西南天山新生代層控砂巖型銅礦成礦地質特征

朱紅英，張寶琛，張磊，管誥，劉志強

（有色金屬礦產地質調查中心，北京 100012）

0 引言

西南天山烏恰-西克爾-庫車地區以新生代地層為賦礦層位的砂巖型銅礦床發育，除花園、伽師和滴水銅礦外，近年新發現吾合沙魯銅礦等一批具一定前景的礦點。前人對滴水銅礦等研究所作工作較多（年武強等，2007；韓文文等，2011），但對該區銅礦床類型、成礦模式及礦床成因研究尚顯不足。筆者以中國地質調查局“西南天山成礦帶霍什布拉克-烏拉根地質礦產調查”項目（有色金屬礦產地質調查中心，2019①）為基礎，通過綜合分析，將西南天山新生代砂巖型銅礦劃分為伽師式砂巖型銅礦、花園式砂巖型銅礦和滴水式砂巖型銅礦三種類型，對各類型賦礦層位、控礦條件和成因模式進行了探討。

1 沉積盆地特征

砂巖型銅礦主要產于擴張克拉通的內部及邊緣的裂谷盆地或造山帶之間的盆地中（葉天竺等，2017）。西南天山新生代砂巖型銅礦集中產于柯坪斷隆與巴楚隆起之間的西克爾凹陷、喀什坳陷北部的烏恰凹陷與庫車前陸盆地的拜城凹陷這些中新生代紅層盆地中。伴隨二疊紀末南天山洋盆閉合，受羌塘地體與塔里木陸塊碰撞影響形成柯坪與巴楚隆起；新近紀后全球海平面上升，新特提斯洋自西向東經阿來海峽至喀什坳陷北部，通過柯坪與巴楚隆起之間的谷地向東北抵達庫車盆地（王福同，2006）。

1.1 西克爾凹陷

西克爾凹陷為柯坪斷隆南部與巴楚隆起之間的谷地，屬近物源剝蝕供給區，古近系喀什群（Eks）表現為一套褐紅色海灣-瀉湖相碳酸鹽巖-陸源碎屑巖-膏泥巖建造，屬辮狀河三角洲相沉積。古近紀末海侵結束，進入陸相沉積時期，沉積一套紅色淺湖湘碎屑巖，新近系與古近系呈整合接觸關系。喜山晚期構造運動使得北部古生界推覆于新生界之上，該斷裂構造為后期疊加成礦流體的運移通道。

1.2 烏恰凹陷

烏恰凹陷始于喀什坳陷北部的侏羅紀斷陷型盆地。早侏羅世相繼沉積莎里塔什組（J1s）沖積扇相礫巖和康蘇組（J1k）湖泊-沼澤相煤系地層；中侏羅世穩定沉降，楊葉組（J2y）為濱淺湖相，塔爾尕組（J2t）為淺-深湖相沉積；晚侏羅世盆地周緣強烈抬升，形成庫孜貢蘇組（J3k）沖積扇-河流相礫巖、砂巖、粉砂巖；白堊紀首先沉積了克孜勒蘇群（K1kz）辮狀河三角洲相砂礫巖、含礫砂巖、砂巖、粉砂巖夾泥巖，之后經歷多次海侵，沉積了巨厚三角洲-海灣-瀉湖相碳酸鹽巖-陸源碎屑巖-膏泥巖（朱如凱等，2009）。

新生代以來，尤其是中新世后該區進入坳陷型氧化寬淺湖泊發育階段。自下而上克孜洛依組（（E3—N1）k）以褐紅色泥巖為主與粉砂巖、細砂巖互層；安居安組下段（N1a1）為一套濱淺湖（河道）相砂巖、泥巖夾礫巖、砂礫巖，上段（N1a2）為淺-半深湖相雜色泥巖夾砂巖；帕卡布拉克組（N1p）為鈣質泥巖與細砂巖互層。上新世至早更新世該區經歷辮狀河-沖積扇沉積階段。

