铜陵矿集区冬瓜山铜（金）矿床成因分析

2021-09-16陈可刘忠法邵拥军刘清泉

矿产勘查 2021年5期

陈可，刘忠法，邵拥军，刘清泉

（1.中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南长沙 410083；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083）

0 引言

冬瓜山是铜陵矿集区内规模最大的铜（金）矿床，为长江中下游成矿带的重要组成部分，矿区中心点坐标为：东经117°53′06″～117°53′40″，北纬30°54′47″～30°55′17″。受地层层位、岩性、背斜及层间构造的控制，主矿体呈层状赋存于石炭系中—上统黄龙—船山组地层中，冬瓜山铜（金）矿床以其独特的地质特征，长期以来受到地质学者的广泛关注，取得了一系列科研成果，提高了本区的研究程度。但对于其矿床成因，地质学者仍有不同的认识，主要包括以下3种观点：①层控矽卡岩型矿床（常印佛和刘学圭，1983；常印佛等，1991；翟裕生等，1992；黄许陈和储国正，1993；凌其聪和刘从强，2003；毛景文等，2009；徐晓春等，2010）；②同生沉积-热液叠加改造型矿床（徐克勤和朱金初，1978；刘裕庆和刘兆廉，1991；谢华光等，1995；王文斌等，1995；李文达等，1997；唐永成等，1998；徐兆文等，2000；陈邦国等，2002；陆建军等，2008；曾普胜等，2005；刘经华等，2009；郭维民等，2011；侯增谦等，2011；曹毅等，2016）；③喷流沉积型（顾连兴等，2002；徐九华等，2004；徐文艺等，2004；李红阳等，2006）。成矿地质条件的分析能为矿床成因提供宏观和地球化学方面的重要信息。本文在前人研究基础上，对冬瓜山矿床成矿地质条件进行了分析，结合矿化特征、围岩蚀变及岩石特征、岩浆活动、成矿作用及成矿阶段、成矿物质来源及成矿流体来源等方面，对矿床成因进行了探讨，指出该矿床为同一热液系统形成的斑岩-矽卡岩型矿床。

1 矿床地质特征

冬瓜山铜（金）多金属矿床位于安徽铜陵矿集区内的狮子山矿田，研究区位于扬子克拉通东北部、秦岭-大别造山带东南部，属于下扬子台坳繁昌-贵池断褶带的一部分（唐永成等，1998）。

冬瓜山矿区内地表主要出露三叠系中下统地层，自泥盆系至三叠系地层在钻孔和井下巷道中可见，其中与成矿关系密切的主要为中—上石炭统黄龙组和船山组（C2+3）不纯碳酸盐岩，矿体顶板地层为下二叠统栖霞组（P1q）生物碎屑灰岩、沥青质灰岩夹硅质岩，底板地层为上泥盆统五通组（D3w）粉砂质页岩和石英砂岩，其次有上二叠统大隆组（P3d）硅质、钙质、泥质页岩，下三叠统殷坑组（T1y）不纯碳酸盐岩（图1）。燕山期形成的近SN向、近EW向、NE向断裂构造以及层间虚脱空间叠加在印支期NE向褶皱构造、断裂构造之上，构成了该区复杂的网状构造格局，NE向青山背斜和发育于石炭系与泥盆系地层之间的层间滑脱构造是本区最主要的控矿构造。本区复杂的网状构造系统是燕山期岩浆上升侵位的通道，岩浆上升至浅部冷却形成岩枝状小型中酸性侵入体，燕山期岩浆侵入活动与本区铜（金）成矿作用有十分密切的关系，岩浆热液在上升侵位的过程中，与围岩发生交代反应，在不同的空间位置形成不同类型的矿体，在层间破碎带及接触带内形成矽卡岩和矽卡岩型矿体，在早期矽卡岩退化过程中，形成退化蚀变岩型矿体，在岩体内部及其与围岩的内接触带形成斑岩型矿体。

