铜陵矿集区浅表地质结构与深部耦合

杜建国 ,兰学毅 ,万秋 ,陈芳

（1 安徽省地质调查院, 安徽合肥 230001;2安徽省勘查技术院， 安徽合肥 230031）

0 引言

在长江中下游成矿带，从北东到南西依次为宁镇（Cu-Fe-Pb- Zn）、宁芜（Fe）、铜陵（Cu-Au）、庐枞（Fe-Cu）、安庆-贵池（Cu）、九瑞（Cu-Au）和鄂东（Fe-Cu）包含了7个大型矿集区。从与构造、地层、岩浆岩及其与成矿关系特征，这7个矿集区可大致分为三类，一类是断陷火山-沉积盆地区（简称盆地区），主要为与橄榄安粗岩系列火山-潜火山-浅成侵入岩有关的铁硫矿集区，如庐枞和宁芜矿集区，主要容矿层为早白垩世砖桥组（庐枞）、大王山组（宁芜）；二是产于断块褶皱隆起区（简称隆起区），主要为与高钾钙碱性系列侵入岩有关的铜金多金属矿矿集区，如铜陵、九瑞和宁镇矿集区，主要容矿层为五通组-东马鞍山组之间；三是隆起和坳陷过渡区（简称过渡区），如鄂东南、安庆-贵池矿集区，主要容矿层为中-下三叠统。

铜陵矿集区作为隆起区的典型代表，其地质科研工作程度较高，近几年，中央财政、地方财政支持了较多项目在区内开展以深部探测、成矿与找矿理论和实践的科研和勘查项目，取得了丰硕的地质成果，本文拟在已经取得的成果基础上，对铜陵矿集区浅表地质结构与深部地质结构耦合的问题进行初步讨论。

1 区域成矿地质背景

铜陵矿集区位于下扬子陆块的北东缘，下扬子前陆拗陷带中部的铜陵隆起中。铜陵隆起是一以断裂围限的断块隆起，其南北两端分别以近东西向隐伏基底断裂带为界，与贵池、繁昌两个北东向S状褶皱带相隔；北西侧以长江断裂与庐枞盆地相邻，南东侧为戴家汇-丁桥断裂（区域上称为马鞍山-东流断裂或清水镇断裂）与宣（城）南（陵）坳陷为伴。

下扬子地区自南华纪-中三叠世为稳定盖层沉积阶段，印支期成为大别造山带和江南隆起带之间的前陆拗陷带，燕山期强烈构造岩浆活动，形成与之有关的巨量铜金多金属矿、铁硫矿富集的矿集区。

1.1 盖层构造

铜陵矿集区地表出露主要地层为早奥陶世-中三叠世地层，其下部应存在南华-寒武纪地层，由南华纪-中三叠世地层构成了盖层构造的物质系统。

1.1.1 褶皱构造

区内地表所显示盖层构造为一系列北东向背斜、向斜相间排列、不同方向断裂构造交汇构成的菱块状构造样式。印支期褶皱构成了本区主体构造，燕山期褶皱、断裂变形叠加其上，叠加构造形迹所展布的构造样式是北东向背斜、向斜平行斜列组成的S状隔档式（也有观点认为是隔槽式）褶皱，褶皱轴面（或者轴向）的形态呈S状褶皱。背斜较紧闭，且部分褶皱翼部具有倒转现象，而向斜构造地表形态显得较宽缓。卷入褶皱的地层为早奥陶世-中三叠是，地表普遍见到志留纪地层构成了复式背斜的核部地层，在永存桥背斜西段的蛤蟆岭一带地表和钻孔则见到中-晚奥陶世地层位于褶皱核部，但变形明显较上部地层弱；而三叠纪地层则普遍成为复式向斜的核部地层。由北西到南东依此为铜官山背斜、青山背斜、朱村向斜、永村桥-舒家店背斜和凤凰山复向斜、戴公山背斜。在北东向褶皱构造中，背斜的南东翼普遍出现倒转，其轴面倾向北西，凤凰山向斜甚至出现两翼倒“Ω”形，显示北东向褶皱主要是自北西向南东方向的强烈挤压作用形成。

东西向褶皱构造主要表现为叠加在北东向褶皱带之上的宽缓褶曲，褶皱规模中等,两翼大致对称,轴面直立。由于叠加褶皱的影响,使北东向褶皱枢纽沿走向发生起伏变化,在背斜与背斜的叠加部位形成隆起,在向斜与向斜叠加部位形成坳陷。北北东向褶皱构造主要表现为斜跨复合于北东向S状褶皱带上的中型褶曲和小型褶皱，褶皱较为开阔,轴向为北东100°～25°之间,局部近南北向，其分布与影响较局限，可能为北北东向断裂的伴生构造。

