2017, Vol. 47
2. 北京矿产地质研究院, 北京 100012
2. Beijing Institute of Geology for Mineral Resources, Beijing 100012, China
加拿大Hawk Ridge铜镍成矿带位于加拿大魁北省北部，属于New Quebec造山带北段的组成部分。该成矿带地质工作历史较早, 但勘查和研究程度很低, 自20世纪90年代中期勘查工作结束后, 直到2010年才又再次引起一些矿业公司的关注。2012年, 在“走出去”的战略背景下，中色地科矿产勘查股份有限公司, 在Hawk Ridge地区获取了面积约300 km2的铜镍矿勘探权。
Hawk Ridge成矿带除了发育主成矿元素Cu，Ni外, 还伴生Co，Pd，Pt，Au等多种有益组份, 其中, Pd，Pt，Au等伴生组份资源量较大, 具有重要经济意义。Pt，Pd，Au元素作为岩浆Ni-Cu-(PGE)硫化物矿床的伴生成矿元素, 其独特的地球化学性质及其地球化学行为在研究和讨论岩浆演化成岩、硫化物熔离成矿过程中具有重要的示踪意义[1-3]。通过研究Hawk Ridge成矿带中Pt，Pd，Au元素的地球化学特征, 对了解该区Pd，Pt，Au元素的富集规律及机制、整个岩浆演化过程及寻找富矿体都具有重要意义。
1 区域地质加拿大New Quebec造山带位于北美苏必利尔地质省(Superior Province)和丘吉尔地质省(Churchill Province)接触带位置[4-8], 覆盖了加拿大魁北克省北部和纽芬兰省拉布拉多(Labrador)西部。该造山带从Payne海湾北部向南东方向延伸一千多公里至格林维尔地质省(Grenville Province)Wabush地区[8-9](见图 1)。
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图 1 New Quebec造山带区域地质简图(引自Findly等, 1995年) Fig. 1 The simply regional geological map of New Quebec orogeny(from Findlyet, al, 1995) |
Hawk Ridge铜镍成矿带广泛分布一套古元古代Montagnais群镁铁-超镁铁质火成堆积岩[10](见图 2)。该套火成堆积岩体整体呈北西—南东走向、带状展布, 构成一条规模巨大的岩带, 即Hawk Ridge岩带。Hawk Ridge岩带总长大于50 km(南端未封闭), 展布方向与区域主构造线方向一致。该带内火成堆积岩层累积宽度在1.0~1.9 km, 平均约1.5 km。根据目前钻探控制的深度, 该岩带内岩体垂向延深大于500 m, 且深部未封闭, 呈稳定延伸趋势。根据岩浆侵入活动的顺序, Hawk Ridge火成堆积岩带由5个堆积旋回构造组成, 各堆积旋回由2~6个火成堆积岩层组成(见图 2)。各火成堆积岩层具有正堆积岩(Orthcummulates)—中堆积岩(Mesocummulates)—补堆积岩(Adcummulates)的韵律式变化, 分带明显。每个堆积旋回构造内堆积层岩性变化相似, 但又不完全一致。该岩带内火成堆积岩体厚度自南向北逐渐变小, 对应铜镍硫化物矿体厚度也呈相似变化趋势。Hawk Ridge地区地表岩体局部可见铜镍硫化物形成的铁帽带。铁帽带氧化较弱, 氧化深度一般只有十几至几十厘米。
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图 2 Hawk Ridge铜镍成矿带地质简图 Fig. 2 The simply geology map of Hawk Ridge Cu, Nimetallogenic belt |
