2018, Vol. 34
2. 新疆维吾尔自治区有色地质勘查局704大队, 哈密 839000
2. No. 704 Geological Party, Xinjiang Geological Exploration Bureau for Nonferrous Metals, Hami 100083, China
铜镍硫化物矿床和钒钛磁铁矿床是两类典型的岩浆矿床，尽管它们都主要赋存于镁铁-超镁铁质岩体中，但二者的母岩浆成分及成矿作用过程存在明显差异(Zhou et al., 2008；姜常义等，2011)，即形成钒钛磁铁矿床的母岩浆相对于铜镍硫化物矿床明显富集Fe、Ti、V而贫Si、Mg、Ni，且岩浆体系氧逸度(fO2＞QFM+1.5，Pang et al., 2008; 栾燕等，2014)也明显高于铜镍硫化物矿床(fO2＜QFM+1，Barnes et al., 2013)。这一形成条件的巨大差异使其几乎不可能赋存于同一岩体中，然而，在东天山地区香山岩体中却同时赋存有铜镍矿体和钛铁矿体。这一铜镍矿和钛铁矿共存的特殊现象引起了学者们的广泛关注，前人由此对这两类矿体之间的成因联系开展了大量的研究工作(秦全新，2003；张家新，2003；潘小菲和刘伟，2005；王玉往等, 2006, 2009；孙赫等，2008；Han et al., 2010；肖庆华等，2010；李德东等，2012；肖凡等，2013；Tang et al., 2013；姜超等, 2014, 2015；Liu et al., 2017；石煜等，2017)，并普遍认为它们是拉斑玄武质岩浆高度分异演化的产物，即在岩浆演化早期由于硫化物熔离形成铜镍矿，在岩浆演化晚期随着残余岩浆中Fe、Ti逐渐富集及氧逸度升高形成钛铁矿(秦全新，2003；王玉往等，2009；Han et al., 2010；肖庆华等，2010; 李德东等，2012；Tang et al., 2013；姜超等，2015；石煜等，2017)。但为什么在东天山地区早二叠世产出的众多镁铁-超镁铁质岩体中只有香山岩体同时赋存铜镍矿和钛铁矿，而其它岩体则仅赋存铜镍矿(黄山东、黄山西、黄山南等)或钛磁铁矿(牛毛泉)？这是由于形成香山岩体的母岩浆具有铜镍-钛铁的过渡性质，还是其岩浆早期演化过程具有一定的特殊性，可以在岩浆演化后期形成相对富集Fe、Ti的残余岩浆；又或者是香山岩体中的铜镍矿体和钛铁矿体是不同性质岩浆独立演化的产物，只是共用了同一容矿空间？
基于上述问题，本文从矿物晶体化学、主量元素、铂族元素等方面，通过香山含铜镍岩体与其相邻的黄山东、黄山和黄山南典型铜镍矿床的系统对比，重点探讨其母岩浆成分、分异演化程度及早期演化过程等方面是否存在系统差异；同时，利用铂族元素进一步揭示香山铜镍成矿过程，估算岩浆演化早期的氧逸度及“R”因子，探讨随着岩浆演化残余岩浆中能否发生Fe、Ti的富集作用。同时，将东天山早二叠世两类玄武岩与赋存铜镍矿岩体和钛铁矿岩体的地球化学特征进行初步对比，探讨不同成分岩浆演化与铜镍和钛铁矿的成因联系，以期对东天山地区铜镍和钛铁矿的勘查研究起到一定的指导作用。
1 区域地质背景及岩体地质特征香山岩体位于东天山觉罗塔格构造岩浆带内，是白鑫滩-土墩-黄山-图拉尔根镁铁-超镁铁岩带的一部分。该岩带东西延长约270km，南北宽20~30km，自西向东依次发育有大草滩、白鑫滩、土墩、二红洼、香山、黄山南、黄山、黄山东、红石岗、红石岗北、葫芦、马蹄、图拉尔根、圪塔山口等二十余个岩体(秦克章等，2012；王亚磊等, 2016, 2017；冯延清等，2017)。这些岩体规模均较小(小于数平方千米)，主要侵位于石炭系地层中，个别侵位于奥陶系地层中(邓宇峰等, 2011, 2012；王亚磊等，2016)，岩体形成时代多集中于早二叠世(夏明哲等，2010；肖庆华等，2010；Qin et al., 2011; 毛亚晶等，2014；王亚磊等，2015)。与镁铁-超镁铁岩体相关的矿床以铜镍矿和钛铁矿为主，已探明黄山东、黄山、黄山南、图拉尔根、香山中、土墩、白鑫滩等大、中型铜镍矿床多处，香山西大型铜镍-钛铁复合型矿床1处(图 1)(王玉往等，2009)。
