文章编号：1004-0609(2016)-01-0149-15

金川铜镍硫化物矿床铂族元素地球化学差异及其演化意义

曾认宇^{1, 2}，赖健清^{1, 2}，毛先成^{1, 2}，赵  莹^{1, 2}，刘  嫔^{1, 2}，朱佳玮^{1, 2}，岳  斌³，艾启兴³

(1. 中南大学 有色金属成矿预测教育部重点实验室，长沙 410083；

2. 中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083；

3. 金川集团股份有限公司 镍钴研究设计院，金昌 737104)

摘  要：Ⅱ-2号矿体为金川铜镍硫化物矿床的第二大矿体，位于Ⅱ矿区30行以东。为了解Ⅱ-2号矿体母岩浆在演化过程中的特殊性，采用镍锍试金ICP-MS法分析金川矿床Ⅱ-2号矿体各类矿石的Cu、Ni、S及铂族元素(PGE)含量，研究其特征，并与Ⅱ-1号矿体矿石进行对比。结果表明：矿石ΣPGE含量变化较大(44.6×10^-9~8526.7×10^-9)，Pd/Ir介于1.25~26.55之间，为典型的岩浆型成因。海绵陨铁状矿石和局部海绵陨铁状矿石为Ⅱ-2号矿体主要的矿石类型，其PGE配分模式极为相似，且为渐变过渡的接触关系，说明二者为同一期岩浆侵位的产物。富铜矿石与块状硫化物矿石、含细脉状矿石的配分模式有互补的特征，富铜矿石具有极高的ΣPGE(8526.7×10^-9)和Cu/Ni(5.46)，块状硫化物矿石和含细脉状矿石相对富集IPGE(ΣPPGE/ΣIPGE＜1)，这三者与海绵陨铁状及局部海绵陨铁状矿石的区别明显，为岩浆演化到后期的产物，而从相互的接触关系来看，块状硫化物矿先于富铜矿侵位。通过研究Ⅱ-2号矿体与Ⅱ-1号矿体海绵陨铁状矿石的铂族元素及Cu、Ni特征，发现二者母岩浆均为地幔中等熔融形成的高MgO苦橄质玄武岩，具有相同的源区特征；由二者的铂族元素分异情况、Cu/Ni、Cu/Pd及Ir与Ru、Rh、Pt、Pd的相关性，研究二者的母岩浆在液态硫化物-硅酸盐体系和单硫化物固溶体-液态硫化物体系中的演化特征，认为Ⅱ-1号矿体和Ⅱ-2号矿体中的硫化物是先后从母岩浆中熔离，且分离后具有不同步的演化特征；通过Ⅱ-2号矿体的地球化学剖面及金川矿床的Cu、Ni品位纵剖面和XOY平面投影等值线图，证明这种先后熔离作用发生在深部岩浆房中，而后Ⅱ-2号矿体和Ⅱ-1号矿体的成矿岩浆分别进入两条相对独立的岩浆通道，最后由不同的岩浆通道中心侵位到最终的成矿空间，形成Ⅱ-2号矿体与Ⅱ-1号矿体。

关键词：金川；铜镍硫化物矿床；铂族元素；岩浆通道；成矿过程

中图分类号：P581；P611.11　　     文献标志码：A

岩浆通道系统作为一种开放性的系统，巨量的岩浆在其中发生深部熔离的预富集作用，这为如金川、喀拉通克等矿床在较小的岩体中形成大规模的矿床提供了可能^[1-4]，因此，浆通道系统成为了近些年来研究岩浆型铜镍硫化物矿床的热点^[5-8]。由于铂族元素具有强烈的亲硫性和亲铁性，其配分模式受后期蚀变影响较小，而主要由母岩浆的成分及岩浆演化所决定，故在研究与基性-超基性岩有关矿床的岩石原岩、演化、成因及成矿预测等方面具有广泛的应用^[9-10]。卢宜冠等^[11]对产于辉石橄榄岩中的滇西金宝山铂钯矿进行铂族元素研究后认为，该矿床的形成经历了早期地壳混染、晚期地壳S加入而造成的两期硫化物融离作用；徐刚^[12]在研究甘肃黑山铜镍硫化物矿床过程中，通过铂族元素(PGE)得到其母岩浆的组分，并认为该母岩浆为较低程度地幔部分熔融形成的；柴凤梅等^[13]通过PGE计算出新疆北山地区两个镁铁质-超镁铁质岩浆的R值(硅酸盐熔体/硫化物熔体的比值)，据此推测该岩体有达到中型Ni矿床的潜力。

金川矿床产出于古大陆内基性-超基性岩墙中^[14]，为世界在采的第三大铜镍硫化物矿床，其成矿岩体很小，产出面积仅为1.34 km²，却具有极高的矿化率(47.8%)，故受到中外学者的高度关注^[1,15-16]。随着金川矿床岩浆通道成矿理论研究的深入，通过铂族元素来进一步探讨矿床的岩浆通道系统，成为不断深

