西南天山中新生代盆地成礦流體運移規律

賈潤幸方維萱

1.有色金屬礦產地質調查中心,北京 100012;2.有色金屬礦產地質調查中心礦山生態環境資源創新實驗室,北京 100012

沉積盆地是金屬礦產和能源礦產重要的賦存空間,成礦流體的富集及運移方向與礦藏的形成密切相關,關于成礦流體與沉積盆地之間的關系,相關學者已進行了大量的研究(鄧軍等,2000;王震亮,2000;劉建明等,2000;楊慶杰等,2000;顧家裕等,2001;鄒華耀等,2005;王國芝等,2002;歐光習等,2006;薛春紀等,2007,2008;趙重遠和靳久強,2009;解習農等,2009;吳根耀等,2012),總體上,從事油氣等能源礦產的研究者對巖石的孔隙度和滲透率關注較多(劉建軍和劉先貴,2001;馮建偉等,2011;尚春江等,2019;曾治平等,2019;俞雨溪等,2020),而從事金屬礦產的研究者對巖石的孔隙度和滲透率關注較少(周利敏等,2008),然而現在越來越多的流體包裹體證據顯示沉積盆地中的油氣等有機質參與了金屬礦產的成礦作用,部分還起到了決定性的作用(方維萱等,2016;賈潤幸等,2017)。由于沉積盆地通常經歷了漫長的構造演化過程,對于沉積盆地在不同地質背景下(如沉積環境、盆地構造變形和巖漿侵入等)成礦流體的運移規律缺乏對比研究。烏拉根鉛鋅礦和薩熱克銅礦是近十多年來在西南天山中新生代沉積盆地中發現的層控型超大型-大型礦床,相關學者對其物質來源、流體包裹體特征和成礦模式等已進行了較多的研究(劉增仁等,2011;李志丹等,2011;韓鳳彬等,2013;賈潤幸等,2016,2018;方維萱等,2017a,2017b),從其成礦背景來看,烏拉根鉛鋅礦以沉積作用為主,后期變形相對較弱;而薩熱克銅礦北礦段則發生過強烈的構造變形和碎裂巖化,在其南礦段還有巖漿的疊加成礦作用,這種特殊的成礦環境為對比研究沉積盆地中成礦流體的運移規律提供了良好的條件,文章重點以烏拉根鉛鋅礦床和薩熱克銅礦床不同巖(礦)石為研究對象,探討沉積盆地在沉積成巖成礦作用、盆地構造變形過程及巖漿熱液疊加改造過程中,成礦流體與巖石抗壓變形強度及其孔隙度和滲透率之間的耦合關系,進而研究成礦流體在沉積盆地中的運移軌跡,為在沉積盆地中尋找富礦體提供理論依據。

1 地質概況

工作區大地構造位置處于塔里木盆地西緣塔拉斯-費爾干納斷裂帶邊部(李向東和王克卓,2000)。區域出露中元古代至新生代地層,中元古代阿克蘇群(Pt2ak)黑云母片巖、二云母片巖等構成沉積盆地基底,目前已發現多處銅、鐵等礦(化)點;志留系為一套淺變質含碳碎屑巖建造,包括千枚巖、變質砂巖、大理巖夾石英巖等,目前在該地層中已發現薩瓦亞爾頓大型金礦(金屬儲量近100 t);其次為泥盆系碳酸鹽巖、砂巖和頁巖等,石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖等,二疊系礫巖、含礫砂泥巖等,三疊系碳酸鹽巖僅零星出露;中—新生代地層以陸相碎屑巖建造為主,夾有少量含煤建造和碳酸鹽巖建造,發育有大量沉積型礦床,目前已發現有烏拉根超大型鉛鋅礦、薩熱克銅礦和多處銅、鉛鋅、鐵、鋁土和鍶等礦(化)點。區域深大斷裂主要以北東向和北西向為主,少數斷裂為近南北向和近東西向;區域巖漿活動不強烈,出露的巖漿巖主要有晚志留世—早泥盆世超鎂鐵質巖和晚白堊世輝綠輝長巖脈(圖1)。

