新疆香山铜镍矿区热液作用性质及其成矿潜力研究＊

肖 凡，王敏芳

（1 中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016）（2 中国地质大学（武汉）资源学院，武汉 430074）（3 地质过程与矿产资源国家重点实验室（中国地质大学），武汉 430074）

热液作用对镁铁质－超镁铁质岩石及其所赋存的铜镍矿床进行改造，之后形成具有工业意义的贵金属矿化，这种现象已在国内外很多矿区出现［1］。国内外矿床学家对此成矿机制研究，发现Pt、Pd、Au、Ag等贵金属元素的热液活动性强是最主要因素，矿源岩（如基性－超基性岩）经热液蚀变作用后，成矿元素被萃取并进入热液体系中，以络合物形式迁移，由于环境物化条件的变化而沉淀成矿［2－3］，形成大量贵金属互化物，贵金属碲化物、砷化物、碲铋化物等，常与蚀变矿物共生。热液流体的来源是另一个关键问题，是其它热液矿床的远程响应，还是玄武质岩浆分异而来？陈源［4］认为岩浆向热液连续演化的模式可以调解铜镍矿床内岩浆矿石和热液矿石相互共生的现象。岩浆作用晚期，挥发分不断得到富集，当温度下降到一定程度后，便过渡到热液阶段［5］。

香山铜镍矿床位于东天山土墩－黄山－图拉尔根铜镍矿带中部，发现于上世纪80年代，赋矿岩石和铜镍矿石中均富集一定的Pt和Pd元素［6］，同时矿区内普遍存在热液蚀变作用及蚀变矿物组合，还有很多含金属硫化物的石英／方解石脉［7］，说明矿区内确实存在热液作用，热液作用是否可以导致贵金属元素的富集呢？本文试图通过蚀变矿物特征和脉状矿石中流体包裹体的研究来探讨研究区热液作用性质，进而探讨其成矿潜力。

1 区域地质特征

东天山地处古亚洲洋南缘，是西伯利亚板块和塔里木板块的聚合地区，前人认为区内俯冲碰撞作用结束于中晚石炭纪，并于二叠纪开始进入板内构造阶段［8－9］。从目前构造格架看，主要由觉罗塔格构造带和中天山地块组成（图1），其中觉罗塔格构造带主要由一套泥盆－石炭纪海相火山碎屑岩组成，均遭受了挤压推覆（活动时间280．2～300Ma）和右行走滑（活动时间242．8～262．9 Ma）两期剪切作用，最终形成康古尔韧性剪切带［12］。中天山地块具有前寒武纪结晶基底和下古生界盖层，其北缘也发育一条中二叠世韧性剪切带［13］。区内断裂构造发育，其走向以东西向为主，次为北北东向，从北至南规模较大者依次有骆驼圈子断裂（①）、头苏泉断裂（②）、康古尔断裂（③）、苦水断裂（④）、沙泉子断裂（⑤）和中天山地块南缘断裂（⑥）。岩浆岩以海西期最为发育，既有铜镍、钒钛矿化关系密切的镁铁质－超镁铁质岩，又有与其它矿化有关的闪长玢岩、花岗闪长斑岩和花岗岩。

在觉罗塔格构造带内，镁铁质－超镁铁质岩体呈近东西向带状分布，依次有土墩－二红洼、香山－黄山－黄山东和葫芦－串珠－马蹄－图拉尔根－四顶黑山等，现已探明黄山、黄山东和图拉尔根3处大型铜镍矿床，香山、土墩等多处中型铜镍矿床以及香山西大型铜镍－钛铁矿床。中天山地块北缘也出露含铜镍矿和钒钛磁铁矿的镁铁质－超镁铁质岩体，包括尾亚、天宇和白石泉等。关于上述岩浆型矿床的成矿动力学背景研究较多，目前主要有地幔柱［14］和后碰撞［9］等认识。

2 矿床地质特征

香山铜镍硫化物矿床位于东天山康古尔韧性剪切带的北缘，黄山铜镍矿田北部，因而其旧称“黄山北”矿床。大地构造位置上属于康古尔韧性剪切带和大南湖岛弧之间，是早二叠世中天山地块与吐哈地块碰撞后伸展作用下的产物。

