安徽铜山铜矿床新成矿模式及其对深部找矿的意义

2015-03-14詹德光刘亮明

地质与勘探 2015年3期

关键词：铜山铜矿矿床

詹德光，刘亮明

(1. 铜陵有色金属集团股份有限公司，安徽铜陵 244000； 2. 中南大学计算地球科学研究中心，湖南长沙 410083)

安徽铜山铜矿床新成矿模式及其对深部找矿的意义

詹德光1，刘亮明2

(1. 铜陵有色金属集团股份有限公司，安徽铜陵 244000； 2. 中南大学计算地球科学研究中心，湖南长沙 410083)

安徽铜山铜矿已有近50年的开发历史。为建立具有预测能力的新成矿模式，本文对该矿床的地质背景、矿体地质特征、控矿构造以及矿体定位空间的分布规律和形成机制进行了深入研究。研究认为，矿体受与接触带套合的波状起伏的伸展断层控制，矿体的位置及规模受接触带断层的不均匀扩容制约。基于这些认识，建立了波状接触带-断层伸展剪切扩容构造控矿理论模式并根据这一理论模式预测矿床的深部存在大规模隐伏矿体。钻探结果证实了这一预测结论，表明新的成矿理论模式将在铜山的深部找矿勘查中发挥重要作用。

成矿模式定位空间找矿预测铜山铜矿

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1 引言

成矿模式历来是矿床研究的一个热点，各种成矿模式的建立无疑极大地提升了对已发现矿床的认识(Hodgson, 1990; 陈毓川等，1993；Meinertetal., 2005; 毛景文等，2009；Liuetal., 2010, 2011)。成矿模式的建立不应仅满足于对已发现矿床及成矿相关地质现象的总结和解释，更应该为预测未发现的隐伏矿体提供理论依据(刘亮明，2007)。深部找矿，特别是矿山的深部找矿已成为全球找矿勘查的一个重要方向，也是矿产增储的一个重要方向(翟裕生等，2004；刘亮明等，2004， 2005，2009; Hronsky and Groves, 2008)。勘探程度高的矿山已有的成矿模式未必对深部未发现矿体具有预测能力，要使成矿模式在矿山深部找矿勘查中发挥实质性促进作用，模式的创新显得十分重要和必要(刘亮明等，2008，2009)。正如Etheridge (1997)所说，“世界上没有任何一个矿床是克隆的”。对于老矿山的深部找矿而言，控矿理论模式创新的重要性主要体现在两个方面：第一、由于老矿山的勘查程度都很高，根据已有控矿模式判断具有找矿潜力的大多数地段可能都已有勘查工程，没有创新的控矿理论模式很难再预测真正具深部找矿潜力的靶区；第二、老矿山的找矿线索多，干扰因素也同样很多，即便用再先进的物化探技术，都不可避免地具有多解性和模糊性，没有创新的控矿理论模式就无法从真假混杂的找矿信息中获得可靠的矿体预测结论。国内外众多成熟勘探的矿山和成矿区域的深部找矿成果的取得无不是以成矿模式的突破为先导的(King，1996；Teal and Jackson，1997；邓吉牛，2004；Liuetal, 2010)。构造对成矿模式创新具有十分重意的意义，因为构造往往是控制矿床定位与规模的主要因素(刘亮明，2007；许智迅等，2012；范正国等，2013)。

位于安徽池州的铜山铜矿是一个具悠久开发历史、且在探明储量枯竭后又于近年取得了重大找矿成果的老矿山(詹德光等， 2012)。该矿山始建于1959年，曾经是铜陵有色金属集团公司的骨干矿山。矿山经年累计总探明资源储量：铜矿石量2171.68万吨，铜金属量24.13万吨，平均品位1.11%。矿山设计年采矿生产能力99万吨(矿石量)，设计服务年限40年。2000年后，矿山保有储量难以维持正常生产，2003年实施政策性关闭，矿山及周围地区的经济与稳定曾一度处于非常艰难的局面，其直接原因就是铜山铜矿的探明储量已经枯竭。而这种探明储量的枯竭并不是因为该地区的矿产已真正全部被找完了，而是因为认识和投资不到位使得隐伏矿产未能被发现。

