東天山黃山東銅鎳硫化物礦床礦石礦物特征及其成因意義

劉艷榮，樊五杰，胡義，劉民武

（1.長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安 710054；2. 中國地質調查局西安礦產調查中心，陜西 西安 710100；3. 陜西省礦產地質調查中心，陜西 西安 710065）

新疆東天山黃山-鏡兒泉銅鎳硫化物成礦帶是我國銅鎳礦床的主要成礦區帶之一，該成礦帶長約270km，寬20～35km，面積約5600km2，西起庫姆塔格沙壟，東至鏡兒泉，從西到東依次分布有土墩、香山、黃山、黃山東、葫蘆、圖拉爾根、四頂黑山等多個鎂鐵-超鎂鐵巖體，巖體分異程度普遍較高，多發育銅鎳礦化或構成銅鎳礦床[1]。黃山東礦床位于該成礦帶的中段，是目前已發現的該帶規模最大的銅鎳礦床。近年來，前人對該礦床的礦床地質特征、成礦規律、成礦物質來源、成礦作用及礦床成因等進行了一系列研究工作[2-9]，但從礦相學角度對礦床成因展開的研究還比較薄弱。因此，本文擬采用電子探針（EPMA）微區成分測試技術，詳細分析黃山東銅鎳硫化物礦床主要礦石礦物（磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦和黃銅礦）的化學組分特征，探討礦石的成礦條件，揭示成礦物質的來源，并對礦床成因機制進行約束。

1 礦床地質特征

黃山東礦區除第四系（Q）沖-洪、淤積和化學沉積的松散沉積物外，主要出露地層為中石炭統干洞組（C2g）的一套正常沉積巖石，干洞組上段分布在礦區西南角，主要由細砂巖和粉砂巖組成；中段分布于礦區南部，巖性比較單一，為千糜巖化沉積凝灰巖；下段分布于礦區中部和北部，是礦區出露最廣的地層，由含炭粉砂巖、砂巖、板巖、灰巖、碎屑灰巖、粗碎屑巖等組成。區內構造活動頻繁，以斷裂構造為主，褶皺構造次之，主要受區域NNE向康古爾塔格深大斷裂體系及派生的次級斷裂所控制。礦區侵入巖十分發育，侵入巖大多數以基性為主，次為超基性巖及中酸性巖，礦體主要產于基性巖-超基性巖中。黃山東基性巖-超基性巖雜巖體是該礦床的含礦巖體，該巖體受康古爾塔格-黃山深大斷裂控制，侵位于下石炭統干洞組下段含炭粉砂質板巖中，為一個多次侵入的復式巖體。巖體為近東西向延長的菱形體，沿走向最大延伸5.25km，中部最大膨大部位的寬度為1.19km，出露面積約2.8km2（圖1a）[10]。根據各巖相的穿插關系，黃山東巖體可劃分為三個侵入階段、四個巖相帶[3]。第一侵入階段閃長巖相和輝長巖相，其中閃長巖相位于巖體邊緣，呈斷續分布，巖石類型有輝長閃長巖和石英閃長巖；輝長巖相由（角閃）橄欖輝長巖和角閃輝長巖組成，是巖體的主體巖石，位于巖體中部。第二侵入階段的輝長蘇長巖相主要出露于巖體的西端，可見其侵入到早期的輝長巖相中。第三侵入階段為超鎂鐵質巖相，也是主要的含礦巖相，位于巖體東西兩端，主要由角閃二輝橄欖巖、輝石角閃橄欖巖和少量角閃橄欖輝石巖組成。巖體各巖相的主要造巖礦物有橄欖石、輝石、斜長石、角閃石及黑云母等，各種礦物含量隨巖石類型的不同而有所變化，巖體后期普遍發生了滑石化、綠泥石化、蛇紋石化、透閃石化等蝕變。

在黃山東礦床中，大約發現了50個礦體，它們主要產出在超鎂鐵質巖體的中下部、超基性巖體與主體輝長巖的接觸帶上，部分賦存在輝長蘇長巖以及與超基性巖體下部接觸的蝕變輝長巖中[2]。礦體形態以似層狀和條帶狀為主，次為薄透鏡狀、脈狀（圖1b），礦體規模大小不等，長120～1140m，厚3.06～15.5m，傾角30°～50°。區內主要的金屬硫化物有磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦、黃銅礦，其次有方黃銅礦、黃鐵礦、白鐵礦、紫硫鎳礦、四方硫鐵礦（馬基諾礦）、針鎳礦、毒砂、斑銅礦、輝銅礦、銅藍等；金屬氧化物主要有磁鐵礦、鈦鐵礦、鉻鐵礦、尖晶石和金紅石等。礦石構造有稀疏浸染狀構造、稠密浸染狀構造、斑雜狀構造、團塊狀構造、塊狀構造、脈狀構造等。常見的礦石結構有熔體-溶液結晶形成的自型-它型粒狀結構和海綿隕鐵結構、固溶體分解結構（火焰狀結構、葉片狀結構、結狀結構等）、充填交代結構（反應邊結構、脈狀-網脈狀結構、尖角交代結構等）。

