东天山云海铜镍矿地球化学特征及成因分析

李大海　刘超　王成　唐毅

摘  要：云海铜镍矿位于觉罗塔格构造带西段，成矿岩体为多期次侵入的杂岩体，岩体分异演化充分，镁铁质和超镁铁质岩石均有发育，主要岩石类型为角闪辉石岩、橄榄苏长岩、辉长岩、闪长岩。主量元素化学组成表明，该杂岩体属拉斑玄武岩系列，岩石具同源演化特征，显示高铁、高镁、低钛、低铝特征，富集大离子亲石元素Rb，Ba，亏损Nb，Ta，轻稀土富集。岩浆源区有部分熔融而交代的岩石圈地幔，岩浆在上升过程中受到地壳物质混染，发生橄榄石、斜方辉石、斜长石的分离结晶。岩体形成于早二叠世，为构造活动和地幔柱双重作用下的产物。

关键词：云海;镁铁质-超镁铁质杂岩体;岩浆源区;地球化学

东天山觉罗塔格构造带是新疆重要的铜镍矿带，该带东段已发现土墩、黄山、图拉尔根等铜镍矿床及一批铜镍矿（化）点。西段近年来发现白鑫滩、路北铜镍矿，进一步提升了该带铜镍矿成矿潜力。通过研究显示，觉罗塔格构造带内的铜镍矿成矿岩体，区域分布总体受康古尔断裂及次级断裂控制，岩体规模不等，平面上多呈长条状、椭圆状，剖面上呈岩柱状、漏斗状，岩体大多数形成于290～260 Ma。2016年，新发现的云海铜镍矿与带内其它铜镍矿床具有相似的地质特征，且尚未开展矿床研究，本文通过岩石学、岩相学、矿物学、岩石地球化学研究，初步探讨了矿床成因及成矿过程。

1  区域地质背景

觉罗塔格构造带北界为吐哈盆地南缘断裂，南界为阿其克库都克断裂，包括小热泉子裂谷、康古尔韧性剪切带和雅满苏裂谷3个构造单元，带内镁铁-超镁铁质岩体主要沿康古尔断裂两侧分布，东天山与铜镍矿有关的镁铁-超镁铁质岩体在沙垄以东主要分布在康古尔韧性剪切带内，以西主要分布在康古尔断裂北侧（图1）。带内出露地层主要为石炭—泥盆纪火山岩，二叠纪地层分散分布，出露面积较小，志留系为火山碎屑浊积岩建造，奥陶系为一套安山岩-玄武岩-英安岩建造。觉罗塔格构造带内沿康古尔断裂发育有大量镁铁-超镁铁质岩体，自东向西分布有图拉尔根、黄山、土墩、白鑫滩、白梁山、路北等岩体，这些岩体与铜镍成矿关系密切，已发现有图拉尔根、黄山等大型铜镍矿，白鑫滩、路北、云海等多个中小型铜镍矿床。针对带内镁铁-超镁铁质岩体，开展了岩体岩相学、年代学、岩石地球化学、同位素、成矿作用等研究工作，形成了大量的科研资料，但在一些关键科学问题上仍然存在争议。笔者利用在云海铜镍矿勘查过程中形成的资料进行系统分析，从岩相学、岩石地球化学特征探讨研究源区，岩浆演化及构造背景。

2  岩体地质及岩石学特征

2.1  岩体地质特征

云海铜镍矿床南距路北铜镍矿床约1 km，矿区内发育镁铁-超镁铁质岩体，为多期次侵入的杂岩体，岩体侵入下石炭统小热泉子组（图2），围岩为凝灰岩、角砾晶屑凝灰岩、安山岩，角岩化强烈。岩体分异演化充分，镁铁质和超镁铁质岩均有发育，主要由闪长岩、角闪辉长岩、橄榄辉长岩、橄榄苏长岩、角闪辉石岩组成。云海岩体地表呈NWW向展布，地表呈蝌蚪状，东西长约1.6 km，南北宽0.4～0.7 km，出露面积约0.86 km2，超镁铁质岩分布在岩体西北部，地表呈珠滴状，深部呈囊袋状。岩体共圈定镍矿体12条，其中Ni11～Ni15矿体赋存于超镁铁质岩中，Ni资源量1.88×104  t，平均品位0.46%，铜资源量1.69×104   t，Cu平均品位0.42%。Ni11为主矿体，据阶段性勘查成果显示，该矿体为半隐伏矿体，东部出露地表，向西隐伏，厚度沿倾向逐渐变小，品位降低。矿体形态呈透镜状、似层状，特富矿体在镁铁质岩、超镁铁质岩底部呈脉状产出。

