2018, Vol. 37
2. 联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心, 河北 廊坊 065000
2. UNESCO International Centre on Global-scale Geochemistry, Langfang Hebei 065000, China
矿床是地球复杂系统的历史产物，是一系列复杂地质过程耦合作用的结果(翟裕生等，2011)。成矿系统概括为“源-运-储-变-保”5个阶段(翟裕生等，2011)，其中“源”指矿质、流体、能量的来源，是矿床形成的物质基础。王学求(2000)指出，形成大型-超大型矿床的必要条件是要有巨量的成矿物质供应和聚集。由此可见，成矿物质在成矿过程中有着重要作用，巨量的成矿物质供应更是形成大型-超大型矿床或矿集区的先决条件。
Doe(1991)提出“地球化学块体为具有某种或某些元素高含量的大岩块，能够为矿床的形成提供物质源”。谢学锦等(2002)将面积等于或大于地球化学省(1 000 km2)范围的地球化学异常给定一定的厚度，称为地球化学块体。地球化学块体与矿集区之间存在密切的对应关系(王学求等，2007)，这些富含某些(种)元素的巨大岩块能为矿床的形成提供必要的物质基础(王学求等，2007)。
长江中下游地区存在数量众多的斑岩型、矽卡岩型铜矿床，其成矿时代主要集中于130~150Ma(吴良士和邹晓秋，1997；Sun et al., 2003；毛景文等，2004；蒙义峰等，2004；谢桂青等，2006；Wang et al., 2006；李进文等，2007；Li et al., 2010；陈红瑾等，2011；陈志洪等, 2011；Xie et al., 2011a, 2011b；Yang et al., 2011；颜代蓉等，2012；周涛发等，2012；王建等, 2014a, 2014b)。如此大规模的成矿作用在相对集中的时间内发生，除与有利的大地构造背景、地层、构造活动、岩浆活动等成矿条件有关外，还必须具备充足的成矿物质(王学求等，2007)。前人在该地区的研究重点主要集中于地质地球化学特征、控矿构造、成矿动力学、地质年代学、同位素等方面(翟裕生等, 1983, 1992；常印佛等，1991；毛景文等，2004；周涛发等，2008；董树文等，2011)。然而，目前从物质供应角度剖析该地区矿床成因的研究相对较为薄弱。前人通过地球化学块体理论在该地区圈定了大面积的Cu异常，并对地球化学块体与成矿省的关系进行了探讨(刘雪敏等，2012；徐善法和王玮，2012；王学求等，2013a)。本文选取长江中下游地区(28°~32°40′N；114°~120°E)为研究区，从成矿物质供应角度入手，剖析该地区大型矿床/矿集区的成因，对于更加深入地认识该地区大型矿床/矿集区的成因，以及进行成矿预测具有重要意义。
1 地质背景长江中下游多金属成矿带位于华北板块和扬子板块的汇聚地带，北侧为襄樊-广济断裂和郯庐断裂，南缘为阳兴-常州断裂(图 1)。该区受特提斯构造域、古太平洋构造域和深部壳幔作用过程的共同控制(常印佛等，1991；翟裕生等，1992；周涛发等，2008)。
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图 1 长江中下游地区地质简图 Fig.1 Simplified geological map of the Middle-Lower Yangtze River region |
长江中下游地区地层从前寒武系至第四系均有分布。其中，太古宙-元古宙以及新元古代变质基底在区内零星出露，而寒武纪-早三叠世碎屑岩和碳酸盐岩以及侏罗纪-白垩纪陆相火山岩夹碎屑岩在区内分布较广。矿床主要赋存于石炭系-三叠系中(毛景文等，2009；高林志等，2010)。
构造方面，北北东向断裂在长江中下游地区最为发育，明显控制着岩浆活动和矿床分布，其次为东西向和北西向断裂。断裂的交汇部位对成矿作用最为有利(常印佛等，1991；翟裕生等，1992)。
