湘西北曉坪坳陷黑色巖系鈾多金屬礦物賦存特征及指示意義

王健，王文全，漆富成，王振云，張文東

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

曉坪坳陷位于湘西北鈾多金屬成礦帶的北部，是湘西北最早開展鈾多金屬勘查的地區(qū)。20世紀60 年代初，在該地區(qū)的黑色巖系中發(fā)現(xiàn)了鎳鉬礦床，同時通過航空和地面伽馬測量，發(fā)現(xiàn)了放射性異常，而后落實了一批鈾礦點。80 年代后期又在這一地區(qū)發(fā)現(xiàn)了鉑族元素、稀土元素和稀有元素等許多國民生產(chǎn)中急需的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，通過持續(xù)性的勘查工作，截止目前在這一地區(qū)發(fā)現(xiàn)的有用元素種類達30 種以上［1-2］。這些礦產(chǎn)資源大都產(chǎn)在曉坪坳陷寒武紀早期的黑色巖系中，這套黑色巖系從北到南廣泛分布在整個湘西北地區(qū)，同時在我國南方多個省區(qū)均有出露，是我國重要的稀有金屬、非金屬以及油氣源巖的賦礦地層。近些年漆富成等［3-4］和閆友誼［5］通過系統(tǒng)性的調(diào)查取樣對曉坪坳陷黑色巖系的含礦性做出了具體評價，并在巖石學、礦物學等方面開展了一定的研究；王健等［6］利用鈾-鉛同位素測年探討了黑色巖系中鈾礦化的年齡；對于這套含鈾多金屬黑色巖系的成因，劉寶珺等［7］、王成善等［8］、漆富成等［9］均提出過與海侵體系下的缺氧作用和海底噴流作用有關(guān)，但對于此認識觀點，還需多方面的證據(jù)加以支撐。本文利用近些年新的分析測試手段，對曉坪坳陷黑色巖系中鈾多金屬的礦物種類、存在狀態(tài)、賦存位置等開展了研究，并根據(jù)研究結(jié)果從礦物學角度提出一些成礦作用方面的認識，以期能對湘西北地區(qū)含鈾多金屬黑色巖系的成因理論加以完善。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

曉坪坳陷歸屬于湘西北成礦帶，位于揚子陸塊東南端，南部為華南造山帶，東部為華夏陸塊［10］。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的含鈾多金屬黑色巖系主要是寒武紀的地層。在寒武紀時期，我國南方由華夏陸塊和揚子陸塊兩個Ⅰ級構(gòu)造單元組成，華夏陸塊和揚子陸塊分別由3 個Ⅱ級構(gòu)造單元組成，其中組成揚子陸塊的3 個Ⅱ級構(gòu)造單元依次為揚子?xùn)|南大陸邊緣、揚子克拉通和揚子北部大陸邊緣，曉坪坳陷就位于揚子?xùn)|南大陸邊緣的北部的陸緣裂陷、深斷裂帶成礦體系中［11］（圖1）。劉寶珺等［7］認為湘西北地區(qū)在寒武紀早期是拉張最為強烈的階段，在拉張作用的過程中，同時沉積形成一套層位穩(wěn)定賦存多金屬礦化的黑色巖系，其巖性以碳質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)板巖、磷塊巖、硅質(zhì)巖為主。研究區(qū)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［12］，巖漿活動不強烈［13］。

圖1 中國南方寒武紀古構(gòu)造示意圖（據(jù)文獻［11］修改）Fig.1 Paleotectonic map of Cambria in southern China（modified after reference［11］）

