兰坪金顶超大型铅锌矿床含矿岩石沉积特征

2019-04-19朱志军张治波郭福生

沉积学报 2019年2期

朱志军，张治波，郭福生

东华理工大学地球科学学院，南昌 330013

0 引言

中国云南西北部兰坪中—新生代盆地的金顶以其范围小、堆积巨量金属而备受国内外学者的关注。金顶铅锌矿由架崖山、北厂、峰子山、南厂、西坡、跑马坪和白草坪七个矿段组成，矿区主要发育浸染状砂岩型和角砾岩型两种矿石类型，分别在北厂和架崖山形成了超大型砂岩型和角砾岩型主矿体，其铅锌金属总储量约占金顶矿区总储量的2/3。砂岩型矿石为主要类型，特点是细粒硫化物(闪锌矿、方铅矿、黄铁矿)呈浸染状分布于砂岩中；角砾岩型矿石主要分布于矿区东部，矿化发生在灰岩角砾岩的缝隙和孔洞中，或呈浸染状分布于基质中。由于这两种含矿岩石(砂岩和角砾岩)缺少化石依据，分布局限，并与区域地层无法对比，因此就其时代归属和成因一直是争论的焦点。综合前人研究结果，关于金顶铅锌矿两种矿石成因基本具有两种截然不同的观点：一种观点认为是正常沉积产物[1-7]，该观点认为古新世受区域挤压推覆作用使上三叠统三合洞组灰岩沿沘江断裂发生滑塌堆积而形成坡积相和冲积相沉积；另一种观点认为是非正常沉积产物，主要包括灰岩角砾岩属膏溶角砾岩成因[8-10]、湖底热液喷发成因[11]、泥底辟侵位角砾成因[12]、碎屑高压灌入成因[13-14]等。

前人针对兰坪金顶矿床的含矿岩石成因进行了大量研究，这些研究极大地深化了人们对兰坪金顶铅锌矿床成矿系统的认识和了解，为兰坪盆地找矿勘探提供了重要的理论指导意义，但是由于受当时开采规模的约束，得出的认识还具有局限性。近年来，随着资料的积累和矿床大规模露天开采和坑采，进一步揭露了深部矿体真实的展布形态和构造特征，一些过去观察不到的地质现象逐渐显露出来，这为解决各种矿床成因观点的矛盾、深化矿床成因认识提供了新的契机。本文依据最新在金顶矿区观察到的砂岩型矿石的沉积学证据，进一步论证了金顶铅锌矿床含矿岩石的成因，此地质问题关系到对金顶铅锌矿床成因的认识，具有重要理论与实践意义。

1 地质概况

金顶铅锌矿位于云南省西部兰坪盆地北端(图1)，该盆地宽约25～70 km，长约270 km，呈北北西向展布。盆地东西分别以金沙江断裂和澜沧江断裂为界，中部有兰坪中轴断裂[15]。兰坪盆地充填序列主要包括：晚三叠世三合洞组(T3s)海相灰岩和白云岩，局部含沥青；挖鲁扒组(T3w)灰黑色泥岩和粉砂岩；麦初菁组(T3m)黑色页岩、粉砂岩和细砂岩，局部夹煤层。中侏罗统花开左组(J2h)紫红色粉砂岩夹泥岩。早白垩世景星组(K1j)浅灰色石英砂岩；南新组(K1n)紫红色砂岩、砾岩、粉砂岩夹粉砂质泥岩；虎头寺组(K1h)灰白色—紫红色石英砂岩和长石砂岩；古近纪的云龙组(E1ya)砖红色粉砂岩夹细砂岩，云龙组(E1yb)灰岩角砾岩；果郎组(E1g)暗紫红色细砂岩夹泥质粉砂岩和泥岩[16-17]。

图1 金顶矿区地质略图(据参考文献[12]修改)Fig.1 Simplified geological map of Jinding mining area in Yunnan(modified from reference[12])

