降扎鈾礦床熱水沉積硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征

張 巖，漆富成，張字龍，李治興，王文全，楊志強(qiáng)

(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

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降扎鈾礦床熱水沉積硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征

張 巖，漆富成，張字龍，李治興，王文全，楊志強(qiáng)

(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

降扎鈾礦床的賦礦主巖為碳硅泥巖富鈾建造，筆者對其硅質(zhì)巖的化學(xué)成分、微量元素、稀土元素及Si同位素進(jìn)行研究，結(jié)果表明硅質(zhì)巖為熱水沉積成因。這種硅質(zhì)巖可能形成于陸緣裂谷或裂谷向小洋盆過渡的環(huán)境；沉積成巖熱水可能為與下伏中酸性火山巖進(jìn)行水-巖反應(yīng)的深循環(huán)海水。硅質(zhì)巖成巖后可能還受到來自上地幔的熱液疊加改造。

降扎鈾礦床；硅質(zhì)巖；熱水沉積成因；形成環(huán)境；熱液來源

降扎碳硅泥巖型鈾礦床是若爾蓋鈾礦田的重要組成部分。該礦床的礦體主要賦存于志留系硅質(zhì)巖破碎帶與硅灰?guī)r透鏡體中。雖然前人對降扎鈾礦床開展了大量的研究工作，但對作為“鈾源層”的碳硅泥巖富鈾建造及其硅質(zhì)巖的成因觀點(diǎn)不一[1-4]。筆者試圖通過對該建造中的硅質(zhì)巖進(jìn)行地球化學(xué)特征研究，以期揭示硅質(zhì)巖的成因類型及古形成環(huán)境，并探討成巖硅質(zhì)熱液與后期成礦熱液的來源。這對碳硅泥巖型鈾礦成因研究及區(qū)內(nèi)找礦具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 區(qū)域及礦床地質(zhì)概況

研究區(qū)位于秦嶺-大別造山帶秦嶺板塊西段南緣，白龍江復(fù)背斜溫泉溝次級背斜北翼西部，距南面勉略縫合帶50km左右。區(qū)內(nèi)出露地層有震旦系至白堊系，巖漿巖有志留紀(jì)后期侵入的輝綠巖，規(guī)模小且分散。震旦系以中酸性火山巖為主。區(qū)內(nèi)主體構(gòu)造為白龍江復(fù)背斜，走向NWW，長約50km，寬約20km。主要斷裂構(gòu)造線為NWW向，與地層走向大體一致，其次是橫切地層的NE向斷裂。降扎鈾礦床的礦體主要沿NWW向主干斷裂轉(zhuǎn)折端及分支膨脹部位破碎帶分布，具有明顯的后期構(gòu)造控礦特征(圖1)。礦區(qū)內(nèi)寒武系和奧陶系地層厚927m，巖石中U含量為(8～12)×10-6；志留系地層厚度大于1147.3m，巖石U含量為(5～15)×10-6,均為典型的碳硅泥巖，局部硅質(zhì)巖層呈鈾礦化。

2 樣品特征及分析測試方法

研究工作中采取的樣品為志留系地層巖心的富鈾硅質(zhì)巖及硅質(zhì)巖。硅質(zhì)巖具水平及塊狀層理，局部見鮞粒結(jié)構(gòu)，組成礦物主要為微晶石英及少量重結(jié)晶石英，有機(jī)質(zhì)含量較高，有脈寬<1mm的后期方解石脈或白云石脈充填。硅質(zhì)巖無后期蝕變、淋濾或氧化褪色現(xiàn)象，具淺變質(zhì)特征，鈾含量為(9～12)×10-6，與其他圍巖的鈾含量基本一致。

樣品粉碎至200目，進(jìn)行X-熒光化學(xué)成分分析及ICP-MS微量元素化學(xué)分析。Si同位素組成以硅酸鹽或含硅礦物的五氟化溴法進(jìn)行測定。

