新疆東準噶爾松喀爾蘇斑巖型銅金礦床的火山構造系統及其控礦作用

張 棟,范俊杰,劉 鵬, ,潘愛軍,王治華, ,張 峰,趙 軍,雷文大

(1.中國人民武裝警察部隊 黃金地質研究所,河北 廊坊 065000;2.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院,北京 100083;3.中國人民武裝警察部隊 黃金第八支隊,新疆 烏魯木齊 830057)

松喀爾蘇斑巖型銅金礦床位于新疆北部準噶爾盆地東緣,卡拉麥里斷裂帶以南的巴塔瑪依內山陸相火山沉積盆地內,是與石炭紀陸相火山活動有關的礦床之一。該礦床由新疆地勘局第一區調大隊于1998~1999年發現,由武警黃金部隊經過礦產資源評價、開展了一系列科研工作后又有新進展,目前正對它進行勘查評價工作。

卡拉麥里地區是以金為主的成礦帶。前人對該地區韌性剪切帶型、淺成低溫熱液型金成礦作用和構造控制等方面積累了豐富的研究成果(張以熔等,1992;陳仁義,1993;高懷忠等,2000;楊富全和吳海,2000;劉家遠,2001;李華芹等,2004;彭曉明等,2004;楊富全等,2005;路彥明等,2007,2010a,2010b;聶曉勇等,2009;張繼武等,2009;徐斌等,2009;徐斌,2010;張玉杰等,2013)。針對卡拉麥里地區斷裂構造體系與演化(李錦軼等,2009;吳潤江等,2009;趙磊等,2012)、陸相火山機構類型(譚佳奕等,2010)和準噶爾盆地東緣構造–成盆過程與演化(孫文軍等,2014;王學斌等,2014)等方面的研究程度較高。最近,在松喀爾蘇斑巖型銅金礦床成因、成巖成礦時代與地質環境等方面(張棟等,2013,2014;張峰等,2014)獲得了新認識。但涉及該礦床構造控礦作用的研究還比較薄弱,特別是礦床處于陸相火山巖地區,火山構造系統和礦床關系未能厘清,制約了礦床深入研究。

礦床或礦田的構造控制作用需要依靠地質分析,查明相關構造、巖體和礦體之間的交切關系和相互配置是研究的關鍵(郭俊華等,2009;郭曉東等,2010;錢建平等,2011;卿敏等,2011;馬寶軍等,2012)。本文比較詳細地開展了礦床及外圍大比例尺火山巖相–構造填圖、礦床構造控制研究和構造應力場分析,借助高精度遙感圖像解譯,基本查明火山構造系統對礦床的控制作用。并結合卡拉麥里地區構造演化資料,試圖探討礦床控礦構造形成演化和機制,初步構建控礦模式,指導下一步勘查工作。

1 地質背景與礦床地質

東準噶爾位于西伯利亞板塊和哈薩克斯坦–準噶爾板塊的結合部位。卡拉麥里地區屬于準噶爾北緣古生代陸緣活動帶內的泥盆紀–石炭紀殘余洋盆,南側與準噶爾中央地塊毗鄰(何國琦等,2004)(圖1a),它屬于中亞–興蒙成礦域,是中亞地區晚古生代斑巖銅礦帶中部的巴爾喀什–準噶爾銅礦帶(成守德,2006)。卡拉麥里歷經了早古生代古陸的裂解和有限洋盆形成、晚古生代早期(D)俯沖、晚古生代中期(C1)碰撞造山(包括殘余洋盆)、晚古生代中晚期(C1-2)后碰撞擠壓向伸展轉換、晚古生代晚期(C2-P)后碰撞伸展和中生代陸內成盆等構造事件(李錦軼等,1990;肖序常等,1992;陳衍景,1996)。

卡拉麥里地區由南北兩側發育的卡拉麥里和清水–蘇吉泉深大斷裂所圍限的區域組成,線性構造特征醒目,呈北西走向展布。由泥盆紀蛇綠巖(李錦軼,1995;舒良樹和王玉靜,2003;唐紅峰等,2007a)、泥盆紀–早石炭世弧前沉積巖系、早石炭世洋底硅泥質沉積巖塊和早石炭世早期殘余海盆沉積巖系組成(李錦軼,1995)。斷裂帶北側發育大面積富堿花崗巖類,有黑云母花崗巖、堿長花崗巖和堿性花崗巖等,呈巖基狀(少數呈巖枝狀)沿清水–蘇吉泉斷裂以北侵入于泥盆紀–早石炭世弧前沉積巖系中,具多期侵入特征。富堿花崗巖成因上分屬于鋁質或堿性A型花崗巖,同位素年齡(鋯石LA-ICPMS U-Pb)介于313~283 Ma(蘇玉平等,2006,2008;唐紅峰等,2007b;李永軍等,2009),屬于東準噶爾后碰撞深成巖漿活動范圍(330~265 Ma,韓寶福等,2006)。斷裂帶以南由早石炭世–二疊紀的具磨拉石特征的粗碎屑巖和后碰撞陸相火山巖組成(吳潤江等,2009),以角度不整合發育于泥盆紀被動陸緣之上(李錦軼,1995)。陸相火山巖沿卡拉麥里斷裂帶南麓呈帶狀分布,從雙井子、巴塔瑪依內山和金山溝,向東延伸至巴里坤雙峰山和伊吾北山一帶。火山巖以巴塔瑪依內山組安山巖類為主,次為玄武巖、流紋英安巖、流紋巖和火山碎屑巖,巖石化學上屬堿性較高的鉀質火山巖及板內堿性玄武巖,形成于石炭紀(粗面安山巖鋯石SHRIMP U-Pb年齡350 Ma、玄武安山巖和流紋巖鋯石 LA-ICP-MS U-Pb年齡范圍為323~306 Ma)(譚佳奕等,2009;Xiao et al.,2011;Su et al.,2012),屬于碰撞后伸展或后碰撞環境(胡靄琴等,1997;趙振華等,2001;吳小奇等,2009;毛治國等,2010)。

