模型四十四 层状镁铁质－超镁铁质侵入岩型铂族金属矿床找矿模型

一、内容概述
岩浆型Cu-Ni-PGE硫化物矿床是指与镁铁质-超镁铁质岩浆成矿作用有关的、以硫化物为主的矿床，是赋存Cu、Ni 及铂族元素的重要矿床类型。目前，世界的镍、铜和铂族金属主要来源于镁铁质、超镁铁质岩有关的岩浆硫化物矿床，在镍、铜、铂族资源中占有重要地位。世界镍储量的34%、开采量的60%及世界铜储量的55%来自岩浆型铜镍硫化物矿床；90%以上的铂族金属来自镁铁质、超镁铁质岩有关的铂族矿床和铬铁矿等岩浆型矿床。
超大型岩浆型Cu-Ni-PGE硫化物矿床所处的构造环境主要有：①大陆内部裂谷带，如加拿大的萨德伯里（Sudbury）和俄罗斯的诺里尔斯克（Noril'sk）等矿床；②大陆边缘裂谷带（如中国的金川矿床等）；③太古宙—元古宙绿岩带，如澳大利亚卡姆巴尔达（Kambalda）和加拿大的托普逊矿床（Thompson）。而活动的造山带环境只形成较小的矿床，如美国的莫希矿床（Moxie）。
世界级超大型岩浆型Cu-Ni-PGE硫化物矿床主要形成于以下几个时代：新太古代，如Abitibi成矿年龄为2700Ma（Ayer et al.，2002）；古元古代，如Pechenga成矿年龄为1900Ma（Naldrett，2004）；中元古代，如沃伊赛湾（Voisey's Bay）成矿年龄为1120Ma。全球性的镍成矿事件主要集中于约3000 Ma、2700 Ma、1900 Ma以及二叠纪—三叠纪之交（270～230Ma），而这些成矿事件是由大规模地幔柱活动引起的初始地壳生长和原始科马提质和拉斑玄武岩质岩浆的发展演化以及同源溢流玄武岩有关的矿化镁铁质±超镁铁质侵入岩形成所致（Hoatson et al.，2006）。
矿床赋存的岩体几乎都与镁铁质或超镁铁质岩体相关。镁铁质和超镁铁质岩体的母岩浆可以分为2个岩浆系列：科马提岩岩浆和拉斑玄武岩岩浆。超镁铁质科马提岩岩浆限于太古宙—元古宙，如澳大利亚卡姆巴尔达（Kambalda）、佩赛维兰斯（Perseverance）、加拿大的托普逊（Thompson）等矿床。拉斑玄武岩岩浆形成的矿床主要发育于克拉通地区，如加拿大的沃伊塞湾（Voisey's Bay）、俄罗斯的贝辰加（Pechenga）、中国的金川等地。
对岩浆型铜镍硫化物矿床的成矿作用研究始于加拿大萨德伯里（Sudbury）矿床（1886年）。经过一百多年的研究和世界二十多个大型岩浆型铜镍硫化物矿床的发现，在矿床的成矿时代、成矿地质环境、成矿机制、成矿物质来源、含矿岩体特征以及成矿规律等方面取得了大量的研究成果。人们对矿床的成因也有了进一步的认识。Hoatson et al.（2006）和Paznicka（2006）、李文渊（2007）等根据含矿岩石、岩体形态、构造环境将该类矿床划分了5个亚类：①与科马提岩质火山岩流及岩床有关的矿床：如澳大利亚的基斯山（Mt.Keith）、佩塞维兰斯（Perseverance）、雅卡宾迪（Yakabindie）、卡姆巴尔达（Kambalda）、加拿大的托普逊（Thompson）；②与陆上溢流玄武岩岩床有关的矿床：如俄罗斯的诺里尔斯克（Noril'sk-Talnakh）、美国的德卢思（Duluth）；③与拉斑玄武岩岩浆分异的镁铁质-超镁铁质侵入体有关的矿床：如加拿大的沃伊塞湾（Voisey's Bay）；④与陨石撞击有关的苏长岩-辉长岩型矿床：如加拿大的萨德伯里（Sudbury）；⑤与大型层状镁铁质-超镁铁质侵入杂岩有关的铂族矿床、铜镍硫化物矿床：如南非布什维尔德（Bushveld）、津巴布韦大岩墙（Great Dyke）等。
关于镍铜铂族成矿机制，传统观点认为是岩浆在岩浆管道或深部岩浆房中由于物理化学条件（包括温度、压力、氧逸度和硫逸度）的变化最终导致富硫化物的液相和岩浆失去平衡而产生不混熔作用，并以重力下沉的方式富集成矿。在镍铜岩浆硫化物矿床的主要成因模式中，岩浆熔离成矿作用模型是经典的，这种模型认为在岩浆演化过程中硫化物出熔，形成不混熔液滴，并在硅酸盐岩浆中聚集、熔离沉淀形成硫化物熔浆。可见，硫在岩浆中达到饱和是铜镍硫化物矿床形成的必要条件，硫在岩浆中的溶解度是温度、压力、氧逸度和硫逸度的函数。温度与硫的溶解具有负相关关系（Liand Ripley，2005）。关于硫化物从硅酸盐岩浆出熔的原因主要有：①岩浆混合作用：通过岩浆混合所产生的硫化物熔浆量较少，可以形成铂族元素矿床，但很难形成Cu-Ni矿床。②氧化作用：如CO2使岩浆中的Fe2＋转化为Fe3＋，从而降低硫在岩浆中的溶解度。③地壳硫的加入。当前对世界级镍铜铂族硫化物矿床研究表明，此矿床成矿的必要条件是：岩浆中有足够的Ni、Cu亲铜元素；必须有S熔离出来；熔离出的S必须有机会充分与大量岩浆发生反应，以便萃取大量的Ni；硫化物必须积聚在某一特定部位，否则成不了大矿、富矿，甚至不成矿。
二、应用范围及应用实例
（一）诺里尔斯克（Noril'sk）式（溢流玄武岩型）铜镍硫化物矿床
诺里尔斯克式铜镍硫化物矿床位于西伯利亚地块Tunguska盆地西北缘，地块西部为叶尼塞凹槽。区内褶皱及断裂发育，岩浆活动激烈而频繁，形成了西伯利亚“暗色岩建造”。区域上主要为北北东向（近南北向）断裂，也有少量的北北西向断裂和错动距离较大的羽状断裂，与矿床成矿作用密切相关的断裂为诺里尔斯克-Kharaelakh断裂。诺里尔斯克式铜镍硫化物矿床的赋矿地层为玄武岩、泥盆纪碳酸盐岩、硬石膏、泥板岩。含矿岩体主要为晚二叠世—三叠纪岩浆活动产物，含矿岩石类型有苦橄岩、辉绿岩、橄榄辉长岩、苏长岩、粗玄岩；成矿时代为246Ma左右。诺里尔斯克矿床与暗色岩，特别是与辉长岩、辉绿岩分异侵入体在空间上密切相关，富含较多的矿体通常产于这种分异岩体的底部；矿区主要矿石矿物有磁黄铁矿、黄铜矿、镍黄铁矿、硫铁铜矿、富铁磁黄铁矿、陨硫矿等；岩浆作用与成矿作用受断裂控制。含矿岩体沿断裂呈群状分布，形成诺里尔斯克矿区和塔尔纳赫矿区，包括诺里尔斯克、十月等4个超大型矿床和其他一些规模较小的矿床。
Naldrett（1999，2005）经研究认为，诺里尔斯克矿床成矿过程为：①由地幔形成的玄武质岩浆，沿着诺里尔斯克-Kharaelekh断裂上升到深部岩浆房，岩浆发生结晶分异作用，岩浆房顶部岩石发生熔融、顶部岩浆受到混染，导致岩浆房上部岩浆中的硫化物达到了饱和并发生熔离，亲铜元素进入到硫化物中，形成含有硫化物的“晶粥”；②“晶粥”上升到地壳内的高位岩浆房，在发生结晶分异作用的同时受到围岩（蒸发岩、石膏层）的混染，使硫化物进一步饱和；③后期岩浆不断涌入岩浆房，与残余岩浆充分混合使硫化物在新的岩浆推动作用下向南侵出形成Noril'sk矿体，向北侵出形成Talnakh矿体。因此，诺里尔斯克地区铜镍矿形成的模式可以概括为图1。

