修武盆地下寒武統(tǒng)黑色巖系鈾礦物賦存特征及富集機(jī)理

王 運(yùn)，胡寶群，高海東，李文成，伯 慧，郭國(guó)林

（1.東華理工大學(xué) 放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江西 撫州344000；2.江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，江西 南昌330000；3.江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，江西 南昌330000）

1 引言

下寒武統(tǒng)黑色巖系 “多元素富集事件”倍受世人關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于對(duì)其進(jìn)行研究[1－5]。國(guó)內(nèi)對(duì)下寒武統(tǒng)黑色巖系的研究主要集中于我國(guó)南部地區(qū) （黔、湘、滇等）；研究對(duì)象多偏向于釩、鎳和鉬，對(duì)鈾的研究相對(duì)較少，僅在微量元素?cái)?shù)據(jù)分析時(shí)偶爾提及；研究手段多以微量元素化學(xué)分析為主。作為我國(guó)碳硅泥巖型鈾礦的主要賦礦巖系，湘西南桂北下寒武統(tǒng)黑色巖系鈾含量遠(yuǎn)高于克拉克值，并且在其中已發(fā)現(xiàn)了多個(gè)鈾礦床。近年來(lái)，隨著找礦工作的深入開(kāi)展，有必要對(duì)下寒武統(tǒng)黑色巖系鈾礦物的賦存特征及富集機(jī)理進(jìn)行研究，以期為找礦和礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)、環(huán)保等方面提供基礎(chǔ)性技術(shù)資料。

2 區(qū)域地質(zhì)特征

修武盆地區(qū)域構(gòu)造上位于揚(yáng)子板塊的次級(jí)構(gòu)造單元——下?lián)P子坳陷帶，歸屬于九江坳陷的修水－武寧復(fù)向斜。中元古界雙橋山群構(gòu)成該復(fù)向斜的變質(zhì)褶皺基底，南華系至下三疊統(tǒng)為復(fù)向斜的主體，軸向一般呈北東東向，部分地段為近東西向及北西向。

區(qū)內(nèi)地層出露較全，從中元古界到新生界，除缺失侏羅系、白堊系以及泥盆系、石炭系的部分地層外，其它各系均較發(fā)育，特別是南華系至下志留統(tǒng)發(fā)育最為齊全。

斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，大型斷裂以北西向、北東向、北北東向逆沖斷層為主。小型斷裂多為大斷裂的次級(jí)構(gòu)造，傾角20°～80°，以寬約2～5cm的白色、綠色、無(wú)色透明石英脈和白色、棕黃色透明方解石脈充填其中。震旦系地層裂隙中也偶見(jiàn)寬約1～3cm的紫紅色、綠色、無(wú)色透明螢石脈充填。

區(qū)內(nèi)各類巖石均遭受不同程度的蝕變，常見(jiàn)的有硅化、碳酸鹽化、黃鐵礦化等。其中，硅化表現(xiàn)為以面型蝕變?yōu)橹?，碳酸鹽化常呈脈狀，黃鐵礦化以團(tuán)塊狀和顆粒狀為主。

區(qū)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)巖漿巖。

3 樣品采集與分析結(jié)果

所有樣品均取自修武盆地地表及鉆孔（表1）。將巖石樣品制備成薄片進(jìn)行鏡下觀察，并通過(guò)JXA－8100電子探針對(duì)含鈾礦物進(jìn)行成分鑒定，以及對(duì)巖石做化學(xué)成分分析 （XRF）、微量元素及稀土元素分析 （ICP－MS）。

表1 樣品巖性及采樣位置Table 1 Rock types and sample location

3.1 鈾礦物賦存狀態(tài)

電子探針化學(xué)分析初步確定黑色巖系中的鈾礦物主要為磷鈣鈾礦和含磷鈣鈦鈾礦 （表2）。

磷鈣鈾礦：主要成分含量，UO2為24.93%～32.96%，CaO 20.01%～21.62%，P2O523.28%～26.20%，SiO21.44%～8.40%，ThO2＜0.04%。此外，常含有TiO2、MgO、Na2O、Al2O3等。

磷鈣鈾礦顆粒大小為2μm左右，基本以獨(dú)立礦物存在于石英的微孔隙中或吸附于石英表面 （圖1），礦物周圍多見(jiàn)石英、黃鐵礦、磷灰石等。

表2 鈾礦物電子探針?lè)治鼋Y(jié)果 （%）Table 2 Electron microprobe analysis results of uranium minerals（%）

