薛生升,林 偉,劉宏哲,張 璐,周新鵬,尹道瑾,張雙奎
(山西省地球物理化學(xué)勘查院,山西 運(yùn)城 044000)
砂頁巖型銅礦(SSC)具有十分重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,是全球僅次于斑巖型銅礦第二大金屬銅來源[1,2],是以砂巖、頁巖等沉積巖為容礦巖石的層狀和層控礦床[3],同時(shí)伴生金、鉛、鋅、鉬、鈷等金屬。國外重要的砂頁巖型銅礦床主要分布在西伯利亞古元古代Kodaro-Udokan盆地、非洲中部新元古代Katangan盆地、歐洲二疊紀(jì)Xechstein盆地中[1]。我國重要的砂頁巖型銅礦主要分布在華南,如著名的云南東川-易門銅礦帶[2]、楚雄盆地[4-6]、滇中盆地[7-9],另外在新疆[10-13]、甘肅[14]、寧夏[15,16]、赤峰[17]等地志留紀(jì)、泥盆石炭紀(jì)、白堊紀(jì)、古近紀(jì)的砂頁巖中也有銅礦發(fā)育。在華北特別是太行山北段,早古生代經(jīng)歷了大規(guī)模的陸表海沉積,形成了寒武系饅頭組紅色巖系,而在這套紅色巖系中還鮮有砂頁巖型銅礦的詳細(xì)報(bào)道。筆者在山西省廣靈縣上麻地溝一帶開展地質(zhì)填圖和巖石化探剖面工作時(shí),在該套紅色巖系中發(fā)現(xiàn)砂頁巖型銅礦化體。本文在此地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上,同時(shí)結(jié)合區(qū)調(diào)資料,對太行山北段砂頁巖型銅礦地質(zhì)特征進(jìn)行介紹,并對其成因和發(fā)現(xiàn)意義進(jìn)行了探討。
工作區(qū)屬山西省東北部大同市,與河北省張家口市接壤,位于太行山北段。區(qū)域上地層發(fā)育較齊全,太古界、中新元古界、古生界、中生界及新生界地層均有出露[18](圖1)。太古界五臺(tái)群為一套經(jīng)受中級(jí)區(qū)域變質(zhì)作用的火山巖類和砂泥質(zhì)巖類,是區(qū)內(nèi)的結(jié)晶基底;中新元古界長城系、薊縣系、青白口系為一套基底之上具有蓋層性質(zhì)的巨厚海相碳酸鹽巖夾少量碎屑巖組合[19];下古生界寒武系、奧陶系為一套陸表海碳酸鹽建造,底部發(fā)育紅色陸源碎屑巖。晚中生代侏羅系、白堊系為一套陸相中酸性火山噴發(fā)巖及碎屑建造。
圖1 太行山北段區(qū)域地質(zhì)圖(據(jù)1/25萬蔚縣幅、應(yīng)縣幅修改)Fig.1 The geological sketch map of northern Taihang mountains
區(qū)內(nèi)基底構(gòu)造為五臺(tái)群多期褶皺體系,整體呈倒轉(zhuǎn)復(fù)式向斜,軸向NNE30°。蓋層產(chǎn)狀一般平緩,斷裂構(gòu)造主要為北北西向、北西向、北東向及東西向等,具有多期性和繼承性。特別是河北境內(nèi)上黃旗-烏龍溝北東向深斷裂帶內(nèi),燕山期巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,是區(qū)內(nèi)一條重要的構(gòu)造巖漿成礦帶[20]。
