塔里木盆地西北缘志留系砂岩型铜矿床地质特征及地球化学意义

张 磊，叶 雷，余子昌，帅 磊 ，刘志强，管 诰

( 有色金属矿产地质调查中心，北京 100012)

0 引言

砂页岩型铜矿是众多铜矿矿床类型中重要的一种，目前在我国塔里木盆地、云南滇中、滇西盆地、四川会理盆地、湖南衡阳、沅麻盆地、甘肃天鹿、内蒙古中部盆地等均发现有沉积岩型或砂岩型铜矿床[1-3]。塔里木盆地作为重要的资源、能源产出区带，沿塔里木盆地西、北缘已经发现有众多的砂岩型铜矿，其中典型的有塔里木西南缘大型萨热克铜矿、西缘中型伽师铜矿及北缘中型滴水铜矿[4-5]。随着众多矿床(点)的发现，显示区带上砂岩型铜矿成矿潜力巨大，使塔里木西北缘成为我国重要的砂砾岩型铜矿床成矿带。

柯坪塔格前陆盆地位于塔里木盆地西北缘，属于塔里木成矿省塔里木陆块北缘隆起的柯坪塔格(前陆盆地)Pb-Zn-Cu-Fe-V-Ti-REE-磷矿带[6]，砂岩型铜矿作为该矿带内重要的成矿类型，新生代陆相砂岩型铜矿——伽师铜矿是区内典型代表，围绕该矿床开展的地质调查工作，发现了一批矿(化)点，但多数未能形成工业规模。针对新生代砂岩型铜矿的调查过程中发现下志留统柯坪塔格组砂岩地层中有广泛的铜矿化现象，具有典型的原始沉积特征，局部铜矿化带在后期构造叠加作用下形成了具有一定规模的铜矿床——莫洛克斯铜矿。这表明柯坪塔格前陆盆地早古生代砂岩地层中同样具有形成砂岩型铜矿的潜力，这为在塔里木盆地西北缘寻找砂岩型铜矿提供了新方向。

1 区域地质背景

柯坪前陆盆地位于塔里木盆地西北缘，属于塔里木微板块之下的Ⅲ级构造单元，南以柯坪塔格—沙井子断裂为界，北至乌恰—阿合奇断裂(图1b)，盆地受晚古生代普昌深大断裂及新生代逆冲推覆断裂的作用，形成近平行排列，错落分布的多个单面山，局部发育向斜褶皱及构造断块。盆地内广泛分布有寒武系至第四系各套沉积地层，变质程度低，区域岩浆岩不发育，局部仅有少量基性岩体、脉岩出露。

图1 莫洛克斯铜矿区大地构造位置图(a)与莫洛克斯铜矿区地质图(b)(据文献[6]修改)

柯坪前陆盆地是在塔里木前寒武基底之上以古生界沉积叠合中—新生界沉积形成的坳陷盆地。早古生代上寒武统—下奥陶统丘里塔格组 [(∈3O1)q] 为一套局限台地相-开阔台地相的碳酸盐建造；下志留统—中下泥盆统包括上志留统柯坪塔格组(S1k)、中—顶志留统塔塔埃尔塔格组(S2-4t)、中—下泥盆统依木干他乌组(D1-2y)，主要岩性为紫红色、灰绿色的碎屑岩建造，沉积环境由志留纪还原环境为主转到中—下泥盆世氧化、还原环境交替出现的热带—亚热带湿润环境，沉积相由海进转为海退海进交互型前滨亚相-潮坪相-泻湖相；上泥盆统克孜尔塔格组(D3k)主要岩性为砖红色岩屑石英砂岩，为一套正常碎屑岩建造，表现为干旱平原砂垄、砂盖相。

区域上晚震旦世—早奥陶世时属于塔里木板块被动陆缘盆地，主要表现为陆内裂陷盆地—伸展造山耦合；在中晚奥陶世—泥盆纪时为克拉通内滨浅海陆源碎屑坳陷盆地发育阶段，主要表现为陆内挤压盆地-挤压造山耦合[7]。

