马言胜, 陶 琰, 朱 丹, 郝 义

(1. 有色金属华东地质勘查局 地球化学勘查与海洋地质调查研究院, 江苏 南京 210007; 2. 中国科学院 地球化学研究所 矿床地球化学国家重点实验室, 贵州 贵阳 550002)

0 引 言

大规模幔源岩浆活动是地幔柱的典型特征, 可形成具有重大资源意义的岩浆 Cu-Ni-PGE(铂族元素)矿床、V-Ti磁铁矿矿床、铬铁矿矿床等, 如南非Bushveld超大型PGE-Cr-Fe-V-Ti矿床、俄罗斯Noril’sk-Talnakh超大型Ni-Cu-PGE矿床、澳大利亚 Kambalda超大型Ni-Cu矿床等[1–2], 这些矿床的形成均与溢流玄武岩密切相关, 多赋存在岩浆上升通道附近的镁铁-超镁铁质侵入体或科马提质火山岩中。

峨眉山大火成岩省(ELIP)是世界上几个主要大火成岩省之一, 是晚古生代峨眉山地幔柱活动的产物[3–5]。ELIP中产出两类重要的岩浆矿床: 与镁铁-超镁铁质层状侵入体有关的V-Ti磁铁矿矿床[6–8]和与镁铁-超镁铁质小侵入体有关的Ni-Cu-PGE矿床[9–21],后者可细分为以PGE为主的矿床, 如金宝山Pt-Pd矿[9–12]; 含较高PGE的岩浆硫化物矿床, 如杨柳坪[13–14]和朱布Ni-Cu-PGE矿床[15–16]; PGE含量非常低的岩浆硫化物矿床, 以白马寨镍矿[17–19]和力马河镍矿[20–21]最为典型。云南元谋地区朱布镁铁-超镁铁岩体赋存有中型Pt-Pd型矿床1)云南省地质矿产局第三地质队, 云南元谋朱布铂矿储量报告书,云南省地矿局, 1970, 16–17。, 在岩石学和矿床学方面已积累了较丰富的资料, 近年来一些学者逐步开展了地球化学方面的研究工作[15,16,22,23], 然而针对朱布岩体原始岩浆性质的定量界定、岩浆演化过程以及成岩成矿作用方面还有待进一步补充和完善, 例如针对朱布岩体的原始岩浆性质还存在分歧和争议, 岩浆在演化和上升过程中是否存在地壳混染, 混染程度如何, 硫化物熔离的机制和程度如何等等。本文拟报道朱布镁铁-超镁铁岩体的主元素、微量元素、铂族元素(PGE)和 Sr-Nd同位素组成新的测试结果,以期界定朱布岩体的原始岩浆性质, 进一步深化和明确岩浆成因、演化和成岩成矿作用, 丰富对峨眉山大火成岩省岩浆活动规律的认识并促进对其成矿作用的研究。

1 地质概况

朱布镁铁-超镁铁岩体侵位于元谋群片岩和花岗片麻岩中, 呈椭圆形(图 1), 南北长 750 m, 东西宽400 m, 最大垂深580 m, 外接触带为1至数米宽的角岩带, 内接触带为数米宽的混杂带。岩体垂直分异明显, 自下而上为橄榄岩、橄辉岩、辉石岩、含长辉石岩、暗色辉长岩和中色辉长岩等相带, 以橄榄岩相为主并分布于南端西侧及深部。岩石自变质作用强烈,多蛇纹石化、滑石化、透闪石化、阳起石化、绿泥石化。朱布岩体辉长岩及边缘闪长岩的锆石U-Pb年龄在260 Ma左右[23], 与峨眉山玄武岩年龄一致[24]。

朱布矿床以底部“边缘矿”为主, 上部有少量“上悬矿”, 多呈透镜状产出, 厚 1～4 m, 最厚 15 m, 延深达600 m。矿石以斑杂状和稀疏浸染状为主, 有用组分除了铜镍矿物外, 铂族元素有砷铂矿、等轴碲铋钯矿、碲铋铂矿等矿物。矿石中Cu 0.10%～0.44%(平均 0.22%); Ni 0.10%～0.30%(平均 0.23%); Pt 0.54 g/t(最高 4.43 g/t); Pd 0.34 g/t(最高 2.47 g/t)[25]。据云南省地质局1970年12月提交和批准的元谋县朱布铂钯矿储量: Pt+Pd 5.9 t、Ni 15336 t、Cu 14497 t、Co 523 t、Fe 约80万t、化肥用蛇纹岩矿石6673 t, 以及Rh、Os、Ru、Au、Ag、Se、Te等多种有价值元素。

