甘肃地质学报
19971997
第6卷 第1期A CTA GEOLO G I CA GAN SU V o l.6 N o.1金川硫化铜镍矿床成矿岩浆性质 和源区特征讨论
光刻工艺杨合① 汤中立②
苏 犁① 李文渊② 宋述光① 杨杰东①
(①西安地质矿产研究所 西安 710054)
(②甘肃省地质矿产局 兰州 730000)α
摘 要 通过对造岩矿物、岩石化学和铂族元素等信息的综合分析，认为金川岩体的母岩浆
属拉斑玄武质苦橄岩浆，是地幔橄榄岩经33%部分熔融的产物；硫、钕、锶、氧等同位素资料说明岩
浆源区可能在上地幔低速层底部，属富集型地幔。
关键词 金川 硫化铜镍矿床 母岩浆 部分熔融 地幔
位于我国西北地区的金川(白家嘴子)矿床是世界著名的超大型硫化铜镍矿床之一。该矿床自1958年发现以来，曾进行过详细的勘查与大量研究工作，甘肃地矿局第六地质队(1984)公开出版了矿床地质专著，汤中立(1990,1991)和杨合(1991)先后提出了成因模式。本文通过对以往和新近所获地球化学资料的综合分析，进一步讨论该矿床成矿岩浆性质和源区特征。1 矿床地质概述
金川矿床位于中朝地台阿拉善台块西南部的龙首山隆起区，其含矿岩体上部已遭剥蚀，存留部分长约6500m，宽约20～500m，垂深最大处超过1100m，总走向NW500，倾向S W，倾角50°～80°，围岩为前寒武系白家嘴子组混合岩、片麻岩和大理岩。
大量观测资料表明，该矿床是深部分异的多相熔体，经4次脉动侵入于现存空间复合形成的。第1次脉动侵入体的岩矿石以中细粒结构为特征，主要岩相组合为辉橄岩—橄榄岩—橄辉岩，局部有斜长辉橄岩和斜长橄榄岩，矿石所占体积可达50.6%，但主要为浸染状贫矿。第2次脉动侵入体的岩矿石以中粗粒结构为特征，主要岩相组合为辉橄岩—斜长辉橄岩—橄榄岩—斜长橄榄岩—橄辉岩—辉石岩，局部有斜长橄辉岩，矿石所占体积约35.8%，也以浸染状贫矿为主。这两次侵入体在矿床北西段复合，后次一般位于前次的下侧。第3次脉动侵入体以大量富含硫化物和橄榄石为特征，硫化物含量平均约20%，橄榄石占造岩矿物的90%以上，构成硫化物纯橄岩相，其本身就是富矿体。矿石类型主要为海 绵状，大部分侵入于第2次侵入体下部矿体之中，叠加成内富外贫的复合矿体，其体积虽然仅占整个含矿岩体的5.6%，但铜镍资α收稿日期:1995203206
源量却可达全矿床的85%左右。第4次脉动侵入体以极富硫化物为特征，其本身就是特富矿体，矿石类型主要为块状，呈脉体沿构造裂隙穿插于第2、3次侵入体中。
笔者已论证指出，第1、2次侵入的是携带硫化物液滴和橄榄石晶粒的硅酸盐岩浆；第3次侵入的是运载大量橄榄石晶粒的富硫化物岩浆；第4次侵入的是杂质很少的硫化物矿浆。各次侵入的多相熔浆流之间具有密切的亲缘关系，它们是同一股含矿岩浆在过渡岩浆房中熔离—结晶—重力分异的产物。同时，还绘制了成矿模式示意图(汤中立,1990、1991；杨合,1991)。
2 成矿岩浆的性质
图1 单斜辉石Si O 2-A l 2O 3图解
(分区据Bas J L e ,1962)F ig .1 Cli nopyroxene d i agram of
Si O 2-A l 2O 3
211 造岩矿物信息
金川含矿超基性岩体的原生造岩矿物组合主要为橄榄石—斜方辉石—单斜辉石—斜长石，矿物成分可参考师占义(1980)、甘肃地矿局第六地质队(1984)和苟国朝(1990)等的有关论点。
从国内外大量资料统计，不同成因的基性和超基性岩中橄榄石成分如下：阿尔卑斯型超基性岩Fo 90～95；玄武岩和金伯利岩中的幔源超基性岩捕虏体Fo 88～93；金伯利岩Fo 85～95；科马提岩Fo 85～95；层状基性超基性杂岩
Fo 55
～90；玄武岩Fo 40～90。金川岩体的橄榄石(Fo 79～86)主要处在后两类公认以玄武质岩浆为母体的橄榄石成分区。