图1 诺里尔斯克（Noril'sk）矿床成矿模式图

（据Naldrett，2005）
总之，该矿床具有如下特点：①矿体沿着深大断裂呈带状分布；②矿体赋存于分异明显的镁铁-超铁镁质火山岩的底部，含矿岩体与大陆溢流玄武岩有亲缘关系，属拉斑系列的铁质岩石；③矿床属通道型矿床，矿床的形成与地壳物质的加入、深部岩浆房结晶分异及熔离作用有关。
（二）沃塞湾（Voisey's Bay）式（拉斑玄武岩型）岩浆型铜镍硫化物矿床
沃塞湾超大型Cu-Ni-Co矿床位于加拿大拉布拉多海岸，太古宙Nain省和元古宙Chunchill省的碰撞边界，赋矿地层为太古宙长英质片麻岩、角闪片麻岩、辉长片麻岩以及元古宙的石榴石矽线石片麻岩、含硫化物石墨片麻岩、紫苏花岗闪长质片麻岩等。矿体赋存于一个长6km的岩墙状岩浆通道系统中，容矿岩石为橄长岩和辉长岩，是Nain侵入岩套的一部分；岩体的Re-Os同位素年龄为（1323±135）Ma。矿石类型主要有侵染状和海绵陨铁状矿石，致密块状岩石出现在岩体底部岩浆通道附近。
Lambert et al.（2000）研究了Voisey's Bay铜镍硫化物矿床矿石的Re/Os值后认为，它们较高的Re/Os比值（2.9～38）和高的γOs值是由玄武质母岩浆与老地壳的强烈相互作用引起的。该矿床的Re-Os同位素资料支持其至少包括2个阶段地壳混染、2个岩浆房及不同地球化学性质的多脉冲岩浆成因模型。Li et al.（2000）研究认为，Voisey's Bay超大型Ni-Cu-Co矿床形成的关键因素包括：①相对过分异的玄武岩浆上升进入地壳；②岩浆和含硫副片麻岩的反应；③不混溶硫化物液体产生后岩浆的持续流动；④新的富Ni、Cu岩浆的重新上涌，并使已存在的硫化物含量增高。该矿床的成矿过程可以概括为图2。

图2 沃伊塞湾（Voisey's Bay）矿床成矿模式图

（据Li et al.，1999；转引自毛景文等，2012）
总之，该矿床具有如下特征：①矿体赋存于岩浆通道系统，属通道型矿床；②所有岩体均含矿，具有全岩矿化特征：③矿体处于岩浆通道的膨大部位、转折部位、坡度变缓部位、分叉部位。
（三）加拿大萨德伯里陨石撞击型铜镍硫化物矿床
加拿大萨德伯里（Sudbury）是陨石撞击型铜镍硫化物矿床的典型代表。Л.П.Лихачев（2006）总结了萨德伯里的成矿过程：①陨石坠落与下面岩体相撞发生破裂，坠落体呈颗粒流持续运动，颗粒流长达几千米；②运动过程中，重的金属颗粒快于轻颗粒聚集在被撞岩体的接触面上，然后渗入岩体底部形成支脉状矿石；③撞击形成的等离子蒸气、熔融体和固态物质的混合物进入大气，经过减压和迅速冷却随后返回到早先形成的火山口；④熔融体降落后其中的金属颗粒又回到了落体的锋面位置，形成了萨德伯里矿区中的次层状接触带型矿石（图3）。