化成矿岩浆在深部演化的必经途径。近些年来，前人通过分别对位于Ⅲ、Ⅰ矿区的西岩体和位于Ⅱ、Ⅳ矿区的东岩体，以及西岩体上、下两个岩相单元的铂族元素等地球化学、岩相学、矿区构造等方面的研究，认为这些岩体虽然有相同的母岩浆，但东、西岩体是独立的两个侵入体，且西岩体上、下两个单元的矿浆也是经不同的深部岩浆房演化形成的^[17-18]。因此，形成金川矿床的岩浆通道系统，在横向上是由多个并列的、具有独立演化特征的岩浆通道组成的复杂系统。位于矿床中部的II-2号矿体为金川矿区的第二大矿体，其与II-1号矿体一同产出于东岩体中，二者在形态、铂族元素等方面也表现出了明显的差异性^[8,15,19]，但通常被认为是通过同一岩浆通道侵位形成的。本文作者通过系统地采集II-2号矿体各类型的矿石，研究其铂族元素地球化学特征，探讨II-2号矿体中各类型矿石之间生成及演化关系，并与II-1号矿体进行对比，由母岩浆在源区、中途岩浆房及侵位过程中的特点，探讨二者成矿母岩浆在岩浆通道中相互间的关系和独立性。

1  地质背景

金川铜镍硫化物矿床位于华北板块西南缘的龙首山隆起带内，含矿岩体呈岩墙状侵入于前长城系白家嘴子组中。白家嘴子组主要由混合岩、片麻岩和大理岩组成，为一套深变质岩，其中大理岩和混合岩为含矿岩体的主要围岩^[15]。含矿岩体长约6500 m，宽20~500 m，走向NW、倾角50°~80°，延深可达千余米。矿区经历了长期的地质构造运动，断层纵横交错^[20]，其中NEE向扭性断层F₈、F_16-1、F₂₃把矿床自西向东分为Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ这4个相对独立的矿区，并改造了矿体的原始形态^[21]。Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅰ-24、Ⅳ-1、Ⅳ-26、Ⅲ-1号矿体为矿区主要矿体，占全矿区镍金属量的87.82%。

Ⅱ-2号矿体为仅次于Ⅱ-1号矿体的金川矿区第二大矿体，其位于Ⅱ矿区30行以东，长约1700 m，平均厚度91 m，其产状受底盘起伏影响变化较大，倾角在25°~65°间，相对Ⅱ-1号矿体，Ⅱ-2号矿体倾角较缓，且矿体形态复杂，沿走向、倾斜多呈分支尖灭，膨缩变化显著。F₁₇断层位于II-2矿体中部，现表现为一正平移断层，破坏了矿体的完整性。矿体内后期的岩脉极为发育，主要有煌斑岩、辉绿岩、花岗闪长斑岩等。矿体总体品位较低，围岩主要为二辉橄榄岩，其次为斜长二辉橄榄岩、大理岩、混合岩和辉石岩等。

2  样品特征及分析方法

金川矿石的划分方式有多种，本实验中采用结构构造的分类方式，把矿石分为块状硫化物矿石、海绵陨铁状矿石、局部海绵陨铁状矿石、含细脉状矿石，以富铜(Cu含量＞Ni含量)特点命名的富铜矿，可以为上述任意一种结构构造，由于其具有重要的研究意义，故单独分出来。F₁₇断层以东的1150 m中段和F₁₇断层以西的1450 m中段为Ⅱ-2矿体正在开采的两个主要中段。本研究中样品均采自这两个中段内，其中J2-11(富铜矿石)、J2-16(块状硫化物矿石)和J2-17(含细脉状矿石)采集于F₁₇断层附近，而海绵陨铁状矿石和局部海绵陨铁状矿石分别沿Ⅱ-2号矿体的走向连续采集于F₁₇断层的东西两侧，并确保同类矿石为同一期次侵位的岩浆形成的(见图1(c))。

块状硫化物矿石中，金属硫化物含量通常＞60%，少数可达90%以上，Ni含量＞3%，主要矿物为磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铜矿，这三者体积相对比值为7.0:2.5:1.0，并含有少量的黄铁矿及磁铁矿(见图2(a)和(b))，金属硫化物多呈半自形-他形结构，其中黄铁矿主要为磁黄铁矿次生蚀变而成，而磁铁矿沿后期裂隙充填；该类型矿石在金川矿区较为少见，主要呈不规则的细脉状(宽从几十厘米到20余米)或扁豆状成群产出于Ⅱ-2矿体中部F₁₇断层附近。海绵陨铁状和局部海绵陨铁状矿石为组成金川矿床的主要矿石类型，二者硫化物含量分别介于15%~30%和8%~15%之间，Ni含量分别介于1.0%~3.0%和0.3%~1.0%之间，金属硫化物主要由镍黄铁矿、磁黄铁矿、黄铁矿和黄铜矿组成，其体积相对比值为3.5:2.5:1.5:1.0，可见少量的磁铁矿，其常环绕铜镍硫化物呈环边结构；海绵陨铁状矿石中金属矿物均匀且紧密地充填于呈自形-半自形的以橄榄石为主的脉石矿物间隙，呈连续的网络，橄榄石蛇纹石化、碳酸盐化强烈，且常被溶蚀呈浑圆状(见图2(c)和(d))；局部海绵陨铁状矿石的金属硫化物呈半自形-他形，不均匀分布，未形成连续的网脉状(见图2(e))。以镍黄铁矿、黄铁矿为主的后期金属硫化物细脉沿裂隙穿插于早期形成的海绵陨铁状矿石，形成含细脉状矿石(见图2(f)和(g))，该类型矿石一般产出在块状硫化物矿石附近。富铜矿石主要特点是黄铜矿含量高，黄铜矿、磁黄铁矿、镍黄铁矿的体积相对比值约为3.0:2.5:1.0，脉石矿物以橄榄石为主(见图2(h))；富铜矿体分布极少，被认为对岩浆通道中心有指示意义^{[7, 22]}，主要产于Ⅰ矿区6行富铜的隐伏矿体中，本研究中，在Ⅱ-2矿体中部的F₁₇断层附近同样发现了富铜矿体(见图2(i))。

