刚果(金)Kimin铜钴矿床地质特征与成矿模式

2022-10-22胡登攀杨宪涛王新富

矿产与地质 2022年3期

胡登攀，李伟，杨宪涛，杨帆，王新富

(1.云南铜业矿产资源勘查开发有限公司，云南昆明 650051；2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093)

0 引言

刚果民主共和国 [简称刚果(金)] 矿产资源十分丰富，特别以丰富的铜和钴矿产资源著称，另外还有大量的 Pb、Zn、U、Mn、Sn、Au、Ni、Fe、Ge 及金刚石等矿产资源[1]，拥有世界级巨型规模的加丹加铜钴成矿带，其中 Kimin 铜钴矿床就是该巨型成矿带内的代表性矿床。Kimin 铜钴矿床位于刚果(金)南部卢阿拉巴 (Lualaba) 省科卢韦齐 (Kolwezi) 境内，其地理坐标为25°56′1.4″E、10°46′26.1″S，其大地构造位置处于刚果(金)加丹加新元古代铜-钴多金属成矿带内(卢菲利安成矿)带，属中非中新元古代铜-钴多金属成矿带的一部分。该矿床目前已探获铜、钴金属资源量分别为140余万吨和10万吨，Cu和Co平均品位分别为1.9%和0.8%，是该成矿区带内超大型铜钴矿床，经济价值显著。该矿床自发现以来，前人在矿区内开展了一系列的找矿勘查工作，初步查明了矿区地层、构造、岩浆岩等基本地质特征[2]，但是整体勘查及研究程度仍较低，仅停留在找矿勘查及资源储量估算阶段，对该矿床的地质特征、成矿模式及成因类型等方面的认识仍显不足。

本研究在详实野外地质调查及室内研究的基础上，结合该区内其他铜钴矿床地质特征及成矿规律，系统剖析总结了该矿床成矿地质特征及成矿地质条件，建立该矿床的成矿模式，以期为该矿床乃至成矿区带内其他铜钴矿床的下步找矿勘查与资源开发工作提供科学依据及成矿理论方面的指导。

1 地质概况

1.1 区域地质特征

刚果(金)总体位于中非—刚果盆地，大地构造位置位于刚果克拉通西南部，经历了非洲大陆的绝大部分地质发展史，其沉积地层经历了太古代褶皱、基底杂岩褶皱、基巴拉褶皱、孔德龙古褶皱等一系列大规模构造运动，伴随着不同规模的变质作用和岩浆作用 (图1)[3-4]。矿区所处的加丹加地区地层主要由基底与盖层两部分组成[5]。其中基底由太古宙基底杂岩与元古宙加丹加超群组成，基底杂岩主要为片岩、片麻岩、花岗岩、石英岩及砾岩等；而加丹加超群由罗安群(R)、恩古巴群(Ng)和孔德隆古群(Ku)组成(自上而下)；罗安群主要为滨海-浅海-深海相的碎屑沉积岩和碳酸盐岩(白云岩及白云质页岩)[5-6]；恩古巴群和孔德隆古群主要由碎屑沉积岩(砾岩、砂岩、粉砂岩、砂质页岩)组成[5-6]。其中罗安群矿山组(R2)是该区主要的铜钴赋矿层位[7]。上伏盖层主要为古近系—新近系冲积层、残积层、坡积层组成[7]。

该区经历了长时间 (约5亿年) 且复杂的地质构造演化，主要由NW向的加丹加褶皱—推覆构造带组成，为非洲中部卢菲利 (Lufilian) 弧形构造带的组成部分[3，7]。在1000 Ma～700 Ma时间范围内开始发生板块内裂谷作用，于800 Ma时开始出现加丹加群的沉积作用，随后沉积成岩形成罗安群地层 (765 Ma～735 Ma)[3]。在约750 Ma～600 Ma时发生了刚果克拉通与卡拉哈里克拉通的汇聚及俯冲，次生加丹加盆地发生倒转，沉积形成恩古巴群地层[3]；随后上述克拉通之间的陆-陆碰撞作用 (约530 Ma～500 Ma) 沉积形成了孔德隆古群地层。此外，该区另一构造单元卢菲利弧经历了三个不同模式的演化阶段，分别为750 Ma～600 Ma的褶皱推覆带和穹窿区，600 Ma～512 Ma的大规模左行EW向及NW向的平移断层，～512 Ma为垂直卢菲利弧走向的近SN—近EW向断裂及轴向NNE至NEE向的褶皱构造[3，6]。

