祁连-龙首山元古宙大火成岩省与金川型铜镍矿关系探讨

张照伟，李文渊，高永宝

(国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室，西安地质调查中心，陕西 西安 710054)

1 项目背景与研究意义

欧亚大陆产出两例超大型岩浆Ni-Cu-PGE矿床，一例是产于西伯利亚稳定克拉通西北缘的俄罗斯诺里尔斯克矿床，另一例就是位于中朝克拉通西南缘的中国金川矿床。这两例超大型矿床对世界镍金属矿业格局构成了重要影响，是世界硫化镍金属的主要产地之一。随着勘查技术的进步和地质认识的提高，近十余年来世界上几乎所有的超大型岩浆Ni-Cu-PGE矿床外围均有新的矿床被发现，储量在不断增加。但金川矿床自1958年发现以来，近50年来勘查工作在其外围龙首山镁铁-超镁铁岩带再无新的矿床发现，金川矿床本身除在勘探剖面之间矿山开采中发现未控制的块状特富矿体，而使镍、铜金属储量有所增加外，在深部也并未发现新的重要矿体。金川矿床镍金属储量已由世界第二大岩浆镍硫化物矿床，降为第三位，位于加拿大的萨德伯里(Sudbury)和俄罗斯的诺里尔斯克(Noril’sk)矿床之后[1]。这是一个令人困惑的问题，是金川矿床果真如人们所讲的“独生子”呢，还是勘查认识上的偏差未能有效发现新的矿床？近十余年来的进一步勘查选区研究和局部勘查验证工作仍未做出明确回答。运用现代地质学的认识，与板块构造关系不大的岩浆Ni-Cu-PGE矿床，愈来愈多的研究表明其成矿物质来源和成矿动力是地幔柱作用，特别是大规模岩浆事件和亲地核、下地幔的Ni、Co等金属元素的超常富集是超级地幔柱作用的结果。这个超级地幔柱起源于核幔边界的“D”层，是地壳演化早期壳幔物质交换的主要作用方式，并贯穿于地球的整个演化过程[2]。所以，一些学者认为通过判定幔源镁铁-超镁铁质岩的形成演化和成生类型，已成为解决具有重要工业价值岩浆Ni-Cu-PGE矿床成矿和找矿问题的主要研究内容，而且已经认为与地幔柱有关的幔源镁铁-超镁铁质岩可能是形成大规模岩浆Ni-Cu-PGE矿床的主要母岩，除了太古宙喷出的科马提岩直接成矿外，元古宙以来以层状侵入体成矿为典型特征，并伴有大量喷发的大陆溢流玄武岩(CFB)，表现为大陆内部大火成岩省(LIPs)的特点[3-4]。

因此，金川超大型矿床作为前寒武纪幔源金属元素的异常聚集体，决不可能是孤立的成矿作用产物，而应是一个重要的壳幔物质交换地质事件的结果。这种结果不可能是一个孤立的点上的富集，应是一个重要地质事件重要岩浆活动范围多个点上富集被偶然发现的一个表现。现在问题的关键是，由于多期重大构造改造，现残存地质遗迹已不可能恢复其内含成矿作用地质事件的全貌。

2 取得的研究进展与成果

祁连-龙首山大火成岩省与金川型铜镍矿关系研究本身就是一个很大的研究命题，即便金川铜镍矿床是新元古代大规模的岩浆成矿地质事件的结果，与之同期的基底和岩体多已剥蚀殆尽，要恢复当时的构造岩浆状貌相当困难。在以往研究的基础上，经过两年多的工作，结合最新研究认识，得出该研究项目的阶段性进展与成果。