1.3 庫車前陸盆地

晚二疊世末期塔里木板塊向伊犁板塊俯沖，其北緣撓曲下沉產生庫車前陸盆地（盧華復等，2000）。古近紀盆地西部沉積一套粉砂質泥巖、膏質泥巖、石膏夾礫巖及白云巖、泥灰巖、生屑灰巖沉積，屬濱淺海-瀉湖相及湖湘等海陸交互相沉積，是后期刺穿型鹽丘及底辟鹽丘構造的主體。新近紀天山山系急劇隆升并向盆地方向沖斷推覆形成以拜城為沉降中心的上新世統一前陸盆地；中新世早期湖泊向南萎縮，康村組（N1-2k）沉積時期東部鹽水溝一帶為一套扇三角洲相碎屑巖沉積，西部滴水銅礦一帶為扇三角洲相-半深湖-深湖碎屑巖夾泥灰巖沉積①。

2 賦礦層位沉積相特征

2.1 古近系喀什群

伽師銅礦賦礦層喀什群（Eks）剖面，下部磚紅色中厚層、中-薄層狀粉砂質泥巖夾少量薄層粉砂巖段為水動力條件較弱的前辮狀河三角洲環境沉積；中下部淺灰白色厚層狀石膏與磚紅色中-薄層狀粉砂質泥巖段則為潮上瀉湖環境沉積產物。含礦層段灰白色砂礫巖-含巖屑鈣質細砂巖見有板狀交錯層理-平行層理；礫巖礫石分選磨圓性較好，發育小型不規則交錯層理及沖刷-充填構造，向上漸變為含礫砂巖、細砂巖，為水下河道沉積；細砂巖中見交錯層理及平行層理，粒度樣概率累計曲線顯示跳躍組分和懸浮組分兩段式，后者占一定比例，偏度為正值，細尾顯示細粒懸浮物特征，為辮狀三角洲前緣水下分流河道砂較發育的沉積特點[2]；含礦層段反映為辮狀河三角洲前緣亞相的沉積特征，上部為辮狀河三角洲平原河道間沉積特征（李增學等，2010）。喀什群總體為一海退沉積序列（圖1）。

圖1 伽師銅礦賦礦沉積相序圖

2.2 中新統安居安組

中新世統安居安組沉積時期為寬淺氧化型湖盆環境（新疆石油管理局南疆石油勘探指揮部地質研究所，1989），下段（N1a1）濱淺湖（水下河道）相灰綠、褐紅色砂巖夾含礫砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖段為花園式砂巖型銅礦的賦礦層位（圖2）。含礫砂巖體（圖2①）總體呈透鏡狀，沿走向厚度變化較大，最厚處達十余米，變薄處可小于0.5 m，甚至10 cm，含礦砂巖體底部不平，具有底沖刷特征，底部泥礫發育，發育槽狀交錯層理、大型斜層理，下切下伏泥巖，其沉積環境為水下河道相（李增學等，2010）。泥礫周緣及含礫砂巖的下部見孔雀石化及輝銅礦化。粒度分析表明由跳躍和懸浮組分組成，跳躍組分為主，斜率低（標準偏差2.35～2.82），分選差，反映快速堆積水動力條件，偏度為正，0.33～0.66，具河道特征；懸浮段較長，斜率低，反映水下分流河道砂巖的沉積特點②。

圖2 花園銅礦賦礦層沉積相序圖

灰綠色厚層狀細砂巖（圖2②）呈相對穩定的條帶狀產出，屬淺湖亞相。僅在與河道相砂體的接觸部位或含植物化石較多的部位見銅礦化。該砂巖普遍具有小型斜層理、平行層理及蟲孔。粒度概率曲線分三段型和二段型③，顯示濱淺湖亞相特征。