区域内岩浆岩整体不发育，局部有侵入到基底杂岩中的花岗岩以及侵位于加丹加超群中的辉长岩和煌斑岩等[3]。此外，亦有镁铁质侵入岩 (765 Ma～735 Ma) 侵位于迪佩特亚群中，而熔岩和凝灰岩主要呈夹层分布于木瓦夏亚群底部的沉积岩中[3，6]。上述复杂的地质构造背景为铜钴成矿提供了优越的成矿地质条件；该区带内铜钴矿床的空间分布与区域构造控制的罗安群以及横向上相关的地层单元沿卢菲利弧分布有关[3]，可进一步划分为以下几个重要的次级铜钴成矿亚带：Ⅰ-科卢韦齐 (Kolwezi) 矿带，Ⅱ-腾凯 (Tenke) -丰古鲁梅 (Fungurume) 矿带，Ⅲ-卡坎达 (Kakanda) -坎博韦 (Kambove) 矿带及Ⅳ-肯森达 (Kinsenda) 矿带(图1)[3，7]；Kimin 铜钴矿床主要位于科卢韦齐铜钴成矿带内。

1.2 矿区地质特征

矿区出露地层主要为罗安群 (R) (图2)，由一套浅海相的细碎屑岩和化学岩组成，自下而上划分为 RAT (R1)、矿山组(R2)、迪佩特组(R3) 及木瓦夏组(R4)。RAT岩性主要为细至中粒灰绿色泥质粉砂岩，与上覆地层呈不整合接触。

矿山组在该区内进一步划分为 DSTR、RSF、RSC、SD和CMN 等五个层位(图3)。矿山组 DSTR 岩性主要为层状白云岩、细粒—薄层硅质白云岩和白云质页岩，与上层 RSF 接触部位有弱孔雀石化；矿山组RSF为薄层状硅质白云岩，孔雀石发育，为矿区主要含矿层；矿山组 RSC 为细至中粒块状—蜂窝状白云岩，层厚约20 m，为矿区主要含矿层位。矿山组 SD 主要为页岩及白云质页岩，少量炭质页岩，为次要含矿层位，SD 层位进一步被细分为 SDB (页岩及白云质页岩) 和 SDS (页岩、粉砂岩及板岩)；矿山组 CMN 为灰黄色中层状白云岩，与下层 SD 接触部位有弱孔雀石化。迪佩特组(R3)和木瓦夏组(R4)在矿区范围内零星出露，岩性为白云质粉砂岩、板岩及砾岩。此外，第四系(Q)残坡积层主要由松散红土和砂砾组成。Kimin 矿区总体位于非洲中部卢菲利弧形构造带西延的加丹加褶皱-推覆构造带，主要构造线呈EW向，总体位于次一级科卢韦齐—坎苏祁构造带内，NE向断裂发育，多为高角度走滑性质，形成时间较晚，常错断早期形成的铜钴矿体和罗安群地层，断距一般为5～80 m，为一组成矿后的破矿断裂构造 (图2)。

2 矿体特征

刚果(金) Kimin 铜钴矿床目前已控制并圈定铜、钴矿体群各3个 (图4)。铜矿体群编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其中Ⅰ号矿体群包括主矿体Ⅰ-1及工业小矿体15条，低品位小矿体35条；Ⅱ号矿体群包括主矿体Ⅱ-1及工业小矿体14条，低品位小矿体17条；Ⅲ号矿体群包括主矿体Ⅲ-1及工业小矿体6条，低品位小矿体3条。3个铜矿体群共圈定矿体90条，其中Ⅰ-1为该矿区内规模最大、品位最高的铜矿体 (表1、图4a)。钴矿体群3个，编号分别为 ⅰ、ⅱ、ⅲ，位置分布与铜基本一致 (表1、图4b)，其中ⅰ号矿体群包括主矿体 ⅰ-1 及5条小矿体；ⅱ号矿体群包括主矿体 ⅱ-1 及2条小矿体；ⅲ号矿体群包括主矿体 ⅲ-1 及2条小矿体。3个钴矿体群共圈定矿体12条，其中 ⅱ-1 和 ⅲ-1 为矿区内规模较大、品位较高的钴矿体。

