姚振凱,范立亭,黃宏業(yè),徐 勇
(核工業(yè)二三〇研究所,長沙 410007)
亞歐大陸東西向活化構造鈾成礦帶中,相當一批鈾成礦區(qū)受中間地塊構造單元控制,而先前多把中間地塊放在褶皺帶內,很少單獨列出而被忽視。實際上中間地塊鈾成礦具有自身特色,既不同于活動的褶皺帶,也不同于穩(wěn)定的地臺區(qū)。筆者以活化構造鈾成礦理論,對亞歐大陸東西向活化構造鈾成礦帶內的中間地塊鈾成礦問題進行探索。
通常認為,中間地塊是地槽褶皺帶內由前寒武紀變質巖系作為基底的穩(wěn)定地塊,其中周邊同時代的地槽建造或是缺失,或只有較薄的弱變質巖石組成的蓋層,具有一系列獨特的構造演化特征。前蘇聯(lián)大地構造學家A.Л.Яншин認為,中間地塊是地殼穩(wěn)定地段,當圍繞著它們的周圍形成地槽時,保持了地臺或接近地臺的發(fā)展特點。由此可見,中間地塊既與地槽褶皺帶,又與古地臺有密切時空和成因的聯(lián)系,故有人稱其為小地臺。然而,中間地塊卻與地槽、地臺等大地構單元截然不同,有著自身獨特大地構造和成礦的特點,屬獨立的大地構造和成礦單元。
前蘇聯(lián)大地構造與成礦學家А.Д.Щеглов[1],根據(jù)中間地塊內金屬礦床成礦作用的獨特性,認為中間地塊同地槽、地臺和活化區(qū)并列,同屬獨立的地殼基本大地構造單元。并指出中間地塊發(fā)展過程中,明顯地分為3個時期:第1時期是太古宙-元古宙與地塊結晶基底形成有關期,即古地臺階段(本文歸前地槽階段);第2時期是與地塊周邊的地槽發(fā)展有關期,即為反射構造-巖漿活化階段(本文簡稱反射活化階段);第3時期是自治構造-巖漿活化期,即自治構造-巖漿活化階段。同時還指出,自治構造-巖漿活化階段即為陳國達院士提出的活化構造階段。只是主次存在差別,有的中間地塊以反射活化階段成礦為主,如肯斗克塔斯—楚伊犁—別特巴克達拉(縮稱肯—楚—別)、吉薩爾等中間地塊,有的以活化構造階段為主,如額爾古納、伊犁、維季姆中間地塊等。
亞歐東西向活化構造鈾成礦帶[2]內作為鈾成礦區(qū)的中間地塊,從東到西有布—老—興(布列亞—老爺嶺—興凱的縮稱)[3]、松遼、維季姆、額爾古納、錫林浩特、吐哈、準噶爾、伊犁、肯—楚—別、吉薩爾、科克塔切夫、波希米亞、法國中央、阿莫利坎、梅塞塔等15處,還有一些較小的中間地塊未一一列出(圖1)。各中間地塊內均有一批鈾礦床分布,相應為一個鈾成礦區(qū),其中的鈾礦床類型、礦床數(shù)量和鈾資源量等各不相同。
圖1 亞歐東西向活化構造鈾成礦帶中間地塊鈾成礦區(qū)Fig.1 Uranium metallogenic regions of median massifs in the reactivated EW-strike Eurasian continental tectonic belt
中間地塊鈾成礦研究,起初在研究地槽褶皺帶成礦時提及,未專門引起重視。后在20世紀40—50年代由于法國、德國、西班牙及捷克等國家的中間地塊內,先后發(fā)現(xiàn)一批鈾品位富儲量大的熱液成因為主的和復成因的礦床,從而引起鈾礦地質界重視。初始是對單個礦床成礦特征研究較詳細,而對區(qū)域鈾成礦研究較少,把中間地塊鈾成礦仍看成是地槽褶皺帶成礦。后來發(fā)現(xiàn)此看法不符合實際,或是不全面,兩者存在質的差別。M.M.Константинов等[4],J.Geffroy[5],Ю.М.Шувалов等[6]和В.И.Величкин等[7]對西歐的中間地塊鈾成礦進行了研究。李田港[8]3次撰文介紹波希米亞中間地塊鈾礦床,陳祖伊等[9]指出,在中央亞洲活動帶中國境內存在大大小小18處中間地塊,趙鳳民在《中亞鈾礦地質》專著[10]中介紹了中亞一些中間地塊的鈾成礦特征。整體而言,中間地塊鈾成礦研究仍然顯得不足,較少作為成礦區(qū)進行鈾成礦分析。
