華南鈾礦床巖石磁學(xué)差異分析及其勘探意義

葛坤朋， 章強(qiáng)新， 徐慧茹， 劉青松， 謝基海， 吳伯民

(1. 東華理工大學(xué) 放射性地質(zhì)與勘探國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；2．東華理工大學(xué) 地球物理與測控技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013；3．中國地質(zhì)大學(xué) 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；4．南方科技大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)系，廣東 深圳 518055；5．海洋地質(zhì)研究所 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

華南鈾礦床是中國重要的脈型鈾礦產(chǎn)地之一 (Hu et al., 2008)。其中“交點(diǎn)型”和“硅化帶型”鈾礦床是兩種最主要的脈型成礦類型 (曾文偉等，2009；賴中信等，2010)。以下莊礦田為例，“交點(diǎn)型”鈾礦床賦存于NNE向硅化斷裂帶與NWW向的輝綠巖脈交會部位。而“硅化帶型”鈾礦床，其礦化多由近NNE向的硅化斷裂帶所控制，礦體產(chǎn)于硅化的花崗巖中。例如著名的新橋-下莊硅化斷裂帶等構(gòu)造，是下莊礦田重要的成礦帶之一 (張輝仁等，2010)。

隨著淺層鈾礦的持續(xù)消耗，鈾礦勘查業(yè)已發(fā)展到攻深找盲階段 (Boyle, 2013)。一些地球物理方法 (如重力、磁法等勘探方法) 因其能夠在一定程度上圈定鈾礦床匯集的源頭 (深部大規(guī)模巖漿活動) 以及鈾成礦運(yùn)移的有利通道 (深部大型斷裂) (Tuncer et al., 2006; Orozco et al., 2013)，為鈾礦床的深部勘探提供了有效途徑。

然而，華南鈾礦田的磁異常解釋受到了巖漿巖變質(zhì)作用的強(qiáng)烈影響，通過傳統(tǒng)磁法勘探仍然難以準(zhǔn)確圈定具有富礦特征的構(gòu)造帶 (Min et al., 2005)。究其本質(zhì)原因有兩點(diǎn)：(1) 在磁異常準(zhǔn)確圈定了構(gòu)造帶的情況下，構(gòu)造帶內(nèi)部的變質(zhì)環(huán)境不同，將導(dǎo)致鈾礦富集程度存在差異，形成富礦或者貧礦的構(gòu)造帶 (Castor et al., 2000)；(2) 火山巖地區(qū)剩磁異常強(qiáng)度比例高。當(dāng)剩磁異常估計的偏差在15°以上時，磁異常解釋將會得到錯誤的結(jié)果 (Shearer, 2005)。

對構(gòu)造帶磁性特征和剩磁的研究屬于巖石磁學(xué)的范疇 (Dunlop et al., 2001)。巖石磁學(xué)主要研究自然界中復(fù)雜磁性礦物的基本磁學(xué)性質(zhì)，同時巖石、礦石和圍巖之間的磁學(xué)性質(zhì)及其差異，是引起磁異常的地質(zhì)原因，也是磁法勘探的地球物理基礎(chǔ)。例如，Ge等 (2017) 通過對下莊對山地區(qū)“交點(diǎn)型”鈾礦床的磁學(xué)分析研究，認(rèn)為結(jié)合磁法勘探結(jié)果，可以在一定程度上判斷構(gòu)造區(qū)域是否含礦。

因此，本研究即在巖石磁學(xué)的基本理論框架下，以下莊礦田鉆孔樣品為研究對象，經(jīng)過巖石磁學(xué)分析研究，厘定“交點(diǎn)型”和“硅化帶型”鈾礦及其圍巖的磁學(xué)特征，并進(jìn)行磁學(xué)對比研究，結(jié)合前人豐富的勘探研究成果 (楊亞新等, 2008; 楊樹流, 2009)，討論本研究對于華南地區(qū)鈾礦勘探的意義。

