礦液致裂作用對苗兒山礦田花崗巖型脈狀鈾礦床多期成礦的制約

方適宜

（核工業(yè)230研究所，湖南 長沙 410011）

礦液致裂作用對苗兒山礦田花崗巖型脈狀鈾礦床多期成礦的制約

方適宜

（核工業(yè)230研究所，湖南 長沙 410011）

運用礦液致裂理論與多種測試技術(shù)，詳細(xì)研究了桂北苗兒山礦田花崗巖型脈狀鈾礦床礦脈的形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，獲知成礦時礦液的壓力大于圍巖的靜壓力，礦脈由礦液壓裂作用形成。在此基礎(chǔ)上討論了礦液致裂對花崗巖型脈狀鈾礦床多期成礦的控制。

礦液致裂；多期成礦；脈狀鈾礦床；苗兒山礦田

1 有液壓參與的斷裂作用

近年來的研究表明，地殼內(nèi)各種流體的活動對構(gòu)造的形成和演化產(chǎn)生重要影響（Fyfe， 1981； Cox， 1995）。 由于流體滲濾與構(gòu)造變形在動力學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)和水力學(xué)等方面存在復(fù)雜的耦合關(guān)系（Tobish等，1991），這種耦合關(guān)系使流體對巖石的礦物相、變質(zhì)相、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和變形習(xí)性產(chǎn)生深刻影響，從而控制巖石的變形行為。液壓致裂是流體影響和控制巖石變形的重要方面及表現(xiàn)形式之一。理論和試驗研究表明［1-2］，如果在介質(zhì)中有液壓存在，那么就代表沒有流體壓力時應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圓就沿著正應(yīng)力的方向向左平移了pF距離（圖1），從而使代表有流體壓力存在時應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圓和莫爾包絡(luò)線相切，巖石就會出現(xiàn)破裂。一旦始態(tài)的差異應(yīng)力（莫爾圓的半徑）大，流體壓力稍微提高就足以產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致莫爾圓在小斜率的區(qū)域里和包絡(luò)線相切（圖1a）。如果始態(tài)差異應(yīng)力小，流體壓力必須很高，才能和固體壓力一起產(chǎn)生破裂。莫爾圓跑到大斜率的區(qū)域里和包絡(luò)線相切，圓心靠近原點，α角小，破裂顯示為張性（圖 1b）。

圖2 液壓致裂作用原理，超壓流體使斷裂擴展到非滲透的圍巖中（據(jù)A.尼古拉，1984）Fig.2 Principles of hydraulic pressure cracking，overpressure causing the fractures extend into the impermeable wall rock （After A.Nicola， 1984）

在流體壓力大于固體壓力的地方，如果圍巖或上覆巖層是非滲透性的，液壓引起的斷裂作用就會發(fā)生。為什么會出現(xiàn)流體壓力大于圍壓的情況呢？其原因可能是深處高壓礦液的貫入，或是在某些去水作用或部分熔融作用過程中體積增大（圖2a），或者由于小流體柱頂部的重力值小于圍巖（圖2b）。這種流體沿構(gòu)造應(yīng)力集中帶上升，使圍巖破裂，形成容礦斷裂。隨之礦液進入，形成礦脈。因此液壓致裂發(fā)生的條件是pF≥σ3＋Rt，即當(dāng)流體壓力pF超過最小主應(yīng)力σ3和巖石抗張強度Rt之和時，便會發(fā)生液壓致裂。破裂的瞬時開啟可成為流體排出的通道，使得在多孔介質(zhì)中的pF減小，斷裂又重新閉合。這樣的破裂就像一個備有活塞的汽缸，吸入、排出。如此重復(fù)作用從而使介質(zhì)中的流體不斷被排出。因此，礦液致裂作用具有驟發(fā)性（快）、破壞性（強）和周期性（長期）等特點。在詳細(xì)的野外觀察和室內(nèi)綜合研究基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為，苗兒山礦田花崗巖型脈狀鈾礦床礦脈的形成與礦液壓裂作用密切相關(guān)。

2 花崗巖型脈狀鈾礦床礦液致裂的證據(jù)

