金川镍-铜-铂族元素矿床深部硫化物堆积体的发现及其意义

背景介绍

镍（Ni）、铜（Cu）和铂族元素（PGE）是地球上重要的金属资源，广泛用于工业、电子和新能源等领域。全球约56%的镍、3%的铜和超过96%的铂族元素产量来自岩浆型镍-铜-铂族元素硫化物矿床。这些矿床通常与科马提岩、玄武岩和镁铁质-超镁铁质岩浆活动相关。然而，尽管这些矿床在全球范围内广泛分布，其形成机制仍存在许多未解之谜，尤其是金属如何在岩浆系统中富集并形成高品位的矿床。

金川矿床位于中国西北部，是世界上最大的单一岩浆型镍-铜-铂族元素硫化物矿床之一。尽管其体积较小（约1立方公里），但其镍和铜的储量分别达到约6.25百万吨和4.0百万吨。金川矿床的形成机制长期以来一直是学术界争论的焦点，尤其是金属如何在如此小的岩浆通道中高度富集。为了解决这一问题，研究人员采用了镍和铜同位素这一新兴的地球化学工具，试图揭示金川矿床的形成过程及其深部可能存在的隐藏矿体。

论文来源

这篇论文由Yun Zhao、Shui-Jiong Wang、Chunji Xue和Matthew J. Brzozowski共同撰写，分别来自中国地质大学（北京）和中国地质大学（西安）等机构。论文于2024年10月15日在线发表在《Geology》期刊上，题为《Hidden deep sulfide cumulates beneath the Jinchuan Ni–Cu–platinum-group element deposit (China) inferred from Ni–Cu isotopes》。该研究得到了中国国家自然科学基金等多个项目的资助。

研究流程与结果

1. 样品采集与分类

研究人员从Jinchuan矿床中采集了不同类型的硫化物矿石样品，并根据其结构特征将其分为三类： - 浸染状硫化物矿石：硫化物以颗粒状分布在硅酸盐矿物之间，硫化物含量低于30%。 - 网状硫化物矿石：硫化物形成相互连接的网状结构，硫化物含量在30%至50%之间。 - 块状硫化物矿石：硫化物以不规则的脉状形式存在，硫化物含量超过50%。

这些样品均未受到明显的风化或热液蚀变影响，确保了同位素数据的可靠性。

2. 镍和铜同位素分析

研究人员对采集的样品进行了镍和铜同位素分析。镍同位素分析采用多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）技术，铜同位素分析则基于先前报道的黄铜矿数据。分析结果显示： - 浸染状和网状硫化物矿石的δ⁶⁰/⁵⁸Ni值分别为+0.27‰和+0.22‰，显著高于块状硫化物矿石的δ⁶⁰/⁵⁸Ni值（-0.27‰）。 - 浸染状和网状硫化物矿石的δ⁶⁵Cu值分别为+0.36‰和+0.22‰，也显著高于块状硫化物矿石的δ⁶⁵Cu值（-0.44‰）。

3. 同位素与元素含量的相关性

研究发现，镍和铜同位素值与全岩铂族元素、硫、镍和铜含量呈负相关，但与Pd/Ir比值呈正相关。这一结果表明，镍和铜同位素的富集与硫化物熔体的分馏过程密切相关。

4. 深部硫化物分离事件的推断

通过瑞利分馏模型，研究人员模拟了硫化物熔体从硅酸盐岩浆中分离的过程。结果表明，金川矿床的镍和铜同位素特征可以通过早期深部硫化物分离事件来解释。具体而言，岩浆在深部岩浆房中发生了硫化物熔体的早期分离，导致残余岩浆中富集了重镍和铜同位素。随后，这些岩浆在浅部岩浆通道中再次发生硫化物熔体分离和分馏，形成了目前勘探到的硫化物矿石。

研究结论与意义

研究得出以下主要结论： 1. 深部硫化物分离事件：金川矿床的镍和铜同位素特征表明，岩浆在深部岩浆房中发生了早期硫化物熔体分离，导致残余岩浆中富集了重镍和铜同位素。 2. 浅部硫化物分馏：岩浆在浅部岩浆通道中再次发生硫化物熔体分离和分馏，形成了目前勘探到的硫化物矿石。 3. 隐藏矿体的勘探潜力：研究推测，金川矿床深部可能存在隐藏的矿体，这些矿体可能具有轻镍和铜同位素特征，是未来勘探的重要目标。

这项研究不仅揭示了金川矿床的形成机制，还为全球其他岩浆型镍-铜-铂族元素硫化物矿床的勘探提供了新的思路。通过镍和铜同位素分析，研究人员可以更有效地追踪硫化物熔体的行为，从而为矿床勘探提供科学依据。

研究亮点

1. 同位素地球化学工具的应用：该研究首次系统地将镍和铜同位素应用于金川矿床的研究，揭示了其独特的同位素特征及其地质意义。
2. 深部硫化物分离事件的发现：研究首次提出J金川矿床可能经历了深部硫化物分离事件，这一发现为理解岩浆型硫化物矿床的形成机制提供了新的视角。
3. 勘探潜力：研究指出，金川矿床深部可能存在隐藏矿体，这为未来的勘探工作提供了重要方向。

其他有价值的信息

研究还提到，金川矿床的形成可能与地幔柱-裂谷交汇处的岩浆活动有关。这种环境通常有利于形成大规模的金属富集，因为其能够产生大量的含金属岩浆，并提供明确的岩浆通道。这一发现不仅适用于金川矿床，也可能为全球其他类似矿床的研究提供参考。

这项研究通过创新的同位素地球化学方法，揭示了金川矿床的形成机制，并为未来的勘探工作提供了科学依据。其研究成果不仅具有重要的学术价值，还具有广泛的应用前景。