内蒙古扎兰屯地区铜山组变质作用与成矿分析

马雁飞，班宜红

（河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，河南 郑州 451464）

0 引言

古生界奥陶系中—下统铜山组，黑龙江省地质矿产局陈德森1981年创建于黑龙江省多宝山铜矿，地层区划按《内蒙古自治区岩石地层》（1997）划分，本区属兴安地层区、东乌珠穆沁旗-呼玛地层分区。铜山组以海相沉积-火山地层为主，岩石普遍遭受浅变质作用，是内蒙古古生界具有代表性的地层系统。研究区铜山组位于扎兰屯市西北，该区不仅是东乌珠穆沁旗-多宝山铜多金属成矿带的重要组成部分，而且也是研究古亚洲构造域早期构造演化的重要窗口，铜山组变质作用从华力西中期至燕山晚期，历经区域变质、动力变质、接触变质和气-液变质，是区内形成铜、银、铅锌、金、钼等丰富的金属矿产的关键因素之一（班宜红等，2018①）。

研究区地理坐标为122°05′47″E～122°15′47″E和48°03′12″N～48°17′41″N，位于扎兰屯西北约50 km阿木牛林场至巴林铜矿一带。大地构造位置位于天山-兴蒙造山系，大兴安岭弧盆系，南与锡林浩特岩浆弧接壤，东临松辽断陷盆地（杨巍然和杨森楠，1991），属于扎兰屯-多宝山岛弧构造带。扎兰屯地区铜山组是扎兰屯-多宝山岛弧构造带重要的组成部分，为挤压-伸展型弧后残余盆地中滨浅海相沉积-火山喷发活动的产物（尹国良等，2018），构造对区域变质作用起到了决定性作用，为成矿十分有利条件（李仰春等，2013）。

尽管学者对于铜山组研究成果较多，但对其变质作用的研究较少（李孝文等，2017）。本文作者在2014—2017年《内蒙古自治区呼伦贝尔市沃力嘎沟等四幅1∶5万区域矿产地质调查》项目实施过程中，新发现的多处铜、银、铅锌等多金属矿点均产出在铜山组内，作者对扎兰屯地区铜山组变质岩变质作用进行了详细调查研究，试图分析铜山组变质作用及成矿方面的意义，以期对东乌珠穆沁旗-多宝山铜多金属成矿带找矿突破提供基础地质研究成果。

1 铜山组地质特征

扎兰屯地区的铜山组主要分布于铜矿沟、二站沟、阿木牛林场、转心湖一带，呈孤岛状，为大小不等的捕虏体、残留体，在平面上呈断续的北东-南西向弧形展布，被后期岩体穿切、火山岩覆盖或被构造改造，形态多呈不规则。露头上可见塑性流变小褶皱、板理、片理、条带状构造等，其原始层理，接触关系等多为后期构造、变质变形作用所改造和破坏。受热液作用影响与岩体接触带外侧发育明显的角岩化、矽卡岩化，形成具工业价值的铜、铅锌矿床（图1）。

图1 研究区地质矿产略图（据李仰春等，2013修改）

总体上铜山组岩性可分为三个岩性段：下部为（变）砂岩类和（变）泥质粉砂岩类互层产出；中部以板岩为主，夹（变）砂岩和（变）火山岩类，偶夹大理岩；上部为（变）火山岩和（变）砂岩类互层产出。铜山组典型地质剖面显示地层变质变形较弱，其岩石类型以变泥质粉砂岩为主，中间夹有变中酸性熔岩石和透辉石等为主，板理及片理较发育。地层呈单斜产出，总体产状以NWW或NW向倾，倾角40°～75°，局部又遭受了接触-热液变质作用的改造，矽卡岩化和角岩化作用明显。变质矿物以绢云母、绿帘石、阳起石为主。铜山组顶底均与中侏罗世和晚石炭世二长花岗岩呈断层接触，未见顶底，控制厚度大于454.04 m。在该套岩石中见有同斜紧闭褶皱和塑性流变小褶皱，反映早期变形的特点（刘成龙等，2020）。此外在该套地层中多发育硅化、绿帘石化、碳酸盐化、褐铁矿化、黄铁矿化、孔雀石化、粘土化和方铅矿化蚀变等，尤其铜矿沟和木头垛沟一带，蚀变矿化极强烈，主要表现为硅化、褐铁矿化和黄铁矿化，局部地段见方铅矿化和孔雀石等，硅化、孔雀石化、黄铁矿化是本区铜多金属矿的主要蚀变矿化类型。矿调工作中在铜山组新发现的木头垛铜矿、阿木牛铅锌矿和多处金、银矿点。铜山组中Au、Cu、Pb、Zn、Ag、W、Mo等呈富集分布，且表现出了极强分异性，说明该层位在成矿作用过程中为成矿提供了主要物质来源，主要成矿元素和指示元素得到了有效富集，为该区铜、铅锌、银等多金属矿赋矿主要层位之一。