1—第四系;2—新近系;3—漸新統—中新統克孜洛依組;4—古近系;5—白堊系;6—侏羅系;7—三疊系;8—二疊系;9—石炭系;10—泥盆系;11—志留系;12—中元古代長城系阿克蘇群;13—晚志留世—早泥盆世超鐵鎂質巖石;14—輝綠巖脈;15—地質界線;16—角度不整合;17—正斷層;18—逆斷層;19—性質不明斷層;20—推測斷層;21—銅礦點;22—鉛鋅礦點;23—金礦;24—鍶礦點;25—鐵礦點;26—鋁土礦點;27—鉛鋅銅礦點;28—地名;29—水系;30—礦區;31—構造縫合帶;32—逆沖推覆構造帶圖1 西南天山區域地質圖Fig.1 Regional geological map of the southwestern Tianshan area1-Quaternary system; 2-Neogene system; 3-Oligocene-Miocene Keziluoyi formation; 4-Paleogene system; 5-Cretaceous system; 6-Jurassic system; 7-Triassic system; 8-Permian system; 9-Carboniferous system; 10-Devonian system; 11-Silurian system; 12-Mesoproterozoic Changcheng system Akesu group; 13-Late Silurian-Early Devonian ultramafic rocks; 14-Diabasic dike; 15-Geological boundary;16-Angular unconformity; 17-Fault; 18-Copper occurrence; 19-Lead-Zinc occurrence; 20-Gold deposit; 21-Strontium occurrence; 22-Iron occurrence; 23-Bauxite occurrence;24-Copper polymetallic occurrence; 25-Place name; 26-River;27-Mine area; 28-Structural suture zone; 29-Thrust nappe belt

區內烏拉根鉛鋅礦和薩熱克銅礦均為層控型礦床。從烏拉根鉛鋅礦的成礦地質特征來看(劉增仁等,2011),烏拉根鉛鋅礦主要受控于下白堊統克孜勒蘇群(K1kz;圖2a),該層依據巖性組合可劃分出5個巖性段,從下至上依次為:①下白堊統克孜勒蘇群第一巖性段(K1kz1)為一套辮狀河相褐紅色粉砂質泥巖夾砂巖及礫巖;②下白堊統克孜勒蘇群第二巖性段(K1kz2)為一套辮狀河三角洲平原亞相紫灰色、暗褐紅色巖屑砂巖與粉砂質泥巖互層,巖屑砂巖中發育大型斜層理及板狀交錯層理和平行層理,可見沙紋層理及波痕;③下白堊統克孜勒蘇群第三巖性段(K1kz3)為一套辮狀河三角洲前緣亞相灰白色厚層狀含礫砂巖、巖屑石英砂巖、長石石英砂巖夾少量褐紅色粉砂質泥巖,局部為砂礫巖、礫巖;④下白堊統克孜勒蘇群第四巖性段(K1kz4)為褐紅色砂巖與粉砂質泥巖互層夾含礫砂巖、礫巖;⑤下白堊統克孜勒蘇群第五巖性段(K1kz5)為灰白色、褐紅色砂、礫巖夾砂巖與泥巖,為烏拉根式鉛鋅礦的賦礦層位(圖2b,圖3)。礦體在寬緩的烏拉根向斜南北兩翼對稱產出,鉛鋅礦體呈層狀、似層狀,總體產狀與地層產狀基本一致。

圖2 烏拉根鉛鋅礦床和薩熱克銅礦床巖不同(礦)石特征Fig.2 The characteristics of different rocks (ores) in the Wulagen Pb-Zn deposit and the Sareke copper deposit. (a) Open pit of the Wulagen deposit. (b) Ore-bearing coarse sandy fine conglomerate of the Wulagen deposit. (c) The boundary between the ore-bearing anagenite and the overlying purplish mudstone in the northern part of the Sareke copper deposit. (e) Cutting layer intrusion of the diabasic dike in the southern part of the Sareke deposit. (f) Concordant intrusion of the diabasic dike in the southern part of the Sareke deposit.

1—中新統安居安組;2—漸新統—中新統克孜洛伊組;3—始新統—漸新統巴什布拉克組;4—始新統烏拉根組;5—始新統卡拉塔爾組;6—古新統—始新統齊姆根組;7—古新統阿爾塔什組;8—下白堊統克孜勒蘇群五段;9—地質界線;10—角度不整合界線;11—鉛鋅礦體;12—鉛鋅礦化體;13—鉆孔圖3 烏拉根鉛鋅床S7-N15號勘探線剖面圖(據王勃等,2013修改)Fig.3 Section of the exploration line S7-N15 in the Wulagan Pb-Zn deposit (Modified after Wang et al., 2013)1-Miocene Anju’an formation; 2-Oligocene-Miocene Keziluoyi formation; 3-Eocene-Oligocene Bashibulake formation; 4-Eocene Wulagen formation; 5-Eocene Kalataer formation; 6-Palaeocene-Eocene Qimugen formation; 7-Palaeocene Aertashi formation; 8-The fifth section of the Kezilesu Group in the Lower Cretaceous; 9-Geological boundary;10-Angular unconformity; 11-Pb-Zn orebody;12-Pb-Zn mineralized body; 13-borehole