图1  金川铜镍矿床地质构造简图(a)、主矿体纵断面图(b)及矿体中段图(c)

Fig. 1  Geological structure sketch map (a), main cross sections (b) and mining level (c) of Jinchuan ore-bearing ultramafic intrusions

样品铂族元素及Cu、Ni、S含量的测试工作，在有色金属桂林矿产地质测试中心进行，PGE采用镍锍试金-电感耦合等离子体质谱法(GB/T17418.7-2010)，分析原理如下：取试料与适量的混合溶剂按比例混合，于1100 ℃的马弗炉中熔融；贵金属通过镍锍捕集与其他元素分离，用盐酸溶解镍锍扣，抽滤，沉淀和滤膜转入封闭溶样器中，用王水溶解；在ICP-MS上直接测定铂族元素，其中锇用同位素稀释法测定。

图2  金川矿床矿石结构构造特征

Fig. 2  Texture and structure characteristics of ores in Jinchuan Ni-Cu-(PGE) deposit

3  Ⅱ-2号矿体铂族元素地球化学特征

样品的原始数据列于表1。Ⅱ矿区矿石ΣPGE含量在44.6×10^-9~8526.7×10^-9之间，变化幅度很大，其中富铜矿石高于其他矿石1~2个数量级；ΣIPGE含量在3.4×10^-9~255.8×10^-9之间，而ΣPPGE含量在27.3×10^-9~8480.9×10^-9之间，ΣPPGE/ΣIPGE比值介于0.5~185.0之间，除块状硫化物矿石体及含细脉状矿石外，均强烈富集PPGE，显示演化过程中铂族元素发生了强烈的分异。样品的Pd/Ir介于1.25~26.55之间，大于原始地幔中的1.21，而远小于100，显示样品受热液作用极少，属于典型的岩浆型矿石^[23]。

在100%硫化物(含义及计算方法详细见文献[12])PGE原始地幔标准化模式图解上(见图3)，海绵陨铁状、局部海绵陨铁状、块状硫化物和含细脉状矿石具有相似的配分型式，Ni-Ir向右倾，Ir-Rh为左倾，而其中Pt变化较大，部分具有明显的负异常，这种现象无法用R因素控制的硫化物分离进行解释，而可能与硫化物分离前的Pt-Fe合金的分离作用有关^[18]。富铜矿石则差别较大，Cu、Pt极为富集，且Ir向上凸起，与其他矿石中的相反。

表1  金川矿床的PGE、Cu、Ni元素含量及比值

Table 1  Contents of PGE, Ni, Cu in Jinchuan deposit

图3  金川矿床不同类型矿石100%硫化物中铂族元素原始地幔标准化图解(原始地幔值引自文献[24])

Fig. 3  100% sulfide primitive mantle normalized patterns of different types of ores in Jinchuan Ni-Cu-(PGE) sulfide deposit(primitive mantle values were cited by Ref. [24])

富铜矿石(J2-11)富含Cu、Pt、Pd，Cu/Ni为5.46，远高于金川矿床Cu/Ni的平均比值0.5，PGE中最活泼的Pt比其他元素高2个数量级，其特征与6行富铜隐伏矿体类似，参照前人对6行富铜隐伏矿体的研究，该富铜矿体应该为岩浆演化到后期的产物^[7,22]。块状硫化物矿石(J2-16)的Cu/Ni为0.4，PPGE小于IPGE，与富铜矿石的配分模式有互补的关系(见图3(c))，而从井下富铜矿体和块状硫化物矿体接触关系来看，二者界限截然，块状硫化物矿体被富铜矿体穿插(见图2(f))，推测二者为不同期次侵位，并且块状硫化物矿先于富铜矿。含细脉状矿石(J2-17)为金属细脉穿插于海面陨铁状矿石形成，其Pt/Ir为1.64，说明细脉与热液活动无关；而产出位置靠近块状硫化物矿体，且PGE配分模式图与块状硫化物矿石极为相似(见图3(c))，二者以ΣPPGE/ΣIPGE<1、δRu>1的特点明显区别于其他矿石，说明该金属细脉可能是形成块状硫化物矿石的矿浆在末端沿岩石裂隙贯入形成的。海绵陨铁状矿石和局部海绵陨铁状矿石的PGE配分曲线极为相似(见图3(a)和(b))，且在井下发现二者没有截然的界线，反而存在几米到十几米宽的渐变过渡带，显示二者为相同演化阶段形成、同一期侵位的产物；而在图4中，海绵陨铁状矿石与局部海绵陨铁状矿石各自均显示结晶分异的演化关系，暗示矿石结晶时，存在结晶分异作用。

