新疆伽师铜矿床地质-地球化学特征及矿床成因

赵德怀，华北，庞波，吴浩，梁东，祁斌年

(1.中国冶金地质总局新疆地质勘查院，乌鲁木齐 830011；2.中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京 101300；3.伽师县铜辉矿业有限责任公司，新疆 喀什 844300)

0 引言

新疆维吾尔自治区的伽师铜矿位于塔里木北缘的柯坪塔格Pb-Zn-Cu-Fe-V-Ti-磷矿带[1]中，为产于新生界古近系苏维依组中的铜矿床。近年来，在伽师铜矿周边的地质矿产调查工作中，又先后发现了同类型的通古孜阿格孜、喀什噶尔北和土鲁库木希铜矿点(图1)，形成了南疆地区重要的资源勘查基地。

图1 伽师铜矿区域地质矿产略图Fig.1 Regional geological and mineral resources map of surrounding area of Jiashi Cu deposita.新疆板块构造示意图；b.区域构造单元划分示意图；c.伽师铜矿床区域地质图(据注释①，修改)；1.第四系；2.新近系吉迪克组；3.古近系苏维依组；4.上白垩统巴什基奇克组；5.下二叠统巴立克立克组；6.上石炭统康克林群；7.上泥盆统克兹尔塔格组；8.下-中泥盆统依木干他乌组；9.中-顶志留统塔塔埃尔塔格组；10.下志留统柯坪塔格群；11.辉绿岩脉；12.地质界线；13.平行不整合界线；14.逆断层；15.地层产状；16.砂岩型铜矿床(点)；17.石膏矿；18.图2(矿区)范围

通过系统性的地质勘查工作，基本查清了伽师铜矿床的地质特征及找矿标志[2]；对铜矿石硫化物的S、Pb同位素地球化学研究，确定了Cu元素来源于沉积盆地周围的蚀源区[3]；对成矿流体及流体包裹体的稳定同位素研究，确定了成矿流体属于地下热卤水且有有机质参与成矿过程[4]；研究者大都认同矿床属于沉积层控型砂岩铜矿的基本观点[2-8]，近年对成矿过程中有机质和推覆构造的控制作用进行了研究[4,8]，认为矿床存在改造作用，提出沉积-改造型矿床的成因观点[4]；对苏维依组(E3s)进行的地球化学、粒度、盐度、气候指数分析认为，赋矿地层物源区的环境为靠近活动大陆边缘、古地理相为干热海退咸化湖相[9]。

目前，伽师铜矿区岩石的地球化学特征研究方面还有待深入研究。为此，本文在对该矿床地质特征概述的基础上，通过矿区岩石的常量元素、微量元素和稀土元素的地球化学特征探讨赋矿层的构造环境、成矿物质来源及矿床成因分析，以期为塔里木陆块西北缘寻找该类型铜矿提供参考。

1 区域成矿背景

伽师铜矿床地构造位置位于塔里木—华北板块西端塔里木微板块以北的柯坪古生代前陆盆地南部边缘，柯坪盆地以北以南天山面缘断裂为界与阔克塔勒晚古生代陆缘盆地毗邻，其南则以柯坪塔格断裂为界与塔里木中央地块相接(图1b)。

区域地层发育较全，从寒武系至第四系基本均有出露，仅缺失三叠系—侏罗系。寒武系—奥陶系为海相碳酸盐岩建造；志留系为陆源碎屑岩建造；泥盆系为陆源磨拉石-细碎屑岩建造；石炭系为海相碳酸盐岩建造；二叠系为海相碳酸盐岩夹细碎屑岩建造；白垩系为碎屑岩夹火山碎屑岩建造；古近系为陆源碎屑岩夹石膏沉积，见底砾岩，是区域砂岩型铜矿的主要含矿层位；新近系为陆源细碎屑岩沉积。

区域断裂以奥兹格他乌、柯坪塔格等断裂为代表，总体走向近EW，倾向N，具有上陡下缓的铲式特征；NW走向的断裂不甚发育，切割EW向断裂[2]。区域褶皱为柯坪塔格背斜，背斜宽约2～15 km，向S侧伏，为不对称背斜(图1c)，北翼地层倾角10°～15°，南翼地层倾角70°～85°。背斜轴向近EW，核部轴线波状摆动，摆动角5°～10°。由于柯坪塔格背斜在走向上受柯坪塔格断裂的影响，其南翼的部分地层变窄或缺失。