2 铜山组变质岩原岩恢复

2.1 变砂质泥岩（板岩）类

变砂质泥岩（板岩）类主要包括粉砂质泥质板岩、硅质板岩、泥质板岩、粘土板岩、粉砂质板岩等。板岩颜色多呈灰黑色、灰色、灰白色、黄褐色等，显微鳞片变晶结构，板状构造。原岩为粉砂质泥岩、硅质泥岩、泥岩、粉砂岩等，岩石粒度多小于0.004 mm，分选一般至中等，砂屑呈次棱角状—次圆状，成分以长石为主，含少量石英，粘土矿物及鳞片状变质矿物一起杂乱充填在砂屑、粉砂屑颗粒之间；泥质（小于0.004 mm）占55%，粉砂质（0.06～0.004 mm）占30%，中细砂（0.5～0.06 mm）占15%。板岩有少量重结晶，沿板劈理有少量新生的石英及绿泥石，新生绿泥石占10%～15%。新生变质矿物为石英、绿泥石、透辉石、绢云母等。岩石化学特征显示其形成于浅海向河湖过渡的沉积环境，总体以海相沉积特征为主，位于岛弧与活动大陆边缘之间（崔革，1983）。

2.2 大理岩类

大理岩类主要包括块状大理岩和条带状透辉石大理岩，灰色或灰白色，粒状变晶结构，块状（条带状）构造。块状大理岩主要由方解石组成，粒度不均匀，方解石占98%，有少量石英及绿帘石；条带状透辉石大理岩由透辉石（10%）、碳酸盐类矿物（90%）组成。透辉石细粒状、柱状，突起较高，具辉石式解理，二轴正晶，斜消光，粒径0.2 mm，散布在碳酸盐集合体中，碳酸盐呈自形-半自形晶，粒径0.5 mm，滑动双晶发育，干涉色高，互相镶嵌紧密（韩旭等，2018）。大理岩类则落入含铁石英岩区海相沉积环境，沉积环境应为浅海-滨岸相碳酸盐沉积建造，原岩为石灰岩，位于岛弧与活动大陆边缘之间（尹冰川和冉清昌，1997）。

2.3 变火山岩类

变火山岩类主要包括变流纹岩、变角砾岩屑凝灰岩、变流纹质熔结凝灰岩、变粗安岩、变中酸性熔岩。岩石呈灰色、灰白色、灰绿色等，变余斑状结构，基质显微鳞片粒状变晶结构，块状构造。变流纹质熔结凝灰岩岩石成分为角砾占2%，岩屑占5%，晶屑占1%，浆屑占40%，玻屑占3%，火山灰占49%。角砾成分为板岩，棱角状，3 mm；岩屑成分同角砾，棱角状、次棱角状，小于2 mm；晶屑主要为石英，次棱角状、棱角状，小于1 mm；浆屑为塑性流动状、撕裂状，脱玻部分被粘土矿物交代，1～5 mm；玻屑为塑性玻屑，凹面棱角状、饼状少，脱玻，小于2 mm；火山灰为细小的火山灰尘，脱玻，部分被粘土矿物蚀变。新生变质矿物有绢云母、绿泥石、绿帘石、透辉石（杜晓慧等，2012）等。变火山岩类化学特征显示铜山组火山岩为大洋板块与大陆板块碰撞后形成的岛弧火山岩建造，为一套经过区域变质作用改造的浅海相火山岩。