2 采样和样品岩相学特征

分析样品均来自原采矿坑道, 样品比较新鲜,包括不同类型的各种岩石和矿石样品, 采样位置见图2。超镁铁岩样品有橄榄岩、橄辉岩、辉石岩; 镁铁岩样品包括浅色辉长岩和暗色辉长岩; 矿石样品为浸染状硫化物矿石。

橄榄岩一般为中粗粒单辉橄榄岩, 主要由贵橄榄石(Fo83–85)和普通辉石组成, 其次为古铜辉石、角闪石、黑云母及拉长石; 副矿物以含铬尖晶石为特征, 尚有钛铁矿、钛磁铁矿及磁铁矿。

橄辉岩为橄榄岩与辉石岩之间的过渡带, 结构与橄榄岩相似, 但长石罕见。

辉石岩呈细粒结构, 主要由普通辉石组成, 含少量橄榄石和古铜辉石, 副矿物为钛铁矿、钛磁铁矿等。

辉长岩可分为暗色和浅色辉长岩两种类型, 暗色辉长岩为中-粗粒结构, 主要矿物为普通辉石和斜长石, 次有角闪石和黑云母, 副矿物有钛铁矿、磷灰石、磁铁矿和黄铁矿, 以钛铁矿为最多。斜长石常具原生带状构造, 为钠长石(An5)、更长石(An11–23)。浅色辉长岩与暗色辉长岩相比斜长石增加, 并含少量石英, 斜长石为中长石, 常具环状结构。

浸染状硫化物矿石: 硫化物含量为 0.5%～2%,集合体外形呈 2～5 mm 的斑点充填于造岩矿物间,主要有黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿、镍黄铁矿等。

3 分析方法

用玛瑙研钵将样品粉碎成200目。主元素、稀土元素、微量元素均在中国科学院地球化学研究所分析, 主元素用 PW4400型 X荧光仪测定, 检测限为30～50 μg/g, 分析精度优于5%; 稀土元素、微量元素用Finnigan MAT ELEMENT型电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定, 对稀土元素检测下限为0.n～n pg/g, 分析精度优于5%, 对微量元素分析精度优于10%, 具体分析方法和流程见文献[26]。

图1 朱布镁铁-超镁铁岩体地质图(底图据文献[15])Fig.1 Geological map of the Zhubu mafic-ultramafic intrusion (modified from reference [15])

图2 朱布岩体Harker图解Fig.2 Harker diagram for the Zhubu intrusion

铂族元素在国家地质实验测试中心测定, 分析方法及流程见陶琰等[20], 仪器型号为等离子质谱Excel, 平均检出限: Os为0.007 ng/g, Ir为0.013 ng/g,Ru为0.02 ng/g, Rh为0.001 ng/g, Pt为0.026 ng/g, Pd为0.06 ng/g。

Rb-Sr和Sm-Nd同位素分析在中国科学院地质与地球物理研究所进行, 分析方法及流程与Wang et al.[18]所述相同。实验全流程空白Rb = 50×10–11g/g,Sr＝50×10–11g/g, Sm = 7×10–11g/g, Nd = 8×10–11g/g。Rb、Sr、Sm和Nd均采用双灯丝热表面电离源。分析过程中每次至少采集 100组数据作平均。标样NBS98787Sr/86Sr = 0.710221±0.000013; LA143Nd/144Nd =0.511849±0.000010。

4 地球化学

4.1 主元素

朱布橄榄岩、橄辉岩等超镁铁岩有弱的蛇纹石化蚀变, 因此烧失量较大, 变化范围为 5.17%～ 8.85%。将原始分析结果按干体系校正后列于表1。从表1可以看出, 各岩相带主元素含量变化较明显, SiO2为42.06%～51.67%, MgO为5.14%～32.11%, Al2O3/TiO2为1.61～3.72, Mg#值为40～85, 反映出岩浆经历了连续演化。MgO/FeO = 0.37～3.10, 平均值 1.92, 属铁质-富铁质的镁铁-超镁铁岩。在Harker图解(图2)上, 随着 MgO含量的增高, Al2O3、Na2O、K2O相应地减小; TiO2和Fe2O3(总铁)呈先下降再上升的趋势, 是辉长岩中含较多钛铁矿所致; SiO2变化不甚明显, 但CaO呈先上升后下降的趋势, 这是因为辉石岩主要由普通辉石(Ca39Mg48Fe14)组成, 比辉长岩和橄榄岩有更高的 CaO含量所致。Cr与MgO呈明显的正相关关系, 表明铬铁矿和橄榄石同为早期结晶的矿物。在 TAS图解中, 可以看出朱布岩石样品总体属于拉斑玄武岩系列(图3)。

