廣東省電白區(qū)濱海砂礦型釷資源成礦特征

孟艷寧，范洪海，陳金勇

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

放射性礦產(chǎn)資源是重要的核能資源，是核電產(chǎn)業(yè)的“糧食”。為確保我國(guó)核電事業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，必須有足夠的、多樣化的核燃料供應(yīng)。釷是除鈾以外另一種重要的核能資源。據(jù)《前瞻網(wǎng)》和《科普大世界》公開報(bào)道，2021年9月，我國(guó)在甘肅武威試驗(yàn)的第一座商業(yè)化運(yùn)營(yíng)釷基熔鹽堆（第四代核電六種堆型之一），是未來第四代核電技術(shù)的領(lǐng)頭羊，標(biāo)志著我國(guó)成為世界上第一個(gè)對(duì)第四代核電技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化試驗(yàn)運(yùn)營(yíng)的國(guó)家。

我國(guó)的釷資源豐富，已探明釷資源量目前已達(dá)百萬噸，分布遍及我國(guó)23個(gè)省份［1-2］。獨(dú)居石砂礦是目前最容易開采且具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的釷和稀土資源，最早發(fā)現(xiàn)于巴西的海灘上，我國(guó)于1964年建成了第一條以獨(dú)居石為原料的稀土生產(chǎn)線。目前國(guó)家已經(jīng)禁止開采單一獨(dú)居石礦，我國(guó)現(xiàn)有獨(dú)居石礦并不是從單一獨(dú)居石礦開采而來，主要來源為國(guó)內(nèi)選礦企業(yè)將進(jìn)口或國(guó)內(nèi)含鋯英砂較高的砂礦提煉鋯英石、金紅石和鈦鐵礦后形成的副產(chǎn)品礦，包括磷釔礦和獨(dú)居石。我國(guó)的濱海砂礦型釷資源是獨(dú)居石、磷釔礦的主要賦存類型，其分布廣泛，多位于我國(guó)東南沿海廣東、福建及臺(tái)灣地區(qū)［2-4］。濱海砂礦型釷資源的成礦特征研究，為該類型釷資源的勘查評(píng)價(jià)和綜合利用提供了參考，也是新形勢(shì)下落實(shí)重要釷資源開發(fā)礦產(chǎn)地和新增釷資源儲(chǔ)量的重要保障。

1 地質(zhì)概況

廣東大陸海岸線漫長(zhǎng)，濱海砂礦資源豐富，礦床（點(diǎn)）眾多，濱海砂礦獨(dú)居石、磷釔礦、鋯英石、鈦鐵礦和金紅石的儲(chǔ)量在全國(guó)各省市的同類型礦床中名列首位，是我國(guó)上述礦產(chǎn)的重要產(chǎn)區(qū)。區(qū)域上廣東沿海地帶基巖分布規(guī)律不同，表現(xiàn)為粵東地區(qū)發(fā)育燕山第三、四期花崗巖，及下侏羅統(tǒng)砂頁(yè)巖和上侏羅統(tǒng)火山巖系；粵中地區(qū)發(fā)育加里東期、燕山期花崗巖及侏羅系地層；粵西雷州半島一帶，大片出露第四系玄武巖及新生代沉積地層。上述巖體、地層中的副礦物均是濱海沉積砂礦的主要來源。

廣東省電白區(qū)濱海砂礦型釷資源主要位于電白縣電城鎮(zhèn)以南沿海一帶，東起正新村南側(cè)，經(jīng)下村到沙尾村一帶的海灘，總長(zhǎng)度約20 km（圖1）。沿途多為魚苗、蝦苗的養(yǎng)殖場(chǎng)，北西側(cè)為大面積的河流沖積砂礦，零星出露燕山期花崗巖和片麻巖。研究區(qū)區(qū)域上位于離坪山脈加里東期花崗巖侵入體西南端的東側(cè)，區(qū)域構(gòu)造呈北東-南西向，控制了該區(qū)的花崗巖分布和地形、地貌特征。研究區(qū)地層屬于海成砂堤的細(xì)砂堆積和港灣內(nèi)的潟湖沉積，與獨(dú)居石礦相關(guān)的地層為海成砂礦，均屬于第四系更新統(tǒng)與全新統(tǒng)沉積地層［5-10］。