表1 刚果(金) Kimin矿床铜、钴矿体特征

铜、钴矿体呈层状、板状及薄膜状产出，总体呈EW—近EW向展布，主要赋存于罗安群矿山组 RSF 段薄层状硅质白云岩和矿山组 RSC 段细至中粒块状—蜂窝状白云岩中，少部分矿体则赋存于矿山组 SD 段页岩及白云质页岩中；此外，部分铜、钴矿体赋存于近EW向坎苏祁构造带的次生构造破碎带内(图5)。矿化以铁-锰染、孔雀石化为主，多沿层间裂隙发育，偶见蓝矾、黑铁矿化、水钴矿化等。矿石自然类型以氧化矿为主，矿石矿物主要为孔雀石、蓝铜矿、黑铜矿、水钴矿、褐铁矿等。矿物结构以自形—他形粒状结构、包含结构为主，局部见少量交代结构、粒状结构、纤维状结构。矿石构造则以多孔构造、角砾状构造、浸染状构造、块状构造为主，其次为条带状、细脉状及角砾状构造，偶见皮壳状、鲕状构造，局部保留原岩层理构造或残余构造。脉石矿物主要为石英、方解石、白云石及其黏土矿物。

矿体均赋存于罗安群矿山组中，赋矿岩性主要为薄层状硅质白云岩-白云岩，少量页岩、白云质页岩及炭质页岩等。矿体层控性显著，矿石自然类型以氧化矿为主，反映矿床形成于氧化环境中，表生氧化淋滤富集作用显著。矿区位于坎苏祁 NE 向断裂中，横跨 Kansuki 和 Deziwa-Mutanda 两条平行断裂带，周边次级断裂发育，与褶皱构造一同控制着含矿岩层的空间展布，同时为矿质的沉淀和叠加提供有利场所，后期的次级断裂为含矿热液提供运移通道和储矿空间。结合矿石特征，Kimin 铜、钴矿床内矿石以强风化、孔雀石等角砾(砾石)成分及土状泥砂碎屑物为主，矿体及围岩中节理裂隙发育，表明成矿前后构造活动迹象显著。此外，围岩蚀变以硅化、碳酸盐化、绢云母化为主。矿区铜、钴主要富集于近地表(浅部)的氧化带(富集铜、钴氧化物)和深部的原生硫化带(富集铜、钴原生硫化物)；且由浅部至深部逐渐由氧化带过渡转变为硫化带。铜在深部原生硫化带主要以斑铜矿、黄铜矿、硫铜钴矿等为主，中—上部氧化带则以次生氧化孔雀石为主，其次为辉铜矿；钴在原生硫化带主要以硫铜钴矿、硫钴矿为主，而在氧化带中主要以次生氧化物水钴矿为主；同时，在浅地表铜、钴氧化带中以钴矿化为主，伴生铜矿化，发育和产出大量水钴矿和少量孔雀石等次生氧化物。

Kimin 铜钴矿床成矿具有多阶段性，基于对矿石组构和矿物共生组合关系，并结合野外宏观地质现象，将该矿床成矿作用序次划分为三个阶段：①沉积阶段，以形成黄铁矿、黄铜矿、斑铜矿、硫钴矿、硫铜钴矿等，非金属矿物石英、白云石等为特征；②热液改造阶段，以形成黄铁矿、镍黄铁矿、硫钴矿、硫铜钴矿、黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿、铜蓝等，非金属矿物石英、绢云母、白云石等为特征；③表生氧化富集阶段，以形成孔雀石、蓝铜矿、水钴矿等次生氧化物为特征 (图6)。阶段①主要对应于区内罗安群地层沉积形成时接收的大量基底杂岩中丰富的Cu、Co元素，经同沉积作用形成同生铜、钴矿化，亦为初始的铜、钴矿源层；阶段②主要对应区内与造山热动力有关的变质热液不断萃取罗安群矿源层中的铜、钴，同时对阶段①进行叠加改造，使得Cu、Co成矿元素进一步富集；阶段③主要对应主成矿作用之后的表生氧化淋滤富集作用[7-8，14]。阶段②对阶段①，阶段③对阶段②铜、钴矿化进行叠加和改造富集，形成了 Kimin 铜、钴矿床。

3 控矿因素与找矿标志

3.1 控矿因素

3.1.1 地层岩性

前已述及，罗安群矿山组为 Kimin 矿床主要的铜、钴矿化层位，其铜、钴矿体产出形态严格受控于地层展布特征，矿体产状与矿山组趋于一致；赋矿岩性主要为薄层状硅质白云岩-白云岩，显示出同沉积矿床特征。区域上，罗安群原始沉积的白云岩、炭质页岩在沉积之初就含有较高的Cu、Co含量，是本区最初始的矿源层[2，7-8]。同时由于罗安群矿山组岩石较为破碎，且活性相对较大，亦为后期的矿化富集提供了空间与水化学条件。在主成矿阶段结束后的氧化淋滤阶段，由于地层内泥质成分的流失，也为铜氧化物孔雀石的形成提供了空间；同时赋矿层位顶底板为一套炭质板岩及少量炭质白云岩，可以作为较好的隔挡层，有利于金属矿质在罗安群矿山组内沉淀与富集。综上，区内罗安群地层和岩性对铜、钴富集成矿的控制主要表现在以下三个方面：①作为初始矿源层及贫矿胚，提供成矿物质；②有利的岩性(白云岩及少量页岩)与流体发生不同程度的交代作用，导致矿质不断叠加富集沉淀；③有利的岩性参与着各种容矿构造与裂隙的形成[8-9]。因而，矿区内罗安群矿山组白云岩及少量页岩是重要的赋矿层位和赋矿岩性。

