尼日爾特吉達地區(qū)砂巖中鈾的熱流體成礦作用

聶逢君, 林雙幸, 嚴兆彬, 饒明輝, 楊永紀, 張成勇, 嚴永杰

1)東華理工大學核資源與環(huán)境工程中心, 江西南昌 330013;

2)金興礦業(yè)股份有限公司, 北京 100082

尼日爾特吉達地區(qū)砂巖中鈾的熱流體成礦作用

聶逢君1), 林雙幸2), 嚴兆彬1), 饒明輝1), 楊永紀2), 張成勇1), 嚴永杰1)

1)東華理工大學核資源與環(huán)境工程中心, 江西南昌 330013;

2)金興礦業(yè)股份有限公司, 北京 100082

通過野外詳細地質(zhì)調(diào)查、鉆孔觀察、巖芯編錄、地質(zhì)現(xiàn)象素描等方法, 結合室內(nèi)工作及前人的研究成果, 對非洲尼日爾共和國特吉達地區(qū)的鈾礦化的研究成果顯示, 特吉達地區(qū)砂巖中鈾主要為熱流體成礦,與前人的氧化帶成礦作用認識完全不同。區(qū)內(nèi)主要含礦目的層(白堊世早期阿薩烏阿組)為中?！写至Ｊ⑸皫r、長石石英砂巖, 多數(shù)含礫。根據(jù)阿薩烏阿組砂巖的磨圓、分選好和發(fā)育向上變粗序列以及沖洗交錯層理等特征確定, 阿薩烏阿組形成于湖濱淺湖砂壩沉積。電子探針成分和背散射電子圖像分析表明: 鈾礦物主要為瀝青鈾礦、鈾石、吸附鈾等, 瀝青鈾礦和鈾石常緊密共生, 呈粒狀、微脈狀或浸染狀, 伴有較強的銅礦化。熱流體蝕變形成的方解石、棕色方沸石、絹云母等大量出現(xiàn), 它們與鈾成礦關系密切。成巖期的菱鐵礦在后來的氧化中形成赤鐵礦/針鐵礦(褐鐵礦)化。根據(jù)與方解石共生的白云石的摩爾數(shù)計算的方解石的形成溫度表明, 最高溫度為385℃, 最低為178℃, 平均為251～300℃。

砂巖; 鈾; 熱流體; 特吉達; 尼日爾

尼日爾自1956年開始鈾礦勘探以來, 在其北部地區(qū)阿加德茲(Agades)盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一批規(guī)?？捎^的砂巖型鈾礦床, 目前已經(jīng)探明鈾礦儲量大于32萬噸, 居全球排名第五。尼日爾 2004年的鈾產(chǎn)量為3245 噸, 居世界產(chǎn)鈾第四(IAEA, 2005紅皮書)。

尼日爾的鈾礦床主要分布主要集中在阿爾利特斷裂的兩側, 分成三個區(qū)域: 阿爾利特(Arlit)、依姆拉倫(Imouraren)、特吉達(Teguid)。阿爾利特地區(qū)共有 5個礦床, 產(chǎn)于下石炭統(tǒng)塔拉特(Tarat)砂巖和蓋祖曼(Guezouman)砂巖中(Turpin et al., 1991); 伊姆拉倫地區(qū)僅有 1個礦床, 產(chǎn)于上侏羅統(tǒng)頂部的奇雷茲林(Tchirezrine)Ⅱ砂巖中; 特吉達地區(qū)也是1個礦床, 由三個礦體組成(G礦、T礦、IR礦), 產(chǎn)于下白堊統(tǒng)底部的阿薩烏阿(Assaouas)砂巖中。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

特吉達地區(qū)位于尼日爾共和國中部阿加德茲省阿加德茲市北西(圖1), 有沙漠公路與阿加德茲市及阿爾利特市相連。距首都尼亞美的直線距離約800 km, 公路交通約1100 km。

由圖 1可知, 研究區(qū)位于非洲伊勒姆大型盆地東北部阿加德茲地塊中, 伊勒姆登盆地為被古老結晶地塊所環(huán)繞的大型中間地塊上不對稱的內(nèi)克拉通盆地。古老結晶地塊主要分布在伊勒姆盆地的北、東、南側, 呈“U”字型向西敞開環(huán)繞分布, 盆地西部通過加奧地塹與阿德尼盆地相連。由于東北部阿伊爾地塊向西和西南方向的持續(xù)擠壓和垂直隆升作用, 致使盆地持續(xù)向西南方向掀斜, 并產(chǎn)生海退沉積序列(Bowden et al., 1981)。盆地北東側出露蝕源區(qū)的前寒武系, 古生代的志留系、泥盆系、石炭系、二疊系, 中生代的侏羅系和下白堊統(tǒng)陸相及上白堊統(tǒng)海相地層。

區(qū)域上由于北東向和東西向的構造分割, 致使盆地內(nèi)的主要構造線方向為近北西－南東向和靠近阿伊爾地塊的近南北向展布, 并且由于邊緣地塊的抵觸形成了阿加德茲和達梅爾古山前凹陷盆地(Bigotte et al,1968)。

