一、概 述
砂页岩型铜矿泛指不同时代沉积岩中的层控矿床，矿床产在一套沉积岩或沉积变质岩中。容矿岩石主要有砂岩、页岩、泥岩、泥灰岩、白云岩等。按其容矿岩石和受变质状况，可把砂页岩型铜矿分为 “页岩型”亚型、“砂岩型”亚型和 “沉积变质型”亚型三类。页岩型铜矿的典型代表有波兰的卢宾、德国的曼斯费尔德矿床; 砂岩型矿床有俄罗斯乌多坎、哈萨克斯坦杰兹卡兹甘、玻利维亚科罗科罗铜矿床; 沉积变质型有赞比亚铜带、中国东川铜矿床等。
按照沉积相环境，含铜页岩为浅海相矿床; 含铜砂岩包括泻湖三角洲相和湖泊 － 冲积相矿床，且又有海相和陆相之分。成矿时代有两个高峰期: 元古宙和古生代，而在中、新生代也有规模相对小一些的红层砂岩铜矿。
砂页岩型铜矿是世界重要的铜矿类型，约占世界铜总储量的 30% 左右，仅次于斑岩铜矿，列居世界铜矿主要类型的第二位。据 2009 年最新统计，世界铜金属储量超过 500 × 104t 的超大型铜矿有94 个，其中砂页岩型铜矿 16 个，占其总数的 17% 。
总的来看，该类矿床以其规模大、品位高、伴生组分丰富为特点，经济价值巨大。
该类矿床在世界上分布很广，主要分布在赞比亚、刚果 ( 金) 、美国、俄罗斯、波兰、德国、澳大利亚、哈萨克斯坦、阿富汗以及中国等地。代表性矿床有赞比亚 － 刚果 ( 金) 铜矿带 ( 中非铜矿带) 、俄罗斯乌多坎铜矿、美国怀特潘铜矿、玻利维亚科罗科罗铜矿、哈萨克斯坦杰兹卡兹甘铜矿、波兰卢宾铜矿、德国曼斯费尔德铜矿、阿富汗艾纳克铜矿和中国东川铜矿及滇中红盆砂岩铜矿等 ( 表1) 。
表 1 世界超大型砂页岩型铜矿床*
资料来源: P. Laznicka，2006; R. V. Kirkham，1990
* 铜金属储量 ＞ 500 × 104t
二、地 质 特 征
1. 区域构造背景
砂页岩型铜矿大都形成在长期隆起剥蚀区边缘，一般分布在地台边缘部分、边缘坳陷和地台内部坳陷，以及褶皱带的山前断陷或山间盆地中，这些构造位置为铜沉积物的聚集创造了最有利的环境，如赞比亚铜矿带位于地台内部坳陷中，中欧铜矿带产在地台边缘，哈萨克斯坦杰兹卡兹甘矿床分布在褶皱带的上叠凹陷中。
2. 矿床地质特征
( 1) 容矿岩石
砂页岩型铜矿的容矿岩石包括从粗到细的一套沉积岩及其变质产物，有角砾岩、砾岩、砂岩、粉砂岩、黏土、泥岩、泥灰岩、灰岩、页岩、白云岩等。这套含铜沉积岩特征是: 成分复杂，碳酸盐含量偏高，岩石呈灰色。它们是在干燥气候条件下形成的，其下往往有红色建造或含煤建造，上覆往往有膏盐建造。
( 2) 层控特征
该类矿床具明显的层控性，分布在一定的地层层位内。如赞比亚铜矿带赋存在元古宇加丹加系下部的罗安组中，含矿层厚 30 ～80m; 俄罗斯乌多坎铜矿产在古元古界乌多坎群最上部的萨库坎组和纳明加组; 波兰卢宾铜矿分布在二叠系蔡希斯坦统底部。由于海侵和海退的交替，含铜层位往往沿剖面的一定方向向上迁移，矿层及矿体在空间上表现出一定方向性的雁行排列。在海退岩系里矿层通常沿剖面往上朝古海盆方向迁移，而在海侵岩系里则通常朝古剥蚀区方向迁移。这种特点在矿区范围内表现在含铜岩系的多层性上，一个剖面里矿层数可以从几层到几十层，但其中常有一、两层是主要含矿层。
