岩浆矿床是金属镍和铜的重要来源，其伴生的钴、铂族元素等稀贵金属是清洁能源和高新技术的重要原料。我国铜镍矿床主要有产于克拉通边部的金川矿床和造山带背景的小岩体相关矿床，例如中亚造山带南缘的黄山、黄山东、喀拉通克、图拉尔根等矿床，青藏高原北部的夏日哈木矿床。华北克拉通南缘的金川矿床作为世界级铜镍矿床，其成矿过程一直以来备受瞩目。而近年，随着在造山带背景下发现多个大型-超大型矿床，该背景的铜镍矿床也引起了广泛关注。造山带铜镍矿床作为近年才受到重视的新兴铜镍矿床类型，其成矿理论研究有待精细化和系统化。

　　岩浆铜镍矿床中的金属元素都赋存于硫化物中，因而硫在岩浆中的富集与饱和过程是铜镍矿床研究的主线之一。岩浆的氧逸度不仅决定了硫作为变价元素在岩浆中的存在价态（S+6， S0， S-2），还影响金属元素在硫化物-硅酸盐矿物-岩浆中的分配系数，从而最终控制着铜镍矿床中金属元素的品级、硫化物的迁移形式与聚集部位等。但是岩浆矿床氧逸度的计算方法较为匮乏，目前常用橄榄石-硫化物Fe-Ni交换氧逸度计，但根据已有实验数据拟合的经验公式只适用于相对还原（？QFM<0）的岩浆体系，并不适用于造山带背景相对氧化的岩浆体系。

　　图1. 较高氧逸度条件下橄榄石-硫化物Fe-Ni交换反应的实验产物（左图）、该研究的实验条件与前人实验条件的对比（右图）

　　基于该问题，我实验室毛亚晶博士后和合作导师秦克章研究员、澳大利亚联邦科工组织（CSIRO）的Steve J. Barnes研究员，并与法国CNRS-ISTO 研究所的Clément Ferraina博士和Giada Iacono-Marziano研究员合作，开展了较高氧逸度（最高为？QFM=2.1）、低硫化物Ni含量等条件下的高温实验（图1）。实验初始成分选用Noril’sk铜镍矿床同期的拉斑玄武质辉绿岩，实验条件与初始成分和造山带背景铜镍矿床的岩浆性质及结晶条件具有很好的可比性。实验结果表明在相对较高氧逸度条件下，橄榄石与硫化物的铁镍交换与氧逸度呈线性相关。基于最新与以往的实验数据重新拟合的橄榄石-硫化物Fe-Ni交换氧逸度计算经验公式（图2）适用于自然界橄榄石与硫化物共存的体系。使用该公式估算了中亚造山带南缘主要铜镍矿床的氧逸度范围，对造山带铜镍矿床的氧逸度首次给予较为系统的限定。通常随着镁铁质矿物从基性岩浆中结晶，熔体Mg/(Mg+Fe)值降低，在侵入岩中，往往使用早期结晶矿物橄榄石的Fo值（Fo=Mg/(Mg+Fe)的高低指示侵入岩的演化程度（图2右）。同时，早期结晶矿物会消耗岩浆中的Fe2+，使残余岩浆的Fe3+/Fe2+值升高，造成氧逸度升高。但是，该研究发现矿床之间随着分异演化程度的增加，岩浆氧逸度往还原方向演化（即氧逸度降低），与正常结晶过程氧逸度的变化趋势相悖（图2）。该发现揭示了这些矿床的成矿岩浆在结晶过程中还必须伴有还原性物质的混染。这一结论与中亚造山带大多数铜镍矿床的围岩普遍含有碳质地层这一地质事实相符。该项工作对中亚造山带铜镍矿床的成矿理论与成矿过程有两点指示：

