銅陵礦集區淺表地質結構與深部耦合

杜建國 ,蘭學毅 ,萬秋 ,陳芳

（1 安徽省地質調查院, 安徽合肥 230001;2安徽省勘查技術院， 安徽合肥 230031）

0 引言

在長江中下游成礦帶，從北東到南西依次為寧鎮（Cu-Fe-Pb- Zn）、寧蕪（Fe）、銅陵（Cu-Au）、廬樅（Fe-Cu）、安慶-貴池（Cu）、九瑞（Cu-Au）和鄂東（Fe-Cu）包含了7個大型礦集區。從與構造、地層、巖漿巖及其與成礦關系特征，這7個礦集區可大致分為三類，一類是斷陷火山-沉積盆地區（簡稱盆地區），主要為與橄欖安粗巖系列火山-潛火山-淺成侵入巖有關的鐵硫礦集區，如廬樅和寧蕪礦集區，主要容礦層為早白堊世磚橋組（廬樅）、大王山組（寧蕪）；二是產于斷塊褶皺隆起區（簡稱隆起區），主要為與高鉀鈣堿性系列侵入巖有關的銅金多金屬礦礦集區，如銅陵、九瑞和寧鎮礦集區，主要容礦層為五通組-東馬鞍山組之間；三是隆起和坳陷過渡區（簡稱過渡區），如鄂東南、安慶-貴池礦集區，主要容礦層為中-下三疊統。

銅陵礦集區作為隆起區的典型代表，其地質科研工作程度較高，近幾年，中央財政、地方財政支持了較多項目在區內開展以深部探測、成礦與找礦理論和實踐的科研和勘查項目，取得了豐碩的地質成果，本文擬在已經取得的成果基礎上，對銅陵礦集區淺表地質結構與深部地質結構耦合的問題進行初步討論。

1 區域成礦地質背景

銅陵礦集區位于下揚子陸塊的北東緣，下揚子前陸拗陷帶中部的銅陵隆起中。銅陵隆起是一以斷裂圍限的斷塊隆起，其南北兩端分別以近東西向隱伏基底斷裂帶為界，與貴池、繁昌兩個北東向S狀褶皺帶相隔；北西側以長江斷裂與廬樅盆地相鄰，南東側為戴家匯-丁橋斷裂（區域上稱為馬鞍山-東流斷裂或清水鎮斷裂）與宣（城）南（陵）坳陷為伴。

下揚子地區自南華紀-中三疊世為穩定蓋層沉積階段，印支期成為大別造山帶和江南隆起帶之間的前陸拗陷帶，燕山期強烈構造巖漿活動，形成與之有關的巨量銅金多金屬礦、鐵硫礦富集的礦集區。

1.1 蓋層構造

銅陵礦集區地表出露主要地層為早奧陶世-中三疊世地層，其下部應存在南華-寒武紀地層，由南華紀-中三疊世地層構成了蓋層構造的物質系統。

1.1.1 褶皺構造

區內地表所顯示蓋層構造為一系列北東向背斜、向斜相間排列、不同方向斷裂構造交匯構成的菱塊狀構造樣式。印支期褶皺構成了本區主體構造，燕山期褶皺、斷裂變形疊加其上，疊加構造形跡所展布的構造樣式是北東向背斜、向斜平行斜列組成的S狀隔檔式（也有觀點認為是隔槽式）褶皺，褶皺軸面（或者軸向）的形態呈S狀褶皺。背斜較緊閉，且部分褶皺翼部具有倒轉現象，而向斜構造地表形態顯得較寬緩。卷入褶皺的地層為早奧陶世-中三疊是，地表普遍見到志留紀地層構成了復式背斜的核部地層，在永存橋背斜西段的蛤蟆嶺一帶地表和鉆孔則見到中-晚奧陶世地層位于褶皺核部，但變形明顯較上部地層弱；而三疊紀地層則普遍成為復式向斜的核部地層。由北西到南東依此為銅官山背斜、青山背斜、朱村向斜、永村橋-舒家店背斜和鳳凰山復向斜、戴公山背斜。在北東向褶皺構造中，背斜的南東翼普遍出現倒轉，其軸面傾向北西，鳳凰山向斜甚至出現兩翼倒“Ω”形，顯示北東向褶皺主要是自北西向南東方向的強烈擠壓作用形成。