1 地質(zhì)背景與采樣

圖1 下莊地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造示意圖(修改自梁碧環(huán)，2011；孫遠(yuǎn)強(qiáng)等，2013)Fig.1 Geological sketch map of Xiazhuang uranium orefield1.古近系地層；2.泥盆系地層；3.寒武系地層；4.細(xì)粒白云母花崗巖；5.中粒斑狀黑云母花崗巖；6.粗粒斑狀黑云母花崗巖；7.印支期英安斑巖；8.加里東期花崗巖；9.以白色石英充填為主的構(gòu)造帶；10.以硅化為主的的構(gòu)造帶；11.輝綠巖脈；12.礦床；13.礦點(diǎn)；14.采樣位置

下莊鈾礦位處于貴東巖體東部，華夏古陸西緣，巖性以燕山期侵入的中粒黑云母花崗巖為主體，其次為邊緣相的白云母花崗巖 (圖1)。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造亦十分發(fā)育，斷裂帶呈NNE向展布，下莊礦田鈾礦床的產(chǎn)出即受到該斷裂帶控制。該地區(qū)中基性巖脈極為發(fā)育，廣泛出露后期侵入的輝綠巖，呈NWW方向展布。輝綠巖脈、硅化斷裂帶、花崗巖圍巖在熱液作用下，最終形成了以“交點(diǎn)型”和“硅化帶型”為主要類型的鈾礦床 (張振奮等, 2007)。

本研究陸續(xù)采集了下莊地區(qū)湖子北、對山、小水等地區(qū)6個“交點(diǎn)型”鈾礦鉆孔 (Ge et al. 2017)，以及湖子北、對山等地區(qū)4個“硅化帶型”鈾礦鉆孔共計10個鉆孔32塊樣本。其中“交點(diǎn)型”鈾礦與圍巖鉆孔編號為J1～J6，采樣序列1～4分別為為輝綠巖、蝕變輝綠巖、交點(diǎn)含礦巖和花崗巖；“硅化帶型”鈾礦與圍巖鉆孔編號為G1～G4，采樣序列1～2分別為硅化含礦巖和花崗巖。

所采集的巖心樣本，首先使用固定臺鉆鉆取小型柱狀樣品，樣品直徑為～0.4 cm, 高度為～0.6 cm。隨后將柱狀樣品分為兩組，一組固定于陶瓷盒子中進(jìn)行質(zhì)量磁化率 (χ) 和天然剩磁 (NRM) 的測量；另一組研磨成粉末，進(jìn)行其它巖石磁學(xué)測試。

2 巖石磁學(xué)方法

第一組樣品在東華理工大學(xué)放射性地質(zhì)與勘探國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試，其中質(zhì)量磁化率 (χ) 的測定使用了英國Bartington儀器公司生產(chǎn)的Bartington MS2 磁化率測量系統(tǒng)；樣品的天然剩磁 (NRM) 通過英國Molspin Ltd 公司生產(chǎn)的Minispin旋轉(zhuǎn)磁力儀進(jìn)行測定。

圖2 “交點(diǎn)型”與“硅化帶型”鈾礦及其圍巖樣品磁學(xué)參數(shù)統(tǒng)計圖Fig.2 Diagrams of statistical magnetic parameters of samples from "intersection type" and "silicified fault type" uranium depositsa. 巖石樣品感應(yīng)磁化強(qiáng)度與剩余磁化強(qiáng)度關(guān)系圖； b. Q值與χ/χpara關(guān)系圖，其中Q值稱為Koenigsberger比值，即剩余磁化強(qiáng)度Mi和感應(yīng)磁化強(qiáng)度Mr的比值，用以衡量感應(yīng)磁化和剩余磁化作用的相對大小

第二組樣品在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁與年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。其中磁滯回線和反向場退磁曲線，使用了美國Princeton儀器公司生產(chǎn)的MicroMag3900 型振動樣品磁力儀 (VSM) 進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)中最大外加場為1～1.5 T，同時可以獲得矯頑力 (Bc) 等磁滯參數(shù)。熱磁曲線 (χ-T) 應(yīng)用捷克AGICO公司生產(chǎn)的MFK-FA多功能磁化率儀和CS-4溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行測量。樣品加熱梯度為2 ℃/min，加熱最高溫度為700 ℃。為避免樣品在加熱過程中的氧化行為，樣品加熱和冷卻過程全程在氬氣環(huán)境 (50 mL/min) 中進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 磁學(xué)參數(shù)統(tǒng)計特征

