吉林通化县赤柏松铜镍矿床

一、大地构造单元

赤柏松铜镍硫化物矿床位于华北陆块北缘东段的南部龙岗陆核内，隶属吉林铜镍硫化物矿床龙岗陆核东西成矿亚带。矿床产在吉南地台区的龙岗陆核南缘与辽吉古元古代裂谷交接地带，受龙岗陆核边缘的断裂控制。

赤柏松矿床属于稳定构造环境中与镁铁质—超磁铁质侵入体有关的矿床。现已发现这类侵入岩共有70余个，其中赤柏松1号岩体已构成大型铜镍矿床，其他新安、金斗岩体赋存小型铜镍矿床。

二、矿区地质

（一）构造

在成岩成矿作用中扮演重要角色的控制构造是赤柏松穹隆构造。它分布在金斗-赤柏松一带，长22km，宽17km，近SN走向，其核部由奥长花岗岩、翼部由英云闪长岩组成，片麻理产状明显地显示出穹隆状构造。穹隆构造的张裂隙在赤柏松一带控制了较古老的变质基性岩脉的产出。著名的赤柏松1号含大型铜镍硫化物矿床的基性-超基性岩体产于穹隆构造边部的、近SN向的多次活动的断裂构造中，与早期变辉长辉绿岩墙复合在一起，构成一复式岩体。据不完全统计，该穹隆构造控制了30余个基性-超基性岩体。

（二）岩体地质特征

区内岩体均不整合地侵入于年龄为2562Ma变质基性岩脉切穿的角闪麻粒岩相灰色片麻岩系（TTG岩系）内。片麻岩的变质温度为700～800℃，压力为0.6GPa。岩体的直接围岩是夹有斜长角闪岩与磁铁石英岩包裹体的英云闪长岩。

赤柏松1号含矿岩体与太古宙围岩的接触带上发育有角岩化及混染岩化带（图2-21）。岩体全岩钾稀释法年龄为1960～242Ma（据中科院地质研究所测定，1979）。

1.岩体产状、形态与规模

岩体呈墙状产出（图2-21），总体走向5°～10°，倾向与倾角均有变化，北段倾向SEE，倾角由北向南渐陡，变化为55°～86°；南段倾向NWW，倾角变化为63°～85°。岩体控制长4800m，宽40～140m，出露面积约0.4km²。北端翘起，向SE侧伏，侧伏角45°左右。沿走向岩体膨胀不一，底部形态不规则，呈参差不齐的“根须状”。

2.岩相及其相互关系

赤柏松1号岩体是伴随辽河期构造运动，沿断裂多次侵入形成的含矿复式基性-超基性岩体。主要由变辉长辉绿岩相，矿化中色橄榄辉长苏长岩相，含矿暗色橄榄辉长苏长岩相与含矿细粒辉长苏长岩相组成。除中色橄榄辉长苏长岩与暗色橄榄辉长苏长岩相同为“隐秘侵入接触”关系外，其余各岩相间均为明显侵入接触关系。由于中色与暗色橄榄辉长苏长岩岩浆之间系液态接触，故在二者交接带上发生了岩浆液态混合作用，形成了作为二者过渡带的混熔岩，其中Cu、Ni大量富集成矿，从而得出岩浆混合作用对铜镍矿成矿有利的结论（芮宗瑶等，1994；傅德彬，1991）。

3.岩石矿物特征分析

把42个主要岩相的硅酸盐全岩分析数据进行调整、平差、求和后，用CIPW法进行了标准矿物计算，然后投到国际地科联（1972年）的Pl-Oli-（Opx+Cpx）三角形四面体断面图上，其投影点分别落在暗色橄榄辉长苏长岩区、中色橄榄辉长苏长岩区与辉长辉绿岩区。除了中、暗色橄榄辉长苏长岩间形成混熔岩区介于Ⅰ与Ⅱ区之间外，各区之间无过渡现象，即彼此间并非结晶分异相变关系。