圖1 廣東省電白區(qū)濱海砂礦區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖及采樣位置（據(jù)參考文獻(xiàn)［11］修改）Fig.1 Regional geological sketch and sampling location of coastal placer in Dianbai area，Guangdong Province（Modified after reference［11］）

區(qū)域上電白地區(qū)位于茂名盆地的西側(cè)，中新生代以來受西伯利、太平洋和印度板塊的擠壓應(yīng)力體系影響；志留紀(jì)末期，加里東運(yùn)動(dòng)形成了以北東方向?yàn)橹鞯膽?yīng)力體系；晚二疊紀(jì)至三疊紀(jì)，構(gòu)造以隆升為主，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩和；燕山期形成了北北西向的拉張、剪切應(yīng)力體系；喜馬拉雅期區(qū)域拉張作用不斷增強(qiáng)［12-13］。

2 樣品采集與數(shù)據(jù)分析

2.1 樣品采集

研究區(qū)的野外地質(zhì)調(diào)查工作查參照中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《1：5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作指南》中的路線地質(zhì)調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)，地質(zhì)調(diào)查點(diǎn)距200 m，在能譜高值區(qū)加密至50～100 m。本次研究工作對(duì)電城鎮(zhèn)東南部長(zhǎng)約20 km的濱海砂進(jìn)行了樣品采集，共采集樣品14件（表1、圖1）。其中在沙尾村東南的濱海砂中發(fā)現(xiàn)了高釷含量的獨(dú)居石砂礦，高釷含量砂體長(zhǎng)度約3 km，采集樣品7件。

表1 電白地區(qū)重砂樣品采集信息Table 1 Sampling information in Dianbai area

如圖2a所示，電白地區(qū)的濱海砂為土黃色細(xì)粒濱海砂，主要成分為長(zhǎng)石和石英，沿北北東向海岸線分布，粒度均勻變化不大，地表出露地層厚度0.5～3 m，能譜測(cè)量放射性Th含量均不高，一般為（10～30）×10-6。電白地區(qū)的富釷砂礦明顯區(qū)別于正常濱海砂，呈灰黑色、薄層狀，與土黃色細(xì)粒砂互層，富釷砂礦層厚度3～10 cm不等（圖2b），富釷砂礦體沿北北西向分布長(zhǎng)度可達(dá)50～200 m，富含鈦鐵礦與獨(dú)居石等副礦物。

圖2 電白地區(qū)濱海砂礦Fig.2 Photos of coastal sand in Dianbai area

對(duì)挑選的典型樣品進(jìn)行了微量元素分析，并對(duì)富釷樣品進(jìn)行了重砂單礦物挑選，其中的鋯石礦物顆粒通過LA-ICP-MS試驗(yàn)分析，主要用于單礦物U-Pb定年。

2.2 微量元素分析

采集的樣品在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試中心完成了微量元素分析，分析測(cè)試設(shè)備為NexION300D等離子體質(zhì)譜儀，詳細(xì)分析方法見《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法 第30部分：44個(gè)元素量測(cè)定》（GB/T 14506.30—2010），稀土元素分析結(jié)果見表2。

稀土元素的原子結(jié)構(gòu)決定了其在自然界中的行為及其地球化學(xué)的性質(zhì)，其總是作為一組共生的元素出現(xiàn)在巖石或礦物中。經(jīng)歷過相同巖漿作用過程的地質(zhì)體具有一致的稀土元素配分曲線，因此不同地質(zhì)體稀土元素分布曲線常常被用來判斷是否經(jīng)歷相同的演化過程，對(duì)于砂礦而言可判斷其是否同源。