圖1 若爾蓋鈾礦田區(qū)域地質(zhì)略圖(據(jù)朱西養(yǎng)等，2008修改)Fig.1 Regional geological map of Ruoergai uranium ore field1—第四系黃土；2—白堊系陸源碎屑巖；3—侏羅系安山巖、火山碎屑巖；4—三疊系灰?guī)r、白云巖、砂巖；5—二疊系灰?guī)r；6—石炭系灰?guī)r；7—泥盆系灰?guī)r、板巖、白云巖；8—上志留統(tǒng)硅質(zhì)巖、灰?guī)r、板巖、硅灰?guī)r透鏡體；9—中志留統(tǒng)砂巖、板巖、硅質(zhì)巖、硅灰?guī)r透鏡體；10—下志留統(tǒng)板巖、灰?guī)r、硅質(zhì)巖、硅灰?guī)r透鏡體；11—寒武-奧陶系硅質(zhì)巖、板巖、砂巖、灰?guī)r(白云巖)透鏡體；12—震旦系凝灰?guī)r；13—地質(zhì)界線；14—斷裂；15—輝綠巖脈體；16—鉆孔；17—鈾礦床。

3 硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征

3.1 巖石化學(xué)成分

硅質(zhì)巖樣品的SiO2含量為90.72%～93.01%，K2O/Na2O>1，F(xiàn)e2O3含量為1.38%～3.06%，Al2O3含量為0.252%～0.692%(表1)。由于Al是陸源碎屑鋁硅酸鹽的主要組分，故被看作是陸源物質(zhì)的代表；而Fe、Mn是熱液流體的主要組成元素，故可將Fe、Mn的相對含量作為識別熱液貢獻(xiàn)大小的標(biāo)志。Bostrom(1973)等提出利用Fe/Ti、Al/(Al+Fe+Mn)、(Fe+Mn)/Ti (元素質(zhì)量比)來區(qū)分熱水沉積物與正常海水沉積物，當(dāng)上述比值分別>20、<0.35、>25(±5)時(shí)，則認(rèn)為其屬于熱水沉積物[5]。降扎鈾礦床的硅質(zhì)巖Fe/Ti>143.88(遠(yuǎn)大于20)；Al/(Al+Fe+Mn)為0.08～0.21(<0.35)；(Fe+Mn)/Ti為55.01～180.6[>25(±5)](表1)，說明該硅質(zhì)巖為熱水沉積成因。經(jīng)Fe-Mn-Al及Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)成因判別圖進(jìn)行數(shù)據(jù)投影(圖2、3)，硅質(zhì)巖樣品的投影點(diǎn)全部落在熱水沉積物區(qū)的富Fe端[5-6]。

3.2 微量元素特征

Murray等(1991)研究表明：大陸邊緣硅質(zhì)巖的V含量為20×10-6左右、Ti/V值(元素質(zhì)量比值)約為40，大洋盆地硅質(zhì)巖V含量為38×10-6左右、Ti/V值約為25，洋中脊硅質(zhì)巖V含量為42×10-6左右[7]。研究區(qū)硅質(zhì)巖大部分樣品的V含量為(48.1～83.8)×10-6，高于洋中脊硅質(zhì)巖，1、6號樣品V含量為(28.6～29.4)×10-6，接近于大陸邊緣向大洋盆地過渡部位的硅質(zhì)巖；硅質(zhì)巖樣品Ti/V值<6.29，部分樣品Ti/V值趨近0(表2)。Girty等(1994)研究表明：與大陸邊緣環(huán)境相關(guān)的硅質(zhì)巖Th/U值(元素質(zhì)量比值)>3.8，相對遠(yuǎn)離大陸環(huán)境的硅質(zhì)巖Th/U值介于0.6～5.0。區(qū)內(nèi)樣品的Th/U值為0.01～0.05，3件樣品趨近于0，遠(yuǎn)小于相對遠(yuǎn)離大陸環(huán)境的硅質(zhì)巖Th/U值(表2)。

表1 硅質(zhì)巖化學(xué)成分含量(%)及部分特征值

注:樣品分析測試由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成。

圖2 硅質(zhì)巖Fe-Mn-Al成因判別圖(據(jù)adachi等，1986)Fig.2 Fe-Mn-Al diagram of siliceous rockⅠ—生物沉積及其他非熱水沉積物區(qū)；Ⅱ—熱水沉積物區(qū)。

