江西冷水坑层控型矿床中碳酸盐岩夹层的特征及其对成矿作用的贡献

2014-04-01欧莉华伊海生林金辉钱利军宋世伟

中国矿业 2014年9期

欧莉华，伊海生，林金辉，王刚，钱利军，宋世伟

(1. 成都理工大学工程技术学院，四川乐山 614000；2. 成都理工大学沉积地质研究院，四川成都 610059；3. 成都理工大学材料与化学化工学院，四川成都 610059；4. 成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059)

江西冷水坑银铅锌矿床是世界上少有的大型矿田。从20世纪60年代开始，江西省地质局九一二大队对冷水坑进行了多次矿产普查和详查工作，先后经历了“脉带型”铅锌矿、斑岩型铅锌矿、斑岩型银矿、层控叠生型银铅锌矿等几个研究开采阶段[1]。同时很多学者对冷水坑银铅锌矿床进行了研究和讨论。尤其是斑岩型银铅锌矿床，从不同方面和不同角度对其成因、特征进行了研究[1-17]。对于层控型矿床也有较多针对性的研究。魏明秀首次探讨了冷水坑斑岩型银矿床中蚀变碳酸盐矿物与矿化的关系[18]。徐文炘等对冷水坑银铅锌矿床中碳酸盐岩碳氧同位素分析后认为其碳、氧既有岩浆来源，也有地层来源，并以岩浆来源为主[5-6]。侯增谦等出版了专著《江西冷水坑斑岩型铅锌银矿床》，不仅对斑岩型矿床有详尽的研究，对层控型矿床也有较多的描述，对其中的碳酸盐岩进行了较多的分析，从岩石学、地球化学方面讨论了层状碳酸盐岩的成因，认为铁锰碳酸盐岩为火山沉积-变质作用形成[1]。周建祥也讨论了层控叠生型矿床特征及成因，认为层控叠生型矿床是火山沉积-变质作用形成的铁锰碳酸盐-磁铁矿经次火山期后热液作用叠加而成的复成矿床[19]。

但是目前对于研究区层控型矿床的形成机制还存在较大争议，侯增谦等发现层控型矿体主要受铁锰碳酸盐岩层及其层间裂隙控制，由含矿热液沿早期火山沉积的铁锰碳酸盐岩层的层间破碎带顺层交代形成[1]；周显荣等提出推覆构造(F2)控制了冷水坑层控型矿床的形成，但对于具体的形成机制很少叙及[20]。根据矿区资料，研究区层控型矿床主要赋存于碳酸盐岩夹层中，明显受碳酸盐岩夹层的控制。碳酸盐岩夹层发生了强烈的碎裂岩化，而其上下的凝灰岩和斑岩则碎裂岩化极弱，这可能与不同岩石的力学性质不同有关，因此本文从岩石力学角度出发，讨论了层控型矿床发生在碳酸盐岩夹层中的可能性和必然性，并提出了可能的新的找矿方向。

1 区域地质概况

冷水坑矿区位于江西境内钦杭结合带南部，位于一个中生代火山岩盆地内部。该盆地基底包括震旦系变质岩、古生界沉积岩、下侏罗统沉积岩。盆地内主要充填了上侏罗统多期次中-酸性爆发相、溢流相的火山岩，间夹薄层湖相、沼泽相、沉凝灰岩及透镜状碳酸盐岩等沉积夹层，总厚度大于1500m，局部被石英正长斑岩所侵入，自下至上可划分为打鼓顶组(J3d)和鹅湖岭组(J3e)两个地层单元。在冷水坑矿区，地表仅见鹅湖岭组，钻探及井下可见打鼓顶组(图1)。

图1 冷水坑矿田区域地质(据参考文献[1]修改)

打鼓顶组(J3d)为一套含流纹岩、酸性熔结凝灰岩、英安质熔结凝灰岩、流纹质含砾凝灰熔岩及角砾凝灰岩等的酸性火山岩建造。底部为花岗质碎屑岩、含砾沉凝灰岩，顶部可见安山岩。局部夹铁锰碳酸盐岩、白云岩及硅质岩。

