中非銅礦帶多層位成礦特征及成因

曾瑞垠譚康雨黃建業張毅陳德穩詹勇董少波

（1.昆明理工大學，國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.北京中資環鉆探有限公司，北京 100012；3.中色地科礦產勘查股份有限公司，北京 100012）

0 引言

中非銅礦帶位于新元古界Lufilian 造山帶（Cailteux et al.，2018），橫跨中部非洲剛果（金）和贊比亞兩國（圖1a），是世界上最大和品位最高的沉積巖容礦層狀銅礦帶（SSC），擁有約2 億t 的銅儲量和世界上最大的鈷儲量（Hitzman et al.，2005，2010；Taylor et al.，2013；Zientek et al.，2014）。近10 年來，中色地科礦產勘查股份有限公司和北京中資環鉆探有限公司在中非銅礦帶開展了一系列的海外勘查工作，如2010—2020 年，在贊比亞Chambishi 地區和剛果（金）Lubumbashi—Likasi—kolwezi 地區多個勘查項目先后開展，并探獲Kamoya、Ichambishi 等多個大型銅和銅鈷礦床，筆者有幸參與了其中一部分項目，在野外調查的基礎上，收集整理相關資料，對該成礦帶多層位成礦特征進行簡述，并結合沉積巖容礦層狀銅礦（SSC）近年來的研究，對多層位成礦進行成因分析，為該成礦帶新層位的找礦勘查工作提供思路。

1 研究區地質特征

中非銅礦帶分為加丹加銅鈷礦帶（KCB）和贊比亞銅礦帶（ZCB），長約400 km，加丹加銅礦帶分布于剛果（金），銅鈷礦床主要賦存于Lufilian 造山帶南部褶皺逆沖帶（Ⅰ），贊比亞銅礦帶的銅礦床主要賦存于南東部的穹隆區（Ⅱ）（圖1b，Selley et al.，2005）。

研究區地層主要為新元古界加丹加超群沉積巖，自下向上分為Roan 群、Nguba 群和Kundelungu群（表1，Cailteux et al.，2005）。加丹加銅鈷礦帶（KCB）和贊比亞銅礦帶（ZCB）在Roan 群的巖性上是相似的（Richards et al.，1988），相似之處在Roan群的上半部分變得更加明顯，都是一段厚的碳酸鹽巖（Zientek et al.，2014）。加丹加銅鈷礦帶Roan 群從上至下分為Mwashya 和Dipeta、Mines（礦山）、RAT4個組，由濱海一淺海一深海相的一套碎屑巖－泥質巖－碳酸鹽巖組合的沉積建造，主要是白云巖及白云質頁巖（Kampunzu et al.，2005），其中Roan群Mines（礦山）組是主要的含礦層位。贊比亞銅礦帶Roan 群從上至下分為Mwashya、Kirilabombwe、Kitwe 和Mindola 4 個組，其中下Kitwe 組是主要的含礦層位，其次為Mindola 組，從基底陸相碎屑巖到上部的海相泥質碎屑巖和碳酸鹽巖，與基底的花崗巖和片巖存在角狀不整合。

Nguba 群分為兩大部分：Muombe 組以碳酸鹽巖一硅質碎屑巖混合為主，Bunkeya 組以硅質碎屑巖為主，含少量碳酸鹽巖（Batumike et al.，2007）。其下部標志層為區域內廣泛分布的Mwale 段冰磧礫巖，也稱為“大礫巖”，與約730 Ma 的Sturtian 冰川事件有關（Hoffmann et al.，2004）。Kundelungu 群分為Gombela、Ngule 和Biano 組，Gombela 組主要由粉砂巖、頁巖及碳酸鹽組成，底部為Kyandamu 段冰磧礫巖，也稱“小礫巖”，與約635 Ma 的Marinoan 冰川事件有關（Hoffmann et al.，2004），緊跟著是Lusele段碳酸鹽巖蓋層。Ngule 組為1 套泥質巖、粉砂巖和砂巖序列，Biano 組為1 套礫巖、長石砂巖和砂巖序列。

