我国吉林省红旗岭-茶尖岭-漂河川地区三叠纪的镁铁-超镁铁质岩体中赋存有众多岩浆铜镍硫化物矿床,是我国重要的镍矿资源产地。该区镁铁-超镁铁质岩体位于中亚造山带最东段,其形成与中亚造山带的演化密切相关。国内外对于造山带中的岩浆铜镍硫化物矿床研究较少,因此对于该区铜镍硫化物矿床的研究是对岩浆型铜镍硫化物矿床成矿理论的重要补充,并可以为该地区的岩浆铜镍硫化物矿床的勘查工作提供依据。
论文选择红旗岭2号、7号岩体、茶尖岭1号岩体和漂河川4号岩体为重点研究对象,利用铂族元素和铼-锇同位素地球化学方法,并结合其他地球化学手段,对该区镁铁-超镁铁质岩体的地幔源区特点、母岩浆成分、硫化物熔离机制、硫化物熔体分异过程以及后期热液作用对矿床的影响等进行全面的剖析,探讨岩浆演化过程与成矿作用的关系,同时总结出成矿岩体的地质地球化学指标,并以红旗岭2号岩体为例进行了含矿性评价的应用。
红旗岭7号岩体主要由斜方辉石岩(95%)组成,岩体体积很小,出露面积不足0.013km2,赋存我国第二大规模的岩浆铜镍硫化物矿床。7号岩体矿石硫化物具有极低的铂族元素含量(换算成100%硫化物),平均仅含5.6 ppb Os、3.1ppb Ir、4.7 ppb Ru、2.2 ppb Rh、31 ppb Pt,和11 ppb Pd,而且硫化物具有极高的Cu/Pd比值(3×105~3×107)。硫化物极低的铂族元素含量与极高Cu/Pd比值表明母岩浆具有亏损的铂族元素特点。模拟计算表明原始岩浆可能并不亏损铂族元素,因此母岩浆亏损铂族元素可能是因为原始岩浆在深部发生了硫化物熔离。红旗岭7号岩体具有LREE富集,Nb和Ta亏损的特点,其εNd(t=216Ma)值范围为+3~+5,这可能是镁铁质岩浆在地壳深部遭受了同期A型花岗岩的混染所致。矿石γOs(t=216 Ma)值变化范围为+50~+187,相对变化范围很小的εNd值,表明地壳中的硫化物选择性地加入到了岩浆中。我们提出,红旗岭7号岩体形成于开发的岩浆通道系统中。红旗岭7号岩体的原始镁铁质岩浆在地壳深部遭受了同期的A型花岗岩混染,导致大量的SiO2进入到岩浆和硫化物饱和。这种亏损铂族元素而富硅的母岩浆在上升到地壳浅部的过程中,随压力降低,岩浆中硫的溶解度增加,又变成硫不饱和的岩浆。在地壳浅部岩浆房中,地壳硫化物的加入,使得岩浆再次达到硫化物饱和,并造成大量硫化物熔离。由于岩浆富硅而伴随着大量的斜方辉石结晶,而大部分的岩浆则从岩浆通道中流出形成该周围大量不含矿岩体。该研究表明,极度亏损PGE的岩浆在地壳浅部经历二次硫化物熔离后,依然可以形成具有经济价值的铜镍硫化物矿床。
漂河川4号岩体主要由位于上部的辉长岩相和底部的橄榄二辉石岩相组成,含矿岩相为底部的橄榄二辉石岩相。漂河川4号岩体的橄榄石Fo值变化范围为85.7~71.5 mol.%,Ni含量变化范围2258~393 ppm,Ni含量随着橄榄石的结晶急剧地降低,表明在橄榄石分离结晶过程中发生了硫化物的熔离。矿石εNd(t=216 Ma)值范围为+4.4~+4.6,γOs(t)值范围为+52~+67,模拟计算表明其遭受了约10%的上地壳物质混染。后期热液活动对漂河川4号岩体半块状矿石和海绵陨铁矿石中Cu和Pd的含量有明显影响,而对浸染状矿石没有明显影响。通过对浸染状矿石的铂族元素含量进行模拟,得到漂河川4号岩体母岩浆中PGE含量明显高于红旗岭7号岩体,因此可能其不存在深部硫化物熔离作用。幔源岩浆在到达地壳浅部的岩浆房后,由于地壳物质混染和橄榄石的分离结晶作用,造成了岩浆中硫溶解度的下降,使得硫化物从岩浆中熔离出来。含有硫化物珠滴、橄榄石、辉石以及斜长石的岩浆上侵到漂河川4号岩体现在所在位置,在重力分异作用下,硫化物下沉并聚集成矿,并由下至上依次形成矿体、橄榄二辉石岩以及辉长岩。矿石中砷铂矿可能直接从早期的硫化物中结晶出来,而方铋钯矿的形成则与后期热液蚀变过程中硫化物发生重结晶作用有关。茶尖岭1号岩体具有与漂河川4号岩体相似的地质地球化学特点,其可能形成于相似的岩浆作用过程,不同的是茶尖岭1号岩体的产状可能在后期构造运动中发生了较大改变。
红旗岭2号岩体规模较大,为岩相分异良好的岩体,可能形成于一个封闭的岩浆通道系统,硫化物为重力富集机制。橄榄石Fo较高,最大值为85.7mol.%,橄榄石Ni含量显示出相对Fo急剧的下降,表明发生过硫化物的熔离。其高的Cu/Pd比值(5×104~106)也指示岩体发生过硫化物的熔离,但其(Th/Yb)PM比值相对较低,偏离岩浆与地壳的二元混合曲线,表明可能地壳混染程度较低且混合不均。因此红旗岭2号岩体可能发生过硫化物的熔离,但地壳混染程度较小且混合不均匀,不利于形成具经济价值的镍矿。
通过对比含矿的红旗岭7号岩体、漂河川4号岩体、茶尖岭1号岩体和矿化较弱的红旗岭2号岩体的成矿作用过程,本文提出开放的岩浆通道系统以及选择性的地壳物质混染是控制矿床规模的关键因素。本论文基于上述认识,总结了五个用于含矿性评价的地质地球化学标志:1,地质标志:富矿体产于橄榄石富集的岩相中;2,橄榄石中Fo和Ni含量:岩体中橄榄石中Fo较高,且Ni含量显示出随着Fo急剧下降的趋势,表明岩浆可能发生过硫化物的熔离;3,硫化物PGE配分形式以及Cu/Pd比值,高Cu/Pd比值以及PGE相对Ni、Cu亏损的配分形式,可能暗示岩体发生过硫化物熔离;4,(Th/Yb)PM比值和(Nb/Th)PM比值位于岩浆和地壳的二元混合曲线上,代表岩浆与地壳物质充分混合,有利于成矿;5,相对不变的εNd值相对变化范围大的γOs值,指示可能岩浆在地壳浅部有地壳硫化物加入,是形成具有经济价值铜镍硫化物矿床的重要指标。