金川铜镍硫化物矿床是世界上第三大的铜镍硫化物矿床。它含有矿石品位1.1% Ni和0.7% Cu 500万吨(Chai and Naldrett， 1992a)。金川铜镍硫化物矿床是小岩体成大矿(汤中立和李文渊，1995)的一个典型实例，长期以来一直备受国内外矿床专家的关注。其中金川铜镍硫化物矿床的原生岩浆问题一直存在着较大的争议，最早认为含矿侵入岩本身就是原生岩浆，因此推断其原生岩浆是超镁铁质岩浆含有MgO~30%(甘肃省地质矿产局第六地质队，1984)。随后Chai and Naldrett(1992b)认为金川含矿侵入岩是堆晶岩，其原生岩浆应为高MgO玄武岩，其中含MgO ~12%，FeO^T ~11.5%。Lehmann et al.(2007)认为原生岩浆的MgO含量可能比Chai and Naldrett(1992b)认为的更高一些，因为金川侵入岩的原生岩浆可能经过地壳深部混染。Tonnelier在其2010的博士论文中用纯橄榄中去除橄榄石，在剩下的基质中再添加橄榄石使岩浆和Fo86平衡得出其原生岩浆应为铁质苦橄岩其MgO ~15.4%，FeO^T ~14.4%(Tonnelier，2010)。而Li and Ripley(2011)提出金川原生岩浆应为MgO ~12.3%，FeO^T ~12.4%，这与Chai and Naldrett(1992b)一致。这些矿床和岩石学家的方法各有千秋，但都用金川矿体的侵入岩作为研究对象，由于矿区的橄榄岩严重蚀变，原生岩浆的推导是否存在着一定的问题还存在疑问。笔者深入矿区采集了一些金川矿体的基性岩脉，通过岩脉的组成试图从另一个方面探究金川矿体的原生岩浆成分。 1 金川铜镍硫化物矿床地质背景

金川铜镍硫化物矿床位于华北克拉通的西南缘(图 1)，主要赋存于镁铁质-超镁铁质侵入体中。该侵入体与片麻岩、蛇纹大理岩和斑状混合岩直接接触，并且依次被辉绿岩脉穿切。金川侵入体位于断层边界，西北走向，西北向伸长，长6500m，宽20~527m，水平向下延伸1100m，露头总面积约1.34km²(汤中立和李文渊，1995)。

图 1

Fig. 1

图 1 金川大地构造背景示意图(据汤中立和李文渊，1995重绘) Fig. 1 The geological map of Jinchuan(after Tang and Li， 1995)

图 2

Fig. 2

图 2 金川二矿区脉岩的分布图 Fig. 2 The map of Jinchuan dikes distribution

其中煌斑岩分布在超基性岩体及其附近的围岩中，宽1m左右，长数米至百余米不等，多呈北东80°~85°方向展布，被后生辉绿岩脉穿切。辉绿岩手标本为灰绿色，斑状结构，块状构造。镜下主要矿物为普通辉石(45%)、中性斜长石(45%)，微量磁铁矿、钛铁矿等。斑晶都是普通辉石。煌斑岩(JC100925-12)中斜长石形成连生嵌晶结构，普通辉石镶嵌在其之上(图 3)。

图 3

Fig. 3

图 3 岩相学照片 (a)-JC100925-1低镁辉绿岩;(b)-JC100925-7高镁辉绿岩;(c)-JC100925-5高镁辉绿岩;(d)-JC100925-12煌斑岩.Pl-斜长石;Aug-普通辉石;Chl-绿泥石 Fig. 3 Petrographical characteristics of Jinchuan dikes

辉绿岩以北东45°方向横切超基性岩体和地层，少数呈北北东和北东东向展布，延伸较远，宽度一般数十厘米至数米，个别达数十米(未见烘烤边和冷凝边)。手标本主要为中粗粒辉绿结构，岩石呈暗绿色或灰绿色，块状构造。