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图 1 新疆东天山地区镁铁-超镁铁岩体及相关矿床分布图(据毛亚晶等, 2014修改) 1-志留纪甘沟前陆盆地；2-大南湖-头苏泉泥盆纪岛弧；3-小热泉子-梧桐窝子早石炭世弧内盆地；4-觉罗塔格构造岩浆带；5-哈尔里克岛弧；6-中天山前寒武纪结晶基底；7-断层；8-铜镍矿床；9-铜镍-钛铁复合型矿床；10-斑岩型铜矿 Fig. 1 The distribution of important mafic-ultramafic intrusions and related ore deposits (modified after Mao et al., 2014) 1-Silurian Gangou foreland basin; 2-Dananhu-Tousuquan Devonian arc; 3-Xiaorequanzi-Wutongwozi Early Carboniferous arc basin; 4-Jueluotage tectonic magma zone; 5-Haerlike arc; 6-Central Tianshan Precambian crystalline basement; 7-fault; 8-Ni-Cu deposit; 9-Ni-Cu and Ti-Fe composite deposit; 10-porphyry copper deposit |
香山岩体位于土墩-镜儿泉北韧性剪切带(F8)和黄山韧性剪切带(F9)锐夹角处，总体走向为北东58°，平面上呈藕节状，由西向东依次为香山西、香山中和香山东岩体(图 2)。香山岩体断续延伸约10km，宽100~800m，地表出露面积约2.8km2。依据各岩相之间的侵入接触关系，前人将其划分为三个侵入阶段：第一阶段侵位的是角闪辉长岩，由东向西均有分布，构成香山岩体的主体，约占岩体总面积的83.5%；第二阶段侵位的是超镁铁岩相(辉石岩相、橄榄岩相)，规模较小，约占岩体总面积的15%，多呈透镜状侵入于第一期角闪辉长岩中；第三阶段侵位的是细粒辉长岩和钛铁辉长岩，约占岩体面积的1.5%，多呈脉状分布于香山西岩体。依据各岩石类型与铜镍和钛铁矿体之间的矿化关系，划分出“铜镍系列”岩石和“钛铁系列”岩石(王玉往等，2009)。“铜镍系列”岩石包括二辉橄榄岩、单辉橄榄岩、橄榄辉石岩、橄榄辉长岩和角闪辉长岩；“钛铁系列”岩石主要为钛铁辉长岩(钛铁矿石)、含钛角闪辉长岩和淡色辉长岩。
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图 2 香山岩体地质略图(据竺国强等，1996修改) Fig. 2 Sketch map of the Xiangshan complex (modified after Zhu et al., 1996) |
铜镍矿主要赋存于香山中岩体，在地表氧化形成铁帽，铁帽一般深约10~15m，地表沿走向断续分布，规模较小(图 3a)，香山西岩体69线以西也有少量分布。香山中岩体内目前共发现45个铜镍矿体，全为隐伏矿体，据其规模和工业价值可划分出主矿体1个(Ⅱ号)、主要矿体1个(Ⅰ号)、次要矿体3个(Ⅰ-1、Ⅱ-1、Ⅱ-2)，其余均为小矿体和单工程控制矿体。矿体在平面上多表现为较大的透镜状，呈串珠状或尖灭再现产出，剖面上呈单层状或多层状产出(图 3b)，主要赋矿岩性为二辉橄榄岩、橄榄二辉岩和辉长苏长岩，主要矿石类型为浸染状，有少量块状和细脉状。Ⅱ号主矿体Ni平均品位0.62%，Cu 0.61%；Ⅰ号矿体Ni平均品位0.60%，Cu 0.50%；其它矿体Ni平均品位一般小于0.5%，Cu平均品位一般小于0.4%。钛铁矿体主要分布于香山西岩体69线以东(图 2)，分南北两个矿带，按TiO2含量5%为边界品位，共圈出7个钛铁矿体。三个较大钛铁矿体在地表呈脉状，空间上呈似层状，长约406~2084m，厚度5~25m，单矿体平均品位TiO2为5.03%~9.02%，TFe为8.95%~23.33%, 伴生V2O5为0.12%~0.34%。矿体主要赋矿围岩为钛铁辉长岩，主要矿石类型为浸染状和海绵陨铁状，表明钛铁矿化属岩浆晚期结晶分异成矿。铜镍矿体与钛铁矿体在69线附近直接接触(图 3c)，但先后侵入顺序不清(王玉往等，2006)，宏观上看二者在空间上是相互分离的(肖庆华等，2010)。
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图 3 香山杂岩体地质简图(a)、香山中典型铜镍矿体(b)和香山西铜镍矿体与钛铁矿体关系(c)勘探线剖面图 Fig. 3 Geological map of Xiangshan complex (a), typical cross sections of Ni-Cu orebody in Xiangshanzhong intrusion (b) and relationship between Ni-Cu and Ti-Fe ore bodies in Xiangshanxi intrusion (c) |
