内蒙古中部镁铁质-超镁铁质岩带铜镍成矿潜力探讨

党智财，付超,*，李俊建，田杰鹏，何江涛

(1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；2.中国地质调查局华北地质科技创新中心，天津 300170；3.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083)

铜、镍和铂族等金属因在钢铁、军工、航天、机械制造、通讯器材、医疗和化工等领域应用广泛而备受青睐。赋存于镁铁质-超镁铁质岩内的岩浆型铜镍(铂)硫化物矿床作为铜、镍和铂族等金属元素主要来源，其所蕴藏的镍、铂资源储量分别占现今世界60%和90%以上，铜资源储量约占世界的5.5%(Song et al.,2011;汤中立等，2006)。

华北陆块北缘是中国铜镍(铂)硫化物矿床的重要成矿区带之一(吕林素等,2007)，已发现有著名的红旗岭、赤柏松、漂河川等大-中型铜镍硫化物矿床。近年来，在内蒙古中部镁铁质-超镁铁质岩带先后发现多处铜镍矿床(点)(额布图、达布逊、特颇格日图、温更、克布、黄花滩和小南山等)，空间上构成一条重要的岩浆成矿带(图1)(Dang et al.,2014;党智财等,2016,2018;古艳春,2012；韩宝福等,2004;三金柱等，2010；孙涛等，2010；Mao et al.,2008;Zhang et al,2008;Zhao et al.,2016;Xue et al.,2016;Lu et al.,2019；赵磊等，2011；党智财等，2019；Peng et al.,2013)。笔者拟通过已有岩石地球化学数据，分析和总结该镁铁-超镁铁质岩地球化学特征，并与典型铜镍硫化物矿床对比研究，探讨内蒙古中部地区镁铁质-超镁铁质岩带内额布图、温更、克布、黄花滩及小南山等赋矿岩体的含矿性，以期为进一步找矿勘查工作提供指示信息。

图1 内蒙古中部地区地质简图(据党智财等改，2019)Fig.1 Simplified geological map of the central Inner Mongolia (After Dang et al.,2019)

1 区域地质概况

内蒙古中部地区位于华北陆块北缘西段，构造单元属于温都尔庙增生杂岩带和白云鄂博陆缘裂谷(李俊建等,2015；潘桂棠等,2009)。区内出露地层主要为上太古界色尔腾山岩群和中—上元古界渣尔泰山群、白云鄂博群等变质岩系，奥陶系包儿汉图群海相中基性火山熔岩、火山碎屑岩、粉砂岩及大理岩，志留纪徐尼乌苏组和西別河组海相、滨浅海相碎屑岩、生物碎屑岩、结晶灰岩等，石炭纪本巴图组、阿木山组、酒局子组海相火山碎屑岩，二叠纪苏吉组、寿山沟组、大红山组、包特格组、哲斯组火山岩建造、滨浅海相碎屑岩、杂砂岩、砂岩、板岩等，白垩纪李三沟组、固阳组、白女羊盘组砂砾岩、砂岩、砂质泥岩、页岩、泥灰岩等及新生界陆相碎屑沉积物等(郝美珍等，2018；王树庆等，2019；内蒙古自治区地质矿产局，1991；王楫，1992)。

研究区构造活动强烈，主要为断裂构造，发育多条北东或东西向深大断裂，两侧派生次一级北东东向和北西向断裂，控制侵入岩体的分布(图1)。区内岩浆岩发育，岩石类型从超镁铁质岩→镁铁质岩→中性岩→长英质岩均有发育。其中，与铜镍成矿作用有关的主要为晚古生代镁铁质-超镁铁质岩。镁铁-超镁铁质岩主要沿围岩地层侵入，局部侵入到岩体中，呈岩株、岩脉状，少数岩基分布于深大断裂两侧，区内镁铁质-超镁铁质岩呈带状广泛分布，东西长约400 km，南北宽约30 km。