近几年，在铜陵地区施工了深度超过2000m以上的深孔，揭示出浅表构造变化远较过去传统认识的较复杂。在舒家店-永存桥背斜轴部施工两个钻孔，在预计见到奥陶纪地层位置，仍在志留纪地层中钻进，地层产状变陡，并出现连续褶皱或断裂构造引起地层重复现象；同样，在陶家山向斜核部施工的深达2000余米的钻孔，自三叠纪地层开孔，一直在三叠纪地层中钻进，地层出现褶皱倒转现象。铜陵矿集区地表和钻孔能够观察到奥陶纪地层在永存桥背斜西段蛤蟆岭-金牛山，以及沿戴家汇-丁桥断裂西侧的杉木栅-丁桥等地，地表、钻孔所见志留纪地层与奥陶纪地层之间为一构造界面，奥陶纪上部地层普遍缺失，变形也较志留纪地层较弱。显示志留系与奥陶系界面为区内重要构造界面。

1.1.2 断裂构造

铜陵矿集区表层断裂系统主要有3组：NE、S-N和NW向。NE向断裂主要形成于印支时期,为一组与褶皱同期形成的压剪性断裂。S-N向断裂形成于印支运动以后,错断了NE向的地层分布。NW向断裂以挤压破碎带为特征,常错断地层,规模一般较小。

（1）NE向断裂构造:主要以一系列断续分布的断层组成，常发育在褶皱的翼部总体表现为与褶皱构造线一致的走向顺层断裂带，其断面也主要倾向北西，与褶皱构造轴面基本一致，主要为盖层挤压收缩过程中形成。铜陵地区NE向断裂构造除包括早期与印支期造山作用有关外，晚期也表现较强烈，在铜陵隆起的南东侧的马鞍山-东流断裂带中，不仅可见早奥陶世地层呈断块（片）断续产出，而二叠-三叠纪地层也呈断块自北西向南东推覆至南陵盆地的晚白垩世“红层”之上，由此可以推断该期构造变形在铜陵隆起内有较强、涉及深度也较大，它可能主要以继承、改造印支期变形构造而显现。

（2）NW向断裂构造:主要以北西向的逆冲断裂和挤压破碎带为主，以铜陵隆起的南北与贵池-青阳褶皱带和繁昌褶皱带相隔的边界断裂多为区域性断裂，它常切穿早期褶皱构造，具多期不同性质活动特点，多为印支期后形成。

（3）SN向断裂构造。一般呈近南北向或北北东向延伸，数量少但规模较大，常对早期构造形成较大的破坏。

在铜陵地区沉积盖层中还发育规模不等的顺层推覆、滑覆构造,多出现在不同岩性层之间的层间剪切带、滑脱褶皱等样式,对层控夕卡岩型铜矿床的形成、改造及破坏起了重要作用。推覆构造与层间滑脱最易发生在岩性差异最大的部位,如石炭系的白云岩-砂岩组合。矿化前的推覆构造所造成的空隙带、高渗透带成为岩浆和矿液运移的通道及有利于交代和储矿的场所,先存的沉积矿源在经受层间滑脱、逆掩构造作用的过程中受到热动力影响,矿体产状和矿石组构乃至矿物成分都可能发生变化,使原有矿床或矿源层变为沉积-改造型矿床。

1.2 岩浆岩

铜陵地区燕山期岩浆活动十分强烈，地表出露的小岩体约有70多个（图1），多呈中-浅成相的小岩体、岩枝或岩墙产出，剥蚀程度较浅。从地表小岩体展布形态来看，单个小岩体长轴呈北东、北北西、北北东和近南北等多方向延伸。岩体长轴呈北东向展布的小岩体主要见于铜官山、龙潭肖、沙滩角、戴家汇等地，且主要分布于东部地区；呈北北西向的小岩体主要分布在狮子山以北、矶头山及寨山一带，集中于中部地区；呈北西向的小岩体主要分布在金口岭、焦冲-狮子山、六丰山等地，主要在西部地区；呈北北东向的小岩体主要分布在西湖、顺安、天马山-虎山、舒家店--新桥头一带，其它还有一些呈南北、东西向分布的小岩体。这些岩体的长轴方向与本区地表发育的不同方向、不同性质的断裂构造相对应，说明主要受断裂构造控制。从宏观上看，本区小岩体多集中成群成带分布，大体以铜官山、狮子山、舒家店、新桥头、凤凰山、沙滩角为中心组成若干岩体群，它们呈近东西向串珠状排列。

