中非铜矿带多层位成矿特征及成因

曾瑞垠谭康雨黄建业张毅陈德稳詹勇董少波

（1.昆明理工大学，国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2.北京中资环钻探有限公司，北京 100012；3.中色地科矿产勘查股份有限公司，北京 100012）

0 引言

中非铜矿带位于新元古界Lufilian 造山带（Cailteux et al.，2018），横跨中部非洲刚果（金）和赞比亚两国（图1a），是世界上最大和品位最高的沉积岩容矿层状铜矿带（SSC），拥有约2 亿t 的铜储量和世界上最大的钴储量（Hitzman et al.，2005，2010；Taylor et al.，2013；Zientek et al.，2014）。近10 年来，中色地科矿产勘查股份有限公司和北京中资环钻探有限公司在中非铜矿带开展了一系列的海外勘查工作，如2010—2020 年，在赞比亚Chambishi 地区和刚果（金）Lubumbashi—Likasi—kolwezi 地区多个勘查项目先后开展，并探获Kamoya、Ichambishi 等多个大型铜和铜钴矿床，笔者有幸参与了其中一部分项目，在野外调查的基础上，收集整理相关资料，对该成矿带多层位成矿特征进行简述，并结合沉积岩容矿层状铜矿（SSC）近年来的研究，对多层位成矿进行成因分析，为该成矿带新层位的找矿勘查工作提供思路。

1 研究区地质特征

中非铜矿带分为加丹加铜钴矿带（KCB）和赞比亚铜矿带（ZCB），长约400 km，加丹加铜矿带分布于刚果（金），铜钴矿床主要赋存于Lufilian 造山带南部褶皱逆冲带（Ⅰ），赞比亚铜矿带的铜矿床主要赋存于南东部的穹隆区（Ⅱ）（图1b，Selley et al.，2005）。

研究区地层主要为新元古界加丹加超群沉积岩，自下向上分为Roan 群、Nguba 群和Kundelungu群（表1，Cailteux et al.，2005）。加丹加铜钴矿带（KCB）和赞比亚铜矿带（ZCB）在Roan 群的岩性上是相似的（Richards et al.，1988），相似之处在Roan群的上半部分变得更加明显，都是一段厚的碳酸盐岩（Zientek et al.，2014）。加丹加铜钴矿带Roan 群从上至下分为Mwashya 和Dipeta、Mines（矿山）、RAT4个组，由滨海一浅海一深海相的一套碎屑岩－泥质岩－碳酸盐岩组合的沉积建造，主要是白云岩及白云质页岩（Kampunzu et al.，2005），其中Roan群Mines（矿山）组是主要的含矿层位。赞比亚铜矿带Roan 群从上至下分为Mwashya、Kirilabombwe、Kitwe 和Mindola 4 个组，其中下Kitwe 组是主要的含矿层位，其次为Mindola 组，从基底陆相碎屑岩到上部的海相泥质碎屑岩和碳酸盐岩，与基底的花岗岩和片岩存在角状不整合。

图1 中非铜矿带地理位置图（a）、构造位置图（b）和区域地质矿产简图（c）

Nguba 群分为两大部分：Muombe 组以碳酸盐岩一硅质碎屑岩混合为主，Bunkeya 组以硅质碎屑岩为主，含少量碳酸盐岩（Batumike et al.，2007）。其下部标志层为区域内广泛分布的Mwale 段冰碛砾岩，也称为“大砾岩”，与约730 Ma 的Sturtian 冰川事件有关（Hoffmann et al.，2004）。Kundelungu 群分为Gombela、Ngule 和Biano 组，Gombela 组主要由粉砂岩、页岩及碳酸盐组成，底部为Kyandamu 段冰碛砾岩，也称“小砾岩”，与约635 Ma 的Marinoan 冰川事件有关（Hoffmann et al.，2004），紧跟着是Lusele段碳酸盐岩盖层。Ngule 组为1 套泥质岩、粉砂岩和砂岩序列，Biano 组为1 套砾岩、长石砂岩和砂岩序列。

Lufilian 弧形成矿带距离岩浆岩体较远，整体上岩浆活动记录少。（883±10）Ma 侵入的Nchanga 花岗岩代表了最晚期加丹加岩浆活动（Armstrong et al.，2005）。镁铁质侵入岩（765～735 Ma）主要发育在Dipeta 组沉积岩，而熔岩和凝灰岩呈夹层出现在Dipeta 组上部沉积岩石中（Kampunzu et al.，2005；Cailteux et al.，2005），辉长岩主要侵入于Dipeta 组白云岩中，侵入时代约为（760±5）Ma（Key et al.，2001）（表1）。

