貴州荔波-獨(dú)山地區(qū)含鈾煤系地質(zhì)地球化學(xué)特征及煤巖型鈾礦床成因

田 超 ，宋 昊 ，鄭懋榮，李 圻

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 6100001；2.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局七總隊(duì)，貴州 貴陽 550000)

煤巖型鈾礦床是貴州省重要的鈾礦類型之一，研究區(qū)位于貴州省丹寨-三都-獨(dú)山碳硅泥巖型、煤巖型鈾成礦帶內(nèi)(劉開坤等，2016)。我國含煤巖型鈾礦的勘查研究始于1960年前后，并在云南、新疆兩省發(fā)現(xiàn)了一批工業(yè)規(guī)模不等的鈾礦床，如幫賣盆地303礦田、伊犁盆地洪海溝地區(qū)煤巖型鈾礦床、塔里木盆地薩瓦布其地區(qū)煤巖型鈾礦床等(張淑苓，1987；王毛毛，2015；劉章月，2011)。含鈾煤既可作工業(yè)燃料，又可從灰分中提取鈾產(chǎn)品，從而大大提高了該類型鈾礦床的工業(yè)意義(姚振凱，1988)。已發(fā)現(xiàn)的煤巖型鈾礦床一般產(chǎn)于中-新生代陸相沉積盆地邊緣部分(В.И.丹切夫，1974)，盆地基底為華力西至燕山期花崗巖酸性火山巖(張淑苓，1984)。而晚古生代成煤期，在中國以石炭-二疊紀(jì)為主，雖有大煤田的形成，但未見煤中存在工業(yè)鈾礦化的報(bào)導(dǎo)(姚振凱，1988)，對其研究亦相對較少。研究區(qū)含鈾煤產(chǎn)于晚古生代二疊紀(jì)吳家坪組，在其北段已發(fā)現(xiàn)2個(gè)達(dá)到工業(yè)品位的小型煤巖型鈾礦床，同時(shí)分布有大量鈾礦化點(diǎn)及異常點(diǎn)。本文旨在深化對研究區(qū)吳家坪組含鈾煤系成礦地質(zhì)、地球化學(xué)特征認(rèn)識的基礎(chǔ)上，揭示成礦的主控因素，探討成礦物質(zhì)來源及鈾礦化成因，進(jìn)一步豐富該類型鈾礦的成礦理論，為擴(kuò)大荔波-獨(dú)山地區(qū)鈾礦找礦成果具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于江南臺背斜之西，處于臺背斜與臺向斜逐漸過渡凹陷帶內(nèi)。以淺海相的碳酸鹽類沉積為主，次為碎屑巖沉積。出露地層有青白系、南華系南坨組，震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、第四系。含鈾層位主要為上二疊系上統(tǒng)吳家坪組底部褐煤及炭質(zhì)頁巖。北東向延伸的開闊向斜控制區(qū)內(nèi)地層展布，向斜兩翼不對稱，并在轉(zhuǎn)折端形成復(fù)向斜褶皺。向斜兩翼多成高角度縱向正斷層為主，轉(zhuǎn)折端處多變?yōu)楦呓嵌瓤v向逆斷層，代表性斷層有爛土斷層、甲倒斷層和三都斷層。橫向正斷層在向斜兩翼或轉(zhuǎn)折端呈雁形排列。使附近煤系地層形成小型褶皺構(gòu)造，出現(xiàn)地層重復(fù)和缺失?？v向斷層形成于褶皺早期，橫向斷層在褶皺后期形成，并切割縱向斷層(圖1)。

圖1 貴州荔波-獨(dú)山地區(qū)地質(zhì)簡圖

1.2 區(qū)域構(gòu)造演化

研究區(qū)經(jīng)歷了呂梁至喜馬拉雅多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響如下：(1)呂梁運(yùn)動(dòng)使前震旦系巖層褶皺，硬化形成陸臺，到震旦紀(jì)陸臺分化，江南古陸隆起。(2)加里東期，氣候轉(zhuǎn)暖，巨厚碳酸鹽沉積。由于地殼上升，上奧陶紀(jì)及下志留紀(jì)缺失。受加里東期末造山運(yùn)動(dòng)影響，區(qū)內(nèi)褶皺成北北東向的構(gòu)造體系，形成向斜輪廓雛形。(3)海西-印支期，地殼小幅度升降，海岸線不斷遷移，沉積以碳酸鹽為主，其次為碎屑巖。下二疊紀(jì)末，升出海面處于大陸狀態(tài)，陽新灰?guī)r遭受剝蝕風(fēng)化形成喀斯特地形。樂平早期，地殼下降，植物繁盛，堆積薄煤層。同時(shí)陸地上及同生海水帶來的鈾，被吸附，還原沉淀，在有利部位形成具有一定工業(yè)價(jià)值的礦體。(4)燕山-喜山期，以板內(nèi)伸展走滑作用為主，形成系列NE、NNE向褶皺和斷裂，并疊加、改造前期構(gòu)造，形成現(xiàn)今的基本輪廓。