圖3 硅質(zhì)巖Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)成因判別圖(據(jù)Bostrom, 1973)Fig.3 Fe-Mn-(Cu+Ni+Co) diagram of siliceous rockHN—水成沉積物區(qū)；HD—熱水沉積物區(qū)；RH—紅海熱水沉積物區(qū)；ED—東太平洋中脊熱水沉積物區(qū)。

樣品號取樣深度(m)巖 性VThUZrCrTi/VTh/U1810硅質(zhì)巖(鈾礦化)28600119018700024800133006290012808硅質(zhì)巖(弱鈾異常)48100060443000239001420042400138079硅質(zhì)巖型鈾礦石83700047016950005200017100172<00148075硅質(zhì)巖(弱鈾異常)501000280413001880013400—00158076硅質(zhì)巖672000580107002230017500—00568064硅質(zhì)巖2940003479220936010800—00478066硅質(zhì)巖838000578126002490020800179005

注:樣品分析測試由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成。

在U-Th關(guān)系圖中(圖4)[8]，硅質(zhì)巖投影點(diǎn)部分落在相當(dāng)于紅海熱水沉積物區(qū)，部分落在U/Th=100趨勢線左上側(cè)，說明鈾的后期富集對硅質(zhì)巖形成環(huán)境的判別起到干擾作用。而在Zr-Cr關(guān)系圖中(圖5)[9]，硅質(zhì)巖樣品的投影點(diǎn)則全部落在現(xiàn)代熱水沉積物趨勢線以下。

3.3 稀土元素特征

稀土元素是研究硅質(zhì)巖成因、恢復(fù)古海洋環(huán)境和判別氧化還原條件的良好地球化學(xué)示蹤劑。由于巖石的稀土配分模式一般不受成巖和變質(zhì)作用的影響，所以硅質(zhì)巖的稀土配分模式主要反映成巖前稀土的配分特征。研究區(qū)硅質(zhì)巖樣品的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式曲線(圖6)具有較好的一致性，其相關(guān)參數(shù)的計(jì)算均以北美頁巖作為比對。

圖4 不同類型沉積物的U-Th關(guān)系圖(據(jù)Rona P A, 1984)Fig.4 U-Th diagram of different types of sedimentsⅠ—TAG熱水沉積物區(qū)；Ⅱ—Galapagos熱水沉積物區(qū)；Ⅲ—Amphitrite熱水沉積物區(qū)；Ⅳ—紅海熱水沉積物區(qū)；Ⅴ—中太平洋中脊熱水沉積物區(qū)；Ⅵ—Langban熱水沉積物區(qū)；Ⅶ—錳結(jié)核區(qū)；Ⅷ—普通深海沉積物區(qū)；Ⅸ—鋁土礦區(qū)；Ⅹ—古老石化的熱水沉積物區(qū)。

Murray(1991)等在研究了大洋中脊、大洋盆地和大陸邊緣等不同大地構(gòu)造環(huán)境中的熱水沉積硅質(zhì)巖后發(fā)現(xiàn)：(1)現(xiàn)代大洋硅質(zhì)巖和造山帶古海洋硅質(zhì)巖δCe值從大洋中脊(0.29) →大洋盆地(0.55) →大陸邊緣沉積環(huán)境(0.90～1.30) 表現(xiàn)出遞增規(guī)律。洋中脊附近硅質(zhì)巖的(La/Ce)N值約為3.15；大洋盆地硅質(zhì)巖(La/Ce)N=1.10～2.15；大陸邊緣硅質(zhì)巖(La/Ce)N=0.15～1.15。洋中脊附近的硅質(zhì)巖δEu值從洋中脊的1.35降低到距洋中脊75km的處的1.02。自濱淺海至大洋盆地，硅質(zhì)巖的∑REE降低，近洋中脊硅質(zhì)巖∑REE<10.9×10-6，距洋中脊75km的硅質(zhì)巖∑REE<72.6×10-6[7]。