( 3) 矿体形态
矿体与围岩呈整合产出，一般顺层展布，呈层状、扁豆状。含铜沉积物通常聚集在河谷、三角洲、海和湖的滨岸部分。一般与海相沉积作用有关的矿床比较规则、稳定、延伸广泛、规模大; 与陆相沉积作用有关的矿床形态复杂，变化大、规模小。
( 4) 矿石矿物组成及矿化分带
该类矿床的矿物种类比较简单，原生矿石中以辉铜矿、斑铜矿、黄铜矿和黄铁矿为主，有的含自然铜和铜蓝。矿物呈浸染状散布于岩石中，往往在某些层理面上更加富集，形成条带状、韵律状、交错层状、云雾状等。在前寒武纪矿床中，含铜地段若有藻礁存在，则这些硫化物往往沿藻类的生长线分布。
此类铜矿伴生的有用元素很多，除 Cu 外，Pb、Zn、Ag、Co、V、U 和 PGE 等都可在不同矿床中大量富集。
另外，该类矿床具有矿化分带特点。其原生矿化分带表现为水平方向和垂直方向上的矿石分带和矿物分带。在水平方向上，铜的硫化物产在古沉积盆地水最浅的滨海部分，而朝盆地的深部方向铜矿石先被铅矿石逐渐代替，尔后又被锌矿石逐渐代替。在垂直方向上，表现为自下而上铜矿石被铅、锌矿石逐渐代替。若在海侵的情况下，剖面自下而上为铜→铅→锌; 若在海退的情况下，剖面自下而上为锌→铅→铜。这种矿化分带现象在含铜页岩型矿床中最为常见，如德国的含铜页岩中铅锌矿石分布在含铜页岩的顶板，且与碳酸盐含量增加有关。矿物分带在水平方向上，由近岸到远岸依次为辉铜矿—斑铜矿—黄铜矿—黄铁矿，垂直分带又有海侵型和海退型的区别，沿剖面自下而上出现辉铜矿—斑铜矿—黄铜矿—黄铁矿，是海侵型的，若顺序相反则是海退型的。
( 5) 成矿时代
砂页岩型铜矿广泛见于古元古代至晚第三纪各个时代，其中元古宙和古生代为两个成矿的高峰期，尤其是元古宙占此类矿床总储量的 80% 以上。赞比亚铜矿带、俄罗斯乌多坎铜矿、阿富汗艾纳克铜矿、美国怀特潘铜矿和中国的东川铜矿 ( 铜探明储量 391 × 104t，品位 0. 8% ～ 1. 29% ) 均产在元古宙地层中，元古宙的全球成矿期已引起了勘查界的高度重视。古生代也有一些大型砂页岩型铜矿，如产于寒武系的约旦法南 ( Fenan) 铜矿 ( 铜储量 ( 68. 3 ～205) ×104t，品位 0. 53% ～ 1. 87% ) ，产于石炭系的哈萨克斯坦杰兹卡兹甘铜矿等。中、新生代砂页岩型铜矿多为中、小型的陆相红层铜矿，其中最大的是墨西哥波莱奥 ( Boleo) 矿床 ( 铜储量 392 × 104t，品位 0. 71% ～ 4. 8% ) ，还有玻利维亚科罗科罗 ( Corocoro) 矿床 ( 铜储量 77. 4 ×104t，品位 1. 3% ～ 5. 0% ) 以及中国云南六苴 ( 铜储量 37. 62 ×104t，品位 1. 04% ) 等铜矿。
3. 各亚类矿床主要特征
( 1) 页岩型矿床
