氧化还原作用对沉积物中铜矿物化的调控作用及伊拉克库尔德斯坦地区扎格罗斯前陆盆地古斯卡地区红层序列中可能的微生物影响

《Applied Geochemistry》：Redox controls on sediment–hosted Cu mineralization and possible microbial influence in the Redbeds Series, Guska area, Zagros Foreland Basin, Kurdistan Region, Iraq

　　

摘要

库尔德斯坦地区的Guska铜矿床形成于扎格罗斯前陆盆地中新世红层系列的砂岩中。铜矿化现象具有层控性，主要发生在含有植物遗迹的灰砂岩层中，而相邻的含赤铁矿的红色砂岩层则不含铜矿。通过野外观察、岩相学研究、扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）、全岩地球化学分析、黄铁矿颗粒形态分析以及共生关系研究，我们揭示了该地区的氧化还原 evolution 及矿化过程。在早期成岩作用过程中，相邻层序中同时出现了氧化环境和还原环境，导致红色砂岩中的赤铁矿着色，而灰砂岩中则形成了黄铁矿、白铁矿和磁黄铁矿。黄铁矿颗粒的平均直径为9.35微米（标准差为4.69微米），这表明孔隙水处于缺氧状态。某些细长、杆状或球状的富碳结构可能与生物活动有关，但由于缺乏系统的碳-铁-硫-铜元素共生数据、硫同位素分析结果及生物标志物，其确切起源及与硫酸盐还原作用的关系尚未明确。后期成岩过程中，含铜的氧化孔隙流体迁移到了还原性的含铁硫化物砂岩中，并在氧化还原边界处沉淀出铜硫化物。进一步的地表风化作用产生了孔雀石、蓝铜矿和天然铜。红砂岩与灰砂岩中相似的元素特征表明，铜的富集主要是由次生流体-岩石相互作用及氧化还原控制下的重新分配过程引起的，而非源岩本身的差异所致。因此，Guska铜矿床是一个受氧化还原条件调控的沉积型铜矿床，但其地下延伸范围和经济价值仍需进一步研究。

引言

沉积型铜矿床（SHC）占全球铜资源及产量的约20-25%，是铜的重要来源（Desouky等人，2008年；M. Hitzman等人，2005年）。除了铜之外，这些矿床还可能含有具有经济价值的银、钴、铅、锌、铀、金和钒等元素（Cailteux等人，2005年；Desouky等人，2008年）。由于其层控性和显著的岩性及地球化学控制特征，沉积型铜矿床成为全球范围内重要的勘探目标。

红层序列是沉积型铜矿化的主要地质环境之一。这类地层通常包含砂岩和粉砂岩，其红色特征源于氧化沉积和早期成岩作用过程中形成的赤铁矿着色。在氧化环境中，铜主要以氯化物复合物的形式在孔隙流体中迁移，并在还原性岩石中的氧化还原边界处沉淀（Zhang等人，2018年）。成岩过程对铜矿化过程具有决定性影响，通常在还原性砂岩中形成铜硫化物，而在后期氧化阶段则形成铜氧化物和碳酸盐。最新研究（Parnell等人，2021年；Rainoldi等人，2018年）表明，氧化还原变化、有机物以及流体-岩石相互作用是红层系统中铜矿化的关键控制因素。富含有机物的层段可能为铜沉淀提供有利条件，尽管微生物活动的具体贡献在许多沉积型铜矿床中仍不确定。因此，需要综合开展沉积学、矿物学、岩相学和地球化学研究，以更好地理解铜的积累机制并制定更可靠的勘探策略（Gregory等人，2019年；Xia等人，2024年）。

有研究表明微生物过程可能影响某些沉积型铜矿床的早期成岩作用。在缺氧环境中，硫酸盐还原细菌可能产生还原性硫化物，促进铁和铜硫化物的沉淀，尤其是在有机物质形成局部还原微环境的情况下（Tornos等人，2018年）。黄铁矿的颗粒形态变化与氧化还原条件密切相关：小而分散的黄铁矿颗粒通常出现在贫氧环境中，而较大且分布较广的黄铁矿颗粒则指示缺氧至无氧环境（Wilkin等人，1996年；Wilkin和Barnes，1997年）。因此，黄铁矿颗粒可作为评估沉积型铜矿化相关氧化还原条件的可靠指标。

