紫金山矿床露采铜矿石贮存原因初探

周友清

(紫金矿业集团股份有限公司，厦门，361015)

紫金山铜金矿属高硫化浅成低温热液型铜金共生矿床[1]。金矿体产于潜水面以上的氧化带中，铜矿体分布于潜水面以下的原生带中，具典型的“上金下铜”矿化垂直分带特征。但随着金矿露采的不断推进，露采场东北部铜金矿联合露采金矿境界外、铜矿境界内800 m标高以上平台还大量揭露蓝辉铜矿、铜蓝矿石，局部显示铜矿石矿化好、品位高的特点，引发了对紫金山铜矿床原生次生成因的争论。阮诗昆等[2]根据紫金山矿区800 m标高以上平台大量揭露蓝辉铜矿、铜蓝矿石这一现象，提出矿区铜矿床是次生成因的观点；而邱小平等[3]根据紫金山铜金矿内蓝辉铜矿的形成深度及其矿石结构构造类型，提出矿区铜金矿床是典型的浅成低温热液矿床。从矿相学的结构构造和反光显微镜下分析更偏向矿区铜金矿床为热液成因这一观点。但对于矿区露采东北部高山区域大量揭露高品位铜矿石现象，至今没能给出合理的解释。笔者从水文地质工程地质专业角度入手，叙述了气候和地形地质条件、次火山活动、断裂构造、岩性特征等因素与紫金山铜金矿床氧化特征的相关性，初步揭露了矿区铜金矿床不均一氧化特征及其氧化带发育的影响因素。

1 矿区地质特征

紫金山矿区位于北东向金山—中寮断裂和北西向铜石—紫金山断裂交会部位。矿区大面积出露燕山早期花岗岩(紫金山复式岩体)，岩性从粗粒花岗岩到细粒花岗岩，其次是分布于紫金山火山通道内燕山晚期的次火山岩、火山周边和沿北西向构造裂隙充填的隐爆角砾岩和英安玢岩(图1)。

图1 紫金山矿区地质简图 Fig.1 The geological sketch map of Zijinshan deposit

区域构造活动十分强烈，以北东向和北西向为主，北东向主断裂与北西向构造交会处控制了区域矿床、矿点的产出和北东向的展布，以及火山机构的产出，北东向复式背斜控制区内岩浆的侵入，是该区的控岩控矿构造[4]。

2 矿床及其氧化特征

2.1 矿床特征

矿区铜金矿体容矿岩石和贮矿围岩基本一致，主要是中细粒花岗岩，其次是隐爆角砾岩和英安玢岩。金铜矿脉、隐爆角砾岩脉和英安玢岩脉在空间上呈三位一体，产状基本一致，整体走向北西，倾向北东。上部是金矿床，下部是铜矿床[5]。

金矿床：产于潜水面以上的氧化带中，主要在标高650 m以上地段。矿体多呈脉状、透镜状，个别具有分枝复合，尖灭再现现象。矿体走向北西，倾向北东。蚀变为矿化富集中心(北西向构造密集带)的强硅化，向外、向下为石英-地开石化带、石英-地开石-明矾石化带、石英-绢云母化带，强硅化带一般发育于近地表，金矿体贮存于上部的强硅化带内。矿石成分简单，金属矿物主要为褐铁矿、针铁矿，脉石矿物石英占90%以上。

铜矿床：分布于600 m标高以下的原生带中。矿体多为似层状、透镜状，少数呈脉状，矿体产状与上部金矿体基本一致。高硫热液蚀变特征矿物明矾石在矿区广泛分布，分带明显，围绕北西向构造密集带(矿化中心)向下、向外分别是石英-明矾石化带(石英-地开石-明矾石-绢云母化带)和石英-绢云母化带。矿石中金属矿物简单，以热液成因的蓝辉铜矿、铜蓝为主，并少见黄铜矿。属于斑岩-高硫型浅成中低温热液铜矿床。