從薩熱克銅礦的成礦地質特征來看(賈潤幸等,2017,2018),薩熱克銅礦體主要受控于薩熱克巴依盆地中的上侏羅統庫孜貢蘇組(J3k),根據巖性組合及礦化特征進一步劃分為庫孜貢蘇組上段(J3k2)和下段(J3k1),上侏羅統庫孜貢蘇組下段(J3k1)巖石組合為礫巖、巖屑石英砂巖、長石巖屑砂巖、泥質細粒巖屑粉砂巖、泥質粉砂巖等;上侏羅統庫孜貢蘇組上段(J3k2)為紫紅色—灰綠色,巖石組合為礫巖、巖屑石英砂巖、泥質細砂巖,該層可進一步劃分為5個巖性段(賈潤幸等,2016);上侏羅統庫孜貢蘇組上段(J3kz2)雜礫巖層為薩熱克銅礦的賦礦層位(圖4)。受薩熱克盆地南北兩側逆沖推覆作用影響使薩熱克盆地成為了一個近北東向分布的復式向斜盆地,分布于薩熱克向斜盆地北礦帶的礦體傾角也隨之變陡(圖2c)并發生層間滑動,在銅礦體礫石中可見明顯的碎裂巖化和沿礫石裂隙充填的細網脈化(圖2d)。在薩熱克巴依盆地南部輝綠輝長巖脈較為發育,多呈巖脈的形式出露于白堊系第二巖性段(K1kz2)地層中,順層和切層均有產出(圖2e、2f),輝綠輝長巖脈及上下盤砂巖發育退色蝕變并常伴有明顯的銅礦化現象。

2 樣品采集與測試

為了研究含礦圍巖的孔隙度和滲透率特征,分別選取烏拉根鉛鋅礦和薩熱克銅礦不同類型的含礦圍巖樣品進行采集,采集的樣品包括烏拉根鉛鋅礦5件和薩熱克銅礦25件不同地層樣品;其中烏拉根鉛鋅礦主要為沉積成因的巖石樣品,而薩熱克銅礦床的北礦帶在成礦過程中受到過強烈的構造變形,其南礦帶經歷了巖漿熱液的疊加成礦作用,分別對薩熱克銅礦床的北礦帶構造變形中含有膠結物的雜礫巖采集了8件樣品,薩熱克銅礦床南礦帶下白堊統克孜勒蘇群第二巖性段(K1kz2)經受巖漿蝕變作用的石英砂巖采集了8件樣品。同時為了便于對比,在薩熱克銅礦床的北礦帶采集了6件沉積成因的樣品,其中上侏羅統庫孜貢蘇組上段(J3k1)采集了3件石英砂巖樣品,下白堊統克孜勒蘇群第一巖性段(K1kz1)采集了3件粉砂質泥巖樣品;在薩熱克銅礦床南礦帶下白堊統克孜勒蘇群第二巖性段(K1kz2)采集了3件沉積成因的巖石樣品。樣品重量一般1000～2000 g左右,樣品加工前先切掉氧化或蝕變膜,選擇新鮮的巖塊磨制電子探針片后,孔隙度和滲透率測試由中國石油大學(北京)石油工程研究所中心實驗室完成,測量方法按照中華人民共和國標準《巖心分析方法》 (SY/T 5336-2006)執行。測量儀器為CoreLab公司生產的HPP孔滲儀,分析結果見表1。

1—砂礫巖型銅礦化;2—砂巖型銅礦化;3—砂巖型鉛鋅礦化;4—輝綠巖脈;5—瀝青化;6—砂礫巖;7—石英砂巖;8—泥質灰巖;9—粉砂質泥巖;10—煤層;11—變質片巖;12—大理巖;13—基性火山巖;14—中元古代長城系阿克蘇群;15—斷層圖4 薩熱克銅礦床成礦地質模型Fig.4 Metallogenic model of the Sareke copper deposit1-Glutenite-type copper mineralization; 2-Sandstone-type copper mineralization; 3-Sandstone-type Pb-Zn mineralization; 4-Diabasic dike; 5-Bituminization; 6-Glutenite; 7-Quartz Sandstone; 8-Argillaceous limestone; 9-Silty mudstone; 10-Coal bed; 11-Metamorphic schist; 12-Marble; 13-Basic volcanic rock; 14-Mesoproterozoic Changcheng system Akesu group;15-Fault

