云南東川銅礦馬尾絲狀銅礦石特征及成因

曾瑞垠 ，祝新友，張雄，呂曉強，黃建業，譚康雨，姜華，田犁平

（1.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093；2.中色紫金地質勘查（北京）有限責任公司，北京 100012；3.中色地科礦產勘查股份有限公司，北京 100012；4.云南銅業股份有限公司，昆明 650000；5.云南省有色地質局三〇六隊，昆明 650217）

0 引言

東川銅礦是我國著名的銅礦區之一，銅資源量達到500萬t以上（代鴻章等,2018），中元古界落雪組白云巖中廣泛發育有東川式銅礦體。馬尾絲狀銅礦石是東川式銅礦體的典型礦石，指銅礦物沿砂質白云巖紋層面或疊層石微層呈浸染狀、細脈狀密集分布，形似“馬尾絲狀”的銅礦石。前人對馬尾絲狀銅礦石做了大量的研究，提出了巖漿熱液交代（李洪謨和王尚文,1941）、生物化學沉積（曹仁關,1986）、沉積成因（龔琳等,1996;冉崇英和吳鵬,2014）、海底熱水沉積（吳健民和黃永平,1995）、后生成礦（阮惠礎等,1988;華仁民,1989;祝新友等,2017）等觀點。其中沉積成因觀點最為普遍，認為藻類在生長過程中吸附粘土和硅質細砂等形成硅質條帶，同時也吸收了大量含銅質沉淀，由生物化學沉積作用形成馬尾絲狀銅礦石，屬于同生沉積（曹仁關,1986;龔琳等,1996）。與同生沉積觀點相對應的后生成因觀點（李洪謨和王尚文,1941;華仁民,1989;祝新友等,2017），認為當成礦溶液沿著滲透率較高的泥砂質層流動條件適宜時，便沉淀出銅的硫化物，形成馬尾絲狀銅礦石。目前對于東川式銅礦體和馬尾絲狀銅礦石的成因仍存在較大爭議，筆者通過東川礦田湯丹、因民、濫泥坪等礦區的野外調查、礦石顯微結構構造觀察、主量元素含量分析，結合收集的硫同位素特征，對其成因機制進行討論，為東川地區同類型礦床的找礦工作提供新思路。

1 研究區地質背景

東川銅礦位于揚子板塊西緣康滇構造帶內（圖1a），研究區出露地層主要為中元古界東川群因民組、落雪組、黑山組地層（圖1b），為一套碎屑巖-泥質巖-碳酸鹽巖組合的沉積建造，在新元古代受到綠片巖相變質作用（Zhao et al.,2012）。黑山組（Pt2h）主要為含炭質板巖和砂板巖，底部發育桃園式銅礦體。落雪組（Pt2l）主要為厚層狀結晶白云巖、泥砂質白云巖，底部白云巖中含豐富疊層石，發育東川式銅礦體。因民組（Pt2y）為一套含鐵粉砂巖、砂巖、板巖和角礫巖，鐵質板巖中發育稀礦山式鐵銅礦體。研究區由南北向與東西向兩組主干斷裂構造組成，西北和東南部呈近東西走向，中部呈南北走向，形成區域性的“Z”形構造（圖1b）（Ruan et al.,1991）。東川礦田內基性侵入巖分布廣泛，以輝長輝綠巖為主，主要沿斷裂帶分布，具有多期侵入特征。常見的圍巖蝕變包括白云石化、褪色化、硅化、鈉長石化、綠泥石化、綠簾石化等。東川礦田礦產資源豐富，包括銅、鐵和鉛鋅礦等，主要分布在四棵樹-面山斷裂帶、落雪-因民破碎帶和濫泥坪-湯丹-新塘褶皺帶中（圖1b）。

2 礦床地質特征

東川銅礦田盛產沉積巖容礦層狀銅礦床（SSC）（Zhao et al.,2012;曾瑞垠等,2020a），其中東川式銅礦體是東川礦田分布最廣泛、最具代表性的層狀銅礦體類型，在湯丹、因民、落雪、濫泥坪礦區均穩定發育，銅礦體呈層狀、似層狀，發育馬尾絲狀、條帶狀、脈狀、網脈狀銅礦石（圖2a～d），主要礦石礦物為斑銅礦、輝銅礦、黃銅礦，銅氧化物為孔雀石和藍銅礦，脈石礦物為白云石、石英、方解石等。

