東昆侖石頭坑德銅鎳硫化物礦床磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦特征及硫飽和機制研究

周偉，祁曉鵬，徐磊

（中陜核工業集團地質調查院有限公司，陜西 西安 710100）

0 引言

石頭坑德礦床是繼夏日哈木超大型銅鎳礦床之后，在東昆侖造山帶發現的又一例巖漿銅鎳硫化物礦床，該礦床位于青海省東昆侖造山帶五龍溝溝腦（北緯35°57′05″；東經96°11′08″），已探獲鎳資源量6.98×104t（Ni平均品位1.17%），鈷0.33×104t（Co平均品位0.04%），銅0.09×104t（Cu平均品位0.21%）（謝恩順等，2017），礦床規模已達中型。石頭坑德巖漿銅鎳硫化物礦床與夏日哈木同處東昆侖造山帶，大地構造位置極其相似。周偉等（2016）從巖體的原生巖漿、構造標志、巖石組合、直接礦化標志及礦物組合方面分析其成礦潛力；董俊等（2017）研究了巖體的地質特征和成礦條件，并認為巖體是多期次巖漿侵入的產物，深部成礦條件有利；謝恩順等（2017）報道了該巖體的巖石礦物特征，通過與夏日哈木礦床的對比，總結了石頭坑德巖體有利成礦的條件；張照偉等（2017）結合巖體的礦物學特征，探討了對成礦的指示作用。以往的研究工作主要集中在巖體含礦性評價及成礦潛力方面，對礦床中的金屬硫化物研究略顯不足。眾所周知，磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦是巖漿銅鎳礦床中最主要的金屬礦物，其形成與成礦過程密切相關（楊鎮等，2014；芮會超等，2016；張志炳等，2017；呂曉強等，2019）。石頭坑德礦床中的磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦有何特征？它們對巖漿銅鎳成礦又具有什么指示意義？本文在開展地質調查和鉆探工作的基礎上，通過對礦區不同礦石開展礦相學的研究，并結合磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦電子探針微區測試技術和礦石硫同位素特征，論述了磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦的結晶條件，探討了礦床硫達到飽和的機制，為研究礦床成因提供新證據。

1 區域地質背景

石頭坑德銅鎳硫化物礦床位于柴達木地塊南緣，東昆侖造山帶東段的五龍溝地區（圖1a）。東昆侖造山帶位于中央造山帶西段，其東、西兩端分別被溫泉-哇洪山斷裂和阿爾金斷裂所截切。不同學者根據區域斷裂和蛇綠構造混雜巖帶對東昆侖構造單元進行了劃分（青海省地質礦產局，1991）。以昆北、昆中、昆南3條區域性大斷裂為界，從北向南依次將東昆侖造山帶分為東昆北帶、東昆中帶、東昆南帶和巴顏喀拉-松潘甘孜帶，即“三斷裂四分帶”。昆北斷裂是穿越格爾木的東西走向的山前逆沖斷裂，昆中斷裂由西向東穿越阿牙克庫木湖、納赤臺和清水泉，昆南斷裂由西向東穿越木孜塔格、昆侖山口，直至阿尼瑪卿帶。昆北斷裂以北為昆北區，主要為柴達木盆地。昆北斷裂和昆中斷裂之間為昆中區，昆中斷裂和昆南斷裂之間為昆南區，昆南斷裂以南為巴顏喀拉-松潘甘孜區。