图4 金川Ⅱ-2号矿体海绵陨铁状矿石和局部海绵陨铁状矿石Pd/Ir-Pt/Pt*图解(据文献[25]改编) (Pt/Pt*=Pt/8.3/(Rh/1.6×Pd/4.4)^1/2)

Fig. 4  Pd/Ir-Pt/Pt* diagram of net-structured ores and partly net-structured ores in Orebody II-2, Jinchuan deposit (modified from Ref. [25])

4  讨论

4.1  母岩浆及源区特征

金川矿床Ⅱ-2号矿体中的海绵陨铁状矿石和局部海绵陨铁状矿石的(Pt+Pd)/(Os+Ir+Ru)介于3.0~25.9之间，平均为5.8，Pt/(Pt+Pd)均介于0.09~0.73之间，平均值为0.39；而Ⅱ-1号矿体中海绵陨铁状矿石的(Pt+Pd)/(Os+Ir+Ru)介于1.98~94.4之间，平均值为31.0，Pt/(Pt+Pd)均介于0.06~0.70之间，平均值为0.32。NALDRETT^[27]研究认为，与玄武质岩浆和与科马提岩有关的铜镍硫化物矿床的(Pt+Pd)/(Os+Ir+Ru)分别介于5.7~55.6和1.3~3.5之间，Pt/(Pt+Pd)分别介于0.28~0.72和0.36~0.38之间；因此，Ⅱ-2号矿体和Ⅱ-1号矿体均更接近于与玄武质岩浆有关的铜镍硫化物矿床。岩浆部分熔融程度与Pd/Ir成反比，与Ni/Cu成正比^[25]。Ⅱ-2号矿体海绵陨铁及半海绵陨铁矿石Pd/Ir介于3.853~27.136之间，均值为13.692，Ni/Cu介于0.847~9.143之间，均值为3.198；Ⅱ-1号矿体海绵陨铁矿石Pd/Ir介于4.560~78.355之间，均值为36.559，Ni/Cu介于1.198~3.925之间，均值为2.127；二者的Pd/Ir值均要低于玄武岩的范畴，与金川Ⅰ矿区含硫化物较少的岩体(Pd/Ir=5.579~14.129)^[28]一样介于苦橄岩的范围内(见图5)；Ni/Cu远远低于原始地幔(77.8)和科马提岩(＞7)，而与母岩浆为玄武岩浆的Sudbury和Noril’sk矿床相似(＜3)^[17,29-30]。由Ⅱ-2和Ⅱ-1号矿体的Pd/Ir和Ni/Cu比值可知，形成二者的母岩浆均为地幔中等熔融形成的苦橄质玄武岩浆^[31]，这与曾认宇等^[32]通过微量元素特征得出Ⅱ-1号及Ⅱ-2号矿体的母岩浆均为石榴子石二辉橄榄岩经过30%~40%的分离熔融形成的结论相一致。BARNES等^[9]研究表明，Pd/Ir-Ni/Cu和Ni/Pd-Cu/Ir可以用来判断原始岩浆属性及岩浆演化。在Ni/Pd-Cu/Ir和Pd/Ir-Ni/Cu原始岩浆判别图解中(见图6)，除极少数点外，Ⅱ-1号及Ⅱ-2号矿体的样品均落入高MgO玄武岩中，暗示二者的母岩浆均具有高MgO的特征(在本次研究中，高MgO玄武岩定义为原始岩浆MgO含量介于12%~18%)。因此，Ⅱ-2和Ⅱ-1矿体的母岩浆具有同源的特征，为地幔经过中等熔融形成的高MgO的苦橄质玄武岩。

图5  金川矿体Pd/Ir-S图(底图据文献[28])

Fig. 5  Pd/Ir-S diagram of Jinchuan ore body (based on Ref. [28])

图6 金川矿体Cu/Ir-Ni/Pd和Ni/Cu-Pd/Ir图^[9]

Fig. 6  Cu/Ir-Ni/Pdand Ni/Cu-Pd/Ir diagram of Jinchuan ore body^[9]

4.2  中途岩浆房演化特征

由图3可知，Ⅱ-2号矿体与Ⅱ-1号矿体的海绵陨铁状矿石的配分曲线有明显区别：①Ⅱ-2号矿体的配分曲线一致性较高，而Ⅱ-1号矿体海绵陨铁状矿石配分曲线可以分为2类，一类IPGE明显亏损，另一类整体曲线较为平坦，但是其凹凸的形式又相似；②Ⅱ-2号矿体δIr均小于1，平均值为0.745，表现为Ir负异常，而Ⅱ-1号矿体Ir为正异常，其δIr均大于1，平均值为1.700；③Ⅱ-2号矿δRu介于0.435~1.041之间，平均值为0.697，而Ⅱ-1号矿体Ru处有一个明显的下凹趋势，δRu介于0.121~0.447之间，平均值为0.267，可见Ⅱ-2号矿体Ru的负异常程度明显小于Ⅱ-1号矿体。综合上述3点，可以认为形成Ⅱ-2号、Ⅱ-1号矿体的岩浆应该经历过不同的演化史。