2.1 提出世界级金川超大型岩浆铜镍硫化物矿床是元古宙重大地质事件的产物

借鉴近年来地幔柱学说和世界上大型—超大型岩浆铜镍硫化物矿床的最新研究成果，认为赋存于1 km3超镁铁质岩内储量达镍560万吨、铜389万吨、铂族金属200吨的金川矿床，要聚集如此巨量的镍金属，应该存在大规模的岩浆作用。金川铜镍矿床位于华北古陆阿拉善陆块西南缘龙首山隆起中。龙首山隆起南邻早古生代祁连造山带的河西走廊山前沉降带，北接中—新生代的潮水盆地。大地电磁测深(MT)结果表明，以往认为是金川含矿岩体导岩构造的龙首山北缘F1大断裂，实际是10 km深处向南收敛的电性薄层，是中生代印支期陆内造山作用逆冲构造的界面，龙首山是一自南而北被推覆拼贴在阿拉善地块上的构造岩片，龙首山南北界断层是岩片的顶底界面。金川含矿岩体及其外围龙首山镁铁-超镁铁质岩体均作为构造岩片的地质组成至少于10 km深处被推向地壳浅部，经风化剥蚀而出露于地表。因此，岩体的空间形态是被改变了的，是最易于就位的层状或似层状岩体逆时针旋转而成陡倾斜，表现为现在向西南倾斜的板状或透镜状。金川矿床决不是一个孤立的地质现象，而是一期大规模壳幔物质交换作用的表现，可能是大火成岩省(LIPs)的产物。由于金川成矿事件形成于元古宙，目前祁连-龙首山地区古老地块的镶嵌现状并不代表成岩成矿期的拼贴状貌，加之后期造山作用的影响，致使大部分喷出岩和部分侵入岩体剥蚀殆尽，金川岩体外围茅草泉、塔马子沟等岩体和北祁连朱龙关群、北秦岭熊耳群大陆溢流玄武岩等，可能为金川岩浆事件残存的侵入岩和喷出岩。

2.2 获得金川矿床含矿岩体新元古代的年龄信息

获得金川矿床二辉橄榄岩的ID-TIMS锆石U-Pb年龄( 831.8±0.6 Ma)，与金川超镁铁质岩体的锆石 LA-ICP-MS U-Pb年龄(807.3±3.7 Ma)和SHRIMP U-Pb 年龄(827±8 Ma)相近[5-7]。同时较相对切穿金川超镁铁质侵入体的闪长岩脉828±3 Ma年龄要早[7]，金川矿床的成岩成矿时代应为新元古代。金川矿床橄榄石、辉石和硫化物中He、Ne、Ar丰度和同位素组成显示，具有地幔、地壳和大气来源组分混合的特征，表明较高比例的混染地壳流体组分可能在深部岩浆房橄榄石结晶初期就已混入成矿岩浆中，且在岩浆结晶过程中持续加入，硫化物熔体的分离发生在岩浆分异的早期。金川含矿岩体整体以二辉橄榄岩为主体，其次为纯橄岩、斜长二辉橄榄岩和橄榄辉石岩。近60%的岩体由不同品位矿体构成，从而构成了巨大的金属储量。因此，成矿的岩体本身是富含已熔离的金属硫化物液相的。主要证据是橄榄石亏损Ni，而结晶早于橄榄石或同时的铬铁矿也亏损Ni、Co、Al，相对富集Ti，反映了侵入岩浆结晶前硫化物液相和硅酸盐熔体间的不混熔作用的彻底发生，Ni、Co等金属元素已优先进入硫化物液相，而使随后最早结晶的铬铁矿、橄榄石Ni、Co亏损，Ti富集可能示踪了原始岩浆的特点，是来源于深部较高温度的一种部分熔融的岩浆。

2.3 金川含矿岩体所在的龙首山镁铁-超镁铁质岩带，通过LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测定，发现至少存在两期成岩作用