2001年起，中南大学刘亮明教授课题组就一直与铜陵有色金属集团公司合作进行铜山及铜陵地区其他多个矿山的深部找矿预测研究。对铜山深部矿体预测的成果在铜山铜矿接替资源勘查项目实施过程中得到了验证，而验证的结果进一步证明了成矿模式的创新对深部找矿勘查的重要性。本文就是对铜山铜矿成矿模式创新、深部矿体预测以及勘查验证过程的系统总结。

2 地质背景

铜山铜矿位于安徽省池州市贵池区境内，距铜陵市90 km。从区域构造和区域成矿规律上来分析，铜山铜矿与铜陵矿集区同属于长江中下游成矿带的西南段，其区域地质背景、成矿地质条件和矿床特征等都相似。但与铜陵矿集区不同的是，贵池地区没有发现一系列围绕燕山期中酸性岩体的铜矿床，已发现的中型以上规模铜矿床只有铜山铜矿。

区内出露的地层为志留系-三叠系，为一套以浅海相为主的沉积建造，总厚度达3300 m。在泥盆系(包括泥盆系)以下，其岩性全为碎屑岩(砂岩和砂页岩)；泥盆系以上地层全为碳酸盐岩，中-上石炭统和下二叠统栖霞组是本区最主要的控矿层位。

铜山矿田的构造格架主体是一个由近东西走向转为北北东走向的弧形断裂-褶皱带，其西北界为走向北北东的长江断裂带，东部为走向南北的殷汇-葛公断裂，西南部为走向东南的吴田-王隔断裂带，铜山铜矿正好位于这三条断裂所围限的铜山-神山三角形地块的中央(图1)。在铜山-神山三角形地块内，主体构造为一系列紧闭-同斜型的背斜和宽缓型的向斜以及相伴的同走向的逆冲断层和伸展断层。位于韩家岭-青山以北的褶皱的轴向是变化的，即褶皱轴向由近东西向转为北北东向，呈向东南突出的弧形构造。其中主要的褶皱构造为姥山背斜(图1)，背斜的核部均为志留系，两翼为泥盆系至二叠系。向斜的核部都为三叠系，两翼为泥盆系至二叠系。区内断裂构造主要为与褶皱同走向的贯穿全区的逆冲断层和伸展断层，其次为近东西向的和近南北走向的小规模断层。主要断层由北向南为：姥山山前断层(相当于铜山矿区的F1)、F2断层、韩家岭-青石山断层和神山北断层(图1)。位于吴田-韩家岭以北的断层走向都是变化的，即由西向东其走向由近东西向转为北北东向，呈向东南突出的弧形构造。

铜山矿田的核心为铜山岩体和小河王岩体(图1)，前者岩性主要为花岗闪长斑岩，后者主要为石英闪长岩。两个岩体都位于姥山背斜南翼紧靠核部的位置，岩体的延长方向与背斜的轴平行，并且随着背斜轴向的变化而同步变化(图1)，表明这两个岩体的侵位空间的形成受褶皱构造控制。铜山矿田内已发现的矿床都与这两个岩体密切相关，而且都与矽卡岩化相关，表明岩体在成矿中具有重要作用。虽然小河王岩体的规模比铜山岩体大，但目前已发现的矿体主要集中在铜山岩体的接触带及其附近，表明铜山花岗闪长斑岩岩体才是主要的成矿岩体。

3 矿床特征及成矿规律

铜山铜矿的矿体都产于铜山岩体的接触带及其附近。围绕铜山岩体出露的地层为志留系到三叠系(图2)。主要地层单元有：(1) 上志留统茅山组(S3m)，岩性为砂岩、粉砂岩夹砂页岩；(2) 上泥盆统五通组(D3w)，岩性主要为砂岩，有少量砾岩；(3) 中-上石炭统(C2+3)，岩性主要为白云岩、白云质灰岩和灰岩，已变质成大理岩；(4) 下二叠统栖霞组(P1q)，岩性主要为生物碎屑灰岩，已变质成大理岩；(5) 下二叠统孤峰组(P1g)：岩性主要为硅质岩和硅质灰岩；(6) 上二叠统龙潭组(P2l)，岩性为炭质页岩和粉砂岩，夹煤层；(7) 上二叠统大隆组(P2d)，岩性为硅质页岩和硅质灰岩；(8) 下三叠统殷坑组(T1y)，岩性主要为夹粉砂质页岩的灰岩；(9) 下三叠统和龙山组(T1h)，岩性为含泥质条带灰岩；(10) 上三叠统南陵湖组(T1n)，岩性为中厚层灰岩。下二叠统栖霞组和中-上石炭统为本矿区重要的赋矿层位。