当原始岩浆进入岩浆房后，成矿物质可能会经历两个体系，首先为液态硫化物-硅酸盐岩浆体系，该体系是硫化物从硅酸盐岩浆中熔离出来，并在重力作用下向下聚集；另一个为单硫化物固溶体(MSS)-液态硫化物体系，这是在硫化物熔离出来后，随着温度的降低液态硫化物会分离结晶出单硫化物固溶体^[33]。以下根据这两个体系来探讨Ⅱ-2与Ⅱ-1矿体矿浆的演化关系。

4.2.1  液态硫化物-硅酸盐体系

Ⅱ-2号矿体海绵陨铁状矿石的Cu/Pd介于24595~412213之间，平均值为218253，而Ⅱ-1号矿体海绵陨铁状矿石的Cu/Pd介于21696~91091之间，平均值为47123，均远大于原始地幔中Cu/Pd值(6500)，说明二者的母岩浆同样经历了强烈的硫化物熔离^[9,34]。在Pd-Cu/Pd图解中(见图7)Ⅱ-2号矿体与Ⅱ-1号矿体的海绵陨铁状矿石均位于PGE亏损地幔中^[35]，表明Ⅱ-2号矿体和Ⅱ-1号矿体的成矿母岩体在深部岩浆房中均经历了硫化物的初步饱和，而亏损了PGEs^[36]；而Ⅱ-2号矿体的Cu/Pd明显高于Ⅱ-1号矿体的，在图7中前者普遍位于后者的左上方，暗示二者硫化物是从PGE亏损程度不同的母岩浆中熔离出来的^[23,35]。

图7  金川岩体Pd-Cu/Pd图解(底图据文献[35])

Fig. 7  Pd-Cu/Pd diagram of Jinchuan rock mass (based on Ref. [35])

Ⅱ-2号矿体中海绵陨铁状矿石ΣPGE_sul(有此下标的表示经过100%硫化物计算的值)介于235.4×10^-9~1278.1×10^-9之间，平均为620.6×10^-9；而Ⅱ-1号矿体海绵陨铁状矿石ΣPGE_sul介于2774.0×10^-9~9987.9×10^-9之间，平均值为5076.7×10^-9；Ⅱ-2号矿体ΣIPGE_sul和ΣPPGE_sul的平均值分别为110.8×10^-9和509.8×10^-9，而Ⅱ-1号矿体平均值分别为为509.5×10^-9和4566.9×10^-9，很明显同是海绵陨铁状矿石，PGE_sul总含量Ⅱ-1号矿体是Ⅱ-2号的数倍，但是二者的ΣIPGE_sul含量区别较小，总量上的区别主要体现在ΣPPGE_sul上。可见，虽然均是由PGE亏损的玄武岩演化而成，但相对于Ⅱ-2号矿体，Ⅱ-1号矿体较富集铂族元素，特别是PPGE，Cu与Ni相比富集Cu。由FLEET等^[37]的研究表明，在液态硫化物-硅酸盐体系中，虽然Cu、Ni及铂族元素均极易进入液态硫化物相中，但其分配系数存在区别：Cu、Ni的分配系数远小于铂族元素的，且D_Cu大于D_Ni，D_Pt、D_Pd大于D_Os、D_Ir、D_Ru、D_Rh。所以，虽然随着硫化物的不断熔离，在剩余岩浆中无论Cu、Ni还是铂族元素，其含量均会不断降低，但分配系数较高的元素相对于分配系数较低的元素下降速度更快^[2]。因此，较之而言熔离出Ⅱ-2号矿体硫化物的母岩浆此前经历过更多的硫化物熔离，而造成了更强烈的在液态硫化物-硅酸盐体系中分配系数较高元素的亏损。

由于Ⅱ-2号矿体和Ⅱ-1号矿体的母岩浆的源区特征相同，因此造成这差异的原因很可能与形成Ⅱ-2号矿体的岩浆晚于Ⅱ-1号矿体的岩浆从原始岩浆中分离出来，多经历了一次硫化物的熔离作用有关。在图6(a)中，样品点的演化趋势与硫化物熔离趋势相似，且Ⅱ-1号矿体的样品的Ni/Pd值明显小于Ⅱ-2号矿体的，位于硫化物熔离曲线的始端，同样印证了该观点，至于二者Cu/Ir的差异不大的原因，在4.2.2节中将会进行讨论。

4.2.2  单硫化物固溶体-液态硫化物体系

铂族元素、Cu和Ni在液态硫化物-硅酸盐岩浆和单硫化物固溶体-液态硫化物这两个体系中有不同的性质。在液态硫化物-硅酸盐岩浆体系中，铂族元素及Cu和Ni均趋向于在液态硫化物中富集；而在单硫化物固溶体-液态硫化物体系中，元素性质较为复杂，随着氧逸度、硫逸度、温度的变化其分配系数也会发生改变，但是Cu、Pt和Pd始终表现为强不相容性，Ir、Rh和Ru始终表现为相容性^[38-39]。

