湘西北黑色巖系非常規(guī)鈾資源成礦地質(zhì)特征及成礦時代

王健，漆富成，李治興，王文全，張文東，王振云

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029）

晚震旦世—早寒武世，沿?fù)P子陸塊東南緣沉積了一套富含有機(jī)質(zhì)的黑色巖系，主要巖石類型有黑色頁巖、磷塊巖、硅質(zhì)頁巖、粉砂巖、泥巖等，其分布范圍廣，從西到東涉及云南、貴州、湖南、江蘇、安徽等我國南方多省區(qū)。這套黑色巖系是我國重要的釩、鎳、鉬、鈾、重晶石、石煤、鉑族元素等的礦源層，有用元素種類達(dá)到30 種以上［1-2］，其中湘西北地區(qū)發(fā)育的早寒武世黑色巖系是我國重要的非常規(guī)鈾資源的產(chǎn)出層位。近年來，漆富成等人利用高分辨透射電鏡、掃描電鏡等手段，對湘西北地區(qū)的非常規(guī)鈾資源開展了大量研究，在海相磷塊巖中發(fā)現(xiàn)了硒汞礦、晶質(zhì)鈾礦、納米級鈦鈾礦等，并探究了這些礦物的形成與湘西北地區(qū)海底噴流熱水沉積作用的成因聯(lián)系［3-5］。湘西北地區(qū)黑色巖系非常規(guī)鈾資源在微觀礦物發(fā)現(xiàn)、礦物成因探討、鈾多金屬成礦作用等方面取得了重要成果，但在該地區(qū)非常規(guī)鈾資源成礦地質(zhì)特征的總結(jié)和成礦時代的厘定等方面還存在進(jìn)一步開展工作的需要，筆者根據(jù)近些年來在湘西北地區(qū)開展野外地質(zhì)調(diào)查所取得的最新發(fā)現(xiàn)，總結(jié)該地區(qū)黑色巖系非常規(guī)鈾資源的成礦地質(zhì)特征，厘定成礦時代劃分成礦期次。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

湘西北地區(qū)位于揚子陸塊東南緣構(gòu)成的陸緣裂陷、深斷裂帶成礦體系，區(qū)域構(gòu)造以北東-北北東向褶皺和斷裂構(gòu)造為主，早寒武世早期，湘西北地區(qū)及整個華南由于大陸邊緣發(fā)生進(jìn)一步的解體和熱沉降，短時間內(nèi)使海平面迅速上升及洋流上翻，造成缺氧環(huán)境，形成廣泛分布的黑色巖系。在湘西北鳳凰、吉首、常德一線同沉積斷裂控制的北東向坳陷群內(nèi)沉積物均為黑色薄層頁巖、硅質(zhì)巖、磷結(jié)核夾層、黑色碳質(zhì)板巖等。該地區(qū)早寒武世構(gòu)造-古地理環(huán)境從西北向東南發(fā)育陸棚臺地相、臺地邊緣相、深水斜坡相和盆地相，相對應(yīng)的含鈾建造為磷酸鹽巖建造、含鈾碳酸巖建造、含鈾硅酸鹽巖建造。該時期黑色巖系的分布范圍是湘西北-黔中成礦帶歷史上最大的一次，形成了區(qū)域內(nèi)許多大型、超大型礦床，同時促使大量諸如釩、鉬、鎳、金、銀、鈾等金屬、非金屬及稀有元素的富集（圖1）。

圖1 揚子陸塊東南緣寒武紀(jì)構(gòu)造格架與鈾、鎳、鉬、重晶石礦床分布示意圖（據(jù)馬永生等修改，2007）Fig.1 Tectonic framework of continental margin in the southeast Yangtze plate during Cambrian and the distribution of uranium，nickel，molybdenum，barite deposits