淺湖亞相（圖2③、④）為含銅砂巖的上下盤為泥巖不透水層，發育砂紋層理及蟲孔，出露較為穩定，厚度及巖性變化不大。

2.3 中—上新統康村組

滴水銅礦賦礦層位為康村組下段（N1-2k1）砂巖與泥巖互層，產有三層礦體，習慣稱之A層、B層和C層，其中以B和C層為主（圖3）。

圖3 新疆拜城滴水銅礦B、C礦層巖性巖相圖

B層頂板為紫紅色泥質粉砂巖、灰色泥灰巖；底板為紅褐色泥質粉砂巖、泥質粉砂巖夾砂巖，礦化富集于雜色砂巖或不等粒砂巖與灰色泥灰巖之中。該層巖石組合、沉積構造顯示扇三角洲前緣河口沙壩微相特征（李增學等，2010）。砂巖粒度分析曲線為高斜-跳躍-懸浮加過度形式①，跳躍總體斜率高、分選好、累計概率大于60%，懸浮總體大于15%，跳躍與懸浮截點Ф值介于4.5～5。反映河水與湖水不同水動力條件下共同作用的結果。

C層頂板為黃褐色含礫粗砂巖、礫巖；底板為紅褐-灰色粗砂巖、含礫砂巖。C層上部為黃綠-紅褐色粉砂質泥巖，發育水平層理；中部為灰色泥灰巖；下部為雜色中細粒砂巖，發育平行層理。總體反映水動力較弱的河口沙壩與半深湖相環境特征。

3 礦床地質與控礦因素分析

3.1 礦床地質特征

3.1.1 伽師銅礦

伽師銅礦礦區出露地層有異地系統依木干他烏組（D1-2y）、克孜爾塔格組（D3k）、康克林組（C2kk）、巴立克立克組（P1b），原地系統為喀什群（Eks）、克孜洛依組（（E3—N1）k、安居安組（N1a），以柯坪斷裂為推覆構造界面，異地系統向南掩壓于原地系統之上。賦礦層喀什群（Eks）為灰白、灰綠色鈣質細砂巖與含礫砂巖，其下部為膏巖建造。含礦層長3 km，圈定3個礦體，呈層狀、似層狀產出，礦體長100～1050 m、厚1.86～5.36 m，銅平均品位1.32%～1.70%。

礦石礦物主要為孔雀石、藍銅礦、銅藍、赤銅礦、輝銅、斑銅礦、黃銅礦。礦石結構有粒狀結構、交代殘余結構、填隙結構、交代殘余結構等。礦石構造有稀疏浸染狀構造、致密塊狀構造、團塊狀構造、條帶狀及似脈狀構造等。礦床水平分帶不明顯，氧化帶中銅礦物主要為孔雀石、藍銅礦及少量輝銅礦、赤銅礦；混合帶以輝銅礦為主、少量孔雀石；440 m以下以輝銅礦、黃銅礦、黃鐵礦為主。

3.1.2 花園銅礦

花園銅礦出露地層包括克孜洛依組（E3—N1）k、中新統安居安組（N1a）及帕卡布拉克組（N1p），銅礦化產在安居安組下段（N1a1）灰-灰綠色厚層含礫砂巖及中細粒巖屑長石砂巖中，其頂底板均為褐紅色粉砂質泥巖。含銅砂巖層延長約3500 m，圈定銅礦體4條，長120～500 m，平均厚2.51～6.00 m，傾向延伸50～80 m，銅0.57%～1.47%；礦體呈透鏡狀、似層狀產出。

礦區未見明顯圍巖蝕變。含銅礦物主要為孔雀石、赤銅礦、氯銅礦，輝銅礦和自然銅次之。礦石構造有浸染狀構造、條帶狀構造、結核狀構造以及交代充填網狀結構等。

3.1.3 滴水銅礦

滴水銅礦區出露地層有漸新統蘇維依組（E3s）、中新統吉迪克組（N1j）、中—上新統康村組（N1-2k）、上新統庫車組（N2k），西部以穿刺形式產出的鹽丘。銅礦化賦存在康村組下段（N1-2k1）灰綠色泥質粉砂巖、泥灰巖及灰紫色細砂巖中，習慣上分A、B、C層礦，其中B、C層為礦山開采層，B層礦呈層狀、似層狀，長3800～3900 m，延走向及傾向連續性較好，厚1.01～1.26 m、銅品位1.10%～1.11%；C層礦呈似層狀、透鏡狀、飄帶狀，礦體長565～2855 m，厚0.74～1.45 m，銅1.04%～1.39%（劉偉，2008）。