圖1 鈾礦物的存在形式 （電子探針背散射電子圖像）Fig.1 Existing form of uranium mineral（BSE images）Pho—磷鈣鈾礦；Bra—含磷鈣鈦鈾礦；Py—黃鐵礦；Tit—TiO2礦物；Ap—磷灰石；Q—石英。

含磷鈣鈦鈾礦：UO2含量為27.54%～50.24%，TiO29.86%～29.58%，CaO 2.09%～8.34%，P2O52.39%～12.83%，SiO28.51%～19.61%，ThO20.16%～0.61%。此外，常含有Na2O、MgO、Al2O3等。含磷鈣鈦鈾礦顆粒大小在1～3μm，基本以獨(dú)立礦物存在，少量與TiO2礦物共生 （圖1），礦物周圍多見(jiàn)石英、黃鐵礦、磷灰石、鐵白云石等。

3.2 巖石化學(xué)組分特征

對(duì)修武盆地下寒武統(tǒng)采取5個(gè)不同層位的巖石樣品進(jìn)行化學(xué)分析 （表3），從表3可知，XW1（含碳灰?guī)r）和XW4（石煤）燒失量明顯大于其他樣品，這主要是由于有機(jī)質(zhì)含量高的緣故。本區(qū)石煤中有機(jī)碳含量一般為7%～15%。

w（SiO2）／w（A12O3）值是區(qū)分巖石物源的重要標(biāo)志，陸殼w（SiO2）／w（A12O3）平均值為3.6[6]。因此，與此比值接近的巖石其物源應(yīng)以陸源為主，超過(guò)此值的則多是由于生物或熱水作用的結(jié)果。研究區(qū)采集的樣品w（SiO2）／w（A12O3）值為3.35～230.95 （表3），間接表明其物源有大量生物和大洋熱水沉積物補(bǔ)充。

由于陸源物質(zhì)富鋁，而大洋熱水沉積物中富鐵、錳，因此這3者的含量關(guān)系可以用于示蹤沉積巖的物源。沉積巖中w（Al）／w（A1＋Fe＋Mn）值＞0.5時(shí)，其物源應(yīng)為陸源，而此比值＜0.35時(shí)為大洋熱水的沉積[7]。研究區(qū)采集樣品w（Al）／w（A1＋Fe＋Mn）值為0.24～0.65 （表3），也表明其物源應(yīng)為陸源和海底熱水沉積物，且以陸源為主。

表3 黑色巖系巖石化學(xué)組分含量 （%）及其特征參數(shù)Table 3 Petrochemical component and characteristic parameter of black rock series（%）

3.3 微量及稀土元素含量特征

表4列出了研究區(qū)下寒武統(tǒng)黑色巖系5個(gè)不同樣品的 U、V、Mo、P、Sb、Pb、Sr、Zr、Hf、Ni、Th、Zn、Co、Cr等14種元素的含量分析結(jié)果，顯示XW4（石煤）的U、V、Mo含量明顯偏高，比其他樣品富集數(shù)十倍，而其他樣品與陸殼元素豐度值相比幾乎無(wú)異常；U、V、Mo、P大致成正相關(guān)關(guān)系。

表4 黑色巖系微量元素分析結(jié)果 （×10－6）及鈾釷比值Table 4 Trace element content of black rock series（×10－6）

熱水沉積物w（U）／w（Th）值往往大于1，而正常海洋沉積物的w（U）／w（Th）值往往小于1[9]。本區(qū)巖石樣品的w（U）／w（Th）平均值 （4.92）大于1，說(shuō)明其受到熱水沉積作用的影響。

Co主要是水成來(lái)源，而Cu、Ni、Zn為原生熱水來(lái)源[10]。在 Zn－Ni－Co三角圖 （圖2）中可以看出，海底熱水沉積物落在Zn、Ni結(jié)合之處，而水成沉積物主要落在Co含量相對(duì)較高的地方。本區(qū)下寒武統(tǒng)黑色巖系樣品投點(diǎn)位于海底熱水沉積范圍及其附近，表明本區(qū)黑色巖系受到了熱水沉積的影響。