2 地質(zhì)特征

湘西北黑色巖系非常規(guī)鈾資源主要包括：鈾多金屬磷塊巖型、含鈾磷塊巖型、含鈾黑色巖層型，在相對空間層位上含鈾磷塊巖型位于早寒武世黑色巖系的下段，在相鄰上部層位發(fā)育鈾多金屬磷塊巖型，含鈾黑色巖層型發(fā)育在最上部。按區(qū)域內(nèi)的含鈾礦化地層組合主要可以劃分為兩大類：鈾多金屬磷塊巖型疊加含鈾黑色巖層型，含鈾磷塊巖型、鈾多金屬磷塊巖型疊加含鈾黑色巖層型。

圖2 鈾多金屬磷塊巖型疊加含鈾黑色巖層型非常規(guī)鈾資源地質(zhì)略圖（據(jù)鮑振襄等修改，2001）Fig.2 Geological sketch of uranium-bearing phosphorite superposed by uranium-bearing black-rock series

圖3 鈾多金屬磷塊巖型疊加含鈾黑色巖層型非常規(guī)鈾資源野外露頭Fig.3 Outcrop of uranium-bearing phosphorite superposed by uranium-bearing black-rock series

湘西北鈾多金屬磷塊巖型疊加含鈾黑色巖層型的鈾礦化地層組合，主要發(fā)育在揚子陸塊東南緣慈利斷陷盆地中，沿花垣-慈利深大斷裂南側(cè)作北東東向帶狀延伸（圖2）。鈾礦化主要賦存于下寒武統(tǒng)木昌組底部的含磷巖系中，該套含鈾地層發(fā)育在上震旦統(tǒng)燈影組白云巖之上，所以礦化地層的產(chǎn)狀、形態(tài)、分布及規(guī)模均受控于這套燈影組下伏地層的古風(fēng)化剝蝕隆凹面（圖3）。該套含鈾地層組合，除鉬、鎳達(dá)到工業(yè)品位外，釩、鈾、鎵、鎘、錸、鉈等達(dá)到鈾礦床伴生組分綜合利用指標(biāo)。下部形成Ni-Mo-Re-Tl-U-V-Ga-Cd鈾多金屬磷塊巖型非常規(guī)鈾資源，平均厚度2.1 m，最大厚度3.0 m；上部為Ni-Mo-U-VGa 含鈾黑色巖層型，平均厚度2.0 m，最大厚度2.5 m。這套含鈾地層組合沿剪刀寺向斜兩翼發(fā)育，向斜朝北東方向延伸約15 km，寬約16 km。鈾多金屬礦化主要呈不等厚層狀、似層狀連續(xù)發(fā)育，鈾礦化明顯受層位控制，最厚段延續(xù)約10 km。

含鈾磷塊巖型、鈾多金屬磷塊巖型疊加含鈾黑色巖層型的鈾礦化地層組合，主要發(fā)育在揚子陸塊東南緣的曉平坳陷中（圖4）。該套含鈾地層組合除鉬、鎳達(dá)到工業(yè)品位外，釩、鈾、鎵、鎘、鉈等達(dá)到了鈾礦床伴生組分綜合利用指標(biāo)。下部為Ni-Mo-U-V-Ga 含鈾磷塊巖型非常規(guī)鈾資源，平均厚度1.5 m；中部為Ni-Mo-Tl-U-V-Ga-Cd 鈾多金屬磷塊巖型非常規(guī)鈾資源，平均厚度0.6 m；上部為Mo-U-V-Ga 含鈾黑色巖層型，平均厚度1.2 m（圖5）。這套含鈾地層組合沿北東向大庸向斜兩翼出露。大庸向斜呈北東向不對稱展布，向斜寬12 km，南北長18 km，向北東延伸約36 km，次級褶皺發(fā)育，向斜西北緣礦化層厚0.3～0.5 m，東南緣鈾多金屬礦化呈層狀、似層狀，厚度漸變增加，最厚段位于小坪到大坪地段，平均厚度2.8 m，最大厚度3.8 m，最厚段延續(xù)約6 km。鈾礦化明顯受層位控制，區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，局部出現(xiàn)由于斷裂切割鈾礦化變富的現(xiàn)象。

