中国岩浆铜镍钴硫化物矿床：形成背景与成矿动力学机制的独特性

中国岩浆铜镍钴硫化物矿床：形成背景与成矿动力学机制的独特性

摘要：中国岩浆铜镍钴硫化物矿床是国家镍、钴、铂族元素等战略性重要金属资源的主要产地，是需要特别重视的具有未来价值的重要矿床类型。该类矿床产于上地幔特别是软流圈部分熔融形成的镁铁质、超镁铁质岩浆，硫化物液相—硅酸盐熔体的不混溶（熔融）是成矿的主要机制，主要形成于大陆裂谷和造山带伸展环境两个背景。中国是岩浆铜镍钴硫化物矿床的主要产地，但与国外相比，其形成背景和成矿动力学机制相对独特。世界上绝大多数岩浆铜镍钴硫化物矿床形成于古老克拉通中，是地幔柱地球动力学作用的结果。太古代—早元古代科马提岩镍钴硫化物矿床是明显的产出特征，中国缺乏与古老科马提岩有关的镍钴硫化物矿床。成矿时代较晚，主要形成于新元古代、早古生代和晚古生代。新元古代以金川超大型矿床为代表，镍金属资源量居世界第三位，晚古生代早期以近年来发现的夏日哈木超大型矿床为代表。夏日哈木矿床也是迄今为止世界上在特提斯造山带发现的唯一超大型岩浆型铜镍钴硫化物矿床。中国学者结合我国找矿实践提出的“大岩浆—深熔—渗透”表现为“小岩体成大矿”的成矿理论，已被野外地质勘探工作者广泛接受和应用，并在找矿上取得了重要突破。同时得到了国外同行的认可，改变了传统的岩浆铜镍钴硫化物矿床成矿认识。岩浆铜镍钴硫化物矿床在造山带的广泛分布是中国该类型矿床的重要特点。根据造山带的演化和成矿历史，可分为特提斯类型和中亚类型两个重要类型。特提斯类型以夏日哈木矿床为代表，它是原始特提斯造山运动之后，古特提斯大陆裂解，特提斯构造改造的产物；中亚类型以中亚造山带中的天山—北山、阿尔泰一带分布的大量晚古生代早二叠世岩浆铜镍钴硫化物矿床为代表，是板块构造和地幔柱双重地球动力学机制作用的结果。中国岩浆铜镍钴硫化物矿床找矿潜力巨大。金川矿床是水平“岩床”被推至地表，产生倾斜“岩脉”的结果，深部边缘仍具有重要的找矿潜力。目前，在含矿岩体的两端均发现了重要的新矿体；在夏日哈木矿床所在的东昆仑及邻区，发现了十余个新的矿床（点）。从区域上看，塔里木地块东南缘、塔里木地块北缘、扬子地块西缘、华北地块东北缘是急需加强勘探的找矿区，扬子地块北缘、华北地块北缘是急需调查的新找矿区。

关键词：岩浆铜镍钴硫化物矿床；深熔融；小岩体形成大矿化；矿化类型；找矿潜力

插图和说明

图1 中国岩浆铜镍钴硫化物矿床地质分布图

中国已发现的30余个岩浆型铜镍钴硫化物矿床中，两个超大型矿床——世界级的金川矿床和镍金属资源量超百万吨的夏日哈木矿床，占中国镍钴金属资源量的近80%，其余均为大、中、小型矿床，镍金属资源量不足0.5×106t。新疆北山坡一矿床初步估算资源量超过百万吨，但因矿体品位低，利用难度较大。

图2 金川超大型岩浆铜镍钴硫化物矿床深熔渗透成矿及侵位模式

现今金川含矿岩体的空间分布并非金川成矿最终岩浆房的空间分布位置和形态，金川成矿最终岩浆房呈水平分布（图2），这为我们现今在金川矿床深层边缘寻找新的岩体、矿体提供了新的思路（李文远等，2020）。

