相山鈾礦田熱結(jié)構(gòu)特征與成礦關(guān)系
——以鄒家山礦床為例

銀涌兵，李海英，盧 騰，韓飄平，孔德旭，萬(wàn)環(huán)環(huán)，龐文靜，吳志春

(1.江西省地質(zhì)局 核地質(zhì)大隊(duì)，江西 鷹潭 335001；2.江西省能源礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查研究院，江西 南昌330100；3.江西省地質(zhì)調(diào)查勘查院 礦產(chǎn)勘查所，江西 南昌 330038；4.東華理工大學(xué)，江西 南昌330000)

0 引言

熱結(jié)構(gòu)最早由Blackwell提出[1]，主要是指一個(gè)地區(qū)地殼、地幔兩部分熱流的構(gòu)成及分配。地殼淺部放射性元素U、Th、40K衰變產(chǎn)生的地殼熱流與地殼深部及地幔產(chǎn)生的地幔熱流構(gòu)成了地表熱流[2]。汪集旸等[3]對(duì)熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)化補(bǔ)充，認(rèn)為熱結(jié)構(gòu)還應(yīng)包括不同巖層間的熱流構(gòu)成、熱物性參數(shù)、溫度場(chǎng)特征及熱流配分比。熱液型鈾礦是熱液活動(dòng)的產(chǎn)物，其形成不僅需要豐富的鈾源，良好的熱結(jié)構(gòu)環(huán)境更是促使鈾元素活化遷移、富集成礦的必要條件，熱液型鈾礦與熱異常在時(shí)空上具有密切聯(lián)系[4-8]。

相山礦田位于揚(yáng)子陸塊和華夏陸塊兩個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元間經(jīng)歷長(zhǎng)期演化的復(fù)雜結(jié)合帶上，區(qū)內(nèi)多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)頻繁，中生代陸相火山活動(dòng)尤為強(qiáng)烈，大面積發(fā)育的火山巖及次火山巖具有較高的放射性生熱率。礦田鈾礦資源豐富，是我國(guó)最大的火山巖型鈾礦田。以往勘探成果表明，礦田內(nèi)也蘊(yùn)含著豐富的地?zé)豳Y源，且鈾與熱在空間上具有密切的相關(guān)性。前人在本區(qū)主要開(kāi)展了地幔熱流及溫?zé)崴植家?guī)律等研究，對(duì)礦田熱結(jié)構(gòu)特征研究較為欠缺，礦田熱結(jié)構(gòu)與鈾成礦關(guān)系研究相對(duì)空白。

鄒家山礦床是相山礦田內(nèi)典型的超大型礦床的代表，勘探程度高，且部分地段已經(jīng)開(kāi)采，礦床基礎(chǔ)資料豐富。本文以鄒家山礦床作為研究對(duì)象，通過(guò)收集整理以往勘查成果資料，結(jié)合熱物性參數(shù)測(cè)量及前人研究成果，對(duì)礦床熱結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行詳細(xì)研究，同時(shí)，對(duì)比礦床礦體空間分布特征，分析研究熱與鈾的關(guān)系，以期為該區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)及成礦地質(zhì)研究提供支撐。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況及大地?zé)崃魈卣?/h2>

鄒家山礦床位于相山礦田西部，EW向河元背—鳳崗基底斷陷帶和NE向鄒家山—石洞斷裂帶的交匯部位，鉆孔資料顯示，礦床地?zé)岙惓Ｃ黠@。區(qū)內(nèi)地層簡(jiǎn)單,構(gòu)造復(fù)雜,熱液活動(dòng)頻繁(圖1)。基底為青白口系云母石英片巖(Qb)，蓋層為下白堊統(tǒng)打鼓頂組粉砂巖、砂礫巖(K1d1)、流紋英安巖(K1d2)，鵝湖嶺組晶屑玻屑凝灰?guī)r(K1e1)和碎斑熔巖(K1e2)。區(qū)域深大斷裂鄒家山—石洞斷裂帶貫穿礦床，其展布呈尖滅再現(xiàn)和尖滅側(cè)現(xiàn)，走向30°～60°，傾向NW、傾角70°～85°，區(qū)內(nèi)隱伏型火山塌陷構(gòu)造發(fā)育良好，埋深200～500 m。碎斑熔巖和流紋英安巖是礦床主要賦礦圍巖，礦體主要賦存于鄒家山—石洞斷裂的旁側(cè)裂隙及火山塌陷構(gòu)造變陡部位不同巖性界面附近，地?zé)岙惓Ｅc斷裂構(gòu)造關(guān)系密切。

