元古宙祁连古陆块大规模岩浆事件与熔融成矿

金川矿床以其巨大的铜镍铂族金属储量而闻名。作为一个独立的超镁铁质岩体，出露面积仅1.34km2，镍金属储量546×1.04t，岩体矿化率高达60%，在世界上绝无仅有。面对如此高度集中的成矿事实，在矿床深熔或侵入前硫化物液相与硅酸盐熔体大规模不混溶的机制肯定存在，最终成矿岩浆房实际上是一个矿浆室，其中硫化物液相极其丰富的熔体在原地冷凝结晶形成岩石并成矿。这一认识长期以来为我国学者所认同并不断丰富(唐仲礼等，1995)，而唐仲礼院士提出的“小岩体形成大矿石”的概念正是对这一成矿机制的深刻揭示。如此大规模的金属硫化物堆积必须有更大的岩浆来源提供，这是岩浆铜镍PGE硫化物矿床研究在90年代后期开始关注的问题(Keays，1997；皮拉杰诺，2002年).大量硫是来自地幔还是地壳，硫同位素研究成果多样，有地幔来源的认识，如金川等(唐仲礼等，1995；李，1996)，带壳源或加壳源，如Noril'sk等(Naldrett等，1996)。人们已经深刻认识到，硫的饱和度是影响硫化物液相不混溶或熔融的主要原因(Naldrett，1989；Rad'Ko，1991；布吕格曼等人，1993；Keays，1995)，而降低岩浆硫饱和度的主要因素是地壳物质的加入和岩浆混合作用(Ripley和李，2002；里普利，1981；纳尔德雷特等人，1993，1989，1999；兰伯特等人，1991，1999，2000).但可以肯定的是，镍来源于岩浆，大量的硫主要来源于岩浆，而岩浆主要来源于地幔。为了提供超规模的镍积累，必须有超规模的岩浆。在大陆地壳环境中，超大质量岩浆最可能的形式是与地幔柱有关的大火成岩省(LIPS)(light foot等人，1997；凯伊斯，1997).因为只有起源于核幔边界以下“D”层的地幔柱(地震学术语，它是核幔之间的热化学相互作用带，是源于核的热能的传递带，认为起源于该带的地幔柱，Lay et al .，1998)才能在局部地区突然引起异常热事件并产生大规模岩浆作用形成lip，并提供大量的成矿组分S和Cu。

大陆环境唇最重要的特征是大陆溢流玄武岩(CFB)。目前已确认大面积CFB分布的LIPs包括俄罗斯的西伯利亚地台(Noril'sk沉积)和美国的中大陆裂谷系(Duluth)。Me11en矿床)、南非卡鲁火成岩省、印度德干高原、中国南方峨眉玄武岩等。Pirajno(2002)在其著作《矿床与地幔柱》中总结了与地幔柱有关的大火成岩省的主要特征如下(图4-45):“D”层的地幔柱上升至岩石圈底部，蘑菇状地幔柱头部因减压而深度熔融，岩石圈碎屑被吸起。这些储层中的一些到达地表并喷发形成大陆溢流玄武岩(CFB)或火山岩，而另一些则就地固结(岩浆房)形成层状火成岩杂岩。直接来源于地幔柱轴的高镁熔体促成了溢流玄武岩的早期阶段，后期地幔柱熔体的迁移可能会侵蚀岩石圈的热边界层，并将岩石圈碎片带回地幔。因此，与洋壳岩石圈相比，地幔柱熔体中不相容元素富集。总之，地幔柱-岩石圈熔融形成的嘴唇主要表现为空间三位一体的特征:一是CFB；；第二是层状火成岩侵入体)；在上地壳；第三是镁铁质岩墙群。这三个因素相互关联，互为因果。特别是CFB与大型基性和超基性岩层状侵入体密切相关，它们是岩浆房或上覆玄武岩的通道。因此，CFB是嘴唇在宏观和直接表现中最典型的表现。