東西向褶皺構造主要表現為疊加在北東向褶皺帶之上的寬緩褶曲，褶皺規模中等,兩翼大致對稱,軸面直立。由于疊加褶皺的影響,使北東向褶皺樞紐沿走向發生起伏變化,在背斜與背斜的疊加部位形成隆起,在向斜與向斜疊加部位形成坳陷。北北東向褶皺構造主要表現為斜跨復合于北東向S狀褶皺帶上的中型褶曲和小型褶皺，褶皺較為開闊,軸向為北東100°～25°之間,局部近南北向，其分布與影響較局限，可能為北北東向斷裂的伴生構造。

近幾年，在銅陵地區施工了深度超過2000m以上的深孔，揭示出淺表構造變化遠較過去傳統認識的較復雜。在舒家店-永存橋背斜軸部施工兩個鉆孔，在預計見到奧陶紀地層位置，仍在志留紀地層中鉆進，地層產狀變陡，并出現連續褶皺或斷裂構造引起地層重復現象；同樣，在陶家山向斜核部施工的深達2000余米的鉆孔，自三疊紀地層開孔，一直在三疊紀地層中鉆進，地層出現褶皺倒轉現象。銅陵礦集區地表和鉆孔能夠觀察到奧陶紀地層在永存橋背斜西段蛤蟆嶺-金牛山，以及沿戴家匯-丁橋斷裂西側的杉木柵-丁橋等地，地表、鉆孔所見志留紀地層與奧陶紀地層之間為一構造界面，奧陶紀上部地層普遍缺失，變形也較志留紀地層較弱。顯示志留系與奧陶系界面為區內重要構造界面。

1.1.2 斷裂構造

銅陵礦集區表層斷裂系統主要有3組：NE、S-N和NW向。NE向斷裂主要形成于印支時期,為一組與褶皺同期形成的壓剪性斷裂。S-N向斷裂形成于印支運動以后,錯斷了NE向的地層分布。NW向斷裂以擠壓破碎帶為特征,常錯斷地層,規模一般較小。

（1）NE向斷裂構造:主要以一系列斷續分布的斷層組成，常發育在褶皺的翼部總體表現為與褶皺構造線一致的走向順層斷裂帶，其斷面也主要傾向北西，與褶皺構造軸面基本一致，主要為蓋層擠壓收縮過程中形成。銅陵地區NE向斷裂構造除包括早期與印支期造山作用有關外，晚期也表現較強烈，在銅陵隆起的南東側的馬鞍山-東流斷裂帶中，不僅可見早奧陶世地層呈斷塊（片）斷續產出，而二疊-三疊紀地層也呈斷塊自北西向南東推覆至南陵盆地的晚白堊世“紅層”之上，由此可以推斷該期構造變形在銅陵隆起內有較強、涉及深度也較大，它可能主要以繼承、改造印支期變形構造而顯現。

（2）NW向斷裂構造:主要以北西向的逆沖斷裂和擠壓破碎帶為主，以銅陵隆起的南北與貴池-青陽褶皺帶和繁昌褶皺帶相隔的邊界斷裂多為區域性斷裂，它常切穿早期褶皺構造，具多期不同性質活動特點，多為印支期后形成。

（3）SN向斷裂構造。一般呈近南北向或北北東向延伸，數量少但規模較大，常對早期構造形成較大的破壞。

在銅陵地區沉積蓋層中還發育規模不等的順層推覆、滑覆構造,多出現在不同巖性層之間的層間剪切帶、滑脫褶皺等樣式,對層控夕卡巖型銅礦床的形成、改造及破壞起了重要作用。推覆構造與層間滑脫最易發生在巖性差異最大的部位,如石炭系的白云巖-砂巖組合。礦化前的推覆構造所造成的空隙帶、高滲透帶成為巖漿和礦液運移的通道及有利于交代和儲礦的場所,先存的沉積礦源在經受層間滑脫、逆掩構造作用的過程中受到熱動力影響,礦體產狀和礦石組構乃至礦物成分都可能發生變化,使原有礦床或礦源層變為沉積-改造型礦床。

1.2 巖漿巖

銅陵地區燕山期巖漿活動十分強烈，地表出露的小巖體約有70多個（圖1），多呈中-淺成相的小巖體、巖枝或巖墻產出，剝蝕程度較淺。從地表小巖體展布形態來看，單個小巖體長軸呈北東、北北西、北北東和近南北等多方向延伸。巖體長軸呈北東向展布的小巖體主要見于銅官山、龍潭肖、沙灘角、戴家匯等地，且主要分布于東部地區；呈北北西向的小巖體主要分布在獅子山以北、磯頭山及寨山一帶，集中于中部地區；呈北西向的小巖體主要分布在金口嶺、焦沖-獅子山、六豐山等地，主要在西部地區；呈北北東向的小巖體主要分布在西湖、順安、天馬山-虎山、舒家店--新橋頭一帶，其它還有一些呈南北、東西向分布的小巖體。這些巖體的長軸方向與本區地表發育的不同方向、不同性質的斷裂構造相對應，說明主要受斷裂構造控制。從宏觀上看，本區小巖體多集中成群成帶分布，大體以銅官山、獅子山、舒家店、新橋頭、鳳凰山、沙灘角為中心組成若干巖體群，它們呈近東西向串珠狀排列。