样品采自香山中岩体的钻孔zk3693和zk36953，由浅到深进行了系统采样(图 3b)，铜镍矿石类型主要为稀疏浸染状、浸染状和网脉状。在进行详细镜下观察基础上，选择蚀变较弱的样品开展相应的测试工作。
硅酸盐矿物晶体化学、全岩主微量元素分析均在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室完成。矿物晶体化学分析采用JXA8100型电子探针分析，加速电压15kV，束电流1.0×10-8A，束斑直径1μm。主量元素分析采用3080E型X荧光光谱仪完成。称取200目岩石粉末样品0.5g，低温烘干，先分析其烧失量，然后加入5.0g无水高纯四硼酸锂，并制成玻璃片，开展主量元素测试，XRF熔片法按照国家标准GB/T 14506.28——1993。分析精度为1%~5%。微量元素分析采用美国X-7型ICP-MS测定。称取200目样品40mg, 放入洗净并烘干的Teflon溶样罐，加入0.5mL HNO3和1mL HF，加盖，超声震荡，加温至200℃，保温5天后取出，在电热板上蒸发至干。然后加入HNO3，进行加温，保证样品全溶，加入标样及1% HNO3稀释，待测。分析精度优于10%。矿石中铂族元素、Ni、Cu、S的测试工作均在国家地质实验测试中心完成。其中铂族元素分析采用PE300D型等离子质谱仪完成测试。称取200目的样品粉末10g与混合剂(硼砂+碳酸钠+氧化镍+二氧化硅+硫磺粉+面粉)按比例混合，在1100℃高温下熔融；贵金属通过镍锍捕集与其他元素分离，用盐酸溶解镍扣，抽滤，沉淀和滤膜转入封闭容器，用王水溶解，待测；分析过程中标样UMT-1、WPR-1和样品一起进行测试，分析误差优于10%。具体分析流程见何红蓼等(2001)和吕彩芬等(2002)。Ni和Cu含量利用IRIS型等离子光谱仪进行测试；S含量采用高频红外碳硫仪进行测试。
4 分析结果 4.1 矿物晶体化学香山铜镍矿系列岩石中主要造岩矿物为橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和斜长石，另有少量角闪石。橄榄石SiO2含量为36.29%~41.28%，MgO含量为35.18%~45.8%，FeO含量为13.8%~22.94%，Fo变化范围为74.4~85.5，与相邻的黄山东、黄山等典型含镍矿岩体相比，其橄榄石Fo值、MgO、FeO、SiO2和Ni含量变化范围略小于黄山东和黄山南矿床，略大于黄山矿床(图 4)。香山岩体斜方辉石SiO2含量为53.1%~57.51%、MgO含量为22.9%~32.2%、FeO含量为8.76%~13.73%，各氧化物的变化范围与其相邻矿床相似(图 5)。各矿床中单斜辉石的氧化物含量变化范围也相似，其中FeO含量大多数均小于6%，个别样品的FeO含量为6%~15%，明显低于典型岩浆氧化物矿床(姜常义等，2011)；TiO2含量普遍偏低，几乎全部小于0.7%(图 6)。总体而言，通过香山及其相邻典型含镍岩体中主要造岩矿物晶体化学的对比研究，表明它们的成分不存在系统差异。
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图 4 新疆香山及相邻铜镍矿床橄榄石成分对比图 数据来源：香山据王玉往等，2009；Tang et al., 2013；姜超等，2014；王博林等，2017；黄山东据夏明哲等，2010；邓宇峰等，2012；Mao et al., 2015; 黄山据毛亚晶等，2014；黄山南据Mao et al., 2016；本项目未刊数据；大南湖拉斑玄武岩数据引自Liu et al., 2016；吐哈盆地碱性玄武岩数据唐冬梅等，2017；图 5、图 6数据来源及图例同此图 Fig. 4 The comparison of olivine components for Xiangshan and adjacent Ni-Cu deposits in Xinjiang Data sources: Xiangshan from Wang et al., 2009; Tang et al., 2013; Jiang et al., 2014; Wang et al., 2017; Huangshandong from Xia et al., 2010; Deng et al., 2012; Mao et al., 2015; Huangshan from Mao et al., 2014; Huangshannan from Mao et al., 2016; unpublished data of our project; Dananhu tholeiitic basalt from Liu et al., 2016; Tuha alkai basalts from Tang et al., 2017; Data sources and legend of Fig. 5 and Fig. 6 are the same as those in Fig. 4 |
