新疆拜城新近系含铜岩系沉积体系及沉积环境①

时文革 巩恩普 褚亦功 张永利 姚玉增 王铁晖 马 伟 赵纯福

(1．东北大学 沈阳 110819;2．山东招金集团 山东招远 265400)

0 引言

从世界范围来看，沉积岩容矿的层状铜矿占世界探明铜储量和产量的23%左右，仅次于斑岩型铜矿而居世界第二位［1-2］。该矿床类型因其品位高、储量大，引起了国内外地学工作者的广泛重视，并从矿床地质特征、沉积环境、沉积微相、古地理位置、岩性及其物性、地球化学特征、矿床成因、盆地结构、成矿流体等各方面进行了深入研究［1，3-6］。我国新疆南天山地区库车盆地自西向东发育了大小近二十多个沉积型铜矿［7］，这些铜矿产出层位相近，矿床成因类型相似，都赋存在一套碎屑岩中，并明显受岩石类型和岩相特征控制。显然，这些铜矿床的形成与这套碎屑岩的形成、分布和沉积特征具有成因联系。在新近纪库车盆地内，位于拜城的滴水铜矿属于典型的陆相砂岩型铜矿，矿体规模相对较大，具有代表性［8-9］。该矿区铜矿产于康村组的中上部，由下至上有三个含矿岩层，矿体呈层状、似层状产出，产状与矿区地层基本一致，矿体与下伏地层界线清晰，向顶部为渐变关系，主要伴生金属为银，具有沉积层控矿床的特征［10］。滴水铜矿产于塔里木盆地西北缘，属于塔里木盆地北缘新生代陆相砂岩型铜成矿带的一部分。矿体产于新近系康村组一套碎屑岩系中，沉积岩的岩性特征及沉积相类型，以及相关的沉积环境演化过程制约了含矿层的发育。前人对于该矿床沉积学方面的研究多涉及岩性特征，对于沉积相和沉积环境的研究还不够深入，本文将着重对滴水矿床赋矿层位的沉积环境、含矿岩段的沉积相划分及沉积体系进行综合研究，进而指导整个成矿带的找矿工作。

1 区域地质

新疆滴水铜矿位于塔里木盆地北缘，天山南缘的库车前陆坳陷盆地，该盆地呈近东西向展布，大地构造位置是天山造山带与塔里木盆地交接部位的近乎槽状的盆地区，它是海西运动以后发展起来的中新生代边缘盆地—断陷坳陷［11-15］。盆地范围内中新生代地层发育较全、层系多、厚度大，地层横向展布变化大，超覆不整合于元古界和古生界褶皱基底之上。古近纪地层以膏盐层发育为特征，包括库姆格列木群和苏维依组，与下伏白垩系地层之间为不整合接触关系，其中在库姆格列木群底部发育有一套海相沉积［16］。研究区新近纪地层发育较好，包括吉迪克组、康村组和库车组，以砾岩、砂砾岩、粉砂岩和泥岩为主，体现出陆相沉积体系发育的特点，普遍为一套含膏盐河湖相杂色碎屑岩建造［17-18］(图1)。

滴水铜矿区主要出露新近系康村组(N1-2k)、库车组(N2k)，地表被第四系覆盖。矿体产于康村组三段与四段之中，有3个(A，B，C)主要含矿层位(图2)，在平面上布呈条带状，产状与矿区地层基本一致(图3)，倾向 NNW，倾角大约20°。各层位之间保持固定距离，A层距B层180 m左右，B层距C层17 m左右。由于A矿层走向延长有限，矿体厚度薄，品位亦较低，工业意义不大，B和C矿层是滴水铜矿主要工业矿体。在地表铜矿体呈条带状，近EW向分布。滴水矿区位于铜矿山背斜北翼，岩层北倾，倾角14°～31°，该套单斜地层沿剖面延展稳定，为铜矿层展布提供了稳定的构造环境。

2 含矿岩系沉积环境研究

研究区含矿岩系位于康村组的中上部，是一套红褐色、黄褐色、暗灰色等杂色的碎屑沉积，地层厚度分布稳定，横向变化小，各种沉积构造非常发育。通过对野外实测剖面的详细观察、分析，结合钻孔、岩芯及室内光面、薄片等资料，对各类沉积标志、古生物标志等进行综合研究，获得了重要的沉积环境信息。