3 铜山组变质作用

根据变质作用类型铜山组可划分为区域变质岩、接触变质岩和气-液变质岩。区域变质岩根据所处大地构造位置及变质变形特征，变质时期厘定为华力西中期晚石炭世。接触变质岩主要以热接触变质作用为主，分布于侵入体与周围地层的接触带上以及侵入岩体周围，根据接触事件发生的时间，将其划分为燕山晚期接触变质，变质作用时期为早白垩世。气-液变质岩，主要是指热的气体及溶液（气水-热液）作用于已形成的岩石，使其发生矿物成分、化学成分及结构构造的变化，所形成新的岩石。据相关侵入体时代，划归为燕山晚期，变质作用时期为早白垩世。

3.1 区域变质作用

3.1.1 变质相划分及温压条件推测

区内区域变质岩出现的变质矿物共生组合类型主要有以下几类：（a）绢云母+绿泥石+绿帘石，（b）黑云母+绿泥石+绿帘石+绢云母，（c）阳起石+透辉石±绿帘石。变质矿物相当于低绿片岩相，尤其阳起石+绿帘石组合，是典型的低绿片岩相开始的标志性矿物组合（李仰春等，2013）。李仰春等（2013）研究认为，绿片岩相的温压范围大致是温度为400～500 ℃，压力为0.3～0.8 GPa，属于中低温低压型变质环境。

3.1.2 变质作用和变质时期

铜山组变质岩原岩主体为一套粉砂质泥岩-碳酸盐类的沉积岩系，属于砂泥质岩复理石建造或火山复理石建造，代表浅海相或向浅海相沉积过渡的类型。原岩在地壳较深处热流作用下，形成了低绿片岩相的变质岩石，不均匀的热流使岩石具明显的分带特征，出现绢云母-绿帘石-绿泥石带、黑云母-绢云母-绿泥石-绿帘石带、阳起石-透辉石带（绿帘石带）三个主要变质带。因此，华力西中期变质作用类型为低压区域动力热流变质作用。

地质调查剖面上，均见铜山组与晚石炭世花岗岩呈断层接触，该期构造事件使得晚石炭世花岗岩遭受了韧性剪切变质变形作用的改造，同时铜山组岩石发生了区域变质作用（李述国等，2019）。结合区域构造资料，本区在晚石炭世末期发生过一次较大规模的构造运动，结束了本区加里东期冒地槽的沉积，并使其褶皱回返，区域热流值升高，使岩石发生低绿片岩相的变质作用，因此将其变质时期划为华力西中期。

3.1.3 变质岩变形构造特征

铜山组变质岩系遭受了绿片岩相的变质作用改造，发生了不同程度的变质变形，但原岩组构大多保留，只是又遭受后期动力等变质作用改造，局部变形较强（王静雅等，2016）。构造形迹多数在露头尺度上可以观察，区域上的分析研究主要依据这些观察和分析。

板理、片理多是变质作用保留下的构造形迹，区内变质岩系所见板理、片理与原始层理产状基本一致，多表现为一种单斜构造。总体倾向NW或SE，倾角30°～50°。有些角岩、矽卡岩等发生片理化，与变形作用有关。受后期韧性剪切变质作用影响，形成构造透镜体或石香肠构造等线理构造（图2a,b）。区内变质岩系所见褶皱多表现为露头尺度上的一些层间小褶皱，如在铜矿PM013上发育的层间塑性流变的“N”型褶皱等（图2c,d）。

图2 铜山组变质岩变形构造特征

绿片岩相变形带多表现为斜长石被绢云母交代、黑云母被绿泥石交代等，反映出变形作用对变质反应的发生及发展具有控制作用。另外，绿片岩相变形条件下，岩石中矿物粒度普遍较小，形成类似糜棱岩基质，局部所见残斑多表现为脆性变形，反映变质作用影响岩石的变形行为（韩旭等，2018）。

