加拿大Sudbury盆地巖漿硫化物鎳礦床成因典型性研究與找礦標(biāo)志分析

許芳磊

(五礦勘查開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100010)

加拿大Sudbury盆地巖漿硫化物鎳礦床成因典型性研究與找礦標(biāo)志分析

許芳磊

(五礦勘查開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100010)

摘要：巖漿硫化物礦床中富含鎳、銅等基本金屬元素，部分礦床含有鉑族元素(PGE)。目前全球每年近60%的鎳產(chǎn)量出自此類(lèi)礦床，并且也是全球勘探市場(chǎng)中最為活躍的勘探目標(biāo)礦床之一。加拿大安大略省內(nèi)部廣闊的Sudbury盆地，邊緣勘探發(fā)現(xiàn)并轉(zhuǎn)產(chǎn)了一批大型礦山，前人綜合研究認(rèn)為盆地成因?yàn)橥馓针E石撞擊。鑒于外力作用來(lái)源清晰，有利于礦床成因的綜合分析研究。Sudbury鎳硫化物礦床的成因可簡(jiǎn)要概括為：隕石作用撞擊使局部地殼產(chǎn)生大量深部裂隙，激發(fā)并影響巖漿噴發(fā)作用，導(dǎo)致巖漿與上覆快速沉積巖層物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，在巖層界限部位聚集富含鎳、銅等金屬元素的非混合相態(tài)的硫化物，并伴隨后期構(gòu)造作用改造形成不同規(guī)模和品位的礦床。

關(guān)鍵詞：巖漿硫化物礦床；Sudbury盆地；成因研究；找礦標(biāo)志

鎳金屬是生產(chǎn)不銹鋼制品的重要原料，年消耗全球?qū)⒔?0%的鎳生產(chǎn)供應(yīng)量，同時(shí)，新興發(fā)展中國(guó)家大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)也依賴(lài)并長(zhǎng)期需要大量鎳。盡管擁有強(qiáng)有力的需求保障，但全球鎳金屬價(jià)格持續(xù)偏低，很大程度上是受鎳鐵合金生鐵(NPI)的抑制，鎳鐵合金生鐵是一種從鐵礬土中提取鎳的中間過(guò)程制品。然而，隨著較高品位(鎳當(dāng)量大于2%)鐵礬土礦石開(kāi)采殆盡，偏低品位的礦石在提取加工過(guò)程中成本較之原先大幅攀升，加之全球最大的高品位鐵礬土礦石輸出國(guó)家印度尼西亞，自2014年初起限制未完全加工鐵礬土礦石的出口，直接影響了中國(guó)等新興發(fā)展中國(guó)家低成本鎳鐵合金生鐵的供給。隨著印尼港口高品位鎳礦石庫(kù)存已接近枯竭，供需關(guān)系有可能進(jìn)一步失衡，這將很可能間接導(dǎo)致倫敦金屬交易所鎳金屬價(jià)格在未來(lái)持續(xù)攀升。

目前，全球較大規(guī)模的鎳礦床高級(jí)勘探項(xiàng)目，大多已為人們熟知超過(guò)40年以上，并以低品位鐵礬土氧化物礦床為主，受制于較高的項(xiàng)目轉(zhuǎn)產(chǎn)啟動(dòng)資本投入以及較高的選冶技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，大部分項(xiàng)目的投產(chǎn)計(jì)劃延緩甚至取消。

巖漿硫化物型鎳礦床被普遍認(rèn)為是替代開(kāi)采獲得鎳礦石的上佳來(lái)源，該類(lèi)礦床具備轉(zhuǎn)產(chǎn)資本投入低、品位高且礦石選冶技術(shù)已充分論證等優(yōu)勢(shì)。目前，全球新開(kāi)采的鎳礦石近60%來(lái)源于硫化物礦床。但遺憾的是，全球近期新發(fā)現(xiàn)的硫化物鎳礦床數(shù)量相當(dāng)有限，也使得全球鎳金屬的遠(yuǎn)景供應(yīng)不容樂(lè)觀?；诩幽么蟀泊舐允udbury盆地內(nèi)鎳硫化物礦床的成礦特征以及成因進(jìn)行綜合研究，探尋鎳硫化物礦床的找礦線索。