2.1 礦脈的形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

沙子江礦床容礦斷裂平面上以相互平行的斷裂組出現(xiàn)（圖3），并局部含有纖維狀線理的脈狀充填物，表明斷裂有張性破裂特征。礦脈的形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)也反映了多期礦液壓裂作用。在同構(gòu)造充填液體壓力作用下，由于容礦斷裂沿應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)形成的兩條瀝青鈾礦脈間分枝復(fù)合或側(cè)羽擴展連通。瀝青鈾礦脈尾端的分枝與偏折，是張性脈動擴展的證據(jù)。發(fā)育大量網(wǎng)狀裂隙及可拼接角礫（圖4），角礫有時呈撕裂狀，甚至呈藕斷絲連狀的布丁構(gòu)造，晚期角礫可包裹早期角礫，均具有壓裂的外貌，孟公界礦床礦脈具有平行復(fù)脈和脈中脈構(gòu)造（圖5）特征，不同期次形成的脈體，其顏色、寬度和結(jié)晶程度等有所不同，顯微鏡下觀察不同世代礦物及晶體生長帶向兩壁可對稱發(fā)展，也可不對稱發(fā)展，石英生長方向（長軸方向）垂直脈壁形成帶極密，實質(zhì)上高壓流體周期性活動導(dǎo)致連續(xù)的裂開—愈合過程發(fā)生，這進一步證明礦液壓裂容礦斷裂是張性的，其中礦液的壓力對容礦斷裂的形成與擴展起著重要作用。

圖3 沙子江礦床地質(zhì)略圖及0號勘探線剖面示意圖（據(jù)核工業(yè)310隊資料修改，1985）Fig.3 Geology map of Shazijiang deposit and cross section of exploration line No.0（Modified after information from Geologic Party No.310， CNNC， 1984）

圖4 由礦液壓裂造成的瀝青鈾礦脈（黑色）尾端的分枝與網(wǎng)狀裂隙及可拼接礦石角礫（沙子江礦床1 420 m中段）Fig.4 Net-like fracture and branches at the end of pitchblende vein（black）caused by hydraulic pressure cracking and joinable breccias（1 420 m level in Shazijiang deposit）

圖5 孟公界YD-1沿脈坑道中1號脈的形狀Fig.5 The shape of vein No.1 in YD-1 vein along tunnel in Menggongjie

苗兒山礦田花崗巖型脈狀鈾礦床礦脈的兩壁平直，與圍巖界線截然，脈壁沒有擦痕和階步等斷層作用的標(biāo)志［3］，黑色硅質(zhì)礦脈中常有早期淺色硅質(zhì)礦脈的夾石，夾石在礦脈中呈飄浮狀分布，并且在礦脈兩側(cè)和端部夾石減少，而中心含量高。顯微鏡下觀察角礫與圍巖的內(nèi)部變形程度基本一致，不發(fā)育變形顯微構(gòu)造，表明夾石形成為礦液壓裂所致。

2.2 流體包裹體特征

流體包裹體主要發(fā)育在微晶石英礦石中。這些包裹體呈無色，以氣-液兩相或單一液相為主；形態(tài)主要有橢圓形、三角形和不規(guī)則形等；包裹體長軸大約為8～15 μm；多數(shù)包裹體無特定方向分布（圖6a）；氣-液兩相包裹體的氣體百分?jǐn)?shù)為10%～50%。它們的均一溫度為154～248.3℃，加權(quán)平均值為（184.69±24.51）℃（n＝10）（圖 6b）； 鹽度集中在9.28%～15.2%NaCl之間，加權(quán)平均值為（13.23±1.55）%NaCl （圖 6c）。根據(jù)包裹體的溫度和鹽度數(shù)據(jù)，求得其密度為0.73～0.95 g·cm-3，在NaCl—H2O體系的等容線圖上求出其壓力值在（176～580）×105Pa之間變化，說明成礦流體的溫度、密度、濃度、壓力和成分等物理-化學(xué)性質(zhì)發(fā)生過頻繁變動。