圖1 相山礦田地質(zhì)背景及大地?zé)崃鞣植?/p>

礦田大地?zé)崃鞣植继卣黠@示(表1)，大地?zé)崃髯畹?5.6 mW/m2，最高83.5 mW/m2，平均大地?zé)崃?3.3 mW/m2，略高于江西省實(shí)測(cè)大地?zé)崃骶?0.1 mW/m2，屬相對(duì)高熱流區(qū)，大地?zé)崃鞲唿c(diǎn)落于鄒家山礦床，顯示研究區(qū)地?zé)岙惓?。NE向主斷裂構(gòu)造形成早期呈張扭性，深切基底，溝通、傳導(dǎo)深部熱能，晚期受板塊應(yīng)力影響，構(gòu)造呈壓扭性，利于深部熱能富集、儲(chǔ)存。特別是在火山塌陷構(gòu)造復(fù)合部位，深部熱能與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)熱能疊加，NW向次級(jí)斷裂構(gòu)造為蓋層構(gòu)造，具導(dǎo)水、散熱作用。受此影響，礦田大地?zé)崃髦翟谄矫嫔吓cNE向斷裂構(gòu)造呈正相關(guān)、與NW向斷裂構(gòu)造呈負(fù)相關(guān)，大地?zé)崃髦底罡咛帪镹E向斷裂構(gòu)造與火山塌陷構(gòu)造的復(fù)合部位。

表1 相山礦田大地?zé)崃鹘y(tǒng)計(jì)

2 熱物性參數(shù)

2.1 地溫梯度

地溫梯度是研究地溫場(chǎng)及熱結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)之一，反映一定范圍內(nèi)溫度隨深度的變化關(guān)系。地溫梯度利用鉆孔井溫實(shí)測(cè)而得。井溫測(cè)量采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量法，測(cè)量?jī)x器為JW238型數(shù)字井溫儀，測(cè)井時(shí)間與鉆孔水位靜止時(shí)間相隔24 h以上。經(jīng)與靜井2年多的鉆孔穩(wěn)態(tài)測(cè)溫結(jié)果對(duì)比，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量與穩(wěn)態(tài)測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差較小(<1.5 ℃)，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量結(jié)果較為可靠，可做基礎(chǔ)資料研究使用。

2.2 熱導(dǎo)率

巖石熱導(dǎo)率是表征巖石傳熱特性的物理量，是研究地殼、上地慢熱結(jié)構(gòu)和地球深部熱狀態(tài)的重要參數(shù)。影響巖石熱導(dǎo)率的因素較多，主要有巖石成分、顆粒物粒度和結(jié)構(gòu)、孔隙度、水飽和度、滲透率、濕度、壓力等。巖石熱導(dǎo)率測(cè)試由東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)實(shí)施，測(cè)試儀器為德國(guó)TCS熱導(dǎo)率測(cè)試儀，測(cè)試精度±3%，樣品為鉆孔原生帶巖心。

前人研究結(jié)果表明，巖石熱導(dǎo)率受溫度影響較大，實(shí)測(cè)熱導(dǎo)率采用如下公式[10]進(jìn)行校正：

K(0)=K(25){1.007+25[0.0037-0.0074/K(25)]} ，

(1)

K(T)=K(0){1.007+T[0.0036-0.0072/K(0)]} ，

(2)

式中：T為鉆孔巖心原位溫度，℃；K(0)和K(25)分別為巖心在0℃和25℃時(shí)的熱導(dǎo)率值，W/(m·K)。

2.3 生熱率

巖石生熱率是單位體積巖石中所含放射性元素在單位時(shí)間由衰變所釋放的能量，標(biāo)志著巖石自身生熱能力的高低[11-12]。依據(jù)巖石放射性核素U、Th、K實(shí)測(cè)含量，采用Rybach提出的生熱率計(jì)算方法[13]獲得巖石生熱率:

A=0.01ρ(9.52CU+2.56CTh+3.48CK)

，

(3)

式中：A為巖石生熱率，μW/m3；ρ為巖石密度,g/cm3；CU為鈾含量，10-6；CTh為釷含量，10-6；CK為鉀含量，10-2。

該方法在采集鉆孔巖心進(jìn)行分析測(cè)試的基礎(chǔ)上，能最大限度地獲取巖石生熱率實(shí)際特征，但對(duì)于深部巖體，受制于鉆孔深度影響，不能通過(guò)實(shí)測(cè)其放射性核素含量來(lái)計(jì)算深部巖體生熱率。針對(duì)這一情況，Rybach[13]從地球物理角度出發(fā)，研究了地震波縱波速度與巖石放射性生熱率的關(guān)系，建立了波速與生熱率間的相關(guān)關(guān)系：