2 基底構造

圖1 中、晚侏羅世長江中下游地區陸內造山動力學模式示意圖（據呂慶田等，2014）Figure 1. Schematic diagram of dynamic model of intracontinental orogeny of the middle and late Jurassic time in the middle and lower reaches of the Yangtze River (after Lv Qingtian et al., 2014)TLF郯廬斷裂；XHF響水 淮陰斷裂；CHF 滁河斷裂；CJF 長江深斷裂；MTF主逆沖斷裂；NCB 華北板塊；SCB 華南板塊

長江中下游成礦帶具有“一蓋多底”的地殼結構（常印佛，董樹文等，1996）。區內不同構造分區也具有不同類型的基底，黃栗樹-破涼亭斷裂北西側具有由晚太古代南黃片麻巖及古-中元古代董嶺群組成的變質結晶基底（江北式基底），其上為中-新元古代宿松巖群、張八嶺巖群含磷和大量火山物質為主的火山沉積建造；高坦-周王斷裂和江南斷裂之間的江南斷褶帶的基底類型可能與江南隆起帶基底類型相似，為新元古代溪口群、歷口群組成的復理石型（含火山物質）褶皺基底（江南式基底）；高坦斷裂南部的江南隆起帶變質巖即是“江南式基底”出露至地表部分。間夾于“江北式”基底和“江南式基底”之間的沿江主成礦帶，具有兩類不同類型基底縫合帶性質，其間夾有新古元古宙星子群、董嶺群、埤城群等巖塊，可能是“江北式”、“江南式”基底殘余部分，因此它被認為是元古宙古巖石圈不連續(鄧晉福等，2001；杜建國等，2003)。

銅陵地區位于元古宙古巖石圈不連續的范圍之內，從構造位置上更接近于“江南式基底”，但從成礦特征分析，在典型的“江南式基底”之上，成礦主要是與燕山期中酸性侵入巖有關的鎢鉬多金屬礦產；在“江北式基底”之上，成礦主要是與燕山期中性-中酸性火山-侵入巖有關的銅鐵金硫等礦產。顯然，銅陵礦集區成礦特征與“江北式基底”之上形成的礦產基本相同，因此筆者認為該區雖然處于“古巖石圈不連續”的范圍之內，可能存在江南、江北基底的拼合帶組成的“過渡型基底”，但更接近于“江北式基底”，其上缺失中新元古宙的變質褶皺基底，而是由古元古-新太古宙的結晶基底組成。這種認識也得到了同位素地球化學示蹤和巖石學資料的支持,銅陵地區侵入巖的Sr-Nd同位素組成投影點位于巖石圈地幔與揚子下地殼及揚子上地殼之間，并且未嚴格地沿地幔排列及其延長線分布，投影點向左下方或右側方發生漂移，可能的原因是起源于富集巖石圈地幔的玄武巖漿既受到了揚子下地殼的同化混染，也受到揚子上地殼的同化混染，但混染的地殼物質相對較少（徐曉春等，2012）。本區侵入巖負εNd（t）值相應的Nd模式年齡（tDM）值均接近于或大于2Ga，也表明原始巖漿被古老地殼物質的混染（陳江峰等，1993；Chen and Jahn,1998；李曙光，2001；王強等，2003；高庚等，2006）。銅陵礦集區巖體中發現的磁鐵黑云斜長片麻巖、黑云輝石斜長角閃巖、角閃巖、角閃黑云片巖組合的變質巖殘余包體，同樣表明基底古老深變質巖系混入到巖漿中（杜楊松和李學軍，1997）。