區(qū)域巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,從五臺(tái)期開始直到中生代的燕山期,隨著不同歷史時(shí)期的構(gòu)造活動(dòng),均伴隨有不同程度的巖漿活動(dòng)[18]。五臺(tái)期沉積一套五臺(tái)群火山變質(zhì)巖系。元古代呂梁期[21],主要為一些沿北西向斷裂構(gòu)造發(fā)育的輝綠巖脈。中生代燕山期,是區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)最盛時(shí)期,不僅表現(xiàn)為強(qiáng)烈的火山噴發(fā)活動(dòng),而且?guī)r漿侵入活動(dòng)也十分頻繁。巖漿侵入活動(dòng)主要圍繞太白巍山盆地、塔地火山巖盆地、上黃旗-烏龍溝斷裂帶等周圍,侵位形成了支家地、刁泉、王安鎮(zhèn)、大河南、司格莊、南城子等巖體,在與巖體及其接觸的長城系高于莊組、薊縣系霧迷山組、寒武-奧陶系碳酸鹽巖內(nèi),常形成斑巖型、接觸交代型以及熱液充填型礦床。
砂頁巖型銅礦主要分布在寒武系饅頭組頂部地層中,上覆張夏組灰?guī)r地層常形成懸崖,饅頭組泥巖地層則易形成緩坡,因此含礦層位置在地貌上具有明顯的特征。通過對山西省境內(nèi)饅頭組地層追索,發(fā)現(xiàn)在廣靈縣宜興鄉(xiāng)石盤溝、作疃鄉(xiāng)賀窯村、望狐鄉(xiāng)上窯村、正溝村等地饅頭組地層中均見有該層礦化體,直線延續(xù)達(dá)30 km以上,分布面積約1 000 km2。而河北省地質(zhì)調(diào)查院完成的1/25萬蔚縣幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中,在易縣孔山、白嶺,淶水縣馬各莊,順平縣峰泉、司倉、北大裴、雅子,阜平縣過道溝等地,饅頭組中、上部灰綠色砂巖、頁巖中也發(fā)現(xiàn)含銅①馮桂興,劉洪章,張計(jì)東,等.區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告(1/25萬蔚縣幅),河北省地質(zhì)調(diào)查院,2008.。將兩者礦化區(qū)域疊合,發(fā)現(xiàn)所有銅礦化體分布區(qū)域構(gòu)成近圓形形態(tài),推測銅礦層的東西向和南北向延伸均達(dá)150 km以上(圖1),總面積可能超過17 000 km2,并且分布范圍還有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢。
礦區(qū)位于大同市廣靈縣上麻地溝一帶,出露地層主要有元古界長城系高于莊組、薊縣系楊莊組、霧迷山組、青白口系望狐組和云彩嶺組,以及古生界寒武系饅頭組和張夏組(圖2),產(chǎn)狀均近水平。其中長城系和薊縣系地層以白云巖、燧石條帶白云巖為主,青白口系望狐組以燧石角礫巖為主,云彩嶺組以鐵質(zhì)砂巖為主。饅頭組主要巖性為紫紅色頁巖夾薄層-中厚層泥灰?guī)r、粉砂巖、砂巖、灰綠色頁巖,總厚度64.07 m。其中下部為紫紅色粉砂質(zhì)頁巖夾中厚層粉砂巖,中部為中厚層泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖,上部為紫紅色頁巖夾灰綠色頁巖,灰綠色頁巖一般較薄,多為0.05 m~0.4 m厚,最厚為0.65 m。與下伏青白口系云彩嶺組及望狐組呈角度不整合接觸,與上覆張夏組一段鮞粒灰?guī)r呈整合接觸。張夏組可分兩段,一段為淺灰色鮞?;?guī)r夾薄層砂質(zhì)灰?guī)r,常形成陡崖;二段為淺灰色鮞粒灰?guī)r夾紫紅色頁巖。
