《1 前言》

1 前言

镍、铜和铂族元素（PGE）由于特殊的用途是十分重要的战略资源，Ni和PGE资源主要来源于与镁铁质-超镁铁质岩相关的矿床，如岩浆硫化物型镍矿、大型层状杂岩体铂族矿床及红土型镍矿床。岩浆硫化物型镍矿床占全球镍储量（约1.16×1010 t）的28 %，红土型镍矿床占72 %[1] 。全球具有经济价值的约99 %的PGE资源和40 %的Ni资源都赋存于与幔源岩浆有关的岩浆硫化物矿床中 [2，3] 。红土型镍矿床中约85 %与增生地体内的纯橄岩、方辉橄榄岩和橄榄岩有关，其余15 %与克拉通内科马提岩和层状镁铁质-超镁铁质岩浆岩有关。因此，岩浆型Ni-Cu-PGE硫化物矿床是Ni与PGE资源最终的重要成矿类型。

岩浆Ni-Cu-PGE硫化物矿床品位较高、杂质较少、选冶容易，是目前全球60 %以上Ni金属的来源矿床。世界范围内Ni和PGE资源的空间分布极不均匀，岩浆硫化物型镍矿主要集中在加拿大（Sudbury和Voisey’s Bay矿床）、俄罗斯（Noril’sk矿床）和中国（金川矿床）等国，红土型镍矿主要集中于新喀里多尼亚、印度尼西亚和古巴等国，大型层状杂岩铂矿主要集中于南非（Bushveld 矿床）和美国（Stillwater 矿床）。现有勘探实践表明全球共发现 5 个超大型镍铜硫化物矿床，Ni、Cu和PGE资源量主要集中在这几个超大型岩浆矿床中 [3] ，如Noril’sk矿床、Sudbury矿床、Voisey’s Bay矿床和金川矿床等超大型Ni-Cu-PGE硫化物矿床控制着该类矿床的资源量，镍资源总量估计高达3.8×107 t，占世界上已知该类矿床资源总量（含PGE）的73 %[3，4] 。可见Ni-Cu-PGE硫化物矿床超大规模成矿作用具有重要意义。

Sudbury Ni-Cu-PGE硫化物矿床由陨石冲击诱发的地壳重熔形成 [5] ，其他超大型岩浆Ni-Cu-PGE硫化物矿床是地幔（地幔柱）岩浆作用及相关的壳幔相互作用的产物 [3，4，6] 。这些超大型矿床的形成需要巨量的成矿金属，要求成矿岩浆在地球内部较大范围内富集成矿金属物质，因此Ni-PGE硫化物矿床常赋矿于大型岩体中，或伴生有同期的岩浆岩。Noril’sk矿床周围有同时代的喷出岩和侵入岩。赋矿岩体较小的Voisey’s Bay矿床被认为是幔源岩浆体系岩浆通道赋矿 [7] 。

金川Ni-Cu-PGE硫化物矿床赋存岩体极小，且区域内没有发现同时代的幔源喷出岩和侵入岩，金川矿床区域内碎屑锆石也没有显示同期的岩浆过程 [8] ，因此难以用大规模岩浆作用（大岩体）或通道成矿模式解释，成矿岩浆深部熔离、分期灌入时，硅酸盐熔体由于密度较小，比硫化物熔体优先被挤出岩浆房侵位。碎屑锆石指示金川岩体应该属于华北克拉通 [8] ，并非构造推覆地质体，因此推断金川矿床成矿岩浆的规模可能不大。小规模的岩浆作用（小岩体）是否可以形成超大型 Ni-PGE 硫化物矿床？巨量成矿金属富集的机理是什么？

地质观测和实验数据表明，流体组分（特别是地幔条件下超临界态流体）对幔源硅酸盐岩浆形成及成矿元素的迁移和富集具有不可忽视的作用，在Ni-PGE成矿金属富集过程中可能具有重要作用 [9~13] 。本文从幔源成矿岩浆作用体系、硫饱和与硫化物熔离等成矿控制因素、流体的作用等方面总结了Ni-Cu-PGE硫化物矿床形成的机制，探讨小规模岩浆形成超大型岩浆矿床的可能性。