　　1）围岩混染普遍发育，碳质地层混染（还原作用）可能对部分铜镍硫化物矿床形成具有重要控制作用，但是，氧逸度变化是否为决定性因素仍然有待进一步研究；

　　2）造山带铜镍矿床的原始岩浆及形成源区可能相对氧化（QFM+1到QFM+2）。

　　图2. Fe/Ni在橄榄石与硫化物之间的分配系数（KD）的计算结果对比（左图）；改进的氧逸度计算公式在中亚造山带铜镍矿床中的应用（右图）

　　该成果发表于2018年发表在国际矿床学杂志Mineralium Deposita：

　　Mao Y-J, Qin K-Z, Barnes SJ, Ferraina C, Iacono-Marziano G, Verrall M, Tang DM, Xue SC (2018) A revised oxygen barometry in sulfide-saturated magmas and application to the Permian magmatic Ni–Cu deposits in the southern Central Asian Orogenic Belt. Mineralium Deposita 53(6):731-755 doi:10.1007/s00126-017-0771-3.

　　不论是造山带还是克拉通背景的铜镍矿床，赋矿岩石往往富橄榄石。经典的堆晶理论指出橄榄石堆晶岩是橄榄石在岩浆房中通过重力沉降作用在底部堆积形成的，也有学者提出堆晶岩可以在岩浆房边部成核并原地生长形成，这两种成因机制均是基于大型层状岩体的研究提出的，经历了几十年的争论质疑与反复验证，至今仍未有定论。大型层状岩体与小岩体的成岩成矿方式具有差异，且大量硫化物往往只在小岩体相关的橄榄岩晶间聚集。小岩体中橄榄石堆晶岩的形成机制探讨较少，且硫化物富集过程仍不清晰，亟待开展相关研究。

　　针对该科学问题，矿产资源研究院重点实验室毛亚晶博士后和合作导师秦克章研究员、Steve J. Barnes研究员，与长安大学段俊、焦建刚、CSIRO的Belinda M. Godel等合作，选择世界第三大镍矿—我国金川铜镍矿床，开展了橄榄石与硫化物的粒度分布特征研究，通过矿物粒度分布这一新的视角，探讨金川矿床的橄榄石堆晶过程与晶间硫化物的富集机制。选择金川矿床的原因主要有：1）金川矿床以具有代表性的海绵陨铁状矿石为主（图3）且为中国镍品位最富的矿床之一；2）小岩体成大矿的典型实例。

　　图3.金川矿床I号岩体和II号岩体海绵陨铁状矿石照片（上图）与通过XRF扫描图像还原的橄榄石颗粒分布图（下图），海绵陨铁状矿石是橄榄岩赋矿矿床的典型矿石

　　金川矿床的矿体主要赋存在I号和II号岩体中，两个岩体都经历了较强的蚀变作用，大部分橄榄石周围都发生蛇纹石化且颗粒边界模糊。鉴于此，研究者通过X射线荧光扫描（XRF）图像结合显微镜照片，复原了橄榄石的边界和形态。16件不同硫化物含量样品中几万颗橄榄石颗粒的形态和粒度分布特征（包括面积、长轴长与晶体方向、空间位置等）显示，这两个岩体具有截然不同的橄榄石粒度分布特征（CSD分布图，图4左）。折线型CSD分配型式暗示I号岩体的橄榄石存在两期成核生长事件，一期为当前岩浆房成核并结晶的橄榄石，另一期可能为深部结晶成核搬运到浅部继续生长的橄榄石，经历了两期生长的橄榄石颗粒较粗。矿物空间分布图（SDP图解，图4右）还指示I号岩体橄榄石在当前岩浆房经历了次生生长和压实作用。I号岩体的橄榄石粒度特征支持前人深部熔离—浅部贯入的小岩体成矿模式（深部发生硫化物熔离和橄榄石结晶，硫化物熔体和结晶的橄榄石随着上升岩浆搬运到浅部堆积成矿）。与I号岩体橄榄石不同，II号岩体的橄榄石粒度呈线性分布（图4左），指示一期成核生长事件，SDP图解指示橄榄石以原地次生加大为主（图4右）。更为重要的是，II号岩体中单斜辉石包裹的橄榄石（较晚成核）与其它堆晶的橄榄石（较早成核）具有相同的成核密度和结晶条件，只是粒度偏小，说明岩浆房与晶间熔体中结晶的橄榄石的结晶条件一致。虽然I号岩体存在两期结晶的橄榄石，但是以上橄榄石CSD和SDP特征指示两个岩体的大部分橄榄石都以就地结晶与晶间再生长为主（图4）。