根据香山杂岩体的空间形态，香山杂岩体可划分为东、中、西三段，整体夹持于北东向香山断裂（F8）和近东西向黄山断裂（F9）之间（图2），其中香山西段为铜镍矿－钛铁矿复合型矿床，香山中、东段为单一铜镍矿矿床，仅香山中段为中等规模铜镍矿床，是本文所研究的主要区域。研究区内地层整体为一套火山碎屑岩和正常沉积岩建造，也有人认为存在中元古代黑云母片岩，变粒岩，斜长角闪岩以及构造蜕变的绿泥石石英片岩［15］。矿区内构造－岩浆事件十分复杂，导致构造形迹不易分辨。申茂德［16］根据地层中标志性岩性的展布特征，认为该区域内整体为轴向近EW 的复式倒转背斜，断裂构造呈多级组合，后期劈理或片理十分发育，对先成构造破坏程度较高。矿区内岩浆岩种类丰富，从酸性岩到超基性岩均有出露，王润民等［17］认为杂岩体外侧火山岩区存在辉长岩－闪长玢岩，其过渡带内有富铜－特富铜矿体，但勘查资料不详。香山中段杂岩体是研究区内最主要的赋矿杂岩体，它主要由橄榄岩相、辉橄榄岩相、橄榄辉石岩相和辉长岩相组成。就目前所圈定的矿体而言，它们主要赋存于（超）基性岩相底部、超基性岩相和基性岩相接触带，以及岩石裂隙等位置，其中前两者为岩浆成因，后者为热液成因，是本文重点研究对象。

图1 东天山铜镍矿带（a，b）及香山铜镍矿区地质简图（c）（据文献［10－11］）Fig．1 Simplified geological map of Cu－Ni ore belts of Eastern Tianshan（a，b）and Xiangshan Cu－Ni deposit（c）

图2 香山杂岩体简易地质图（据文献［11］）Fig．2 Simplified geological map of Xiangshan complex

热液成因矿体由硫化物细脉或含硫化物的石英／方解石细脉组成，多受北东55°方向裂隙控制。矿体埋藏深度较浅，常＜200 m，在矿体附近，围岩蚀变明显，矿石中擦痕、断层泥及片理化强烈，发育角砾状矿石，其中角砾为发生蚀变的岩石，胶结物为金属硫化物。常见的矿石构造有斑杂状构造、网脉状构造、细脉浸染状构造，主要矿石结构有溶蚀结构，反应边结构、假象结构、交代文象结构，主要金属矿物有磁黄铁矿、黄铜矿、黄铁矿、针镍矿、紫硫镍矿、磁铁矿以及其它硫砷化物和砷化物、碲化物［7］。

3 样品及测试分析

本次采集的样品主要位于香山杂岩体中段，包括稠密状矿石、浸染状矿石和脉状矿石。稠密状和浸染状矿石中金属硫化物电子探针分析在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室完成，切制探针片（光薄片），并在实验之前作喷炭处理，而后放入仪器开展实验，相关参数如下：仪器型号为日本JXA－8100，工作加速电压20kV，电流20 nA，分析束直径为10μm，寻峰时间为10s。不同元素的检测限值不同，其中Au为143×10－6，Ag为49×10－6，Pt为249×10－6，Pd为103×10－6。

含金属硫化物石英／方解石脉一般贯穿于辉长岩和闪长岩中，其脉宽大多在2～3cm 之间，也有一些脉较粗大且多期次热液细脉相互穿插（图3），常见的金属矿物有黄铁矿、黄铜矿和磁黄铁矿，非金属矿物有石英、方解石和绿泥石等。对这些热液细脉切制流体包裹体片之后，分别在中国地质大学（武汉）矿石学实验室和流体包裹体地质学实验室进行了流体包裹体的岩相学观察和显微测温实验。测温仪器为英国Linkam THMS 600型冷热台，其温度控制范围为室温～＋600℃，其中，在室温～100℃范围内的测定误差为±0．2℃，100～500℃范围内的测定误差控制在±2℃。实验前，用美国FLUID INC公司的人工合成流体包裹体标准样品对冷热台进行了校正，以确保实验数据的精确性。

4 流体包裹体特征

4．1 岩相学特征

显微镜下观察发现，石英和方解石中流体包裹体成因类型丰富，主要为原生流体包裹体，其次是假次生流体包裹体和次生流体包裹体。原生包裹体一般尺寸较大或呈孤立分布（图4），是开展流体包裹体研究的主要对象，而一些尺寸小且有微定向或者沿裂隙展布的，则为假次生或者次生流体包裹体，不参与后续显微测温工作。

图3 香山铜镍矿区内热液脉状矿石Fig．3 Hydrothermal vein－like ores in Xiangshan Cu－Ni deposit

图4 热液脉状矿石中石英矿物内流体包裹体岩相学特征Fig．4 Petrographic characteristics of fluid inclusions in quartz minerals of hydrothermal vein－like ores