因此，根据在这两个体系中元素的性质差异，做Ir_sul-Pt_sul、Ir_sul-Pd_sul、Ir_sul-Rh_sul和Ir_sul-Ru_sul的关系图(见图8)。如图8所示，Ⅱ-2号矿体的海绵陨铁状和局部海绵陨铁状矿石Ir_sul与Pt_sul、Pd_sul、Rh_sul和Ru_sul均表现为良好的正相关性，Ir_sul-Pt_sul斜率最大，反映了在液态硫化物-硅酸盐岩浆中Pt为分配系数最高的元素，因此当海绵陨铁状及局部海绵陨铁状矿石的矿浆侵位时，在形成Ⅱ-2号矿体的岩浆通道中的液态硫化物没有分离结晶出单硫化物固溶体，还没有演化到单硫化物固溶体-液态硫化物体系，这同王亮等^[40]根据Ⅱ-2号矿体海绵陨铁状矿石和侵染状矿石的亲铜元素与Pd/Ir比值相关图得出的结论相一致；而Ⅱ-1号矿体海绵陨铁状矿石的Ir_sul与Pt_sul呈负相关、Ir_sul与Pd_sul关系也与Ⅱ-2号矿体明显不同呈轻微的负相关，Ir_sul与Ru_sul、Rh_sul仍然为正相关，正体现了在单硫化物固溶体-液态硫化物体系中Pt、Pd与Ir、Ru和Rh不同的性质。因此，在岩浆通道中岩浆演化出形成海绵陨铁状矿石矿浆，并向上侵位的这个阶段，形成Ⅱ-1号矿体的岩浆比形成Ⅱ-2号矿体的岩浆演化彻底，前者的岩浆通道中已经演化出了单硫化物固溶体。由于单硫化物固溶体在深部岩浆房形成，在单硫化物固溶体-液态硫化物体系中表现出相容性属性的元素会在液态硫化物中亏损，这也就造成了Ⅱ-1号矿体与Ⅱ-2号矿体矿石相比，Pd/Ir、Cu/Ir未显示如Ni/Pd这样的分异特征原因(见图6(a))，因为在单硫化物固溶体-液态硫化物体系中，Ⅱ-1号矿体母岩浆中的部分Ir优先赋存到了单硫化物固溶体中，造成液态硫化物中Ir的相对亏损，这样其与Ⅱ-2号矿体母岩浆在液态硫化物-硅酸盐体系中形成的Pd/Ir、Cu/Ir差异，又被拉平了。苏尚国等^[33]研究表明，Ⅱ-2号矿体的块状矿石为单硫化物固溶体结晶分异后聚集而成的，故在形成Ⅱ-2号矿体的岩浆通道中，当形成海绵陨铁状矿体的矿浆形成并侵位后，深部岩浆房中剩余的硫化物继续演化，分离结晶出了单硫化物固溶体。

图8  金川1号及2号矿体矿石Ir与Ru、Rh、Pt、Pd的100%硫化物相关图

Fig. 8  100% sulfide correlograms of Ir-Ru (a), Ir-Rh (b), Ir-Pt (c) and Ir-Pd (d) in Orebody II-1 and Orebody II-2 of Jinchuan deposit

4.3  侵位特征

由4.2节已经知道，Ⅱ-2号矿体中的硫化物晚于Ⅱ-1号矿体的硫化物从母岩浆中熔离出来，并且熔离后的演化具有不同步性。对于这种现象，可能有两种不同的解释，其一是这种先后熔离作用是在侵位到最终的空间(也就是现在金川矿体的位置)后发生的，由于Ⅱ-1号矿体的位置较之于Ⅱ-2号矿体更靠近岩浆通道中心，因此成矿母岩浆先熔离出了Ⅱ-1号矿体的成矿元素及硫化物，而后再融离出Ⅱ-2号矿体的；另一种解释是，这种先后的熔离作用发生在深部岩浆房，而后形成Ⅱ-1号矿体和Ⅱ-2号矿体的母岩浆分别进入不同的岩浆通道，由不同的岩浆通道中心侵位到最终成矿空间造成的。

顺着Ⅱ-2号矿体的走向，在F₁₇断层的西侧和东侧分别制作局部海绵陨铁状矿石和海绵陨铁状矿石的铂族元素、Cu_sul、Ni_sul及特征比值的地球化学剖面图(均换算到100%硫化物)，其中图9(a)、(c)、(e)、(g)和(i)所示分别为F₁₇断层西侧的局部海绵陨铁状矿石，图9(b)、(d)、(f)、(h)和(j)所示分别为F₁₇断层东侧的海绵陨铁状矿石，图中横坐标为采样点投影于与勘探线垂直的直线上后各采样点的相对距离，而横坐标的0 m位置为最靠近F₁₇断层的采样点位置。在图9(a)~(f)中，无论是铂族元素Pt亚族中的Pd_sul、Pt_sul，Ir亚族中的Ir_sul、Rh_sul，还是Cu_sul、Ni_sul，在矿体的走向上并不存在规律性变化；已知(Pt+Pd)/(Os+Ir+Ru)、Cu/Ni以及Cu/Pd这3个比值，可以反映硫化物析出的早晚^[41]，在图9(g)~(j)中，沿着矿体的走向同样未表现出明显的变化规律。因此，成矿岩浆在侵位到最终的成矿空间后，沿着矿体走向或者说沿着超基性岩墙的走向硫化物中的成矿元素并没有明显的分异现象，故第一种解释不是引起Ⅱ-1号矿体和Ⅱ-2号矿体铂族元素差异的主要原因。