区域岩浆活动不发育，只在二叠系中见少量的辉绿岩脉或岩枝[3]，并具有褐铁矿化、绿泥石化蚀变。

在柯坪塔格背斜两翼的古近系苏维依组(E3s)中发现了许多砂岩型铜矿(化)点，目前在南翼发现有通古孜阿格孜、伽师、西克尔等铜矿床(点)，北翼发现有喀什噶尔北、土鲁库木希等铜矿点。

2 矿床地质特征

2.1 矿区地质特征

伽师铜矿区位于柯坪塔格背斜南翼西段靠近转折端的部位，地层呈NW向展布，倾向SW，倾角较大，深部变陡至直立并有倒转。

矿区地层由北向南依次出露有下-中泥盆统依木干他乌组(D1-2y)：绛红色粉砂岩夹砂岩，与上覆的克兹尔塔格组呈整合接触；上泥盆统克兹尔塔格组(D3k)：具交错层理的砖红色石英砂岩，与上覆的康克林组呈平行不整合接触；上石炭统康克林组(C2kk)：厚层生物灰岩、灰黑色灰岩，与上覆的巴立克立克组呈整合接触；下二叠统巴立克立克组(P1b)：生物灰岩、泥灰岩夹泥岩，与上覆的巴什基奇克组呈平行不整合接触；上白垩统巴什基奇克组(K2b)：紫红色凝灰岩，与上覆的苏维依组呈平行不整合接触(图2)。

图2 伽师铜矿床地质图Fig.2 Geological map of Jiashi Cu deposit1.第四系：冲积物、洪积物及坡积物；2.新近系吉迪克组上段：杂色粉砂岩，夹石膏；3.新近系吉迪克组中段：土褐色粉砂质泥岩；4.新近系吉迪克组下段：土褐色泥质粉砂岩；5.古近系苏维依组上段：砖红色泥岩与浅灰绿色粉砂岩互层，夹硬石膏；6.古近系苏维依组下段：粉砂质泥岩、泥岩、含铜钙质细砂岩夹石膏；7.上白垩统巴什基奇克组：紫红色凝灰岩；8.下二叠统巴立克立克组：生物灰岩、泥灰岩夹泥岩；9.上石炭统康克林组：厚层生物灰岩和灰黑色灰岩；10.上泥盆统克兹尔塔格组：交错层理砖红色石英砂岩；11.下-中泥盆统依木干他乌组：绛红色粉砂岩夹砂岩；12.铜矿体及编号；13.地质界线；14.平行不整合界线；15.地层产状

古近系渐新统苏维依组(E3s)出露在矿区中部，按照岩性大致分为2个岩性段：下段(E3s1)为砖红色粉砂质泥岩、泥岩，夹薄层浅灰白色泥质石膏岩、巨厚层浅灰白色石膏岩、灰绿色含岩屑钙质细砂岩等，为矿区主要赋矿岩性段，铜矿赋存于灰绿色细砂岩中；上段(E3s2)为薄-中厚层砖红色泥岩与浅灰绿色粉砂岩互层，夹少量薄层硬石膏。

矿区南部出露有新近系中新统吉迪克组(N1j)，可分为3个岩性段：下段(N1j1)为土褐色泥质粉砂岩，中段(N1j2)为土褐色粉砂质泥岩，上段(N1j3)为杂色粉砂岩夹少量的细脉状石膏。第四系(Q)分布于矿区西南部，沿沟谷分布，主要为冲积物、洪积物和坡积物堆积。