2 含鈾煤系特征

圖2 荔波-獨(dú)山地區(qū)含鈾煤系地層柱狀對比圖

3 樣品采集與分析

4 元素地球化學(xué)特征

4.1 常量元素特征

表1 常量元素分析結(jié)果表(wt%)

4.2 微量元素特征

表2 微量元素分析結(jié)果表(×10-6)

圖3 鈾礦(化)層(a)和圍巖(b)元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)

從表2可以看出，圍巖中U和V發(fā)生富集而Mo不怎么富集，可能指示缺氧的環(huán)境；而礦(化)層中它們同時(shí)顯著富集則指示硫化的，即水體中含有一定量的H2S的環(huán)境(Algeo T J，2004)，這與礦(化)層中普遍含粉末狀或星散狀黃鐵礦結(jié)論一致。

4.3 稀土元素地球化學(xué)特征

表3 稀土元素含量(×10-6)及特征值

圖4 礦(化)層(a)及圍巖(b)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線

5 討論

5.1 成礦的鈾源

研究區(qū)含鈾煤礦(化)層樣品在La/Yb-∑REE圖解中的投點(diǎn)大部分落入堿性玄武巖范圍內(nèi)，及少點(diǎn)落入大陸拉斑玄武巖和花崗巖中(圖5)，因此認(rèn)為區(qū)內(nèi)U元素富集成礦的物源主要來自富鈾的峨眉山玄武巖，這與利用主量元素、微量元素及Sr、Nd同位素研究大火成巖省的外帶即貴州境內(nèi)玄武巖屬堿性玄武巖結(jié)論一致(廖寶麗，2013)。研究區(qū)礦(化)層及圍巖中U與Co、Ti、Co/Ni均有一定的正相關(guān)性(圖6)，說明其鈾主要來源可能為火山活動(dòng)，部分來自圍巖，與樣品在La/Yb-∑REE圖解中的投點(diǎn)大部分落入堿性玄武巖范圍內(nèi)結(jié)論相吻合。這是由于晚二疊世吳家坪早期，峨眉山地幔熱柱海相第一噴發(fā)旋回期后，從地幔中攜帶富含SiO2、Mn、U、Co，Pb、CO2等氣液流體溶入海水中，從貴州境內(nèi)北西向南東流入黔南地區(qū)福泉市、平塘縣、三都縣等地，在還原環(huán)境下被吸附，還原沉淀，在有利部位形成具有一定工業(yè)價(jià)值的礦體。

圖5 荔波-獨(dú)山地區(qū)含鈾煤系(La/Yb)N-∑REE圖解中的投影

圖6 元素相關(guān)性圖解

5.2 主要控礦因素

5.2.1 層位及巖性控礦

研究區(qū)鈾礦(化)體呈層狀產(chǎn)于二疊系吳家坪組底部褐煤層夾灰色粘土頁巖內(nèi)，其頂?shù)装骞?jié)理裂隙中有鈾礦化現(xiàn)象，其他層位中未見鈾礦化。鏡下鑒定含鈾煤質(zhì)為褐煤，條帶狀結(jié)構(gòu)，組成煤的顯微分子有：凝膠體、木煤、絲炭、半絲炭，粘土礦物充填于胞腔中或與有機(jī)體混合，含鈾煤層中普遍含粉末狀或星散狀黃鐵礦及少量黃鐵礦結(jié)合。其中凝膠組分、粘土礦物及膠黃鐵礦均對鈾具有吸附作用(劉正義等，1980)。因此，層位和巖性是鈾同生沉積、同生富集必要條件。

5.2.2 沉積環(huán)境控礦

中二疊世茅口末期，由于受東吳運(yùn)動(dòng)作用，區(qū)內(nèi)地殼上升，海平面下降，致使三都、紫云、冊亨等廣大地區(qū)上升為陸，受到短暫剝蝕，形成茅口灰?guī)r風(fēng)化侵蝕面。吳家坪早期，地殼下降，海平面上升，形成臺地內(nèi)潮坪-潮下缺氧還原的沉積環(huán)境，在低洼地段堆積保存了粘土、泥炭及黃鐵礦等聚鈾劑。鈾元素的沉淀明顯地受沉淀介質(zhì)地球化學(xué)環(huán)境的控制；最重要的影響因素是“氧逸度”，次為“酸堿度”及“相對鹽度”(梅水泉，1988)，研究區(qū)含鈾煤層V/(V+Ni)均值大于0.84，表明鈾元素的沉淀富集與“還原”環(huán)境密切相關(guān)，說明高價(jià)鈾(U6+)遷移、低價(jià)鈾(U4+)易沉淀的地球化學(xué)性質(zhì)；MnO/TFe均值小于0.013，CaO/(CaO+TFe)×100%均值小于0.20，可見“酸性-低鹽”相是鈾的有利沉淀環(huán)境。