2 含鈾多金屬黑色巖系地質(zhì)特征

曉坪坳陷呈北東向展布在揚子陸塊東南緣的陸緣裂陷、深斷裂帶中，被3條貫穿湘西北的深大斷裂帶所夾持，北西側(cè)為花垣-慈利斷裂帶和鳳凰-吉首斷裂帶，南東側(cè)為四都坪-龍?zhí)逗訑嗔褞Вx存鈾多金屬礦化的地層為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，花垣-慈利斷裂帶從北部的賦礦地層切過［14-16］（圖2）。牛蹄塘組主要巖性為富含磷結(jié)核的頁巖、硅質(zhì)巖等，沉積形成在燈影組風化剝蝕面之上，所以牛蹄塘組的地層產(chǎn)狀受下伏地層影響較大。礦化地層主要呈似層狀不等厚連續(xù)發(fā)育，厚度在0.5～3.5 m之間（圖3），向北東方向延伸約30 km，北部受斷裂切割局部出現(xiàn)鈾多金屬礦化變富的現(xiàn)象。通過系統(tǒng)的剖面采樣分析得出，曉坪坳陷中鈾多金屬礦化巖石中U 含量介于（1.50～210.30）×10-6、V含量變化范圍為（26.32～17 812.13）×10-6、Ni 含量變化范圍為（18.32～6 634.10）×10-6、Mo含量變化范圍為（2.70～12 406.41）×10-6。與上地殼相比，這幾種主要的礦化元素濃集倍數(shù)均達到了幾十至上千，局部地段U 達到了非常規(guī)鈾資源品位指標，Mo、Ni達到了工業(yè)品位，Ga、Cd、V、Tl等元素達到了非常規(guī)鈾資源伴生組分綜合利用指標。

圖2 曉坪坳陷含鈾多金屬黑色巖系地質(zhì)略圖（據(jù)文獻［14］修改）Fig.2 Geological sketch of uranium-polymetallic bearing black-rock series in Xiaoping depression（modified after reference［14］）

圖3 研究區(qū)含鈾多金屬黑色巖系野外露頭Fig.3 Outcrop of uranium polymetallic-bearing blackrock series in the study area

3 礦物賦存特征

曉坪坳陷鈾多金屬礦化賦礦巖石主要為碳質(zhì)頁巖、磷塊巖、硅質(zhì)板巖。通過巖礦分析、礦相顯微鏡觀察、電鏡和探針測點等綜合手段，在研究區(qū)礦化樣品中發(fā)現(xiàn)的鈾礦物有晶質(zhì)鈾礦、瀝青鈾礦、鈾石；金屬礦物以鎳鉬礦物為主，含少量閃鋅礦和方鉛礦。

此次研究發(fā)現(xiàn)曉坪坳陷中的鈾礦物以晶質(zhì)鈾礦和瀝青鈾礦為主，鈾石相對較少。晶質(zhì)鈾礦主要以立方體聚形晶及單個立方體的形態(tài)產(chǎn)出（圖4），少部分呈不規(guī)則狀，聚形晶粒徑主要集中在4～11 μm，立方體大小主要為3～6 μm。自然界中晶質(zhì)鈾礦的結(jié)晶形態(tài)受結(jié)晶溫度的影響，結(jié)晶于高溫條件下的晶質(zhì)鈾礦主要呈八面體、立方體或立方體聚形晶的形態(tài)，而結(jié)晶于較低溫度下的晶質(zhì)鈾礦，晶形較差，主要呈不規(guī)則狀或塊狀［17-18］。在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)的晶質(zhì)鈾礦，大多自形程度高，且聚形晶的邊部平直，形態(tài)清晰，所以根據(jù)晶質(zhì)鈾礦的結(jié)晶形態(tài)判斷，其主要形成于高溫條件下。掃描電鏡能譜分析結(jié)果表明，研究區(qū)晶質(zhì)鈾礦的U 含量介于63%～67%，O 含量介于24%～27%；晶質(zhì)鈾礦中除了主要元素U 和O 外，大部分還含有Y、P、Si、Ca 等元素。礦物的主、微量元素組分與其形成的環(huán)境有重要關(guān)系，P、Ca、Si 等元素的帶入，主要是受富磷的碳硅泥質(zhì)圍巖成分的影響，Y 的帶入，主要是受結(jié)晶溫度的影響，通常形成的溫度越高，U4+越容易與釔族稀土的3 價離子發(fā)生類質(zhì)同象［19］。因此從晶質(zhì)鈾礦晶體形態(tài)和礦物成分兩方面均可以判斷，曉坪地區(qū)的晶質(zhì)鈾礦大部分結(jié)晶在高溫條件下。