Lufilian 弧形成礦帶距離巖漿巖體較遠，整體上巖漿活動記錄少。（883±10）Ma 侵入的Nchanga 花崗巖代表了最晚期加丹加巖漿活動（Armstrong et al.，2005）。鎂鐵質侵入巖（765～735 Ma）主要發育在Dipeta 組沉積巖，而熔巖和凝灰巖呈夾層出現在Dipeta 組上部沉積巖石中（Kampunzu et al.，2005；Cailteux et al.，2005），輝長巖主要侵入于Dipeta 組白云巖中，侵入時代約為（760±5）Ma（Key et al.，2001）（表1）。

中非銅礦帶礦產資源豐富，包括銅、鈷、鉛、鋅、銀和鈾等礦產。新元古界加丹加超群地層中賦存有大量的沉積巖容礦層狀銅礦床和少量MVT 型鉛鋅礦床，根據賦礦圍巖和還原劑的不同將該類型銅礦床分為還原相型（Reduced－SSC）、紅層型（Redbed－SSC）和砂巖型（Revett－SSC）3 種類型（Cox et al.，2003；Hitzman et al.，2005），中非銅礦帶以還原相型和褪色砂巖型為主。銅（鈷）礦床主要產于新元古界Roan 群中（圖1c），位于加丹加銅鈷礦帶的Roan群Mines（礦山）組與底層RAT 紅層之間的地層，和贊比亞銅鈷礦帶的Roan 群Kitwe 組和Mindola 組之間的地層（Zientek et al.，2014），受地層層位控制，具有明顯的多層位賦礦特征。鈾礦床沿Lufilian 弧形褶皺推覆帶從Kalongwe—Kimpe 約300 km 長分布，賦存于Mines（礦山）組底部Gray.RAT 的綠泥石化白云質頁巖中和下Roan 組與基底變質巖接觸面中（Eglinger et al.，2013）。銅鉛鋅礦床產于Lufilian 弧外部褶皺推覆帶南側的Nguba 群內，如Kipushi、Lombe 等鋅銅礦床（圖1c，Heijlen et al.，2008）。熱液型銅銀礦床多產于前陸盆地的Kundelungu 群地層內，如Kenkubi、Kikonkula、shaba 銅銀礦床（圖1b，李向前等，2010；Zientek et al.，2014），前陸盆地距離Lufilian 弧形褶皺推覆帶較遠，本文不做論述。

2 加丹加銅鈷礦帶

加丹加銅鈷礦帶（KCB）位于剛果（金）境內，分布于中非銅礦帶（CACB）的北西部，礦床層控特征明顯，每個巖性群都發育有礦化組合（圖2），銅（鈷）礦床主要產于Roan 群Mines 組（R2），部分產于Dipeta 組（R3）和Mwashya 組（R4）地層內，主要為還原相型銅礦床（Reduced－SSC），目前在Nguba群地層內也陸續發現有銅礦床的分布。

