花崗巖型鈾礦床成礦分帶特征及其在下莊礦田隱伏礦床預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

彭卓倫 ,陳國(guó)能 ,陳 震 ,婁 峰邱 惟張俊浩許清燕

(1.中山大學(xué) 地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院,廣東 廣州 510275;2.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510275;3.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130061)

地臺(tái)或大陸克拉通活化(陳國(guó)達(dá),1956,1959;朱日祥等,2012)是當(dāng)今大陸地質(zhì)學(xué)研究的重大課題(陳國(guó)能,1997,2011;張國(guó)偉等,2011)。硅鋁質(zhì)陸殼大規(guī)模熔融導(dǎo)致大量重熔或再生花崗巖產(chǎn)出,是地臺(tái)或克拉通活化的重要標(biāo)志(Chen et al.,2014),而花崗巖型(熱液型)鈾礦的產(chǎn)生,則反映了活化區(qū)地殼的多次熔融和殼內(nèi)巖漿層的高度分異(陳國(guó)達(dá)和楊心宜,2003;Chen and Grapes,2007)?；◢弾r型鈾礦床的出現(xiàn),有可能作為大陸地殼成熟度的指標(biāo)(張珂,2001),而且研究殼內(nèi)熔融與花崗巖型熱液鈾礦床形成的關(guān)系,對(duì)指導(dǎo)深部隱伏礦床的尋找與勘探,有重要的實(shí)用價(jià)值。

花崗巖型鈾礦床與其寄主花崗巖之間常存在巨大年齡差(李耀菘,1982;金景福和黃光榮,1991;婁峰等,2011),這使得早期基于傳統(tǒng)巖漿侵入模型的熱液成因說(Narayanaswamy and Venkatasubramanian,1969;杜樂天,1982;周維勛,1982;胡瑞忠,1989;張祖還和章邦桐,1991;Casas et al.,1994)無法自圓其說,因?yàn)殁櫟V成礦時(shí)賦礦巖體早已固結(jié),不可能再產(chǎn)生巖漿熱液。然而,這類鈾礦與花崗巖體空間上形影相隨的事實(shí),又無法排除花崗巖與鈾礦之間成因上的聯(lián)系。近30年來,產(chǎn)生了各種基于鈾的成礦物質(zhì)來自花崗巖石而不是花崗巖漿的假說或模型,亦即含鈾花崗巖經(jīng)后期流體作用導(dǎo)致其內(nèi)的鈾元素活化與富集,如地下熱水浸出說(李學(xué)禮,1992;戚華文和胡瑞忠,2000;杜樂天,2001;Tersea et al.,2006);地表水淋積說(Michel,1984;季克儉等,1989);地幔氣“萃取說”(Susumu,1992;Haines,1993;Casas et al.,1994;鄧平等,2003;毛景文等,2004;杜樂天,2005)。

陳國(guó)能(1989)、陳國(guó)能等(1996)、Chen and Grapes (2007)在花崗巖成因研究的基礎(chǔ)上,提出了與傳統(tǒng)理論不同的鈾礦成礦學(xué)說。為此,廣東省核工業(yè)地質(zhì)局與中山大學(xué)合作,成立了“花崗巖與鈾礦資源研究所”,以下莊礦田為切入點(diǎn)開展了系統(tǒng)研究,進(jìn)行深部隱伏礦床定位預(yù)測(cè),經(jīng)鉆探驗(yàn)證,獲得重要突破。在此基礎(chǔ)上,本文進(jìn)一步探討熱液鈾礦成礦過程的分帶規(guī)律,并根據(jù)建立的分帶模型,嘗試在下莊礦田 XXX礦床的深部隱伏礦體進(jìn)行定位預(yù)測(cè)。