石英矿物中原生流体包裹体的物相类型有富液相、富气相和含子矿物三相流体包裹体（？）等类型，其中以富液相流体包裹体为主，大小在4～10μm之间，平均5μm，气液比5～15%之间，富气相流体包裹体次之，大小在4～12μm 之间，平均7μm，气液比50%以上，含子矿物三相流体包裹体（？）仅在显微测温过程中发现，子矿物呈黑色，溶解温度较高。

方解石矿物中原生流体包裹体的物相类型相对单一，仅发现富液相，大小在4～12μm 之间，平均6 μm，气液比10%±。

4．2 流体包裹体显微测温

在中国地质大学（武汉）资源学院流体地质学实验室开展了方解石和石英的流体包裹体显微测温实验，分别获得测温数据18个和41个，均一状态均为液相。

方解石矿物中气液相流体包裹体均一温度为110．2～279．6℃，平均值219．3℃，峰值集中于200～240℃之间（图5（a））。

石英矿物中流体包裹体均一温度在105～360℃之间，平均值238℃，峰值集中于200～240℃之间（图5（b）），其中气液相流体包裹体均一温度范围为105～304℃，平均值为216℃，富气相流体包裹体均一温度范围为254～345℃，含子矿物三相流体包裹体均一温度高达360℃。

5 讨 论

5．1 热液流体性质

图5 热液矿石中方解石（a）和石英（b）流体包裹体均一温度值分布直方图图中纵坐标为频数，横坐标为流体包裹体均一温度值（℃）Fig．5 Histograms of homogenization temperatures of calcites（a）and quartzs（b）in hydrothermal vein－like ores The vertical and horizontal axis stand for frequency and temperature（℃）respectively

图6 香山铜镍矿床热液期蚀变作用模式图（注：图（b）据文献［7］）Fig．6 Alteration model of hydrothermal stage of Xiangshan Cu－Ni deposit

热液流体流经杂岩体中裂隙时，与先成造岩矿物和金属矿物发生交代作用，生成新的蚀变矿物组合，其蚀变作用模式见图6。热液流体是一种酸性的强腐蚀性的流体，最早使岩体发生蛇纹石化、透闪石化、绿泥石化等蚀变作用（图6（c）、图6（d）），同时析出磁铁矿和黄铁矿颗粒。在此过程中，角闪石和黑云母等富水矿物也可以形成，如辉石或者硫化物被蚀变之后，Fe被释放至流体中，与K 等元素结晶成黑云母。从早期的蚀变矿物组合可以看出，如磁铁矿生成，说明热液体系的氧逸度较高，同时还发现不同世代的蛇纹石矿物出现在同一橄榄石周围（图6（d）），其中早世代蛇纹石离橄榄石近，粒度很细，晚世代蛇纹石则粒度较为粗大，据此说明热液活动具有多阶段特征。

相对于岩体的热液蚀变作用而言，热液流体对原生矿石的蚀变作用相对较晚，在这一阶段形成了大量的金属硫化物、砷化物，如黄铜矿、黄铁矿、针镍矿、紫硫镍矿、红砷镍矿、辉砷钴矿等，从而导致岩浆矿石稀土元素配分曲线呈似“四组分效应”［18］。孙燕等［19］对热液期金属矿物开展了详细的电子探针分析，发现普遍含有Sb、Ag、Zn 等元素，原生黄铜矿、镍黄铁矿经热液改造之后，其Ag的含量也明显增高，说明热液作用对贵金属元素的富集有利。与早期蚀变矿物组合相比，本阶段生成的矿物以硫、砷化合物为主，对热液期矿物组合进行Cu－Fe－Ni－S四元结构投图（图6（b）），发现矿物结晶向富硫方向发展，从实验角度讲，随着热液体系温度较低，硫化氢在热液中的溶解度增加，由电离产生的还原性硫离子浓度也相应增加，导致晚期的热液体系还原性增强，故硫逸度具有增高的趋势。

在香山中铜镍矿床内，以热液作用为主导的脉状矿石较为发育，其Cu含量、Ni含量、Cu／Ni比值均与以岩浆作用为主导的矿石明显不同，如脉状矿石Ni含量在0．44～0．64%之间，Cu 含量0．5～0．74%之间，Cu／Ni比值在1．06～1．55之间［7］，与岩浆矿石（Cu／Ni比值一般小于1）差异明显。此外，通过对脉状矿石中黄铜矿和磁黄铁矿进行硫同位素测试，发现其与岩浆矿石相似，均有地幔硫特征［7］。在本次实验研究，脉状矿石内主要透明矿物石英和方解石中流体包裹体均一温度值分布图均具有“右倾”特征，且峰值相近，为200～240℃之间，是中高温热液作用形成的矿石。