對比區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖樣品的稀土元素特征值(表3)，其δCe值范圍為1.102～1.239，(La/Ce)N為0.76957～0.95201，均落在大陸邊緣沉積環(huán)境硅質(zhì)巖的相應(yīng)數(shù)值范圍內(nèi)。硅質(zhì)巖樣品的δEu范圍為1.803～2.212，大于洋中脊硅質(zhì)巖的δEu值?！芌EE介于(11.934～27.894)×10-6，平均值為17.73386×10-6，介于近洋中脊與距洋中脊75km的硅質(zhì)巖的∑REE值范圍之間。

圖5 硅質(zhì)巖的Zr-Cr沉積環(huán)境判別圖(據(jù)Marchin 等, 1982)Fig.5 Zr-Cr diagram of siliceous rockⅠ—現(xiàn)代熱水沉積物的趨勢線；Ⅱ—現(xiàn)代水成沉積物的趨勢線及集中區(qū)；Ⅲ—現(xiàn)代水成含金屬沉積物分布區(qū)。

圖6 降扎鈾礦床硅質(zhì)巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式曲線圖(據(jù)Boynton,1984)Fig.6 The chondrite-normalized REE pattern of siliceous rock samples of Jiangzha uranium deposite 1—硅質(zhì)巖(鈾礦化)；2、4—硅質(zhì)巖(弱鈾異常)；3—硅質(zhì)巖型鈾礦石； 5～7—硅質(zhì)巖。

樣品號取樣深度(m)巖 性LaCePrNdSmEuGdTbDy1810硅質(zhì)巖(鈾礦化)3480740007773130057402170542010405762808硅質(zhì)巖(弱鈾異常)29306750067528800559013304950095053538079硅質(zhì)巖型鈾礦石36009470109050001340037711300285192048075硅質(zhì)巖(弱鈾異常)21705370054424300508012804330078042858076硅質(zhì)巖38508680082134600671032705980103053368064硅質(zhì)巖18404420044020800602019905720110061478066硅質(zhì)巖295070800664302006980245062001180672球粒隕石(平均)03108080122060195007350259004740322北美頁巖(NASC)41831013875161635123549

續(xù)表3

注:樣品由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成分析測試；球粒隕石(平均)據(jù)Boynton(1984)；NASC據(jù)SHOLKOVITZ(1988)。

3.4 Si同位素特征

研究資料表明，不同成因的硅質(zhì)巖具有特定的δ30Si值分布范圍。低溫水中自生沉積的石英砂δ30Si值為1.1‰～1.4‰；熱水沉積硅質(zhì)巖δ30Si值為-1.5‰～0.8‰，成巖過程中次生石英的δ30Si值變化范圍介于前兩者之間；交代成因硅質(zhì)巖δ30Si值為2.4‰～3.48‰；深海環(huán)境下沉積并與蛇綠巖或混雜巖共生的生物成因硅質(zhì)巖，其δ30Si值為-0.6‰～0.8‰，平均值為0.16‰；半深海環(huán)境下與石灰?guī)r共生的生物成因硅質(zhì)巖，其δ30Si值為0.1‰～0.6‰，平均值為0.4‰；淺海環(huán)境下與疊層石白云巖共生的生物成因硅質(zhì)巖δ30Si值為 -0.3‰～3.4‰，平均值為1.3‰；生物成因硅質(zhì)巖的δ30Si值變化較大，并與沉積環(huán)境關(guān)系密切；火山噴發(fā)-化學(xué)沉積硅質(zhì)巖δ30Si值為-0.5‰～-0.4‰[10-13]。

區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖樣品并不與正常沉積成因的石灰?guī)r或白云巖共生，但有少量方解石脈和白云石脈分布，且降扎鈾礦區(qū)志留系及前志留系地層中均未發(fā)現(xiàn)蛇綠巖或蛇綠混雜巖，但有中酸性火山巖分布，這排除了硅質(zhì)巖樣品δ30Si值(表4)與深海環(huán)境下沉積并與蛇綠巖或混雜巖共生的生物成因，或半深海環(huán)境下與石灰?guī)r共生的生物成因硅質(zhì)巖、淺海環(huán)境下與疊層石白云巖共生的生物成因δ30Si值重疊，可能為其中任何一種成因的可能性。因此，筆者認(rèn)為本區(qū)硅質(zhì)巖應(yīng)為熱水沉積成因。