1 花崗巖型鈾礦床熱液蝕變類型及分帶現(xiàn)象

下莊礦田位于近EW走向的粵北貴東巖體東部,是由燕山早期(γ52-1)黑云母(二長(zhǎng))花崗巖(160～185 Ma)、燕山中期(γ52-3)二云母–白云母花崗巖(135～155 Ma)和燕山晚期(γ53-1)花崗正長(zhǎng)巖(125 Ma)組成的復(fù)式巖體。燕山早期巖體為主體,燕山中期巖體以巖株(面積多為幾～幾十平方公里)產(chǎn)于早期巖體內(nèi)部,燕山晚期花崗正長(zhǎng)巖則主要以巖脈或出露面積僅幾平方公里小巖株的形式出露于貴東巖體東部(婁峰等,2011;李宏衛(wèi)等,2011)。

貴東巖體已知的鈾礦床(點(diǎn))主要分布于巖體東部下莊地區(qū)(圖1A)。鈾礦的 U-Pb年齡集中在70～90 Ma之間(李耀菘,1982;王學(xué)成和饒冰,1989;徐達(dá)忠等,1999;丁瑞欽和梁天錫,2003)。礦體受花崗巖中的斷裂破碎帶或裂隙帶控制(張珂,2001;張珂等,2011),在斷裂與基性巖脈交匯部位往往顯著富化,形成所謂“交點(diǎn)型”礦體(劉汝洲,2003)。

鈾礦的礦石礦物主要有瀝青鈾礦和鈾石,圍巖蝕變類型為硅化(從高溫?zé)o色–白色石英到黑色微晶石英)、螢石化、碳酸鹽化(方解石)、水云母–綠泥石化等(圖1B)。赤鐵礦化或紅化伴隨著上述各種蝕變類型出現(xiàn)(圖1B-c、e、f),證實(shí)含鈾熱液應(yīng)為堿性氧化流體(Chen and Grapes,2007)。

從圖1A可見,下莊礦田的各類蝕變?cè)谄矫嫔嫌凶员毕蚰?從石英帶(包括高溫石英和黑色微?；蛭⒕?–螢石帶–方解石帶的變化特征,礦田南部花崗巖體內(nèi)接觸帶附近,尚發(fā)育水云母–綠泥石帶(圖1B-d);礦物包裹體溫度也有自北向南降低的變化趨勢(shì)(劉延勇,2008)。研究表明,這種平面上的分帶,主要是由鈾礦成礦殼層的埋深所引起,已知鈾礦床的礦體埋深自北向南逐漸加大,這也正是南部地表鈾礦化較弱、鈾礦床(點(diǎn))相對(duì)較少的原因(中山大學(xué)地球科學(xué)系、廣核–中大花崗巖與鈾礦資源研究所,2009)。

圖1 下莊鈾礦田地質(zhì)簡(jiǎn)圖及主要蝕變類型平面分布特征(A),與主要蝕變類型野外照片(B)Fig.1 Schematic map of geology and plane-view of different alteration types in the Xiazhuang ore-filed (A),and associated alteration types in the uranium ore field (B)

2 花崗巖型鈾礦床礦化類型及分帶特征

相對(duì)于不同的蝕變類型,鈾礦化也表現(xiàn)出不同的特征(金景福等,1991)(圖2):與微粒石英型相應(yīng)的鈾礦化往往為大脈型,礦體品位較富(圖2a),例如下莊330、331、332、333等礦床;與螢石化型相應(yīng)的多為連續(xù)性較好的線型礦脈(圖2b),例如下莊337礦床的晚期礦化;與方解石–黏土化型相應(yīng)的則多為不連續(xù)的網(wǎng)脈型,脈幅多在0.n～0.00n mm之間(圖2c)。這三種礦化類型,以往被認(rèn)為分屬三種獨(dú)立的成礦過程(金景福和黃廣榮,1991)。