中間地塊的類型,B.Е.Xаин據(jù)中間地塊與其周邊的地槽關系進行了劃分;筆者按亞歐東西向活化構造帶內中間地塊鈾成礦與構造-巖漿活化階段的密切聯(lián)系,以及按中間地塊的形成時代分別進行了劃分。
B.Е.Xаин(1960)根據(jù)中間地塊與其周邊地槽褶皺帶之間關系,劃分出3種不同形式的中間地塊:1)未受過褶皺運動影響的中間地塊,即地槽形成過程中被保存下來的古老地臺區(qū),故與地槽褶皺帶明顯不同,年齡比地槽古老得多;2)同一地槽褶皺帶同一巨構造旋回,但年代稍早的未發(fā)生大規(guī)模沉降,也未被改造的殘留構造塊段;3)同一地槽旋回中僵化得稍早和面積有所擴大的塊段。
筆者根據(jù)中間地塊鈾成礦與活化階段的巖漿-構造活化特征有密切聯(lián)系,當出現(xiàn)有不同時期不同強度活化時,以最強烈活化時期為準,把亞歐東西向活化構造鈾成礦帶內的中間地塊,分為下列5種類型:
第1類是沉積蓋層分布廣而厚的弱或無巖漿-構造活化的中間地塊,其特征是無或弱巖漿活化,可有少量脈狀侵入體出現(xiàn),蓋層分布廣而厚的弱構造活化區(qū),而構造活化幅度可達千米計,故有時常稱其為盆地,如我國東北的松遼、新疆的準噶爾盆地。此類中間地塊的鈾成礦作用過程中,沒有或弱巖漿巖類侵入,但可有少量脈狀侵入體出現(xiàn),也無明顯火山巖噴發(fā)作用參與,且以形成層間氧化帶型砂巖鈾礦床為主,或有構造熱液疊加成礦的復成因礦床為特色。地塊內鈾礦床多埋藏相對較深,地表找礦線索少,需用鉆孔深部揭露,或在勘查其它礦種時進行放射性測井中發(fā)現(xiàn),在盆地邊緣或內部隆起區(qū)也可能找到一些鈾成礦跡象。
第2類是沉積蓋層薄而少的弱或無巖漿-構造活化的中間地塊,其特征與第1類有相似之處,鈾成礦作用過程中,也沒有或弱巖漿巖類參與,可有少量脈狀侵入體出現(xiàn),構造活化幅度以千米計,類似于前蘇聯(lián)學者提出的次造山帶。區(qū)別是含鈾層位出露或靠近地表,形成潛水氧化帶含鈾煤巖型和層間氧化帶砂巖型鈾礦床,或有構造熱液疊加成礦的復成因型礦床。如伊犁中間地塊哈薩克斯坦境內有超大型的蘇魯切津、下伊犁潛水氧化帶含鈾煤巖型鈾礦床,鈾礦化在煤層上部,煤儲量達13億噸。我國境內蒙其古爾、扎基斯坦礦床鈾礦化既產于煤層內,也產于砂巖中,形成潛水氧化帶煤巖型+層間氧化帶砂巖型并存的鈾礦床。
第3類是侵入體-構造活化的中間地塊,多是構造-巖漿活化較強烈的地區(qū),如法國中央、波希米亞中間地塊等。鈾礦化主要產于褶皺基底的花崗巖體內,形成花崗巖型或堿交代巖型鈾礦床。當中間地塊內邊緣坳陷帶受外邊緣地槽活動影響,在地槽構造層的早古生代弱變質的碳硅質板巖內,形成碳硅質板巖型鈾礦床。當坳陷帶充填砂巖時,可形成砂巖型鈾礦床。
