楚雄盆地北部桂花铜矿区晚白垩世含矿岩系沉积环境

2019-09-10薛传东向坤胡廷银廖程杨欣鹏杨天云露王磊

沉积学报 2019年3期

薛传东，向坤，胡廷银，廖程，杨欣鹏，杨天云露，王磊

昆明理工大学地球科学系，昆明 650093

0 引言

楚雄盆地位于青藏高原东缘“三江”构造带与扬子地台西缘的结合部，以赋存有大姚六苴、牟定郝家河等大型砂岩型铜矿床及盐类、煤炭等矿产资源而长期备受关注。其中，砂岩型铜矿床主要集中分布于白垩纪地层中，不仅在白垩纪地层中呈现出多层位容矿的典型特征，而且相应的矿化特征也存在明显差异。例如，盆地北部桂花地区的大村、直苴、团山、冶基厂、树皮厂、摩柏梁子等铜矿床/点的似层状、透镜状矿体，赋存于上白垩统江底河组底部泥岩及其下伏的马头山组顶部砾岩和/或含砾砂岩中，以网脉状、斑块状、星点状矿石为特征；而盆地中南部的大姚凹地苴、六苴及牟定郝家河等砂岩型铜矿床的似层状、透镜状、脉状矿体，产于上白垩统马头山组下部层位和下白垩统高峰寺组的石英砂岩中，以浸染状、条纹状矿石为特征。尽管前人已经从矿床学角度对这些铜矿床之间的矿化特征异同进行了对比研究[1-10]，并对楚雄盆地砂岩型铜矿床的成矿作用进行了不同程度地分析，但是关于赋矿地层相对缺乏岩石组合序列和沉积环境方面的系统研究。正是由于缺乏沉积相和沉积环境方面的研究，从而制约了对“三江”构造带成矿作用与构造演化之间耦合关系认识的理论提升，同时也影响了区域矿产资源评价与找矿勘探工作的进程。

本文以楚雄盆地北部包括大村铜矿区在内的桂花地区上白垩统作为主要研究区和研究对象，在系统地区域地质调查和矿区坑道及钻孔详细观测的基础上，深入研究了该区上白垩统江底河组和马头山组沉积相、古水流及砾岩和砂岩碎屑组成特征，以期为矿床成因研究提供证据。

1 地质背景

楚雄盆地北起攀枝花，南至元江县，东抵武定、禄丰，西至祥云、宾川，平面上呈现近南北向狭长展布，面积约36 000 km2；盆地西南和南侧紧邻哀牢山构造带，北东和东侧分别与元谋古陆及康滇古陆相邻(图1a)。盆地基底由元古界昆阳群、震旦系及古生界共同构成，昆阳群和震旦系广泛出露于盆地周缘，古生界在盆地中部零星出露；盆地内的主要充填物由中—新生界陆源碎屑沉积构成(图1a，b)。其中，三叠系中产有煤层，侏罗系及白垩系中产有石膏及盐[11]；同时白垩系是“三江”构造带砂岩型铜矿床的主要含矿围岩，其多个层位中产有砂岩型铜矿床。近南北向、东西向及北西向断层在盆地内部发育，同时勘探结果表明，楚雄盆地内大量发育锆石U/Pb年龄为37～31 Ma[12-13]的煌斑岩、花岗(斑)岩侵入体及次火山岩。这些事实表明，楚雄盆地曾经历了多期次的构造—岩浆事件的改造和破坏，这些构造—岩浆作用可能也是盆地内及邻区成矿热液活动的重要因素。