矽卡岩型矿体和退化蚀变岩型矿体共同构成了冬瓜山矿床上部的层状主矿体。层状主矿体主要产于青山背斜轴部及两翼，赋存于中上石炭统黄龙—船山组层位中，受青山背斜及层间滑脱构造控制（图2）。层状主矿体走向NE，具有往北东倾伏的趋势，其产状与围岩产状基本一致，局部具跨层现象，其上部边界跨栖霞组的底部，北西翼矿体底部边界延至高骊山组顶部，在背斜隆起部位跨层幅度较小，而在岩体与围岩接触带部位跨层幅度较大，成为矿体厚大部位。退化蚀变岩型矿体主要分布在矽卡岩型矿体底部局部地段，呈纹层状薄层，主要为镁质矽卡岩在退化蚀变过程中经自组织作用形成的。根据矿石矿物组合，矿石类型可分为矽卡岩型矿石、退化蚀变岩型矿石、斑岩型矿石等几类。矽卡岩型矿石和退化蚀变岩型矿石之间没有明显的界限，为渐变关系，二者主要分布于层状矿体内部。矽卡岩型矿石主要分布于中上石炭统黄龙组和船山组（C2+3）层位中，金属矿物主要为磁铁矿、磁黄铁矿、黄铁矿、黄铜矿等；次为斑铜矿、辉铜矿、闪锌矿、黝铜矿、辉钼矿、方铅矿、自然金、赤铁矿等；非金属矿物主要为石英、方解石、石榴子石、透辉石、绿帘石等、次为阳起石、透闪石、硬石膏等。矽卡岩可分为钙质矽卡岩和镁质矽卡岩，毛景文等（2009）认为区内镁质矽卡岩退化蚀变形成蛇纹石、透闪石、滑石、黄铜矿、黄铁矿和磁黄铁矿组合，并经自组织作用形成具纹层状或曲卷状构造的退化蚀变岩型矿石，该类矿石主要分布于层状矿体的底部。矽卡岩型矿石和退化蚀变岩型矿石构造主要为块状构造、脉状构造、条带状构造、浸染状构造、曲卷状构造等；矿石结构主要为自形粒状结构、他形-半自形粒状结构、交代结构及固溶体分离结构（图3）。层状矿体的围岩蚀变发育，蚀变类型主要包括矽卡岩（石榴子石、透辉石、镁橄榄石、蛇纹石等）化、硅化、绿泥石化、碳酸盐化，金属矿物的富集主要与矽卡岩化、硅化及早期矽卡岩的退化蚀变关系密切。

图2 冬瓜山矿床50线地质剖面图（a）及其深部矿化放大图（b）（据郭维民等，2010修改）

图3 冬瓜山铜（金）矿床典型矿石标本（a～c）及显微照片（d～f）

斑岩型矿体主要位于层状矿体的下部，受岩体以及岩体和围岩之间的接触带控制，矿体主要产于岩体顶部及内接触带中，黄铁矿、黄铜矿主要呈细脉状及浸染状产出，磁铁矿主要呈团块状产出，在角岩带和大理岩带内可见细脉状金属硫化物。斑岩型矿石中的金属矿物主要为黄铜矿、黄铁矿，其次为磁黄铁矿，磁铁矿、斑铜矿等；非金属矿物主要为石英、方解石、绿泥石及绢云母等，次为少量的蛇纹石。矿石结构主要为半自形-他形粒状结构和交代结构；构造主要以细脉状、浸染状及其二者的复合型细脉浸染状为主，团块状次之。斑岩型矿体的围岩蚀变主要有石英-钾长石化、石英绢云母化、青盘岩化及角岩化、硅化等，从岩体到围岩蚀变分带依次为：岩体→石英-钾长石化带→石英-绢云母化带→泥化带、青盘岩化带→矽卡岩化带→角岩化带→大理岩化带。其中石英-钾长石化和石英-绢云母化带与斑岩型矿体的形成关系最为密切。

2 成矿地质条件

2.1 地层与成矿的关系

矿区内与成矿较为密切的地层主要为上泥盆统五通组（D3w）石英长石砂岩、硅质岩、泥质角岩及页岩，中—上石炭统黄龙—船山组（C2+3）碳酸盐岩及下二叠统栖霞组（P1q）碳酸盐岩夹硅质岩。层状主矿体主要产于中—上石炭统黄龙—船山组地层中，上泥盆统五通组地层为其底板，下二叠统栖霞组地层为其顶板。