表1 朱布岩体镁铁-超镁铁岩主元素(%)及微量元素(μg/g)分析结果Table 1 Major element (%) and trace element (μg/g) concentrations of the Zhubu intrusion

4.2 稀土元素和微量元素

朱布镁铁-超镁铁岩样品具有类似的稀土元素球粒陨石标准化模式特征, 曲线平直略微右倾, 与拉斑玄武岩的稀土特征非常相似[4], 轻稀土富集,(La/Yb)N= 4.79～20.27。从辉长岩到辉石岩, 再到橄榄岩, 稀土总量逐渐降低; 辉长岩和辉石岩表现出弱的 Eu负异常, 橄榄岩表现出弱的 Eu正异常, 而矿体表现出明显的Eu负异常, 另外, 朱布样品表现出与峨眉山大火成岩省苦橄岩[28]相似的稀土元素球粒陨石标准化模式特征(图4)。

由朱布岩体的微量元素原始地幔标准化曲线(图5)可看出, Rb、Ba和Sr比其他元素变化幅度要大, 这很可能与蚀变过程中它们的强活动性有关。所有样品都有Nb弱负异常, 说明地壳物质参与了岩浆过程; 岩体尤其是矿体还存在明显的 Sr负异常,可能与斜长石的析出有关。一些岩体和矿体中存在Ti的明显正异常, 是晚期结晶相局部钛铁矿的高度富集造成的。从整体上看, 朱布岩体的样品表现出强不相容元素的明显富集, 这是因为原始地幔产生部分熔融, 熔出一定比例的熔浆, 强不相容元素明显富集于熔体相中[30], 而这些富集强不相容元素的熔体经过后期的分异演化和侵位作用可能形成了朱布岩体。另外, 朱布样品还表现出与ELIP中苦橄岩相类似的特征, 说明两者之间可能存在成因上的联系。

图3 朱布镁铁-超镁铁岩TAS图解Fig.3 TAS diagram for the Zhubu mafic-ultramafic rocks图中◇表示朱布样品; +数据引自文献[27]。◇ represents Zhubu samples; + represents data from reference [27].

图4 朱布岩体球粒陨石标准化稀土元素分布模式Fig.4 Chondrite-normalized REE distribution patterns for the Zhubu intrusion灰色区域表示峨眉山大火成岩省苦橄岩, 数据引自文献[28], 球粒陨石数据引自文献[29]。The gray areas show picrites in ELIP (from reference [28]), chondrite values from reference [29].

4.3 Cu、Ni、PGE 组成

据表2, 矿体成矿元素以铂族元素为主, Cu、Ni为辅。在铂族元素标准化分布模式上(图6)可以看出,朱布岩体的分布曲线不是很规则, 矿石样品中 PGE相对于Cu、Ni富集, 反映了岩浆的多期侵入。一些样品表现为Ru的正异常, 这可能是样品中所含的铬铁矿造成的[31–32]。Pd与Ir是铂族元素中地球化学性质差异最大的元素, 其比值可表现出铂族元素的总体分异特征, 具有重要的成因意义。由表2可见, 朱布岩体不同类型岩石的Pd/Ir比值呈规律性变化, 由橄榄岩→辉石岩→辉长岩, Pd/Ir比值逐渐增大, 暗示出铂族元素分异逐渐增强。但与国内外典型的Cu-Ni-PGE矿床[33]相比, 朱布岩体的Pd/Ir比值还是偏低的, 这可能是因为岩浆经过了分离结晶作用,早期结晶的铬铁矿中包裹了 IPGE合金等[31], 造成较低的Pd/Ir比值。

