的岩体和矿床中PGE的地球化学行为的研究相对较少。本文以PGE质量分数较低的红旗岭铜镍硫化物矿床茶尖矿区的1号和9号岩体为研究对象，结合常量元素、微量元素和REE的分析，通过PGE研究，对该区基性和超基性岩石的成因、演化及成矿机理等进行探讨，为区域铜镍硫化物矿床勘探提供参考。

1 地质概况与样品测试

1.1 地质概况

茶尖矿区位于红旗岭铜镍硫化物矿床南西侧10km处，大地构造位置属于天山－兴安地槽系吉林褶皱带南缘，华北地台北缘［8］。受辉发河断裂控制，属于深部熔离－贯入式小型岩浆铜镍硫化物矿床。以往勘查中发现了20余个镁铁－超镁铁岩体，均呈脉状产出，在1号、新6号、9号和18号岩体发现了小型铜镍矿床（图1）。

图1 茶尖矿区地质图（据文献［9］修改）Fig.1 Geologic map of Chajian ore district（modified after reference［9］）

1号岩体主要在花岗岩体两侧接触部位产出，受北西向断裂构造控制，沿北西向产出。在平面上为不规则椭圆形，具有北边窄、南部宽的形态。该岩体主要由基性－超基性岩相组成：包括角闪石岩相、橄榄角闪辉石岩相、角闪辉石岩相及角闪辉长岩相［10］，各岩相之间为渐变关系。

9号岩体呈北北西方向产于花岗岩体边部，受断裂构造控制，平面上为弧形长条状，长675m，宽15～25m［9］。该岩体由脉状橄榄角闪二辉石岩相组成，岩石类型主要为角闪辉石岩。

1.2 样品测试

图2 茶尖矿区典型样品照片Fig.2 Photos of typical samples of Chajian ore district

本次研究所用样品采自茶尖矿区已发现小型铜镍矿床的1号和9号岩体，共13件，典型样品照片见图2。样品测试由河南省岩石矿物测试中心完成，采用锍试金富集（FAS）－ICP－MS法测定Pt、Pd、Os、Ir、Ru、Rh。称取10.0～20.0g样品于三角瓶中，加入混合锍试金溶剂，混匀后倒入黏土坩埚中，加入适量锇稀释剂，放入1 050℃的马弗炉中熔融1.5h。冷却后放入250mL烧杯中，用稀HCl溶液溶解，过滤，再用王水溶解铂族硫化物，然后用ICPMS测定［11］。分析质量采用国家一级标准物质进行监控，分析结果均符合要求，合格率为100%。

2 常量及微量元素地球化学特征

2.1 常量元素地球化学特征

由表1可以看出，茶尖矿区岩石SiO2质量分数为44.87%～56.15%，表明该区岩石多为基性岩。里特曼指数（σ）均小于4，碱度率（AR）为1.06～1.76，表明该区岩石属于钙碱性系列。该区岩石固结指数（SI）为42～70，表明茶尖物质来源为经一定程度分异的幔源岩浆，同时镁铁指数（MF）为26.5～39.9，同样反映该区岩浆分离结晶程度不高。镁铁比值（M／F）为2.8～5.1，表明该区岩石为铁质超基性岩［12］。

2.2 微量元素地球化学特征

利用稀土元素的配分模式及化学参数可以判断物质来源［13］。由表2可以看出，茶尖矿区1号和9号岩体表现出相似的稀土元素特征，稀土元素总量（w（∑REE））的平均值分别为38.9×10－6和39.3×10－6，与红旗岭、金川及萨德伯里铜镍硫化物矿床的w（∑REE）相近［14－16］。而且随岩浆分异程度的加深，w（∑REE）增加，在闪长伟晶岩中达到最高。1号和9号岩体具有相同配分型式的球粒陨石标准化模式图（图3），均为轻稀土富集型，铕异常不明显。1号和9号岩体（La／Yb）N均值分别为3.8和3.0，（La／Lu）N均值分别为3.9和3.1，表明1号岩体的轻重稀土分馏程度略大于9号岩体；（La／Sm）N均值分别为2.2和1.4，（Gd／Lu）N均值分别为1.3和1.7，表明1号岩体的轻稀土分异程度高于9号岩体，而重稀土分异程度略低。相比较而言，该区岩石矿物的稀土配分模式相似，推测其具有同源性，均来自上地幔。

茶尖矿区岩石微量元素在辉石橄榄岩中含量较低，闪长伟晶岩的微量元素质量分数达到最高（表2和图4）。图4显示1号和9号岩体配分模式相似，显著亏损高场强元素Nb、Ta、P及Ti，相对富含大离子亲石元素。Nb、Ta、P及Ti负异常的出现，说明由于岩浆作用使地壳发生部分熔融，产生少量熔体与岩浆混染。玄武岩中较低的Ce／Yb值可推断有较高的熔融程度或尖晶石为主要残留相［19－20］。而茶尖矿区岩石的Ce／Yb为7～18，推测茶尖玄武岩可能产生于熔融程度较高的尖晶石－石榴石稳定区（＜70km）。

3 PGE元素地球化学特征及意义

由表1可以看出，茶尖矿区岩石的铂族元素总量（w（∑PGE））为（1.65～9.78）×10－9，平均为5.23×10－9，低于喀拉通克矿床岩石（（0.23～43.64）×10－9，平均10.00×10－9）、白石泉矿床岩石（（2.00～78.00）×10－9，平均15.00×10－9）及我国超大型金川铜镍硫化物矿床岩石的w（∑PGE）（平均35.00×10－9）［21］，表明茶尖矿区的PGE不具备成矿条件。

