岩浆铜镍（钴）矿床是镍钴等关键金属的重要来源。岩浆铜镍成矿首先为硫化物从岩浆中萃取金属元素（Ni、Cu、Co、PGE），然后是分散的硫化物聚集在岩体的特定部位。硫化物通常聚集于岩体中下部，即浅部岩浆房的底部。在岩浆房中，伴随着岩浆冷却、岩浆分异与结晶和硫化物聚集，岩浆房一直处于堆晶矿物+残余岩浆+硫化物熔体的多相态状态。堆晶矿物与熔体之间的化学平衡随着温度下降与新矿物结晶而不断改变。通常认为堆晶矿物的核部可能保留结晶时的地球化学印记，而边部则记录了与残余熔体再平衡的特征。在铜镍成矿作用研究中，如何区分矿物的结晶特征与再平衡印记是首要研究任务，但缺少明确的判别指标，矿物微量元素可望提供关键信息和判别指标。虽然元素在矿物-岩浆之间的分配行为与控制因素已较为明确，但对于微量元素在堆晶矿物-熔体-硫化物再平衡过程中的地球化学行为却知之甚少。另外，在岩体冷却固结过程中，由于硫化物的固结温度低于橄榄石、辉石等早期结晶矿物（堆晶相），具高密度与低粘度特征的硫化物熔体将在矿物晶间迁移。硫化物在堆晶阶段的迁移-富集规律也有待充分揭示。
针对上述问题，中科院地质与地球物理研究所矿产资源研究院重点实验室毛亚晶副研究员与秦克章研究员、苏本勋研究员、唐冬梅副研究员、澳大利亚联邦科工组织（CSIRO）Steve Barnes、Belinda Godel、Louise Schoneveld、Morgan Williams研究员等合作，选取中亚造山带新疆多个铜镍矿床橄榄石-尖晶石等堆晶矿物，开展LA-ICP-MS面扫描和主微量元素成分测试，对比全球火山岩橄榄石斑晶成分，阐释了岩浆分异过程堆晶矿物（橄榄石、尖晶石）与晶间熔体（硅酸盐和硫化物熔体）之间的微量元素地球化学行为（Mao et al., 2022 JP, 2023 AM; Barnes et al., 2022 AM）。进一步聚焦喀拉通克铜镍矿床，通过分析不同矿石类型的硫化物宏观分布规律与微观粒度分布，结合二维-三维结构分析，揭示了硫化物在堆晶阶段的运移与富集机制（Mao et al., 2022 EG）。
1. 揭示堆晶过程橄榄石微量元素地球化学行为。主要发现和取得新认识有：（1）新疆铜镍矿床多数橄榄石的核部和边部具有相似的含量（Fe、Mg、Mn、Co、Ni、Zn、Ca、Al、Cr等），指示橄榄石与熔体达到了新的平衡，部分矿床橄榄石呈现核部均一而边部渐变的环带特征，为堆晶阶段形成的扩散环带。（2）橄榄石（Fo >80）普遍发育Li-P耦合环带（图1），Li-P替代Mg-Si（电价平衡）可使Li在橄榄石中的扩散速率显著降低，橄榄石Li-P耦合环带在侵入岩（较长冷却历史）中的发现指示该现象在自然界橄榄石中可能普遍存在；（3）铜镍矿床堆晶橄榄石相对火山岩橄榄石斑晶强烈亏损Ca、Cr、Al等元素，我们认为这是橄榄石-辉石-长石-晶间熔体再平衡的结果；（4）矿石中橄榄石的Ni与Co含量呈正相关，不同矿石具不同的Ni/Co比值（图2），且橄榄石Ni/Co比值与共生硫化物成分有关，提出了橄榄石与硫化物的Fe-Ni-Co交换反应，指出大面积橄榄石Ni-Co异常可用于追溯硫化物矿体；（5）系统对比了全球铜镍矿床的橄榄石Ni含量，得出橄榄石镍含量与多个成矿过程紧密相关，且晶间平衡是最重要的过程。重新评估了橄榄石Ni亏损这一含矿性评价指标，指出该常用指标并非最佳指标，相同Fo条件下Ni含量波动大具更好的指示作用。另外，发现结晶分异作用无法充分解释尖晶石-磁铁矿的成分，明确了尖晶石中Ni、Co、Zn等元素是矿物-熔体再平衡作用的结果。
图1 新疆铜镍矿床橄榄石镜下光学照片（左图）和矿物内部元素Li（中图）与P（右图）的耦合环带（LA-ICP-MS扫描结果）
图2 新疆铜镍矿床橄榄石Ni-Co相关性图. 橄榄石的Ni/Co比值为5-30，右上角插图表示岩浆中不同阶段熔离硫化物的Ni/Co比值（10-70）。图例中黄色填充的符号表示橄榄石与硫化物共生，其他颜色填充表示样品中不含硫化物，不含硫化物样品中橄榄石Co含量变化范围较小，而与硫化物共生橄榄石的Ni与Co呈强正相关，系与硫化物再平衡的结果
2. 提出堆晶阶段硫化物运移是高品位矿石形成的重要机制。喀拉通克岩浆镍铜矿床镍铜品位高，根据硫化物含量，矿石可分为浸染状（含4-25 vol%）、海绵陨铁状（25-50 vol%）、半块状（50-70 vol%）和块状矿石（>70 vol%）。浸染状矿石根据硫化物液滴形态，可分为含珠滴和不含珠滴两种矿石。三维扫描结果得到浸染状与海绵陨铁状矿石的硫化物粒度分布（PSD）分为两组，均呈对数-线性粒度分布（图3），粒度较小一组的ESD （ESD：等体积球的直径）为0.080-0.529 mm，较大一组ESD为0.529–4.084 mm。我们推测粒度较小一组为岩浆熔离成因，另一组来自于岩浆中携带搬运的硫化物。