津巴布韦大岩墙铂族矿床分布特征及成因分析.pdf

第 14 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.14 No.9September，2023矿 产 勘 查MINERAL EXPLORATION津巴布韦大岩墙铂族矿床分布特征及成因分析李斯，李冬月，鲁佳，何旭，蔡厚安，张普斌（有色金属矿产地质调查中心，北京 100012）摘 要 津巴布韦大岩墙是一套铁镁质和超铁镁质的层状基性-超基性岩体，是铂族元素主要成矿地带。本文通过对大岩墙中铂族矿床的分布规律进行研究得出，本区铂族矿床主要产于岩体中硫化物带（MSZ）的底部，矿体呈层状、似层状赋存于辉石岩中，其埋深具有在大岩墙的两翼浅、核部深的特征。电子探针分析表明，铂族元素主要产于以磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铁矿为主的硫化矿物组合中，镍和钴的含量均较低。成因分析表明，矿床中铂族元素的富集与基性-超基性的岩浆分异作用关系密切，原始岩浆来源于地幔，成矿环境为低氧逸度和高硫逸度的还原环境，并具有多期成岩成矿特征。关键词 基性-超基性岩；铂族矿床；硫化物带；大岩墙；津巴布韦中图分类号：P612 文献标志码：A 文章编号：1674-7801（2023）09-1661-08Analysis of the distribution characteristics and genesis of platinum-group element deposits in the Great Dyke of ZimbabweLI Si，LI Dongyue，LU Jia，HE Xu，CAI Houan，ZHANG Pubin（China Non-ferrous Metals Resource Geological Survey，Beijing 100012，China）Abstract:The Great Dyke of Zimbabwe is a stratiform mafic-ultramafic layered intrusion comprising gabbroic and ultramafic cumulates，serving as a major host for platinum-group element mineralization.Through summarization of the distribution patterns of platinum-group element deposits in the Great Dyke，it is concluded that the platinum-group element deposits in this area are predominantly located at the base of the sulfide zones（MSZ）within the intrusion.The orebodies occur as stratiform to semi-stratiform layers hosted in pyroxenites，and display a burial depth pattern of being shallow at the limbs and deep in the central part of the Great Dyke.The electron microprobe analysis indicates that the platinum-group elements are predominantly hosted in sulfide mineral assemblages dominated by pyrrhotite，pentlandite and chalcopyrite，with low contents of nickel and cobalt.Genetic analysis indicates that the enrichment of platinum group elements in the ore deposit is closely related to the magmatic differentiation of basic-ultrabasic magmas.The parental magmas are inferred to be derived from the mantle，and mineralization took place under reduced conditions of low oxygen fugacity and high sulfur fugacity，exhibiting multi-stage characteristics of magmatism and mineralization.Keywords:mafic-ultramafic rocks；platinum group deposits；sulfide zone；Great Dyke；Zimbabwedoi：10.20008/j.kckc.202309012收稿日期 2023-07-25；修回日期 2023-08-31基金项目 本文受自然资源部国外矿产资源风险勘查专项项目（20102053B0011）资助。