馬尾絲狀銅礦石發育在落雪組底部的砂質白云巖和疊層石白云巖中（圖2），宏觀特征表現為順層細礦脈沿層理或波狀疊層石微層平行發育，部分高角度含礦脈與這些平行細脈相交，順層細礦脈的礦化強度由高角度礦脈向兩側逐漸減弱（圖2a）。當高角度礦脈均勻分布時，在一定范圍內順層細礦脈普遍發育，可形成以馬尾絲狀銅礦石為主的層狀銅礦體（圖2b），礦化均勻，銅品位較高。當馬尾絲狀銅礦石發育于疊層石微層中，具有受構造或裂隙控制的特點，疊層石微層中礦化不均勻，主要圍繞在裂隙兩側（圖2c）。

鏡下特征顯示，馬尾絲狀銅礦石容礦巖石巖性主要呈現為砂質層與泥質層互層（圖2e～f），砂質層由渾圓狀石英組成，含少量它形白云石，泥質層為細-粉晶白云石條帶。順層細礦脈主要分布于砂質層中，金屬礦物為斑銅礦、輝銅礦（圖2g～h），局部礦區中以黃銅礦為主，含銅硫礦物主要充填于碎屑顆粒間或充填于砂質層與泥質層的接觸面（圖2g、圖3）；當石英砂質層中白云石含量較高時，銅礦化程度較強，當砂質層分布不穩定時，順層細礦脈呈斷續分布（圖2d），連續性差，具梳狀、非狀結構，局部呈斑點狀、星點狀、稀疏浸染狀，與沉積成因的紋層狀構造具有明顯的區別，推測為含礦熱液交代不充分所致。高角度含礦脈主要分布于裂隙構造中，其結構、構造和礦化特征與砂質層具有相似性（圖2e～f），金屬礦物與順層細礦脈基本保持一致，脈石礦物中白云石含量較多，自形程度較高。順層細礦脈的礦化強度往往受控于高角度含礦脈的分布，縱向上，高角度含礦脈兩側砂質層不連續（圖2e），靠近高角度含礦脈砂質層中的順層細礦脈礦化較強；橫向上，順層細礦脈由高角度含礦脈向兩側方向逐漸發生變化，由穩定的細脈狀逐漸過渡為浸染狀、星點狀，礦化變弱，熱液成因的白云石和石英逐漸減少，粒度也逐漸變小（圖3）。綜上所述，高角度裂隙在成礦過程中充當了含礦熱液運移的通道，含礦熱液沿裂隙兩側向砂質層順層交代形成密集分布的細礦脈，當銅礦化較弱時，形成浸染狀、斑點狀銅礦化，當容礦白云巖中以細-粉晶為主時，沿局部砂質層形成細條帶狀銅礦化。

圖2 馬尾絲銅礦石野外及顯微特征圖

圖3 馬尾絲狀銅礦石橫向特征圖

3 分析方法

本次選擇11件落雪組白云巖進行主量元素分析。樣品測試工作均在華北有色地質勘查局燕郊中心實驗室進行，采用硅鉬蘭比色法測定SiO2，連續比色法測定FeO，采用供原子吸收法測定CaO、MgO、MnO，儀器為原子吸收分光光度計，測試精度均為≤5×10-2。

本次研究選取馬尾絲狀銅礦石中順層細礦脈和高角度含礦脈的白云石進行主量元素分析（EMPA），高角度含礦脈中的白云石自形程度較好，解理清晰，而順層細礦脈中的白云石粒度較細，多呈它形粒狀。分析在核工業北京地質研究院分析測試研究中心利用JEOL-JXA8100電子探針完成。其加速電壓為15 kV，電子束電流10 nA，束斑直徑為3～5 μm，每個元素數據采集時間20～40 s，測試使用的標準樣品為天然樣品和人工合成氧化物。

4 分析結果

根據落雪組白云巖主量分析（表1），青灰色白云巖的CaO 含量為27.24%～28.33%，MgO 含量為19.01%～19.85%，SiO2含量為3.39%～7.26%，Mg/Ca 為0.57～0.59；砂質白云巖的CaO 含量為13.06%～16.28%，MgO 含量為9.29%～9.82%，SiO2含量為43.10%～51.59%，Mg/Ca為0.51～0.60；銅礦化白云巖的CaO含量為17.14%～27.66%，MgO含量為12.11%～19.98%，SiO2含量為6.50%～19.77%，Mg/Ca為0.59～0.61，其中馬尾絲狀銅礦石（強銅礦化白云巖）的SiO2含量為15.67%～35.84%，明顯高于弱銅礦化白云巖，反映了銅礦化的強弱與硅質含量關系密切，即石英砂質層的含量越高礦化越強。根據白云石電子探針元素分析結果顯示（表2），馬尾絲狀銅礦石中，高角度含礦脈中的白云石的Mg/Ca為0.55～0.58，順層含礦白云石細脈的Mg/Ca為0.55～0.58，兩者的Mg/Ca基本一致。