Hawk Ridge岩带侵入于Abner组、Larch—Baby组沉积岩及Hellancourt组玄武岩地层中。其中, Abner组、Larch—Baby组沉积岩的形成时间要更早一些, 而Hellancourt组玄武岩的形成时间与Hawk Ridge岩带比较接近。St. Seymour等(1991年)、Rohon等(1993年)和Skulski等(1993年)认为，Hellancourt组玄武岩、辉长岩与Montagnais群火成堆积岩是同源产物[11-13]。Hellancourt组玄武岩、辉长岩是第一期大规模岩浆活动喷发和侵入作用的产物, 而Montagnais群火成堆积岩是第二期岩浆活动的产物。
截至目前, Hawk Ridge成矿带内已发现4个铜镍矿床(Faclo7矿床、HA矿床、Gamma矿床、Pio Lake矿床), 沿该成矿带从北向南依次分布(见图 2)。该成矿带还分布多个铜镍矿(化)点, 均未进行系统工程控制。该成矿带内所有矿(化)点和矿床, 均受Montagnais群镁铁-超镁铁质火成堆积岩体控制。各铜镍矿床中主成矿元素为Cu，Ni, 同时伴生Co，Pd，Pt，Au等元素(见表 1)。
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表 1 Hawk Ridge成矿带各矿床矿体Cu，Ni，Pd，Pt，Au元素品位统计表 Tab. 1 Statistics of Cu, Ni, Pd, Pt, Augrade of orebodies of deposits in Hawk Ridge metallogenicbelt |
Faclo7，HA，Gamma，Pio Lake等矿床的矿化特征相似, 但又存在一些差异。Faclo7矿床位于成矿带北缘, 矿化强度最低, 但矿体规模最大; HA，Gamma矿床位于中部, 矿化强度中等—较高, 矿体规模较大; PioLake矿床位于南部, 矿化强度最强, 但矿体规模较小(见表 1)。其中, Faclo7，HA，Gamma等矿床的成矿过程以岩浆分异作用为主导, 主要形成浸染状—稠密浸染状铜镍矿石、半块状—块状铜(镍)矿石。浸染状铜镍矿石中, Pd，Pt元素较为富集, 而Au元素含量很低; 稠密浸染状矿石和半块状—块状铜镍矿石中, Pd，Pt，Au等元素含量均较高(见表 1)。Pio Lake矿床除受含矿岩浆分异作用控制外, 还经历了岩浆后期含矿热液叠加作用, 主要形成块状铜矿石、浸染状铜镍矿石。其中, 块状铜矿石中Cu，Au元素富集程度较高(见表 1)。
3 样品采集及分析方法本研究通过Nickel North Exploration公司收集了Hawk Ridge地区大量的钻孔岩心数据。在Faclo，HA，Gamma，Pio Lake矿床中共挑选了7个具有代表性的钻孔进行研究, 并在各钻孔内按不同岩石类型、矿石类型选取了210件岩心样品。Hawk Ridge地区内所有的岩心样品均进行了多元素分析, 这里主要收集岩心样品的Cu，Ni，Co，Pd，Pt，Au，S等元素分析结果。由于选取样品数量较多, 这里将同一钻孔内相邻的相同岩石类型、矿石类型样品合并为一个样品, 然后求取算数平均值作为合并后样品的元素含量。样品合并后共计41件样品, 样品各元素平均含量及特征值如表 2所示。
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表 2 Hawk Ridge成矿带不同岩矿石类型样品成矿元素含量及特征值一览表 Tab. 2 The content of various types of rocks and ores andits characteristic value in Hawk Ridge metallogenic belt |