2 礦床及礦石地質特征

石頭坑德礦區內的前寒武紀變質巖石主要為古元古代金水口巖群，由下部白沙河巖組和上部小廟巖組組成。下部白沙河巖組主要由大理巖、片麻巖、混合巖和角閃巖等組成；上部小廟巖組主要由石英巖、大理巖、片麻巖和片巖等組成。礦區內出露3個鎂鐵-超鎂鐵質巖體（圖1b），直接圍巖為金水口巖群白沙河巖組的黑云斜長片麻巖，銅鎳礦床賦存于Ⅰ號雜巖體內，Ⅰ號雜巖體主要由輝長巖、輝長蘇長巖、暗色橄欖輝長巖、單輝輝石巖、二輝輝石巖、方輝輝石巖、單輝橄欖巖、方輝橄欖巖和純橄巖等多種巖石組成。賦礦巖石主要為橄欖巖和輝石巖。礦石中脈石礦物主要為尖晶石+橄欖石+輝石+角閃石+斜長石組合。礦石礦物主要為磁黃鐵礦+鎳黃鐵礦+黃銅礦，并發育少量鉻鐵礦、磁鐵礦、紫硫鎳礦、馬基諾礦、鈦鐵礦、白鐵礦，石墨偶見。按照成因特點，礦石可分為3種類型，即就地熔離型、礦漿貫入型和熱液交代型三類（圖2）。

圖1 石頭坑德礦床大地構造位置（a）（據孟繁聰等，2013）和礦床地質簡圖（b）

圖2 石頭坑德礦石野外照片

就地熔離型礦石：廣泛發育于早期硫化物階段，伴隨著橄欖石、輝石、斜長石等硅酸鹽礦物結晶，硫逐漸飽和，發生硫化物熔離作用，聚集成硫化物浸染體，這些硫化物浸染體呈膠結物狀充填于中細粒硅酸鹽晶體粒間，形成海綿隕鐵狀結構（圖3a）。浸染體為磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦集合體（圖3b～c），粒度多在0.5～1 mm之間，最大可達3 mm。磁黃鐵礦為較早熔離出的金屬礦物，稍晚出溶的鎳黃鐵礦沿磁黃鐵礦晶格析出，這些鎳黃鐵礦有的具有定向分布的特點。黃銅礦浸染體出溶很少，在局部范圍內，可見以鎳黃鐵礦為主的硫化物（圖3d），甚至可見單一較自形鎳黃鐵礦（圖3e），這反映了礦石富鎳貧銅的特點。此階段也有很少量磁鐵礦、鈦鐵礦發育。這類礦石主要為星點狀、浸染狀及海綿隕鐵狀礦石。

圖3 石頭坑德礦石鏡下照片

礦漿貫入型礦石：隨著硫化物不斷富集，形成富含硫化物的礦漿，沿著巖石破碎面貫入，形成準塊狀-塊狀、團塊狀、斑雜狀礦石，金屬礦物以磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦為主，黃銅礦較少，多具有自形-半自形粒狀結構、固溶體分離結構。

熱液型交代礦石：受巖漿期后熱液控制，硫化物呈細脈狀，沿著構造裂隙充填，交代溶蝕結構發育，金屬礦物以黃銅礦較多，磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦、紫硫鎳礦、馬基諾礦、磁鐵礦次之，也見鈦鐵氧化物。鎳黃鐵礦可蝕變為紫硫鎳礦（圖3f～g），馬基諾礦可交代磁黃鐵礦（圖3h）。熱液期磁鐵礦細脈極為發育，沿磁黃鐵礦邊緣形成環邊。鉻尖晶石晶粒碎裂，可被磁鐵礦穿切交代（圖3i）。紫硫鎳礦交代磁黃鐵礦，磁黃鐵礦有微弱白鐵礦化，更晚期階段可見熱液磁鐵礦交代熱液鈦鐵礦。

3 金屬硫化物特征

金屬礦物微區分析在長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室采用JXA-8100型電子探針完成。實驗條件：電壓15 kV；束電流2.0×10-8A；束斑大小0.5 μm；分辨率6 nm。