根據(jù)花崗巖成因的原地重熔說(陳國(guó)能,1989;陳國(guó)能等,1996;Chen and Grapes,2007),在殼內(nèi)熔融–固結(jié)過程中,U究竟是參與造巖元素的結(jié)晶還是在氣相流體中富集,其決定因素是巖漿系統(tǒng)的氧化–還原條件。在還原條件下,U4+可類質(zhì)同像取代Zr4+、Hf4+及REE3+等進(jìn)入副礦物晶格而被分散。在氧化條件下鈾為六價(jià)鈾(U6+),與氧結(jié)合成為鈾酰離子團(tuán)(UO2)2+,由于半徑太大而無法再以類質(zhì)同像方式進(jìn)入硅酸鹽晶格,在巖漿結(jié)晶過程中只可能存在于氣相中,最終形成含鈾熱液流體。研究證實(shí)巖漿系統(tǒng)的氧化電位升高與系統(tǒng)的熔融(重熔)次數(shù)有相關(guān)關(guān)系,因此有花崗巖型鈾礦床產(chǎn)出的地區(qū),區(qū)域上一般有多期花崗巖出露,而鈾礦的產(chǎn)出通常與最晚期的巖漿活動(dòng)有關(guān),礦體與寄主花崗巖存在巨大的年齡差(Chen and Grapes,2007)。多次熔融使巖漿系統(tǒng)氧逸度升高,即 U4+氧化為 U6+,并在熱液流體中富集,在花崗巖型鈾礦床中赤鐵礦化的普遍出現(xiàn)(圖1B),也進(jìn)一步證實(shí)瀝青鈾礦的成礦流體,與一般熱液硫化物礦床成礦流體相比,更偏堿性和具有較高的氧化電位。同時(shí),螢石化和方解石化在鈾礦成礦過程中的普遍出現(xiàn),也揭示含鈾流體中有大量的F-、Cl–、CO2–3等離子組分。

圖2 花崗巖型鈾礦床主要礦化蝕變類型(據(jù)金景福和黃廣榮,1991重繪)Fig.2 Main mineralization and alteration types of granite-type uranium deposit

圖3 花崗巖型鈾礦床成礦分帶模型(據(jù)彭卓倫等,2007修改)Fig.3 Zoning model for granite-type hydrothermal uranium deposit

根據(jù)上述研究,并結(jié)合下莊礦田各礦床的資料建立了熱液鈾礦成礦模型(圖3,Peng et al.,2014)。在陸殼多次熔融(重熔)晚期巖漿層的固結(jié)過程中,析出的含鈾氣液流體向晚期重熔界面(MI3)的凸起部位匯聚,隨著系統(tǒng)的減壓沿?cái)嗔淹ǖ老蛏线\(yùn)移,并隨著溫度和壓力的降低,不同的元素在不同的區(qū)間沉淀析出,形成不同的蝕變和礦化分帶:深部高溫帶(250～400 ℃)為高溫石英的沉淀區(qū),形成石英脈;隨著SiO2大量析出和溫度的降低,流體中剩余SiO2形成中低溫帶的紅色或黑色微粒石英,或交代流體通道兩側(cè)巖石而導(dǎo)致圍巖的硅化;螢石在熱液過程中的析出溫度低于白色石英(Chen and Grapes,2007),隨著紅色或黑色微粒石英的結(jié)晶,螢石也開始析出。據(jù)現(xiàn)有資料,瀝青鈾礦的形成溫度主要在250～150 ℃之間,與微粒石英和螢石大量析出的溫度區(qū)間基本一致,由此很容易理解熱液鈾礦與微粒石英和螢石密切共生的原因。碳酸鹽化和黏土化是熱液蝕變的低溫產(chǎn)物,流體中的鈾在此之前已大量沉淀,因而成礦已是強(qiáng)弓之末。從流體動(dòng)力考慮,含礦氣液流體離開源區(qū)初期,由于溫度高、內(nèi)壓大,向上運(yùn)移速度快,可沖開通道上的障礙物(如斷層物質(zhì)),為高溫石英的沉淀騰出空間,形成規(guī)模較大的石英脈;隨著離源區(qū)距離的增加,加上石英等高溫物質(zhì)的沉淀對(duì)通道的堵塞,流體的動(dòng)力漸弱,且隨著向上剛性破裂面增多,壓力被分散,流體只能沿著這些分散的破裂面向上運(yùn)移和滲透,從而形成線脈帶和其上的網(wǎng)脈帶(圖3)。換言之,圖2所示的不同礦化和蝕變類型,并非起因于不同的成礦過程,而是同一成礦過程在不同深度的表現(xiàn)。熱液鈾礦的成礦分帶從下而上可分高溫?zé)o礦帶–大脈帶–線脈帶–網(wǎng)脈帶–低溫?zé)o礦帶,相應(yīng)蝕變帶依次為氧化物–氟化物–碳酸鹽–水化物。

