湘西北含鈾多金屬黑色巖系礦化元素組合劃分及礦物賦存特征

王健，漆富成，王文全，王振云，張文東

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

我國(guó)南方地區(qū)從早古生代初期繼承了震旦紀(jì)時(shí)被動(dòng)大陸邊緣的構(gòu)造演化方向，經(jīng)歷了從邊緣盆地到大陸裂谷再到被動(dòng)大陸邊緣的構(gòu)造演化過(guò)程。早寒武世，揚(yáng)子板塊和華夏板塊之間由于強(qiáng)烈的拉張作用，形成了初始的洋殼，兩個(gè)板塊的碳酸鹽臺(tái)地之上沉積形成了一套黑色巖系［1］，其分布范圍涉及我國(guó)南方湖南、貴州、安徽、云南等多個(gè)省區(qū)。這套黑色巖系中富含有用元素種類多達(dá)30 種以上，是我國(guó)重要的稀有元素、鉑族元素等的礦源層［2-3］。我國(guó)對(duì)于這套黑色巖系及其中產(chǎn)出的礦產(chǎn)資源的研究起始于20 世紀(jì)60 年代，主要研究對(duì)象是湖南西北部大庸地區(qū)的鎳鉬礦化，而后通過(guò)持續(xù)的勘探和研究直到80 年代后期，在湘西北這套地層中又發(fā)現(xiàn)了釩、鈾、稀土元素等有用的礦物成分。隨著近些年實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段的提高，漆富成等人利用掃描電鏡、透射電鏡等手段在湘西北地區(qū)的這套黑色巖系中發(fā)現(xiàn)納米級(jí)鈦鈾礦，并對(duì)成礦特征提出了一定的看法［4-6］；王健等人利用鈾-鉛同位素測(cè)年探討了黑色巖系中鈾礦化的年齡［7］。雖然湘西北地區(qū)的這套黑色巖系在礦物學(xué)和成礦年代學(xué)等方面的研究取得了較好的成果，但對(duì)于這套元素種類極其豐富的黑色巖系，理清礦化元素組合類型，基本查明不同元素組合類型的礦化特征，是深入研究湘西北地區(qū)鈾多金屬礦化物質(zhì)來(lái)源、成礦作用等工作的基礎(chǔ)著力點(diǎn)。所以本文以近些年最新的野外調(diào)查為依據(jù)，對(duì)湘西北地區(qū)的礦化元素組合劃分提出一些看法和認(rèn)識(shí)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

湘西北地區(qū)的含鈾多金屬黑色巖系主要發(fā)育在早寒武世的地層中。在寒武紀(jì)時(shí)期，我國(guó)南方由揚(yáng)子陸塊和華夏陸塊兩個(gè)大的一級(jí)構(gòu)造單元組成，華夏陸塊從北往南被依次劃分為3 個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，分別為華夏西北大陸邊緣、華夏克拉通、華南盆地。揚(yáng)子陸塊由北往南也可劃分為3 個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，分別為揚(yáng)子北部大陸邊緣、揚(yáng)子克拉通、揚(yáng)子?xùn)|南大陸邊緣。本文研究的湘西北地區(qū)就位于揚(yáng)子?xùn)|南大陸邊緣構(gòu)成的陸緣裂陷、深斷裂帶成礦體系中［8］（圖1）。劉寶珺等人認(rèn)為湘西北地區(qū)在早古生代初期繼承了震旦紀(jì)時(shí)被動(dòng)大陸邊緣的構(gòu)造演化方向，在早寒武世時(shí)期，拉張作用最為強(qiáng)烈，并沉積了一套黑色巖系，這套黑色巖系層位穩(wěn)定賦存多金屬礦化［9］，主要巖石類型有粉砂質(zhì)板巖、頁(yè)巖、碳質(zhì)板巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、磷塊巖。區(qū)域構(gòu)造以北東向斷裂和褶皺構(gòu)造為主，北西向構(gòu)造不發(fā)育［10］。研究區(qū)巖漿活動(dòng)不強(qiáng)烈，僅在古丈縣龍鼻咀附近發(fā)現(xiàn)有基性-超基性的淺成侵入巖，且規(guī)模較小［11］。

圖1 中國(guó)南方寒武紀(jì)古構(gòu)造圖（據(jù)蒲心純等［8］，1993）Fig.1 Paleotectonic map during Cambria in Southern China