2.1 Roan 群Mines（礦山）組銅鈷礦體

加丹加銅礦帶最典型的層狀銅鈷礦體主要發育在Roan 群Mines 組R2.1～R2.2（圖2），形成上、下2個主礦體，礦體呈層狀、似層狀，總厚度15～55 m，平均20～25 m，礦體品位約Cu 4.5%和Co 0.2%（Zi?entek et al.，2014）。上部礦體賦存于SD 段（R2.2）底部的白云質頁巖、中粗粒白云巖（SDB）和粗晶白云巖（BOMZ）中，下部礦體賦存于Kamoto 段（R2.1）下部硅化疊層石白云巖（RSF）、細粒白云巖（D.Strat）和白云質粉砂巖（Grises RAT）中（Cailteux，1994；Cailteux et al.，2005），礦石礦物包括黃銅礦、輝銅礦、斑銅礦和硫銅鈷礦，脈石礦物主要有白云石、石英、云母，其次為透閃石、滑石、綠泥石、方解石、硬石膏、電氣石等。這2 個礦體被1 個低品位的RSC 層所分隔，該區域由塊狀礁狀疊層石白云巖和淺灰－淺灰白色硅化結晶白云巖組成。第三層礦體賦存于Kambove（R2.3）段下部（圖2），位于上部礦體之上60～100 m 處，該礦體僅在局部發育，厚度4～20 m，如Luiswishi、Kamoya 和Luishia 等，該礦體的賦礦巖石主要為灰黑色含碳質白云巖、含碳質白云質頁巖（Cailteux et al.，2005；Desouky et al.，2010）。局部地區小型礦體的賦礦地層為SD 組SD2a，SD2d和SD3b 段灰黑色的碳質頁巖和結晶白云質、砂質白云巖（Cailteux et al.，2005），銅的品位一般較低，約為0.5%（Zientek et al.，2014）。

Roan 群Mines 組礦化層序沿走向非常規則，具有明顯的橫向巖相變化，由北至南，標志著從近海岸（北部）到多礁（南部）環境的逐漸演變（Cailteux et al.，2005）。北部近海岸層序（Tenke）的特征是沒有疊層石，SD 段中有白云巖和砂巖，Kambove 段中含有砂巖，除Tenke 礦床外這2 個巖性段通常為貧礦化或低礦化；南部層序（Fungurume～Kambove）以疊層石碎屑和RSC 含疊層石巖層為特征，SD 段和Ka?mbove 段中不含砂巖，該層序擁有最重要的銅鈷礦床，如Kamoto、Fungurume 銅鈷礦床；最南部多礁層序（Etoile）以RSC 層和Kambove 段中的藻類生物礁為特征，通常含疊層石地層礦化較弱或無礦化。

根據銅鈷礦分布特征表明，富鈷銅礦體主要賦存于白云巖和白云質頁巖的還原相型銅鈷礦床中，Co∶Cu 約1∶13，最高可達3∶1（Cailteux et al.，2005）。在贊比亞銅礦帶，以硅質碎屑為主的贊比亞相沉積序列礦床具有較低的Co∶Cu 比，平均1∶57。2 個礦帶之間的過渡巖相表明，加丹加盆地逐漸過渡，Co∶Cu 比值在1∶1 范圍內（Cailteux et al.，2005）。

表1 剛果（金）與贊比亞加丹加超群巖石地層表

2.2 Roan 群Dipeta 組銅鈷礦體

Kolwezi 經Likashi 至Lubumbashi，Lufilian 弧外部褶皺推覆帶的中部靠南側，該區域是Dipeta 組層狀銅鈷礦床分布區，包括Shituru、Kansuki、Kipoi 等礦床。以Kansuki 銅鈷礦床為代表，以銅礦體為主，中部為銅鈷共生礦體，南側以鈷礦體為主，銅鈷礦化主要賦存于Dipeta 組Kansuki 段滑石片巖及碎裂蝕變巖（李向前等，2010）。銅礦物主要為孔雀石，少量的黃銅礦、黃鐵礦、銅藍，鈷礦物主要為水鈷礦和極少量的菱鈷礦，脈石礦物主要為石英、滑石、綠泥石、絹云母，少量白云母和石英、白云石等，偶見電氣石。