图1 楚雄盆地区域地质略图(a)、桂花铜矿区地质图(b)及实测剖面地质图(c，d)1，2，3.上白垩统江底河组三段、二段及一段；4，5.上白垩统马头山组二段及一段；6.下白垩统普昌河组；7.下白垩统高峰寺组；8.上侏罗统妥甸组；9.中侏罗统蛇店组10.喜马拉雅期花岗(斑)岩；11.铜矿体；12.整合及假整合接触界线；13.地层产状；14.断层及编号；15.泥岩；16.粉砂质泥岩；17.泥质粉砂岩；18.泥质粉—细砂岩；19.细—中粒砂岩；20.长石石英砂岩；21.中粒砂岩；22.砾岩夹砂岩；23.火山碎屑粉—细砂岩；24.古水流玫瑰花图；25.剖面位置及编号；26.坑道中段剖面及编号；27.河流；28.村镇Fig.1 Geological maps of the Chuxiong Basin (a),the Guihua copper orefield (b),and the measured profiles (c,d)1, 2, 3. 3rd, 2nd, and 1st members of the Upper Cretaceous Jiangdihe Formation; 4, 5. 2nd, and 1st members of the Upper Cretaceous Matoushan Formation; 6. Lower Cretaceous Puchanghe Formation; 7. Lower Cretaceous Gaofengsi Formation; 8. Upper Jurassic Tuodian Formation; 9. Middle Jurassic Shedian Formation; 10. Himalayan granite and granitic porphyry; 11. copper orebody; 12. conformity and disconformity; 13. attitude of stratum; 14. fault and its number; 15. mudstone; 16. silty mudstone; 17. muddy siltstone; 18. siltstone and fine-grained sandstone; 19. medium-and fine-grained sandstone; 20. feldspar-quartz sandstone; 21. medium-grained sandstone; 22. conglomerate with sandstone interlayer; 23. pyroclastic siltstone and fine-grained sandstone; 24. rose diagram of paleocurrent; 25. location of measured section and number; 26. location of measured section in different level tunnel and number; 27. river; 28. village

在楚雄盆地北部的桂花地区，晚中生代地层发育相对良好。它们具体表现为中侏罗统蛇店组(J2s)、上侏罗统妥甸组(J3t)、下白垩统高峰寺组(K1g)和普昌河组(K1p)，以及上白垩统马头山组(K2m)和江底河组(K2j)(图1a，b)。区域地质调查研究结果[1,11]表明，高峰寺组与妥甸组、马头山组与普昌河组、江底河组与马头山组均呈假整合接触；区内构造以开阔褶皱为主，局部为紧闭乃至倒转褶皱，断裂相对不发育；此外，大村铜矿区也广泛出露近东西向喜马拉雅期(未发表数据)花岗(斑)岩及煌斑岩岩墙(群)(图1b，c，d)。

区域上，楚雄盆地北部桂花—湾碧地区的铜矿体主要集中分布在俄刀俄向斜内，树皮厂—桂花向斜两翼也有局部产出，已知铜工业矿体和矿化体主要断续出现在江底河组底部泥岩和马头山组顶部砾岩、砂岩组合中(图1b，c，d)。对于同一矿床(体)，不同容矿岩石的铜矿化特点存在一定差异。例如，对于大村及直苴矿床，其矿体厚度及铜品位均值变化范围为，江底河组底部泥岩分别为0.19～0.43 m及1.47～1.95%，马头山组上部砂岩分别为0.29～0.38 m及1.89%～2.21%，马头山组顶部砾岩分别为0.02～0.08 m及1.63%～2.32%[1]。

2 上白垩统含矿岩系沉积相分析

2.1 马头山组(K2m)

马头山组(K2m)岩性主要表现为砂岩、含砾砂岩及砾岩组合(图2)。其中，砂岩、含砾砂岩是该套地层下部组成的主要岩石组合类型，且局部夹砾岩透镜体，即马头山组下段(K2m1)；砾岩主要见于该套地层上部，即马头山组上段(K2m2)。总体上，该套地层呈现出自下而上砂岩层厚度变薄且含量逐渐减少、砾岩层厚度增大且含量增多的特征。同时，砾岩层在露头上多以透镜体形式存在。

