塔里木盆地西北緣志留系砂巖型銅礦床地質特征及地球化學意義

張 磊，葉 雷，余子昌，帥 磊 ，劉志強，管 誥

( 有色金屬礦產地質調查中心，北京 100012)

0 引言

砂頁巖型銅礦是眾多銅礦礦床類型中重要的一種，目前在我國塔里木盆地、云南滇中、滇西盆地、四川會理盆地、湖南衡陽、沅麻盆地、甘肅天鹿、內蒙古中部盆地等均發現有沉積巖型或砂巖型銅礦床[1-3]。塔里木盆地作為重要的資源、能源產出區帶，沿塔里木盆地西、北緣已經發現有眾多的砂巖型銅礦，其中典型的有塔里木西南緣大型薩熱克銅礦、西緣中型伽師銅礦及北緣中型滴水銅礦[4-5]。隨著眾多礦床(點)的發現，顯示區帶上砂巖型銅礦成礦潛力巨大，使塔里木西北緣成為我國重要的砂礫巖型銅礦床成礦帶。

柯坪塔格前陸盆地位于塔里木盆地西北緣，屬于塔里木成礦省塔里木陸塊北緣隆起的柯坪塔格(前陸盆地)Pb-Zn-Cu-Fe-V-Ti-REE-磷礦帶[6]，砂巖型銅礦作為該礦帶內重要的成礦類型，新生代陸相砂巖型銅礦——伽師銅礦是區內典型代表，圍繞該礦床開展的地質調查工作，發現了一批礦(化)點，但多數未能形成工業規模。針對新生代砂巖型銅礦的調查過程中發現下志留統柯坪塔格組砂巖地層中有廣泛的銅礦化現象，具有典型的原始沉積特征，局部銅礦化帶在后期構造疊加作用下形成了具有一定規模的銅礦床——莫洛克斯銅礦。這表明柯坪塔格前陸盆地早古生代砂巖地層中同樣具有形成砂巖型銅礦的潛力，這為在塔里木盆地西北緣尋找砂巖型銅礦提供了新方向。

1 區域地質背景

柯坪前陸盆地位于塔里木盆地西北緣，屬于塔里木微板塊之下的Ⅲ級構造單元，南以柯坪塔格—沙井子斷裂為界，北至烏恰—阿合奇斷裂(圖1b)，盆地受晚古生代普昌深大斷裂及新生代逆沖推覆斷裂的作用，形成近平行排列，錯落分布的多個單面山，局部發育向斜褶皺及構造斷塊。盆地內廣泛分布有寒武系至第四系各套沉積地層，變質程度低，區域巖漿巖不發育，局部僅有少量基性巖體、脈巖出露。

圖1 莫洛克斯銅礦區大地構造位置圖(a)與莫洛克斯銅礦區地質圖(b)(據文獻[6]修改)

柯坪前陸盆地是在塔里木前寒武基底之上以古生界沉積疊合中—新生界沉積形成的坳陷盆地。早古生代上寒武統—下奧陶統丘里塔格組 [(∈3O1)q] 為一套局限臺地相-開闊臺地相的碳酸鹽建造；下志留統—中下泥盆統包括上志留統柯坪塔格組(S1k)、中—頂志留統塔塔埃爾塔格組(S2-4t)、中—下泥盆統依木干他烏組(D1-2y)，主要巖性為紫紅色、灰綠色的碎屑巖建造，沉積環境由志留紀還原環境為主轉到中—下泥盆世氧化、還原環境交替出現的熱帶—亞熱帶濕潤環境，沉積相由海進轉為海退海進交互型前濱亞相-潮坪相-瀉湖相；上泥盆統克孜爾塔格組(D3k)主要巖性為磚紅色巖屑石英砂巖，為一套正常碎屑巖建造，表現為干旱平原砂壟、砂蓋相。

區域上晚震旦世—早奧陶世時屬于塔里木板塊被動陸緣盆地，主要表現為陸內裂陷盆地—伸展造山耦合；在中晚奧陶世—泥盆紀時為克拉通內濱淺海陸源碎屑坳陷盆地發育階段，主要表現為陸內擠壓盆地-擠壓造山耦合[7]。