2．1 沉积岩石学特征

研究区古近纪—新近纪地层以大面积出露红色、红褐色、棕红色岩层为主(图4)，反映了该时期干旱炎热的古气候特征［19-20］。

研究区内吉迪克组普遍发育紫褐、棕红、黄棕色泥岩、粉砂质泥岩夹粉砂岩沉积，其中石膏层发育，显示出明显的干旱气候条件下的湖泊沉积［21］。康村组含矿层位附近的砂岩与吉迪克组砂岩相比，长石含量明显增高，碎屑颗粒的分选性、磨圆度也较差(图5)，说明康村组距供给区更近。

2．2 沉积构造

通过对野外地层露头的详细观察，发现在研究区新近系地层中广泛发育有各种层理构造、层面构造等沉积构造如下:

(1)层理构造

交错层理、波状层理、透镜状层理、粒序层理、平行层理、水平层理等是研究区地层中常见的层理构造(图6a～d)。

(2)层面构造

在岩层表面呈现出的各种不平坦的沉积构造的痕迹，统称为层面构造。研究区常见的层面构造有波痕、底冲刷构造等(图6e，f、图7)。其中，研究区内底冲刷是常见层面构造，它是由于流动介质的流速由弱突然转强形成的。因此，底冲刷构造常常发育在以水动力条件强弱变化频繁的河道为主的沉积环境中。

图1 研究区区域地质简图1．深灰色泥砂质胶结的不等粒砂岩;2．洪积—坡积沉积;3．风积沉积;4．灰棕色砂质砾岩与砂质泥岩、泥岩互层;5．灰棕色砂岩、砂砾岩与泥质粉砂岩互层;6．砖红色、褐红色砂岩、含砾砂岩与泥质粉砂岩互层夹A、B、C三层浅色含铜砂岩、泥灰岩;7．褐红色与灰绿色条带状砂泥岩与厚层状灰绿色泥岩互层夹石膏层;8．褐红．棕红色泥岩砂岩与灰．褐黄色砂岩粉砂岩互层夹盐岩层沉积;9．地质界线;10．断层;11．地层产状;12．倾伏背斜;13．矿区位置Fig．1 Geological schematic map of the study area

图2 滴水铜矿区地层柱状图Fig．2 Stratigraphic column of Dishui copper deposit

图3 滴水铜矿区地质图Fig．3 Geology map of Dishui copper deposit

图4 研究区沉积岩颜色a．吉迪克组中上部沉积物的颜色，由紫红色为主转变为灰—灰绿色;b．康村组主要沉积物颜色以浅褐色、黄褐色为主，夹灰绿色、黄绿色。Fig．4 The color of the rocks in the study area

图5 康村组含矿层位附近的粉砂岩—细砂岩a．砂岩中碎屑颗粒以长石为主，棱角．次棱角状明显;b．分选性和磨圆度较差。Fig．5 Siltstone-fine sandstone near the ledge of Kangcun Formation

2．3 古生物学特征

从整体上而言，研究区内生物化石的含量非常低，但在主干剖面的吉迪克组和康村组中均发现了一些介形类化石、有壳虫类化石、生物遗迹构造和生物扰动构造。

研究区的介形虫壳形变化较少，多为椭圆形、肾形，壳饰简单且多光滑无饰(图8a)，为典型的陆相介形虫壳体，常见于湖泊相沉积环境中［22-23］。有壳虫类也常见于湖泊相沉积环境中。在研究区生物潜穴的遗迹化石是较为常见的(图8b)，主要有垂直、倾斜和水平三种，常见于粉砂岩和泥质粉砂岩中。生物扰动构造是指生物在沉积物中活动，使原生沉积构造遭到破坏或变形而产生的构造，在滨浅湖沉积环境中也较为常见［22］(图 9)。

图6 研究区常见的沉积构造a．小型交错层理，康村组;b．透镜状层理，康村组;c．粒序层理，康村组;d．小型槽状交错层理，康村组;e．对称波痕，吉迪克组;f．干涉波痕，吉迪克组。Fig．6 Sedimentary structures in the study area

2．4 沉积体系划分及特征

综合上述沉积相标志，在室内、外详细地质工作的基础上，结合区域性的地质资料，研究区总体上为陆相沉积体系［17，24-25］，主要为冲积扇—扇三角洲沉积体系和湖泊沉积体系两大类型，进一步可以划分出若干种亚相和微相(表1)。

图7 研究区常见的底冲刷构造Fig．7 Basal erosion scouring structure in the study area

图8 研究区介形类化石与潜穴孔a．个体相对完整的介形虫壳体;b．层面上近水平密集分布的潜穴孔(或爬迹)。Fig．8 Ostracod and burrow hole trace fossils in the study area