松喀爾蘇銅金礦床的熱液成礦系統與花崗斑巖復式巖體有關(圖1b,c)。早期侵入體是中深成相似斑狀花崗閃長巖,晚期侵入體是淺成相花崗斑巖,兩者之間過渡相為中淺成相花崗細晶巖。在花崗斑巖侵入之后,有少量輝長玢巖、輝長閃長巖和石英霏細斑巖等中–基性和酸性巖脈侵入于花崗斑巖和圍巖中。復式巖體侵入中泥盆統卡拉麥里組沉積巖和石炭系巴塔瑪依內山組安山質火山巖中。晚期花崗斑巖體出露面積約 0.08 km2,呈巖墻和少量巖枝產出,平面形態為不規則狀、透鏡狀,剖面形態為近直立筒狀。巖體與圍巖呈平整狀、波狀和鋸齒狀接觸。巖體內有圍巖捕虜體,巖體邊緣至圍巖約60 m發育熱液角礫巖帶。

巖漿系統研究表明(張棟等,2014),成礦作用在時間、空間和成因上與晚期花崗斑巖相關。花崗斑巖具有富水、富揮發性和巖漿爆破作用的氧化性巖漿特點,具有后碰撞鈣堿性花崗巖類地球化學親緣性,其巖漿起源于擠壓–伸展轉換期的殼–幔巖漿過渡帶。幔源巖漿注入、軟流圈地幔底侵作用和殼–幔巖漿混合作用是形成含礦斑巖的主導因素。

圖1 松喀爾蘇銅金礦床區域地質圖(a,據李錦軼等,1990;新疆國家305項目,1994;何國琦等,2004),礦床地質圖(b,據新疆第一區調大隊,2000)和礦床剖面圖(c)Fig.1 Regional geological map (a),geological map (b) and geological section map (c) of the Songkaersu copper-gold deposit

礦化–蝕變系統具有斑巖型礦床特征。銅金礦體呈似板狀產于斑巖體西接觸帶,地表礦體(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號)呈大致平行或側列分布,走向近南北,傾向西,傾角 30°~70°,呈透鏡狀及不規則狀。共圈出11個不同規模的盲礦體,產狀基本同地表礦體,呈似板狀。圍巖蝕變具有分帶性,從巖體向圍巖依次發育絹英巖化帶、高嶺石化帶和青磐巖化帶,與成礦相關的蝕變帶為絹英巖化帶,熱液蝕變為高嶺石–綠泥石–絹云母–石英–黃鐵礦組合。礦化圍繞接觸帶分布具有分帶性,從斑巖內部至圍巖依次為斑巖浸染狀(Cu)→接觸帶細網脈狀(Cu-Au)→圍巖構造裂隙細脈狀(Au)礦化類型,為斑巖成礦系統產物。成礦流體系統支持流體及流體中物質來源于巖漿,成礦晚階段有大氣降水混入,成礦作用是巖漿–熱液過程的產物(張棟等,2014)。成巖成礦年代學研究表明,含礦花崗斑巖鋯石 SHRIMP U-Pb 年齡為 349.1±4.5 Ma(MSWD=1.5,n=14)(筆者未發表數據),成礦期絹云母40Ar-39Ar坪年齡為338.6±2.6 Ma(張棟等,2013),說明成巖成礦作用發生在早石炭世中期。

2 火山構造系統及其控礦作用

2.1 構造系統

新疆北部東準噶爾構造系統受古亞洲洋地球動力學體系控制,屬于中亞構造域,表現為近東西走向的線性構造、和南北向水平擠壓作用。松喀爾蘇銅金礦床及其相鄰地區與東準噶爾構造帶具有生成聯系,屬于它的次級構造系統,包括:(1)卡拉麥里逆沖推覆斷裂帶,主干深大斷裂與分支淺表斷裂向南逆沖推覆;(2)基底正斷層,位于陸相火山活動前相對早的基底中,正斷層切穿同一巖性的基底或為不同巖性基底的分界斷層,控制后期陸相火山活動,為陸相火山沉積盆地的發育奠定基礎;(3)火山構造(圖2),位于石炭系陸相火山巖中,少部分位于基底泥盆系地層中,以中心式火山作用為主,形成的構造類型包括破火山口、火山穹窿、火山斷裂、次火山巖體等,其中具環狀和放射狀斷裂的破火山口構造和次火山巖構造是控礦火山構造的主要構造類型。

圖2 松喀爾蘇銅金礦床及其相鄰地區火山巖相–構造圖(a)和QB遙感影像及解譯圖(b)Fig.2 Map showing the volcanic lithofacies-structural (a),and Quick Bird remote sensing and interpretation (b) of the Songkaersu copper-gold deposit and its adjacent regions

2.2 火山構造系統特征

火山構造是火山作用形成的火山巖、次火山巖體等火山產物及其構造形跡(翟裕生和林新多,1993;陶奎元,1994)。火山構造系統按火山機構組合分類依次劃分為火山噴發區(帶)、火山機構組合(火山構造洼地、火山構造隆起)和火山構造類型(盾火山、泛流玄武巖、火山渣錐、層火山、低平火口、破火山口和火山穹窿等)(陶奎元,1994)。根據遙感影像和地質調查,松喀爾蘇銅金礦床及其外圍屬于卡拉麥里陸相火山巖帶,主要火山構造類型包括破火山口和火山穹窿。

2.2.1 火山巖相

通過礦床及其外圍 1∶1萬火山巖地區填圖工作,結合前人對火山巖區巖相劃分方案(謝家瑩,1996;譚佳奕等,2009),本文將該區火山巖相劃分為火山頸相、次火山巖相、淺成相、溢流相、爆發相、爆發–噴發沉積交互相和噴發沉積相。

(1)次火山巖相 在泥盆系基底和石炭系陸相火山巖中表現形式不同。基底中泥盆統卡拉麥里組,表現為寄生破火山口,在破火山口中心充填多期分異的次火山巖相英安流紋斑巖、石英霏細斑巖等酸性巖株,圍繞破火山口溢流相中基性玄武安山巖和次火山巖相英安流紋斑巖脈受環狀斷裂控制;巴塔瑪依內山組陸相火山巖,發育主破火山口,火山口中心充填火山頸相流紋斑巖株,外圍次火山巖相流紋斑巖脈受環狀斷裂控制,圍繞主破火山口環狀分布,中–基性火山巖、火山碎屑巖由破火山口至外圍呈溢流相→爆發相→爆發–噴發交互相→噴發沉積相。