地表礦石主要金屬礦物為赤銅礦、孔雀石、藍銅礦、黑銅礦、氯銅礦、褐鐵礦等，深部主要為輝銅礦、斑銅礦、藍輝銅礦、黃鐵礦等，偶見黃銅礦、方鉛礦、銅藍。礦石結構有粒狀結構、砂狀結構、交代溶蝕結構等，礦石構造為浸染狀、層狀、團塊狀、網脈狀等。

蝕變以近礦圍巖大規模褪色為主，主要表現為褐紅色砂巖、泥巖退色為灰色、灰綠色、淺灰色等淺色調，退色蝕變強度和礦化強度表現為正相關關系，礦化強度高則礦石呈灰綠-灰色-雜色。

3.2 控礦條件分析

3.2.1 伽師銅礦

伽師銅礦巖性是最重要的控礦因素。礦體受古近系喀什群辮狀三角洲前緣水下分流河道微相灰綠

色、灰白色鈣質砂巖及含礫砂巖嚴格控制，下伏石膏為后期成礦的硫源；賦礦砂巖其孔隙度和滲透率較高，對成礦流體的運移和沉淀、富集提供了有利空間；頂底板密閉泥巖具有良好的隔擋功能,來自陸源剝蝕區的含銅物質以碎屑、懸浮體的形式在辮狀河三角洲相砂（礫）巖中沉積構成原始礦源層。

斷裂構造與礦化關系緊密，深源流體通過柯坪塔格斷裂運移至滲透率高的細砂巖層中與初始礦源層疊加，其次級斷裂破碎帶中銅礦化更加強烈，充填含硫化物的方解石脈及輝銅礦化，并見穿層脈狀交代蝕變（圖4a～b）。

3.2.2 花園銅礦

花園銅礦化嚴格受控于安居安組下段（N1a1）灰綠色塊狀水下河道相透鏡狀產出的含礫砂巖體及其直接上覆的淺湖亞相灰綠色巖屑石英細砂巖（圖4c～d），礦體頂底板均為泥巖，砂巖中銅礦化強弱與所含植物化石多少呈正相關，預示銅礦化僅限于疊加在河道相含礫砂巖之上的淺湖湘砂巖。

3.2.3 滴水銅礦

滴水銅礦礦化嚴格受控于康村組（N1-2k1）扇三角洲前緣河口沙壩微相雜色砂巖及深湖相-河口沙壩微相雜色粉砂質泥巖、泥灰巖、細砂巖，賦礦細砂巖具有較高的滲透率，頂底板為密閉性較好的泥質粉砂巖，礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀均為巖相巖性控礦的具體體現。

b、c層礦體在深部可見呈脈狀穿切巖石層理，表明礦體有后期改造作用（圖4e）。斷裂面及巖石裂隙中廣泛分布有機質殘留薄層（膜）或網脈，與礦體富厚地段分布顯示伴生關系。礦區鹽丘體與圍巖及斷裂破碎帶等構成鹽丘體系統，鹽丘體提供氯銅礦，與溶解的膏鹽共同構成含銅鹵水沿斷裂上侵于含礦層（圖4f），對銅礦的形成起到重要的疊加成礦作用。

圖4 西南天山新生代砂巖型銅礦斷裂、巖性與礦化關系

4 成礦作用與成礦模式

4.1 成礦作用研究

4.1.1 伽師銅礦成礦作用

（1）成礦物質來源：礦石中輝銅礦同位素測試結果表明，δ34S值變化范圍較窄，在-33.4‰～-24.6‰之間，極差8.8‰，平均-29.7‰，表明伽師銅礦輝銅礦為輕S同位素富集；硫同位素分布圖中δ34S值均落入沉積巖硫同位素分布范圍②。結合礦體下賦地層含石膏的事實，認為礦區硫最可能來自于盆地中有機硫的還原作用。206Pb/204Pb比值范圍 為18.607～18.376，207Pb/204Pb 為15.654～15.612，208Pb/204Pb 為38.475～38.747（王思程等，2011）；在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb圖上，所有樣品均投于造山帶與上地殼之間，在208Pb/204Pb-206Pb/204Pb上，投點靠近造山帶演化線，指示成礦金屬來自于上地殼和造山帶，無深源物質加入，暗示礦床金屬元素來源于圍巖地層或盆地基底的碎屑物質。