3 深部地球物理探測

呂慶田等（2014）在國家“深部探測技術與實驗（SinoProbe）”科技專項和國家自然科學基金重點項目支持下，長江中下游成礦帶、銅陵礦集區先后部署了14條深地震反射剖面（其中，在銅陵礦集區部署了6條），揭示了成礦帶、礦集區具有異常地殼結構。深地震反射疊加剖面揭示了長江中下游成礦帶具有清晰的雙層地殼特征, 但大致以F2 斷裂（丁橋-戴家匯斷裂）為界, 南北表現出不同的地殼構造活動特征，北部下地殼經歷了強烈巖漿底侵改造, 形成楔狀強反射體, 對應地表的繁昌火山巖盆地的形成可能與之有成因聯系； 南部下地殼幾乎沒有受構造巖漿作用的影響, 具有典型的克拉通地殼反射特征。克拉通與前陸的深部分界線在丁橋-戴家匯斷裂之下, 而地表以周王斷裂（區域上稱為陽新-常州斷裂）(F1 )為界，銅陵隆起總體上處于兩類具有不同反射特征地殼的過渡帶, 是構造巖漿活動強烈的地區上地殼出現復雜的弧形反射組合,解釋為褶皺、沖斷和侵入構造, 表明上地殼發生了強烈擠壓變形。 上地殼弧形反射下面的反射透明區, 指示存在巨型巖基。上、下地殼之間(4 ～6 s ,T w T) 的巨型強反射層說明二者之間存在滑脫和拆離。拆離面為巖漿侵入和聚集創造了空間條件, 使礦集區下形成巨型巖基, 為成礦提供了物質來源。

模型指示上地殼發生廣泛的褶皺、沖斷和推覆，下地殼和巖石圈地幔發生陸內俯沖

在該項目支持下，銅陵礦集區部署了與地震剖面一致的6條MT剖面，其二維電性結構具有如下特征（湯井田等，2014）[1]：每條剖面的電性結構均以“橫向成段、縱向成層”為特征，在銅陵隆起、宣南盆地和江南隆起具有明顯不同的特征。穿過銅陵隆起帶的剖面在電性模型上表現為高電阻率背景；江南隆起帶表現為低阻特征；剖面的電性特征顯示了明顯的兩層結構。近地表（0～2 km）主要為10～500 Ω·m的低阻層，上地殼（2～15 km）主要為10 00～40 000 Ω·m的高阻層。銅陵隆起和宣城-南陵盆地被丁橋-戴匯深部斷層（DDF，F2）分開。中下地殼主要表現為垂向分層的特征；電性突變帶顯示了分隔不同構造單元的斷裂。

史大年等（2012）通過天然地震接收函數成像等分析研究，得到了研究區地殼和上地幔結構的清晰圖像（該剖面穿過的長江中下游成礦帶寧蕪礦集區）。接收函數成像結果顯示研究區內Moho面深度存在著明顯的起伏變化，在長江中下游成礦帶下方存在著幔隆構造。認為長江中下游成礦帶現今的下地殼可能是中生代發生成礦作用的多級巖漿房系統的一部分，成礦帶的形成可能是類似MASH過程的產物。

4 淺表地質結構與深部響應

淺表地質構造是深部地質結構的表征，與深部構造存在密切聯系。通過銅陵礦集區淺表構造樣式結合深部地球物理探測成果，可以初步得出以下認識：

（1）銅陵礦集區蓋層構造（在12km以淺范圍）也具有雙層結構，總體具有自北西向南東的沖斷褶皺帶的特征。“雙層結構”以志留系/奧陶系界面可以劃分為兩層，上層為早志留世-中三疊世地層，下層為南華-奧陶紀地層，二者界面為一大型滑脫構造，且自南而北埋深逐漸加大，南部在蛤蟆嶺一帶出露地表，至北部的舒家店一帶埋深則至少在3000m左右。在界面上部的早志留世-中三疊世地層，主要為一系列變形強烈、構造面多傾向北西的主干褶皺、斷裂構造，其間尚可劃分為多個以層間構造為主的次級構造界面，上部的褶皺、斷裂變形至滑脫面而收斂；界面下的南華-奧陶紀地層變形相對較弱，褶皺形態較上部寬緩。銅陵地區地表所觀察到的志留、奧陶系界面上、下褶皺構造和深處變化有較大不同，這也為相似物理實驗證實，志留系層內流褶皺和劈理化高度發育的現象, 反映印支-燕山期構造層的變形效應在此層趨于中止，其下伏巖系當屬另一套不同性質變形產物（鄧軍等,2004）。

淺表侵入體空間分布、形態等受蓋層構造控制，在褶皺構造軸部、轉折端部位產出相對集中、侵入體規模相對較大，系早期擠壓變形強烈、晚期伸展機制下的虛脫構造部位，有利于巖漿-流體富集，這與區內層控矽卡巖型礦床成礦特征一致。

