一、概 述
世界上主要铂、钯工业矿床大都产在大型层状侵入体靠近中心的部位，赋存于界限极为清楚的层状体内。由于这类矿床的含矿侵入岩体多为镁铁质 － 超镁铁质，故被称为层状镁铁质 － 超镁铁质侵入岩型铂族金属矿床。
该类矿床集中了世界铂族金属储量的 70%左右，是世界铂族金属的主要来源，主要分布在南非、津巴布韦、美国、俄罗斯等国，已发现的大型矿床有产在南非布什维尔德杂岩体中的梅林斯基( Merensky) 和 UG2 铬铁岩含矿层，产在津巴布韦大岩墙中的主硫化物带 ( Main Sulfide Zone，MSZ)和产于美国斯蒂尔沃特杂岩 ( Stillwater Complex) 中的约翰斯 － 曼维尔含矿层 ( Johns － Manville，J －M 矿层) 。其他产在层状镁铁质 － 超镁铁质侵入岩中的中小型铂族金属矿床还有: 澳大利亚的穆尼穆尼 ( Munni Munni) 和潘通 ( Panton) 、加拿大的伊勒湖 ( Lac des Iles) 和里弗瓦利 ( River Valley) ，芬兰的佩尼凯特 ( Penikat) ，中国的金宝山等。表 1 列出了世界主要含铂族金属矿床的资源量及相关金属元素的品位。
表 1 世界主要含铂族金属矿床的资源量和品位
资料来源: T. Green，2005
二、地 质 特 征
1. 一般地质特征
许多矿种均能产于各种地质构造环境，但大型的铂族金属矿床却仅产于大型的镁铁质 － 超镁铁质侵入体中。产有这类矿化的侵入岩体通常呈层状赋存于稳定的太古宙或元古宙克拉通或地盾中，年龄多在 29. 40 亿 ～18. 40 亿年之间。侵入体沿主要的地壳岩石圈不连续面分布，深约 8 ～24km，或沿主要地壳构造线或在其附近侵入，形成整合岩盆、倾斜岩席、漏斗状岩体、褶皱岩床和以断层为界的断块。表 2 列出了几个主要的层状铂族矿床的容矿岩体的形成年代、规模和地质环境等基本特征。
表 2 世界主要产有铂族金属矿床的层状镁铁质 － 超镁铁质侵入岩的基本特征
资料来源: T. Green，2005
含矿岩体常为分层的深成岩体，岩石类型为交替和重复出现的镁铁质 － 超镁铁质岩石，表现出多旋回单元的结构特征。分层岩体垂向上通常能形成 3 个岩浆分异系列，分别为斜方辉橄岩 － 斜方辉石岩 － 辉长苏长岩; 斜方辉橄岩 － 斜方辉石岩 － 二辉岩 － 辉长苏长岩; 二辉橄榄岩 － 单斜辉石岩 － 二辉岩 － 辉长苏长岩。这些岩浆分异系列的出现反映了主要造岩矿物结晶的顺序，同时也反映了原始岩浆的成分。
这类矿床的矿体厚度从几厘米至几百米，变化较大。经济价值较大的矿层一般产在侵入体中斜长石结晶的主要成分界面附近 ( 超基性岩 － 基性岩接触带附近) ，即富含 PGE 的硫化物层产在斜长石首次成为堆积矿物的层位以下 20m 到该层位以上 500m，大多数富含硫化物，尤其是富含 PGE 的铬铁岩，产在上述层位以下 150m 到该层位以上几百米。在岩体的垂向剖面中，矿化层的厚度相对整个岩体厚度来说是非常薄的，如澳大利亚的穆尼穆尼矿床的矿化层厚约 2. 5m，而基性 － 超基性岩系厚达4900m，这些矿化层横向延伸非常长，有的长达 20km。
据统计，这类矿床中产出的铂族矿物有 30 种以上，铂族矿物分别可以与硫化物、硅酸盐、铬铁矿或氧化物共生。但铂钯主要呈独立矿物存在，少数呈类质同像分布在硫化物中。主要矿石矿物有各种 PGE 矿物 ( 硫化物、砷化物、碲化物、锑化物) 、黄铜矿、镍黄铁矿、铬铁矿、针镍矿，另外还有磁黄铁矿、黄铁矿、方铅矿、钛铁矿和磁铁矿。
2. 典型矿床地质特征
( 1) 南非布什维尔德杂岩体