2 礦區地質特征

2.1 地層與含礦巖層

礦區內主要出露的地層為上寒武統—下奧陶統丘里塔格組[(∈3O1)q]與上志留統柯坪塔格組(S1k)，兩者為平行不整合接觸關系，局部受構造推覆作用形成斷層接觸。

上志留統柯坪塔格組(S1k)巖性主要為褐紅色、灰綠色泥巖、細砂巖、巖屑砂巖，為一套潮坪相-淺海陸棚-濱岸沉積的碎屑巖建造。其中柯坪塔格組(S1k1)為砂巖型銅礦含礦建造，具體又劃分出3套(地層由新到老Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)含礦巖層(圖2)。

Ⅰ含礦巖層〔S1k1(ss+ms)〕：巖性為灰綠色中層狀巖屑石英砂巖夾薄層狀泥質粉砂巖(圖2-Ⅰ-1)，銅礦化發育于巖屑石英砂巖中，以孔雀石為主，呈薄膜狀、星點狀，分布與砂巖裂隙面及與泥質粉砂巖接觸面附近(圖2-Ⅰ-2)。含礦巖層頂底均為褐紅色泥巖、粉砂質泥巖。

Ⅱ含礦巖層〔S1k1(qss)〕：巖性為淺灰黃色、灰白色巖屑石英砂巖，走向延伸穩定，厚度1～5米(圖2-Ⅱ-1)。巖屑石英砂巖中可見大量褐色油斑、褐鐵礦化等蝕變，局部蝕變強烈區段有孔雀石礦化(圖2-Ⅱ-2)。

Ⅲ含礦巖層〔S1k1(cuss)〕：該層砂巖為后期褪色蝕變形成，宏觀為灰綠色，淺灰黃色，位于柯坪塔格組下段底部，多在柯坪塔格組與丘里塔格組接觸界面處，走向上厚度變化極大，蝕變巖石組合為灰綠色鈣質砂巖、粉砂巖夾少量泥巖(圖2-Ⅲ-1)。銅礦化主要集中在該蝕變砂巖中，可見面狀孔雀石，分布于整個砂巖中，尤其以裂隙面上礦化強烈，局部可見輝銅礦、黃鐵礦、銅藍等(圖2-Ⅲ-2)。

圖2 柯坪塔格組下段含礦巖系露頭及礦化特征

2.2 構造

礦區西側1 km為皮羌斷層，斷裂造成含礦地層走向錯斷800～1000 m；礦區南側為柯坪塔格逆沖推覆斷裂，礦區即位于斷層上盤。兩大斷層的疊加形成了礦區的斷裂體系(圖1)。

左行平移斷層：斷層延伸長度為1～2 km，走向上垂直于地層，切穿含礦層及頂、底部的泥巖、灰巖層。斷層全部為張剪性斷層，斷距為10～50 m，宏觀形成5～20 m的破碎帶，其中有斷層角礫、斷層泥等，含礦層附近有強烈的褐鐵礦化、褪色蝕變現象。

NW向張性斷層：宏觀具有等距產出特征，間隔300～500 m，斷層主體產于丘里塔格組灰巖地層中，向北延伸后切穿含礦層后，在柯坪塔格組砂、泥巖中尖滅。斷層無明顯錯動，在脆性灰巖中形成張性裂縫，其走向為320°～350°，近直立產出，部分與礦化蝕變關系密切。

不整合界面：柯坪塔格組與下伏丘里塔格組之間為平行不整合接觸關系，兩者巖性剛性差異較大(前者為砂巖、泥巖；后者為碳酸鹽巖)，在區域推覆作用下形成層間滑動，該不整合面(局部為斷層)是重要的流體活動界面，在界面之上碎屑巖地層中形成了廣泛的褪色蝕變。