中段金川、茅草泉等岩体形成于新元古代，获得茅草泉暗色角闪辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄833.8±4.0 Ma，Sr-Nd-Pb同位素和地球化学特征表明岩浆来自于富集地幔；西段藏布台、青井子等岩体形成于古元古代，获得藏布台辉长辉绿岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄1 855±48 Ma，Sr-Nd-Pb同位素和地球化学特征表明岩浆来自于亏损地幔。对金川矿区侵入龙首山群的红色碎裂正长花岗岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄研究，获得了2 116±61 Ma、2 257±43 Ma、2 385±41 Ma 3个捕获锆石年龄，确定岩体形成年龄为1 834±37 Ma ，并证实了北祁连碰撞造山热事件于早古生代晚期(380±9 Ma～407±6 Ma)对龙首山地块存在影响。岩石化学成分以贫碱、低铝为特点，REE表现为LREE富集。金川岩体岩石化学成分投图落入拉斑玄武系列(TH)的F-M边缘，与国外科马提岩的分布位置相似。硫化物矿体矿石δ34S值为-0.05‰～+2.53‰，不同矿石间没有明显分馏，显示地幔硫源的特征。矿床Ni/Cu值较低，平均1.46。与国外玄武岩质岩石类型的矿床接近，这类矿床Ni/Cu值多在0.5～1.5之间，与科马提岩类型的矿床差别较大，太古宙溢流科马提岩Ni/Cu值可达60以上。(Pt+Pd)/(Os+Ir+Ru)值为7.17，低于Sudbury矿床的13.05～12.7，又显著高于太古宙的科马提岩类型矿床的0.31～0.36。

2.4 金川矿床的深部过程

以往的研究中，金川岩体超镁铁质的岩石特点一直是研究者关注的焦点。形成金川含矿岩体的岩浆是基性岩浆，还是超基性岩浆？争论的结果，大家普遍认为是基性岩浆，或确定为偏基性的苦橄质拉斑玄武岩浆系列，也即金川岩体是基性岩浆演化分异形成的超基性岩浆结晶的产物。而基性岩浆要演化形成超基性岩浆，主要是长英质成分的移离，使镁铁质成分相对增高所致。从板内大规模岩浆作用主要是地幔柱作用结果的认识出发，元古宙(中元古代/新元古代？倾向于新元古代)超级地幔柱作用产生的拉斑玄武质岩浆，上侵中遭受岩石圈的混染，在深部岩浆房使硫逸度降低，硫产生过饱和而不混溶形成硫化物液滴，通过重力分异，深部岩浆房上部岩浆由于橄榄石结晶下沉，基性程度降低、质量变轻，有合适喷出的条件则快速喷溢于地表形成大陆溢流玄武岩(CFB)，由于后期的造山作用多已剥蚀殆尽，造山带中CFB残存下来的很少，喷出管道则形成大量的基性岩墙群，也由于后期构造改造，空间位置亦遭受很大的变化。剩余的岩浆应为富含硫化物液相的偏基性岩浆，在地壳挤压应力环境下，上侵到地壳浅部形成规模不大的似层状岩浆房，并进一步分异和不混溶作用，形成赋矿岩体。这期间岩浆的上侵应该是多期次，也应该有多个就位的岩浆房。当然多期次的岩浆上侵，成分肯定有所变化。