图9 研究区常见的生物扰动构造野外照片Fig．9 Field photos of the bioturbation in the study area

表1 研究区沉积体系划分及其分布Table 1 Sedimentary System and distribution in the study area

2．4．1 冲积扇

研究区库车组为一套典型冲积扇相的沉积物(图10a)，可以分为上、下两部分，下部为灰色块状中—粗砾岩，底部夹有少量黄—黄褐色含砾屑砂岩透镜体;上部为灰色块状细—中砾岩与粗砾岩互层，常见大型斜层理存在于灰黄色含砾中—粗粒砂岩透镜体中。

2．4．2 扇三角洲

扇三角洲在研究区内发育良好、最为常见，主要由杂色复成分砾岩，灰色砂砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩和粉细砂岩组成。砂岩的结构成熟度低，呈次棱角状且以颗粒支撑为主。平行层理、交错层理和块状层理等沉积构造丰富。该沉积相可进一步划分为扇三角洲平原、扇三角洲前缘和前扇三角洲三个亚相。

(1)扇三角洲平原亚相—以黄褐色、红褐色砾岩发育为特征，大小混杂，层理不发育，分选和磨圆度差;在研究区内可细分为分流河道微相和分流间湾微相。分流河道微相主要由褐色砾岩、砂质砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩和粉砂岩组成。砾岩结构和成分成熟度较低，多呈次圆状—次棱角状，颗粒支撑，杂基充填(图10b);砂岩结构成熟度低，颗粒支撑、次棱角状为主。该微相中发育粒序层理、块状层理、平行层理和交错层理等。分流间湾微相的沉积物较细，一般为红褐色泥岩夹薄层粉砂质泥岩、泥质粉砂岩(图10c)，发育水平层理夹少量的交错层理。

(2)扇三角洲前缘亚相—常位于岸线至正常浪基面之间的浅水区，是扇三角洲的水下部分的沉积，是沉积作用相当活跃的部分。该亚相在研究区内可进一步划分为水下分流河道、水下分流河道间、河口沙坝和前缘席状砂微相。水下分流河道微相主要由砂质砾岩、黄绿色或灰绿色含砾中粗砂岩和细—粉砂岩组成(图10d)，颗粒支撑，泥质—钙质胶结，常见的层理构造有递变层理、块状层理、平行层理及小型交错层理(图10e)。水下分流河道间微相主要由褐色泥岩、泥质粉砂岩组成(图10f)，夹粉砂岩、细砂岩，水平层理发育，块状层理和变形层理也较为常见。河口砂坝微相的沉积物以粉砂岩、泥质粉砂岩为主，分选较好，沉积构造主要为小型交错层理和平行层理。前缘席状砂微相以褐色粉砂岩夹灰绿色细砂岩和泥质粉砂岩为主，沉积物粒度细，分选较好，发育有小型交错层理、波状层理及透镜状层理。

(3)前扇三角洲亚相—处于浪基面以下较深水地区，是扇三角洲延伸到湖盆中最远的部分，主要由泥岩和薄层粉砂岩组成，发育水平层理。研究区该亚相发育不充分，较难识别。

2．4．3 湖泊

湖泊相在研究区内不仅分布广泛而且沉积巨厚。新近纪水体环境较浅，滨浅湖相较为发育，深湖相并不多见;此外，干旱炎热的气候使得湖水较易蒸发浓缩，形成膏盐湖沉积(常见于吉迪克组)。

(1)滨浅湖亚相—主要由具灰色、褐色的泥质粉砂岩，粉砂质泥岩，灰色、灰绿色的砂质泥灰岩，泥灰岩等构成，夹少量石膏(图10g，h)。沉积物颗粒分选好，磨圆度高，结构和成分成熟度均较高。沉积构造丰富，层理类型以水平层理为主，可见小型交错层理，发育生物潜穴和生物扰动构造。

(2)膏盐湖亚相—区内吉迪克组自下而上大体可划分为底砂岩段、膏泥岩段、砂泥岩段、膏岩岩段、灰泥岩段，岩石组合十分稳定，主要为一套紫褐、棕红色泥岩、粉砂质泥岩，夹粉砂岩、石膏沉积，其中频繁出现的石膏薄层是该组的一个重要特征(图10i)，整体上为一套干旱气候条件下的湖泊沉积物。

2．5 含矿岩段沉积相划分

通过对矿区A矿层附近含铜岩段沉积体系和沉积微相的划分(图11)，A矿层主要赋存于扇三角洲前缘与滨浅湖过渡的环境，为前扇三角洲亚相;主要为薄层灰色的细砂岩、泥灰岩沉积为主，夹薄层的中细粒砂岩，偶夹褐色泥岩;生物潜穴孔发育，沉积物颗粒分选较好，常见板状交错层理、平行层理和槽状交错层理。对A矿层和B矿层之间的沉积岩段沉积体系及沉积微相划分(图12)，可知该沉积岩段主要发育扇三角洲前缘和扇三角洲平原亚相。