额布图、克布、黄花滩、小南山岩体主要侵入于上太古界色尔腾山岩群和中—上元古界渣尔泰山群、白云鄂博群等变质岩系地层中；温更岩体侵入于华力西晚期闪长岩体内。这些镁铁质-超镁铁质岩体形成时代主要集中在294～258 Ma(表1)，应属于中—晚二叠世后碰撞伸展体制下幔源岩浆活动的产物(党智财等，2019)。

表1 内蒙古中部地区镁铁质-超镁铁质岩形成时代表Tab.1 Isotopic ages of mafic-ultramafic rocks on the middle segment of the central Inner Mongolia

2 各岩体地质特征及含矿性

内蒙古中部地区各赋矿镁铁质-超镁铁质岩体形态相对复杂，各岩体地质特征见表2。岩体产状变化较大，规模偏小，一般长约几十米至一二百米，宽约几米至二三十米。

表2 内蒙古中部地区镁铁-超镁铁质岩地质特征表Tab.2 Features of Cu-Ni (PGE)ore-bearing mafic-ultramafic intrusions in the middle segment of the central Inner Mongolia

额布图镁铁质-超镁铁质岩体：岩性主要为橄榄辉石岩、辉石橄榄岩和辉闪岩等镁铁质-超镁铁质岩。岩体地表出露形态呈不规则长条状，长约200 m，宽为75～115 m。赋矿岩体为橄榄辉石岩和辉石橄榄岩。镍矿体呈透镜体状、近水平状产出；单工程Ni含量为0.20%～3.70%，平均为0.607 7%，Co含量为0.015%～0.020 9%，平均为0.013 9%；局部见有夹层，一般厚度1 m，个别达4 m，Ni含量为0.15%～0.19%，镍矿储量为6 563t。

温更镁铁质-超镁铁质岩体：岩性为橄榄岩、橄榄辉长岩、角闪辉长岩、辉长岩和斜长岩等。岩体地表出露面积约30 km2，呈近椭圆形产出。横剖面上，岩体两侧向中心倾斜，呈似盆状，纵剖面呈漏斗状，边缘倾斜较缓，向中心逐渐变陡。橄榄岩为主要赋矿岩体，出露范围较小，与辉长岩、橄榄辉长岩及角闪辉长岩呈渐变过渡关系。探槽和钻孔资料揭示，温更岩体Ni含量为0.09%～0.24%，Co含量为0.014%～0.020%；部分钻孔可见工业矿体，Ni含量可达0.063%～1.49%，Co含量为0.013%～0.156%，矿体宽度大于180 m(1)苏茂荣，樊永刚，赵军，等.内蒙古自治区乌拉特中旗克布地区铜镍矿调查评价报告，呼和浩特：内蒙古地调院，2014.。

克布镁铁质-超镁铁质岩体由辉长岩相带和橄榄岩相带组成，出露面积约45 km2。其中，辉长岩相为该岩体的主要相带，普遍发育磁黄铁矿、黄铁矿化，局部还有铜矿化，矿化富集地段可形成矿石，但品位偏低；橄榄岩相为本区最主要的赋矿岩石，呈似层状产于辉长岩体；橄榄岩相多未出露地表，隐伏在20 m以下或更深；矿体与赋矿岩体之间呈渐变关系，无明显界线。矿床以富Ni为主，伴生Cu、Co；Ni品位为0.31%，伴生Cu：0.14%～0.46%、Co：0.02%(2)苏茂荣，樊永刚，赵军，等.内蒙古自治区乌拉特中旗克布地区铜镍矿调查评价报告，呼和浩特：内蒙古地调院，2014.。

黄花滩镁铁质-超镁铁质岩体：岩性为辉长岩和辉长闪长岩，形态似椭球状，东西长约5 km，南北宽约3 km；岩体多向北倾斜，倾向为20°，倾角为60°～75°。矿体主要分布于辉长闪长岩与片麻岩接触带附近，呈似层状、透镜状或囊状产出；矿体断续长约 1 300 m，走向为290°；矿床以富Cu、Ni为主，伴生Pt、Pd、Os、Au等元素。Cu品位为 0.98%～3.55%，Ni品位为0.1%～1.43%(梁有彬等，1998)。

