甘肃金川铜镍硫化物矿床1号矿体铂族元素空间分布及其成因

符志强,王　亮,陈列猛,江金进,卢建全,朱长安

甘肃金川铜镍硫化物矿床1号矿体铂族元素空间分布及其成因

符志强1,王亮1,陈列猛2,江金进3,卢建全4,朱长安4

（1.成都理工大学地球科学学院,成都610059;2中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室,贵阳550002;3.贵州省国土资源勘测规划研究院,贵阳550004;4.金川集团股份有限公司,甘肃金昌737104）

金川矿床为二次熔离-贯入而成，岩浆通道成矿已成共识。作者利用R值和单硫化物固溶体结晶方程模拟1号矿体铂族元素的空间变化，指出西端、中部、东端R值(100～1000)和分离结晶作用(0～70%)存在差异，西端R值和分离结晶程度介于300～600和35～70%，中部R值和分离结晶程度介于200～1000和20～35%，东端R值和分离结晶程度介于100～300和0～20%。1号矿体中部较高的R值暗示矿体中部可能与岩浆通道有关。

金川；硫化物熔离；铂族元素；岩浆通道

0　引言

甘肃金川超大型岩浆铜镍硫化物矿床是我国第一大镍矿床，也是我国镍、铜、及铂族元素（PGE）最主要的生产基地。最近勘探数据表明金川矿床的镍金属资源总量达到558万吨，其平均品位为1.06%，Cu资源含量达到354万吨，其平均品位为0.75%。金川超基性岩体全长约6.5km，宽20～500余米，最大倾斜延深超过1100m，岩体被一系列NEE向压扭性断层（F8、F16-1、F23）分割成4段，由西至东依次为Ⅲ号、Ⅰ号、Ⅱ号和Ⅳ号四个岩体，其中最大的两个矿体1号、2号矿体赋存于II号岩体，而第三大矿体24号矿体主要赋存于I号岩体(甘肃第六地质大队，1984;汤中立和李文渊,1995)。最新的岩相学、岩石学、地球化学和矿区断裂构造研究表明金川岩体形成时是以F16-1断层为界两个独立的岩体，分别为西岩体(包括III号和I号岩体)和东岩体(包括II号和IV号岩体)，表明金川矿床形成于复杂的岩浆通道系统(Songetal.,2012；Chenetal.,2013)。本文通过对金川矿床最大的1号矿体的西端和东端典型样品的PGE、Cu、Ni和S等元素研究，结合前人已发表数据，细致分析矿体从西到东的亲铜元素地球化学空间变化规律，并根据模拟计算结果探讨硫化物熔离和分离结晶程度，进一步金川矿床阐明岩浆通道系统成矿特征。

1　地质背景概况

金川含矿超镁铁质岩体位于华北地台阿拉善地块西南边缘龙首山隆起带，大地构造位置属于华北地台西南缘，南临祁连秦岭古生代造山带。岩体呈似岩墙状不整合侵入于元古宙龙首山群的白家嘴子组混合岩、片麻岩和大理岩中，岩体长约6500m，宽20～527m，延深大于1000m，两端被第四系覆盖，地表出露面积1.34km2。岩体总体走向NW50°，倾向SW，倾角50～80°。岩体空间被一系列NE向断层分割成四个小岩体，由西至东依次为III、I、II、IV岩体。金川岩体主要岩相为二辉橄榄岩，其次为含二辉橄榄岩、斜长二辉橄榄岩、橄榄辉石岩和纯橄岩，各岩相之间没有明显界限(甘肃第六地质队,1984)。

2　金川1号矿体的矿床地质

1号矿体主要分布在I-6行至II-28行间的岩体深部，全长1600m，最大平均厚度为98m，其中富矿长1300m，厚69m，矿体呈“似层状”产出。矿体产状与岩体下部产状一致，倾向南西，倾角25～75°，矿体上尖灭端倾角较缓，其他部分均在60～75°，东部较西部缓。矿体在12～16行最厚，两端变薄，矿体由东向西侧伏，沿倾斜膨胀，大部分处于矿体中上部(1100m标高)，向上、向下逐渐变薄。1号矿体主要由浸染状矿石和海绵陨铁状矿石两种矿石类型组成，以海绵陨铁状矿石为主。浸染状矿石中S含量为0.5%～5%，海绵陨铁状矿石中S含量为5%～15%。各种矿石中以橄榄石堆晶为特征，硫化物为胶结物，橄榄石等透明矿物发生蚀变。矿石的金属硫化物主要为镍黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿等。

3　采样与分析方法

本次研究采自II-9、II-22、II-26行1078m采矿中段的穿脉巷道，共计11件样品，其中，8件样品采自1号矿体西端II-9勘探线，11件样品采自1号矿体东端II-22、II-26勘探线。样品的Cu、Ni、S含量分析委托澳实(广州)分析检测有限公司完成。PGE的分析在中科院地化所矿床地球化学国家重点实验室完成，采用了火试金-Te共沉淀法进行PGE预富集，等离子电感耦合质谱仪测试，具体分析过程见Qi等(2004)和漆亮等（2006）。此外，Songetal.(2009)的II号岩体14行ZK83钻孔样品数据一起进行了比较和分析讨论。