斜方辉石与单斜辉石共存且同玄武质岩浆有成因关系的岩石多属拉斑系列。同时，本区单斜辉石成分投入Si O 22A l 2O 3图时均落在拉斑玄武岩区(图1)。
2.2 岩石化学信息
笔者收集金川岩体的岩石化学全分析结果140多个，并根据其超基性岩中原生硫化物集合体(Fe +N i +Co +Cu ) S (原子比)≈1的特点，通过近似计算扣去硫化物，剩余组分变换为Si O 2+T i O 2+A l 2O 3+C r 2O 3+〈FeO 〉
+M gO +CaO +N a 2O +K 2O +P 2O 5=100%，同时计算M F 比值。这样处理所得各侵次不同岩相的平均成分列于表1。
从表1可以看出，金川超基性岩的M F 变化于3.43～5.07之间。一般认为,M F 比值低于6～7的超基性岩是由玄武质岩浆分异形成的。在(K 2O +N a 2O )2Si O 2图解中，各岩相成分点分布于拉斑玄武岩-苦橄岩区，而不落入钙碱性岩区(图2)；在T i O 22M gO 图解中，各岩相成分点均位于拉斑玄武岩区，而不落在科马提岩区(图3)。2.3 铂族元素信息
为获得金川矿床整体的铂族元素参数，笔者利用最能代表各类矿石加权平均值的储量数据求出了100%硫化物中元素含量，结果列于表2。同时，表2中还列出了含矿岩体的超基性岩中铂族元素和金的平均含量。
将该矿床及其含矿岩体超基性岩中铂族元素和金的平均含量对C 1球粒陨石标准化后绘
于图4，展示两条变化趋势相似的P t 2Pd 富集型配分曲线，从表2数据计算的(P t +Pd )
(R u +Ir +O s )比值分别是13.8和10.0。
5
4 第1期 杨合等 金川硫化铜镍矿床成矿岩浆性质和源区特征讨论
表1 金川超基性岩化学成分平均值①
Table 1 Average va lue of che m ica l co m position of the ultraba sic rocks i n J i nchuan
侵次
岩 相样数
组 分 (重 量 %)
Si O 2T i O 2A l 2O 3C r 2O 3〈FeO 〉M gO CaO
N a 2O K 2O P 2O 5M F
辉橄岩
1541.750.252.380.4114.1639.321.270.270.150.054.94斜长辉橄岩143.270.353.150.8313.6936.461.790.130.310.044.741
橄榄岩1544.060.363.350.4614.2834.402.200.560.250.084.29斜长橄榄岩344.270.496.020.5113.5930.643.020.990.380.094.02橄辉岩445.870.556.330.5213.3028.553.680.76
0.320.093.99辉橄岩2441.370.252.160.8314.9038.841.250.190.130.074.83斜长辉橄岩642.330.252.700.6413.6138.721.380.160.170.045.07橄榄岩3243.870.333.430.6313.4435.192.530.330.170.084.672
斜长橄榄岩1043.940.365.590.53
12.7732.383.460.620.250.094.41橄辉岩1445.070.496.130.3812.9729.374.670.510.320.094.03斜长橄辉岩145.680.666.970.4511.9927.225.341.050.510.124.05辉石岩648.420.487.480.3712.0323.156.850.930.200.103.433
纯橄岩
840.670.251.670.7715.4539.191.590.270.100.044.52蛇纹绿泥透闪片岩
②
5
45.360.55