第4類是侵入體+火山-構造活化的中間地塊,即活化構造剖面內同時出現(xiàn)侵入體與火山巖,多是最強烈的構造-巖漿活化區(qū)。巖漿巖多為鈾含量高的花崗巖類和中酸性火山巖類,可提供充足的成礦鈾源。如哈薩克斯坦科克塔切夫中間地塊、中俄蒙邊境的額爾古納中間地塊和中俄邊境的布—老—興中間地塊等。布—老—興中間地塊是由俄羅斯的布列亞中間地塊和興凱中間地塊及我國老爺嶺中間地塊組成,俄羅斯的布列亞和興凱中間地塊,因被我國老爺嶺中間地塊相隔數(shù)百千米,被看成是兩個獨立的中間地塊,實際上此3個中間地塊是跨越中俄邊境連成一體的布—老—興中間地塊。
此類中間地塊內主要形成火山巖型和交代巖型鈾礦床,如額爾古納中間地塊為全球規(guī)模最大鈾品位最富的火山巖鈾成礦區(qū)。當此類中間地塊內上疊砂巖盆地發(fā)育時,可形成層狀氧化帶砂巖型鈾礦床,如布—老—興中間地塊興凱段有中型規(guī)模的拉科夫等砂巖型礦床。當有上疊含煤盆地發(fā)育時,可形成超大型煤田,如布—老—興中間地塊布列亞段上疊有中晚侏羅世-早白堊世末形成的布列亞煤田,有25層工業(yè)煤,煤儲量達5.4×109t的特大型煤田。
第5類是火山-構造活化的中間地塊,是活化構造層內沒有侵入體參與鈾成礦,只有火山巖的火山-構造活化區(qū)。如俄羅斯維季姆中間地塊,鈾礦化產于維季姆高原褶皺基底含鈾花崗巖風化殼的古河谷內,海西期花崗巖基底鈾質量分數(shù)5×10-6~16×10-6,為古河谷鈾成礦提供鈾源,形成古河谷砂巖型鈾礦床。中間地塊上覆有新近紀玄武巖層,玄武巖形成時間與鈾成礦年齡為20~1 Ma在時間上合拍,對古河谷鈾成礦既起著疊加復合成礦的作用,形成表生鈾成礦作用為主,玄武巖熱液疊加成礦作用較弱的復成因礦床。上覆玄武巖還起著保礦護礦的作用。
亞歐東西向活化構造帶內的中間地塊,按其形成時代可分為元古宙貝加爾期、早古生代加里東期、晚古生代海西期和中生代燕山期4種類型。
元古宙貝加爾期中間地塊,有晚元古代貝加爾和穆伊斯克兩處中間地塊[11]。貝加爾中間地塊位于俄羅斯貝加爾湖區(qū),很大一部分面積被湖水覆蓋,結晶基底由太古宙角閃巖、云母片巖、大理巖和石英巖等構成,元古宙巖系以明顯的不整合覆蓋于結晶基底之上。穆伊斯克中間地塊,結晶基底除主要由太古宙深變質巖外,其東南側還有早元古代花崗片麻巖共同構成,其周邊由晚元古代-寒武紀褶皺帶環(huán)繞,地塊內有加里東期黑云母花崗巖侵入,東南側有少量新生代陸源沉積巖覆蓋。上述兩中間地塊研究程度低,均未發(fā)現(xiàn)鈾礦化分布。
早古生代加里東期中間地塊,在亞歐東西向活化構造帶內分布較少,地塊結晶基底由元古宙深變質的片巖、片麻巖、石英巖和混合巖等構成,周邊為加里東褶皺帶環(huán)繞。哈薩克斯坦科克切塔夫中間地塊是其例,地塊內發(fā)育有一批堿交代巖型鈾礦床,為反射活化階段構造-巖漿作用成礦。
晚古生代海西期中間地塊,集中分布在亞歐東西向活化構造帶西歐段,屬海西褶皺帶內的富蘭克—波多利亞系列中間地塊,其中有鈾礦床分布較多和研究程度較高的波希米亞、法國中央、阿莫利坎、梅塞塔等中間地塊。波希米亞地塊內產有超大型的碳硅質板巖型、砂巖型和花崗巖型等鈾礦床。法國中央、阿莫利坎和西班牙梅塞塔中間地塊,以盛產花崗巖型鈾礦床聞名于世。
中生代燕山期中間地塊,在亞歐東西向活化構造帶亞洲段分布較多,產有多種類型工業(yè)鈾礦床,工業(yè)意義較為重要。如額爾古納、維季姆、松遼、伊犁、布—老—興等中間地塊。額爾古納中間地塊產有富鈾的火山巖型鈾礦床著稱,維季姆中間地塊以產中新生代古河谷砂巖型鈾礦床聞名,伊犁中間地塊發(fā)現(xiàn)超大型含鈾煤巖型和層間氧化帶砂巖型鈾礦床等。