地层样品分别采自-850 m中段59线（DGS1-1）、-790 m中段63线（DGS8-1）和67线（DGS9-2）以及ZK33 171.5 m处，均为矿体的直接围岩。由地层微量元素地球化学特征（表1）可知，灰岩、砂岩及大理岩中成矿元素Cu的平均含量分别为7.5×10-6、20×10-6、14×10-6，Fe含量分别为1500×10-6、4100×10-6、4600×10-6，Cu、Fe含量均远远低于克拉克值，可见地层不具备提供形成大规模工业矿体的成矿物质的能力。杜轶伦（2014）对区域上各时代地层中的成矿元素做了高分辨率电感耦合等离子质谱（ICP-MS）分析，认为区域上地层中成矿元素含量较低，没有形成具有规模矿体的潜力。

表1 冬瓜山铜矿床微量元素含量表

虽然矿体的产出与矿区内特定的层位有关，地层与矿体之间的这种空间关系是由地层岩性、层间构造及岩浆侵入活动共同作用的结果，并非是地层本身成矿元素的聚集而造成的。印支运动形成了本区石炭系与泥盆系地层之间规模较大的层间滑脱构造；燕山期强烈的构造运动引发了强烈而广泛的中酸性岩浆侵入活动，导致岩浆热液沿层间滑脱构造充填、侵位，并与石炭系中上统黄龙—船山组碳酸盐岩地层发生接触交代作用。顶底板硅质岩、石英岩及页岩地层渗透性差，阻挡了成矿热液的扩散，促进了成矿热液与石炭系碳酸盐岩之间接触交代作用的发生。本区石炭系中上统黄龙—船山组地层作为良好的容矿层位，几乎完全被层状矿体所取代，层状矿体内石榴子石、透辉石、蛇纹石以及绿帘石等矽卡岩矿物发育，说明岩浆与围岩之间的接触交代作用较为强烈。

由此可知，地层对成矿的控制作用主要表现在以其有利的岩性以及活泼的化学性质和屏蔽作用为矿质的就位、沉淀和矿体的定位提供了良好的空间位置。

2.2 构造与成矿的关系

矿区出露构造主要包括NE向青山背斜、近SN向、近EW向、NE向断裂构造及层间滑脱构造。印支期以褶皱变形运动为主，形成了本区NE向大通-顺安复向斜及其次级褶皱青山背斜。由于各地层（泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系）之间岩石岩性及厚度存在较大的差异，在青山背斜在褶皱变形过程中，在钙-硅界面及厚度差异较大界面部位容易形成受力薄弱面，形成层间滑脱空间，为成矿物质的聚集、沉淀成矿提供供良好的容矿空间。层间滑脱构造作为本区重要的控矿构造控制了矿体的产出状态及规模大小。

燕山期区内构造运动以断块变形为主，引发大规模的构造-岩浆事件及成矿事件。本区近南北向、东西向基底断裂是岩浆热液上侵的通道，也是岩体定位的有利空间，是本区重要的控岩构造和导矿构造，控制着成矿物质、成矿流体的运移和侵位。区内辉石闪长岩、闪长岩及石英闪长岩等中酸性岩浆岩均是岩浆沿近南北向、东西向断裂侵位、冷凝固结而形成的。

近SN向、EW向及NE向及层间滑脱空间等构造对成矿岩体的形成和就位、成矿流体的运移和聚集以及矿体的形成和定位均起到了至关重要的作用，是成矿最重要的控制因素。

2.3 岩浆岩与成矿的关系

铜陵地区岩浆活动强烈，岩浆岩发育，且成岩与成矿关系密切（周涛发等，2008）。起源于岩石圈地幔和下地壳的混合岩浆（黄顺生等，2004；徐晓春等，2012；郭维民等，2013；周涛发等，2016），在由挤压向拉张过渡背景下，演化过程经历了分离结晶和同化混染作用（Liu et al.,2016），在上部地壳形成深部岩墙，在浅地表形成岩枝。由于外界流体的逐渐混入和自身物理条件与化学条件的改变，在侵入体内部发生钾化、青盘岩化、泥化以及金属硫化物矿化，形成斑岩型矿体；在侵入体与围岩接触带及层间滑脱空间内岩浆热液与围岩发生交代作用，形成矽卡岩、矽卡岩型矿体及退化蚀变岩型矿体。