圖4 晶質(zhì)鈾礦背散射圖像（a）及能譜分析圖（b）Fig.4 BSE image（a）and energy spectrum（b）of uraninite

曉坪坳陷中發(fā)現(xiàn)的瀝青鈾礦主要以不規(guī)則粒狀、膠狀、皮殼狀等形態(tài)產(chǎn)出，部分為膠狀集合體的形態(tài)（圖5），單個礦物顆粒直徑為3～11 μm，其中6 μm 左右的礦物顆粒最為常見，集合體粒徑介于12～22 μm。整體而言，瀝青鈾礦比晶質(zhì)鈾礦稍大，根據(jù)掃描電鏡能譜分析數(shù)據(jù)，其U 含量介于66%～73%，O 含量介于22%～27%，受其賦礦巖石和產(chǎn)地的地球化學背景影響，大部分瀝青鈾礦中含有P、Ca、Na、Al、K 等元素。

圖5 瀝青鈾礦背散射圖像（a）及能譜分析圖（b）Fig.5 BSE image（a）and energy spectrum（b）of pitchblende

研究區(qū)鈾石相對較少，且常與瀝青鈾礦共生在一起（圖6），自形程度較高，單個礦物以短柱狀、柱狀和梭狀為主，集合體形態(tài)呈膠狀、皮殼狀等。鈾石礦物顆粒較大，單體粒徑為4～9 μm，集合體直徑為6～16 μm。掃描電鏡能譜分析表明，鈾石U 含量介于54%～61%，O 含量介于24%～31%，Si 含量介于7%～13%。鈾石中普遍含有P 和Ca，少部分含有Y，Y 的出現(xiàn)指示礦物結(jié)晶于相對較高的溫度環(huán)境下［19］。同時在鈾石附近的重晶石中包裹有硒汞礦。Se是一種親地核的深源元素，其在地核中的含量要遠遠高于在地殼中的含量，地核中Se含量約為40×10-6，而地殼的Se含量僅為0.08×10-6，在地球演化形成的過程中，Se 大都富集在地幔和地核中，屬于典型的深源元素［20］。Y、Se 兩種元素的出現(xiàn)，指示研究區(qū)熱水沉積作用過程中成礦流體攜帶有深源成礦物質(zhì)的參與。部分鈾石邊部和內(nèi)部還可以見到結(jié)晶較晚呈小乳滴狀和不規(guī)則狀分布的方鉛礦（圖7）。

圖6 鈾石與瀝青鈾礦背散射圖像（a）及鈾石能譜分析圖（b）Fig.6 BSE image of pitchblende and coffinite（a），and energy spectrum of coffinite（b）

圖7 鈾石與方鉛礦元素面分布圖Fig.7 Element mapping in coffinite and galena

前人在20 世紀60 年代就開展了關(guān)于曉坪坳陷黑色巖系中鎳、鉬礦化的研究，并且在這一地區(qū)落實了鎳、鉬礦床。前人在這一地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)的鎳礦物可以分為硫化物和硫砷化物兩大類，鎳的硫化物主要包括硫鐵鎳礦、紫硫鎳礦、含鎳黃鐵礦、針鎳礦等；鎳的硫砷化物主要是輝砷鎳礦［21］。隨著近幾年分析測試手段的提高，漆富成等［3］在曉坪坳陷賦礦巖石氣泡孔洞中發(fā)現(xiàn)鎳礦物與晶質(zhì)鈾礦共生在一起，氣泡孔洞四周主要是石英，中部為方硫鎳礦包裹較晚結(jié)晶的輝砷鎳礦和晶質(zhì)鈾礦，方硫鎳礦邊部結(jié)晶形成有閃鋅礦和含鉛黃鐵礦，除方硫鎳礦粒徑較大約80 μm 外，其余礦物顆粒均較小，僅為1～3 μm（圖8）。