圖1 黃山東鎂鐵-超鎂鐵巖體平面（a）和橫切面（b）地質圖（據王潤民等，1987[3]改繪）

2 主要礦石礦物特征

依據黃山東礦床各種類型礦石中金屬硫化物的賦存狀態、結構構造、共生組合等特征研究，成礦過程可劃分為三個期次：巖漿期、熱液期和表生期。其中巖漿成礦期是主要的成礦期，本文主要對該期的礦石礦物（磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦和黃銅礦）進行詳細研究。磁黃鐵礦（Po）是礦石中分布最廣、含量最多的金屬硫化物，有兩個世代：Ⅰ代磁黃鐵礦多呈半自型-它型粒狀分布在硅酸鹽礦物內部或邊緣，多和Ⅰ代黃銅礦呈共結邊結構，多見于浸染狀礦石中（圖2a）；Ⅱ代磁黃鐵礦和黃銅礦、鎳黃鐵礦充填于橄欖石、輝石等硅酸鹽礦物晶體間隙構成海綿隕鐵狀結構、固溶體結構（圖2b）。鎳黃鐵礦（Pel）在礦石中的含量位居第二，可見二個世代：Ⅰ代鎳黃鐵礦呈它型細粒狀或細粒狀集合體，分布在Ⅱ代磁黃鐵礦顆粒邊緣呈結狀結構（圖2b），是固溶體在較高溫度下熔離的產物；Ⅱ代鎳黃鐵礦在Ⅱ代磁黃鐵礦粒內呈火焰狀、羽毛狀、葉片狀等，粒徑細?。▓D2c、d），此類鎳黃鐵礦應該是在較低溫度下由固溶體分離形成[11]。黃銅礦（Cp）有兩個世代：Ⅰ代黃銅礦呈半自型-它形粒狀結構，位于浸染狀磁黃鐵礦顆粒邊緣，具共結邊（圖2a）；Ⅱ代黃銅礦呈它型粒狀，與磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦一起構成結狀結構（圖2b），形成時間比Ⅱ代鎳黃鐵礦同時和稍晚。

3 礦物化學特征

3.1 測試方法

在黃山東礦床采集稀疏浸染狀、稠密浸染狀、塊狀、條帶狀和斑雜狀等各種構造類型的礦石標本15塊，磨制成光片。礦石礦物的成分測試在中國地質大學地質過程與礦產資源國家重點實驗室的電子探針室完成，電子探針儀器型號：JCXA-733，工作條件：加速電壓15kV，分析電流20nA，束斑直徑2μm。

圖2 金屬礦物顯微照片

3.2 測試結果

兩個世代磁黃鐵礦S的質量百分比分別為38.55%～39.19%、39.23%～40.11%，Fe的質量百分比分別為59.16%～61.01%、58.96%～59.47%。Fe原子含量百分比（At%）為46.60%～47.61%、45.98%～46.35%。磁黃鐵礦的晶型與其成分之間有較好的對應關系，斜方隕硫鐵、六方磁黃鐵礦、單斜磁黃鐵礦的Fe原子含量百分比分別 為 48.0%～50.0%、47.0%～47.8% 和 46.5%～47.0%[12]。根據電子探針結果計算，樣品中只有兩個Ⅰ代磁黃鐵礦測點的Fe原子含量百分比大于47.0%，屬于六方磁黃鐵礦（hpo）；其余樣品的Fe原子含量百分比均小于47.0%，屬單斜磁黃鐵礦（mpo）。磁黃鐵礦中Co、Ni含量均較高，分別 為0.043%～0.350%和0.088%～0.893%，Co/Ni＜1，在0.07～0.76之間，為富鎳、貧鈷礦物。

兩個世代鎳黃鐵礦的化學成分變化不大，其中S的質量百分比分別為33.02%～33.57%、32.98%～33.35%，Fe分 別 為29.45%～29.89%、28.29%～29.93%，Ni分 別 為34.80%～35.56%、35.70%～37.43%，Co為1.04%～2.11%、0.3%～1.17%，為重要的載Co礦物。Co、Ni具有負相關性，這可能是因為它們的離子半徑相似，Co作為類質同象替代Ni的結果。

兩個世代黃銅礦S的質量百分比分別為34.54%～34.94%、36.14%～35.32%，Fe分 別 為29.72%～30.48%、29.59%～30.22%，Cu分 別 為34.34%～35.37%、35.03%～35.43%。黃銅礦中Co 含量為0.015%～0.074%，Ni含量為0.025%～0.122%，個別樣品的Ni含量低于檢測限。