96-45钻孔和95-02钻孔为20世纪90年代的历史施工钻孔, 岩心样品的化验分析工作由加拿大Testing Services (Chimitec)实验室完成。样品分析方法为:①Pd，Pt，Au元素采用火试金法, 元素检测下限为Pd，Au≥1×10-9, Pt≥5×10-9; ②Cu，Ni，Co元素采用HCL:HNO3(3:1)溶解释放, 然后AAS法(原子吸收光谱仪)分析, Cu，Co检测下限≥1×10-6, Ni检测下限≥2×10-6。历史钻孔没有进行S元素分析。
以“HR”为开头编号的钻孔均为Nickel North Exploration公司施工, 所有岩心样品化验分析工作委托加拿大TSL实验室完成, 该实验室具有ISO9001资质。具体化验分析方法如下:①使用正样30 g进行Pd，Pt，Au贵金属元素基本分析。分析方法为FA/ICP(火试金法/感应耦合等离子体质谱测定法)。Au含量≥3 000×10-9时, 要求进行FA/Gravimetric法(火试金法/重量分析法)的再次分析。FA/ICP法的Au，Pd检测下限≥5×10-9, Pt检测下限≥10×10-9; Au检测上限≤3 000×10-9, Pd，Pt检测上限≤10 000×10-9。FA/Gravimetric法Au检测下限≥0.10×10-6。②取正样0.5 g进行41个金属元素分析(包括Cu，Ni，Co等成矿元素及其他微量元素)。分析方法为多酸(HNO3-HCLO4-HF-HCl)溶解释放, 然后ICP-MS(感应耦合等离子体质谱分析法)分析。当主成矿元素Cu，Ni含量超过该分析方法的检测上限时, 实验室自动将Cu，Ni元素的分析测试转到矿石分析方法, 即采用HNO3-HF-HCLO4-HCl/AA溶解释放, 然后AAS法(原子吸收光谱仪)分析。高品位矿石分析方法的检测限为:0.01%＜Cu＜25%, 0.01%＜Ni＜80%。
4 Pt，Pd，Au元素的地球化学特征及其指示意义 4.1 Pt，Pd元素的地球化学特征及其指示意义 4.1.1 (Pt+Pd)值特征Hawk Ridge成矿带火成堆积岩内, (Pt+Pd)含量随岩石镁铁质程度、硫化物含量呈规律性变化(见表 2)。在不含矿的火成堆积岩内, (Pt+Pd)含量很低, 一般在(15~50)×10-9, 这代表了该套火成堆积岩体(Pt+Pd)含量的背景值。其中, (辉石)斜长岩内(Pt+Pd)含量一般在(15~25)×10-9; 辉石岩内(Pt+Pd)含量一般在(25~50)×10-9。可以看出, (Pt+Pd)含量伴随岩石镁铁质程度增高呈明显递增趋势, 表明岩浆中镁铁矿物结晶分异的同时, Pd，Pt元素也发生了一定程度的分异富集。
在含硫化物的火成堆积岩中, (Pt+Pd)含量随着硫化物含量的增加而增加(见表 2)。在浸染状硫化物矿石中, (Pt+Pd)含量一般在(200~400)×10-9; 在半块状—块状硫化物矿石中, (Pt+Pd)含量增加到(400~1 300)×10-9。这反映了Pd，Pt元素表现出很强的亲硫性，且Pd，Pt元素的分异富集与含矿熔浆分异过程基本一致。
此外, P1矿体块状铜矿石内(Pt+Pd)含量较低, 一般小于200×10-9, 表明Pd，Pt元素在岩浆活动晚期热液活动中是惰性的, 不易受热液蚀变影响[3, 14]。Pd，Pt元素在热液中的惰性特征主要由其较高电负性(约2.2)、较高电价(2+，3+，4+)和较小离子半径(0.06~0.086 nm)[14]等性质决定。这也说明，Pd，Pt元素富集成矿主要是受岩浆分异作用控制。因此, Pd，Pt元素是可靠的地球化学示踪元素。Hellancourt组玄武岩、辉长岩的(Pt+Pd)含量在(15~30)×10-9, 与Montagnais群(辉石)斜长岩基本一致, 佐证了Hellancourt组玄武岩、辉长岩与Montagnais群火成堆积岩属于同源岩浆产物。