本次测试样品均采自-850 m中段及部分钻孔，岩石新鲜未蚀变。由青山脚岩体微量元素组成（表1）可知，本区岩体中成矿元素Cu的含量平均值为328×10-6，最高可达1030×10-6，高于克拉克值近两个数量级；Fe的平均含量为35190×10-6，远大于灰岩、砂岩及大理岩中Fe的含量（分别为1500×10-6、4100×10-6和4600×10-6），说明本区岩体富集Cu、Fe等成矿元素，具有提供成矿物质的能力。岩体SHRIMP和LA-ICP-MS 锆石U-Pb年龄主要集中于135～140 Ma之间（徐晓春等，2012；郭维民等，2013），黄铁矿Re-Os模式年龄为137.4 Ma（蒙义峰等，2004），可见成岩与成矿具有一致的形成时代。矽卡岩型矿石、斑岩型矿石、层状矿石及脉状矿石的S、Pb、H-O同位素组成表明，本区矿石硫同位素组成与岩体硫同位素组成一致，而与围岩硫同位素组成明显不同；铅主要与岩浆作用有关，来自地幔源区，但可能有部分地壳铅的混入；成矿流体主要来源于岩浆水，后期有大气降水的混入（刘忠法等，2014a）。综合以上特征可知，本区矿体的形成与岩浆活动有密切的成因联系。

综合以上分析可知，燕山期岩浆侵入活动为本区成矿提供了大量的物质和能量，是成矿的首要因素；近南北向、东西向断裂是成矿物质、成矿流体运移的通道，是本区的导矿构造；青山背斜及石炭系地层中发育的层间滑脱构造控制了矿体的形态、产状及规模大小，是本区的控矿构造。冬瓜山矿床是在岩浆侵入活动、不同类型构造及地层的联合控制下形成的。

3 矿床成因

矿化特征：冬瓜山矿床层状主矿体位于青山背斜轴部及两翼的地层虚脱空间内，即石炭系上统船山—黄龙组碳酸盐岩石层位中，受岩体的影响，层间矽卡岩厚度以及矿体厚度的横向变化均自岩体向两翼逐渐变薄并尖灭，并且靠近岩体，矿石品位变高，说明本区岩浆岩与成矿关系密切。矿石中金属矿物主要有黄铜矿、磁黄铁矿、黄铁矿、磁铁矿等金属硫化物和氧化物；非金属矿物主要有石榴石、透辉石、镁橄榄石、粒硅镁石、绿帘石、透闪石、蛇纹石、石英、方解石等，次有阳起石、石膏、绿泥石等。矿石结构主要包括中粗粒结构、交代结构等，其次为自形晶结构、包含结构等。矿石构造主要为块状构造、脉状构造、条带状构造、浸染状构造等。从矿体形态、产状、矿物组成及矿石结构构造等方面来看，冬瓜山矿床符合矽卡岩型矿床的基本特征。另外，层状矿体底部五通组砂岩地层中矿化强度较弱，未见大规模的网脉状矿体，也未见筒状含矿蚀变体，不具有喷流沉积矿床的“双层结构”。

围岩蚀变及岩石特征：该区围岩蚀变发育，主要包括矽卡岩化、硅化、钾化、碳酸盐化、绢云母化及较弱的泥化、硬石膏化等，未见电气石岩、重晶石岩等典型的喷流沉积岩及薄层状凝灰岩。

岩浆活动：冬瓜山矿区燕山期岩浆侵入活动强烈，中酸性岩浆岩广泛出露，与冬瓜山铜矿床有密切成因联系的岩浆岩主要为青山脚石英二长闪长（斑）岩体。青山脚岩体Rb-Sr等时线年龄为（135.8±1.1）Ma（Xu et al.,2005），锆石SHRIMP U-Pb年龄为（135.5±2.2）Ma（徐晓春等，2008）；Xu et al.（2005）对冬瓜山层状矿体中的脉状石英体进行了包裹Rb-Sr法定年，得出成矿时代为（134±11）Ma。辉钼矿Re-Os成矿年龄、流体包裹体Rb-Sr等时线成矿年龄分别与岩浆岩的锆石U-Pb成岩年龄年龄、全岩Rb-Sr成岩年龄较为相近，约135～140 Ma（刘经华等，2009）。说明本区成岩、成矿是燕山期岩浆-构造事件的统一产物。