金顶矿区地层以逆冲断层为界分为原地系统和外来系统，外来系统倒置于原地地层之上，由下到上为景星组(K1j)、花开左组(J2h)、麦初菁组(T3m)、挖鲁巴组(T3w)和三合洞组(T3s)；下面的原地系统为正常层序，从下至上由南新组(K1n)、虎头寺组(K1h)和云龙组(E1y)构成(图1)。金顶超大型铅锌矿床的含矿岩石为浅灰—灰白色钙质细粒石英砂岩和深灰色沥青灰岩角砾岩夹灰岩岩块。自矿区东部至西部粒度明显由粗变细，矿区东部主要为灰黑色含沥青灰岩角砾岩及灰岩岩块；矿区中部为含沥青灰岩角砾的石英砂岩、细粒石英砂岩；矿区西部为含膏砂泥质碎屑岩和石膏岩，局部有微弱铅锌矿化。矿体整体上呈层状、透镜状顺层展布，成群出现，层位稳定。

2 含矿岩石沉积特征

在矿区厚层—块状中—细粒钙质石英砂岩及含灰岩角砾砂岩型矿石中发育流动成因构造，包括层面构造、层理构造和同生变形构造。层面构造主要为流动成因形成的冲刷面(图3A)和流水波痕构造。流水波痕构造为弯脊不对称波痕(图3B)，其波长约4.5～5 cm，波高约0.3～0.6 cm，波痕指数(RI)约为8～15之间，该类波痕常发育于湖泊、三角洲、大陆架、浊流环境中。

层理构造主要发育于灰色中—细粒石英砂岩中，偶夹有粉砂岩，下部为含沥青灰岩角砾砂岩，厚度大于60 m。主要的层理构造有平行层理(图3C)、板状交错层理(图3D，E)、槽状交错层理(图3F)，同时在局部砂质角砾岩中见砾石的叠瓦状构造等，均反映出牵引流体的特点。除砂岩型矿石反映出牵引流性质外，在含角砾砂岩及角砾岩中还具有重力流的特点，主要有正递变粒序层理(图3G)，以及在盆地斜坡上发育的层间同生滑移褶皱及同生变形构造，包括滑塌变形构造(图3H)、液化砂岩脉(图3I)、阶梯状断层(图3J)等，反映出沉积物在未固结时发生同生断裂的断陷活动，触发斜坡上软沉积物由于重力作用而失稳，从而形成重力流沉积(包括滑塌岩块和颗粒流沉积)。

图2 金顶矿区含矿层段实测剖面图Fig.2 Measured section of the ore region in Jinding mining area

图3 砂岩型矿石沉积构造a.冲刷面；B.直脊不对称流水波痕；C.平行层理；D，E.板状交错层理；F.槽状交错层理；G.正粒序层理；H.滑塌变形构造；I. 液化砂岩脉；J.阶梯断层Fig.3 Sandstone-type ore deposit structure

2.1 岩石学特征

通过对金顶矿区含矿岩石的岩石薄片观察：砂岩型矿石镜下特征为钙质胶结细粒石英砂岩，基底式胶结，胶结物主要为碳酸盐矿物，其次为黄铁矿和闪锌矿交代碳酸盐矿物呈浸染状分布于胶结物中，且与黏土矿物绢云母化相伴生(图4A，B)。碎屑石英大小一般为0.1～0.4 mm，分选差，磨圆度较低，多呈次棱角状，含量约占55%～83%。岩屑主要为硅质岩和变质岩岩屑，分别约占10 %～30%和5%～14%，大小一般在0.1～0.3 mm之间，最大者达0.5 mm。部分样品有少量灰岩岩屑，大小为1.5～2.0 mm，多者可达10%，分选中等，磨圆度差，多呈棱角状—次棱角状。长石占碎屑总量的1%～8%，大小约为0.1～0.3 mm，分选中等，以次棱角状—次圆状为主。矿石矿物主要为方铅矿和闪锌矿，方铅矿呈正方体，大小多在0.03～0.08 mm之间，约占5%～10%，闪锌矿呈菱形，大小多在0.05～0.15 mm之间，约占10%～25%，其次为黄铁矿，呈浸染状、团块状分布于胶结物中，约占5%～15%。