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图 5 新疆香山及相邻铜镍矿床斜方辉石成分对比图 Fig. 5 Comparisons of the orthopyroxene components of the Xiangshan and adjacent Ni-Cu deposits in Xinjiang |
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图 6 新疆香山及相邻铜镍矿床单斜辉石成分对比图 Fig. 6 Comparisons of the clinopyroxene components of the Xiangshan and adjacent Ni-Cu deposits in Xinjiang |
本文所分析样品的主量和微量元素数据见表 1。在主量元素相关性图解上(图 7)，香山岩体中铜镍矿系列岩石的主量元素变化范围及趋势与相邻黄山东、黄山等岩体变化范围及趋势一致，MgO与SiO2、CaO、Al2O3和TiO2之间均呈明显的负相关性(图 7a, c-e)，与FeOT呈明显的正相关性(图 7b)。各岩体主量元素成分受主要造岩矿物成分及含量控制，FeO主要赋存于橄榄石和斜方辉石中，FeO与MgO之间的正相关性主要是由于橄榄石和斜方辉石堆晶造成的。不同岩体之间，在MgO含量相同的基础上，各主量元素的含量相似，暗示形成这些含镍矿岩体的母岩浆成分相似，不存在系统差异。香山赋铜镍和赋钛铁岩石在MgO含量相同的情况下，赋钛铁岩石明显贫SiO2和CaO而富FeO和TiO2，Al2O3的含量没有明显差异，这与赋钛铁岩石中含有较高的钛铁矿和磁铁矿矿物有关，也反映了铜镍系列和钛铁系列岩石地球化学特征存在明显差异。同时在主量元素相关性图解上，早二叠世拉斑玄武岩和碱性玄武岩之间也存在明显的差异，其中拉斑玄武岩的元素变化趋势与赋铜镍矿岩体一致，而碱性玄武岩的元素变化趋势与赋钛铁矿岩体一致。
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图 7 新疆香山及相邻含镍岩体主量元素相关性图解 数据来源同图 4 Fig. 7 Variations of the whole rock compositions in the Xiangshan and adjacent intrusions in Xinjiang Data sources are the same as Fig. 4 |
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表 1 香山中岩体主量(wt%)和微量(×10-6)元素数据表 Table 1 The major (wt%) and trace (×10-6) elements results of the Xiangshanzhong intrusion |
在球粒陨石标准化稀土元素图解上，香山铜镍系列岩石各岩性的配分曲线型式一致，均呈轻稀土略富集的右倾型，且随着岩石基性程度的降低，稀土元素总量呈逐渐增高的趋势，相对于拉斑玄武岩，其配分型式一致，但含量明显较低。香山西钛铁辉长岩稀土元素总量较铜镍系列岩石高，且具有明显的正Eu异常(图 8a)；与碱性玄武岩相比，其配分型式一致，但稀土元素总量相对较低。在原始地幔标准化不相容元素图解上，铜镍系列岩石各岩性表现出一致的变化趋势，均具有明显的Nb、Ta负异常，钛铁辉长岩则具有明显的Nb、Ta、Ti的正异常(图 8b)，这与钛铁辉长岩中含有丰富的钛铁氧化物有关。拉斑玄武岩与碱性玄武岩都具有明显的Nb、Ta负异常，这可能与其岩浆源区都普遍遭受俯冲流体交代作用有关。
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图 8 新疆香山杂岩体球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准值化值Sun and McDonough, 1989) 玄武岩数据来源同图 4 Fig. 8 Chondrite-normalized rare earth element patterns (a) and primitive mantle-normalized immobile incompatible trace element patterns (b) for the Xiangshan intrusive complexes in Xinjiang (normalization values after Sun and McDonough, 1989) Basalt data sources are the same as Fig. 4 |