2 基底构造

图1 中、晚侏罗世长江中下游地区陆内造山动力学模式示意图（据吕庆田等，2014）Figure 1. Schematic diagram of dynamic model of intracontinental orogeny of the middle and late Jurassic time in the middle and lower reaches of the Yangtze River (after Lv Qingtian et al., 2014)TLF郯庐断裂；XHF响水 淮阴断裂；CHF 滁河断裂；CJF 长江深断裂；MTF主逆冲断裂；NCB 华北板块；SCB 华南板块

长江中下游成矿带具有“一盖多底”的地壳结构（常印佛，董树文等，1996）。区内不同构造分区也具有不同类型的基底，黄栗树-破凉亭断裂北西侧具有由晚太古代南黄片麻岩及古-中元古代董岭群组成的变质结晶基底（江北式基底），其上为中-新元古代宿松岩群、张八岭岩群含磷和大量火山物质为主的火山沉积建造；高坦-周王断裂和江南断裂之间的江南断褶带的基底类型可能与江南隆起带基底类型相似，为新元古代溪口群、历口群组成的复理石型（含火山物质）褶皱基底（江南式基底）；高坦断裂南部的江南隆起带变质岩即是“江南式基底”出露至地表部分。间夹于“江北式”基底和“江南式基底”之间的沿江主成矿带，具有两类不同类型基底缝合带性质，其间夹有新古元古宙星子群、董岭群、埤城群等岩块，可能是“江北式”、“江南式”基底残余部分，因此它被认为是元古宙古岩石圈不连续(邓晋福等，2001；杜建国等，2003)。

铜陵地区位于元古宙古岩石圈不连续的范围之内，从构造位置上更接近于“江南式基底”，但从成矿特征分析，在典型的“江南式基底”之上，成矿主要是与燕山期中酸性侵入岩有关的钨钼多金属矿产；在“江北式基底”之上，成矿主要是与燕山期中性-中酸性火山-侵入岩有关的铜铁金硫等矿产。显然，铜陵矿集区成矿特征与“江北式基底”之上形成的矿产基本相同，因此笔者认为该区虽然处于“古岩石圈不连续”的范围之内，可能存在江南、江北基底的拼合带组成的“过渡型基底”，但更接近于“江北式基底”，其上缺失中新元古宙的变质褶皱基底，而是由古元古-新太古宙的结晶基底组成。这种认识也得到了同位素地球化学示踪和岩石学资料的支持,铜陵地区侵入岩的Sr-Nd同位素组成投影点位于岩石圈地幔与扬子下地壳及扬子上地壳之间，并且未严格地沿地幔排列及其延长线分布，投影点向左下方或右侧方发生漂移，可能的原因是起源于富集岩石圈地幔的玄武岩浆既受到了扬子下地壳的同化混染，也受到扬子上地壳的同化混染，但混染的地壳物质相对较少（徐晓春等，2012）。本区侵入岩负εNd（t）值相应的Nd模式年龄（tDM）值均接近于或大于2Ga，也表明原始岩浆被古老地壳物质的混染（陈江峰等，1993；Chen and Jahn,1998；李曙光，2001；王强等，2003；高庚等，2006）。铜陵矿集区岩体中发现的磁铁黑云斜长片麻岩、黑云辉石斜长角闪岩、角闪岩、角闪黑云片岩组合的变质岩残余包体，同样表明基底古老深变质岩系混入到岩浆中（杜杨松和李学军，1997）。