矿石类型主要有斑杂状、稀疏浸染状、海绵陨铁状、准块状矿石。在橄榄苏长岩-角闪辉长岩相中表现为斑杂状矿石→稀疏浸染状矿石→海绵陨铁状矿石渐变过渡，在该岩相底部与围岩接触带内发育准块状矿石。闪长岩-辉长岩相中为碎斑状矿石、斑杂状矿石，在岩相底部发育贯入式富矿体。金属硫化物为黄铜矿、磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿等;脉石矿物为橄榄石、辉石、角闪石、斜长石、黑云母;次生蚀变矿物为纤闪石、滑石、绿泥石、蛇纹石、绢石、葡萄石等。

2.2  岩石学特征

岩体为多期次侵入的复式杂岩体，主要由闪长岩、角闪辉长岩、橄榄辉长岩、橄榄苏长岩、角闪辉石岩组成。据岩体岩石组合、接触关系等划分出2个阶段4个岩相，分别为第一阶段闪长岩相、辉长岩相;第二阶段橄榄苏长岩相、角闪辉石岩相。与带内复式杂岩体相同，岩浆侵入呈脉动性，矿化主要受其中一期岩浆侵入控制，在不同成分岩相接触部位，由于温度和物理化学条件变化的影响促进了矿化发育[1]。云海岩体矿化与第二阶段的岩浆关系密切，矿体产于镁铁岩相及其接触带上。与成矿关系密切的岩石岩相学的特征如下：

橄榄苏长岩   灰绿-灰黑色，变余輝长结构，块状构造。岩石主要由橄榄石、紫苏辉石、角闪石、斜长石组成。橄榄石含量约30%，半自形-他形，多呈锥柱状，粒径0.25～1.25 mm，裂理发育。斜方辉石含量29%，呈半自形粒状、柱状，粒径0.42～2 mm，多具平行消光，有轻度纤闪石化;角闪石含量20%，呈他形粒状、不规则状，已蚀变为纤闪石、绢云母，分布于辉石、橄榄石之间;斜长石含量30%，呈不规则状分布于橄榄石、辉石之间，蚀变很弱（图3-a）。

角闪辉石岩   灰绿色，半自形-他形粒状结构，块状构造。由角闪石、辉石组成，少量黑云母。辉石含量约65～70%，粒径0.3～2 mm，滑石化蚀变强烈，少部分残留;角闪石含量约25～30%，粒径0.3～2 mm，绿泥石化蚀变强烈，少量残留呈残晶状分布;黑云母呈自形-半自形片状，粒径0.20～0.86 mm，具绿泥石化蚀变（图3-b）。

3  样品采集及测试方法

云海岩体地表出露的闪长岩风化较强，橄榄苏长岩、角闪辉石岩风化、蚀变强烈，为保证样品新鲜，本次样品均取自钻孔内。主量、微量和稀土元素分析均在新疆矿产实验研究所完成。主量元素采用X-荧光光谱仪（XRF）分析，分析精度优于1%;元素含量大于10×10-6时，精度优于5%;含量小于10×10-6时，精度优于10%。稀土微量元素采用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（ICP-LS）（Element Ⅱ）（Agilent 7 500a）分析完成。

4  岩石地球化学特征

4.1  主量元素

云海铜镍矿赋矿岩相为橄榄苏长岩相、角闪辉石岩相、辉长岩相，在各岩相中采集样品10件，主量元素分析结果见表1。样品属基性-超基性岩范畴，SiO2含量34.66%～45.96%，其中一件辉长岩样品，为富硫化物矿石，SiO2含量低至34.66%，因铁以硫化物黄铁矿形式存在，无法扣除硫化物中的铁，使得岩石中铁含量偏高，硅含量偏低;CaO，MgO，Na2O等氧化物含量变化大，CaO含量2.54%～14.16%;MgO含量16.33%～24.43%，FeOT含量13.8%～22.9%;Mg#含量0.64%～0.75%。樣品烧失量较高，在3.24%～12.91%，这与岩石蚀变较强、形成富水矿物黑云母等有关。

