(一)矿区地质背景
铜厂铜(铁)矿床位于南秦岭岛弧杂岩带碧口群内。碧口群火山岩系由火山熔岩+火山碎屑岩+沉积火山碎屑岩构成。该岩系火山熔岩的岩石组合为细碧岩+角斑岩(中性)+安山岩+石英角斑岩(酸性)+流纹岩(王宗起等,2009)。该矿床是西北有色地质勘查局711总队于20世纪80～90年代发现并勘查成功的一个中型铜(铁)矿床。
铜厂矿田位于勉-略-宁三角地区中部硖口驿-铜厂-罗家山-徐家坝构造岩浆岩带中段,矿田内主要出露地层为中、新元古界碧口群郭家沟组(Pt2-3g)变质火山-沉积岩系,主要岩性有细碧岩、细碧质凝灰岩、基性集块熔岩、基性火山角砾岩、凝灰质板岩、炭质板岩、白云岩和铁白云岩等。火山活动构成了一个从喷发到正常沉积的完整旋回。该旋回下部火山作用强烈,火山岩厚度较大,以细碧岩、细碧质凝灰岩为主,次有细碧质集块岩、细碧质火山角砾岩,形成爆发-喷溢韵律,火山作用早期以爆发为主,晚期以喷溢为主; 该旋回上部以火山碎屑岩为主,火山岩浆活动弱,形成基性凝灰岩、铁白云岩、白云岩和炭质板岩等。
矿田内断裂构造十分发育,按其方向划分为近EW向断裂组、NE向断裂组、近SN向断裂组和NW向断裂组。近EW向和NE向剪切带是矿田内重要的控矿构造,铜厂铜矿床北矿带及北东矿带、铜厂铁矿床、徐家沟铜矿床均受该类构造控制,该类构造为含矿热液的运移、矿质富集提供了通道及空间,是成矿必不可少的构造条件。
矿田内酸性-超基性侵入岩体均有出露。超基性岩体的岩性主要为蛇纹岩和滑石菱镁岩,均为超基性岩的变质岩,在矿田北部的徐家沟—铜厂一带呈NEE向带状展布,岩体侵入于郭家沟组中,与火山岩呈侵入接触关系,在棺材山南坡则与雪花太坪组白云岩呈断裂接触关系,矿田北部沿F61断裂上盘产出的半隐伏蛇纹岩墙是铁矿体的主要矿化岩石和近矿围岩,其中滑石蛇纹磁铁岩、透闪滑石磁铁岩等构成重要的矿石自然类型。基性岩主要为辉长岩和辉绿岩,除在徐家沟呈规模较大的岩体以外,其他地段均呈小岩脉产出。中性侵入体主要有铜厂闪长岩体及新铜厂的闪长岩株,在其他地段局部见有小的闪长岩脉,闪长岩体与铜矿化关系密切,铜厂铜矿床产于闪长岩体的内、外接触构造带中,据研究,铜厂石英闪长岩体形成于848～840Ma之间(王伟等,2011),晚于郭家沟组火山岩,闪长岩体的侵入为铜矿形成提供了动力和部分成矿物质,是成矿的必要条件(图3-48)。
(二)矿床地质特征
1.矿化类型及特征
矿区内主要发育3种矿化类型。
1)火山沉积-岩浆改造型铁铜矿:该类型为矿田范围内的主要矿化类型,成矿物质具有多来源,但主要来自围岩。矿体的形成受后期中酸性岩浆侵入过程中热动力改造作用明显。该类型的代表性矿床矿点为铜厂铁矿、铜厂铜矿、张家山铁矿和赵家山铁矿等。
2)火山-沉积块状硫化物多金属矿:其特点是受地层层位控制,往往产于中酸性火山岩中,且矿体的形态、产状与围岩产状基本保持一致。该类矿床的代表是陈家坝铜铅锌多金属矿、东沟坝铅锌金多金属矿等。
3)火山-喷气沉积型铁、铜矿:其特点是矿体产于火山-沉积岩系顶部,受层位控制较为明显。此外,矿体也产于含铜白云岩中,受后期改造黄铜矿呈脉状、网脉状产于白云岩中。该类矿化以阴山沟铜矿点、红木沟铁铜矿点为代表。
2.矿体特征
(1)铁矿体特征