《2 成矿岩浆作用》

2 成矿岩浆作用

《2.1 成矿岩浆类型》

2.1 成矿岩浆类型

Ni和PGE等为亲铁元素，在地球早期化学分异演化时期，原始地球核-幔分异过程中，Ni和PGE高度富集于地核，致使地幔的Ni和PGE丰度低，比地球平均值和球粒陨石低两个数量级；地壳的Ni和PGE丰度更低 [14~16] 。Cu是典型的亲硫元素，在地幔中Cu的亏损明显弱于Ni和PGE，其地壳丰度高于地幔丰度。但部分幔源镁铁质火成岩中Ni、Cu和PGE的丰度却能达到地壳平均值的数倍至数十倍，形成岩浆矿床 [17，18] ，因此，幔源岩浆系统是Ni-Cu-PGE硫化物矿床形成的重要体系。

幔源岩浆的Ni和PGE组成与含量主要取决于地幔源区的成分、Ni和PGE的赋存状态以及部分熔融程度 [4，19] 。Ni在硫化物与硅酸盐岩浆的分配系数远高于在橄榄石与硅酸盐岩浆的分配系数，Ni、Cu和PGE优先赋存于地幔源区硫化物中，幔源岩浆中Ni、Cu和PGE的含量取决于硫化物是否被全部熔融出来进入成矿岩浆中 [19，20] 。但地幔中的硫化物含量有限，因而地幔中大量的Ni主要赋存于橄榄石中，成矿岩浆中Ni的含量受控于难熔矿物橄榄石的熔融量，即部分熔融程度 [2，20，21] 。部分熔融程度高的科马提岩和苦橄岩具有较高的Ni和PGE含量，而地核或核幔边界起源的地幔柱岩浆作用中Ni和PGE的含量较高，如Bushveld、Noril’sk和Stillwater矿床。源区Ni含量低且部分熔融程度较低的大洋中脊玄武岩（MORB）具有非常低的PGE含量 [19] 。因此高镁岩浆是 Ni-Cu-PGE 硫化物矿床成矿岩浆的主要类型 [3，4，22，23] 。

岩浆Ni-Cu-PGE硫化物矿床成矿岩浆类型主要有 M 科马提质岩浆和玄武质岩浆[21] ，成分变化较大[3，4，24] 。科马提质岩浆是一些重要硫化物矿床的母岩浆，相关矿床形成局限于太古代（如Kam-balda矿床）和古元古代（如Thompson和Raglan等矿床）[3] ，硫化物中Ni含量最高，具有最高的Ni/Cu值和最低的Pd/Ir值。拉斑玄武质岩浆形成的矿床中的Ni-PGE资源量明显高于科马提质岩浆（见图1），主要发育于克拉通地区，矿化不如科马提质岩浆形成的矿床那么普遍，但却形成了重要的矿床 [3，4] 。

《图1》

图1 不同岩浆类型的Ni-Cu-PGE硫化物矿床的PGE、Co、Cu与Ni矿石量

Fig. 1 Ore tonnages of PGE，Co，Cu and Ni from different types of magma in magmatic Ni-Cu-PGE sulfide deposits

注：Koma为科马提质岩浆；Th-B为拉斑玄武质岩浆；数据来源于参考文献[3，4]

科马提质岩浆和拉斑玄武质岩浆形成的 Ni-Cu-PGE硫化物矿床中矿石的PGE配分型式不同，（Pt+Pd）/ （Os+Ir+Ru）值有所差异，科马提质岩浆矿床具平坦的PGE配分型式，（Pt+Pd）/ （Os+Ir+Ru）=3～3.5。拉斑玄武质岩浆矿床具有 Pt-Pd 富集的PGE配分型式， （Pt+Pd）/ （Os+Ir+Ru）=5.6～55.6[11，25] 。

《2.2 成矿岩浆（岩体）规模》

2.2 成矿岩浆（岩体）规模

幔源硅酸质岩浆（科马提质岩浆和玄武质岩浆）中 Ni-PGE 的溶解度有限 [14，21] ，因此超大型 Ni-PGE硫化物矿床的形成一般需要大规模的岩浆作用以聚集巨量的成矿金属作为成矿物质。赋矿岩体有大型（层状）岩体、通道及小岩体等不同的类型 [23，24，26] ，成矿岩浆（岩体）规模有较大差异。