矿区构造。矿区北部发育一条NW走向的逆冲推覆断层，另有次级走滑断裂、顺层走滑断裂发育，以NE走向为主，NW走向次之，但总体对矿体连续性影响不明显[8]。

矿区内未见岩浆岩出露。

2.2 矿体特征

铜矿体的主要赋存层位为古近系渐新统苏维依组下段(E3sa)，矿体主要赋存在灰绿色细砂岩中，少量赋存于中粗粒砂岩中；含矿层总体近NW走向，地表断续延长约18 km，共分为3个矿段：西部的大山口矿段，中部的拜什塔木—天源腾矿段和东部的西克尔矿段。大山口矿段矿体走向308°，断续长约600 m，圈定2个矿体(Ⅱ-1和Ⅱ-2)；拜什塔木—天源腾矿段矿体走向296°，断续长约2460 m，圈定3个矿体(Ⅰ-1、Ⅰ-2和Ⅰ-3)，其中Ⅰ-1号铜矿为矿区的主矿体；西克尔矿段矿体走向290°，长约5100 m，其中108号—260号勘查线间(长约4500 m)为无矿地段，圈定了2个矿体(Ⅰ-4和Ⅰ-5)。

矿区各矿体的主要特征见表1。

表1 伽师铜矿区矿体特征Table 1 Ore bodies′ characteristics of the Cu deposit

以矿区主矿体Ⅰ-1号矿体为例对矿体特征进行简述。

Ⅰ-1号铜矿体呈层状、似层状，地表由TC81、TC82、TC2、YD7等4个工程控制，中深部有1254～640 m共16个中段的坑道控制，深部0线到59线共有32个钻孔控制。在2号—17号勘查线间矿体出露地表，出露长度为603 m，高程为1305～1350 m；在15中段控制矿体的最大长度为1338 m，矿体最低工程控制高程为356 m，矿体的倾向最大延深为970 m，矿体走向延伸长度大于倾向延深；矿体厚度在走向上呈纺锤状，在倾向方向则变化不大，矿体平均厚度为4.62 m，厚度变化系数为29.36%～50.02%，属厚度稳定型矿体；矿体的铜品位在走向延伸方向上呈现低→高→低的变化特点；沿倾向960～840 m标高范围内铜的品位有逐渐增高趋势，在840～640 m标高范围内铜品位逐渐降低，铜平均品位1.4%，矿体厚度与矿体铜品位具有正相关关系；矿体产状较为稳定，地表至900 m标高，矿体倾向196°～203°，平均199°，倾角79°～81°，平均80°，800～900 m标高，矿体倾向逐渐变为13°～18°，平均16°，倾角55°～87°，平均76°，矿体明显向NW侧伏，侧伏角40°～50°；在1092 m中段，Ⅰ-1号矿体被一组NE向逆断层(倾向120°～134°，倾角45°～55°)切错，呈不等距分布，视水平断距一般为3～5 m，最大断距26 m，对矿体连续性有一定的影响。

2.3 矿石特征

矿石中金属矿物主要为辉铜矿(4%～16%)、铜蓝(3%～7%)和零星黄铁矿、磁铁矿；氧化金属矿物有孔雀石(3%～11%)和零星褐铁矿、微量针铁矿等。主要非金属矿物为石英(45%～55%)、钾长石(10%～20%)、方解石(5%～15%)、斜长石(5%～15%)和绢云母等。矿石有益组分是Cu，品位w(Cu)=0.2%～8.99%，平均1.64%；伴生有益组分为Ag和S，矿石中Ag与Cu的消长关系不明显，S与Cu呈同消长关系，其它伴生元素均达不到综合利用指标。

铜矿石的结构为砂状结构(图3a)、填隙结构(图3b)、交代残余结构(图3c)等。矿石构造为条带状构造(图3d)、团块状构造(图3e)、薄膜状构造、稀疏浸染状构造等。

图3 新疆伽师铜矿野外照片及矿石显微照片Fig.3 Photos of Jiashi Cu deposit taken in the field and microscopic photos of the orea.砂状结构(薄片，反射光)；b.辉铜矿呈胶结物分布于碎屑间隙(反射光)；c.辉铜矿被铜蓝交代；d.矿层的条带状辉铜矿(混合井8中段)；e.团块状构造；f.辉铜矿与黄铁矿共生(10中段)；Q.石英；Kf.钾长石；Pl.斜长石；Cc.辉铜矿；Co.铜蓝；Mal.孔雀石；Py.黄铁矿

表2 伽师铜矿样品元素含量地球化学特征值Table 2 Geochemical characteristic values of the element content of the Cu ore samples

