山东省沂南县铜井地区铜金矿深部地质特征及成矿模式探讨

肖丙建

（山东省第七地质矿产勘查院，山东 临沂 276006）

0 引言

沂南县铜井铜金矿床是一座建矿50多年的老矿山。上世纪末，该矿山因为资源问题濒临倒闭，一度成为危机矿山。2008年底，山东黄金集团对铜井铜金矿深部及外围进行了勘查，并取得较大找矿突破①，为本区多金属矿的寻找提供了较好的借鉴。其后，在其南部的白石窝一带也取得找矿突破。

前人对铜井铜金矿床的研究较多，认为是中生代燕山晚期铜井杂岩体岩浆活动侵位形成的夕卡岩型矿床，并主要侧重于对沂南铜金矿床的成矿时代、成矿流体［1］和流体包裹体特征［2］、矿床构造和岩浆演化［3］、成矿规律［4］等方面研究；董树义、顾雪祥等还提出了不整合面控矿的结论［5－7］，王永、范宏瑞等还对沂南铜金矿床的成矿时代和地球化学特征［8］等进行过研究。但对矿床深部成矿特征的研究较少，尤其是在2008年深部找矿突破以后，对矿床的深部特征和赋存特征、成矿模式的研究较少。本文通过对沂南铜金矿床深部成矿地质特征和赋存条件分析，建立成矿模式，以期对今后该区的找矿工作有所帮助。

1 区域地质概况

沂南铜金矿床地处华北陆块（Ⅰ）鲁西隆起（Ⅱ）之鲁中隆起区（Ⅲ）马牧池断块凸起（Ⅴ）的东南部，沂沭断裂带的西侧，沂水—汤头断裂与NW向马家窝—铜井断裂的交汇处，燕山晚期中酸性杂岩体沿断裂构造交汇部位侵入（图1）。本区是山东省重要的铜金多金属成矿区。

（1）地层。区域地层由老至新为新太古界泰山岩群雁翎关组和柳杭组，震旦系土门群，下古生界寒武纪长清群和九龙群，奥陶系马家沟组，石炭－二叠系月门沟群，白垩系青山群和大盛群，新生界第四系。

（2）构造。主体构造为发育于基底岩系区的韧性变形构造和后期叠加其上的脆性断裂构造，褶皱构造不发育。地层为单斜岩层，倾向NE，倾角5°～10°。韧性变形构造主要形式为呈面状展布的片麻状构造，表现为新太古代—古元古代二长花岗岩普遍发育片麻状构造，片麻理走向NNW，倾向SW，倾角50°～65°，为早期较深层次EW向挤压剪动力变形作用产物。区域内脆性断裂构造多受NNE向的沂沭断裂带及其次一级的NW向断裂的控制。断裂均为高角度正断层，并具多期活动特征，断裂带内断层角砾岩普遍发育。按展布方向可分为NW向、NE向、近EW向及近SN向4组，其中以NW向断裂对区内地层、岩体和成矿作用影响较大。

图1 山东省沂南县铜井地区区域地质简图Fig.1 Regional geological sketch of Tongjing area

（3）岩浆岩。区域侵入岩发育，以新太古代花岗闪长岩和古元古代片麻状中粒含黑云二长花岗岩为主，燕山晚期有辉石角闪闪长岩、石英闪长岩、二长闪长岩、闪长玢岩、二长花岗斑岩侵入，其中闪长玢岩、二长花岗斑岩与成矿关系密切。

2 矿区地质特征

2.1 地层

矿区内地层较发育，主要为中下寒武统馒头组和朱砂洞组，地层走向300°左右，倾向SW，倾角10°～30°（图2）。

（1）馒头组。由新至老依次为：洪河段灰黄—紫红色中—薄层钙质砂岩、长石石英砂岩、中粗粒砂岩；下页岩段紫红色砂质黑云母页岩夹薄层灰岩及黄绿色砂质页岩；石店段薄层泥灰岩、泥云岩夹中层灰岩、含燧石结核灰岩。

