納米比亞羅辛鈾礦床地質特征、地球化學特征及成礦模式

左立波，任軍平，邱京衛(wèi)，劉曉陽，孫 凱，王 杰，許康康，龔鵬輝

（1.中國地質調查局天津地質調查中心，天津 300170；2.天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250）

0 引言

納米比亞鈾礦蘊藏量豐富，是世界上主要的鈾礦資源國之一。納米比亞最重要的鈾礦床類型為白崗巖型，現(xiàn)已查明的白崗巖型鈾礦約占該國鈾資源量的80%。白崗巖型鈾礦是一種重要的巖漿型鈾礦床，聞名于世的羅辛鈾礦即為白崗巖型鈾礦的典型礦床。目前納米比亞正在勘探開發(fā)的白崗巖型鈾礦床有羅辛、羅辛南、瓦倫西亞、Ida穹窿和Goanikontes等礦床。

羅辛鈾礦是世界上規(guī)模巨大、開采時間最長的露天開采鈾礦床之一，礦床位于納米布沙漠中，在斯瓦科普蒙德北東約60km處。該礦床發(fā)現(xiàn)于1928年，1976年開始開采。2009—2013年，鈾的年均產量為3 006.8t。2013年的鈾產量為2 409t，占世界鈾年產量的3.4%。截止2013年底，羅辛鈾礦總產鈾量為125 862t，用于工業(yè)發(fā)電。

國外學者對羅辛鈾礦進行了大量研究［1－3］，對羅辛鈾礦床的地質特征進行了總結，并對礦床成因提出不同觀點。國內研究人員［4－7］近幾年對包括羅辛鈾礦在內的白崗巖型鈾礦開展研究，對該類型鈾礦的礦物特征及礦石結構構造等進行了詳細研究。本文通過對前人研究資料的綜合整理分析，力求總結礦床地質特征和控礦因素，提出礦床成因方面的新認識，以期對國內外同類型鈾礦的勘查提供參考。

1 成礦地質背景

古生代的羅辛鈾礦床以它的年齡、主巖、規(guī)模、品位、U／Th比及極低的放射性而著稱［1，8－9］，該礦床在整個非洲乃至全球范圍內都是非常獨特的。納米比亞最重要的產鈾地質構造單元為中部的達馬拉造山帶，包括羅辛鈾礦在內的白崗巖型鈾礦主要產于該造山帶［3，10］。

1.1 達馬拉造山帶

新元古代—早古生代的達馬拉造山帶經過多期次的變形－變質作用，是由剛果克拉通和卡拉哈里克拉通碰撞所形成的。該造山帶由兩部分組成，即SN向的海岸分支及NE向的陸內分支。陸內分支寬400km，位于剛果克拉通和喀拉哈里克拉通之間，被分成了4個主要的NE向的構造域［11－13］。這些構造域從北西到南東分別為（圖1）：①北部臺地，由厚的奧塔維組碳酸鹽巖序列組成；②北部帶，由褶皺的向北逆沖的斷陷火山巖、沉積巖和相關的侵入體組成［14］；③中部帶，以發(fā)育中高級變質巖及大量的侵入巖為特征，被奧馬魯魯線性構造帶分為南北兩部分；④奧卡漢賈線理帶，將穹窿－盆地模式主導的中部帶、南部帶及南部邊緣帶的線性構造相分離；⑤南部帶，構成了南東侵入增生楔序列［15］。目前納米比亞境內發(fā)現(xiàn)的白崗巖型鈾礦主要發(fā)現(xiàn)在中南部區(qū)域。

圖1 達馬拉造山帶構造域分帶及羅辛鈾礦位置［12－13］Fig.1 Map illustrating zoning of the Damara orogen and the location of the R?ssing uranium deposit

