甘肃北山地区黑山铜镍硫化物矿床成矿作用研究

论文摘要

中亚造山带是一个巨大复杂的显生宙增生拼贴体，也是岩浆铜镍硫化物矿床发育的重要成矿带之一，关于中亚造山带与成矿一直以来备受地学界研究的关注。在中亚造山带南部边缘已发现大量的早二叠世镁铁质-超镁铁质含矿岩体，如新疆东天山黄山岩带（土墩、黄山东、黄山、黄山南、香山、葫芦等）、新疆北山地区（坡北、红石山、笔架山、罗东等）。甘肃北山黑山岩带位于北山褶皱带东段，红柳河-洗肠井缝合带附近。该岩带大致沿红柳河断裂和黑山-碱泉子断裂呈近东西向展布，分布有大山头、黑山北、双井子、怪石山、营毛沱北、马鬃山等数十个镁铁-超镁铁质岩体，已有证据显示晚泥盆世（大山头、黑山、怪石山）是这一地区铜镍矿床重要的形成时期。论文选择本区唯一的大型铜镍矿床黑山矿床为研究对象，运用岩石学、矿物学、岩石地球化学等方法，通过岩浆源区、母岩浆性质、岩浆演化过程、硫化物深部熔离机制的深入研究，探讨黑山矿床成矿作用和深部岩浆成矿过程。取得的主要进展如下：1)对黑山岩体橄榄角闪辉长岩和闪长岩中锆石进行了SHRIMP U-Pb测年，厘定了黑山超镁铁质岩体形成年龄为367377Ma，与大山头（359.3±5.7Ma）、怪石山（353405Ma）岩体年龄一致，属中-晚泥盆世。证实北山晚泥盆世为活动大陆边缘背景，是区别于东天山地区后碰撞伸展背景下Cu、Ni硫化物矿床的又一重要形成时期。2)黑山含矿岩体规模很小，岩相分带明显，是同源岩浆经深部分异同期不同次侵入的复式岩体。岩体主体由超镁铁质岩石组成，主要岩相为方辉橄榄岩、二辉橄榄岩、橄榄辉长岩、辉长岩脉；铜镍矿体主要赋存于橄榄岩类中，赋存部位主要为岩体下部（呈悬浮状）或超镁铁质岩底部接触带；主要造岩矿物为橄榄石、斜方辉石、斜长石、单斜辉石及角闪石、黑云母。3)矿物学研究表明，黑山岩体造岩矿物成分特征显示橄榄石Ni含量较高，Fo值81.5486.98，为贵橄榄石。橄榄石成分受隙间硅酸盐及硫化物熔浆作用影响明显。斜方辉石为古铜辉石，单斜辉石为透辉石，斜长石为拉长石和倍长石；MELTS模拟母岩浆结晶演化过程，结果较精准获得了造岩矿物结晶温度和结晶顺序，结果与实际吻合。4)岩石地球化学特征显示，黑山岩体为富铁质（m/f平均为4.66）超基性岩，岩浆具有拉斑系列演化趋势；岩石富集大离子亲石元素，强烈亏损Nb、Ta，具有K、Pb正异常，轻稀土LREE富集。εNd（t）变化较集中（+1.60～+4.42，t=367Ma），具有较大变化的（87Sr/86Sr）i值（0.7005～0.7083），Sr-Nd-Pb同位素显示源区性质主体为亏损地幔，同时具有MORB和岛弧玄武岩性质，显示有俯冲蚀变洋壳成分的混入。黑山岩体岩浆源区主要由软流圈地幔部分熔融和被俯冲板片交代改造过的大陆岩石圈地幔物质所组成。5)不同岩相岩石样品PGE配分模式相同，母岩浆相对亏损PGE。矿区内岩石∑PGE含量为1.8712.05ppb，矿石中∑PGE含量为7.32～173.9ppb，矿石中含量普遍高于岩石，100%硫化物中PGE含量变化大（∑PGE10174173ppb）。岩石和矿石PGE总量较低，PPGE相对IPGE富集，配分曲线左倾，Ni值较高，与金川矿床相似。6)黑山岩体主量元素、微量元素、Nd-Sr同位素特征均显示岩浆侵位过程中遭受以中-上地壳为主的地壳物质混染作用，混染程度较低（约5%）。7)模拟计算厘定了黑山岩体母岩浆为高Mg玄武质岩浆，成分为：51.5%SiO2，0.96%TiO2，15.1%Al2O3，10.26%TFe2O3，0.16%MnO，11.63%MgO，7.37%CaO，1.79%Na2O，1.09%K2O，0.14%P2O5；估算获得黑山母岩浆中PGE组成为：Os0.085ppb，Ir0.018ppb，Ru0.072ppb，Pd0.956ppb，Pt4.053ppb，Cu28ppm，Ni152ppm。