（2）朱砂洞组。由新至老依次为：上灰岩段浅灰色、灰色厚层微晶灰岩、泥晶灰岩夹叠层石灰岩、白云质灰岩；丁家庄白云岩段灰质含燧石结核白云岩，白云岩偶夹灰岩；余粮村页岩段土黄色薄层砂岩及黄绿色页岩；下灰岩段泥晶灰岩及薄层灰岩、砂屑灰岩。

由于不同层位岩石物理性能及化学成分的差异，成矿过程中选择性交代作用比较明显，致使矿体产出的空间位置明显受地层层位的控制。

2.2 构造

矿区内构造较发育，主要为褶皱构造和断裂构造，并以断裂构造为主。

2.2.1 褶皱

由于NE向断裂与NW向断裂在铜井一带交汇形成构造薄弱区，燕山晚期中酸性岩浆岩沿构造薄弱区入侵，岩浆作用的结果形成铜井穹隆背斜。背斜的轴向总体NW向，长约6km。受燕山晚期中酸性侵入岩的影响使地层的完整性遭到破坏。南西翼地层为寒武系长清群、九龙群和奥陶系，地层的总体走向与背斜的轴向大体一致，为NW向，倾向SW，倾角10°～20°，局部倾角小于10°或大于30°；北东翼出露地层有震旦纪土门群、寒武纪长清群和九龙群、奥陶系马家沟组，地层走向多为NW向，倾向NE，倾角20°左右，局部岩层平缓小于10°，也有局部岩层变陡达到45°。

沂南铜井铜金矿等矿床的产出部位就位于背斜的轴部。

2.2.2 断裂

矿区内断裂发育，根据地表露头及探矿工程揭露，按断裂方向分为NNE向、NEE向及NW向、近SN向4组。

NNE向断裂。有F3，F4，F5，F6共4条。断裂走向5°～30°，倾向NW 或SE，倾角70°～80°。断裂带规模较小，断裂长几十米至百余米，宽度0.5～2.1m不等。断面呈舒缓波状，并见有斜冲擦痕，带内片理化明显，糜棱岩、构造透镜体发育。该组断裂至少有两期活动：早期的NNE向主干断裂与NW向断裂联合，表现为明显控岩性，多为逆－左行平移断层，为成矿前断裂；晚期该组断裂复活，切割夕卡岩型金、铜矿体，其胶结物多被硅质碳酸盐所交代，部分则被钾钠长石交代，并在其蚀变较强地带形成细脉状金属矿化，表现为明显的控矿性，多为走滑正断层，为成矿期断裂，控制了矿体的分布。

图2 沂南县铜井铜金矿区地质图Fig.2 Geological map of Tongjing mining district

NEE向断裂。有F7，F8，F9共3条。断裂的规模较小，长百余米。为后期断裂，多切割先期断裂，断面平直，具水平擦痕。局部见规模更小的断层，断面附近岩层陡立，具斜冲擦痕。断裂倾向NW，倾角65°～80°，宽0.3～2.5m，水平错距为20～25m，铅直错距10～40m；带内片理化、糜棱岩、构造透镜体发育，力学性质表现为右行平移断层，对矿体造成一定的破坏。

NW 向断裂。有 F10，F11，F12，F13，F14共5条，规模大小不一。断裂走向320°～345°，宽0.2～2.3 m，属正－左行平移断层，水平错距30m；断裂带内角砾大小不一，局部可见片理化现象。该组断裂具多次活动特点，角砾间多被石英脉充填。此组断裂多与NE向断裂复合，是本区的主要控岩、控矿断裂。

近SN向断裂。有F1，F2两条，发育在工作区的中部；F2长达940m。断裂走向上波状弯曲，宽一般1～2m，倾向SW，倾角70°～80°。断层角砾发育，角砾大小不一，磨圆度较好。

2.3 岩浆岩

矿区内出露的岩浆岩有燕山晚期中细粒辉石闪长岩、角闪闪长玢岩、石英闪长玢岩和二长花岗斑岩［9］，以闪长岩、中斑石英闪长玢岩为主。其中，闪长岩分布于矿区中东部，中斑石英闪长玢岩沿闪长岩的边缘分布或呈岩枝侵入于寒武纪地层内。