2.2 矿床氧化特征

紫金山铜金矿床氧化带极为发育(图2，3)，矿区氧化带总体分布规律是东北坡浅、西南坡深，走向方向是北西浅、南东深*福建省闽西地质大队，福建省上杭县紫金山铜金矿区西北矿段铜矿详查地质报告，1993。*福建省闽西地质大队，福建省上杭县紫金山铜金矿区西北矿段金矿详查地质报告，1994。。F1-4断裂北西侧与东南侧氧化特征差异明显，F1-4断裂西北侧氧化带自1 138 m向下，沿山体走向标高600 m，中间发育深度达550 m，边缘深度几米至数十米，氧化带呈中间深，两边浅的“浅锅”状，中部地形高，氧化深度反而更深，氧化带内的矿岩氧化较彻底，矿床三带(氧化带、混合带、原生带)呈常态性分带；F1-4断裂东南侧氧化带发育深度超过600 m标高，达到-30 m标高，氧化带内的矿岩氧化极不均一，在氧化带内部夹厚状未风化岩体，氧化带、混合带相间重复出现。

图2 紫金山矿区4线地质剖面图Fig.2 Diagram showing the geological profile in the No.4 exploration line in Zijinshan deposit1—中细粒花岗岩；2—细粒花岗岩；3—隐爆角砾岩；4—英安玢岩；5—金矿体； 6—铜矿体；7—弱风化带底界

图3 紫金山矿区C-C′地质纵剖面图 Fig.3 Diagram showing the geological profile in the c-c' exploration line in Zijinshan deposit1—细粒花岗岩；2—中细粒花岗岩；3—英安玢岩和隐爆角砾岩；4—花岗闪长岩；5—花岗闪长斑岩；6—断裂构造；7—弱风化带底界

3 矿床氧化特征影响因素

3.1 与气候、地形以及岩性特征的关系

一般情况下，地势险峻处及山体上部，地表水径流排泄快，风化剥蚀作用强，其氧化带发育深度较小，反之，地势低洼处及山体下部，因地表水径流排泄较前者慢，有利于地下水的氧化溶蚀，故其氧化带的发育深度就大。气候因素主要通过气温、降雨量表现的，在温暖潮湿的环境下，气温高、降雨量大，有利于氧化带的发育。对于金属硫化物矿床，地下水的氧化溶蚀作用首先沿构造裂隙发育及金属硫化物富集部位进行，随后沿先期氧化溶蚀通道向四周及下部扩展，因此，构造裂隙发育及金属硫化物富集部位氧化带的发育深度往往较其它区域大[6]。紫金山矿区属于亚热带季风气候，年平均气温为20.1℃，年平均降雨量为1 676.6 mm，最大降雨量2 502 mm，最小降雨1 048.4 mm，这种温暖潮湿、雨量充沛的气候条件有利于氧化带的发育。但新构造运动以来紫金山处于隆升地段，地形切割强烈，主峰麒麟顶标高1 138.13 m，最低侵蚀基准面标高188.9 m，相对高差940.13 m，地表水径流短、排泄快，不利于氧化带的发育。因此，矿区除次火山相和隐爆相出露地表及F1-4断裂东南侧次火山相英安玢岩和隐爆相隐爆角砾岩底部的呈浅成侵入岩区域外，地表氧化带发育深度普遍较小。

3.2 与F1-4断裂构造的关系

矿区断裂构造比较发育，以北东和北西向为主，其次是北北东向和东西向断裂，紫金山铜金矿床氧化特征与断裂构造活动极为密切，其中以F1-4断裂构造对矿床氧化带的发育最为明显。F1-4断裂总体走向50°，倾角75°，具先压后张扭力学结构面特征，断裂带内岩石较破碎，裂隙较发育。

矿区井巷施工揭露到其它断裂时，大多呈现先涌水，后逐渐枯竭的现象，但井巷揭露至F1-4断裂时，井巷四周大量淋水，采用混凝土堆砌后，从堆砌的混凝土预留的排水孔中一年四季都有水流排出，枯期测得流量0.2～1.5 L/s。