鹅湖岭组(J3e)岩性以酸性-中酸性火山岩为主，夹沉积碎屑岩，局部夹酸性、中酸性及中性熔岩。鹅湖岭组包括了三个沉积-喷发旋回，一个喷发旋回过程由正常沉积岩开始，然后是火山碎屑岩，熔岩，以火山碎屑岩告终；在岩性上，则为正常沉积岩-凝灰岩-熔结凝灰岩-熔岩-正常沉积岩组合[21]。

研究区断裂构造比较发育，以北东向F1、F2断裂为主，纵贯矿田两侧(图1)，是矿区主要的控岩控矿构造[1,4,11,13]。F1断裂分布于研究区东南部，是区域性湖石断裂的一部分，倾向北西，倾角50°～75°。该断裂活动时间较长，在加里东期或印支期—华力西期即已形成，在燕山期仍有较强烈的活动。总体为逆断层，具有先压后扭再张、以压(扭)为主的活动特征[1,13]。它不仅控制了区域火山盆地的边界，也是冷水坑矿田重要的导岩导矿构造。F2断裂分布于研究区西北部，为区域性推覆构造的一部分，主要形成于晚侏罗世鹅湖岭火山岩喷发旋回以后、矿田含矿花岗斑岩侵入前。该断裂在矿田只出露小部分，震旦系上统变质岩被该断裂推覆至侏罗系火山岩之上。该断裂派生的次级断裂及裂隙构造是重要的容矿、储矿空间[11]。

冷水坑层控叠生型矿床是指由火山沉积的铁锰碳酸盐岩层受到冷水坑次火山岩-花岗斑岩的叠加而形成的层控叠生型银铅锌矿体及磁铁矿体[1,19]。含矿岩层包括长英质火山角砾岩与沉积相伴的铁锰碳酸盐岩、白云岩、硅质岩，具良好的成层性，并具火山沉积韵律特征，是一套沉积类型及韵律特征均较复杂的火山碎屑岩-碳酸盐岩-硅质岩含矿建造[1,19]。由于受次火山高温变质作用，铁锰碳酸盐岩局部被改造为磁铁矿体，在走向上与倾向上，磁铁矿体与铁锰碳酸盐岩矿体均为过度关系[1,3]。

在打鼓顶组下段和鹅湖岭组下段与中段都有高品位的赋存于铁锰碳酸盐岩中的银铅锌矿体。银铅锌矿体沿碳酸盐岩层倾向延伸，随铁锰碳酸盐岩夹层的逐渐尖灭而矿化减弱[1]。

2 碳酸盐岩夹层的宏观特征

在野外露头中较少见到碳酸盐岩夹层，一是因为碳酸盐岩本身较少，其次是地表植被茂盛，露头较差。在冷水坑矿区虽然地表极为少见，但在矿田深部打鼓顶组和鹅湖岭组均可见到铁锰碳酸盐岩、白云岩及硅质岩与火山角砾岩共生，夹于火山岩之间[1]。

据1∶5万湖石幅区域地质报告，江西省地质局九一二大队在冷水坑矿区ZK11511钻孔中编录有鹅湖岭组中段岩性剖面(图2)，包含两层白云质结晶灰岩，夹于正常沉积的凝灰质砂砾岩中，各层产状一致，皆为整合接触。

图2 ZK11511侏罗系上统鹅湖岭组中段钻孔柱状图 (据参考文献[21]修改)

此次研究对银海公司井下6条平峒的观测，发现碳酸盐岩岩石构造类型可见角砾状、致密块状、脉状等(图3(a)、图3(b))。岩石发生了明显的碎裂岩化，碎斑有的棱角分明，有的则呈次圆状或不规则的港湾状(图3(a))，表明有的碎斑发生了溶蚀作用。碎斑成分主要为碳酸盐岩、硅质岩，碎斑间被后期热液沉淀的石英、金属硫化物填充，并见流动构造(图3(c))。井下局部还可见花岗斑岩与碳酸盐岩之间呈侵入接触关系，发育具隐晶质结构的冷凝边(图3(d))。