图3 萨德伯里矿床成矿模式图

（据Л.П.Лихачев，2006；转引自施俊法等，2010）
总之，该矿床具有如下特点：①矿床沿萨德伯里盆地周边岩带断续产出，与基性火成杂岩体在空间上密切相关；②主要分布于基性火成杂岩体底部的围岩角砾岩、苏长岩、老岩层剪切带内及伴生的角砾岩、苏长岩-石英闪长岩体的放射状分支岩体中，主要分布于苏长岩边缘及支脉内；③顶板为角砾岩，底板为花岗质砾岩、角砾岩；④主要矿石矿物有磁黄铁矿-镍黄铁矿-黄铜矿-黄铁矿-磁铁矿典型组合；⑤为宇宙源成矿代表。
三、资料来源
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一、分类在IUGS分类中超镁铁质侵入岩（ultramafic intrusion）是指M≥90%的侵入岩，根据橄榄石（Ol）、斜方辉石（Opx）、单斜辉石（Cpx）或橄榄石（Ol）、辉石（Px）、角闪石（Hbl）的相对含量，并分别利用图3-2a和图3-2b三角图解进行分类命名。该两个图的应用方法同前述的QAPF图解，在两个图中均可见几条水平线（90、40、10），它们分别表示橄榄石含量在三角图的3个端员矿物总含量中所占含量为90%、40%、10%，以此在两个图中分别划分出不同的变种。如图3-2a中主要变种为90线以上的纯橄榄岩、40～90线间的橄榄岩和40线以下的辉石岩；图3-2b中主要变种为90线以上的纯橄榄岩、40～90线间的橄榄岩和40线以下的辉石岩或角闪石岩。根据这些矿物的相对含量进一步细分变种（图3-2）。在作者提出的分类中，超镁铁质岩位于表2-2中的超基性深成相一栏。其主要岩石类型有纯橄榄岩、橄榄岩（辉石橄榄岩、二辉橄榄岩等）、辉石岩和角闪石岩等。