灰岩角砾岩型矿石镜下具有砂状结构和角砾结构，角砾主要为泥晶灰岩角砾、含沥青灰岩角砾和微晶灰岩角砾，被碳酸盐和石英砂质胶结(图4C，D)。角砾约占45%～55%，大小一般为5～42 mm，分选差，磨圆差，多呈棱角—次棱角状。在角砾周围的破碎裂隙中发育三个世代的亮晶方解石。石英碎屑约占1%～5%，大小约为0.05～0.1 mm，分选中等，磨圆度中等，呈次圆状。矿石矿物主要有闪锌矿和黄铁矿，发育于灰岩角砾岩的砂质胶结物中，呈星点状分布，大小约为0.25～0.5 mm，最大者达1.8 mm，其中闪锌矿约占15%，黄铁矿约占2%。

2.2 结构特征

通过含砾粗砂岩的砾石统计，其粒度概率累积曲线表现为较平缓的“一段式”，或略向上微凸的拱弧形特征，反映出碎屑颗粒以粒径变化范围大，分选差的悬浮次总体为主，不含滚动组分(图5A)。粒度C-M图反映出，点群主要集中在平行于C=M基线区域的QR段，显示为高密度碎屑流的递变悬浮沉积特征。

针对交错层理、波状层理及波痕等层理发育的砂岩进行了粒度统计分析，在显微镜下对岩石薄片中颗粒最大直径进行了统计，每件样品统计350～400个颗粒，得出最大直径数据，换算成Φ值，按四分之一间隔分组，计算每组内颗粒数的百分含量，以概率百分数为纵坐标，绘出概率累积曲线图，显示出交错层理发育的砂岩相由2段式组成，中细粒砂岩相悬浮、跳跃组分分异明显，跳跃组分含量高，细截点Φ值多在2～3之间，斜率较大(图5B)；中粗粒砂岩细截点Φ值多在1～2之间，不同岩相类型细截点差异明显。由于粒度分析是在显微镜下统计，因此可能部分粗粒组分未能统计，特别是含角砾砂岩相可能滚动组分要多些，这种分段式明显的概率累积曲线类型进一步证明了具有牵引流的特点。

图4 金顶矿区矿石微观特征 A，B.石英砂岩型矿石中黄铁矿和闪锌矿交代碳酸盐矿物，呈浸染状分布；C.角砾岩型矿石，方铅矿和闪锌矿呈星点状分布在砂质胶结物中；D.角砾岩型矿石，黄铁矿和闪锌矿分布在交代粗晶方解石中Fig.4 Microscopic characteristics of ore in Jinding mining area

图5 砂岩型矿石粒度概率累积曲线与C-M图Fig.5 Cumulative grain-size distribution curve and C-M map of sandstone-type ore

另外，按照层理发育的砂岩相和层理不发育的块状含角砾砂岩相进行了C-M图分析(图5C)，层理发育的砂岩相C-M图为N-P-Q-R形，反映出牵引流的性质，而层理不发育的块状含角砾砂岩相的C-M图为平行于C=M线分布的Q-R形，显示了悬浮搬运方式。C-M图分析结果与粒度概率累积曲线反映一致，显示了含矿岩石具有重力流和牵引流的沉积特征，为复合搬运机制下的产物。

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3 重力流沉积类型

根据野外系统的沉积相标志分析，按照颗粒形态、支撑机制及流变和沉积过程[18-19]，将金顶铅锌矿含矿岩石沉积划分为非沟道体系的液化流和沟道体系的砂质碎屑流、浊流等类型。

3.1 非沟道体系的液化流沉积

受向上逃逸流体超压支撑的液化沉积物流，是指块体沿着剪切面发生滑移或滑塌而嵌进或掉入异地的重力流沉积体[19]。在金顶矿区液化流沉积主要为砂、细砾混杂并强烈变形沉积的滑塌岩，常见断裂、小型阶梯状同沉积断层(图3J)和滑动成因的包卷层理构造、滑塌褶皱构造(图3H)及液化砂岩脉(图3I)。

