加拿大Sudbury盆地巖漿硫化物鎳礦床成因典型性研究與找礦標志分析

許芳磊

(五礦勘查開發有限公司，北京 100010)

加拿大Sudbury盆地巖漿硫化物鎳礦床成因典型性研究與找礦標志分析

許芳磊

(五礦勘查開發有限公司，北京 100010)

摘要：巖漿硫化物礦床中富含鎳、銅等基本金屬元素，部分礦床含有鉑族元素(PGE)。目前全球每年近60%的鎳產量出自此類礦床，并且也是全球勘探市場中最為活躍的勘探目標礦床之一。加拿大安大略省內部廣闊的Sudbury盆地，邊緣勘探發現并轉產了一批大型礦山，前人綜合研究認為盆地成因為外太空隕石撞擊。鑒于外力作用來源清晰，有利于礦床成因的綜合分析研究。Sudbury鎳硫化物礦床的成因可簡要概括為：隕石作用撞擊使局部地殼產生大量深部裂隙，激發并影響巖漿噴發作用，導致巖漿與上覆快速沉積巖層物質發生反應，在巖層界限部位聚集富含鎳、銅等金屬元素的非混合相態的硫化物，并伴隨后期構造作用改造形成不同規模和品位的礦床。

關鍵詞：巖漿硫化物礦床；Sudbury盆地；成因研究；找礦標志

鎳金屬是生產不銹鋼制品的重要原料，年消耗全球將近60%的鎳生產供應量，同時，新興發展中國家大規模基礎設施建設也依賴并長期需要大量鎳。盡管擁有強有力的需求保障，但全球鎳金屬價格持續偏低，很大程度上是受鎳鐵合金生鐵(NPI)的抑制，鎳鐵合金生鐵是一種從鐵礬土中提取鎳的中間過程制品。然而，隨著較高品位(鎳當量大于2%)鐵礬土礦石開采殆盡，偏低品位的礦石在提取加工過程中成本較之原先大幅攀升，加之全球最大的高品位鐵礬土礦石輸出國家印度尼西亞，自2014年初起限制未完全加工鐵礬土礦石的出口，直接影響了中國等新興發展中國家低成本鎳鐵合金生鐵的供給。隨著印尼港口高品位鎳礦石庫存已接近枯竭，供需關系有可能進一步失衡，這將很可能間接導致倫敦金屬交易所鎳金屬價格在未來持續攀升。

目前，全球較大規模的鎳礦床高級勘探項目，大多已為人們熟知超過40年以上，并以低品位鐵礬土氧化物礦床為主，受制于較高的項目轉產啟動資本投入以及較高的選冶技術風險，大部分項目的投產計劃延緩甚至取消。

巖漿硫化物型鎳礦床被普遍認為是替代開采獲得鎳礦石的上佳來源，該類礦床具備轉產資本投入低、品位高且礦石選冶技術已充分論證等優勢。目前，全球新開采的鎳礦石近60%來源于硫化物礦床。但遺憾的是，全球近期新發現的硫化物鎳礦床數量相當有限，也使得全球鎳金屬的遠景供應不容樂觀。基于加拿大安大略省Sudbury盆地內鎳硫化物礦床的成礦特征以及成因進行綜合研究，探尋鎳硫化物礦床的找礦線索。

1巖漿硫化物型鎳礦床形成機制

目前，鎳-銅-鉑族多金屬型巖漿巖硫化物礦床，每年可產出全球近60%鎳礦石。該類礦床形成于上地幔鎂鐵質和/或超鎂鐵的巖漿侵入地殼母巖的過程中，巖漿中鐵、鎳及銅金屬元素與母巖當中的硫融合，形成不相溶稠密狀金屬富集硫化物流體，侵入并受重力作用沉降至空隙底部。巖漿持續侵入成巖冷卻，促進硫化物流體灌入并凝結，形成中等至大型規模的硫化物礦體。礦床當中通常含有磁黃鐵礦(鐵硫化物)、鎳硫鐵礦(鎳硫化物)以及黃銅礦(銅硫化物)等含硫礦礦物，而殘余富集鎳金屬的非硫化物相態巖石(通常為橄欖巖和富鎳硅酸巖)在現今普遍使用泡沫浮選選冶工藝中是無法被提取。