中非铜矿带矿产资源丰富，包括铜、钴、铅、锌、银和铀等矿产。新元古界加丹加超群地层中赋存有大量的沉积岩容矿层状铜矿床和少量MVT 型铅锌矿床，根据赋矿围岩和还原剂的不同将该类型铜矿床分为还原相型（Reduced－SSC）、红层型（Redbed－SSC）和砂岩型（Revett－SSC）3 种类型（Cox et al.，2003；Hitzman et al.，2005），中非铜矿带以还原相型和褪色砂岩型为主。铜（钴）矿床主要产于新元古界Roan 群中（图1c），位于加丹加铜钴矿带的Roan群Mines（矿山）组与底层RAT 红层之间的地层，和赞比亚铜钴矿带的Roan 群Kitwe 组和Mindola 组之间的地层（Zientek et al.，2014），受地层层位控制，具有明显的多层位赋矿特征。铀矿床沿Lufilian 弧形褶皱推覆带从Kalongwe—Kimpe 约300 km 长分布，赋存于Mines（矿山）组底部Gray.RAT 的绿泥石化白云质页岩中和下Roan 组与基底变质岩接触面中（Eglinger et al.，2013）。铜铅锌矿床产于Lufilian 弧外部褶皱推覆带南侧的Nguba 群内，如Kipushi、Lombe 等锌铜矿床（图1c，Heijlen et al.，2008）。热液型铜银矿床多产于前陆盆地的Kundelungu 群地层内，如Kenkubi、Kikonkula、shaba 铜银矿床（图1b，李向前等，2010；Zientek et al.，2014），前陆盆地距离Lufilian 弧形褶皱推覆带较远，本文不做论述。

2 加丹加铜钴矿带

加丹加铜钴矿带（KCB）位于刚果（金）境内，分布于中非铜矿带（CACB）的北西部，矿床层控特征明显，每个岩性群都发育有矿化组合（图2），铜（钴）矿床主要产于Roan 群Mines 组（R2），部分产于Dipeta 组（R3）和Mwashya 组（R4）地层内，主要为还原相型铜矿床（Reduced－SSC），目前在Nguba群地层内也陆续发现有铜矿床的分布。

2.1 Roan 群Mines（矿山）组铜钴矿体

加丹加铜矿带最典型的层状铜钴矿体主要发育在Roan 群Mines 组R2.1～R2.2（图2），形成上、下2个主矿体，矿体呈层状、似层状，总厚度15～55 m，平均20～25 m，矿体品位约Cu 4.5%和Co 0.2%（Zi⁃entek et al.，2014）。上部矿体赋存于SD 段（R2.2）底部的白云质页岩、中粗粒白云岩（SDB）和粗晶白云岩（BOMZ）中，下部矿体赋存于Kamoto 段（R2.1）下部硅化叠层石白云岩（RSF）、细粒白云岩（D.Strat）和白云质粉砂岩（Grises RAT）中（Cailteux，1994；Cailteux et al.，2005），矿石矿物包括黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿和硫铜钴矿，脉石矿物主要有白云石、石英、云母，其次为透闪石、滑石、绿泥石、方解石、硬石膏、电气石等。这2 个矿体被1 个低品位的RSC 层所分隔，该区域由块状礁状叠层石白云岩和浅灰－浅灰白色硅化结晶白云岩组成。第三层矿体赋存于Kambove（R2.3）段下部（图2），位于上部矿体之上60～100 m 处，该矿体仅在局部发育，厚度4～20 m，如Luiswishi、Kamoya 和Luishia 等，该矿体的赋矿岩石主要为灰黑色含碳质白云岩、含碳质白云质页岩（Cailteux et al.，2005；Desouky et al.，2010）。局部地区小型矿体的赋矿地层为SD 组SD2a，SD2d和SD3b 段灰黑色的碳质页岩和结晶白云质、砂质白云岩（Cailteux et al.，2005），铜的品位一般较低，约为0.5%（Zientek et al.，2014）。