第一作者简介 李斯，女，1992年生，硕士，助理工程师，主要从事遥感地质及环境调查研究；E-mail：Lisi_。引用格式 李斯，李冬月，鲁佳，何旭，蔡厚安，张普斌.2023.津巴布韦大岩墙铂族矿床分布特征及成因分析 J.矿产勘查，14（9）：1661-1668.Li Si，Li Dongyue，Lu Jia，He Xu，Cai Houan，Zhang Pubin.2023.Analysis of the distribution characteristics and genesis of platinum-group element deposits in the Great Dyke of Zimbabwe J.Mineral Exploration，14（9）：1661-1668.16612023 年矿产勘查0引言铂族金属是关键或战略性矿产资源（李蓉等，2022）。目前，发现的铂族金属矿床约90%的资源蕴藏在岩浆铜镍硫化物矿床和铂金族元素矿床中（宋谢炎，2019）。南非布什维尔德（Bushveld）、俄罗斯诺里尔斯克（Norilsk）、津巴布韦大岩墙（Great Dyke）、美国斯提耳沃特（Stillwater）和加拿大萨德伯里（Sudbury）是世界上五大主要铂族金属矿床的产区（王丰翔等，2021）。其中，津巴布韦大岩墙孕育了世界上第二大储量的铂族金属矿床（铂或铂族金属平均品位为3.35 10-6，金属储量约776 t）（张苺，2010）。然而，前人对津巴布韦大岩墙中铂族矿床在大岩墙中的分布规律与形成机制尚不明确。因此，本文通过对津巴布韦大岩墙地质特征及其空间分布规律进行研究，以霍普韦尔铂族矿床进行阐述，探讨津巴布韦大岩墙铂族金属矿床的成矿机制，为下一步寻找同类型铂族矿床提供依据。1区域地质特征津巴布韦矿产资源丰富，优势矿种有金、铬铁矿、铂族元素、金刚石、煤、镍、铁、铜、钴等30余种。津巴布韦2/3的地区由前寒武系结晶岩和变质岩组成，属于南部非洲典型的克拉通块体之一（曲红军等，2012；王丽瑛等，2015）。津巴布韦克拉通由花岗岩-绿岩带和太古宙片麻岩构成，形成于新太古代（3026 Ga），并被晚期的花岗岩体和镁铁质岩墙群所侵入（图1，武晗，2020）。区内断裂构造发育，按照形成的时间，由老至新分为南北向、东西向、北北西和北北东向4组。西北与东南地区以北北东向断裂为主，东西向断裂集中分布于大岩墙两侧近20 km 的狭长区域，其余 2 组断裂较少见（张维等，2010）。2大岩墙中铂族矿床特征2.1大岩墙地质特征津巴布韦大岩墙是世界上著名的火成杂岩体之一（图 2），呈细条状穿过津巴布韦克拉通，长550 km，宽 412 km，为镁铁质和超镁铁质的层状基性-超基性岩体（张明云等，2007；Mackintosh et al.，2017）。大岩墙是沿克拉通内部的走滑断裂侵入，是大岩墙侵位的主要控制构造（Wilson，1987；Wilson，1987；苏俊亮等，2007；张明等，2008）。前人对“大岩墙”做了较多的同位素年代学工作：其中，全岩的Sm-Nd年龄为（258616）Ma（Mukasa et al.，1998），可能代表了原岩的形成年龄；锆石和金红石的 U-Pb 年龄为（25797）Ma（Mukasa et al.，1998；Armstrong and Wilson，2000），锆石SHRIMP U-Pb年龄为（258111）Ma，斜锆石的形成时间为（25742）Ma，代表了大岩墙的侵位时间。全岩的Rb-Sr年龄（245516）Ma可能指示后期的岩浆-构造-热事件的 时 间（Hamilton，1977；Wilson and Prendergast，2001）。大岩墙由一条连续的岩浆房和次级岩浆房形成，总体可划分为北段和南段2个岩浆房，根据岩层的构造、类型和成分等特征，北段岩浆房又可分为穆盖森济（Musengezi）、达文达尔（Darwendale）和塞巴奎（Sebakwe）3 个次岩浆房，南段可分为塞卢奎（Selukwe）和韦扎（Wedza）2个次级岩浆房，且南段的形成时间比北段稍早（Wilson et al.，2001）。