1巖漿硫化物型鎳礦床形成機(jī)制

目前，鎳-銅-鉑族多金屬型巖漿巖硫化物礦床，每年可產(chǎn)出全球近60%鎳礦石。該類(lèi)礦床形成于上地幔鎂鐵質(zhì)和/或超鎂鐵的巖漿侵入地殼母巖的過(guò)程中，巖漿中鐵、鎳及銅金屬元素與母巖當(dāng)中的硫融合，形成不相溶稠密狀金屬富集硫化物流體，侵入并受重力作用沉降至空隙底部。巖漿持續(xù)侵入成巖冷卻，促進(jìn)硫化物流體灌入并凝結(jié)，形成中等至大型規(guī)模的硫化物礦體。礦床當(dāng)中通常含有磁黃鐵礦(鐵硫化物)、鎳硫鐵礦(鎳硫化物)以及黃銅礦(銅硫化物)等含硫礦礦物，而殘余富集鎳金屬的非硫化物相態(tài)巖石(通常為橄欖巖和富鎳硅酸巖)在現(xiàn)今普遍使用泡沫浮選選冶工藝中是無(wú)法被提取。

全球一些超大型的巖漿硫化物鎳礦床，多被發(fā)現(xiàn)于次生巖脈碎裂構(gòu)造構(gòu)成的大型巖漿房當(dāng)中(圖1)。通常情況下，巖漿在進(jìn)入巖漿房過(guò)程中會(huì)迅速減緩流速，并依此促進(jìn)硫化物凝結(jié)沉淀，這被認(rèn)為是硫化物局部聚集的關(guān)鍵因素。巖漿侵入過(guò)程中重復(fù)冒起，同樣可以在原地向上部聚集，提高硫化物金屬含量。另外，區(qū)域斷裂下盤(pán)分支構(gòu)造本身也是富集銅-鉑族金屬成礦的重要部位，但通常情況下這些區(qū)域?qū)挾容^窄。

圖1　全球范圍大型鎳礦床及礦床類(lèi)型(據(jù)US Geological Survey修改，2010)

這類(lèi)礦床在全球范圍內(nèi)，世界級(jí)的大型礦床包括俄羅斯Noril’sk-Talnakh，中國(guó)金川，俄羅斯Pechenga，加拿大拉布拉多Voisey’s Bay，坦桑尼亞Kabanga，以及加拿大曼尼托巴Thompson礦帶等。

對(duì)于已經(jīng)獲得廣泛研究認(rèn)識(shí)地質(zhì)成因的礦床，例如西澳大利亞的Kamabalda地區(qū)，超鎂鐵質(zhì)巖漿上涌抵達(dá)地表后，流動(dòng)的科馬提巖型火山巖漿隨后在地?zé)嵩吹囊龑?dǎo)下侵蝕深部通道側(cè)向遷移，在同化作用下，熔融富集硫磺物質(zhì)的地殼巖石。這種過(guò)程持續(xù)往復(fù)，引導(dǎo)不相融的稠密狀金屬富集硫化物流體發(fā)生構(gòu)造變形，并最終匯集于形似河道狀的巖漿房底部。

2Sudbury盆地鎳硫化物礦床成因研究

加拿大安大略省Sudbury盆地火成巖雜巖帶(SIC)，是全球較大規(guī)模的巖漿硫化物鎳礦床富集區(qū)，自1883年內(nèi)部發(fā)現(xiàn)首個(gè)礦床以來(lái)，轉(zhuǎn)產(chǎn)了一大批地下或露天開(kāi)采礦山。