(2)火山頸相 發育在石炭系巴塔瑪依內山組陸相火山巖地層內的主破火山口中心,充填有次火山巖相流紋斑巖株(圖3a),少量發育在破火山口外圍,沿環狀斷裂分布的流紋斑巖脈(圖3b)。兩者都發育隱爆角礫巖,以長英質角礫巖為主(圖3c、d),破火山口中心部位伴生少量玄武質角礫巖(圖3e)。隱爆角礫巖的出現代表其產于火山機構下部破火山口附近,是火山通道的重要識別標志(王璞珺和馮志強,2008)。

(3)溢流相 發育在基底泥盆系中,呈線狀分布的火山巖(圖3f),以中–基性的安山巖、玄武安山巖和玄武巖為主。少量發育在巴塔瑪依內山組中,呈圍繞破火山口的環狀分布。

(4)爆發相 發育在巴塔瑪依內山組陸相火山巖中,在基底地層中不發育。巖性為安山質集塊巖(圖3g),集塊呈剛性巖塊(部分塑性變形,表現為火山彈),角礫大都呈棱角狀,膠結物為安山質凝灰巖。在爆發相外圍與噴發沉積相過渡部位,出現兩者的交互相,為安山質熔結凝灰角礫巖(圖3h)與晶屑凝灰巖互層,代表一種交互式或間歇式噴發特點。

(5)噴發沉積相 以安山質晶屑凝灰巖為主,少量玻屑及巖屑凝灰巖,或凝灰巖與沉凝灰巖互層,呈大面積分布,遠離破火山口。

2.2.2 火山構造

松喀爾蘇銅金礦床及其外圍有兩種火山構造類型(圖4)。一種為火山穹窿,正地形,呈溢流相中–基性玄武巖、玄武安山巖和酸性流紋巖互層,出現在火山盆地邊緣的松喀爾蘇西部;另一種為具有環狀和放射狀斷裂的破火山口構造,負地形,呈火山頸相、次火山巖相–淺成相中酸性侵入雜巖體,出現在礦床附近。兩種火山構造彼此之間具有生成聯系,反映同一陸相火山作用下形成的不同構造類型,其中破火山口構造與巖漿上侵后大量噴出、基底下陷和剝蝕程度有關。

(1)破火山口構造 在火山構造盆地內沿推測的噴發中心分布 5個破火山口(圖4b),其分布受 NW走向基底斷層控制的基底沉陷圍限,呈近北西走向串珠狀排列。破火山口形成與中心型火山作用有關,平面形態以橢圓形和圓形為主。地形上往往呈中心下凹的盆地,周圍有不規則的火山巖系構成的陡崖,包括溢流相安山質熔巖和次火山巖墻(巖脈),破火山口內部巖層向中心傾斜,外圍巖層呈圍斜狀向外傾斜。破火山口周邊發育環狀、放射狀斷裂,破火山口內部發育次火山雜巖體,構成破火山口的物質以流紋–英安巖建造的多相火山–侵入雜巖體為特征,均出現比較強烈的硅化、絹云母化和高嶺石化等蝕變。在遙感影像上呈現較復雜的線環結構。

(2)火山斷裂構造 火山成因環狀及放射狀斷裂是破火山口構造的配套構造。按性質分為放射狀和環狀斷裂,放射狀斷裂常切割環狀斷裂,反映其形成略晚于環狀斷裂。按產狀分為EW走向組、SN走向組和 NE走向組(圖2)。控制火山巖和次火山巖–淺成侵入雜巖體的分布。礦床外圍次火山巖類為英安流紋斑巖和石英霏細斑巖,受基底寄生破火山口發育的火山通道及外圍的環狀斷裂控制,呈巖株和巖脈產出。淺成斑巖為含礦花崗斑巖體,受放射狀斷裂控制。以礦床控礦斷裂為例說明。

(3)EW 走向放射狀斷裂 區域上,該組斷裂表現為切割環狀斷裂的特點。礦床發育的 F1斷層,出露長度約 100余米,走向 100°,傾向北,傾角較陡75°,主體以壓性為主,兼有剪切性質。壓性表現為構造破碎帶,卷入帶內巖石強烈壓扁碎裂巖化,呈磨圓度較好且均一混雜的碎斑巖、碎粉巖和斷層泥。F1斷層配套產生次級斷裂構造,位于F1斷層下盤(南盤),呈SN走向和NE走向,由南北向張性斷層(F2)、北東向壓剪性斷層(F3)共同指示F1斷層為右行走滑–壓性斷層(圖5)。

(4)NE走向放射狀斷裂 區域上,該組斷裂表現為切割火山巖的密集剪節理裂隙帶。礦床發育的F3斷層,延長 20~100 m,走向 65°,傾向 NW,傾角65°~80°,具壓剪性質,雁列式排列產出,沿斷層有霏細斑巖脈侵入,是控制礦床外圍金礦化體的斷層。

(5)SN走向環狀斷裂 區域上,該組斷裂控制溢流相中–基性火山巖和次火山巖相中酸性火山巖的線狀分布。礦床發育的F2斷層,為接觸帶礦體的控礦構造,產出在含礦斑巖體西接觸帶,延伸向深部尖滅較快(約200 m),延長約80 m,走向 180°,傾向西,傾角55°~65°。斷面不平直,寬窄不一,為張性斷層,配套小構造簡單,多為張剪性質節理。該斷層為早期SN向環狀斷裂被近 EW 向放射狀斷裂切割后,又與巖體接觸帶復合的控礦接觸帶–斷裂構造。

圖3 火山巖相典型照片Fig.3 Photos showing the characteristics of the volcanic lithofacies of the Songkaersu copper-gold deposit and its adjacent regions

圖4 松喀爾蘇銅金礦床及其相鄰地區ETM遙感影像(a)和解譯的火山構造輪廓(b)Fig.4 ETM remote sensing map (a),and volcano-tectonic configuration of ETM remote sensing interpretation map (b)of the Songkaersu copper-gold deposit and its adjacent regions

圖5 松喀爾蘇銅金礦床控礦斷層關系與性質示意圖Fig.5 Relationship and property of the ore-controlling faults of the Songkaersu copper-gold deposit in the ore field

(6)次火山巖體構造 次火山巖體構造包括次火山巖體的接觸帶、原生裂隙、各種成因的角礫巖及疊加的構造裂隙等,其直接控制礦床和礦體的產出部位、形態及產狀(翟裕生和林新多,1993)。該礦床主要表現為侵入接觸帶構造,包括早中晚各期巖體之間的脈動侵入接觸構造,以及晚期花崗斑巖侵入到火山巖、沉積碎屑巖中形成的接觸帶構造。