中部帶發(fā)育大量的花崗巖和片麻巖，包括基底阿巴比斯眼球狀片麻巖、同變質紅色花崗巖［16］、塞勒姆花崗巖和晚期－后期構造侵入體，例如Donkerhuk花崗巖［17－19］。與北部帶或南部帶相比，中部帶穹窿構造核部的阿巴比斯片麻巖或埃土西斯組巖石更為發(fā)育［12－13，20－23］。奧馬魯魯線理帶將北中帶與南中帶分隔。南中帶包括羅辛、Goanikontes和Ida穹窿地區(qū)，發(fā)育大量富鈾的淺色片狀花崗巖。南部帶由高溫／低壓變沉積巖類（上部角閃巖相－麻粒巖相）、廣泛發(fā)育的花崗巖侵入體、基底片麻巖內露層和NE－NNE向穹窿組成。大量無開采價值或具開采價值的鈾礦化點發(fā)育在晚期－后期構造花崗巖中［1，9，19，24］，局限于南中帶內，看上去與NE向和NNE向的奧馬魯魯線理帶和奧卡漢賈線理帶之間穹窿構造有關。

1.2 區(qū)域地層

區(qū)內主要發(fā)育新元古界斯瓦科普群、諾西布群、及前寒武系阿巴比斯變質的基底雜巖（表1）。斯瓦科普群、諾西布群與阿巴比斯變質雜巖之間為不整合關系。

Nash等［25－28］對斯瓦科普群和諾西布群進行了詳細描述，認為二者不整合于阿巴比斯變質的基底雜巖之上，并對羅辛附近的奧馬魯魯線理帶進行了闡述。

高度變質的前達馬拉期阿巴比斯雜巖由眼球狀混合巖化黑云母夕線石花崗質片麻巖、黑云母片巖和角閃巖組成，出露于斯瓦科普和可汗河流地區(qū)的穹窿中［27，33］。基底雜巖是多相的，基巴拉花崗質片麻巖最小地質年齡為（1 038±89）Ma（鋯石 U－Pb SHRIMP年齡［34］）。

埃土西斯組的分布范圍有限，是由于在不規(guī)則古地貌上的原始沉積作用造成的。Oliver［35］認為基底雜巖并未出現(xiàn)在羅辛穹窿，可能是由遭受晚期－后期構造花崗巖侵入的混合巖化變砂屑巖和變泥質巖所替代［19，31，35］。埃土西斯組的下部為黑云母片巖、變石英巖，上部為黑云母片巖和變石英巖［25，27，35］。上部的黑云母片巖和變石英巖之間被羅辛SJ剪切帶截斷［36－37］。

諾西布群可汗組片麻巖構成了當?shù)氐臈l帶狀混合巖類，反映了長期的構造熱歷史，逐漸地覆蓋［1，25］或貫穿［31］于埃土西斯組中?？珊菇M主要由角閃石－單斜輝石片麻巖組成，反映出原始沉積向多鈣和碎屑減少的變化特點［31－32］?？珊菇M巖石的礦物組成表明由角閃石取代了輝石。最終，該組以薄層的角閃石黑云母片巖的厚度不大的不連續(xù)卵石層作為結束［25］。

羅辛組與可汗組之間為假整合接觸關系。在羅辛鈾礦床附近，羅辛組的下部為蛇紋石化大理巖、變泥質片麻巖，向上為硅化蛇紋石化變碳酸鹽巖、互層的花崗質／片巖質巖石，再向上出現(xiàn)變泥質片麻巖［25］。

楚斯組的巖性為含冰磧礫巖、片巖及片麻巖［4］；卡里比組的巖性為大理巖和石英－黑云母片巖；卡塞布組的巖性為石英－黑云母片巖。

1.3 區(qū)域構造演化

Sawyer等［17，21，28，32，38－41］對 包 括 羅 辛、可 汗 河、Goanikontes和斯瓦科普河在內的南部中心區(qū)的區(qū)域變形事件進行了描述（表2）。