在冷水坑矿区-152m分层19号坑道内测得剖面一条(图4)，剖面中银铅锌矿体赋存在碎裂化的碳酸盐岩夹层中，矿体厚度从30m到80m不等。在碳酸盐岩夹层上下为两条规模较大的正断层，由于断裂作用，碳酸盐岩夹层(第3层，第4层)发生了强烈的碎裂岩化，形成构造破碎带，靠近下部的第3层碎裂化程度稍弱，靠近上部的第4层碎裂化程度则很强烈，高品位的银铅锌矿体即赋存在第3层和第4层中。顶板断层的上盘为花岗斑岩，几乎没有发生碎裂岩化，矿化呈星点状分布(图3(e))。底板断层的下盘为晶屑凝灰岩(第2层)，具块状构造(图3(f))，碎裂岩化弱，矿化呈细脉状分布，品位不均匀。

图3 矿石结构及矿床野外特征

图4 江西冷水坑银海公司井下层控型矿床-152m分层19号坑道剖面图

3 讨论

根据对银铅锌矿体顶底板的观测，发现层控型矿体实际上赋存于一条规模宏大的断层碎裂岩化带之中。从图3可以看出，该断层发育在碳酸盐岩夹层中，导致碳酸盐岩发生了强烈的碎裂岩化，其构造破碎带宽达40～80m；断层呈北东-南西走向，倾向南东，与碳酸盐岩夹层的产状一致，顶板断层倾角约为45°，底板断层倾角达75°。从碳酸盐岩发生了强烈的碎裂岩化来看，该断层为脆性正断层，主要形成于拉张环境下。

根据前人实测获得的岩石力学参数数据[22-23]，不同岩石类型的抗张强度和抗剪强度不同，斑岩类的抗张强度和抗剪强度为7M～170.7MPa，平均约为81.33MPa；凝灰岩类的抗张强度和抗剪强度为6M～195.2MPa，平均约为72.71MPa，碳酸盐岩的抗张抗剪强度为0.69M～5.3 MPa，平均约为3.82MPa。由此可见石英正长斑岩、凝灰岩、碎斑熔岩的抗张强度和抗剪强度远大于碳酸盐岩。银海公司井下层控型矿床矿体的顶板岩石为石英正长斑岩，矿体赋存于碳酸盐岩岩层中，而底板岩石为晶屑凝灰岩。根据三种岩性的平均抗张强度，作出了三种岩石类型的抗张强度对比曲线图(图5)。从图中可以看出，当脆性正断层在这些岩石中发生时，最容易发生破碎的岩石为碳酸盐岩，碳酸盐岩岩层可发生整体的脆性破裂，形成碎裂岩化带或碎裂岩带，含矿热液灌入碎斑缝隙并沉淀下来并可形成矿体。由于正断层始终沿碳酸盐岩岩层分布，碳酸盐岩均发生了强烈的碎裂岩化，井下所见层控型矿体主要位于碳酸盐岩夹层中，其围岩火山岩则碎裂化程度很弱，因而矿化很弱。此外，碳酸盐岩中碳酸根的存在使得岩石具有高的可溶性，在酸性含矿热液中，溶解更易于发生，碳酸盐岩碎斑被溶蚀，为含矿热液的沉淀提供了更多的容矿空间，可进一步提高矿石品位。