2.3 礦脈與圍巖石英雜質(zhì)、X衍射數(shù)據(jù)、晶胞參數(shù)和紅外光譜學(xué)特征的對比分析

2.3.1 石英雜質(zhì)含量

由表1中可見，礦脈中石英雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低（1.487%），糜棱巖中石英雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高（3.172%），表明成礦溶液具有較高的壓力。沙子江礦床石英雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1.186%）比孟公界礦床石英雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1.788%）低，說明前者形成的礦液壓力比后者高。

圖6 沙子江礦床石英的包裹體照片及其均一溫度和鹽度的頻率直方圖Fig.6 Photos of quartz inclusion and frequency histogram of homogeneous temperature and salinity in Shazijiang deposit

表1 石英中雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析表Table 1 The content of impurities in quartz

2.3.2 面網(wǎng)間距及衍射強度

根據(jù)高壓流體中結(jié)晶的石英，類質(zhì)同象和雜質(zhì)混入物相對減少，進入晶格的離子數(shù)減少，各個方向面網(wǎng)間距總的來說呈減少的趨勢，從而導(dǎo)致面網(wǎng)間距依次減小。表2表明沙子江礦床和孟公界礦床礦脈中面網(wǎng)間距減小，說明礦脈中石英是在高壓流體中結(jié)晶生成的。

X射線的衍射強度也是一個與壓力有關(guān)的物理量。據(jù)經(jīng)驗公式，壓力升高，衍射強度降低，平均衍射強度也降低。由表3可見礦脈中石英的衍射強度低于圍巖中石英的衍射強度。

2.3.3 石英晶胞參數(shù)對比

礦脈中石英的晶胞參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)石英晶胞參數(shù)對比，其a0、b0和c0值均有減小，而圍巖中的石英略有增大（表4）。說明不是定向壓力所致，而是流體壓力作用的結(jié)果。

2.3.4 紅外光譜學(xué)特征

對礦脈與圍巖中石英進行紅外光譜學(xué)特征研究表明，礦液致裂作用首先在吸收峰的強度（吸光度用A表示）上表現(xiàn)明顯。流體壓力大，石英中類質(zhì)同象和雜質(zhì)少，而類質(zhì)同象替代物和雜質(zhì)含量影響晶體的對稱性和化學(xué)鍵強度。即壓力上升，雜質(zhì)混入物下降，對稱性和化學(xué)鍵增強，吸光度A上升。由表5可見，礦脈的吸光度比圍巖大，說明礦脈中流體壓力增大。

從紅外光譜圖上，對礦脈與圍巖中石英樣品的吸收峰數(shù)目進行統(tǒng)計（表6），可以看出礦脈中石英吸收峰數(shù)目減少，圍巖中石英吸收峰數(shù)目增加。特別是沙子江礦床從上到下隨著流體壓力增高，礦脈內(nèi)吸收峰數(shù)目依次遞減。

通過對礦脈和圍巖中石英的吸收峰橫坐標(biāo)數(shù)進行統(tǒng)計（表7）可以看出，礦脈中石英的主要幾個吸收峰有向高波數(shù)移動趨勢，說明流體壓力也有增加趨勢。

3 礦液致裂對花崗巖型脈狀鈾礦床多期成礦的制約

根據(jù)野外調(diào)查和資料分析，區(qū)內(nèi)印支晚期伴隨苗兒山—越城嶺強烈隆升，在越城嶺隆起與東西側(cè)新寧坳陷的轉(zhuǎn)換帶上，在強大的剪應(yīng)力作用下，地下6～10 km深部形成了新資韌性剪切帶，地表為脆性破裂 （即新資斷裂）。幾乎同時，苗兒山—越城嶺復(fù)式背斜核部深部巖石發(fā)生了重熔，形成豆乍山和香草坪等 “S”型花崗巖，燕山期區(qū)內(nèi)韌性剪切帶繼續(xù)活動，深部重熔巖漿上升沿淺部新資斷裂及次級斷裂呈巖墻擴張式侵位，形成SN向延伸數(shù)十公里的花崗斑巖和紫花坪、大圳和五團花崗巖及新資斷陷盆地，產(chǎn)生控礦韌性剪切帶（如沙子江礦區(qū)的8、9號帶，孟公界礦區(qū)的1號帶和雙滑江礦床的天金斷裂帶等）疊加在印支期大規(guī)模韌性剪切帶上，喜山期新資斷裂表現(xiàn)為張扭性質(zhì)，切割了白堊紀(jì)地層。石英熱活化電子自旋共振測試結(jié)果表明，該斷層糜棱巖有207～233 Ma和66～69 Ma兩個階段形成年齡，硅化帶為148 Ma，對應(yīng)區(qū)內(nèi)鈾成礦年齡則有138 Ma和74 Ma兩期。

