西南天山新生代层控砂岩型铜矿成矿地质特征

朱红英，张宝琛，张磊，管诰，刘志强

（有色金属矿产地质调查中心，北京 100012）

0 引言

西南天山乌恰-西克尔-库车地区以新生代地层为赋矿层位的砂岩型铜矿床发育，除花园、伽师和滴水铜矿外，近年新发现吾合沙鲁铜矿等一批具一定前景的矿点。前人对滴水铜矿等研究所作工作较多（年武强等，2007；韩文文等，2011），但对该区铜矿床类型、成矿模式及矿床成因研究尚显不足。笔者以中国地质调查局“西南天山成矿带霍什布拉克-乌拉根地质矿产调查”项目（有色金属矿产地质调查中心，2019①）为基础，通过综合分析，将西南天山新生代砂岩型铜矿划分为伽师式砂岩型铜矿、花园式砂岩型铜矿和滴水式砂岩型铜矿三种类型，对各类型赋矿层位、控矿条件和成因模式进行了探讨。

1 沉积盆地特征

砂岩型铜矿主要产于扩张克拉通的内部及边缘的裂谷盆地或造山带之间的盆地中（叶天竺等，2017）。西南天山新生代砂岩型铜矿集中产于柯坪断隆与巴楚隆起之间的西克尔凹陷、喀什坳陷北部的乌恰凹陷与库车前陆盆地的拜城凹陷这些中新生代红层盆地中。伴随二叠纪末南天山洋盆闭合，受羌塘地体与塔里木陆块碰撞影响形成柯坪与巴楚隆起；新近纪后全球海平面上升，新特提斯洋自西向东经阿来海峡至喀什坳陷北部，通过柯坪与巴楚隆起之间的谷地向东北抵达库车盆地（王福同，2006）。

1.1 西克尔凹陷

西克尔凹陷为柯坪断隆南部与巴楚隆起之间的谷地，属近物源剥蚀供给区，古近系喀什群（Eks）表现为一套褐红色海湾-泻湖相碳酸盐岩-陆源碎屑岩-膏泥岩建造，属辫状河三角洲相沉积。古近纪末海侵结束，进入陆相沉积时期，沉积一套红色浅湖湘碎屑岩，新近系与古近系呈整合接触关系。喜山晚期构造运动使得北部古生界推覆于新生界之上，该断裂构造为后期叠加成矿流体的运移通道。

1.2 乌恰凹陷

乌恰凹陷始于喀什坳陷北部的侏罗纪断陷型盆地。早侏罗世相继沉积莎里塔什组（J1s）冲积扇相砾岩和康苏组（J1k）湖泊-沼泽相煤系地层；中侏罗世稳定沉降，杨叶组（J2y）为滨浅湖相，塔尔尕组（J2t）为浅-深湖相沉积；晚侏罗世盆地周缘强烈抬升，形成库孜贡苏组（J3k）冲积扇-河流相砾岩、砂岩、粉砂岩；白垩纪首先沉积了克孜勒苏群（K1kz）辫状河三角洲相砂砾岩、含砾砂岩、砂岩、粉砂岩夹泥岩，之后经历多次海侵，沉积了巨厚三角洲-海湾-泻湖相碳酸盐岩-陆源碎屑岩-膏泥岩（朱如凯等，2009）。

新生代以来，尤其是中新世后该区进入坳陷型氧化宽浅湖泊发育阶段。自下而上克孜洛依组（（E3—N1）k）以褐红色泥岩为主与粉砂岩、细砂岩互层；安居安组下段（N1a1）为一套滨浅湖（河道）相砂岩、泥岩夹砾岩、砂砾岩，上段（N1a2）为浅-半深湖相杂色泥岩夹砂岩；帕卡布拉克组（N1p）为钙质泥岩与细砂岩互层。上新世至早更新世该区经历辫状河-冲积扇沉积阶段。