3 深部地球物理探测

吕庆田等（2014）在国家“深部探测技术与实验（SinoProbe）”科技专项和国家自然科学基金重点项目支持下，长江中下游成矿带、铜陵矿集区先后部署了14条深地震反射剖面（其中，在铜陵矿集区部署了6条），揭示了成矿带、矿集区具有异常地壳结构。深地震反射叠加剖面揭示了长江中下游成矿带具有清晰的双层地壳特征, 但大致以F2 断裂（丁桥-戴家汇断裂）为界, 南北表现出不同的地壳构造活动特征，北部下地壳经历了强烈岩浆底侵改造, 形成楔状强反射体, 对应地表的繁昌火山岩盆地的形成可能与之有成因联系； 南部下地壳几乎没有受构造岩浆作用的影响, 具有典型的克拉通地壳反射特征。克拉通与前陆的深部分界线在丁桥-戴家汇断裂之下, 而地表以周王断裂（区域上称为阳新-常州断裂）(F1 )为界，铜陵隆起总体上处于两类具有不同反射特征地壳的过渡带, 是构造岩浆活动强烈的地区上地壳出现复杂的弧形反射组合,解释为褶皱、冲断和侵入构造, 表明上地壳发生了强烈挤压变形。 上地壳弧形反射下面的反射透明区, 指示存在巨型岩基。上、下地壳之间(4 ～6 s ,T w T) 的巨型强反射层说明二者之间存在滑脱和拆离。拆离面为岩浆侵入和聚集创造了空间条件, 使矿集区下形成巨型岩基, 为成矿提供了物质来源。

模型指示上地壳发生广泛的褶皱、冲断和推覆，下地壳和岩石圈地幔发生陆内俯冲

在该项目支持下，铜陵矿集区部署了与地震剖面一致的6条MT剖面，其二维电性结构具有如下特征（汤井田等，2014）[1]：每条剖面的电性结构均以“横向成段、纵向成层”为特征，在铜陵隆起、宣南盆地和江南隆起具有明显不同的特征。穿过铜陵隆起带的剖面在电性模型上表现为高电阻率背景；江南隆起带表现为低阻特征；剖面的电性特征显示了明显的两层结构。近地表（0～2 km）主要为10～500 Ω·m的低阻层，上地壳（2～15 km）主要为10 00～40 000 Ω·m的高阻层。铜陵隆起和宣城-南陵盆地被丁桥-戴汇深部断层（DDF，F2）分开。中下地壳主要表现为垂向分层的特征；电性突变带显示了分隔不同构造单元的断裂。

史大年等（2012）通过天然地震接收函数成像等分析研究，得到了研究区地壳和上地幔结构的清晰图像（该剖面穿过的长江中下游成矿带宁芜矿集区）。接收函数成像结果显示研究区内Moho面深度存在着明显的起伏变化，在长江中下游成矿带下方存在着幔隆构造。认为长江中下游成矿带现今的下地壳可能是中生代发生成矿作用的多级岩浆房系统的一部分，成矿带的形成可能是类似MASH过程的产物。

4 浅表地质结构与深部响应

浅表地质构造是深部地质结构的表征，与深部构造存在密切联系。通过铜陵矿集区浅表构造样式结合深部地球物理探测成果，可以初步得出以下认识：

（1）铜陵矿集区盖层构造（在12km以浅范围）也具有双层结构，总体具有自北西向南东的冲断褶皱带的特征。“双层结构”以志留系/奥陶系界面可以划分为两层，上层为早志留世-中三叠世地层，下层为南华-奥陶纪地层，二者界面为一大型滑脱构造，且自南而北埋深逐渐加大，南部在蛤蟆岭一带出露地表，至北部的舒家店一带埋深则至少在3000m左右。在界面上部的早志留世-中三叠世地层，主要为一系列变形强烈、构造面多倾向北西的主干褶皱、断裂构造，其间尚可划分为多个以层间构造为主的次级构造界面，上部的褶皱、断裂变形至滑脱面而收敛；界面下的南华-奥陶纪地层变形相对较弱，褶皱形态较上部宽缓。铜陵地区地表所观察到的志留、奥陶系界面上、下褶皱构造和深处变化有较大不同，这也为相似物理实验证实，志留系层内流褶皱和劈理化高度发育的现象, 反映印支-燕山期构造层的变形效应在此层趋于中止，其下伏岩系当属另一套不同性质变形产物（邓军等,2004）。

浅表侵入体空间分布、形态等受盖层构造控制，在褶皱构造轴部、转折端部位产出相对集中、侵入体规模相对较大，系早期挤压变形强烈、晚期伸展机制下的虚脱构造部位，有利于岩浆-流体富集，这与区内层控矽卡岩型矿床成矿特征一致。