表4 硅質(zhì)巖樣品的硅同位素分析結(jié)果

注:樣品由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成分析測試；NBS-28為美國國家標(biāo)準(zhǔn)局標(biāo)樣。

4 硅質(zhì)巖成因及形成的古環(huán)境

上述巖石化學(xué)成分、微量元素、稀土元素及Si同位素特征綜合顯示，區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖為熱水沉積成因。這與朱西養(yǎng)等(2008)提出的本地區(qū)硅質(zhì)巖為熱水沉積硅質(zhì)巖的結(jié)論相一致[5]。由于取樣位置的局限性，未發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)巖的形成與生物化學(xué)作用及火山作用有關(guān)的跡象[3，4]。

研究表明，區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖形成于陸緣裂谷或裂谷向小洋盆過渡環(huán)境，顯示了洋中脊硅質(zhì)巖與相對遠(yuǎn)離大陸邊緣環(huán)境硅質(zhì)巖共存的特征。這說明硅質(zhì)巖的形成環(huán)境具有陸緣環(huán)境與近洋中脊環(huán)境的雙重性，可能為陸緣裂谷或裂谷向小洋盆過渡環(huán)境。這一觀點(diǎn)與張國偉(2003)提出本地區(qū)前奧陶紀(jì)-泥盆紀(jì)存在裂谷的論斷相近似[14]。

硅質(zhì)巖的沉積成巖熱水可能為與下伏中酸性火山巖進(jìn)行水-巖反應(yīng)的深循環(huán)海水，其成巖后可能受到了來自上地幔熱液的疊加改造。礦區(qū)中除硅質(zhì)巖型鈾礦石樣品外，其他樣品均顯示出與下伏中酸性火山巖相同的稀土元素配分模式，說明成巖熱水為與下伏中酸性火山巖進(jìn)行水-巖反應(yīng)的深循環(huán)海水。硅質(zhì)巖型鈾礦石略富集LREE，這可能與來自上地幔的熱液在上涌過程中吸收了殼源的LREE有關(guān)；也可能與分析測試方法(硅質(zhì)巖與后期脈體混合粉末樣品測量取平均值)有關(guān)。但HREE的未虧損趨勢已顯示了幔源的特點(diǎn)，所以認(rèn)為上述觀點(diǎn)可以成立。這與陳友良(2008)認(rèn)為本地區(qū)后期成礦熱液為殼?；煸吹挠^點(diǎn)相近[15]。但由于礦化硅質(zhì)巖樣品較少，難于具有代表性，還有待后續(xù)工作的進(jìn)一步證實(shí)。

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Geochemical Characteristics of Hot Water Deposited Siliceous Rock in Jiangzha Uranium Deposit

ZHANG Yan, QI Fu-cheng, ZHANG Zi-long, LI Zhi-xing, WANG Wen-quan, YANG Zhi-qiang

(CNNCKeyLaboratoryofUraniumResourceExplorationandEvaluationTechnology,BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing10029,China)

Systemic research of major elements, trace elements, and Si isotope on siliceous rock samples in Jiangzha uranium deposit indicate that the rock is of hot water genesis and may formed in rift setting or rift to small ocean basin setting.The diagenesis water might was deeply cycled seawater which reacted with underlyn acidic volcanic rock and might surfer the later alteration by hydrotherm from the upper mantle.

Jiangzha uranium deposit;siliceous rock;hot water sedimentation genesis; forming environment; source of hydrothermal

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.02.003

2014-10-24 [改回日期]2014-11-19

張 巖(1987—)，男，在讀碩士研究生，專業(yè)方向：礦產(chǎn)普查與勘探。E-mail：zhongmou111@126.com

1000-0658(2015)02-0081-08

P581;598

A