2 矿区地质特征

2.1 地层与含矿岩层

矿区内主要出露的地层为上寒武统—下奥陶统丘里塔格组[(∈3O1)q]与上志留统柯坪塔格组(S1k)，两者为平行不整合接触关系，局部受构造推覆作用形成断层接触。

上志留统柯坪塔格组(S1k)岩性主要为褐红色、灰绿色泥岩、细砂岩、岩屑砂岩，为一套潮坪相-浅海陆棚-滨岸沉积的碎屑岩建造。其中柯坪塔格组(S1k1)为砂岩型铜矿含矿建造，具体又划分出3套(地层由新到老Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)含矿岩层(图2)。

Ⅰ含矿岩层〔S1k1(ss+ms)〕：岩性为灰绿色中层状岩屑石英砂岩夹薄层状泥质粉砂岩(图2-Ⅰ-1)，铜矿化发育于岩屑石英砂岩中，以孔雀石为主，呈薄膜状、星点状，分布与砂岩裂隙面及与泥质粉砂岩接触面附近(图2-Ⅰ-2)。含矿岩层顶底均为褐红色泥岩、粉砂质泥岩。

Ⅱ含矿岩层〔S1k1(qss)〕：岩性为浅灰黄色、灰白色岩屑石英砂岩，走向延伸稳定，厚度1～5米(图2-Ⅱ-1)。岩屑石英砂岩中可见大量褐色油斑、褐铁矿化等蚀变，局部蚀变强烈区段有孔雀石矿化(图2-Ⅱ-2)。

Ⅲ含矿岩层〔S1k1(cuss)〕：该层砂岩为后期褪色蚀变形成，宏观为灰绿色，浅灰黄色，位于柯坪塔格组下段底部，多在柯坪塔格组与丘里塔格组接触界面处，走向上厚度变化极大，蚀变岩石组合为灰绿色钙质砂岩、粉砂岩夹少量泥岩(图2-Ⅲ-1)。铜矿化主要集中在该蚀变砂岩中，可见面状孔雀石，分布于整个砂岩中，尤其以裂隙面上矿化强烈，局部可见辉铜矿、黄铁矿、铜蓝等(图2-Ⅲ-2)。

图2 柯坪塔格组下段含矿岩系露头及矿化特征

2.2 构造

矿区西侧1 km为皮羌断层，断裂造成含矿地层走向错断800～1000 m；矿区南侧为柯坪塔格逆冲推覆断裂，矿区即位于断层上盘。两大断层的叠加形成了矿区的断裂体系(图1)。

左行平移断层：断层延伸长度为1～2 km，走向上垂直于地层，切穿含矿层及顶、底部的泥岩、灰岩层。断层全部为张剪性断层，断距为10～50 m，宏观形成5～20 m的破碎带，其中有断层角砾、断层泥等，含矿层附近有强烈的褐铁矿化、褪色蚀变现象。

NW向张性断层：宏观具有等距产出特征，间隔300～500 m，断层主体产于丘里塔格组灰岩地层中，向北延伸后切穿含矿层后，在柯坪塔格组砂、泥岩中尖灭。断层无明显错动，在脆性灰岩中形成张性裂缝，其走向为320°～350°，近直立产出，部分与矿化蚀变关系密切。

不整合界面：柯坪塔格组与下伏丘里塔格组之间为平行不整合接触关系，两者岩性刚性差异较大(前者为砂岩、泥岩；后者为碳酸盐岩)，在区域推覆作用下形成层间滑动，该不整合面(局部为断层)是重要的流体活动界面，在界面之上碎屑岩地层中形成了广泛的褪色蚀变。