由于新資走滑韌性剪切帶的作用在礦田內(nèi)形成了大規(guī)模的印支期—燕山期剪切重熔花崗巖，巖漿的結(jié)晶分異作用使其分離出大量流體相，部分流體使巖體發(fā)生強烈的自變質(zhì)作用和堿交代作用，巖體中普遍發(fā)育鉀、鈉長石化和硅化等蝕變，鉀、鈉長石化使巖石的脆性增大，抗壓強度和抗張強度減小，而大面積的硅化為高壓流體的匯聚提供了良好的圈閉條件。燕山晚期花崗巖和花崗斑巖的侵位直接誘發(fā)了液壓致裂的發(fā)生，新資盆地內(nèi)各種建造水、大氣降水和地下水沿走滑斷裂帶（主要是淺部脆性斷裂系統(tǒng)）下滲循環(huán)，萃取含鈾地層及巖體中的鈾，與深部富含Si、U、K、Na和CO2的超臨界流體沿走滑斷裂帶及次級控礦斷裂向上運移，它們相遇混合，并匯聚于巖體硅化屏蔽層之下，其壓力逐漸增大，一旦超過上覆巖石的抗張強度和最小主應(yīng)力之和，便發(fā)生液壓致裂和鈾成礦作用。大氣水和深部含礦熱液持續(xù)補給使含礦熱液流體壓力周期性積累—釋放，礦液壓裂幕式發(fā)生并導(dǎo)致多期鈾成礦作用，其直接的表現(xiàn)形式是礦石的多次角礫巖化和含礦裂隙—脈的增量沉淀。

表4 苗兒山礦田花崗巖型脈狀鈾礦床礦脈和圍巖中晶胞參數(shù)及其與標(biāo)準(zhǔn)石英對比Table 4 Unit cell parameters and their contrast to the standard quartz in ore vein and wall rock of vein shape granite-type uranium deposit in Miaoershan ore field

表5 苗兒山礦田花崗巖型脈狀鈾礦床礦脈與圍巖中石英各峰的吸光度Table 5 Absorbance of the quartz peaks in ore vein and wall rock of vein shape granite-type uranium deposit in Miaoershan ore field

表6 苗兒山礦田花崗巖型脈狀鈾礦床礦脈與圍巖中石英紅外光譜圖上吸收峰數(shù)目Table 6 Numbers of absorption peaks of inferred spectrogram of quartz in ore veins and wall rock of vein shape granite-type uranium deposit in Miaoershan ore field

表7 苗兒山礦田花崗巖型脈狀鈾礦床礦脈和圍巖中石英紅外振動波數(shù)的變化Table 7 Wave numbers of changes of inferred vibration quartz in ore veins and wall rock of vein shape granite-type uranium deposit in Miaoershan ore field

沙子江礦床和孟公界礦床礦脈的形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)證明，礦脈應(yīng)為同構(gòu)造張性脈，成脈的充填和交代作用與成脈裂隙的形成是同時發(fā)生的［4］。A．尼古拉認(rèn)為，除了地殼最表層的破裂之外，所有的張破裂都由液壓或有液壓參與的斷裂作用形成［1］。大地應(yīng)力測量也表明，地殼中幾乎不存在張應(yīng)力，只有剪應(yīng)力［2］。沙子江和孟公界花崗巖型脈狀鈾礦床礦脈的張性特征表明容礦斷裂的形成除差異應(yīng)力外，必須要有其他因素的參與，礦液的液壓能起到這種作用。