小南山镁铁质-超镁铁质岩体：岩性为辉长岩，呈不规则的脉状沿北东向和北西向断裂产出，地表长200～750 m，宽20～100 m；岩石普遍发育次闪石化、绿泥石化、黝帘石化、绢云母化和碳酸盐化等蚀变现象。小南山铜镍矿体主要赋存在辉长岩底板及其下盘泥灰岩中，可分为辉长岩型矿体和泥灰岩型矿体；小南山矿床以富Cu、Ni为主，伴生Pt、Pd、Os、Au等元素；Cu平均品位为0.46%，Ni平均品位为0.64%(江思宏等，2003)。

3 有利成矿信息评价

3.1 主量元素评价标志

3.1.1 岩石MgO含量标志

MgO是相容组分，原生岩浆中MgO含量的高低与部分熔融程度有关，而幔源岩浆中铜、镍和铂族元素含量的高低受其部分熔融程度及幔源地球化学特征等因素的控制(宋谢炎等，2009；张照伟等，2021)。部分熔融程度较高时，地幔橄榄岩中大部分S和Cu、Ni成矿元素可以溶解进入岩浆，是铜镍成矿作用的首要条件(Barnes et al.,2005;王亚磊等，2012)。另外，MgO含量也是地幔分熔温度的重要标志。地幔的分熔温度对岩浆的含矿性有重要影响，分熔温度过高或过低都不利于铜镍硫化物的形成。A·P·哈利契夫研究认为，MgO含量为8%～30%时，是形成铜镍硫化物矿床的有利条件。

额布图镁铁质-超镁铁质岩MgO含量为25.1%～33.2%，平均为28.38%；温更辉长岩MgO含量为4.15%～22.12%，平均为11.13%；克布镁铁质-超镁铁质岩MgO含量为8.42%～30.83%，平均为21.50%；黄花滩镁铁质岩MgO含量为4.71%～6.32%，平均为5.52%；小南山辉长岩MgO含量为9.58%～18.74%，平均为13.52%。据此分析，额布图、温更、克布和小南山岩体具有形成铜镍硫化物矿床的有利条件，而黄花滩岩体MgO含量偏低，不利于铜镍硫化物的形成。

3.1.2 岩石m/f值的判别标志

m/f是表示岩体中Mg、Fe含量的相对大小，可作为判别地幔部分熔融及含矿性评价的重要标志(汤中立等，2006)。吴利仁对中国镁铁质-超镁铁质岩研究认为，m/f值为2～6.5是铜镍硫化物成矿有利区，中国典型大中型铜镍矿床赋矿岩石的m/f值见表3。其中，额布图岩体m/f值为3.57～4.44；温更岩体m/f值为0.83～3.54；克布岩体m/f值为2.92～3.54；黄花滩岩体m/f值为0.96～1.21；小南山岩体m/f值为1.66～2.87。其中，额布图、温更和克布为铁质镁铁质-超镁铁质岩处于有利铜镍硫化物矿床成矿范围，而黄花滩、小南山岩体为铁质镁铁质岩，与典型铜镍硫化物矿床具有一定的差异。

表3 中国典型铜镍硫化物矿床赋矿岩石中MgO含量与m/f值表Tab.3 MgO and m/f values of ore-bearing rocks in typical Cu-Ni sulfide deposits

3.1.3 岩石碱度和铝度标志

中国含铜镍硫化物岩体的岩石含碱度(Na2O+K2O)变化范围为0.2%～4%，酸度为40%～56%。中国典型铜镍硫化物矿床Na2O+K2O-SiO2数据图解中(图2)黄山东、黄山、葫芦岩体样品多数落于碱质区(Ⅱ)，部分落于贫碱质区(Ⅳ)；喀拉通克岩体主要落于碱质区(Ⅱ)，少部分落于强碱质区(赵晓健，2012)；金川及外围岩体样品主要落于贫碱质区(Ⅳ)、弱碱质区(Ⅲ)和碱质区(Ⅱ)；西井、小口子及野芨里岩体主要位于贫碱质区(Ⅳ)(汤中立等，2006)。在SiO2-Al2O3图解中(图3)，黄山东、葫芦及喀拉通克岩体大部分落于低铝质区(Ⅱ)；黄山东大部分样品落于贫铝质区(Ⅲ)，部分落于低铝质区(Ⅱ)(赵晓健，2012)；金川、野芨里、西井、小口子等岩体大部分落于低铝质区(Ⅱ)，部分落于贫铝质区(Ⅲ)。低铝、贫铝区岩石类型对成矿有利。实验证明，熔离过程中Al2O3使熔体结晶温度升高，岩浆流动性差，硫化物不易富集(汤中立等，2006)。综上分析可见，碱质区(Ⅱ)、弱碱质区(Ⅲ)、贫碱质区(Ⅳ)(图2)和低铝质区(Ⅱ)、贫铝质区(Ⅲ)(图3)应属于铜镍硫化物矿床有利成矿区。