通过主要造岩矿物的成因矿物学研究得知，斜长石在无矿岩相中呈白色，在含矿岩相中呈灰—粉灰色。晶胞参数a₀、b₀、c₀及轴角α₀在含矿岩相具增大趋势。含矿岩相中斜长石An偏低，MgO与FeO含量偏高。各岩相中斜长石的δ¹⁸O=6.11‰～9.82‰，平均为7.15‰。橄榄辉长苏长岩与辉长辉绿岩岩相中斜长石的有序度不同，前者为0.70～0.83，后者约为0.20。

在主要岩相中几乎都同时存在斜方与单斜两类辉石。中色橄榄辉长苏长岩中的单斜辉石为透辉石-次透辉石，暗色橄榄辉长苏长岩中则为顽透辉石-普通辉石系列单斜辉石。同一岩相中存在两个系列的单斜辉石，而且成分互不连续，彼此结晶温度不一。斜方辉石主要是古铜辉石与紫苏辉石，相比之下，中色橄榄辉长苏长岩中的斜方辉石成分较暗色橄榄辉长苏长岩中的相对稳定，前者En为65～80，后者En为65～92。同一岩相中的斜方辉石较单斜辉石中S、Ni含量高；不同岩相中，偏基性者Cu、Ni含量较高。暗色橄榄辉长苏长岩相中单斜辉石内的

岩体中的橄榄石Fo为61.54%～81.11%，相当于贵橄榄石-透铁橄榄石系列。贵橄榄石主要产于含矿岩相中，透铁橄榄石则主要产于非含矿岩相中。含Fo=75%～81%的橄榄石的岩相对成矿有利。

图2-21　赤柏松Ⅰ号基性岩体地质图　Fig.2-21　Geological map of basic Intrusion No1.In Chibaisong

1—黑云角闪斜长片麻岩；2—暗色橄榄辉长苏长岩；3—中色橄榄辉长苏长岩；4—辉长辉绿岩；5—细粒辉长苏长岩；6—辉长玢岩；7—闪长岩；8—闪长玢岩；9—钠长斑岩；10—破碎带；11—岩相界线；12—矿体；13—片麻理产状；14—岩体接触带产状

4.岩石化学及特征

岩体中w（SiO₂）=41%～53.3%，属基性—超基性过渡类型岩石，据A.A.Marakushev（1979年），此类型岩石对镍矿成矿有利。w（MgO）=5%～27%，其中含矿岩相w（MgO）=15%～27%，属中温含硫化物镁铁质岩石，无矿岩相w（MgO）=5%～7%，属低温无硫化物镁铁岩石（按A.П.Aиачеъ,1979）。扎氏数字主要特征：b=35.1～57.7,m′＝52.8～78.27,n=75.76～85.71,a/c=0.85～1.03。此外，含矿或矿化岩相（m/f）/（m/s）＝4∶1～2∶1,m/f=1.7～4.7，属铁质基性岩类，其中m/f=3.4～4.7者含矿性甚佳。m/s=0.7～1.24是辉长苏长岩类的特征，其中尤以m/s=1.08～1.24者含矿性最好。asi=37～45，其中asi=37～40者含矿性好。ack/m=1.8～6.3，其中以1.8～3.0者含矿性最好。MacDonnald指数F=30～50,A=0～10,M=40～70，故岩体属于拉斑玄武岩类岩浆产物。

赤柏松1号岩体中共查定有62种元素，它们在岩石、矿石中的分布及组合情况示于图2-22。各岩相中有益元素含量和REE及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值等列入表2-9中。由表可知，各侵入相中造矿元素的含量随岩性基性程度增加而增加，其中Co相对稳定，S变化大，Cu与Ni变化适中。w（LREE）/w（HREE）值则随岩石基性程度增加而减少。δ³⁴S＝—0.13‰～＋1.3‰，32S/34S=22.216～22.281，接近陨石硫数值。

