Question

穆家庄铜矿床地质特征、成矿模式及找矿模型

Answer 1

1.矿区地质背景

穆家庄铜矿床位于中秦岭弧前盆地之柞(水)-山(阳)泥盆纪热水沉积盆地中南部,山阳-柞水断裂北侧(图3-30)。区内出露地层为一套巨厚的中泥盆统碎屑岩建造。该矿床赋矿地层为中泥盆统青石垭组(D₂q),其岩石组合为灰-浅灰色绢云母千枚岩,含泥质、粉砂质条带(纹)白云岩、粉砂质绢云母千枚岩、白云质粉砂岩。青石垭组进一步可分为4个岩性段:下部(第一岩性段)为白云质粉砂岩夹绢云母千枚岩及泥灰岩;中部(第二岩性段)为条带状白云岩或纹层状白云岩、粉砂质白云岩夹白云质粉砂质千枚岩,该岩性段为主要赋矿岩层; 中上部(第三岩性段)为粉砂质千枚岩夹粉砂质白云岩或泥灰岩; 上部(第四岩性段)为白云质粉砂质千枚岩、绢云母千枚岩夹白云质粉砂岩。青石垭组第二岩性段(D₂qb₃)为赋矿层位,主要由含铁白云岩、绢云母千枚岩组成的条带状粉砂质白云岩组成。

图3-30 柞水县穆家庄铜矿区地质简图

红岩寺-黑山街复式向斜为区域主体褶皱构造,核部地层为石炭系,北翼被印支-燕山期花岗岩侵蚀而残缺不全; 南翼地层为中、上泥盆统,岩层北倾,局部次级背斜、向斜构造发育。穆家庄矿区即受控于红岩寺-黑山街向斜南翼的次级背斜——金钱河-胡家沟倒转背斜,该背斜南翼陡,北翼缓。在金井河-胡家沟背斜南翼近轴部岩层(D₂qb₃)破碎带较发育,矿化较好,而背斜北翼相同层位矿化鲜见,断层破碎带也不发育。

矿区内近EW向断裂发育,控制着矿区内矿化带及矿体的展布。主要矿体发育于近背斜轴部挤压片理化破碎带中,它是由许多小断面组成的软弱带,由于断面的相对位移不大,又因为平行片理化带的断面常呈舒缓波状,因而矿体常常呈大小不等的透镜体,有时为细小的密集小矿脉相互交替或尖灭再现。断裂带的结构与矿化类型与蚀变构造带有良好的协同性。主构造带中常见角砾岩和含铜铁白云石石英脉,显示出早期可能为张性环境,同时在矿区范围内还常见张性裂隙中充填的铁白云石石英脉。主构造中常见围岩透镜体和黑云母角岩透镜体,大小不等,同时在构造带两侧,尤其是上盘多见片理化带和泥化带,显示出挤压性质,走向明显存在膨大、缩小现象和挤压扩容现象,构造扩容部位常发育厚大矿体。

区域上岩浆活动强烈,以印支-燕山期中酸性岩最发育。西、北部有印支期柞水、曹坪二长花岗岩等大岩基; 东部产有燕山期中酸性小斑岩体,如袁家沟、小河口、双元沟等,呈群呈带产出,控制了斑岩型、矽卡岩型铜矿的产出。矿区内岩浆活动不明显,仅在冷水沟地段分布有数条规模较小的煌斑岩脉,未显示出与矿化的直接相关性。

2.矿床地质特征

穆家庄矿床分为3个矿段:穆家庄矿段、石泉沟矿段和北川沟矿段,且以穆家庄矿段为主。穆家庄矿段圈定矿体10余条,石泉沟矿段和北川沟矿段各圈定两条矿体。矿区累计圈定了8条铜矿化带,其中以Ⅲ号铜矿化带及其矿体规模最大(图3-31),典型的如Ⅰ-1、Ⅲ-1、Ⅲ-2号矿体。

Ⅰ-1矿体:矿体分布于Ⅰ号铜矿化带7～24勘探线间,长800m,平均厚度为3.36m;矿体呈似层状,总体向西侧伏,产状稳定,倾向10°～30°,倾角70°～85°,平均品位为0.64%。

Ⅲ-1矿体:地表出露于33～37勘探线之间,长180～230m。矿体总体呈似层状、透镜状,走向上西部楔形尖灭,东部被SN向断层错断,矿体平均厚度为13.17m,平均品位为1.70%。矿体倾向NE,局部直立或反倾。

Ⅲ-2矿体:位于Ⅲ-1矿体东延49～85线之间,属隐伏矿体。矿体呈似层状-透镜状,走向上西部被SN向断层错断,东部稳定延伸,平均厚度为8.49m,品位为0.91%。

主矿体呈厚大透镜状沿层间构造破碎带产出。含矿热液沿构造裂隙充填并交代围岩,形成以充填为主、交代为次的矿石结构构造特征(图3-32)。脉状矿石、角砾状矿石的黄铜矿、黄铁矿、磁黄铁矿均为他形粒状结构; 黄铜矿和磁黄铁矿共边结构; 黄铜矿沿黄铁矿边缘裂隙交代形成交代侵蚀结构和交代残余结构; 在浸染状矿石中还可见黄铁矿呈立方体及五角十二面体自形晶结构。