不同矿石类型间的硫化物的PSD曲线平行分布，表示各种矿石间的硫化物具有相同的熔离-生长历史。硫化物PSD模拟结果进一步说明海绵陨铁矿石可由浸染状矿石经晶间汇聚演化而来（图3）。喀拉通克块状矿石分为不规则状和脉状两类。不规则状矿石位于浸染状和海绵陨铁状矿石周边，而脉状矿石与海绵陨铁状矿石呈截然侵入接触。该空间分布特征表明块状矿石与浸染状矿石之间具有一定的成因联系。不同矿石中磁铁矿成分也佐证块状矿石与海绵陨铁矿石之间的成因联系。另外，浸染状矿石的变形特征与块状矿石产状之间指示相同的应力状态。综合以上认识，推断喀拉通克岩体在冷却过程中，矿区的导岩控矿构造被多次活化，堆晶矿物中未固结的连通硫化物受重力和挤压应力作用，就位于岩体和围岩的张性-张扭性断裂中，形成了块状矿石（图4）。由此可见，喀拉通克铜镍矿床浸染状与块状矿石主要形成于堆晶阶段，我们将堆晶过程伴随构造活动的硫化物富集过程称为“同构造侵位模式”。
图3 喀拉通克铜镍矿床的硫化物粒度分布特征(PSD，主图)。(a)含珠滴浸染状矿石与不含珠滴浸染状矿石的PSD特征；(b) PSD模拟结果指示浸染状矿石中40%-70%硫化物液滴经晶间汇聚即可形成海绵陨铁状矿石；(c)硫化物晶间汇聚过程示意图
图4 喀拉通克铜镍矿床的硫化物形态特征与成矿模式图。 (a)不同粒度的硫化物空间分布特征，红色、绿色和黄色为不同粒度的硫化物珠滴，其成分以磁黄铁矿为主；(b)堆晶过程硫化物在晶间的运移使部分硫化物聚合成网状；(c)晶间聚集的硫化物沿构造裂隙受重力和构造应力作用，侵位于成矿期断层形成块状矿石
该研究主要的科学意义与应用价值在于：
（1）揭示了铜镍矿床橄榄石堆晶过程的元素行为，明确了橄榄石和尖晶石中多数元素都是再平衡作用的结果且核部成分也被改变，指出使用堆晶矿物限定岩浆性质与源区过程需评估堆晶阶段的再平衡作用（只有小部分低扩散速率元素仍记录母岩浆性质），为使用橄榄石等堆晶矿物研究成矿过程提供了理论依据。
（2）在含矿性评价方面，发现了1项新的评价指标（橄榄石Ni/Co比值），重新评估了橄榄石Ni亏损这一指标的适用性。提出块状矿石在堆晶阶段富集的“同构造侵位模式”，该模式强调硫化物晶间渗滤作用的重要性，指出岩浆冷却过程发育的构造裂隙是硫化物熔体富集的重要空间，指示切穿岩体的深边部断裂（成矿期）是高品位铜镍矿床重要的勘查方向，为铜镍矿勘查提供了新的参考方向。
（3）堆晶矿物中的环带多为扩散环带，元素扩散主要受扩散速率控制，与温度紧密相关。因此，不同扩散速率元素的联合分析可用于限定岩浆铜镍矿床冷却历史和成矿时限，可能是今后铜镍矿床研究的一个方向。
研究成果发表于国际学术期刊Journal of Petrology、American Mineralogist与Economic Geology。成果受国家自然科学基金面上项目、“战略性关键金属超常富集成矿动力学”重大研究计划集成项目、重点基金和中国科学院青年创新促进会联合资助。
1.Mao Y-J, Schoneveld L, Barnes SJ, Williams MJ, Su B-X, Ruprecht P, Evans NJ, Qin K-Z. Coupled Li-P Zoning and Trace Elements of Olivine from Magmatic Ni-Cu Deposits: Implications for Postcumulus Re-Equilibration in Olivine[J]. Journal of Petrology, 2022, 63(3): 1-22. DOI: 10.1093/petrology/egac018.
2.Mao Y-J, Barnes SJ, Godel B, Schoneveld L, Qin K-Z, Tang D-M, Williams M, Kang Z. Sulfide Ore Formation of the Kalatongke Ni-Cu Deposit as Illustrated by Sulfide Textures[J]. Economic Geology, 2022, 117(8): 1761-1778. DOI: 10.5382/econgeo.4914.
3.Mao Y-J, Barnes SJ, Schoneveld L, Godel B, Williams M, Tang D-M, Kang Z, Qin K-Z. Crystallization of spinel from co-existing silicate and sulfide immiscible liquids: an equilibrium case with postcumulus reactions[J]. American Mineralogist, 2023. DOI: 10.2138/am-2022-8473.