圖4 3 種類型疊加的非常規(guī)鈾資源地質(zhì)略圖（據(jù)鮑振襄等修改，2001）Fig.4 Geological sketch of unconventional uranium resources of three types superposition

圖5 3 種類型疊加的非常規(guī)鈾資源野外露頭Fig.5 Outcrops of unconventional uranium resources of three types superposition

3 成礦年代

3.1 樣品采集制備

本次用于成礦時代研究的10 件樣品，采自曉平坳陷中發(fā)育的含鈾磷塊巖型、鈾多金屬磷塊巖型疊加含鈾黑色巖層型的地層組合中，具體位置位于大坪西南側(cè)約2 km 的研究剖面中（圖4），其中5 件樣品采自下部的含鈾磷塊巖，另外5 件采自緊鄰其上部層位的鈾多金屬磷塊巖，樣品采集前均使用便攜式γ能譜儀和手持X 熒光多元素分析儀對樣品中U、V、Ni、Mo 等元素含量進(jìn)行了確認(rèn)，以保證樣品采集的準(zhǔn)確性和有效性。在樣品處理過程中，將所有樣品碎至200 目，進(jìn)行U、Pb含量和同位素分析測量。樣品的U、Pb 含量和同位素比值測定在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究所完成，使用的儀器為GV 公司的ISOPROBE-T 型熱電離質(zhì)譜儀，對1 μg 的208Pb/206Pb 測量精度優(yōu)于0.005%。

3.2 測試結(jié)果

用于成礦時代研究的含鈾磷塊巖和鈾多金屬磷塊巖兩組樣品U、Pb 含量及其同位素組成測定結(jié)果見表1，樣品中U 的含量為0.012%～0.129%，Pb 的含量 為0.002%～0.025%，238U/204Pb 變化范圍為434.095～1 922.044，206Pb/204Pb 變化范圍為64.396～171.279，獲得含鈾磷塊巖型樣品U-Pb 等時線年齡值為（718±87）Ma（圖6），鈾多金屬磷塊巖型樣品U-Pb 等時線年齡值為（503±29）Ma（圖7）。

上述兩組年齡表明，湘西北地區(qū)位于下部層位的含鈾磷塊巖型非常規(guī)鈾資源成礦時代較早，形成于震旦紀(jì)，成礦年齡為（718±87）Ma；位于其上部層位元素種類更為豐富的鈾多金屬磷塊巖型非常規(guī)鈾資源，形成于寒武紀(jì)中期，成礦年齡為（503±29）Ma，結(jié)合礦化地層發(fā)育特征，認(rèn)為兩組年齡中形成較早的含鈾磷塊巖型非常規(guī)鈾資源，可以看做晚期鈾多金屬磷塊巖型的預(yù)富集階段。

表1 湘西北黑色巖系非常規(guī)鈾資源礦石樣品U-Pb 同位素分析結(jié)果表Table 1 U-Pb isotopic composition of samples from unconventional uranium resources of black-rock series in Northwest Hunan

圖6 含鈾磷塊巖U-Pb 等時線圖Fig.6 U-Pb isochron diagram of uranium-bearing phosphorite

圖7 鈾多金屬磷塊巖U-Pb 等時線圖Fig.7 U-Pb isochron diagram of uranium-polymetallic phosphorite

4 討論

揚子陸塊東南緣發(fā)育的黑色巖系分布范圍廣，從西到東涉及云南、貴州、湖南等我國南方多省區(qū)，雖然成礦元素和礦物類型多達(dá)30 種以上，但整個區(qū)域上含礦層位比較穩(wěn)定，所以也就使區(qū)域內(nèi)不同位置間成礦年齡的對比參照具有了可行性［6］。毛景文等人通過開展Re-Os 同位素測年，獲得了本文采樣點西南側(cè)約150 km 外的遵義黃家灣地區(qū)，黑色巖系中發(fā)育的鉬鎳鉑族元素礦石年齡為（541.3±16）Ma［7］；Horan 等曾利用負(fù)熱離子質(zhì)譜對貴州天鵝山和湖南大庸鎳鉬鉑族元素礦層進(jìn)行測定，由于其所取得的數(shù)據(jù)無法擬合成一條直線，所以只獲得了大致560 Ma 的推論參考年齡［8］。本次研究所獲得的鈾多金屬磷塊巖型非常規(guī)鈾資源的年齡值（503±29）Ma，與前人在湘西北其它地區(qū)測試所得的多金屬礦化年齡值具有較好的一致性，說明了湘西北地區(qū)這一套黑色巖系的成礦主要發(fā)生在震旦紀(jì)晚期—寒武紀(jì)中期。

