2013, Vol. 29
2. 中国科学院广州地球化学研究所，中国科学院矿物学和成矿学重点实验室，广州 510640
2. Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China
地幔柱学说是弥补板块构造理论重视水平运动、忽略垂向运动的不足而提出的，是板块构造理论的重要补充。它较好地解释了大火成岩省、热点、大陆裂谷、大规模成矿和生物灭绝事件等很难用板块构造理论解释的现象。从1971年Morgan (1971)最初提出地幔柱的概念开始，经过近40年的发展，地幔柱依然是当代地学研究的前缘和热点。在过去5年 (2008~2012年) Nature发表的文章中，其中118篇是有关地幔柱研究的，197篇是有关板块构造的，说明地幔柱理论在有关地球系统科学研究中的重要性可与经典板块构造理论相比拟。
地幔柱研究涉及深部动力学和地幔柱成矿系统两个研究前沿。关于前者笔者曾经撰文进行过讨论 (徐义刚, 2002; 徐义刚等, 2007)，本文重点阐述地幔柱成矿系统的相关研究进展。与板块构造理论强调水平运动不同，地幔柱学说强调物质和能量的垂向运动。地幔柱活动是大规模的物质和能量由地球深部向地表迁移的过程，不仅导致大火成岩省的形成，且伴随铜、镍、钛、铂、钯、银、金等战略资源的超常富集 (汤中立和李文渊，1995；陈毓川等，2000)。对全球主要赋含钒钛磁铁矿床的层状岩体和铜镍硫化物矿床的镁铁-超镁铁质岩体的统计表明，地幔柱成因的大火成岩省是形成岩浆铜镍硫化物矿床和钒钛磁铁矿床的主要场所。理解地幔柱成矿过程并揭示关键的控矿因素是地幔柱研究的重要内容之一。本文首先简要总结与地幔柱相关的岩浆系列及其相关的成矿作用，然后介绍与地幔柱相关的成矿作用的类型和基本特征，最后初步探讨相关成矿作用的主要控制因素并提出相关研究中存在的薄弱环节。在此基础上，尝试总结一些找矿的地球化学指标。
2 地幔柱岩浆系列及伴生矿床大火成岩省主要由溢流玄武岩、镁铁-超镁铁质层状岩体、岩墙群、碱性杂岩体、碳酸岩等形式多样的岩浆系列组成，主要通过地幔柱头的减压熔融、产出岩浆的结晶分异、热传递引发地壳熔融等方式形成。大量研究证明，大火成岩省中的这些岩浆系列均与地幔柱活动有关。虽然还存在争论，但金伯利岩也可能与地幔柱有关，不同的岩浆系列具有明显的成矿专属性 (表 1)。
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表 1 大火成岩省岩浆系列与伴生的成矿作用 Table 1 Magmatic series in large igneous provinces and associated mineralization |
人们熟知的钒钛磁铁矿矿床和铜镍硫化物矿床主要产于镁铁-超镁铁质岩体中。在大多数情况下，这些岩体与大规模溢流玄武岩在时空上紧密伴生，例如，俄罗斯西伯利亚暗色岩体中的Noril’sk-Talnakh岩体、峨眉山大火成岩省中的攀西层状岩体、Karoo大火成岩省中的Insizwa岩体以及东格林兰的Skaergaard岩体等。对于一些形成年代古老的岩体，如南非的Bushveld杂岩体, 津巴布韦的Great Dyke，中国的金川岩体等，因剥蚀作用同时代的玄武岩可能已荡然无存。但反演计算得到的母岩浆成分均为高镁玄武质的、甚至苦橄质的，而且稀有气体地球化学暗示其源区有下地幔组分参与，因此，层状岩体的地幔柱成因广为接受，与之相伴生的矿床显然也与地幔柱活动直接相关 (Pirajno, 2000)。
世界上最大的层状岩体是南非Bushveld杂岩体，总厚度约7~9km，分布面积65, 000km2，体积约4×105km3。Bushveld杂岩体之所以著名不只是因为其体积大，更因为它赋存了世界上最大的铬铁矿床和铂族元素矿床，并富含Fe, Ti, Sn, Cu, Au, W等金属元素。因此层状岩体代表了具有重要经济价值的一类岩浆矿床，对层状岩体形成的物理-化学过程、岩浆演化和不混溶过程等对矿床成因的探讨具有重要意义。
与层状岩体相关的岩浆矿床有两类：钒钛磁铁矿矿床和铜镍硫化物矿床。后者与岩浆演化过程中岩浆的硫化物过饱和有关。大量新的研究发现，地壳硫化物加入是造成岩浆硫化物饱和的重要方式。钒钛磁铁矿矿床可与铜镍硫化物矿床出现在同一层状岩体中，但二者出现在岩体的不同部位。铬铁矿矿床和铜镍硫化物矿床通常与高Mg/Fe、贫Ca和碱族元素的岩浆相伴生，而钒钛磁铁矿矿床则与富Fe、Ca和碱族元素的岩浆相伴生。因此，铬铁矿矿床和铜镍硫化物矿床通常出现在层状岩体超镁铁质岩单元的底部，而钒钛磁铁矿矿床则在岩体顶部的辉长岩单元出现。
Noril’sk-Talnakh铜镍硫化物矿床是世界上规模第二大的岩浆型铜镍硫化物矿床，仅次于加拿大Sudbury矿床。由于Sudbury矿床的形成与陨石撞击有关，因此Noril’sk-Talnakh铜镍硫化物矿床的形成机制在地幔柱成矿系统研究中的重要性不言而喻。该矿体储存在西伯利亚暗色岩系西北部边缘的供给岩席中，矿石量为1257Mt 1.84% Ni和3.75% Cu (Naldrett, 2011)。喷出岩浆位于巨厚古生代陆相地层中，主要包括泥盆纪泥灰岩、灰岩和蒸发岩。研究表明，地壳硫的加入是导致玄武质岩浆硫化物饱和、形成超大型Noril’sk-Talnakh铜镍硫化物矿床的主要原因 (Lightfoot and Hawkesworth, 1997; Ripley et al., 2010)。
2.2 科马提岩与Fe-Ni-Cu硫化物矿床津巴布韦克拉通2.75Ga绿岩带上部的科马提岩伴生Fe-Ni-Cu硫化物矿床，加拿大苏必利尔地盾发育Alexo-Texmont-Langmuir矿床等。但是在一些更老的 (3.0~3.8Ga) 绿岩带中，如南非Kaapvaal克拉通和西澳Yilgarn克拉通绿岩带中类似的硫化物矿床就相对少见。其中的原因目前还不得而知，可能有二个原因：(1) >3.0Ga的科马提岩更亏损Al (Arndt et al., 1997)，暗示两者源区性质的不同；(2) 如果与科马提岩相关的Fe-Ni-Cu硫化物矿床中有地壳硫化物的加入，那么这种差异可能是地球演化过程中生物成因硫逐渐增高所致。
2.3 斜长岩与钒钛磁铁矿矿床元古代 (1.5~1.3Ga) 非造山型斜长岩分布广泛，形成一条5000km长、1000km宽穿越劳伦大陆的斜长岩带。对斜长岩体的成因和动力学机制仍不清楚。Windley (1995)认为斜长岩的形成与地幔柱作用下超大陆的裂解有关，是下地壳熔融的产物。尽管在元古代斜长岩-纹长二长岩-紫苏花岗岩-环斑花岗岩 (AMCG) 组合中发现了Voisey’s Bay型铜镍硫化物矿床 (Kerr and Ryan, 2000)，钒钛磁铁矿依然是元古代斜长岩带中最主要的矿床类型。我国大庙铁矿也属这一类型，其形成于早元古代 (1.7Ga, Zhao et al., 2009)。目前正在开采的两个世界级斜长岩体型钒钛磁铁矿矿床分别是加拿大魁北克Havre-Saint-Pierre斜长岩体中的Tio矿 (钛铁矿含量超过10%)，挪威Rogaland斜长岩省中的Tellnes矿。