Roan 群Mines 组矿化层序沿走向非常规则，具有明显的横向岩相变化，由北至南，标志着从近海岸（北部）到多礁（南部）环境的逐渐演变（Cailteux et al.，2005）。北部近海岸层序（Tenke）的特征是没有叠层石，SD 段中有白云岩和砂岩，Kambove 段中含有砂岩，除Tenke 矿床外这2 个岩性段通常为贫矿化或低矿化；南部层序（Fungurume～Kambove）以叠层石碎屑和RSC 含叠层石岩层为特征，SD 段和Ka⁃mbove 段中不含砂岩，该层序拥有最重要的铜钴矿床，如Kamoto、Fungurume 铜钴矿床；最南部多礁层序（Etoile）以RSC 层和Kambove 段中的藻类生物礁为特征，通常含叠层石地层矿化较弱或无矿化。

根据铜钴矿分布特征表明，富钴铜矿体主要赋存于白云岩和白云质页岩的还原相型铜钴矿床中，Co∶Cu 约1∶13，最高可达3∶1（Cailteux et al.，2005）。在赞比亚铜矿带，以硅质碎屑为主的赞比亚相沉积序列矿床具有较低的Co∶Cu 比，平均1∶57。2 个矿带之间的过渡岩相表明，加丹加盆地逐渐过渡，Co∶Cu 比值在1∶1 范围内（Cailteux et al.，2005）。

表1 刚果（金）与赞比亚加丹加超群岩石地层表

2.2 Roan 群Dipeta 组铜钴矿体

Kolwezi 经Likashi 至Lubumbashi，Lufilian 弧外部褶皱推覆带的中部靠南侧，该区域是Dipeta 组层状铜钴矿床分布区，包括Shituru、Kansuki、Kipoi 等矿床。以Kansuki 铜钴矿床为代表，以铜矿体为主，中部为铜钴共生矿体，南侧以钴矿体为主，铜钴矿化主要赋存于Dipeta 组Kansuki 段滑石片岩及碎裂蚀变岩（李向前等，2010）。铜矿物主要为孔雀石，少量的黄铜矿、黄铁矿、铜蓝，钴矿物主要为水钴矿和极少量的菱钴矿，脉石矿物主要为石英、滑石、绿泥石、绢云母，少量白云母和石英、白云石等，偶见电气石。

2.3 Nguba 群铜矿体和锌铜矿体

（1）铜矿体：Nguba 群铜矿体不同于传统的Roan 群铜钴矿体，赋矿围岩主要为碎屑杂岩。Ka⁃moa 铜矿床是典型代表，位于Lufilian 弧西部，铜矿体位于Mwashya 组（R4）含赤铁矿和黄铁矿砂岩之上，与Nguba 群最下部的地层接触处，赋矿岩性为Mwale 组（N1.1.1）碎屑杂岩（图2），包括砾岩、砂砾岩等（Schmandt et al.，2013），矿体上覆为Mwale 组2个相似的层状黄铁矿粉砂岩单元（N1.1.2 和N1.1.4），厚度范围为2～40 m。金属矿物主要为黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿、黄铁矿，少量硫铜钴矿、方铅矿，脉石矿物包括石英、钾长石、铁白云石、方解石、黑云母、白云母等，少量硬石膏。

图2 加丹加铜钴矿带地层与矿产柱状图（修改自Schmandt et al.，2013；Zientek et al.，2014）

（2）锌铜矿体：Nguba 群锌铜矿体主要集中在Lufilian 弧南部，其中Kipushi 矿床是成矿带内的典型代表（Heijlen et al.，2008），主要赋存于Muombe组Kakontwe 段（N1.3）白云岩中（图2），部分赋存于砂岩和页岩中，在Kakontwe 白云岩上部，与Kipushi断层的交点处，铜、锌矿化程度最高。金属矿物包括黄铜矿、闪锌矿、黄铁矿、斑铜矿、辉铜矿和方铅矿等，脉石矿物主要为白云岩和石英。

3 赞比亚铜矿带

赞比亚铜矿带与加丹加铜钴矿带赋矿层位基本一致，主要为Roan 群，具有明显的多层位成矿特征，但在赋矿围岩上具有比较明显的区别，铜矿床主要产出于Roan 组的硅质碎屑岩地层中，大致集中在Kitwe 组Ore shale 矿化页岩段（RL6）内（图3），属于还原相型铜矿床（Reduced－SSC），矿体总厚度5～50 m，平均厚度20～25 m（Cailteux et al.，2005）。赋矿岩性主要为白云质粉砂岩夹层、薄层状砂质泥质岩和页岩，在碳质泥岩和粉砂岩中也有矿化（Selley et al.，2005）。