整个矿床都位于姥山背斜的南翼，区内构造主要为断裂构造，有北东向、近东西向和北西-北北西向三组，与成矿有关的断裂主要为F1。其为层间断裂，位于矿区的北部，发育于五通组与栖霞组之间，上部常造成黄龙组和船山组等层位的缺失。断层倾向南，倾角上部较陡，约80°左右，下部较缓，为30°～50°，显示后期具有正断层性质的叠加。该断层控制的岩枝与有利围岩的接触带及构造破碎带，是矿区的重要控岩、控矿构造之一。

铜山岩体是铜山铜矿的主要成矿地质体，岩体成分主要为花岗闪长斑岩，局部为石英二长闪长斑岩。其化学成分具富硅富碱和低钙的特征，岩体的锆石SHRIMP法U-Pb同位素年龄为145.1±1.2 Ma (Zhangetal., 2014)。铜山岩体规模不大，但形态非常复杂，而且很独特，无论在平面上还是剖面上看，岩体都呈凹状，岩体内凹处包含着石炭系到三叠系的碳酸盐岩，矿体都产于岩的内凹边界及其附近(图2)。

图1 铜山矿田地质简图 (据矿山资料)Fig.1 Geological map of the Tongshan ore field in Anhui (from the mine database) 1-背斜轴和倒转背斜轴；2-向斜轴和倒转向斜轴；3-穹窿构造；4-断层和推测断层；5-构造盆地；6-三叠系；7-石炭系至二叠系；8-上泥盆统五通组；9-志留系；10-花岗闪长斑岩；11-石英闪长岩；12-石英闪长玢岩 1-anticline axis and overturned anticline axis; 2-syncline axis and overturned syncline axis; 3-dome structure; 4-fault and inferring fault; 5-tectonic basin; 6-Triassic; 7-Carboniferous to Permian; 8-Upper Devonian Wutong Formation; 9-Silurian; 10-grano- diorite porphyry; 11-quartz diorite; 12-quartz diorite porphyrite

铜山铜矿床为一中型矽卡岩型铜、硫、铁、金、银等多金属矿床，矿体主要产于花岗闪长斑岩岩体(铜山岩体)与下二叠统栖霞组含燧石灰岩的接触带上，在含燧石灰岩(已大理岩化)和花岗闪长斑岩中亦存在小规模工业矿体。矿石类型主要为含铜磁铁矿矿石、含铜矽卡岩矿石和含铜黄铁矿矿石，靠近接触带的岩体中也存在浸染状和细脉浸染状的铜钼矿化，但规模不大。主要矿体呈似层状、透镜状、扁豆状产出，其次为囊状等不规则形状。矿体的产状基本与控矿的下二叠统栖霞组灰岩的产状一致，倾向南，倾角变化较大(图2)。

图2 铜山铜矿地表地质图(a)及典型剖面图(b)，剖面位置见图a中的A-B线Fig.2 Surface geological map (a) and typical cross section (b) of the Tongshan mine(A-B in (a) is the loca- tion of cross section) 1-花岗闪长斑岩；2-角砾岩；3-断层；4-矿体；5-矽卡岩；6-第四系；7-下三叠统南陵湖组；8-下三叠统和龙山组；9-下三叠统殷坑组组；10-下二叠统大隆组；11-下二叠统龙潭组；12-下二叠统孤峰组；13-下二叠统栖霞组；14-上泥盆统五通组；15- 上志留统茅山组 1-granodiorite porphyry; 2-breccia; 3-fault; 4-ore body; 5-skarn; 6-Quaternary; 7-Nanlinghu Formation of Lower Triassic; 8-Helongshan Formation of Lower Triassic; 9-Yingkeng Formation of Lower Triassic; 10-Dalong Formation of Upper Permian; 11-Longtan Formation of Upper Permian; 12-Gufeng Formation of Lower Permian; 13-Qixia Formation of Lower Permian; 14-Wutong Formation of Up per Devonian; 15-Maoshan Formation of Upper Silurian