样品PGE、Ni、Cu和S分析数据见表 2。依据矿石手标本特征及全岩S含量，分为网脉状矿石(S>10%)、浸染状矿石(1% < S < 10%)、稀疏浸染状矿石(0.3% < S < 1%)和不含矿岩石(S < 0.3%)。网脉状矿石∑PGE含量变化范围为35.33×10-9~114.5×10-9，平均值为75.01×10-9；浸染状矿石∑PGE含量变化范围为10.71×10-9~37.21×10-9，平均值为22.22×10-9；稀疏浸染状矿石∑PGE含量变化范围为4.86×10-9~28.81×10-9，平均值为12.67×10-9；不含矿岩石∑PGE含量变化范围为1.34×10-9~5.08×10-9，平均值为2.45×10-9。随矿石中硫化物含量降低，铂族元素总量呈逐渐降低的趋势。图 9显示除网脉状矿石和不含矿岩石外，S与Ni、Cu及PGE各元素之间均呈明显的正相关性，表明矿石中铂族元素含量明显受硫化物含量控制，铂族元素主要赋存于硫化物中。
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表 2 香山铜镍矿床Ni、Cu、S (wt%)及铂族元素(×10-9)含量数据 Table 2 Contentrations of S、Ni and Cu (wt%) and PGE (×10-9) in the Xiangshan Ni-Cu deposit |
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图 9 亲铜元素与S相关性图解 Fig. 9 Plots of chalcophile element concentrations vs. S content for different ore types |
为更准确反映各铂族元素之间的相关性，对矿石样品中的Ni、Cu和PGE进行100%硫化物计算。为避免由于分析误差造成的影响，剔除全岩中S＜0.5%的样品。100%硫化物计算的具体方法参考Barnes and Lightfoot(2005)，计算后香山铜镍矿床中Ni、Cu和PGE的平均含量见表 3。在铂族元素相关性图解上，除2件脉状矿石外，Ir与Os、Ru、Rh之间呈明显的正相关性(图 10a-c)，与Pt和Pd呈弱的正相关性(图 10d，e)；Pt和Pd之间呈较明显的正相关性(图 10f)。在Ni-PGE-Cu原始地幔标准化图解上(图 11)，相对于Ni、Cu，铂族元素明显亏损，PPGE(Pt、Pd)含量略高于IPGE(Os、Ir、Ru、Rh)，2件网脉状矿石具有明显的Pd的负异常。
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图 10 铂族元素相关性图解 Fig. 10 Correlations between PGE tenors of Xiangshan magmatic sulfide deposit |
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图 11 Ni-PGE-Cu原始地幔标准化图解 Fig. 11 Primitive mantle-normalized Ni-PGE-Cu patterns |
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表 3 香山铜镍矿床100%硫化物中及估算的母岩浆中亲铜元素含量 Table 3 The chalocophile metal tenors and estimated magma compositions of the Xiangshan Ni-Cu sulfide deposit in Xinjiang |
前人对香山铜镍矿成矿过程进行过深入研究(Han et al., 2010; Tang et al., 2013)，指出母岩浆演化早期地壳物质混染和镁铁质矿物的分离结晶，导致了硫化物熔离并形成了铜镍矿床。模拟计算表明母岩浆中发生了约2%的橄榄石分离结晶，其后硫化物开始熔离，结晶出的橄榄石与熔离的硫化物质量比约为50:1~35:1(Tang et al., 2013；姜超等，2014)，与黄山东和黄山矿床中橄榄石与硫化物的质量比一致(邓宇峰等，2012; Mao et al., 2014)，表明它们在岩浆演化早期均发生了大量橄榄石分离结晶和硫化物的熔离。由于铂族元素具有强烈的亲硫特性，利用铂族元素的变化特征可以很好的反演硫化物的演化过程(Barnes et al., 2013; Song et al., 2013; Zhang et al., 2017)，即岩浆演化早期过程。