3.1.2 构造

Kimin矿床在区域上属加丹加弧形成矿带的东南端，是该成矿带的重要组成部分，受区域上NW向断裂、褶皱构造的双重控制[2]。在 Kimin 铜、钴矿区范围内主要表现为近EW向的层间断裂控矿，断裂活动对成矿的贡献主要体现在以下两个方面：①矿源层内发育的构造裂隙为含矿热液的活动运移提供了通道，有利于热液对矿源层内早先沉积的Cu、Co元素进行活化、迁移与萃取；②含矿层内岩石在构造作用下较为破碎，从而使得岩石的活性增大，含矿热液与活性岩石有更大的接触面积，有利于含矿热液金属矿质的析出并沉淀富集，并为其提供良好的储矿和容矿空间[7-8，10，14]。此外，Kimin 铜、钴矿区内亦发育一组近平行的NE向断裂，表现为切割和错移地层和铜、钴矿体，为成岩-成矿作用后的破岩-破矿断裂。综上，矿区近EW向的顺层断裂不但是成矿热液良好的运移通道，而且在适宜的成矿温压条件下成为了金属矿质沉淀富集空间；而NE向断裂则为破岩-破矿断裂。

3.1.3 氧化带

在 Kimin 铜钴矿床近地表罗安群赋矿层位中主要以铜、钴氧化物为主，如孔雀石、蓝铜矿及水钴矿，构成了铜、钴氧化带；而深部则以原生铜钴矿物为主，如斑铜矿、黄铜矿、硫铜钴矿及硫钴矿等，构成了铜、钴原生硫化带。因而，在 Kimin 铜钴矿床中由近地表(浅部)至深部，铜、钴矿物呈现由氧化物至原生硫化物的过渡和转变。此外，已有研究进一步指出，地表介质(如大气降水和空气)沿成矿后断裂(断层、节理和裂隙)下渗达潜水面，所涉及范围内早先形成的硫化矿床在上述介质的参与影响下被氧化形成由大量氧化物组成的氧化带[8，11]。如黄铜矿在地表介质参与下发生系列化学反应：

CuFeS2(黄铜矿)+4O2→CuSO4(溶液) + FeSO4，

2CuSO4+2CaCO3+H2O→Cu2(OH)2CO3(孔雀石)+2CaSO4+CO2↑[8]，

最终形成铜的氧化物孔雀石。同理，原生钴矿物也在有后期流体参与下发生氧化淋滤作用，形成钴华和水钴矿，使得原生硫化矿转变为氧化矿，大量含金属氧化物组成氧化带[8，11]；这与 Kimin 铜钴矿床浅部富集铜-钴氧化物、深部富集产出铜-钴硫化物的地质特性相符。因而，氧化带是 Kimin 铜钴矿床一重要控矿因素。

3.2 找矿标志

综合研究表明，加丹加铜钴多金属成矿带内的铜钴矿床找矿标志主要集中于地层岩性、断裂构造、矿物学、热液蚀变、物化探异常、地形及植物学等方面[8，12-13]，结合该矿床地质特征及找矿勘查实践成果，通过与区域内其他铜钴矿床进行分析对比，认为 Kimin 铜钴矿床找矿标志亦集中于以下七个方面。

1)地层岩性标志：罗安群矿山组的第二岩性段(R2.2)炭质板岩、粉砂质白云岩、硅化结晶白云岩、条带状硅化白云岩、角砾岩等岩石。

2)构造标志：逆断层及其破碎带等是重要的构造标志。

3)矿物标志：孔雀石、水钴矿等次生氧化物可作为矿物标志。

4)蚀变标志：如硅化、白云岩化、绢云母化以及滑石化等典型的蚀变现象也可作为找矿的典型标志。

5)化探标志：Cu和Co组合异常是重要的化探标志。

6)地形标志：由于成矿过程中硅化作用发育，岩石不易风化，正地形亦是较好的找矿标志。

7)植物学标志：Cu和Co等重金属含量高地带植被稀疏被称为“铜清除”，是值得重视的找矿地带。此外，耐重金属的植物群如钴笋、铜草、旱生灌木等是较好的植物找矿标志，亦对铜钴矿床的寻找有一定指示作用。