7.50
0.23
sgt
10.85
27.13
7.86
0.38
0.09
0.07
4.46
①由原始分析结果扣除硫化物组分和H 2O 、CO 2后换算为100%，再按侵次和岩相平均。
②岩体内接触带岩石。
图2 岩石(K 2O +Na 2O )-Si O 2图解
(分区据邱家骧,1980)
F ig .2 Rock d i agram of (K 2O +Na 2O )-Si O 2图3 岩石Ti O 2-M g O 图解
(分区据A rndt 等,1977)
F ig .3 Rock d i agram of Ti O 2-M g O空压机系统
表2 金川矿床硫化物和超基性岩中铂族元素和金含量①(×10-6)
Table 2 Pla ti no id and Au con ten ts fro m sulf ides and ultraba sic rocks i n J i nchuan deposit (×10-6)
O s
Ir R u R h P t Pd A u 100%硫化物
0.0880.0760.0750.0362.181.111.34超基性岩
0.0015
0.0008
0.0006
0.0003
0.017
0.012
0.03
①分别由储量数据和甘肃地矿局第六地质队(1984)发表的数据求得。
根据N aldrett (1981)和中国科学院地球化学研究所(1981)资料综合，同拉斑玄武质岩浆
有关的硫化铜镍矿床，具有P t 2Pd 富集型配分曲线,(P t +Pd )
(R u +Ir +O s )比值变化于5.7～55.6的广大范围；同太古代科马提岩浆有关的硫化镍矿床，表现相对趋于平坦的配分曲线,
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(P t +Pd ) (R u +Ir +O s )比值主要变化于1.3～3.5之间。显然，金川矿床属于前一种类型。
N aldrett 等(1976)以贝辰加、萨德贝里、诺里尔斯克和卡尼契等矿床为代表，绘制了拉斑玄武质岩浆有关矿床的P t (P t +Pd )2Cu
(Cu +N i )趋势线，并同科马提岩浆有关矿床对比。据计算，金川矿床P t
(P t +Pd )值为0.66,Cu (Cu +N i )值为0.39，投入上述对比图时，位置同已知属拉斑玄武岩系列苦橄岩亚型的贝辰加矿床最为靠近(图5)
。
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图4 金川矿床(A )和岩体(B )铂族元素和金的配分型式
F ig .4 Pla ti no id and Au d istr ibution pa ttern s for J i nchuan deposit (A )and rock bod ies (B
)
图5 岩浆硫化物矿床Pt
(Pt +Pd )-Cu (Cu +N i )图解F ig .5 Pt
(Pt +Pd )-Cu (Cu +N i )d i agram of mag ma tic sulf ide deposits
1—金川;2—贝辰加;3—萨德贝里;4—诺里尔斯克;5—卡尼契
(据N aldrett 等,1976年补充)
人们公认基性—超基性岩浆起源于地幔物质的部分熔融，源区在上地幔低速层。由金川矿床和超基性岩的Pd Ir 比值分别为14.6和15.0，利用N aldrett 和B arnes (1986)模拟地幔橄榄岩部分熔融过程熔体中Pd Ir 值变异图估计，其含矿岩浆产生时的部分熔融程度约为33%。
将上述各方面的信息归纳起来，可以推断金川矿床的母体为拉斑玄武质苦橄岩浆。
3 地幔源区特征
3.1 硫同位素信息