2.2.1 大型（层状）岩体中的矿床

大型（层状）岩体产出矿床的成矿岩浆规模巨大，常由多个小矿床组成矿群。例如，Noril’sk矿床和Sudbury矿床是世界上两个最大的Ni富集区，是由多个小矿床组成的矿群 [4] 。南非的Bushveld矿床（2.06 Ga）[27] 、美国的Stillwater矿床（2.7 Ga） [28] 和Du-luth矿床（1.1 Ga）[29] 赋存于大型层状岩体中，赋存铂族金属矿床，同时蕴含有巨量的镍硫化物矿石储量。

加拿大安大略湖北部山脉Sudbury Ni-Cu硫化物矿床赋存于1.85 Ga的层状火成杂岩体 [3] 中，成矿岩体侵位于云英闪长片麻岩与石英二长岩间的接触带上，是陨石巨大撞击导致的大规模岩浆活动的产物，具独特的岩石组合：深部为基性-超基性岩石，基底为石英苏长岩，中间为石英辉长岩，近地表由长英质岩石组成，顶部为花岗岩帽，赋矿岩石为苏长岩-辉长岩 [3] 。Sudbury矿床由多个小的矿床群组成，不同矿床中Ni、Cu和PGE等金属元素含量差异大，具有垂直分带特征。

Noril’sk-Talnakh Ni-PGE硫化物矿床位于西伯利亚地台西北部，赋存在二叠纪末期西伯利亚地幔柱岩浆作用相关的大型超镁铁质岩体中。玄武岩锆石U-Pb年龄为251.2±0.3 Ma[30] 。镁铁-超镁铁质侵入岩主要由橄榄辉长岩、磁铁辉长岩、斑杂辉长岩和辉长闪长岩组成，侵位于泥盆纪沉积岩和大火成岩省最底部的大陆溢流玄武岩中 [3] 。巨大致密的硫化物矿体赋存于苦橄岩-辉长岩-辉绿岩岩床，辉长岩-辉绿岩中具有圆形硫化物析离体的滴状矿石（下部为镍黄铁矿-黄铁矿带，上部为黄铜矿带），矿石具海绵陨铁结构和填隙结构，在辉长岩-辉绿岩和接触变质围岩中叠加了硫化物矿化作用形成的角砾状和细脉状矿石。Noril’sk矿床的资源量可能需要多达200 km3 的成矿岩浆 [24] 。

2.2.2 小（通道型）岩体赋存矿床

小岩体及通道型岩体产出矿床的赋矿岩体较小，如Voisey’s Bay矿床和金川矿床。Voisey’s Bay矿床是20世纪末发现的超大型岩浆Ni-PGE硫化物矿床，为岩浆通道赋矿，赋矿岩体规模小，成矿岩浆规模可能巨大 [7，31] 。金川Ni-Cu-PGE硫化物矿床由一个单独的大矿床组成，赋存世界第三的Ni-Cu资源量，同时富集PGE，但赋矿岩体极小 [32] 。

Voisey’s Bay Ni-Cu硫化物矿床产于Nain深成岩系（NPS，1350～1290Ma）的橄长岩席（1334Ma）中，侵位于东太古代Nain省和NNW向Torngat造山带（1 850～1 730 Ma）交界部位 [33] 。Voisey’s Bay矿床成矿岩浆在早期遭受中下地壳太古宙岩石的混染，晚期则遭受古元古代上地壳 Tasiuyak 片麻岩的混染 [34] 。

金川Ni-Cu-PGE硫化物矿床位于阿拉善地块西南缘的龙首山隆起，呈NW-SE向不整合侵位于前长城系白家嘴子组大理岩、片麻岩及少量混合花岗岩中。含矿超镁铁质岩体主要由富橄榄石和铬铁矿的二辉橄榄岩、斜长二辉橄榄岩、橄长岩、橄榄二辉岩和二辉岩组成 [32] 。超镁铁质侵入体锆石-斜锆石U-Pb年龄为831 Ma[35] 。金川Ni-Cu硫化物矿床赋矿岩体极小，硫化物与硅酸盐比例极高 [36] 。

《2.3 成矿岩浆过程》

2.3 成矿岩浆过程

地幔高程度部分熔融形成的成矿岩浆演化过程中，经历岩浆结晶分异、不混熔硫化物熔浆与硅酸盐岩浆熔离等岩浆过程，Ni及PGE硫化物得以富集成矿。赋存于镁铁-超镁铁质杂岩中的Ni-PGE硫化物矿床主要形成于上述两种岩浆作用过程。