Guska铜矿床形成于扎格罗斯前陆盆地中新世红层系列的砂岩中。尽管该矿床具有重要的地质意义，但此前尚未有同行评审的研究对其矿床的矿物学特征、地球化学性质、共生关系及成因机制进行过系统描述。目前尚无关于其矿物组合、铜含量、成因控制因素、经济价值或开采历史的公开资料。本研究首次对该矿床进行了综合的矿物学、岩相学和地球化学分析。目前尚未进行钻探、资源量评估或开采可行性研究，其地下范围及经济潜力仍不清楚。

章节摘录

区域构造背景

伊拉克北部的库尔德斯坦地区位于扎格罗斯造山带的西北部，该造山带形成于新特提斯洋的闭合以及阿拉伯板块和欧亚板块的汇聚碰撞过程中（Jassim和Goff，2006年；Fouad，2015年；Le Garzic等人，2019年）。研究区域位于西扎格罗斯褶皱-逆冲带的东北部，该区域从西北向东南方向逐渐减衰。

材料与方法

野外调查沿着一条长约30米的道路切口进行，该切口暴露出了红层系列中的红色和灰色砂岩层。沿着从底部到顶部的顺序，每隔1米或更短的距离采集了12个样品，采样基于岩性而非随机选取，目的是将含铜的灰砂岩层与其上下层的贫铜红色砂岩层进行对比。其中7个样品来自...

野外观察

在Guska地区，铜矿化现象发生在中新世红层系列砂岩中，这些砂岩具有明显的岩性异质性。红色砂岩和灰色砂岩是两种主要砂岩类型，具有不同的岩性特征。红色砂岩层层理清晰，局部含有直径可达约50厘米的球状结构（图2b）。这些砂岩富含铁氧化物。

源岩特性

主量和微量元素分析表明，红色砂岩（RS）和含铜灰砂岩（MGS）来源于相同的碎屑物质，主要来自长英质至中性上地壳物质。两者相似的稀土元素（REE）分布模式及其在源岩判别图上的相似位置进一步支持了这一观点（图11，图12）。正Eu异常可能反映了长石的继承效应及成岩过程中的Eu元素重新分布。

结论

• 1.
  Guska铜矿床是一种层控性的铜矿化现象，主要发生在含植物遗迹的灰砂岩层中，而相邻的含赤铁矿红色砂岩层不含铜。两种砂岩类型的粒度特征相似，且来源物质相似，表明铜的富集主要是由不同的成岩氧化还原条件控制的，而非沉积分选或源岩本身的差异所致。

作者贡献声明

Mohammad Pirouei：负责撰写初稿、软件开发及项目管理工作。Azad Tahir Saeed：参与撰写初稿及调查工作。Yousif Osman Mohammad：负责数据验证与整理。Shahrokh Rajabpour：负责文本修订、数据验证及监督工作。Bzhar A. Delizy：负责数据可视化、软件开发及方法论设计。Shaheen Ali Shaheen：负责软件开发及方法论设计，协助数据整理。Arkan Osman Sharazwri：负责数据可视化及方法论设计。

资助情况

本研究未获得公共、商业或非营利性机构的任何资助。

利益冲突声明

作者声明未存在任何可能影响本文研究的潜在利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢索兰大学提供的研究设施和分析支持，同时感谢科学研究中心（SRC）提供的SEM-EDS和XRD实验室使用权限。此外，还要感谢库尔德斯坦地区政府高等教育与科学研究部在后勤支持和现场许可方面的协助。

Mohammad Pirouei|Azad Tahir Saeed|Yousif Osman Mohammad|Shahrokh Rajabpour|Bzhar A. Delizy|Shaheen Ali Shaheen|Arkan Osman Sharazwri伊拉克库尔德斯坦地区索兰大学科学学院石油与矿产勘探系