2.3 Nguba 群銅礦體和鋅銅礦體

（1）銅礦體：Nguba 群銅礦體不同于傳統的Roan 群銅鈷礦體，賦礦圍巖主要為碎屑雜巖。Ka?moa 銅礦床是典型代表，位于Lufilian 弧西部，銅礦體位于Mwashya 組（R4）含赤鐵礦和黃鐵礦砂巖之上，與Nguba 群最下部的地層接觸處，賦礦巖性為Mwale 組（N1.1.1）碎屑雜巖（圖2），包括礫巖、砂礫巖等（Schmandt et al.，2013），礦體上覆為Mwale 組2個相似的層狀黃鐵礦粉砂巖單元（N1.1.2 和N1.1.4），厚度范圍為2～40 m。金屬礦物主要為黃銅礦、輝銅礦、斑銅礦、黃鐵礦，少量硫銅鈷礦、方鉛礦，脈石礦物包括石英、鉀長石、鐵白云石、方解石、黑云母、白云母等，少量硬石膏。

圖2 加丹加銅鈷礦帶地層與礦產柱狀圖（修改自Schmandt et al.，2013；Zientek et al.，2014）

（2）鋅銅礦體：Nguba 群鋅銅礦體主要集中在Lufilian 弧南部，其中Kipushi 礦床是成礦帶內的典型代表（Heijlen et al.，2008），主要賦存于Muombe組Kakontwe 段（N1.3）白云巖中（圖2），部分賦存于砂巖和頁巖中，在Kakontwe 白云巖上部，與Kipushi斷層的交點處，銅、鋅礦化程度最高。金屬礦物包括黃銅礦、閃鋅礦、黃鐵礦、斑銅礦、輝銅礦和方鉛礦等，脈石礦物主要為白云巖和石英。

3 贊比亞銅礦帶

贊比亞銅礦帶與加丹加銅鈷礦帶賦礦層位基本一致，主要為Roan 群，具有明顯的多層位成礦特征，但在賦礦圍巖上具有比較明顯的區別，銅礦床主要產出于Roan 組的硅質碎屑巖地層中，大致集中在Kitwe 組Ore shale 礦化頁巖段（RL6）內（圖3），屬于還原相型銅礦床（Reduced－SSC），礦體總厚度5～50 m，平均厚度20～25 m（Cailteux et al.，2005）。賦礦巖性主要為白云質粉砂巖夾層、薄層狀砂質泥質巖和頁巖，在碳質泥巖和粉砂巖中也有礦化（Selley et al.，2005）。

在礦化頁巖段（RL6）的下盤和上盤中發育有大量的砂巖型銅礦床（Revett－SSC）（圖3）。下盤礦體可以直接位于礦化頁巖段的巖層之下，也可以通過貧礦化的砂巖和礫巖與礦化頁巖段分開。上盤礦體不太常見，并且與礦化頁巖段在地層上是分開的（Zientek et al.，2014），賦礦巖性主要為石英巖、長石石英砂巖和白云質泥巖。贊比亞多個巨型銅礦床，如Mufulira、Nchanga 和Chingola 等，在下盤和上盤位置包括多個銅礦體。

此外，贊比亞礦帶在基底變質巖中也發育有銅礦床（圖3），如Nkana、Chingola 等銅礦床，在贊比亞北部的Mwombezhi 穹隆內也發育有Lumwana、Mufu?ka 等多處銅礦點（Sillitoe et al.，2015）。

4 礦物分帶特征

中非銅礦帶的原生硫化物包括輝銅礦、斑銅礦、黃銅礦、黃鐵礦和硫銅鈷礦、藍輝銅礦等。在贊比亞銅礦帶許多礦床多具有橫向和縱向硫化物分帶的特征，特別是礦化頁巖段內的還原相型銅礦床，這些礦床一般表現為從輝銅礦—斑銅礦—黃銅礦—黃鐵礦的分帶特征（Cailteux et al.，2005）。砂巖型礦體的銅硫化物分帶與礦化頁巖段內的銅礦體基本一致（Zientek et al.，2014）。