图4-45地幔柱与岩石圈地幔、地壳底部镁铁质-超镁铁质岩浆房、侵位大陆溢流玄武岩(CFB)及相应基岩杂岩相互作用示意图。

因为CFB暴露在地表，这项研究是最详细的。据世界14 CFB统计结果，从太古宙(2772Ma)发展到现代(15Ma)，发展时期为1 ~ < 10 Ma，为典型的Fe富集，主要由大陆拉斑玄武岩组成，太古宙CFB和元古代底部有科马提岩。从时间和空间上看，CFB与地壳的隆升和扩张密切相关，因此可以形成于大陆裂谷系(美国的MCR位于著名的德卢斯层状杂岩所在的苏必利尔湖和金纳泽，其成因与大面积分布的基性熔岩相同)或大陆边缘火山裂谷(北大西洋的火成岩省)。基性岩墙群与大陆解体有关，其径向基性岩墙群可能反映了地幔柱的中心位置。单个堤防的宽度从几米到200米不等，长度从几百米到1000km不等。基性岩墙群是大陆改造的标志性遗迹。层状火成岩侵入体实际上是一个笼统的说法，大火成岩省大量不同类型的侵入体都可以归入其范畴。它们是岩浆铜镍PGE矿床的主要载体。

根据金川镍铜PGE超镁铁质岩体的巨大金属富集，推测它是地幔柱和地质历史热点的结果。假设中元古代早期祁连山地区发育地幔柱形成的唇形物，必然存在层状火成岩侵入体(金川侵入体可视为成矿岩体之一)及相应的CFB和基性岩壁分布。

(1)分布在北祁连山西段镜铁山微地块关群中的巨厚火山岩系(详见第三章)，可认为是的局部出露或残留。夏等(1999，2000)从岩石学和地球化学的角度详细论证了属于的火山岩特征，此处不再赘述。认为CFB的分布范围一定很广，现今发现的面积有限，这可以用祁连古陆块在成岩作用后的解体重组和不同程度的剥蚀来解释。龙首山西部发现的长城变质基性火山岩系也应是CFB在这一时期的出露。由于缺乏高质量的年龄资料和详细的火山岩石学研究，目前只是推测，但藏布台和青石窑的超镁铁质岩很可能是科马提岩或苦橄岩熔岩，可与朱龙管群的大陆拉斑玄武岩和碱性玄武岩形成完整的CFB组合。

(2)祁连山地区未见基性岩墙群的报道，但镜铁山微地块关群分布区发现的大量辉长岩岩墙可视为基性岩墙群的局部露头，北祁连山西段1 ∶ 5万区域地质调查也发现了大量不规则的基性岩墙群。此外，龙首山中元古代白云岩中大量平行分布的辉长岩和辉绿岩脉也是值得重新认识其地质意义的基性岩壁。由于祁连山前寒武系基性岩脉的时空分布和地质意义在过去没有得到大规模的调查，基性岩脉的存在和特征是一个亟待调查和研究的问题。

(3)祁连山的层状火成岩是以往研究中最受关注的对象。然而，在祁连山(含龙首山)镁铁质-超镁铁质侵入体的成矿调查中，迄今仅发现金川以外的大型成矿岩石。龙首山分布着65，438+00多个镁铁-超镁铁岩体，但在南祁连元古代基性岩龙群中发现了拉水峡等小型岩浆Cu。如果从祁连山中元古代早期的LIPs角度来认识金川矿床的存在，腊水峡的含矿岩体与金川岩体有关，是同一个地幔柱作用于岩石圈底部熔融、侵入、熔化、拆离、穿入矿化的结果。预测可能存在隐伏层状侵入体，存在发现新的成矿岩体的地质前提。