2.4 碱性岩系列与Nb-Ta-Zr-Sn-U-REE矿床碱性岩系列是大火成岩省中重要组成部分，包括正长岩、过碱性花岗岩和碳酸岩等。由于这些岩石具有演化特征，其形成的深部动力学背景往往不易确定。但是碱性杂岩体往往在时空上与大火成岩省的其他组分紧密相关，因此也是地幔柱的产物 (Ernst and Bell, 2010)。例如，Bushveld层状杂岩体与Schiel碱性杂岩体、Palabora碳酸岩在时间上一致，空间上密切关联 (Wu et al., 2011)；世界上有1/3的碳酸岩发现于东非裂谷系 (Ernst and Bell, 2010)。非洲纳米比亚和安哥拉南部发育众多非造山环状碱性杂岩体和碳酸盐岩，代表了晚中生代 (138~132Ma) 冈瓦纳大陆裂解，以及新生代在Tristan Da Gunha地幔柱的影响下南大西洋打开过程中的岩浆产物。在峨眉山大火成岩省，攀西地区发育的玄武岩、层状岩体和碱性杂岩体共生的“三位一体”现象早被前人所识别 (张云湘等，1998)。对峨眉山大火成岩省碱性杂岩体的高精度定年也证明其侵位年龄与层状岩体完全一致 (Luo et al., 2006; Xu et al., 2008; Zhong et al., 2009; Shellnutt et al., 2012; 王汾连等, 2013)。
与碱性岩系列伴生的成矿作用包括Sn, W, Cu, Au和REE (Pirajno, 1994)。例如Brandberg花岗岩杂岩体中含有丰富的REE、Zr和Nb；碳酸盐岩通常富集REE、Zr、P和F，有时达到工业品位。印度大陆碳酸盐岩及相关的碱性杂岩也是重要的P、Fe、Nb、F、REE、Th、U和Ba产地。例如Ambadongar碳酸盐杂岩体中CaF2平均品位为30%的矿石储量达11.6Mt，是世界上最大的萤石矿 (Krishnamurthy et al., 2000)。
Sillitoe (1974)提出尼日利亚焦斯高原侏罗纪的含锡钠闪石碱性花岗岩是地幔热点活动的产物，该类矿床还富含Nb (铌铁矿)。巴西朗多尼亚锡矿以及美国密苏里州东南部锡矿也都与地幔热点相关的晚元古代花岗质环状杂岩有关。阿拉斯加东南Bokan山铀矿产于中生代钠闪石碱性花岗岩中，赋矿花岗岩及U均源自地幔，被称为热点型铀矿 (Rogers et al., 1978)。
2.5 金伯利岩与金刚石矿金伯利岩也是一种碱性岩石，由于它的特殊性和重要性本节做单独的叙述。相比与大火成岩省相关的岩浆系列不同，金伯利岩的产出显得有些“独来独往”。在20世纪90年代以前，金伯利岩均被认为是大陆下岩石圈地幔熔融的结果。Ringwood et al. (1992)最早推测金伯利岩形成于深度为410~660km的上地幔。这为后来在金伯利岩中一些超高压矿物 (如镁铁榴石majorite) 的发现所证实。实验岩石学揭示镁铁榴石的形成深度为400~600km，因此金伯利岩至少来源于地幔过渡带。后来在金刚石固体包裹体中发现了斯石英、Ca-钙钛矿和Mg-钙钛矿等超深矿物 (Walter et al., 2011)，暗示金伯利岩可来源于下地幔 (>700km)。根据金伯利岩中超深矿物组合，Haggerty (1994)提出金伯利岩是超级地幔柱产物的观点。金伯利岩中一些含有下地幔超高压矿物的超深金刚石的碳同位素组成具有有机碳同位素特征 (Walter et al., 2011)，说明存在地表有机碳通过俯冲进入到下地幔，再由地幔柱捕获上升至地壳的循环过程。此外，最新的关于古地磁板块重建的进展 (Burke and Torsvik, 2004; Torsvik et al., 2008) 为该观点提供了进一步的佐证。
深部地球物理探测发现地球核幔边界存在两个低剪切波速异常区 (Large Low Shear Wave Velocity Provinces-LLSVPs), 一个在非洲，一个在西南太平洋 (图 1a)。结合古地磁构造重建，这两个低速异常区至少最近5亿年以来没有发生大的漂移，一直保持不动 (Torsvik et al., 2008)，因此人们将其认为是超级地幔柱 (Burke and Torsvik, 2004; Torsvik et al., 2008)。更有意思的是，通过古地磁研究可以获得显生宙大火成岩省喷发时的古地理位置，并将重建的古地理位置投影到两大超级地幔柱图上 (因为它们基本保持不动)，发现几乎所有的大火成岩省在喷发时位于两大超级地幔柱的边缘 (图 1b, Burke and Torsvik, 2004)。这一现象不仅有力地支持了超级地幔柱的“固定”概念以及地幔柱的核幔边界来源的传统认识，而且为大火成岩省的地幔柱成因提供了强有力的证据。至于为什么大火成岩省出现在超级地幔柱的边缘而不是在地幔柱的内部，目前还没有定论，我们猜测这可能与超级地幔柱的陡峭边缘有关。将重建的含金刚石的金伯利岩的古地理位置投影到两大超级地幔柱，发现全球85%的金伯利岩落在两大超级地幔柱范围内，强烈暗示金伯利岩的形成可能与超级地幔柱的活动有关 (图 1b, Torsvik et al., 2010)。当然，导致金伯利岩形成的地幔柱为什么没有形成相关的大火成岩省依然是一个难以回答的问题 (Condie, 2001)。金伯利岩一般产于太古代克拉通，其下岩石圈厚度>200km。巨厚的岩石圈可能阻挡了上升的地幔柱而抑制其减压熔融，只发生低程度部分熔融形成富CO2的金伯利岩熔体，这些小体积岩体在穿越岩石圈过程中可能与其中交代富集组分发生反应而不断增加其碱性程度 (Mitchell, 1986)。
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图 1 2510km深地球内部地震图像 (SMEAN模型) 显示在非洲和太平洋出现两个大的低速异常区 (LLSVP)(a, 据Becker and Boschi, 2002) 和3.2亿年以来大火成岩省和金伯利岩的重建古地理位置与地幔底部S-波异常区的关系图 (b, 据Torsvik et al., 2010) 绝大多数的大火成岩省位于两个LLSVP的边缘，80%的含金刚石金伯利岩位于非洲低速异常区附近或内部 Fig. 1 Global seismic image (SMEAN model) at 2510km showing the two large low-shear-wave-velocity provinces (LLSVPs) underneath Africa and Pacific (a, after Becker and Boschi, 2002) and reconstructed large igneous provinces and kimberlites for the past 320Myr with respect to shear-wave anomalies at the base of the mantle (b, after Torsvik et al., 2010) Note that the majority of large igneous provinces are located at the periphery of the two LLSVPs, and 80% of all reconstructed kimberlite locations of the past 320Myr erupted near or over the sub-African PGZ |