圖2 黑色巖系Zn－Ni－Co圖 （據(jù)Jai H.C，1992）Fig.2 Zn－Ni－Co diagram of the black rock seriesⅠ—水成沉積物；Ⅱ—熱水沉積物。

由表5可知，強(qiáng)黃鐵礦化含碳硅質(zhì)板巖稀土總量 （ΣREE）最高 （136.85×10－6），其次為石煤 （135.89×10－6）。ΣREE具有隨海水深度的增加而升高的特點(diǎn)[4]，因此稀土總量的多少能反映古海洋的深度[5]。本區(qū)古海洋深度在寒武紀(jì)早期存在起伏，強(qiáng)黃鐵礦化含碳硅質(zhì)板巖、石煤形成于水深相對(duì)較大的還原性環(huán)境。

表5 稀土元素含量 （×10－6）及其特征參數(shù)Table 5 The content and characteristic parameters of REE （×10－6）

在 La／Yb－Ce／La 和 La／Yb－REE 圖 中（圖3、4），本區(qū)樣品多落于沉積巖區(qū)和玄武巖區(qū)，顯示樣品具有正常海相沉積并有熱水作用參與的特點(diǎn)。

圖3 黑色巖系La／Yb－Ce／La圖（據(jù)Kunzendorf H，1988）Fig.3 La／Yb－Ce／La diagram for the black rock series 1—深海沉積物；2—鐵錳結(jié)核及鐵鎂巖；3—海相玄武巖。

4 鈾富集機(jī)理

上述分析表明，本區(qū)鈾富集主要與海底熱水作用有關(guān)，與碳質(zhì)、磷等關(guān)系也非常密切，其富集機(jī)理如下：

圖4 黑色巖系La／Yb－REE圖（據(jù)Allegre C.J，1978）ig.4 La／Yb－REE diagram for the black rock series 1—球粒隕石；2—大洋拉斑玄武巖；3—大陸拉斑玄武巖；4—堿性玄武巖；5—花崗巖；6—金伯利巖；7—碳酸鹽巖；8—沉積巖。

在早寒武世黑色巖系沉積時(shí)，受構(gòu)造拉張作用的影響，發(fā)生了多次海底火山噴發(fā)活動(dòng)，形成以正常海洋沉積并伴有熱水參與的黑色巖系。深部熱源物質(zhì)上升，與地表水、地下水和海水形成熱液，其中溶解了少量的鈾。當(dāng)水中存在有機(jī)質(zhì)時(shí)將形成有機(jī)質(zhì)流體，其發(fā)生氧化作用可降低溶解分子氧的數(shù)量，從而使該流體對(duì)鈾的富集能力數(shù)倍增加。同時(shí)，有機(jī)流體可降低礦物和巖石的穩(wěn)定性，使碳酸鹽、硅鋁酸鹽等礦物溶解，其中所含的鈣、磷及微量鈾被釋放出來(lái)，進(jìn)入流體并遷移。U、P具有共沉淀過(guò)程，磷酸鈣在弱酸性介質(zhì)中是強(qiáng)載鈾體，主要以 [UO2（HPO4）2]2－形 式 遷 移[14]。實(shí)驗(yàn)表明，天然磷酸鹽能強(qiáng)烈的從鈾酰鹽溶液中吸附鈾，它可以從196×10－6的含鈾水溶液中提取63%的鈾于沉積物中[15]。黑色巖系中豐富的碳質(zhì)可將流體中可溶U＋6還原為U＋4沉淀，而且其具有吸附性強(qiáng)、滲透性差、塑性較大等特點(diǎn)，非常有利于俘獲鈾而使其富集。此外，由于古海洋水深的起伏變化，海退時(shí)原本接受沉積的地區(qū)遭受剝蝕，巖石中富集的鈾再次遷移至相對(duì)較深的海域富集，故在相對(duì)較深海域形成的石煤中鈾富集較為顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）修武盆地下寒武統(tǒng)黑色巖系中的鈾礦物主要為磷鈣鈾礦和含磷鈣鈦鈾礦；

（2）鈾礦物基本上以獨(dú)立礦物形式存在，其顆粒微小，約1～3μm，少量與鈦礦物共生；

（3）黑色巖系沉積受海底熱水影響，物源由陸源和海底熱水沉積物兩者混合組成，且以陸源為主；

（4）鈾的富集與碳、磷等富集關(guān)系密切。

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