圖2 下麻地溝礦區(qū)地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of Xiamadigou mining area
礦區(qū)斷裂主要以北西向、北東向和東西向?yàn)橹鳎纫员蔽飨蜃顬閺?qiáng)烈,多組斷裂密集排列,形成斷裂帶。在斷裂構(gòu)造附近,巖層常被拉張或擠壓變形,此時(shí)產(chǎn)狀經(jīng)常發(fā)生快速變化,形成連續(xù)的背形-向形構(gòu)造,但一般在100~200 m之內(nèi)即恢復(fù)正常。
礦區(qū)內(nèi)無地表巖漿巖出露。銅礦化體主要賦存在古生界寒武系饅頭組頂部泥頁巖中。
含銅頁巖主要分布在研究區(qū)中北部,賦存于饅頭組頂部紫紅色泥巖中的灰綠色頁巖夾層中(圖3a、圖3b),夾層內(nèi)或外側(cè)??梢姳由皫r(圖3c、圖3d),其上3~5 m一般可見張夏組一段底部灰?guī)r。地層一般近水平產(chǎn)出,礦化與灰綠色頁巖關(guān)系密切,主要以孔雀石薄膜形式賦存在灰綠色頁巖頁理上(圖3f)。礦化具層控特征,在均勻布設(shè)6個(gè)探槽內(nèi),均能揭露該層銅礦化體。礦化在工區(qū)內(nèi)出露面積約1.26 km2。其厚度和品位有一定變化(表1),在工區(qū)西北部厚度一般為0.21~0.44 m,銅品位0.13%~0.58%,在工區(qū)中上部厚度為0.48~0.65 m,銅品位0.11%~0.15%。
圖3 含銅頁巖野外地質(zhì)特征Fig.3 Field geological characteristics of copper-bearing shale
表1 探槽工程中銅礦化體真厚度計(jì)算表Table 1 Calculation table of true thickness of copper mineralization in trenching project
礦石撿塊樣中除銅元素含量高外,Co、Pb、Zn、Ag、Au元素含量均較低。
2.4.1 礦石巖相學(xué)特征
巖石由細(xì)砂級(jí)碎屑、粉砂級(jí)碎屑、粘土礦物、碳酸鹽礦物及金屬礦物組成(圖4)。
細(xì)砂級(jí)碎屑成分主要為石英、白云母,含量5%左右。石英為他形粒狀,表面較干凈,多呈鑲嵌狀分布,粒徑以0.06~0.10 mm為主,少量為0.10~0.25 mm,分布較集中。白云母為片狀,具鮮艷的二至三級(jí)干涉色,片徑主要為0.06~0.25 mm,少量為0.25~0.50 mm,部分可能為黑云母轉(zhuǎn)變而來,可見與綠泥石集合體,呈定向分布。偶見具聚片雙晶的斜長石,粒徑0.06~0.10 mm。粉砂級(jí)碎屑與細(xì)砂級(jí)碎屑成分相同,含量15%左右,粒徑0.03~0.06 mm,較集中分布。粘土礦物顆粒微細(xì),為土褐色,發(fā)生蝕變作用,可見細(xì)小鱗片狀絹云母定向排列,含量45%~60%。碳酸鹽礦物為他形粒狀,具高級(jí)白干涉色,分布不均勻,多分布于砂級(jí)碎屑附近,含量10%左右。金屬礦物為褐鐵礦、孔雀石,含量10%。褐鐵礦為褐色,散狀分布??兹甘癁殡[晶質(zhì)集合體,為綠色,多呈條帶狀分布(圖4)。
圖4 含銅頁巖顯微鏡下特征Fig.4 Microscopic features of copper-bearing shale