铜厂铁矿赋存于 断裂带上,位于铜厂倒转背斜的北翼。 断裂总体南倾,断层面北盘为厚层白云岩,南盘为透闪石化白云岩和斜长绿帘角岩。铁矿为盲矿体,有一主矿体和一平行矿体。主矿体为一大透镜体,长1100m,延深500m,平均厚度为32m。主矿体以12线为界可分为东西两段,6～12线南倾,倾角65°～88°; 12线以东为北倾,倾角73°～85°。TFe为20%～61.14%,平均为36.5%。围岩为蛇纹岩和透闪岩。矿石的自然类型为滑石蛇纹石磁铁矿和透闪石滑石磁铁矿。围岩蚀变主要为蛇纹石化、透闪石化、绢云母化、阳起石化、绿泥石化和绿帘石化。磁铁矿与脉石矿物接触界线清楚,矿石以稠密浸染状和中等稠密浸染状为主,块状和斑杂状构造次之。矿石矿物为磁铁矿,脉石矿物有蛇纹石、滑石、透闪石、绿泥石和白云石、方解石等。矿石以他形不等粒结构为主,自形晶次之,少量网状结构。
(2)铜矿体特征
铜厂铜矿体位于铁矿南40～500m,主矿体呈脉状赋存于铜厂闪长岩体北部内、外接触带中(图3-49)。根据产出部位划分为3个矿化带。
图3-48 铜厂矿田地质略图
图3-49 铜厂铜矿床8线剖面地质示意图
1)Ⅰ号矿化带:位于闪长岩体北缘内接触带附近及片理化带中,长1500m,宽80m,其中赋存有10多个矿体,以Ⅰ -9矿体规模最大,也是铜厂铜矿床的主矿体。各矿体间大致呈雁行斜列式分布,走向近EW,倾向S,倾角45°～75°。矿体主要形态呈脉状、透镜状。矿体上、下盘一般见有0.5～1.0m的浸染状矿化体。在主矿体旁侧局部有次级含矿断裂,与主含矿断裂交汇处出现矿体膨大现象。局部分支断裂产状北倾。主要的矿化蚀变有绢云母化、绿泥石化、硅化和方解石化。
2)Ⅲ号矿化带:赋存于闪长岩体内 等NE向断裂所形成的片理化带内,带长1200m。其中产出有3个主要矿体和其他一些矿化体。走向NEE,倾向SE,倾角60°～80°。矿体由数个细矿脉和复脉体组成,单个脉体长30～50m,具分支复合或尖灭再现特征。单脉厚0.4～1.00m。矿化蚀变特征与Ⅰ号矿化带基本一致。
3)Ⅴ号矿化带:该带分布于铜厂闪长岩体北部外接触带的斜长绿帘岩中,长1100m,宽100m。由大小6个矿体组成,矿体呈脉状产出,长75～440m,走向近EW,倾向S,倾角60°左右,矿石类型以磁黄铁矿-黄铜矿矿石为主。矿体围岩为斜长绿帘岩,矿化蚀变有磁黄铁矿化和绿泥石化。该矿化带与徐家沟铜矿特征相似。
Ⅰ-9号矿体:为铜厂铜矿床的主矿体,赋存于铜厂闪长岩体北部内接触带 断裂旁侧片理化带中,长1700m,厚2.07m,延深900m。走向近EW,局部NE,倾向S,倾角变化于45°～60°,矿体在延长及延深方向上呈舒缓波状变化。往往矿体产状变缓部位,矿体厚度增大。单脉富矿体与围岩接触界线清楚,局部在富矿脉的上、下盘有细脉浸染状矿化。矿体上下盘围岩均是片理化闪长岩,矿化围岩蚀变有绢云母化、硅化和碳酸盐化。
矿石金属矿物主要是黄铜矿,其次为黄铁矿以及少量的斑铜矿、方铅矿、闪锌矿、紫硫镍矿、辉砷镍矿、辉钴矿、辉钼矿和自然金等,靠近地表矿体边部有少量辉铜矿。脉石矿物以方解石、石英为主,还有绿泥石、白云石及少量的透闪石、绢云母等。矿石具有角砾状、致密浸染状、细脉浸染状和条带状构造,压碎结构、交代残余结构和粒状变晶结构等。矿物的生成顺序为硬绿泥石-白云石、石英黄铁矿→闪锌矿→黄铜矿→镍钴硫化物→紫硫镍铁矿等。矿石中伴生Au、Ni等有用元素。
(三)控矿因素
1.地层因素宏观上Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ号矿化带均产于郭家沟组细碧岩与闪长岩体内、外接触带的片理化带中,有些地段矿体围岩直接为蚀变细碧岩(斜长绿帘岩),反映了铜矿体与细碧岩具有明显的空间关系。