(7)角礫巖體構造 各種成因角礫巖是淺成巖漿作用的一種特殊形式,多數情況下同淺成侵入體和次火山巖緊密伴生。礦床主要表現為圍繞淺成斑巖體邊緣約60 m內發育熱液角礫巖帶。熱液角礫巖帶具有過渡性,內接觸帶角礫和膠結物以巖漿、熱液和金屬硫化物為主,外接觸帶以圍巖為主。內接觸帶角礫巖中角礫呈橢圓狀,礫徑較大,成分復雜,既有稍早侵入的巖漿物質如花崗細晶巖成分,也有熱液交代的硅質、長英質和碳酸鹽成分,膠結物全部由熱液物質組成,常見石英、斜長石、絹云母、綠泥石和方解石,黃鐵絹英巖化蝕變強烈。外接觸帶角礫巖成分同圍巖一致,成分以砂巖、安山巖為主,少量發育花崗細晶巖,角礫次棱角–次圓狀,礫徑大小不一,分選性差,膠結物由黏土雜基和少量熱液物質組成。

2.3 火山構造控礦作用及其規律

2.3.1 火山構造控礦作用

礦床東側發育于泥盆系基底內的寄生破火山口控制了礦床空間定位,是控制礦床形成的主要火山構造。由于破火山口的形成經歷了長期復雜的地質作用,如斷層的產生、火山噴發和次火山巖的侵入等交替進行,導致控礦構造和成礦作用的發生。Sillitoe et al.(1984)探討了破火山口構造對金銀礦床的控制,初步建立了與谷型破火山口有關的可能礦床理想模型。對照該模型,認為模型中產于地表破火山口淺部火山巖內的淺成低溫熱液型金銀等礦化,如脈狀金礦體在本礦床大部分已經被剝蝕。礦床與破火山口構造有關,雖整體遭受比較強烈的剝蝕作用,但礦床處于負地形環境,含礦斑巖體伴生的熱液角礫巖帶清晰,顯示礦床范圍剝蝕程度尚淺,控礦火山構造特征得以保存。除少量殘存在安山質火山巖內,受火山斷裂控制的含金石英細脈狀礦化外,主要礦化類型為斑巖型。

與破火山口配套的火山斷裂構造,包括 EW 走向的放射狀斷裂F1和SN走向的疊加有侵入體接觸帶構造的環狀斷裂 F2,聯合控制了含礦花崗斑巖體侵位和礦化接觸帶空間產出。相對于斑巖體近接觸帶中高溫熱液成礦作用,遠離斑巖體的部位則以斷層或節理裂隙充填細脈狀為主,具有一套中低溫Au-Ag-Pb-As-Sb-Hg的成礦元素組合,礦床外圍表現為火山質圍巖中沿構造裂隙充填的 Au礦化體受F3斷層控制。

含礦斑巖礦化接觸帶露頭揭示,在侵入巖體邊部圍巖中,除早期南北向張性裂隙帶外,還疊加有巖體上侵形成的水平張節理、“X”型剪節理(圖6),并且充填有含銅金石英細脈,是接觸帶礦體主要容礦構造。礦體局限在花崗斑巖西接觸帶附近,接觸帶同時也受火山斷裂 F2控制,受巖漿侵入時發生脆性破裂作用,為含礦熱液流體沉淀富集形成良好的空間條件。沿接觸帶內凹以及張剪性裂隙系統是形成細脈狀接觸帶銅金礦體的有利地段。同時斑巖體頂邊部受巖漿侵位后冷凝收縮所形成的原生密集裂隙系統是形成斑巖體內部網脈狀和浸染狀銅礦化的有利地段。通過鉆孔巖心觀察花崗斑巖體內部的各種蝕變脈體,對脈體的產狀、厚度及密度變化進行測量,進一步說明這些蝕變脈體屬于侵入接觸帶構造應力破裂充填脈。脈體主要受巖體頂部和邊部的橫張節理和平緩剪節理控制,為構造應力與流體壓力聯合作用下,巖體頂邊部巖石冷凝收縮和破裂、成礦流體注入破裂并結晶固化結果(張棟等,2014)。

礦床發育的角礫巖體構造具有一定的控礦作用。角礫巖體處于相對淺成且開放的空間,為不同性質的流體混合提供通道和場所。礦床中熱液角礫巖具有不同程度礦化,以內接觸帶熱液和巖漿物質膠結的角礫巖礦化較好,角礫和膠結物均有金屬硫化物,銅含量介于0.052%~0.10%,最厚處(斜深厚度)可達 37 m。熱液角礫巖中角礫具特征的圓化特征,并且角礫成分以稍早期巖漿物質為主,這些特點進一步說明角礫巖體與巖漿爆破作用和早中期巖漿侵入體的巖漿流體釋放有關(張棟等,2014),表明含礦斑巖侵位前的角礫巖體空間有成礦流體貫入,角礫巖體構造對成礦有一定的控制作用。

總體上,接觸帶細脈狀銅金礦體形態和礦化富集受巖體侵入接觸帶構造和火山斷裂構造共同控制,斑巖體內部網脈狀、浸染狀銅礦體與巖體侵入后產生的原生裂隙構造和角礫巖體密切相關。遠離接觸帶的火山質圍巖中,未被剝蝕的少量脈狀金礦化體受火山斷裂控制。

2.3.2 火山構造控礦規律

圖6 松喀爾蘇銅金礦床侵入接觸帶構造素描圖(素描位置:Sd5節理測量點,見圖1)Fig.6 Sketch map showing the intrusive contact structure between the granite porphyry and the sandstone of the Songkaersu deposit in the ore field

火山構造控礦作用表現在NW走向的區域深大斷裂控制火山構造盆地,NW 走向的基底斷層控制串珠狀破火山口,賦存于泥盆系基底內破火山口構造派生的次級EW走向和SN走向的火山斷裂交匯部位,控制含礦斑巖體侵入和礦化帶范圍,巖體侵入過程中形成的侵入接觸帶構造控制礦體和礦化類型,而 NE走向的火山斷裂或節理裂隙帶對礦化具有疊加作用。構造控制作用具有一定規律性,表現在:

(1)多級控礦規律 礦床所在的巴塔瑪依內山火山構造盆地屬于一級構造,控制了淺成低溫熱液型金礦化帶展布;火山構造盆地內的破火山口構造屬于二級構造,控制礦床范圍;由破火山口構造派生的火山斷裂構造控制含礦斑巖體侵入和礦化帶展布。不同等級的構造形跡之間彼此具有生成聯系和依次控制關系,對成礦作用展布起到多級控制作用。

(2)復合控礦規律 礦床首先表現為EW走向和SN走向的火山斷裂交匯部位控制含礦斑巖體侵入和礦化帶展布,NE走向的斷層或節理裂隙帶控制圍巖內脈狀礦化體,斷裂交接處應力集中造成巖石破碎,利于熱液流體進入而成礦;其次表現為復合接觸帶控礦,巖體接觸帶生成后,又與火山斷裂構造復合,形成復合的接觸–斷裂帶,致使原始接觸帶構造局部受到改造,進一步成為利于含礦熱液流體滲流和礦石沉淀的構造薄弱帶。

(3)結構面控礦規律 不同力學性質結構面具有不同的控礦作用。規模較大的F1壓剪性斷層為導礦構造,其結構面處于擠壓狀態易于愈合常起遮擋作用,因而為巖漿運移定位提供場所;F2張性斷層為容礦構造,其結構面處于相對開放狀態易使應力驅動下運移的巖漿熱液和不同性質流體在此充分接觸并沉淀金屬形成礦體;剪性斷層因其切割較深、破裂面平直,易于連通深部和微小節理裂隙發育,含礦熱液流體較易進入而富集沉淀,表現為接觸帶外圍受 F3壓剪性斷層或剪節理密集帶控制的脈狀金礦化體。

(4)侵入接觸帶構造控礦規律 花崗斑巖漿侵位后形成的巖體與圍巖之間的接觸帶、近接觸帶的層間構造帶和遠接觸帶的引張性構造等是與巖漿熱液作用有關的成礦場所。侵入接觸構造具體控制不同的礦化類型的空間定位。從巖體向圍巖,巖體內的原生構造裂隙、接觸帶構造和張性斷層構造以及圍巖中的剪切裂隙帶控制著不同的礦種、礦化蝕變類型、成礦元素組合以及礦石結構構造等,這些構造組合是斑巖成礦系統產物。

2.4 構造應力場

礦床不同地質體內節理構造發育,剪節理和張節理均有,以剪節理為主。對礦床多處露頭進行觀察分析,于礦床內設置節理測量點6個(Sd1~Sd6)(圖1b),通過節理玫瑰花圖、節理等密圖優選出產狀,通過赤平投影求得點應力狀態,從而恢復不同時期的構造應力場。

礦床受具有環狀和放射狀斷裂的破火山口構造控制,火山斷裂和侵入接觸帶等派生的次級節理裂隙發育,有時晚期變形會利用和改造早期先存破裂面,因此在進行節理分期配套時難度較大。剪節理構造主要有八組:①140°~150°∠70°~75°,②50°~65°∠60°~70°,③210°~225°∠25°~70°,④95°~100°∠25°~55°,⑤335°∠5°,⑥15°∠85°,⑦180°∠75°,⑧270°∠20°,含礦節理以①、③和④為主。在系統觀測和統計近40次后,根據節理相互交切及與地質體的關系,在不同地質體的測量點劃分出 3期應力狀態歸屬比較明確的共軛剪節理(表1)。

通過節理的統計與分析,恢復出三期構造應力場(圖7)。成礦前構造應力場:基底泥盆系地層發育的共軛剪節理主應力方位 σ1為 320°∠20°,在其主壓應力作用下,形成 NW 走向的基底正斷層;主成礦期構造應力場:礦化蝕變花崗斑巖內優勢共軛剪節理產狀求得主應力方位 σ1為 5°∠10°,在其主壓應力作用下,形成EW走向的壓性斷層和SN走向的張性斷層,與控巖控礦斷層性質吻合;疊加成礦期構造應力場:礦化接觸帶中含礦共軛剪節理求得主應力方位σ1為342°∠45°,在其主壓應力作用下,形成 NE走向壓剪性斷層或剪節理密集裂隙帶,大量NE走向的含礦剪節理屬于火山斷裂的配套產物。

圖7 松喀爾蘇銅金礦床構造應力場分析圖Fig.7 Tectonic stress field assaying map of the Songkaersu copper-gold deposit

表1 松喀爾蘇銅金礦床節理及最大主壓應力數據Table 1 Joints and Max-stress data of the Songkaersu copper-gold deposit

3 討論

3.1 控礦火山構造演化與機制

前人從不同空間尺度探討過卡拉麥里地區的構造演化過程,如新疆北部(肖序常等,1992)、新疆東部(李錦軼,2004)和卡拉麥里地區(李錦軼等,1990)。本文基于礦床火山構造系統控礦作用和構造應力場分析,結合區域地質演化資料,嘗試探討控礦火山構造演化與機制。