2.4.2 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物組成
含礦巖石主要為灰綠色砂質(zhì)頁巖,發(fā)育泥質(zhì)結(jié)構(gòu),頁理構(gòu)造。近地表頁巖頁理發(fā)育,礦石均已氧化,地表及槽探工作未能揭露出原生礦石。氧化礦石主要發(fā)育條帶狀結(jié)構(gòu),薄膜狀構(gòu)造。圍巖蝕變很弱,野外未發(fā)現(xiàn)明顯蝕變現(xiàn)象。礦石礦物主要為孔雀石、褐鐵礦。
以點(diǎn)距10 m布設(shè)巖石化探剖面(圖2),按走向34°穿越饅頭組和張夏組,剖面總長1.26 km。分析Cu、Ag、Au、Pb、Zn、Cd、Sn、W、Mo、As、Sb、Bi共12種元素。
在張夏組中,Cu含量一般小于20×10-6,其余元素含量也較低,僅個(gè)別點(diǎn)上Cu具有高值。饅頭組紫紅色頁巖中,Cu含量呈蹦跳狀分布,一般小于40×10-6,僅少量點(diǎn)上Cu元素具有高值,野外查證發(fā)現(xiàn)與灰綠色頁巖對應(yīng)良好。在灰綠色含銅頁巖中Cu、Ag、Bi、Cd、Zn等元素具有明顯富集現(xiàn)象,Au、W、Mo、Sn、Pb等元素具有一定富集現(xiàn)象(圖5)。在紫紅色頁巖與灰綠色含銅頁巖接觸帶上(加密點(diǎn)),Cu、Ag元素具有少量富集。巖石地球化學(xué)剖面顯示灰綠色含銅頁巖異常元素組合為Cu-Ag-Bi-Cd-Zn。
圖5 地質(zhì)、巖石地球化學(xué)綜合剖面圖Fig.5 Comprehensive profile of geology and rock geochemistry
從地質(zhì)調(diào)查及槽探工程中,可見饅頭組紫紅色泥巖里發(fā)育有多層灰綠色頁巖,厚度不等,較薄時(shí)延伸不穩(wěn)定。巖石化探剖面顯示,在這些灰綠色頁巖附近同樣發(fā)育較好的化探異常,對位于饅頭組中上部的灰綠色頁巖進(jìn)行槽探揭露,未見明顯礦化現(xiàn)象,Cu含量最高0.03%,真厚度0.66 m(表1)。
本區(qū)銅礦化體主要賦存在寒武系海相地層內(nèi),一般發(fā)育在靠近饅頭組頂部紫紅色泥巖中的灰綠色頁巖夾層中,在地貌上常位于張夏組鮞?;?guī)r形成的懸崖正下方,礦化體呈層狀、順層狀分布,受地表氧化帶影響,主要礦石礦物是孔雀石,未見原生硫化物。在上麻地溝礦區(qū)內(nèi)通過6個(gè)探槽控制銅品位0.11%~0.58%,厚度一般為0.21~0.65 m。巖石化探剖面顯示異常元素組合為Cu-Ag-Bi-Cd-Zn。同時(shí)饅頭組紫紅色泥巖中的其他灰綠色頁巖夾層中銅元素也有不同程度的富集。
砂頁巖型銅礦是以砂巖、頁巖等沉積巖為容礦巖石的層狀和層控礦床[3],按其形成環(huán)境一般分為海相砂頁巖型銅礦和陸相砂頁巖型銅礦[2],相比于陸相砂頁巖,海相砂頁巖一般形成大型-超大型礦床,經(jīng)濟(jì)價(jià)值高。海相砂頁巖銅礦含礦層下部以紅層為主(氧化性地層),上部為較厚的海相沉積地層,礦層一般賦存在紅色層中的淺色層[1,2,12-15],大多為紅層沉積結(jié)束后的首次海侵形成的地層里[2]。這種特點(diǎn)與本區(qū)砂頁巖型銅礦野外地質(zhì)特征完全一致。一般認(rèn)為,紅層代表高價(jià)鐵的氧化環(huán)境,淺色層代表低價(jià)鐵的還原環(huán)境。