区内岩浆活动较为强烈，岩浆岩主要形成于145~120Ma之间，主要由3个系列组成，分别为高钾钙碱性系列、橄榄安粗岩系列和碱性花岗岩系列(常印佛等，1991；周涛发等, 2008, 2011；Li et al., 2012)。与成矿作用关系最为密切的中酸性岩浆岩的形成与壳幔相互作用有关，中生代基性岩浆的底侵作用以及壳幔之间的相互作用导致了花岗质岩石的形成(Li et al., 2008；周涛发等, 2008, 2012)。橄榄安粗岩主要沿长江分布于几大火山岩盆地中，如怀宁盆地、庐枞盆地、宁芜盆地(王元龙等，2001；周涛发等，2011)。
长江中下游地区的成矿年龄主要为130~150Ma(吴良士和邹晓秋，1997；Sun et al., 2003；毛景文等，2004；蒙义峰等，2004；谢桂青等，2006；Wang et al., 2006；李进文等，2007；Li et al., 2010；陈红瑾等，2011；陈志洪等, 2011；Xie et al., 2011a, 2011b；Yang et al., 2011；颜代蓉等，2012；周涛发等，2012；王建等, 2014a, 2014b)。矿床类型多样，成因复杂。可划分出以下矿化类型：①与高钾钙碱性岩系有关的矽卡岩-斑岩型铜矿矿化；②与橄榄安粗岩系有关的“玢岩铁矿型”矿化；③与A型花岗岩有关的氧化物-铜-金(铀)矿化；④与岩浆活动关系不明显的Au、Sb、Pb、Zn矿化(周涛发等，2012)。目前已发现有5个铜矿集区，鄂东南矿集区、九瑞矿集区、安庆-贵池矿集区、铜陵矿集区和宁镇矿集区。
2 数据来源及分析方法本文水系沉积物数据来源于中国1:20万区域化探全国扫面计划，共选取覆盖长江中下游地区的75 259个水系沉积物数据。以水系沉积物作为采样介质，采样密度为1个/km2，4个相邻样品组合成1个分析样品，共测试了39种元素。更多有关水洗沉积物采样及分析方法的细节详见Xie等(1997)。岩石地球化学数据来自国土资源部行业专项“深部探测技术与实验研究”第四项目第一课题“全国地球化学基准建立与综合研究”，共选取覆盖研究区的岩石地球化学数据433件。同时，还系统收集了前人在长江中下游地区获得的年代学数据、成矿岩体地球化学和同位素数据。
由于采样密度太大，在圈定地球化学块体之前，首先对原始水系沉积物地球化学数据进行了平均化处理，使得每个1:25000图幅(大约1个平均值/100 km2)取一个平均值，共获得2 621个新的组合地球化学数据。
长江中下游地区的Cu地球化学块体空间分布图的编制在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所开发的GeoChem Studio 1.5软件中完成。在GeoChem Studio 1.5系统的数据处理模块中，将离散分布的数据进行网格化，方法是采用距离幂函数反比加权，搜索半径为25 km。在网格化的基础上，利用不同的色阶来表示不同的块体等级，采用85%累计频率作为Cu地球化学块体的异常下限，色阶分级采用92%、98%累计频率表示。研究区Cu地球化学块体的空间分布见图 2。
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图 2 长江中下游地区Cu地球化学块体空间分布图 Fig.2 Spatial distributions of copper geochemical domains in the Middle-Lower Yangtze River region |
长江中下游地区共圈定出的面积大于1 000 km2的铜地球化学块体5个，分别为Cu1、Cu2、Cu3、Cu4和Cu5(图 2)。
Cu1块体位于研究区西部的大冶—九江一带，块体内出露的地层主要为上奥陶统-上侏罗统，其中以下三叠统大冶群为主。该地区六大岩体都具有较高的铜丰度，而且铜丰度越高，形成铜矿床的规模也越大。鄂东南矿集区和九瑞矿集区位于该快体内，产出有鄂东南矿集区的铜绿山大型Cu-Co-Mo矿床(No. 6)、铜山口中型Cu-Mo矿床(No. 5)、鸡冠咀中型Cu-Co-Mo矿床(No. 8)、桃花咀中型Cu矿(No. 10)、石头咀中型Cu-Mo矿(No. 17)；九瑞矿集区的武山大型Cu矿(No. 31)、城门山大型Cu-Zn-Mo矿床(No. 33)、封三洞中型Cu矿(No. 30)和丁家山中型Cu-Zn矿(No. 32)。该块体内还产出有一系列小型铜矿(No. 7, 9, 11, 13-16, 18-20, 22-24, 27-29)。