围岩蚀变主要有铁白云石化、硅化、黑云母化和绿泥石化,其次有白云石化、电气石化和方解石化等。金属矿化多与铁白云石化、硅化、黑云母化、绿泥石化等蚀变关系密切。

根据野外观察和室内镜下鉴定,穆家庄铜矿床矿石矿物存在如下5种组合:①绢云母+黑云母+铁白云石+石英+(黄铜矿)+黄铁矿; ②黑云母+绿泥石+石英+黄铜矿+黄铁矿+磁黄铁矿;③铁白云石+石英+黄铜矿+黄铁矿+磁黄铁矿; ④菱铁矿+方解石+黄铁矿+黄铜矿(少量); ⑤铁白云石+白云母+石英+黄铁矿。前3种矿物组合是该矿床主要矿物组合类型,代表了富矿的主要组合,也是矿山开采矿石的主要对象。

图3-31 穆家庄铜矿床43线剖面地质图

图3-32 穆家庄铜矿床矿体/矿石典型组构

依据矿石组构和矿物共生组合,矿床成矿阶段分为3期,即沉积成岩期、热流体交代期和表生氧化期。沉积成岩期形成少量黄铁矿等金属矿物。热流体交代成矿期分为两个成矿阶段:①黄铁矿-(黄铜矿-黑云母)-铁白云石阶段,主要随褶皱的形成在褶皱轴部地层劈理等处充填黄铁矿-(黄铜矿)-铁白云石脉,形成脉体密集带; ②石英-铁白云石-黄铁矿-黄铜矿-黑云母阶段,主要是流体进一步活动,使先期形成的黄铁矿铁白云石脉破碎或使层间的浸染状铜矿化岩石进一步破碎形成条带状、团块状、块状富矿体,这是穆家庄铜矿主要成矿阶段。表生氧化期主要形成一些氧化矿石,由于控矿断裂陡倾,构造带较宽,因而氧化深度较大,最大氧化深度达到180余米,是矿体倾向延深的近三分之一

3.矿床地球化学特征

(1)稀土元素岩、矿石稀土元素分析(朱华平等,2005b; 祝新友等,2011)表明,穆家庄铜矿床块状富矿石稀土元素总量变化为(30～56)×10^-6,浸染状贫矿石稀土元素总量变化为(168～184)×10^-6,近矿蚀变围岩稀土元素总量变化为(81～250)×10^-6,近矿源岩的稀土元素总量变化为(152～176)×10^-6,远矿源岩的稀土元素总量变化为(131～338)×10^-6。从稀土元素总量来看块状富矿的稀土元素总量少,主要是由于矿石中含有较多硫化物的缘故,浸染状贫矿石与近矿源岩的稀土元素总量相当,表明含矿岩石与矿源岩矿物组成基本一致; 从稀土元素配分模式分析,块状富矿石稀土元素配分模式与近矿蚀变围岩及近矿源岩不同,显示出不同的物质来源。

(2)铅同位素

朱华平等(2005b)对矿石、近矿围岩铁白云石黑云母化千枚岩、硅化条带状白云岩和远矿未蚀变的地层样品进行了铅同位素分析,结果表明穆家庄矿石黄铜矿铅同位素组成²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb变化为21.496～23.533,²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb变化为15.775～15.972,²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb变化为40.221～41.426,显示出U成因铅和Th成因铅含量高,前者变化较后者大; 围岩岩石铅同位素组成²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb变化为17.933～18.598,²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb变化为15.469～15.527,²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb变化为37.693～37.859; 近矿蚀变围岩岩石铅同位素组成²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb变化为20.125～22.799,²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb变化为15.671～15.770,²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb变化为38.580～39.054(表3-20),其U、Th成因铅变化规律与矿石黄铜矿一致,异常铅仅分布在矿体及蚀变围岩狭窄的范围内,表明它们受同一种铅源的控制。依据铅同位素动力演化模式分析(朱华平等,2005b),仅围岩岩石铅同位素落在地幔与造山带之间,而黄铜矿矿物铅和近矿蚀变围岩岩石铅均落在动力演化曲线之外,作者认为穆家庄铜矿床铅可能与后期改造作用有关。

表3-20 穆家庄铜矿床矿石、围岩铅同位素组成

注:据朱华平等,2005b。

穆家庄铜矿和密西西比河谷型铅锌矿床的矿石铅同位素组成相似,具有Ⅰ型异常铅特征,说明穆家庄铜矿床矿石异常铅来自于某个Th、U异常铅的混入,穆家庄铜矿区范围内沉积岩并无Th、U异常层,异常铅组成和寒武系的异常铅组成相似,表明穆家庄铜矿的铅源来自于寒武系。