阿加德茲地塊受近 SN向阿爾利特斷裂和馬達維拉斷裂影響, 呈現(xiàn)東西構造差異, 阿爾利特斷裂東側, 主要出露有結晶基底前寒武紀地層和古生代、中生代地層, 巖漿巖呈環(huán)帶狀出露。西側(特吉達地區(qū))主要出露中生代、新生代地層, 缺失老地層,地表不見巖漿巖, 但有后期NEE向和NW向斷裂活動。NEE向斷裂活動在特吉達地區(qū)表現(xiàn)為“塹壘式”的斷背斜和斷向斜相間出現(xiàn), 構成了特吉達鈾礦成礦區(qū)的主要構造格局。

2 含礦目的層特征

圖1 尼日爾特吉達鈾礦大地構造位置圖Fig. 1 Geotectonic location of the Teguida uranium deposit in Niger

尼日爾的鈾礦主要集中在阿爾利特大斷裂兩側,特吉達鈾礦床位于阿爾利特大斷裂上盤(西盤)。特吉達IR、G、T鈾礦床含礦層位大致相同, 均為下白堊統(tǒng)的伊臘澤爾群中的阿薩烏阿組砂礫巖, 尤其是底部的砂巖。伊臘澤爾群由三個組組成, 下部為阿薩烏阿組、中部為伊臘澤爾組、上部為戴加瑪組。阿薩烏阿組在全區(qū)出露面積有限, 總厚度0～20 m不等。除IR礦床埋藏地下的外, G、T礦床阿薩烏阿組主要圍繞背斜核部四周出露, 巖性為含礫砂巖、泥巖, 含礫砂巖為區(qū)內(nèi)主要含礦層。

阿薩烏阿組為一套湖相砂壩砂體, 厚度不大, 0～20 m, 但分布穩(wěn)定, 是區(qū)內(nèi)很有找礦潛力的目的層。在T礦露頭剖面上(圖2, 詳見下段描述), 下部是侏羅系奇雷茲林方沸石砂巖, 含礦層為向上變粗序列的含礫粗砂巖, 地表見大量的次生鈾礦物。礦層之上為伊臘澤爾組泥巖和細砂巖, 發(fā)育沙紋層理,沿層理面發(fā)育遺跡化石和軟變形。伊臘澤爾組主要為紅色致密泥巖、粉砂巖、細砂巖, 厚200 m, 其底部為底砂巖, 厚7 m。部分地區(qū)底砂巖劃為阿薩烏阿組, 有銅礦化, 厚＜15 m。上部為有明顯的不整合的戴加瑪組, 底部為礫巖和含礫砂巖, 向上為波狀層理(“波紋狀”)砂巖, 發(fā)育包卷層理, 頂部于探槽中見鈾、銅礦化, 局部見粘土巖, 厚約300 m。在研究區(qū)的東南角, 戴加瑪組為一套灰黃色的含礫砂巖與泥灰?guī)r, 泥灰質(zhì)礫巖及具波狀交錯層理的砂巖互層,見硅化木和結核等。

T礦露頭剖面的詳細描述:

①′水平層理/波狀層理灰黑色硅質(zhì)頁巖夾灰黃色鈣質(zhì)頁巖, 水平層理與波狀層理發(fā)育,蟲管沿層理發(fā)育, 水較深;

①灰黃色細砂巖波狀沙紋層理發(fā)育;

②紫紅/灰黃色泥巖, 較純, 出露水平寬度約600 m, 地層厚度約100 m;

③T礦剝土坑處灰黃、灰綠色粗砂巖及含礫砂巖, 上部礦層綠色, 含次生銅礦物(孔雀石、銅蘭等？), 礦層之上為約40 cm厚的灰綠色泥巖; 下部礦層為含礫粗砂巖, 沿層理或穿切層理見大量的次生黃色鈾礦物, 厚度 2 m; 上下礦層間夾灰色泥巖,含紫紅色鐵質(zhì)團塊和條帶;

④灰色、深灰色夾灰白色方沸石鈣質(zhì)砂巖(礦層底板), 中粒, 膠結緊密, 表面風化呈瘤狀(1～2 cm),另見灰白色球狀方沸石顆粒;

⑤灰白色中細粒砂巖, 分選磨圓較好, 風化強烈, 地表疏松;

⑥淡紫紅色中粒砂巖, 主要為石英長石, 長石蝕變強烈, 砂巖中發(fā)育大斷裂, 走向80°;

⑦背斜兩側, 紫紅色中粗砂巖, 發(fā)育槽狀交錯層理, 核部突出于地表;

⑧與背斜相伴的向斜, 巖性同⑦;

⑨背斜核部, 灰黃色礫巖、含礫砂巖夾部分泥巖、泥灰?guī)r, 較疏松, 分選磨圓差, 大型槽狀交錯層理發(fā)育;

⑩向斜: 核部砂巖, 兩翼礫巖;