作者提出了祁连山中元古代早期具有大规模地幔柱的大火成岩省(LIPs)的观点，旨在探索金川这一世界级矿床的物质来源和地质意义，并试图解释其下地幔巨大金属物质在高地壳中的堆积。因为这个题目所包含的内容比较复杂，只提出了一个框架性的假设，但是有一些不可避免的问题。首先是年龄问题，目前关于金川岩体年龄(中元古代/新元古代)的争议，镜铁山微地块CFB同位素年龄，腊水峡岩体成岩成矿年龄等。，都制约着对整个岩浆-构造事件的清晰把握；其次，由于岩浆作用范围是晚期造山带及其边缘地块的地质范围，造山带的快速构造变动已将早期的火成岩事件改造得面目全非，恢复起来极其困难。无论如何，重塑祁连山前寒武纪构造-岩浆事件，对于系统认识金川矿床成矿演化过程，进一步开展区域找矿部署具有重要意义。

(2)金川超大型世界级矿床的深部硫化物滑脱成矿作用

如前所述，硫在硅酸盐熔体中的溶解度主要取决于FeO的含量，其次是CaO、MgO和Na2O的含量。根据Godlevski (1981)对Norsk含矿岩石硅酸盐熔融的实验，高温(1400 ~ 1500℃)下悬浮硅酸盐熔体中硫化物含量可达15%以上。Ma-cLean(1968)在体相FeO-Fe3O4-SiO2-FeS体系中发现了大量的不互溶相(图2-14)。他指出，在结晶过程中，含有少量硫的均质硅酸盐熔体可能会使硫饱和，形成硫化物，从而导致熔融硫化物液相的存在。结晶轨迹取决于原始化学成分和结晶过程中氧逸度的降低、稳定或增加。在FeS-FeO-fe3o 4-SiO 2体系中，两液相的最低温度为1140℃。硫在这种简单基性岩浆中的溶解度可能在4%左右，二氧化硅在硫化物和氧化物液相中的溶解度可能在65438±0%左右。硫在自然界中的溶解度可高达15% (Godlevski，1981)。硅酸盐完全结晶后，这种不混溶的硫化液相开始结晶。金川岩体的成因矿物学研究表明，铬铁矿中Ni含量缺乏(Barnes等，1999)，橄榄石岩浆包裹体中硫化物矿物稀少(杨等，1991)，在硅酸盐矿物结晶前不混溶。

天然玄武岩熔体中仅含有0.03%重量的硫(MacLean，1968)，比FeO-Fe3O4-SiO2-FeS体系中的最大值低100倍，而天然岩浆中的FeO含量更低。硅酸盐中大量的CaO、MgO、Al2O3与FeO结合，使FeO浓度大大降低，从而导致熔体中出现硫。一旦硫化物熔体从硅酸盐熔体中熔离，富硫化物熔体熔离时容易形成块状矿石。在结晶早期，由于N-O键比Fe-O键强，Ni和Cu取代了硅酸盐结构(斜方辉石和橄榄石)中的Fe。硫化物熔体熔离前，硅酸盐结晶度越高，氧逸度越高，Ni倾向于进入硅酸盐矿物，很少倾向于与硫化物熔体结合。因此，由于金川矿床矿石含量高，硫化物熔融前不会有明显的橄榄石结晶，否则难以形成富矿。