（2）浅表构造是深部构造的表征，深部构造对盖层构造具有控制作用。吕庆田等（2014）根据地震反射剖面揭示了长江中下游成矿带深部地质结构的重要现象，在郯庐断裂、长江断裂带在深部与上、下地壳拆离的“鳄鱼嘴构造”相连，认为中、晚侏罗世陆内造山阶段在扬子陆块向北推挤过程中，下地壳和岩石圈地幔发生了陆内俯冲或叠瓦构造，上地壳向北西仰冲。但是，笔者与前者对深部地球物理资料解译结果认识有所不同，“鳄鱼嘴构造”是区内地壳结构的重要转换带，它“上颚”对应区内盖层与基底的拆离构造带，“下颚”形成于基底构造层内，其运动方向相反，“上颚”相对于“下颚”拆离，反映了浅表构造与深部构造是在同一地球动力学背景下的产物。从铜陵矿集区的浅表构造为一系列轴面倾向北西的的褶皱、断裂构造形迹，预示盖层主要受到北西向南东的推挤形成，盖层相对于基底向南东仰冲，在盖层构造与基底构造发生了大规模拆离，出现二者相向运动，这样与深部地球物理证实的该拆离界面存在的认识一致。该拆离构造是区内联通、控制盖层与深部构造-岩浆-流体-成矿的重要构造带。

（3）区域岩浆成矿系统。根据区内重磁资料，结合地震、MT等深部探测成果，兰学毅等（2015）通过2D-3D重磁联合反演，揭示区内（在5000m以浅范围内）深、中、浅三个层次的构造控岩机制构成了岩体空间形态，显示深部隐伏岩基、中部岩浆柱与浅部小岩株；而且较深层位的侵入体多形成“似层状”岩体，中-浅部的侵入体多成为“柱体”岩体，而在超浅成或近地表条件下形成的侵入体多呈瘤状、“蘑菇状”甚至漏斗状，浅部-中部-深部岩体相连，但其形态结构与深部出现差异，显然深部“似层状”岩体对应层状岩浆房，中-浅部侵入体主要受浅表断裂构造、层间构造、褶皱构造制约。依据区内地表出露岩体和物探推断解译成果，铜陵地区可以圈定铜官山、狮子山、新桥、舒家店、沙滩角、凤凰山、五贵桥、茗山等8个岩浆活动中心，并与次级成矿亚系统相对应，其周围密集分布的矿床、矿（化）点、重砂、化探异常以及蚀变发育的区段为其识别的最佳地质标志。

在铜陵矿集区积累了丰富的岩浆岩岩石学研究成果。吴才来等（2013）认为燕山期大规模岩浆活动存在多层“岩浆房”，浅部岩浆房深度在12～15km、深部岩浆房在50～60km；而与成矿有关的侵入岩处于0～3km位置（周珣若等，1993；狄永军等，2004）。浅部侵入岩是由地壳深部带状岩浆房不同岩浆层中的岩浆与构造运动诱发的断裂相沟通并随机地上升、脉动式侵位形成的（徐晓春等，2012）。这与深部地球物理揭示的，在上地壳弧形反射下面的反射透明区（吕庆田等，2014）, 暗示在中上地壳存在岩浆房的认识一致，其形成位置也在盖层与基底大型拆离界面附近。

铜陵矿集区成矿系统是浅表与深部耦合成矿作用相互耦合的结果。区内巨量金属矿石的堆积主要与燕山期岩浆活动有关，矿石聚积在以岩体为中心的一定范围之内，受围岩岩性、侵入接触带、层间破碎带、滑脱带和褶皱构造控制明显。因此，燕山期岩浆岩是成矿系统的核心。其次，由于区内盖层中存在的多层滑脱、断裂系统，向深部与盖层和基底之间的主拆离构造而收敛、相连，构成了盖层与基底联通的构造网络系统和岩浆-成矿流体迁移通道或聚焦场所。

在铜陵矿集区，以铜官山、狮子山、新桥-舒家店、凤凰山、姚家岭5个矿田为中心，其东西呈带状产出，受基底断裂控制；在矿田内，矿床、矿体成北东向褶皱、断裂控制。所以，在区内矿田、矿床的空间分布具有“东西成带、北东成行” 特征；在成矿元素分带上，有以东西向“铜陵-戴家汇基底断裂”为轴带的铜金矿为主，其南北两侧出现铅锌矿为主的特点；在单个矿田、矿床中也有上铅锌、下铜金的特征。这种区域成矿水平与垂向分带特征，显示形成与浅表层次的矿田、矿床是深部岩浆-流体成矿系统存在密切的联系。

本文是笔者等承担中国地质调查局“安徽铜陵地区深部矿产资源调查与评价”、国家“深部探测技术与实验（SinoProbe）”科技专项中“铜陵矿集区立体探测与成矿预测”课题的部分成果。