辉绿岩总体特征：主要矿物组成为斜长石，辉石，少量磁铁矿。镜下斜长石(60%)，灰白色，粒状板状，聚片双晶发育，An>50，为基性斜长石，呈簇状分布，自形的斜长石搭成三角架，内部充填他形的辉石，标准的辉绿结构，其余呈隐晶质，斜长石部分被绿泥石交代，部分长石绢云母化。辉石(35%)，呈灰黑色，中细粒结构，短柱状，基本上被蚀变为绿泥石、滑石，种属多为普通辉石。暗色矿物主要为磁铁矿，铁黑色，粒状，无解理，部分还有少量角闪石，黑绿色，柱状。其中清晰可见低镁辉绿岩中的辉石颗粒含量少，长度短，而高镁辉绿岩却完全相反，辉石含量多且颗粒大。 3 化学组分分析 3.1 样品分析测试手段

样品粉碎是由河北省区域地质矿产调查研究所实验室(廊坊)完成。本次研究所有的地球化学测试在中国科学院地球化学研究所地球化学实验室完成的。主量元素的分析测试采用X荧光光谱法(XRF)。微量元素和稀土元素的分析测试采用离子质谱法，测试工作在ICP-MS实验室完成。 3.2 主量元素特征

本文样品虽然遭受轻微蚀变，但主量元素中除K₂O、Na₂O(这些是活泼元素，容易带进带出)外均可使用(Pearce et al., 1977)。岩脉样品的主量元素如表 1所示，经过软件Sinclas用Middlemost(1989)的方法调整Fe₂O₃和FeO，调整后投到TAS图如图 4所示，有3个样品投在玄武粗安岩中，碱最高的就是煌斑岩。因样品中MgO含量高低差距很大，故将辉绿岩再划分为二组，其中JC100925-5、JC100925-6和JC100925-7含MgO都在10%以上，为高镁辉绿岩，而JC100925-9、JC100925-1和JC100925-2MgO的含量都在7%左右，定为低镁辉绿岩。另外也加入了(Li et al., 2005)的样品(03JC01和03JC02，都划分为低镁辉绿岩)。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 金川矿区岩脉主量(wt%)和微量(×10-6)元素分析结果Table 1 Major(wt%) and trace(×10-6)elements composition of Jinchuan dikes 样品号 JC100924-1 JC100925-5 JC100925-6 JC100925-7 JC100925-9 JC100925-1 JC100925-2 JC100925-12 03JC01 03JC02 岩性 高Mg 辉绿岩 高Mg 辉绿岩 高Mg 辉绿岩 高Mg 辉绿岩 低Mg 辉绿岩 低Mg 辉绿岩 低Mg 辉绿岩 煌斑岩 低Mg 辉绿岩 低Mg 辉绿岩 SiO2 50.10 49.95 49.51 47.30 50.05 51.95 52.24 54.71 48.75 48.40 TiO2 2.16 2.13 1.92 2.07 2.10 1.67 1.64 0.93 0.90 0.87 Al2O3 14.91 15.82 15.65 16.35 16.76 15.95 16.29 16.00 14.17 11.53 FeOT 11.33 10.41 10.43 10.37 10.38 9.72 9.49 6.25 10.41 10.11 MnO 0.21 0.16 0.19 0.23 0.15 0.17 0.16 0.09 0.19 0.18 MgO 11.10 15.45 12.10 14.61 8.17 7.85 7.64 7.23 7.67 7.36 CaO 5.22 1.18 5.48 3.94 6.99 6.32 6.06 7.29 12.46 14.91 Na2O 2.82 2.44 2.23 1.68 3.35 3.58 4.29 4.88 3.07 2.50 K2O 1.38 1.90 1.95 2.98 1.48 2.07 1.55 2.17 1.05 0.75 P2O5 0.56 0.39 0.38 0.30 0.38 0.45 0.40 0.28 0.03 0.05 Total 99.81 99.82 99.82 99.82 99.82 99.74 99.74 99.83 98.70 96.66 Mg# 67.32 75.74 70.92 74.77 62.34 65.43 65.34 73.04 57.00 56.00 Rb 37.0 50.8 92.0 142 106 127 83.3 43.5 23.2 16.0 Ba 322 393 773 674 402 441 352 870 2059 1210 Th 0.57 1.41 1.39 0.84 0.76 2.01 1.95 6.44 0.30 0.22 U 0.20 0.33 0.31 0.20 0.55 0.46 0.39 1.25 0.12 0.13 Nb 9.53 8.62 8.18 6.48 7.96 9.98 9.95 9.71 2.49 2.11 Ta 1.15 0.94 0.53 0.44 0.47 0.68 0.60 0.59 0.15 0.13 La 8.81 20.52 21.14 13.78 18.98 25.50 24.97 41.38 4.25 3.95 Ce 18.23 45.31 46.58 32.53 43.41 55.11 54.89 86.53 10.50 9.94 Pb 1.27 5.84 4.39 3.72 4.73 3.74 7.10 8.42 Pr 2.44 6.07 6.09 4.58 6.12 7.23 7.05 10.79 1.53 1.43 Sr 418 627 432 968 346 341 470 944 303 241 Nd 11.71 26.69 26.49 21.43 27.59 30.68 30.11 43.51 8.03 6.50 Zr 106 192 189 165 215 202 207 153 62.9 50.4 Hf 3.03 4.01 4.27 3.94 4.67 4.43 4.49 4.47 1.75 1.35 Sm 3.91 6.03 5.94 4.83 6.21 6.32 6.33 7.72 2.30 2.05 Eu 1.47 1.88 1.92 1.70 1.98 1.90 1.83 1.88 0.85 0.68 Gd 5.20 6.62 7.05 5.72 6.74 6.74 6.49 6.56 3.11 2.74 Tb 0.75 0.93 0.95 0.86 0.94 0.98 0.98 0.81 0.54 0.49 Dy 4.96 6.36 6.14 5.55 6.30 6.32 6.11 4.00 3.50 3.11 Y 24.01 35.76 35.61 30.45 34.37 32.86 32.82 19.67 19.12 18.90 Ho 0.97 1.32 1.26 1.15 1.25 1.29 1.21 0.73 0.73 0.66 Er 2.45 3.79 3.87 3.43 3.76 3.66 3.60 2.26 1.85 1.86 Tm 0.33 0.52 0.52 0.47 0.53 0.51 0.50 0.30 0.30 0.28 Yb 2.06 3.46 3.53 3.04 3.44 3.49 3.18 1.85 2.07 1.81 Lu 0.28 0.53 0.57 0.49 0.50 0.51 0.49 0.27 0.34 0.28