表1 烏拉根-薩熱克不同巖(礦)石滲透率和孔隙度測試結果Table 1 Test results of permeability and porosity for different rocks (ores) from the Wulagen deposit and the Sareke deposit

3 巖(礦)石特征

3.1 巖(礦)石組構特征

3.1.1 烏拉根礦區主要巖(礦)石特征

粗砂質細礫巖(鉛鋅礦石):構造主要有塊狀構造、浸染狀、條帶狀、草莓狀;結構以粒狀結晶結構為主,少數為膠狀、結核狀、圓球狀結構;巖石主要有礫石(10%～30%)、砂質(70%～80%)及少量金屬硫化物(<10%)和膠結物組成;礫石以石英、硅質巖等為主,磨圓度中等,粒徑0.2～0.5 cm,個別可達1 cm以上;砂質主要為石英和長石,粒徑在0.2～0.5 mm之間;金屬硫化物主要為閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦、白鐵礦等多呈微細粒浸染狀分布于礫間膠結物中,尤其是沿礫石邊部分布;膠結物主要為石膏、方解石、白云石等(劉增仁等,2011)。

3.1.2 薩熱克礦區主要巖(礦)石組構特征

雜礫巖(銅礦石):塊狀構造、網脈狀構造,砂礫狀結構,主要由礫石(85%～90%)、少量砂屑(含量<5%)和填隙膠結物組成(5%～10%),可見明顯碎裂化;礫石成分主要為泥巖、鐵質碳酸鹽巖、石英砂巖、泥質細砂巖、基性火山巖、石英巖、硅質板巖等,分選性較差,粒徑一般在0.3～5 cm之間,個別達到7 cm以上,磨圓度中等,多呈次圓狀;填隙膠結物主要為方解石(1%～5%)、輝銅礦(0.5%～5%)和少量次生石英(0.5%～1%)等,部分礦石中的膠結物主要為白云石;膠結物多沿礫石間隙充填分布,少數沿礫石碎裂裂隙充填分布,其中輝銅礦呈半自形—他形粒狀集合體,粒徑0.06～1.2 mm,與方解石、白云石或次生石英伴生(賈潤幸等,2018)。

沉積成因石英砂巖:塊狀構造,細粒砂狀結構,主要由石英石(50%～55%)、長石(30%～35%),巖屑(10%)、填隙物(5%)等組成;其中石英以次棱角狀為主,部分為次圓狀,主要粒徑在0.06～0.25 mm之間,砂屑分選性較好,磨圓度中等—較差;長石呈次棱角狀—次圓狀,粒徑為0.05～0.25 mm;巖屑成分主要為微晶石英集合體構成,磨圓度一般較好;填隙物主要在砂屑之間呈接觸式-壓嵌式膠結;在砂屑間隙分布有少量粉砂、碳酸鹽礦物白云石,其粒徑0.05～0.1 mm,呈稀散狀分布,可見少量星點狀金屬礦物,主要為微細粒黃銅礦和黃鐵礦等(圖5a、5b)。

巖漿熱液蝕變石英砂巖:塊狀構造,細粒砂狀結構,巖石主要由石英(45%～50%)、長石(20%～25%)、巖屑(15%)、膠結物(10%～15%)等組成;其中石英以次棱角狀為主,部分為次圓狀,主要粒徑在0.06～0.25 mm之間,砂屑分選性較好,磨圓度中等—較差;長石主要為正長石、斜長石,含少量微斜長石,次棱角狀—次圓狀,粒徑為0.05～0.25 mm;巖屑成分主要由微晶石英集合體構成,分選性、磨圓度一般較好;膠結物成分為鐵白云石、綠泥石等充填于砂屑間隙,呈孔隙式膠結,可見金屬礦物具星點狀構造,其中黃銅礦微量,不規則狀,粒徑0.01～0.15 mm;斑銅礦少量,不規則狀,粒徑0.05～0.4 mm;銅藍微量,沿斑銅礦晶粒邊緣或裂理中對其進行交代(圖5c、5d)。