郭家沟组为一完整的火山喷发旋回的产物,区内早期喷发形成的火山角砾岩、细碧岩含铜量较地壳、正常玄武岩中的铜元素平均含量高,形成了铜元素的高背景区,基性火山角砾熔岩、细碧岩铜含量为(121～144)×10-6,是克拉克值的3～4倍,近矿片理化细碧岩铜含量为205×10-6(表3-30)。
表3-30 铜厂矿田各类岩石微量元素含量 (wB/10-6)
注:据西北有色地质勘查局711总队,1995
在铜厂闪长岩体的周缘火山角砾岩及细碧岩中的杏仁体中局部可见黄铜矿颗粒,火山-沉积过渡相中铁碳酸盐岩为热水沉积岩相,在红木沟—阴山沟一带有热水沉积型铜矿体产出,说明原先火山活动期就有铜元素的初始富集,形成了铜元素的高背景区。
王相等(1996)测定,铜厂地区细碧岩中角闪石变质前含铜为1.32×10-2,蚀变为绿泥石后含铜为0.96×10-2,蚀变细碧岩(斜长绿帘岩)的铜含量为51.8×10-6。蚀变细碧岩铜含量低于新鲜细碧岩的铜含量,尤其是蚀变细碧岩中角闪石类矿物的含铜量明显低于未蚀变细碧岩中角闪石类矿物的铜含量,而且蚀变程度越强,细碧岩及其中的角闪石矿物的含铜量越低,在矿体旁侧的矿化细碧岩中的铜元素含量反而大幅度提高,反映了处于铜矿体周围的基性火山熔岩、次火山岩在岩石蚀变作用过程中有铜元素的活化迁移,铜的析出—迁移—富集是铜矿化体、矿体形成的重要方式。
矿石铅同位素常常作为“指纹”元素用作矿质示踪,据测定(丁振举等,1998),铜厂铜矿床矿石铅同位素组成以上地壳铅为主,与矿体围岩细碧岩铅同位素组成一致,说明矿石铅与细碧岩铅有相近的来源。
以上特点反映了郭家沟组火山岩本身是铜厂铜矿床的重要物质来源,郭家沟组地层是主要控矿因素之一。
2.构造因素
铜厂矿田构造十分复杂,不同方向的构造交汇及古火山喷发通道,叠加了晚期的侵入岩,形成了同位多期的成矿构造,晋宁期848～840Ma(王伟等,2011)石英闪长岩体侵入,使其周围的郭家沟组细碧岩发生蚀变,在闪长岩体侵入前端形成蚀变细碧岩(斜长绿帘岩),使郭家沟组中的铜等成矿元素再次活化、迁移、富集,对于在闪长岩体前缘有利容矿构造中形成工业铜矿体起到了关键作用,因此同位多期构造和侵入体前缘的同生剪切蚀变破碎带为有利的成矿构造。
铜厂地区断裂十分发育,而以近EW向和NE向剪切带对成矿影响最大,发育于闪长岩体北缘的近EW向剪切带和岩体东侧内外接触带的NE向剪切带分别控制了主要矿体的就位。根据矿体的产出状况,可以说近EW向和NE向剪切带均形成于成矿之前,早期构造活动给矿液的流动和定位提供了通道和容矿空间,这些控矿剪切带均多次活动,构造面呈舒缓波状,产状变化大,在构造陡缓变换部位对成矿更为有利,铜矿的富矿体和厚大部位就产在陡缓变换的较缓部位上。如Ⅰ号矿带的浅部,7线以西控矿断裂倾角较缓,并呈波状弯曲,矿体规模变大,品位变富; 7线以东断裂倾角变陡,较平直,矿体亦变薄,品位变贫。在倾向方向上1200m标高以上及900m标高以下控矿断裂均陡倾,矿体厚度、品位均显著变薄变贫,而200～900m标高之间的缓倾斜段内矿体变厚、变富。
以上特点表明,近EW向、NE向剪切带为成矿热液提供了通道,同时为矿质富集提供了空间,构造是成矿的控制因素之一。
3.侵入岩因素