由于各铂族元素化学性质相似，从岩浆中熔离出的初始硫化物熔体中IPGE(Os、Ir、Ru、Rh)和PPGE(Pt、Pd)之间未发生分馏(Li et al., 2012；Mungall and Brenan, 2014)。随着温度降低硫化物熔体会发生分离结晶作用，形成单硫化物固溶体(MSS)和残余硫化物熔体(sulfide liquid)，IPGE倾向于在MSS中富集，而PPGE倾向于在sulfide liquid中富集，导致二者之间发生解耦(Naldrett, 2011)。但在香山铜镍矿床中，除两件脉状矿石外，浸染状矿石中Ir与Os、Ru、Rh之间具有良好的正相关性(图 10a-c)，Ir与Pt和Pd之间呈较弱的正相关性(图 10d, e)，表明硫化物熔体的分离结晶作用较弱；Pt和Pd之间呈较明显的正相关性(图 10f)，表明后期热液蚀变作用也较弱。据此我们认为香山铜镍矿床中硫化物的铂族元素含量主要受母岩浆中铂族元素含量和“R”因子控制。
由于铂族元素在硫化物和硅酸盐熔体之间分配系数大(＞105；Barnes and Lightfoot, 2005)，导致硫化物中铂族元素含量受母岩浆成分和“R”因子两个变量的影响都较大，为准确厘定二者的影响需先确定其中一个变量。相对于铂族元素，母岩浆中Ni和Cu的含量较易厘定，且Ni、Cu在硫化物与硅酸盐熔体间的分配系数远小于铂族元素。因此，可以利用硫化物中Ni或Cu的含量估算“R”因子，考虑到橄榄石中Ni含量较高及硫化物熔体与橄榄石之间存在Fe-Ni物质交换(姜超等，2014)，本文利用Cu来估算“R”因子。假设母岩浆中Cu含量为120×10-6，Cu在硫化物与硅酸盐熔体间的分配系数为1200(Mungall and Brenan, 2014)，计算得到“R”因子为100~3000，主要集中在300~1000之间(图 10)，与黄山东和黄山矿床所估算的“R”因子大小一致(Mao et al., 2014, 2015)。假设铂族元素在硫化物与硅酸盐熔体间的分配系数为30000(Fleet et al., 1996)，模拟计算获得香山铜镍矿床母岩浆中Os为0.012×10-9，Ir为0.01×10-9，Ru为0.012×10-9，Rh为0.01×10-9，Pt为0.42×10-9，Pd为0.35×10-9，其含量与相邻黄山东、黄山和黄山南相比，除Pd含量较高外，其余铂族元素含量相近(表 3)。研究表明母岩浆中铂族元素含量与岩浆源区成分、部分熔融程度及早期硫化物熔离过程密切相关(Naldrett, 2011)，香山铜镍矿床及其相邻的黄山东、黄山和黄山南铜镍矿床在空间位置上相近，其岩浆源区成分在此尺度上应该是均一的，因此其母岩浆中铂族元素含量相似也一定程度上反映了其岩浆源区部分熔融程度及早期硫化物熔离过程具有明显的相似性。
5.2 赋铜镍矿岩体母岩浆中Fe、Ti含量前人对世界范围内典型钒钛磁铁矿床的成矿过程开展了大量研究，尽管对其成矿过程还存在分离结晶和熔离作用之争，但一致认为形成该类矿床的母岩浆必须富集Fe和Ti，这是形成这类矿床的物质基础(Zhou et al., 2008；姜常义等，2011; 张招崇等，2014)。目前关于香山矿床中铜镍矿和钛铁矿的成因关系，多数人认为它们是同源母岩浆经过高度分异演化的产物(肖庆华等，2010; Han et al., 2010; Tang et al., 2013; 李德东等，2012; 姜超等，2015；Liu et al., 2017；石煜等，2017)，但为什么与之相邻的近同期的黄山东、黄山及黄山南等矿床中未见钛铁矿体产出？是否由于形成香山矿床的母岩浆相对富集Fe和Ti？
前人通过对世界范围内典型岩浆硫化物矿床与岩浆氧化物矿床进行系统对比研究发现，尽管这两类矿床中都存在橄榄石、斜方辉石和单斜辉石等造岩矿物，但它们的矿物晶体化学成分存在系统差异(姜常义等，2011)，这种差异主要反映了它们母岩浆成分的不同。通过对比香山与黄山东、黄山和黄山南典型含镍岩体中橄榄石、斜方辉石和单斜辉石成分，发现它们各主要氧化物的变化范围均相似(图 4、图 5、图 6)，未表现出富集Fe、Ti的特征。在主量元素相关性图解上(图 7)，各含镍岩体的MgO、FeOT和TiO2的变化范围及趋势也并未表现出明显的差异；在MgO含量相同的基础上，其FeOT和TiO2含量也无明显差异。前人估算香山岩体母岩浆中MgO、FeO和TiO2含量分别为10%、9%和1.14%(肖庆华等，2010)，与黄山东和黄山矿床母岩浆成分相近(黄山东矿床三者含量分别为10.03%、9.38%和0.86%；黄山矿床分别为8.71%、8.36%和1.00%)(Mao et al., 2014, 2015)。据此我们认为香山矿床中形成赋铜镍岩体的母岩浆并不相对富集Fe和Ti，不存在所谓的铜镍-钛铁过渡型母岩浆。