页岩型矿床，典型的代表是中欧 “含铜页岩” ( Kupferschiefer) ，指的是分布于欧洲几个国家的上二叠统中一层薄的海相沥青质泥灰岩。这层泥灰岩延伸长达 1500 余千米，分布于英国、荷兰、德国和波兰等中欧地区，面积达 60 ×104km2。由于这层泥灰岩中堆积有锌、铅、铜等若干金属，因而早就引起了人们广泛的注意。但作为矿床开采的也只有德国和波兰部分地区。
在中欧含铜页岩成矿区，可分出 3 个主要含铜成矿带: 前苏台德成矿带、北苏台德成矿带和哈茨 － 图林根成矿带。
前苏台德和北苏台德成矿带均在波兰境内，著名的卢宾铜矿田即产在前苏台德成矿带内。卢宾铜矿田现有铜储量 6800 ×104t，铜品位 2% ，是世界特大型铜矿床之一，也是欧洲最大的铜矿床。
北苏台德为一向斜构造，前苏台德为一单斜构造，两者的基底均由早古生代沉积物和更古老的岩石组成。这些岩石之上不整合地覆盖着石炭纪沉积物，再往上是二叠纪沉积物。二叠纪沉积物分两个统: 下部为无化石的赤底统 ( Rotliegende) ，上部为蔡希斯坦统 ( Zechstein) 。铜矿化产在该两统之间的接触带内 ( 图 1，图 2) 。蔡希斯坦统之上为三叠纪、晚白垩世以及第三纪和第四纪的沉积物。
哈茨 － 图林根成矿带在德国境内，其中产有曼斯费尔德 ( Mansfelder) 、赞格豪森 ( Sangerhaus-en) 、里舍尔斯多夫 ( Richelsdorfer) 等矿床。其中曼斯费尔德 － 赞格豪森矿田有铜储量 250 × 104t，铜品位 2. 2%。这些矿床沿海西期捷克地块边缘延伸 400 余千米。含铜建造也分布在赤底统之上的蔡希斯坦统底部。
图 1 波兰苏台德地区地质图( 引自 Э. Константинович，1972)
图 2 波兰格罗德泽茨向斜一翼的地质剖面图( 引自 Э. Константинович，1972)
“含铜页岩”为一种沥青质泥灰岩，含有碎屑矿物、碳酸盐和沥青碳 ( 平均含碳近 6%) 。其中碎屑矿物主要有云母、石英、绿泥石、斜长石、钾长石和高岭石等; 碳酸盐为白云石和方解石，局部含微量菱锌矿和菱铁矿。 “含铜页岩”中的铜矿物主要有斑铜矿、黄铜矿、辉铜矿、铜蓝、铁铜蓝等，其他硫化物有闪锌矿、方铅矿、黄铁矿。此外，有时也含有一些磁铁矿或赤铁矿等。
( 2) 砂岩型矿床
砂岩型铜矿形成于多个成矿时代中，产于元古宙的有美国怀特潘、俄罗斯乌多坎铜矿，产于古生代的有哈萨克斯坦杰兹卡兹甘、约旦法南铜矿，产于中、新生代的有墨西哥波莱奥、玻利维亚科罗科罗和中国云南六苴等铜矿。
容矿岩石为从海相到陆相的一套碎屑岩，包括石英 － 长石砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩、砾岩，有时夹有凝灰岩层。矿床呈层状，且有多个层位。如乌多坎铜矿有 5 个含铜层位，但具重要意义的是两个层位 ( 图 3) ; 杰兹卡兹甘矿床有 26 层含矿砂岩，其中 19 层含有工业矿体。矿石矿物主要有辉铜矿、斑铜矿、黄铜矿和黄铁矿，有些矿床还有方铅矿、闪锌矿、磁铁矿和赤铁矿等。中、新生代的砂岩铜矿都是陆相的，无论是大陆活化形成的坳陷盆地和断陷盆地，还是造山带形成的坳陷盆地，都以陆相含铜杂色岩系为特征。
( 3) 沉积变质型矿床