表 1 金川矿区岩脉主量(wt%)和微量(×10-6)元素分析结果 Table 1 Major(wt%) and trace(×10-6)elements composition of Jinchuan dikes

图 4

Fig. 4

图 4 金川岩脉TAS图解(据 Le Maitre et al., 1989) Fig. 4 TAS diagram of Jinchuan dikes(after Le Maitre et al., 1989)

图 5为岩脉的哈克图解。显示随着MgO的降低，Al₂O₃、CaO、SiO₂(图略)、Na₂O(图略)升高，而TiO₂下降，FeO^T降低，表明随着岩浆的演化，有一部分橄榄石和钛铁氧化物分离结晶。假设橄榄石和岩浆之间Fe-Mg的Kd为0.3，每次分离1%的橄榄石，计算得出经过约20%的橄榄石分离结晶就可由高镁辉绿岩变成低镁辉绿岩。

图 5

Fig. 5

图 5 岩脉主量元素哈克图解 Fig. 5 Major elements covariation diagram of Jinchuan dikes

岩脉的稀土元素特征如图 6所示，岩石都表现出轻稀土富集模式，低镁辉绿岩总体上比高镁辉绿岩富集稀土。因为橄榄石中几乎不含REE(Hanson，1980)，所以随着分离结晶的进行，岩浆中的稀土元素应该逐渐升高，这和图中显示一致。相比于Li et al.(2005)辉绿岩的样品(最下面两条)来看，两者相差很大。说明两者成因上并不具有相关性。