3.2 沟道体系的砂质碎屑流沉积

前人[18-19]对砂质碎屑流进行了系统的研究，认为砂质碎屑流是指高密度颗粒流在水道中高速流动的过程中，由于水道被侵蚀下来的物质和海水的混入，使颗粒流中的水体浓度、黏度、分散压力及浮力增大，颗粒浓度降低，颗粒间的剪切扩散应力亦逐渐降低，从而形成由基质强度、分散压力和浮力共同支撑颗粒流作层状流动的塑性流体。在金顶矿区砂质碎屑流沉积主要分布在矿区的中西部，主要由浅灰—灰色中—细砂岩构成，以厚层块状细砂岩为主。较粗粒的砂岩层中见有灰岩“漂砾”，由同生砾含量及粒度变化显示出的正粒序层理(图3G)。砂岩下层面见有侵蚀面(图3A)，上层面发育波痕构造(图3B)。同时发育有大量的平行层理(图3C)、板状交错层理(图3D，E)、槽状交错层理(图3F)。单砂体厚度一般大于50 cm，相互叠置形成厚达几米，甚至十几米的砂体，横向变化快，与半深湖—深湖相泥岩呈渐变接触。

3.3 浊流沉积

浊流沉积为浅灰—灰黑色角砾岩夹砂岩、含砾砂岩及细砂岩，一般多夹于深水相暗色泥岩中，与浊流沉积伴生的沉积构造有：鲍马序列、底冲刷充填构造、泄水构造等。在野外能够观察到发育不完整的鲍马层序，可反映出强水动力条件下的高密度流体和相对弱水动力条件下的低密度流体之间的转换。高能条件下沉积角砾岩、含角砾粗砂岩，低能条件下沉积粗中砂岩、细砂岩(图6)。

图6 含矿岩石的沉积韵律Fig.6 Sedimentary rhythm of ore bearing rock

鲍马序列A段块状砂砾岩相，该相带以岩块和角砾沉积为主，为混杂结构的粗砾岩相(图6)，角砾排列杂乱，颗粒支撑。其砾石含量约60%，基质含量约40%。砾石成分主要是浅灰色三合洞组(T3s)灰岩、白云质灰岩、沥青质灰岩，及花开左组(J2h)紫红色砂岩、页岩。砾径大小从几厘米至几十厘米，大小混杂，磨圆差，多呈棱角状。基质为砂泥质混合物，砂粒中灰岩岩屑组分含量较高。向上渐变过渡为含角砾粗砂岩相，粒度递变清楚，一般为正粒序，底面发育有冲刷—充填构造。

鲍马序列B段块状砂岩相，与A段粒度为正递变过渡，粒度明显变细，岩性以浅灰色、砖红色石英砂岩为主，基质含量很少，方解石胶结物含量大于12%，多呈连晶、嵌晶状分布，发育平行层理、斜层理。由A段到B段，反映了由高密度流体逐渐转变为低密度流体，具有滑塌重力流和牵引流复合机制搬运的特点。

4 积相展布特征与沉积模式

根据金顶矿区含矿岩石的岩性组合、粒度特征、沉积序列和沉积构造等标志，结合构造发育位置，含矿岩石为湖底扇沉积，并进一步划分为内扇、中扇和外扇三个亚相(图7)。

(1) 内扇亚相

内扇是由若干条水下水道和天然堤组成，研究区主要发育内扇水道微相，分布于架崖山以东地区，以高密度碎屑流沉积为主，岩性为巨厚的灰岩角砾岩和含角砾砂质泥岩或粉砂岩组成。灰岩角砾岩的角砾大小混杂，无分选，杂乱堆积。含角砾砂质泥岩及粉砂岩与灰岩角砾岩相互伴生。内扇亚相在剖面中呈不规则状或透镜状展布，向西、北西方向逐渐尖灭，并与中扇相呈指状相变关系(图7)。

(2) 中扇亚相

中扇辫状水道沉积大套浅灰色厚层砂质角砾岩、含角砾砂岩及砂岩，发育平行层理和斜层理，主要分布于北厂矿段及以西地区。砂质角砾岩角砾成分主要由灰岩及少量粉砂岩组成，砾径大小一般为1～8 cm。含角砾砂岩及砂岩多以细粒为主，角砾亦为灰岩，较砂质角砾岩砾径明显变小，分选中等至差，偶见砾石定向排列。砂质角砾岩与含角砾砂岩及砂岩垂向上常构成向上变细的沉积韵律，砂质角砾岩底部发育冲刷充填构造。横向上，向西、北西方向粒度逐渐变细。