?背斜: 核部礫巖, 兩翼砂巖;

?向斜: 核部砂巖, 兩翼礫巖, 砂礫巖。

圖2 特吉達地區(qū)過T礦體露頭信手剖面圖Fig. 2 Sketch profile for the outcrop of the uranium ore body in T deposit, Teguida area

鏡下觀察結果: 阿薩烏阿組為一套粗粒或不等粒砂巖, 有的含礫, 上部有部分泥晶灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖和砂質(zhì)菱鐵礦巖。后遭受強弱不同的碳酸鹽(方解石)化和方沸石化以及菱鐵礦的褐鐵礦(針鐵礦、纖鐵礦)化。從碎屑成分上, 主要為石英砂巖和長石石英砂巖, 次為長石砂巖, 磨圓度好, 為圓狀和次圓狀。膠結物有三種: 無色和棕紅色方沸石、方解石和菱鐵礦。膠結類型以接觸式膠結為主, 次為孔隙式膠結。砂巖具不等粒砂狀結構, 粒度分布存在兩個明顯的集中區(qū), 即具有雙眾數(shù)分布特點。粗粒的多在0.5～1.5 mm, 細粒在0.05～0.3 mm。碎屑成分中石英+硅質(zhì)巖屑(石英巖)占80%, 長石20%, 且以微斜長石為主, 斜長石為次。

3 鈾礦床與鈾礦物特征

3.1 分析測試方法

樣品采自尼日爾特吉達鈾礦的G礦、T礦和IR礦三個礦體。G和T礦的樣品主要是地表露頭樣, IR礦的樣品為鉆孔巖芯樣。所有的樣品均運回國內(nèi)分析測試。電子探針和穩(wěn)定同位素分析在東華理工大學核資源與環(huán)境教育部重點實驗室完成, 樣品經(jīng)鍍碳處理后, 在Inca ENERGY能譜和JXA-8100電子探針上分析測試, 實驗條件為: 加速電壓 15.0 kv;探針速流20 nA; 電子束斑2 μm。

3.2 鈾礦床特征

G礦體埋深從地表向 SW252°方向逐漸加深至70 m, 產(chǎn)狀252° 4°∠ 左右。礦體呈層狀、似層狀, 少數(shù)剖面相鄰鉆孔間地層位置錯落較大, 推測是斷層造成的。在 G礦地表露頭觀察剖面上, 阿薩烏阿組含礦層之下為奇雷茲林組砂巖, 砂巖中發(fā)育棕紅色-紫紅色的鐵質(zhì)、鈣質(zhì)脈體, 地表堅硬突出, 呈網(wǎng)絡狀垂直層面, 脈體寬度2～4 cm。礦體中, 鈾含量高處,通常出現(xiàn)含銅細脈。G礦主礦體長約 225 m, 寬約550 m, 品位0.167%, 厚度2.89 m。其余單個礦體為多孔或單孔控制, 規(guī)模一般長 30～150 m, 寬 10～30 m, 平均厚度2.21 m, 平均品位0.157%。

T礦礦體埋深從地表向NW342°方向傾斜逐漸加深至155 m, 產(chǎn)狀: 342°∠(4°～5°)。與阿薩烏阿組砂巖產(chǎn)狀基本一致。礦體呈似層狀、透鏡狀。在T10號勘探線剖面上, 礦體沿 NW 方向埋深逐漸加大, 且呈斷續(xù)的似層狀。礦體分散, 規(guī)模?。械? 數(shù)量多, 共67個礦體, 無主礦體, 一般長175～180 m、寬120～230 m,平均品位0.142%, 平均厚度1.91 m。

IR礦位于阿澤里克背斜T礦的北部, 礦體埋深大多數(shù)在190～200 m范圍內(nèi), 呈層狀, 近乎水平, 走向 NNW, 微西傾, 傾角＜1°, 空間分布較穩(wěn)定。兩個主要礦體, 規(guī)模大, 一個長約 650 m, 傾向寬約750 m, 品位0.160%, 厚度1.93 m; 另一個長550 m,寬750 m, 品位0.137%, 厚度2.3 m。

圖3為尼日爾特吉達地區(qū)三個鈾礦床局部礦體的特征。在空間上, 三個礦體呈板狀, 或透鏡狀等,礦體下部為侏羅系-二疊系地層(J-P), 主要是阿加德茲群和伊澤固安達群的砂巖、泥巖。含礦地層是阿薩烏阿組的含礫粗砂巖, 礦體之上是伊臘澤爾厚層泥巖(K1)。

3.3 鈾礦物特征

特吉達鈾礦床中鈾主要以獨立鈾礦物的形式存在, 但不同層位中鈾礦物的種類和組合不一樣。阿薩烏阿組含礦目的層中, 鈾礦物主要為瀝青鈾礦和鈾石, 在地表條件下, 瀝青鈾礦等又氧化為黃色的次生鈾礦、鈾云母一類的礦物。