随着矿山露采台阶的下降及深部井巷工程的推进，矿区地下水潜水面较勘探期间下降了近300 m，而距矿区约2 km的罗卜岭矿段，在2012～2013年勘探期间，分水岭临近紫金山矿区一侧F1-4断裂区域内，钻孔揭露潜水位落到风化带之下，潜水含水层(终孔稳定水位界面至弱风化岩底界之间的含水层)完全消失。ZK12～ZK272揭露到F1-4断裂时，漏水、孔口不返水。

露采揭露断裂带最大宽度约60 m，断裂带两侧金矿境界外大部分为完整的微风化岩体，而在F1-4断裂内600 m金矿开采境界标高仍未揭穿弱风化带，断裂带内矿岩氧化较彻底，岩石呈砂土状、散体状。种种迹象显示，F1-4为弱导水断裂，局部导水性可达中等。

燕山晚期火山侵入相在矿区火山通道下部F1-4断裂东南侧次火山相英安玢岩和隐爆相隐爆角砾岩底部的呈浅成侵入岩，岩性为中细粒花岗闪长岩和花岗闪长斑岩。侵入岩岩体较破碎，尤其是中细粒花岗闪长岩，岩体内部构造裂隙极为发育，岩芯呈块状、碎块状，具强黄铁绢英岩化、黄铁绢英岩化、绢英岩化等蚀变，岩体内黄铁矿呈脉状、网脉状、团块状或细脉浸染状分布，含量3%～8%，局部可达10%。当F1-4导水断裂地下水流经中细粒花岗闪长岩时，因其构造裂隙发育、岩体较破碎，为地下水提供了良好的先期氧化溶蚀通道，同时因含大量稳定性差，抗氧化能力，在表生作用下极易氧化、分解的黄铁矿，加速了地下水的氧化溶蚀速度。

F1-4断裂的导水特性为地下水氧化溶蚀创造了良好的条件，最终导致F1-4断裂构造活动部位氧化带发育深度大，且氧化彻底；F1-4断裂东南侧次火山相英安玢岩和隐爆相隐爆角砾岩底部的呈浅成侵入岩氧化带发育深度超过600 m标高，局部达-30 m标高的氧化现象。

3.3 与紫金山次火山活动的关系

北东向F1-4断裂与北西向构造交会部位控制了紫金山次火山活动，导致矿区侵入岩体在F1-4断裂西北、东南侧岩体分布及氧化特征的差异。

3.3.1 与英安玢岩和隐爆角砾岩出露形态的关系

矿区燕山晚期的隐爆角砾岩和英安玢岩在紫金山火山机构岩筒的西北、东南呈“螃蟹状”出露地表；呈隐伏状沿北西或北东向构造裂隙侵入紫金山火山机构周围岩体。其中，“蟹脚”分布于F1-4断裂的西北侧，“蟹身”分布于F1-4断裂的东南侧，隐伏状隐爆角砾岩和英安玢岩则在F1-4断裂两侧均有分布。二者出露形态对矿区氧化带的发育特性，其一，使中细粒花岗岩因次火山-隐爆作用而进一步碎裂，为地下水提供了良好的先期入渗通道；其二，因与侵入岩体未接触一侧的岩体，受次火山-隐爆作用影响相对较弱，岩体碎裂程度较接触部位相对较小，以及隐爆角砾岩、英安玢岩胶结好，结构致密，其节理裂隙较中细粒花岗岩欠发育的特点，而这些沿北西向构造裂隙侵入的隐爆角砾岩、英安玢岩岩脉发育于山脊由北东向南再向南西山体走势呈“S”型，走向又与山坡坡向近于垂直，故以脉状出露地表的隐爆角砾岩、英安玢岩岩脉及与侵入岩体未接触一侧的中细粒花岗岩体，形成了一道道透水性相对差的“挡水坝”，大大降低了地下水侧向的流失速度及地下水沿山坡方向向下的氧化、剥蚀速度，为入渗的地下水提供了良好的贮存空间，给“挡水坝”内的地下水氧化、溶蚀、运移创造了良好的时、空条件。