本文選取了6個(gè)富釷樣品DB20-5、DB20-6、DB20-7、DS20-8、DB20-9、DB20-10的 稀土元素?cái)?shù)據(jù)和8個(gè)正常樣品的稀土元素?cái)?shù)據(jù)。根據(jù)分析數(shù)據(jù)繪制了稀土元素配分曲線圖（圖3），稀土元素配分曲線顯示了富釷樣品和正常樣品具有相似的配分特征，說明電白地區(qū)濱海砂礦的物源區(qū)統(tǒng)一。根據(jù)茂名盆地古氣候和水動(dòng)力特征分析，認(rèn)為均來自濱海砂礦西北側(cè)的花崗巖（離坪山脈花崗巖）［12］。如圖3所示稀土元素配分曲線呈右傾輕稀土富集特征，并呈明顯的負(fù)銪異常，與S型花崗巖稀土元素特征一致。同時(shí)由圖3可見富釷樣品DB20-7、DB-8、DB-9、DB-10的稀土含量明顯高于正常樣品的稀土含量，且稀土元素含量越高的樣品，其釷含量越高，表明釷與稀土元素具有正相關(guān)關(guān)系，這一特征主要是由于釷和稀土元素均呈類質(zhì)同象賦存于重砂礦物獨(dú)居石中造成的。

圖3 電白地區(qū)重砂樣品稀土元素配分曲線Fig.3 REE pattern of heavy placer samples in Dianbai area

微量元素研究顯示，根據(jù)部分熔融過程元素的分配特點(diǎn)，大離子親石元素向巖石圈上部富集越來越強(qiáng)烈，大離子親石元素富集在大陸地殼中，在巖漿活動(dòng)中可以指示是否存在地幔物質(zhì)與地殼物質(zhì)發(fā)生交換，用以判別成巖的構(gòu)造環(huán)境。

同樣本文選取了6個(gè)富釷樣品DB20-5、

DB20-6、DB20-7、DS20-8、DB20-9、DB20-10

的稀土元素?cái)?shù)據(jù)和8個(gè)正常樣品的大離子親石元素?cái)?shù)據(jù)。根據(jù)分析數(shù)據(jù)繪制了大離子元素蛛網(wǎng)圖（圖4），大離子親石元素蛛網(wǎng)圖均顯示同樣的分布特征，說明電白地區(qū)濱海砂礦富釷樣品與正常樣品具有相同的演化過程，其物源區(qū)統(tǒng)一，均來自濱海砂礦西北側(cè)的花崗巖。所有樣品的大離子親石元素分布特征一致，Ba和Sr強(qiáng)烈虧損，富釷樣品大離子親石元素含量明顯高于正常樣品的大離子親石元素含量，這也說明了源區(qū)花崗巖具有大量巖石圈物質(zhì)的參與。

圖4 電白地區(qū)重砂樣品大離子元素蛛網(wǎng)圖Fig.4 Spider diagram of large ionic radius elements of heavy placer samples in Dianbai area

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2.3 重砂礦物分析

根據(jù)野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的能譜數(shù)據(jù)，對(duì)采集的樣品進(jìn)行了初步的分析，挑選了Th能譜值高于100×10-6的DB20-5、DB20-6、DB20-7、DB20-8、DB20-9、DB20-10等6個(gè)樣品進(jìn)行重點(diǎn)分析。根據(jù)微量元素測(cè)定結(jié)果（表2）選擇了含釷量最高的兩個(gè)典型重砂樣品DB20-9、DB20-10，進(jìn)行重砂礦物鑒定分析，結(jié)果顯示重砂樣品中最重要的富釷礦物是獨(dú)居石，共伴生礦物是鈦鐵礦、鋯石、電氣石、褐鐵礦、銳鈦礦及少量白鈦礦（表3），富釷樣品中鈦鐵礦含量高，這是導(dǎo)致野外調(diào)查時(shí)富釷沉積砂礦明顯呈灰黑色的主要原因。因此灰黑色富鈦鐵礦及獨(dú)居石砂體的出現(xiàn)可以作為該類沉積型砂礦的找礦標(biāo)志（圖2b）。

表3 電白地區(qū)重砂樣品礦物鑒定信息Table 3 Placer minerals identification of samples in Dianbai area