3 地球化学特征

3.1 成矿元素特征

对伽师铜矿区井下和地表的岩石进行采样，开展成矿元素分析。共采集218件岩石样品。

对样品进行Au、Ag、Ba、Co、Cu、Mn、Mo、Pb、V、Zn、As、Sb等12种元素的测试，对分析结果进行计算并与地壳克拉克值对比(表2)，发现矿区内Cu、Ag、As、Sb、Mo、Pb、Ba元素相对富集，其中Pb、Cu、Ag、As的富集倍数较大，分别为11.52倍、9.09倍、4.88倍、3.98倍；Au、Co、Mn、V、Zn元素相对分散。

对矿区铜矿样品(n=218)、白垩系巴什基奇克组的凝灰岩样品(n=9)和古近系苏维依组中不同颜色的非矿石样品(n=176)Cu元素的质量分数进行的统计分析(表3)显示：Cu元素平均值>572.75×10-6，高于土样(162.8×10-6)，原因可能为在矿区取的矿石样品较多，故矿区Cu背景值以土样(162.8×10-6)为标准；与Cu的地壳克拉克值(63×10-6)相比，矿区整体表现为Cu富集，所取土样Cu含量较高(为地壳克拉克值的2.58倍)；灰绿色细砂岩为矿区的含矿层，比褐色、杂色碎屑岩Cu元素相对富集；杂色砂岩和石膏的Cu元素含量较低；砖红色、紫红色细碎屑岩Cu元素含量稳定，接近背景值；断层泥表现为Cu的超常富集，断层角砾中Cu元素较低。

表3 伽师铜矿区岩石Cu元素质量分数平均值Table 3 The average w(Cu) of rocks in the deposit area

3.2 主量元素特征

从矿区范围苏维依组碎屑岩样品的常量元素测试结果(表4)可以看出：矿区碎屑岩与砂岩均值(佩蒂庄，1972)比较，w(SiO2)值相对偏低(w(SiO2)=51.64%～74.42%)，其它组分均相对偏高，其中w(CaO)>w(MgO))；与M. R. Bhatia[10]典型构造环境数值相比，矿区碎屑岩的w(CaO)偏高，w(SiO2)与大洋岛弧相近，其它元素数值介于活动陆缘与被动陆缘之间。

表4 伽师铜矿碎屑岩的常量元素特征Table 4 Major element characteristics of clastic rock in the Cu deposit

将苏维依组常量元素分析结果进行砂岩类型判别，在砂岩类型判别图(图4a)中，样品主要落入杂量的单位：wB/10-6；n=218；数据按浓度克拉克值从小到大排序；克拉克值据黎彤(1976)。

图4 砂岩类型判别图解和砂岩-页岩分类图解Fig.4 Discriminant diagram of sandstone type and classification diagram of sandstone-shalea.砂岩类型判别lg(Fe2O3/K2O)-lg(Na2O/K2O)图解；b.主量元素 lg(Fe2O3/K2O)-lg(SiO2/Al2O3)图解

砂岩、岩屑砂岩和长石砂岩区；在砂岩和页岩分类图(图4b)中，砖红色泥岩样品落入页岩区，粉砂质泥岩和粉砂岩落入杂砂岩区，灰绿色细砂岩则落入长石砂岩区和石质岩屑砂岩区。

3.3 微量元素特征

伽师铜矿区苏维依组碎屑岩微量元素构成见表5，微量元素原始地幔标准化蛛网图见图5a。

表5 伽师铜矿区苏维依组碎屑岩的微量元素特征Table 5 Trace element characteristics of clastic rock in Suweiyi formation

泥岩中的微量元素含量略高于粉砂质泥岩，粉砂岩略高于细砂岩；其中，灰绿色砂岩的Th含量显著低于泥岩和粉砂岩，其它元素之间含量虽有差别，但不悬殊，反映出苏维依组不同岩性具有同源性的特点。w(Zr)/w(Hf)值为44.17～ 57.42，平均48.84，高于上地壳(32.76)[11]。另外，苏维依组碎屑岩具有相对富K亏P、Ti的现象，富含Ba、U等大离子亲石元素和Pb元素，微量元素标准比值蛛网图呈向右倾斜的状态。