5.岩体成因

综上所述，赤柏松1号岩体是地幔物质部分熔融形成的大陆拉斑玄武质岩浆，转移到中间岩浆库后，经过深渊液态层状不混熔作用，于古元古代辽河运动时期沿辽吉古裂谷逐次上侵，最后在太古宙地体中停留下来，于岩浆房内冷凝形成了辉长苏长岩质基—超基性含矿复式岩体。

三、矿床地质

（一）矿体

图2-22　赤柏松Ⅰ号岩体中元素分配及组合规律　Fig.2-22　Distribution and association of element of Intrusion No.1in Chibaisong

1—造岩矿物中的元素；2—金属矿物中的元素；3—赋存状态尚未查明的元素；4—最主要的造岩、造矿元素组合；余者为岩体中尚未发现的元素

表2-9　赤柏松含矿岩体中Cu、Ni、Co、S平均含量和REE及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值　Table 2-9　Average content of Cu-Ni-Co and S and ratio of REE and ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr in ore-bearing intrusion

矿体主要分布于岩体及部分围岩内：在岩体中者，矿石赋存在暗色橄榄辉长苏长岩相、混熔岩相、细粒辉长苏长岩相与辉长玢岩（硫化物胶结辉长玢岩角砾）岩相内；在围岩中者系沿裂隙贯入的脉状硫化物矿石，居次要地位。在空间上，矿体主要分布在岩体的底部边缘，少数为受裂隙构造控制的致密块状与条带状的矿脉产于岩体内或其边部的构造裂隙发育地段。

矿体产状与含矿侵入岩相产状相一致。故矿体亦伴随岩体在北端翘起，深部向SE方向侧伏。矿体地表出露长200m，厚度变化为24.72～31.15m。侧伏方向上已控制深度1000m（垂深740m）。厚度通常变化为35.12～42.95m，深部最小厚度为2.34m。在侧伏方向上矿体厚度比较稳定，在目前探矿工程所达之处矿体尚未尖灭。

控制矿体空间分布的因素有三：一是受侵入岩相控制，含矿岩相的空间分布即矿体的空间分布，如在岩体下部的暗色橄榄辉长苏长岩相中，控制了发育在其中的以稀疏浸染状、浸染状与斑点状矿石为主的同生矿体；二是受构造角砾岩带控制，富镍纯硫化物矿浆沿岩体与围岩的破碎接触带，特别是沿辉长玢岩角砾间贯入，形成块状与角砾状后生矿体；三是受构造裂隙控制，即以铜为主的铜镍纯硫化物矿浆，沿岩体底部边缘的岩体或矿体中的裂隙贯入，形成脉状与条纹状后生矿体。

矿体的上部界线在中色橄榄辉长苏长岩相的下部，亦即中色橄榄辉长苏长岩相与暗色橄榄辉长苏长岩相接触部位所形成的混熔岩相的上部，矿体与围岩（母岩）为渐变关系；而矿体下部界线在太古宙变质岩系围岩中，矿体与围岩为侵入关系。

（二）矿石矿物

不同类型矿石中的金属矿物有：

硫化物类：磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铜矿、针镍矿、紫硫镍铁矿、辉镍矿、方黄铜矿、黄铁矿、墨铜矿、斑铜矿、方铅矿、闪锌矿、辉铜矿、硫镍钴矿、白铁矿等。

氧化物类：铬铁矿、磁铁矿、钛铁矿、赤铁矿、尖晶石、金红石、钙钛矿、锐钛矿等。

自然金属矿物：自然金。

铂族元素矿物：铋碲钯铂矿、铋碲铂钯矿、硫铂矿、等轴铋碲钯矿等。

矿物共生组合的一个明显特征是，含矿岩相内同生矿石几乎千篇一律地为磁黄铁矿、镍黄铁矿与黄铜矿组合，与世界上同类矿床中的矿石矿物组合相同，其他矿物则所见甚微。此外，在富铜的条纹状矿石中出现的硫化物矿物共生组合主要是黄铜矿、针镍矿与黄铁矿（傅德彬，1991）。