3 礦床地質特征

3.1 礦體特征

礦區圈出銅礦體3條，集中于Ⅲ含礦巖層中，在Ⅰ、Ⅱ含礦巖層中圈出多條銅礦化體(圖2)。

Ⅲ-1號銅礦體平均品位為0.57%，真厚度約為1.37 m，走向延伸約520 m；Ⅲ-2號銅礦體走向上兩端受左行平移斷層夾持，中部被斷層分割為兩段，礦體銅的平均品位為2.5%，平均真厚度為1.33 m，走向延伸約240 m；Ⅲ-3號銅礦體西側被切層張性斷層截斷，礦體銅的平均品位為0.81%，真厚度為4.76 m，走向延伸約110 m。礦體產于灰色巖屑砂巖中，產狀與地層一致，主要以孔雀石化為主，少量銅藍、輝銅礦，未見原生礦。Ⅱ銅礦化體真厚度為2.63 m，銅的品位為0.36%，走向延伸約110 m，礦化受控于含礦砂巖，含銅礦物以孔雀石為主，少量輝銅礦。Ⅰ-1、Ⅰ-2兩條銅礦化體，銅的平均品位為0.14%，真厚度為0.5～1 m，走向延伸為180～240 m，礦化體呈層狀，透鏡狀，含銅礦物以孔雀石為主。

3.2 礦石特征

3.2.1 礦石類型

含礦巖石主要有中粒巖屑石英砂巖、長石石英砂巖、巖屑砂巖以及少量細砂巖、粉砂巖。礦區地表礦石類型全部為氧化礦，含銅礦物基本為孔雀石，少量輝銅礦、黃銅礦。

3.2.2 礦物組成

礦區主要含銅礦物為孔雀石、輝銅礦，少量黃銅礦、銅藍，其他金屬金屬礦物較少，僅見少量方鉛礦、黃鐵礦、褐鐵礦、磁鐵礦等，呈半自形、他型、粒狀分布于碎屑顆粒間。孔雀石呈膠狀充填于碎屑顆粒間，為黃銅礦的次生礦物，主要粒徑為0.01～0.2 mm。輝銅礦不均勻浸染狀分布于砂粒間，個別內部包含斑銅礦，少量黃鐵礦，粒徑為0.5～1.6 mm，成透鏡體分布，褐鐵礦化強烈。黃銅礦與方鉛礦共生，不同程度的被銅藍、孔雀石交代，主要粒徑為0.01～0.2 mm。銅藍顆粒細小，嵌布于砂屑膠結物或孔雀石中，常與輝銅礦、孔雀石緊密伴生。

3.3.3 礦石結構構造

礦石結構主要有粒狀結構、交代殘余結構、膠狀結構等。礦石構造主要有團塊狀、薄膜狀、浸染狀、紋層狀、網脈狀等。Ⅰ含礦巖層主要為黃銅礦、輝銅礦呈稀疏浸染狀，孔雀石呈薄膜狀分布于砂巖中；Ⅱ、Ⅲ含礦巖層中以黃銅礦、輝銅礦、銅藍等呈浸染狀、團塊狀、紋層狀分布于砂巖中，砂巖表面同時有薄膜狀孔雀石。

3.3 圍巖蝕變

莫洛克斯銅礦區最典型蝕變為砂巖的褪色蝕變，即褐紅色砂巖經還原性流體交代蝕變后變成灰黃色、灰色，局部有明顯的褐鐵礦化。同時，伴隨褪色蝕變，在礦化集中部位可見密集斑點狀褐色、黑色油斑，這與柯坪塔格組為區域上重要的含油巖系吻合[8]，也表明塔里木西南緣砂巖型鉛鋅銅礦成礦與盆地含油氣還原性流體密切相關[9-10]。此外，礦區圍巖及斷裂中還有碳酸鹽化、黃鉀鐵礬化等蝕變。

4 地球化學特征

4.1 成礦元素特征

為了研究砂巖型銅礦原始沉積與后期流體蝕變對成礦的作用，本次按蝕變作用、礦化強度分類采集了4類樣品(表1)，全部集中于柯坪塔格組下段中，分別為①原始沉積褐紅色砂巖、褐紅色巖屑砂巖；②灰綠色砂巖、蝕變灰黃色砂巖；③弱礦化砂巖(銅的品位約為0.1%)；④含礦砂巖(銅的品位>0.2%)。

表1 莫洛克斯銅礦區各巖層主要金屬元素含量Table 1 List of the main metal element content of each rock formation in Morlocs copper mining area