二、一般特征1.化学成分和岩石的色率
该类岩石颜色深，色率（颜色指数M’）≥90，黑色、暗绿色、绿色等。超镁铁质岩化学成分中贫SiO2，其质量分数多数＜45%，部分辉石岩、角闪石岩＞45%而＜52%，富MgO（可达40%）和∑FeO（可达20%），Al2O3、K2O、Na2O含量均较低。
2.矿物成分以镁铁矿物（暗色矿物）为主，含量＞90%，主要为橄榄石、斜方辉石、单斜辉石；其次为褐色角闪石、黑云母、金云母，一般不含或很少含长石；副矿物常见的有尖晶石、磷灰石、磁铁矿、铬铁矿、镁铝榴石等。
橄榄石 为富镁的变种，以贵橄榄石最常见，其次是镁橄榄石。往往呈等轴状自形-半自形。在包含于辉石、角闪石、碳酸盐矿物中的橄榄石常因熔蚀而呈椭圆状或浑圆状（照片3-3）。地幔岩中橄榄石由于受强应力作用常产生晶内滑移而出现类似双晶特点的肯克带（Kink band，照片3-11，12）。橄榄石常发生蛇纹石化、滑石化、纤闪石化。
辉石 斜方辉石为镁质的顽火辉石、古铜辉石和紫苏辉石，单斜辉石常见的是透辉石、普通辉石，其次是含Al2O3的变种异剥辉石。斜方辉石和单斜辉石之间常见出熔条纹（照片3-15）或似文象交生。在地幔岩中辉石，特别是斜方辉石常呈交代脉状、充填状分布（照片3-18，25）。辉石往往发生蛇纹石化、滑石化、纤闪石化，斜方辉石还常变为绢石。
角闪石 主要为结晶温度较高的褐色普通角闪石（简称褐色角闪石）。在橄榄岩中往往呈他形大晶体包裹橄榄石（照片3-2）、辉石，或呈辉石、橄榄石反应边（照片3-10）。在角闪石岩中为半自形-自形柱状。褐色角闪石常变为纤闪石或转变为绿色角闪石（照片3-10），有时中间为褐色而边部绿色。
黑云母或金云母 前者多为红褐色、黄褐色，后者一般为浅褐棕色、浅黄白色，富镁的岩石中金云母可见紫红色；在铬铁矿床中有时见翠绿色的铬金云母。黑云母、金云母多呈他形-半自形分布于橄榄石、辉石间。在地幔岩中金云母有时呈交代脉状、充填状分布（照片3-18，19，22）。云母一般蚀变为绿泥石。
斜长石 一般情况下不含斜长石，仅在部分变种中见到少量（＜10%）富钙的拉长石、倍长石。半自形板状，有时呈他形粒状包裹橄榄石、辉石等矿物。
3.结构构造该类岩石的基本结构有自形-半自形粒状结构、包含结构、填隙结构、海绵陨铁结构、网状结构、反应边结构。此外，还可见一些地幔岩和堆晶岩的特征结构，例如原生粒状结构、残碎斑结构、镶嵌或板状等粒结构、地幔交代结构及一系列堆晶结构。
自形-半自形粒状结构：是最常见的一种结构类型，橄榄石或辉石呈半自形、自形晶产出（照片3-1）。
包含结构（poikiltic texture）常见辉石、角闪石、斜长石甚至原生碳酸盐矿物包裹自形浑圆状橄榄石构成包橄结构（照片3-2，3）；亦见角闪石等大晶体包裹辉石等的包含结构（照片3-4）。该结构多数是堆晶结构的一种。
填隙结构（interstitial texture）和海绵陨铁结构（sideronitic texture）这两种结构的共同点是橄榄石、辉石等早结晶的矿物颗粒间，充填了稍后形成的金属矿物或其他矿物，类似沉积岩的基底胶结。当后结晶的矿物少时，形成填隙结构（照片3-5）；当后结晶的矿物多时，构成海绵陨铁结构（照片3-6）。该结构也是堆晶结构的一种。
网状结构（netted texture）当蛇纹石沿橄榄石裂纹进行交代时，构成网状结构（照片3-7，8）。
反应边结构（reaction rim texture）在某些橄榄岩中，可见橄榄石外有辉石的反应边，也见其他矿物的反应边（照片3-9，10）。超镁铁质岩中的反应边结构不如辉长岩类发育。
此外，地幔岩中还常见以下特征的结构：
原始粒状结构（protogranular texture）是地幔岩中形成最早的一种粗粒粒状结构，主要矿物橄榄石、辉石，粒径粗大一般在4mm左右，大的橄榄石有时达1㎝甚至更大（可作宝石开采），颗粒间常呈齿状或曲线接触（照片3-11）。局部由于重结晶作用橄榄石可见多边形轮廓，橄榄石常见特征的肯克带（照片3-11）。
残碎斑结构（residual porphyroclastic texture）岩石由强变形的残碎斑晶和较小的碎基组成。残碎斑主要为橄榄石、斜方辉石，粒径较大，前者常见肯克带。碎基与碎斑成分基本相同，且二者光性方位大体保持一致，表明碎基是由碎斑破碎重结晶而成，碎基的部分成分可以为新生矿物，如常见新生的透辉石、尖晶石等小晶体。碎基往往环绕于碎斑周围（照片3-13～16）。该结构表明岩石是在高压塑性流动情况下形成的特点。
镶嵌等粒结构和板状等粒结构（mosaic and tabular equigranular texture）在强塑性流动情况下上述碎斑不复存在，且完全重结晶，便构成了这两种结构。其特点是主要矿物粒度细小（一般0.7mm以下）并相近，矿物之间直线状接触，并常见3个颗粒接触面的3个交角的三会点均为120°（照片3-1，20）。若矿物颗粒无拉长现象时，称之为镶嵌等粒结构；若矿物颗粒拉长且定向排列时，称之为板状等粒结构（此时岩石具叶理构造）（照片3-17）。
地幔交代结构（metasomatic texture of mantle）该结构较常见，主要表现为金云母、斜方辉石或单斜辉石沿早结晶的橄榄石、辉石等颗粒之间充填交代（照片3-19，22）或呈脉状式穿插交代（照片3-12，18，25）。
有关堆晶岩的结构，见本章第四节“层状侵入体（layered intrusion）”中所述。
超镁铁质岩的构造最常见的是块状构造，有时见流动构造、带状构造、叶理构造等。
4.产状超镁铁质岩在地表分布面积较小，它们常与辉长岩类共同构成层状侵入体或以幔源岩包体形式产出，也可见一些与辉长岩类经常共生的独立小侵入体。超镁铁质岩多数遭受蚀变，常见的有蛇纹石化、滑石化、碳酸盐化、绢石化和绿泥石化，当蚀变强时，可形成一些非金属矿床如菱镁矿、石棉、滑石等。与之有关的金属矿产为铬、镍、钴、铂等，我国河北遵化一带、新疆天山以及吉林磐石等地可见含矿（以铬、镍为主）蚀变的超镁铁质岩。
三、主要岩石类型（一）纯橄榄岩纯橄榄岩（dunite）褐绿、黄绿、浅橄榄绿色，几乎全由富镁的贵橄榄石和镁橄榄石组成，含量达90%～100%。＜10%的少量矿物主要是辉石（斜方、单斜），其次为斜长石（向橄长岩过渡时）。副矿物为铬铁矿、尖晶石、磁铁矿、钛铁矿、磁黄铁矿等。纯橄榄岩多为自形或半自形粒状结构（照片3-1），富铁者可见海绵陨铁结构以及反映地幔岩、堆晶岩特点的各种结构，例如常见原始粒状结构、镶嵌或板状等粒结构、交代结构（照片3-1，12，18，19，20，22）、残碎斑结构（照片3-13，14）等。一般为块状构造。多数纯橄榄岩遭受蛇纹石化、滑石化和碳酸盐化等蚀变，新鲜者少见，往往在幔源岩包体中可以见到（照片3-21）。
（二）橄榄岩橄榄岩（peridotite）深绿或浅黄绿色，由橄榄石、辉石（斜方、单斜）组成，橄榄石多为富镁的贵橄榄石，其含量一般为40%～90%，有时含少量（＜10%）褐色角闪石、黑云母、斜长石等。副矿物为磁铁矿、铬铁矿、尖晶石等。具半自形-自形粒状结构、包含（包橄）结构（照片3-2，3）、网状结构（照片3-7，8）、填隙结构（照片3-5）、海绵陨铁结构、反应边结构（照片3-10）及其他反映地幔岩和堆晶岩特点的结构。IUGS按辉石种类不同和是否含角闪石，又将橄榄岩分为以下4个种属（图3-2a），它们还可根据岩石中所含次要矿物、副矿物（前少后多）或蚀变矿物进一步命名。
（1）斜方辉石橄榄岩（harzburgite）或称方辉橄榄岩，由橄榄石和斜方辉石（顽火辉石、紫苏辉石、古铜辉石）组成，且斜方辉石含量是Cpx+Opx总量的≥95%，次要矿物常见的有透辉石、普通辉石、褐色角闪石等（照片3-23～25）。斜方辉石变种可直接参加命名，如顽火辉石橄榄岩（照片3-3）。
（2）单斜辉石橄榄岩（clinopyroxene peridotite）主要为橄榄石、单斜辉石（常为透辉石、斜顽辉石、普通辉石、异剥辉石等），且单斜辉石含量是Cpx+Opx总和的≥95%，其次可见少量褐色角闪石、黑云母。单斜辉石变种可直接参加命名，如异剥橄榄岩（wehrilite）、斜顽辉石橄榄岩等。在IUGS的Opx-Cpx-Ol三角图解中“异剥橄榄岩”作为“单斜辉石橄榄岩”种属的代表岩石。
（3）二辉橄榄岩（lherzolite）由橄榄石（40%～90%）和单斜辉石、斜方辉石组成，后二者每种辉石含量都需≥5%（图3-2a），且近相等（照片3-15）。在碱性橄榄玄武岩的包体中常见来自地幔的尖晶石二辉橄榄岩（如吉林伊通、江苏六合山）（照片3-11，17，26，4-66）和来源更深的镁铝榴石二辉橄榄岩（如福建明溪、河北汉诺坝等地）（照片3-27）。
（4）角闪橄榄岩（hornblende peridotite）主要由橄榄石和褐色角闪石组成，其中角闪石含量占辉石和角闪石总量的95%以上。其次可见少量辉石、金云母、黑云母等。角闪橄榄岩常见包橄结构（照片3-2）。当岩石中辉石增加，角闪石含量在辉石和角闪石总量的5%～95%之间时，称辉石角闪橄榄岩（图3-2b）。
（三）辉石岩辉石岩（pyroxenite）褐黑色或深褐色，辉石含量90%～100%，可含少量橄榄石、褐色角闪石、黑云母、斜长石以及铬铁矿、磁铁矿、钛铁矿等。当橄榄石含量为Ol+Px+Hbl总量的10%～40%时则称橄榄辉石岩（olivine pyroxenite），是介于橄榄岩和辉石岩之间的变种（照片3-9）。辉石岩多为自形-半自形短柱状或等轴粒状结构、似斑状结构、不等粒结构、海绵陨铁结构（照片3-6）及反映地幔岩和堆晶岩特点的结构，块状构造，根据辉石变种分为斜方辉石岩（orthopyroxenite）和单斜辉石岩（clinopyroxenite）。具体有：古铜辉石岩（bronzitite，照片3-4）、顽火辉石岩（enstatitite）、透辉石岩（diopsidite，照片3-16）、异剥辉石岩（diallagite）、钛辉石岩（titanaugitite）、二辉石岩（websterite，照片3-29，30）。根据次要矿物或蚀变可进一步命名，如角闪古铜辉石岩、角闪透辉石岩（照片3-28）、橄榄透辉石岩、蛇纹石化金云母辉石岩（照片3-31）等。
（四）角闪石岩角闪石岩（hornblendite）岩石为暗绿色、褐黑色，主要由普通角闪石组成，含量＞90%，多为褐色、褐绿色，变化后常呈绿色。含少量辉石、橄榄石或斜长石。具中-粗粒半自形粒状结构（照片3-32，33），并常见铬铁矿、磁铁矿等沿角闪石解理分布构成席勒结构（schiller texture）。当角闪石含量占辉石和角闪石总量的1/2以上时，若橄榄石在三者中的含量＜5%，则称辉石角闪石岩；若橄榄石在三者中的含量为5%～40%之间，则称橄榄辉石角闪石岩（图3-2b）。