从SiO2-Na2O+K2O图解可看出（图4），8件样品落入亚碱性岩区，2件样品落入碱性系列，主要是岩石中铁以硫化物形式存在，导致换算后硅含量偏低。FeOT-Na2O+K2O-MgO图解（图4）上，样品均落入拉斑玄武岩区，指示云海岩体为拉斑玄武岩和亚碱性系列。在Hark图解上，样品SiO2与Al2O3、TiO2呈正相关，与MgO、Fe2O3T呈负相关（图5），一定程度上反映了岩体辉长岩、橄榄苏长岩、角闪辉石岩具有同源演化特征，超镁铁质岩中高铁、高镁、低钛、低铝。MgO含量越高，岩石基性程度越高[1]。

4.2  稀土、微量元素

云海岩体的稀土元素分析结果见表1。岩石的稀土元素总量∑REE=32.25×10-6～42.5×10-6，LREE/HREE=3.23～4.26，稀土元素分布曲线均表现为轻稀土富集的右倾型（图6）。矿石的∑REE=32.25×10-6～41.53×10-6，较不含矿岩石的稀土总量低，缘于稀土元素亲石性，在硅酸质岩浆与铜镍硫化物矿浆熔离过程中，稀土元素选择性富集在硅酸盐相中，致使熔离的硫化物相中稀土含量远大于其母岩硅酸盐岩。岩石（La/Yb）N介于2.95～4.07，均值大于1，轻重稀土之间的分馏程度较弱，轻稀土轻度富集。

La/Sm=2.56～3.17，（La/Sm）N=1.65～2.05，轻稀土分馏程度较低，据赫尔曼以稀土元素未发生分馏的球粒陨石Sm/Nd=0.333为界，将大于0.333者划为轻稀土亏损型，小于0.333者划为轻稀土富集型。该岩体Sm/Nd=0.28～0.41，为轻稀土富集型;Gd/Yb=1.67～1.93，（Gd/Yb）N=1.38～1.59，重稀土分馏程度也较低;δEu介于0.8～1.14，具弱的正铕或负铕异常。

岩体微量元素原始地幔标准化蛛网图具较高的一致性（图7，表1），表现富集大离子亲石元素Rb，Ba;高场强元素Nb，Ta相对亏损，与觉罗塔格构造带内与铜镍矿有关的镁铁-超镁铁质岩体微量元素特征相似。Nb元素亏损暗示有大陆地壳物质的混染，或源区存在俯冲的洋壳物质，Sr正异常反映了斜长石的堆晶作用。

5  讨论

5.1  岩浆源区

云海岩体属拉斑玄武岩系列，富集大离子亲石元素Rb，Ba，Th，U;高场强元素Nb，Ta相对亏损。尖晶石和镁铝榴石可反映岩浆源区的深度及幔源部分熔融程度，从（La/Sm）N-（Tb/Yb）N，La/Nb-La/Ba和Th/Zr-Nb/Zr图解可看出（图8），云海岩体源区为部分熔融而交代的岩石圈地幔，为尖晶石稳定域不同熔融程度的产物。云海岩体（La/Yb）N介于2.95～4.07，源区为亏损地幔，当部分熔融程度小于1%，才能产生轻稀土元素富集[2]，岩石高Mg#特征又显示了岩浆源区为幔源。前人对觉罗塔格带内镁铁-超镁铁质岩体进行同位素研究，结果表明岩浆来源于亏损地幔[3-5]，受消减板片或部分熔融而交代，可能是造成轻稀土富集的原因。