圖3 贊比亞銅礦帶銅礦化的分布圖（修改自Selley et al.，2005；Zientek et al.，2014；Sillitoe et al.，2017）

圖4 加丹加銅鈷礦帶Kambove（a）和Kamoa（b）礦床礦物分帶特征圖（修改自Cailteux，1994；Zientek et al.，2014）

在加丹加銅鈷礦帶的許多礦床中也具有類似礦物分帶特征，在橫向上由盆地中心向兩側，縱向上由頂部（CMN）向深部（RAT）呈現：黃鐵礦—黃銅礦（硫銅鈷礦）—斑銅礦—輝銅礦—赤鐵礦的分帶（Zi?entek et al.，2014）。Etoile 和Kambove－Ouest 礦床在相同的巖石地層單元中顯示出不同的硫化物分帶，這意味著金屬礦物分帶不受賦礦巖性的控制（Cail?teux et al.，2005）。在Etoile 上，觀察到從輝銅礦到斑銅礦和黃銅礦的2 個序列，一個從Grey RAT 到DStrat，另一個從RSF 到SDB。在Kambove 礦床，底部Grey RAT 和SDB 的頂部以黃銅礦和硫銅鈷礦為主，中部（D.Strat、RSF、SDB）的底部是輝銅礦＋黃銅礦＋斑銅礦帶（圖4a）。Kamoa 礦床也具有明顯的硫化物礦物垂直劃分，由Mwashya 至Ng1.1 接觸面，從輝銅礦變為斑銅礦，從黃銅礦變為黃鐵礦（圖4b，Schmandt et al.，2013）。

5 礦床成因

20 世紀初，一般認為中非銅礦帶層狀銅礦床的成因與巖漿侵入熱液作用有關，但后來發現加丹加含礦巖系于花崗巖體呈不整合接觸，礦化層沿走向和傾向延伸穩定。20 世紀30—40 年代，有學者提出了同沉積觀點，認為銅鐵鈷等金屬是由碎屑或化學沉積形成的，將金屬與圍巖沉積物的沉積作用聯系在一起，然而礦床硫化物的橫向/縱向分帶之間缺乏相關性，無法解釋單一巖石地層內礦化不連續（Cailteux et al.，2005）。20 世紀80 年代，在“裂谷成礦模式”的研究基礎下，認為該區是同成巖裂谷成礦，然而，Roan 晚期火山活動才出現（Cailteux，1994），早期玄武巖火山活動的缺乏、巖脈群和磁異常并不支持裂谷的形成。

20 世紀90 年代，同沉積成礦觀點和沉積－改造觀點將中非成礦作用分2 個階段進行（Richards et al.，1988；Sweeney et al.，1991；Lerouge et al.，2005；Cailteux et al.，2005；Rainaud et al.，2005；Dewaele et al.，2006），第一階段是伴隨沉積成巖作用形成的同生沉積銅鈷礦床，第二階段是與Lufilian 造山作用有關的熱液活動改造了層狀銅鈷礦床。多數地質學者認為，改造階段并沒有導致硫化物的大規模遷移或重新 分 布（Sweeney et al.，1991；Dewaele et al.，2006）。加丹加銅鈷礦帶和贊比亞銅礦帶以往大量硫化物的Re－Os 同位素和鈾礦物、金紅石、獨居石的U－Pb 同位素年齡數據表明，中非銅礦大規模的成礦作用明顯晚于Roan 群沉積作用（Selley et al.，2005；Sillitoe et al.，2017），贊比亞銅礦帶在基底變質巖中陸續發現的銅礦體也反映了后生成因的特征。