一、概 述

世界上主要铂、钯工业矿床大都产在大型层状侵入体靠近中心的部位，赋存于界限极为清楚的层状体内。由于这类矿床的含矿侵入岩体多为镁铁质 － 超镁铁质，故被称为层状镁铁质 － 超镁铁质侵入岩型铂族金属矿床。

该类矿床集中了世界铂族金属储量的 70%左右，是世界铂族金属的主要来源，主要分布在南非、津巴布韦、美国、俄罗斯等国，已发现的大型矿床有产在南非布什维尔德杂岩体中的梅林斯基( Merensky) 和 UG2 铬铁岩含矿层，产在津巴布韦大岩墙中的主硫化物带 ( Main Sulfide Zone，MSZ)和产于美国斯蒂尔沃特杂岩 ( Stillwater Complex) 中的约翰斯 － 曼维尔含矿层 ( Johns － Manville，J －M 矿层) 。其他产在层状镁铁质 － 超镁铁质侵入岩中的中小型铂族金属矿床还有: 澳大利亚的穆尼穆尼 ( Munni Munni) 和潘通 ( Panton) 、加拿大的伊勒湖 ( Lac des Iles) 和里弗瓦利 ( River Valley) ，芬兰的佩尼凯特 ( Penikat) ，中国的金宝山等。表 1 列出了世界主要含铂族金属矿床的资源量及相关金属元素的品位。

表 1 世界主要含铂族金属矿床的资源量和品位

资料来源: T. Green，2005

二、地 质 特 征

1. 一般地质特征

许多矿种均能产于各种地质构造环境，但大型的铂族金属矿床却仅产于大型的镁铁质 － 超镁铁质侵入体中。产有这类矿化的侵入岩体通常呈层状赋存于稳定的太古宙或元古宙克拉通或地盾中，年龄多在 29. 40 亿 ～18. 40 亿年之间。侵入体沿主要的地壳岩石圈不连续面分布，深约 8 ～24km，或沿主要地壳构造线或在其附近侵入，形成整合岩盆、倾斜岩席、漏斗状岩体、褶皱岩床和以断层为界的断块。表 2 列出了几个主要的层状铂族矿床的容矿岩体的形成年代、规模和地质环境等基本特征。

表 2 世界主要产有铂族金属矿床的层状镁铁质 － 超镁铁质侵入岩的基本特征

资料来源: T. Green，2005

含矿岩体常为分层的深成岩体，岩石类型为交替和重复出现的镁铁质 － 超镁铁质岩石，表现出多旋回单元的结构特征。分层岩体垂向上通常能形成 3 个岩浆分异系列，分别为斜方辉橄岩 － 斜方辉石岩 － 辉长苏长岩; 斜方辉橄岩 － 斜方辉石岩 － 二辉岩 － 辉长苏长岩; 二辉橄榄岩 － 单斜辉石岩 － 二辉岩 － 辉长苏长岩。这些岩浆分异系列的出现反映了主要造岩矿物结晶的顺序，同时也反映了原始岩浆的成分。

这类矿床的矿体厚度从几厘米至几百米，变化较大。经济价值较大的矿层一般产在侵入体中斜长石结晶的主要成分界面附近 ( 超基性岩 － 基性岩接触带附近) ，即富含 PGE 的硫化物层产在斜长石首次成为堆积矿物的层位以下 20m 到该层位以上 500m，大多数富含硫化物，尤其是富含 PGE 的铬铁岩，产在上述层位以下 150m 到该层位以上几百米。在岩体的垂向剖面中，矿化层的厚度相对整个岩体厚度来说是非常薄的，如澳大利亚的穆尼穆尼矿床的矿化层厚约 2. 5m，而基性 － 超基性岩系厚达4900m，这些矿化层横向延伸非常长，有的长达 20km。

据统计，这类矿床中产出的铂族矿物有 30 种以上，铂族矿物分别可以与硫化物、硅酸盐、铬铁矿或氧化物共生。但铂钯主要呈独立矿物存在，少数呈类质同像分布在硫化物中。主要矿石矿物有各种 PGE 矿物 ( 硫化物、砷化物、碲化物、锑化物) 、黄铜矿、镍黄铁矿、铬铁矿、针镍矿，另外还有磁黄铁矿、黄铁矿、方铅矿、钛铁矿和磁铁矿。