该类矿床储量大、品位高，都分布在元古宇，代表性的矿床包括赞比亚 － 刚果 ( 金) 矿带 ( 中非铜矿带) 上的许多矿床 ( 图 4，图 5) ，阿富汗艾纳克铜矿、中国的东川铜矿等。容矿岩层经历了区域变质作用，为低级变质岩系。容矿岩石有砂岩、变质砂岩、白云岩、砂泥质白云岩、砂砾岩、泥岩、页岩、石英岩、绢云母石英岩等。围岩蚀变有白云石化、重晶石化等。矿体呈层状、透镜状，受地层层位控制。主要矿石矿物有黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿等。刚果 ( 金) 矿带还伴生大量钴和铀等重要金属。
三、矿床成因和找矿标志
1. 矿床成因
现在一般认为砂页岩型铜矿主要是沉积 － 成岩成因。该成因模式认为，铜及其伴生的金属和围岩一起经历了一个完整的沉积旋回，包括补给区岩石的物理化学破坏，物质向盆地搬运，以及后来的沉积和成岩作用。矿质最可能的来源是补给区富含金属的岩石区。古剥蚀区的岩石富铜是形成该类矿床的先决条件。例如俄罗斯乌多坎铜矿的铜源可能是太古宙基底含磁铁矿岩石，部分铜可能来自于贝加尔褶皱带内带的穆依带细碧角斑岩建造。杰兹卡兹甘含铜岩系的供给区为萨雷苏捷尼兹隆起带的查克赛康群岩石和硫化物矿体，查克赛康群显然是优地槽绿岩 － 花岗岩带，并产有黄铁矿型铜矿。可能来自蒸发岩的地下卤水把铜从基底岩石或沉积物中萃取出来，铜经搬运穿过氧化层，然后通过还原作用沉淀在缺氧沉积物中，早期成岩的黄铁矿是常见的还原剂。
图 3 俄罗斯乌多坎铜矿床地质示意图( 引自 И. З. Самонов 等，1974)
矿质的堆积是与在半干旱气候条件下，在内陆海、滨海浅水相环境和滨海冲积 － 湖泊平原相环境中形成的陆源沉积物和化学沉积物同时发生的。不过，对形成大型铜矿床最有利的是泻湖 － 三角洲和海湾 － 泻湖环境。铜和其他金属的硫化物是在生物成因硫化氢的影响下在沉积物成岩阶段形成的。在成岩阶段，由于金属的再分配形成了主要矿体，并形成了受成矿作用氧化还原环境控制的原生矿物分带和地球化学分带。矿物从海岸线到海盆的排列顺序是辉铜矿带、斑铜矿带、黄铜矿带和黄铁矿带，而且全部与海岸线大体平行。
2. 找矿标志
从研究砂页岩型铜矿床的分布规律来看，这类矿床最主要的控矿因素和预测标志是大地构造标志、地层标志、古地理标志和矿物 － 化学标志 ( 包括矿化分带) 以及与其他类型矿产相伴生关系等。它们也是该类矿床找矿模型的最基本内容。
图 4 中非铜矿带地质简图( 引自李志锋，1992)
图 5 赞比亚铜矿带木富利拉矿床剖面图( 引自 V. D. Fleischer 等，1980)
1) 大地构造标志: 形成含铜矿带最有利的大地构造位置是直接与褶皱区毗邻的地台边缘部分或边缘坳陷以及褶皱区外带。
2) 地层含矿性标志: 含铜沉积地层从前寒武系到上第三系都有，可划分出几个成铜期: 古元古代、新元古代、寒武纪—奥陶纪、泥盆纪、晚石炭世、二叠纪—三叠纪、早白垩世、早第三纪和晚第三纪。含铜沉积的一个很重要特征是它呈大面积分布，如俄罗斯乌多坎铜带的含铜沉积断续延伸长约150km，赞比亚铜带岩系长达 500km 以上，玻利维亚科罗科罗含铜岩系长 750km，中哈萨克斯坦含铜岩系长度超过 600km。所以地层含矿性评价是预测层状铜矿床的主要标志之一。