1.3 库车前陆盆地

晚二叠世末期塔里木板块向伊犁板块俯冲，其北缘挠曲下沉产生库车前陆盆地（卢华复等，2000）。古近纪盆地西部沉积一套粉砂质泥岩、膏质泥岩、石膏夹砾岩及白云岩、泥灰岩、生屑灰岩沉积，属滨浅海-泻湖相及湖湘等海陆交互相沉积，是后期刺穿型盐丘及底辟盐丘构造的主体。新近纪天山山系急剧隆升并向盆地方向冲断推覆形成以拜城为沉降中心的上新世统一前陆盆地；中新世早期湖泊向南萎缩，康村组（N1-2k）沉积时期东部盐水沟一带为一套扇三角洲相碎屑岩沉积，西部滴水铜矿一带为扇三角洲相-半深湖-深湖碎屑岩夹泥灰岩沉积①。

2 赋矿层位沉积相特征

2.1 古近系喀什群

伽师铜矿赋矿层喀什群（Eks）剖面，下部砖红色中厚层、中-薄层状粉砂质泥岩夹少量薄层粉砂岩段为水动力条件较弱的前辫状河三角洲环境沉积；中下部浅灰白色厚层状石膏与砖红色中-薄层状粉砂质泥岩段则为潮上泻湖环境沉积产物。含矿层段灰白色砂砾岩-含岩屑钙质细砂岩见有板状交错层理-平行层理；砾岩砾石分选磨圆性较好，发育小型不规则交错层理及冲刷-充填构造，向上渐变为含砾砂岩、细砂岩，为水下河道沉积；细砂岩中见交错层理及平行层理，粒度样概率累计曲线显示跳跃组分和悬浮组分两段式，后者占一定比例，偏度为正值，细尾显示细粒悬浮物特征，为辫状三角洲前缘水下分流河道砂较发育的沉积特点[2]；含矿层段反映为辫状河三角洲前缘亚相的沉积特征，上部为辫状河三角洲平原河道间沉积特征（李增学等，2010）。喀什群总体为一海退沉积序列（图1）。

图1 伽师铜矿赋矿沉积相序图

2.2 中新统安居安组

中新世统安居安组沉积时期为宽浅氧化型湖盆环境（新疆石油管理局南疆石油勘探指挥部地质研究所，1989），下段（N1a1）滨浅湖（水下河道）相灰绿、褐红色砂岩夹含砾砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩段为花园式砂岩型铜矿的赋矿层位（图2）。含砾砂岩体（图2①）总体呈透镜状，沿走向厚度变化较大，最厚处达十余米，变薄处可小于0.5 m，甚至10 cm，含矿砂岩体底部不平，具有底冲刷特征，底部泥砾发育，发育槽状交错层理、大型斜层理，下切下伏泥岩，其沉积环境为水下河道相（李增学等，2010）。泥砾周缘及含砾砂岩的下部见孔雀石化及辉铜矿化。粒度分析表明由跳跃和悬浮组分组成，跳跃组分为主，斜率低（标准偏差2.35～2.82），分选差，反映快速堆积水动力条件，偏度为正，0.33～0.66，具河道特征；悬浮段较长，斜率低，反映水下分流河道砂岩的沉积特点②。

图2 花园铜矿赋矿层沉积相序图

灰绿色厚层状细砂岩（图2②）呈相对稳定的条带状产出，属浅湖亚相。仅在与河道相砂体的接触部位或含植物化石较多的部位见铜矿化。该砂岩普遍具有小型斜层理、平行层理及虫孔。粒度概率曲线分三段型和二段型③，显示滨浅湖亚相特征。