2. 典型矿床地质特征

( 1) 南非布什维尔德杂岩体

布什维尔德杂岩体为一保存极好的特大型中元古代侵入体，未受区域变质作用和大范围构造变形的影响。该杂岩体具有从镁质超基性岩到含磷灰石铁闪长岩的完整分异序列 ( 图 1) 。典型地区的岩层厚度可达 9000m，从下往上分别为下部带 ( 0 ～ 1700m) 、关键带 ( 1700 ～ 3150m) 、主带 ( 3150 ～7860m) 和上部带 ( 7860 ～ 9000m) 。关键带由层状铬铁岩、辉石岩、苏长岩和斜长岩组成。该带因产有许多大的含矿层而得名，如 UG2 和梅林斯基矿层产于其上部 ( 图 2) 。各含矿层位 ( 包括梅林斯基含矿层和 UG2 铬铁岩含矿层) 的横向延伸范围很大 ( 大杂岩体东、西两翼均超过 100km) 。

图 1 南非布什维尔德型镁铁质 － 超镁铁质杂岩体中的岩石类型和矿体类型示意图( 引自 P. Laznicka，2006)

图 2 示出了布什维尔德杂岩体关键带的地层剖面，并给出了各层位的 PGE 含量。每一个铬铁岩层都具有 PGE 的异常富集，一般为 1 ～3g/t。不过，达到工业品位的仅见于杂岩体东翼和西翼的 UG2铬铁岩和梅林斯基含矿层，以及北翼底部接触面附近的一个厚层普拉特里夫 ( Platreef) 矿层。布什维尔德杂岩体所有含矿层在 2km 深度以浅，Pt + Pd 总可采量超过 6200t，Pt/Pd 比值约为 1. 5，不同矿山该比值的平均值几近相同。

A. UG2 铬铁岩含矿层

UG2 铬铁岩含矿层的地质情况和 PGE 含量变化都比梅林斯基含矿层简单。UG2 铬铁岩含矿层厚40 ～ 120m，顶、底界面清楚，含铬铁矿 60% ～ 90% 。在 UG2 主层位上方见有 2 ～ 3 层铬铁岩薄层，产在含长石的辉石岩 ( 往往含橄榄石) 内。UG2 通常下伏以伟晶岩相的粗粒含长石 ( 橄榄石) 辉石岩，其中可含有铬铁岩析离体。少数情况下，UG2 下伏斜长岩。

PGE 只赋存在铬铁岩内，在伟晶岩相底板有矿化的情况下，PGE 赋存于铬铁岩析离体内。整个含矿层的 PGE 品位最高可达 10g/t，但一般约 5g/t。有迹象表明，含矿层越薄，品位越高。含矿层内的品位分布并不均一，底部品位一般较高，另一个峰值位于含矿层中部或顶部 ( 图 3) 。

在含矿层内部，PGE 绝对含量和 Pt/Pd 比值在岩石结构明显变化的部位出现明显变化。在杂岩体东翼的北部，含矿层下半部含有粒状硅酸盐矿物相，上半部为嵌晶状，这可能是两种化学组成不同的铬铁岩层逐次叠置的结果。此外，UG2 的 Cu、Ni 和 S 元素含量极低 ( 平均值分别为 0. 01%，0. 024% 和 0. 023% ) ，Pt、Pd、Ni 和 S 等 4 种组分密切相关。

B. 梅林斯基含矿层

富含 PGE 的梅林斯基含矿层和上覆贫 PGE 的 Bastard 辉石岩处在旋回单元的底部，该旋回单元包含底部一薄层铬铁岩层及上覆的辉石岩、苏长岩和斜长岩。梅林斯基旋回单元是所有旋回单元中最薄的，一般只有 1 ～3m 厚。其底部接触带附近的初始 Sr 同位素比值明显增大，表明在此层位添加了成分明显不同的岩浆。

在布什维尔德杂岩体的不同地段，梅林斯基含矿层的垂向层序和 PGE 矿化的变化比 UG2 大得多。该矿化层中除产有 PGE 外，还伴生有含量为 2% ～ 3% 的硫化物 ( 磁黄铁矿、黄铜矿和镍黄铁矿) 。由于该含矿层的开采始于勒斯滕堡地区，因此人们一直把勒斯滕堡岩相的含矿层视为典型剖面。该典型剖面底部铬铁岩平铺在一层斜长岩或浅色苏长岩上面。铬铁岩上面是 30 ～90cm 厚的伟晶状含长石辉石岩，上覆以另一薄层铬铁岩，再上面是正常粒度的含长石辉石岩 ( 不含橄榄石) 。该辉石岩向上迅速递变为一薄层苏长岩，上覆以斜长岩。在此剖面中，PGE 矿化产在从底板以下 30cm 到上部铬铁岩附近的层段，PGE 品位在上铬铁岩层处出现明显高值，在上铬铁岩层以上迅速降低。梅林斯基含矿层的 PGE 品位在布什维尔德杂岩体西翼为 3. 50 ～9. 5g/t，在东翼为 4. 8 ～5. 8g/t。PGE 在含矿层内的垂向分布变化极大，最高品位对应于铬铁岩层，尤其是上部的铬铁岩层。

图 2 南非布什维尔德杂岩体关键带地层剖面以及东翼和西翼的 PGE 含量( 引自 R. G. Cawthorn 等，2005)

图 3 UG2 矿层及指示层剖面示意和 PGE 的定性分布( 引自 R. G. Cawthorn 等，2005)

( 2) 美国斯蒂尔沃特杂岩体

斯蒂尔沃特杂岩体位于美国蒙大拿州南部，为一镁铁质 － 超镁铁质杂岩体，其下部为超镁铁质( 橄榄石 ＞ 斜方辉石) ，上部为含橄榄石和斜方辉石的辉长岩，顶部受到切截。杂岩体的年龄为2. 7Ga，已部分发生变质。