SIC雜巖帶的行成成因被認(rèn)為與18.5億年前的隕石(直徑超過(guò)10km)撞擊有關(guān)，這次撞擊不僅形成了深度超過(guò)10km直徑超過(guò)200km的巨型火山口，還破碎了地殼巖層，協(xié)助底部地幔物質(zhì)溢出充填撞擊形成的盆地。地幔衍生的熔融物質(zhì)帶來(lái)了SIC雜巖帶內(nèi)部富含大量鐵、鎳以及銅金屬。隨后地幔熔融物質(zhì)與富集硫磺的地殼巖石融合，形成富含金屬元素的稠密不融硫化物流體，鑄造成SIC雜巖帶基底，形成大量鎳硫化物礦床，并由此形成Sudbury礦集區(qū)(圖2、圖3)。

圖2　加拿大Sudbury盆地地質(zhì)圖

圖3　加拿大Sudbury盆地鎳巖漿硫化物礦床成因示意圖(非標(biāo)準(zhǔn)尺度)

深部破裂部位自身也為高品位的銅-鎳-鉑族金屬硫化物礦床提供了成礦空間，特別是Sudbury放射狀的“斷層錯(cuò)斷巖脈”礦床占據(jù)了礦集區(qū)已經(jīng)投產(chǎn)礦山的絕大部分。例如淡水河谷旗下長(zhǎng)期開(kāi)采的銅巖壁斷層錯(cuò)斷巖脈控制的Sudbury盆地北部和南部礦床，以及位于Worthington錯(cuò)斷巖脈中最新轉(zhuǎn)產(chǎn)的Totten礦山，Whistle錯(cuò)斷巖脈當(dāng)中KGHM旗下Podolsky礦山，另外Worthington錯(cuò)斷巖脈內(nèi)部的Victoria礦床(目標(biāo)2019年投產(chǎn))。另外，銅-鉑族金屬富集的底盤(pán)成礦帶也形成了一系列高品位的硫化物脈狀礦床(例如Wallbridge礦業(yè)公司旗下位于Sudbury盆地北緣的Broken Hammer礦山)。

隕石撞擊與巖漿巖硫化物礦床成因相關(guān)的事例不僅僅是Sudbury盆地一個(gè)，North American鎳礦公司旗下位于格陵蘭島的Maniitsoq項(xiàng)目的地幔熔融物質(zhì)被認(rèn)為與300萬(wàn)年前巨大隕石撞擊有關(guān)，撞擊導(dǎo)致熾熱的超鐵鎂質(zhì)巖漿經(jīng)過(guò)一系列限制通道和大規(guī)模巖漿硐房上涌至地表，與Sudbury相似的是，熾熱的巖漿同化圍巖(原地硫富集)導(dǎo)致硫飽和，形成不溶硫化物流體。這種稠密的鎳-銅-鈷-鉑族金屬富集的流體在內(nèi)部溝渠通道內(nèi)以較低流速聚集，硫化物當(dāng)中鎳金屬品位隨著巖漿流體活動(dòng)而逐步富集提高。隨著巖漿作用終止，流體系統(tǒng)內(nèi)部冷卻儲(chǔ)藏形成紫蘇輝長(zhǎng)巖，最終地層抬升和剝蝕使得金屬富集的火山通道易被勘探獲得。

3全球已發(fā)現(xiàn)巖漿硫化物礦床形態(tài)與規(guī)模

對(duì)現(xiàn)階段資源與歷史投產(chǎn)的全球50個(gè)巖漿巖性硫化物鎳金屬礦床進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，獲得了全球建議的礦床規(guī)模的平均估算值，大致為1.6億t，1.5%鎳當(dāng)量以及0.4%銅當(dāng)量。與此同時(shí)，品位永遠(yuǎn)是初級(jí)勘探和發(fā)展公司所關(guān)注的焦點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，大型礦業(yè)公司更加著重關(guān)注礦床規(guī)模，期待獲得較長(zhǎng)開(kāi)采年限且具有更大規(guī)模開(kāi)采商業(yè)價(jià)值的資產(chǎn)，并準(zhǔn)備抓住多種金屬價(jià)格上行周期的過(guò)程中投產(chǎn)。但遺憾的是，大自然所創(chuàng)造的大型高品位礦床，大多屬于超出常規(guī)偶然形成的，而并非常態(tài)。