4.4 Sr-Nd同位素

表3列出了朱布岩体的Rb-Sr和Sm-Nd同位素组成, 按岩体的侵位年龄 260 Ma计算, 得到(87Sr/86Sr)i和(143Nd/144Nd)i的变化范围分别为0.7096～0.7107和0.5121～0.5122, εNd(t)为−3.06～ −2.27, 从橄榄岩过渡到辉石岩, 再到辉长岩, εNd(t)逐渐增大(表 3)。在εNd(t) − (87Sr/86Sr)i图解(图 7)中, 朱布岩体的数据形成了接近水平的趋势: 初始87Sr/86Sr比值明显高于“地幔系列”岩石的相应比值, 这可能是蚀变过程中Rb和Sr的活动性引起的[34]。朱布岩体的εNd(t)数值与峨眉山大陆溢流玄武岩相当, 但初始87Sr/86Sr比值明显高于后者(图7)。

图5 朱布镁铁-超镁铁岩微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.5 Primitive mantle normalized trace element patterns for the Zhubu intrusion灰色区域表示峨眉山大火成岩省苦橄岩(引自文献[28]), 原始地幔数据引自文献[29]。The gray areas show picrites in ELIP (from reference [28]), primitive mantle values from reference [29].

表2 朱布岩体中主要类型岩石及矿石的Cu、Ni (μg/g)、PGE (ng/g)组成Table 2 Cu, Ni (μg/g) and PGE (ng/g) for the rocks and ores of the Zhubu intrusion

图6 朱布岩体及矿体Ni、Cu、PGE组成的原始地幔标准化分布曲线Fig.6 Mantle-normalized patterns of Ni-Cu-PGE for ores and barren rocks of the Zhubu intrusion原始地幔Ni、Cu、PGE数据引自文献[29]。The contents of Ni, Cu and PGE in primitive mantle are from reference [29].

5 讨 论

5.1 原始岩浆性质

ELIP中含硫化物镁铁-超镁铁质岩体的岩浆一般源自相对难熔地幔源区的较高程度部分熔融, 母质岩浆类似于低钛系列苦橄岩[4], 而朱丹等[16]认为朱布岩体附近的一些细晶基性岩脉本身有高 MgO或 Mg#特征, 可代表朱布岩体的母岩浆, 其地球化学特征与峨眉山高钛玄武岩相同。

从稀土元素球粒陨石标准化分布模式(图 4)可以看出, 除Eu外, 表现为近于平行的向右倾斜曲线,微量元素蛛状图上近于一致的曲线(图5), 以及非常相似的高(87Sr/86Sr)i、低 εNd(t)值特征(图 7)均表明朱布岩体为同源岩浆结晶分异演化的产物。通常, 对镁铁-超镁铁质岩体原始岩浆成分的估计以 Fe、Mg在橄榄石与平衡岩浆中的分配系数为基础, 根据橄榄石成分及岩体成分演化趋势进行估算[35]。朱布橄榄岩中存在橄榄石堆晶现象及岩体中硫化物含量较低, 满足估算条件[33], 根据张招崇等[36]判别原始岩浆的方法, 计算得到朱布母岩浆MgO/FeO = 0.92, 介于各岩石类型之间(0.37～3.10), 借鉴陶琰等[37]估算原始岩浆的方法, 得到朱布熔体的MgO = 12.4%, FeO =13.5%, SiO2= 45.4%, CaO = 9.81%, Al2O3= 7.80%。据La Bas[38]高镁质火成岩分类, 属苦橄质岩浆。

5.2 地壳混染

朱布岩体强烈分异的稀土特征, 相对低的εNd(t)值和高的87Sr/86Sr初始比值表明源区岩浆遭到了地壳混染[39]。(Nb/Th)PM常被用来指示 Nb异常, 而(Th/Yb)PM是地壳混染的敏感指示剂。与N型洋中脊玄武岩(N-MORB)相比, 朱布岩体的样品具有低(Nb/Th)PM比值、高(Th/Yb)PM比值, 与较高程度的地壳混染一致(图7)。通过假定岩石成分是由幔源岩浆和地壳混染物相互混合的产物, 可以估计地壳混染程度。对于幔源端元, 我们应用两种成分, 其一是N-MORB[34],另一个ELIP中的苦橄岩[28]。对于地壳端元, 我们运用了朱布岩体的云英片麻岩围岩[16]。结果发现苦橄岩作为地幔端元与朱布样品的数据产生了较好的拟合(图 8), 从该模型也可以看出, 朱布岩体的样品受到了较强的地壳混染, 在3%～20%之间。

表3 朱布岩体Rb-Sr和Sm-Nd同位素组成Table 3 Rb-Sr and Sm-Nd isotopic compositions of the Zhubu intrusion

图7 朱布岩体的εNd(t)-(87Sr/86Sr)i图解(底图据文献[23])Fig.7 Plots of εNd (t = 260 Ma) values versus initial 87Sr/86Sr ratios of rocks from Zhubu intrusion (modified from reference [23])▲为本文数据; △引自文献[23]。Data sources: ▲ this paper; △ from reference [23].