斯蒂尔沃特杂岩体含有几个层控含硫化物层段，其 PGE 异常富集。其中一个层段为 J － M 含矿层。J － M 含矿层富 Pd，Pt/Pd 比值为 0. 3，Pd + Pt 品位高达 22 ×10－ 6，产在下部条带状辉长岩系底部以上约 400m 处，目前仍在开采。在该条带状岩系内部有一个称为含橄榄石 I 带 ( 或橄长岩 － 斜长岩亚带) 的层组 ( 图 4) 。该亚带内的含橄榄石岩石为粗粒橄长岩和居次要地位的纯橄榄岩，夹有少量斜长岩、苏长岩和辉长苏长岩。含橄榄石岩石的厚度为 1m 至数米，矿物组成极不均一，被称为“混合岩石”。岩石的层理发育不良，不像布什维尔德杂岩体的层理那样规则，含橄榄石透镜体沿走向有尖灭现象。J － M 矿化带就产在其中一个含橄榄石单元内。由于下部含橄榄石岩层不连续，因此难以对整个侵入体内的这些岩层统一编号。在杂岩体西部的布尔德河地区的一个较为完整的剖面内，矿化产在第 5 橄榄石层内 ( 从底部向上计数) ，但其他地区的下伏含橄榄石岩层数目较少。

第 5 橄榄石层内部最佳矿化的垂向部位有变化，不一定局限于单一岩石类型; 矿化局部切割硅酸盐层理。所开采的含矿层内的典型矿化宽度为 1. 6m，但此宽度内的矿化并不均一，常见无矿斑块。PGE 矿化一般与含量为 0. 2% ～ 5. 0% 的浸染状硫化物矿化 ( 磁黄铁矿、黄铜矿、镍黄铁矿等) 伴生。浸染状矿化局部可延伸至下伏岩石，形成大范围高品位区，其厚度可达 30m，走向长度 15m。矿化沿侧向可在 10 余米至百余米的尺度上变化，因此需进行大量钻探才能把含矿层的矿化段与无矿段区分开来。就第 5 橄榄石层内的整个含矿层而论，只有其中大约 38% 的部分达到目前的边界工业品位且实际上被开采。

硫化物还产在 Picket Pin Pt － Pd 带内。该带位于地层部位较 J － M 含矿层高 3000m 的中部条带岩系内，其 PGE 品位很不规则，但可达 3 ×10－ 6。超镁铁质岩系的某些铬铁岩也具有较高的 PGE 含量但极不规则。

( 3) 津巴布韦大岩墙

大岩墙为一延伸极远的元古宙侵入体，几乎纵贯整个津巴布韦，断面为向上的喇叭口状。大岩墙沿走向可划分为若干个区段和亚区段，各亚区段内的矿化十分相似。虽然该侵入体呈岩墙状，但其下部具有向内缓倾斜的超镁铁质岩层，上部具辉长岩质岩石。大岩墙的 PGE 矿化产在超镁铁质层序顶部附近的第一旋回单元的岩层内 ( 图 5) 。从轴部到边缘，第一旋回单元中的辉石岩厚度由 250m 减至 150m，其中部有一个 30 ～50m 厚的低品位带，顶部有一个 2 ～8m 厚的高品位带。

主硫化物带就产在第一旋回单元最上部的二辉岩底部。带内的贱金属和贵金属呈现明显的分离倾向，下半部的 PGE 含量从下往上增高且只有少量 Cu、Ni 富集，而上半部的 PGE 含量由下往上迅速降低，但 Cu、Ni 含量仍相对较高。总的来看，该矿化带内的所有金属都具有微细的分离现象，从底部到顶部，不同金属依次呈现最高含量的顺序为 Ir、Pd、Pt、Ni、Au、Cu。由于 PGE 最高含量与硫化物最高含量不相关，因而不太容易圈定开采范围。目前，3 个开采和勘查地段报道了相似的品位和金属分布，PGE 品位约为 5 ×10－ 6，Pt/Pd 比值为 1. 5。

图 4 美国斯蒂尔沃特杂岩体 J － M 含矿层的剖面图( 引自 G. R. Cawthorn 等，2005)

图 5 津巴布韦大岩墙主硫化带 ( MSZ) 和低硫化带( LSZ) 地层剖面图( 引自 G. R. Cawthorn，2005)

三、矿床成因和找矿标志

1. 矿床成因

人们对该类矿床的成因认识比较统一，认为铂族元素富集主要由岩浆结晶分异形成，且分异作用较为彻底。岩浆结晶早期阶段，硫处于不饱和状态，主要形成含 Os － Ir － Ru 的铂族矿物，且和铬铁矿共生。至中晚期阶段，硫逐渐饱和，导致硫化物熔体的形成。这些硫化物熔体和新上侵的岩浆充分混合，导致大量铂族金属在硫化物熔体中富集，形成富集 Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、Os 的铂族金属矿床。至于南非为什么会有这么多的铂族元素矿床，目前学术界认为地幔柱理论可较好地解释，即稳定的地台受到地幔柱长期的侵入而形成了结晶分异非常完整的布什维尔德杂岩体，杂岩体的形成过程伴随着大规模的成矿作用。

总的来看，目前人们普遍认为横向广延的层控矿化层是岩浆成因的，但晚期岩浆和热液作用对某些矿床也起一定作用。其中重要的成矿作用包括: ①成分不同的岩浆混合; ②原始岩浆的地壳混染;③晶体分离 ( 结晶分异) ; ④硫化物流体的不混溶性和硫化物和/或铬铁矿的重力沉降; ⑤挥发物引起的堆积岩部分熔融; ⑥中间堆积岩的压滤作用; ⑦上升的富 Cl 热液。不同阶段的不同成矿作用可形成不同类型的矿床，图 6 示出了层状镁铁质 － 超镁铁质侵入体中与各类成矿作用有关的铂族矿床类型。从图中可见，早期硫饱和的原始岩浆在地壳混染和重力沉降的作用下，可沿底部接触带或补给通道的构造在凹入处形成贫 PGE 的块状硫化物矿床 ( A) ; 残留岩浆与斜长岩分异前的原始岩浆发生局部混熔，可能会形成贫 PGE 的硫化物岩层或铬铁矿层 ( B) ; 不饱和硫的富 PGE 原始残留岩浆与大规模的硫饱和的辉长岩岩浆混合，能形成与旋回单元无关的富 PGE 岩层 ( C) ; 残留岩浆与更多的斜长岩结晶后的原始岩浆发生湍流式混合，可形成富 PGE 的硫化物层或铬铁矿层 ( D) ; 挥发物引起的堆积岩部分熔融，使得硫饱和时也能使 PGE 富集 ( E) ; 构造控制的热液型 PGE 有色金属矿床能在侵入岩的内部或外部形成 ( F) 。