横向上，该套地层厚度和砂岩层总体具有自南而北逐渐变薄的趋势，砾岩层厚度则呈现出向北逐渐增厚的变化特征，并与地层和砂岩层厚度呈现彼此消长关系特征(图2)。其中，马头山组地层在北部冶基厂地区厚度最小(约37 m)，南部俄刀俄地区厚度最大(95 m)。据区域资料[1, 11]，在本区以南的大姚六苴地区，马头山组厚度大于200 m。然而，该套地层中砾岩层厚度在冶基厂地区最大(约21.3 m)，向南总体逐渐变薄，在俄刀俄地区最薄，仅有0.3～1.2 m。此外，在大村铜矿区2 200 m中段巷道中，砾岩层缺失，但与其相对应出露灰绿色含砾粗砂岩层，并发育明显铜矿化。该含砾粗砂岩层厚度为0.8～1.5 m。

图2 桂花铜矿区上白垩统含矿地层剖面柱状图(岩性图例见图1)Fig.2 Columnar diagrams of the Upper Cretaceous ore-bearing strata in the Guihua copper orefield (lithology legend is shown in Fig.1)

垂向上，砾岩层单层厚度变化较大(0.05～9 m)，总体具有向上厚度变小且砾石砾径逐渐变小的趋势。在局部地段，可见砾石砾径向上变大的逆粒序结构。分布于地层剖面下部砂岩组合中的砾岩层，通常以透镜体形式分布(图3a)，单个透镜体厚度一般为2～15 cm，侧向延伸相对较小(一般为1～6 m)。相对而言，该套地层上部的砾岩层厚度较大。这些砾岩总体呈现为系列透镜体组合，并夹有含砾粗砂岩透镜体。砾岩层中砾石磨圆度较好，多为椭圆状，局部可见次棱角状砾石(图3b)；砾石具有向南其砾径变小、磨圆度变好和含量减少的特征。剖面上，这些砾岩在顶部总体以砾质支撑为特征，下部则以砂质支撑为主要特征，且空间上这些砾岩向南也逐渐变为以砂质支撑为主的砾岩。砾岩层中还常见叠瓦状砾石(图3c)，同时可见由不同级别砾石构成的大型板状斜层理；砾石层中的含砾砂岩透镜体发育相对不清晰的板状、槽状斜层理(图3b，c)。砂岩通常为中—厚层状，露头上为红色、浅灰色和灰绿色，局部地段含有少量砾石。它们常与紫红色、深灰色泥岩相伴。砂岩底部通常可见明显的冲刷面，且含有泥砾或者石英砾，属于河床滞留沉积。楔状交错层理(图3a)、正粒序(图3b)、板状交错层理(图3d)及平行层理在砂岩层中极其发育，交错层理在规模上向上逐渐变小。此外，粉砂岩、泥岩中还可见小型槽状交错层理和爬升波纹斜层理，局部地段夹有钙质结核层。

总之，该套地层下部砂岩和上部砾岩层均具有向上粒度变细的趋势，并发育底冲刷面、板状和槽状交错层理以及砾石叠瓦状排列等河流相沉积标志[15]。这些基本地质事实表明，马头山组下部(K2m1)是一套边滩沉积为主及部分河床亚相的底部滞留沉积组合，其上部(K2m2)的砾岩层主要为一套河床滞留砾岩沉积组合。

2.2 江底河组(K2j)

江底河组主要是一套细碎屑岩组合，与下伏马头山组之间为连续沉积。其下部为灰绿—灰黑色钙质泥岩、炭质页岩、沥青质页岩组合(K2j1)，中部主要为紫红色粉砂质泥岩夹薄层泥质粉砂岩(K2j2)，上部紫红色粉砂质泥岩夹砂岩组合(K2j3)。其中，下部泥岩组合是桂花地区铜矿床(体)的主要含矿围岩。