圖8 鎳及多金屬礦物背散射圖像［3］Fig.8 BSE image of nickel and polymetallic minerals［3］

鉬元素主要以膠狀集合體的形式存在，Jr Conwet 等［22］研究認為這種集合體是膠硫鉬礦，潘家永等［23］通過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。本次研究發(fā)現(xiàn)這種膠狀集合體中除了Mo、S 兩種主要元素外，同時含有Fe、Ni、As 等雜質(zhì)元素，為了強調(diào)其膠狀集合體的形式，本文將其稱為膠硫鉬礦（圖9）。釩元素的獨立礦物在自然界中非常少，所以獨立的釩礦物不能成為釩礦化中釩元素的主要載體。整個湘西北地區(qū)，釩元素的賦存狀態(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，沒有發(fā)現(xiàn)釩的獨立礦物［24］。本次研究在曉坪坳陷中發(fā)現(xiàn)的釩元素，也都賦存在云母類的黏土礦物中，由于云母類礦物中Al3+離子半徑及化學性質(zhì)與V3+、V4+較為接近，所以V 容易置換Al 進入硅酸鹽礦物晶格中形成類質(zhì)同象而發(fā)生富集［25］。

圖9 鉬礦物背散射圖像（a）及能譜分析圖（b）Fig.9 BSE image（a）and energy spectrum（b）of molybdenum mineral

本次工作通過觀察統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)曉坪坳陷黑色巖系中的鈾多金屬礦物賦存位置可以分為：氣泡孔洞、溶蝕孔洞、沉積物裂隙、礦物間隙4種主要類型。這4 種類型中最主要的礦物賦存位置為氣泡孔洞和溶蝕孔洞，沉積物裂隙和礦物間隙中沉淀的礦物相對較少。氣泡孔洞是在海底噴流作用下深部來源的氣液組分在不斷上涌的過程中，會在早先形成的海底沉積物中沖出孔洞，而后孔洞被熱水溶液中沉淀析出的物質(zhì)逐步充填，孔壁四周形成方解石、石英、重晶石等礦物，中心常結(jié)晶形成多種類型的金屬礦物，前文圖8 所述的鎳礦物與晶質(zhì)鈾礦、閃鋅礦就共同沉淀在一個氣泡孔洞中；溶蝕孔洞是磷塊巖中早先沉積形成的鮞粒狀磷灰石，后期經(jīng)海浪的機械破碎作用和深部流體的溶蝕作用，發(fā)生破碎-溶蝕-重結(jié)晶時在巖石內(nèi)部形成的孔洞，孔洞大小通常介于3～15 μm，前文圖5 中所述的瀝青鈾礦就結(jié)晶形成于磷塊巖內(nèi)部的溶蝕孔洞中。