图3 金川含矿超镁铁质岩Nb/Yb–Th/Yb图解

现代精细测试手段为深入认识“深熔-渗透成矿”作用提供了重要支撑。新元古代南华纪（831~827Ma）超大陆在超级地幔柱作用下开始裂解，金川含矿岩体位于阿拉善地块、塔里木地块、扬子地块和西澳地块裂解的地幔柱上升部位（张建军等，2011；2013）。金川含矿超镁铁质岩的Th/Yb-Nb/Yb图解显示其位于E-MO​​RB与OIB之间(图3)，与峨眉大火成岩省的苦橄岩范围相吻合，表明金川成矿岩浆具有地幔柱岩浆参与的特征，而地壳曲线的走向则是成矿岩浆在地壳侵入过程中受到地壳物质混染的特征(唐等，2013)。

图4 金川含矿超镁铁质岩体三维形貌及主剖面图

金川矿床24号、1号、2号三个主要矿体分布在矿区一、二区，占金川矿床已探明金属硫化物资源量的近90%。其中24号矿体分布在矿区一区，1号矿体分布在矿区二区西段。整体上看，24号矿体和1号矿体所在含矿岩体呈板状，矿体也呈板状或长透镜状，产于岩体的下侧或下缘，主要为海绵陨铁矿，富含铂族元素。矿区二区F17断层大致为西界（图4），东段岩体呈漏斗状，上部宽，下部突然收缩。 2号矿体呈透镜状，产于下部，块状矿石较多，但缺乏铂族元素的富集。

图5 金川矿床东、西岩浆房成矿模式示意图

西部岩浆房可能代表早期深熔融形成的富含铂族元素的岩浆房，东部岩浆房则是相对较晚熔融形成的亏损铂族元素的岩浆房。经历不同演化过程的岩浆的混合有利于硫的过饱和和硫化物液相—硅酸盐熔体的熔融（图5）。在上升至地壳过程中，地壳中FeO的加入和地壳中硫的提取加剧了熔融的发生。金川Δ33S = –0.01‰~2.67‰为地壳硫的加入提供了证据。

图6 夏日哈木含矿镁铁质-超镁铁质岩Sr-Nd同位素对比

夏日哈木铜镍钴硫化物矿总量远低于金川超大型矿床，但其“R”因子（硅酸盐岩浆与硫化物的质量比）范围（100~1000）并不比金川（150~1000）低多少，MgO含量为9.79%~12.48%（李等，2015；宋等，2016；张志兵，2016；刘等，2019；李文元等，2022），也与金川（11.79%~12.9%）相当，表明发生了更高程度的部分熔融（夏日哈木为15%~25%，金川为20%~30%），但其（87Sr/86Sr）i夏日哈木的εNd值低于金川, 而εNd值高于金川(图6), 表明夏日哈木的母岩浆并不像金川那样富集。

图7 东昆仑古特提斯裂谷构造-岩浆-成矿事件示意图

昆仑造山带早、晚古生代之间的镁铁质—超镁铁质岩分布时间范围很广（443～378Ma），至少存在两期不同构造背景的镁铁质—超镁铁质岩：一期为420Ma之前，为原特提斯碰撞造山伸展环境的产物（见图7a、7b），未见矿化，也无工业价值；另一期为420Ma之后古特提斯新大陆地壳重新裂解的产物（见图7c、7d）。

图8 东天山—北山地区含矿镁铁质—超镁铁质侵入岩分布图

所谓中亚岩浆铜镍钴硫化物矿床，是指在中亚造山带东天山-北山及阿尔泰早二叠世（~280 Ma）形成的众多的岩浆铜镍钴硫化物矿床。其中，东天山-北山与镁铁质-超镁铁质岩有关的岩浆铜镍钴硫化物矿床分布广泛，是中国该类型矿床的重要分布区（李文元等，2019a）。具体分布在三个构造单元：一是东天山的觉罗塔格沟弧盆构造带，有黄山、黄山东、香山、葫芦、图拉尔根、白心滩、鲁北等矿床；二是中天山地块北缘，有天峪、白石泉矿床；三是北山裂谷，发育坡义、笔架山、罗洞、悬窝岭等沉积（图8）。