3.1.1 區域地質構造演化

卡拉麥里作為東準噶爾造山帶的一部分,其地質構造演化與區域古生代增生–碰撞過程密切相關。主要表現為古洋的打開與關閉,以及古陸逐步增生到西伯利亞板塊南緣的洋陸構造格局演化(李錦軼,2004)。古陸包括準噶爾地塊及相鄰的阿爾泰、東天山等地塊,分割這些古陸的洋盆由薩彥洋盆、阿爾曼泰洋盆、卡拉麥里洋盆以及毗鄰的北天山和南天山等洋盆,均為古亞洲洋內的分支洋或有限洋盆。奧陶紀期間,隨著薩彥洋盆北向俯沖的結束,阿爾泰地塊與西伯利亞古板塊的活動陸緣碰撞,阿爾曼泰蛇綠巖所代表的洋盆打開(張元元和郭召杰,2010)。阿爾曼泰洋盆向南俯沖,于其南側發育早古生代弧盆系統(李錦軼,2004)。志留紀中期,阿爾曼泰洋盆關閉,北側的阿爾曼泰早古生代活動陸緣與西伯利亞古陸碰撞。但其他的洋盆和活動陸緣持續發展。泥盆紀初期,弧–陸碰撞產生的弧后伸展廣泛發育在西伯利亞古陸南緣地區,可能分別形成了額爾齊斯裂陷槽、卡拉麥里洋盆和哈爾里克海盆等。卡拉麥里蛇綠巖所代表的洋盆具有弧后盆地性質(Li et al.,2003)。從中泥盆世開始,卡拉麥里弧后盆地向北俯沖(李錦軼,2004),洋盆北緣轉化為活動陸緣,形成庫蘭卡孜干–野馬泉一帶的陸緣火山巖帶,疊加在阿爾曼泰南側早古生代弧盆系統轉化的陸殼基礎之上(何國琦等,2004),準噶爾地塊北緣則為被動陸緣(李錦軼等,1990)。晚泥盆世–早石炭世初,卡拉麥里弧后盆地萎縮,野馬泉一帶的火山弧與南側的準噶爾地塊發生弧–陸初始碰撞,弧后盆地轉變為陸間殘余海盆(李錦軼等,1990),形成了殘余海盆沉積物。早石炭世早期,卡拉麥里一帶發生全面弧–陸碰撞作用,早石炭世初殘余海盆沉積物和下伏地層被卷入褶皺逆沖體制中,卡拉麥里逆沖推覆型韌性剪切帶形成。早石炭世中晚期,由擠壓經走滑開始向伸展轉換,卡拉麥里南麓后碰撞陸相火山巖不整合覆蓋于下伏泥盆系–早石炭世早期被動陸緣沉積巖系。從晚石炭世開始到二疊紀全面進入后碰撞伸展階段,發生富堿中酸性花崗巖類侵入。碰撞過程最終使準噶爾地塊增生到西伯利亞板塊南緣。區域上在石炭紀期間,部分可能持續到二疊紀,塔里木地塊與西伯利亞增生邊緣碰撞,結束了新疆東北部洋陸格局的演化(李錦軼,2004)。

3.1.2 控礦火山構造形成演化

礦床處于西伯利亞板塊南緣晚古生代增生–碰撞造山帶中,與卡拉麥里地區晚古生代板塊構造演化密切相關。成礦前晚泥盆世–早石炭世早期,卡拉麥里地區處于南北向洋盆收縮、有限洋盆轉變為陸間殘余海盆的主碰撞階段,在這一階段中,除弧前沉積區和卡拉麥里斷裂帶上發生了較強的近EW走向韌性擠壓變形外,準噶爾地塊北緣基本以隆起作用為主。

早石炭世中期,碰撞造山由擠壓開始向伸展轉換,主壓應力繼續表現為南北向水平擠壓,區域上繼續發育近EW走向的逆斷層,同時在NW-SE扭力作用下,產生了 NW 走向的壓扭性斷層,形成卡拉麥里右行走滑–逆沖推覆韌性剪切帶,同時兩側地塊剪切與旋轉相對強烈。礦床所處的準噶爾地塊北緣泥盆系被動陸緣基底,受該NW-SE扭力作用,主壓應力向西偏轉,表現為 320°~140°水平擠壓,產生NW 走向的正斷層,正斷層表現為不同基底的構造薄弱面,并且控制后期陸相火山活動的空間展布,可能代表準噶爾地塊北部陸緣基底伸展系統,為后期呈 320°展布的陸相火山構造盆地和礦床火山構造控礦作用奠定基礎。區域 SN向主壓應力持續作用,擠壓構造活動強烈,產生區域大規模火山–巖漿侵入活動和本礦床斑巖型銅金成礦作用。主壓應力表現為5°~185°水平擠壓,產生EW走向壓剪性斷層(F1)和 SN 走向的張性正斷層(F2),控制了礦床含礦斑巖體和礦化帶的展布,接觸帶銅金主礦體呈 SN向位于張性構造空間。

早石炭世晚期或晚石炭世–二疊紀,區域構造背景進入后碰撞伸展階段,進一步發生剪切和塊體旋轉,構造應力場由SN向轉為NW-SE向,主壓應力表現 342°~162°擠壓,形成 NE 走向 50°~70°的壓剪性斷層 F3或剪節理,控制了礦床外圍受剪節理密集帶控制的金礦化體,包括高硫化型淺成低溫熱液金礦床金山溝金礦,其控礦火山構造被 NE走向斷裂疊加改造,且構造疊加和交匯部位金礦化最發育(楊富全等,1999)。該時期主壓應力傾角較陡為45°,這種高角度垂向擠壓可能與后碰撞階段大規模幔源巖漿底侵有關。因此,該時期NE走向的斷層和大量同走向的剪節理可能為區域上在該時期內持續陸相火山活動和火山構造繼承性產物。