在Na2O+K2O-SiO2图解中(图2)，额布图、温更、克布、黄花滩和小南山岩体样品主要落于贫碱质区(Ⅳ)、弱碱质区(Ⅲ)和碱质区(Ⅱ)；SiO2-Al2O3图解中(图3)，额布图镁铁质-超镁铁质岩主要落于贫铝质区(Ⅲ)；温更、克布、黄花滩和小南山等岩体样品主要落入低铝质区(王倩，2010；赵磊，2009；Peng et al.,2013；党智财等，2019)。以上2个图解显示，4个矿区镁铁质-超镁铁质岩样品均落在铜镍硫化物矿床有利的成矿区。

Ⅰ.强碱质区；Ⅱ.碱质区；Ⅲ.弱碱质区；Ⅳ.贫碱质区图2 Na2O+K2O-SiO2图(据李文渊，1996)Fig.2 Plot of Na2O+K2O vs.SiO2 (After Li Wenyuan,1996)

Ⅰ.铝质区；Ⅱ.低铝质区；Ⅲ.贫铝质区图3 Al2O3-SiO2变异图(据李文渊，1996)Fig.3 Plot of Al2O3 vs.SiO2 (After Li Wenyuan,1996)

3.2 微量元素评价标志

稀土元素因其为不活泼的痕量元素，在蚀变及变质过程中影响较小，在评价铜镍硫化物矿床含矿性方面也是一项重要的衡量指标。中国典型铜镍硫化物矿床赋矿镁铁质-超镁铁质岩的REE总量相对中等或较低，轻稀土相对富集，重稀土相对亏损，REE曲线右倾。(La/Yb)N、LREE/HREE值相对较大，表现较为充分的岩浆分异作用，弱或无Eu异常(表4)。额布图、温更、克布和小南山赋矿镁铁质-超镁铁质岩的稀土总量中等或偏低，黄花滩赋矿镁铁质岩稀土总量相对较高(表4)。5个岩体稀土元素球粒陨石标准化分配曲线表现为轻、重稀土分馏相对明显，轻稀土相对富集、重稀土亏损的右倾型，与典型铜镍硫化物矿床赋矿岩体的稀土配分模式较为相似(图4)。微量元素方面，额布图、温更、克布、黄花滩和小南山等赋矿岩体具有与典型铜镍硫化物矿床相似的微量元素配分曲线，基本表现为富集大离子亲石元素(Rb、Sr、Ba)，亏损高场强元素(Nb、Ta)，适度亏损Zr、Hf、Ti等特征(图4)。

表4 中国典型铜镍硫化物矿床及研究区内岩体稀土元素特征表Tab.4 REE composition of ore-bearing rocks from typical Cu-Ni sulfide deposits and the studying intrusions

从稀土、微量元素元素特征分析，除黄花滩岩体外，其他几个岩体具有与典型铜镍硫化物矿床相似的特征。

另外，Se属亲硫的不活泼元素，当岩浆中硫达到饱和时，易进入硫化物熔体中，且在蚀变过程中不易变化。因此，Se/S值对于岩浆中硫的饱和状态及是否有硫的散失具有指示意义(Lorand et al.,2001)。大量研究表明，大部分岩浆型铜镍硫化物矿床的Se/S值为50×10-6～930×10-6(Maier et al.,1999；柴凤梅等，2006；唐冬梅等，2009)。额布图、克布、黄花滩和小南山赋矿镁铁质-超镁铁质岩Se/S值分别为59×10-6～270×10-6、60×10-6～316×10-6、47×10-6～1 428×10-6和140×10-6～283×10-6(表5)。由此可知，额布图、克布和小南山岩体的母岩浆经历了硫化物的饱和及熔离作用过程；黄花滩部分岩石样品的Se/S值偏高，可能经历了较弱的硫化物熔离作用过程或发生过S的散失现象，指示成矿作用相对较弱。