PGE在硫化物熔体与硅酸盐熔体的平衡系统中有在硫化物熔体中强烈富集的趋势［22］。闪长伟晶岩、角闪辉石岩及橄榄辉石角闪岩中的PGE质量分数依次为1.65×10－9、1.92×10－9和1.96×10－9，在矿化岩石中的质量分数为（3.98～9.78）×10－9，在含矿岩石中的质量分数为（23.02～135.26）×10－9，表明PGE质量分数与岩石中硫化物质量分数呈正相关关系。PGE在矿化辉长岩、矿化辉石岩及矿化辉石橄榄岩中的质量分数依次为6.15×10－9、8.33×10－9、9.78×10－9，表明PGE质量分数随着岩石基性程度的增加而增加。茶尖矿区岩石PGE球粒陨石标准化曲线（图5）比较清晰地反映了以上2点。

茶尖矿区PGE分异集中在硫化物含量低的岩石中，属于PPGE（Rh、Pt和Pd）富集型。在地幔部分熔融程度较低时，IPGE（Os、Ir、Ru）为相容元素，而Rh、Pt、Pd为弱相容元素。地幔中硫化物以一种细脉状或不规则状赋存于硅酸盐矿物颗粒间，容易熔出，还以微小球状包裹体存在于氧化物和硅酸盐矿物中［24］。前者富集 PPGE、Cu和 Pd，后者富集IPGE。这些矿物主要为橄榄石和辉石，均为耐熔矿物，部分熔融后会残留IPGE，出现IPGE和PPGE分异。茶尖与金川超大型铜镍硫化物矿床和哀牢山－金沙江构造带白马寨铜镍硫化物矿床I号含矿岩体PGE地球化学特征相似［25］，从该角度说明基性－超基性岩形成于S不饱和玄武质岩浆的演化。

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图4 茶尖矿区微量元素蛛网图（原始地幔值据文献［18］）Fig.4 Spidergram of trace elements in Chajian ore district（primitive mantle values from reference［18］）

部分熔融程度较低时，形成S饱和的岩浆，PGE强烈分离进入硫化物熔体中。随着部分熔融程度不断增高，岩浆由S饱和变为不饱和，PGE从硫化物中进入岩浆中。岩浆达到S饱和并导致硫化物熔离，残余岩浆中所有PGE都将大致同步地急剧亏损，Cu／Pd值强烈增大，但Pd／Ir和Pd／Pt值却没有显著变化［24］。茶尖矿区岩石Cu／Pd为79 515.62～505 016.60，远大于原始地幔的平均值6 500（原始地幔的Cu／Pd为7 000～10 000［24］），表明存在岩浆熔离作用。茶尖矿区岩石的Pd／Ir值均大于原始地幔的Pd／Ir，表明存在PGE分异。矿石的Pd／Ir小于岩石的Pd／Ir，闪长伟晶岩的Pd／Ir最高，说明随着结晶作用的进行，Pd在不断富集。先结晶的是熔点高的矿物，而IPGE和Pt是这些矿物的相容元素，所以不断亏损。而Cu和Pd是这些矿物的不相容元素，会残留在岩浆中，所以越晚结晶的矿物，其Pd／Ir越大。

Pt／（Pt＋Pd）和（Pt＋Pd）／（Os＋Ir＋Ru）是母岩浆分异程度的函数［26］。一般与玄武岩浆有关的铜镍岩浆硫化物矿床中矿石的（Pt＋Pd）／（Os＋Ir＋Ru）为5.7～55.6，Pt／（Pt＋Pd）约为0.2；而与科马提岩有关的铜镍岩浆硫化物矿床中矿石的（Pt＋Pd）／（Os＋Ir＋Ru）为1.3～3.5，Pt／（Pt＋Pd）为0.1～0.3［27］。萨德伯里矿床Pt／（Pt＋Pd）为0.49，（Pt＋Pd）／（Os＋Ir＋Ru）为10.0～25.0［28］。茶尖矿区矿石的（Pt＋Pd）／（Os＋Ir＋Ru）为0.82～3.90，岩矿石的Pt／（Pt＋Pd）均为0.4左右。推测茶尖矿床母岩浆的分异程度与科马提岩相近，而低于萨德伯里岩体和溢流玄武岩。随着硫化物质量分数的增加，矿石的（Pt＋Pd）／（Os＋Ir＋Ru）依次减小，反映其深部熔离析出的早晚［29］，块状矿石（CJ01－17）的（Pt＋Pd）／（Os＋Ir＋Ru）最小（0.82），推测为晚期贯入形成。

图5 茶尖矿区1号（a）和9号岩体（b）PGE球粒陨石标准化图（球粒陨石值据文献［23］）Fig.5 Chondrite－normalized patterns of PGE in the 1st and 9th rock mass of Chajian ore district（chondrite values from reference［23］）

4 结论与讨论

1）茶尖矿区岩石为铁质超基性岩，属于钙碱性系列。亏损元素Nb、Ta及Ti，存在地壳物质混染。茶尖矿区岩体发生轻重稀土元素分馏，属于轻稀土元素富集型，具有幔源部分熔融成因特征。

2）茶尖铜镍硫化物矿床PGE质量分数与岩石中硫化物含量呈正相关关系，存在PGE分异，富集Rh、Pt和Pd。

3）推测该区的基性－超基性岩形成于S不饱和玄武质岩浆的演化，其成矿物质来源于上地幔，主要成矿机制为深部熔离－贯入作用。

近年来，与基性－超基性岩浆作用及成矿相关的研究成果也在逐步显示，岩浆期后的热液在铜镍硫化物、铂族元素矿床的形成及矿化富集过程中起着非常重要的作用［30］。在野外地质工作中发现了含矿石英脉，表明有后期热液作用，但茶尖铜镍硫化物矿主要为岩浆成因，后期热液作用并不是成矿的主导因素。热液作用的影响，有待进一步研究。

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