Goanikontes地區(qū)的原始沉積層理（S0）以層理和交錯層理形式賦存在可汗組與埃土西斯組中。平面層理和黃鐵礦石英巖條帶賦存在羅辛組大理巖中。居主導地位的褶皺方向和在第一期（D1）、第二期（D2）變形事件中所生成的面理并不能輕易地被分辨出來，盡管至少有一種模型提出，F(xiàn)2走向為NW向，在沿著NE軸向的F3干涉褶皺之前，形成中部區(qū)域的穹窿。Coward等［21，37］提出了替代理論。認為S1和S2混合巖化條帶（尤其是在羅辛穹窿西部地區(qū)）賦存在可汗組和埃土西斯組中，然而S1和S2作為層流面理發(fā)育在羅辛組變泥質巖中；D3期變形在羅辛組大理巖中形成了高韌性流動褶皺。S3片麻理到片理（取決于層狀硅酸鹽的比例），與在羅辛穹窿和羅辛礦床中所觀察到的一樣，幾乎普遍取代了混合巖化S1和S2條帶。埃土西斯組顯示了S1和S2混合巖化條帶非系統(tǒng)的脆性－韌性變形。

表1 羅辛地區(qū)達馬拉序列巖性地層表［2，24－25，27，29－32］Table 1 Stratigraphy and lithology of the Damara Sequence in the R?ssing area

表2 羅辛地區(qū)變形事件［17，25，28，30，32，38，41］Table 2 Deformation events of the R?ssing area

以往研究表明，D4通常被描述為小而孤立的EW向褶皺及其與軸向平行的片理，在羅辛穹窿南部尤其明顯［30，32］。在可汗組和埃土西斯組中，D4變形效果并不能很好地定義，盡管后期運動剪切帶和（或）區(qū)域構造線橫切并重定向NE向F3褶皺，似乎是在 D3結束階段和 D4變形期間進行的［22，28］。Anderson［28］對羅辛地區(qū)的研究表明，多重褶皺最終結束在F3，隨后出現(xiàn)的是D3后期到D4期的韋爾維奇亞左行走滑帶變形。

1.4 白崗巖

達馬拉地區(qū)出露的白崗巖并非傳統(tǒng)意義上的白崗巖，而是淺色細粒－粗?；騻ゾз|花崗巖，主要礦物成分為鉀長石、石英和少量斜長石、云母，因此國外文獻常將該類型白崗巖定名為堿性淺色花崗巖［4］。

Nex等［18，39］通過對羅辛地區(qū)西約30km 的Goanikontes地區(qū)高應變帶進行調查，根據(jù)野外表征、穿插特征、礦物學和巖石學特征，將Goanikontes地區(qū)的花崗巖分為6種類型（表3）。

Nex等［18，39］認為，從早期的二長花崗巖到堿性長石淺色花崗巖的整體成分變化趨勢為：隨著時間的推移，堿性長石增加，與之相伴的初始鈾礦化富集增強，野外調查發(fā)現(xiàn)D型花崗巖中鈾的礦化最強。

2 礦床地質特征

羅辛鈾礦床位于羅辛穹窿的南部，礦區(qū)出露地層有斯瓦科普群卡塞布組黑云母片巖、石英巖；卡里比組大理巖、石英－黑云母片巖；楚斯組混雜巖、含礫石英巖；羅辛組大理巖、堇青石片麻巖、石英巖、礫巖；諾西布群可汗組黑云角閃輝石片麻巖、角閃巖；埃土西斯組長石石英巖、黑云母片麻巖、礫巖；前寒武系阿巴比斯雜巖（圖2）。

2.1 礦體分布形態(tài)

羅辛鈾礦可分為SH，SJ和SK等3個礦區(qū)。目前正在開采的為SJ礦區(qū)，其主采坑長3km，寬1.5km，深350m，鈾平均品位為0.03%。羅辛鈾礦全部原生鈾礦化和大部分次生礦化都集中產于白崗巖中，白崗巖體即被視為鈾礦體。由圖2可見，白崗巖體侵入羅辛組和可汗組中，白崗巖脈（礦體）寬度由幾厘米到90m不等，呈脈狀或不規(guī)則的透鏡狀。白崗巖脈（礦體）常與片理、片麻理平行或呈一定角度相交［4］。