中斑石英闪长玢岩是矿区的主要成矿母岩。此岩体具有典型的次火山岩产出特征，岩石的里特曼指数为1.7～2.7，钙碱指数为54～55.2，属钙碱性系列杂岩体。

3 矿床地质特征

3.1 矿体特征

沂南铜金矿床在其深部共圈定隐伏矿体23个，其中主矿体6个（编号：1，4，41，42，48，5－2号），矿体多呈似层状、透镜状产出。矿体特征见表1所述，其中以41和48号矿体规模最大。

（1）41号矿体。矿体赋存在寒武系长清群朱砂洞组上灰岩段薄层灰岩、厚层灰岩、含燧石结核灰岩与闪长玢岩的接触带附近，呈似层状产出，受寒武系朱砂洞组和燕山晚期闪长玢岩及泰山岩群不整合面控制（图3）。41号矿体由11个钻孔控制。矿体走向近EW，倾向S，倾角1°～5°；矿体埋深418～485 m，赋存标高为－260～－340m。矿体沿走向延长240m；沿倾向最大延伸210m，最小延伸100m；矿体形态变化较小，沿走向东厚西薄，沿倾向厚度变化较大，单工程最大厚度16.25m，最小厚度0.5m，平均厚度4.41m，厚度变化系数110.7%，属比较稳定。矿体矿化较连续，矿石类型以含铜金夕卡岩为主，矿石质量较稳定，金平均品位w（Au）＝1.56×10－6，最高8.08×10－6，变化系数95.1%，分布较均匀；铜平均品位 w（Cu）＝0.24×10－2，变化系数151.4%。

（2）48号矿体。矿体赋存在寒武系长清群馒头组石店段薄层灰岩与泰山岩群的不整合面上，分布在－1勘探线至－4勘探线之间，呈水平似层状产出，由5个钻孔控制。矿体走向近SN，倾向 W，倾角0°～5°；矿体赋存标高－300～－400m，沿走向延长150m，沿倾向最大延伸180m。矿体形态比较稳定，沿倾向西厚东薄，水平似层状展布，沿走向厚度变化较小。单工程最大厚度为5.5m，最小厚度为1.0m，矿体平均厚度2.58m，厚度变化系数82.3%，属于较稳定类型。矿石类型以含金、铜、铁夕卡岩为主，矿体矿化连续性较好，矿化比较均匀。矿体中金的最高品位w（Au）＝9.09×10－6，最低品位1.17×10－6，平均品位3.13×10－6，品位变化系数128.7%；铜平均品位w（Cu）＝0.26%，品位变化系数95%。

表1 矿体特征一览表Table 1 Schedule of ore body characteristics

3.2 矿石组成特征

（1）矿石矿物组成。矿石中主要矿石矿物有黄铜矿、黄铁矿、磁铁矿，少量的斑铜矿、褐铁矿、辉铜矿、蓝铜矿、蓝辉铜矿、方黄铜矿、银金矿等；脉石矿物主要有方解石、透辉石、绿帘石、绿泥石、石榴石、石英、云母、滑石、阳起石等。

（2）矿石化学成分。矿石的化学成分比较复杂，矿石矿物中主要的有益元素为Au和Cu，并伴生有Ag，Fe，S等元素。其中Au与Cu，Ag组成多金属矿床，金品位w（Au）＝0.5×10－6～9.89×10－6，平均为1.42×10－6；铜品位w（Cu）＝0.2%～3.66%，平均0.36%；Ag与Au关系最为密切，组分变化比较均匀，w（Ag）值多集中在1.04×10－6～25.86×10－6之间，平均品位6.23×10－6。