金刚石本身不能定年，但其中的硅酸盐矿物的定年结果变化于3300~990Ma之间 (Richardson et al., 1984)，明显老于寄主金伯利岩筒的年龄 (如白垩纪)，因此，金刚石是金伯利岩中的捕虏晶 (Xenocrysts)，而不是斑晶 (Phenocryst)。金伯利岩中的金刚石可能有多种成因 (Richardson et al., 1993)，但根据绝大部分金伯利岩出现在古老克拉通的事实，我们推测岩石圈成因的金刚石占多数。金刚石可以形成于不同的时代 (Kirkley et al., 1991)，储存在稳定的、冷的岩石圈深部的金刚石稳定区，等待后来的、来源更深的金伯利岩将其带到地表。Dawson (1999)曾形象地把金刚石称为金伯利岩汽车上的地幔乘客 (mantle passengers on the kimberlite bus)。由此可见，金伯利岩中金刚石成矿可能需要两个条件，一是古老克拉通，其冷、厚的岩石圈根适合金刚石的生长与保存；二是地幔柱，其超深来源可携带金刚石至地表。因此超级地幔柱上方有古老克拉通是金刚石成矿的重要条件，反过来说，金刚石矿是地幔柱成矿体系的一个组成部分，尽管两者之间是间接的关系。
3 地幔柱成矿作用的主要特征与成因模型与地幔柱相关的成矿作用可分成两类：(1) 与地幔柱直接相关的成矿作用；(2) 与地幔柱间接相关的成矿作用。本节简要总结与地幔柱直接相关和间接相关的各种矿床的主要特点和现有的成矿模型 (图 2)。
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图 2 地幔柱成矿系统示意图 Fig. 2 Schematic illustration of mantle plume-related mineralization systems |
人们熟知的钒钛磁铁矿矿床和铜镍硫化物矿床主要产于镁铁-超镁铁质岩体中。如前所述，这些岩体多与大规模的大陆溢流玄武岩在时空上紧密伴生，而且其母岩浆多为高镁玄武质或苦橄质的，因此与镁铁-超镁铁质岩体相关的岩浆矿床与地幔柱活动直接相关 (Pirajno, 2000)。
钒钛磁铁矿矿床是全球金属钒和钛的主要来源，全球主要赋含钒钛磁铁矿床/矿化的层状岩体如表 2所示。全球钒钛磁铁矿床中的钛资源量为22~26亿吨，占全球钛资源量的~80%，钒资源量为1.36亿吨，超过全球钒资源量的70%。世界上最大的钒钛磁铁矿床赋存在Bushveld杂岩体中，含有260万吨钒和2.1亿吨钛，我国攀西地区以攀枝花、红格和白马岩体为代表的层状岩体中赋含880万吨钒和8.7亿吨钛，分别占到世界资源量的11%和38%，是目前世界上最大的钒钛磁铁矿矿集区 (据宋谢炎，2013①)。
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表 2 世界主要大型层状岩体及其矿化类型 (据Namur et al., 2010修改) Table 2 Characteristics and mineralization of some important layered intrusions in the world (after Namur et al., 2010) |
①宋谢炎.2013.地球深部过程与成矿作用广州研讨会
层状岩体中的钒钛磁铁矿矿体通常成层分布，矿体由不同比例的硅酸盐矿物 (斜长石、辉石、橄榄石、磷灰石) 和铁钛氧化物 (磁铁矿和钛铁矿) 组成的韵律条带组成，有时出现块状矿石 (铁钛氧化物>85%)。磁铁矿层可以发育在层状岩体的上部，如Bushveld杂岩体、Spet Iles岩体和Skaergaard岩体的磁铁矿层 (McBirney and Noyes, 1979; Cawthorn and McCarthy, 1980; Namur et al., 2010)；也可以发育在层状岩体的中下部，如攀西地区层状岩体中的磁铁矿层 (Zhou et al., 2005; Shellnutt et al., 2009; Wang and Zhou, 2013)。经典的磁铁矿成因是通过研究Bushveld杂岩体中磁铁矿的成因得到的：在Bushveld杂岩体上部，26个磁铁矿>50%的磁铁矿层累积厚度20.4m，相比厚达6500m的Bushveld杂岩体，整个磁铁矿层只占岩体很小的比例，因此，被认为是典型的岩浆分离结晶作用晚期的产物 (Cawthorn and McCarthy, 1980)。随着近年来矿物微区结构和成分分析技术的提高以及实验岩石学的进展，很多学者认为岩浆不混熔过程对层状岩体如Bushveld、Skaergaard、Sept Iles、以及攀西地区红格、新街岩体中的磁铁矿成因具有重要的作用 (Jakobsen et al., 2005, 2011; Charlier et al., 2011; VanTongeren and Mathez, 2012; Wang and Zhou, 2013; Dong et al., 2013)。传统观点认为，不混熔作用仅能发生在岩浆刚好达到1000℃时，因此，只能发生在玄武质岩浆分离结晶作用的晚期 (Philpotts and Doyle, 1983)，但最近也有实验岩石学结果表明不混熔可以发生在1100℃的岩浆中 (Veksler et al., 2007)。当然，这仍然是一个争议的问题。最新的实验表明，在1atm、干体系下的拉斑玄武质岩浆中，不混熔可以在1000~1020℃之下发生 (Charlier and Grove, 2012)。在我国攀西地区的层状岩体中，主要矿石层大多发育在岩体的中下部，而不是在岩体的上部，暗示磁铁矿可能不是岩浆分离结晶作用晚期的产物。因此，探讨这些含矿岩体形成过程中岩浆不混熔过程与铁矿石形成的关系显得尤其有意义。
铜镍硫化物矿床按照金属组合可以分成三种类型：以铜镍为主、以铂族元素为主和同时富集铜镍和铂族元素的矿床。世界主要铜镍硫化物矿床的主要特征和矿化类型见表 3。Bushveld杂岩体赋含世界上最大的铂族元素矿床，赋存在Merensky Reef和UG-2, UG-1, MG-3和MG-2铬铁矿石层中的铂、钯和铑分别占到全球Pt、Pd和Rh产量和储量的67.5%、43%和77%(Mungall and Naldrett, 2008)。世界上没有第二例如此大型的岩浆型铂族元素矿床，如此大量的铂族元素如何聚集成矿一直存在争论，众多的成因模式可以归纳为两类：一是铂族元素来源于下部的堆晶岩，当粒间熔体中的富水矿物释放的富Cl流体穿过这些堆晶岩时将铂族元素带到堆晶岩上部成矿 (Boudreau and McCallum, 1992)；二是铂族元素是上覆岩浆遭受岩浆混合 (Campbell et al., 1983) 或压力变化 (Cawthorn, 2005) 硫化物造成铂族元素富集。