1）结晶分异作用：岩浆就地结晶过程中堆积作用形成了铂族金属矿床及铬铁矿、钛铁矿和磁铁矿矿床，如Bushveld矿床、Stillwater矿床和Duluth铂族金属矿床的大型层状杂岩具层状堆积特征。南非Bushveld杂岩体中Merensky矿层是一个PGE富集层位（占总资源量的30 %），硫化物是PGE的主要聚集体。该矿层由两个或两个以上含硫化物的基性岩浆上升汇聚形成50 cm至数米厚的超镁铁质堆晶岩，即Merensky辉石岩，主要是斜方辉石岩，局部包括橄榄岩。如果没有硫化物的早期熔离，则岩浆分异结晶过程使成矿金属分散进入岩浆矿物，并发生分异。

2）硫化物熔离作用：由于Ni、Cu、PGE等具有很高的硫化物-硅酸盐岩浆分配系数，硫化物的熔离使成矿物质进入硫化物富集 [19，20] 。地幔条件下幔源成矿岩浆中的硫不饱和，随岩浆侵位上升过程中，压力减小促使岩浆中硫的溶解度增加，因而岩浆中的硫仍处于不饱和状态。因此要使硫化物从硅酸盐岩浆中熔离出来形成Ni-Cu-PGE矿床，需要其他因素促使硫饱和 [4，24，36] ，如Noril’sk、金川和Voisey’s Bay矿床成矿过程中地壳物质混染促使岩浆中硫达到饱和。因此，硫饱和是岩浆中成矿物质富集、硫化物矿床形成的主要控制因素。

《3 成矿作用控制因素》

3 成矿作用控制因素

在Ni-PGE硫化物矿床超大规模成矿过程中，成矿母岩浆的组成中成矿金属的大量聚集及岩浆演化系统中硫饱和、硫化物熔离、Ni-Cu-PGE元素富集是矿床形成的两个重要过程，具不同的控制因素。

《3.1 成矿物质聚集》

3.1 成矿物质聚集

岩浆型Ni、Cu和PGE硫化物矿床形成的物质基础是成矿金属元素及硫。与硅酸盐岩浆平衡的不混熔硫化物熔浆富集Ni、Cu和PGE金属，Ni-Cu-PGE硫化物矿床的形成是成矿岩浆演化过程中不混溶硫化物的熔离聚集、在特定部位（底部、通道等）浓集、堆积的过程 [3，4，21，31] 。

3.1.1 成矿金属

在地幔岩浆作用体系中Ni、Cu和PGE的地球化学行为在硫含量饱和与否的条件下有所差异。在岩浆体系硫不饱和的条件下，Ni、Os、Ir和Ru为相容元素，而Cu和Pd是强不相容元素，岩浆分离结晶过程中二者发生分异。在体系硫饱和的条件下，Ni、Cu和PGE为强不相容元素，硅酸盐岩浆与硫化物分配系数低 [19，25，37] 、特别是PGE具有极高的硫化物熔浆/硅酸盐熔浆分配系数，且受R因子（硅酸盐熔浆与硫化物熔浆的质量比值）的控制 [38，39] ，相关元素进入硫化物熔浆。

Ni、Cu和PGE在地幔部分熔融和幔源岩浆分离结晶过程中地球化学性质差异导致其发生分异。Ni、Ir和Ru对于橄榄石、辉石和尖晶石是相容元素，Rh是橄榄石的相容元素，Pt是尖晶石和辉石的相容元素，特别是Ir、Ru和Rh的DSp/Sil 可达102 ～103 数量级，而Pd和Cu在这些矿物中为不相容元素，分离结晶过程中总是残留在岩浆中 [2] 。在某些层状岩体的铬铁矿层（如南非Bushveld岩体的UG1和UG2层）或蛇绿岩带的铬铁矿矿床（如西藏罗布莎）中可能形成铱铂族(IPGE：Ir、Os、Ru)的富集。

除陨石冲击成因的Sudbury超大型Ni-Cu硫化物矿床为陆壳变质火山岩和沉积岩熔融物提供成矿物质外，其他岩浆Ni-Cu硫化物矿床的成矿物质主要来源于地幔。地幔是地壳PGE富集的主要源库，大陆拉斑玄武岩中的Ni含量为99 ppm（1 ppm=1×10-6 ），Cu为90 ppm。PGE迁移主要有两个途径：地幔部分熔融产生的岩浆侵入地壳，或地幔板片就位于俯冲/碰撞带。