4 討論

4.1 礦物結晶的物化條件

一般認為六方磁黃鐵礦從低溫至高溫都很穩定，而單斜磁黃鐵礦只在溫度＜304℃環境下才穩定[13]。磁黃鐵礦中有部分六方磁黃鐵礦，也有部分單斜磁黃鐵礦，Ⅱ代磁黃鐵礦中則只有單斜磁黃鐵礦存在，礦床內出現的Ⅰ代半自形粒狀黃銅礦（與磁黃鐵礦共結邊平直），不是出溶的，而是高溫結晶的產物[11]，因此，初步推測Ⅰ代磁黃鐵礦的形成溫度較Ⅱ代磁黃鐵礦高。

鎳黃鐵礦中金屬原子與硫原子比值（M/S）的減小，常伴隨著溫度減小，Ni/Fe 值減小，以及硫逸度增加[4-16]。黃山東礦床中兩個世代鎳黃鐵礦的M/S值分別為1.93～1.96和1.97～2.00，Ni/Fe值為1.23～1.26和1.26～1.37，隨著鎳黃鐵礦的結晶，M/S和Ni/Fe比值均有所增加。磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦的結構特征與形成溫度密切相關，粗粒狀鎳黃鐵礦的出溶溫度范圍介于610℃～250℃，粗化葉片狀鎳黃鐵礦的出溶溫度在250℃～150℃之間，而火焰狀鎳黃鐵礦的形成溫度則多小于150℃[17]，因此，Ⅰ代鎳黃鐵礦的結晶溫度明顯高于Ⅱ代?？傊?，上述特征表明，隨著鎳黃鐵礦的大量結晶，硫逸度具有逐漸降低的趨勢。假設Ⅰ代鎳黃鐵礦的結晶溫度為400℃～500℃，Ⅱ代鎳黃鐵礦的結晶溫度＜300℃[14]，依據硫逸度-溫度曲線[16]，推測Ⅰ、Ⅱ代鎳黃鐵礦結晶過程中硫逸度（lgfs2）的范圍分別為：-9～-11和＜-13。

4.2 成礦物質來源

黃山東礦床中磁黃鐵礦Mpo、Hpo相的主元素Fe、S以及微量元素 Ni、Co、Cu 含量分別與地幔包體中Po的Mpo、Hpo 相的相應成分極為相似，鎳黃鐵礦的主要成分與地幔來源包體中的鎳黃鐵礦的成分也非常近似，反映出地幔來源的特點。王志輝（1986）[2]、徐文炘等（2017）[18]對黃山東礦床不同礦石類型中的磁黃鐵礦和黃銅礦的S同位素進行測試，發現磁黃鐵礦的硫同位素分布在-0.8～+2.8之間，黃銅礦的硫同位素組成為-0.5～+0.8，均具有變化小、接近于零值的特點，接近于隕石硫的成分，說明硫來源相同，成礦物質主要來源于地幔。

4.3 礦床成因分析

磁黃鐵礦-鎳黃鐵礦-黃銅礦不僅是巖漿熔離礦床的典型礦物共生組合，而且具有巖漿熔離作用的標型組構，表明該礦床為巖漿型銅鎳硫化物礦床[21]。鎳黃鐵礦中Co的含量介于0.3%～2.11%，與紅旗嶺、黃山、圖拉爾根等銅鎳硫化物礦床鎳黃鐵礦的Co含量基本一致[19-22]。磁黃鐵礦的鈷、鎳含量可以用來解決礦石成因和成礦作用的某些重要問題，陳殿芬（1995）[23]經過統計分析我國銅鎳礦床中102個磁黃鐵礦化學成分資料得出，巖漿型銅鎳礦床中磁黃鐵礦的 Co/Ni 比值均＜1，而矽卡巖型、斑巖-淺成熱液型及火山-噴氣型中磁黃鐵礦的 Co/Ni 比值多≥1。黃山東礦床中磁黃鐵礦的Co、Ni含量分別為0.043%～0.350%和0.088%～0.893%，Co/Ni在0.07～0.76之間（平均0.22，即＜1），在Co、Ni關系圖解（圖3）上落在巖漿型銅鎳礦床的范圍內。

表1 黃山東礦區與地幔包體磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦成分比較（wB/%）

圖3 紅旗嶺富家礦床中磁黃鐵礦中Ni-Co關系圖解（底圖據陳殿芬，1995[23]）

5 結論

（1）黃山東銅鎳硫化物礦床的礦石礦物主要有磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦和黃銅礦，它們均具有兩個世代。磁黃鐵礦有六方磁黃鐵礦和單斜磁黃鐵礦兩種類型，根據不同結構類型磁黃鐵礦的分布特征，推測Ⅰ代磁黃鐵礦的形成溫度較Ⅱ代磁黃鐵礦高。Ⅰ代鎳黃鐵礦較Ⅱ代更富集Co，在鎳黃鐵礦結晶過程中硫逸度隨著溫度的降低而減小。

（2）結合前人S同位素研究，磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦的成分特征顯示成礦物質主要來源于地幔。黃山東礦床為巖漿型銅鎳硫化物礦床。