大岩墙中分布有穆盖森济（Musengezi）、塞卢斯（Selous）、哈特利（Hartley）、塞卢奎（Selukwe）和韦扎（Wedza）5个基性-超基性杂岩体，蕴藏了津巴布韦约95%以上的铂族金属矿床，其中最大的是哈特利（Hartley）杂岩体，长约100 km，纵跨于塞巴奎（Sebakwe）和达文达尔（Darwendale）两个岩浆活动中心（刘军等，2014）。2.2铂族矿床分布特征津巴布韦的5座铂族金属矿山，主要分布在基性-超基性杂岩体中（表1）。基性-超基性杂岩体由早期一系列岩浆房经演化而成，具有明显的岩浆旋回层序，其下伏一般均为偏超基性的纯橄榄岩、方辉石橄榄岩、橄榄辉石岩和辉石岩，并夹有薄层铬铁矿层；上覆则为偏基性辉长岩类组成，如苏长岩、苏长辉石岩、橄榄辉石岩。在上下两部分之间，除有一层含铜、镍、硫化物外，还伴有含量较高的铂族元素。特别在富含辉石的基性岩带，常常可见有磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铜矿和黄铁矿呈浸染状分布，局部呈块状或脉状分布。主硫化物带（MSZ）是大岩墙中铂族元素的主要富集层（图 3），层位较为稳定，厚 210 m，赋存于“盆状”基性-超基性岩体中，在岩盆边缘的倾角为520，向岩盆中心变缓，形成一个平坦的基底。1662第 14 卷 第 9 期李斯等：津巴布韦大岩墙铂族矿床分布特征及成因分析向形核部大面积出露辉长岩（N），两翼依次出露主硫化物带（MSZ）、辉石岩和橄榄辉石岩（Pl）、斜方辉橄岩（SH）、花岗岩（G）等（图4）。从图4可以看出，铂族矿体在大岩墙的东西翼埋深浅，且埋深具有对称性；在大岩墙核部埋深具有逐渐增大的趋势。主硫化物带中硫化物呈颗粒状产于辉石岩中，为铂族元素的主要赋存层位（赵声贵和陈元初，2011）。矿化带中铂族元素的含量和分布较为稳定，主硫化物带在垂向上从高品位中心区分别向上和向下与围岩呈渐变过渡（甄广伟，2013）。3霍普韦尔铂族矿床地质特征3.1矿床特征在津巴布韦大岩墙中，每个铂族矿床通常只有一个主矿体，矿体规模巨大，其在围岩中的位置随深度变化而变化，一般位于辉石岩上部512 m（刘军等，2014）。霍普韦尔铂族矿床位于达文达尔（Darwendal）次岩浆房与塞巴奎（Sebakwe）次岩浆房交界地区，矿体赋存于大岩墙主硫化物带（MSZ）中下部及其下盘附近，含矿岩石为超镁铁质的辉石岩。矿区仅见一个主要矿体，分布于辉长岩与辉石岩分界面之下550 m范围内的辉石岩中。矿体规模巨大，在矿权范围内矿体南北走向延长达 11.6 km，向两端延伸到矿权区外，东西宽 8.079.85 km、平均宽8.96 km；矿体真厚度1.236.13 m、平均 1.88 m，厚度变化系数 41.73%，矿体厚度稳定；矿体一般在向形的东、西翼部相对较薄，在向形核部相对较厚。矿体呈层状、似层状，总体形态与MSZ一致，为宽缓的向形状面状矿体，局部有舒缓图1津巴布韦地质略图（据武晗，2020）16632023 年矿产勘查波状起伏。矿体总体走向近南北向（北北东向），西部向东缓倾斜，至中部在向形底部产状趋于水平，再往东渐变为向西缓倾斜，倾角025。矿体产出位置随深度变化而变化，在西边部和浅部，一般位于辉石岩上部512 m内，往深部逐渐下移，一般在15 m 以下，越往深部延伸，则矿体下移至界面下2040 m。矿体整体较为连续稳定。受北西向断层影响，南西盘矿体相对抬升，北东盘矿体相对下降，错距150200 m。局部地段矿体受小断层或后期岩脉的影响而错位、贫化甚至缺失。图2津巴布韦大岩墙岩浆房划分（据刘军等，2014；龚鹏辉等，2015；武晗，2020修改）1664第 14 卷 第 9 期李斯等：津巴布韦大岩墙铂族矿床分布特征及成因分析3.2岩相学特征津巴布韦铂族金属矿体赋存主硫化物带中下部，含矿岩石为超镁铁质的辉石岩（图5a）。岩石呈半自形柱状结构，局部包含结构，块状构造，主要由斜方辉石（45%90%）、单斜辉石（5%）、斜长石（5%10%）、黑云母（1%）等组成。斜方辉石呈半自形柱状，大小一般 0.52 mm，少量 24 mm，略显定向分布（图5b），多较新鲜，局部被滑石交代，局部次闪石化；单斜辉石呈他形粒状，大小一般 210 mm，填隙状分布，其内常见斜方辉石包体；斜长石呈他形粒状，大小一般0.52 mm，填隙状分布，其内常见聚片双晶、肖钠双晶，局部绢云母化、黝帘石化，斜长石牌号 An63；黑云母片直径 0.21 mm，填隙状分布；少量的钾长石石英呈文象结构填隙于半自形晶斜方辉石间（图5c）。硫化矿物主要呈浸染状充填于辉石矿物颗粒之间，磁黄铁矿是矿石中最主要的硫化物。以他形粒状、集合体状为主，少量自形板状晶体，两组解理发育，镍黄铁矿呈宽板状交代磁黄铁矿中（图5d），黄铜矿多呈不规则粒状、集合体状产出，主要分布在脉石中，或与其他硫化物共生，或晚于磁黄铁矿、镍黄铁矿，或与镍黄铁矿一同沿着磁黄铁矿的边缘或解理交代（图5e），局部可见黄碲钯矿与辉砷钴矿共生，交代镍黄铁矿，粒度细小，多在 25 m（图5f）。