亞歐東西向活化構造帶中間地塊鈾成礦作用,是在先前其他礦種成礦基礎上進行,屬大地構造鈾成礦研究的一個重要組成部分,目前在這方面的研究較少,有待加強進行探索。
А.Д.Щеглов總結了中間地塊其他礦種成礦特點[11],指出大地構造成礦作用具三大演化階段,依次為古地臺階段、地槽(反射構造-巖漿活化)階段和后地臺自治構造-巖漿活化階段。各個階段形成各自不同系列礦床,在前寒武紀古地臺階段基底隆起的成礦,類似于古地盾成礦特征,主要形成沉積-變質型或偉晶巖型礦床,而形成的熱液型礦床少。反射構造-巖漿活化階段,與中間地塊外圍地槽成礦階段密切聯(lián)系,在構造圈層形成過程中形成大量熱液礦床,而較少形成巖漿型礦床。如科克塔切夫中間地塊有銅、鉬、金、鎳和稀有元素礦化富集,在西歐的法國中央等4個中間地塊內還形成層控型遠成低溫熱液礦床。自治構造-巖漿活化階段,因與地幔強烈活動有關,有利于形成特殊構造圈層,形成大量不同類型的熱液礦床,礦床定位與含礦侵入體沿斷裂構造侵入密切相關,是地殼唯一可在同一構造單元內,同時并存上述三種不同階段礦床類型的構造單元。
大多數(shù)礦床與巖漿作用有成生聯(lián)系,有些與火山作用有著時空上的聯(lián)系,即同一些次火山巖侵入體密切相關,或與地表火山巖間歇性噴發(fā)相關聯(lián)。除前寒武紀形成的礦床外,其余全部礦床均產于近地表環(huán)境,并有多階段和大溫度范圍成礦,但以低溫成礦為特色。
礦床空間分布多與先前形成斷裂構造的活化,及新形成的斷裂有空間聯(lián)系,并與含礦侵入體侵入密切相關。在反射活化階段形成的含礦斷裂,多在中間地塊內邊緣分布,其延伸規(guī)模長達15~20 km,當有橫向斷裂交匯時,極為有利形成礦結。在自治活化階段含礦斷裂帶,多分布于中間地塊內部,與周邊地槽活動無關,形成的各種金屬礦床帶延伸規(guī)模較小,不形成大的成礦帶。只在有橫斷裂交匯處形成不連續(xù)的有無礦段相間隔的成礦帶,其長度在30~40 km以內,寬度不超出5~10 km。有些中間地塊含礦斷裂伴隨上疊含煤盆地分布,并有一系列銻和螢石礦床形成,布—老—興、波希米亞中間地塊是其例。
3.2.1 各中間地塊鈾成礦特征
各中間地塊鈾成礦特征,著重從活化構造作用對鈾成礦的控制進行簡述(表1)。
表1 亞歐大陸東西向活化構造帶各中間地塊鈾成礦特征Table 1 Characteristics of uranium metallogeny of median massifs in reactivated EW-strike Eurasian continental tectonic belt
表1(續(xù))Table 1(Continued)
3.2.2 中間地塊鈾成礦特征總述
根據(jù)大地構造控礦和活化構造成礦觀點,對亞歐東西向活化構造帶中間地塊鈾成礦特征,從大地構造學、地球化學、地球物理學、鈾礦床學4個方面進行論述。
在大地構造學方面,首先表現(xiàn)在大地構造位置多產于地槽褶皺帶的軸部,少數(shù)在其邊緣部位,傳統(tǒng)上歸為地槽褶皺帶內論述,未單獨列出。其實,中間地塊與地槽、地臺有很大的不同,應屬獨立的鈾成礦構造單元。正是因此,中間地塊鈾成礦大地構造特點具兩面性,既具有獨立的自身特點,也反映與其周邊地槽褶皺帶和古地臺的某些時空和成因聯(lián)系。