浅湖亚相（图2③、④）为含铜砂岩的上下盘为泥岩不透水层，发育砂纹层理及虫孔，出露较为稳定，厚度及岩性变化不大。

2.3 中—上新统康村组

滴水铜矿赋矿层位为康村组下段（N1-2k1）砂岩与泥岩互层，产有三层矿体，习惯称之A层、B层和C层，其中以B和C层为主（图3）。

图3 新疆拜城滴水铜矿B、C矿层岩性岩相图

B层顶板为紫红色泥质粉砂岩、灰色泥灰岩；底板为红褐色泥质粉砂岩、泥质粉砂岩夹砂岩，矿化富集于杂色砂岩或不等粒砂岩与灰色泥灰岩之中。该层岩石组合、沉积构造显示扇三角洲前缘河口沙坝微相特征（李增学等，2010）。砂岩粒度分析曲线为高斜-跳跃-悬浮加过度形式①，跳跃总体斜率高、分选好、累计概率大于60%，悬浮总体大于15%，跳跃与悬浮截点Ф值介于4.5～5。反映河水与湖水不同水动力条件下共同作用的结果。

C层顶板为黄褐色含砾粗砂岩、砾岩；底板为红褐-灰色粗砂岩、含砾砂岩。C层上部为黄绿-红褐色粉砂质泥岩，发育水平层理；中部为灰色泥灰岩；下部为杂色中细粒砂岩，发育平行层理。总体反映水动力较弱的河口沙坝与半深湖相环境特征。

3 矿床地质与控矿因素分析

3.1 矿床地质特征

3.1.1 伽师铜矿

伽师铜矿矿区出露地层有异地系统依木干他乌组（D1-2y）、克孜尔塔格组（D3k）、康克林组（C2kk）、巴立克立克组（P1b），原地系统为喀什群（Eks）、克孜洛依组（（E3—N1）k、安居安组（N1a），以柯坪断裂为推覆构造界面，异地系统向南掩压于原地系统之上。赋矿层喀什群（Eks）为灰白、灰绿色钙质细砂岩与含砾砂岩，其下部为膏岩建造。含矿层长3 km，圈定3个矿体，呈层状、似层状产出，矿体长100～1050 m、厚1.86～5.36 m，铜平均品位1.32%～1.70%。

矿石矿物主要为孔雀石、蓝铜矿、铜蓝、赤铜矿、辉铜、斑铜矿、黄铜矿。矿石结构有粒状结构、交代残余结构、填隙结构、交代残余结构等。矿石构造有稀疏浸染状构造、致密块状构造、团块状构造、条带状及似脉状构造等。矿床水平分带不明显，氧化带中铜矿物主要为孔雀石、蓝铜矿及少量辉铜矿、赤铜矿；混合带以辉铜矿为主、少量孔雀石；440 m以下以辉铜矿、黄铜矿、黄铁矿为主。

3.1.2 花园铜矿

花园铜矿出露地层包括克孜洛依组（E3—N1）k、中新统安居安组（N1a）及帕卡布拉克组（N1p），铜矿化产在安居安组下段（N1a1）灰-灰绿色厚层含砾砂岩及中细粒岩屑长石砂岩中，其顶底板均为褐红色粉砂质泥岩。含铜砂岩层延长约3500 m，圈定铜矿体4条，长120～500 m，平均厚2.51～6.00 m，倾向延伸50～80 m，铜0.57%～1.47%；矿体呈透镜状、似层状产出。

矿区未见明显围岩蚀变。含铜矿物主要为孔雀石、赤铜矿、氯铜矿，辉铜矿和自然铜次之。矿石构造有浸染状构造、条带状构造、结核状构造以及交代充填网状结构等。

3.1.3 滴水铜矿

滴水铜矿区出露地层有渐新统苏维依组（E3s）、中新统吉迪克组（N1j）、中—上新统康村组（N1-2k）、上新统库车组（N2k），西部以穿刺形式产出的盐丘。铜矿化赋存在康村组下段（N1-2k1）灰绿色泥质粉砂岩、泥灰岩及灰紫色细砂岩中，习惯上分A、B、C层矿，其中B、C层为矿山开采层，B层矿呈层状、似层状，长3800～3900 m，延走向及倾向连续性较好，厚1.01～1.26 m、铜品位1.10%～1.11%；C层矿呈似层状、透镜状、飘带状，矿体长565～2855 m，厚0.74～1.45 m，铜1.04%～1.39%（刘伟，2008）。