瀝青鈾礦+鈾石

瀝青鈾礦和鈾石常緊密共生, 主要產(chǎn)出于阿薩烏阿組的蝕變巖石中, 呈粒狀或微脈狀, 經(jīng)常出現(xiàn)在蝕變形成的方解石或棕色方沸石中。圖 4A(電子探針背散射圖像, 下同)中, 瀝青鈾礦產(chǎn)于方解石膠結物中, 尤其是左邊中部, 瀝青鈾礦以細脈狀與方解石交生在一起, 右下部見黃銅礦顆粒。圖 4B中,瀝青鈾礦和方解石產(chǎn)于碎屑顆粒間的縫隙中, 大小約100 μm, 有些瀝青鈾礦顆粒產(chǎn)于方解石膠結物的邊緣。在另一些薄片中, 瀝青鈾礦產(chǎn)于碎屑顆粒間呈微脈狀, 大小為5 μm×70 μm, 與砂巖中的褐鐵礦膠結物緊密共生。圖4C中, 瀝青鈾礦和鈾石同時產(chǎn)于棕色方沸石中的自然銅周邊, 鈾礦物和鈾石顯然晚于自然銅形成, 方沸石呈連片狀充填在碎屑顆粒組成的空隙間, 它可能晚于或與自然銅同時形成。圖4D中, 方沸石呈球粒狀, 大小在0.8～1 mm之間,早期瀝青鈾礦和鈾石呈微細網(wǎng)脈狀產(chǎn)于棕色方沸石中部, 晚期呈細粒狀產(chǎn)于方沸石的外圈內(nèi),與方沸石交替生長。圖4E中, 瀝青鈾礦呈分散的顆粒狀分布在白云石中, 大小為0.01～0.02 mm之間, 方解石與白云石以膠結物的形式分布在顆粒空隙間, 二者緊密共生。圖4F表明, 鈾石以細脈狀分布在方沸石邊緣, 或方沸石的裂隙中, 或與方沸石交織共生, 說明鈾石與方沸石同時, 或稍晚沉淀。

次生鈾礦物

鈾云母為次生鈾礦, 地表呈鮮亮的黃色, 順層理或穿層理分布于含礫的粗砂巖中, 可能為瀝青鈾礦地表風化的產(chǎn)物(圖4G, T礦地表露頭), 與赤鐵礦共同充填在膠結物中。在 G礦露頭剖面上, 黃色的次生鈾礦分散在砂巖中, 另見團塊狀或短脈狀深藍色銅礦物分布在粗砂巖中(見圖 4H), 同時也見較多的赤鐵礦分散在砂巖的膠結物中。

4 熱流體蝕變作用

砂巖中如果賦存鈾礦床很容易讓人們想到要么是潛水氧化,要么是層間氧化作用形成的砂巖型鈾礦床, 如古潛水氧化成因的外烏拉爾的達爾馬托夫礦床, 近代潛水氧化成因的蒙古哈拉特礦床和古潛水疊加層間氧化成因的蒙古那爾斯礦床(陳祖伊, 1999), 以及在層間氧化帶中成礦作用是含鈾含氧流體在還原環(huán)境中溶解狀的六價鈾還原成四價鈾而沉淀、富集而成(顏蕊等, 2009),如新疆512礦床的(高柏等, 2006)。尼日爾特吉達地區(qū)的鈾礦雖然賦存在砂巖中, 但成礦作用與傳統(tǒng)的觀點完全不同, 表現(xiàn)出熱流體成礦作用的特征。高寶珠等(2009)分析了奧陶系各組地層的巖石化學特點來探討了天津地區(qū)地熱流體的影響因素。李兆鼐(1997)系統(tǒng)分析了中國熱流體成因的金礦蝕變帶和成礦物理化學條件。夏毓亮等(2008)利用U-Pb同位素技術研究了中國古老地塊上的鈾礦床, 指出它們受到了后期(熱流體)的疊加改造作用。

經(jīng)薄片觀察和電子探針分析得出, 特吉達地區(qū)鈾礦石中鈾礦物主要是瀝青鈾礦和鈾石。瀝青鈾礦和鈾石多呈微脈狀或星點狀分布在方解石、棕色方沸石中(圖3)。由鏡下觀察得知, 含礦砂巖中發(fā)育大量的熱液蝕變礦物, 如碳酸鹽(方解石和白云石)、方沸石、絹云母等, 他們與鈾礦物在空間和時間上密切相關。砂巖中以膠結物形式出現(xiàn)的針鐵礦(或褐鐵礦), 有些還保留了菱鐵礦的菱形外貌, 推測是由菱鐵礦地表風化所致。

4.1 碳酸鹽(方解石和白云石)化

圖3 尼日爾特吉達地區(qū)礦體地質(zhì)剖面圖Fig. 3 Geological profiles of uranium ore bodies in Teguida area, Niger

圖4 特吉達礦區(qū)鈾礦物背散射電子圖像與礦化露頭Fig. 4 BSE of uranium minerals and outcrops of mineralization in the Teguida ore district