综上，反映出变质矿物的形成与相应的变形作用有着密切的关系，同时，区域变质和动力变质、接触变质存在相互叠加现象。

3.2 接触变质作用

区内接触变质作用以热接触变质作用为主，热接触变质岩主要出露在下奥陶统铜山组和中侏罗世二长花岗岩和早白垩世二长花岗、早白垩世花岗斑岩岩体接触部位，经热接触变质作用形成斑点板岩、角岩化岩石或角岩，主要见于铜矿沟、分界岭和转向湖一带。

3.2.1 接触变质岩岩石及矿物学特征

接触变质岩板岩类主要为斑点板岩，深绿黑色，斑点状结构，板状构造。岩石原岩为含粉砂质泥岩，多为隐晶质粘土矿物，少为长英质粉砂，岩石中有少量重结晶，新生的绢云母集合体呈斑点状分布。新生变质矿物为绢云母。

接触变质岩角岩类岩石主要为绿帘石化透辉斜长角岩、黑云长英角岩、长英角岩、角岩以及角岩化的细中粒似斑状二长花岗岩、花岗斑岩等。黑云长英角岩呈灰色，鳞片粒状变晶结构，片理化构造，岩石成分为长英质集合体及黑云母小片，其中长英质集合体呈多边形他形紧密镶嵌，黑云母小片杂乱分布其中；长英质集合体占75%，黑云母呈棕褐色片状占25%，新生变质矿物为黑云母。角岩呈浅灰绿色，粒状变晶结构，条带状构造，矿物大部分重结晶，由长石石英微粒集合体、绿帘石及少量阳起石组成；绿帘石微粒集合杂乱分布，整体呈条带状，分布于长石石英微粒集合体间，微粒0.01～0.8 mm，粒度稍大的长石石英长轴定向明显，多0.06 mm以下，新生变质矿物阳起石。

3.2.2 变质相及变质时期

角岩中矿物组合为Q+Pl+Bit±Ep±Ser±Act±Di；板岩中矿物组合为Q+Pl+Ser，出现绢云母斑点。普通角闪石角岩相与钠长绿帘角岩相的区别就是无钠长石而出现An（钙长石）＞20的斜长石，因此，据此矿物共生组合，该期热接触变质作用相当于普通角闪石角岩相变质作用的产物。

由于区域上中侏罗世二长花岗岩受早白垩世二长花岗岩侵入和早白垩世花岗斑岩受晚期安山岩等岩脉侵入，在接触带附近，晚期侵入岩散发大量的热量和挥发份，产生吸热反应，发生变质重结晶，形成新的矿物组合和组构（王东升等，2019），因此，将此期热接触变质作用划为燕山晚期，相当于早白垩世晚期。

3.3 气-液变质作用

下奥陶统铜山组不同程度地遭受了气水-热液作用的改造，从而形成矽卡岩及黄铁矿化、褐铁矿化、硅化、绿帘石化等蚀变岩石。

3.3.1 蚀变带和蚀变类型划分

铜山组内根据新生矿物组合、原岩类型及变质作用，划分出矽卡岩化带、硅化-黄铁矿化带、粘土矿化带和碳酸盐化带四个蚀变带。

矽卡岩化带位于测区东北铜矿一带，其范围在填图单元中为铜山组、中侏罗世二长花岗岩和早白垩世潜火山岩脉等。该带蚀变类型较多，常见褐铁矿化、黄铁矿化、硅化、绿帘石化、绿泥石化、绢云母化、绢英岩化和阳起石化，少见碳酸盐化和磁铁矿化，该带以出现绢英岩化、阳起石化和透辉石为典型特征。

硅化-黄铁矿化带分布较广，在二站沟上游、小岭子沟东山、沃力嘎沟上游、大也气沟上游、阿木牛林场南西、十二公里东等地均有出露。该带蚀变类型较单一，普遍见硅化和黄铁矿化，少见绢云母化。