(3)硫同位素

由表3-21和图3-33可以看出,穆家庄铜矿床矿石矿物的δ³⁴S值为+8.02‰～+11.81‰,平均值为+10.52‰,硫同位素组成集中,塔式效应不明显。其中黄铁矿的δ³⁴S值在+8.43‰～+11.81‰之间变化,黄铜矿的δ³⁴S值在+8.02‰～+10.60‰之间变化,磁黄铁矿的δ³⁴S值变化在+8.22‰～+10.44‰之间,它们的δ³⁴S值组成顺序大致为:黄铁矿>磁黄铁矿≥黄铜矿,可以认为体系中的硫化物基本上达到了硫同位素平衡。其中两件样品通过黄铁矿与黄铜矿矿物对温度计:1000lnα=4.5×10⁵/T^-2(应用公式温度范围250～650℃; H.Ohmoto et al.,1979)计算,获得矿物形成温度为267～282℃,说明硫同位素的均一化程度较高。

表3-21 穆家庄铜矿床不同类型矿石硫同位素组成

注:据朱华平,2004。中国地质科学院矿产资源研究所同位素实验室测定,单矿物纯度在98%以上,硫同位素组成分析精度为0.2‰。

图3-33 穆家庄铜矿区硫同位素组成图解

(4)成矿流体特征及氢、氧同位素流体包裹体分析表明,穆家庄铜矿流体包裹体在同一寄主矿物中均一温度变化小,而盐度变化极大,显示为岩浆流体沸腾的产物。含矿流体在演化过程中经历了两个阶段的演化:第一阶段的成矿流体为中温(190～250℃)、中 -高盐度(12.5% ～35.34%,w(NaCl))含CO₂的NaCl-H₂O型岩浆流体; 第二阶段流体为中高温(300～350℃)、中-高盐度(7.4%～41.59,w(NaCl))的NaCl-H₂O型岩浆流体,反映了岩浆期后热液流体的二次沸腾。

氢、氧同位素分析能提供成矿流体性质及来源的证据。从氢、氧同位素图解中(图3-34)可以看出以下规律:穆家庄铜矿床的氢、氧同位素明显落入原生岩浆水范围内(朱华平等,2005b),表明穆家庄铜矿床的成矿流体为岩浆水,这与邻区喷流沉积型桐木沟锌矿床不同。

图3-34 穆家庄铜矿床与桐木沟锌矿床氢、氧同位素图解

4.成矿时代

关于穆家庄铜矿床的形成时代目前尚没有精确的测年数据报道,但根据穆家庄铜矿矿体的产出特征和同位素特征分析,笔者认为穆家庄铜矿主要为构造控矿,控矿断裂切穿上泥盆统刘岭群,而该地区自晚泥盆世到印支期之间缺少岩浆侵入。因此,结合前人资料和本次工作,分析推测穆家庄铜矿床可能与印支期或燕山期岩体侵位有关,成矿时代为石炭纪-侏罗纪。

5.矿床成因及成矿模式

(1)矿床成因

穆家庄铜矿矿体主要呈透镜状、脉状和似层状沿构造破碎带分布,矿石以充填、交代构造为主,具明显的改造特征; 成矿物质显示富矿石与近矿蚀变围岩及远矿未蚀变地层不同; 含矿流体以岩浆热液为主,显示出岩浆热液沸腾流体特征。因此,笔者认为该矿床属热液改造型铜矿。

(2)成矿模式

综合前述成矿地质特征和矿石特征,认为穆家庄铜矿主要经历了两大演化期,其成矿模式可概况如图3-35所示:①海西期,伴随南秦岭地块从扬子板块北缘裂解出去,产生了一系列EW向裂陷带,形成一系列规模、方向各异的基底断裂构造,各断裂构造的差异运动导致在EW向裂陷带中形成不同的泥盆纪凹陷盆地,在盆地接收正常海相沉积的同时,通过同生断裂的海底喷流作用带来了丰富的Cu、Fe、S等成矿物质,并同时沉积成岩,形成初始矿源层或贫矿层,伴随有条纹状、层纹状、浸染状黄铁矿、磁黄铁矿和黄铜矿产出:②印支-燕山期.区域上有深层岩浆侵入.深部岩浆侵入所带来的热液与岩层建造水产生对流,使海西期海底喷流沉积形成的成矿物质再次活化,并沿着褶皱(背斜)轴向运移,在褶皱轴部或断裂构造有利部位(层间破碎带)沉淀、富集成矿。

图3-35 穆家庄铜矿床成矿模式示意图

6.找矿模型

穆家庄铜矿床受EW向断裂控制,属构造热液改造型铜矿。综合以上矿床地质及物化探异常特征研究,建立其找矿模型如下:

1)钠长角砾岩、绢云绿泥千枚岩、菱铁岩、重晶石岩层及硅质岩层等热水沉积岩分布区,其中炭硅质岩建造即含炭铁白云质千枚岩尤为重要。

2)围岩蚀变为黑云母化、铁白云石化、硅化等,地表铁帽含孔雀石,并有相应的化探异常相伴。

3)NWW向断裂构造部位。

4)化探异常组合为单铜异常,分散流异常元素组合为Pb-Ag-Cu-As,且Zn×100/Cu小于1为铜矿体,Cu、Zn具明显的分离富集规律。

5)地球物理异常特征为激电率在4%～6%之间变化。