5.3 残余岩浆中Fe、Ti含量通过上述分析，可以排除香山岩体母岩浆相对富Fe和Ti的可能。前人依据香山矿床中钛铁矿体主要矿石类型为浸染状和海绵陨铁状，且品位相对较低的特征，认为钛铁矿的形成可能是因为香山岩体母岩浆的演化过程与其相邻矿床有所不同，导致岩浆中Fe和Ti能在残余岩浆中逐渐富集，并伴随fO2的升高，促进了钛铁氧化物的形成(肖庆华等，2010; 姜超等，2015；石煜等，2017)。
要使母岩浆既能形成铜镍硫化物矿床，又能使残余岩浆中Fe和Ti逐渐富集，在母岩浆演化早期需满足两个条件：(1)岩浆体系处于较低的氧逸度环境，抑制钛铁氧化物的结晶；(2)岩浆中Fe和Ti不能大量进入硅酸盐矿物和硫化物中。我们通过计算获得香山铜镍矿母岩浆的fO2约为QFM+0.5，与相邻黄山东和黄山铜镍矿床母岩浆的氧逸度基本一致(图 12)，也与金川和夏日哈木超大型铜镍矿的母岩浆氧逸度一致(Li et al., 2015；Duan et al., 2016)，明显低于攀枝花钒钛磁铁矿床的氧逸度(fO2＞QFM+1.5，Pang et al., 2008；Bai et al., 2012)，表明在母岩浆演化早期阶段香山铜镍矿床与相邻的黄山东、黄山等矿床岩浆体系的氧逸度都处于较低的状态(潘小菲和刘伟，2005)。在较低氧逸度环境下，钛铁氧化物的分离结晶明显受到了抑制，这与各岩相中均未发现钛铁氧化物包裹体、同时在随后结晶的斜方辉石和单斜辉石中均未发现钛铁矿出溶页片的现象一致。较低的氧逸度环境，使岩浆体系中的Fe2+/Fe3+比值较高，虽有效抑制了钛铁氧化物的结晶，但促使大量的Fe2+进入镁铁质矿物(橄榄石和斜方辉石)和硫化物熔体(磁黄铁矿+镍黄铁矿+黄铜矿)中。模拟计算表明香山铜镍矿形成时的“R”因子和橄榄石与硫化物熔体的质量比(50:1~35:1)都与黄山东和黄山矿床基本一致，这表明它们早期岩浆演化过程并无明显差异。换言之，在岩浆演化早期，岩浆中大量的Fe被消耗掉，并未造成残余岩浆中Fe含量的增加，相反降低了残余岩浆中的Fe含量。这导致即使岩浆演化后期岩浆体系中fO2升高，也没有足量的Fe来形成大量的钛铁氧化物。另外在岩浆演化的各个阶段，尤其是岩浆演化后期，发生了大量角闪石的结晶，这些角闪石中含有大量的Ti和Fe，如香山西角闪石中TiO2平均含量4.23%，黄山东角闪石TiO2含量最高达6.1%(石煜等，2017)，进一步消耗岩浆中的Ti和Fe，不利于残余岩浆中的Fe、Ti的富集，形成钛铁矿体。
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图 12 新疆香山及国内外典型铜镍矿床岩浆体系氧化还原状态图解(底图据Barnes et al., 2013) Voisey’Bay数据引自Barnes et al., 2013; 黄山和黄山东数据引自Mao et al., 2014, 2015; 金川数据引自Duan et al., 2016; 夏日哈木数据引自Li et al., 2015 Fig. 12 The oxidation state of the Xiangshan and some typical magmatic deposits determined by using olivine compositions and Ni contents in bulk sulfides (base map after Barnes et al., 2013) Data sources: Voisey'Bay deposit from Barnes et al., 2013; the Huangshan and Huangshandong deposits from Mao et al., 2014, 2015; the Jinchuan deposit from Duan et al., 2016; and the Xiarihamu deposit from Li et al., 2015 |