空间上，该套地层下部泥岩组合厚度具有自北而南逐渐增大的趋势(图2)，且在南部俄刀俄一带的沉积厚度最大，约为64.5 m。区域上，随着马头山组顶部砾岩层向南逐渐减薄并尖灭，泥岩层厚度则向南逐渐增大，且直接覆盖于马头山组砂岩之上。相对于下伏的马头山组而言，江底河组岩石粒度明显变细，且砂岩层以粉砂岩为主并缺乏中、粗粒砂岩；中部红色泥质粉砂岩中局部发育石膏细脉及斑块(图3e)；下部泥岩中发育干沥青脉(图3f)。泥岩和薄层粉砂岩互层，在局部地段形成向上粒度变细的正粒序结构特征；底冲刷面、波纹斜层理和火焰构造在野外也十分常见。这些特征表明，江底河组形成于相对干旱的沉积环境，为河流边滩亚相沉积。

在红色泥岩露头上，可见大量的液化砂脉分布。这主要是由于沉积成岩作用过程中富含水分的浅色粉砂岩，因压实作用而发生液化，并向上穿入紫红色泥岩层中所致[16-18]。与这些砂脉相伴的地段，还发育有同沉积断裂、滑塌褶曲、同沉积砾岩以及大量的砂岩“球枕”构造(图3g)。这些同沉积滑塌构造和液化砂脉内部及相关裂隙部位，也是铜金属硫化物的主要集中发育区(图3h)。

图4 桂花铜矿区上白垩统马头山组砾岩层砾石各轴粒径累积频率曲线图Fig.4 Accumulative frequency curves of gravel axis for the conglomerate layers from the Upper Cretaceous Matoushan Formation in the Guihua copper ore field

3 砾岩、砂岩碎屑组成特征

沉积盆地充填物碎屑组成严格地受到沉积物源区、构造、气候、搬运作用及沉积成岩作用等地质因素的共同影响[19-21]。然而，砾岩组成特征不仅可以直接反映其沉积物源区岩石类型和隆升剥蚀程度，同时可以为盆地充填序列组成时空变化特征提供直接证据[22-26]。因此，我们对桂花地区马头山组与江底河组砂岩碎屑组成研究同时，野外重点对马头山组中砾岩进行了砾石成分详细研究。这一研究不仅可以揭示它们的沉积物源区岩石类型等基本特征，也可为楚雄盆地形成演化与相邻地质体耦合关系提供最直接的沉积学证据。

3.1 砾岩成分特征

为了充分揭示马头山组上部砾岩层中砾石成分空间变化特征，我们野外分别对冶基厂、树皮厂、岔河、小河、大村等5个剖面的砾岩选取1 m2开展砾石面积统计[27]，进而进行了砾石含量估算，以确定物源区可能的岩石类型及其时空变化特征。统计结果(表1)表明，该套地层中砾岩砾石主要有石英岩、深灰色硅质岩、砂岩、灰岩、花岗岩、玄武岩和泥岩，以泥岩砾石最少(图2)；砾石砾径变化大，在2～12 cm之间。空间上，砾石砾径向南逐渐减小且磨圆度明显增高，同时玄武岩和花岗岩砾石的含量也明显减小。

桂花地区5条实测剖面砾石成分统计结果研究表明，这些砾岩砾石成分与下伏基底地层和北侧及北东侧隆起区(图1a)的岩性完全相同。从北向南，砾石成分成熟度增高，同时在南部小河、大村一带，相对缺乏玄武岩和花岗岩砾石(表1、图2)。这些基本事实表明，马头山组沉积时的沉积物源区主要位于现今桂花地区的北侧，且该区在晚白垩世时期具有北高南低的古地貌格局。这一事实也与马头山组下部砂岩组合厚度时空变化相一致。

表1 桂花铜矿区上白垩统马头山组砾岩层砾石粒度特征统计表Table 1 Granulometric features of conglomerate layers from the Upper Cretaceous Matoushan Formation in the Guihua copper ore field