隐爆角砾岩和英安玢岩侵入过程携带有大量的金属硫化物，并在侵入岩体及其围岩构造裂隙内大量富集。金属硫化物的稳定性差、抗氧化能力弱，在表生作用下，极易氧化、分解的特性，加速了地下水的氧化、溶蚀速度，改变着地下水的酸碱度(pH值)。这就是形成矿区隐爆角砾岩和英安玢岩呈脉状似“蟹脚”出露地表区域氧化带呈中间深，两边浅的“浅锅”状，中部地形高，氧化深度反而更深的原因，也是紫金山金矿床在该区域内富集成工业矿体的原因。

隐爆角砾岩和英安玢岩大面积出露地表或呈隐伏状沿北西或北东向构造裂隙侵入紫金山火山机构周围岩体区域，则因其地表部分岩性均一，岩石结构构造、矿物组合、裂隙发育程度等大致相同，地下水渗入、氧化、溶蚀作用及岩石抗风化能力等条件基本趋于一致，金属硫化物氧化解离后随地下水向径流排泄快，不利于金的络合物重新解离吸附沉淀富集。地表氧化带发育深度较隐爆角砾岩和英安玢岩呈脉状出露地表区域发育浅。这就是隐爆角砾岩和英安玢岩似“蟹身”大面积出露地表或呈隐伏状沿北西或北东向构造裂隙侵入紫金山火山机构周围岩体区域，往往构成低品位矿体富集，金矿贫化或金矿化相对较弱的原因[7]。

3.3.2 与次火山相和隐爆相以及火山侵入相侵位的关系

紫金山火山活动属V级火山构造，是上杭火山喷发盆地(Ⅳ级构造)的次级喷发中心。次火山活动发生于燕山晚期，来自深大断裂的钙碱性花岗闪长岩-英安岩岩浆，在陆内拉张的构造环境下，沿深大断裂上侵，在矿区北东向构造F1-4与北西向断裂构造交会处形成中心式火山喷发。火山活动经历了爆发-喷溢-次火山侵入-隐爆-火山侵入的演化阶段。

次火山活动除造成矿区F1-4断裂两侧岩性及氧化特征的差异外，同时还导致了两侧岩体产状上的差异。F1-4断裂西北侧，为燕山早期侵入的紫金山复式岩体，岩体内部裂隙倾角较缓(20°～30°)(照片1A)，地下水在裂隙内部流动速度较缓，不利于地下水向深部的氧化溶蚀；F1-4断裂东南侧，受紫金山火山活动次火山相和隐爆相以及末期火山侵入作用浅侵入岩侵位的影响，造成岩体内部裂隙产状变陡(60°～80°)(照片1B，1C)，有利于地下水向深部的径流氧化溶蚀，其下部氧化带的发育自然较北西侧深。

3.4 与蚀变的关系

紫金山矿区岩石蚀变极为强烈，除燕山晚期花岗闪长岩体和部分花岗闪长斑岩外，所有岩体均已全岩蚀变。主要蚀变类型有硅化、明矾石化、地开石化和绢云母化。

金矿床就贮存于上部的强硅化带(氧化带)内，该蚀变带显著特征是淋漓硅化孔洞状石英极为发育，且在淋漓石英孔洞内能见到重结晶的石英颗粒、石英簇及石英次生加大现象(照片2)，铜矿床贮存于原生带中。金矿石和铜矿石矿物组分和化学成分分析(表1，2)。

金矿石与铜矿石及与矿体围岩相比，金矿床氧化淋漓次生富集过程中，紫金山矿区复式岩体中的地开石、明矾石等矿石内的Al3+、Na+、K+、Ca2+明显被带出流失，同时带入大量SiO2成分，反映了矿床在氧化淋漓环境下经历强酸性流体的强力改造。