通过上述分析，我们认为铜镍成矿与钛铁成矿之间所需的条件相差甚大，且系统的对比研究也表明形成香山铜镍矿体的母岩浆与其相邻的黄山东、黄山等典型铜镍矿的母岩浆在成分、早期演化过程及分异演化程度方面具有明显的一致性，通过同源岩浆演化，既形成铜镍硫化物矿床，又形成钛铁矿床是难以实现的。另外详细的地质填图及年代学研究成果也表明钛铁矿体是最晚期侵位的(278.6Ma)(肖庆华等，2010；李德东等，2012)，与“铜镍系列”岩石中的角闪辉长岩(285Ma)形成时代相差约7Ma，明显大于年龄分析误差，同源岩浆演化难以解释如此大的年龄差异。同时前人依据香山三个岩体之间的埋深关系，认为岩体的岩浆通道在香山东与香山中的连接部位，而近几年的物探及钻探资料也的确表明香山中和香山东岩体在深部是相连的(尹希文，2015)，但是作为最晚期一期侵位的、粘度较大的岩浆，从岩浆通道由东向西迁移了几千米的距离而在香山东和香山中岩体中并未残留任何钛铁矿体，也是较难解释的。总之，通过对铜镍矿体与钛铁矿体的宏观地质特征、形成年龄差异，以及母岩浆早期演化过程及程度方面的综合考虑，我们认为难以用同源岩浆演化的观点来解释二者的成因联系。那么它们之间是否有可能是不同性质岩浆独立演化的产物呢？依据已有资料，我们发现在峨眉山大火成岩省中，既发育有小型的铜镍矿床(力马河、朱布、杨柳坪和白马寨等岩体)，又发育有大型的钒钛磁铁矿床(攀枝花、白马、红格、太和等)，虽然它们形成时代一致，但分别是低钛玄武岩和高钛玄武岩各自独立演化的产物(Zhou et al., 2008；姜寒冰等，2009；姜常义等，2011；Song et al., 2013；陈列锰等，2014)。在东天山地区是否也存在两类不同成分及性质、但却能分别演化形成铜镍矿床和钛铁矿床的岩浆呢？为探讨该问题，我们进一步搜集了东天山地区早二叠世玄武岩的数据(周鼎武等，2006；Liu et al., 2016; 唐冬梅等，2017)，初步探讨了它们的演化与铜镍和钛铁成矿之间是否可能存在联系。
通过对搜集到的数据进行筛选，剔除掉烧失量较大的数据，将东天山玄武岩大致划分为碱性玄武岩和亚碱性拉斑玄武岩系列。其中，碱性玄武岩中橄榄石的Fo值和Ni含量明显小于典型铜镍矿床和拉斑玄武岩中橄榄石的相应值(图 4a, d)，其FeO含量则明显偏高(图 4b)，反映了两类岩浆成分的差异。拉斑玄武岩中橄榄石Fo值及Ni含量与典型铜镍矿床中橄榄石的相应值相当或略大(图 4d)，这可能与拉斑玄武岩中橄榄石结晶时未发生大量硫化物熔离有关。主量元素相关性图解上，碱性玄武岩与赋钛铁矿岩体的主量元素变化趋势一致，随着岩浆演化FeO和TiO2逐渐富集，SiO2、CaO和Al2O3含量逐渐降低；拉斑玄武岩和典型赋铜镍矿岩体的主量元素变化趋势一致，随着岩浆演化FeO逐渐降低，SiO2、CaO、Al2O3和TiO2含量逐渐升高，但TiO2的升高趋势与钛铁矿和碱性玄武岩有明显差别(图 7)。这些证据表明至少从矿物学和岩浆演化角度看，碱性玄武岩和拉斑玄武岩分别与钛铁矿和铜镍矿之间具有相似的演化趋势，它们之间可能存在一定的成因联系。从两类玄武岩TiO2含量看，其差异并不像峨眉山高钛与低钛玄武岩差异那么明显，这可能也是导致香山钛铁矿床中TiO2品位相对较低的原因。
综上所述，虽然要证实香山矿床中铜镍-钛铁矿可能是两类玄武岩分别独立演化的产物仍需进一步开展系统的矿物晶体化学、母岩浆成分、Sr-Nd同位素等方面的对比工作，但这一思路也为解释二者的成因联系提供了一个新的视角。如果能进一步证明铜镍成矿与钛铁成矿是两类岩浆演化的产物，不仅对东天山地区的铜镍矿及钛铁矿的勘查工作具有一定的指导意义，对国内其它地区已发现的兼具铜镍-钛铁矿化岩体(如哈拉达拉、库卫等)(龙灵利等，2012；李强等，2015)的勘查也具有一定的借鉴意义。
6 结论(1) 香山岩体中形成铜镍矿的母岩浆相对于相邻的黄山东、黄山等典型铜镍矿并不富集Fe和Ti，其岩浆演化早期岩浆体系的氧逸度较低，发生了大量的橄榄石、斜方辉石等富铁矿物的分离结晶和硫化物的熔离作用，消耗了岩浆中大量的Fe；同时岩浆演化各阶段角闪石的结晶进一步消耗了岩浆中的Fe和Ti，因此在岩浆演化后期，不能形成相对富Fe、Ti的岩浆和钛铁矿体，二者不是同源岩浆演化的产物。
(2) 香山铜镍矿体和钛铁矿体的赋矿岩石分别与区域上早二叠世拉斑玄武岩和碱性玄武岩在矿物晶体化学、岩浆演化趋势等方面具有明显的相似性，我们推测香山杂岩体中铜镍矿体的形成可能与拉斑质岩浆演化密切相关，而钛铁矿的形成则可能与碱性玄武岩演化密切相关，二者是两类岩浆独立演化的产物。
致谢 野外工作得到了新疆亚克斯矿业公司闫凯、谭雄工程师的大力支持和帮助；新疆有色地勘局704队提供了香山矿区的原始资料；长安大学何克老师在样品主微量元素测试过程中给予了帮助；两位匿名审稿专家对论文的修改提出了宝贵的修改意见；作者在此一并表示诚挚的感谢！
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