（2）成礦階段與成礦年代：礦體產于古近系中，限定其成礦時代為古近紀之后，輝銅礦Re-Os同位素年代學測試，其模式年齡集中11～13 Ma②，與賦礦層位年代明顯不一，推測主成礦時代在漸新世之后，是原始沉積與推覆構造流體運移耦合的結果。

4.1.2 花園銅礦成礦作用

花園銅礦未見盆地鹵水與后期成礦熱液疊加成礦現象，成礦階段可劃分沉積期、成巖期、氧化淋濾期三個階段。中新世穩定的寬淺湖環境下，富銅剝蝕物被河流帶入湖泊，以溶解態、懸浮顆粒態、絡合物態遷移，在河湖交接部位氧化-還原障環境下沉積，構成原始礦源層。在成巖期一定的溫度與壓力下，紅層中建造水溶解原始礦源層中的銅離子形成絡合物，與富含有機質的還原性流體在安居安組河道相砂礫巖及淺湖亞相砂巖中形成對流，萃取成礦物質，在泥巖圈閉作用下于砂（礫）巖中聚集沉淀成礦。晚喜山期，賦礦層位發生在褶皺過程中及大氣降水與地下水的共同作用下，隨潛水面的變化，銅礦物質氧化、遷移，構成以孔雀石、赤銅礦、氯銅礦為主的銅礦體。

4.1.3 滴水銅礦成礦作用

（1）成礦物質來源分析：礦石中輝銅礦同位素組成表明礦石δ34S全部為負值，δ34S值變化范圍為-39.5‰～ -51.5‰，平均-46.00‰，與全球多數砂巖銅礦δ34S值特征吻合。含礦層下部發育古近系膏巖，且礦體富礦段廣泛分布有機質，認為硫的來源可能與硫酸鹽細菌還原和有機質還原有關。

（2）為研究滴水銅礦成礦時代，本次工作采用了兩種測年手段，樣品采自礦山1364 m、1350 m和1275 m中段B層礦體。

①磷灰石裂變徑跡測年：采用Zeta(ζ)常數校準法進行測定，標準樣Zeta常數為410±17.6，測試結果見表1。

表1 滴水銅礦區磷灰石裂變徑跡分析結果表

本次檢測的3件樣品測試年齡范圍在52～59 Ma之間，比康村組（N1-2k）地層時代（6～22 Ma）老，認為樣品中磷灰石裂變徑跡所記錄的年齡是古新世—始新世（E1—E2）與膏鹽、巖鹽同時期形成的銅礦物的退火冷卻年齡，為后期成礦的主要物源。

②錸鋨同位素測年：樣品分析結果見表2。從表中看輝銅礦單礦物樣品W（Re）變化于203.5×10-6～439.4×10-6，平 均313.6×10-6；w（187Os）變化于0.4731×10-6～1.054×10-6，平均 0.7307×10-6。

表2 新疆拜城縣滴水銅礦區輝銅礦錸鋨同位素數據一覽表

5件樣品數據擬合出187Re/187Os等時線所計算出等時線年齡為（36.1±2.6）Ma（MSWD值為0.99），推測為與始新世膏鹽、巖鹽伴生的銅礦物隨后期成礦流體沿斷裂上侵至賦礦層位疊加成礦的具體體現。

4.2 成礦模式

4.2.1 伽師式砂巖型銅礦成礦模式

柯坪古陸含含銅巖石剝蝕物為伽師銅礦形成提供了豐富的物源，Cu以氧化態、游離態或絡合物態隨地表流水攜帶到陸緣盆地，在辮狀三角洲前緣水下分流河道微相砂礫巖中形成礦源層。成巖階段由層間水和孔隙水構成的盆地鹵水開始大規模的循環和排泄，不斷萃取下伏的或側向上礦源層中的銅質，在此過程中石膏層、有機質共同作用形成的H2S使礦源層中的銅還原出來，在透水性較好的含鈣質砂巖中聚集，富集成礦。喜山期柯坪隆起向南大規模推覆，強大的擠壓應力驅使深部富含有機質的還原性成礦流體沿基底斷裂（柯坪塔格斷裂）上升，在賦礦層氧化性盆地系統內循環流動，萃取其中的銅離子，在滲透率較高的礦源層和與其交匯的斷裂發育部位及背斜轉折端等部位聚集疊加成礦（圖5）。