下莊地區(qū)的鈾礦及其圍巖的主要磁學(xué)參數(shù)如圖2所示。對于“交點(diǎn)型”鈾礦床，樣品磁化強(qiáng)度區(qū)分程度較大。其輝綠巖圍巖的磁化強(qiáng)度最高，含礦帶樣品磁化強(qiáng)度較低，但高于花崗巖圍巖。蝕變輝綠巖的磁化強(qiáng)度值分布于從輝綠巖到花崗巖的廣泛區(qū)域，變化范圍較大?！肮杌瘞汀扁櫟V床含礦巖與花崗巖圍巖磁化強(qiáng)度區(qū)分并不明顯。對于“交點(diǎn)型”鈾礦床，輝綠巖具有較高的χ/χpara和較低的Q值。隨著蝕變的進(jìn)行，χ/χpara值變低，當(dāng)進(jìn)入含礦帶時，χ/χpara值繼續(xù)降低，Q值明顯增高?；◢弾r圍巖具有較低的χ/χpara值和Q值?！肮杌瘞汀焙V樣品的χ/χpara高于圍巖，但Q值變化不大。

3.2 磁滯回線

圖3 順磁性改正前 (a-h)，改正后 (a′-h′) 的典型“交點(diǎn)型”(J6鉆孔) 和“硅化帶型”(G1和G2鉆孔)鈾礦鉆孔樣品序列的磁滯回線圖Fig.3 Typical magnetic hysteresis loops of samples from "intersection type"(Drill J6) and "silicified fault type" (Drill G1 and G2) uranium deposits before (a-h) and after (a′-h′) paramagnetic correction

圖3顯示順磁性改正前，巖性由輝綠巖圍巖向礦心過渡時，總磁化強(qiáng)度降低，巖石順磁性成分增加。但是含礦樣品的磁化強(qiáng)度仍明顯高于花崗巖圍巖。順磁性改正后，輝綠巖樣品J6-1展現(xiàn)了PSD-MD磁鐵礦的性質(zhì)，發(fā)生蝕變后樣品J6-2矯頑力明顯增加。對于含礦樣品J6-3，矯頑力較蝕變樣品變化不大，但是在高場下并未達(dá)到飽和。花崗巖圍巖的鐵磁性成分含量較少，矯頑力較低。

對于“硅化帶型”鈾礦床含礦樣品，順磁改正前含礦樣品的磁化強(qiáng)度低于花崗巖圍巖，同時順磁性物質(zhì)磁化強(qiáng)度比例較高。順磁性改正后，含礦樣品的鐵磁性組分含量仍低于花崗巖圍巖，且呈現(xiàn)高矯頑力和低矯頑力兩種特征(圖3e′, 3g′)?；◢弾r圍巖的磁滯回線變化不大，以低矯頑力鐵磁性礦物為主。

3.3 SIRM獲得曲線

圖4 典型“交點(diǎn)型”(J6鉆孔) 與“硅化帶型”(G1和G2鉆孔) 鈾礦鉆孔樣品序列的IRM獲得曲線 (a-h) 與矯頑力組分分析圖 (a′-h′)Fig.4 Representative IRM acquired (a-h) and component analyses (a′-h′) curves of samples from "intersection type" (Drill J6) and "silicified fault type" (Drill G1 and G2) uranium deposits

典型“交點(diǎn)型”和“硅化帶型”鈾礦床的SIRM獲得曲線及IRM分析曲線如圖4所示。由輝綠巖到礦心，SIRM呈現(xiàn)遞減的趨勢。其中樣品J6-1在0.3 T外加場下剩磁已經(jīng)接近飽和，IRM分析顯示出中低兩種矯頑力成分。對于樣品J6-2，IRM除在初始外加場下快速增長，但在外場為1.5 T時并未達(dá)到飽和，IRM分析樣品中出現(xiàn)較大矯頑力成分的物質(zhì)。礦心樣品J6-3的剩磁隨外場增加呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，IRM分析樣品以大矯頑力礦物為主。花崗巖圍巖J6-4的SIRM較低，分析顯示磁性礦物矯頑力較低。