圖5 薩熱克銅礦巖礦石顯微組構特征Fig.5 Feature of micro-fabric for the rocks (ores) of the Sareke copper deposit. (a) Sedimentary quartz sandstone (orthogonal polarized light). (b) Sedimentary quartz sandstone(reflected light). (c) Magmatic hydrothermal alteration of quartz sandstone(orthogonal polarized light). (d) Magmatic hydrothermal alteration of quartz sandstone(reflected light)

3.2 孔隙度與滲透率特征

從樣品測試結果(表1)來看,烏拉根鉛鋅礦沉積成因的巖石孔隙度和滲透率相對最大,孔隙度為10.12%～23.88%,平均為21.82%;滲透率為10.4536×10-3～80.3025×10-3μm2,平均為53.9843×10-3μm2;總體上含礫粗砂巖大于含礫砂巖,含礫砂巖大于砂質泥巖。在烏拉根鉛鋅礦主要的含礦層下白堊統克孜勒蘇群第一巖性段(K1kz5)中,發生鉛鋅礦化蝕變后粗砂質細礫巖和巖屑砂巖的孔隙度分別10.100%和10.920%;滲透率分別為0.0395×10-3μm2和2.9138×10-3μm2。

上述結果表明巖石的孔隙度和滲透率與巖石中的礫石含量、砂質粗細和后期的蝕變作用密切相關。

薩熱克銅礦北礦帶下白堊統克孜勒蘇群第一巖性段(K1kz1)3件沉積成因的褐紅色泥質粉砂巖孔隙度為1.212%～1.555%,平均為1.393%;滲透率為0.00212×10-3～0.00311×10-3μm2,平均為0.00273×10-3μm2。上侏羅統庫孜貢蘇組上段(J3k2)3件經歷盆地改造弱碳酸鹽化膠結后的雜礫巖孔隙度為2.140%～2.662%,平均為2.408%;滲透率為0.04306×10-3～0.09354×10-3μm2,平均為0.06149×10-3μm2;其下部5件經歷盆地改造發生強碳酸鹽-硅化-硫化物膠結后的雜礫巖孔隙度為1.331%～1.798%,平均為1.640%;滲透率為0.00353×10-3～0.06578×10-3μm2,平均為0.02331×10-3μm2。上侏羅統庫孜貢蘇組下段(J3k2)3件沉積成因的灰綠色砂巖孔隙度為3.129%～4.819%,平均為3.720%;滲透率為0.01364×10-3～0.02514×10-3μm2,平均為0.01778×10-3μm2。

薩熱克銅礦南礦帶下白堊統克孜勒蘇群第二巖性段(K1kz2)3件沉積成因的石英砂巖孔隙度為7.770%～9.080%,平均為8.577%;滲透率為0.06108×10-3～2.33821×10-3μm2,平均為0.86024×10-3μm2。薩熱克銅礦南礦帶4組輝綠巖脈的上下盤圍巖石英砂巖樣品的孔隙度為2.500%～6.710%,平均為4.776%;滲透率為0.01599×10-3～0.15896×10-3μm2,平均為0.05175×10-3μm2。此外,對比4組輝綠巖上下盤圍巖石英砂巖樣品的孔隙度和滲透率發現,4件上盤圍巖樣品的孔隙度為5.250%～6.710%,平均為6.048%;滲透率為0.01599×10-3～0.15896×10-3μm2,平均為0.07682×10-3μm2;4件下盤樣品孔隙度為2.500%～4.270%,平均為3.505%;滲透率為0.02333×10-3～0.02705×10-3μm2,平均為0.02667×10-3μm2,上盤圍巖的孔隙度和滲透率通常明顯高于下盤圍巖的孔隙度和滲透率。上述結果表明,在薩熱克銅礦南礦帶下白堊統克孜勒蘇群第二巖性段(K1kz2)的石英砂巖在巖漿熱液蝕變后,其滲透率和孔隙度都明顯小于遠離輝綠巖脈未蝕變的石英砂巖樣品,同時隨著巖漿熱液蝕變強度的增強,巖石的孔隙度和滲透率具有變小的趨勢。