图 6 层状镁铁质 － 超镁铁质侵入体中与地壳混染、结晶分异、岩浆混合、部分熔融和热液流体成矿作用有关的各类 PGE 矿床的成因模型( 引自 D. M. Hoatson，1998)

2. 找矿标志

( 1) 地质找矿标志

1) 镁铁质 － 超镁铁质侵入体，规模大、分层特征明显。侵入体面积一般具上百平方千米，分层明显，存在清晰的超基性岩 － 辉长岩接触带界面等。大部分 PGE 矿体产在层状侵入体的中部，只有少数矿体出露于层状杂岩体的底部，如芬兰的 Narka 和加拿大的马斯考克斯 ( Muskox) ，但目前只有产在布什维尔德侵入体底部的普拉特里夫具有工业价值。该类矿床成矿时代多为太古宙，成矿过程中有分异程度更高的岩浆注入。由于该类矿床的控矿侵入体规模一般都比较大，因此在寻找该类矿床时应将其作为一个系统来研究。表 3 列出了成矿带、成矿区、矿田和矿床等不同尺度的勘查靶区在层状镁铁质 － 超镁铁质杂岩中产出的地质位置，可将其作为一个重要地质找矿标志。

表 3 层状镁铁质 － 超镁铁质杂岩中不同成矿级次的地质产出特征

资料来源: Е. С. Заскинд 等，2006

2) 层控硫化物层和铬铁岩矿层: 因为含 PGE 矿化常产于有稀疏浸染状硫化物的岩石和铬铁岩矿层之内及其之上。硫化物层呈斑状、伟晶状，颗粒粗，常含辉石岩; 铬铁岩呈块状或浸染状，常含纯橄岩、橄长岩和正辉石岩等。如果这两类岩层具有很大的侧向连续性，就可以较容易地探测到。但应注意的是，层控硫化物层通常很簿，地球物理特征不明显 ( 浸染状硫化物含量为 1% ～2%，体积) ，很难探测到，不过通过详细的地层层序分析可以确定。

3) 岩浆侵入过程中有硫不饱和的现象出现。如果整个侵入体都是硫饱和的，则应调查最厚的堆积岩系底部接触带内凹处的 Ni － Cu － Co － PGE 硫化物矿床; 如果侵入体有一部分是硫不饱和的，则应确定层控的和其他形式的 PGE － Cu － Ni 矿的硫饱和层位。一般来说，基性岩的母岩浆 ( 含 S 大于约 1000 ×10－ 6) 是硫饱和的，岩浆在侵入体结晶中期也可出现硫不饱和现象。

( 2) 岩石学找矿标志

1) 高 Mg ( 含 MgO ＞ 10% ) 、高 Cl 的岩浆有利于形成大矿。

2) 矿化与浸染状岩浆 Fe － Ni － Cu 硫化物共生，共生层位在侵入体底部之上，常常是在斜长石首次成为堆积矿物的层位之下 150 ～ 500m 处。层控矿层薄 ( ＜ 3m) ，但厚度和品位横向上很稳定。岩石共生是岩浆混合形成的，常包括各种混染岩石和偶然崩滑岩块。

3) 旋回性岩石单元: 矿化层产在旋回性岩石单元底部，如梅林斯基和 J － M 层，或与旋回性岩石单元有空间关系。

4) 矿床底板层多呈不整合，是岩浆侵蚀作用的结果。底板层序中含有作为主要镁铁质矿物的斜方辉石，底板内产有富氯矿物 ( 磷灰石和其他含水矿物) 。

5) 地层剖面中的 S、Cs、Zr、Rb、Sr、Se、Cu 含量和 ( Pt + Pd) / Cu、 ( Pt + Pd) / S、 ( Pt + Pd) /Zr、( Pt + Pd) / Ir、Pt / Pd、Cu / Zr、Mg / ( Mg + Fe) 比值若存在明显不连续性，说明有新岩浆的注入。该标志可指示硫饱和层位和岩浆混合形成的层控矿层的存在。

( 3) 地球物理找矿标志

1) 层控矿化层呈浸染状，硫化物含量低 ( ＜ 3% ，体积) ，厚度小，用物探法确定侵入体比确定矿化层的宏观特征更有效。电法 ( 例如电磁法和激发极化法) 很少用来圈定富含 PGE 的层控矿层( 多用于圈定底部 Ni － Cu － Co － PGE 硫化物矿床) 。

2) 岩体常具有异常的 ( 正异常) 重力场和磁场。航空磁法和重力法可用来圈定出露不好的侵入体的区域范围、几何形态和主要构造。

3) 航空磁法可帮助确定辉长岩带年轻化 ( 时代变新) 的总体方向 ( 存在原生磁铁矿) 和超基性岩带蛇纹石化强度 ( 由橄榄石形成的次生磁铁矿) 。

4) 综合伽马射线光谱法可确定基性 － 超基性岩的区域分布，因为这些岩石的 K、Th 和 U 含量低。

5) 陆地卫星影像与地质填图对判别超基性、基性和酸性岩石类型、线性构造体和主要构造十分有用。

( 4) 地球化学找矿标志

1) 矿区范围内常出现 Ni、Cu、Co 地球化学背景值增高; 矿田的岩石中 Cu、Ni、Co、Au、Ag和铂族金属局部背景值增高。对侵入体的取样间距应为 10 ～20m，Cu/Pd 值增高，可作为下面有矿化层位的标志。

2) Pt、Pd、Cu、Ni、Cr、Co、Au、Mg、As、Hg 为较好的探途元素，可进行岩石、土壤和水系沉积物测量。

3) 常见的重砂矿物有砷铂矿、铜镍硫化物、磁铁矿、钛磁铁矿和铬铁矿等。

4) 土壤中有铬铁矿块，水系沉积物中铬铁矿粒丰富，指示有层控铬铁岩层存在。

( 唐金荣 周 平)