在矿化页岩段（RL6）的下盘和上盘中发育有大量的砂岩型铜矿床（Revett－SSC）（图3）。下盘矿体可以直接位于矿化页岩段的岩层之下，也可以通过贫矿化的砂岩和砾岩与矿化页岩段分开。上盘矿体不太常见，并且与矿化页岩段在地层上是分开的（Zientek et al.，2014），赋矿岩性主要为石英岩、长石石英砂岩和白云质泥岩。赞比亚多个巨型铜矿床，如Mufulira、Nchanga 和Chingola 等，在下盘和上盘位置包括多个铜矿体。

此外，赞比亚矿带在基底变质岩中也发育有铜矿床（图3），如Nkana、Chingola 等铜矿床，在赞比亚北部的Mwombezhi 穹隆内也发育有Lumwana、Mufu⁃ka 等多处铜矿点（Sillitoe et al.，2015）。

4 矿物分带特征

中非铜矿带的原生硫化物包括辉铜矿、斑铜矿、黄铜矿、黄铁矿和硫铜钴矿、蓝辉铜矿等。在赞比亚铜矿带许多矿床多具有横向和纵向硫化物分带的特征，特别是矿化页岩段内的还原相型铜矿床，这些矿床一般表现为从辉铜矿—斑铜矿—黄铜矿—黄铁矿的分带特征（Cailteux et al.，2005）。砂岩型矿体的铜硫化物分带与矿化页岩段内的铜矿体基本一致（Zientek et al.，2014）。

图3 赞比亚铜矿带铜矿化的分布图（修改自Selley et al.，2005；Zientek et al.，2014；Sillitoe et al.，2017）

图4 加丹加铜钴矿带Kambove（a）和Kamoa（b）矿床矿物分带特征图（修改自Cailteux，1994；Zientek et al.，2014）

在加丹加铜钴矿带的许多矿床中也具有类似矿物分带特征，在横向上由盆地中心向两侧，纵向上由顶部（CMN）向深部（RAT）呈现：黄铁矿—黄铜矿（硫铜钴矿）—斑铜矿—辉铜矿—赤铁矿的分带（Zi⁃entek et al.，2014）。Etoile 和Kambove－Ouest 矿床在相同的岩石地层单元中显示出不同的硫化物分带，这意味着金属矿物分带不受赋矿岩性的控制（Cail⁃teux et al.，2005）。在Etoile 上，观察到从辉铜矿到斑铜矿和黄铜矿的2 个序列，一个从Grey RAT 到DStrat，另一个从RSF 到SDB。在Kambove 矿床，底部Grey RAT 和SDB 的顶部以黄铜矿和硫铜钴矿为主，中部（D.Strat、RSF、SDB）的底部是辉铜矿＋黄铜矿＋斑铜矿带（图4a）。Kamoa 矿床也具有明显的硫化物矿物垂直划分，由Mwashya 至Ng1.1 接触面，从辉铜矿变为斑铜矿，从黄铜矿变为黄铁矿（图4b，Schmandt et al.，2013）。

5 矿床成因

20 世纪初，一般认为中非铜矿带层状铜矿床的成因与岩浆侵入热液作用有关，但后来发现加丹加含矿岩系于花岗岩体呈不整合接触，矿化层沿走向和倾向延伸稳定。20 世纪30—40 年代，有学者提出了同沉积观点，认为铜铁钴等金属是由碎屑或化学沉积形成的，将金属与围岩沉积物的沉积作用联系在一起，然而矿床硫化物的横向/纵向分带之间缺乏相关性，无法解释单一岩石地层内矿化不连续（Cailteux et al.，2005）。20 世纪80 年代，在“裂谷成矿模式”的研究基础下，认为该区是同成岩裂谷成矿，然而，Roan 晚期火山活动才出现（Cailteux，1994），早期玄武岩火山活动的缺乏、岩脉群和磁异常并不支持裂谷的形成。

20 世纪90 年代，同沉积成矿观点和沉积－改造观点将中非成矿作用分2 个阶段进行（Richards et al.，1988；Sweeney et al.，1991；Lerouge et al.，2005；Cailteux et al.，2005；Rainaud et al.，2005；Dewaele et al.，2006），第一阶段是伴随沉积成岩作用形成的同生沉积铜钴矿床，第二阶段是与Lufilian 造山作用有关的热液活动改造了层状铜钴矿床。多数地质学者认为，改造阶段并没有导致硫化物的大规模迁移或重新 分 布（Sweeney et al.，1991；Dewaele et al.，2006）。加丹加铜钴矿带和赞比亚铜矿带以往大量硫化物的Re－Os 同位素和铀矿物、金红石、独居石的U－Pb 同位素年龄数据表明，中非铜矿大规模的成矿作用明显晚于Roan 群沉积作用（Selley et al.，2005；Sillitoe et al.，2017），赞比亚铜矿带在基底变质岩中陆续发现的铜矿体也反映了后生成因的特征。