4 矿床成因与成矿模式

20世纪初，有学者指出刚果(金)铜钴矿带层状铜钴矿床成矿作用与岩浆侵入热液活动有关，但随着研究程度深入发现加丹加铜钴含矿岩系与该区带内花岗岩体呈不整合接触关系，且矿化层位沿走向和倾向稳定延伸，有学者基于此提出了同沉积的观点，认为刚果(金)铜、铁、钴等由碎屑或化学沉积形成[14]。近年来，随着该区带内铜钴矿床在矿化-蚀变特征、成矿年代学、流体地球化学、同位素地球化学 (C-O-S-Pb-Sr-Nd-Os) 等方面的深入研究[3，8，13]，为该区带内铜钴矿床在矿床成因方面的探讨和厘定提供了大量的基础资料。已有研究表明加丹加地区铜钴矿床矿化在平面上呈现浸染状、顺层脉状、褶皱变形后脉状以及热液充填脉状的矿化特征，在剖面上由浅部至深部呈现氧化矿、混合矿和原生硫化矿的垂向分布特征，且区内罗恩群地层存在明显的钙-镁质蚀变(硬石膏、白云岩、方解石、金云母)、钾质蚀变(钾长石、金云母、绢云母-云母)、钠质蚀变(钠长石、方柱石)、碳酸盐化(包括有机碳)及硅化蚀变。加丹加地区铜钴矿床的成矿年龄主要集中于 880 Ma～500 Ma之间，时间跨度大，期间主要经历了原生同沉积铜钴成矿作用和卢富里安造山作用末期及区域变质作用引起的热液成矿作用；此外，根据铜钴矿石及矿物特征初步判断沉积成矿作用较为重要；成矿流体均一温度和盐度(NaCl)分别集中于100℃～300℃和11%～38%之间，可能为 H2O - NaCl/KCl - MgCl2体系。此外，同位素地球化学研究表明加丹加地区铜钴矿床成矿物质及成矿流体主要与上地壳物质(元古代基底和罗恩群地层)有关[3，8，13]。综合上述加丹加地区铜钴矿床在矿化-蚀变、成矿年代学、流体地球化学及同位素地球化学等方面的特征，结合 Kimin 铜钴矿区地质特征及矿化特征，认为该矿床成因类型可能为“沉积-热液改造型铜钴矿床”。

已有研究表明，加丹加铜钴成矿区带内铜钴矿床成矿元素(S)主要来源于原始沉积地层中的硫化物和硫酸盐(硬石膏)，成矿金属元素来自上地壳(基底和罗安群地层)。成矿流体来源于原始沉积盆地(加丹加古海洋)，而驱动流体运移的能量可能包括流体重力作用、地层压实作用、流体盐度差异、盆地内地热梯度等[8]。根据成矿作用的先后序次，Kimin 铜钴矿床存在沉积、热液改造和表生氧化富集等成矿作用阶段，成矿作用以热液充填为主。罗安群为初始矿源层，形成于880 Ma～750 Ma，发育于裂谷盆地的北东侧边缘。至新元古代，由于大陆发生 NW—SE 向的裂解，以及裂谷地段和开裂板内差异运动的影响，裂谷盆地持续开裂导致台地迅速下陷，发生广泛的富含镁铁质的火山喷发。裂谷盆地中的同沉积断裂在大陆裂解的过程中不断加深，将上地幔富含Cu、Co等成矿元素的气液沿同生断裂上升，在海底发生喷气喷流沉积作用，铜钴初步富集，形成原始沉积铜钴矿(化)体[8，17]。后期卢菲利运动的构造变质作用对早期沉积的矿化层产生剧烈的构造切割破坏，岩层发生褶皱倾斜及构造破碎。构造及变质热液使得岩石中的成矿金属元素活化、迁移，在构造裂隙及构造破碎带等有利储矿空间中再次沉淀富集，形成铜钴矿化的叠加富集[15，17]。此外，区内降水充沛，断层、破碎带良好的透水性为矿质运移提供了有利通道，兼之适宜的温度及巨大的时间跨度，致使矿床表生氧化作用强烈。表生氧化富集阶段因经历漫长地质年代的风化、剥蚀和氧化淋滤作用，伴随着物理、化学、生物等条件下，使得铜、钴矿元素通过淋滤作用富集，且该氧化淋滤成矿作用一直持续至今[8，16]。同时亦经历了多次的迁移和搬运作用，使地表及近地表的铜钴硫化物变为氧化物或氢氧化物(孔雀石、水钴矿、蓝铜矿)，呈现次生富集[10](图7)。