全球一些超大型的巖漿硫化物鎳礦床，多被發現于次生巖脈碎裂構造構成的大型巖漿房當中(圖1)。通常情況下，巖漿在進入巖漿房過程中會迅速減緩流速，并依此促進硫化物凝結沉淀，這被認為是硫化物局部聚集的關鍵因素。巖漿侵入過程中重復冒起，同樣可以在原地向上部聚集，提高硫化物金屬含量。另外，區域斷裂下盤分支構造本身也是富集銅-鉑族金屬成礦的重要部位，但通常情況下這些區域寬度較窄。

圖1　全球范圍大型鎳礦床及礦床類型(據US Geological Survey修改，2010)

這類礦床在全球范圍內，世界級的大型礦床包括俄羅斯Noril’sk-Talnakh，中國金川，俄羅斯Pechenga，加拿大拉布拉多Voisey’s Bay，坦桑尼亞Kabanga，以及加拿大曼尼托巴Thompson礦帶等。

對于已經獲得廣泛研究認識地質成因的礦床，例如西澳大利亞的Kamabalda地區，超鎂鐵質巖漿上涌抵達地表后，流動的科馬提巖型火山巖漿隨后在地熱源的引導下侵蝕深部通道側向遷移，在同化作用下，熔融富集硫磺物質的地殼巖石。這種過程持續往復，引導不相融的稠密狀金屬富集硫化物流體發生構造變形，并最終匯集于形似河道狀的巖漿房底部。

2Sudbury盆地鎳硫化物礦床成因研究

加拿大安大略省Sudbury盆地火成巖雜巖帶(SIC)，是全球較大規模的巖漿硫化物鎳礦床富集區，自1883年內部發現首個礦床以來，轉產了一大批地下或露天開采礦山。

SIC雜巖帶的行成成因被認為與18.5億年前的隕石(直徑超過10km)撞擊有關，這次撞擊不僅形成了深度超過10km直徑超過200km的巨型火山口，還破碎了地殼巖層，協助底部地幔物質溢出充填撞擊形成的盆地。地幔衍生的熔融物質帶來了SIC雜巖帶內部富含大量鐵、鎳以及銅金屬。隨后地幔熔融物質與富集硫磺的地殼巖石融合，形成富含金屬元素的稠密不融硫化物流體，鑄造成SIC雜巖帶基底，形成大量鎳硫化物礦床，并由此形成Sudbury礦集區(圖2、圖3)。

圖2　加拿大Sudbury盆地地質圖

圖3　加拿大Sudbury盆地鎳巖漿硫化物礦床成因示意圖(非標準尺度)

深部破裂部位自身也為高品位的銅-鎳-鉑族金屬硫化物礦床提供了成礦空間，特別是Sudbury放射狀的“斷層錯斷巖脈”礦床占據了礦集區已經投產礦山的絕大部分。例如淡水河谷旗下長期開采的銅巖壁斷層錯斷巖脈控制的Sudbury盆地北部和南部礦床，以及位于Worthington錯斷巖脈中最新轉產的Totten礦山，Whistle錯斷巖脈當中KGHM旗下Podolsky礦山，另外Worthington錯斷巖脈內部的Victoria礦床(目標2019年投產)。另外，銅-鉑族金屬富集的底盤成礦帶也形成了一系列高品位的硫化物脈狀礦床(例如Wallbridge礦業公司旗下位于Sudbury盆地北緣的Broken Hammer礦山)。