對于區域上泥盆紀以來的晚古生代增生–碰撞過程,由此產生的構造變形特征、序次和構造應力作用方式與方向等,前人有不同認識。Buslov et al.(2004)對區域 NW 走向的斷層活動性質和同位素測年研究后認為,晚泥盆世–早石炭世(345~325 Ma)的碰撞作用由 SN向主壓應力形成,表現為區域性一系列走向NW斷層具右行走滑特征,近EW走向的斷層為逆斷層特征。而晚石炭世–二疊紀(316~280 Ma)的構造作用卻使區域一系列 NW 走向的斷層呈現大幅度左行走滑特征,其走滑運動學方向與晚泥盆世–早石炭世期間完全相反。萬天豐(2014)在結合Buslov et al.(2004)、Wang et al.(2008)、肖序常等(2010)和Han et al.(2011)對于巴爾喀什–天山–阿爾泰地區斷層活動的研究成果后認為:晚泥盆世–早石炭世(345~325 Ma)走向NW的斷層表現為右行走滑性質,近 EW 向斷層為逆斷層的特征,說明該區受到近南北向的縮短和碰撞作用;而晚石炭世–二疊紀(316~280 Ma)的構造作用表現為多數NW走向的斷層轉變為左行走滑,近 EW 走向的斷層轉變為右行走滑,其動力作用來源于近東西向擠壓作用,可能是烏拉爾碰撞帶向東擠壓作用的遠程效應,并稱之為后碰撞階段。趙磊等(2012)對近 EW(NW)走向的卡拉麥里構造帶晚古生代以來的走滑構造性質及其后期疊加變形序次研究,認為其是一條在晚古生代–早中生代(270~260 Ma)活動的右行走滑構造帶,在中新生代疊加有EW、NE、NNW、近SN和NW 等不同走向的多組構造面理,順時針走滑或截切改造早期近 EW 走向構造帶,推測是古近紀以來印度大陸和歐亞大陸強烈碰撞的遠程效應和后期印度大陸運動方向變化的影響。李錦軼等(2009)對卡拉麥里斷裂帶構造變形特征研究,認為其構造變形歷史主要有3期,早期向南的逆沖,中期左行走滑,晚期向南低角度逆沖,主要表現為向南的逆沖推覆,為準噶爾盆地古巖石圈向北插入東準噶爾造山帶之下,南北方向縮短、構造疊覆的產物,并且推測其走滑分量遠小于地殼縮短分量。張玉杰等(2013)認為卡拉麥里韌–脆性剪切構造帶形成于華力西中晚期(320~260 Ma),分屬碰撞擠壓和碰撞后走滑–伸展 2個構造變形期,歷經逆沖推覆、左行走滑、右行走滑和伸展 4個主要演化階段,是剪切帶在地質演化過程中形成于不同層次構造的疊加產物,并且認為這些變形產物形成于南北向主壓應力持續作用。總體看,卡拉麥里地區包括新疆北部主要的 NW 走向斷裂帶遭受多期變形疊加改造的可能性很大,但晚石炭世以來的后碰撞階段構造作用方式和變形序列等爭議很大。本文認為區域上晚泥盆世–二疊紀的增生–碰撞過程是存在的,天山以北的眾多古陸塊和古洋盆在這個時期逐步消亡且增生到西伯利亞板塊南緣而結束洋陸格局,在二疊紀以后進入統一的陸內演化。晚泥盆世–早石炭世早中期的弧–陸碰撞事件,其構造作用主壓應力為SN方向,形成了區域一系列NW走向的右行走滑–逆沖斷層,而EW走向的斷層為擠壓性質;而早石炭世晚期–二疊紀的后碰撞階段,可能有來自西側烏拉爾碰撞帶向東擠壓作用的遠程效應影響,這個時期構造作用主壓應力可能是EW方向,造成了早期NW走向的右行走滑–逆沖斷層疊加有左行走滑的構造面理和被一些不同走向的斷層切割。但烏拉爾碰撞帶東西向構造作用向東的能量傳遞可能會逐步減弱,其左行走滑分量遠小于早期南北向縮短分量,從而使得早期NW走向的斷層總體上仍然保持了右行走滑–逆沖斷層的特征,而只疊加有左行走滑的構造面理,EW走向的斷層可能被拉張。

但更有可能是,早石炭世晚期–二疊紀的后碰撞階段,區域構造應力場是早期南北向構造作用持續效應和東西向構造作用遠程效應聯合作用的結果,即早石炭世晚期–二疊紀主壓構造作用來自兩者的合力NW方向,形成NW走向主要斷裂帶的伸展作用,區域大量該時期的后碰撞花崗巖類沿 NW 走向斷裂帶侵位即是很好證據,而 EW 走向的斷層具有右行走滑–逆沖性質,NE走向為壓性逆沖斷層和SN走向為左行走滑–正斷層。

礦床發育的構造系統是從主斷裂構造帶系統、基底斷層系統、火山斷裂系統和巖漿侵位后的接觸帶系統依次演化的,由于后期構造總是利用早期構造的薄弱界面,早期構造在后期構造中常受到不同程度的疊加改造,因此我們所觀察到的主要構造都經歷多期、多階段和多種性質的疊加改造作用。礦床構造應力場可能與早石炭世早中期主碰撞形成的SN向構造作用和早石炭世晚期–二疊紀NW向構造作用有關。成礦早期構造應力場與區域 SN向擠壓縮短作用派生的剪切與順時針旋轉有關,表現為NW 走向的卡拉麥里斷裂帶右行走滑、南側塊體向西旋轉后的伸展效應;成礦構造應力場反映區域SN向擠壓應力持續作用所引發的陸相火山成礦作用,早石炭世晚期,構造作用方式發生轉變,可能來自SN方向和EW方向擠壓縮短聯合作用下NW方向的構造作用,疊加構造應力場反映出 NE走向繼承性壓剪性斷層活動。晚石炭世,卡拉麥里構造帶南側的后碰撞陸相火山活動達到高峰(Xiao et al.,2011;Su et al.,2012),NW方向的構造作用使得火山斷裂構造中EW走向的右行走滑–逆沖斷層、NE走向的壓性逆沖斷層和SN走向的左行走滑–正斷層的構造形跡更加直觀,這些構造也持續控制了晚石炭世的陸相火山巖分布和淺成低溫熱液金成礦作用,例如,沿SN走向的左行走滑–正斷層性質的環狀斷裂控制了大量玄武安山巖的線狀分布,松喀爾蘇銅金礦床外圍發育的這種條帶狀玄武安山巖Sm-Nd等時線年齡為319.7±5.9 Ma(張峰等,2014);金山溝金礦床火山巖年齡為326 Ma,金礦石中方鉛礦鉛同位素模式年齡為267 Ma(陳仁義,1993),楊富全等(2005)認為從早石炭世中晚期火山巖形成到二疊紀成礦作用經歷了較長時間,與早期巖漿水供給和加熱的大氣降水持續循環有關,認為成礦時代可能為晚石炭世,成礦地球動力學背景為碰撞后伸展作用。

3.2 構造控礦機制

準噶爾與鄰區的主碰撞事件盡管尚有爭議,如晚泥盆世末–早石炭世初(韓寶福等,2006;王京彬和徐新,2006)、早石炭世末(肖序常等,1992)、中石炭世(陳衍景,1996)、晚石炭世(Han et al.,2011)、晚泥盆世–早石炭世和晚石炭世–二疊紀兩次不同方向碰撞事件(Buslov et al.,2004)和晚二疊世–中三疊世(Xiao et al.,2008,2009),但依據近年來的同位素測年資料和相關研究(李華芹等,2004;韓寶福等,2006;王京彬和徐新,2006;楊富全等,2010),眾多事實表明新疆北部金屬成礦作用集中在早石炭世中晚期–二疊紀的后碰撞階段。萬天豐(2013)最近強調天山–阿爾泰地區金屬成礦作用并不出現在碰撞作用最強烈的主碰撞時期。大規模后碰撞巖漿侵入事件可能說明新疆北部大規模地殼垂向增生與幔源巖漿底侵作用廣泛存在(韓寶福等,1998),而巖石圈拆沉模式可以引起區域廣泛的后碰撞花崗巖類分布(Mahéo et al.,2009)。后碰撞環境,包括早期擠壓–伸展轉換環境,構造形式主要是走滑和伸展構造,這種構造條件極易誘發巖漿活動,是造山帶花崗巖類侵位的主要環境。轉換與伸展過程中減壓降溫體制可以導致造山帶中強烈流體循環與混合作用發生。因此,與大陸巖石圈拆沉和軟流圈地幔上涌所產生的走滑伸展構造–殼幔巖漿作用–混合流體作用是卡拉麥里地區和新疆北部后碰撞環境金屬成礦作用的形成機制。