如表3所示，富釷樣品中的重砂礦物中鈦鐵礦含量均大于45%，分別為46.9%～47.7%；其次是獨(dú)居石和電氣石，其中獨(dú)居石是主要的富釷礦物，含量分別為22.6%和3.5%；另外樣品中鋯石含量均較高，占比13.5%～16.8%，鋯石中微量類質(zhì)同象存在的釷也是該區(qū)釷的賦存形式之一；其次重砂礦物中含量較高的褐鐵礦、銳鈦礦及少量白鈦石。

2.4 蝕源區(qū)年齡測(cè)定

將典型樣品DB20-9和DB20-10進(jìn)行鋯石單礦物制靶和鋯石鈾鉛同位素年齡測(cè)定。樣品的分析實(shí)驗(yàn)在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試中心完成，采用的儀器為Element XR型高分辨電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、Geolas 193準(zhǔn)分子固體激光器，鋯石U-Pb同位素分析數(shù)據(jù)如表4所示，鋯石定年結(jié)果見圖5、6。DB20-9樣品的U-Pb同位素測(cè)試數(shù)據(jù)為8個(gè)（諧和度高），其加權(quán)平均年齡和諧和年齡數(shù)據(jù)一致為445 Ma；DB20-10樣品的U-Pb同位素測(cè)試數(shù)據(jù)為7個(gè)（諧和度高），其加權(quán)平均年齡與和諧年齡數(shù)據(jù)一致為441 Ma。由此分析結(jié)果顯示該地區(qū)富釷樣品的鋯石的U-Pb年齡為441～445 Ma。濱海砂礦中的鋯石來自西北側(cè)的花崗巖，且形成沉積砂礦后未經(jīng)歷過任何熱事件的擾動(dòng)，鋯石年齡代表了蝕源區(qū)花崗巖的形成年齡為晚奧陶世。

圖5 電白地區(qū)重砂樣品DB-9鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.5 Concordant U-Pb age diagram of zircon in heavy placer sample DB-9 from Dianbai area

表4 電白地區(qū)鋯石U-Pb同位素定年數(shù)據(jù)Table 4 U-Pb dating data of zircon in Dianbai area

電白地區(qū)濱海砂礦的研究資料較少，缺少蝕源區(qū)花崗巖的形成年齡的精確定年數(shù)據(jù)。本次通過分析兩個(gè)富釷樣品中單顆粒鋯石的U-Pb定年數(shù)據(jù)，獲得了一致的同位素年齡441～445 Ma，精確測(cè)定了濱海砂礦蝕源區(qū)的形成年齡，對(duì)了解研究區(qū)的巖漿演化過程提供了年代學(xué)證據(jù)。

圖6 電白地區(qū)重砂樣品DB-10鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.6 Concordant U-Pb age diagram of zircon in heavy placer sample DB-10 from Dianbai area

3 釷成礦條件分析

研究區(qū)電白濱岸地帶被第四系更新統(tǒng)、全新統(tǒng)沉積地層覆蓋，其西北側(cè)面出露加里東晚期花崗巖及部分片巖，巖體大致呈北東-南西向分布，為深成相，巖基產(chǎn)出。后期由于緩慢的構(gòu)造隆升，花崗巖抬升剝蝕。在20 km2的工作區(qū)內(nèi)，花崗巖體風(fēng)化剝蝕、淋蝕作用極為強(qiáng)烈。其剝蝕面略向海傾斜。古老風(fēng)化殼呈紅白相間花斑狀，新鮮基巖構(gòu)成渾圓狀低山丘陵，巖體裸露嶙峋，崩塌巖堆普遍?；鶐r為濱海砂礦區(qū)第四紀(jì)沉積地層的基底和碎屑物質(zhì)的重要來源。