含铁矿物以磁铁矿为主，其次为镜铁矿、赤铁矿，铁品位一般在0.3%～9.69%之间。

硫作为综合利用的对象，主要赋存在黄铜矿、黄铁矿及斑铜矿中，硫品位在0.1%～7.29%之间，平均品位1.41%。

3.3 金矿物特征

图3 沂南县铜井铜金矿区12号勘探线地质剖面图Fig.3 Geological section along line 12in Tongjing Cu－Au mining district

矿石中金矿物主要有自然金、含银自然金、银金矿三种，呈麦粒状、角粒状、浑圆粒状、尖角状、长角粒状和叶片状分布；粒度不均匀，大部分属微粒－细粒显微金，少量属于粗粒金，粒度分布见表2；赋存状态主要以包裹金（约占10.32%）、粒间金（约占55.47%）的形式出现，其次为裂隙金（约占8.51%）。金的成色在806.4～95.46之间。

3.4 矿石组构

矿石主要呈半自形－自形晶粒状结构、他形晶粒状结构、填隙结构，局部包含结构、碎裂结构、交代结构；浸染状构造，局部块状构造、条带状构造、细脉网状构造等。

3.5 矿石类型

根据原生矿石中元素组合及岩性、矿物组合，矿石自然类型有含金铜磁铁矿型矿石、含金铜夕卡岩型矿石、含金铜大理岩型矿石、含金铜角岩型矿石4种。

表2 金矿物粒度分布一览表Table 2 Schedule of gold granularity distribution

3.6 围岩蚀变

近矿围岩蚀变有夕卡岩化、大理岩化、角岩化等，矿体与围岩无明显界线，呈渐变过渡关系。

4 矿体赋存特征

根据铜井矿区深部钻探证实，矿体从新太古界泰山岩群不整合面之上到寒武系炒米店组皆有分布，主要分布于不整合面、层间滑脱带和灰岩与页岩的结合部位，多呈层状、似层状产出，局部呈透镜状、豆荚状、不规则状产出。

产出层位自下而上大致分为8层：①新太古界泰山岩群与新元古界震旦系土门群之间的不整合面；②新元古界震旦系土门群上部灰岩与页岩之间的层间破碎带；③寒武系李官组底部的薄层灰岩和新元古界震旦系土门群接触的不整合面；④寒武系朱砂洞组下部的含燧石结核灰岩、白云质灰岩与闪长玢岩的接触带；⑤寒武系馒头组石店段下部的薄层泥质灰岩、粉砂岩、白云质灰岩与闪长玢岩接触部位的夕卡岩带；⑥寒武系张夏组下灰岩段上部的浅灰色中厚层鲕粒灰岩、含藻灰岩、生物碎屑灰岩、云斑状灰岩与闪长玢岩接触带附近的夕卡岩带；⑦寒武系崮山组灰黄色薄层状、疙瘩状灰岩夹黄绿色页岩与二长花岗斑岩超覆岩体及楔形闪长岩岩床接触带附近的夕卡岩带；⑧寒武系炒米店组下部含海绿石生物碎屑灰岩、交错砂质灰岩与闪长玢岩超覆岩体接触带附近的构造叠加部位。

矿体的形成主要是闪长玢岩或二长花岗斑岩沿层理或层间滑脱带，局部沿断裂侵入，岩浆热液与灰岩接触交代形成夕卡岩化带，有益组分达到工业利用的要求而形成矿体。在距岩体较远的上部，部分热液沿断裂或裂隙运移，形成脉状或浸染状矿体；在铜井矿区的南部，有的热液上侵到寒武系顶部三山子组上段中，形成热液充填的脉状矿体。

5 矿床成因与成矿模式探讨

5.1 成矿物质来源

据山东冶金第四勘探队1978—1979年资料，铜井矿区夕卡岩带内黄铁矿的δ（34S）＝＋2.1×10－3～＋5.9×10－3，32S／34S＝22.097～22.174，反映铜井铜金矿床的硫主要来源于上地幔。铜井金矿床中的22个黄铁矿和黄铜矿的样品δ（34SCDT）＝1.53×10－3～5.60×10－3［10］，平均值为3.19×10－3，反映了矿石中的硫总体具有深源硫的特征，硫主要来源于深源岩浆。