3.4 稀土元素特征

矿区苏维依组碎屑岩的稀土元素构成见表6，稀土元素球粒陨石标准化配分模式图见图5b。

图5 伽师铜矿区苏维依组碎屑岩微量元素和稀土元素图解Fig.5 Trace element and REE plot of clastic rock in Suweiyi formationa.微量元素原始地幔标准化蛛网图(原始地幔数据, 据Sun和McDonough, 1989)；b.稀土元素球粒陨石标准化配分图(球粒陨石数据, 据Boynton, 1984)

表6 伽师铜矿区苏维依组碎屑岩的稀土元素特征Table 6 REE characteristics of clastic rock in Suweiyi formstion

其中，w(ΣREE)为71.46×10-6～131.50×10-6，从元素分布角度分析细砂岩中的稀土含量相对较低，泥岩含量相对较高。δEu=0.57～ 0.59，均值0.58，变化范围较小，呈现δEu的亏损；Ce表现为弱正异常，δCe=0.9～1.12，平均1.07，含铜岩石与围岩的δCe具备相似的特点。轻重稀土的比值为6.64～12.02，整体表现为稀土元素相对富集，重稀土元素相对亏损，稀土元素球粒陨石标准化配分图曲线呈右倾，具有明显的La-Sm段较陡，Dy-Lu段较平缓的特征，与活动陆缘物源区的沉积岩稀土元素配分特点具有相似之处[10]。

测试单位：长安大学成矿作用与其动力学实验室；量的单位：wB/10-6。

测试单位：长安大学成矿作用与其动力学实验室；量的单位：wB/10-6。δEu=2×EuN/(SmN+GdN)；δCe=2×CeN/(LaN+PrN)；N表示球粒陨石标准化。

4 矿区构造环境及物源区分析

沉积岩可以将源岩的成分、化学风化环境及其构造背景等信息有效地保存下来[12]。砂岩的化学组分受物源区物质成分的制约，故而能真实反映源区性质和沉积盆地的构造背景[13-15]；泥岩具有显著的粒度均一性、成岩后不渗透性和微量元素丰度较高的特点，适宜用于探究沉积物源区的性质及判别物源区的构造性质[16]；风化、成岩及蚀变作用对稀土元素的组成影响不大，物源区岩石的组分对稀土元素的组成影响显著，故推测沉积岩的稀土元素组成可代表物源区源岩的稀土特征[17]。因此，对物源区岩石地球化学特征及构造环境具有重要的指示意义[18-19]。

4.1 物源区构造环境分析

目前，利用碎屑岩类化学组成特征和相关图解来判别源区构造环境的方法被人们广泛应用[20-22]。Bhatia[23]提出了利用主量元素进行砂岩源区构造环境判别的方法，即在w(Al2O3)/w(SiO2)-w(Fe2O3T+MgO)图解(图6a)中，灰绿色细砂岩的JSPB-50样品落于活动大陆边缘区中，AJS-16样品则投在被动大陆边缘区；在w(TiO2)-w(Fe2O3T+MgO)图解(图6b)中，灰绿色细砂岩的样品均落入活动大陆边缘环境区。矿区内苏维依组岩石的稀土元素球粒陨石标准化配分曲线轻稀土元素(La-Sm)较为陡立，重稀土元素(Dy-Lu)相对平缓，且Eu具弱负异常的特点，这与活动陆缘区的沉积岩稀土元素配分特点具有相似性[10]；结合前人研究西南天山拜什塔木地区苏维依组砂岩物源区环境为靠近活动(被动)大陆边缘区[9]的认识，认为伽师矿区苏维依组碎屑岩的物源区为活动大陆边缘环境。

4.2 物源区分析

在F1—F2图解[24](图7a)中，伽师铜矿区泥岩、粉砂岩、细砂岩分布相对集中，分布在中性火成物源区和长英质火成物源区；依据地壳不同岩石类型轻重稀土比值与稀土元素总量w(La)/w(Yb)-w(ΣREE)图解[25]，伽师铜矿区各岩性均集中于沉积岩区(图7b)，说明伽师铜矿区各类岩性具有较为一致的源区特征，均表现为来自沉积岩物源区，由此推测苏维依组岩石组分的物源区具有火成岩和沉积岩性质。综合区域资料显示，只有上白垩统巴什基奇克组的碎屑岩夹火山碎屑岩建造符合这一特征，且巴什基奇克组岩石具有较高的Cu元素丰度(174.73×10-6)，因此推测古近系苏维依组岩石中的Cu元素主要来源于下伏地层巴什基奇克组岩石的风化、溶蚀与迁移。