電白地區(qū)濱海砂礦是典型的沉積砂礦型釷礦，研究區(qū)屬于亞熱帶海洋性氣候，炎熱和潮濕的氣候環(huán)境有利于西北部花崗巖的風(fēng)化作用。本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)以振蕩性升降為主，風(fēng)化沉積物經(jīng)受陸源水流沖刷及海水激岸浪流的交替侵蝕，使原先風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理發(fā)育的古生代（441～445.8 Ma）花崗巖體遭沖刷破碎，為沉積砂礦的形成提供了極其豐富的碎屑物質(zhì)，在濱海開闊處及水流較緩的區(qū)域形成了基底較為平緩的沉積場(chǎng)所。

沉積砂礦形成后，其繼續(xù)在水動(dòng)力的搬運(yùn)及重力的影響下，經(jīng)過海水的反復(fù)沖刷、淘洗，使得水動(dòng)力條件較強(qiáng)地區(qū)形成了重礦物富集的沉積砂礦型釷礦（圖7）。

圖7 電白地區(qū)濱海砂礦成礦作用示意圖Fig.7 Schematic diagram of coastal placer metallogenic progress in Dianbai area

3.1 物質(zhì)來源

穩(wěn)定、豐富的物源區(qū)是沉積砂礦形成的首要條件。形成沉積砂礦型釷礦的物源區(qū)一般來源于花崗巖及堿性巖。研究區(qū)濱海砂礦的物源區(qū)來自其西北側(cè)的晚奧陶世花崗巖，其在緩慢抬升的構(gòu)造背景下，高溫、潮濕的環(huán)境使其極易風(fēng)化破碎，為濱海沉積砂礦提供了穩(wěn)定、豐富的物源。

3.2 地形地貌

沉積砂礦的形成受地形地貌制約較重，制約電白地區(qū)沉積砂礦形成的地形地貌因素主要為弧形海灣和廣闊的海成平原。上游水系從物源區(qū)攜帶的大量松散碎屑物，在水動(dòng)力條件緩慢的海成平原區(qū)沉積和富集，弧形海灣潮汐作用下潮流的變化，使得碎屑沉積物在海水淘洗和重力作用下形成了重砂型砂礦。

3.3 構(gòu)造環(huán)境

沉積砂礦的形成需要區(qū)域上穩(wěn)定的大地構(gòu)造環(huán)境，緩慢的構(gòu)造抬升易于物源區(qū)花崗巖的抬升和風(fēng)化剝蝕，穩(wěn)定的大地構(gòu)造環(huán)境是碎屑物持續(xù)運(yùn)移、沉積和保存的必要條件，最終形成了穩(wěn)定的第四系沉積層和重砂礦體的廣泛分布。

4 結(jié)論

1）電白地區(qū)濱海砂礦型釷資源是典型的沉積型釷資源，灰黑色細(xì)粒濱海砂是富釷濱海砂礦的找礦標(biāo)志，濱海砂礦中的主要富釷礦物為獨(dú)居石，共伴生礦物為鈦鐵礦、鋯石、電氣石、褐鐵礦、銳鈦礦及少量白鈦礦。

2）通過對(duì)濱海砂礦樣品的稀土、微量元素分析，表明電白地區(qū)濱海砂礦的物源區(qū)單一穩(wěn)定，為其上游地區(qū)的晚奧陶世花崗巖；富釷樣品的鋯石U-Pb定年結(jié)果為441～445 Ma，指示了物源區(qū)花崗巖的年齡為加里東期晚奧陶世。

3）提供穩(wěn)定物源的富釷花崗巖，易于風(fēng)化剝蝕的氣候條件，適宜碎屑物搬運(yùn)沉積的地形地貌，以及穩(wěn)定的大地構(gòu)造環(huán)境和蝕源區(qū)緩慢的構(gòu)造抬升，是電白地區(qū)濱海砂礦型釷資源的形成條件。

4）我國(guó)具有豐富的沉積砂礦型釷資源，其中濱海砂礦型釷資源具有易于開采和利用的特點(diǎn)。由于我國(guó)具有綿長(zhǎng)的海岸線及適宜風(fēng)化的氣候，濱海砂礦型釷資源潛力較大。該類型釷資源成礦特征的研究，對(duì)我國(guó)其他地區(qū)濱海砂礦型釷資源的勘查和開發(fā)提供了參考。