中間地塊鈾成礦演化,通常經歷長時期的前地槽、地槽(反射活化)、地臺和活化(自治活化)4個階段,與大地構造演化有著密切成生聯(lián)系。前地槽階段多為前寒武紀時代,一些學者稱為原地臺(古地臺)階段,為前寒武紀結晶基底深變質巖和花崗巖化巖石形成階段,有鈾最早的富集(下述),構成最古老的鈾源層體;(地槽)反射活化階段在中間地塊的內邊緣沉積了含鈾或富鈾層體,在周邊地槽褶皺回返影響下,發(fā)生反射活化作用形成不同規(guī)模工業(yè)鈾礦床,如科克塔切夫中間地塊、肯—楚—別中間地塊等;地臺階段因處于比較穩(wěn)定的構造環(huán)境,不利于先成鈾活化轉移少有工業(yè)鈾礦床形成;后地臺(自治)活化階段由于強烈的構造-巖漿活化作用,鈾多次成礦,有時疊加在反射活化階段成礦基礎上再次成礦,如法國中央中間地塊反射活化階段鈾成礦的年齡360~340 Ma,自治活化階段成礦的年齡260~240 Ma。因此,有些中間地塊內可同時出現(xiàn)不同大地構造階段形成的鈾礦床,鈾礦石年齡具多階段多期次的不同數(shù)值,時限分散且跨度較大的特點,如伊犁中間地塊鈾成礦年齡具活化階段多期次成礦特點,鈾礦石年齡值為80、60、25、19、11、7~2 Ma。各演化階段的大地構造和鈾成礦特點及其相對應關系見下表(表2)。
表2 亞歐大陸東西向活化構造帶中間地塊大地構造與鈾成礦演化Table 2 Evolution of tectonic and uranium metallogeny of median massifs in reactivated EW-strike Eurasian continental tectonic belt
在地球化學方面,中間地塊鈾成礦是在含鈾地球化學分區(qū)基礎上進行,表現(xiàn)在前寒武紀結晶基底的花崗片麻巖穹隆的巖石有原始鈾富集,鈾的質量分數(shù)5×10-6~8×10-6,為中間地塊鈾成礦提供得天獨厚的最原始鈾源層體。另外,地槽或地臺階段形成巨厚的富鈾碳硅質板巖,鈾質量分數(shù)可達0.01%,以及在活化階段深部形成富鈾的花崗巖及中酸性火山巖,鈾質量分數(shù)達20×10-6,這些巖石中鈾易于浸出,為活化階段鈾成礦提供豐富的鈾源。再有,鈾成礦是在先成的普通金屬礦床基礎上進行,表明地殼硅鋁層中的花崗變質巖層富含許多包括鈾在內的成礦元素,鈾礦化形成次序通常位于中間偏晚的位置,即在Sn-W-Mo、Bi、Ni、Co、Cu之后,在Sb-Hg、Ag、Fe-Mn和螢石礦之前。
在地球物理方面,從波希米亞中間地塊的地殼深部地球物理資料獲知,地殼深部具三層結構,上層是沉積-變質巖蓋層,厚度為5~12 km,中層是花崗巖層,厚度為10~18 km,下層為玄武巖層,厚度為10~15 km。花崗巖層與玄武巖層分界面,穩(wěn)定持續(xù)在20~22 km深處[5]。對受深斷裂控制的熱液礦床而言,現(xiàn)代所見的鈾礦床礦化垂幅可達2~3 km,在當時的成礦深度可能比現(xiàn)今所見更大,表明成礦時的動力是很大的。