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表 3 世界主要大型铜镍硫化物矿床含矿岩体的特征 Table 3 Characteristics and mineralization of some important Ni-Cu-PGE sulfide deposits in the world |
Naldrett et al.(1996)在研究Noril’sk矿床成因时提出，铜镍硫化物矿床是岩浆在一个动态的岩浆通道系统 (dynamic magma plumbing system) 中形成的，矿床通常形成在岩浆通道 (magma conduit) 突然变宽的部位、或岩浆进入岩席的部位、或在熔岩流的底部。岩浆通道系统成矿模式可以很好的解释所谓“小岩体成大矿”的现象，例如我国最大的镍矿-金川岩体 (Chai and Naldrett, 1992; Song et al., 2009)、加拿大的Voisey’s Bay岩体 (Li and Naldrett, 1999)、以及峨眉山大火成岩省中众多含矿的小岩体等。随着硫化物的S同位素和Re-Os同位素测试成为一个常规的分析手段，近年来有关铜镍硫化物矿床成因研究一个热点的问题是，岩浆硫化物饱和是否需要外来地壳硫的加入 (Ripley and Li, 2013)。目前在Noril’sk岩体、我国东天山和攀西地区与塔里木和峨眉山大火成岩省相关的一些含矿岩体中均发现了地壳硫加入的证据 (Li et al., 2012; Zhang et al., 2011; Wang et al., 2012; Ripley and Li, 2013; Sun et al., 2013; Xia et al., 2013)，因此，外来地壳硫的加入可能是形成具经济价值矿床的一个非常重要的因素。
3.2 与地幔柱产出岩浆间接相关的矿床地幔柱及其岩浆产物是巨大的热源，因此对上覆地壳形成热液循环系统，促进成矿元素的活化和矿床的形成。与地幔柱有关的成矿作用种类日益丰富，例如，峨眉山大火成岩省除了发育以钒钛磁铁矿床和铜镍硫化物矿床为主的多种岩浆-热液成矿作用之外，还发育与过碱性花岗岩脉有关的铌钽锆矿化、以及与玄武质岩浆后期热液活动相关的锰钴矿、自然铜矿、自然碲矿等，构成了世界其它大火成岩省中很少见的、成矿类型多样的地幔柱成矿系统。
20世纪60年代初期在攀西地区发现了近30个铌钽锆矿床 (矿化点)(贺金良，2004)，它们多赋存在过碱性岩脉中，在空间上与攀西地区广泛分布的长英质岩体密切相关。最新的锆石定年结果显示，这些过碱性岩脉的形成年龄均在258Ma左右，与攀西地区的层状岩体和花岗岩体等为同期岩浆作用产物，但有可能是岩浆演化至晚期高分异阶段的产物 (王汾连等，2013)。Nb和Ta主要赋存在烧绿石、褐钆铌矿等矿物中，但Nb-Ta的富集机制仍有待进一步研究。
在美洲中部Keweenaw大陆溢流玄武岩和我国峨眉山大火成岩省均发育自然铜矿 (Butler and Burbank, 1929; White, 1968; Zhu et al., 2003; Wang et al., 2006a)。自然铜常常发育在火山角砾岩的裂隙中、或玄武岩的气孔中构成杏仁体。在云南昭通地区玄武岩中发育的自然铜常与沥青等有机物质共生，被认为是在低温热液并缺乏还原性硫的情况下、强烈的有机-无机物质反应形成的 (Wang et al., 2006a)。虽然这些自然铜矿化远没有达到经济价值，但作为与地幔柱岩浆活动有关的热液体系的演化研究具有重要意义。此外，在峨眉山大火成岩省，与玄武岩伴生的矿化还包括锰钴矿化、自然碲矿等，由于之前没有人认为这些矿化与峨眉山地幔柱岩浆活动有关，因此，这些矿化与地幔柱岩浆的关系、以及元素的富集机制都不清楚。
4 地幔柱成矿作用的主要控制因素成矿作用是一个特殊的地质过程，可能的控制因素包括：地幔柱结构、岩浆源区特征、结晶分异、硫化物熔离，地壳混染和侵位过程等。
4.1 地幔柱结构、岩石圈-地幔柱相互作用对成矿的影响地幔柱结构 (柱头还是边缘) 是控制岩浆形成的重要因素，因此也可能是相关成矿作用的一级控制。地幔柱结构主要表现在热和成分的分带，热结构控制了地幔柱熔融程度、产出岩浆的成分以及岩浆的供给率。与地幔柱边缘相比，地幔柱核部通常具有更高的温度，因此熔融程度大、岩浆供给率大，产出岩浆类型多样，有利于大型矿床的形成。例如, Bushveld杂岩体是多期岩浆灌入的结果；位于峨眉山大火成岩省内带的攀西地区产出有低钛玄武岩、高钛玄武岩、碱性岩等 (Xu et al., 2004)，是我国重要的钒钛磁铁矿产地。
地幔柱可上涌至克拉通岩石圈或者造山带，因此岩石圈-地幔柱相互作用的方式和过程是不同的，会对成矿作用产生影响。岩石圈在影响地幔柱活动的作用是双重的。一方面，刚性岩石圈对上涌地幔柱起阻挡作用，对流地幔发生熔融的前提条件是岩石圈厚度必须小于65~80km (McKenzie and Bickle, 1988)。所以当地幔柱上涌至克拉通时，因克拉通下岩石圈较厚 (150~300km) 地幔柱不会发生减压熔融。另一方面，岩石圈可在地幔柱作用下发生熔融。一般来说，大陆岩石圈地幔亏损玄武岩质组分，而且岩石圈内以热传导为主，因此相对“冷”的状态不足以引起岩石圈的大规模熔融。理论和物理模型计算也都表明，在岩石圈和软流圈具有相同的熔融行为这一前提条件下，95%以上的熔融发生在软流圈，而因岩石圈熔融形成岩浆的可能性很小 (McKenzie and Bickle, 1988; Arndt and Christensen, 1992)。不过，这些模拟计算都假定岩石圈和软流圈的熔融均是在无水条件下进行的，但当岩石圈地幔中含水或含其他低熔点组分时，地幔柱烘烤作用也可以使岩石圈地幔发生熔融 (Gallagher and Hawkesworth, 1992)。南美的Parana大火成岩省就是这一熔融机制的典型代表 (Turner et al., 1996；Gibson et al., 2006)。
需要指出的是，由于岩石圈地幔来源的岩浆体积较小、岩浆供给率小，因此形成大矿的可能性不大。由地幔柱形成的岩浆的体积大、岩浆供给率大，因此形成大矿的可能性大。例如，塔里木大火成岩省有两期岩浆活动，第一期 (~290Ma) 岩浆来源于富集岩石圈地幔，主要分布于塔里木盆地内部，其形成机制与南美Parana大火成岩省相似 (Turner et al., 1996)；第二期 (~280Ma) 岩浆来源于对流地幔，主要出现在塔里木盆地的边缘和与造山带的交接部位 (徐义刚等, 2013; Wei et al., 2014)。这些区域的岩石圈较薄，或是岩石圈薄弱带，因此地幔柱有可能发生减压熔融。值得注意的是，迄今为止发现的矿床主要与第二期岩浆活动有关。