照片1 F1-4两侧裂隙倾角对比照片Photo.1 Contrast photos of F1-4 side fissures

照片2 淋漓孔洞状石英Photo.2 Quartz like the dripping wet hole

表1 金矿石与铜矿石主要矿物成分统计

表2 不同类型岩矿石化学分析结果

注：除Au单位为×10-6，其余单位为×10-2

紫金山矿区燕山早期花岗岩偏酸性(包裹体测定，pH值为3.46～4.13)。据国际矿床最新研究资料，石英-明矾石-黄铁矿稳定共存的条件是pH值为3.5～4.5；孔洞状石英是强酸环境下(pH值≤2)岩石被强酸溶解(蚀)淋漓的产物。说明淋漓硅化孔洞状石英并非早期矿化蚀变形成，而是后期表生氧化淋漓的产物。淋漓硅化孔洞状石英、孔洞内重结晶的石英颗粒、石英簇及石英次生加大现象，说明淋漓硅化蚀变过程地下水经历了由弱酸→强酸再由强酸→弱酸的循环。

是金属硫化物稳定性差、抗氧化能力弱的特性及气象条件的变化导致了地下水由弱酸→强酸再由强酸→弱酸的循环。以黄铁矿为例，其氧化反应方程式如下：

2FeS2+7O2+2H2O—→2FeSO4+2H2SO4

(1)

生成的硫酸亚铁不稳定，进一步氧化成硫酸铁和氢氧化铁

12FeSO4+3O2+6H2O—→4Fe(OH)3↓+ 4Fe2(SO4)3

(2)

氢氧化镁经脱水后形成黄钾铁矾-褐铁矿-针铁矿-赤铁矿系列矿物，其中主要为褐铁矿。硫酸铁作为氧化剂又与黄铁矿反应

FeS2+3O2+2H2O+ Fe2(SO4)3—→3FeSO4+2H2SO4

(3)

黄铁矿循环氧化反应方程式显示，金属硫化物的氧化反应与水及水中游离氧的关系极为密切。在自然条件下，地下水水中的游离氧含量较低，且随着深度的加深而逐渐减少，水中游离氧消耗后重新获得补充的条件，亦随着深度加深而逐渐降低，因此，金属硫化物剧烈的氧化反应实际发生在地下水游离氧补给条件较好的地下水沿裂隙补给潜水含水带径流通道及潜水含水带表面附近，说明金属硫化物氧化引起地下水酸碱度(pH值)改变首先由潜水带表面开始，然后逐渐向深部水体扩散。

在枯水期或干旱季节，地下水得到的补给量少，随着金属硫化物循环氧化对地下水的消耗及地下水自然蒸发损耗等因素的影响，“挡水坝”内的地下水酸性逐渐增强，这一现象正好解释了氧化带内淋漓硅化孔洞状石英极为发育及地开石、明矾石被氧化淋漓的原因；随着丰水季节的到来，地下水的补给条件得到了极大的改善，“挡水坝”内的地下水被稀释后酸性逐渐降低，水中的SiO2离子及随金属硫化物的氧化解离生成向下迁移的金的络合物则随酸碱度(pH)值的变化，在岩石构造裂隙或溶蚀孔洞内重新解离吸附沉淀富集作用。而铜矿物氧化形成的硫酸铜溶液因其具有很大的溶解性，在缺乏碳酸盐介质的情况下，不能形成稳定的铜的次生矿物，最终随地下水排泄流失，这也是在氧化带内铜矿床贫化的原因。因此，受金属硫化物易氧化分解的作用，改变着地下水酸碱度(pH值)特性的影响，在紫金山金铜矿区金属化物富集区域，地开石化、明矾石化等蚀变矿石矿物，对矿床的氧化起到了推动的作用。