3 矿床地质特征

3.1 矿体特征

矿区圈出铜矿体3条，集中于Ⅲ含矿岩层中，在Ⅰ、Ⅱ含矿岩层中圈出多条铜矿化体(图2)。

Ⅲ-1号铜矿体平均品位为0.57%，真厚度约为1.37 m，走向延伸约520 m；Ⅲ-2号铜矿体走向上两端受左行平移断层夹持，中部被断层分割为两段，矿体铜的平均品位为2.5%，平均真厚度为1.33 m，走向延伸约240 m；Ⅲ-3号铜矿体西侧被切层张性断层截断，矿体铜的平均品位为0.81%，真厚度为4.76 m，走向延伸约110 m。矿体产于灰色岩屑砂岩中，产状与地层一致，主要以孔雀石化为主，少量铜蓝、辉铜矿，未见原生矿。Ⅱ铜矿化体真厚度为2.63 m，铜的品位为0.36%，走向延伸约110 m，矿化受控于含矿砂岩，含铜矿物以孔雀石为主，少量辉铜矿。Ⅰ-1、Ⅰ-2两条铜矿化体，铜的平均品位为0.14%，真厚度为0.5～1 m，走向延伸为180～240 m，矿化体呈层状，透镜状，含铜矿物以孔雀石为主。

3.2 矿石特征

3.2.1 矿石类型

含矿岩石主要有中粒岩屑石英砂岩、长石石英砂岩、岩屑砂岩以及少量细砂岩、粉砂岩。矿区地表矿石类型全部为氧化矿，含铜矿物基本为孔雀石，少量辉铜矿、黄铜矿。

3.2.2 矿物组成

矿区主要含铜矿物为孔雀石、辉铜矿，少量黄铜矿、铜蓝，其他金属金属矿物较少，仅见少量方铅矿、黄铁矿、褐铁矿、磁铁矿等，呈半自形、他型、粒状分布于碎屑颗粒间。孔雀石呈胶状充填于碎屑颗粒间，为黄铜矿的次生矿物，主要粒径为0.01～0.2 mm。辉铜矿不均匀浸染状分布于砂粒间，个别内部包含斑铜矿，少量黄铁矿，粒径为0.5～1.6 mm，成透镜体分布，褐铁矿化强烈。黄铜矿与方铅矿共生，不同程度的被铜蓝、孔雀石交代，主要粒径为0.01～0.2 mm。铜蓝颗粒细小，嵌布于砂屑胶结物或孔雀石中，常与辉铜矿、孔雀石紧密伴生。

3.3.3 矿石结构构造

矿石结构主要有粒状结构、交代残余结构、胶状结构等。矿石构造主要有团块状、薄膜状、浸染状、纹层状、网脉状等。Ⅰ含矿岩层主要为黄铜矿、辉铜矿呈稀疏浸染状，孔雀石呈薄膜状分布于砂岩中；Ⅱ、Ⅲ含矿岩层中以黄铜矿、辉铜矿、铜蓝等呈浸染状、团块状、纹层状分布于砂岩中，砂岩表面同时有薄膜状孔雀石。

3.3 围岩蚀变

莫洛克斯铜矿区最典型蚀变为砂岩的褪色蚀变，即褐红色砂岩经还原性流体交代蚀变后变成灰黄色、灰色，局部有明显的褐铁矿化。同时，伴随褪色蚀变，在矿化集中部位可见密集斑点状褐色、黑色油斑，这与柯坪塔格组为区域上重要的含油岩系吻合[8]，也表明塔里木西南缘砂岩型铅锌铜矿成矿与盆地含油气还原性流体密切相关[9-10]。此外，矿区围岩及断裂中还有碳酸盐化、黄钾铁矾化等蚀变。

4 地球化学特征

4.1 成矿元素特征

为了研究砂岩型铜矿原始沉积与后期流体蚀变对成矿的作用，本次按蚀变作用、矿化强度分类采集了4类样品(表1)，全部集中于柯坪塔格组下段中，分别为①原始沉积褐红色砂岩、褐红色岩屑砂岩；②灰绿色砂岩、蚀变灰黄色砂岩；③弱矿化砂岩(铜的品位约为0.1%)；④含矿砂岩(铜的品位>0.2%)。

表1 莫洛克斯铜矿区各岩层主要金属元素含量Table 1 List of the main metal element content of each rock formation in Morlocs copper mining area