3.2 砂岩碎屑组成

桂花铜矿区上白垩统砂岩显微结构分析(图5)表明，砂岩主要为岩屑杂砂岩、岩屑长石杂砂岩及长石岩屑杂砂岩3种。碎屑由岩屑(25%～30%)、石英(25%～35%)和长石(15%～25%)共同构成，其含量变化相对较小，为75%～80%；基质通常为泥质和钙质2类，含量为15%～20%。不同碎屑以棱角状—次棱角状为主，表明其经历了较短距离的搬运。

岩屑由花岗岩、云母石英片岩、硅质岩、火山岩共同构成。其中，花岗岩屑由石英和斜长石构成，具有明显的花岗结构(图5a)；同时，部分花岗岩岩屑中的石英和长石具有明显的定向性(图5b)，且石英波状消光普遍发育(图5c)，表明其来源于花岗质片麻岩；火山岩岩屑有酸性火山岩和基性火山岩2类，尽管二者均发生了不同程度的蚀变，但依然保留有清晰可辨的斑状间隐结构(图5d)或填隙结构(图5b，e)；硅质岩屑则主要由不规则状细小隐晶质石英集合体构成(图5a，f)。

石英和长石碎屑主要表现为次棱角状。石英碎屑多以单晶石英为主，且部分单晶石英碎屑呈现次生加大现象，并含有大量流体包裹体，同时具有明显波状消光特点(图5e)，表明其为花岗岩来源[28]；多晶石英碎屑发育波状消光，且部分含有鳞片状包裹体，呈现出变质岩来源特征。长石有钾长石和斜长石两类，但主要以斜长石为主；钾长石碎屑发育格子双晶(图5e，g)，斜长石遭受一定蚀变，但是卡钠双晶依然清晰可辨(图5d)。而部分单晶石英碎屑表现为具港湾状形态，但缺乏包裹体，可能来自于火山岩。

另外，可见黑云母(图5f)、黝帘石(图5h)、锆石等碎屑重砂矿物。黝帘石和锆石多呈浑圆状，表面具有明显的磨蚀痕迹和显微裂隙；黑云母碎屑相对完好，但其边部也有明显的磨蚀痕迹。这些特征表明，其曾经历了一定距离的搬运。

4 古水流分析

为了判别马头山组及江底河组沉积物源区的相对位置，我们对区内5条剖面上砾岩层叠瓦状砾石最大扁平面产状进行了实测，并结合地层产状进行其产状校正恢复，进而绘制了相对应的古水流玫瑰花图(图1)。从这些玫瑰花图上可以看出，马头山组砾岩的沉积物源区总体来自于其北东侧物源隆起区，具体表现为岔河以北主要来自北北东方向，岔河以南则来自北西方向。这表明，研究区北部的盆地基底隆起控制着盆地内部古水流方向，而且这些古隆起为盆地提供了部分物源。

5 讨论

5.1 楚雄盆地桂花铜矿区上白垩统沉积环境

岩石组合和沉积相分析表明，楚雄盆地北部桂花地区晚白垩世马头山组与江底河组是一套连续沉积组合。垂向上，自下而上依次表现为砂岩、含砾砂岩组合夹粉砂岩组合、砾岩透镜体夹砂岩、页岩、泥岩夹粉砂岩组合，总体具有向上粒度变细的岩石组合特征。其中，砾岩在整个桂花地区主要呈现为透镜体形式分布，其厚度和侧向延伸均变化较大，发育叠瓦状构造、不清晰板状斜层理；下部砂岩中发育大型板状、槽状斜层理，其上部的泥岩、粉砂岩层中发育波纹斜层理、爬升层理及同沉积滑塌褶曲、同沉积断裂、泄水构造等。这些事实表明，楚雄盆地在晚白垩世时期主体表现为一套河流相沉积组合，并具有向南盆地内水体逐渐加深的基本特征。空间上，该套沉积组合在北部桂花地区树皮厂以北地区，主要为河道滞留沉积组合；而在树皮厂以南地区，主要为河流边滩相沉积。