圖5 特吉達鈾礦化區(qū)熱流體蝕變鏡下特征Fig. 5 Hydrothermal fluid alterations under microscope in the Teguida uranium deposit

碳酸鹽化是研究區(qū)含礦砂巖中最強的一種熱液蝕變, 多數(shù)樣品都有強的碳酸鹽交代, 交代形成的碳酸鹽礦物晶粒大, 干凈, 可以包裹砂屑, 最大的可以達5～6 mm, 有些方解石與藍銅礦緊密共生(圖5A)。砂巖中方解石有時穿插, 或包裹方沸石(圖5B),有時與方沸石交替生長形成球粒狀(圖 5C), 從圖中可以看出, 成礦過程中至少有三次方沸石與三次方解石交替。部分含礦砂巖中方解石不僅可以把原有的膠結物交代殆盡, 而且強烈溶蝕交代碎屑礦物,使原來的接觸式膠結或孔隙式膠結變?yōu)樗樾荚诜浇馐谐蕬腋畹蔫偳妒侥z結, 碎屑粒度變小, 而且由原來的次圓狀, 次棱角狀變?yōu)槔饨菭? 有的形成港灣狀。從方解石脈體相互穿插關系看, 最少有三次碳酸鹽化作用。白云石在部分含礦砂巖中也有出現(xiàn)(圖4E)。碳酸鹽的沉淀生長至少有三次高峰期, 但大規(guī)模碳酸鹽沉淀, 比棕色方沸石稍晚, 兩者應是同期不同階段的產(chǎn)物。

4.2 棕色方沸石化

研究區(qū)中, 有兩種方沸石, 白色和棕(紅)色。沉積成巖過程中形成的方沸石一般無色或帶很淺的淡黃色, 呈膠狀或薄膜狀, 為砂巖的主要膠結物, 或稱方沸石巖。熱液交代作用形成的方沸石則呈深淺不同的棕色甚至棕紅色, 除部分呈脈狀, 膠狀外,更多的是圓粒狀(圖5C、5D、5E)。一般在砂巖中少見脈狀, 呈脈狀時方沸石呈紅色, 其中含有塵點狀赤鐵礦, 即為在露頭上常見的所謂鐵質(zhì)脈體, 它實則是方沸石與赤鐵礦的混合物脈體。在棕色方沸石中顏色越紅, 里面的塵點狀赤鐵礦越多。圓粒狀棕色方沸石的形成生長多數(shù)有個核心, 如方解石、褐鐵礦或碎屑礦物均可作為核心出現(xiàn)。圓形棕色方沸石大小變化較大, 小的一般在0.1～0.5 mm, 大的可達1～1.5 mm。有些砂巖中, 由于成礦流體的成分和性質(zhì)發(fā)生變化, 形成的棕色方沸石出現(xiàn)不同顏色的環(huán)帶。除圓形棕色方沸石外, 它也形成斑塊狀, 星散狀分布并常被方解石脈所切割(圖5B)。

4.3 絹云母化

研究區(qū)的部分含礦層砂巖中見水云母—絹云母化, 特別是有褪色現(xiàn)象的樣品中, 如樣品 T-01-6和T-02-1。多數(shù)由膠結物中泥質(zhì)成分蝕變而來, 有定向排列, 如樣品T-02-2, T-04-1；亦可見由斜長石蝕變而來, 如樣品T-13-9。T-01-6號樣是被強烈碳酸鹽化的細粒長石砂巖。絹云母一般呈小鱗片狀, 見不到解理, 干涉色低(一級灰)(或稱伊利水云母？), 鱗片大時可見解理, 干涉色一級頂至二級中、下部。樣品中水云母較大鱗片寬0.005 mm, 長0.025 mm, 可見解理(圖5F)?？梢姉l塊狀或斑塊狀, 往往與赤銅礦和黑銅礦在空間上有密切的關系。絹云母集合體被碳酸鹽交代, 同時也見碳酸鹽脈切穿水云母條塊, 因此,絹云母比碳酸鹽化稍早。

4.4 赤鐵礦化/褐鐵礦化

特吉達礦床中, 鈾礦物與含鐵礦物, 赤鐵礦和褐鐵礦密切相關, 在露頭上, 赤鐵礦與次生鈾礦物共同出現(xiàn)在含礦砂巖的膠結物中(圖4G和4H)。在T礦的露頭上見大量的赤鐵礦/褐鐵礦脈體穿插含礦砂巖(圖6A)。在IR礦的巖芯中也見赤鐵礦/褐鐵礦條帶中鈾含量很高(圖6B)。含礦砂巖鏡下觀察表明,連片狀菱鐵礦被赤鐵礦/褐鐵礦化(圖5G), 部分砂巖中菱形狀菱鐵礦氧化破壞, 同時析出針鐵礦或纖鐵礦, 保留菱鐵礦假象(圖5H)。由于Fe[CO3]—Ca[CO3]可類質(zhì)同象, 故菱鐵礦分解時, 可有一部分方解石保留, 所以菱鐵礦被氧化而析出鐵質(zhì)后, 中心部分仍為方解石。當菱鐵礦含量高或甚至是菱鐵礦巖遭到氧化時, 大量的針鐵礦、纖鐵礦堆積, 構成紫紅、暗紫甚至是紫黑色的褐鐵礦層。 不僅地表出露的菱鐵礦被氧化, 在鉆孔深到200 m的菱鐵礦也受到氧化, 這可能與熱液活動和鈾的沉淀有關系。