(图中数据来源同表4)图4 研究区内镁铁质-超镁铁质岩稀土元素球粒陨石标准化 (标准值据Taylor et al.,1985)和微量元素原始地幔标准化(标准值据 McDonough et al.,1995)配分图解Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace elements spider diagrams of the mafic-ultramafic intrusionin the central Inner Mongolia

表5 额布图镁铁质-超镁铁质岩微量元素含量表Tab.5 Trace elements abundance of Erbutu mafic-ultramafic intrusion

3.3 橄榄石、斜方辉石等矿物评价标志

铜镍硫化物富集成矿作用主要是岩浆中S达到饱和发生硫化物熔离作用，萃取岩浆中Cu、Ni、PGE等成矿元素。因此，准确判别岩浆在演化和运移过程中是否发生硫化物熔离作用形成先期预富集的岩浆，能够为成矿预测提供有利证据。岩石中橄榄石Ni含量严格受岩浆组分和硫化物熔离作用的控制。硫不饱和情况下，Ni可以类质同像形式替代Mg进入橄榄石晶格中。然而，Ni在橄榄石与硅酸盐岩浆间的分配系数(约为7)远小于其在硫化物熔体与硅酸盐岩浆间的分配系数(300～1000)(李士彬等，2008)，岩浆中S一旦达到饱和，Ni就会优先与S结合形成不混溶的硫化物，导致橄榄石中Ni含量明显降低。因此，可以通过橄榄石中Ni含量的变化来探讨岩浆是否发生过硫化物熔离作用。

橄榄石Fo-NiO图解表明(图5)(王倩,2010；党智财，2015)，额布图、温更和克布绝大部分样品均落在正常范围之外，说明其岩浆在深部可能发生了硫化物的熔离作用(Naddrett et al.,1989)。Naldrett(1999)研究认为，未分异的饱和硫化物岩浆中橄榄石Ni含量应为0.25%，该值说明岩体未发生硫化物熔离作用，只有橄榄石中Ni贫化至0.22%以下，才说明岩体发生过不同程度的分异作用，橄榄石中Ni含量越低，对成矿作用越有利。额布图镁铁质-超镁铁质岩中橄榄石Ni含量为0.08%～0.22%，平均为0.13%；温更岩体中橄榄石Ni含量为0%～0.12%，基本不含Ni；克布镁铁质-超镁铁质岩体中橄榄石Ni含量为0.00%～0.12%，平均为0.07%。3个岩体中橄榄石的Ni含量均小于0.22%，显示岩体发生过不同程度的硫化物熔离作用(表6)。此外，硫化物不饱和的岩浆中结晶橄榄石MgO与NiO呈明显的正相关关系(Naddrett,1984)。而温更、克布和额布图岩体中橄榄石MgO-NiO相关性较差(图6)，指示了岩浆发生过硫化物的熔离作用。

图6 橄榄石的MgO-NiO图解Fig.6 Plot of MgO vs.NiO of olivine

表6 中国典型铜镍硫化物矿床及研究区岩体中橄榄石的NiO含量表(%)Tab.6 NiO contents in Olivine from typical Cu-Ni sulfide deposits and the studying intrusions(%)

图5 橄榄石的Fo-NiO图解(底图据Simpkin et al.,1970)Fig.5 Diagram of Fo vs.NiO of olivine (After Simpkin et al.,1970)