由表1可見，柯坪塔格組下段原始沉積褐紅色砂巖、巖屑砂巖中w(Cu)平均值為24.74×10-6，與全新疆Cu的背景值(25.00×10-6)相近，但略高于礦區所在1∶20萬圖幅的背景值(16.82×10-6)。此外，還原環境沉積的灰綠色砂巖及后期蝕變形成的灰黃色砂巖中w(Cu)平均值達到187.62×10-6，顯著高于褐紅色原始沉積砂巖層，為前者的7.5倍，表明原始還原性沉積環境(沉積形成穩定灰綠色砂巖層)即具有較高的Cu沉積背景，同時后期還原性流體與含礦巖層的蝕變作用使其Cu含量進一步升高。在其他主要成礦金屬元素中，Pb含量與Cu有正相關性，其在蝕變砂巖、弱礦化砂巖、含礦砂巖中的w(Pb)平均值為66.31×10-6，較褐紅色砂巖地層中w(Pb)平均值(12.78×10-6)富集作用明顯，而其他Zn、W、Mo、Co、Ni等元素相關性不明顯。

4.2 稀土元素特征

從稀土元素分布模式(圖3)可見，褐紅色砂巖、蝕變砂巖及礦化砂巖宏觀特征相似，在球粒隕石標準化圖中LREE/HREE比值介于5.67～11.35之間(表2)，為輕稀土富集，呈右傾模式。同時δEu值介于0.69～0.82之間，全部為負異常，δCe值介于0.87～0.99之間，為弱負異常，表明含礦砂與圍巖物源一致。三種類型巖石的稀土總量略有差異，褐紅色砂巖中∑REE的平均值為93.61，蝕變砂巖中∑REE的平均值為61.63，弱礦化砂巖與蝕變砂巖相似為65.37，礦化砂巖中∑REE的平均值為79.79，相對與褐紅色砂巖，淺色砂巖或蝕變砂巖稀土總量有明顯降低，其特征與滴水銅礦[11]、楚雄盆地砂巖銅礦[12]一致，代表褐紅色砂巖在蝕變形成淺色砂巖過程中有稀土元素的帶出。而含礦砂巖中稀土總量介于褐紅色砂巖與蝕變砂巖之間，與楚雄盆地六苴銅礦、郝家溝銅礦一致[13]，可能表明成礦階段伴隨銅的卸載，也有稀土元素的帶入。

圖3 球粒隕石標準化稀土元素分布型式圖(球粒隕石標準化值據文獻[14])Fig.3 The chondrite-standardized distributionpattern diagram of REE [14]

4.3 砂巖構造環境與物源區分析

在Roser和Korsch(1988)[15]提出的砂巖-泥質巖構造背景及碎屑物來源的判別圖(圖4)中，莫洛克斯銅礦區含礦砂巖、蝕變砂巖及褐紅色圍巖砂巖分布相對集中，均在石英質沉積物源區；依據砂巖輕重稀土比值與稀土元素總量 La/Yb - ∑REE 圖解[16]，礦區各砂巖均集中于沉積巖區(圖5)。由此可見，莫洛克斯銅礦區各類砂巖盡管在后期蝕變過程中有稀土元素、主量元素的進出，但仍具有較為一致的源區特征，均表現為來自沉積巖物源區。

圖4 砂巖的主要元素判別函數圖解Fig.4 Discrimination diagram of main elements inthe sandstone samples

圖5 砂巖樣品La/Yb - ∑REE圖解Fig.5 La/Yb - ∑REE diagram of the sandstone samples

Bhatia[17]提出了利用主量元素進行砂巖源區構造環境判別的方法，在w(Al2O3/SiO2) -w(Fe2O3T+MgO) 圖解(圖6)中，所有類型的砂巖大部分集中在被動大陸邊緣環境區域中，3個離散樣品也分布在被動大陸邊緣環境區域周圍；在w(TiO2) -w(Fe2O3T+MgO)圖解中，半數樣品集中分布于被動大陸邊緣環境區域，部分落在活動大陸邊緣環境區域。結合前人對塔里木西北緣柯坪塔格組砂巖地球化學特征、大地構造演化分析[18-19]，認為柯坪塔格組下段形成于被動大陸邊緣。

圖6 莫洛克斯銅區砂巖源區大地構造背景主要元素判別圖Fig.6 Discrimination map of the main elements for the geotectonic background ofthe sandstone source area in Morlocs copper mining areaA—大洋島弧 B—大陸島弧 C—活動大陸邊緣 D—被動大陸邊緣