综合矿区内蚀变矿物特征和含金属硫化物石英脉／方解石脉流体包裹体研究，发现热液作用主要表现在浅层空间，往往在岩体与围岩接触带最为发育，且超基性岩相中少见“透入性”脉状矿石，但蚀变作用影响较为广泛，岩体中镁铁质矿物成分和原生金属矿物组合均发生了很大变化，这绝不是其它热液矿床的远程响应所能达到的程度，因而本文认为这种热液流体是与含铜镍玄武质岩浆相关的中高温热液，“原地”分异而成，经历了氧逸度逐渐较低硫逸度缓缓增高的过程，并具有多阶段活动的特征。

5．2 与邻区热液作用对比

在觉罗塔格成矿带内，发育很多与热液作用有关的矿床（化），其中韧性剪切带型金矿床和与斑岩体有关的矿床最为典型，前者可进一步划分为浅成低温热液型金矿床和中深成热液型金矿床，如西滩（或称石英滩）金矿床、康古尔金矿床和红山金矿床，其主成矿时代为海西晚期－印支早期；后者包括土屋－延东斑岩型铜钼矿田、东戈壁斑岩型钼矿和三岔口铜矿等，其主成矿时代有海西早期（土屋－延东）和海西晚期－印支早期（东戈壁、三岔口和白山等）两种。因此，根据成矿年龄的相对早晚，本文认为最有可能在香山矿区内产生热液作用响应的是韧性剪切带型金矿和以三岔口为代表的与斑岩体有关的矿床。

图7 韧性剪切带型金矿矿物流体包裹体均一温度分布直方图（据文献［20］）Fig．7 Histogram of homogenization temperatures of fluid inclusions in minerals in gold deposit in ductile shear belt

图8 三岔口铜矿流体包裹体均一温度分布直方图［22］Fig．8 Histogram of homogenization temperatures of fluid inclusions in minerals in Sanchakou Cu deposit

中深成热液型金矿床（如小尖山、康古尔和西凤山矿床）中，以康古尔金矿床为代表，其金属硫化物同位素δ34S＝－0．09～＋0．33‰［20］。流体包裹体除富H2O 包裹体外，还有很多的富CO2包裹体和含液相CO2的多相包裹体，均一温度变化于130～320℃之间（图7）。浅成低温热液型金矿床（如西滩或称石英滩矿床）中流体包裹体基本上只有富H2O包裹体（包括两相的和单相的），基本不含富CO2包裹体和含液相CO2的多相包裹体，流体包裹体的尺寸仅1～3μm 之间，均一温度变化于109～202℃之间（图7）。三岔口铜矿床中岩浆期后热液成因矿石中，金属矿物δ34S＝1．43～1．72‰，平均为1．6‰［21］，透明矿物流体包裹体具原生和次生两种成因类型，并以次生为主，原生流体包裹体尺寸在3～10μm，常见负晶形，气液相最为常见，气液比2～15%，平均4．5%，均一温度值分布具有“左倾”特征（图8），峰值在150～240 ℃之间［21－22］。

综合对比香山与康古尔金矿、西滩金矿、三岔口铜矿流体包裹体特征（表1），发现它们的差异较大，所以矿区内所见到的含金属硫化物石英／方解石脉不是其它热液矿床的远程响应，也进一步验证了前文的推测，更可能是与含铜镍玄武质岩浆相关的热液流体。

表1 不同矿床的矿物组合及流体包裹体特征对比Table 1 Contrast characteristics of fluid inclusions and mineral assemblages from different deposits

5．3 热液作用研究的意义

在一些镁铁质岩－超镁铁质岩的内外接触带附近，可以发现一些热液成因的金矿化，如新疆萨尔托海Ⅰ号蚀变超基性岩金矿化，阿拉伯、马里和摩洛哥等国的新元古代蛇绿岩中金矿化现象等［1］。近些年来，国内外矿床学家还发现镁铁质－超镁铁质岩石及其赋存的铜镍矿床中存在与热液流体作用相关的铂族矿物（PGM），如内蒙古文圪乞PGM 形成于磁铁矿、绿泥石和黄铁矿中（图9）［3］，Sudbury地区100，120和Lady Violet矿床中PGM 形成于含镍的辉砷钴矿中［23］。更有一些岩浆硫化物矿床中，PGE的矿化富集是岩浆成矿和热液流体成矿多阶段富集而成，如津巴布韦Sclukwe Subchamber矿床［2］。针对这种现象，国内外已有学者对其机制进行了研究，由于超镁铁质岩石比其它岩石更富Au、Ag、Pt、Pd等热液活动性很强的元素，经受后期热液作用改造之后，可形成达工业品位的贵金属矿化［24－25］。也就是说，形成此类贵金属矿化必须要有成矿物质基础和热液作用条件。