2 含鈾多金屬黑色巖系元素組合劃分

湘西北地區(qū)的含鈾多金屬黑色巖系蘊(yùn)含有鋇、鉬、釩、鎳、鈾、銅、鈷、銀等眾多有用元素，通過(guò)詳細(xì)的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合野外現(xiàn)場(chǎng)X 熒光儀和室內(nèi)等離子體質(zhì)譜儀對(duì)地層巖石主、微量元素的測(cè)定，可以將湘西北地區(qū)的礦化元素組合劃分為3種主要類型，分別為：U-V-Ni-Mo 型、U-V-Cu型和U-V 型（圖2）。通過(guò)系統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，湘西北地區(qū)與鈾多金屬礦化密切相關(guān)的黑色巖系主要是晚震旦世-早寒武世的地層。礦化主要發(fā)育在下寒武統(tǒng)牛蹄塘組中，除釩元素從北東向南西一直貫穿整個(gè)研究區(qū)外，其余主要礦化元素的發(fā)育具有較為明顯的區(qū)塊組合特征。

圖2 湘西北含鈾多金屬黑色巖系礦化元素組合類型分布圖（底圖據(jù)鮑振襄，1990［12］，有修改）Fig.2 Distribution map of uranium-polymetallic-element association type in black-rock series in northwestern Hunan

在3 種類型的礦化元素組合中，U-V-Ni-Mo 型礦化主要發(fā)育在揚(yáng)子陸塊東南緣的曉平坳陷和慈利斷陷盆地中，沿花垣-慈利深大斷裂和四都坪-龍?zhí)逗訑嗔褞鶌A持的區(qū)域沿北東方向帶狀延伸。這種組合類型的鈾多金屬礦化主要賦存于下寒武統(tǒng)牛蹄塘組底部的含磷黑色巖系中。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)模均受這套燈影組的古風(fēng)化剝蝕面控制。鈾多金屬礦化主要呈不等厚層狀、似層狀連續(xù)發(fā)育，礦化明顯受層位控制，平均厚度為2.1 m，最大厚度為4.5 m，向北東方向延伸約50 km。選取具有代表性的U-V-Ni-Mo 型礦化剖面，經(jīng)系統(tǒng)采樣分析可以發(fā)現(xiàn)，U 含量為（1.51～210）×10-6、V 含量為（26.3～17 812）×10-6、Ni 含量為（18.3～6 634）×10-6、Mo 含量為（2.74～12 406）×10-6。與上地殼相比，Mo 的濃集系數(shù)達(dá)到了1 539.74，其次為Cd、Sb 兩種元素濃集均超過(guò)百倍，另外濃集系數(shù)達(dá)到幾十的元素有V、Ni、Ba、Tl、U，其中礦化元素U 的濃集系數(shù)為40.54、V 為51.94、Ni 為24.47、Mo 為1 539.74、Cu 為6.46（表1），另有Sc、Co、Sr、Th、Hf 等元素則呈現(xiàn)虧損（圖3）。

圖3 U-V-Ni-Mo 型礦化微量元素蛛網(wǎng)圖（底圖據(jù)McDonough，1992）Fig.3 Spider diagram of trace elements in U-V-Ni-Mo type mineralization

表1 湘西北含鈾多金屬黑色巖系主要礦化元素濃集系數(shù)表Table 1 Concentration coefficients of the main elements of uranium-polymetallic mineralization in black-rock series in northwestern Hunan

U-V-Cu 型元素組合的礦化主要發(fā)育在揚(yáng)子陸塊東南緣的鳳凰坳陷北東側(cè)，成礦作用與沉積成巖作用和熱水沉積作用有關(guān)，成礦作用同時(shí)受吉首-鳳凰深大斷裂的次級(jí)裂隙帶影響。礦化地層呈北東東向展布，賦礦巖石主要為碳質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)碳質(zhì)頁(yè)巖，巖石富含磷質(zhì)和重晶石，含礦地層為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，呈層狀、似層狀不等厚連續(xù)展布，平均厚度約3.2 m，向北東方向延伸約35 km。所選取的U-V-Cu 型元素組合的代表性剖面，其U 含量為（26.4～100）×10-6、V 含量為（346～16 937）×10-6、Cu 含量為（210～10 822）×10-6。其他微量元素與上地殼相比，Mo 和Sb 兩種元素濃集超過(guò)百倍，V、Cr、Ni、Cu、Cd、Ba、U 六種元素濃集為十倍至百倍之間，礦化元素U 的濃集系數(shù)為34.22、V 為67.31、Cu 為90.56，Ni 為10.11、Mo 為204.02，雖然Mo 的濃集系數(shù)看起來(lái)很高，但相比U-V-Ni-Mo 型組合中Mo 的1 539.74 倍的濃集，U-V-Cu 型中的Mo 明顯降低近一個(gè)數(shù)量級(jí)，虧損元素有Rb、Sr、Re 等（圖4）。