铜厂铜矿床主矿体均产于闪长岩体的内、外接触带,且Ⅰ-9号主矿体主要产于内接触带,岩体的侵入明显造成了其侵入前缘的细碧岩发生强烈蚀变,变成了斜长绿帘岩,而事实上该蚀变岩石与矿体具有明显的空间关系,岩体的侵入不但造成了细碧岩的蚀变,同时也为铜元素的活化、迁移提供了热源和动力,并促使岩石发生矿物成分、结构构造的变化,使其中的铜元素发生明显的含量变化。从表3-30可以看出闪长岩中铜丰度为80×10-6,是克拉克值的2.22倍; 据测定(王相等,1996),闪长岩中角闪石变质前含铜为1.97%,蚀变为绿泥石后铜含量为0.87%,推断闪长岩在后期成矿过程中也提供了成矿物质。
(四)矿床地球化学特征
1.硫同位素
据3个黄铜矿及27个黄铁矿硫同位素分析结果(表3-31),铜厂铜矿床δ34S值变化范围为+1.7‰～+20‰,平均值为10.47‰,明显富集重硫。从频率分布图可以看出(图3-50),93%以上样品的δ34S为正高值(>+8.5‰),而且集中在+8.5‰～+12‰这个区间内(80%); 3个黄铜矿的δ34S也为正高值,平均值为10.53‰,说明黄铜矿与含矿岩系的δ34S值基本吻合。铜厂铜矿区的δ34S塔式效应明显(图3-50),与地壳硫源
表3-31 铜厂铜矿床硫同位素组成
注:据西北有色地质勘查局711总队,1995;叶霖等,1999;韩润生等,2003。Py-黄铁矿; Cp-黄铜矿不同,同时,它又以高δ34S值为特点,可与单一地幔硫源相区别,因而应属混合硫源,即属地幔硫+地壳硫(混合源硫),所以铜厂铜矿及围岩内的硫源应是混合硫源,即岩浆期后热液活动带来的深部均一硫混染了一部分围岩或海水中的重硫,从而形成混合硫,闪长岩体的侵入也为成矿提供了部分硫源。
图3-50 铜厂铜矿床硫同位素组成直方图
2.氢、氧同位素
叶霖等(1997)对铜厂各成矿阶段的石英、方解石样品进行了氢、氧同位素测试,其结果见表3-32。氢、氧同位素分析表明,含矿流体初始热液来源于岩浆水,成矿中阶段和晚阶段有大量天水加入成矿热液,中酸性岩浆水与闪长岩关系密切(图3-51)。
表3-32 铜厂铜矿床各成矿阶段氢、氧同位素组成
注:成矿热液的δ18OH2O同位素分别采用石英-水平衡方程计算获得;据叶霖等,1997。
铜厂铜矿床矿体内早期形成的石英脉大多已经破碎,为黄铜矿、方解石、晚期石英脉充填交代,其包裹体测温资料较少,目前仅现北矿带。该带铜矿体内所测定的石英包裹体均一法温度为174～358℃,晚期方解石均一法温度为294℃(叶霖等,1997),由此推断其成矿温度在174～358℃范围内,主成矿期温度为300℃左右。
图3-51 铜厂铜矿床δD-δ18OH2O图解
(五)成岩成矿时代
铜厂铜矿床矿体主要呈脉状产于闪长岩体的内外接触带,闪长岩体的侵入对矿床的形成起了重要作用。关于铜厂铜矿床成岩、成矿年龄的确定,前人曾做了大量研究。
叶霖等(1997)通过野外观察和地球化学分析指出,区内钠长岩是由于闪长岩侵入所带来的气体和热液使周围的细碧岩中的钠质析出,并交代闪长岩而形成的,因此钠长岩与闪长岩的形成近于同期。同时,叶霖等(1997)也通过Rb-Sr法测得矿区闪长岩的年龄为(233.3±10)Ma,钠长岩的年龄为(348±8.47)Ma。闪长岩的Rb-Sr同位素年龄小于钠长岩的年龄,显然这样的年龄值是不可靠的。虽然,李军(1990)也曾给出闪长岩的Rb-Sr等时线年龄(340±10.93)Ma,但这可能与Rb-Sr法测年容易遭受后期热液活动扰动有关,闪长岩和钠长岩可能遭受了后期热液蚀变,不能代表真实的成岩年龄。