图7 伽师铜矿砂岩-泥质岩F1—F2图解(底图据Roser等, 1988)和w(La)/w(Yb)—w(ΣREE)图解(底图据Allegre等, 1978)Fig.7 Plot F1-F2 of sandstone-mudstone and w(La)/w(Yb)-w(ΣREE) plot of Jiashi Cu depositF1=-1.773TiO2+0.607Al2O3+0.76Fe2O3(总)-1.5MgO+0.616CaO+0.509Na2O-1.224K2O-9.09；F2=0.445TiO2+0.07Al2O3-0.25Fe2O3(总)-1.142MgO+0.438CaO+1.475Na2O+1.426K2O-6.861；

4.3 成矿环境分析

苏维依组岩石的微量特征和稀土元素特征具有较高的相似度，表明其来源的一致性。灰绿色细砂岩中Th元素的含量比砖红色泥岩、粉砂岩明显亏损，岩石中的U元素含量相差不大。统计表明，w(Th)/w(U)值为0～2时为缺氧的环境[26]，矿区中灰绿色细砂岩w(Th)/w(U)=0.41～0.47，平均0.44，显示为缺氧环境；砖红色泥岩w(Th)/w(U)=4.11～4.56，平均4.34，表明为氧化环境；砖红色(灰绿色)粉砂岩w(Th)/w(U)=2.30～3.61，平均2.95，指示为氧化环境。δEu=0.57～0.59，平均0.58，变化幅度较窄，与Sm、Gd元素的富集趋势呈反消长趋势，说明弱的Eu异常主要来源Eu2+，代表成矿流体处于还原环境之中[27]。

5 矿床成因讨论

5.1 控矿因素

苏维依组岩石中富集Cu元素，并在灰绿色砂岩中普遍出现铜的矿化，推测是由于还原性环境促使Cu元素在灰绿色砂岩中富集[28]；同时，砂岩具有良好的孔隙度和渗透性条件，有利于矿液在岩石中的运移、沉淀和富集[7]，提供了优良的成矿条件；粉砂岩和泥岩虽然也具备较高的Cu丰度，但没有形成具有工业意义的矿化，其原因是由于岩石的孔隙度较低，不利于流体的渗滤和成矿物质的迁移-交代-萃取[8]，但这种隔阻作用却有效地使矿液不致散逸，以保证矿质的后期富集[2]；砂岩和石膏中Cu元素相对亏损，其原因可能是由于较强溶滤能力的卤水将杂色砂岩和石膏中的Cu离子溶滤出来，进入较高浓度的含Cu卤水中，成为铜矿化的物质来源[29]；断层泥出现Cu元素的超常富集，断层角砾则出现Cu元素的亏损，结合矿区内断裂发育与否与成矿的优劣、矿石品位的高低呈正相关关系这一特征[7]，推测层间断裂为成矿溶液的活动提供了重要迁移通道和富集空间。

5.2 矿床成因

6 结论

通过分析伽师铜矿床地质特征、岩石化学、微量元素、稀土元素地球化学特征，探索赋矿层的构造环境和成矿物质的来源得出以下结论：岩石地球化学特征表现为伽师铜矿区富集Pb、Cu、Ag、As元素，拥有良好的铜矿成矿背景；岩石地球化学特征显示，苏维依组的物源区环境为活动大陆边缘；苏维依组中的Cu元素主要源于下伏的上白垩统巴什基奇克组岩石的风化剥蚀；伽师铜矿床受地层、岩性、古气候环境和断裂构造的共同控制，属与古近系潟湖相沉积作用和构造富集作用有关的砂岩型沉积-构造富集型铜矿床。

注释：

① 中国冶金地质总局新疆地质勘查院. 新疆西南天山拜什塔木地区矿产远景调查报告. 乌鲁木齐：中国冶金地质总局新疆地质勘查院，2013.