图5 中非铜矿带的成矿模式图（修改自Hiztman et al.，2005）

Cox et al.（2003）提出了沉积岩容矿层状铜矿床（SSC）是后生的，部分为成岩期的产物，与盆地卤水循环作用有关，铜矿床被限制在沉积序列的一个稳定含矿建造和含矿层位内，但不一定遵循沉积层理。Hiztman et al.（2005，2010）认为中非铜矿带是盆地不断演变的流体流动的产物，多层位成矿特征为盆地卤水交代的结果（图5）。形成一个砂岩型铜矿床所需要的流体数量是巨大的，需要长期维持或恢复，中非铜矿以往流体包裹体的研究工作表明，Roan 群铜（钴）矿床的成矿流体主要为中低温（90～300℃）、中高盐度（15%～40%）、富含硫酸盐和氯化物的地下氧化卤水（Annels，1989；Lerouge et al.，2005；McGowan et al.，2006；Dewaele et al.，2006；Cailteux et al.，2018；Sos′nicka et al.，2019），Nguba 群铜矿床和铜铅锌矿床的成矿流体也具有中低温（180～300℃）、中高盐度（23%～43%）特征（Heijlen et al.，2008；Schmandt et al.，2013）。成矿流体的来源可能包括演化的残留海水、建造水（苦卤水）、蒸发岩溶解形成的卤水、烃成熟过程中产生的流体、石膏脱水、蒙脱石－伊利石转化、低级变质脱水形成的流体，以及液态和气体烃，大气降水沿盆地边缘的地形重力驱动流体流动可以提供大量的流体（Cox et al.，2003；Hitzman et al.，2005，2010；Taylor et al.，2013）。镁铁质基性岩火山活动和盐构造运动（盐底辟）可能为卤水循环提供了热动力（Barra，2005），引发这些高盐度卤水的对流，这些卤水能够从红层和基底中浸出金属。氧化含矿卤水通过断裂构造和底辟作用向上循环到红层序列的顶部，在那里它们遇到富含有机物的沉积物，这些原位有机质和成岩黄铁矿为氧化含金属卤水提供了必要的还原剂（Hitzman et al.，2005；Barra，2005），还原作用形成多层位铜（钴）矿体和赤铁矿—辉铜矿—斑铜矿—黄铜矿—黄铁矿的矿物分带。流体也可利用流域内的断层迁移至Nguba 群沉淀成矿，如Kamoa 铜矿区西侧West Scarp 断层为成矿流体提供了运移通道（Schmandt et al.，2013）。盆地卤水活动形成了大规模的锌铜矿化，如Kipushi 锌铜矿床。

6 结论

中非铜矿带位于刚果（金）－赞比亚新元古界Lufilian 造山带，加丹加超群地层中发育有大量的沉积岩容矿层状铜矿（SSC），以还原相型和砂岩型铜矿床为主，具有明显的多层位层控特征。其中加丹加铜钴矿带（KCB）盛产还原相型铜矿床，主要赋存于Roan 群Mines 组（R2），部分矿床赋存于Dipeta组（R3）和Mwashya 组（R4），上部的Nguba 群地层中发育有铜矿床和锌铜矿床；赞比亚铜带（ZCB）多数还原相型铜矿床赋存于下Roan 群Kitwe 组的矿化页岩段地层内（RL7），在矿化页岩段的下盘和上盘中发育砂岩型铜矿床，在基底穹隆的变质岩的中也发育有层状铜矿床。这种多层位成矿的沉积岩容矿层状铜矿床为盆地卤水交代成因，由高盐度的盆地卤水向下移动到氧化红层中，从红层和基底中浸出金属元素形成氧化性含矿卤水，通过断裂构造和底辟作用向上循环到红层序列的顶部，遇到富含有机物的沉积物和还原性流体，发生还原作用形成多层位铜（钴）矿体和赤铁矿—辉铜矿—斑铜矿—黄铜矿—黄铁矿的矿物分带。

致谢 该文在野外调查过程中得到了中色地科矿产勘查股份有限公司和北京中资环钻探有限公司朱思才教授级高级工程师、王旭东高级工程师及海外项目组的指导和帮助，编写过程中得到了北京矿产地质研究祝新友教授的指导，成文期间审稿专家提出了宝贵的修改意见；在此致以诚挚的感谢。