　　图4.金川矿床I号岩体和II号岩体橄榄石的粒度分布图解（左图，CSD图解，详见Marsh et al., 1988），与橄榄石空间分布图解（右图，SDP图解，详见Jerram et al., 1996）

　　实验岩石学和其它铜镍矿床的研究表明岩浆中硫化物含量对结晶橄榄石的形态与粒度有一定的影响。研究者系统对比了金川矿床不同矿体中不同硫化物含量矿石的橄榄石粒度特征，发现橄榄石的粒度大小、分布与硫化物含量并无相关性，且不同硫化物含量的矿石具有相同的橄榄石粒度特征（图4左），这些特征指示海绵陨铁状矿石的橄榄石晶间原来为硅酸盐熔体填隙，而橄榄石结晶之后硅酸盐熔体被硫化物熔体所取代。硫化物的3D扫描分析结果进一步揭示矿石中绝大部分硫化物均以连通的不规则状为主，指示硫化物在晶体间具有极强的运移能力，海绵陨铁结构矿石可通过硫化物置换晶间的硅酸盐熔体形成（图5）。这些认识与传统的矿浆贯入模式不同，暗示成矿并不需要携带巨量硫化物的岩浆，硫化物熔体在晶间极强的运移能力指示硫化物矿浆并不一定从深部岩浆房挤入到浅部岩浆房，而更可能由晶间熔体中连通的硫化物熔体贯入到岩体-围岩接触带、围岩裂隙等薄弱部位而成。这一认识预示连通的硫化物熔体（固结后为海绵陨铁状矿石）与成矿构造恢复可用于指示块状矿体的可能产出部位。

　　图5.海绵陨铁状矿石形成过程模式图：在橄榄石结晶之后，晶间连通的硫化物熔体通过重力作用向下压滤运移并置换晶间的硅酸盐熔体形成海绵陨铁状矿石

　　该研究对于金川矿床以及其它铜镍矿床具有以下几方面指示：

　　1）XRF 扫描结合镜下观测是矿物粒度分析的有效方法，可以应用于弱蚀变岩石的粒度特征还原；

　　2）堆晶过程与原地结晶在金川橄榄岩形成中都起作用，以原地结晶与晶间生长为主；

　　3）I号岩体粗粒橄榄石经历了深部结晶、搬运到浅部继续生长两个过程，II号岩体的橄榄石为浅部成核生长；

　　4）两个岩体的硫化物富集过程相似，晶间的渗滤和运移是金川高品位矿床形成的重要作用；

　　5）硫化物熔体在橄榄石晶间具有强大的运移能力，海绵陨铁状矿石可由硫化物熔体置换晶间硅酸盐熔体形成。

　　6）块状贯入矿并不需要深部矿浆贯入，可由晶间聚集的连通状硫化物熔体通过重力作用侵位于构造薄弱部位而成。

　　该成果发表于国际著名岩石学期刊Journal of Petrology上：

　　Mao Y-J, Barnes SJ, Duan J, Qin K-Z, Godel BM, Jiao J-G (2018) Morphology and Particle Size Distribution of Olivines and Sulphides in the Jinchuan Ni–Cu Sulphide Deposit: Evidence for Sulphide Percolation in a Crystal Mush. Journal of Petrology 59(9):1701-1730 doi:10.1093/petrology/egy077.

　　以上研究受国家重点研发计划（2017YFC0601204），国家自然科学基金（41502095，41472075）和国家留学基金委派出计划，CSIRO Science Plus Science Leader项目联合资助。