對于“硅化帶型”鈾礦床含礦樣品G1-1 (圖4e)，隨著外加場的增加，IRM線性增加。IRM分析顯示樣品磁性礦物以高矯頑力礦物為主。花崗巖圍巖G1-2樣品的IRM在低場下飽和。與G1-1的變化趨勢不同，含礦樣品G2-1顯示了低場飽和的性質(zhì)。相反，花崗巖圍巖樣品G2-2與G1-2的SIRM曲線特征相似，即載磁組分以低矯頑力礦物為主。

3.4 χ-T曲線

圖5 “交點(diǎn)型”(鉆孔J6) 和“硅化帶型”(鉆孔G1和G2) 鈾礦鉆孔樣品序列的熱磁曲線圖Fig.5 Temperature-dependence of magnetic susceptibility for samples from typical "intersection type" (Drill J6) and "silicified fault type" (Drill G1 and G1) uranium deposits

圖5展示了“交點(diǎn)型”和“硅化帶型”鈾礦床樣品序列的熱磁曲線圖，對于輝綠巖樣品J6-1，樣品磁化率在～550 ℃出現(xiàn)快速下降。冷卻曲線的磁化率遠(yuǎn)高于加熱曲線，隨溫度的降低，磁化率在～550 ℃出現(xiàn)快速上升，并在～400 ℃達(dá)到峰值后降低。蝕變巖樣品J6-2的磁化率隨溫度增加逐步降低，并在～550 ℃出現(xiàn)快速下降。其冷卻曲線與J6-1相似，但峰值幅度較低。含礦樣品J6-3磁化率較低，磁化率在～550 ℃出現(xiàn)明顯的Hopkinson峰，隨后磁化率快速降低，在～700 ℃達(dá)到最低值。其低溫曲線行為與樣品J6-1相似。花崗巖樣品J6-4磁化率較低，并在～550 ℃出現(xiàn)快速下降。冷卻曲線磁化率較低，顯示了隨溫度降低逐步增加的特征。

“硅化帶型”含礦樣品的初始磁化率低于花崗巖圍巖樣品 (圖5e-h)。其中樣品G1-1的熱磁升溫曲線隨著溫度增加，整體呈現(xiàn)下降趨勢。磁化率在～400 ℃后上升，并在～550 ℃出現(xiàn)Hopkinson峰。樣品冷卻曲線磁化率遠(yuǎn)高于升溫曲線，在～500 ℃出現(xiàn)磁化率峰值。G1鉆孔花崗巖圍巖的磁化率較低，磁化率隨著溫度的增加緩慢降低，并在～580 ℃出現(xiàn)快速下降。 G2鉆孔含礦樣品磁性物質(zhì)含量極低，磁化率在 ～400 ℃后上升， ～500 ℃出現(xiàn)快速下降， 并于700 ℃到達(dá)最低值?；◢弾r樣品G2-2升溫曲線與樣品G1-2類似，但其降溫曲線在～300 ℃出現(xiàn)快速升高。

通過對“交點(diǎn)型”和“硅化帶型”的巖石磁學(xué)分析，可以得出以下結(jié)論：

“交點(diǎn)型”鈾礦床的輝綠巖圍巖磁性礦物成分含量較高，鐵磁性礦物以粗顆粒 (如MD和PSD) 磁鐵礦為主，順磁性物質(zhì)相對較低 (圖2b, 圖5a)；蝕變巖磁性礦物含量變化較大，鐵磁性礦物以較細(xì)顆粒 (如PSD和SD) 磁鐵礦為主，并含有部分赤鐵礦，順磁性物質(zhì)含量較輝綠巖高 (圖2, 圖3b′, 圖5b)；含礦巖磁性礦物含量顯著降低，鐵磁性礦物以細(xì)顆粒 (如SD和SP) 磁鐵礦以及赤鐵礦為主，順磁性物質(zhì)含量明顯增高 (圖2, 圖3c′, 圖4c, 圖5c)；花崗巖圍巖鐵磁性礦物以含量極低的較細(xì)顆粒磁鐵礦為主，順磁性物質(zhì)比例低于含礦帶樣品 (圖2, 圖3, 圖5d)。