5 成礦作用討論

流體研究是當今地質(zhì)學的熱點和前緣課題, 它以嶄新的觀念和思維沖破了傳統(tǒng)固體地球理論的束縛(劉叢強, 2005)而成為了地球內(nèi)部不同圈層相互溝通和相互作用的媒介和橋梁, 它日臻成熟的方法和理論將給地質(zhì)學帶來一場類似于板塊構造那樣的革命(葉家仁等, 2001)。

熱流體的定義目前尚有爭議, 有從流體的絕對溫度上定義的, 如龔再升和李思田(1997)認為, 溫度＞70～80℃的流體就可稱為熱流體; 也有從相對溫度的角度來定義的, 如 Machel et al.(2002)認為:不管流體的來源和驅動力, 只要流體的溫度高于周圍環(huán)境的5～10℃以上就是熱流體。

熱流體在沉積盆地中的活動不僅對油氣的生成、運移、聚集、保存、破壞等產(chǎn)生重要影響(Davies et al., 2006; 郝芳等, 2004; 解習農(nóng)等, 1999; 郝芳等, 1996), 同時對金屬礦床的形成, 尤其是密西西比型(MVT)Pb-Zn等(鄧軍等, 2000; Symons et al., 1998, 1996, 1995; 李 澤 琴 等 , 1995; Peters, 1991; Ravenhurst et al., 1989)也有重要意義。

近年來, 發(fā)現(xiàn)了一些砂巖型礦床中有明顯的熱流體作用的跡象, 比如熱液蝕變礦物, 與熱液有關的鈾礦物和含鈾礦物等等, 熱流體在砂巖中的成礦作用越來越得到重視, 尼日爾特吉達地區(qū)的鈾礦床就屬于這種情況。

圖6 特吉達礦床熱流體蝕變的露頭、巖芯特征Fig. 6 Hydrothermal fluid flow alterations in outcrop and core in Azelik uranium deposit

5.1 熱流體作用的標記

尼日爾特吉達地區(qū)的鈾礦化線索于1959年發(fā)現(xiàn),日本PNC1964開始了鉆探找礦, 一直到1999年陸續(xù)確定了其工業(yè)價值與采掘方案。由于礦床的形態(tài)為板狀或透鏡狀, 加上出露地表后的氧化作用, 如砂巖呈淺黃色, 鈾礦物在地表多為次生鈾礦, 因此前人認為是氧化帶成礦作用造成的。本次研究從野外觀察取樣入手, 結合室內(nèi)鏡下觀察和電子探針等分析, 所得出的結論是鈾礦化為熱流體成礦所致。

流體作為一種介質(zhì), 它可以傳遞能量、搬運物質(zhì)、促進物質(zhì)間的相互作用, 更重要的是, 它可以直接參與各種反應, 尤其是當流體的化學勢與所接觸的物質(zhì)(如巖石)的化學勢有差異時。研究表明, 熱流體(＞100℃)與儲層“冷”砂巖(＜72℃)必然存在著化學勢, 因此兩者之間必然會發(fā)生化學反應。熱流體與砂巖相互作用后, 在砂巖中留下了可供識別的多種標記。

5.1.1 宏觀識別標記

研究區(qū)的各礦床及周圍發(fā)現(xiàn)了大量的與熱流體作用有關的脈體, 如阿澤里克村附近砂巖中發(fā)育兩個明顯的碳酸鹽脈體的穿插。圖6C為G礦和中鐵質(zhì)脈體的切穿砂巖, 鐵質(zhì)脈體呈紫紅色, 垂直層面切穿地層, 由于膠結較或沿層理面“侵入”, 有些脈體呈團塊狀。IR礦區(qū)巖芯中紫紅色的細砂巖被灰白色的碳酸鹽脈體垂直切穿(圖6D)。

5.1.2 微觀識別標記

當熱流體與砂巖相互作用以后, 在砂巖中留下一系列可以識別的宏觀、微觀標記。砂巖中格架顆粒石英、長石在流體作用下的溶解與沉淀為流體作用的標志之一, 圖5B為長石英顆粒的邊緣溶解后被新生的方解石充填。圖5G顯示石英顆粒普遍的次生加大, 加大邊寬為顆粒的1/5左右。方沸石交代顆?；虬樾碱w粒而形成較大的球狀集合體(被交代的原始物不清)。熱流體蝕變形成的絹云母細小顆粒(圖5F)普遍地分布在砂巖中。