3.5 地壳隆升运动对矿床氧化特征的影响

新构造运动以来紫金山处于隆升地段，地下水向下强烈的氧化溶蚀作用为紫金山铜金矿床氧化带的发育以及最终成为世界级的特大型氧化金矿床创造了良好的条件。

F1-4断裂东南侧，伴随地形不断抬升和潜水面的不断下降，加速了地下水沿陡倾角裂隙及碎裂浅成侵入岩向下氧化溶蚀速度，最终导致F1-4东南侧氧化带发育深度大且不均一、氧化带内夹厚大未风化岩体及矿床三带非常态分布等特点；F1-4西北侧，岩体内部裂隙倾角较缓，地下水在裂隙内部流动速度较缓，随着地形的抬升，地表地形变陡，地表水径流短、排泄快，加快了地表(下)水的风化剥蚀速度，不利于地表氧化带的保留，因此，该侧除隐爆角砾岩和英安玢岩呈脉状似“蟹脚”出露地表区域外，氧化带的发育均较浅。而“蟹脚”区域，受紫金山地壳隆升的影响，潜水面、氧化带亦不断下降、加深，但其并未像东南侧出现氧化带发育不均的现象，究其原因，除“蟹脚”自身的“挡水坝”作用外，还与矿区所处的自然气候因素有关，温暖潮湿、多雨的气候条件，为“挡水坝”提供了充足的水源，给“挡水坝”内地下水循环氧化溶蚀创造了良好的条件，最终造就了氧化深度大、矿石氧化彻底的紫金山式氧化金矿床。

4 结论

紫金山矿区露采东北部高山区域贮存大量高品位铜矿石，是矿区气候和地形地质条件、围岩蚀变、次火山活动、断裂构造等因素联合作用下，铜金矿床不均一氧化的产物，其中北东向F1-4断裂直接或间接影响了紫金山铜金矿床氧化带的发育，是紫金山铜金矿床不均一氧化重要的影响因素之一。

矿区露采铜矿石贮存区域位于F1-4断裂的北西侧，即隐爆角砾岩和英安玢岩呈脉状似“蟹脚”出露地表区域东部与F1-4断裂北西部所形成的三角地带。该区域地表部分岩性均一(岩性为中细粒花岗岩)，岩石结构构造、矿物组合、裂隙发育程度等大致相同，地下水渗入、氧化、溶蚀作用及岩石抗风化能力等条件基本趋于一致，因而，其氧化带的发育及氧化特征基本相同。而其周边区域因构造裂隙发育及局部富含金属硫化物(东南侧F1-4断裂导水，F1-4控制的次火山相、隐爆相、火山侵入岩侵位形成陡倾角裂隙及强黄铁绢英岩化碎裂花岗闪长浅侵入岩；北西侧隐爆角砾岩和英安玢岩呈脉状似“蟹脚”侵入地表使中细粒花岗岩因次火山-隐爆作用而进一步碎裂及其侵入过程携带大量稳定性差、抗氧化能力弱的金属硫化物；北部区域为悬崖峭壁)，地表(下)水在重力作用下，优先沿构造裂隙发育、金属硫化物富集部位氧化溶蚀及地表悬崖峭壁径流的特性，使隐爆角砾岩和英安玢岩呈脉状似“蟹脚”出露地表区域东部与F1-4断裂北西部所形成的三角地带成为氧化溶蚀速度较其它区域慢的“孤岛”。伴随紫金山地区地形的不断抬升和潜水面的不断下降，地下水沿先期构造裂隙发育及金属硫化物富集部位氧化溶蚀通道强烈下切的结果，使“孤岛”内部原生硫化物矿石最终得以完好保存。

1 王翠芝.紫金山铜金矿明矾石交代蚀变岩的岩石地球化学特征.地球科学进展,2013，8.

2 阮诗昆,张定才,龚建生.紫金山金矿露采铜矿石赋存形态及成因初探.资源环境与工程,2009,23(2).

3 刘羽,刘文元,王少怀.紫金矿铜蓝-蓝辉铜矿的矿物成分研究.矿物学报,2010，52.

4 张锦章.紫金山矿集区地质特征、矿床模型与勘查实践.矿床地质,2013,32(4).

5 陈景河.紫金山铜(金)矿床成矿模式.黄金 ,1999,20(7).

6 罗进权.福建紫金山金矿氧化特征.贵州地质, 2009,26(3).

7 周友清.福建紫金山矿区金矿床次生富集规律初探.贵州地质,2015,32(2).