3.1.2 硫

地球演化过程的化学分异产生地幔不均一性，不同地幔源区的硫含量也有很大差异，地幔中的硫含量一般仅为5～400 ppm，平均为200 ppm [40] 。 在地幔压力下，科马提质与玄武质岩浆中硫的溶解度为500～1 000 ppm[41，42] ，是岩浆温度、压力、氧逸度（）和硫逸度（）的函数[43，44] 。

1）温度：在地幔条件下，岩浆中硫的饱和度与温度呈正相关。硫不饱和岩浆体系中，随温度的升高，硅酸盐熔体中硫的溶解度增大，在岩浆温度为1 000 ℃时，温度每增加100 ℃，硫溶解度增长6倍，当岩浆温度为1 400 ℃时，硫溶解度增长3倍 [45] 。在温度为1 200 ℃、 =10-10.5 时，铁硫化物达到饱和，含10 %（质量分数）FeO的拉斑玄武质岩浆可以溶解大约0.04 %的硫 [42] ，温度每增加100 ℃就可以增加溶解0.05 %～0.09 %的硫。

2）压力：岩浆中硫的饱和度随压力的升高呈指数减小，硫化物和硅酸盐熔体间的可混溶性随着压力的升高而增大 [41] 。

3）氧逸度：氧逸度对硫饱和度的影响相对小，主要影响硫的存在形式。在地幔岩浆温度（1 400～1 500 ℃）范围内，岩浆的氧逸度大于10-6 大气压时，硫以SO42- 的形式溶解；氧逸度小于10-6 大气压时，硫则以硫化物的形式存在。

4）岩浆成分：硫饱和度随着熔体成分而变化，FeO、MgO及CaO组分的增加促使硫溶解度增加，而SiO2 和Al2O3 的作用相反。岩浆上升侵位、演化分异、与地壳围岩同化混染等物理化学条件的变化都会引起岩浆中硫溶解度的改变。例如，层状侵入体结晶分异过程中，在常压下，岩浆温度、FeO含量和氧逸度对硅酸盐岩浆中硫化物的溶解度至关重要。在封闭条件下，当尖晶石没有大量结晶时，岩浆冷却和结晶遵从缓冲曲线，此时氧逸度不是硫化物溶解度的主要控制因素，岩浆温度和FeO含量的下降会导致硫化物溶解度降低。橄榄石结晶过程中，岩浆温度和FeO含量的下降会使硫化物溶解度降低。古铜辉石结晶的过程中，温度连续快速下降，但FeO含量相对稳定，以后随FeO/MgO值的增加而增加。随斜长石的结晶，岩浆的FeO含量开始增加，影响硫化物溶解度连续下降的速度。

《3.2 硫化物熔离作用的控制因素》

3.2 硫化物熔离作用的控制因素

硫化物熔体的熔离是Ni-Cu-PGE硫化物矿床形成的关键过程，而硫化物熔体熔离的关键在于成矿岩浆中硫的过饱和，受岩浆体系中硫含量的影响[21，42] 。Vogt [46] 提出岩浆硫化物矿床的不混熔成因机制——岩浆熔离说，即原始含矿岩浆在结晶重力分异之前发生硫化物液态分异作用。硫化物的熔离取决于岩浆中硫的溶解度、氧化还原电位以及岩浆的温度和粘度等众多因素。

地幔硅酸盐岩浆中硫的饱和度与温度正相关，与压力负相关。成矿岩浆上侵至地壳岩浆房时，压力下降，硫的溶解度增高，大多数岩浆源区硫不饱和，即使硫饱和的成矿岩浆上升后也将不再饱和[41，47] ，因此促使岩浆中硫达到饱和需要其他因素，包括岩浆快速冷却、岩浆混合、结晶分异作用、外来硫的加入或地壳混染等因素 [3，4，24，48，49] 。

1）岩浆快速冷却。随温度的降低岩浆中硫的溶解度降低，岩浆快速冷却可促使硫达到饱和，如Sudbury矿床 [50] 。

2）岩浆混合。岩浆混合可降低岩浆的液相线温度，成分差异较大的岩浆混合可改变硫的饱和曲线，使硫进入饱和区间 [24] 。

3）岩浆分离结晶。分离结晶作用的不断进行促使幔源岩浆中硫富集，随橄榄石、辉石等造岩矿物的不断结晶，成矿岩浆中不相容元素硫的浓度不断增高达到饱和。岩浆经历60 %以上的分离结晶作用后达到硫饱和 [24，41，51] 。