图9 内蒙古文圪乞岩体中铂族矿物［3］Fig．9 PGM in Wengeqi complex

综合野外观察和不同矿床之间的对比，本文认为香山铜镍矿区确实存在与含铜镍矿玄武质岩浆相关的中高温热液作用，使基性－超基性岩石发生了强烈的蛇纹石化、绿泥石化和纤闪石化等蚀变作用，并生成了含金属硫化物的石英／方解石细脉。那么矿区是否存在贵金属成矿物质基础呢？作者曾对香山中杂岩体和铜镍矿石的PGE分布特征进行测试，表明岩石和矿石均有一定量的PGE，尤以矿石中富集最强［6］。对典型矿石中主要金属硫化物开展了进一步电子探针测试（表2），发现岩浆成因金属硫化物中Pt元素丰度最高，其次是Au和Ag元素，而Pd元素含量甚微。因此，热液作用对岩浆矿石进行改造之后，丰度较高的Pt、Au、Ag元素会优先得到富集，故最有可能形成相应的贵金属矿化。

除此之外，在稠密浸染状富铜矿石中，已经发现了热液成因载金矿物－叶碲铋矿［7］，黑云母、绿泥石等蚀变矿物的出现，说明热液流体富含卤素挥发分（如Cl），有利于PGE活化，这也进一步说明矿区内热液作用具有富集贵金属元素的潜力，值得进一步深入研究。前人研究发现，这种与镁铁质－超镁铁质岩相关的贵金属矿化往往与铁白云石化、菱铁矿化、菱镁矿化、硅化或者石英脉相关［1］。因此，在今后香山铜镍矿区内，开展热液成因贵金属矿化的勘查工作中，可以此作为贵金属资源的找矿标志。

表2 香山铜镍矿床中金属硫化物Au、Ag、Pt、Pd含量（单位：10－2）及直方图Table 2 Contents of Au，Ag，Pt，Pd elements（×10－2）of major sulfides and their histograms of Xiangshan deposit

由于香山铜镍矿区内主攻矿种为镍矿和铜矿，主要是岩浆成矿作用，故矿山投产期间未对热液作用给予重视，积累的研究资料十分有限。在本次研究中，尝试性地探讨了矿区内热液作用的性质，认为是玄武质岩浆就地演化而来的热液流体，正如Coghill等［2］认为对PGE矿化富集起作用的热液体系不可能是外界热液流体，而是内部分异出来的一种流体，所以香山铜镍矿区内的热液矿石具有富集Pt、Ag和Au等贵金属元素的能力。由于本次工作程度稍显不足，未能完全解决所有问题，下一步可从以下几个方面入手：①对热液矿石中透明矿物开展流体包裹体的液相成分分析，明确流体的类型；②对热液矿石进行全岩PGE和Au元素分析，结合显微测温结果，明确贵金属含量是否与温度有关；③对热液矿石中的石英、方解石、黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿、绿泥石等矿物进行电子探针（EMP）和扫描电子显微镜－能谱分析（SEM－EDS），对贵金属元素的赋存状态进行研究。

6 结 论

香山铜镍矿区广泛发育蚀变矿物组合和含金属硫化物石英／方解石脉，指示矿区内热液作用发育。蚀变矿物有蛇纹石、绿泥石、纤闪石和黑云母等非金属矿物，以及针镍矿、紫硫镍矿、红砷镍矿、辉砷钴矿等金属矿物，指示热液流体具有富卤素挥发分（如Cl）和多阶段活动的特征，并经历了氧逸度逐渐较低硫逸度缓缓增高的过程；

热液脉状矿石中透明矿物石英和方解石含有较多流体包裹体，且以原生富液相流体包裹体为主，大小4～12μm 之间，气液比5～15%之间，均一温度分布图具“右倾”特征，峰值在200～240℃之间，指示热液流体为中高温热液；

通过与邻区热液矿床对比，并结合热液作用空间分布特征，认为香山铜镍矿区内热液流体与含铜镍玄武质岩浆相关，并非其它热液矿床的远程响应；

根据岩浆矿石中金属硫化物电子探针分析，认为香山铜镍矿区内热液作用具有富集Pt、Ag和Au等元素的能力，今后的找矿工作中应给予重视。

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