地表矿石主要金属矿物为赤铜矿、孔雀石、蓝铜矿、黑铜矿、氯铜矿、褐铁矿等，深部主要为辉铜矿、斑铜矿、蓝辉铜矿、黄铁矿等，偶见黄铜矿、方铅矿、铜蓝。矿石结构有粒状结构、砂状结构、交代溶蚀结构等，矿石构造为浸染状、层状、团块状、网脉状等。

蚀变以近矿围岩大规模褪色为主，主要表现为褐红色砂岩、泥岩退色为灰色、灰绿色、浅灰色等浅色调，退色蚀变强度和矿化强度表现为正相关关系，矿化强度高则矿石呈灰绿-灰色-杂色。

3.2 控矿条件分析

3.2.1 伽师铜矿

伽师铜矿岩性是最重要的控矿因素。矿体受古近系喀什群辫状三角洲前缘水下分流河道微相灰绿

色、灰白色钙质砂岩及含砾砂岩严格控制，下伏石膏为后期成矿的硫源；赋矿砂岩其孔隙度和渗透率较高，对成矿流体的运移和沉淀、富集提供了有利空间；顶底板密闭泥岩具有良好的隔挡功能,来自陆源剥蚀区的含铜物质以碎屑、悬浮体的形式在辫状河三角洲相砂（砾）岩中沉积构成原始矿源层。

断裂构造与矿化关系紧密，深源流体通过柯坪塔格断裂运移至渗透率高的细砂岩层中与初始矿源层叠加，其次级断裂破碎带中铜矿化更加强烈，充填含硫化物的方解石脉及辉铜矿化，并见穿层脉状交代蚀变（图4a～b）。

3.2.2 花园铜矿

花园铜矿化严格受控于安居安组下段（N1a1）灰绿色块状水下河道相透镜状产出的含砾砂岩体及其直接上覆的浅湖亚相灰绿色岩屑石英细砂岩（图4c～d），矿体顶底板均为泥岩，砂岩中铜矿化强弱与所含植物化石多少呈正相关，预示铜矿化仅限于叠加在河道相含砾砂岩之上的浅湖湘砂岩。

3.2.3 滴水铜矿

滴水铜矿矿化严格受控于康村组（N1-2k1）扇三角洲前缘河口沙坝微相杂色砂岩及深湖相-河口沙坝微相杂色粉砂质泥岩、泥灰岩、细砂岩，赋矿细砂岩具有较高的渗透率，顶底板为密闭性较好的泥质粉砂岩，矿体呈层状、似层状、透镜状均为岩相岩性控矿的具体体现。

b、c层矿体在深部可见呈脉状穿切岩石层理，表明矿体有后期改造作用（图4e）。断裂面及岩石裂隙中广泛分布有机质残留薄层（膜）或网脉，与矿体富厚地段分布显示伴生关系。矿区盐丘体与围岩及断裂破碎带等构成盐丘体系统，盐丘体提供氯铜矿，与溶解的膏盐共同构成含铜卤水沿断裂上侵于含矿层（图4f），对铜矿的形成起到重要的叠加成矿作用。

图4 西南天山新生代砂岩型铜矿断裂、岩性与矿化关系

4 成矿作用与成矿模式

4.1 成矿作用研究

4.1.1 伽师铜矿成矿作用

（1）成矿物质来源：矿石中辉铜矿同位素测试结果表明，δ34S值变化范围较窄，在-33.4‰～-24.6‰之间，极差8.8‰，平均-29.7‰，表明伽师铜矿辉铜矿为轻S同位素富集；硫同位素分布图中δ34S值均落入沉积岩硫同位素分布范围②。结合矿体下赋地层含石膏的事实，认为矿区硫最可能来自于盆地中有机硫的还原作用。206Pb/204Pb比值范围 为18.607～18.376，207Pb/204Pb 为15.654～15.612，208Pb/204Pb 为38.475～38.747（王思程等，2011）；在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb图上，所有样品均投于造山带与上地壳之间，在208Pb/204Pb-206Pb/204Pb上，投点靠近造山带演化线，指示成矿金属来自于上地壳和造山带，无深源物质加入，暗示矿床金属元素来源于围岩地层或盆地基底的碎屑物质。