3.3 巖(礦)石力學參數

烏拉根砂礫巖型鉛鋅礦和薩熱克雜礫巖型銅礦不同巖(礦)石力學參數見表2。從表2中可知,烏拉根鉛鋅礦床頂板為白云巖,單軸抗壓強度在飽和狀態下為20.0 MPa、烘干狀態下為38.8 MPa,抗拉強度在飽和狀態下為1.46 MPa、烘干狀態下為2.6 MPa,單軸壓縮變形的彈性模量為5.59 MPa、變形模量為8.14 MPa,泊松比為0.22,屬于較軟巖,巖體基本質量級別按照《巖土工程勘察規范》(GB 50021-2001)劃分為Ⅱ—Ⅲ級。烏拉根鉛鋅礦床礦體為砂礫巖,單軸抗壓強度在飽和狀態下為2.43 MPa、烘干狀態下為7.24 MPa,抗拉強度在飽和狀態下為0.08 MPa、烘干狀態下為0.22 MPa,單軸壓縮變形的彈性模量為0.36 MPa、變形模量為0.198 MPa,泊松比為0.35,屬于極軟巖,巖體基本質量級別為Ⅴ級。烏拉根鉛鋅礦床礦體底板為砂巖,單軸抗壓強度在飽和狀態下為2.6 MPa、烘干狀態下為10.9 MPa,抗拉強度在飽和狀態下為0.28 MPa、烘干狀態下為1.07 MPa,單軸壓縮變形的彈性模量為0.23 MPa、變形模量為0.24 MPa,泊松比為0.35,屬于極軟巖,巖體基本質量級別為Ⅴ級。

表2 烏拉根-薩熱克不同巖(礦)石力學參數Table 2 Mechanical parameters of different rocks (ores) from the Wulagen deposit and the Sareke deposit

薩熱克銅礦床礦體頂板巖石主要為粉砂巖,單軸抗壓強度在飽和狀態下平均為64.3 MPa、烘干狀態下為96.1 MPa,抗拉強度在飽和狀態下平均為4.56 MPa、烘干狀態下為8.89 MPa,單軸壓縮變形的彈性模量為19.8 MPa、變形模量為15.6 MPa,泊松比為0.24,屬于堅硬巖巖體基本質量級別為Ⅱ—Ⅲ級。薩熱克銅礦床礦體為雜礫巖,單軸抗壓強度在飽和狀態下平均為39.0 MPa、烘干狀態下為117 MPa,抗拉強度在飽和狀態下平均為2.69 MPa、烘干狀態下為8.39 MPa,單軸壓縮變形的彈性模量平均為14.6 MPa、變形模量為11.0 MPa,泊松比為0.25,屬于較堅硬巖,巖體基本質量級別為Ⅲ級。薩熱克銅礦床礦體底板為含礫砂巖,單軸抗壓強度在飽和狀態下平均為34.7 MPa、烘干狀態下為106 MPa,抗拉強度在飽和狀態下平均為3.74 MPa、烘干狀態下為10.9 MPa,單軸壓縮變形的彈性模量平均為7.83 MPa、變形模量為6.12 MPa,泊松比為0.25,屬于較堅硬巖,巖體基本質量級別為Ⅲ 級。

4 討論

4.1 盆地沉積-改造成礦作用

沉積盆地中巖石的孔隙度和滲透率對成礦流體的運移具有非常大的影響作用(楊瑞琰等,2005),因而巖石的孔隙度和滲透率也是影響成礦作用的重要因素之一。在不同的成礦背景(環境)下,由于巖石孔隙度和滲透率的不同,礦體往往也會表現為不同的產出方式和礦石組構特征。從表1可以看出,烏拉根層控型鉛鋅礦床中的下白堊統克孜勒蘇群各層(K1kz1、K1kz3、K1kz4)巖石總體為沉積成因,由于不同沉積層理中巖(礦)石組構的不同,其孔隙度和滲透率也存在明顯的差異,總體上含礫越多、砂質越粗的巖石孔隙度和滲透率相對越大。在烏拉根層控型鉛鋅礦床中的含礦層下白堊統克孜勒蘇群第五段(K1kz5)含粗砂質細礫巖以沉積作用為主,在受后期弱改造作用后表現為鉛鋅礦體在寬緩的烏拉根向斜南北兩翼對稱產出,由于巖石經歷后期的鉛鋅礦化蝕變后其成巖成礦后的孔隙度和滲透率則具有明顯變小的趨勢,鉛鋅礦多呈細粒狀沿砂礫石孔隙進行膠結,肉眼很難見到細脈狀膠結物。

