Question

模型十七 陨石撞击型铜镍硫化物矿床找矿模型

Answer 1

一、概 述

加拿大萨德伯里矿区 ( Sudbury) 是世界上陨石撞击型铜镍硫化物矿床的典型代表。根据陨石撞击事件大量的地质、地球化学证据，其陨石撞击成因已为越来越多的地质学家所认可。陨石撞击成因的主要证据有: ①在撞击火山口中充填的奥纳平组上部 800m 岩段中存在铱的异常; ②在由火山口往外分布逐渐减少的萨德伯里角砾岩中存在假玄武玻璃; ③震裂锥呈放射状分布; ④近源和远源 ( 约800m) 的喷出物中都有冲击矿物。

萨德伯里矿区矿石的资源量为15 ×108t。Ni 的品位为 1% ，Cu 为 1% ，Pd + Pt 为 1g / t。整个萨德伯里构造盆地拥有 77 个生产矿床、11 个探区和 140 个矿点。在过去的一个世纪中，共生产了总价值超过 2640 亿美元的金属。

二、地 质 特 征

1. 区域地质背景

由于陨石撞击地球表面是个偶然事件，所以它的分布从某种程度上来说不可能受区域地质构造控制。就撞击而成的萨德伯里火成杂岩来说，尽管后来的挤压事件使其强烈变形，但它还是很好地保存了下来。

陨石撞击发生在 1850Ma，地点位于北面新太古代片麻岩 ( 约 2711Ma) 和南面上覆的休伦超群( 古元古代火山沉积，约 2450Ma) 之间的交界处。撞击产生了一个直径 200km 的火山口，以及放射型岩墙状的破裂/角砾岩带，它们切穿了围岩。撞击熔化了撞击地点的岩石，产生了高温熔融岩层，这个熔融岩层占据了撞击火山口的底板。熔融体冷却时分异成下部的苏长岩和上覆的花斑岩，二者为一层薄的富石英的辉长岩层所分隔 ( 图 1，图 2) 。这些岩石单元之间的接触带是渐变的。不连续、更为基性的底部岩层称为 “底层”，含有大量的 Ni － Cu 矿石和外来碎屑。熔融体还侵入了某些放射型的角砾岩带中，形成了很长的石英闪长岩岩墙 ( “支脉”) ，从萨德伯里火成杂岩往外延伸几千米，也含 Ni － Cu 矿石。后来来自南部的区域掩冲挤压了萨德伯里火成杂岩的南半部，产生了现在出露的拉长状盆地，长 65km，横向宽 27km。

2. 萨德伯里火成杂岩 ( SIC)

萨德伯里火成杂岩体可分成北带、南带和东带 3 部分，总厚度约为 2. 5km。组成杂岩体的岩石由下往上依次为暗色苏长岩、石英苏长岩、南山苏长岩和霏细苏长岩，它们构成了杂岩体的下部; 中部为石英辉长岩; 上部为花斑岩 ( 图 2) 。南带的下部出现石英苏长岩和南山苏长岩，而北带的下部为暗色苏长岩和霏细苏长岩，霏细苏长岩在南带发育有限。含矿的苏长岩 “底板”位于萨德伯里火成岩体的底部，在杂岩体边缘通常是含矿的石英闪长岩 “支脉”。近年来取得的地球物理资料表明，杂岩体构造在深部是不对称的，北带倾斜比较缓，倾角为 25° ～30°，南带倾斜陡，倾角为 45°左右。

3. 矿床地质特征

( 1) 矿床类型

与萨德伯里火成杂岩体有关的铜镍硫化物矿床有3 种类型: 接触带型矿床、支脉型矿床和底板型矿床。

图 1 加拿大萨德伯里火成杂岩地质图( 引自 Л. П. Лихачев，2006)

图 2 萨德伯里杂岩体南带和北带的岩层剖面( 引自 Л. П. Лихачев，2006)

1) 接触带型矿床: 接触带型矿床通常形成于与新太古代或古元古代基底接触的接触带或其附近的萨德伯里火成杂岩体底部的洼地或构造凹入处，萨德伯里矿区资源量的 50% 以上产在接触带型矿床中。铜镍矿化与接触带的 “底层”及 “底层”下面的底板角砾岩有关， “底层”由苏长岩到辉长岩成分的中 － 细粒岩石组成，分布在萨德伯里火成杂岩体的边缘。底层的性质变化很大，基质既可不含石英，亦可富含石英; 既可具苏长岩组分，亦可具辉长岩组分。结构从嵌晶状变至辉绿结构。底层的厚度分布受 SIC 下接触带形态的控制，有的地方底层完全消失，有一些地方则相当厚 ( 700m 或更厚) 。底层的矿化由大片的浸染矿化带到块状矿化带都有，在直径约 1km 的 “凹槽”中，底层的厚度最大，硫化矿化最为富集。虽然凹槽中的底层含大量硫化物，但工业矿化的主体一般见于底层以下的底板角砾岩中，块状硫化物含量最高处往往见于底板角砾岩的底部。底层苏长岩容矿矿床 Cu/Ni 值低 ( 0. 1 ～ 0. 5) ，靠近 SIC 接触带的某些底板角砾岩容矿矿床也具有低 Cu/Ni 值特征。