2.5 与金川铜镍矿非同期岩浆事件的化隆镁铁-超美铁质侵入岩可能与弧岩浆作用相关

研究表明祁连山化隆-日月山镁铁-超镁铁质岩带形成于早古生代，分别获得东段亚曲辉石岩和西段裕龙沟角闪辉石岩的ID-TIMS锆石U-Pb年龄为440.74 ± 0.33 Ma和442.4 ± 1.6 Ma。岩体主要为辉石岩、辉长岩及橄榄岩等，蚀变强烈，且多已角闪石化。裕龙沟、拉水峡、亚曲以及沙加的Re-Os同位素特征表明，岩带东段拉水峡铜镍矿床的Os以幔源为主，γOs为+68.3～+84.6，沙加和西段裕龙沟矿床的Os为壳幔混合来源，沙加的γOs为+222.8～+323.9，裕龙沟的γOs为+123.4～+273.6，而亚曲矿床的Os以壳源(>80%)为主，只有少部分来自地幔，γOs为+1 144.2～+1 604.2。化隆镁铁-超镁铁质岩带，北侧以拉脊山南缘逆断层为界与拉脊山杂岩带隔开，南侧以青海南山断裂为界与秦岭褶皱系毗邻。亚曲、裕龙沟、拉水峡、乙什春等镁铁-超镁铁质岩体都不同程度地侵位到化隆群这一套中深变质岩系中，且多数被古、新近系红层所覆盖。依据SiO2含量，拉水峡、裕龙沟为基性岩，下什堂、乙什春为超基性岩，亚曲为中基性岩。拉水峡岩体的m/f为0.5～1.9，平均1.1；裕龙沟m/f为0.8～4.5，平均3.0；亚曲的 m/f为1.0～2.3，平均1.5；下什堂m/f为3.7～4.8，乙什春m/f为1.88～2.69，均属于铁质系列的镁铁-超镁铁质岩体。在SiO2-Na2O+K2O图上，样品均投影在亚碱性系列区。在AFM图解上，除拉水峡个别样品，均投影于钙碱性系列区。稀土元素均具轻稀土富集型特征，显示明显的负Eu异常，说明岩浆演化过程中发生了大量斜长石等的分离结晶作用。微量元素特征基本一致，总体上显示出相容元素(如Ni、Cr、Co、V)含量高，不相容元素(如Rb、Ba、Th、U 等)含量低的特点。微量元素蛛网图中具有Nb、Ta负异常，可能与热液蚀变和地壳混染有关。在Nb/Ce-Nb/U 、Nb/Th-Ce/Pb和Th/Yb-Ta/Yb图上均显示了明显的正相关，表明它们是同源岩浆分异演化的产物。且岩浆演化过程中发生了一定程度的同化混染作用。但Nb、Ta亏损程度以及∑REE的不同等，说明母岩浆在上升形成各岩体的过程中遭受了不同程度的同化混染作用。

2.6 南祁连化隆地区镁铁-超镁铁质侵入岩形成特点与找矿潜力

化隆-日月山镁铁-超镁铁质岩带已知拉水峡、裕龙沟、亚曲和沙加等铜镍矿床属岩浆熔离矿床，但遭受热液作用改造显著，其中拉水峡矿床最为明显。矿石中PGE研究表明，拉水峡Os、Ir、Ru、Rh 含量较亚曲要高，拉水峡矿石形成于岩浆熔离早期，为深部熔离矿浆贯入的产物，而亚曲则为深部已发生硫化物液相熔离的残余硅酸盐岩浆上侵后就地熔离而成。热液改造作用使拉水峡矿石中的Pt、Pd进一步富集。化隆岩带铜镍矿床矿石的δ34S值在0.8‰～4.32‰之间，集中分布于0～3 ‰之间，平均2.12 ‰，与正常幔源硫的范围(0±3 ‰)一致，表明矿石中的硫主要来自地幔[8]。因此，导致S不饱和的可能是富Si组分的同化混染作用。据夏林圻研究认为，拉脊山奥陶纪火山岩具有岛弧钙碱性火山岩的地球化学特点，形成于陆间裂谷造山环境。据徐学义研究，南祁连还发育有奥陶纪基性-超基性岩浆作用，形成橄榄岩-辉石岩-闪长岩杂岩体。同时在拉脊山还存在具俯冲型花岗岩岩石地球化学特点的岩体，形成时代多介于450～470 Ma之间。区域地质研究表明，本区在中奥陶世已经是俯冲碰撞阶段，随后进入板内演化过程，岩带内岩体形成于440 Ma左右，此时不可能为岛弧环境，应是碰撞后伸展环境，其地球化学特征之所以具有岛弧岩浆的某些特征，可能是源区保留有早期俯冲的洋壳[9]。由上述地球化学特征可推测其矿床成因，地幔发生部分熔融产生大量的玄武质岩浆，岩石圈碎片的不断加入，上升的岩浆成分会发生变化；地壳物质(富Si地层)的同化混染使岩浆储库中的硫饱和，从而硫化物液相与硅酸盐岩浆熔融体之间发生不混溶，于壳幔界线处形成一定规模的硫不饱和岩浆储库；在岩浆分异的早期，发生硫化物熔体的分离，Ni、Co、Cu、PGE进入硫化物液相中，而使岩浆储库上部的基性硅酸盐岩浆亏损；含硫化物岩浆或矿浆由于构造挤压作用而向上侵入和贯入，形成亚曲、拉水峡、裕龙沟、乙什春、下什堂等矿床，含矿岩浆在上升过程中由于地壳混染程度的不同，致使形成不同品位的铜镍矿床[10]。可见，化隆—日月山镁铁-超镁铁质岩带是祁连山重要的铜镍成矿带，具有良好的找矿潜力。