綜上所述,花崗巖型鈾礦床實(shí)質(zhì)是花崗巖熱液礦床,其形成與地殼的多次熔融有關(guān)。不同類型的蝕變(微粒石英型、螢石化型、黏土化或碳酸鹽化型)與不同脈型(大脈型、線脈型、網(wǎng)脈型)的鈾礦化,實(shí)質(zhì)是含鈾熱液向上運(yùn)移過程中不同溫度或深度區(qū)間(即不同物化環(huán)境)的響應(yīng),這在脈狀鎢礦中甚為常見。這一認(rèn)識(shí)對(duì)于深部隱伏鈾礦體的尋找與勘探,有重要實(shí)用意義。

3 下莊礦田XXX礦床深部隱伏礦體預(yù)測(cè)

根據(jù)上述模型,作者選擇了下莊礦田XXX礦床進(jìn)行解剖和成礦預(yù)測(cè)。礦區(qū)內(nèi)發(fā)育燕山早期黑云母花崗巖(γ52(1))、燕山中期白云母花崗巖(γ52(3))和白堊紀(jì)的輝綠巖脈(圖4a)。有NNE向和近EW向兩組斷裂,前者規(guī)模較大,傾向北西,傾角 70°左右;后者單條斷裂的延伸一般只有數(shù)百米,傾向北;鈾礦沿EW向斷裂充填,礦體呈細(xì)脈狀成群產(chǎn)出。據(jù)現(xiàn)有資料,礦體的鈾礦物主要為晶質(zhì)鈾礦,少量瀝青鈾礦,后者沿同樣的裂隙充填并切割了前者。兩種形成于不同物理化學(xué)環(huán)境的鈾礦物在礦體中共存,表明該區(qū)先后發(fā)生過兩次成礦作用,即早期為晶質(zhì)鈾礦,晚期為瀝青鈾礦。

礦區(qū)做過三種不同方法的物化探測(cè)量,一是裂變徑跡,二是鈾暈,三是愛曼和伽瑪測(cè)量。三種方法獲得的單個(gè)異常的走向基本都是近 EW 向,而異常的組合卻都是近SN走向(圖4b)。按照物化探方法的原理和測(cè)試對(duì)象,礦區(qū)上的裂變徑跡暈、鈾暈、愛曼暈和伽瑪暈,應(yīng)反映不同深度的鈾礦化。愛曼暈和伽瑪暈反映的是深部,裂變徑跡暈反映地表,鈾暈反映的深度則處于兩者之間。若此屬實(shí),上述異常組合應(yīng)是深部成礦流體自西(深部)向東(淺部)的運(yùn)移,導(dǎo)礦通道為NNE向斷裂(該組斷裂斷面西傾)(圖4b)。

圖4 下莊礦田XXX礦床地質(zhì)簡(jiǎn)圖(a)、礦床地質(zhì)資料和物化探異常綜合解譯圖(b)Fig.4 Schematic geological map of the No.XXX ore deposit (a),synthetic explanation of geological,geochemical and geophysical data of the deposit (b)