5.2 熱流體的成分

從野外和鏡下的觀察結果可知, 鈾礦化與方沸石, 碳酸鹽(方解石、白云石, 菱鐵礦)及石英的次生加大有關, 鈾礦化共生的金屬礦物有黃銅礦, 自然銅, 藍銅礦, 黃鐵礦, 赤鐵礦, 褐鐵礦等金屬礦物。

方沸石為含水的 Na-Al硅酸鹽, 它可以由長石和火山物質(zhì)在流體作用下形成。在含礦層中, 方沸石有兩種產(chǎn)狀, 早期潔凈的和晚期含鐵的“云霧狀”。鏡下觀察表明, 晚期的與鈾礦化有關, Na的來源可能是成巖時的孔隙水, 當時的湖水中含有大量的Na+, 其次砂巖巖石中的斜長石或鈉長石, 因為鏡下僅見到鉀長石(微斜長石), 未見到斜長石, 可能是流體作用下全部溶解的結果。另外, 碳酸鹽化與鈾礦化關系也十分密切, 據(jù)此推斷, 鈾在熱液中的搬運可能主要是以UO2(CO3)22?和UO2(CO3)24?形式為主。

其它金屬元素, 如Cu, Fe, V, Mo, Co, Cd, As, Ba等均有一定的含量, 表明流體中富集這些元素。根據(jù)微量元素相關分析, U與Cu、V、Co和Pb的相關性好。

碳酸鹽礦物的電子探針分析結果列入表 1中,從表中可以看出, 碳酸鹽的主要氧化物為 MgO、CaO、FeO、MnO, 含量占絕對優(yōu)勢的是CaO, 即碳酸鹽礦物主要為方解石。除此以外, 砂巖中的膠結物與含礦層中碳酸鹽脈體在FeO的含量上稍有區(qū)別,脈體方解石的含量略高, 反映了形成脈體碳酸鹽時流體的鐵含量偏高, 也就是說, 形成膠結物的流體與形成脈體的流體的來源是不一樣的。

研究表明, 方沸石、碳酸鹽均為堿性條件下的產(chǎn)物, 石英的大量溶解也是在堿性條件下, 據(jù)此推斷, 含鈾的熱流體是一種堿性的還原流體。通過對熱流體活動及其蝕變產(chǎn)物的分析和鈾的存在形式的初步研究, 認為特吉達地區(qū)鈾礦化是受堿性熱流體作用的控制。這種熱流體活動必定受構造所制約。另一方面, 熱流體也會進入到有利的砂巖層的一定范圍內(nèi)受層位的控制。一般來說碎屑越粗孔滲性越好,越有利于熱液的活動, 也就越有利于鈾礦的形成。所以特吉達地區(qū)的鈾礦受構造和層位的雙重控制。

5.3 熱流體的溫度

熱流體的溫度是研究熱流體非常重要指標, 根據(jù)方解石成分的電子探針數(shù)據(jù)估算了方解石的形成溫度。具體方法是, 在方解石與白云石共生的前提下, 利用塔蘭采夫(1981)溫度計, 在曲線上判別方解石的形成溫度。估算的結果均為方解石的形成溫度大多數(shù)在 200℃以上, 經(jīng)統(tǒng)計并繪圖, 見圖 7所示。方解石形成的溫度較寬, 從 150～400℃, 主峰值為 250～300℃, 表明礦物形成的溫度在中溫偏高的范圍, 部分測點為中溫偏低范圍。

表1 含礦層中碳酸鹽電子探針成分分析數(shù)據(jù)表Table 1 Electron microprobe analyses of carbonate minerals in the ore-bearing bed

圖7 塔蘭采夫法計算的溫度統(tǒng)計圖Fig. 7 Histogram of temperatures calculated by Talacav’s method

5.4 成礦作用模式

研究區(qū)在晚侏羅世時期處于風化剝露狀態(tài), 并發(fā)生了 NW 向的拉伸伸展作用, 形成研究區(qū)總體的隆-坳格局, 控制著白堊系以后的各個時期的沉積作用。早白堊世早期(阿薩烏阿期), 湖侵由西向東擴展,于特吉達背斜一帶形成濱淺湖相帶, 發(fā)育一套含礫砂巖、粗砂巖, 即阿薩烏阿組。隨后在伊臘澤爾期,湖侵向西部的阿爾利特地區(qū)繼續(xù)擴展, 于特吉達地區(qū)形成厚層深湖-半深湖相的泥巖夾薄層細砂巖。阿薩烏阿組與伊臘澤爾組砂巖-泥巖的空間關系就構成了含礦空間和保存條件的完美組合。至晚白堊世時期, 區(qū)域經(jīng)受一次壓扭性構造活動, 形成了戴加瑪組內(nèi)的舒緩的層內(nèi)褶曲, 伴隨這次活動的是局部較大規(guī)模的流體活動, 來自深部的熱流體, 沿著斷裂構造上升, 在上升的過程中, 流體萃取了侏羅系及其以前地層中的鈾, 當?shù)竭_阿薩烏阿組頂部的厚層泥巖時, 斷層閉合, 流體的垂向運移渠道中斷,此時, 流體只能沿著阿薩烏阿組孔滲性好的砂體側向運移, 并在油氣和低價鐵的作用下, 于流體經(jīng)過的地段發(fā)生還原作用。在堿性的條件下, 鈾酰絡合物發(fā)生沉淀, 并伴隨有方沸石和碳酸鹽礦物及絹云母的生成。在此過程中, 長石和石英發(fā)生溶解。長石中游離出來的Na-Al-Si進入方沸石, 部分K進入絹云母, 石英溶解出來的 Si一部分形成次生加大,另一部分進入鈾石中。碳酸鈾酰絡合物在形成瀝青鈾礦和鈾石時, 碳酸根離子與 Ca2+和 Mg2+結合, 生成方解石和白云石。研究區(qū)在構造和熱流體作用下形成的鈾礦化模式見圖8。