4.2 岩浆源区岩浆源区特征对成矿的控制是显而易见的。富Fe岩浆显然更可能导致钒钛磁铁矿床的形成，而富Ni岩浆有利于镍矿的形成。近十年来关于地幔柱岩浆源区有很多重要进展，特别是辉石岩在岩浆源区的贡献日益被重视。例如，Lassiter et al. (2000)发现夏威夷玄武岩的Os同位素组成与主、微量元素成分呈相关关系，其中具有高放射性成因Os同位素的样品同时具有高Si、高Al, 低Ca的特征。他们将这些关系归因为辉石岩和橄榄岩来源的熔体之间的混合。由于Ni在橄榄石中为相容元素，因此当熔融源区有橄榄石残留时形成熔体的Ni含量相对较低，而当熔融源区无橄榄石残留 (如辉石岩) 时形成熔体的Ni含量相对较高。因此橄榄石中Ni含量的高低或许可用于指示岩浆源区是橄榄岩还是辉石岩。Sobolev et al.(2005)发现夏威夷火山岩中橄榄石斑晶在相同Fo时比洋中脊玄武岩 (MORB) 中橄榄石具有更高的Ni含量。由此他们推断夏威夷火山岩起源于无橄榄石的地幔源区。在之后的研究中，Sobolev et al. (2007)发现许多大火成岩省中苦橄岩中橄榄石中的Ni含量均比MORB中的高，推测地幔柱源区普遍存在经再循环洋壳熔体与橄榄石反应形成的辉石岩。由于辉石岩的熔点比橄榄岩低，因此在岩石圈较厚的地区地幔柱熔融产生的熔体主要以辉石岩组分为主。由此可推测，板内大火成岩省中火山岩主要来源于辉石岩，原始岩浆中Ni含量较高，为形成大型岩浆镍矿提供了基础。事实上，据Sobolev et al.(2007)的研究，西伯利亚暗色岩系的源区为100%的辉石岩，而在Noril’sk发育了世界上最大的铜镍硫化物矿床；相比较而言，德干高原玄武岩发育在岩石圈较薄的地区 (Rao and Lehmann, 2011)，推测其源区中辉石岩的含量较少，不利于大型岩浆镍矿的形成。这可能也是德干大火成岩省迄今为止未发现相关矿床的原因之一。
4.3 结晶分异和岩浆不混溶过程结晶分异作用无疑是地幔柱成矿作用的重要环节。例如，富Cr尖晶石和铬铁矿是镁铁-超镁铁岩浆的早期结晶产物，之后岩浆中的Cr主要被单斜辉石吸纳，因此岩浆演化后期几乎不出现富Cr尖晶石和铬铁矿；相反，含V的铁钛氧化物 (钛铁矿和含钛磁铁矿) 只有当残留岩浆中Fe-Ti浓度演变到一定程度才开始结晶，通常出现在结晶作用的晚期。因此，铬铁矿一般来说出现在层状岩体的底部，而钒钛磁铁矿出现在层状岩体的上部，例如Bushveld层状杂岩体。
拉斑玄武质岩浆通过结晶分异作用可以演化成富Si贫Fe的流纹质产物 (即Bowen分异趋势；Bowen, 1928) 或富Fe贫Si的产物 (即Fenner分异趋势；Fenner, 1929)。磁铁矿从岩浆中晶出的时间，也就是说岩浆氧逸度的大小决定了岩浆演化会遵循哪种分异趋势 (Osborn, 1959; 徐义刚等，2003)。氧逸度的升高会扩大玄武质岩浆体系中磁铁矿稳定范围，促使磁铁矿从岩浆中较早结晶，从而导致残余岩浆中硅的富集和铁的亏损。相反，较低的氧逸度会推迟岩浆演化过程中磁铁矿的晶出，致使残余岩浆中铁的富集。在自然界，玄武岩的Bowen分异趋势较为普遍，常见于许多大火成岩省 (Hunter and Sparks, 1986)，而Fenner分异趋势以及富铁岩浆 (全FeO>20%) 较为罕见。格陵兰东部的Skaergaard侵入体层被认为是记录了玄武岩浆Fenner分异趋势的典型例子 (Wager et al., 1960)，但却因其母岩浆性质的反演模型而遭到了Hunter and Sparks (1987)的质疑，认为Skaergaard岩浆同样经历了Bowen分异趋势，层状岩体中的富铁现象与岩浆的重力分异有关，否认富铁低硅岩浆在自然界的存在。徐义刚等 (2003)发现峨眉山大火成岩省东区的玄武岩也具有Fenner分异趋势，最终分异产物中Fe2O3含量高达23%，SiO2含量低至44%，从而为富Fe贫Si岩浆在自然界的客观存在提供了直接的证据；并认为地壳混染程度可能是造成幔源岩浆具有不同分异趋势的重要原因，具Bowen分异趋势的岩浆系列的氧逸度较高，并经历了较大程度的地壳混染作用，而具Fenner分异趋势的岩浆的氧逸度较低，地壳混染不明显。
但是，并不是所有的层状岩体都具有这样的特点，例如我国攀西地区的层状岩体，磁铁矿层出现在这些岩体的中下部，暗示除了结晶分异作用外还有其他岩浆过程导致了钒钛磁铁矿的结晶。最近的研究表明，岩浆的不混溶过程可能是形成富铁熔体形成磁铁矿的重要过程 (Dong et al., 2013; Wang and Zhou, 2013; Zhou et al., 2013; 王坤等, 2013)。在红格和新街岩体中均发现，主要矿石层中磁铁矿为低Cr磁铁矿，其Cr含量低而且变化不大，远低于岩体下部的高Cr钛磁铁矿，这无法用岩浆的正常分离结晶作用来解释 (Dong et al., 2013; Wang and Zhou, 2013)。Xing et al.(2012)研究了攀西地区含矿岩体中主要矿石类型海绵陨铁矿石中不同矿物的挥发份组成，发现磁铁矿具有比单斜辉石和斜长石高得多的CO2和H2O含量，说明主要矿石层中的磁铁矿不可能是早期分离结晶形成的。通过对岩体中斜长石和磷灰石的熔融包裹体的研究发现，斜长石中的赋含富Fe熔融包裹体 (Dong et al., 2013)，磷灰石中同时发育富Fe和富Si的熔融包裹体 (王坤等, 2013)。利用这些熔融包裹体计算出的富Fe和富Si熔体的成分与Skaergaard和Sept Iles层状岩体、以及实验岩石学获得的不混熔熔体成分非常类似 (Dixon and Rutherford, 1979; Jakobsen et al., 2005; Charlier et al., 2011)。演化的玄武质岩浆经过岩浆不混熔作用形成与结晶相平衡共存的富Si、富Fe两种熔体 (Philpotts, 1979, 1982; Longhi, 1998; Jakobsen et al., 2005, 2011; Charlier et al., 2011)，由于FeO和SiO2在两种熔体中的分配截然相反，这也为Bowen和Fenner趋势的争论提供了一种可能的解释。
4.4 地壳混染过程如前所述，地壳混染作用有时会控制幔源岩浆的结晶分异趋势，如地壳混染作用会提高岩浆系统的氧逸度，提早磁铁矿从岩浆中晶出的时间，不利于富Fe岩浆以及磁铁矿床的形成。但是地壳混染作用对铜镍硫化物矿床的形成非常关键。研究表明，西伯利亚大火成岩省中含矿侵入岩的87Sr/86Sr值大于不含矿侵入岩 (Hawkesworth et al., 1995)，暗示成矿作用与地壳混染过程之间的联系。后续研究表明，Noril’sk矿床中硫主要来自于岩浆侵入地层的膏盐层，地壳硫的加入是铜镍硫化物矿床的形成的关键控制因素之一 (Ripley et al., 2010)，岩浆侵位过程中的中、上地壳物质组成应成为今后矿床研究和找矿靶区确定的重要环节。