圖4 U-V-Cu 型礦化微量元素蛛網(wǎng)圖Fig.4 Spider diagram of trace elements in U-V-Cu type mineralization

U-V 型元素組合的礦化在研究區(qū)發(fā)育范圍相對(duì)較小，主要位于鳳凰坳陷南部，與U-V-Cu 型相鄰，其賦礦巖石主要為碳質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)巖、磷塊巖和含重晶石硅質(zhì)碳質(zhì)頁(yè)巖。含礦地層同樣是下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，礦化地層展布與區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造線方向相同，都是沿北東方向展布，含礦層平均厚約3.8 m，延伸長(zhǎng)約20 km。U-V 型元素組合的礦化U 含量介于（26～529）×10-6、V 含量為（150～7 605）×10-6，其他微量元素與上地殼相比，Mo 和U 兩種元素濃集超過(guò)百倍，V、Cr、Cd、Sb 四種元素濃集十倍至百倍之間，礦化元素U 的濃集系數(shù)為111.26、V 為31.80、Cu 為9.94、Ni 為0.95、Mo 為117.56。可以看出與前兩種礦化類型相比，Ni 在U-V 型組合中，含量大幅降低，基本與上地殼平均含量一樣，U-V 型礦化中虧損元素種類與前面兩種礦化類型基本一致，但虧損程度有所加?。▓D5）。

圖5 U-V 型礦化微量元素蛛網(wǎng)圖Fig.5 Spider diagram of trace elements in U-V type mineralization

從所劃分的元素組合分區(qū)特征可以看出，湘西北地區(qū)的含鈾多金屬黑色巖系中，主要的礦化元素U 具有北低南高的特征，V 在整個(gè)成礦帶上含量較為穩(wěn)定，Ni、Mo 礦化由北向南含量明顯降低，Cu 則主要發(fā)育在中部地區(qū)，南北兩端含量較低。

3 鈾多金屬礦物賦存特征

湘西北地區(qū)U-V-Ni-Mo 型元素組合的礦化的賦礦巖石主要為碳質(zhì)頁(yè)巖、磷塊巖。通過(guò)巖礦分析、掃描電鏡配合能譜測(cè)量等手段，在U-V-Ni-Mo 型礦化中發(fā)現(xiàn)的鈾礦物以晶質(zhì)鈾礦和瀝青鈾礦為主，鈾石也較為常見(jiàn)。根據(jù)所發(fā)現(xiàn)的晶質(zhì)鈾礦結(jié)晶形態(tài)和礦物成分可以判斷，至少有兩期晶質(zhì)鈾礦，一期形成溫度相對(duì)較高，呈立方體狀，內(nèi)部常見(jiàn)Y（圖6）；另一期形成溫度相對(duì)較低，晶型主要呈柱狀、不規(guī)則狀，礦物成分中僅可見(jiàn)Ca、P 等雜質(zhì)元素，未發(fā)現(xiàn)因類質(zhì)同象所帶入的稀土元素。根據(jù)前人的認(rèn)識(shí)，研究區(qū)Mo 主要以膠狀集合體的形式存在，Jr Convet 等研究認(rèn)為這種集合體是膠硫鉬礦［13］，潘家永等通過(guò)研究將這種集合體命名為碳硫鉬礦，更加突出了集合體中碳元素的存在［14］。本次研究發(fā)現(xiàn)這種膠狀集合體中，除了鉬、硫兩種主要元素外，同時(shí)含有Fe、Ni、As 等雜質(zhì)元素（圖7），為了強(qiáng)調(diào)其膠狀集合體的形式，本文將其稱為膠硫鉬礦。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)另有少部分Mo 分散在泥碳質(zhì)基質(zhì)和其他金屬礦物中。Ni 主要以獨(dú)立的礦物形式存在，如賦存在含鎳黃鐵礦、輝砷鎳礦等硫化物和硫砷化物中。非金屬礦物主要有方解石、白云石、重晶石、石英、磷灰石等。

圖6 晶質(zhì)鈾礦背散射圖像及能譜分析圖Fig.6 Back scattering image and energy spectrum of uraninite

圖7 鉬礦物背散射圖像及能譜分析圖Fig.7 Back scattering image and energy spectrum of molybdenum mineral