從圖4可見,與導(dǎo)礦通道(NNE向斷裂)近乎垂直的近 EW 向斷裂,由于其走向與成礦流體運(yùn)移的方向一致,因而可在流體運(yùn)移的主通道上方形成低壓區(qū),誘使含礦流體沿該組斷裂向上運(yùn)移,沿此組斷裂充填的早期晶質(zhì)鈾礦脈中疊加有后期的瀝青鈾礦即為這一過程的證據(jù)。

根據(jù)圖3的分帶模型可知,XXX礦床目前所控制的礦體,應(yīng)主要為早期的晶質(zhì)鈾礦,并未控制到晚期的瀝青鈾礦。疊加在晶質(zhì)鈾礦脈中的瀝青鈾礦細(xì)脈,指示晚期有瀝青鈾礦成礦流體沿?cái)嗔褞蛏蠞B透,但見到的僅僅是整個(gè)晚期礦化帶頂部的線脈甚至網(wǎng)脈帶,因此,晚期瀝青鈾礦的主礦體應(yīng)該尚在深部。

結(jié)合該礦 2號(hào)勘探線的資料,作者嘗試對(duì)該線上的深部隱伏礦體進(jìn)行定位預(yù)測(cè)(圖5),并在該線的北西端布置兩個(gè)設(shè)計(jì)鉆孔,預(yù)測(cè)在海拔標(biāo)高 650 m(孔深～220 m)以下見礦。這一認(rèn)識(shí)有待下一步鉆探證實(shí)。

4 小 結(jié)

華南地臺(tái)的活化伴隨有多期次的花崗巖活動(dòng),反映活化地殼經(jīng)歷了多次熔融或重熔。多次熔融(重熔)導(dǎo)致巖漿系統(tǒng)氧逸度升高,是鈾元素能夠在巖漿期后的氣液流體中富集、而不是在巖漿結(jié)晶過程進(jìn)入造巖礦物而被分散的根本原因。含鈾熱液流體在離開源區(qū)向上運(yùn)移過程中,其內(nèi)的元素大體按照氧化物–氟化物–碳酸鹽–水化物的順序沉淀析出,形成自下而上為高溫石英–黑色微粒石英–螢石–方解石–水云母的礦物(或蝕變)分帶順序。瀝青鈾礦沉淀析出主要發(fā)生在黑色微粒石英–螢石階段,因而與上述伴生礦物分帶順序相對(duì)應(yīng),由下而上出現(xiàn)高溫?zé)o礦帶–大脈帶–線脈帶–網(wǎng)脈帶–低溫?zé)o礦帶的瀝青鈾礦化分帶特征。在上述研究的基礎(chǔ)上,通過下莊礦田XXX礦床晶質(zhì)鈾礦和瀝青鈾礦共存的現(xiàn)象,得出該礦經(jīng)歷了兩期礦化:早期為晶質(zhì)鈾礦化,晚期為瀝青鈾礦化,且兩者在同一空間疊加的認(rèn)識(shí)。結(jié)合該礦已有的地質(zhì)、地球化學(xué)和地球物理勘探資料,指出該礦探明的礦體,可能只是早期的晶質(zhì)鈾礦,而對(duì)晚期的瀝青鈾礦化,目前僅探及其頂部的網(wǎng)脈帶,大脈帶應(yīng)該還在深部。據(jù)此,并結(jié)合該礦2號(hào)勘探線的資料,作者對(duì)該剖面深部可能的隱伏礦體進(jìn)行了定位預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果有待下一步的鉆探驗(yàn)證。

致謝:中山大學(xué)張珂教授和博士生李宏衛(wèi)、姜蓮婷等同學(xué)參與了本項(xiàng)研究的部分野外工作,本項(xiàng)研究得到了廣東省核工業(yè)地質(zhì)局領(lǐng)導(dǎo)陳光明、敖文波、盧映新和該局屬下 292地質(zhì)大隊(duì)總工賴中信高級(jí)工程師等專家學(xué)者的大力支持,在此一并致謝。

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