矿区主要分布于两条主干断裂F1和F2之间。F1、F2被认为是主要的控岩控矿构造，具有多期次活动特征[1,4,10-11,13]。过去的研究一般认为F2是控制研究区层控型矿床的关键构造。因为在平行剖面联系图上，矿体大致呈扫帚状由北东向南西方向散开，在剖面上矿体由北西往南东变薄，呈楔形[19]。根据震旦系逆冲于侏罗系之上，F2具有逆冲断层性质，但其破碎带内也可见张性角砾[1]，反映出该断裂也可能发生过伸展变形。而F1断裂倾向北西，断裂形成时间早，活动时间长，具有先压后扭再张的活动特征[1]。如前所述，沿碳酸盐岩夹层发生的脆性正断层严格控制了层控型银铅锌矿体的发育，该正断层走向北东-南西，倾向南东，与F1和F2走向一致，倾向相反。后两者均发生过张性变形，据此，可推断在层控型矿床成矿时，矿区发生了北西-南东向的拉张变形，发育了一组北东-南西走向的正断层，包括F1、F2以及平行于碳酸盐岩岩层发生顺层滑脱而形成的脆性正断层。

图5 三类岩石抗张强度对比曲线图

在这一期拉张变形的同时含矿斑岩的岩浆也进入了断层及裂隙，岩浆沿F1、F2断裂向上运移，其次生断裂和裂隙首先被岩浆充填，并与火山岩和铁锰碳酸盐岩呈侵入接触关系，接触面上发育了冷凝边；部分含矿热液随岩浆的冷却而富集成矿。当岩体遇到铁锰碳酸盐岩夹层时，由于高温作用铁锰碳酸盐岩失去CO2而发生磁铁矿化，并随着远离岩体这种矿化作用快速减弱；同时含矿热液进入了碎裂岩化带内，对碳酸盐岩进行了强烈的溶蚀作用，而后沉淀成矿，因此碎裂岩化带为含矿热液提供了重要的运移通道和沉淀空间。由于脆性正断层主要发育在铁锰碳酸盐岩夹层中，其上下的火山凝灰岩很少发生碎裂岩化，其矿化也明显变弱，因而形成了沿铁锰碳酸盐岩夹层发育的高品位层控型银铅锌矿床。

可以说F1、F2及沿碳酸盐岩夹层发生顺层滑脱而形成的脆性正断层共同控制了含矿热液的运移和沉淀。斑岩岩体主要沿F1和F2两条深断裂向上运移，形成了夹于斑岩体中的斑岩型银铅锌矿体，而倾向相反的脆性正断层则接受了大量来自侵入岩体中的含矿热液的沉淀，因而层控型银铅锌矿床品位明显高于斑岩型银铅锌矿体。据前人资料，F1和F2切割了层控型矿体，也即切割了顺层发育的正断层，可判断在伸展变形之后，研究区还发生了强烈的北西-南东向的挤压变形，对矿体造成了破坏，当然这一推断还需要进一步的研究工作加以确认。

根据区域地质资料，冷水坑矿田外围尚分布有其他时代的碳酸盐岩地层，如晚元古界碳酸盐岩和上石炭统黄龙组碳酸盐岩。这些时代的碳酸盐岩岩层在拉张作用下如果发育脆性正断层活动也可能发生碎裂岩化，可成为含矿热液迁移和沉淀的理想场所。因此这些含碳酸盐岩的地层有可能成为下一步勘探的目标地层，以进一步扩大冷水坑银铅锌矿的储量。

4 结论

研究区发育了一组走向北东-南西，倾向南东的脆性正断层，该组断层主要发生在碳酸盐岩夹层中，原因是碳酸盐岩的抗张强度低于周围其他岩石，在伸展性的构造环境下，脆性正断层首先沿碳酸盐岩层发生。碳酸盐岩夹层由于正断层作用形成碎裂岩化带，是含矿热液迁移、沉淀的理想场所；且碳酸盐岩在酸性热液中容易被溶蚀，可提供更好的容矿空间，最终形成了高品位的层控型银铅锌矿床。矿区及邻近地区其他时代的碳酸盐岩岩层如发育脆性正断层，可以成为层控型矿床外围勘探的重要目标。

致谢：野外工作中得到了中国地质科学院闫全人研究员、江西省地质调查院楼法生总工程师和唐春花研究员、江西银海矿业有限公司以及江西省地矿局九一二大队的大力支持，特此表示感谢。

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