U-V-Cu 型元素組合的礦化的賦礦巖石主要為碳質(zhì)頁(yè)巖、磷塊巖和硅質(zhì)碳質(zhì)頁(yè)巖。相比前一種元素組合類型的礦化，U-V-Cu 型礦化賦礦圍巖中重晶石透鏡體的數(shù)量明顯降低，其中發(fā)現(xiàn)的鈾礦物以鈦鈾礦和晶質(zhì)鈾礦為主，并見(jiàn)少量瀝青鈾礦。鈦鈾礦跟晶質(zhì)鈾礦通常在高溫（300～450 ℃）、弱堿性（pH 值為7～9）還原環(huán)境下生成，且沉淀形成鈦鈾礦和晶質(zhì)鈾礦所需的壓力和氧化-還原條件基本一樣［15］，所以在U-V-Cu 型礦化中可以見(jiàn)到這兩種礦物共生在一起（圖8）。該類型礦化中發(fā)現(xiàn)的多金屬礦物有閃鋅礦、立方體狀方鉛礦、金紅石、砷黝銅礦等，可以見(jiàn)到結(jié)晶較好的板條狀鈦鈾礦與閃鋅礦共生在一起（圖9）；非金屬礦物主要有方解石、葉臘石、磷灰石、白云石、重晶石、石英、絹云母等。U-V-Cu 型元素組合的礦化整體以中高溫的礦物組合為主。

圖8 鈦鈾礦充填晶質(zhì)鈾礦裂隙背散射圖像及鈦鈾礦能譜分析圖Fig.8 Back scattering image and energy spectrum of brannerite filled in uraninite fissure

圖9 鈦鈾礦包裹閃鋅礦背散射圖像及閃鋅礦能譜分析圖Fig.9 Back scattering image and energy spectrum of blende enclosed in brannerite

U-V 型元素組合的礦化的賦礦巖石主要為碳質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)巖、磷塊巖。巖石中硅質(zhì)含量較前面兩種元素組合的礦化明顯增高。U-V型礦化中發(fā)現(xiàn)的鈾礦物有瀝青鈾礦、鈾石、晶質(zhì)鈾礦、鈦鈾礦，其中以瀝青鈾礦最為常見(jiàn)。瀝青鈾礦主要賦存在巖石破碎—溶蝕—重結(jié)晶時(shí)形成的孔洞內(nèi)，形態(tài)以皮殼狀和粒狀為主（圖10），粒徑主要介于4～10 μm，溶蝕孔壁和孔洞周圍通常結(jié)晶有石英顆粒和云母類礦物，有時(shí)也充填有重晶石，云母類礦物中常含有V。U-V 型礦化中發(fā)現(xiàn)的多金屬礦物種類較少，僅可見(jiàn)方鉛礦、黃鐵礦、閃鋅礦，非金屬礦物主要有石英、重晶石、金云母、磷灰石、黑云母、葉臘石等。整個(gè)湘西北地區(qū)V 的賦存狀態(tài)都基本一致，主要是以黏土吸附和類質(zhì)同象兩種方式賦存在礦化巖石中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)釩的獨(dú)立礦物。

圖10 瀝青鈾礦背散射圖像及能譜分析圖Fig.10 Back scattering image and energy spectrum of pitchblende

4 結(jié)論

1）將湘西北地區(qū)的含鈾多金屬黑色巖系劃分為了3 種類型的礦化元素組合：U-V-Ni-Mo 型礦化主要發(fā)育在曉平坳陷和慈利斷陷盆地中；UV-Cu 型礦化主要發(fā)育在鳳凰坳陷北東側(cè)；U-V 型礦化主要發(fā)育在鳳凰坳陷南部。

2）按所劃分的元素組合分區(qū)，湘西北地區(qū)的含鈾多金屬黑色巖系中，主要的礦化元素U 具有北低南高的特征，V 在整個(gè)成礦帶上含量較為穩(wěn)定，Ni、Mo 礦化由北向南含量明顯降低，Cu 則主要發(fā)育在中部地區(qū)，南北兩端含量較低。

3）U-V-Ni-Mo 型礦化中發(fā)現(xiàn)的鈾礦物以晶質(zhì)鈾礦和瀝青鈾礦為主，Mo 主要以膠硫鉬礦的形式存在，Ni 主要以含鎳黃鐵礦、輝砷鎳礦等獨(dú)立的礦物形式存在；U-V-Cu 型礦化中鈾礦物以鈦鈾礦和晶質(zhì)鈾礦為主，多金屬礦物有閃鋅礦、金紅石、砷黝銅礦等；U-V 型礦化中鈾礦物以瀝青鈾礦為主，多金屬礦物種類較少。整個(gè)湘西北地區(qū)V 均主要以黏土吸附和類質(zhì)同象形式存在，未發(fā)現(xiàn)釩的獨(dú)立礦物。