布什维尔德杂岩体为一保存极好的特大型中元古代侵入体，未受区域变质作用和大范围构造变形的影响。该杂岩体具有从镁质超基性岩到含磷灰石铁闪长岩的完整分异序列 ( 图 1) 。典型地区的岩层厚度可达 9000m，从下往上分别为下部带 ( 0 ～ 1700m) 、关键带 ( 1700 ～ 3150m) 、主带 ( 3150 ～7860m) 和上部带 ( 7860 ～ 9000m) 。关键带由层状铬铁岩、辉石岩、苏长岩和斜长岩组成。该带因产有许多大的含矿层而得名，如 UG2 和梅林斯基矿层产于其上部 ( 图 2) 。各含矿层位 ( 包括梅林斯基含矿层和 UG2 铬铁岩含矿层) 的横向延伸范围很大 ( 大杂岩体东、西两翼均超过 100km) 。
图 1 南非布什维尔德型镁铁质 － 超镁铁质杂岩体中的岩石类型和矿体类型示意图( 引自 P. Laznicka，2006)
图 2 示出了布什维尔德杂岩体关键带的地层剖面，并给出了各层位的 PGE 含量。每一个铬铁岩层都具有 PGE 的异常富集，一般为 1 ～3g/t。不过，达到工业品位的仅见于杂岩体东翼和西翼的 UG2铬铁岩和梅林斯基含矿层，以及北翼底部接触面附近的一个厚层普拉特里夫 ( Platreef) 矿层。布什维尔德杂岩体所有含矿层在 2km 深度以浅，Pt + Pd 总可采量超过 6200t，Pt/Pd 比值约为 1. 5，不同矿山该比值的平均值几近相同。
A. UG2 铬铁岩含矿层
UG2 铬铁岩含矿层的地质情况和 PGE 含量变化都比梅林斯基含矿层简单。UG2 铬铁岩含矿层厚40 ～ 120m，顶、底界面清楚，含铬铁矿 60% ～ 90% 。在 UG2 主层位上方见有 2 ～ 3 层铬铁岩薄层，产在含长石的辉石岩 ( 往往含橄榄石) 内。UG2 通常下伏以伟晶岩相的粗粒含长石 ( 橄榄石) 辉石岩，其中可含有铬铁岩析离体。少数情况下，UG2 下伏斜长岩。
PGE 只赋存在铬铁岩内，在伟晶岩相底板有矿化的情况下，PGE 赋存于铬铁岩析离体内。整个含矿层的 PGE 品位最高可达 10g/t，但一般约 5g/t。有迹象表明，含矿层越薄，品位越高。含矿层内的品位分布并不均一，底部品位一般较高，另一个峰值位于含矿层中部或顶部 ( 图 3) 。
在含矿层内部，PGE 绝对含量和 Pt/Pd 比值在岩石结构明显变化的部位出现明显变化。在杂岩体东翼的北部，含矿层下半部含有粒状硅酸盐矿物相，上半部为嵌晶状，这可能是两种化学组成不同的铬铁岩层逐次叠置的结果。此外，UG2 的 Cu、Ni 和 S 元素含量极低 ( 平均值分别为 0. 01%，0. 024% 和 0. 023% ) ，Pt、Pd、Ni 和 S 等 4 种组分密切相关。
B. 梅林斯基含矿层
富含 PGE 的梅林斯基含矿层和上覆贫 PGE 的 Bastard 辉石岩处在旋回单元的底部，该旋回单元包含底部一薄层铬铁岩层及上覆的辉石岩、苏长岩和斜长岩。梅林斯基旋回单元是所有旋回单元中最薄的，一般只有 1 ～3m 厚。其底部接触带附近的初始 Sr 同位素比值明显增大，表明在此层位添加了成分明显不同的岩浆。
在布什维尔德杂岩体的不同地段，梅林斯基含矿层的垂向层序和 PGE 矿化的变化比 UG2 大得多。该矿化层中除产有 PGE 外，还伴生有含量为 2% ～ 3% 的硫化物 ( 磁黄铁矿、黄铜矿和镍黄铁矿) 。由于该含矿层的开采始于勒斯滕堡地区，因此人们一直把勒斯滕堡岩相的含矿层视为典型剖面。该典型剖面底部铬铁岩平铺在一层斜长岩或浅色苏长岩上面。铬铁岩上面是 30 ～90cm 厚的伟晶状含长石辉石岩，上覆以另一薄层铬铁岩，再上面是正常粒度的含长石辉石岩 ( 不含橄榄石) 。该辉石岩向上迅速递变为一薄层苏长岩，上覆以斜长岩。在此剖面中，PGE 矿化产在从底板以下 30cm 到上部铬铁岩附近的层段，PGE 品位在上铬铁岩层处出现明显高值，在上铬铁岩层以上迅速降低。梅林斯基含矿层的 PGE 品位在布什维尔德杂岩体西翼为 3. 50 ～9. 5g/t，在东翼为 4. 8 ～5. 8g/t。PGE 在含矿层内的垂向分布变化极大，最高品位对应于铬铁岩层，尤其是上部的铬铁岩层。