2.7 化隆镁铁-超镁铁质岩体所侵位的围岩特点

通过对南祁连化隆群关藏沟组黑云母片麻岩中碎屑锆石进行LA-ICP-MS法 U-Pb测年及Hf同位素研究，获得碎屑锆石U-Pb年龄为893 Ma与919 Ma两个峰值，Hf同位素两阶段模式年龄峰值位于1 700～1 900 Ma之间，化隆群黑云石英片岩的Nd同位素T2DM多集中于1 700 Ma，结合化隆群白云母石英岩1 844±10 Ma的SHRIMP碎屑锆石U-Pb年龄[11]，认为化隆群形成于中元古代，在新元古代遭受了强烈的构造热事件改造。

3 下一步研究思考

在项目的研究过程中，深感到该研究命题所涉及问题的庞杂性和深厚性，许多深层次的问题限于学识和能力无力解决或明确，现提出以请教于师长和同仁，也作为进一步可能深入研究的方向。

(1) 导致罗迪尼亚超大陆裂解的超级地幔柱所表现的大火成岩省如果真发生在新元古代(825 Ma左右)，金川岩浆铜镍硫化物矿床巨量的金属聚集则可能是该大火成岩省的最为重要的成矿。但板块是在时刻运动的，主动上升表现为大火成岩省的地幔柱，无论地球表壳是大陆还是大洋，也不管是华北地块还是南澳大利亚地台，地幔柱都要上升，同时产生大规模岩浆作用并伴随铜镍成矿。可见其当初成岩成矿的复杂性。对于古地幔柱的识别和判定更为困难，古陆块经过长时间的后期构造改造和剥蚀，当初地幔柱作用时表现在地球表壳大火成岩省的那些古老陆块基底已基本剥蚀殆尽，要恢复其当初的状貌根本无法做到。

(2) 本文对祁连-龙首山古陆中LIPs存在认识的提出，还属于推测性的，尚缺乏地幔柱作用诱发的大陆溢流玄武岩(CFB)、基性岩墙群(mafic dyke swarm)和层状侵入体(layered intrusion)三位一体之间实质性联系的研究，由于祁连-龙首山古陆已后期破裂被卷入到造山带，与世界上其他著名的LIPs分布于大陆或大陆边缘不同，残留的火成岩很可能已支离破碎，其原始位置的恢复研究相当困难。细节上藏布太是否为CFB底部的科马提岩或苦橄岩，基性岩墙群的厘定更需更大范围的系统研究。

(3)以金川为代表的元古宙重大地质事件，不应只有金川一处成矿表现。如果真是大火成岩省所引发大规模岩浆作用的结果，类似于金川的成矿表现还应很多，只是现在未被发现。地幔柱所导致的大火成岩省波及的范围也会很大，岩浆作用也不会只在一个微陆块上表现，大火成岩省形成后经过后期长时间的裂解、汇聚和剥蚀改造，古老陆块早已面目全非。大火成岩省所表现的岩浆作用与古陆块的研究是解决寻找金川型铜镍矿成矿背景的关键，进而研究与金川超镁铁质岩体同时期同类型的含矿岩体，这些均是未来研究的方向和思考。

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