粘土岩化带，蚀变类型较单一，以强粘土化矿化蚀变为特征，少见绢云母化。

碳酸盐化带，转向湖和三七林场南一带少量出露，蚀变类型单一，仅见碳酸盐化。

3.3.2 变质作用及变质时期

巴林铜矿—木头垛一带岩石蚀变类型较多，以绢英岩化和阳起石蚀变为典型特征。滕浪等（2019）认为，浅成的富含挥发份的酸性岩浆体，由于速冷，析出的挥发份呈孔隙溶液状态赋存于粒度细的岩体中，这时，若在内外接触带中富含孔隙溶液和地下水，它们在岩体余热的影响下而活化，加上岩体下部析出的挥发份的向上运移，使内、外接触带的流体发生对流循环，因此导致内、外接触带的岩石发生透辉石化、阳起石化、孔雀石化、石榴石化、绿帘石化和硅化等蚀变。所以说该蚀变带属矽卡岩化作用的产物。

济沁河东岸仅见粘土化，为粘土岩化蚀变作用产物；转向湖等地的碳酸盐化，应属矽卡岩化作用的产物；其它地区常见的硅化和黄铁矿化蚀变，应为含矿热液在迁移过程中与围岩发生了广泛的流体-岩石反应而引起热液蚀变作用（高宏星等，2018）。

由于此期变质作用与早白垩世侵入岩或潜火山岩脉侵入体有关，故此期变质时期划为燕山晚期，时代相当于早白垩世。

4 铜山组变质作用与成矿的关系

4.1 气-液变质作用与成矿的关系

区内多金属、贵金属矿（床）化点多与燕山晚期气-液变质作用有关，如巴林铜铅锌矿床、木头垛铜矿、阿木牛铅锌矿点等皆为铜山组变质岩石与中侏罗世花岗岩体侵入接触交代的产物，在接触交代作用过程中，由侵入体所分异出来富含铜铅锌元素等溶液扩散，与碳酸钙岩石反应而形成钙铜铅锌硅酸盐和氧化物的集合体（张坤等，2020），在这种矿床形成过程中，往往同时形成矽卡岩，并分布于矿床周围。银、金、钼、铁矿化等与气水-热液作用有关，主要表现为热水溶液以物理化学作用方式，沿着其运动通道及运动地段所引起岩石的蚀变作用、交代作用以及矿物在空隙中的沉淀作用（王俊鹤等，2019），例如，绢云母化作用、硅化作用及硫化物矿化作用等（刘艳荣等，2019）。热水溶液，特别是重卤水，在其中可溶解浓度很高的金属（高鹏鑫等，2017），这种溶液通过断裂构造向上运移过程中，可沉积银、金、钼、铁及其他矿物（宋宗维等，2017）。

4.2 铜山组矿源层和矿化围岩特征

下奥陶系铜山组（O1t）为一套浅海-滨海相火山复理石建造，1∶5万土壤地球化学测量显示铜山组地层中Cu、Pb、Zn、W、Au、As、Sb强烈富集且呈极强的分异性，具备良好的成矿地球化学条件，是区内Cu、Pb、Zn矿产形成的主要物质来源，燕山期大规模的岩浆侵入活动为矿质的析出、运移提供了能量支持（李兴等，2016）。铜山组地层在铜矿沟一带呈北东向带状出露，并被中侏罗世二长花岗岩侵入，前人在此已发现Cu、Pb、Zn矿体数条，在矿体及矿化体内部发育有较强的角岩化、矽卡岩化及硅化、黄铁矿化蚀变，其成因类型主要为与岩体有关的热液-矽卡岩型，与多宝山铜矿床成因类型相似（张福祥等，2020）。本次工作在木头垛沟口一带新发现金、银、铜、铅锌矿体、矿化体多条，均产于铜山组内部破碎带，可见铜山组地层是区内重要的矿源层及矿化围岩，是寻找矽卡岩型、热液型铜、铅锌矿多金属矿的有利部位。