Ni/Cu和Pd/Ir比值显示形成黑山岩体的母岩浆均为高Mg玄武质岩浆，与全岩地球化学和同位素数据确定的岩浆性质相一致，与模拟计算得到的母岩浆成分相吻合。8)由母岩浆中的Ni、MgO及PGE分别对黑山矿床源区地幔部分熔融程度模拟计算，显示黑山母岩浆可能来自较低程度（8%14%）的地幔部分熔融。9)获得黑山矿床平均R约为1000左右（7082932），对单硫化物固溶体分离结晶过程模拟，黑山浸染状矿石（主要矿石类型）多是液态硫化物富集形成，个别样品显示较高比例（F=0.6左右）的硫化物结晶分异的单硫化物固溶体组成。10)通过橄榄石中Ni和Fo、Cu/Zr比值、Cu/Pd比值对黑山深部硫化物熔离提供指示信息，均显示黑山矿床原始岩浆在早期演化过程中（橄榄石结晶初期或少量（约2%）橄榄石结晶后）在深部曾发生了少量的硫化物熔离，应用橄榄石定量模拟计算获得熔离程度约为0.12%0.17%。11)早期少量硫化物预先熔离、部分熔融程度低双重影响导致黑山矿床母岩浆PGE亏损；R值较小、部分熔融程度较低是造成PPGE与IPGE分异的重要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 研究现状与进展
• 1.2.1 岩浆铜镍硫化物矿床成矿理论研究现状
• 1.2.2 黑山铜镍硫化物矿床的研究进展
• 1.3 研究思路、研究方法及研究内容
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 研究方法与研究内容
• 1.4 样品分析测试
• 1.5 主要工作量
• 1.6 取得主要成果与创新之处
• 第二章 区域地质背景及矿区地质概况
• 2.1 区域地层
• 2.2 区域构造
• 2.3 岩浆岩
• 2.4 区域地球物理特征
• 2.5 区域地球化学特征
• 2.6 区域矿产
• 第三章 矿床地质
• 3.1 岩体地质特征
• 3.1.1 含矿岩体形态、产状、规模
• 3.1.2 岩相学特征
• 3.1.3 矿物学特征
• 3.2 矿床地质特征
• 3.2.1 矿体形态、产状
• 3.2.2 矿石类型、组构
• 3.2.3 矿石矿物成分
• 3.2.4 矿体围岩蚀变特征
• 3.3 成岩成矿时代
• 3.3.1 样品采集与分析方法
• 3.3.2 黑山矿床年代学特征及其意义
• 第四章 黑山铜镍矿床地球化学特征
• 4.1 主量元素
• 4.2 微量和稀土元素
• 4.2.1 微量元素
• 4.2.2 稀土元素
• 4.3 镍、铜、硫和铂族元素
• 4.3.1 岩石 Cu、Ni、S 和 PGE 特征
• 4.3.2 矿石 Cu、Ni、S 和 PGE 特征
• 第五章 岩浆成矿深部过程
• 5.1 岩浆源区
• 5.2 母岩浆反演
• 5.2.1 母岩浆主量组成
• 5.2.2 母岩浆 PGE 组成
• 5.2.3 母岩浆性质
• 5.3 岩浆演化
• 5.3.1 演化过程 MELTS 模拟
• 5.3.2 分离结晶作用
• 5.3.3 同化混染作用
• 5.4 硫化物深部熔离与成矿作用
• 5.4.1 橄榄石定量示踪硫化物熔离过程
• 5.4.2 Cu/Zr 对硫化物熔离作用的指示
• 5.4.3 PGE 对成矿作用的示踪作用
• 5.4.4 黑山矿床硫化物熔离的控制因素
• 结论
• 参考文献
• 附录 1 元素含量标准化方法步骤
• 附录 2 数据表
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