5.2 晚白垩世时期古地理格局与成矿

砾岩、砂岩、泥岩厚度以及沉积相时空变化特征共同表明，晚白垩世时期楚雄盆地桂花地区呈现出北高南低的古地貌格局。砾岩成分分析表明，马头山组沉积物源区层出露有石英岩、花岗岩、玄武岩、砂岩、灰岩、片岩及泥岩等岩石组合类型(图2)。砂岩碎屑组成(图5)分析结果表明，江底河组和马头山组沉积时，其沉积物源区大量发育花岗岩、片麻岩、硅质岩、玄武岩、云母石英片岩等岩石类型。同时，由于砂岩呈现分选和磨圆差的特点，富含棱角状—次棱角状岩屑和长石，以岩屑杂砂岩、岩屑长石杂砂岩及长石岩屑杂砂岩为主要类型，表明其为形成于相对干旱环境的近源沉积。这一推论与江底河组中含有的石膏盐层相一致。江底河组内的同沉积断裂、液化砂脉等泄水构造以及同沉积褶皱(图2，3)等共同表明，该时期楚雄盆地层沉积遭受了区域构造挤压作用引起的隆升破坏。然而，马头山组中砂岩型铜矿化可能是由于其北侧基底隆起区中的含铜岩石在发生隆升剥蚀过程中被分解，并随同相关剥蚀碎屑一并向南搬运并发生沉积，且在整个盆地遭受挤压隆升破坏过程中进一步发生富集而成矿。

5.3 成矿控制因素

对于大多数已定义的砂岩型铜矿床而言，国内外的学者对其成矿物质及流体来源、运移及金属富集沉淀机制仍存在争议，但对其成矿作用与同沉积作用(沉积岩性、沉积相和沉积—古地理环境)有关、发生于成岩期或成岩晚期已达成共识[29-33]。滇中楚雄盆地及其邻区是我国著名的中—新生代砂岩型铜矿床富集区，区内大量发育的铜矿床同样存在类似的分歧，尤其是对其关键控矿因素仍不明确，限制了找矿勘查工作的有效实施。

勘查工程揭露表明，楚雄盆地北部桂花地区铜矿床(体)均呈层状、似层状或透镜状展布于俄刀俄向斜内，主要呈面状连续赋存在江底河组底部灰绿—灰黑色含粉砂质泥岩层中，次为马头山组顶部砾岩、含砾砂岩和细—中粒岩屑砂岩中，且矿化连续，铜矿体总厚度及平均品位分别为0.59～0.80 m和1.81%～2.01%[1]。其中，在俄刀俄向斜东翼地区，马头山组顶部砾岩层已趋于尖灭，主要是马头山组顶部砂岩含矿，而江底河组底部泥岩矿化较弱。本次的调查观测发现，楚雄盆地北部桂花地区的铜矿床容矿地层虽经历了成岩后期的挤压变形，但沉积成岩期同生变形的成矿控制作用较为明显，尤其是江底河组底部灰绿—灰黑色富含有机质(炭屑、沥青)泥岩中普遍发育的同沉积变形构造(图2，3)，与铜矿化的成因联系较为密切。调查还显示，区内未见先成矿石矿物被晚期热液活化或改造的现象，这说明江底河组成岩后未发生新的成矿作用。因而，区内铜成矿作用主要发生在沉积成岩期，江底河组边滩亚相富含有机质泥岩及其与下伏马头山组河道亚相砂砾岩的沉积组合，成为成矿流体迁移和充填成矿的有利空间，而同沉积期变形构造是主要的成矿驱动因素。这也应是区内砂岩型铜矿化发育的关键机制。