3.1 磁黃鐵礦

磁黃鐵礦常發育在熔離型礦石和貫入型礦石中。反光鏡下具有淺粉紅色微帶紫色調，與鎳黃鐵礦共生時，粉紅色調更加明顯，具有微弱多色性，強非均質性，硬度中等。石頭坑德礦石磁黃鐵礦電子探針數據見表1。其中，S含量變化于35.95%～38.21%；Fe含量變化于59.98%～61.54%；Pb含量變化于0.09%～0.22%；Cu變化于0%～0.19%；Ni含量為0%～0.20%；基本不含As和Co。這些特點表明，石頭坑德礦石磁黃鐵礦具有Pb、Cu、Ni等元素置換Fe的現象，并且Ni含量要高于Cu，這也與礦石中富鎳貧銅一致，反映了巖漿自身高Ni低Cu的屬性。磁黃鐵礦的化學通式可表示為Fe1-XS（0≤X≤0.125），根據Fe（mol%）的含量，可分為六方磁黃鐵礦（hpo；NC型）、單斜磁黃鐵礦（mpo；4C型）和斜方磁黃鐵礦三種類型。六方磁黃鐵礦（NC型）N值可以為1、5、6、7、11，當N為2時，就是隕硫鐵（Becker et al.,2010；Dupuis et al.,2011）。通過計算，石頭坑德礦石磁黃鐵礦Fe（mol%）=47.39～49.35，相應的，分子式為Fe0.901S～Fe0.972S，表明均屬于六方磁黃鐵礦（hpo），在圖4中，樣品分別位于NC型和2C+NC型。

表1 石頭坑德礦石磁黃鐵礦電子探針結果/%

圖4 石頭坑德磁黃鐵礦鐵原子百分數頻率分布（據Arnold，1962）

3.2 鎳黃鐵礦

鎳黃鐵礦出現在熔離型礦石、貫入型礦石和熱液期礦石中，反光鏡下呈淡黃色調，比磁黃鐵礦略微亮白，比黃銅礦黃色略淡。鎳黃鐵礦具有均質性，無磁性，反射率介于黃鐵礦和方鉛礦之間。石頭坑德礦石鎳黃鐵礦電子探針數據見表2。S變化于32.88%～34.58%，平均為33.54%；Fe變化范圍較大，介于33.38%～38.88%，平均36.24%；Ni變化范圍為20.50%～32.86%，平均為28.41%；Co變化于0.16%～1.24%，平均為0.52%。鎳黃鐵礦Co含量遠遠高于磁黃鐵礦，說明Co更易賦存于鎳黃鐵礦中。通過標準礦物計算，石頭坑德鎳黃鐵礦Fe（mol%）=4.64～5.90，Ni（mol%）=2.96～4.34，Co（mol%）=0.02～0.17。

表2 石頭坑德礦石鎳黃鐵礦電子探針結果/%

4 討論

4.1 磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦結晶溫度

磁黃鐵礦屬于單硫化物，在各種內生金屬礦床中常見，尤其在巖漿銅鎳硫化物礦床中廣泛發育，是重要的造礦礦物。一般認為，單斜磁黃鐵礦的形成溫度較低，其形成溫度不高于304±6 ℃（Arnold，1962；Kissin and Scott,1982）。當硫化物集合體溫度下降至該溫度以下時，單斜磁黃鐵礦（mpo）才會從六方磁黃鐵礦（hpo）中出溶，形成含有單斜磁黃鐵礦和六方磁黃鐵礦的混合硫化體（圖5）。電子探針結果顯示，石頭坑德礦石磁黃鐵礦均為六方磁黃鐵礦，表明其結晶溫度要高于304 ℃。實驗巖石學結果表明，當體系緩慢降溫時，黃鐵礦首先從六方磁黃鐵礦中出溶；如果經歷快速降溫的過程，六方磁黃鐵礦中多余的硫不完全以黃鐵礦的形式出溶，則當溫度降至254 ℃以下時，會有單斜磁黃鐵礦的出溶現象發生（Arnold，1962；Dupuis et al.,2011）。在顯微鏡下，并未發現磁黃鐵礦與黃鐵礦相互交生的現象，一方面說明了體系經歷了快速降溫的過程，另一方面可能與體系中硫并不富足有關。