图8 朱布岩体的(Th/Yb)PM-(Nb/Th)PM图解(底图据文献[18])Fig.8 (Th/Yb)PM versus (Nb/Th)PM diagram showing the degree of crustal contamination of the Zhubu rocks (from reference [18])N-MORB和OIB数值据文献[29]; 峨眉山大火成岩省苦橄岩数据引自文献[28]; 上地壳数据引自文献[40]; 云英片麻岩数据引自文献[16]; 朱布数据: ▲本研究, ＋引自文献[16]。N-MORB and OIB values from reference [29]; Emeishan picrites values from reference [28]; upper crust values from reference [40];greisen-gneisses values from reference [16]; Zhubu samples: ＋ from reference [16], ▲ from this study.

5.3 成岩成矿作用

陶琰等[22]认为朱布岩体为未经深部硫化物熔离分异的岩浆侵位, 在岩体冷凝过程中结晶分异和硫化物熔离成矿, 矿体产状受温度梯度和浓度扩散所控制, 形成岩体边部漏斗状的 Cu-Ni-PGE硫化物结果, 朱丹等[15]认为边缘矿层是 Soret分异(指在热梯度作用下, 处于化学平衡状态的液相系统中某些组分自发产生浓度梯度的过程, 也称为热扩散)作用的产物。

通过前文 5.1节对朱布岩体原始岩浆性质的讨论, 得出其母岩浆为苦橄质熔体, 运用陶琰等[20]计算熔离硫化物及熔离后岩浆中成矿元素含量的方法,发现在岩浆与熔离硫化物的比例R = 1000～5000时与朱布样品的实际测定值比较吻合(图9), 而且较低的硫化物含量也符合样品的真实情况。许多研究者认为在岩浆通道和熔岩通道环境的开放系统中, 硫化物很容易和流经的多脉动岩浆相互反应, 通过多级富集过程可得到高 R值, 许多矿床便是例证, 如Noril’sk Ni-Cu-PGE 矿床[41]、Voisey 湾 Ni-Cu-Co 矿床[42], 金宝山铂钯矿[11]等。综上考虑, 我们认为朱布岩体可能为一开放的岩浆房, 原始岩浆在上升至朱布岩浆房的过程中经历过不同程度的地壳混染,到达岩浆房以后, 由于压力、温度等条件的变化, 在浓度扩散作用下在岩浆房边部开始熔离出硫化物,当新的硫不饱和岩浆再经过朱布岩浆房时, 其中的PGE及Cu、Ni等元素被硫化物吸收, 由于PGE和Cu、Ni在硫化物和硅酸盐岩浆之间分配系数的巨大差别, 导致了硫化物中PGE比Cu、Ni富集得多, 在新岩浆经过朱布岩浆房时, 也同时存在着对流、堆晶和岩浆演化作用, 边部的某些硫化物也有可能随新岩浆一起参与上述过程, 最终当朱布岩浆房的出口被封死, 对流、堆晶、岩浆演化都稳定时, 这些硫化物便以“上悬矿”的形式出现在其中, 堆晶岩即形成了橄榄岩, 演化岩浆形成了辉长岩, 中间过渡为橄辉岩和辉石岩。在后期构造运动作用下, 朱布开放岩浆房被抬升, 后经各种侵蚀出露于地表。

6 结 论

图9 硫化物熔离模式计算Cu/Pd-Pd图Fig.9 Cu/Pd versus Pd of sulfide from the modeling of segregation原始地幔数据引自文献[40]。The data of primitive mantle are from reference [40].

朱布镁铁-超镁铁岩体是峨眉山大火成岩省构造岩浆活动的产物, 具有拉斑玄武岩系列特征, 原始岩浆为苦橄质成分, 岩浆在上升过程中经历了3%～20%的地壳混染, 到达朱布开放岩浆房时由于压力、温度等条件的变化, 在浓度扩散作用下在岩浆房边部开始熔离出硫化物, 随着多期次岩浆的涌过, 再经过多级富集过程, 硫化物中具有了高 PGE含量, 岩浆房中同时存在堆晶和岩浆演化作用, 分别形成下部橄榄岩和上部的辉长岩, 中间则过渡为橄辉岩和辉石岩。

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