Co/Ni比值常常用來作為判別銅礦成因的參數[20]，沉積成因銅礦Co/Ni比值小于1。莫洛克斯銅礦區礦體與圍巖中w(Co)介于0.66×10-6～5.53×10-6之間，w(Ni)介于0.77×10-6～7.54×10-6之間，Co/Ni比值介于0.41～0.86之間，平均值為0.54，含礦砂巖與褐紅色圍巖差異不大，整體與與湖南車江砂巖銅礦[21]、烏恰縣瑪依喀克銅礦[22]一樣具有沉積成因的特征。因此，原始沉積作用是莫洛克斯銅礦形成的基礎。

5 礦床成因探討

在柯坪前陸盆礦產地質調查過程中，發現三岔口鎮到西克爾鎮東西延伸超過60 km的范圍內，柯坪塔格組下段中存在穩定延伸的含銅層位，即厚層褐紅色泥巖、泥質粉砂巖中出現的2～3 m厚的灰綠色巖屑石英砂巖、泥質粉砂巖組合。前人總結也認為沉積巖型層狀銅礦床多賦存于沉積盆地的還原性地層中(即灰綠色巖層)，含礦地層大多數覆蓋在紅層巖系之上或直接位于紅層之中[23]。

礦區內Ⅰ含礦巖層在區域上穩定延伸，且其中廣泛出現銅礦化蝕變，其形成應與原始沉積有關。塔里木板塊自前寒武紀裂解形成古南天山洋，志留紀時期，塔里木古陸西北緣保持為被動大陸邊緣環境[19]，礦區處于克拉通內濱淺海陸源碎屑坳陷盆地發育階段，在瀉湖-潮坪相沉積環境下形成厚大的褐紅色、紫紅色砂泥巖，而其中的灰綠色砂巖層則代表沉積盆地在形成了短期的深水還原環境，沉積環境由氧化環境向還原環境轉變，促使Cu離子的沉淀富集，從而形成了區域上廣泛的含銅層位。

礦區內Ⅱ、Ⅲ含礦層具有明顯的后期蝕變特征，原巖為褐紅色砂泥巖層，蝕變后成灰綠色、灰黃色。該蝕變宏觀上首先受柯坪塔格組與丘里塔格組不整合面控制，沿不整合面在走向上斷續出現。同時NE、NW向的平移或張性斷層控制蝕變的規模和邊界，這點在礦區可見斷層兩側蝕變較強，或銅礦體產出于斷層兩側。后生成因的淺色層分布廣泛，是后生階段含硫及有機質的鹵水(即活動還原劑)使地層中三價鐵還原成二價鐵形成的[24]。前人研究認為，沉積巖性銅礦多與盆地熱液活動密切相關，且普遍認為該類礦床是由盆地內中—低溫、氧化性的富Cu鹵水遷移至沉積層內的氧化還原界面發生金屬硫化物沉淀而形成[23，25]。

6 結論

通過對塔里木盆地西北緣莫洛克斯銅礦床的調查研究，得出主要結論：

1)在區域上，確定了柯坪塔格組下段中灰綠色巖屑石英砂巖、泥質粉砂巖組合為砂巖型銅含礦層位。同時，結合莫洛克斯銅礦床，提出產出于區域含銅層位下部，在不整合面及斷層附近的蝕變砂巖是重要的含礦系統。

2)莫洛克斯銅礦區圈出銅礦體3條，礦體中銅的平均品位介于0.57%～2.5%之間，厚度介于1.33～4.76 m之間，走向延伸為110～520 m，銅礦體已經具備一定工業規模。

3)地球化學特征上，Cu具有從圍巖→蝕變砂巖→含礦砂巖逐漸富集的特征；稀土元素特征上，δEu、δCe為負異常，且蝕變砂巖相對于圍巖稀土總量明顯降低；微量元素特征上，礦區砂巖均顯示來自沉積巖物源區特征，沉積構造背景為被動大陸邊緣。

4)結合礦床地質特征以及地球化學特征，認為區域上及礦區內穩定產出的灰綠色巖層及銅礦化為原始沉積形成；礦區內蝕變砂巖及銅礦體則是由還原性富Cu盆地流體沿構造界面運移，在氧化還原界面發生沉淀形成。