圖5 中非銅礦帶的成礦模式圖（修改自Hiztman et al.，2005）

Cox et al.（2003）提出了沉積巖容礦層狀銅礦床（SSC）是后生的，部分為成巖期的產物，與盆地鹵水循環作用有關，銅礦床被限制在沉積序列的一個穩定含礦建造和含礦層位內，但不一定遵循沉積層理。Hiztman et al.（2005，2010）認為中非銅礦帶是盆地不斷演變的流體流動的產物，多層位成礦特征為盆地鹵水交代的結果（圖5）。形成一個砂巖型銅礦床所需要的流體數量是巨大的，需要長期維持或恢復，中非銅礦以往流體包裹體的研究工作表明，Roan 群銅（鈷）礦床的成礦流體主要為中低溫（90～300℃）、中高鹽度（15%～40%）、富含硫酸鹽和氯化物的地下氧化鹵水（Annels，1989；Lerouge et al.，2005；McGowan et al.，2006；Dewaele et al.，2006；Cailteux et al.，2018；Sos′nicka et al.，2019），Nguba 群銅礦床和銅鉛鋅礦床的成礦流體也具有中低溫（180～300℃）、中高鹽度（23%～43%）特征（Heijlen et al.，2008；Schmandt et al.，2013）。成礦流體的來源可能包括演化的殘留海水、建造水（苦鹵水）、蒸發巖溶解形成的鹵水、烴成熟過程中產生的流體、石膏脫水、蒙脫石－伊利石轉化、低級變質脫水形成的流體，以及液態和氣體烴，大氣降水沿盆地邊緣的地形重力驅動流體流動可以提供大量的流體（Cox et al.，2003；Hitzman et al.，2005，2010；Taylor et al.，2013）。鎂鐵質基性巖火山活動和鹽構造運動（鹽底辟）可能為鹵水循環提供了熱動力（Barra，2005），引發這些高鹽度鹵水的對流，這些鹵水能夠從紅層和基底中浸出金屬。氧化含礦鹵水通過斷裂構造和底辟作用向上循環到紅層序列的頂部，在那里它們遇到富含有機物的沉積物，這些原位有機質和成巖黃鐵礦為氧化含金屬鹵水提供了必要的還原劑（Hitzman et al.，2005；Barra，2005），還原作用形成多層位銅（鈷）礦體和赤鐵礦—輝銅礦—斑銅礦—黃銅礦—黃鐵礦的礦物分帶。流體也可利用流域內的斷層遷移至Nguba 群沉淀成礦，如Kamoa 銅礦區西側West Scarp 斷層為成礦流體提供了運移通道（Schmandt et al.，2013）。盆地鹵水活動形成了大規模的鋅銅礦化，如Kipushi 鋅銅礦床。

6 結論

中非銅礦帶位于剛果（金）－贊比亞新元古界Lufilian 造山帶，加丹加超群地層中發育有大量的沉積巖容礦層狀銅礦（SSC），以還原相型和砂巖型銅礦床為主，具有明顯的多層位層控特征。其中加丹加銅鈷礦帶（KCB）盛產還原相型銅礦床，主要賦存于Roan 群Mines 組（R2），部分礦床賦存于Dipeta組（R3）和Mwashya 組（R4），上部的Nguba 群地層中發育有銅礦床和鋅銅礦床；贊比亞銅帶（ZCB）多數還原相型銅礦床賦存于下Roan 群Kitwe 組的礦化頁巖段地層內（RL7），在礦化頁巖段的下盤和上盤中發育砂巖型銅礦床，在基底穹隆的變質巖的中也發育有層狀銅礦床。這種多層位成礦的沉積巖容礦層狀銅礦床為盆地鹵水交代成因，由高鹽度的盆地鹵水向下移動到氧化紅層中，從紅層和基底中浸出金屬元素形成氧化性含礦鹵水，通過斷裂構造和底辟作用向上循環到紅層序列的頂部，遇到富含有機物的沉積物和還原性流體，發生還原作用形成多層位銅（鈷）礦體和赤鐵礦—輝銅礦—斑銅礦—黃銅礦—黃鐵礦的礦物分帶。

致謝 該文在野外調查過程中得到了中色地科礦產勘查股份有限公司和北京中資環鉆探有限公司朱思才教授級高級工程師、王旭東高級工程師及海外項目組的指導和幫助，編寫過程中得到了北京礦產地質研究祝新友教授的指導，成文期間審稿專家提出了寶貴的修改意見；在此致以誠摯的感謝。