而含礦砂頁巖總是發(fā)育在氧化環(huán)境下的局部還原環(huán)境內(nèi),即紅層中的淺色夾層內(nèi)。砂頁巖型銅礦的礦床成因認(rèn)識(shí)主要有兩種,即沉積成巖成礦[12,14,15,22]和后生期成礦[1,6,8,9,13,23,24],兩種觀點(diǎn)的矛盾點(diǎn)在淺色層內(nèi)的銅是在原始沉積時(shí)就形成還是由后期經(jīng)過淋濾下伏紅層或基底的含礦熱液沿?cái)嗔焉仙谄鋬?nèi)沉淀形成。從穿越下伏紫紅色泥巖和上覆碳酸鹽的巖石化探剖面分析結(jié)果中可以看出,含礦層中銅含量已高于工業(yè)品位,伴生Zn、Cd、Bi、Ag等元素異常。在紅色層和淺色層接觸帶,Cu、Ag元素具有異常發(fā)育。而在含礦層上下兩側(cè)地層中Cu元素含量均很低,尤其是下伏紅層中,Cu含量一般都在40×10-6以下,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于含礦層中的16 335×10-6。如果按照后生期熱液充填成礦來考慮,先不考慮頁巖層的滲透率問題,僅讓17 000 km2范圍內(nèi)的淺色還原層內(nèi)都發(fā)育銅礦化,并且厚度和品位保持相對穩(wěn)定,幾乎是不可能的。眾所周知,淺色層富含有機(jī)質(zhì)和Fe2+,而本區(qū)饅頭組中發(fā)育多層淺色層,每層都不同程度的發(fā)育有銅富集,如果含礦熱液沿?cái)嗔褟南峦线\(yùn)移,那么位置靠下、厚度較厚的淺色層礦化應(yīng)該更好[4],而事實(shí)是TC1003位于含礦層下部,厚度為0.66 m,但其Cu品位僅為0.03%。并且在本區(qū)銅礦化體附近,熱液蝕變現(xiàn)象不明顯,不存在海相砂頁巖銅礦在改造過程中形成的硅化、碳酸鹽化、鈉長石化等蝕變類型。根據(jù)研究,銅在高鹽度鹵水條件下容易被萃取,并以Cu、Cl絡(luò)合物形式[2],或溶解銅甚至含銅礦物的碎屑[15]搬運(yùn),而在還原條件下則易還原析出硫化物[1],所以淺色層跟含銅硫化物應(yīng)為原始沉積時(shí)同時(shí)形成,這也更能解釋本區(qū)諸多厚度不等的淺色還原層內(nèi)銅含量都較高的現(xiàn)象。
因此,本區(qū)銅礦化體成因類型為砂頁巖型,是原始沉積成巖時(shí)含銅的高鹽度鹵水在還原環(huán)境下沉積形成。
我國海相砂頁巖型銅礦主要發(fā)育在云南東川-易門銅礦帶[2],另外在新疆、甘肅、寧夏等地的中元古代、志留紀(jì)、泥盆石炭紀(jì)、二疊-三疊紀(jì)的砂頁巖中也有銅礦報(bào)道[2,12-15]。華北克拉通尤其是太行山北段早古生代發(fā)育一套以磚(紫)紅色泥巖、砂質(zhì)頁巖、石英砂巖等為主的瀉湖相紅色蒸發(fā)鹽建造,并發(fā)育石鹽假晶,之后又沉積大量碳酸鹽。而古陸區(qū)發(fā)生剝蝕的太古代地層和片麻巖,由于區(qū)域變質(zhì)和混合巖化作用使Cu、Au(Ag)元素富集[25-28]。因此本區(qū)大量的紫紅色泥頁巖地層,具備發(fā)育砂頁巖型銅礦的地質(zhì)條件,但是目前還未有砂頁巖型銅礦的詳細(xì)報(bào)道。