礦床成巖成礦年代學研究表明,含礦花崗斑巖鋯石SHRIMP U-Pb年齡為349.1±4.5 Ma (MSWD=1.5,n=14)(筆者未發表數據),成礦期絹云母40Ar-39Ar坪年齡為 338.6±2.6 Ma(張棟等,2013)。盡管對Ar-Ar法年齡代表的成礦年齡還有爭議(多數反映構造–熱事件),但本礦床采自含礦花崗斑巖絹英巖化帶內的絹云母是礦化熱液蝕變產物,沒有遭受到區域變質或構造變形影響,其代表的熱事件是唯一的,并且與含礦斑巖成巖年齡相比略為滯后,從而很好地約束了礦床斑巖成礦作用發生的時間,代表成巖成礦作用發生在早石炭世中期。含礦花崗斑巖和礦石Sr-Nd-Pb同位素示蹤研究表明(張棟等,2014),成礦地球動力學背景為早石炭世中晚期碰撞由擠壓向伸展轉換過程殼幔界面的巖漿作用。巖石圈拆沉作用誘發的巖漿–流體成礦作用,是該斑巖型銅金礦床形成的構造環境。結合礦床控礦構造演化探討,可能共同表明礦床在早石炭世中晚期處于擠壓–伸展轉換環境,早期SN向縮短和后期NW向構造作用在這一時期發生構造體制轉換,誘發深部巖石圈拆沉作用和軟流圈地幔底侵作用,是斑巖型銅金成礦作用和控礦火山構造形成演化的重要機制。

3.3 控礦模式

對照典型陸相火山巖區淺成低溫熱液–斑巖成礦系統(Sillitoe,1997;Hedenquist et al.,1998),目前礦床已經遭受中等程度剝蝕,上部受火山斷裂控制的大部分淺成低溫熱液成礦產物已經被剝蝕。礦床僅殘存少量斑巖體側部,產于陸相火山巖內,受斷裂構造控制的脈狀金礦化,而且在深部100 m范圍內尖滅。斑巖體中上部屬于絹英巖化蝕變帶,其側部發育寬約60 m的熱液角礫巖帶,對照典型斑巖型礦床蝕變分帶(Lowell and Guilbert,1970),該含礦斑巖體剝蝕程度較弱,接觸帶和斑巖型銅–金礦化保存較好(圖8)。

圖8 松喀爾蘇銅金礦床控礦模式圖Fig.8 Ore-conrtrolling model of the Songkaersu copper-gold deposit

控制礦床含礦花崗斑巖體侵位的F1斷層北東側分布有巖性和蝕變相同的斑巖體(圖2a),受 F1斷層右行剪切錯斷兩者地表不相連。根據鉆孔工程和深部地球物理驗證,斑巖體深部向東側伏,西接觸帶為斑巖體的西側邊界,北東側與外圍的斑巖體在深部相連接。因此成礦巖體與北東側巖體同體連枝,成礦巖體空間向北東側擴展,北東側巖體接觸帶范圍需要加強勘查。此外,北東側巖體的北接觸帶受NE走向的斷層控制,可能表明整個巖體(包括外圍NE側的巖體)受EW走向、SN走向和NE走向斷層交匯部位控制,地表工程已初步顯示北東向斷層內有銀鉛等礦化。以此分析可以明確接觸帶和斑巖型礦化類型為主要礦化部位和勘查類型,成礦巖體在空間上向北東拓展,北東側巖體與接觸帶部位是重要的勘查區域。

4 結論

(1) 火山構造系統依次分類為陸相火山巖帶→火山構造盆地→破火山口。控礦火山構造類型是具有環狀和放射狀斷裂的破火山口構造。

(2) 火山構造系統控礦作用表現在 NW 走向的區域深大斷裂控制火山構造盆地,NW 走向的基底斷層控制串珠狀破火山口構造,賦存于泥盆系基底內的破火山口構造以及派生的EW走向和SN走向火山斷裂交匯部位控制含礦斑巖體侵入和礦化帶形成,巖體侵入過程中發生的侵入接觸構造控制礦體和礦化類型,NE走向火山斷裂或節理密集帶對礦化具有疊加效應。

(3) 控礦構造作用與晚泥盆世–早石炭世早中期SN向構造作用和早石炭世晚期–二疊紀NW向構造作用有關。晚泥盆世–早石炭世早中期,SN向擠壓構造作用引發NW走向的斷層右行走滑剪切、塊體順時針旋轉和火山構造控礦系統。火山控礦構造系統表現為EW走向壓剪性斷層(F1)和SN走向張性正斷層(F2),控制了礦床含礦斑巖體和礦化帶的展布,接觸帶銅金主礦體呈 SN向位于張性構造空間。早石炭世晚期–二疊紀,來自SN方向和EW方向擠壓聯合作用下 NW 方向的構造作用,使得火山斷裂構造進一步發育,引起 NE走向剪切構造面理的疊加改造、陸相火山巖線狀分布和淺成低溫金成礦作用。

(4) 后碰撞早期擠壓–伸展轉換環境,早期 SN向持續縮短和后期NW向構造作用使構造體制發生轉換,誘發深部巖石圈拆沉作用和軟流圈地幔底侵作用,是斑巖型銅金成礦作用和控礦火山構造演化的重要機制。

(5) 控礦模式明確接觸帶和斑巖型為主要礦化部位和勘查類型,外圍北東側巖體與接觸帶部位是重要的勘查區域。

致謝:本文在成文與修改過程中,原武警黃金指揮部路彥明博士,武警黃金地質研究所葛良勝研究員和郭曉東博士、肖力碩士、楊貴才博士生給予熱情指導;同時,兩位審稿專家的寶貴建議,特別是中國地質大學(北京)萬天豐教授不吝賜教,在此一并深表感謝！

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