图 6

Fig. 6

图 6 金川岩脉的球粒陨石标准化稀土元素配分模式(标准化值据Sun and McDonough， 1989) Fig. 6 Chondrite-normalized rare earth elements patterns of Jinchuan dikes(normalization values after Sun and McDonough， 1989)

图 7是岩脉的微量元素投图，Rb和Ba都相对富集。样品皆表现出相似的模式，总体上还是低镁辉绿岩要更富含一些微量元素。但低镁辉绿岩Sr为负异常，而高镁则为正异常，但同时Eu却没有变化，显示后期流体带走了不少相容的Sr。同稀土元素一样，微量元素和Li et al.(2005)的样品(最下面两条)相比都偏大。但Li et al.(2005)的Ba显示样品遭受了更大的后期流体蚀变。

图 7

Fig. 7

图 7 金川岩脉的原始地幔标准化蛛网图(标准化值据Sun and McDonough， 1989) Fig. 7 Primitive mantle-normalized trace elements patterns of Jinchuan dikes(normalization values after Sun and McDonough， 1989)

一些微量元素常常可以用来指示特定矿物在岩浆中的行为，因为这些微量元素在特定的矿物中的分配系数比较高。例如用Ni和Co就可以指示橄榄石，在橄榄石和玄武岩浆系统中，Ni和Co在橄榄石中分配系数大于1，是相容元素，随着橄榄石的分离结晶，这些元素在岩浆中会随着降低。如图 8所示，这个结果和哈克图解显示的一致。图 9显示金川岩脉(Ce/Yb)_N-Ce_N投图，样品呈现一定的分离结晶趋势。

图 8

Fig. 8

图 8 金川岩脉MgO与Ni和Co的投图 Fig. 8 MgO vs. Ni and MgO vs. Co diagram for the Jinchuan dikes

图 9

Fig. 9

图 9 金川岩脉(Ce/Yb)N-CeN图解(据Henderson，1984) Fig. 9(Ce/Yb)N vs. CeN diagram for Jinchuan dikes(after Henderson，1984)

3.3.3 PGE特征

从金川地区岩脉的铂族元素PGE原始地幔标准化图解(图 10)可以看出，配分模式为中间凹陷的曲线，脉岩强烈亏损IPGE元素(Ir和Ru)，亏损PPGE元素(Pd，Pt，Rh)和Ni，说明硫化物经过分离结晶作用后，将岩浆中和硫化物具有高分配系数的铂族元素都带走，最终岩浆定位形成岩脉，说明金川岩脉与金川铜镍硫化物矿床是同一个事件形成的。而这些铂族元素的配分形式不可能由橄榄石的分离结晶而造成，因为在这些元素在橄榄石中的分配系数最高的只有2左右，Pt只有0.009(Brenan et al., 2003)

图 10

Fig. 10

图 10 金川地区脉岩的铂族元素PGE原始地幔标准化图解(标准化值据McDonough and Sun， 1995) Fig. 10 Primitive mantle-normalized PGE elements patterns of Jinchuan dikes(normalization values after McDonough and Sun， 1995)

金川岩脉的年龄问题一直研究的重点，通过对金川橄榄岩和辉绿岩中的锆石和斜锆石测年得出金川矿床形成于825Ma(Li et al., 2005)。近几十年很多地质学家通过对微量元素的投图来判别构造环境，尤其是玄武岩已有很多成果，比较著名的有Pearce and Cann(1973)的Ti-Zr，Ti-Zr-Y和Ti-Zr-Sr投图，Wood et al.(1979)的Th-Hf/3-Ta图，这些图都能较好的判别玄武岩的构造环境。但是不仅岛弧区域容易受到地壳物质的混染，大陆地区的玄武岩也同样容易遭受到地壳的混染。而微量元素构造环境投图往往不能识别这两者的区别，只投出岛弧的特征。其中林广春等(2006)和Li et al.(2005)都把辉绿岩投在了岛弧区域，但都认为是样品受到了地壳的混染，其实是板内大陆玄武岩。而汪云亮等(2001)根据世界典型大地构造环境区玄武岩类的Th、Hf、Ta资料，提出玄武岩类形成的大地构造环境Th/Hf-Ta/Hf双对数判别图解(其数据收集与选择标准是：①岩性为玄武岩或玄武安山岩；②MgO≥8%；③Cr≥200×10^-6；④SiO₂≤56%)，其中大陆板内玄武岩的Th/Ta＞1.6，Ta/Hf＞0.1。其中拉斑玄武岩的Ta/Hf=0.1~0.3。而本次辉绿岩的样品符合这一特征(除JC100924-1外)。