Cu2块体位于研究区中部的安庆—铜陵一带，该块体受长江深断裂控制，呈北东向展布。泥盆系-三叠系是成矿的有利部位，岩浆活动方面，燕山期构造岩浆作用强烈，表现为大量规模不等的岩浆岩岩体侵入和陆相火山岩喷发，这些火山岩浆作用与成矿关系密切。安庆-贵池矿集区和铜陵矿集区产于该块体内，分布有安庆-贵池矿集区的铜山中型Cu矿(No. 39)，铜陵矿集区的铜官山大型Cu矿(No. 53)、冬瓜山大型Cu矿(No. 58)、天鹅抱蛋山中型Cu矿(No. 54)、大团山中型Cu矿(No. 55)、狮子山中型Cu矿(No. 57)、新桥中型Cu-Pb-Zn矿床(No. 59)、凤凰山中型Cu-Co矿床(No. 60)。该块体内还产出有许多小型铜矿(No. 43、44、45、47、52，56和62)。
Cu3块体位于研究区东北部的马鞍山—南京一带，宁镇矿集区分布于该块体内，产出有安基山中型Cu-Pb-Zn-Mo矿床(No. 72)和2个小型Cu矿床(No. 66和73)。
Cu4块体位于研究区东南部的东至—绩溪—德兴一带，著名的德兴斑岩型铜矿田位于该块体南部，产出有铜厂大型Cu-Mo矿床(No. 48)、富家坞大型Cu-Mo矿(No. 49)、朱砂红大型Cu-Mo矿(No. 50)和银山中型Cu-Pb-Zn矿(No. 46)。东至—黄山一带分布的铜地球化学异常内迄今为止没有发现大型铜矿床，该异常可能与东至县兆吉口铅锌多金属矿和祁门大型钨钼多金属矿的伴生铜有关。开化—绩溪一带出露地层主要为下古生界，震旦系-寒武系地层尤为发育，岩性为海相含炭质硅质岩-白云质砂岩-炭质粉砂岩及含炭质灰岩等。褶皱断裂构造发育，构造线方向呈北东向，在褶皱轴部有燕山早期花岗岩类侵入，岩性以黑云母花岗岩-黑云母二长花岗岩-花岗闪长岩为主，区内产有潘家小型Cu-Zn矿(No. 64)，铜地球化学异常呈北东向，与构造线方向一致，主要与岩石的高背景值有关。
Cu5块体分布于研究区西南部的修水—武宁一带，其中仅有两个小型铜矿床(No. 78、79)(图 2)，该异常可能与零星分布的铜矿和高背景岩石有关。
从研究区Cu地球化学块体与Cu矿床的空间分布关系可以看出，Cu矿床的形成与Cu地球化学块体之间存在密切的联系。从图 2可以看出，研究区内所有已发现的Cu矿集区都产出于Cu地球化学块体内，已发现的11个大型Cu矿中有8个(73%)位于Cu地球化学块体内部，已发现的25个中型Cu矿中有18个(72%)位于Cu地球化学块体内部，已发现的43个小型Cu矿中有32个(74%)位于Cu地球化学块体内部。
地球上一些巨大的成矿带周围往往存在富含巨量某种或某些金属元素的地球化学块体，有了巨量的成矿物质供应才有可能在漫长地质时期内，经过不同规模的各种地质过程，逐步富集成矿(王学求，2000)。长江中下游地区所有已发现的Cu矿集区都位于Cu地球化学块体范围内，绝大多数已发现的大型Cu矿都产于地球化学块体内部，一些中型和小型Cu矿床不一定产于在地球化学块体内。研究区内存在规模巨大的Cu地球化学块体，能够为长江中下游地区提供巨量的成矿物质，是研究区形成大型、超大型及特大型矿床的重要成矿条件。
3.2 扬子板块不同时代地层中Cu元素的分布规律系统统计了扬子板块不同时代地层中代表岩性的Cu元素含量，获得了区内Cu元素在不同时代地层中的算术平均值、最小值和最大值(表 1)。从表 1可见，Cu元素在太古界、新元古界地层中相对富集，较中国东部上地壳(17×10-6)和整个上地壳Cu丰度(25×10-6)都高。
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表 1 扬子板块不同时代地层中Cu元素的分布规律 Table 1 Cu abundance in differentstrata of the Yangtze Block |