“硅化帶型”鈾礦床的含礦樣品磁性礦物含量較低，鐵磁性礦物以赤鐵礦或細(xì)顆粒 (如SD和SP) 磁鐵礦為主，順磁性物質(zhì)成分較高 (圖3, 圖5e, 圖5g)；花崗巖圍巖磁性礦物含量略高于含礦樣品，但差別并不明顯。鐵磁性礦物成分以較細(xì)顆粒 (如SD和SP) 磁鐵礦為主，且含量極低 (圖3, 圖5f, 圖5h)。

4 討論

4.1 鈾礦床磁學(xué)對比研究

對比“交點(diǎn)型”和“硅化帶型”鈾礦床的巖石磁學(xué)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)兩種成礦類型含礦巖樣品都具有以細(xì)顆粒磁鐵礦或赤鐵礦為主要鐵磁性礦物，并含有較多順磁性物質(zhì)的磁性特征。并且兩者花崗巖圍巖磁化強(qiáng)度相近，磁性礦物以較細(xì)顆粒的磁鐵礦為主。同時，兩種類型含礦樣品的熱磁曲線中加熱與冷卻曲線磁化率值相差較大 (圖5c, 5e, 5g)，可能是順磁性的鐵化合物(如黃鐵礦)加熱轉(zhuǎn)化成磁鐵礦所致；而兩種類型礦床的花崗巖圍巖熱磁曲線變化較小，指示了其主導(dǎo)的順磁性礦物可能為黑云母、角閃石等造巖礦物。

相比于共同點(diǎn)，兩種鈾礦床類型的磁性特征差異性更大。具體體現(xiàn)為：

首先，鈾礦床成礦序列的磁性特征不同。“交點(diǎn)型”鈾礦床，從輝綠巖到含礦帶磁性特征呈現(xiàn)規(guī)律性變化，即磁性物質(zhì)總含量降低，磁鐵礦顆粒逐漸減小，順磁性物質(zhì) (鐵硫化物) 比例逐步增加。而“硅化帶型”鈾礦床，從含礦帶到花崗巖圍巖，磁性物質(zhì)總含量和鐵磁性礦物變化規(guī)律不明顯，順磁性物質(zhì)由鐵化合物 (鐵硫化物) 過渡為黑云母、角閃石等造巖礦物。

其次，鈾礦床含礦樣品的精細(xì)磁學(xué)特征不同?！敖稽c(diǎn)型”鈾礦床含礦帶的磁化率、剩余磁化強(qiáng)度等磁學(xué)參數(shù)明顯高于與圍巖花崗巖，而該參數(shù)在“硅化帶型”鈾礦床含礦帶與花崗巖圍巖上無明顯差異。因此“交點(diǎn)型”鈾礦床磁性礦物含量明顯高于“硅化帶型”鈾礦床。并且“交點(diǎn)型”鈾礦床花崗巖圍巖受到輝綠巖交代影響，鐵磁性物質(zhì)比例高于“硅化帶型”鈾礦床花崗巖圍巖。另一方面，“交點(diǎn)型”鈾礦床與“硅化帶型”鈾礦床含礦樣品的矯頑力、Q值也有所不同。

第三，鈾礦床含礦樣品與圍巖的磁學(xué)特征區(qū)分度不同?！敖稽c(diǎn)型”鈾礦源于輝綠巖蝕變成礦，磁性礦物成分較高，含礦帶磁學(xué)參數(shù)可以明顯與花崗巖圍巖區(qū)分開來?！肮杌瘞汀扁櫟V含礦樣品磁化強(qiáng)度整體略低于花崗巖圍巖，但區(qū)分度不高。