4）外来硫的加入。富硫围岩被岩浆同化，增加硫含量促使硫饱和；外来硫的补充是超大型Ni-Cu-PGE硫化物矿床形成的关键因素 [49] 。例如，加拿大的Thompson矿石的硫同位素组成指示硫来源于海水碳酸盐，俄罗斯Noril’sk硫化物矿床形成中硫饱和是围岩硫加入岩浆 [49，52] 。源于围岩硫的同化作用促使幔源岩浆硫饱和 [41，51] 。

5）富Si围岩混染。SiO2 的加入可降低岩浆中硫的溶解度。地壳物质的污染、高硅物质加入镁铁质岩浆，改变了岩浆中四面体和八面体的比例，也改变了岩浆中硫的溶解度，硫饱和促使硫与金属结合形成硫化物 [53] 。Bushveld、Voisey’s Bay Ni-Cu硫化物矿床中O、Os、Nd、Sr和Pb同位素体系均表明强烈的地壳物质的混染促使硫化物的熔离 [53，54] 。

Ni-Cu-PGE硫化物矿床超大规模成矿作用中，需要大量的硫促使硫化物从硅酸盐熔体中熔离。岩浆快速冷却和岩浆混合在理论上是完全可行的，但相关岩浆过程的地质实际较少。岩浆分离结晶作用可促使硫饱和，但易使成矿金属分散，难以形成品位较高的矿床，如美国的Stillwater矿床和Du-luth铂族金属矿床。

《3.3 超大规模成矿的构造环境因素》

3.3 超大规模成矿的构造环境因素

超大型Ni-Cu-PGE硫化物矿床的形成一般需要下列关键因素：富Mg岩浆，大陆地壳环境，围岩中的硫源，同期岩体存在亲铜元素亏损，与围岩相互反应和岩浆通道 [3，4] 。在构造环境上超大型Ni-Cu硫化物矿床主要形成于裂谷、地幔柱等张性环境中[6，55] 。成矿岩浆通道系统是Ni-Cu-PGE硫化物矿床形成聚集的重要环境。例如，Noril’sk-Talnakh、Voisey’s Bay 等矿床均发现于较小的通道型岩体中[7 ，49] 。在不同构造控制的部位形成的岩体形态各异 [31] 。

《4 岩浆流体挥发分与成矿作用》

4 岩浆流体挥发分与成矿作用

现有岩浆硫化物矿床成矿理论建立在硅酸盐岩浆溶解成矿金属、硫化物熔离富集成矿的基础上，受成矿金属元素和硫在幔源硅酸盐岩浆中溶解度的限制 [14~16，21，42] ，需要大规模的岩浆才足以聚集巨量的成矿物质，即超大型岩浆硫化物矿床的形成要求大型（层状）岩体或通道岩体。由于成矿岩浆硫饱和、硫化物熔离富集成矿金属在地壳岩浆房不难实现，所以小规模岩浆作用（即小岩体）能否形成超大型矿床的关键问题和必要条件是巨量成矿金属元素聚集的可能性。地幔条件下超临界流体（特别是CO2 ）对金属元素（特别是纳米级金属元素）的超强搬运能力提供了成矿潜在的可能性 [10~12，56] 。

地幔部分熔融形成岩浆的过程中流体挥发分的助熔作用得到模拟实验的证实和广泛认同，近年来的实践观察和实验确认流体挥发分对成矿金属元素具有淋滤、迁移和聚集作用 [10~13，56] 。

《4.1 岩浆流体挥发分对金属元素的迁移富集》

4.1 岩浆流体挥发分对金属元素的迁移富集

现有成矿金属元素气液迁移实验研究侧重于水热溶液及固-液反应 [57] ，对气相迁移的研究较少。许多金属元素的迁移、富集和成矿过程中气相（特别是超临界流体）起着重要作用。地幔排气、岩浆去气、火山喷气及海底喷流中的各种地球内部流体挥发分是元素迁移和富集的重要介质 [58~60] 。在火山喷气和岩浆矿床的气体包裹体中保留着金属元素气相迁移的痕迹。