4.3 典型矿床和矿床矿化点铜山组成矿特征

巴林铜矿实为铜铅锌银多金属矿，矿床出露的地层为下—中奥陶统铜山组（O1-2t）之变泥质粉砂岩、大理岩、变质流纹岩等，岩层呈北东向展布。侵入岩有中侏罗世的二长花岗岩（ηγJ2）及正长花岗岩（ξγJ2）分布于铜山组周围；早白垩世石英二长斑岩（ηοπK1）岩株状侵入中侏罗世花岗岩。位于二站沟以北部铜山组（称为北山）长2.7 km，宽0.4～0.8 km；二站沟以南铜山组（称南山）长2 km，宽0.3～1 km。二者呈北东向分布，延续长达5 km。地层普遍矽卡岩化、角岩化、硅化、绿帘石化等。据北山ZK6钻孔资料，中细粒似斑状二长花岗岩的隐伏岩体与黑云母石英角岩接触处产生内矽卡岩带，固为本矿床之成矿母岩。

木头垛铜矿点分布在奥陶系下统铜山组（O1t）地层和花岗闪长岩的接触带附近，区内发育的一组北东向压扭性断裂，控制着矿化体的分布。奥陶系下统铜山组（O1t）地层，岩性主要由灰黑色砂质板岩、变凝灰岩、白云母石英角岩、灰白色大理岩等组成。铜矿化体整体呈灰绿色，碎裂结构，块状构造。岩石裂隙发育，局部充填石英细脉，铜蓝呈浸染状或者细脉状沿裂隙分布。围岩蚀变有褐铁矿化、蓝铜矿化、绿帘石化、绿泥石化、孔雀石化。矿体出露宽约0.7 m，长大于200 m，矿体刻槽样化学分析结果Cu为5.46%。围岩中Cu最高1.06%。根据物化探异常和槽探工程揭露，矿体呈北北东向断续出露约2000 m，工程见矿最大厚度6.14 m，单样最高品位Cu为5.46%，Zn为0.31%，Ag为16.30×10-6，Cu平均品位1.12%。

5 结论

（1）铜山组变质岩岩石类型主要为变砂质泥岩（板岩）类、大理岩类、变火山岩类，原岩主体为砂泥质岩复理石建造或火山复理石建造，以泥质沉积岩为主，在同沉积过程中伴有微弱的火山喷发。

（2）铜山组变质作用类型可划分为区域变质岩、接触变质岩和气-液变质岩。主期变质作用为华力西中期低绿片岩相变质作用，后期为燕山期普通角闪石角岩相变质作用的产物，遭受接触-热液变质作用的改造，矽卡岩化和角岩化作用明显叠加。

（3）作为扎兰屯-多宝山岛弧重要组成部分的铜山组在晚石炭世微板块拼贴挤压造山作用影响下，岩石普遍遭受低绿片岩相区域低温热动力变质作用改造，构造形迹以褶皱、片理为主，受中侏罗世花岗岩侵位影响，岩石发育有碳酸盐化、褐铁矿化、黄铁矿化、硅化、绿帘石化、孔雀石化、方铅矿化和闪锌矿化等蚀变。受后期断裂构造破坏，形成多个断块，并发生位移，使褶皱、片理的产状和形态各异，但受动力变质作用较弱。

（4）铜山组内富含Cu、Pb、Zn等成矿物质，是区域上成矿的重要矿源层和矿化围岩，典型矿床和矿点地质特征显示铜山组变质岩石与后期中酸性侵入体接触所产生的交代作用往往大约同时形成与岩体有关的热液-矽卡岩型矿床，成矿前景较好。

注 释

①班宜红,刘朝阳,李继超,王令全,丁铁林,贺晓天,安金亮,沈卫立,靳拥护,黄芮,李福斌,刘志磊,赵亚楠,王江伟,张明云,王卫东,刘国栋,张浩,郜鹏飞,芦郅超,杨鑫,江建军,贾燕.2018.内蒙古自治区呼伦贝尔市沃力嘎沟等四幅1∶5万区域矿产地质调查报告[R].河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院,1-214.