另外，圍巖的構造形態(tài)也影響著白崗巖的產出，在許多地方，白崗巖沿著褶皺軸面侵入，切穿了不同的巖性。在礦體的中部，發(fā)育100m大小的捕虜體。白崗巖結構變化從細晶結構、花崗結構到偉晶結構，以偉晶結構為主，石墨結構在一定位置也存在［1］。

2.2 礦石結構構造

Berning［1］和陳金勇等［6－7］通過野外觀察、室內巖礦鑒定、X射線衍射、QEMSCAN及電子探針分析手段，對包括羅辛鈾礦在內的白崗巖型鈾礦的礦物特征進行了詳細研究。研究區(qū)鈾的賦存形式以獨立鈾礦物為主，少量以類質同像形式存在于釷礦物中。鈾礦物的主要種類有晶質鈾礦、釷鈾礦、鈾石、鈾釷石、鈦鈾礦、瀝青鈾礦、硅鈣鈾礦和釩鉀鈾礦等，其中，晶質鈾礦、釷鈾礦和鈦鈾礦等原生鈾礦物約占69%，而反應邊狀鈾石、鈾釷石、瀝青鈾礦、釩鉀鈾礦和硅鈣鈾礦等次生鈾礦物約占31%。

晶質鈾礦、釷鈾礦和鈾鈦氧化物的結構多為全自形或半自行晶粒狀結構，浸染狀構造；瀝青鈾礦和鈾硅酸鹽則大部分是隱晶結構、交代殘余結構，脈狀、細脈狀構造。

表3 羅辛地區(qū)白崗巖分類Table 3 The features of alaskite types in the R?ssing area

圖2 羅辛地區(qū)地質圖［9］Fig.2 Geological map of the R?ssing area

2.3 鈾礦物成分

晶質鈾礦以UO2，ThO2和PbO為主，含少量TiO2。其 中 w （UO2）＝82.40% ～91.36%，w（ThO2）＝1.15% ～8.68%，w（PbO）＝4.25% ～6.33%［6］，其中Pb的質量分數(shù)明顯高于其他含鈾礦物，主要為放射性衰變成因的Pb，因為晶質鈾礦比其他鈾礦物U的質量分數(shù)高，從而導致衰變成因的Pb比其他鈾礦物高。鈾石中的w（UO2）＝53.41%～72.90%，w（SiO2）＝8.18%～18.76%，部分鈾石中的w（ThO2）高達24.76%。釷鈾礦的w（UO2）＝55.03%～66.22%，鈾釷石的 w（UO2）＝18.55%～36.92%，瀝青鈾礦的w（UO2）＝85.96%～87.43%，鈦鈾礦的w（UO2）＝54.27%，硅鈣鈾礦的w（UO2）＝49.98%～68.10%。

2.4 鈾礦化特征

羅辛地區(qū)的鈾礦化表現(xiàn)為原始巖漿的結晶分異以及后期熱液的改造［6］，主要表現(xiàn)為結晶分異作用所形成的晶質鈾礦散布于造巖礦物中。由于晶質鈾礦遭受擠壓作用，加之巖漿晚期的熱液

交代作用，導致晶質鈾礦發(fā)生破碎和溶蝕，使部分鈾稍有遷移，鈾（釷）石交代晶質鈾礦，使晶質鈾礦呈殘余狀，并伴隨有熱液活動，使得黃鐵礦充填在晶質鈾礦裂隙中，或包裹著晶質鈾礦；反應邊狀鈾石與黃鐵礦外側膠結，圍繞著鈾釷石，以及瀝青鈾礦呈細脈狀、皮殼狀或出現(xiàn)在鈾釷石內部裂隙中，或出現(xiàn)在鈾礦物附近礦物裂隙解理中，或出現(xiàn)在附近礦物的空洞中，均說明后期存在熱液改造，但是改造的程度不大，主要使鈾發(fā)生了內部的再分配；最后，晶質鈾礦等鈾礦物由于近地表，經表生氧化而形成硅鈣鈾礦，呈浸染狀、脈狀和網(wǎng)脈狀，沿著巖石解理、礦物裂隙及粒間分布。