4.5 岩浆侵位过程含矿岩体的形状和规模与其侵位时的中、上地壳特质结构、侵位时的构造位置关系密切，但是由于相关的研究严重滞后，相关认识较为肤浅。
铜镍硫化物矿床含矿岩体可同时出现在板内或造山带中。例如，发育在峨眉山大火成岩省中的含矿岩体位于扬子克拉通边缘，岩浆作用与板内岩浆活动有关，而发育在东天山的大量含矿岩体实际上是位于中亚造山带中。目前对板内环境和造山带环境中的含矿岩体，包括组成岩体的岩石和矿石组成差异、不同构造环境中地壳结构的差异、岩浆房的规模和岩浆侵位的机制、含矿岩体原始岩浆的成分、以及岩浆与地壳物质交换等方面尚缺乏细致、系统的对比，应是今后工作的重点之一。已知铜镍硫化物矿床的铂族元素差异较大，这可能与岩浆在深部的演化过程有关，不同程度的硫化物残留在深部岩浆房有可能是造成矿床硫化物矿床铂族元素差异的主要原因。
岩浆中S的溶解度主要受岩浆成分、温度、氧逸度和压力的控制。在这两种不同的构造背景下，岩浆成分、温度和压力的变化也有所差别，因此，对于岩浆S溶解度的影响也会产生差异。例如，一般认为，岩浆中S的溶解度与压力呈反比，压力越低，岩浆中S的溶解度越大 (Mavrogenes and O’Neill, 1999)。在板内和造山带背景下，岩浆上升过程中压力的变化可能是不同的，因为在板内伸展背景条件下，岩浆上升有可能形成大的岩浆房，而在造山带背景下形成的岩浆房通常较小。模拟实验结果表明，体积较大的岩浆房的压力变化相对较小，而体积较小的岩浆房的压力变化可能较大 (图 3，Melnik and Sparks, 2005)。因此，在这两种构造背景下，岩浆房的形状、规模等均可能造成压力变化的不同，而这些差别与岩浆中S的溶解度之间的关系如何，值得今后的研究深入思考 (周美夫，2013①)。另外，与Bushveld杂岩体相比，我国峨眉山和塔里木大火成岩省没有发现赋含大型铬铁矿床的岩体，这是否与岩浆侵位深度有关尚不清楚。因此，研究岩浆在深部岩浆房和岩浆通道中的演化过程和岩浆侵位深度对了解含矿岩体成分差异十分必要。
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图 3 不同规模岩浆房中岩浆整体系数与岩浆房顶部压力的关系 (据Melnik and Sparks, 2005)，假定起始岩浆含5% H2O Fig. 3 Bulk modulus of the magma inside the chamber as a function of the pressure at the top of the chamber for the top of the chamber located at 5km depth and initial water content equal to 5% (after Melnik and Sparks, 2005) At low chamber pressures, bubble concentration inside the chamber is high, leading to low bulk modulus. As the chamber pressure increases, the bubble fraction in the chamber decreases, and the bulk modulus of the magma reaches the bulk modulus of pure melt |
①周美夫.2013.地球深部过程与成矿作用广州研讨会
5 与地幔柱相关矿床的找矿地球化学指标能找到灵敏的找矿指标是我们一直梦寐以求的。但成矿作用是复杂的地质过程，影响成矿的因素众多，这项工作的难度也就可想而知。本节根据文献研读和我们的理解，就镁铁-超镁铁质层状岩体的找矿指标提出一些粗浅的看法，重点针对层状岩体中组成矿物的化学组分来讨论。
5.1 橄榄石中Ni含量Ni在橄榄石中为强相容元素，其分配系数DNiOl/melt随其结晶熔体的MgO降低而快速升高 (DNiOl/melt=124/MgO-0.9, Hart and Davis, 1978)，在斜方辉石中中等相容 (DNiOpx/melt(DNiOl/melt/3, Straub et al., 2008)，在单斜辉石中为相容元素 (MgOmelt>16%, DNiCpx/melt=~1, Sobolev et al., 2005; MgOmelt=5%~7%, DNiCpx/melt=4~6, Norman et al., 2005)。橄榄石、斜方辉石和单斜辉石的分离结晶会导致残余岩浆亏损Ni，不利于铜镍硫化物矿床的形成，因此铜镍硫化物矿床一般发生在岩浆演化的早期。Ni在硫化物中具有较高的分配系数 (DNiSul/melt=315~1300, Francis, 1990; Peach et al., 1990; Ripley et al., 2002; Sattari et al., 2002)，因此硫化物熔离会导致残余熔体强烈亏损Ni，从残余岩浆中结晶的橄榄石也会具较低的Ni含量。由此可见，在层状岩体中存在有高Fo值而低Ni含量的橄榄石时，可能暗示岩体在橄榄石结晶之前经历了硫化物饱和和熔离。
然而实际的观察是，与硫化物成矿有关的镁铁-超镁铁质岩体中的橄榄石在很低的Fo值时仍然具有很高的Ni含量 (图 4)。造成这种现象的原因可能有二：一是岩浆源区可能是辉石岩而非橄榄岩，如前所述，从来源于辉石岩的岩浆结晶的橄榄石的Ni含量较高；二是与开放体系下岩浆的多期供给有关。研究表明铜镍硫化物含矿岩体形成于岩浆通道系统，在这种开放体系下，后期更为原始的岩浆不断补给或者和地壳物质的相互作用，为大规模的铜镍硫化物成矿创造了有利的条件 (Naldrett, 1997, 1999, 2004; Ripley et al., 1999; Arndt et al., 2005)。如俄罗斯的Noril’sk、我国的金川和加拿大的Voisey’s Bay铜镍硫化物矿床 (Li and Naldrett, 1999; Naldrett, 1999, 2004; Li et al., 2004)。这种开放体系下混合的岩浆，结晶出的橄榄石具有较高的Ni含量，可以解释低Fo值时，橄榄石仍具有较高Ni的特征。