InA=(16.5-2.74)Vp

，

(4)

式中：Vp為縱波波速，km/s。

依據(jù)江西上地殼三維速度結(jié)構(gòu)特征，合成獲取研究區(qū)不同深度縱波波速值[14]，計(jì)算得到深部巖體生熱率值。

2.4 熱流配分比

熱流配分比是巖石圈熱結(jié)構(gòu)研究中非常重要的內(nèi)容[15-16]，可據(jù)此獲得熱分布狀態(tài)，建立研究區(qū)熱結(jié)構(gòu)。地殼熱流是地殼各結(jié)構(gòu)層放射性生熱量的疊加結(jié)果，可采用“剝層法”計(jì)算各結(jié)構(gòu)層熱流(式(5))，進(jìn)而獲得地殼熱流(式(6))；結(jié)合大地?zé)崃鳎捎?jì)算出地幔熱流(式7)，最終獲得殼幔熱流配分比：

qi=Ai·Di

，

(5)

qc=∑qi

，

(6)

qm=q0-qc

。

(7)

式中：qi為結(jié)構(gòu)層熱流，mW/m2；Ai為結(jié)構(gòu)層巖石生熱率，μW/m3；Di為結(jié)構(gòu)層厚度，km；qc為地殼熱流，mW/m2；qm為地幔熱流，mW/m2，q0為地表大地?zé)崃?，mW/m2。

3 熱結(jié)構(gòu)特征

3.1 地溫梯度特征

研究區(qū)平均地溫梯度為4.01 ℃/100 m[17]，高于區(qū)域平均地溫梯度3.06 ℃/100 m[14]。地溫梯度等值線在平面上呈帶狀展布(圖2)，其分布特征與大地?zé)崃鞣植继卣骶哂休^強(qiáng)的一致性，二者皆受控于斷裂構(gòu)造。地溫梯度自鄒家山—石洞斷裂帶兩側(cè)向中心部位逐漸增高，高梯度等值線呈不規(guī)則團(tuán)狀展布于鄒家山—石洞斷裂帶、火山塌陷構(gòu)造附近，走向與鄒家山—石洞斷裂帶走向一致，體現(xiàn)了鄒家山—石洞斷裂帶對(duì)地溫梯度的控制性；同時(shí)，在地溫梯度帶內(nèi)，地溫等值線的不均勻、非線性展布特征，體現(xiàn)了深部塌陷構(gòu)造對(duì)地溫梯度的疊加影響效應(yīng)。垂向上，不同深度地溫梯度差異明顯，變化趨勢(shì)同樣受控于斷裂構(gòu)造，靠近鄒家山—石洞斷裂帶及火山塌陷構(gòu)造部位的實(shí)測(cè)地溫梯度明顯增大，增幅為(2～3) ℃/100 m，近NW向斷裂構(gòu)造部位的實(shí)測(cè)地溫梯度相對(duì)降低，降幅為(1～2) ℃/100 m。

圖2 鄒家山礦床地溫梯度平面等值線

將地溫梯度大于研究區(qū)平均地溫梯度定義為地溫異常，異?？臻g展布特征主要受蓋層斷裂及塌陷構(gòu)造聯(lián)合控制。切穿基底的NE向鄒家山—石洞斷裂規(guī)模較大，具有多期次活動(dòng)的特點(diǎn)，為深部熱源傳導(dǎo)和地下水的深循環(huán)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了良好條件，控制著地溫異常的走向，NW向斷裂構(gòu)造為研究區(qū)補(bǔ)水構(gòu)造，具有降溫作用，控制著地溫異常的寬度。火山塌陷構(gòu)造呈隱伏態(tài)，埋藏較深，構(gòu)造面巖石破碎，具有良好的儲(chǔ)熱、儲(chǔ)水功能，火山塌陷構(gòu)造與鄒家山—石洞斷裂帶交匯部位控制著地溫異常閾，異常幅值達(dá)6.8 ℃/100 m。