图9 东天山-北山含Cu-Ni-Co镁铁质-超镁铁质岩Nb/Yb-Th/Yb和Nb/Yb-TiO2/Yb图解

图10 东天山—北山含Cu-Ni-Co镁铁质-超镁铁质岩Sr-Nd同位素对比

尤敏信（2022）在前人研究基础上，还对东天山沙隆以西新发现的白心滩、鲁北矿床岩浆源区成矿作用及地球化学特征进行了研究，再次证明东天山—北山岩浆铜镍钴硫化物矿床是板块体系+地幔柱体系双重作用的结果。微量元素地球化学特征表明，东天山—北山矿床源区与特提斯造山带内的矿床一致，有俯冲板块流体物质加入，Nb、Ta、Ti亏损，但与阿拉斯加型岩体有明显区别。 Nb/Yb-Th/Yb及Nb/Yb-TiO2/Yb判别图解（图9）表明,东天山—北山地区的白心滩、鲁北、白石泉、天宇、黄山、图拉尔根等矿床,峨眉大火成岩省内的利马河、金宝山矿床,与塔里木大火成岩省内的玄武岩一样,在Nb/Yb-Th/Yb判别图解（图9a）上均投影在MORB-OIB趋势线之上,而杜克阿拉斯加式岩体则落在趋势线之内,这一点明显不同。当然，利马河、金宝山和塔里木火成岩省玄武岩在Nb/Yb-TiO2/Yb判别图解上均位于OIB趋势线以内(图9b)，反映地幔柱的起源，而东天山-北山矿床则位于E-MO​​RB趋势线以内，是地幔柱-洋中脊的地球化学特征(Sun et al.，1975; et al.，1983; et al.，1988;，2008)，因此，将东天山-北山岩浆铜镍钴硫化物矿床的地幔源区简单地解释为俯冲板片流体所交代的亏损地幔源区是远远不够的，更不可能是阿拉斯加式岛弧岩浆源区的产物。计算的铬尖晶石和橄榄石的初始温度为1303~1412℃，明显高于软流圈地幔温度（1280~1350℃；and, 1988），应为同一时期地幔柱的高热动力学贡献。同时，(87Sr/86Sr)i比值和εNd(t)值落入OIB区域，反映了地幔柱起源的信息（图10）。

图11 金川、夏日哈木矿床PGE分布曲线

金川矿床铂族元素资源储量占全国近60%，产出大量铂族矿物，局部形成铂钯富集区，整体铂族元素含量较高。主要铂族矿物有砷铂矿、碲铂矿、碲钯矿、黄碲钯矿、铋钯矿、斜铋钯矿。韩义孝（2021）对金川矿床一、二、四矿区的3个钻孔样品进行了PGE测试，结果表明，金川含矿岩体的PGE含量比较均匀，呈现Ru、Rh、Ir、Pt亏损、Pd富集的特征，但矿石中PGE含量变化较大，且Pt和Pd的富集程度远高于Ir、Ru、Rh。硫化矿石与岩石相比，PGE含量明显富集（图11）

图12 金川岩体磁异常及深部隐伏岩矿体地质解释

在金川矿床西段含矿岩体（I矿区）西侧隐伏岩体Ⅲ矿区（图4、图12），钻探发现了富厚的新矿体，估算镍金属资源量近5×105t，相当于又发现了一个超大型矿床。这是自20世纪60年代金川矿床发现勘探以来的又一次找矿突破，意义十分重大。同时，深部钻探在矿床东段Ⅱ矿区东侧隐伏的Ⅳ矿区也获得了重要发现（图4、图12）。这些突破性的找矿发现表明金川矿床深部边缘仍具有重要的找矿潜力，亟待对深部边缘进行进一步的勘探和研究。

图13 古特提斯构造带东昆仑及邻区岩浆铜镍钴硫化物矿床找矿目标分布图

东昆仑夏日哈木超大型岩浆硫化物矿床的发现，激发了寻找特提斯式岩浆铜镍钴硫化物矿床的热情。特别是在东昆仑及邻区，除夏日哈木矿床外，又发现了10余个新的矿床（点），其中包括石头坑德大型矿床，以及玉龙沟、朗格木、冰沟南和牛鼻子梁等矿床（点）（图13），显示出良好的找矿前景。同时，在齐漫塔格地区又发现了与夏日哈木同时代的玉谷赛等新的镁铁质-超镁铁质岩体，急需勘探和研究。