近期,王伟等(2011)通过对赋矿闪长岩、石英闪长岩及钠长岩中锆石的U-Pb同位素测年,获得了早期闪长岩侵位结晶时代为881～880Ma,钠长岩的SHRIMP U-Pb同位素年龄为(834±6)Ma。这与丁振举等(1998)获得的辉钼矿Re-Os模式年龄889Ma相当,表明铜厂铜矿赋矿岩体的侵入和铜矿化近于同期形成,形成于新元古代晋宁期,而非前人所认为的海西期(叶霖等,1997)。
(六)成矿模式
中新元古代在铜厂一带发生了中基性火山喷发活动,形成了一套由基性火山熔岩-火山沉积过渡相岩石组成的细碧角斑岩系,这些火山熔岩本身携带了大量的铜等成矿物质,形成了铜元素的高背景地层,在火山沉积过渡相中形成了热水沉积岩相(铁碳酸盐岩),并在局部形成了热水沉积型铜矿体,初始火山活动为后期成矿提供了铜和部分硫元素,但在该阶段成矿物质呈分散状态赋存于岩石中,没有形成工业矿体,仅形成了初始矿源层(图3-52)。
图3-52 铜厂铜矿床成矿模式示意图
晋宁期石英闪长岩体顺火山口由南向北侵入,在侵入体前缘形成同生剪切蚀变破碎带,使其周围的郭家沟组细碧岩发生蚀变,使郭家沟组中的铜等成矿元素再次活化、迁移。闪长岩体本身含铜较高,其中的角闪石为含铜的主要矿物,为铜的成矿提供了部分物源。由于岩浆分异作用,后期形成了富含挥发分和成矿物质的岩浆期后热液,岩浆期后热液顺其附近的剪切构造进一步活动,中晚期热液中也混入部分大气降水,携带了从围岩(细碧岩、石英闪长岩)中萃取的铜、硫等成矿元素,在岩体接触带附近的剪切带中有利的物理、化学环境中富集成矿,但该期所形成的矿体以含铜石英方解石脉为主。
由于多期构造活动,同时又产生一些高温的动力变质热液,这些变质热液在运移过程中萃取了围岩中的硫和铜元素。早期构造活动给矿液的流动和定位提供了通道和容矿空间,这些控矿剪切带均多次活动,构造面呈舒缓波状,产状变化大,在构造陡缓变换部位形成了有利的成矿空间。动力变质热液与岩浆期后热液混合,形成了新含矿热液,它彻底改变了原热液的物理化学平衡,使热液中的有用物质呈硫化物形式大量沉积下来,交代胶结原先的含铜石英方解石脉,从而形成铜厂铜矿的主体(图3-52)。
因此,认为该矿床属于原始火山沉积-构造岩浆改造型矿床。
(七)找矿模型
铜厂铜矿属火山沉积-构造岩浆改造型矿床,矿体的最终定位构造主要受闪长岩体前缘接触带断裂破碎带控制。因此,与侵入体或断裂构造运动等后期改造因素有关的构造部位是有利的赋矿部位。如侵入体前缘内外接触带、同生剪切破碎带、断裂构造局部张性构造空间等。
在碧口地体基性火山岩带其他地段,也发育一些晋宁晚期和加里东期中酸性-中基性侵入岩浆活动,部分岩体接触带有铜矿化线索,成矿条件与铜厂相似,在李家沟金矿带发现与热液改造有关的脉型铜矿。这表明,侵入岩浆和构造动热作用均可使基性火山沉积岩中的铜元素活化、迁移并富集成矿。
其找矿模型可构建如下:
1)区域上为拉张-裂陷环境,火山活动强烈,存在古火山机构,古火山口呈链状、串珠状断续分布;
2)具有中、酸性闪长岩侵入;
3)呈带状展布的韧-脆性剪切构造带;
4)与主构造线基本一致的带状化探异常(1:5万分散流或1:1万沟系次生晕)和高磁、低阻高极化率物探异常;
5)绿泥石化、黄铁矿化、磁黄铁矿化、硅化、(铁)碳酸盐化及绢云母化蚀变强烈。
在寻找隐伏矿体方面,激电剖面法、充电法、井中激电及地面高精度磁测等物探方法是该区寻找隐伏、半隐伏铜矿体的有效找矿手段。
区域找矿潜力区主要为碧口地体中部基性火山岩带中基性次火山岩发育地段、碧口地体南部基性火山岩带北缘断裂构造-基性侵入岩脉带。