成矿地质条件：燕山期岩浆侵入活动为本区成矿提供了主要的成矿物质及成矿流体。EW向、SN向及NE向各类型构造为含矿热液提供了运移通道，也为成矿提供了有利空间。石炭系中—上统黄龙—船山组碳酸盐岩地层以其有利的岩性条件为成矿物质的聚集、沉淀成矿提供了有利的空间；泥盆系上统五通组硅质岩、页岩及二叠系下统栖霞组硅质岩渗透性差，起到了良好的圈闭作用，阻挡了成矿热液的散失。

成矿作用及成矿阶段：本区钙质及镁质矽卡岩矿物发育，矽卡岩矿物与金属矿物共生，形成矽卡岩型矿石，体现了接触交代作用的特征。冬瓜山铜矿床主要成矿阶段包括斑岩成矿阶段、矽卡岩阶段、退化蚀变成矿阶段及石英-碳酸盐阶段，形成斑岩型矿体、层状矽卡岩型矿体，该矿床不同类型的矿体为同一热液成矿系统不同演化的结果。

成矿物质来源：微量元素地球化学特征表明，区域地层中成矿元素的含量较低，不具有形成有规模矿体的能力，更不具备形成冬瓜山大型矿床的能力；由稀土元素地球化学特征可知，矿石与岩体稀土元素均表现出幔源性质（刘忠法等，2014c）；浅成热液充填矿床或喷流沉积矿床矿石稀土元素通常表现出正Eu异常（肖荣阁等，2008），该区矿石δEu值为0.85，为负异常（Liu et al.,2016），表现出与喷流沉积矿床相反的特征，因而本区矿石并非是经喷流沉积作用形成的。各类矿石δ34S同位素组成为+4.10‰～+5.70‰，与围岩硫同位素组成（-4.6‰～-79.5‰）明显不同，与岩体的δ34S 值（-2.2‰～+5.2‰）基本重叠（刘忠法等，2014a），均落入典型岩浆熔体硫同位素组成（-3‰～+7.0‰）范围内（Oberthur et al.,1997），表现出岩浆硫的特点；各类型矿石铅同位素组成一致（刘忠法等，2014a），与区域上的中酸性侵入体具有相同的铅同位素来源。

成矿流体来源：流体包裹体液相成分表明，本区成矿流体阳离子中Ca2+含量最高，Na+和K+含量较少；阴离子中Cl-和含量较高，F-含量最少（刘忠法等，2014b），与典型岩浆热液矽卡岩矿床成矿流体富Cl-、Mg2+和Ca2+，而贫K+和Na+（姚鹏等，2006）的特征一致；另外，本区成矿流体不含或含极少量的Mg2+，而本区却存在白云岩、白云质灰岩等含镁地层，说明冬瓜山矿床成矿流体并没有地层水的混入（刘忠法等，2014c）。各成矿阶段石英δDV-SMOW=-71.5‰～-84.0‰，δ18OV-SMOW=-15.5‰～-20.1‰，δ18OH2O=4.51‰～8.97‰；方解石δDV-SMOW=-60.9‰～-70.7‰，δ18OV-SMOW=-18.1‰～-18.2‰，δ18OH2O=4.41‰～4.91‰（刘忠法等，2014a），暗示成矿流体主要为岩浆来源。

综上所述，在地层岩性与不整合面、层间滑脱空间及岩体与围岩间各类接触带等构造联合控制作用下，NE向青山背斜的核部及两翼虚脱部位发生大规模的铜、金（硫）矿化。矿体产出形态主要以层状、似层状为主，透镜状次之，少数为不规则状，从上至下构成了矿区独特的“多层楼”状结构（黄许陈等，1993），形成层状矽卡岩型铜金矿床。在岩体的形成过程中，矿质发生沉淀，呈浸染状、网脉状等产于岩体内，形成斑岩铜、钼、铁矿化岩体，形成本区斑岩型矿化岩体与层状矿体共存的格局。综合以上特征认为，冬瓜山铜（金）矿床是受岩浆活动、地层岩性及不同类型构造联合控制的斑岩-矽卡岩型矿床。