Naldrett(1999)和秦克章等(2007)研究表明，全球范围内大多数岩浆型铜镍硫化物矿床基本赋存在含斜方辉石的镁铁质-超镁铁质岩中，且只有当橄榄石与斜方辉石共存，两者牌号Fo与En较为相近的情况下，才对成矿更为有利。如白石泉赋矿岩石中橄榄石Fo为78～85，斜方辉石En为81～84；喀拉通克赋矿岩石中橄榄石Fo为74～79，斜方辉石En为71～79(柴凤梅等，2006)；图拉尔根赋矿岩石中橄榄石Fo为82～84，斜方辉石En为81.7(秦克章等，2007)；金川赋矿岩石中橄榄石Fo为84～86，斜方辉石En为81～82(陈烈猛等，2008，2009)。额布图、温更和克布岩体均发育斜方辉石与橄榄石。其中，额布图橄榄方辉辉石岩中橄榄石Fo为86～87，斜方辉石En为86～89；温更橄榄辉长岩中橄榄石Fo值为55～78，斜方辉石En为63～76和93～99；克布斜长方辉橄榄岩中橄榄石Fo值为76～78和58～65，斜方辉石En为77～78和59～60。由此看出，额布图、温更和克布岩体中橄榄石和斜方辉石的Fo、En值都基本一致，与全球范围内大多数典型铜镍硫化物矿床具有相似性，指示较好的成矿潜力。

3.4 岩浆分异程度标志

岩浆分异程度是衡量岩浆在形成过程中是否经历了较为完善的熔离(分异)作用的重要标志。岩浆分异作用越彻底、完善，杂岩体越表现出明显的超镁铁质岩-镁铁质岩-中性岩的岩相分带特征，其含矿性越好(Irvine,1975;Lightfoot et al,1997;刘月星等，1998；姜常义等，2012；秦克章等，2012；Naldret,2009)；反之，岩浆分异演化不彻底，形成单一的镁铁质-超镁铁质岩，含矿性一般不好。世界上大型铜镍硫化物矿床均赋存于分异程度较高的岩体中，是含矿岩浆多期侵位或单期侵入多期次侵位并经历流动分异作用的结果。

额布图、温更和克布岩体具有良好的岩浆分异作用特征。其中，额布图镁铁质-超镁铁质岩主要由辉石橄榄岩、橄榄辉石岩和辉闪岩组成，表现出较为充分的岩浆分异特征；温更岩体可见橄榄辉长岩、橄长岩、辉长岩组合，岩浆分异作用明显；克布镁铁质-超镁铁质岩体主要由辉长岩相带和橄榄岩相带组成，2个岩相带中又可分为多种岩石亚类，也具有充分的岩浆分异作用特征。

小南山辉长岩为单式熔离分异岩体，未发育其他中基性岩体，分异程度相对较弱；黄花滩岩体为辉长岩-辉长闪长岩组合，分异作用相对较弱，这2个矿区岩体基性程度偏低，未发现与此相关的基性程度较高的超镁铁质岩。总体上，小南山和黄花滩岩体在岩石组合及分异程度上与典型铜镍硫化物矿床具有一定的差异性。

4 结论

(1)额布图、温更和克布岩体在矿物、岩石主、微量元素特征及岩浆分异程度方面具有与典型铜镍硫化物矿床相似的特征，表现出较好的成矿地质条件，指示成矿潜力较好。

(2)黄花滩岩体在主、微量元素特征方面与典型铜镍硫化物矿床具有一定的相似性，但其差异性也比较明显。赋矿辉长岩及辉长闪长岩MgO含量偏低，指示母岩浆部分熔融程度相对较低，不利于地幔源区内铜镍等成矿元素进入母岩浆。Se/S 值表明，黄花滩岩体可能经历了较弱的硫化物熔离作用过程或发生过S的散失现象。从目前地球化学资料分析，黄花滩岩体成矿潜力相对较弱。

(3)小南山岩体在主、微量元素特征方面显示，具有找寻岩浆型铜镍硫化物矿床的潜力，但小南山岩体岩浆分异程度一般，只见有辉长岩等镁铁质岩发育成矿。岩石基性度相对偏低，目前未发现有镁铁质-超镁铁质岩石组合，与典型铜镍硫化物矿床相比具有一定的差异性。从目前地球化学资料分析，小南山岩体成矿潜力相对较弱。