通過本次研究所獲得的兩個年齡值，表明湘西北地區(qū)黑色巖系非常規(guī)鈾資源的成礦與揚子陸塊東南緣震旦紀(jì)—寒武紀(jì)時期發(fā)生的海底火山噴發(fā)和海底噴流作用有直接的關(guān)系。震旦紀(jì)—寒武紀(jì)揚子陸塊邊緣由于構(gòu)造拉張和沉降，同時伴隨海底火山噴發(fā)和海底噴流，沉積形成了由硅質(zhì)磷塊巖、熱水沉積硅質(zhì)巖和碳硅質(zhì)泥巖組成的海相黑色巖系，這套大規(guī)模發(fā)育的黑色巖系中含有豐富的磷、釩、鈾、鎳、鉬、鋇、鉑族元素等成礦物質(zhì)，為湘西北地區(qū)的成礦提供了先決條件。同時這一時期的早階段，海底熱水噴流作用也為海底富含有機(jī)質(zhì)的微生物提供了良好的生存環(huán)境，使微生物大量繁殖，微生物群對鈾多金屬等成礦物質(zhì)的吸附、聚集起到了關(guān)鍵作用［9］，這種生物地球化學(xué)成礦作用在震旦紀(jì)晚期—寒武紀(jì)早期達(dá)到了峰值，整個成礦作用延續(xù)到了寒武紀(jì)中期，但由于這些空前繁盛的微生物其呼吸作用和殘骸降解均是一個耗氧過程，消耗了海洋中的大量自由氧，逐步使這一時期的海洋環(huán)境變成了缺氧環(huán)境［10］，加之這一時期大陸邊緣發(fā)生了進(jìn)一步的解體和熱沉降，短時間內(nèi)使海平面迅速上升及洋流上翻，也造成了缺氧。所以震旦紀(jì)晚期—寒武紀(jì)中期在海底噴流、生物地球化學(xué)等多重因素的共同作用下，促使了湘西北地區(qū)黑色巖系非常規(guī)鈾資源的形成。

5 結(jié)論

1）湘西北黑色巖系非常規(guī)鈾資源主要包括含鈾磷塊巖型、鈾多金屬磷塊巖型、含鈾黑色巖層型，按區(qū)域內(nèi)的含鈾礦化地層組合可以劃分為兩大類：鈾多金屬磷塊巖型疊加含鈾黑色巖層型，主要沿花垣-慈利深大斷裂南側(cè)作北東東向帶狀延伸；含鈾磷塊巖型、鈾多金屬磷塊巖型疊加含鈾黑色巖層型，主要發(fā)育在揚子陸塊東南緣的曉平坳陷中，沿北東向大庸向斜兩翼出露。

2）通過對湘西北地區(qū)黑色巖系非常規(guī)鈾資源成礦時代的研究，獲得兩組成礦年齡分別為為（718±87）Ma 和（503±29）Ma，結(jié)合含礦地層發(fā)育特征，認(rèn)為兩組年齡中形成較早的含鈾磷塊巖型非常規(guī)鈾資源是晚期鈾多金屬磷塊巖型的成礦預(yù)富集階段。

3）震旦紀(jì)晚期—寒武紀(jì)中期在沉積成巖作用、熱水沉積作用和生物地球化學(xué)成礦作用等多重因素的共同作用下，促使了湘西北地區(qū)黑色巖系非常規(guī)鈾資源的形成。