4.1.2 Pd/Pt比值特征在Hawk Ridge成矿带内，各矿床Pd/Pt比值与岩石镁铁质程度及硫化物含量关系密切(见表 2)。
不含矿火成堆积岩内，Pd/Pt比值随着岩石镁铁质程度的增高而增高。(辉石)斜长岩Pd/Pt比值＜1.0, 辉石岩Pd/Pt比值在1.0~3.0, 这表明Pd比Pt更容易在镁铁质程度较高的岩石中富集, 反映了镁铁质程度高的岩浆中Pd的相容性更好。
含矿火成堆积岩的Pd/Pt比值随硫化物含量的增加而增高, 从浸染状矿石到块状矿石，Pd/Pt比值升高趋势非常明显。浸染状矿石的Pd/Pt比值在3.0~6.5变化, 半块状—块状矿石的Pd/Pt比值在27.0~42.0。这说明Pd元素在两类矿石中的分配系数差异较大, 而Pt元素的分配系数变化较小, 这也反映了岩浆底部的矿浆中Pd含量更高(岩浆演化晚期Pd分异程度更高)。另外, 块状铜镍矿石的Pd/Pt比值要比块状铜矿石更高, 而这两类矿石中Cu含量相近, 这表明Pd/Pt比值受Ni元素影响更大。
4.1.3 Pt/(Pt+Pd)比值特征Hawk Ridge成矿带各矿床的Pt/(Pt+Pd)比值基本在0.03~0.70变化。Pt/(Pt+Pd)比值与岩内硫化物含量呈负相关关系。浸染状矿石的Pt/(Pt+Pd)比值位于在0.10~0.30, 而半块状—块状矿石的Pt/(Pt+Pd)比值位于0.03~0.08, 各矿床不同类型矿石的Pt/(Pt+Pd)平均值为0.15。通过与国内外典型岩浆型铜镍矿床(见表 3)对比, 该成矿带Pt/(Pt+Pd)比值与溢流玄武岩型矿床Pt/(Pt+Pd)比值(0.14~0.36)更为接近, 说明该成矿带铜镍矿床属于与溢流玄武岩有关的矿床[17]。另外, Hawk Ridge矿带与Raglan和Thompson矿床的成矿类型明显不同, 但Pt/(Pt+Pd)比值接近。Hawk Ridge矿带与Raglan和Thompson矿床位置相近, 且大地构造环境相似, 所以推测Pt/(Pt+Pd)比值相近可能反映了它们在成矿物质来源上有着某种联系。
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表 3 国内外典型铜镍矿床Pd，Pt元素含量及特征值一览表 Tab. 3 The content of Pd, Pt and its characteristic value of typical Cu-Ni deposits in the world |
根据Pt/(Pt+Pd)与Cu/(Cu+Ni)关系图解[16, 18](见图 3), Hawk Ridge矿带内岩浆型浸染状硫化物矿石(含硫化物辉石斜长岩和含硫化物辉石)样品, 大多数落入与溢流玄武岩有关的区域内或该区域附近, 且与Noril′sk矿床非常相似, 这说明该成矿带铜镍矿属于与溢流玄武岩有关的铜镍矿床；而块状矿石样品则落入各类典型区域之外, 推测这可能是由于块状矿石均或多或少经历了岩浆后期热液叠加作用所导致。
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图 3 硫化物矿床Pt/(Pt+Pd)与Cu/(Cu+Ni)关系图解(据Naldrett A J, 1989和汤中立, 1995) Fig. 3 Magmatic sulfide deposits diagram of Pt/(Pt+Pd) and Cu/(Cu+Ni)(From Naldrett A J, 1989 and Tang Z L, 1995) |
在Hellancourt组玄武岩和辉长岩中, Au元素含量最低, 一般为5×10-9左右。在不含硫化物的辉石斜长岩和辉石岩中, Au元素含量稍高, 一般都在(5~15)×10-9, 这也代表了该区岩体内Au元素含量的背景值。