另外，本区含铂族元素矿物主要有砷铂矿、硫铂矿、蒙奇铂族矿等，也有少量铂钯碲铋矿，主要位于镍黄铁矿和黄铁矿中，或沿硫化物与硅酸盐矿物接触边界分布。3.3矿物成分特征对矿区中的辉石岩中的磁黄铁矿、镍黄铁矿和黄铁矿进行电子探针分析（表2）。从表2可以看出，磁黄铁矿中Fe含量变化范围为 60.27%60.75%，S 含量变化范围为 39.16%表1津巴布韦大岩墙中铂族矿床分布矿床名称穆森盖济Musengezi尼盖济Ngezi温齐Unki米莫萨Mimosa位置Musengezi杂岩体Hartley杂岩体Selukwe杂岩体Wedza杂岩体矿石量/亿t1.3716.401.801.37品位/10-63.721.772.001.83资源规模以铂族元素为主，铂族元素总量510 t，铑储量32.10 t以铬铁矿为主，其储量为 1.9 亿 t，伴生铂57.3 t储量160 t，铑4.8 t，此外尚伴有镍42 900 t，铜28 200 t，金23.3 t等以铂及铂族元素为主，储量约240 t，铑34.50 t以 Au、Ni 及铂族元素为主，镍矿储量10.2 万 t，铜 8.1 万 t，铂 110 t，钯 79 t，铑8.67 t矿体特征矿体主要产在超基性-基性杂岩体中下部的主硫化物带中，矿体及围岩形成于太古宙Siderian期矿体呈块状或层状，围岩为超基性-基性杂岩体，矿体及围岩形成于太古宙Siderian期矿体呈块状或层状，围岩为超基性-基性杂岩体，矿体及围岩形成于太古宙Siderian期矿体呈层状，单层至多层状及浸染状产于超基性-基性杂岩体中，矿体及围岩形成于太古宙Siderian期图3津巴布韦大岩墙含铂层位分布示意图（据刘军等，2014）16652023 年矿产勘查39.20%，Ni含量变化范围为0.30%0.40%，含有少量的Co（0.01%0.02%）。镍黄铁矿中Fe含量变化范 围 为 30.64%31.46%，S 含 量 变 化 范 围 为32.87%33.08%，Ni 含量变化范围为 34.87%35.50%，Co含量变化范围为0.44%0.82%。黄铁矿中 Fe含量变化范围为 45.15%45.44%，S含量图4津巴布韦大岩墙剖面示意图图5霍普韦尔铂族矿床中岩矿鉴定照片a辉石岩；b粗粒斜长石内嵌半自形柱状斜方辉石；c文象交生的钾长石石英填隙于半自形晶斜方辉石间；d镍黄铁矿呈宽板状交代磁黄铁矿；e镍黄铁矿交代磁黄铁矿，局部可见黄铁矿被黄铜矿交代；f辉砷钴矿与黄碲钯矿（1）共生，并交代镍黄铁矿Opx斜方辉石；P1斜长石；Kfs钾长石；Po磁黄铁矿；Pen镍黄铁矿；Py黄铁矿；Ccp黄铜矿；1黄碲钯矿；Cbt辉砷钴矿表2塞卢斯段铂族矿床中硫化物电子探针分析结果（%）矿物磁黄铁矿镍黄铁矿黄铁矿编号ZW14GD-9ZW15ZW14GD-9ZW15ZW14GD-9Fe60.4760.5760.2731.4631.3730.6445.4445.15Co/0.010.020.530.440.820.951.51Ni0.320.300.4034.8735.2235.500.200.12S39.1639.2039.1633.0832.8733.0253.2053.25Pt*644655/233171Pd*63630027014194Ru*3533343943374033Rh*98818217716107Total99.95100.0699.8599.9499.999.9899.89100.03注：“/”表示未检出，“*”表示单位为10-6，测试单位为中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室（2010）。1666第 14 卷 第 9 期李斯等：津巴布韦大岩墙铂族矿床分布特征及成因分析变化范围为 53.20%53.25%，Ni含量变化范围为0.12%0.20%，Co 含 量 变 化 范 围 为 0.95%1.51%。从表2中可以看出，津巴布韦大岩墙中的铂族元素（Pt、Pd、Ru、Rh）的载体矿物主要为磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铁矿，大多数钯（Pd）和铑（Rh）产于镍黄铁矿中，铂（Pt）主要产于富黄铁矿的硫化矿物组合内。4矿床成因分析津巴布韦大岩墙为钙碱性-超钾质的铁质基性-超基性岩浆（武晗，2020），津巴布韦主要铂族金属矿床均分布在大岩墙中5个杂岩体上。铂族元素主要富集于岩体中硫化物带（MSZ）的底部，且大多呈硫化物中心固熔体形式产出，说明成矿作用与基性-超基性的岩浆分异作用关系密切。其次，矿床中的氧化物矿物数量甚少，主要有金红石、钛铁矿、铬铁矿、铈钙钛矿等。