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图 4 层状岩体中橄榄石Fo-Ni相关图解 地幔橄榄岩熔体 (黑色区域) 和辉石岩熔体 (灰色区域) 引自Straub et al.(2008, 2011).实线和虚线代表橄榄石分离结晶的趋势.点划线代表橄榄石结晶和硫化物熔离 (Ol：Sul=20：1) 同时进行的模拟曲线.数据来源：地幔捕虏体引自Liu et al. (2011)；甘肃金川岩体引自Chai and Naldrett (1992)和Li et al. (2004)；北山黑山岩体引自Xie et al. (2012)；俄罗斯Noril’sk岩体引自Arndt et al. (2003)和Li et al. (2003)；加拿大的Voisey’s Bay引自Li and Naldrett (1999)；未成矿镁铁质岩体为作者未发表数据 Fig. 4 Plot of Ni versus forsterite content (Fo) of olivine grains from layered intrusions Melts in equilibrium with mantle peridotite (black field) and pyroxenite (grey field) from Straub et al.(2008, 2011). The solid and dashed lines represent olivine fractionation trends, with percentage of olivine loss given in italics. Numbers at starting point indicate MgO (%) and Ni (×10-6) of initial mantle melts. Dotted line with tick marks represents simultaneous fractionation of olivine and sulfide with a proportion of 20:1. Data sources: Mantle xenoliths from Liu et al. (2011); Jinchuan intrusion from Chai and Naldrett (1992) and Li et al. (2004); Heishan intrusion in the Beishan rift from Xie et al. (2012); Noril'sk intrusion in Russia from Arndt et al. (2003) and Li et al. (2003); Voisey's Bay intrusion in Canada from Li and Naldrett (1999); Un-mineralized intrusions from authors' unpublished data |
Cr在斜长石中为强不相容元素 (DCrPl/melt=0.02~0.11, Bindeman et al., 1998)，在橄榄石中为弱不相容到相容元素 (DCrOl/melt=0.6~1.9, Beattie, 1994)，在单斜辉石中为相容元素 (DCrCpx/melt=3.8, Hart and Dunn, 1993)，在磁铁矿中则为强相容元素 (DCrMt/melt=50~230, Leeman et al., 1978)。因此橄榄石和斜长石的分离结晶不会导致残余熔体明显亏损Cr。但是大量磁铁矿的分离结晶会使得残余熔体的Cr含量急剧降低，这种熔体中结晶出的单斜辉石的Cr含量也会非常低。在没有岩浆补给的体系中，层状岩体中的单斜辉石如果具有高的Cr含量，那么在这些单斜辉石结晶之前不太可能形成块状磁铁矿层。例如，加拿大Sept Iles层状侵入体中在块状磁铁矿层出现之前的单斜辉石就具有这种高Cr含量的特征 (图 5d-f，Namur et al., 2011)。如果单斜辉石具有非常低的Cr含量，可能暗示了块状磁铁矿层的出现。例如我国峨眉山大火成岩省中的攀枝花和红格层状侵入体，在块状磁铁矿层出现之后结晶的Cpx具有非常低的Cr含量 (通常低于检出限)(图 5a-c，Bai et al., 2012; Pang et al., 2008, 2009)。
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图 5 层状岩体中单斜辉石和磁铁矿Cr2O3的演化趋势 峨眉山大火成岩省红格层状岩体中矿体位置 (a)、单斜辉石 (b) 和磁铁矿 (c) 中Cr2O3含量随层位变化图解 (据Bai et al., 2012修改)；加拿大Sept Ils侵入体Fe-Ti氧化物 (d)、单斜辉石 (e) 和Fe-Ti氧化物 (f) 中Cr2O3含量的随层位变化图解 (据Namur et al., 2010, 2011修改).(b) 中虚线表示铁钛氧化物开始作为堆晶相矿物出现的位置.Cpx-单斜辉石; Mt-磁铁矿; Fe-Ti Ox.-铁钛氧化物 Fig. 5 Stratigraphic variations of Cr2O3 in clinopyroxene and magnetite from layered intrusions showing potential diagnostic indicators for Fe-Ti oxide mineralization Stratigraphic variation of Fe-Ti oxide layers (a), Cr2O3 of Cpx (b) and Mt (c) from the Hongge intrusion in the Emeishan large igneous province (after Bai et al., 2012); Stratigraphic variation of Fe-Ti oxide Mode (d), Cr2O3 of Cpx (e) and Fe-Ti oxide (f) of the Sept Ils intrusion in Canada (after Namur et al., 2010, 2011). Cpx-clinopyroxene; Mt-magnetite; Fe-Ti Ox.-Fe-Ti oxide |
大量铁钛氧化物 (钛铁矿和含钛磁铁矿) 矿石只有当残留岩浆中Fe-Ti浓度演变到一定程度才开始结晶，因此通常出现在结晶作用的晚期。块状磁铁矿层出现之前，斜长石和橄榄石的大量分离结晶会导致残余熔体Cr含量逐渐升高，因此结晶的磁铁矿Cr含量会逐渐升高 (图 5f，Namur et al., 2010)。而磁铁矿的堆晶会导致残余熔体强烈亏损Cr，因此在磁铁矿作为液相线矿物大量结晶之后结晶的磁铁矿中Cr含量会逐渐降低。磁铁矿中Cr含量随着岩浆演化逐渐降低的趋势，应该发生在块状磁铁矿层出现之前。加拿大的Sept Iles层状侵入体 (Namur et al., 2011) 和峨眉山大火成岩省的新街岩体 (图 6，Dong et al., 2013) 主要磁铁矿层出现之前，均可以观察到磁铁矿中Cr随着岩浆演化逐渐降低的现象，直至低于仪器的检出限。