很多金属和金属络合物在岩浆条件下呈高挥发性气相运移，亲铜元素及Au、Ir和Pt等贵金属元素高度富集于火山气体和海底喷流中 [10，11，61~63] 。随着岩浆成分与温度的不同，火山喷气中金属元素的浓度变化很大，约n ×10-9 ~n ×10-6 [57，62，64，65] 。玄武质岩浆（尤其是碱性玄武质岩浆）喷气中Cu、Zn、Pb、As、Ag和Au的浓度较高。深部来源的高温火山气体携带的大量金属元素，随温度降低在火山喷气孔及附近析凝为固态的矿物集合体（升华壳）和凝结水，其中富集Cu、Pb、Ag和Au等多种成矿金属 [59，62，64，66] 。例如，从夏威夷Kilauea火山喷气的凝结物中检测到Co、V、Cr、Cu、Au、Ag、In、Re 和 Ir 等 元 素 ，Kilauea 火山气相中PGE Ir的高富集与该区玄武质岩浆的深部来源及喷气的高F、Cl含量有关 [61，67] 。凝结物中Cu等元素相对于母岩浆具很高的富集因子（即富集系数=凝结物元素浓度/母岩浆元素浓度），如 Cu 为 10～102 ，Zn、W、Ir 和 Ag 为 102 ～105 ，Au、Cd、Re和S则高于105 ，且最高富集因子见于最富气体的喷发期内 [67] 。印度尼西亚Merapi火山液态的凝结水中Ni、Cr、Sb、Cu、Pb的富集因子为5～35 [68] 。

金属呈简单氯化物、氟化物、硫化物、含氧酸盐及原子迁移的理论假设低估了气体搬运金属的能力，基于实验数据的热力学模拟计算表明，水热气相可运移足够的成矿金属以形成具有经济价值的浅成热液型和斑岩型矿床 [56，69，70] 。某些斑岩型Cu-Au矿床的富气体包裹体比共存的盐水包裹体更富集Cu和Au[69，71] 。如，Grasberg斑岩铜矿床中富气相包裹体的Cu和Au含量平均为1.2 %和10.17 ppm，而共存的盐水（液相）包裹体的Cu和Au平均含量为0.3 %和0.26 ppm[71] 。

流体挥发分在地球分异过程中对亲铜元素在硅酸盐和硫化物熔体间的分异具有重要影响 [16，72] 。金属元素在蒸汽相中的溶解实验研究表明Cu、Au和As等元素在富含硫的岩浆流体相分离时优先进入蒸汽相 [70] 。

火山喷气的凝结物中高浓度的Cu、Zn、Pb、As、Ag和Au，以及斑岩型矿床中低密度流体包裹体（蒸气相）中硫化物矿物的存在，预示着这些金属元素可能是以气相搬运的。

《4.2 地幔环境流体挥发分对金属的搬运作用》

4.2 地幔环境流体挥发分对金属的搬运作用

地幔条件下超临界流体对Cu、Ni和PGE（特别是纳米级PGE）的搬运聚集具有重要的作用。超临界CO2 流体对Cu、Ni和Au等金属的溶解、搬运能力巨大，并在适当的环境下富集 [9，12，13，59，70，73~75] 。例如，Cu在岩浆气相中的浓度比共存熔体中高几百倍[67,73] 。

地幔捕虏体普遍存在Cu、Ni和PGE合金或微粒，南非Bushveld杂岩Merenskey矿层橄榄石、铬铁矿及金属硫化物中发现直径<100 nm 的 Cu、Ni 和PGE 的微粒包体[76，77] ，揭示金属元素以微粒或束（clusters）的形式通过幔源岩浆而迁移 [78] ，表明Cu、Ni和PGE在地球深部超临界态地幔流体上涌过程中被淋滤、搬运大量注入成矿系统，为成矿作用的持续进行和巨量成矿元素堆积提供了有利条件。由此可见超临界流体对金属成矿物质的搬运与聚集对超大型矿床的形成具有重要的意义。

流体化学组成、硫的含量对岩浆的氧化还原状态和硫饱和具有重要的影响 [79] 。Cu、Ag和Au在硅酸盐熔体+蒸汽+卤水±矿物（磁铁矿±磁黄铁矿）体系中的分配系数在无硫和含硫体系中有较大差别，含硫体系明显较高 [80] 。Lowenstern [74] 认为含有CO2的岩浆流体在中-上地壳环境下普遍存在不混溶现象。Au在富硫岩浆流体相分离时优先进入蒸汽相，因此CO2 的存在对成矿流体中Au的再分配与富集具有重要的作用。