表1 落雪白云巖主量元素成分/%

表2 馬尾絲狀銅礦石中白云石的電子探針元素分析/%

5 討論

5.1 有機質對成礦作用的重要影響

根據東川式銅礦體已有的硫同位素特征顯示（王可南,1978;Zhao et al.,2012;Huang et al.,2013;朱文兵,2016），馬尾絲狀、紋層狀銅礦石中的硫化物δ34S范圍為-12.7‰～+18.8‰（圖4a），高角度脈狀銅礦石中硫化物的δ34S范圍為-14.7‰～+19.5‰（圖4b），由此可以看出層狀硫化物與脈狀硫化物的δ34S特征極為相似，說明硫的來源一致。普遍的觀點認為東川式銅礦體硫的來源主要以海水硫酸鹽為主，受到生物作用的影響（王可南,1978;朱文兵,2016）。Zhao et al.（2012）的研究指出生物作用在硫化物的沉淀中并不重要，硫主要來源于海水硫酸鹽和蒸發巖，重硫同位素值來自有機質和硫酸鹽的熱化學還原反應（TSR）（McGowan et al.,2006）。落雪組底部發育有大量的疊層石，說明藻類生物豐富，藻類生物的死亡可產生大量有機質（Ruan et al.,1991），馬尾絲狀銅礦中細粒輝銅礦和斑銅礦呈散點狀-層紋狀與硅質、有機質紋層伴生（吳健民和黃永平,1995），反映了有機質與成礦的關系密切。根據東川式銅礦體的有機炭測試結果顯示（阮惠礎等,1988），凡有不同程度銅礦化的巖石，它們的有機炭含量均顯著地高于未礦化者，越靠近礦化層位有機炭的含量越高，有機炭與銅硫化物的富集之間有著一定的成因聯系。成都地質礦產所（1988）對東川式銅礦體進行包裹體成分測定分析，發現東川式銅礦體的包裹體中普遍含有CH4氣體，說明有機質在成礦作用中起到了重要的作用。地層中有機質的熱分解釋放H2S和S2-，可以為成礦提供了豐富的硫源和還原劑①，熱化學還原反應（TSR）對白云巖具有明顯的溶蝕改造作用（張水昌等,2011），增大容礦巖層的孔隙度，為含礦流體運移和成礦作用提供更多空間，同時有機質的氧化造成的較低Ph值環境有利于銅的富集（阮惠礎等,1988）。

圖4 東川式銅礦體硫同位素直方圖（數據引自王可南,1978；Zhao et al.,2012;Huang et al;2013;朱文兵,2016）

5.2 馬尾絲狀銅礦石的成因探討

馬尾絲狀銅礦石宏觀上表現為密集的細礦脈沿層理或疊層石微層平行分布，少量高角度含礦脈橫切這些平行細脈。許多研究者將其與落雪組底部廣泛發育的疊層石相聯系，提出其為生物沉積作用所形成（曹仁關,1986;龔琳等,1996），將馬尾絲狀銅礦石作為東川式銅礦體“同生沉積”觀點的主要證據（冉崇英和吳鵬,2014）。李洪謨和王尚文（1941）首次提出馬尾絲狀銅礦石由巖漿熱液交代形成，阮惠礎等（1988）認為馬尾絲銅礦石的礦石與脈石礦物之間顯示了后生的微觀構造特征，華仁民（1989）指出東川式層狀銅礦體主要與粗粒級的碎屑共生，而上部細碎屑部分，礦化明顯減弱，具有后生的特征。本次研究發現馬尾絲狀銅礦容礦巖石在微觀上主要呈現為砂質層與泥質層互層，順層細礦脈主要分布于砂質層中，斑銅礦、輝銅礦等充填于石英、白云石砂粒間，具有明顯交代結構，明顯不同于沉積作用形成的條紋條帶構造（祝新友等,2017）。砂質層的脈石礦物粒度明顯大于圍巖本身，其中渾圓狀石英為重結晶的石英砂粒（圖2e），根據落雪組白云巖主量元素分析結果，馬尾絲狀銅礦石的SiO2含量明顯高于弱銅礦化的白云巖，反映了銅礦化的強弱與石英砂質層關系密切，石英砂質層的含量越高礦化越強，而石英砂質層的孔隙度和滲透性均較高，說明順層細礦脈主要發育在滲透性較好的砂質白云巖層中。馬尾絲銅礦石中不規則狀的石英和半自形白云石粒度較大，明顯具有重結晶結構（圖3），沿層理逐漸漸變為微細粒白云石和渾圓狀石英，銅礦化也逐漸由細脈狀變為浸染狀，礦化強度逐漸變弱，該類石英和白云石主要為熱液成因，與沉積成因的結構特征不一致，具后生成因的特征。