（2）淺表構造是深部構造的表征，深部構造對蓋層構造具有控制作用。呂慶田等（2014）根據地震反射剖面揭示了長江中下游成礦帶深部地質結構的重要現象，在郯廬斷裂、長江斷裂帶在深部與上、下地殼拆離的“鱷魚嘴構造”相連，認為中、晚侏羅世陸內造山階段在揚子陸塊向北推擠過程中，下地殼和巖石圈地幔發生了陸內俯沖或疊瓦構造，上地殼向北西仰沖。但是，筆者與前者對深部地球物理資料解譯結果認識有所不同，“鱷魚嘴構造”是區內地殼結構的重要轉換帶，它“上顎”對應區內蓋層與基底的拆離構造帶，“下顎”形成于基底構造層內，其運動方向相反，“上顎”相對于“下顎”拆離，反映了淺表構造與深部構造是在同一地球動力學背景下的產物。從銅陵礦集區的淺表構造為一系列軸面傾向北西的的褶皺、斷裂構造形跡，預示蓋層主要受到北西向南東的推擠形成，蓋層相對于基底向南東仰沖，在蓋層構造與基底構造發生了大規模拆離，出現二者相向運動，這樣與深部地球物理證實的該拆離界面存在的認識一致。該拆離構造是區內聯通、控制蓋層與深部構造-巖漿-流體-成礦的重要構造帶。

（3）區域巖漿成礦系統。根據區內重磁資料，結合地震、MT等深部探測成果，蘭學毅等（2015）通過2D-3D重磁聯合反演，揭示區內（在5000m以淺范圍內）深、中、淺三個層次的構造控巖機制構成了巖體空間形態，顯示深部隱伏巖基、中部巖漿柱與淺部小巖株；而且較深層位的侵入體多形成“似層狀”巖體，中-淺部的侵入體多成為“柱體”巖體，而在超淺成或近地表條件下形成的侵入體多呈瘤狀、“蘑菇狀”甚至漏斗狀，淺部-中部-深部巖體相連，但其形態結構與深部出現差異，顯然深部“似層狀”巖體對應層狀巖漿房，中-淺部侵入體主要受淺表斷裂構造、層間構造、褶皺構造制約。依據區內地表出露巖體和物探推斷解譯成果，銅陵地區可以圈定銅官山、獅子山、新橋、舒家店、沙灘角、鳳凰山、五貴橋、茗山等8個巖漿活動中心，并與次級成礦亞系統相對應，其周圍密集分布的礦床、礦（化）點、重砂、化探異常以及蝕變發育的區段為其識別的最佳地質標志。

在銅陵礦集區積累了豐富的巖漿巖巖石學研究成果。吳才來等（2013）認為燕山期大規模巖漿活動存在多層“巖漿房”，淺部巖漿房深度在12～15km、深部巖漿房在50～60km；而與成礦有關的侵入巖處于0～3km位置（周珣若等，1993；狄永軍等，2004）。淺部侵入巖是由地殼深部帶狀巖漿房不同巖漿層中的巖漿與構造運動誘發的斷裂相溝通并隨機地上升、脈動式侵位形成的（徐曉春等，2012）。這與深部地球物理揭示的，在上地殼弧形反射下面的反射透明區（呂慶田等，2014）, 暗示在中上地殼存在巖漿房的認識一致，其形成位置也在蓋層與基底大型拆離界面附近。

銅陵礦集區成礦系統是淺表與深部耦合成礦作用相互耦合的結果。區內巨量金屬礦石的堆積主要與燕山期巖漿活動有關，礦石聚積在以巖體為中心的一定范圍之內，受圍巖巖性、侵入接觸帶、層間破碎帶、滑脫帶和褶皺構造控制明顯。因此，燕山期巖漿巖是成礦系統的核心。其次，由于區內蓋層中存在的多層滑脫、斷裂系統，向深部與蓋層和基底之間的主拆離構造而收斂、相連，構成了蓋層與基底聯通的構造網絡系統和巖漿-成礦流體遷移通道或聚焦場所。

在銅陵礦集區，以銅官山、獅子山、新橋-舒家店、鳳凰山、姚家嶺5個礦田為中心，其東西呈帶狀產出，受基底斷裂控制；在礦田內，礦床、礦體成北東向褶皺、斷裂控制。所以，在區內礦田、礦床的空間分布具有“東西成帶、北東成行” 特征；在成礦元素分帶上，有以東西向“銅陵-戴家匯基底斷裂”為軸帶的銅金礦為主，其南北兩側出現鉛鋅礦為主的特點；在單個礦田、礦床中也有上鉛鋅、下銅金的特征。這種區域成礦水平與垂向分帶特征，顯示形成與淺表層次的礦田、礦床是深部巖漿-流體成礦系統存在密切的聯系。

本文是筆者等承擔中國地質調查局“安徽銅陵地區深部礦產資源調查與評價”、國家“深部探測技術與實驗（SinoProbe）”科技專項中“銅陵礦集區立體探測與成礦預測”課題的部分成果。