礦液致裂作用導(dǎo)致不同含鈾硅質(zhì)脈型（大脈與網(wǎng)脈，細(xì)脈）交替出現(xiàn)并有多期活動，說明它們形成時流體壓力有一定差別，這種差別主要與礦液上升過程中的壓力旋回及礦液補給有關(guān)。壓力增加導(dǎo)致巖石破裂，巖石破裂又會增加滲透性，從而導(dǎo)致壓力的下降，這種過程循環(huán)往復(fù)就是壓力旋回。礦液致裂在巖石中形成的裂隙迅速被熱液流體充填，進而形成含鈾硅質(zhì)脈。由于裂隙與脈在形成時間上接近，并具有成因聯(lián)系，筆者稱之為裂隙—脈系統(tǒng)。在裂隙—脈系統(tǒng)中，早期礦液補充不充分，壓力有限，只能形成淺色硅質(zhì)細(xì)脈和網(wǎng)脈條帶，并且這種條帶在礦脈的中心部位較多，在礦脈的邊緣部位較少，推斷礦脈的形成是由中心向邊緣不斷脈動擴展而成。晚期深部含礦硅質(zhì)溶液再次聚集，礦液補給充分，并能較長時間保持較大的壓力，形成瀝青鈾礦大脈及黑白相間的脈中脈和平行復(fù)脈。晚期含礦黑色硅質(zhì)溶液注入含礦淺色硅質(zhì)脈中有多種情況：（1）在淺色硅質(zhì)脈完全凝固以后裂開注入。在沒有交代作用的情況下，淺色硅質(zhì)脈和含礦黑色硅質(zhì)脈形成邊界明顯的復(fù)脈；若有交代作用，則形成邊界不明顯的復(fù)脈。（2）在淺色硅質(zhì)脈沒有完全凝固時裂開注入，含礦的黑色硅質(zhì)脈將淺色的半凝固硅質(zhì)攪動成呈飄浮狀的夾石。在硅質(zhì)脈夾石的破裂孔隙中，還可形成輝銻礦和螢石的晶洞。有些礦脈的圍巖有平直的斷層泥帶和局部的片理化帶，這是成礦后剪切活動的產(chǎn)物。

4 結(jié) 語

脈狀礦床成礦動力學(xué)研究，起步不久，成果不多。礦液致裂作用為構(gòu)造地質(zhì)、礦田構(gòu)造及礦床成因研究提供了新思路。苗兒山成礦區(qū)鈾礦床是產(chǎn)于花崗巖體中與礦液致裂有關(guān)的脈狀鈾礦，對于鈾成礦動力學(xué)來說，它還是一個新類型，值得進一步深入研究和總結(jié)。華南有大面積的花崗巖分布，進一步深入研究這一類型礦床，有重要的理論與找礦意義。

［1］尼古拉 A.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)原理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1989:20-29.

［2］蘭姆賽J G.現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)方法（第2卷）：褶皺和斷裂［M］.北京：地質(zhì)出版社，1985:312-344.

［3］方適宜．剪切帶型鈾礦床礦脈三維模型及盲礦預(yù)測［C］//第8屆全國礦床會議論文集.北京：地質(zhì)出版社，2006:372-375.

［4］方適宜.異常成礦構(gòu)造聚斂場：花崗巖型富大鈾礦床形成的特殊構(gòu)造環(huán)境［J］.中南鈾礦地質(zhì)，2003， 17（2）:45-54.

Control of hydraulic pressure cracking on multiphase metallogenesis of vein shape granite-type uranium deposit in Miaoershan orefield

FANG Shi-yi
（Research Institute No.230， CNNC， Changsha， Hunan 410011， China）

Morphologies and intertexture of ore veins in vein shape granite-type uranium deposits in Miaoershan ore field in north of Guangxi are studied in detail through using the hydraulic pressure cracking theory and various kinds of testing technique.It is known that the pressure on ore fluid is larger than that of wall rock，and the ore veins are formed by hydraulic pressure cracking.Based on the above discussion，the control of hydraulic pressure cracking on the multiphase metallogenesis of vein shape granite-type uranium deposits is discussed.

hydraulic pressure cracking；multiphase metallogenesis； vein shape uranium deposit；Miaoershan ore field

P619.14；P598

A

1672-0636（2012）01-0009-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2012.01.002

2011-08-03；

2011-10-19

方適宜（1952—），湖南平江人，高級工程師（研究員級），現(xiàn)主要從事鈾礦地質(zhì)與科研工作。E-mail:fsy_230@163.com