5.2.3 構(gòu)造控礦

研究區(qū)緊靠江南陸塊之西部邊緣，燕山期受到東西向強(qiáng)力擠壓，喜山期地殼抬升，形成南北向褶皺帶，在吳家坪組底部會黑色硅質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖與褐煤層及炭質(zhì)頁巖能干性不同的巖層之間，形成層間揉皺及破碎帶，在地下水的作用下，使初步富集的鈾再次活化、遷移，在有利部位二次富集成礦。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，以高角度逆斷層出現(xiàn)，發(fā)生在含鈾煤層形成之后，使含鈾礦層錯(cuò)動(dòng)為兩層，在斷層或距斷層一定距離地帶，顯示出有鈾的次生富集現(xiàn)象，并造成圍巖層的構(gòu)造裂隙中有鈾礦化顯示。構(gòu)造是鈾富集、聚集的外動(dòng)力。

5.3 成礦機(jī)制及成因

晚二疊世早期，研究區(qū)處于潮坪洼陷地段半封閉沼澤環(huán)境，由原地生長的和源區(qū)搬運(yùn)來的陸生植物遺體，經(jīng)喜氧細(xì)菌的分解而生成的腐殖酸溶膠，并通過吸附作用、離子交換或絡(luò)合、鰲合作用形成鈾酰腐殖酸鹽。A.Szalay認(rèn)為在煤的有機(jī)質(zhì)中，腐殖酸可與金屬(U、Ge、V、Mo、Cu等)形成各種不同的絡(luò)合物。腐殖酸絡(luò)合鈾等金屬的能力還與介質(zhì)pH值有關(guān)，當(dāng)pH4-5時(shí)，腐殖酸絡(luò)合鈾量最大(張淑苓，1984)，這與前述區(qū)內(nèi)沉積環(huán)境為酸性結(jié)論一致。隨著上覆碎屑物的堆積，泥炭經(jīng)深埋壓實(shí)作用，變質(zhì)形成褐煤，水介質(zhì)中的溶解氧逐漸消失，厭氧細(xì)菌活躍起來，有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步分解，產(chǎn)生H2S、CH4、H2等強(qiáng)還原性氣體。這時(shí)與腐殖酸呈吸附結(jié)合或離子交換的鈾酰離子解吸，U6+被還原成U4+沉淀下來，形成鈾的富集體。

在含鈾的褐煤層形成后，受燕山-喜山期強(qiáng)力擠壓及抬升作用，在能干性較小的含鈾煤層內(nèi)發(fā)生層間滑動(dòng)及揉皺現(xiàn)象，使鈾元素進(jìn)一步活化遷移，二級和三級褶皺的鞍部和兩翼富集成具有工業(yè)價(jià)值的鈾礦體。研究區(qū)內(nèi)含鈾煤層的上覆巖層為含炭泥灰?guī)r，下伏致密狀硅質(zhì)灰?guī)r，均是隔水層或不透水層，次生淋濾作用的可能小。因此，研究區(qū)含鈾煤屬同生沉積、同生富集為主，構(gòu)造疊加改造為輔的成因類型。

6 結(jié)論

(1)La/Yb-∑REE圖解及稀土配分模式顯示，成礦物質(zhì)U主要來源于火山活動(dòng)，部分來自圍巖。與晚二疊世吳家坪早期，峨眉山地幔熱柱海相第一噴發(fā)旋回期后，從地幔中攜帶富含SiO2、Mn、U、Co、Pb、CO2等氣液流體溶入海水有關(guān)。

(2)鈾富集成礦的有利沉積環(huán)境為海灣沼澤相，通過微量元素分析，鈾元素的沉淀富集與“還原”環(huán)境密切相關(guān)，“酸性-低鹽”相是鈾的有利沉淀環(huán)境。

(3)研究區(qū)鈾主要呈吸附狀及膠體狀賦存于含鈾煤層中，含鈾煤屬同生沉積、同生富集為主，構(gòu)造疊加改造為輔的成因類型。