（三）矿石结构构造

矿石主要构造有浸染状、斑点状、脉状、细脉浸染状、角砾状、块状与条纹状等构造。矿石结构主要是共结结构、固溶体分解结构、交代结构、似文象结构等数种。

（四）矿石化学成分及有用组分赋存状态

作为主要工业利用的元素为Ni和Cu，镍平均品位为0.594%，铜平均品位为0.274%。主要伴生有益组分有Co、Pt、Pd、Au等。

主要镍矿物是镍黄铁矿，其次是针镍矿，辉镍矿，硫镍钴矿。在磁黄铁矿与黄铁矿中含少量的以类质同象形式存在的镍。钴主要是以类质同像形式赋存在镍黄铁矿和黄铜矿中，而呈独立的硫镍钴矿者罕见。铜矿物主要是黄铜矿，在磁黄铁矿与黄铁矿中有极少量的铜元素存在。

四、成矿条件

（一）稳定同位素

硫同位素：45件硫化物矿物的硫同位素分析结果表明：

δ³⁴S变化为—1.1‰～＋0.7‰，绝大多数为—0.5‰～＋0.5‰；³²S/³⁴S=22.197～22.252，多数为22.218～22.236，变化小，与陨石标准（22.220）比较，离差幅度为0.002～0.017；同位素频率图塔式效应明显；不同成矿阶段硫化物中δ³⁴S值稳定，变化范围狭窄，足见硫化物同出一源——上地幔，而且硫同位素分馏历程是相同的。

氧同位素：氧同位素除个别因混染成因偏高（CTD—6～—8c，δ¹⁸O=+9.82‰）外，90%以上的δ¹⁸O介于6.1‰～7.73‰之间，与球粒陨石值（5.3‰～6.3‰），特别是与正常玄武岩的δ¹⁸O值（5.5‰～7.4‰）很接近，表明是来源于上地幔玄武岩岩浆体系。

锶同位素：锶同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值）除变质辉长辉绿岩（CTSr38—2c）中斜长石偏高外，余者均变化为0.70321～0.70888，与上地幔现代玄武岩浆中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值（0.704±0.002）非常接近（G.Faure,1977），此亦证明成岩物质来自上地幔。

（二）稀土元素

含矿岩相中∑REE含量为（34.10～49.01）×10^-6,w（LREE）/w（HREE）为4.07～4.71，δEu为0.84～1.14,（La/Yb）_N为4.14～5.72。这些特征数据表明所述岩体与大陆型非洲玄武岩及大陆型德鲁斯辉长岩非常相近（E.A.弗雷，M.A.哈斯金，1988）。岩体REE特征近似于球粒陨石，来自上地幔。尤其是（La/Yb）_N值介于大洋岛屿拉斑玄武岩与大陆拉斑玄武岩之间，显示出其大陆边缘产出的地质环境。

（三）成岩成矿物理化学环境

1.矿物结晶温度

橄榄石是岩体中结晶最早的矿物，其结晶温度既是岩浆温度的下限，又是其固相开始晶出温度的上限。根据橄榄石的化学成分计算的（按夏林圻法，1985）结晶温度为1412℃。各岩相中辉石的结晶温度与压力分别为1107.90～1124.68℃与0.95～1.0GPa。斜长石的结晶温度为1155.81～1206.26℃，与辉石结晶温度相近，故二者在苏长岩中为共结的辉长结构。硫化物成矿温度是采用爆裂法，同位素温度计法与d₁₀₂值计算法等多种方法测算的，不同成矿阶段的成矿温度变化在300～470℃之间。

2.成岩压力

尽管测算的辉石形成压力为0.95～1.1GPa，然而根据t＜1000℃的斜长石平衡结晶温度与p_H2O的关系可知，实际成岩压力是0.1～0.5GPa。

3.成岩深度

由成岩压力算得的成岩深度是3～14km左右。即岩浆从14km处开始结晶，最后冷凝的岩浆房距地表3km左右。

4.成岩氧逸度（fo₂）

利用不同岩相中的橄榄石与辉石的端元组分（Fa与Fs）与结晶温度求得的成岩氧逸度，随岩浆演化由早到晚，fo₂逐渐降低这种变化趋势有利于晚期成矿，因为晚期fo₂、α_s升高。