薩熱克層控型銅礦北礦帶的成礦作用先后經歷了晚侏羅世的沉積成礦作用和喜馬拉雅運動的改造成礦作用,薩熱克巴依盆地受喜馬拉雅運動影響發生南北向擠壓作用而呈復式向斜構造,在賦礦的上侏羅統庫孜貢蘇組上段雜礫巖中可見明顯的碎裂巖化和由硅化-碳酸鹽化-輝銅礦等形成的細網脈狀充填膠結物。從表1中可見到薩熱克銅礦北礦帶下白堊統克孜勒蘇群第一巖性段(K1kz1)褐紅色粉砂質泥巖的孔隙度和滲透率最小,王環玲等(2015)通過實驗證明對于低滲透巖石,隨著圍壓的增大,孔隙率和滲透率呈指數函數關系遞減,所以上部的褐紅色粉砂質泥巖對其下部的成礦流體具有明顯的圈閉作用。上侏羅統庫孜貢蘇組上段(J3k2)雜礫巖從理論上講,因為該組段雜礫巖中的礫石顆粒粗大,礫石間的孔隙度和滲透率應該相對較大,但由于受構造作用和后期成礦流體沿該組段礫石裂隙的充填和膠結作用(賈潤幸等,2017),該組段雜礫石中的孔隙度和滲透率反而明顯小于上覆下白堊統克孜勒蘇群中砂礫巖類巖石的孔隙度和滲透率,同時充填和膠結作用越強烈,其孔隙度和滲透率越小。如同為上侏羅統庫孜貢蘇組上段(J3k2)的雜礫巖,其下部經歷強烈碳酸鹽化-硅化-硫化物膠結的含銅雜礫巖孔隙度(平均1.640%)和滲透率(平均0.0233×10-3μm2)均小于其上部經歷弱碳酸鹽化膠結雜礫巖的孔隙度(平均為2.408%)和滲透率(平均0.0615×10-3μm2),表明隨著成礦流體蝕變膠結強度的增強,蝕變膠結后的巖(礦)石孔隙度和滲透率具有變小的趨勢。

對比烏拉根鉛鋅礦床與薩熱克銅礦床的巖石孔隙度與滲透率(表1),烏拉根鉛鋅礦床巖(礦)石中的孔隙度和滲透率明顯大于薩熱克銅礦中對應的下白堊統巖石,陳占清和繆協興(2001)通過研究影響巖石滲透率的因素后認為巖石的內部結構是決定巖石滲透率分散的根本原因。通常在沉積成巖作用情況下,巖石中的礫石礫徑越大,礫間間隙越大,巖石的孔隙度和滲透率也越大。從兩者含礦巖石中礫石礫徑和抗壓變形強度來看(表2),烏拉根鉛鋅礦床賦礦巖石的礫石礫徑和抗壓變形強度均小于薩熱克銅礦的賦礦巖石,同時烏拉根鉛鋅礦床賦礦巖石的泊松比大于薩熱克銅礦的賦礦巖石,當巖石在后期遭受構造應力發生變形后,巖石硬度越大,越容易發生碎裂巖化而形成較多的微裂隙,隨著其孔隙度和滲透率的增大,也越有利于成礦流體在巖石中的滲透、充填和沉淀。

從烏拉根層控型鉛鋅礦和薩熱克層控型銅礦賦礦層位的巖石組構特征來看,礦體主要賦存在含礫砂巖(烏拉根鉛鋅礦)或雜礫巖層(薩熱克銅礦)中,且都與切層斷裂帶有關。該切層斷裂帶是成礦流體主要的運移通道,上述含礫砂巖(烏拉根鉛鋅礦)或雜礫巖層(薩熱克銅礦)是成礦流體主要的儲存場所。當沉積盆地在構造應力作用驅動下發生變形,成礦流體沿著切層斷裂帶上升后,會有選擇性地沿著孔隙度和滲透率相對較大的含礫砂巖(烏拉根鉛鋅礦)或雜礫巖層(薩熱克銅礦)進行滲濾、擴散、充填和交代作用,巖石中的孔隙度和滲透率越大,形成的脈狀膠結物越明顯,生成的金屬硫化物顆粒越大。其上下盤孔隙度和滲透率相對較小的巖層(如粉砂質泥巖、砂巖等)則形成天然的圈閉層(圖4)。