3.2 熱結(jié)構(gòu)模型

研究區(qū)0～1.46 km深度地層分布及巖石生熱率特征依據(jù)式(3)據(jù)實(shí)計(jì)算而得，1.46～6.12 km深度地層結(jié)構(gòu)及生熱率依據(jù)式(3)參照基底巖石分析結(jié)果計(jì)算近似代表，6.12 km至莫霍面地層結(jié)構(gòu)及巖石生熱率依據(jù)式(4)結(jié)合區(qū)域地殼三維速度結(jié)構(gòu)計(jì)算得到。

0～0.89 km深度結(jié)構(gòu)層為下白堊統(tǒng)鵝湖嶺組火山巖，巖性以碎斑熔巖為主，該結(jié)構(gòu)層巖石生熱率平均值為4.39 μW/m3；0.89～1.46 km深度結(jié)構(gòu)層為下白堊統(tǒng)打鼓頂組火山巖，巖性以流紋英安巖為主，該層巖石生熱率平均值為3.68 μW/m3；1.46～6.12 km深度結(jié)構(gòu)層為上地殼層，巖性以沉積變質(zhì)巖和花崗巖為主，該層巖石生熱率平均值為1.51 μW/m3。

中地殼巖石以花崗巖、高角閃巖相和麻粒巖相變質(zhì)巖為主，下地殼巖石以玄武巖質(zhì)巖石和殼?；烊蹘r石為主。中、下地殼結(jié)構(gòu)分層以地層波速界線細(xì)化，表2為依據(jù)波速與生熱率關(guān)系計(jì)算出的各結(jié)構(gòu)層熱結(jié)構(gòu)。

表2 研究區(qū)巖石圈熱結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

綜合研究區(qū)地殼各結(jié)構(gòu)層參數(shù)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算地殼熱流分層特征，建立了研究區(qū)地殼生熱率及巖石圈熱結(jié)構(gòu)概念模型(圖3)。研究區(qū)地殼熱流為35.33 mW/m2，地幔熱流為48.16 mW/m2，殼、幔熱流比為0.73，屬“熱幔冷殼”型，與汪集旸等[18]、邱楠生[19]對(duì)中國(guó)東部地區(qū)熱結(jié)構(gòu)特征研究結(jié)果一致。上地殼熱流值為13.05 mW/m2，中地殼熱流值為16.13 mW/m2，下地殼熱流值為6.16 mW/m2，地殼熱流主要受上地殼、中地殼巖石放射性核素衰變生熱的影響。

圖3 礦床生熱率模型及熱結(jié)構(gòu)特征

4 熱結(jié)構(gòu)與成礦關(guān)系

4.1 熱源與鈾源

研究區(qū)屬鈾釷混合、以鈾為主型礦床，礦床鈾平均品位為0.3%，約為含礦圍巖平均品位的400倍。巖石U、Th元素衰變生熱量大于總生熱量的90%，大面積分布的高品位礦體源源不斷地釋放熱能，為地表高熱流的形成提供物質(zhì)來(lái)源。

總體熱結(jié)構(gòu)顯示，研究區(qū)6 km以淺上地殼巖石的生熱率相對(duì)較高，約為深部巖石生熱率的3～8倍，上地殼產(chǎn)生的熱流大于地殼熱流的三分之一，特別是早白堊世火山巖產(chǎn)生的熱流約為地殼熱流的六分之一，其厚度僅為地殼厚度的4%，暗示上地殼鈾源豐富，早白堊世火山巖是區(qū)內(nèi)主要鈾源體。