（2）成矿阶段与成矿年代：矿体产于古近系中，限定其成矿时代为古近纪之后，辉铜矿Re-Os同位素年代学测试，其模式年龄集中11～13 Ma②，与赋矿层位年代明显不一，推测主成矿时代在渐新世之后，是原始沉积与推覆构造流体运移耦合的结果。

4.1.2 花园铜矿成矿作用

花园铜矿未见盆地卤水与后期成矿热液叠加成矿现象，成矿阶段可划分沉积期、成岩期、氧化淋滤期三个阶段。中新世稳定的宽浅湖环境下，富铜剥蚀物被河流带入湖泊，以溶解态、悬浮颗粒态、络合物态迁移，在河湖交接部位氧化-还原障环境下沉积，构成原始矿源层。在成岩期一定的温度与压力下，红层中建造水溶解原始矿源层中的铜离子形成络合物，与富含有机质的还原性流体在安居安组河道相砂砾岩及浅湖亚相砂岩中形成对流，萃取成矿物质，在泥岩圈闭作用下于砂（砾）岩中聚集沉淀成矿。晚喜山期，赋矿层位发生在褶皱过程中及大气降水与地下水的共同作用下，随潜水面的变化，铜矿物质氧化、迁移，构成以孔雀石、赤铜矿、氯铜矿为主的铜矿体。

4.1.3 滴水铜矿成矿作用

（1）成矿物质来源分析：矿石中辉铜矿同位素组成表明矿石δ34S全部为负值，δ34S值变化范围为-39.5‰～ -51.5‰，平均-46.00‰，与全球多数砂岩铜矿δ34S值特征吻合。含矿层下部发育古近系膏岩，且矿体富矿段广泛分布有机质，认为硫的来源可能与硫酸盐细菌还原和有机质还原有关。

（2）为研究滴水铜矿成矿时代，本次工作采用了两种测年手段，样品采自矿山1364 m、1350 m和1275 m中段B层矿体。

①磷灰石裂变径迹测年：采用Zeta(ζ)常数校准法进行测定，标准样Zeta常数为410±17.6，测试结果见表1。

表1 滴水铜矿区磷灰石裂变径迹分析结果表

本次检测的3件样品测试年龄范围在52～59 Ma之间，比康村组（N1-2k）地层时代（6～22 Ma）老，认为样品中磷灰石裂变径迹所记录的年龄是古新世—始新世（E1—E2）与膏盐、岩盐同时期形成的铜矿物的退火冷却年龄，为后期成矿的主要物源。

②铼锇同位素测年：样品分析结果见表2。从表中看辉铜矿单矿物样品W（Re）变化于203.5×10-6～439.4×10-6，平 均313.6×10-6；w（187Os）变化于0.4731×10-6～1.054×10-6，平均 0.7307×10-6。

表2 新疆拜城县滴水铜矿区辉铜矿铼锇同位素数据一览表

5件样品数据拟合出187Re/187Os等时线所计算出等时线年龄为（36.1±2.6）Ma（MSWD值为0.99），推测为与始新世膏盐、岩盐伴生的铜矿物随后期成矿流体沿断裂上侵至赋矿层位叠加成矿的具体体现。

4.2 成矿模式

4.2.1 伽师式砂岩型铜矿成矿模式

柯坪古陆含含铜岩石剥蚀物为伽师铜矿形成提供了丰富的物源，Cu以氧化态、游离态或络合物态随地表流水携带到陆缘盆地，在辫状三角洲前缘水下分流河道微相砂砾岩中形成矿源层。成岩阶段由层间水和孔隙水构成的盆地卤水开始大规模的循环和排泄，不断萃取下伏的或侧向上矿源层中的铜质，在此过程中石膏层、有机质共同作用形成的H2S使矿源层中的铜还原出来，在透水性较好的含钙质砂岩中聚集，富集成矿。喜山期柯坪隆起向南大规模推覆，强大的挤压应力驱使深部富含有机质的还原性成矿流体沿基底断裂（柯坪塔格断裂）上升，在赋矿层氧化性盆地系统内循环流动，萃取其中的铜离子，在渗透率较高的矿源层和与其交汇的断裂发育部位及背斜转折端等部位聚集叠加成矿（图5）。