矿区范围内B矿层和C矿层间距较近并保持稳定，将这两个矿层附近的含铜岩段作为一个整体进行沉积体系及沉积微相划分(图13)，B层矿即矿区范围内最典型的含矿层主要发育扇三角洲前缘亚相(水下分流河道和分流间湾微相)，其中扇三角洲前缘水下分流河道微相是主要的赋矿沉积相，B矿层之上主要发育湖泊相沉积。矿区C矿层含矿层位也是主要发育扇三角洲前缘亚相，C矿层之上主要演变为扇三角洲平原亚相沉积。根据钻孔资料和井下观察综合分析，C矿层矿体产出部位在空间分布上靠近矿区的东部，在该部位矿层之上发育湖泊相沉积，这可能是由于湖泊收缩造成的。从研究区含铜岩系沉积特征和沉积相研究来看，含矿层位与沉积环境关系密切，主要产于上覆湖泊相(泥灰岩)的扇三角洲前缘亚相，其中水下分流河道微相的中、细粒砂岩是铜矿富集段。

3 沉积相模式及演化

库车盆地在古近纪—新近纪主要接受一套以红色为基调的陆源碎屑岩沉积［13］，是典型的陆相沉积模式:冲积扇—扇三角洲—湖泊模式(图14a)，研究区范围内主要发育扇三角洲和湖泊沉积。

图11 研究区A矿层附近综合地层柱状图Fig．11 Comprehensive column of the A ore-bearing strata

吉迪克期，受挤压应力作用，湖泊向南萎缩，扇三角洲主要分布在库车盆地西部和中部山前地区。该时期的湖泊主要为宽浅型，湖岸线受气候和构造活动的影响而频繁变换，水动力条件较弱，对三角洲搬运来的碎屑沉积物改造力不强。同时，该时期气候以干旱为主，蒸发强烈，形成膏盐湖。库车坳陷新近纪吉迪克期主要发育三角洲和湖泊沉积，从山前到盆地中心依次为扇三角洲和湖泊沉积［24，26］(图 14b)。康村期基本上继承了吉迪克期的沉积格局，由于受盆地北部天山持续隆起的影响，湖泊的分布范围向南继续萎缩，导致扇三角洲向盆地中心进一步扩张(图14c)。研究区康村期主要发育扇三角洲沉积，其中在温湿气候条件为主的时期湖泊相沉积可覆盖研究区。库车期，受该时期强烈的构造挤压运动的影响，盆地北部的南天山快速隆起并向南强烈逆冲，引起断层活动和盐底辟作用加强［25，27-28］，同时由于该时期气候干旱，区内风化作用强烈，为冲积扇的形成提供了大量的物源和有力条件，冲积扇极为发育，湖泊快速退缩(图14d)。因此，研究区在该时期也主要发育冲积扇相沉积。

图12 研究区A矿层与B矿层之间综合地层柱状图Fig．12 Comprehensive column of the strata between A ore-bearing bed and B ore-bearing bed

研究区在新近纪沉积相的演化与库车盆地沉积相的演化过程保持一致，吉迪克期研究区主要发育湖泊相沉积，康村期主要发育扇三角洲前缘相沉积，库车期主要发育冲积平原相沉积。从吉迪克期到库车期研究区范围内水体为一个逐渐变浅，垂向上体现出从湖泊相向冲积平原相的一个转变过程，这与整个库车盆地范围内湖泊分布范围不断向南萎缩有直接关系。

4 沉积环境及微相与成矿的关系

研究区的铜矿床是典型的陆相砂岩型铜矿，沉积环境与沉积微相在同生阶段的成矿过程中起着非常重要的作用。研究区古近纪—新近纪沉积物以红色调的岩石为主，指示出该时期以干旱、氧化的沉积环境为主。受构造运动的影响造成南天山受挤压而隆起，大量的基岩在干燥炎热的气候条件下易崩解、风化，其中富铜母岩的风化为研究区铜矿的形成提供了铜物质来源［9］。在氧化条件下铜是一种易溶的元素，多呈真溶液的形式搬运(如硫酸铜)，铜物质以含氧酸盐的形式进入盆地，要形成金属硫化物需要一个还原性的环境。一般认为沉积时期含铜溶液具有酸性—氧化性质，富集能力极为有限;当它进入弱碱性—碱性的还原层时就可以发生沉积，对铜质起到富集作用，才有可能形成工业矿床初始富集阶段。康村组含矿层位附近的砂岩中，长石含量明显增高，碎屑颗粒的分选性、磨圆度也较差，这或许也说明了康村组距供给区更近。来自于盆地边部物源供给区铜矿物碎屑与其他岩屑在沉积期经历了相同的沉积过程作为碎屑物质在以干旱气候为主的陆相湖泊边缘环境沉积下来，在成岩期富集成矿，这种模式可以在智利北部安托加斯塔省圣巴托洛铜矿的研究得到证实，该铜矿是产出在第三纪陆相沉积体系中的砂岩型铜矿，具有沉积型的层状铜矿特征［29］。对于沉积型砂岩铜矿而言，都直接或间接的与沉积作用、沉积环境及古地理位置有关，沉积作用和沉积环境对成矿层的发育有很强的控制作用［30-33］。