2) 支脉型矿床: 支脉型矿床含在放射状或同心状 “石英闪长岩”岩墙中，这类岩墙代表冷却的撞击熔融体的早期相，支脉型矿床拥有的资源量占总资源量的 25%左右。支脉是一种重要的成矿环境，它们深入围岩十几千米，例如佛伊( Foy) 支脉达 13km，与围岩之间的界面清晰;有些支脉产有大型硫化物矿床，如南山的铜崖( Copper Cliff) 支脉。

3) 底板型矿床: 底板型矿床产在称为萨德伯里角砾岩的角砾化围岩中，角砾岩中没有萨德伯里火成杂岩的组分，底板型矿床拥有的资源量不到 10%，但是它的作用在提高，局部 PGE 的含量十分高。底板型矿床与接触带型矿床不同，Cu / Ni 比值大于 1。矿化带侵位于热变质的萨德伯里角砾岩之内，或者与之有密切关系。在某些情况下底板角砾岩与热变质萨德伯里角砾岩之间的界面是渐变的。容纳底板矿床的角砾岩带的边界一般模糊，但可填绘出。金属分带模式也是渐变的，Cu/Ni 值随着与杂岩体接触带距离的加大而增高。

图 3 加拿大萨德伯里 Murray 矿山 ( A) 和Strathcona 矿山 ( B) 剖面图( 引自 Л. П. Лихачев，2006)

( 2) 矿体形态

在侵入体底部与底层有关的矿体构成不规则的富含硫化物的透镜体，如在南区的 Murray 矿山( 图 3A) 及在北区的 Strathcona、Mc Creedy East和 Fraser Depth 等矿山 ( 图 3B) 具有陡倾的大透镜体。这些具有类似走向的矿体群位于构造凹入处，在 Creighton 矿山矿体延伸得很深。支脉中的矿体构成了不连续的富硫化物矿层或透镜体，它们陡倾，并与伴随的石英闪长岩支脉近于平行。在 East Falconbridge 矿山产有不同类型的矿带，这里矿体不规则地成串排列，沿着将萨德伯里火成杂岩的长英质苏长岩与 Stobie 火山岩分隔开的Main 断层不连续地分布。

( 3) 矿石成分

硫化物矿石由典型的岩浆型硫化物矿物组成，是主要的矿石类型，按丰度依次是磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铜矿和黄铁矿。斑铜矿出现在富铜的矿石中。南区的矿石通常含砷矿物，包括红砷镍矿、砷镍矿、硫砷镍矿和硫砷钴矿。铂族元素呈许多微细的矿物颗粒产出，其中最丰富的是铀铋碲矿( PbBiTe) 、碲铂矿 ( PtTe) 和砷铂矿 ( PtAs) 等。

在萨德伯里，PGE 与 Bi、Te、As、Sb 和 Sn 相伴生。其中 As 是萨德伯里矿石中的重要痕量元素，空间上南区的矿床含 As 高，而北区的矿床 As 含量很低。在萨德伯里矿石中 Sb 也是一种相关的痕量元素，它与 Pd 和 Pt 矿物有关，尽管 Sb 的含量总体十分低，但是在南区的矿体中 Sb 值还是比较高的。脉的边缘有富 Cl 的蚀变组分: 陨氯铁、氯铋矿和铁热臭石。在 Fraser 矿山矿化的 150m 范围内，再结晶的萨德伯里角砾岩中角闪石和黑云母的 Cl 含量和 Cl/( Cl + F) 的比值有所增高。

三、矿床成因和找矿标志

1. 矿床成因

萨德伯里矿区的铜镍硫化物矿床是 1850Ma 前一次偶然的陨石撞击地表面形成的。坠落在该区的陨石体直径大小约为 4km，总体积约为 64km3，其中所含的硫化物体积约为 3. 8km3( 约含硫 6 × 109t) 、金属铁约 7. 5km3、金属镍约 0. 83km3( 约含镍 7. 3 × 109t) 、铜约 0. 006km3( 约含铜 0. 05 × 109t) 。

陨石的撞击和矿区成矿物质的聚集是按照下列过程进行的:

首先是坠落的陨石与被撞的地体相撞并发生破裂，坠落体的物质呈颗粒流持续运动，颗粒流长达几千米 ( 图 4A) 。

运动过程中，重的金属颗粒快于不太致密的轻颗粒聚集在与被撞物体接触的锋面上，然后渗入被撞物体底部形成支脉状矿石 ( 图 4B) 。

在撞击地点产生的等离子蒸气、熔融体和固态物质的混合物进入大气，经过减压和迅速冷却随后返回到早先形成的火山口 ( 图 4C 和 D) 。在撞击时形成的熔融体回返降落时，留在它们当中的金属颗粒又回到了落体的锋面部位，形成了萨德伯里矿区中的次层状接触带型矿石 ( 图 4E) 。

这个撞击事件是在一个极短的时间内发生的，冲击之后，硅酸盐熔融体和硫化物熔融体很快结晶，其周围的岩石被压实，而后，这个撞击构造被晚期的产物所掩埋。硅酸盐熔融体结晶时所形成的岩石发生了微弱的分异，它们具有很小的颗粒性，这是撞击杂岩与内生的岩浆产物之间原则性的差别。

图 4 撞击构造中成矿物质聚集和铜 － 镍矿石形成顺序示意图( 引自 Л. П. Лихачев，2006)

2. 找矿标志

从目前来看，陨石撞击成因的世界级矿床就此一例。陨石撞击是偶然事件，这里以萨德伯里矿田为依据，总结找矿标志。

( 1) 地质找矿标志

1) 矿床主要与萨德伯里火成杂岩体 ( SIC) 有关，尤其是与 SIC 的下接触带 ( 底层) 有关。

2) SIC 的出露明显受构造的控制，据认为萨德伯里构造是经过形变和剥蚀的陨石坑遗迹，该构造呈椭圆形，充填有沉积岩和变沉积岩，矿化可能是在陨石坑形成过程中的热和压力作用下产生的。

3) 许多矿床位于萨德伯里构造边缘的凹槽构造中。矿床普查工作实际上都是沿着萨德伯里构造边缘的 SIC 展开的，并且注意研究其中的凹槽构造。

4) 本区早期的勘查工作主要是寻找接触带型矿床，勘查孔打到底板岩石后便停钻，即使发现了一些底板矿体，一般也都与接触带型矿体连通。但近年来发现底板型矿床距离 SIC 与底板接触面可达2km 远。虽然目前发现的底板型矿床规模比接触带型小，但矿石丰富，Cu / Ni 比随着与 SIC 接触带距离的加大而增高，且铂族元素的含量高。20 世纪 90 年代以来，本区找到的新矿床大多属于底板型矿床，从而开辟了新的矿源。

( 2) 地球物理找矿标志

萨德伯里火成杂岩体是由巨型陨石撞击而成的，矿化正好产在杂岩体与围岩的界面上，而富的底板型矿床又位于接触带以下的底板中，因此，查明杂岩体与围岩的界面是实现深部找矿突破的关键，如何在底板中寻找极富的底板型矿床又是找矿取得成果所需解决的首要问题。

多年来的找矿实践证明，在萨德伯里地区采用重力测量和反射地震是查明杂岩体底界的有效手段( 图 5) 。萨德伯里构造位于区域重力高值范围内。地震成像表明，萨德伯里构造明显不对称。在北半部，反射地震剖面反映了花岗岩 － 苏长岩和苏长岩底板岩石的界面。

图 5 加拿大萨德伯里盆地 41 号测线与深部构造和岩性接触面有关的反射面( 引自 M. Salisbury 等，2006)

依据地震方法在盆地内确定杂岩体的底面，随后通过深部钻孔加井中瞬变电磁测量可以有效地勘查深埋的底板型矿床。近年来的找矿成果表明，许多重要发现 ( 如 Victor、Levack footwall、McCreedy East － 153、Nickel Rim South、Pump Lake、Totten、Fraser Morgan) 都归功于瞬变电磁测量系统( UTEM) 的应用。

( 3) 地球化学找矿标志

1) 金属和矿物分带也是一项重要的勘查标志。Cu / Ni 比值和 ( Pt + Pd + Au) / S 比值随着远离接触带而增大。

2) 矿脉体系中有经济价值的部分被 10 ～ 100m 宽的次经济价值元素的地球化学晕所包围。次经济价值的元素晕中，含浸染状和受裂隙控制的黄铜矿、斑铜矿和针镍矿。斑铜矿和针镍矿细脉是矿化体系边界的标志。

3) 在萨德伯里火成杂岩的苏长岩中，Mg 和 Ti 地球化学特征可以圈定接近于构造凹入处。

( 项仁杰)