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原位S同位素LA-MC-ICPMS分析揭示成矿母岩浆具有高氧逸度

  区别于板内环境中产出的典型岩浆铜镍硫化物矿床,造山带中产出的岩浆铜镍硫化物矿床已经成为国际上该类矿床勘查和研究的新热点。幔源岩浆在地壳浅部达到硫化物饱和是成矿的基础,硫化物饱和的机制也与母岩浆的氧逸度密切相关。对于造山带中产出的岩浆铜镍硫化物矿床母岩浆的氧逸度及主要控制因素,仅存在定性认识,缺乏定量评估;对于该类矿床母岩浆达到硫化物饱和是否一定需要地壳硫的加入,一直存在较大争议。

  针对以上问题,中国科学院广州地球化学研究所岩浆作用与成矿学科组助理研究员魏博、博士后曹勇华和研究员王焰选取中亚造山带赋存铜镍硫化物矿床的镁铁-超镁铁质岩体,开展了橄榄石-尖晶石氧逸度计定量计算工作,矿石和围岩地层中硫化物的原位S同位素LA-MC-ICPMS分析及全岩C同位素分析,提出中亚造山带铜镍硫化物矿床的成矿母岩浆具有高氧逸度的特点,成矿母岩浆达到硫化物饱和与地壳中还原性的有机物质加入有关,成矿不一定需要地壳S加入。这与板内拉张环境下典型铜镍硫化物矿床的形成机制有明显的不同,可能是中亚造山带及类似构造背景下铜镍硫化物矿床形成的新机制。

  对中亚造山带一系列含矿岩体中的橄榄岩和二辉橄榄岩利用橄榄石-尖晶石氧逸度计估算出的母岩浆氧逸度范围主要为FMQ+0.3至FMQ+2.6,落入岛弧岩浆的氧逸度范围,明显高于MORB氧逸度(FMQ-1至FMQ)(图1)。同时,利用坡一岩体中橄榄石Fo值>90(与地幔橄榄石Fo值相当)的橄榄岩估算出其地幔源区的氧逸度为~FMQ+0.3至FMQ+0.5,与MORB源区的氧逸度(FMQ-2.5至FMQ)较接近(图1)。表明成矿母岩浆的高氧逸度特点并不是继承自氧化的地幔源区,而更可能与交代地幔来源的富水岩浆的结晶演化过程有关。

  针对中亚造山带中产出的岩浆铜镍硫化物矿床硫化物饱和机制问题,该次研究选取了三个主要含矿岩体和区域上出露的围岩地层中硫化物进行原位LA-MC-ICPMS的S同位素分析。结果表明,各类矿石中各种硫化物(镍黄铁矿,磁黄铁矿,黄铜矿,黄铁矿)具有一致的S同位素组成,δ34S 值变化范围为–1.01.1‰ (图2a,2b),均位于地幔值范围(–1.50.6‰);围岩地层中硫化物的δ34S均值变化范围为–17.6–6.5‰,全部为负值且变化范围大(图2a,2b),这与矿石S同位素组成完全不同。表明这些矿床成矿所需的S主要来自于地幔,定量估算约1km3幔源岩浆自身所含的S足以提供这些矿床成矿所需的S。另一方面,矿石的δ13C值变化范围(–26.7–24.1‰)与地层岩石的C同位素组成完全一致(–26.7–21.3‰)(图2c,2d)。但是,矿石和围岩极负的C同位素组成与地幔C同位素组成完全不同(–5–7‰),而与地壳中有机碳的C同位素组成一致(–28–20‰),表明成矿母岩浆中具地壳有机碳组分。还原性有机碳组分的加入很有可能导致母岩浆氧逸度降低、造成硫化物饱和。与此同时,由于有机物中通常富含Os,大量地壳有机物加入到幔源母岩浆,会导致从母岩浆中熔离出来的硫化物具有地壳Os同位素的特点,这也与矿石具有极正的γOs值(+30到+300)特点一致。

  该研究表明,对于造山带中的一些中小型的岩浆铜镍硫化物矿床而言,成矿岩浆可能具有较高的氧逸度,在这种情况下,硫化物饱和不一定需要大量地壳S的加入,地壳中还原性的有机物加入有可能是导致岩浆氧逸度降低、达到硫化物饱和的重要机制。

  该研究受国家自然科学基金项目(41730423、41325006和41403037)资助,研究成果发表在Economic Geology 和Journal of Asian Earth Sciences。

图1 (a) 不同含矿岩体对应岩浆的氧逸度;(b) 坡一岩体橄榄石最高Fo值对应的地幔氧逸度

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图2 中亚造山带红旗岭7号,漂河川4号,喀拉通克等含矿岩体矿石和围岩地层的S同位素(a和b)和C同位素组成(c和d)

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