3) 古地理标志: 详细研究含铜沉积的古地理特征，特别是恢复出古海岸线的大致位置和变化，可以确定含铜沉积和沉积相，查明矿床分布规律，进而发现含铜矿带。对含铜层位杂色建造聚集的古地理环境恢复证明，成铜期是处于温暖干燥的气候条件下。温暖干燥气候的主要标志之一是灰色和红色沉积岩石与白云石化灰岩、白云岩及盐类共生。所以低纬度、干旱气候、陆相及浅海相沉积层序以及广泛分布的红层是该类矿床的重要勘查标志。
4) 矿物 － 地球化学标志: 据对层状矿石的矿物成分研究表明，存在一个稳定的矿物共生组合系列，对整个层状铜矿床的矿石来说，这个系列是: 斑铜矿 － 辉铜矿，黄铁矿 － 黄铜矿等，对含磁黄铁矿层状铜矿床的矿石来说这个系列是: 磁黄铁矿 － 黄铜矿，磁黄铁矿 － 黄铜矿 － 斑铜矿等。最常见的原生矿石类型是斑铜矿 － 辉铜矿型 ( 常含大量磁铁矿和赤铁矿) 和黄铁矿 － 黄铜矿型 ( 在许多情况下为磁黄铁矿 － 黄铜矿型) 。层状铜矿床原生矿化分带首先表现为铜矿石、铅和锌的矿石在空间上的规律分布，其次表现在含铜沉积中铜、铁的硫化物的矿物分带上。这种原生矿化分带被广泛地用作预测评价准则，在地质勘探工作中常常被利用。在含铜沉积上面的碳酸盐岩系中可找铅、锌，而在含铅锌的碳酸盐类岩石下面的陆源沉积中可找铜。但在含铜砂岩型矿床里，铜、铅、锌矿石之间的关系要复杂得多。含铜沉积中，铜、铁的原生硫化物的矿物分带表现在沿地层剖面向上或向下逐渐被富硫富铁的浸染状硫化物依次代替。如辉铜矿矿石被斑铜矿矿石代替，尔后又被黄铜矿矿石代替，最后被黄铁矿矿石代替，即矿物成分沿倾斜方向及沿岩层走向呈现辉 ( 辉铜矿) － 斑 ( 斑铜矿) － 黄 ( 黄铜矿) － 黄 ( 黄铁矿) 的变化。这种原生矿物分带所显示的这种规律，在普查勘探层状铜矿床过程中被广泛地用来作为预测评价准则。
5) 砂页岩型铜矿与其他类型矿产伴生关系: 砂页岩型铜矿往往与其他沉积矿产相伴生，它们有着空间和成因上的联系，可以互为找矿标志。这种类型的铜矿化与铅锌矿化的伴生现象广泛见于中欧、非洲中部、哈萨克斯坦、澳大利亚、美国等地区。澳大利亚芒特艾萨矿床有相互独立的铜矿床与铅锌矿床; 哈萨克斯坦杰兹卡兹甘矿床也同样有相互独立的铜矿床与铅锌矿床; 美国怀特潘铜矿床有砂岩型铜矿和自然铜型铜矿床等。
加拿大地质调查局 S. S. Gandhi 等 ( 1990) 提出该类铜矿 ( 指的是砂页岩型中的元古宙沉积变质型铜矿，如赞比亚铜矿、澳大利亚阿德莱德层状铜矿等) 的原始物质来源于基底的奥林匹克坝型( IOCG 型) 矿床，认为阿德莱德铜矿是奥林匹克坝矿床的 “派生矿”，提出要对其他地区，如赞比亚铜矿带等这种 “派生矿”进行更为详细的研究，也许有可能在铜矿带的基底岩石中能找到类似的奥林匹克坝型矿床，这为世界各地具有砂页岩型铜矿地区进一步找矿提供了新思路。
( 戴自希 唐金荣)