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图 6 峨眉山大火成岩省新街层状岩体中磁铁矿Cr含量的变化趋势 (据Dong et al., 2013修改) Fig. 6 Variation of Cr concentrations of magnetite against the stratigraphic column of the Xinjie layered intrusion (modified after Dong et al., 2013) |
我们通过对峨眉山大火成岩省及东天山一些典型的小型含矿岩体的铂族元素和Re-Os同位素研究，提出了一种潜在的成矿岩体的评价指标。研究发现，浅部岩浆房中的选择性混染地壳硫可能对成矿十分有利。例如，南天湾岩体主要由辉长苏长岩和橄榄辉长岩组成，硫化物含量在两种岩石类型中都较低，橄榄辉长岩具有较小的Cu/Pd比值 (1, 500~32, 500)，负的εNd(t) 值 (-1.3~-0.1) 和正的εOs(t) 值 (5~15)，而辉长苏长岩具有很高的Cu/Pd比值 (54, 000~624, 000)，类似的εNd(t) 值 (-0.9~-2.1)，但很高的εOs(t) 值 (17~262)。我们认为，形成辉长苏长岩的岩浆比形成橄榄辉长岩的岩浆更演化、并更亏损铂族元素，其相对较高的εOs(t) 值说明岩浆在侵位到浅部岩浆房时选择性吸收了外来的地壳硫，从而达到硫化物饱和，造成部分辉长苏长岩含有较多的硫化物 (Wang et al., 2012)。虽然南天湾岩体岩石的金属量并没有达到真正意义上的矿床品位，但从岩浆形成的岩浆过程可以说明，中等演化程度的岩浆在经历了早期少量硫化物熔离后，如果在浅部岩浆房选择性混染外来地壳硫，仍可以发生第二次硫化物饱和，这也许是形成具潜在经济价值矿床的重要途径之一。外来地壳硫加入岩浆对岩浆硫化物饱和被认为是中亚造山带中几个重要铜镍硫化物矿床形成的重要控制因素之一，如红旗岭7号岩体 (Wei et al., 2013)、喀拉通克 (Li et al., 2012)、黄山西 (Zhang et al., 2011)、黄山东 (Sun et al., 2013) 以及坡北 (Xia et al., 2013) 等岩体中。
以镍铜为主的铜镍硫化物矿床形成的关键因素之一是大量地壳混染造成岩浆硫化物饱和。我们提出具经济价值的成矿岩体的地球化学指标为：(1) 铂族元素 (Os，Ir，Ru, Rh, Pt和Pd) 相对Ni和Cu的强烈亏损。当岩浆达到硫化物饱和、发生硫化物熔离时，由于铂族元素在硫化物中具有非常高的分配系数 (103~106, Bezmen et al., 1994; Fleet et al., 1996)，岩浆中的铂族元素会强烈富集在硫化物中，从而造成残余岩浆强烈亏损铂族元素，因此，成矿岩体中不含矿的岩石常常表现为铂族元素相对Ni和Cu的强烈亏损。同时，由于这类矿床形成时较小的R值 (硅酸盐熔体/硫化物熔体的质量比，Campbell and Naldrett, 1979)，硫化物矿石的铂族元素含量也较低，因此，也表现出同样的趋势；(2) (Th/Yb)PM-(Nb/Th)PM二元图解和187Re/188Os-187Os/188Os等时线。具有经济价值的含矿岩体一般均形成在非常动态的岩浆通道系统中，在这样一个体系中，地壳物质与岩浆可达到充分混合。岩浆的地壳混染程度可以用原始地幔标准化的 (Nb/Th)PM and (Th/Yb)PM比值来估算。(Nb/Th)PM可以很好的显示Nb异常的程度，而 (Th/Yb)PM比值可以很灵敏的反应地壳混染 (Wang et al., 2006b)。从地壳物质与幔源岩浆充分混合后的岩浆中形成的岩石在 (Th/Yb)PM-(Nb/Th)PM二元图解上均很好的落在幔源岩浆与地壳混染端元的混合线上 (如Wang et al., 2006b)。同时，由于岩浆与地壳物质的充分混合，所有岩石相当于来源于同一源区，因此具有相似的186Os/188Os初始值，因此，矿石可以构成一条很好的187Re/188Os-187Os/188Os假等时线 (如Sun et al., 2006)；(3) 岩石的γOs值和εNd值。如果硫化物饱和发生在浅部岩浆房，并由外来地壳硫加入所致，则岩石具有变化较大的γOs值，而相对不变的εNd值。浅部外来地壳硫加入可能是造成岩浆二次硫化物饱和的重要因素和形成有经济价值矿床的重要途径之一 (Wang et al., 2012)。我们将这些特征的地球化学指标示于图 7，并希望可用于对未知岩体的含矿性识别，当然，这些标志是否实用还要经过更多的实例研究验证。
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图 7 小岩体成矿的岩浆演化过程和判别指标 Fig. 7 Geochemical indexes for magma differentiation processes in the formation of Ni-Cu sulfide deposits and PGE deposits |
另一方面，形成铂族元素矿床需要大量S不饱和的高镁玄武质或苦橄质岩浆中的铂族元素在一定条件下能够富集在较少量的硫化物熔体中，即在大R值条件下，大量硅酸盐岩浆与少量硫化物发生交换才能使得岩浆中的铂族元素进入硫化物熔体，从而有可能形成铂族元素矿床，例如Bushveld杂岩体中的Merensky Reef (Kerr and Leitch, 2005; Naldrett et al., 2009)、云南金宝山岩体中的富PGE条带层 (Wang et al., 2010) 等。我们认为，在岩浆通道系统中大R值可以通过早期深部岩浆房熔离的硫化物熔体与后期多次流过岩浆通道中的S不饱和玄武质岩浆发生交换而实现，深部岩浆房的硫化物饱和可以由地壳混染或分离结晶导致。多期硫化物溶解-富集的模式可能是岩浆通道系统中小岩体形成以铂族元素为主矿化的重要方式 (Wang et al., 2010)。
6 结语与展望在地球动力系统中，强调水平运动的板块构造学说和强调垂直运动的地幔柱假说是互为补充的。地幔柱活动在形成多种岩浆系列的同时，也伴生了多种具有重要经济价值的成矿作用，因此，与地幔柱活动相关的成矿作用的重要性也日渐受到关注。但是，迄今为止，地幔柱成矿系统理论框架尚未建立，对关键的控矿因素的认识仍有待深化。我国发育两个二叠纪大火成岩省，相伴生的成矿作用种类多样，在世界上少见，为揭示地幔柱成矿作用规律、建立地幔柱成矿系统理论提供难得的材料。
展望未来，以下几个关键问题有待解决:(1) 地幔柱岩浆系列及其成矿作用的厘定；(2) 地幔柱来源岩浆的源区与演化及其对成矿多样性的控制；(3) 地幔柱结构、岩石圈-地幔柱相互作用对成矿的影响；(4) 与地幔柱有关的热液成矿系统，岩浆演化与热液阶段的联系和区别。总之，在以往单个矿床研究的基础上，强调成矿序列的研究，有助于建立完整的地幔柱成矿系统。
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