華南鈾礦田“交點(diǎn)型”和“硅化帶型”鈾礦床均屬于熱液型鈾礦床 (Hu et al., 2008)，富集的鈾礦是熱液蝕變的產(chǎn)物?！敖稽c(diǎn)型”構(gòu)造在熱液作用下，以輝綠巖蝕變?yōu)樘卣?，形成了由圍巖到礦心磁性參數(shù)規(guī)律變化的特征。而“硅化帶”構(gòu)造中，因沒有中基性巖脈作為鐵元素來源，熱液與花崗巖圍巖造巖礦物黑云母、角閃石等產(chǎn)生交代作用，形成了總磁化強(qiáng)度略低于圍巖，但區(qū)分度低的含礦區(qū)硅化特征。因此磁性礦物的變化特征，在一定程度上反映了熱液蝕變特征，也即成礦特征。

4.2 對鈾礦勘探的啟示

本文研究發(fā)現(xiàn)，由輝綠巖到含礦帶，磁性物質(zhì)總含量降低，使得磁化強(qiáng)度呈規(guī)律性降低。因此可以通過磁法勘探探測“交點(diǎn)”構(gòu)造區(qū)域的這種變化尋找儲鈾構(gòu)造 (Ge et al., 2017)。并且含礦帶明顯升高的Q值和矯頑力意味著磁性礦物的剩磁攜帶能力很強(qiáng)。因此在將來的研究中，對“交點(diǎn)型”鈾礦帶剩磁方向的分析研究，將對磁法勘探的物性約束具有重要意義。

對于“硅化帶”型鈾礦床，雖然含礦帶鐵磁性礦物比例較花崗巖圍巖大，但其磁性礦物總強(qiáng)度略低于花崗巖圍巖。同時，由于含礦帶樣品的剩磁比例與圍巖差異無明顯規(guī)律，且構(gòu)造帶磁性礦物含量很低，因此在實(shí)際勘查中硅化帶與圍巖磁異常區(qū)分度不大。在尋找“硅化帶型”鈾礦床時，應(yīng)結(jié)合放射性、電磁法等地球物理勘探方法，對儲鈾的硅化帶構(gòu)造進(jìn)行綜合地球物理調(diào)查研究。

5 結(jié)論

通過對華南鈾礦田“交點(diǎn)型”和“硅化帶型”鈾礦床及其圍巖樣品進(jìn)行天然剩磁、磁滯回線、反向場退磁曲線、熱磁曲線等巖石磁學(xué)分析對比研究，可以得到以下結(jié)論：

(1) “交點(diǎn)型”鈾礦床從圍巖到礦體變化過程中，磁性礦物由鐵磁性的磁鐵礦逐漸發(fā)生蝕變，轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小粒徑的磁鐵礦、部分高矯頑力礦物如赤鐵礦以及順磁性礦物 (黃鐵礦)。 “硅化帶型”鈾礦床的熱液成礦作用造成含礦帶巖石中磁鐵礦流失。由圍巖到礦體變化過程中，磁性礦物種類和粒徑變化不大，含礦帶磁性物質(zhì)主要以小顆粒磁鐵礦或赤鐵礦為主。

(2) “交點(diǎn)型”鈾礦床與圍巖的磁性區(qū)分度較大，在磁法勘探中可以有效識別。“硅化帶型”鈾礦床因其與圍巖磁性區(qū)分度較小，需要結(jié)合其它物探方法加以識別。

(3) “交點(diǎn)型”鈾礦床磁化強(qiáng)度的剩磁比例較高，在后續(xù)研究中，正確估計深部剩磁方向，對該地區(qū)磁法勘探找礦具有重要意義。

致謝：野外工作得到了核工業(yè)293大隊的大力支持和幫助。感謝孫俊杰、蘇承建在樣品準(zhǔn)備上的幫助。本文在設(shè)計、撰寫中與仇登登、陳渝羅進(jìn)行了多次探討并獲益良多，在此一并感謝。