圖5 Fe-S系統相平衡簡圖（據Kissin and Scott,1982）

磁黃鐵礦中Fe的含量與體系的溫度存在線性關系，張述根等（2011）根據磁黃鐵礦Fe（mol%）和其形成溫度（T/℃）擬合出線性關系：T=-201.22Fe（mol%）+9854.32，該公式適合Fe（mol%）=45.50～47.50的磁黃鐵礦。筆者認為，該公式只能約束磁黃鐵礦結晶溫度的下限。將磁黃鐵礦（4001-2-4）Fe（mol%）=47.39 代入上述公式，得到T=319 ℃，說明石頭坑德磁黃鐵礦結晶溫度高于319℃，而磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦固溶體分離溫度區間為300～500 ℃（Naldrett et al.,2000），兩者可相互印證。實驗巖石學表明，自形鎳黃鐵礦的結晶上限溫度為865±3 ℃（Sugaki et al.,1998；Dare et al.,2012），顯微鏡下可見兩種產狀的鎳礦鐵礦，一是從磁黃鐵礦中出溶的鎳黃鐵礦，二是單一的較自形鎳黃鐵礦，進而推測前者結晶溫度低于后者。綜合以上論述，石頭坑德磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦結晶溫度可大致約束在865～319 ℃。

4.2 硫飽和機制

研究表明，巖漿Cu-Ni-Co-PGE硫化物礦床金屬元素來源于地幔，成礦的關鍵是巖漿中硫達到飽和狀態，與Cu、Ni、Co、PGE等親銅元素結合形成硫化物，引起巖漿中硫飽和的因素主要有：同化混染作用、地殼硫的加入以及分離結晶作用（Naldrett et al.,2000；Ripley et al.,2003；Ripley and Li,2017；湯中立等，2006）。

石頭坑德礦石δ34S介于1.9‰～4.3‰（周偉等，2016），說明有地殼硫的貢獻，地殼硫加入巖漿后，增加了硫的含量，促使硫達到飽和。另一方面，巖體中發現的圍巖捕擄體以及礦石中石墨礦物的存在，都可視為同化混染的直接證據。石頭坑德巖體圍巖主要為片麻巖，此外還有少量大理巖，這些富硅、鈣巖石的加入可以增加巖漿中SiO2的活度，使巖漿氧逸度增高，進而可以降低巖漿中硫的溶解度，促使硫達到飽和。石頭坑德巖體巖石類型多樣，造巖礦物有尖晶石、橄欖石、輝石、角閃石、斜長石等，這些含鐵鎂、硅鋁礦物的分離結晶，會降低巖漿中FeO的活度，進而降低了硫逸度，使體系達到硫飽和。此外，前已述及，石頭坑德巖漿體系可能經歷了快速降溫的過程，這也可以引起硫化物發生熔離，但這并非主導因素。

因此，地殼硫的加入、圍巖同化混染作用以及分離結晶作用，是促使石頭坑德礦床硫飽和并發生熔離的重要因素。

5 結論

（1）石頭坑德礦石中脈石礦物主要為尖晶石+橄欖石+輝石+角閃石+斜長石組合。礦石礦物主要為磁黃鐵礦+鎳黃鐵礦+黃銅礦組合，少量鉻鐵礦、磁鐵礦、紫硫鎳礦、馬基諾礦、鈦鐵礦、白鐵礦，石墨偶見。礦石可分為就地熔離型、礦漿貫入型、熱液交代型三類。礦石具有富鎳貧銅的特點。

（2）石頭坑德磁黃鐵礦分子式：Fe0.901S～Fe0.972S，為六方磁黃鐵礦（hpo），屬于NC型和2C+NC型，磁黃鐵礦結晶溫度高于319 ℃，結晶體系經歷了快速降溫的過程。鎳黃鐵礦分子式中Fe（mol%）=4.64～5.90，Ni（mol%）=2.96～4.34，Co（mol%）=0.02～0.17，單一的較自形鎳黃鐵礦結晶溫度高于從磁黃鐵礦出溶的鎳黃鐵礦。磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦結晶溫度可大致約束在865～319 ℃。

（3）地殼硫的加入、圍巖同化混染作用以及巖漿結晶分異作用，是促使石頭坑德礦床硫達到飽和并且發生熔離作用的重要因素。