据甘肃地矿局第六地质队(1984)和杨合(1989)发表的数据，金川矿床的浸染状、海绵状和块状矿石中磁黄铁矿、镍黄铁矿和黄铜矿的∆34S 值变化于-1.1‰～
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4 第1期 杨合等 金川硫化铜镍矿床成矿岩浆性质和源区特征讨论
+2.5‰的范围(表3);Johan等(1986)对全矿石样品测定的∆34S值则更为集中，主要分布在-0.9‰～+1.8‰之间(表4)。由此可知，该矿床的硫与陨石硫相近。提升装置
表3 金川各类矿石中硫化物的硫同位素组成
Table3 Sulf ide sulfur isotope co m position fro m J i nchuan var i an t ores 样 号矿石类型矿 物∆34S(‰)
CBzhS—20浸染状磁黄铁矿+1.9
CBzhS—7局部海绵状磁黄铁矿+2.2
N o63—Po局部海绵状磁黄铁矿+0.1
N169—Po海绵状磁黄铁矿+0.3
CBzhS—4海绵状镍黄铁矿+2.1
CBzhS—521海绵状镍黄铁矿-0.3
CBzhS—522海绵状黄铜矿+2.5
CBzhS—6海绵状镍黄铁矿+2.4
N o60—Po块 状磁黄铁矿+0.2
N o60—Pn块 状镍黄铁矿-1.1
CBzhS—14块 状镍黄铁矿+1.7
CBzhS—15块 状镍黄铁矿+1.9
注：样品CBzhS据甘肃地矿局第六地质队(1984)；样品N据杨合(1989)。
表4 金川各类矿石硫同位素组成
Table4 Sulfur isotope co m position
fro m J i nchuan var i an t ores 样 号矿石类型∆34S(‰)3
JJ85—53浸染状-0.9
JJ85—55海绵状+1.8
除冰车JJ85—61海绵状+0.6
JJ85—64海绵状+0.5
JJ85—70海绵状+1.2
JJ85—65块 状+0.7
JJ85—66块 状-0.4
JJ85—67块 状-0.7
3据Johan Z1,A uge T1，苟国朝和任端
进(1986)，为全矿石样品测定结果。 形成金川矿床的岩浆起源于地幔而侵位于地壳，可能的硫源必定在二者之中。
长久以来，一个广泛地被人们所采用的假定，就是认为地幔硫具有与陨石硫一致的同位素组成。从各种陨石和地球超基性岩大量的硫同位素资料对比来看，这种假定是合理的。
地壳中存在的硫则有两种:(1)从地幔带出且未发生过明显同位素分馏的原生硫，其组成仍与陨石硫相近，但其往往赋存在一些基性超基性岩石中，与地幔岩浆成分差异小，同化混染作用受到很大限制;
(2)经过外生循环分馏产生的次生硫，其组成与陨石硫有明显差别，如生物成因硫化氢及由它生成的硫化物,∆34S可从-40‰到+20‰，海水硫酸盐∆34S
约为+20‰，蒸发岩硫酸盐∆34S值为+10‰～+30‰。格里年科(1974)研究指出，铜镍矿石硫同位素与陨石硫同位素有明显差别(大于4‰)时，说明有地壳成因硫被含镍岩浆同化。
资料对比表明，金川成矿岩浆体系的硫基本上来自地幔。结合笔者(杨合,1991)曾论证的“橄榄石结晶前，硫化物与硅酸盐熔体的液相不混溶现象已经出现”的认识，可进一步推断产生这种岩浆的源区是相对富硫的。
近年来，对深源超基性岩捕虏体的研究证实，上地幔中确有Fe2N i2Cu硫化物存在。一般认为，上地
幔低速层处于大约1%的间隙部分熔融状态。可以设想，在漫长的地质年代，分布于低速层中的硫化物势必因重力作用向该层底部聚集。当然，也存在着相反的作用，如热对流和热扩散，使低速层上部硫化物不可能完全枯竭。但是，要使幔源岩浆硫化物达到一定程度的富集，源区很可能比较靠近低速层底部。大陆上地幔低速层在太古代时期约在地下50～200km，到84 甘肃地质学报 第6卷
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