4 指示意義

曉坪坳陷位于湘西北黑色巖系鈾多金屬成礦帶的最北端，本次工作除過對湘西北黑色巖系成礦帶的北部地區(qū)開展調(diào)查外，還對成礦帶的中部和南部也進行了系統(tǒng)的調(diào)查研究，但由于文章篇幅原因，本文不對中部和南部地區(qū)鈾多金屬礦化展開論述（另外發(fā)表）。但從調(diào)查結(jié)果可以明顯看出，相比南部的吉首坳陷和鳳凰坳陷，曉坪坳陷黑色巖系中的有用元素種類是最多的，吉首坳陷和鳳凰坳陷的礦化元素主要為U、V、Cu 三種，而曉坪坳陷的U、V、Ni、Mo、Cd、Sb、Ba 等元素含量均超過了地殼平均值的百倍至千倍。前人通過研究認為，湘西北地區(qū)的海底噴流熱水口就位于曉坪坳陷區(qū)域內(nèi)［26］，所以曉坪坳陷地區(qū)的鈾多金屬礦化成礦作用溫度相對較高，且元素種類最為豐富，這與本文礦物學工作所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象和得出的結(jié)論具有較好的一致性。曉坪坳陷中發(fā)現(xiàn)的鈾礦物以晶質(zhì)鈾礦和瀝青鈾礦為主，大部分晶質(zhì)鈾礦結(jié)晶較好，主要以立方體和立方集合體聚形晶的形態(tài)產(chǎn)出，不同成因條件的晶質(zhì)鈾礦在結(jié)晶形態(tài)上具有不同特征。通常高溫條件下結(jié)晶的晶質(zhì)鈾礦呈立方體、八面體或菱形十二面體的聚形晶，溫度相對較低的條件下形成的晶質(zhì)鈾礦呈柱狀、塊狀和不規(guī)則狀［17-18］。同時曉坪坳陷中發(fā)現(xiàn)的晶質(zhì)鈾礦大部分含有釔族稀土，通常形成的溫度越高，鈾礦物中的U4+越容易與釔族稀土的3 價離子發(fā)生類質(zhì)同象而被帶入礦物中［19］。曉坪坳陷中發(fā)現(xiàn)的部分鈾石含有Y，Y 是鈾礦物形成溫度的重要標型特征［19］，鈾石周圍的重晶石中含有典型的深源元素Se［20］，這兩種元素的出現(xiàn)也指示研究區(qū)黑色巖系中的礦物結(jié)晶于相對較高的溫度環(huán)境，且海底熱水噴流過程中攜帶有深源成礦物質(zhì)的參與。在賦礦巖石氣泡孔洞中發(fā)現(xiàn)的晶質(zhì)鈾礦＋輝砷鎳礦＋閃鋅礦的高溫礦物組合，也同樣指示曉坪坳陷黑色巖系成礦作用與寒武紀海底噴流過程中不斷上涌的高溫熱水含礦溶液密切相關(guān)。

5 結(jié)論

1）曉坪坳陷中發(fā)現(xiàn)的鈾礦物以晶質(zhì)鈾礦和瀝青鈾礦為主，鈾石相對較少。發(fā)現(xiàn)鈾石邊部和內(nèi)部共生有結(jié)晶較晚的方鉛礦。方硫鎳礦內(nèi)部包裹有較晚結(jié)晶的輝砷鎳礦和晶質(zhì)鈾礦，邊部共生有閃鋅礦和含鉛的黃鐵礦，鉬元素主要以膠硫鉬礦的形式存在，釩元素主要以黏土吸附和類質(zhì)同象兩種方式賦存在礦化巖石中。

2）在晶質(zhì)鈾礦和鈾石中發(fā)現(xiàn)有Y，大部分晶質(zhì)鈾礦以立方體和立方集合體聚形晶的形態(tài)產(chǎn)出，以上特征指示曉坪坳陷的鈾多金屬礦化主要沉淀結(jié)晶于相對較高的溫度環(huán)境下。

3）曉坪坳陷黑色巖系中的鈾多金屬礦化巖石中礦物的賦存位置可以分為氣泡孔洞、溶蝕孔洞、沉積物裂隙、礦物間隙4 種類型，其中最主要的礦物賦存位置為氣泡孔洞和溶蝕孔洞。

4）在賦礦巖石氣泡孔洞中發(fā)現(xiàn)晶質(zhì)鈾礦＋輝砷鎳礦＋閃鋅礦的高溫礦物組合，以上發(fā)現(xiàn)指示，曉坪坳陷黑色巖系成礦作用與海底噴流過程中不斷上涌的深部含礦熱液關(guān)系密切。