6 結論

圖8 特吉達地區(qū)鈾成礦模式圖Fig. 8 Mineralization model for uranium in Teguida area

特吉達地區(qū)鈾礦化的含礦目的層為早白堊世早期的阿薩烏阿組, 該組雖然厚度較薄, 由于沉積于水動力條件活躍的濱淺湖相, 為一套磨圓和分選均較好的含礫中-粗粒砂巖, 孔隙度和滲透性均好, 為熱流體遷移和活動的良好通道, 也是鈾礦化的理想儲集空間。

電子探針成分和背散射電子圖像顯示, 區(qū)內(nèi)鈾礦物主要是瀝青鈾礦和鈾石, 它們呈細分散的粒狀或細脈狀分布在方解石和方沸石中, 與自然銅和黃銅礦等金屬礦物關系密切。地表鈾礦多數(shù)氧化為鮮黃色的次生鈾礦物, 同時見藍銅礦的脈體與它伴生。

與鈾礦化相關的熱流體蝕變作用主要碳酸鹽化(方解石和白云石)、Na-Al硅酸鹽化(方沸石)和層狀硅酸鹽化(絹云母)。方解石與方沸石相互穿切及呈同心環(huán)狀交替出現(xiàn)表明, 形成礦物的流體成分周期性地發(fā)生改變, 鈾成礦為流體多期次活動的結果。

斷裂構造和巖石垂向組合分析顯示, 阿薩烏阿組砂礫巖與其上覆的伊臘澤爾組泥巖的空間關系構成了含礦空間和保存條件的完美組合。晚白堊世時期的區(qū)域性壓扭構造活動, 伴隨著局部大規(guī)模的流體作用。來自盆地深部的熱流體形成了特吉達地區(qū)砂巖中的鈾礦化和一系列的熱流體蝕變現(xiàn)象。

致謝: 本論文的野外工作和成果資料的收集得到了金興礦業(yè)股份有限公司和尼日爾索米納公司的大力支持和幫助。樣品的測試工作在北京核工業(yè)地質(zhì)研究院和東華理工大學核資源與環(huán)境教育部重點實驗室完成。石家莊經(jīng)濟學院王禮勝教授為利用方解石計算礦物的形成溫度提供了指導, 在此向支持和幫助過本文工作的單位和個人表示誠摯的謝意。

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Hydrothermal Mineralization of Uranium in Sandstone, Teguida, Niger

NIE Feng-jun1), LIN Shuang-xing2), YAN Zhao-bin1), RAO Ming-hui1), YANG Yong-ji2), ZHANG Cheng-yong1), YAN Yong-jie1)
1) Nuclear Resources and Environmental Engineering Center, East China Institute of Technology, Nanchang, Jiangxi 330013;2) Jinxing Mineral Industry Co. Ltd., Beijing 100082

Based on geological survey, core observation and documentation, the authors have found that the uranium mineralization related to hydrothermal fluids in the Teguida ore deposit of Niger is genetically quite different from previous researchers’ assumption. The target layer sandstones for mineralization were deposited from the lacustrine beach or shallow lake. Sandstones assume conglomeratic characteristics and are well sorted and rounded, with upward coarsening sequence and wash cross-bedding. Electron microprobe analyses show that uranium minerals mainly occur as pitchblende, coffinite and absorption and are granular, tiny veinlike and disseminated in form, associated with copper mineralization. Calcitization, analcitization and sericitization in the mineralized sandstone are closely related to uranium. The diagenetic siderite was altered into hematite and goethite during later oxidation. According to the dolomite molecular numbers in cogenetic calcite, the carbonate mineral temperature should range from 178 ℃ to 385 ℃, averaging 251～300 ℃.

sandstone; uranium; hydrothermal fluids; Teguida; Niger

P611.13; P619.14

A

1006-3021(2010)06-819-13

本文由國家自然科學基金項目(編號: 40972067)資助。

2010-03-20; 改回日期: 2010-04-27。責任編輯: 閆立娟。

聶逢君, 男, 1962年生。教授, 博士。鈾礦地質(zhì)與沉積地質(zhì)學。通訊地址: 330013, 江西南昌市廣蘭大道418號。電話: 0791-3898009。E-mail: niefj@263.net。