在鈾礦床學方面的特征:1)含礦圍巖類型以砂巖型、堿交代巖型和火山巖型為主,其次是碳硅質板巖型。2)礦床成因分析,對產于花崗巖或火山巖中的礦床以低溫熱液成礦為主,最主要的礦石類型有瀝青鈾礦型、螢石-瀝青鈾礦型、石英-碳酸鹽-瀝青鈾礦型、石英-硫化物-瀝青鈾礦型、石英-砷化物-瀝青鈾礦型等。鈾礦體圍巖常發(fā)育著強烈的礦前熱液交代的黃鐵礦細晶巖化和黏土化等蝕變作用。但部分花崗巖型鈾礦床,表生水也可能參與了疊加成礦,如法國中央中間地塊的花崗巖型鈾礦床,俄羅斯В.Е.Бойцов,А.А.Верчеба(2008)[12]歸為后生正長巖型礦床,礦床成因屬熱液+淋積多階段復成因型。3)對產于沉積-變質巖內鈾礦床,則以內、外生成礦疊加的多階段復成因為主。復成因鈾礦床,具有三多三主的成礦特點,三多是多大地構造階段,多種成礦鈾源和多種內外生成因;三主是主大地構造階段,主成礦鈾源和主成因復合成礦。因而表現(xiàn)出有不同階段的成礦年齡值,鈾成礦時間跨度大,成礦時間長。典型實例有波希米亞中間地塊諾聶帕爾格和施列瑪?shù)V床[13]。對新生代古河谷砂巖型鈾礦床,如維季姆中間地塊上覆蓋著新近紀-第四紀玄武巖層,對古河谷砂巖型鈾礦起著火山熱液疊加成礦作用[14]。從上述看出,復成因成礦在中間地塊屬較普遍現(xiàn)象。4)成礦規(guī)模分析,整體是形成礦床規(guī)模大,大型、超大型礦床多。波希米亞中間地塊的郎諾帕爾格礦床和哈爾姆礦床的鈾儲量都超20萬tU,施列瑪?shù)V床10.4萬tU??瓶怂蟹蛑虚g地塊的科薩欽礦床9.6萬tU,維季姆中間地塊的伊姆礦床5.9萬tU,額爾古納中間地塊斯特列措夫礦床6萬tU等等。
上述表明,中間地塊在后地臺活化階段,形成的鈾礦床類型最多,鈾成礦年齡相對較小,鈾資源總量數(shù)值最大,鈾成礦作用也最為復雜多樣。究其原因,可能主要有下列幾點:1)地殼大地構造演化階段最多,經歷前地槽、地槽(反射活化)、地臺、活化階段,延續(xù)時間最長,地殼成熟度高,鈾活化轉移次數(shù)多,鈾活化轉移時間長,鈾分異作用充分;2)活化階段屬目前地殼演化的最晚階段,經過長時期隆起、剝蝕和多種地質構造和成礦改造作用,鈾成礦累積疊增效應尤為明顯,從最早的太古宙-元古宙至關重要的原始鈾富集,到后來的古生代、中新生代再富集及多期次工業(yè)鈾成礦作用疊加于同一地區(qū),甚至同一礦床,形成多代同堂成礦現(xiàn)象;3)后地臺活化階段構造-巖漿活化形式多種多樣,有的地區(qū)構造-巖漿活化強度劇烈,甚至有地幔深處巖漿活動參與成礦,而有的地區(qū)卻為弱或無巖漿-構造活化的弱活化區(qū),或者在同一個中間地塊內不同地段,具備各種不同類型鈾礦床形成的機制條件,形成各種大型、超大型的礦床,如波希米亞中間地塊。
亞歐東西向活化構造鈾成礦帶中,相當一批鈾成礦區(qū)受中間地塊構造單元控制,前人多放在褶皺帶內而被忽視。事實上中間地塊鈾成礦具有自身特色,既不同于活動的褶皺帶,也區(qū)別于穩(wěn)定的地臺區(qū),同時又具有上兩種大地構造單元的某些成礦特點,且大都與不同程度的構造-巖漿活化作用有關,在所成的鈾資源量份額中占有重要位置。
中間地塊內有多礦種成礦,鈾在整個成礦時間序列中排在中偏晚位置,即在Sn-WMo、Bi、Ni、Co、Cu之后,Sb-Hg、Ag、Fe-Mn和螢石礦之前。鈾成礦作用復雜多樣,礦床類型豐富多彩。按圍巖劃分含礦圍巖類型以砂巖型、堿交代巖型和火山巖型為主,其次是碳硅質板巖型;按成因劃分是花崗巖或火山巖礦床以低溫熱液成因為主,對沉積-變質巖鈾礦床以內、外生疊加的復成因為主,對新生代古河谷砂巖型鈾礦床,如維季姆中間地塊覆蓋新近紀-第四紀玄武巖層,火山熱液起著疊加成礦作用。鈾成礦時代偏晚,多屬晚古生代-中新生代成礦,鈾礦石年齡相對偏小,多小于100 Ma,是中間地塊受活化階段改造成礦時間較晚所致。