隕石撞擊與巖漿巖硫化物礦床成因相關的事例不僅僅是Sudbury盆地一個，North American鎳礦公司旗下位于格陵蘭島的Maniitsoq項目的地幔熔融物質被認為與300萬年前巨大隕石撞擊有關，撞擊導致熾熱的超鐵鎂質巖漿經過一系列限制通道和大規模巖漿硐房上涌至地表，與Sudbury相似的是，熾熱的巖漿同化圍巖(原地硫富集)導致硫飽和，形成不溶硫化物流體。這種稠密的鎳-銅-鈷-鉑族金屬富集的流體在內部溝渠通道內以較低流速聚集，硫化物當中鎳金屬品位隨著巖漿流體活動而逐步富集提高。隨著巖漿作用終止，流體系統內部冷卻儲藏形成紫蘇輝長巖，最終地層抬升和剝蝕使得金屬富集的火山通道易被勘探獲得。

3全球已發現巖漿硫化物礦床形態與規模

對現階段資源與歷史投產的全球50個巖漿巖性硫化物鎳金屬礦床進行統計研究，獲得了全球建議的礦床規模的平均估算值，大致為1.6億t，1.5%鎳當量以及0.4%銅當量。與此同時，品位永遠是初級勘探和發展公司所關注的焦點，在此基礎上，大型礦業公司更加著重關注礦床規模，期待獲得較長開采年限且具有更大規模開采商業價值的資產，并準備抓住多種金屬價格上行周期的過程中投產。但遺憾的是，大自然所創造的大型高品位礦床，大多屬于超出常規偶然形成的，而并非常態。

歷史上，全球那些高品位硫化物礦床的大規模開采選冶，通常應用已被長期驗證的泡沫浮選工藝。然而，經過20世紀90年代的研究與發展，市場的關注力投向(轉回)到從鐵礬土中回收金屬元素。隨著礦山的逐步被開采，技術方面的挑戰與成本支出的超值，持續困擾這些超大型(低品位)的鎳礦項目，導致近年來又重新關注回硫化物主導的鎳礦項目來。一些大型，較低品位的鎳硫化物項目，近來越發被認為那些存在巨大風險爭議的鐵礬土礦項目的潛在替代來源，這種經濟角度的評價越發的與斑巖型銅礦項目相似。Royal Nickel公司旗下100%權益為與魁北克省的Dumont項目，總計12億t礦石儲量，鎳當量0.27%(約含690萬磅的鎳，以目前金屬價格計算，大于0.65%銅當量)。這個項目被看作是填充全球鎳加工選廠運營的硫化物礦石來源。

4鎳硫化物礦床綠地勘探項目找礦標志

勘探到具有經濟開發潛力的大型巖漿硫化物鎳礦床，至多可以創造超過幾十億美元的經濟價值。因此，探索提煉出一套找礦模型，可作為勘探地質師們找礦用以依賴的鑰匙。識別巖層作為綠地勘探項目的基礎，可以作為判斷潛在富礦層位的重要依據。大部分鎳硫化物礦床富集區和礦床具有一些普遍的特征，可為勘探提供相當有用的指導。歸類分析，包括下列特征。

1)鐵鎂質或超鐵鎂質巖石。地幔熱留柱中衍生形成，大規模富集。

2)臨近貫穿地殼破裂的構造部位。斷層為巖漿穿破地殼有效運移提供空間，在運移過程中伴隨著較小尺度的橄欖巖分餾或硫化物流體的分支流動。

3)富集硫物質的沉積巖層。沉積巖的同化作用被認為是巖漿伴隨硫磺物質浸透發生，裂隙周邊的沉積巖供應了地殼中硫物質，并在鐵鎂質巖漿灌入過程中，毫無阻礙的沿著層位清晰的水平沉積巖巖層吸收含硫物質。

4)礦床邊緣存在大量富含硫化物的變異巖石或富含硫磺物質的角礫巖。角礫巖的存在被認為是曾經大量巖漿灌入事件以及硫化物重新沉積過程的重要標志。在物質運輸過程中，硫化物細小微滴可以與大量不穩定的巖漿平衡，并在附近的硫化物流體中富集金屬物質。