Naldrett(1989)认为不同矿床物质组成的差异是硫化物分离和分支平衡的结果。由于镁铁质-超镁铁质岩浆对富硅物质的同化作用，溶解在岩浆中的硫化物以不混溶的液态熔离。不同比例的硫化物分离是不同程度同化作用的结果。硫化物液相的突然熔融下沉可能是由于富硅岩浆的混合。可见，岩浆混合对岩浆硫化物矿床的成矿作用具有重要意义。Lambert等人(1988，1989)利用REE、Sm-Nd同位素和Re-Os同位素地球化学研究，结合野外和岩石学特征，确定静水杂岩中至少存在两种端元岩浆。一种是U型岩浆，是怀俄明州太古宙准大陆岩石圈地幔中部分熔融的玄武岩。另一种是A型岩浆，是玄武质岩浆混合上地壳和下地壳镁铁质-超镁铁质岩石部分熔融合成的拉斑玄武岩。认为静水杂岩中积累的相对较宽的γOs和εNd值是不同岩浆地球化学混合的结果，是在岩浆房成岩成矿的整个历史过程中所起的作用。国外其他岩浆硫化物矿床也具有这一特征，如诺里尔斯克的苦橄岩和PGE富集的镍铜矿，γOS =+4.1 ~+14.2(Lambert等，1989)，布什维尔德杂岩和Meki Mace层的UG-2铬铁矿。γ OS =+33 ~+68(哈特和金洛克，1989)和萨德伯里火成杂岩，γ OS =+322 ~+854(沃克等人，191)。这些数据表明，在每个阶段都有一些地壳物质加入到系统中。金川岩体ε nd < 0(李等，2004)和γ OS =+9.1 ~+122.6(刘，2004)的特征也反映了地壳物质的加入特征，这是金川岩体结晶前硫饱和导致硫化物液相大规模熔融或不混溶的主要原因。图4-46显示了矿化过程。

当古地幔柱到达岩石圈底部时，由于减压而部分熔融，产生大量岩浆，岩浆中不断加入岩石圈碎片，所以上升的岩浆(1)成分会发生变化；上升到岩石圈地幔与地壳的边界时，就形成了大规模的岩浆房(或岩浆库)。此时岩浆硫仍未饱和。随着岩浆房地壳混合物质的引入和新岩浆的注入，发生岩浆混合(2)，使岩浆房中的硫达到饱和，硫化物液相与硅酸盐岩浆熔体之间的不混溶(硫化物液相深熔)继续大规模发生(3)。镍、钴、铜、PGE；和其他家长。当失去金属元素的岩浆侵入并刺穿(侵蚀)地壳，在地表喷发溢出形成基性岩浆(5)时，大量的基性岩壁也会作为岩浆管道保存下来。更重要的是，深部岩浆房中下部的含硫化物岩浆或硫化物液相由于地壳的挤压直接侵入并向上渗透，在地壳中形成含硫化物的岩浆房(或浆室)(4)。这种含硫化物的岩浆房应该有很多，但也有可能。最终岩浆房内发生岩浆结晶堆积和位于岩浆房底部的硫化物液相，形成层状侵入体。后期的构造变动改变了含矿层状岩体的空间位置，这些岩体陡峭地或侧向地直立，并被剥蚀出地表或位于地壳浅部，成为可利用的或潜在的矿床。

图4-46金川岩浆铜镍PGE矿床硫化物拆离成矿演化示意图

金川矿床作为世界上超大型的岩浆铜镍PGE矿床，其成矿背景和成因一直为人们所关注，国外对岩浆铜镍PGE矿床的研究也表现出极大的兴趣。但是，总的来说，对外界的介绍还不够。自100年发现萨德伯里矿床以来，新的认识层出不穷。仅著名杂志《经济学地质》(EconomicGeology)就曾在1971、1990、2000、2002年出版过四册，由矿床学研究引发。金川矿床在中国岩浆铜镍PGE硫化物矿床中占有重要地位，其成矿地质背景和矿床成因的认识涉及到中国类似矿床的研究。岩浆混合成矿的观点，地壳物质的加入，都是大家非常关心的问题。金川岩体的岩石化学以科马体化学成分为特征，矿石地球化学以拉斑玄武岩矿床为特征。推测一端岩浆为科马提岩岩浆(主要为岩体东部岩浆房)，(Pt+Pd)/(Os+Ir+Ru)比值低，本身PGE含量低，仅形成镍铜矿。西段岩浆房为斑状玄武岩浆，以形成镍铜硫化矿和富含Pt、Pd为特征。这种认识只是一种推测，需要更详细的研究。

此外，金川矿床的复合热液作用对成矿有显著贡献，可能存在多期活动，特别是在成岩成矿后期的构造改造中。各种高温复合热液作用的活动对富铜块状矿石的形成和PGE的局部富集至关重要，有必要进行深入研究。