整个矿床的矿体空间分布和控矿因素表现出如下规律性特征：

(1) 矿体主要产于铜山岩体的接触带及其附近，但整个接触带上的矿体分布是极其不均匀的，这种不均匀分布与岩体的形态密切相关，矿体主要定位于岩体内凹边界的接触带及其附近(图2)。

(2) 主要矿体(如4号、30号)不仅受铜山岩体与下二叠统栖霞组灰岩的接触带控制，还受与接触带套合的断层构造控制(图2)。矿体的边界极不规则，矿体中也包含有极不规则的花岗闪长斑岩角砾(图3)，表明矿体定位的空间应为岩体侵位并基本固化后沿接触带发生张性破裂而形成的，与矿体关系极为密切且广泛发育的角砾岩化也佐证了这一推断。与接触带套合的控矿断层是一个长期活动的正断层，其证据有如下3个方面：① 极不平整的锯齿状矿体边界面只可能是张性破裂面，不可能是逆冲或剪切破裂面；② 矿体的边界面又位于岩体接触带上，表明这个断裂在岩体侵位时就已存在，为容岩断裂；③ 矿体中发育有花岗斑岩的角砾和矽卡岩角砾，表明断裂在岩体固结和矽卡岩形成后还在活动，是一个长期活动的断层。

(3) 主矿体的形态产状也是复杂多变的，矿体的品位、厚度的变化表现出与矿体产状变化的相关性，一般产状陡的矿段厚而且富，而产状平缓的矿段则变薄变贫。

图3 矿体中所含不规则棱角状花岗闪长斑岩角砾Fig.3 Irregular angular clast of granodiorite in ore body

4 成矿模式创新

铜山铜矿床的成因已被众多的学者研究过(周余谔等，1996；俞沧海，2001；周曙光，2003；陈红瑾等，2013)，所有这些成因研究都集中于成矿物质来源和成矿的物理化学条件等方面，却忽视了矿体定位空间的形成机制和分布规律。而矿体定位空间的形成机制和分布规律本是成矿研究中最具实用价值的核心部分，因为找矿其实就是找矿体定位的空间，只有深入了解了矿体定位空间的形成机制和分布规律，所创建的成矿模式才对未发现的矿体具有预测能力。所以在铜山铜矿这种勘探程度已相当高的矿区开展深部矿体预测，最迫切需要的是从矿体定位的空间的形成机制和分布规律来创新成矿理论模式，这比探索成矿的年代、成矿物质来源与成矿的物理化学条件更为重要。

由于铜山铜矿矿体受与接触带套合的断裂构造控制，而且矿体的膨大部位是陡倾斜部位，矿体变小并趋于尖灭的部位是缓倾斜部位。控矿的断裂构造具有张性的特征，而且整个铜陵-安庆地区的矽卡岩矿床的成矿作用都是发生在区域地壳由挤压到伸展的转换期(Maoetal., 2006; Liuetal., 2010)。基于上述认识，我们建立了“波状接触带-断层伸展剪切扩容构造控矿模式”(图4)，这一思想我们在2001年进行“铜山矿田找矿前景分析及预测研究技术方案”项目时就已形成①，后逐渐完善(刘亮明等，2007，2008；詹德光，刘亮明；2012)。其基本涵义是：与成矿岩体接触带套合的断层构造在伸展剪切过程中形成的不均匀扩容引起成矿流体的汇聚和成矿，即矿体定位于接触带断层的扩容空间内，扩容空间的产状和规模决定了成矿的产状和规模。由于这种接触带-断层构造的主裂面总是呈波状起伏，使得陡倾的部分发生大规模张开，形成大规模扩容空间，从而形成大规模矿体；而缓倾斜部分的扩容十分有限，从而出现矿体变小，甚至出现无矿地段(图4)。

这一创新理论模式的建立并不是凭空想象的，而是建立在我们对铜山铜矿的矿体和控矿构造特征深入分析的基础之上的①，并充分吸收了Sibson(1985)所创立的断层“扩容转弯(dilational jog)模式”。