各时代泥岩的成分基本代表了当时某个地区地壳的总体成分(马振东等，1998)。因此，通过对比不同时代泥岩的Cu元素含量特征，可了解区域上不同地质历史时期Cu元素的演化规律。扬子板块不同时代泥岩中Cu元素的含量特征见表 2。从表 2可以看出，Cu元素在扬子板块的新元古界和早古生界泥岩中相对富集，说明研究区元古宙和早古生界相对富Cu。
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表 2 扬子板块不同时代泥岩中Cu元素的含量 Table 2 Cu concentration in mudstones of different ages in the Yangtze Block |
世界范围内新元古代及显生宙沉积岩的Nd模式年龄在1.8 Ga左右，而上溪群沉积岩的Nd模式年龄集中于1.63~1.69 Ga(陈江峰等，1989)。沉积岩Nd模式年龄的降低往往与幔源物质的加入有关。长江中下游地区基底中基性-酸性火山熔岩发育的地段，形成了重要的Cu元素的矿源层，如细碧玄武岩、玄武岩中Cu元素含量高达100×10-6~200×10-6，为以后的成矿作用提供了丰富的物质基础(马振东等，1998)。局部地段如浙江西裘，形成了以中基性熔岩为主，具有强烈水下喷发特征的细碧角斑岩型含铜块状硫化物矿床(马振东等，1998)。同时，在赣东北和皖南伏川地区已发现了蛇绿岩(周新民等，1989；周国庆和赵建新，1991)。由此可见，长江中下游地区元古代基底岩石中有幔源基性物质的加入，可能能够为燕山期大规模的成矿作用提供一定的物质基础。
3.3 块体中巨量Cu元素的来源地球化学块体内巨量的金属元素能够为大型矿床/矿集区的形成提供充足的物质供应。地球化学块体内巨量的金属元素可能来源于地壳演化过程中不均匀的富含某些金属的块体，也可能来源于幔源或者天体物质的加入(王学求，2000)。地表分布的一系列套合的地球化学模式，是地壳中富含某种或某些元素的地球化学块体在地表的反应。这些宽阔的套合的地球化学模式受多种因素的制约，如高背景岩石，成矿作用对元素的富集作用以及成矿后元素的分散作用(王学求等，2013b; Ye et al., 2014)。长江中下游地区圈定的5个Cu地球化学块体中，Cu1、Cu2和Cu3这3个块体内有Cu矿集区产出。由此可以推断，Cu1、Cu2和Cu3这3个块体在地表的异常反应，主要是由鄂东南矿集区、九瑞矿集区、安庆-贵池矿集区、铜陵矿集区和宁镇矿集区的成矿作用对元素的富集作用以及成矿后元素的分散作用引起。因此，可通过分析矿集区中成矿物质的来源，来判别产出有Cu矿集区的地球化学块体中巨量Cu元素的来源。
前人在长江中下游地区获得了大量精确的成岩成矿年代学年龄，成矿岩体的形成年龄和成矿年龄均主要集中于130~150Ma(图 3a；吴良士和邹晓秋，1997；Sun et al., 2003；毛景文等，2004；蒙义峰等，2004；谢桂青等，2006；Wang et al., 2006；李进文等，2007；Li et al., 2010；陈红瑾等，2011；陈志洪等, 2011；Xie et al., 2011a, 2011b；Yang et al., 2011；颜代蓉等，2012；周涛发等，2012；王建等, 2014a, 2014b)，表明该地区的矽卡岩-斑岩型铜矿成矿作用与燕山期高钾钙碱性岩浆岩密切相关(周涛发等，2008)。因此，可通过成矿岩体的来源间接推断成矿物质的来源。
长江中下游成矿带典型矿床成矿岩体的Sr-Nd同位素组成特征见图 4。鄂东南和九瑞矿集区的成矿岩体主要集中于富集岩石圈地幔附近，表明这些成矿岩体主要源于古老的富集地幔。而安庆-贵池和铜陵矿集区的成矿岩体分别有向扬子上地壳和下地壳偏移的趋势，说明这些岩体主要源于古老的富集地幔，同时较鄂东南和九瑞矿集区的成矿岩体有更多的地壳物质加入。