沂南铜井金矿床中11个碳酸盐岩全岩和矿物的碳氧同位素分析［10］显示，热液方解石δ（13CPDB）＝－3.85×10－3～0.29×10－3，平均值为－1.25×10－3；δ（18OSMOW）＝9.00×10－3～12.74×10－3，平均值为11.10×10－3。大理岩δ（13CPDB）＝－5.31×10－3～－1.17×10－3，平均值为－3.17×10－3；δ（18OSMOW）＝10.90×10－3～15.00×10－3，平均值为12.40×10－3。灰岩δ（13CPDB）＝－2.36×10－3～0.26×10－3，其平均值为－0.68×10－3；δ（18OSMOW）＝16.69×10－3～21.04×10－3，平均值为21.04×10－3。上述碳氧同位素组成δ（13CPDB）—δ（18OSMOW）关系图解表明，方解石主要落入花岗岩区，其余样品落入花岗岩与碳酸盐岩交界区，显示出主成矿流体中的碳主要来源于岩浆，少量来源于海相碳酸盐岩的溶解作用。

从上述碳、氧、硫同位素数据分析不难看出，沂南铜井金矿床的成矿物质主要来源于深源岩浆，但在上侵过程中有围岩成分和浅部流体的加入。

5.2 成矿温度

据山东省地矿局第八地质队（1988）及浙江大学（1987）所做的矿石矿物爆裂温度为417～150℃之间；磁铁矿的形成温度400～300℃，黄铜矿的形成温度252～163℃，斑铜矿的形成温度180～150℃。沂南金场金铜矿床矿区流体包裹体分析［1－2］表明，随着成矿流体的演化，成矿流体均一温度和盐度逐渐下降：早夕卡岩阶段石榴石捕获的含子矿物包裹体具有很高的均一温度（530～570℃）和盐度值（w（NaCl，eq））＝39.9%～60.4%），而晚夕卡岩阶段透辉石中含子矿物包裹体也显示较高的均一温度（451～580 ℃）和盐度（w（NaCl，eq）＝39.3%～60.7%）；石英－硫化物阶段石英中的包裹体均一温度分为320～450℃和108～291℃两个区间，其盐度平均值分别为13.0%和7.5%。以上特征显示在岩浆侵入早期的成矿温度较高，主要形成磁铁矿，而随着温度的降低，逐渐形成含金铜磁铁矿矿体。

综上所述，磁铁矿主要形成于早期的高温阶段，形成温度320～450℃，而金、铜、银等矿物形成于晚期的中、低温阶段，形成温度150～300℃。

5.3 成矿时代

对于铜井铜金矿床的成矿时代，前人对其进行了许多研究。王永［8］等对沂南铜井岩体闪长玢岩中的锆石进行了U－Pb同位素测定，206Pb／238U的加权平均年龄值为128～129Ma，说明铜井岩体的侵位时间应为早白垩世。胡芳芳［1］等对沂南金厂矿床早夕卡岩期的黑云母单颗粒进行了Rb－Sr等时线测试，其年龄为133Ma±6Ma；晚夕卡岩期的黑云母单颗粒Rb－Sr等时年龄128Ma±2Ma。宋明春［11］等对铜井地区的铜汉庄岩体、花山岩体中的黑云母进行K－Ar同位素测年获得岩体的年龄分别为121.6Ma，127.14Ma，129.51Ma。李洪奎［12］等对铜井井下154m处矿石中的锆石进行的SHRIMP U－Pb同位素测年年龄为128Ma±2.6Ma。

综合以上数据可以说明，铜井杂岩体的侵位时间应在128～129Ma，成矿时间应滞后岩体大约5～10Ma，沂南铜井铜金矿床成矿时间约为120Ma，属于早白垩世晚期，这与区域上中生代鲁西金矿的成矿时间基本一致。