由表1可见，柯坪塔格组下段原始沉积褐红色砂岩、岩屑砂岩中w(Cu)平均值为24.74×10-6，与全新疆Cu的背景值(25.00×10-6)相近，但略高于矿区所在1∶20万图幅的背景值(16.82×10-6)。此外，还原环境沉积的灰绿色砂岩及后期蚀变形成的灰黄色砂岩中w(Cu)平均值达到187.62×10-6，显著高于褐红色原始沉积砂岩层，为前者的7.5倍，表明原始还原性沉积环境(沉积形成稳定灰绿色砂岩层)即具有较高的Cu沉积背景，同时后期还原性流体与含矿岩层的蚀变作用使其Cu含量进一步升高。在其他主要成矿金属元素中，Pb含量与Cu有正相关性，其在蚀变砂岩、弱矿化砂岩、含矿砂岩中的w(Pb)平均值为66.31×10-6，较褐红色砂岩地层中w(Pb)平均值(12.78×10-6)富集作用明显，而其他Zn、W、Mo、Co、Ni等元素相关性不明显。

4.2 稀土元素特征

从稀土元素分布模式(图3)可见，褐红色砂岩、蚀变砂岩及矿化砂岩宏观特征相似，在球粒陨石标准化图中LREE/HREE比值介于5.67～11.35之间(表2)，为轻稀土富集，呈右倾模式。同时δEu值介于0.69～0.82之间，全部为负异常，δCe值介于0.87～0.99之间，为弱负异常，表明含矿砂与围岩物源一致。三种类型岩石的稀土总量略有差异，褐红色砂岩中∑REE的平均值为93.61，蚀变砂岩中∑REE的平均值为61.63，弱矿化砂岩与蚀变砂岩相似为65.37，矿化砂岩中∑REE的平均值为79.79，相对与褐红色砂岩，浅色砂岩或蚀变砂岩稀土总量有明显降低，其特征与滴水铜矿[11]、楚雄盆地砂岩铜矿[12]一致，代表褐红色砂岩在蚀变形成浅色砂岩过程中有稀土元素的带出。而含矿砂岩中稀土总量介于褐红色砂岩与蚀变砂岩之间，与楚雄盆地六苴铜矿、郝家沟铜矿一致[13]，可能表明成矿阶段伴随铜的卸载，也有稀土元素的带入。

图3 球粒陨石标准化稀土元素分布型式图(球粒陨石标准化值据文献[14])Fig.3 The chondrite-standardized distributionpattern diagram of REE [14]

4.3 砂岩构造环境与物源区分析

在Roser和Korsch(1988)[15]提出的砂岩-泥质岩构造背景及碎屑物来源的判别图(图4)中，莫洛克斯铜矿区含矿砂岩、蚀变砂岩及褐红色围岩砂岩分布相对集中，均在石英质沉积物源区；依据砂岩轻重稀土比值与稀土元素总量 La/Yb - ∑REE 图解[16]，矿区各砂岩均集中于沉积岩区(图5)。由此可见，莫洛克斯铜矿区各类砂岩尽管在后期蚀变过程中有稀土元素、主量元素的进出，但仍具有较为一致的源区特征，均表现为来自沉积岩物源区。

图4 砂岩的主要元素判别函数图解Fig.4 Discrimination diagram of main elements inthe sandstone samples

图5 砂岩样品La/Yb - ∑REE图解Fig.5 La/Yb - ∑REE diagram of the sandstone samples

Bhatia[17]提出了利用主量元素进行砂岩源区构造环境判别的方法，在w(Al2O3/SiO2) -w(Fe2O3T+MgO) 图解(图6)中，所有类型的砂岩大部分集中在被动大陆边缘环境区域中，3个离散样品也分布在被动大陆边缘环境区域周围；在w(TiO2) -w(Fe2O3T+MgO)图解中，半数样品集中分布于被动大陆边缘环境区域，部分落在活动大陆边缘环境区域。结合前人对塔里木西北缘柯坪塔格组砂岩地球化学特征、大地构造演化分析[18-19]，认为柯坪塔格组下段形成于被动大陆边缘。

图6 莫洛克斯铜区砂岩源区大地构造背景主要元素判别图Fig.6 Discrimination map of the main elements for the geotectonic background ofthe sandstone source area in Morlocs copper mining areaA—大洋岛弧 B—大陆岛弧 C—活动大陆边缘 D—被动大陆边缘