Au含量与硫化物变化关系密切, 半块状—块状硫化物矿石内Au含量在(50~400)×10-9，明显高于浸染状硫化物矿石内Au含量((20~80)×10-9), 这反映了Au含量随着硫化物含量的增加而明显增加, 表明Au元素主要与硫化物共伴生。但Au元素含量变化似乎与硫化物中的Cu元素关系更为密切, 半块状—块状硫化物矿石表现得尤为明显, 在该类矿石中, 当Cu/Ni比值越大时, Au含量增加的幅度越大。例如, Gamma矿床G2矿体内块状铜镍矿石(样品HR-2012-02-H7)的Cu/Ni比值为3.55, Au含量可到167×10-9; Pio Lake矿床P1矿体内块状铜矿石(样品95-02-H1)的Cu/Ni比值为66.48, Au含量可到333×10-9。这反映了Au元素主要受硫化物中Cu元素的影响, 与Ni关系不大, 具有很强的亲铜属性[19]。
Au元素在不同类型的块状矿石中, 其含量变化也具有明显差异。Gamma矿床G1矿体底部块状铜镍矿石中，Au含量较为特殊(样品HR-2012-03-H5)：该部位矿石的硫化物含量和Cu，Ni矿化品位很高, 但伴生Au元素含量仅为5×10-9。G1矿体底部块状铜镍矿石是岩浆分异作用控制形成的, 基本无热液作用。这说明岩浆中硫化物的分异富集对Au元素富集影响不明显。另外, Au含量不随岩石镁铁质程度的增高而增加, 这与Pd，Pt元素明显不同。这说明整个岩浆演化过程中, 镁铁矿物、硫化物的分异均与Au元素富集成矿关系不大, 侧面反映了Au元素主要受岩浆后期含矿热液叠加作用控制。由表 2知, Hawk Ridge成矿带内, Pio Lake矿床P1矿体和Gamma矿床G2矿体内Au含量较高, 且从P1矿体至G2矿体, Au含量呈升高趋势。P1，G2矿体均经历了含矿热液叠加作用, 且P1矿体受热液作用较强, G2矿体较弱。这恰好证明矿体内Au元素主要来源于岩浆后期含矿热液作用, 且热液作用越强, Au元素含量越高。根据宋谢炎(2009年)和Evans R C.(1966年)可知, Au元素在热液型矿石中富集，主要是由于Au具有较低的电价(1+)和较大的离子半径(0.1~ 0.137 nm), 使得它们在热液条件下物理性质活跃, 容易在热液矿床中富集[3, 14], 这为上述结论提供了可靠证据。
4.3 Pd，Pt，Au元素与Cu，Ni，S元素的关系Pd，Pt元素与Cu，Ni，S元素的关系变化规律更为接近, 而与Au元素差异较大(见图 4)。
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图 4 Pd，Pt，Au与Cu，Ni，S含量相关图 Fig. 4 Diagram of Pd-Pt-Au and Cu-Ni-S correlations |
浸染状矿石(含硫化物辉石斜长岩、含硫化物辉石岩)中Pd，Pt元素均与Cu，Ni，S元素呈正相关关系, 反映了它们在岩浆分异早期富集于硫化物熔体中, 显示出亲铜元素的地球化学特征。根据图 4和表 1、表 2知, 浸染状矿石内Pd元素总体含量较高, 这反映了Pd元素在含矿岩浆中富集程度更高。浸染状矿石内Pt元素虽然整体含量较低, 但在Cu，Ni，S元素含量略微增加时, Pt元素含量则大幅度增加, 这反映了浸染状矿石内Pt与Cu，Ni，S元素相容性更好。