4　数据分析结果

全岩的Ni、Cu、PGE及S含量如表1所示，100%硫化物过程详见Barnes(2005)公式。

分析结果表明体西端（II-9勘探线）全岩的Ni、Cu、PGE及S含量总体高于矿体中部(II-14勘探线)和东端(II-22、II-26勘探线)。例如：9行海绵铁状矿石的Ni=1.7～2.7%，Cu=2.1～4.7%，∑PGE=971～3480×10-9，14行海绵铁状矿石的Ni=1.0～2.5%，Cu=0.2～2.5%，∑PGE=240～1018×10-9，22行海绵陨铁状矿石的Ni=1.3～1.5%，Cu=0.6～0.9%，PGE=162～248×10-9。换算成100%硫化物后，不同部位的Ni100（下标100表示100%硫化物中的含量，下同）、Cu100含量变化较小，但PGE100含量自西端(II-9勘探线)到中部(II-14勘探线)再到西端(II-22、II-26勘探线)逐渐降低，如II-9勘探线的海绵陨铁状矿石含有：7.2～10.4%Ni100，9.4～12.2%Cu100(除一个样品达20.2%外)，3800～15400×10-9∑PGE100，II-14勘探线的海绵陨铁状矿石含有：6.1～12.9%Ni100，1.0～10.9%Cu100，1150～4200×10-9∑PGE100，II-22勘探线海绵陨铁的状矿石含有：8.2～8.7%Ni100，4.1～5.1%Cu100，890～1160×10-9∑PGE100。此外，与矿体中部及东端相比，西端的海绵陨铁状矿石具有低的Ni/Cu比值（0.36～0.90）和高的Pd/Ru比值（39～737）。

全岩Ni、Cu、PGE与S呈现出不同程度正相关，说明以上元素主要赋存在硫化物中，但在海绵陨铁状矿石中，铂族元素(PGE) 与S表现较为离散，这可能是受硫化物相分离结晶影响(Songetal.,2009)。在100%硫化物的PGE二元相关图中，Ir100和Ru100表现出较好的正相关，Ru100与Pd100表现出弱的负相关，而Ni100与Pd100相关性不明显。

5　讨论

矿体不同部位的亲铜元素地球化学特征差异暗示硫化物熔离及分离结晶程度存在显著差异。指示硫化物熔离的强度“R因子”可根据CampbellandNaldreet(1979)提出以下公式计算得到：，式中Yi和分别表示元素i在硫化物熔体和硅酸盐熔浆中的含量；Di代表元素i在硫化物熔浆/硅酸盐熔浆中的分配系数，R代表硅酸盐熔浆/硫化物熔体的比值。模拟结果如图1所示。模拟计算表明形成矿体西端、中部及东端的浸染状矿石的硫化物熔离时R值分别介于300～1000、200～1000及100～200之间。不同R的值是导致矿体不同部位浸染状矿石的亲铜元素地球化学特征差异的主要控制因素，这也表明硫化物熔离成矿作用处于开放的岩浆通道系统内。

表1　金川矿床1号矿体矿石铜、镍、铂族元素含量

此外，不同部位部分海绵陨铁状矿石的Pd/Ru和Ni/Cu比值变化较大，这可能与硫化物分离结晶作用密切相关，因为Pd、Cu在硫化物熔体发生单硫化物固溶体(MSS)分离结晶时是不相容元素，而Ru、Ni是相容元素。因此，这些元素的比值会随MSS分离结晶而发生改变。这可以利用瑞利分馏公式来定量模拟：Ci=Ci0*Di*F(D-1)(2)，式中Ci和Ci0元素i在MSS和硫化物熔体中的含量，Di代表元素i 在MSS体及硫化物熔体中的分配系数，F代表硫化物发生MSS分离程度。模拟结果如图2所示。模拟计算结果表明西端海绵陨铁状矿石是硫化物熔体经历了35～70%分离结晶后的MSS冷却固结而成，与富铜矿石的分离结晶程度(60～80%)相当(江金进,2014)，而中部和东端的MSS分离结晶程度分别为20～35%和0～20%。矿体不同部位海绵陨铁状矿石的亲铜元素比值差异主要受MSS不同程度的分离结晶作用约束。

6　结论

（1）1号矿体硫化物的亲铜元素地球化学特征空间上存在显著差异，这些差异主要受硫化物熔离时R值的变化以及MSS分离结晶的程度的约束。

（2）硫化物熔离中R值的变化指示了硫化物熔体可能与不同次补充的岩浆发生了反应，表明金川矿床形成于岩浆通道系统内，含矿岩体是岩浆通道的组成部分。

[1]ChenL-M,SongX-Y,Keays,R.R.,etal.2013.SegregationandfractionationofmagmaticNi-Cu-PGEsulfidesinthewesternJinchuanintrusion,northwesternChina:Insightsfromplatinumgroupelementgeochemistry.EconomicGeology,108:1793-1811.

[2]甘肃省地质矿产局第六地质队.白家咀子硫化铜镍矿床地质[M].北京:地质出版社,1984．

[3]江金进.金川西岩体铜镍成矿的铂族及半金属元素地球化学及深边部找矿方向探讨[D].成都:成都理工大学,2014.

[4]SongX-Y,Keays,R.R,ZhouM-F,etal.2009.SiderophileandchalcophileelementalconstrainsontheoriginoftheJinchuanNi-Cu-(PGE)sulfidedeposit,NWChina.GeochimicaetCosmochimicaActa,72:404-424.

[5]汤中立,李文渊.金川铜镍硫化物（含铂）矿床成矿模式及地质对比[Z].北京:地质出版社,1995.

本文受国家自然科学基金（编号：40973038）资助。

符志强（1988—），男，在读硕士研究生，地球化学专业，研究方向：矿床地球化学。