巖相學特征表明，順層細礦脈與高角度含礦脈的結構、構造、礦物組成基本一致，根據馬尾絲狀銅礦石的探針分析顯示，高角度含礦脈的白云石Mg/Ca為0.55～0.58，順層細礦脈的白云石Mg/Ca為0.55～0.58，兩者的Mg/Ca基本一致，說明白云石化的熱液來源是一致的，而白云石化是銅礦化的重要標志，反映了順層細礦脈和高角度含礦脈的流體來源可能是一致的。含礦熱液沿高角度裂隙運移，向兩側孔隙度較高的白云巖滲透，形成順層細礦脈，高角度裂隙作為供給系統是馬尾絲狀銅礦成礦的必備條件。華仁民（1989）提出東川式銅礦體具有兩種熱液組成，一種是富銅貧硫熱液，以富Cl-為特征，另一種是富硫貧銅熱液，富含有機質和，兩種流體混合發生氧化還原反應，還原流體起地球化學障壁的作用（華仁民,1994），使含礦熱液中的銅金屬元素沉淀形成順層的細礦脈。祝新友等（2017）指出東川式銅礦體后生現象普遍，同生沉積成因的礦化不明顯或證據不足，而與中非層狀銅鈷礦帶具有明顯的相似性（曾瑞垠等,2020b），近年來沉積巖容礦層狀銅礦床（SSC）的礦床成因研究顯示，層狀礦床普遍具有后生成礦的特點，屬于盆地鹵水交代成因（Hitzman et al.,2010;祝新友等,2010,2017;祝新友和王京彬,2014;張洪瑞等,2020）。根據以往的東川式銅礦體流體包裹體研究顯示，含礦流體為中低溫、中鹽度、中密度熱鹵水，包裹體液體成分中主要是Na+、K+、F-、Cl-和少量離子（冉崇英,1989），說明東川式銅礦體的成礦熱液主要為Na-KCl型及硫酸鹽型鹵水（代鴻章等,2018），與中非銅鈷礦帶的含礦流體具有相似特征（McGowan et al.,2006;Hitzman et al.,2010）。根據馬尾絲狀銅礦石的顯微特征和地球化學特征，其成因更符合盆地鹵水交代成礦模式，含礦鹵水沿斷裂構造運移至落雪組白云巖中，向兩側滲透性較好、孔隙度較高的砂質白云巖和疊層石白云巖順層交代，地層中的有機質為成礦提供了豐富的硫源和還原劑，形成以馬尾絲狀銅礦石為主的東川式層狀銅礦體。

6 結論

（1）馬尾絲狀銅礦石由順層細礦脈和高角度穿層含礦脈組成，二者在結構、構造、礦物組成、Ca/Mg比值等方面基本一致，容礦巖石在微觀上主要呈現為砂質層與泥質層互層，順層細礦脈主要分布于砂質層中，主量元素特征顯示馬尾絲狀銅礦石的SiO2含量明顯高于弱礦化白云巖，說明順層細礦脈發育于石英砂質層占比較大、滲透性較好的白云巖中，具有明顯的交代結構，反映了其后生成因特征。

（2）馬尾絲狀銅礦石屬于盆地鹵水交代成因，含礦鹵水沿斷裂構造運移至落雪組白云巖中，向兩側滲透性較好、孔隙度較高的砂質白云巖和疊層石白云巖順層交代，有機質為成礦提供了豐富的硫源和還原劑，形成以馬尾絲狀銅礦石為主的東川式層狀銅礦體。

注 釋

①Cox DP,Lindsey DA,Singer DA,Moring BC,Diggles MF.2003.Sediment-hosted copper deposits of the world:Deposit models and database[R].USGS Open-File Report 03-107:1-53.