5.成岩成矿的Eh～pH条件

根据铁的氧化物与硫化物的生成顺序：磁铁矿—磁黄铁矿—磁铁矿（＋黄铁矿）测算的pH=4～7,Eh=0.1～0.16V。不言而喻，金属硫化物矿石是在弱酸性介质条件下，还原环境中形成的。

图2-23　赤柏松矿田成岩成矿模式图　Fig.2-23　Rock-ore-forming pattern for Chibaisong ore field

Ⅰ—上地幔；A—上地幔物质，B—上地幔部分熔融之原始熔浆.M—莫霍面；Ⅱ—深渊岩浆库，原始熔浆转移后进行液态重力分异场所，其中a—硫化物矿浆，b₁—暗色橄榄辉长苏长岩质矿浆，b₂—中色橄榄辉长苏长岩质岩浆，c—拉斑玄武质岩浆，Ⅲ—岩浆房，成岩成矿的地方

（四）成矿期及成矿阶段

根据赤柏松硫化物铜镍矿床的成矿条件与成因类型，共划分了矿浆、热液与表生三个成矿期。

其中最重要的矿浆成矿期分为五个成矿阶段：①暗色橄榄辉长苏长岩质矿浆贯入成矿阶段；②混熔岩质矿浆成矿阶段；③细粒辉长苏长岩质矿浆贯入成矿阶段；④富镍纯硫化物矿浆贯入成矿阶段；⑤富铜纯硫化物矿浆贯入成矿阶段。

五、矿床成因及矿床模式

基于前述矿床地质背景、岩体与矿床成因特征和成岩成矿条件等不难得知，地幔物质的局部熔融形成原始熔浆，其成分主要是硅酸盐与硫化物。因为其温度高，此时硫化物在硅酸盐溶体中呈悬浮状态。经后底辟作用抑或沿古裂谷带中的超壳深大断裂向上运移至中间岩浆库。由于温度、压力的改变及外来物质的混入等因素，破坏了原始熔浆的物理化学平衡，于是在地台稳定环境中，开始了深渊液态不混熔作用，不同密度物质（硫化物相密度为4g/cm³，硅酸盐相密度为2.5g/cm³）在地球重力场作用下形成若干组分不同的岩浆层与矿浆层，偏酸性者在上、偏基性者在下，硫化物矿浆在最底部（傅德彬，1986）。

大约为1960～2180Ma，地球发生了一次规模宏大的构造-岩浆活动，在北美称Kenoran（1700～2000Ma）运动，在非洲称Limpopo（1650～2150Ma）运动，在我国称五台运动或辽河运动。此次构造岩浆热事件，形成了举世闻名的萨德贝里、布什维尔德、贝辰加等大型—特大型硫化物铜镍矿床。

五台或辽河运动在华北地台上的多次活动，使得龙岗陆核边缘的辽吉古裂谷相应地多次复活，结果使上述岩浆库中已分层的岩浆、矿浆多次侵位，依次形成辉长辉绿岩侵入相、中色橄榄辉长苏长岩侵入相、暗色橄榄辉长苏长岩侵入相、细粒辉长苏长岩侵入相以及纯硫化物矿浆的贯入等，从而构成含矿复式岩体及其硫化物铜镍矿床。作者称这类矿床为“矿浆贯入矿床”（傅德彬，1981,1982,1983,1986b,1988）。为了描述所述矿床的成矿作用过程，反映成矿作用的内在联系，揭示成矿作用的本质特征，在查清成岩成矿物质来源、矿浆形成机理以及成岩成矿物化条件的基础上，绘制了赤柏松铜镍矿床矿浆成矿模式图（图2-23）。

基于上述，该矿床属于来自上地幔的含硫化物岩浆，经深渊液态不混熔分异作用形成的硫化物铜镍矿浆多次贯入成因的深成矿浆贯入矿床（傅德彬，1986；芮宗瑶等，1991）。