图 2 南非布什维尔德杂岩体关键带地层剖面以及东翼和西翼的 PGE 含量( 引自 R. G. Cawthorn 等，2005)
图 3 UG2 矿层及指示层剖面示意和 PGE 的定性分布( 引自 R. G. Cawthorn 等，2005)
( 2) 美国斯蒂尔沃特杂岩体
斯蒂尔沃特杂岩体位于美国蒙大拿州南部，为一镁铁质 － 超镁铁质杂岩体，其下部为超镁铁质( 橄榄石 ＞ 斜方辉石) ，上部为含橄榄石和斜方辉石的辉长岩，顶部受到切截。杂岩体的年龄为2. 7Ga，已部分发生变质。
斯蒂尔沃特杂岩体含有几个层控含硫化物层段，其 PGE 异常富集。其中一个层段为 J － M 含矿层。J － M 含矿层富 Pd，Pt/Pd 比值为 0. 3，Pd + Pt 品位高达 22 ×10－ 6，产在下部条带状辉长岩系底部以上约 400m 处，目前仍在开采。在该条带状岩系内部有一个称为含橄榄石 I 带 ( 或橄长岩 － 斜长岩亚带) 的层组 ( 图 4) 。该亚带内的含橄榄石岩石为粗粒橄长岩和居次要地位的纯橄榄岩，夹有少量斜长岩、苏长岩和辉长苏长岩。含橄榄石岩石的厚度为 1m 至数米，矿物组成极不均一，被称为“混合岩石”。岩石的层理发育不良，不像布什维尔德杂岩体的层理那样规则，含橄榄石透镜体沿走向有尖灭现象。J － M 矿化带就产在其中一个含橄榄石单元内。由于下部含橄榄石岩层不连续，因此难以对整个侵入体内的这些岩层统一编号。在杂岩体西部的布尔德河地区的一个较为完整的剖面内，矿化产在第 5 橄榄石层内 ( 从底部向上计数) ，但其他地区的下伏含橄榄石岩层数目较少。
第 5 橄榄石层内部最佳矿化的垂向部位有变化，不一定局限于单一岩石类型; 矿化局部切割硅酸盐层理。所开采的含矿层内的典型矿化宽度为 1. 6m，但此宽度内的矿化并不均一，常见无矿斑块。PGE 矿化一般与含量为 0. 2% ～ 5. 0% 的浸染状硫化物矿化 ( 磁黄铁矿、黄铜矿、镍黄铁矿等) 伴生。浸染状矿化局部可延伸至下伏岩石，形成大范围高品位区，其厚度可达 30m，走向长度 15m。矿化沿侧向可在 10 余米至百余米的尺度上变化，因此需进行大量钻探才能把含矿层的矿化段与无矿段区分开来。就第 5 橄榄石层内的整个含矿层而论，只有其中大约 38% 的部分达到目前的边界工业品位且实际上被开采。
硫化物还产在 Picket Pin Pt － Pd 带内。该带位于地层部位较 J － M 含矿层高 3000m 的中部条带岩系内，其 PGE 品位很不规则，但可达 3 ×10－ 6。超镁铁质岩系的某些铬铁岩也具有较高的 PGE 含量但极不规则。
( 3) 津巴布韦大岩墙
大岩墙为一延伸极远的元古宙侵入体，几乎纵贯整个津巴布韦，断面为向上的喇叭口状。大岩墙沿走向可划分为若干个区段和亚区段，各亚区段内的矿化十分相似。虽然该侵入体呈岩墙状，但其下部具有向内缓倾斜的超镁铁质岩层，上部具辉长岩质岩石。大岩墙的 PGE 矿化产在超镁铁质层序顶部附近的第一旋回单元的岩层内 ( 图 5) 。从轴部到边缘，第一旋回单元中的辉石岩厚度由 250m 减至 150m，其中部有一个 30 ～50m 厚的低品位带，顶部有一个 2 ～8m 厚的高品位带。
主硫化物带就产在第一旋回单元最上部的二辉岩底部。带内的贱金属和贵金属呈现明显的分离倾向，下半部的 PGE 含量从下往上增高且只有少量 Cu、Ni 富集，而上半部的 PGE 含量由下往上迅速降低，但 Cu、Ni 含量仍相对较高。总的来看，该矿化带内的所有金属都具有微细的分离现象，从底部到顶部，不同金属依次呈现最高含量的顺序为 Ir、Pd、Pt、Ni、Au、Cu。由于 PGE 最高含量与硫化物最高含量不相关，因而不太容易圈定开采范围。目前，3 个开采和勘查地段报道了相似的品位和金属分布，PGE 品位约为 5 ×10－ 6，Pt/Pd 比值为 1. 5。