圖5 伽師式砂巖型銅礦成礦模式

4.2.2 花園式砂巖型銅礦成礦模式

花園地區銅體位于水體不太深的盆地內，盆地相對穩定并長期接受富含銅礦的陸源沉積。賦礦的砂巖體普遍呈透鏡狀，呈現水下河道相沉積特征，氧化環境下富含銅礦物質的砂質碎屑深入還原環境的湖體中，在氧化-還原地球化學障的作用下沉淀形成銅礦。而受河道相碎屑流的影響而擴展至淺湖相中的細砂質沉積物除具備富含銅成礦物質外，有機質（植物）的參與下形成條帶狀及團塊狀銅礦化，因此匯入盆地的攜帶大量銅質的水下河道砂巖與淺湖相環境對銅礦體的形成起到至關重要的作用（圖6）。

圖6 花園式砂巖型銅礦成礦模式

4.2.3 滴水園式砂巖型銅礦成礦模式

中新世末期庫車盆地周緣基底含銅巖石在干燥炎熱氣候下風化剝蝕，攜帶有大量有機物以及與Cl-、SO42-、CO32-、OH-等形成鹽類溶液或膠體溶液的銅離子被流水搬運至湖泊內沉積，深湖相區相對閉塞環境中的微生物對有機質進行分解產生大量的H2S，改變了水體物化條件，鹽類銅溶液和含銅膠體溶液圍繞質點聚集沉淀形成原始礦源層。在成巖期，含有CH4成分的盆地鹵水在康村組高滲透性的砂巖中運移、儲集，在氧化-還原界面富集生成斑銅礦、輝銅礦等，構成層狀、似層狀銅礦體。晚喜山期強烈的構造擠壓應力造成賦礦層下的巖鹽塑性流動向上穿刺形成鹽丘，鹽膏與含銅鹵水沿斷裂通道運移疊加成礦（曹養同等，2010）。含硫銅礦物在大氣水及氧氣、二氧化碳等直接參與下，形成了大量銅的氧礦物淋濾聚集，構成銅礦物富集的雜色層（郭全，2007），構建的成礦模式見圖7。

圖7 滴水式砂巖型銅礦成礦模式

5 結論

（1）西南天山新生代砂巖型銅礦均產于紅層盆地之中，盡管其賦礦層位不盡一致，但其下均存在生烴巖與膏巖，其上覆均為密閉性較好的泥巖層，自身為滲透率較高的砂巖層。

（2）西南天山新生代砂巖型銅礦嚴格受層位與巖性、巖相控制；伽師式砂巖型銅礦受控于Eks辮狀三角洲前緣水下分流河道微相砂礫巖；花園式砂巖型銅礦受控于N1a1水下河道相含礫砂巖體及淺湖亞相細砂巖；滴水式砂巖型銅礦受控于N1-2k1河口沙壩-深湖相砂巖-泥灰巖。

（3）除花園式砂巖型銅礦屬沉積型銅礦外，伽師式砂巖型銅礦的富礦體形成明顯與盆地鹵水及深源成礦流體疊加有關；滴水式砂巖型銅礦富礦體形成與盆地鹵水疊加、鹽丘構造疊加成礦有關，而且與后期氧化淋濾富集有著重要的關系。

（4）伽師式砂巖型銅礦、花園式砂巖型銅礦與滴水式砂巖型銅礦的成礦模式對同類型礦產的勘查與找礦具有指導意義。

注 釋

①有色金屬礦產地質調查中心.2019.西南天山成礦帶霍什布拉克-烏拉根礦產地質調查報告[R].

② 北京礦產地質研究院.2018.西南天山中新生代砂礫巖型銅鉛鋅礦成礦潛力與靶區優選評價報告[R].

③滇黔桂石油勘查開發研究院.2001.塔西南坳陷喀什凹陷北部石油地質綜合研究[R].