5 深部矿体预测结论的验证及其意义

正是基于上述“波状接触带-断层伸展剪切扩容构造控矿模式”，我们预测铜山铜矿的主矿体(4号、29号和30号矿体)在沿倾向往深部变小和尖灭后，再往深部还会变大和再现，即4号、29号和30号矿体的深部还存在较大规模的隐伏矿体。通过对2001年之前施工过的深部钻孔进一步分析，我们发现这些钻孔之所以没有打到矿体，其原因主要有两个方面：一方面是因为钻探施工技术问题，钻孔发生了很大的偏斜，根本未钻遇目标层位；另一方面是因为在某些剖面上深部矿体为浅部矿体的尖灭再现，它们之间确实存在无矿地段。这一分析更加坚定了我们基于矿体定位模式所做出的深部矿体预测结论。只是由于当时矿业市场不景气，铜山铜矿当时处于等待破产关闭的状态，矿山不可能将深部找矿作为一项重要工作，所以对这一预测结论没有钻探验证。

2006年进行危机矿山接替资源勘查项目的勘查设计时，我们又重新利用《铜山矿田找矿前景分析及预测研究技术方案》的研究成果①，按照“波状接触带-断层伸展剪切扩容构造控矿模式”设计了深部探矿钻孔。但最后在决定是否按设计施工钻孔时还是受到了很大的争议，原因是当时所设计的物探工作(高精度磁测、激电和CSAMT)都没有完成，大多数人认为要等物探结果出来后才能施工钻孔。但由于对理论模式预测的信心，再加之当时矿山施工的坑内钻也部分验证了我们的预测结论，所以我们当时坚决主张“按设计施工，不需等待物探结果”这一预测结论。结果所设计的钻孔基本都钻遇到了深部矿体(图5)，验证了我们基于理论模式的预测，最终经详查，在-1250 m以上新增21.42万吨铜金属储量和670万吨铁矿石储量。

图4 波状接触带-断层伸展剪切扩容构造控矿模式Fig. 4 Model of ore control by dilation spaces along the wave-like contact-fault under extension-shear

图5 发现深部矿体的验证钻探剖面(19线，即图2a中的A-B线)，图例同图2Fig.5 Cross section showing deep drilling holes encountering new ore bodies (Line 19 is A-B in Fig.2a. Legend is as the same in Fig.2)

值得指出的是，在铜山矿区大部分深部钻孔都钻遇到矿体后，物探结果也还没有出来，后来根据物探结果在南泉鲍施工的深部钻孔，见矿效果不太好。所以，整个铜山铜矿深部找矿成果主要依赖于理论模式的预测和管理决策。这也进一步证明了基于矿体定位空间形成机制和分布规律的理论模式对矿山深部找矿的重要性。

6 结论

铜山铜矿的矿体是受与接触带套合的波状起伏的伸展断层控制，矿体的位置及规模受接触带断层的不均匀扩容制约。基于这些认识建立了波状接触带-断裂伸展剪切扩容构造控矿模式，依照这一模式预测深部存在大规模隐伏矿体。深部钻探的结果证明了这一模式的正确性，表明立足于矿体定位空间形成机制和分布规律的成矿模式创新对矿山深部找矿预测具有重要意义。

致谢感谢铜陵有色金属集控股有限公司的支持，也感谢审稿人的意见和修改！

[注释]

① 刘亮明. 2001. 铜陵有色金属集控股有限公司委托科研项目报告: 铜山矿田找矿前景分析及预测研究技术方案.

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A New Metallogenic Model for the Tongshan Copper Deposit in Anhui Province and its Significance for Deep Prospecting

ZHAN De-guang1, LIU Liang-ming2

(1.TonglingNonferrousMetalGroupCorporationLimited,Tongling,Anhui244000;2.ComputationalGeosciencesResearchCenter,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410083)

This study analyzed the geological setting, orebody features, and ore-controlling structures of the Tongshan copper deposit in Anhui Province. It also revealed the distribution regularity and formation mechanism of orebodies in this mine. The aim was to establish a metallogenic model with prediction capability for this deposit which has been explored and mined for almost 50 years. The results show that the orebodies are controlled by the wave-like undulating contact zones that are superposed by extensional faults. The position and scale of ore bodies are constrained by uneven dilation along the waved contact-faults. Based on this understanding, we established a model of orebodies controlled by dilation spaces along the waved contract-faults under extension-shear. This model predicts that there would be large-scale orebodies in the deep portion of the mine. The drilling holes encountered the ore bodies at depths predicted by the model, implying that this novel model would play an important role in searching for deep ore bodies in this mine.

metallogenic model, locating space, metallogenic prediction, Tongshan copper deposit