图13 研究区B矿层与C矿层之间综合地层柱状图Fig．13 Comprehensive column of the strata A ore-bearing bed and B ore-bearing bed

基于野外地层露头的详细观察、钻孔资料和井下观察综合分析，矿区主要含矿层(B层)位于康村组上部红色岩系向灰色岩系转变，沉积环境从扇三角洲前缘亚相到滨浅湖亚相过渡的层位上。康村组含铜砂岩主要产于砂岩、砂砾岩、粉砂岩及泥质岩为主的红色地层中，具有水平层理或层理不发育。从研究区沉积体系和沉积相研究来看，含矿层位主要产于上覆湖泊相(泥灰岩)的扇三角洲前缘亚相，其中水下分流河道微相的中、细粒砂岩是铜矿富集段(图15)。扇三角洲前缘是扇三角洲的入湖的水下部分，也是扇三角洲沉积体系中沉积作用强烈的部分，是一个弱氧化—弱还原环境［22］。在该沉积环境中，搬运来的铜物质有利于沉积。水下分流河道沉积的中、细粒砂岩中的原生孔隙具有良好的贯通性，有利于后期成矿流体的运移。上覆的泥灰岩为一良好的隔水层，有效的保障了在成岩过程中铜物质在其下部的砂岩中富集。

5 结论

通过细致的野外及室内的研究，对研究区新近纪陆相沉积体系进行详细的划分，进而对滴水矿区含铜岩系的古沉积环境特征获得了初步认识。

(1)研究区新近系吉迪克组和康村组主要发育扇三角洲沉积和湖泊沉积，并进一步细分为扇三角洲平原、扇三角洲前缘、前扇三角洲、滨浅湖和膏盐湖亚相及若干沉积微相;库车组总体上展示出冲积扇相的沉积特征。研究区范围内从吉迪克期到库车期水体为一个逐渐变浅，垂向上体现出从湖泊相向冲积平原相的一个转变过程，这与整个库车盆地范围内湖泊分布范围不断向南萎缩有直接关系。

图14 a．冲积扇—扇三角洲—湖泊沉积模式图;b．库车盆地新近系吉迪克组沉积相分布略图;c．库车盆地新近系康村组沉积相分布略图;d．库车盆地新近系库车组沉积相分布略图(李鑫等，2013，修改)Fig．14 a．The sedimentary model of alluvial fan-fan delta-lake;b．Distribution of sedimentary facies of the Jidike Formation of the Neogene in Kuqa Basin;c．Distribution of sedimentary facies of the Kangcun Formation of the Neogene in Kuqa Basin;d．Distribution of sedimentary facies of the Kuqa Formation of the Neogene in Kuqa Basin(modified after Li et al．，2013)

图15 滴水矿区各沉积微相成矿潜力评价Fig．15 The metallogenic potential evaluation of sedimentary microfacies in Dishui copper deposit

(2)康村组是研究区含矿层所在层位，主要发育扇三角洲相沉积。从研究区含铜岩系沉积特征和沉积相研究来看，含矿层位与沉积环境关系密切。矿区主要含矿层位于康村组上部红色岩系向灰色岩系转变的位置，即位于上覆湖泊相(泥灰岩)的扇三角洲前缘亚相(其中水下分流河道微相的中、细粒砂岩是铜矿富集段)，该沉积环境有效的保障了在成岩过程中铜物质在其下部的砂岩中富集。

(3)研究区的铜矿床是典型的陆相砂岩型铜矿，沉积环境与沉积微相在同生阶段的成矿过程中起着非常重要的作用，沉积环境演化过程制约了含矿层的发育。滴水铜矿在塔里木盆地北缘新生代陆相砂岩型铜成矿带中具有良好的代表性，虽然它的规模不大，但对于研究沉积型的层状铜矿的形成具有一定研究价值。

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