图5 伽师式砂岩型铜矿成矿模式

4.2.2 花园式砂岩型铜矿成矿模式

花园地区铜体位于水体不太深的盆地内，盆地相对稳定并长期接受富含铜矿的陆源沉积。赋矿的砂岩体普遍呈透镜状，呈现水下河道相沉积特征，氧化环境下富含铜矿物质的砂质碎屑深入还原环境的湖体中，在氧化-还原地球化学障的作用下沉淀形成铜矿。而受河道相碎屑流的影响而扩展至浅湖相中的细砂质沉积物除具备富含铜成矿物质外，有机质（植物）的参与下形成条带状及团块状铜矿化，因此汇入盆地的携带大量铜质的水下河道砂岩与浅湖相环境对铜矿体的形成起到至关重要的作用（图6）。

图6 花园式砂岩型铜矿成矿模式

4.2.3 滴水园式砂岩型铜矿成矿模式

中新世末期库车盆地周缘基底含铜岩石在干燥炎热气候下风化剥蚀，携带有大量有机物以及与Cl-、SO42-、CO32-、OH-等形成盐类溶液或胶体溶液的铜离子被流水搬运至湖泊内沉积，深湖相区相对闭塞环境中的微生物对有机质进行分解产生大量的H2S，改变了水体物化条件，盐类铜溶液和含铜胶体溶液围绕质点聚集沉淀形成原始矿源层。在成岩期，含有CH4成分的盆地卤水在康村组高渗透性的砂岩中运移、储集，在氧化-还原界面富集生成斑铜矿、辉铜矿等，构成层状、似层状铜矿体。晚喜山期强烈的构造挤压应力造成赋矿层下的岩盐塑性流动向上穿刺形成盐丘，盐膏与含铜卤水沿断裂通道运移叠加成矿（曹养同等，2010）。含硫铜矿物在大气水及氧气、二氧化碳等直接参与下，形成了大量铜的氧矿物淋滤聚集，构成铜矿物富集的杂色层（郭全，2007），构建的成矿模式见图7。

图7 滴水式砂岩型铜矿成矿模式

5 结论

（1）西南天山新生代砂岩型铜矿均产于红层盆地之中，尽管其赋矿层位不尽一致，但其下均存在生烃岩与膏岩，其上覆均为密闭性较好的泥岩层，自身为渗透率较高的砂岩层。

（2）西南天山新生代砂岩型铜矿严格受层位与岩性、岩相控制；伽师式砂岩型铜矿受控于Eks辫状三角洲前缘水下分流河道微相砂砾岩；花园式砂岩型铜矿受控于N1a1水下河道相含砾砂岩体及浅湖亚相细砂岩；滴水式砂岩型铜矿受控于N1-2k1河口沙坝-深湖相砂岩-泥灰岩。

（3）除花园式砂岩型铜矿属沉积型铜矿外，伽师式砂岩型铜矿的富矿体形成明显与盆地卤水及深源成矿流体叠加有关；滴水式砂岩型铜矿富矿体形成与盆地卤水叠加、盐丘构造叠加成矿有关，而且与后期氧化淋滤富集有着重要的关系。

（4）伽师式砂岩型铜矿、花园式砂岩型铜矿与滴水式砂岩型铜矿的成矿模式对同类型矿产的勘查与找矿具有指导意义。

注 释

①有色金属矿产地质调查中心.2019.西南天山成矿带霍什布拉克-乌拉根矿产地质调查报告[R].

② 北京矿产地质研究院.2018.西南天山中新生代砂砾岩型铜铅锌矿成矿潜力与靶区优选评价报告[R].

③滇黔桂石油勘查开发研究院.2001.塔西南坳陷喀什凹陷北部石油地质综合研究[R].