Ⅰ、Ⅱ矿区的结合部(Ⅱ矿区西北侧)被公认为是一个岩浆通道入口^[7-8,19,22]，在Cu、Ni品位XOY平面投影等值线图和纵剖面投影等值线图中(见图10)(为了真实地反映成矿时成矿元素分布形态，该图已依据文献[20]还原了F₈、F₁₆、F₁₇、F₂₃断层在成矿后对矿体的破坏，因此部分勘探线发生了重合)，在Ⅰ、Ⅱ矿区的结合部(Ⅰ-18行~Ⅱ-22行间)Ni、Cu均具有一个明显的高值区(见图10(a)、(b))，且在纵剖面投影等值线图中(见图10(c)、(d))，Ⅱ-6行~Ⅱ-14行间存在一个由异常高值组成从深部升到浅部，然后分叉的现象，形象地显示了岩浆通道中心部位的岩浆涌入，并向四周扩散。与之对应的，在Ⅱ-2矿体中部的Ⅱ34行~Ⅱ50行间，Ni与Cu同样有这样一个高值区(见图10)，在XOY平面投影等值线图中(见图10(a)和(b))该高值区呈带状，并未同Ⅰ、Ⅱ矿区的结合部的高值区连接在一起，且在纵剖面投影等值线图中(见图10(c)和(d))Ⅱ42行~Ⅱ50行附近的高值区也具有由深到浅，然后分叉的现象，显示在该区域存在另一个岩浆通道入口。本研究中，在Ⅱ-2号矿体中部同样发现了与Ⅰ、Ⅱ矿区结合部产出的6行富铜隐伏矿相类似的富铜矿体，同样印证了该观点。曾认宇等^[32]通过对比Ⅱ-1、Ⅱ-2两个矿体的主微量元素的特征，发现二者的母岩浆本是在同一岩浆通道中演化，受到地壳混染后，在冷凝过程中发生了分离，而后在横向上并列的两个岩浆通道中分别演化并成矿。综上可知，造成Ⅱ-1、Ⅱ-2两个矿体铂族元素差异的熔离作用发生在深部岩浆房，分离后两个矿体的母岩浆各自演化，并由Ⅱ-2矿体中部和Ⅰ、Ⅱ矿区结合部的两个岩浆通道入口侵位到现存空间。

图9  Ⅱ-2矿体铂族元素、Cu、Ni及其比值的变化趋势

Fig. 9  Variation of PGEs, Cu, Ni and ratios in Ⅱ-2 orebody

图10  Ⅱ、Ⅳ矿区Ni、Cu品位XOY平面投影等值线图和纵剖面投影等值线图

Fig. 10  Contour map of XOY plane projection ((a), (b)) and longitudinal section projection ((c), (d)) of Ni and Cu grade in Ⅱ and Ⅳ mining area

5  结论

1) Ⅱ-2号矿体主要由海绵陨铁状及局部海绵陨铁状矿石组成，而在Ⅱ-2矿体中部的F₁₇断层附近发育有富铜矿石、含细脉状矿石及块状硫化物矿石。除富铜矿石ΣPGE含量高达8580.9×10^-9外，远高于其余矿石的ΣPGE(44.6×10^-9~407.3×10^-9)；ΣPPGE与ΣIPGE比值介于0.5×10^-9~185.0×10^-9之间，除块状硫化物矿石和含细脉状矿石外，其余均相对富集PPGE亚族；Pd/Ir介于1.25~26.55之间，属于岩浆型矿石。

2) Ⅱ-2号矿体块状硫化物矿体与富铜矿体直接接触，为矿浆演化到后期不同期次侵位形成的，而富铜矿晚于块状硫化物矿；含细脉状矿石与块状硫化物矿石有极为相似的铂族元素特征，是形成块状硫化物矿石的矿浆沿早期形成的矿石裂隙贯入而成；海绵陨铁状矿石与局部海绵陨铁状矿石的配分曲线相似，且为过渡的接触关系，显示二者为同一期次矿浆侵位的产物。

3) 形成Ⅱ-2号矿体与形成Ⅱ-1号矿体的岩浆具有相同的母岩浆性质及源区特征，为地幔中等熔融形成的高MgO苦橄质玄武岩浆，并共同经历了Pt-Fe合金的分离和硫化物的初步熔离，但是二者具有不同的演化历史。形成Ⅱ-2号矿体的岩浆是由深部岩浆房中初步熔离出Ⅱ-1号矿体的部分硫化物后，成矿元素再次亏损的上层岩浆分离出来的，而后相对富集成矿元素的形成Ⅱ-1号矿体的岩浆与形成Ⅱ-2号矿体的岩浆在两条平行的岩浆通道中演化，最终分别由位于Ⅱ-2矿体中部和Ⅰ、Ⅱ矿区结合部的两个岩浆通道入口侵位到最终成矿空间，形成了Ⅱ-1号与Ⅱ-2号矿体。这两个岩浆通道演化形式基本相同，但不完全同步的，当海绵陨铁状矿石的这一期矿浆形成并侵位时，在中途岩浆房中，形成Ⅱ-1号矿体的岩浆通道中已经演化出了单硫化物固溶体；而形成Ⅱ-2号矿体的岩浆通道中，单硫化物固溶体是在这期矿浆侵位后演化而成。