歷史上，全球那些高品位硫化物礦床的大規(guī)模開(kāi)采選冶，通常應(yīng)用已被長(zhǎng)期驗(yàn)證的泡沫浮選工藝。然而，經(jīng)過(guò)20世紀(jì)90年代的研究與發(fā)展，市場(chǎng)的關(guān)注力投向(轉(zhuǎn)回)到從鐵礬土中回收金屬元素。隨著礦山的逐步被開(kāi)采，技術(shù)方面的挑戰(zhàn)與成本支出的超值，持續(xù)困擾這些超大型(低品位)的鎳礦項(xiàng)目，導(dǎo)致近年來(lái)又重新關(guān)注回硫化物主導(dǎo)的鎳礦項(xiàng)目來(lái)。一些大型，較低品位的鎳硫化物項(xiàng)目，近來(lái)越發(fā)被認(rèn)為那些存在巨大風(fēng)險(xiǎn)爭(zhēng)議的鐵礬土礦項(xiàng)目的潛在替代來(lái)源，這種經(jīng)濟(jì)角度的評(píng)價(jià)越發(fā)的與斑巖型銅礦項(xiàng)目相似。Royal Nickel公司旗下100%權(quán)益為與魁北克省的Dumont項(xiàng)目，總計(jì)12億t礦石儲(chǔ)量，鎳當(dāng)量0.27%(約含690萬(wàn)磅的鎳，以目前金屬價(jià)格計(jì)算，大于0.65%銅當(dāng)量)。這個(gè)項(xiàng)目被看作是填充全球鎳加工選廠運(yùn)營(yíng)的硫化物礦石來(lái)源。

4鎳硫化物礦床綠地勘探項(xiàng)目找礦標(biāo)志

勘探到具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)潛力的大型巖漿硫化物鎳礦床，至多可以創(chuàng)造超過(guò)幾十億美元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，探索提煉出一套找礦模型，可作為勘探地質(zhì)師們找礦用以依賴(lài)的鑰匙。識(shí)別巖層作為綠地勘探項(xiàng)目的基礎(chǔ)，可以作為判斷潛在富礦層位的重要依據(jù)。大部分鎳硫化物礦床富集區(qū)和礦床具有一些普遍的特征，可為勘探提供相當(dāng)有用的指導(dǎo)。歸類(lèi)分析，包括下列特征。

1)鐵鎂質(zhì)或超鐵鎂質(zhì)巖石。地幔熱留柱中衍生形成，大規(guī)模富集。

2)臨近貫穿地殼破裂的構(gòu)造部位。斷層為巖漿穿破地殼有效運(yùn)移提供空間，在運(yùn)移過(guò)程中伴隨著較小尺度的橄欖巖分餾或硫化物流體的分支流動(dòng)。

3)富集硫物質(zhì)的沉積巖層。沉積巖的同化作用被認(rèn)為是巖漿伴隨硫磺物質(zhì)浸透發(fā)生，裂隙周邊的沉積巖供應(yīng)了地殼中硫物質(zhì)，并在鐵鎂質(zhì)巖漿灌入過(guò)程中，毫無(wú)阻礙的沿著層位清晰的水平沉積巖巖層吸收含硫物質(zhì)。

4)礦床邊緣存在大量富含硫化物的變異巖石或富含硫磺物質(zhì)的角礫巖。角礫巖的存在被認(rèn)為是曾經(jīng)大量巖漿灌入事件以及硫化物重新沉積過(guò)程的重要標(biāo)志。在物質(zhì)運(yùn)輸過(guò)程中，硫化物細(xì)小微滴可以與大量不穩(wěn)定的巖漿平衡，并在附近的硫化物流體中富集金屬物質(zhì)。

5)流體侵入作用影響聚集的大量硫化物。包括斷層下盤(pán)形成的港灣式空間以及那些巖漿進(jìn)入分支裂隙或是逐步變寬的渠道位置。在這些部位，巖漿流速顯著減緩，無(wú)法再夾挾稠密的硫化物微滴繼續(xù)運(yùn)移。