《4.3 岩浆Ni-Cu硫化物矿床中流体的作用》

4.3 岩浆Ni-Cu硫化物矿床中流体的作用

Ni-Cu-PGE硫化物矿床成矿岩浆体系中流体的化学组成随构造环境不同有所差异 [81~84] 。克拉通环境的金川Ni-Cu-PGE硫化物矿床成矿岩浆流体主要由CO2 和SO2 组成，稀有气体同位素表明成矿岩浆起源于地幔来源的流体与壳源流体混合的环境，演化过程中混入大气来源再循环组分 [85] 。中亚造山带新疆北部喀拉通克和东天山Ni-Cu-PGE硫化物矿床成矿岩浆流体挥发分以 H2O 为主（平均为92 %），其次为CO2 、H2 、H2S和SO2 ，成矿岩浆流体主要以H2 （黄山）、H2O（喀拉通克）为主，橄榄石和辉石中高的H2 和H2O挥发分相表明大量流体可能与再循环板片脱水相关 [81，83] 。地幔柱大火成岩省岩浆Ni-Cu硫化物矿床成矿岩浆流体主要由H2O、CO2 和SO2组成 [82，84] 。

中亚造山带喀拉通克硫化物矿床中CO2 与成矿金属Cu和Ni含量呈正比 [81] （图2a、图2b），地幔柱大火成岩省朱布Ni-Cu硫化物矿床CO2 与成矿金属Cu和Ni含量没有相关性（图2c、图2d）。结果表明造山带环境成矿岩浆体系中高温高压下超临界态的CO2参与搬运与聚集金属成矿物质，可能是大量的Cu和Ni等金属聚集的关键因素；但地幔柱大规模成矿岩浆体系中Cu和Ni等金属聚集可能与流体挥发分关系不明显。

《图2》

图2 喀拉通克和朱布Ni-Cu硫化物矿床CO2 与Cu和Ni含量相关图（数据来自文献[83，84]）

Fig. 2 The correlation diagram of CO2 vs. Cu and Ni contents in Karatongke and Zhubu Ni-Cu sulfide deposits (data from Ref. [83，84])

俄罗斯Dovyren层状杂岩体中含有浸染状硫化物，流体包裹体中CH4 和H2 等含量峰与PGE和Au层位一致 [86] 。Sudbury杂岩体中接触带型Cu-PGE-Au矿床以CH4 为主要成分的碳氢化合物对成矿金属元素起搬运作用，Cu、Au、B和Ag在CH4 包裹体与卤水包裹体中的分配系数远大于Na、Ca、Fe、Mn、Zn和Pb在两相中的分配系数，两种流体发生不混溶时，碳氢化合物流体中更富集成矿金属。碳氢化合物等贫水挥发分从硫化物熔体中的出溶最终决定了Au和PGE在成矿系统中的分配。足够证据表明岩浆矿床成矿岩浆起源于流体富集的地幔源区 [23] 。

《5 结语》

5 结语

1）超大型岩浆Ni-Cu-PGE硫化物矿床的形成取决于地幔岩浆作用中Ni、Cu和PGE元素在成矿岩浆中的聚集数量以及岩浆演化过程中硫饱和与硫化物熔离的程度。高度部分熔融和流体对成矿金属的运移富集具有重要作用。

2）大规模的高度部分熔融（高Mg）促使地幔硫化物及橄榄石中巨量的Ni和PGE进入岩浆、硫化物熔离聚集形成大型层状（或通道）岩体赋存的超大型Ni-Cu-PGE硫化物矿床。

3）地幔超临界流体可能大范围内搬运聚集大量Ni-PGE金属元素，对岩浆硫化物矿床成矿可能有重要贡献，是小规模岩浆（小岩体）成矿的可能机制。

致谢：特将本文献给汤中立教授从事地质工作60年暨80华诞。李文渊和张铭杰携同事和弟子祝贺汤中立院士80华诞，感谢汤老师多年来的指导与关怀。在本文完成过程中Chusi Li、焦建刚、张照伟及匿名评审专家等给予了指导和帮助，在此表示衷心的感谢。