4) 富铜矿和块状硫化物矿为最晚侵位的矿石类型，在时间上和空间上都有密切的联系；本次研究首次报导了在Ⅱ-2矿体中部F₁₇断层附近的块状硫化物矿体中发现了富铜矿体，但是相对于Ⅱ-1和Ⅰ-24号矿体来说，还未发现成规模的富铜矿体，因此在大量出现块状硫化物矿体的Ⅱ-2号矿体中部寻找富铜矿矿体，具有很好的找矿前景。而对岩浆通道系统成矿的矿床来说，顺着岩浆通道中心的位置向下探矿是最佳的方式，Ⅱ-2号矿体中部的这条岩浆通道还未引起人们的足够重视，其具有很好的勘探前景。

致谢：野外工作期间得到金川集团股份有限公司王玉山、李德贤、陈兴义等同志的大力支持，张维、陶斤金、刘羽、鞠培娇等同学参加了部分工作，并得到了编辑和两位匿名外审专家的指导，在此谨向上述单位及个人表示诚挚的谢意！

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Distinction of platinum group elements geochemistry in Jinchuan Cu-Ni sulfide deposit and its implication for magmatic evolution

ZENG Ren-yu^{1, 2}, LAI Jian-qing^{1, 2}, MAO Xian-cheng^{1, 2}, ZHAO Yin^{1, 2},

LIU Pin^{1, 2}, ZHU Jia-wei^{1, 2}, YUE Bin³, AI Qi-xing³

(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals,

Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;

3. Nickel Cobalt Research and Design Institute, Jinchuan Group Co., Ltd., Jinchang 737104, China)

Abstract: The Ⅱ-2 orebody, which is located in the east of line Ⅱ30, is the second largest orebody of Jinchuan Cu-Ni (PGE) sulfide deposit. In order to find out the particularity of parental magma of Ⅱ-2 orebody during evolution, the contents of platinum group elements(PGE), Cu, Ni and S in Ⅱ-2 orebody were analyzed by using nickel sulphide fire assay technique ICP-MS. Its characteristics were researched and compared with that of Ⅱ-1 orebody. ΣPGE contents of the Ⅱ-2 orebody have large variation range (44.6×10^-9-8526.7×10^-9). The data of Pd/Ir , which ranges from 1.25 to 26.55, indicates that the Ⅱ-2 orebody is of magmatic origin. Sideronitic ore and partial sideronitic ore, which are the main ore types, have similar distribution patterns. Besides, sideronitic ore and partial sideronitic ore show gradual transition contact, which illustrates that the two ore types are products of the same emplacement period. Copper-rich ore, massive sulphide ore and vein interpenetration ore have complementary relations in the PGE distribution pattern diagram, and there is a clear distinction among these three ore types, sideronitic ore and partial sideronitic ore. The ΣPGE(8526.7×10^-9) and Cu/Ni(5.46) of copper-rich ore are extremely high, and massive sulphide ore and vein interpenetration ore have the feature of relative accumulation of the IPGE (ΣPPGE/ΣIPGE＜1). Therefore, copper-rich ore, massive sulphide ore and vein interpenetration ore are formed in the late stage of magmatic evolution, and the contact relationship shows that emplacement of massive sulphide ore precedes copper-rich ore. Based on comparison of sideronitic ores’ PGE, Cu and Ni features between II-2 and II-1 orebodies, parental magmas of these two ore bodies belong to high-MgO type topicritic basalt formed by moderate partial melting of mantle and have the same source characteristics. PGE distribution patterns, PGEs differentiation situation, Cu/Ni and Cu/Pd, and the relationship of Ir and Ru, Rh, Pt and Pd of sideronitic ores were used to study the parental magma of II-2 and II-1 orebodies in terms of sulfide liquid-silicate system and MSS-sulfide liquid system, it might be possible to deduce that sulfides of the two ore bodies are successively separated from the parental magma, with out-of-step evolution features. Based on the studies on genchemical section of II-2 orebody, the contour map of longitudinal section projection and XOY plane projection of Ni and Cu grade, the separation processes of the two orebodies sulfide occur in deep-seated magma chamber and intrude the pre-existing tensional rupture through different magma conduit systems, forming II-2 and II-1 orebodies.

Key words: Jinchuan; Cu-Ni sulfide deposit; platinum-group elements; magma conduit; metallogenic process

Foundation item: Projects (41172297, 41472301) supported by the National Natural Science Foundation of China

Received date: 2015-01-30; Accepted date: 2015-10-20

Corresponding author: LAI Jian-qing; Tel: +86-13875983805; E-mail: ljq@csu.edu.cn

(编辑  龙怀中)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41172297，41472301)

收稿日期：2015-01-30；修订日期：2015-10-20

通信作者：赖健清，教授，博士；电话：13875983805; E-mail: ljq@csu.edu.cn