3 礦床成因

3.1 稀土元素及微量元素特征

Nex［39］對采集自Goanikontes地區(qū)的6種類型花崗巖進行全巖主量和微量元素分析，發(fā)現(xiàn)所有的花崗巖類（包括等?；◢弾r和片狀淺色花崗巖）略呈過鋁質，包含高硅（68%～73%）、高 K2O（4.9%～11.0%）、低CaO，富大離子親石元素、貧高場強元素。

王生云［5］對羅辛鈾礦附近白崗巖中的稀土元素和微量元素地球化學特征進行了研究，對采集的6種類型白崗巖共19件樣品（其中D型白崗巖4件，其余類型各3件）進行ICP－MS檢測。測得的白崗巖REE數(shù)據(jù)表明，該區(qū)不同類型白崗巖具有不同的球粒隕石標準化稀土配分曲線型式（圖3）。由圖3可知，A型白崗巖具有明顯的Eu正異常，B型、C型和E型白崗巖具有較相似的配分曲線型式，D型、E型和F型白崗巖Eu的負異常顯著，其中D型白崗巖具右傾斜“V”字形配分曲線。

圖3 羅辛地區(qū)不同類型白崗巖稀土元素球粒隕石標準化分布型式圖（據(jù)文獻［5］，修改）Fig.3 Chondrite－normalized REE patterns of type A－F alaskites in the R?ssing area

對白崗巖的微量元素數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，各類型白崗巖中微量元素含量變化范圍較大，原始地幔標準化曲線顯示相對分散，反映了不同類型白崗巖具有不同的物源區(qū)，且其物源區(qū)在成分上存在某種程度的不均一性。羅辛地區(qū)白崗巖中相對富集大離子親石元素Rb，K，Th，U 和Pb，相對虧損Ba，Nb，Sr，P和Ti，Nb／Ta和Zr／Hf值小于或接近地殼平均值，Rb／Sr和Rb／Nb值相對較高，反映其源區(qū)為成熟度較高的陸殼物質。

3.2 白崗巖年齡

Miller等［13，18－29，24，39，43－46］對羅辛地區(qū)花崗質巖石的同位素年齡進行了詳細研究。根據(jù)年齡、形態(tài)和主要礦物，花崗巖雜巖被分類描述，與多期次花崗巖－片麻巖基底，形成最古老的群，年齡最小為（1 038±58）Ma（基巴拉花崗片麻巖［34］）。Mon Repos閃長巖、Rotekuppe二長花崗巖、Ida穹窿花崗巖類、Goanikontes地區(qū)片理化紅色花崗巖和非片理化灰白色花崗巖、Okongava閃長巖、塞勒姆花崗巖、Goanikontes地區(qū)的片麻巖、可汗組片麻巖、Donkerhuk花崗巖同生變質侵入或深熔作用的同位素地質年齡變化范圍從（563±4）～（505±4）Ma。Goanikontes地區(qū)的富鈾花崗巖侵入年齡為（508±2）Ma（U－Pb晶質鈾礦定年）［48］、（509±1）Ma（UPb獨居石定年［48］）。Nex［39－40］對6種類型白崗巖的侵入時間進行了研究統(tǒng)計，由表4可知，A型白崗巖侵入時間為（1 038±58）Ma，B和C型白崗巖侵入時間為（516±6）Ma，D型白崗巖侵入及鈾的主要礦化時間為（508±2）Ma，E和F型白崗巖侵入時間為（494±8）～（500±10）Ma。因此，羅辛鈾礦床形成年齡為（508±2）Ma。