6)上部覆蓋鉑族元素貧化的鐵鎂質(zhì)或超鐵鎂質(zhì)巖石(與鎳和銅相關(guān))。這種類(lèi)型的礦床是硫化物流體從巖漿主體分離所形成的，較之銅和鎳，這種現(xiàn)象與鉑族元素金屬分割灌入硫化物流體密切相關(guān)(與剩余的硅酸巖流體相對(duì))。

7)若橄欖巖在變質(zhì)過(guò)程中遭受毀壞。巖層中散布的硫化物含量可能顯著提高，導(dǎo)致硫化物中的鎳富集。此后，變質(zhì)巖石中的散布的硫化物則被認(rèn)為是可以開(kāi)發(fā)的。新鮮巖石中散布的硫化物在開(kāi)采過(guò)程中被證明鎳并非足夠充足的。

可以認(rèn)為全球巨型的鎳-銅-鉑族金屬硫化物礦床的形成與各式各樣隕石撞擊作用、巖漿侵入以及科馬提巖流體等機(jī)制有關(guān)。然而，真正開(kāi)放的找礦思維方式仍然是勘探成功的關(guān)鍵。

5結(jié)論與總結(jié)

加拿大Sudbury盆地受到外太空隕石的撞擊，造就了極為顯著的地質(zhì)特征，同時(shí)在盆地內(nèi)部提供了非常優(yōu)質(zhì)的成礦因素。依此作為示例，力求對(duì)鎳巖漿硫化物礦床的成因進(jìn)行了綜合分析。Sudbury鎳硫化物礦床的成因可簡(jiǎn)要概括為：隕石作用撞擊使局部地殼產(chǎn)生大量深部裂隙，激發(fā)并影響巖漿噴發(fā)作用，導(dǎo)致巖漿與上覆快速沉積巖層發(fā)生反應(yīng)，在巖層界限部位聚集富含鎳、銅等金屬元素的非混合相態(tài)的硫化物，并伴隨后期構(gòu)造作用改造形成不同規(guī)模和品位的礦床。

對(duì)于其他更為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境找礦，則需要更多的勘探綜合研究，竭力尋找?guī)r漿硫化物富集和局部裂隙及地質(zhì)構(gòu)造等的綜合區(qū)域，以此作為深部找礦鉆探的重要標(biāo)志依據(jù)，加以物探等技術(shù)的輔助，逐步縮小勘探目標(biāo)，最終確定礦體的準(zhǔn)確位置。

參考文獻(xiàn)

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Typical genesis study and mining exploration sign of magmatic sulphide deposit in Canada Sudbury Basin

XU Fang-lei

(Minmetals Exploreration & Development Co.，Ltd.，Beijing 100010，China)

Abstract:Magmatic sulphide deposit was rich in nickel，copper and other base metals elements，partly full with Platinum Group Elements(PGE).This kind of deposit account for 60% of the world`s nickel production，and also one of the most active exploration target in the mineral market.The Sudbury basin in Ontario is a world-class magmatic nickel sulphide camp，following first discovery，dozens of mines were putting into production on the surround boundary of Sudbury.According to the predecessors` comprehensive research，Sudbury basin was considerate as origin from outer space meteorolite impact.Clear exogene processes is help for researching clear meaning of magmatic sulphide deposit origin.The brief summary of Sudbury nickel sulphide deposit was：The outer space impact fractured the earth`s crust，the deep fractures themselves arouse and influence the magmatic exhalation，lead to the magma reacting after mixture with the upper sedimentary bedding.On the contact surface，the dense metal-rich immiscible liquid including nickel，copper etc.accumulation rapidly.Finally，it formed to magmatic sulphide deposit with different form，size and grade，by the affection of tectonic deformation.

Key words：magmatic sulphide deposit；Sudbury Basin；genesis study；sign of exploration

收稿日期：2015-09-20

作者簡(jiǎn)介：許芳磊，男，地質(zhì)工程師，五礦勘查開(kāi)發(fā)有限公司。E-mail：bernardxu@126.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：P612

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)02-0166-04