图 4 美国斯蒂尔沃特杂岩体 J － M 含矿层的剖面图( 引自 G. R. Cawthorn 等，2005)
图 5 津巴布韦大岩墙主硫化带 ( MSZ) 和低硫化带( LSZ) 地层剖面图( 引自 G. R. Cawthorn，2005)
三、矿床成因和找矿标志
1. 矿床成因
人们对该类矿床的成因认识比较统一，认为铂族元素富集主要由岩浆结晶分异形成，且分异作用较为彻底。岩浆结晶早期阶段，硫处于不饱和状态，主要形成含 Os － Ir － Ru 的铂族矿物，且和铬铁矿共生。至中晚期阶段，硫逐渐饱和，导致硫化物熔体的形成。这些硫化物熔体和新上侵的岩浆充分混合，导致大量铂族金属在硫化物熔体中富集，形成富集 Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、Os 的铂族金属矿床。至于南非为什么会有这么多的铂族元素矿床，目前学术界认为地幔柱理论可较好地解释，即稳定的地台受到地幔柱长期的侵入而形成了结晶分异非常完整的布什维尔德杂岩体，杂岩体的形成过程伴随着大规模的成矿作用。
总的来看，目前人们普遍认为横向广延的层控矿化层是岩浆成因的，但晚期岩浆和热液作用对某些矿床也起一定作用。其中重要的成矿作用包括: ①成分不同的岩浆混合; ②原始岩浆的地壳混染;③晶体分离 ( 结晶分异) ; ④硫化物流体的不混溶性和硫化物和/或铬铁矿的重力沉降; ⑤挥发物引起的堆积岩部分熔融; ⑥中间堆积岩的压滤作用; ⑦上升的富 Cl 热液。不同阶段的不同成矿作用可形成不同类型的矿床，图 6 示出了层状镁铁质 － 超镁铁质侵入体中与各类成矿作用有关的铂族矿床类型。从图中可见，早期硫饱和的原始岩浆在地壳混染和重力沉降的作用下，可沿底部接触带或补给通道的构造在凹入处形成贫 PGE 的块状硫化物矿床 ( A) ; 残留岩浆与斜长岩分异前的原始岩浆发生局部混熔，可能会形成贫 PGE 的硫化物岩层或铬铁矿层 ( B) ; 不饱和硫的富 PGE 原始残留岩浆与大规模的硫饱和的辉长岩岩浆混合，能形成与旋回单元无关的富 PGE 岩层 ( C) ; 残留岩浆与更多的斜长岩结晶后的原始岩浆发生湍流式混合，可形成富 PGE 的硫化物层或铬铁矿层 ( D) ; 挥发物引起的堆积岩部分熔融，使得硫饱和时也能使 PGE 富集 ( E) ; 构造控制的热液型 PGE 有色金属矿床能在侵入岩的内部或外部形成 ( F) 。
图 6 层状镁铁质 － 超镁铁质侵入体中与地壳混染、结晶分异、岩浆混合、部分熔融和热液流体成矿作用有关的各类 PGE 矿床的成因模型( 引自 D. M. Hoatson，1998)
2. 找矿标志
( 1) 地质找矿标志
1) 镁铁质 － 超镁铁质侵入体，规模大、分层特征明显。侵入体面积一般具上百平方千米，分层明显，存在清晰的超基性岩 － 辉长岩接触带界面等。大部分 PGE 矿体产在层状侵入体的中部，只有少数矿体出露于层状杂岩体的底部，如芬兰的 Narka 和加拿大的马斯考克斯 ( Muskox) ，但目前只有产在布什维尔德侵入体底部的普拉特里夫具有工业价值。该类矿床成矿时代多为太古宙，成矿过程中有分异程度更高的岩浆注入。由于该类矿床的控矿侵入体规模一般都比较大，因此在寻找该类矿床时应将其作为一个系统来研究。表 3 列出了成矿带、成矿区、矿田和矿床等不同尺度的勘查靶区在层状镁铁质 － 超镁铁质杂岩中产出的地质位置，可将其作为一个重要地质找矿标志。
表 3 层状镁铁质 － 超镁铁质杂岩中不同成矿级次的地质产出特征