本次在山西省東北部廣靈縣上麻地溝一帶寒武系饅頭組內(nèi)發(fā)現(xiàn)砂頁巖型銅礦化層,在山西省內(nèi)對銅礦化層外圍調(diào)查追索,確定礦化體直線延續(xù)在30 km以上,山西省內(nèi)分布面積約1 000 km2,并且礦化層一直延續(xù)到河北省易縣、淶源、阜平等地①。所有已發(fā)現(xiàn)的銅礦區(qū)域組成近圓形形態(tài),總面積可能超過17 000 km2,并且分布范圍還有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢。說明該層銅礦在區(qū)域上發(fā)育很穩(wěn)定,顯示具有尋找砂頁巖型銅礦的潛力。
下一步還需要從以下兩個(gè)方面開展工作來尋找礦化層厚度和品位達(dá)到工業(yè)要求的礦床:(1)區(qū)域上詳細(xì)的路線地質(zhì)調(diào)查,確認(rèn)饅頭組是否具有沉積中心和地層加厚區(qū)域;(2)太行山北段北西向、北東向、東西向斷裂[29-31]、褶皺、逆沖推覆[32-35]構(gòu)造以及燕山期巖漿活動(dòng)明顯,這些后期斷裂構(gòu)造、褶皺構(gòu)造以及巖漿熱液等活動(dòng)影響,可能會(huì)使礦化層富集加厚。
在太行山北段分布有靈丘縣塔地火山巖盆地、太白巍山火山巖盆地、上黃旗-烏龍溝構(gòu)造巖漿巖帶,盆地內(nèi)和巖體周圍發(fā)育大量與燕山期巖漿巖、火山機(jī)構(gòu)等相關(guān)的銅、銀、錳、鉛鋅、鐵、金礦床,礦床類型主要有隱爆角礫巖型[36-38]、矽卡巖型[39-41]、斑巖型[40-42]、熱液充填型[37,40,41,43]、蝕變巖型和石英脈型[37]等。在上述類型礦床中,有相當(dāng)一部分礦區(qū)范圍內(nèi)地表或深部發(fā)育有寒武系饅頭組地層,如重要的刁泉矽卡巖型銀銅礦、小青溝銀錳礦、木吉村銅礦、南趙莊鉛鋅礦及浮圖峪銅鐵礦等[36-39,41-43]。這一現(xiàn)象顯示在這些礦區(qū)內(nèi)寒武紀(jì)沉積銅礦化層與燕山期巖漿巖及相關(guān)的銅多金屬礦床在空間上具有密切的聯(lián)系,而沉積銅礦化層及燕山期巖體的疊加地段可能對于尋找燕山期巖漿-熱液礦床更為有利,這是因?yàn)轲z頭組地層均有機(jī)會(huì)成為侵入體的圍巖,而饅頭組中淺色還原層則可作為地球化學(xué)障使含礦流體發(fā)生沉淀富集,同時(shí)熱液也可以萃取原礦化層中的銅使其再進(jìn)一步富集。因而,這種在空間上的疊加地段可以為本區(qū)巖漿熱液礦床找礦提供一個(gè)新的方向。
(1)在太行山北段廣靈縣上麻地溝一帶寒武系饅頭組中發(fā)現(xiàn)砂頁巖型銅礦化體,出露厚度一般為0.21~0.65 m,品位變化在0.11%~0.58%。銅礦化體成因類型為砂頁巖型,是原始沉積成巖時(shí)含銅的高鹽度鹵水在還原環(huán)境下沉積形成。
(2)銅礦層在區(qū)域上分布很穩(wěn)定,面積可能超17 000 km2,顯示具有尋找砂頁巖型銅礦的潛力。今后應(yīng)注意在饅頭組地層加厚區(qū)域、構(gòu)造復(fù)雜及巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈地段的砂頁巖型銅礦找礦工作。
(3)本區(qū)部分已知巖漿熱液礦床與寒武紀(jì)沉積銅礦化層(淺色還原層)在空間上具有共生聯(lián)系,淺色還原層可作為地球化學(xué)障使含礦流體發(fā)生沉淀富集,同時(shí)也可被熱液萃取使銅再進(jìn)一步富集。這為本區(qū)已知巖漿熱液礦床找礦提供一個(gè)新的方向。