5.4 矿床成因分析

在早白垩世早期，太平洋板块向欧亚板块俯冲［13］，造成郯庐断裂发生大规模的NE向平移［14－15］，并造成铜井杂岩体的侵入；由于闪长岩和闪长玢岩的大规模侵入，并沿泰山岩群的不整合面、灰岩与页岩层理或层间滑拖等破碎空间接触形成夕卡岩。在夕卡岩形成阶段，成矿物质主要来自岩浆；随着构造活动，伴随着岩浆侵入，使含铁的热液沿断裂上升，在一定构造部位产生接触交代作用。由于围岩中Ca，Mg等成分的进一步加入，使含矿热液的介质条件显著改变，随着温度、压力条件的下降，促使磁铁矿在构造有利部位沉淀、富集而形成磁铁矿和部分透辉石和大量的含水硅酸盐矿物等。岩浆后期，由于岩体的温度和压力进一步下降，残余的含矿溶液在中低温作用下，进一步对围岩和早期夕卡岩、磁铁矿发生交代作用，生成大量的热蚀变矿物透辉石、绿帘石、绿泥石、石榴石、石英、云母、滑石、阳起石，以及黄铁矿、黄铜矿、斑铜矿、银金矿等金属硫化物。

图4 沂南县铜井铜金矿床成矿模式图Fig.4 Metallogenic model of Tongjing Cu－Au deposit，Yinan county

根据区内矿石矿物的特点、矿物成分、结构构造、围岩蚀变、成矿特点等特征分析，沂南铜井铜金矿床属接触交代型铜金磁铁矿矿床［16］。

5.5 成矿模式探讨

根据沂南铜井铜金矿床的成矿地质特征，结合沂南县铜井、白石窝地区深部找矿经验，以及铜井杂岩体周围具有多期次、多层位成矿的特点，沂南县铜井地区铜金矿床成矿模式［17］可归纳为“地上六层楼”和“两个地下室”模式，即新太古界泰山岩群与新元古代震旦系土门群之间的不整合面，新元古界震旦系土门群上部灰岩与页岩之间的层间破碎带，寒武系长清群李官组、朱砂洞组下部、馒头组石店段、以及寒武系九龙群张夏组、崮山组、炒米店组赋矿层位。成矿模式详见图4所述。

6 结论

本文对沂南县铜井铜金矿床的深部地质特征进行了论述，阐述了深部矿体的赋存特征，建立了成矿模式，并得出以下结论：

（1）根据碳、氧、硫同位素数据分析，沂南铜井金矿床的成矿物质主要来源于深源岩浆，在上侵过程中有围岩成分和上部流体的加入。

（2）矿石矿物的形成温度范围：磁铁矿主要形成于早期的高温阶段，形成温度320～450℃；而金、铜、银等矿物形成于晚期的中、低温阶段，形成温度150～300℃。

（3）U－Pb，Rb－Sr，K－Ar同位素年龄分析表明，铜井杂岩体的侵位时间为128～129Ma，矿床的形成时间约为120Ma，属早白垩世晚期。

注释：

① 山东省沂南县铜井矿区深部及外围铜金矿详查报告.济南：山东省黄金集团公司，2008.

［1］胡芳芳，王永，焦鹏，等.鲁西沂南金场夕卡岩型金铜矿床矿化时代与成矿流体研究［J］.岩石学报，2010，26（5）：1503－1511.

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［5］董树义，顾雪祥，翟裕生，等.山东沂南金矿不整合面控矿作用［J］.矿物学报，2007（Z1）：545－546.

［6］顾雪祥，董树义，刘丽，等.山东沂南金－铜－铁矿床成矿条件分析——兼论不整合面的控矿作用［J］.矿物岩石地球化学通报，2008，27（3）：254－268.

［7］顾雪祥，董树义，王银宏，等.不整合面的控矿内生金属成矿的新实例：山东沂南金铜铁矿床［J］.现代地质，2008，22（2）：151－161.

［8］王永，范宏瑞，胡芳芳，等.鲁西沂南铜井闪长质岩体锆石UPb年龄、元素及同位素地球化学特征［J］.岩石矿物学杂志，2011，30（4）：553－566.

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