图14 中国岩浆铜镍钴硫化物矿床找矿前景示意图

中国岩浆铜镍钴硫化物矿床基本分布在塔里木、华北和扬子克拉通边缘及其造山带内（图1、图14）。成矿时代具有新元古代、晚古生代早期和晚古生代晚期三个阶段，分别对应中国大地构造演化全球构造演化中的罗迪尼亚超大陆裂解、冈瓦纳大陆裂解和潘吉亚超大陆裂解三次地质事件（李文元，2018；李文元等，2022）。与全球岩浆铜镍钴硫化物矿床分布相比，缺乏与地球形成早期新太古代—古元古代地幔柱事件有关的铜镍成矿事件，未发现科马提岩型镍钴硫化物成矿地点，缺乏具有重大工业价值的层状复式PGE矿床（李文元，1996）。中国最早具有工业价值的岩浆铜镍钴硫化物矿床形成于新元古代—金川超大型矿床，其余主要产于晚古生代早期和晚期。

文章结语：我国岩浆铜镍钴硫化物矿床勘查研究已走过70余年的艰苦探索，形成了唐中立院士提出的“小岩体成大矿物”等具有重要国际影响的成矿理论，取得了金川、夏日哈木等可以改变世界矿业格局的找矿成果。现在我们面临着镍钴等关键金属矿产国家重大战略需求的新形势。实现岩浆铜镍钴硫化物矿床找矿重大突破是地质学家面临的重大任务。要实现找矿重大突破，首先必须实现成矿认识和找矿理论的重大突破。

（1）金川超大型矿床形成于新元古代（831~827 Ma）超大陆裂解环境。阿拉善、塔里木、扬子、澳大利亚等古陆块裂解边缘是寻找金川式岩浆铜镍钴硫化物矿床的有利部位。塔里木地块北缘的兴地矿床和扬子地块北缘的周安矿床的发现，表明在这些地区有寻找金川式矿床的可能性。

（2）夏日哈木超大型矿床是特提斯造山带目前发现的唯一超大型岩浆铜镍钴硫化物矿床，形成于古特提斯裂谷环境，具有重要的科学意义和找矿实用价值。目前，特提斯造山带尚缺乏离散裂谷洋盆开启的构造联系的系统研究，特别是原特提斯与新特提斯之间古特提斯构造开启的研究。重建古特提斯构造的演化与成矿历史，对于指导找矿实践具有重要意义。

（3）中亚东天山—北山造山带许多早二叠世岩浆铜镍钴硫化物矿床与早二叠世塔里木大火成岩省有关。塔里木、峨眉、西伯利亚三大火成岩省分布在欧亚大陆东部，它们的时代分别来自早二叠世（~280 Ma）、早三叠世（~250 Ma）和晚三叠世（~220 Ma），暗示它们在成因上可能密切相关。它们分别形成了世界最大的诺里尔斯克岩浆铜镍钴硫化物矿床、攀枝花超大型钒钛磁铁矿矿床以及许多同时代岩浆铜镍钴硫化物矿床。二者的对比研究对于确定塔里木、峨眉大火成岩省形成重要岩浆铜镍钴硫化物矿床的成矿潜力具有重要意义。

(4)中国岩浆铜镍钴硫化物矿床形成于新元古代、早古生代和晚古生代，三叠纪以后世界上没有形成岩浆硫化物矿床。但中亚造山带东段五星矿床形成年代很年轻（37.79±0.76Ma），很可能是一种新的类型，与古太平洋板块向东俯冲引起的洋壳俯冲有关。

第一作者简介：李文元(1962-)，男，博士，研究员，博士生导师，主要从事岩浆硫化物矿床及区域成矿作用研究。E-mail：

引用格式：李文元, 2022. 中国岩浆铜镍钴硫化物矿床成矿理论创新与找矿突破[J]. 地质力学学报, 28(5): 793-820. DOI: 10.12090/j.issn.1006-6616.

李文英, 2022. 中国矿石与矿石性质研究[J]. 矿床地质, 28(5): 793-820. DOI: 10.12090/j.issn.1006-6616.