金红石中含微量Cr和Zr，铬铁矿中含TiO2达2.82%，铈钙钛矿中含有少量的稀土元素（甄广伟，2013），推测这些氧化物矿都是由残余熔浆在岩浆晚期分离的液相部分晶出的。另外，从矿物组合中缺少磁铁矿和富黄铁矿的特征来看，津巴布韦铂族矿床的成矿环境为低氧逸度和高硫逸度的还原环境，推测是铂族矿床在晚期岩浆熔离情况下形成的。这与南非布什维尔德和Stillwater杂岩体的岩浆脉动成矿机制明显不同（龚鹏辉等，2015）。前人研究表明，本区形成铂族矿床的原始岩浆应该来源于地幔或者地幔深处，岩浆在上升的过程中不间断地从围岩中获取硫元素，使得硫化物相对富集（图6，张明云等，2007）。随着原始岩浆的温度下降（A点），结晶出大量的橄榄石、辉石等，剩余岩浆中的S含量呈饱和状态（B点），岩浆分异结晶形成硫化物带，同时铂族元素从岩浆热液中分离而富集成矿；这种硫化物和铂族元素的分离一直持续至C点；后续与“脉冲式”的原始岩浆混溶，硫化物二次沉淀析出，形成硫化物的不包含岩浆（D点）；随着岩浆热液成分和温度变化，斜长石、辉石等的晶出，在低氧逸度和高硫逸度的还原环境下，形成了岩浆热液对流，在岩浆房（或次岩浆房）的上部岩浆（E点）与顶部岩浆（F点）不断地发生混合作用，且向硫化物饱和的趋势演化，进一步晶出硫化物，铂族元素和硫化物充填于辉石岩之间的空隙中，对先前的矿体进行叠加富集改造作用，显示具有多期成岩成矿的特征。津巴布韦大岩墙中铁质基性-超基性岩为本区铂族矿床的找矿标志，辉石岩为主要赋矿层位，特别是辉石上部的主硫化物带为本区铂族矿床的直接找矿指示标志。5结论（1）津巴布韦大岩墙中铂族矿床主要分布于硫化物带（MSZ）的底部，矿体主要呈层状、似层状赋存于辉石岩中，在大岩墙的东西翼埋深浅，且埋深具有对称性；在大岩墙核部埋深具有逐渐增大的趋势。（2）矿物成分分析表明，津巴布韦大岩墙中的铂族元素（Pt、Pd、Ru、Rh）的载体矿物主要为磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铁矿，大多数钯（Pd）和铑（Rh）产生镍黄铁矿中，铂（Pt）主要产于富黄铁矿的硫化矿物组合内。（3）本区铂族矿床与基性-超基性的岩浆分异作用关系密切，原始岩浆应该来源于地幔或者地幔深处，成矿环境为低氧逸度和高硫逸度的还原环境，具有多期成岩成矿特征。致谢 本文在编写过程中得到了有色金属矿图6大岩墙中铂族矿床成矿模式图（据张明云等，2007修改）16672023 年矿产勘查产地质调查中心相关领导和同事的帮助与指导，一并深表感谢！参考文献Armstrong R，Wilson A H.2000.A SHRIMP U-Pb study of zircons from the layered sequence of the Great Dyke，Zimbabwe，and a granitoid anatectic dyke J.Earth and Planetary Science Letters，180（1/2），1-12.Hamilton J.1977.Strontium isotope and trace element studies on the Great Dyke and Bushveld mafic phase and their relation to Early Proterozoic magma genesis in southern AfricaJ.Journal of Petrology，18（1）：24-52.Mackintosh V，Kohn B，Gleadow A，Tian Y.2017.Phanerozoic morphotectonic evolution of the Zimbabwe Craton：Unexpected outcomes from a multiple low-temperature thermochronology studyJ.Tectonics，36（10）：20442067.Mukasa S B，Wilson A H，Carlson R W.1998.A multielement geochronologic study of the Great Dyke，Zimbabwe：Significance of the robust and reset ages J.Earth and Planetary Science Letters，164（1/2）：353-369.Wilson J F.1987.The tectonic setting of the Great Dyke of Zimbabwe and the Mashonaland Igneous 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