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数据来源：犀牛山和阮家湾据颜代蓉等(2012)；铜山口据Li等(2008)；铜绿山据赵海杰等(2010)；武山据蒋少涌等(2008)；邓家山据李亮和蒋少涌(2009)；宋家冲据陈志洪等(2013)；月山据陈江峰等(1993)；马头据Zhu等(2014)；铜官山据陈江峰等(1993)，王元龙等(2004)；狮子山和凤凰山据王元龙等(2004)；小铜官山据杜杨松等(2004)，杜杨松和李铉具(2004)；天鹅抱蛋山据杜杨松等(2007)；铜陵和蒋庙据Yan等(2008)；崆岭群据Ma等(2000) 图 4 长江中下游地区典型铜矿床成矿岩体的εNd(t)-(87Sr/86Sr)i图解 Fig.4 εNd(t)-(87Sr/86Sr)idiagrams of the ore-forming intrusions of typical copper deposits in the Middle-Lower Yangtze River region |
以上观点能够从成矿岩体的Hf同位素特征得到佐证。在长江中下游成矿带典型矿床的成矿岩体的Hf同位素组成特征图解中(图 5)，鄂东南、九瑞和安庆-贵池矿集区成矿岩体的εHf(t)值为-2~-12，主要集中在-5~-9之间；铜陵矿集区成矿岩体的εHf(t)值更低，主要集中在-14~-20之间。与富集岩石圈地幔部分熔融成因的宁芜盆地和繁昌盆地火山岩相比，长江中下游成矿带典型矿床的成矿岩体的εHf(t)值明显偏低。结合成矿岩体的Sr-Nd同位素组成特征，基本可以确定长江中下游成矿带典型矿床的成矿岩体主要由富集岩石圈地幔的部分熔融形成，并同化混染了少量地壳物质，铜陵矿集区的成矿岩体可能有更大比例的地壳物质混入。因此，可以间接推断长江中下游成矿带的成矿物质主要由富集岩石圈地幔提供，并有少量地壳物质的贡献。
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数据来源于：阮家湾据颜代蓉等(2012)；铜山口据Li等(2008)；武山据Ding等(2006)；邓家山据李亮和蒋少涌(2009)；宋家冲据陈志洪等(2013)；鸡笼山据赵玲等(2013)；月山据陈江峰等(1993)；铜山据Zhu等(2014)；冬瓜山和狮子山据郭维民等(2013)；宁芜盆地据杨颍鹤等(2015)；繁昌盆地据刘建敏等(2016) 图 5 长江中下游地区典型铜矿床成矿岩体的εHf(t)直方图(a和b)和εHf(t)-t图解(c) Fig.5 Histograms of εHf(t)(a and b) and εHf(t)-tdiagram(c) of zircons from the ore-forming intrusionsof typical copper deposits in the Middle-Lower Yangtze River region |
以上观点能够从长江中下游成矿带的成矿岩体中含有大量的元古代继承锆石得到佐证。前人在长江中下游地区的典型矿床中发现了大量的继承锆石。各矿集区成矿岩体中继承锆石年龄集中于2500~1500Ma、1200~1100Ma和900~800Ma，与扬子板块出露基底(星子群、上溪群、板溪群和双桥山群)的年龄分布范围十分吻合(图 3b)。一定程度上说明古老地壳物质参与了成矿岩体的形成，古老地壳中Cu元素较为富集的地段为成矿作用提供了一定数量的成矿物质(常印佛等，1991)。综上所述，长江中下游地区产出有铜矿集区的铜地球化学块体中的巨量Cu元素主要来源于富集岩石圈地幔，并有少量地壳物质的贡献。
4 结论(1) 通过对研究区1:20万水系沉积物数据进行成图处理，共圈定出5个铜地球化学块体，分别为Cu1、Cu2、Cu3、Cu4和Cu5。研究区所有已发现的铜矿集区均位于铜地球化学块体范围内，绝大多数已发现的大型铜矿都产于地球化学块体内部，一些中型和小型铜矿床不一定产在地球化学块体内。
(2) 长江中下游地区产出有铜矿集区的铜地球化学块体中的巨量铜元素主要来源于富集岩石圈地幔，并有少量地壳物质的贡献。
(3) 长江中下游地区存在规模巨大的Cu地球化学块体，能够为该区成矿带提供巨量的成矿物质，使得长江中下游地区在经历了长期的构造活动、岩浆作用和成矿作用后形成了数量众多的铜矿床。
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