Co/Ni比值常常用来作为判别铜矿成因的参数[20]，沉积成因铜矿Co/Ni比值小于1。莫洛克斯铜矿区矿体与围岩中w(Co)介于0.66×10-6～5.53×10-6之间，w(Ni)介于0.77×10-6～7.54×10-6之间，Co/Ni比值介于0.41～0.86之间，平均值为0.54，含矿砂岩与褐红色围岩差异不大，整体与与湖南车江砂岩铜矿[21]、乌恰县玛依喀克铜矿[22]一样具有沉积成因的特征。因此，原始沉积作用是莫洛克斯铜矿形成的基础。

5 矿床成因探讨

在柯坪前陆盆矿产地质调查过程中，发现三岔口镇到西克尔镇东西延伸超过60 km的范围内，柯坪塔格组下段中存在稳定延伸的含铜层位，即厚层褐红色泥岩、泥质粉砂岩中出现的2～3 m厚的灰绿色岩屑石英砂岩、泥质粉砂岩组合。前人总结也认为沉积岩型层状铜矿床多赋存于沉积盆地的还原性地层中(即灰绿色岩层)，含矿地层大多数覆盖在红层岩系之上或直接位于红层之中[23]。

矿区内Ⅰ含矿岩层在区域上稳定延伸，且其中广泛出现铜矿化蚀变，其形成应与原始沉积有关。塔里木板块自前寒武纪裂解形成古南天山洋，志留纪时期，塔里木古陆西北缘保持为被动大陆边缘环境[19]，矿区处于克拉通内滨浅海陆源碎屑坳陷盆地发育阶段，在泻湖-潮坪相沉积环境下形成厚大的褐红色、紫红色砂泥岩，而其中的灰绿色砂岩层则代表沉积盆地在形成了短期的深水还原环境，沉积环境由氧化环境向还原环境转变，促使Cu离子的沉淀富集，从而形成了区域上广泛的含铜层位。

矿区内Ⅱ、Ⅲ含矿层具有明显的后期蚀变特征，原岩为褐红色砂泥岩层，蚀变后成灰绿色、灰黄色。该蚀变宏观上首先受柯坪塔格组与丘里塔格组不整合面控制，沿不整合面在走向上断续出现。同时NE、NW向的平移或张性断层控制蚀变的规模和边界，这点在矿区可见断层两侧蚀变较强，或铜矿体产出于断层两侧。后生成因的浅色层分布广泛，是后生阶段含硫及有机质的卤水(即活动还原剂)使地层中三价铁还原成二价铁形成的[24]。前人研究认为，沉积岩性铜矿多与盆地热液活动密切相关，且普遍认为该类矿床是由盆地内中—低温、氧化性的富Cu卤水迁移至沉积层内的氧化还原界面发生金属硫化物沉淀而形成[23，25]。

6 结论

通过对塔里木盆地西北缘莫洛克斯铜矿床的调查研究，得出主要结论：

1)在区域上，确定了柯坪塔格组下段中灰绿色岩屑石英砂岩、泥质粉砂岩组合为砂岩型铜含矿层位。同时，结合莫洛克斯铜矿床，提出产出于区域含铜层位下部，在不整合面及断层附近的蚀变砂岩是重要的含矿系统。

2)莫洛克斯铜矿区圈出铜矿体3条，矿体中铜的平均品位介于0.57%～2.5%之间，厚度介于1.33～4.76 m之间，走向延伸为110～520 m，铜矿体已经具备一定工业规模。

3)地球化学特征上，Cu具有从围岩→蚀变砂岩→含矿砂岩逐渐富集的特征；稀土元素特征上，δEu、δCe为负异常，且蚀变砂岩相对于围岩稀土总量明显降低；微量元素特征上，矿区砂岩均显示来自沉积岩物源区特征，沉积构造背景为被动大陆边缘。

4)结合矿床地质特征以及地球化学特征，认为区域上及矿区内稳定产出的灰绿色岩层及铜矿化为原始沉积形成；矿区内蚀变砂岩及铜矿体则是由还原性富Cu盆地流体沿构造界面运移，在氧化还原界面发生沉淀形成。