4.2 盆地沉積-巖漿疊加成礦作用

在薩熱克層控型銅礦南礦帶的成礦作用先后經歷了明顯的早白堊世沉積成礦作用和晚白堊世以后的巖漿疊加成礦作用。晚白堊世以后侵入的輝綠輝長巖脈產狀在薩熱克巴依盆地南部的下白堊統第二段(K1kz2)石英砂巖地層具有多樣化,可見單個大脈切層侵入或順層侵入,也可見多條細脈帶沿石英砂巖層間裂隙順層侵入,并在輝綠巖脈兩側形成了明顯的褪色化蝕變相帶。從薩熱克巴依盆地南部輝綠巖脈群巖漿熱液蝕變圍巖及遠離巖脈沉積成因巖石的孔隙度和滲透率的分析結果來看(表1),3件沉積成因石英砂巖的孔隙度平均為8.577%,滲透率平均0.8602×10-3μm2;8件巖漿熱液蝕變后的石英砂巖的孔隙度平均4.776%,滲透率平均為0.0518×10-3μm2,巖漿熱液蝕變后石英砂巖的孔隙度和滲透率明顯小于沉積成因的石英砂巖的孔隙度和滲透率。從輝綠巖脈上下盤蝕變圍巖孔隙度和滲透率的對比來看,4件上盤石英砂巖的孔隙度和滲透率平均值分別為6.048%和0.0768×10-3μm2,4件下盤石英砂巖的孔隙度和滲透率平均值分別為3.505%和0.0267×10-3μm2,輝綠巖脈下盤石英砂巖的孔隙度和滲透率明顯小于上盤石英砂巖的孔隙度和滲透率。

對比沉積成因和遭受巖漿熱液蝕變后兩類石英砂巖的礦物組構特征發現,遭受巖漿熱液蝕變后石英砂巖中的膠結物和金屬硫化物明顯增多,膠結物主要成分為鐵白云石、綠泥石,充填于砂屑間隙,呈孔隙式膠結。金屬硫化物主要為細粒黃銅礦、斑銅礦等呈星點狀沿石英等間隙充填分布。上述結果表明靠近輝綠輝長巖脈石英砂巖中孔隙度和滲透率的變小與巖漿熱液的蝕變密切相關。巖漿在侵入過程中巖漿含礦熱液對圍巖的熱蝕變作用主要發生在巖石構造裂隙和礦物間隙等,熱液蝕變作用產生的綠泥石化、碳酸鹽化和沿石英礦物間隙充填的金屬硫化物等是導致圍巖的孔隙度和滲透率明顯變小的主要原因,同時正是由于巖漿含礦熱液對下盤的蝕變作用強度和礦化強度明顯高于上盤,也造成了蝕變后下盤圍巖中的孔隙度和滲透率小于上盤圍巖。該區的鉆探結果也證明了下盤的礦化要明顯高于上盤。因此,巖漿熱液蝕變圍巖的孔隙度和滲透率變低,也是薩熱克巴依盆內巖漿熱液疊加成巖作用的構造巖相學標志。從下盤礦化強度高于上盤礦化強度的特征來看,表明隨著深度增加,礦化強度具有增強的趨勢。在薩熱克巴依盆地南部輝綠輝長巖脈群的大量出現,預示著深部可能存在重要的巖漿成礦物質來源,因而深部可能具有進一步的找礦潛力。

5 結論

(1)從西南天山中新生代烏拉根鉛鋅礦床和薩熱克銅礦床巖石的特征來看,以沉積成巖成礦作用為主并賦存于下白堊統克孜勒蘇群巖石中的烏拉根鉛鋅礦體及上下圍巖屬于極軟巖,以沉積成巖-后期改造成礦作用為主賦存于上侏羅統庫孜貢蘇組雜礫巖中的薩熱克銅礦體及上下盤圍巖屬于較堅硬巖。總體上,烏拉根鉛鋅礦床成巖成礦后巖石的孔隙度和滲透率比薩熱克相應巖石的孔隙度和滲透率明顯要小。

(2)在西南天山中新生代層控型礦床中,當深部的成礦流體沿切層斷裂上升后,成礦流體會優先選擇孔隙度和滲透率最大的巖層(如烏拉根地區的粗砂質細礫巖和薩熱克地區的雜礫巖)進行滲濾、擴散、充填和交代作用,巖石中孔隙度和滲透率越大,形成的金屬硫化物顆粒越大,膠結的脈體越粗大;成礦流體的蝕變膠結強度越強,導致成巖成礦后巖(礦)石中的孔隙度和滲透率越小。

(3)在薩熱克巴依盆地南部有輝綠巖脈成群產出,巖漿熱液的蝕變作用使上下盤圍巖的孔隙度和滲透率明顯變小,同時下盤圍巖的孔隙度和滲透率明顯小于上盤,這主要與巖漿熱液的蝕變作用和強度有關。巖漿熱液蝕變后石英砂巖中的膠結物和金屬硫化物明顯增多,且下盤的蝕變作用強度明顯要高于上盤。