3.3 流體包裹體

流體提取技術被用來區(qū)分不同的巖漿侵入和不同形式的鈾礦化［2］。流體提取分析是由手工挑選石英顆粒（16目—30目），每次分析需要0.1～0.2g純凈的石英顆粒，在真空中加熱至450℃，持續(xù)10分鐘。釋放流體分析則是通過測定體積的方法得到流體包裹體中H2O，CO2和非冷凝相組分的定量數(shù)據(jù)。Nex［2］對Goanikontes地區(qū)花崗巖類巖石中石英的流體包裹體進行研究，數(shù)據(jù)顯示D型白崗巖鈾礦化相對于其他類型片狀淺色花崗巖而言，保持較高的流體總量和更高的CO2，相似的數(shù)據(jù)在羅辛鈾礦主采坑中也可以得到。通過對羅辛鈾礦SH，SJ兩個礦區(qū)的片狀淺色花崗巖流體地球化學研究表明，SH礦區(qū)相對于SJ礦區(qū)而言，表現(xiàn)出較低的H2O含量、H2O／CO2比值和流體總量。流體地球化學和大離子親石元素數(shù)據(jù)表明SJ異常點作為主要的鈾礦床，與高的H2O含量和流體總量有關。

4 成因模式

4.1 成礦物質來源

Smith［38］認為白崗巖中的鈾來源于原始沉積的含鈾沉積巖；Berning［1］認為在同熔作用期，鈾富集于白崗巖質的殘余熔融巖漿中，僅在白崗巖的一定部位有礦化產出，隨后由于含鈾熔融基底巖石向上進入蓋層后局部富集形成羅辛鈾礦；Kinnaird［10］提出鈾礦化主要與D3后期花崗巖侵入相關；高陽［4］則認為鈾、釷等成礦元素由于重熔作用進入巖漿，并在結晶分異過程中富集成礦。

表4 羅辛地區(qū)與侵入相關的深熔作用、變質及構造事件Table 4 The intrusion－related anatexis，metamorphic and tectonic／kinematic events of the R?ssing area

4.2 成礦模式

對于羅辛鈾礦的成因，主要有3種觀點：一是地層控礦成因說，認為鈾更傾向于在羅辛組與可汗組接觸界線附近或者可汗組與楚斯組接觸界線附近產出［16，33］；二是白崗巖體控礦說，鈾主要富集在白崗巖體中，很多地方白崗巖體即為礦體［4］；三是穹窿構造成礦說，主要的白崗巖型鈾礦（如羅辛鈾礦、瓦倫西亞鈾礦等）都分布在穹窿構造的邊緣，尤其是穹窿的轉折部位［4，10］。

綜合以上觀點，筆者認為穹窿構造為巖體侵位的成礦提供了空間，而巖漿的重熔結晶作用使得鈾進入巖漿，并在局部富集成礦。

5 結論

綜上所述，對納米比亞羅辛鈾礦床成礦地質特征、地球化學特征和礦床成因等方面的研究取得了較大進展。主要表現(xiàn)在：

（1）確定了含鈾白崗巖的侵入、主要的鈾礦化時間為（508±2）Ma，這一年齡也表征了羅辛鈾礦床的形成時間。

（2）查清了羅辛白崗巖型鈾礦中鈾的賦存形式是以獨立鈾礦物為主，少量以類質同像形式存在于釷礦物中。主要的含鈾礦物有晶質鈾礦、釷鈾礦、鈾石、鈾釷石、鈦鈾礦、瀝青鈾礦、硅鈣鈾礦和釩鉀鈾礦等。

（3）含鈾白崗巖的元素地球化學特征顯示，白崗巖相對富集大離子親石元素Rb，K，Th，U和Pb，相對虧損Ba，Nb，Sr，P，Ti等元素。

（4）穹窿構造為巖體侵位成礦提供了空間，巖漿的重熔結晶作用使得鈾進入巖漿，并在局部富集成礦。

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