与浸染状矿石相比, 半块状—块状矿石内Pd，Pt元素与Cu，Ni，S元素的相关性发生变化。根据图 4和表 1、表 2知, 不同类型半块状—块状矿石内，Pd，Pt元素与Cu元素的相关性差异较大。沿围岩裂隙分布的半块状—块状铜矿石内, Pd与Cu的含量呈负相关关系, 而Pt元素基本不受Cu元素含量变化的影响。但在与浸染状矿石相接触的底部块状铜镍矿石内, Pd，Pt含量明显随Cu含量的增高而增高(样品HR-2012-03-H5)。这表明沿围岩裂隙分布的块状铜(镍)矿石与岩体底部块状铜镍矿石是不同成矿阶段的产物。另外, 虽然半块状—块状矿石和浸染状矿石中, Pt含量与Ni，S含量均呈正相关关系, 但两种不同类型矿石对应两条不同正相关曲线, 说明浸染状矿石和半块状—块状矿石是两个不同成矿阶段形成。
与Pd，Pt元素相比, Au与Cu，Ni，S元素的相关性具有独特性。不同类型矿石中，Au含量均与Cu含量呈正相关线性变化, 表现出强亲铜性。但在不同类型矿石内，Au与Ni，S元素的相关性变化差异较大。在浸染状矿石中，Au元素与Ni，S元素呈正相关关系; 而在半块状—块状矿石中, Au元素与Ni，S元素表现出负相关关系。这表明在岩浆分异前期形成浸染状矿石的过程中, Au元素伴随Ni，S元素的分异也同时发生一定分异富集, 且具有亲硫性, 但该阶段Au富集量很小。而在后期含矿热液叠加形成块状矿石的过程中, Ni，S元素的富集作用与Au元素富集关系不大。
含硫围岩中Pd，Pt，Au元素含量很低, 且不随S元素含量的增加而发生变化。这说明该成矿带内Pd，Pt，Au元素主要来源于镁铁-超镁铁质岩浆, 而与围岩中的含硫沉积地层没有关系。
5 结论1) 通过对不同类型岩石、矿石的(Pt+Pd)特征值进行对比可知:随着镁铁质矿物的结晶分异, Pd，Pt元素也同时发生一定程度分异; Pd，Pt元素具有很强的亲硫性, 并且它们的分异富集过程与含硫熔浆的分异过程基本一致; Pd，Pt元素不易受岩浆后期含矿热液活动所影响, 同时也说明了Pd，Pt元素富集成矿主要受岩浆分异作用控制。
2) 通过不同类型岩石、矿石中的Pd/Pt比值对比发现:Pd比Pt更容易在镁铁质程度较高的岩石中富集, 反映了镁铁质程度高的岩浆中Pd的相容性更好；Pd元素在浸染状矿石和块状矿石中的分配系数差异较大, 且在块状矿石中分配系数较大, 而Pt元素在这两种矿石中分配系数差异较小, 这表明岩浆房底部的矿浆中Pd含量更高(岩浆演化晚期Pd分异程度更高)；由状铜镍矿石与比块状铜矿石的Pd/Pt值对比可知, Pd/Pt比值受Ni元素影响更大。
3) 根据Pt/(Pt+Pd)比值特征以及Pt/(Pt+Pd)与Cu/(Cu+Ni)关系图解判断, Hawk Ridge成矿带铜镍矿属于与溢流玄武岩有关的铜镍矿床。另外, Hawk Ridge矿带与Raglan，Thompson矿床具有相似的Pt/(Pt+Pd)比值和大地构造环境, 因此推测它们在成矿物质来源上有着某种联系。
4) 根据该区Au元素地球化学特征可知, Au元素主要与硫化物中的Cu元素关系密切, 具有很强的亲铜属性, 并且Au元素富集成矿主要受热液叠加作用控制, 与岩浆分异作用关系不大。因此, 在热液叠加形成的块状铜(镍)矿石中, Au，Cu含量很高, 并且热液作用越强, Au含量越高。而在岩浆分异作用形成的块状铜镍矿石中, Cu含量较高, Au含量很低。
5) 通过Pd，Pt，Au元素与Cu，Ni，S元素的含量相关图可知:浸染状矿石内Pd，Pt元素均具有亲硫性(不同点在于:母岩浆中Pd背景含量较高, Pt元素较低, 但Pt元素与Cu，Ni，S等元素相容性更好); 围岩裂隙内半块状—块状铜(镍)矿石中，Pd，Pt与Cu的相关性, 与分布在浸染状矿石下部的块状铜镍矿石不同, 反映了这两种矿石是成不同成矿阶段的产物；Au元素表现出强亲铜性, 而与Ni，S元素关系不大；含硫围岩中，Pd，Pt，Au元素含量很低, 且不随S元素含量增加而发生变化, 这说明该区Pd，Pt，Au元素主要来源于原生镁铁—超镁铁质岩浆, 而与含硫围岩没有关系。
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