5.2  岩浆演化

5.2.1  同化混染

镁铁-超镁铁质岩体在岩浆上升的过程中不可避免的会受到其它物质混染。云海岩体边部可见角岩化凝灰岩捕掳体，直观地显示了岩体受到围岩的混染。通过一些分配系数相似的不相容元素的比值，在地幔、地壳及岩体中的差异，可以对同化混染作用有所指示。Nb/Ta-TiO2/Yb显示有一定的相关性，而Ta/Yb-Th/Yb，La/Yb-Th/Ta则毫无相关性，说明在岩浆演化过程中遭受了一定程度的同化混染作用（图9）。Nb与U具相似的总分配系数，在地幔部分熔融过程中不发生明显分异，可反映岩浆源区的地球化学特征[4]。云海岩体Nb/U比值在0.47～30.89，均值14.47，低于原始地幔Nb/U比值（约34），均值与大陆地壳Nb/U比值（约9～12）接近，说明受到陆壳物质混染。

觉罗塔格构造带内的镁铁-超镁铁质岩体同位素研究成果显示，岩体普遍受到不同程度的同化混染作用，混染物质来源中上地壳。

5.2.2  分离结晶

在Hark图解中，SiO2与MgO、Fe2O3T呈负相关，表明岩浆中有橄榄石的分离结晶，SiO2与Al2O3呈负相关，表明岩浆中有单斜辉石的分离结晶。SiO2与TiO2呈现正相关，反映了在岩浆中有钛铁矿析出，且岩相观察中证实含有钛铁矿。正δEu异常表明，岩浆源区岩石部分融熔残留相中有一定数量的斜长石。负δEu异常表明，岩浆作用经历过一定程度的斜长石分离结晶作用。综上所述，云海岩体在岩浆演化过程中发生了橄榄石、斜方辉石、斜长石的分离结晶。

5.3  构造背景

有关觉罗塔格构造带的镁铁-超镁铁质岩体产出的构造环境类型一直存在争议，目前普遍为学者所接受的观点是碰撞后伸展阶段幔源岩浆上侵的产物[6，7]，但板块构造理论难以完全解释构造演化环境，有学者提出东天山-北山镁铁-超镁铁质岩体是地幔柱活动的产物[8-10]。最新的认识是板块作用和地幔柱并存[11，12]。整个中亚造山带岩浆型铜镍矿主要集中分布在觉罗塔格构造带、北山裂谷带、兴地，在箐布拉克、喀拉通克等地有个别铜镍矿，境外在哈萨克斯坦有2处铜镍矿，单纯从构造演化很难解释铜镍矿分布的局限性。塔里木地幔柱已证实存在，东天山-北山虽未证实地幔柱存在，但笔者认为地幔柱可合理的解释镁铁-超镁铁质岩体的形成机理。因此，认为觉罗塔格构造带内的镁铁-超镁铁岩体是板块构造和地幔柱双重作用下的产物。

6  结论

（1） 云海岩体为多期次侵入的杂岩体，主要由角闪辉石岩、橄榄苏长岩、辉长岩、闪长岩组成，岩石化学组成属拉斑玄武岩系列，富集大离子亲石元素Rb，Ba;亏损Nb，Ta，轻稀土富集。

（2） 云海岩体岩浆源区为有部分熔融而交代的岩石圈地幔，受消减板片或部分熔融而交代。

（3） 云海岩体岩浆演化过程中遭受了一定程度的同化混染作用，混染物质主要来源于地壳，岩浆演化过程中发生了橄榄石、斜方辉石、斜长石的分离结晶。

（4） 云海岩体是板块构造和地幔柱双重作用下的产物。

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Abstracts：Yunhai copper nickel deposit is located in the western part of Jueluotage structural belt，The ore-forming rocks are multi-stage intrusive complexes，and the differentiation and evolution of the rock mass is full. Mafic and ultramafic rocks are developed..The main rock types of the complex include hornblende pyroxene， olivine norite， gabbro and diorite. The major elements composition indicates that the complex belongs to the tholeiitic series. The rocks have the characteristics of homologous evolution， it is characterized by high iron， high magnesium， low titanium and low aluminum .They are enriched in large ion lithophile elements Rb and Ba， depleted in Nb and Ta， and enriched in LREE. The magma source area is the lithospheric mantle with partial melting and metasomatism. The magma was contaminated by crustal materials during the rising process， and the fractional crystallization of olivine， orthopyroxene and plagioclase occurred. The pluton was formed in the early Permian and it is the product of tectonic activity and mantle plume.

Key words：Yunhai;Mafic-ultramafic  complex;Magma  source;Geochemistry