5)流體侵入作用影響聚集的大量硫化物。包括斷層下盤形成的港灣式空間以及那些巖漿進入分支裂隙或是逐步變寬的渠道位置。在這些部位，巖漿流速顯著減緩，無法再夾挾稠密的硫化物微滴繼續運移。

6)上部覆蓋鉑族元素貧化的鐵鎂質或超鐵鎂質巖石(與鎳和銅相關)。這種類型的礦床是硫化物流體從巖漿主體分離所形成的，較之銅和鎳，這種現象與鉑族元素金屬分割灌入硫化物流體密切相關(與剩余的硅酸巖流體相對)。

7)若橄欖巖在變質過程中遭受毀壞。巖層中散布的硫化物含量可能顯著提高，導致硫化物中的鎳富集。此后，變質巖石中的散布的硫化物則被認為是可以開發的。新鮮巖石中散布的硫化物在開采過程中被證明鎳并非足夠充足的。

可以認為全球巨型的鎳-銅-鉑族金屬硫化物礦床的形成與各式各樣隕石撞擊作用、巖漿侵入以及科馬提巖流體等機制有關。然而，真正開放的找礦思維方式仍然是勘探成功的關鍵。

5結論與總結

加拿大Sudbury盆地受到外太空隕石的撞擊，造就了極為顯著的地質特征，同時在盆地內部提供了非常優質的成礦因素。依此作為示例，力求對鎳巖漿硫化物礦床的成因進行了綜合分析。Sudbury鎳硫化物礦床的成因可簡要概括為：隕石作用撞擊使局部地殼產生大量深部裂隙，激發并影響巖漿噴發作用，導致巖漿與上覆快速沉積巖層發生反應，在巖層界限部位聚集富含鎳、銅等金屬元素的非混合相態的硫化物，并伴隨后期構造作用改造形成不同規模和品位的礦床。

對于其他更為復雜的地質環境找礦，則需要更多的勘探綜合研究，竭力尋找巖漿硫化物富集和局部裂隙及地質構造等的綜合區域，以此作為深部找礦鉆探的重要標志依據，加以物探等技術的輔助，逐步縮小勘探目標，最終確定礦體的準確位置。

參考文獻

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Typical genesis study and mining exploration sign of magmatic sulphide deposit in Canada Sudbury Basin

XU Fang-lei

(Minmetals Exploreration & Development Co.，Ltd.，Beijing 100010，China)

Abstract:Magmatic sulphide deposit was rich in nickel，copper and other base metals elements，partly full with Platinum Group Elements(PGE).This kind of deposit account for 60% of the world`s nickel production，and also one of the most active exploration target in the mineral market.The Sudbury basin in Ontario is a world-class magmatic nickel sulphide camp，following first discovery，dozens of mines were putting into production on the surround boundary of Sudbury.According to the predecessors` comprehensive research，Sudbury basin was considerate as origin from outer space meteorolite impact.Clear exogene processes is help for researching clear meaning of magmatic sulphide deposit origin.The brief summary of Sudbury nickel sulphide deposit was：The outer space impact fractured the earth`s crust，the deep fractures themselves arouse and influence the magmatic exhalation，lead to the magma reacting after mixture with the upper sedimentary bedding.On the contact surface，the dense metal-rich immiscible liquid including nickel，copper etc.accumulation rapidly.Finally，it formed to magmatic sulphide deposit with different form，size and grade，by the affection of tectonic deformation.

Key words：magmatic sulphide deposit；Sudbury Basin；genesis study；sign of exploration

收稿日期：2015-09-20

作者簡介：許芳磊，男，地質工程師，五礦勘查開發有限公司。E-mail：bernardxu@126.com。

中圖分類號：P612

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)02-0166-04