4.2 原生岩浆的确定和源区的判断

图 11为岩脉的Ol-CATS-Q相图，图中清晰地表明岩脉JC100925-5形成的源区在3GPa以上，其余的样品形成深度较浅。且高镁辉绿岩和低镁辉绿岩之间存在着橄榄石的分离结晶趋势。这和主量哈克图解一致。MgO和Mg^#是指示原生玄武岩浆的一个重要的标志。原生岩浆的MgO和Mg^#都普遍较高。本文样品的Mg^#都在65~75之间(除了JC25-2)。用pmelts软件模拟含MgO最高的JC100925-5样品(图 12)，当条件为1GPa(约33.3km)，氧逸度为QFM时，此岩浆固相线矿物Ol的牌号为86，而目前金川发现最高的为86。模拟得到此岩浆结晶的矿物基本和金川的矿物堆晶序列相似。这些条件都表明此高镁辉绿岩是金川铜镍硫化物矿体的原生岩浆，且源区压力在3GPa以上。

图 11

Fig. 11

图 11 金川岩脉Ol-CATS-Q图(通过Di投图; 据Herzberg，2011) 投图代码据O’Hara(1968): Olivine=0.5(Al2O3+Cr2O3+FeO+MnO+NiO+MgO)-0.5(CaO+Na2O+K2O)+1.75P2O5，CATS=TiO2+Al2O3+Cr2O3+Na2O+K2O，Quartz=SiO2+TiO2+0.5(Al2O3+Cr2O3)-0.5(FeO+MnO+MgO+NiO)-1.5CaO-4.5(Na2O+K2O)+5.25P2O5. 绿色的样品是KR-4300(Walter，1998).紫色箭头指示橄榄石结晶分离趋势 Fig. 11 Projections(mol%)of dikes for Jinchuan(after Herzberg，2011)

图 12

Fig. 12

图 12 金川模拟高镁母岩浆结晶矿物相图 Fig. 12 Simulation Jinchuan diabase parent magma crystallized mineral phase diagram

首先，辉绿岩脉侵位于二辉橄榄岩中，表明岩脉至少是和金川岩体同期或后期产出。由于岩脉的PGE模式和金川岩体一致，说明岩脉也经历了早期硫化物分离结晶，显示岩脉更有可能是和金川矿体同期的产物。由于辉绿岩脉的高镁和一致的矿物学结晶顺序表明两者具有同源性。另外，据Li et al.(2005)测试辉绿岩脉和金川岩体具有类似的¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd比和都是负的ε_Nd都表明两者成因相关，来自于同一源区。上述三方面综合来看，辉绿岩脉和金川岩体是一期的产物，且具有同源性。 5 结论

(1)金川侵入体中辉绿岩脉可以分为两类，高镁辉绿岩和低镁辉绿岩。高镁辉绿岩MgO含量最高可含15%，样品总体Mg^#在65~75。低镁辉绿岩MgO为7%~8%。

(2)辉绿岩脉的主量元素和微量元素都显示高镁辉绿岩和低镁辉绿岩之间发生过约20%橄榄石分离结晶。

(3)辉绿岩脉的PGE元素分配形式(强烈亏损Ir和Ru，亏损PPGE和Ni)，岩脉和岩体一致的同位素，pmelts模拟的原生岩浆的结果都显示这种高镁玄武岩浆是金川矿区的原生岩浆。且高镁辉绿岩和岩体具有同时同源性。

(4)金川矿区辉绿岩脉的研究表明用矿区岩脉来探究原生岩浆的方法是可行的。