资料来源: Е. С. Заскинд 等，2006
2) 层控硫化物层和铬铁岩矿层: 因为含 PGE 矿化常产于有稀疏浸染状硫化物的岩石和铬铁岩矿层之内及其之上。硫化物层呈斑状、伟晶状，颗粒粗，常含辉石岩; 铬铁岩呈块状或浸染状，常含纯橄岩、橄长岩和正辉石岩等。如果这两类岩层具有很大的侧向连续性，就可以较容易地探测到。但应注意的是，层控硫化物层通常很簿，地球物理特征不明显 ( 浸染状硫化物含量为 1% ～2%，体积) ，很难探测到，不过通过详细的地层层序分析可以确定。
3) 岩浆侵入过程中有硫不饱和的现象出现。如果整个侵入体都是硫饱和的，则应调查最厚的堆积岩系底部接触带内凹处的 Ni － Cu － Co － PGE 硫化物矿床; 如果侵入体有一部分是硫不饱和的，则应确定层控的和其他形式的 PGE － Cu － Ni 矿的硫饱和层位。一般来说，基性岩的母岩浆 ( 含 S 大于约 1000 ×10－ 6) 是硫饱和的，岩浆在侵入体结晶中期也可出现硫不饱和现象。
( 2) 岩石学找矿标志
1) 高 Mg ( 含 MgO ＞ 10% ) 、高 Cl 的岩浆有利于形成大矿。
2) 矿化与浸染状岩浆 Fe － Ni － Cu 硫化物共生，共生层位在侵入体底部之上，常常是在斜长石首次成为堆积矿物的层位之下 150 ～ 500m 处。层控矿层薄 ( ＜ 3m) ，但厚度和品位横向上很稳定。岩石共生是岩浆混合形成的，常包括各种混染岩石和偶然崩滑岩块。
3) 旋回性岩石单元: 矿化层产在旋回性岩石单元底部，如梅林斯基和 J － M 层，或与旋回性岩石单元有空间关系。
4) 矿床底板层多呈不整合，是岩浆侵蚀作用的结果。底板层序中含有作为主要镁铁质矿物的斜方辉石，底板内产有富氯矿物 ( 磷灰石和其他含水矿物) 。
5) 地层剖面中的 S、Cs、Zr、Rb、Sr、Se、Cu 含量和 ( Pt + Pd) / Cu、 ( Pt + Pd) / S、 ( Pt + Pd) /Zr、( Pt + Pd) / Ir、Pt / Pd、Cu / Zr、Mg / ( Mg + Fe) 比值若存在明显不连续性，说明有新岩浆的注入。该标志可指示硫饱和层位和岩浆混合形成的层控矿层的存在。
( 3) 地球物理找矿标志
1) 层控矿化层呈浸染状，硫化物含量低 ( ＜ 3% ，体积) ，厚度小，用物探法确定侵入体比确定矿化层的宏观特征更有效。电法 ( 例如电磁法和激发极化法) 很少用来圈定富含 PGE 的层控矿层( 多用于圈定底部 Ni － Cu － Co － PGE 硫化物矿床) 。
2) 岩体常具有异常的 ( 正异常) 重力场和磁场。航空磁法和重力法可用来圈定出露不好的侵入体的区域范围、几何形态和主要构造。
3) 航空磁法可帮助确定辉长岩带年轻化 ( 时代变新) 的总体方向 ( 存在原生磁铁矿) 和超基性岩带蛇纹石化强度 ( 由橄榄石形成的次生磁铁矿) 。
4) 综合伽马射线光谱法可确定基性 － 超基性岩的区域分布，因为这些岩石的 K、Th 和 U 含量低。
5) 陆地卫星影像与地质填图对判别超基性、基性和酸性岩石类型、线性构造体和主要构造十分有用。
( 4) 地球化学找矿标志
1) 矿区范围内常出现 Ni、Cu、Co 地球化学背景值增高; 矿田的岩石中 Cu、Ni、Co、Au、Ag和铂族金属局部背景值增高。对侵入体的取样间距应为 10 ～20m，Cu/Pd 值增高，可作为下面有矿化层位的标志。
2) Pt、Pd、Cu、Ni、Cr、Co、Au、Mg、As、Hg 为较好的探途元素，可进行岩石、土壤和水系沉积物测量。
3) 常见的重砂矿物有砷铂矿、铜镍硫化物、磁铁矿、钛磁铁矿和铬铁矿等。
4) 土壤中有铬铁矿块，水系沉积物中铬铁矿粒丰富，指示有层控铬铁岩层存在。
( 唐金荣 周 平)