4.2 空間展布特征

研究區(qū)礦體及熱結(jié)構(gòu)平面分布特征主要受鄒家山—石洞斷裂帶和火山塌陷構(gòu)造聯(lián)合控制，總體呈NE向展布，斷裂帶與塌陷構(gòu)造交匯部位是成礦主體部位[20-21]，也是熱異常中心部位。貫穿全區(qū)的NE向鄒家山—石洞深大斷裂帶切穿結(jié)晶基底，張扭性斷裂構(gòu)造溝通深部熱源(液)，受深部熱流上涌影響，斷裂構(gòu)造兩側(cè)一定范圍內(nèi)巖石發(fā)生水熱蝕變，圍巖性質(zhì)發(fā)生變化，巖溫相對(duì)升高，孔隙度變大，巖石地球化學(xué)環(huán)境及機(jī)械物理性質(zhì)發(fā)生改變，深部成礦熱液及礦化劑向上運(yùn)移并發(fā)生熱液作用，鈾、釷離子有效遷移，在堿交代作用下初步富集于斷裂構(gòu)造附近，形成低級(jí)鈾源建造即成礦地質(zhì)體，該地質(zhì)體控制著礦帶平面范圍。受熱傳導(dǎo)及熱液溫度影響，巖石蝕變帶地溫梯度相對(duì)升高，呈熱異常態(tài)，在平面上，地溫異常(地溫梯度大于4 ℃/100 m)范圍與礦帶展布范圍基本一致，走向上受NE向鄒家山—石洞導(dǎo)熱斷裂帶控制，主要分布于鄒家山—石洞斷裂帶上盤(pán)，異常中心(地溫梯度大于5 ℃/100 m)為鉆孔揭露的火山塌陷構(gòu)造的反映(圖4)。據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，地表巖石地溫高值區(qū)為火山塌陷構(gòu)造與鄒家山—石洞斷裂構(gòu)造交匯平面投影位置，礦體分布于高值區(qū)兩側(cè)，且主要分布于火山塌陷構(gòu)造的下盤(pán)，礦體的形成對(duì)巖性無(wú)選擇性，但受塌陷構(gòu)造形成因素影響(打鼓頂組流紋英安巖向火山盆地中心滑塌)，礦體巖性以打鼓頂組流紋英安巖為主。

圖4 研究區(qū)地溫與礦體平面投影

隨著火山活動(dòng)加劇，火山塌陷規(guī)模發(fā)育，在與斷裂帶的復(fù)合部位形成拉張空間，該空間由一系列滑塌裂隙帶組成，在空間分布上具有成群、成帶的特點(diǎn)，總體呈不規(guī)則脈狀、透鏡狀，少數(shù)為囊狀。深部熱液、熱流運(yùn)移、匯聚至此，形成溶液容礦地質(zhì)體及高溫?zé)醿?chǔ)體。伴隨大氣降水的不斷滲入，空間內(nèi)成礦溶液物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，逐步呈中—酸性，鈾、釷離子在還原條件下分別以U4+與Th4+鈾酰碳酸鹽絡(luò)合物、鹵化物或以硅酸鹽絡(luò)合物形式遷移、沉淀[22]，形成富大礦體。深部熱液、熱流是礦體形成的必要物質(zhì)及熱源條件，在垂向上，礦體形成時(shí)富集的熱流造就了礦與熱的一致性(圖5)，同時(shí)，高品位礦體不斷衰變產(chǎn)熱，疊加形成礦化異常與地溫異常高度重合的現(xiàn)今地?zé)釄?chǎng)特征。

1—下白堊統(tǒng)鵝湖嶺組碎斑熔巖；2—下白堊統(tǒng)打鼓頂組流紋英安巖；3—斷裂構(gòu)造；4—地層界線;5—工業(yè)礦體；6—地溫等值線(℃)；7—蝕變帶范圍；8—鉆孔

4.3 找礦指示

前人研究結(jié)果表明，地?zé)峥勺鳛檎业V突破標(biāo)志之一應(yīng)用到熱液型鈾礦床找礦勘查中，尤其在利用鈾礦與地?zé)釄?chǎng)分布的密切關(guān)系指導(dǎo)深部鈾礦勘查上發(fā)揮著重大作用[23]。地?zé)岙惓Ｅc礦體(帶)空間分布特征的一致性是構(gòu)建研究區(qū)地溫找礦指示的重要依據(jù)。地溫梯度大于4 ℃/100 m為找礦第一標(biāo)志，該標(biāo)志指示成礦第一平面空間即礦床定位空間，其范圍受NE向斷裂構(gòu)造帶及火山塌陷構(gòu)造聯(lián)合控制，寬約300 m，建議找礦勘查中地溫梯度測(cè)量平面點(diǎn)距小于50 m。地溫梯度異常軸線為導(dǎo)熱控礦構(gòu)造反應(yīng)，軸線兩側(cè)地溫梯度等值線密度則是找礦第二標(biāo)志，等值線密集度越高，反映深部熱變強(qiáng)烈，容礦控礦空間更大，為富大礦體賦存有利部位。

5 結(jié)論

本文以鄒家山礦床為例，通過(guò)井溫測(cè)井、取樣測(cè)試等工作，分析了相山鈾礦田熱結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合礦體(帶)分布特征，研究了熱與礦的關(guān)系，結(jié)論如下：

1)鄒家山礦床地溫梯度平均值為4.01 ℃/100 m，高于礦田地溫梯度的平均值(3.06 ℃/100 m)。地溫異常主要受鄒家山—石洞斷裂構(gòu)造帶及火山塌陷構(gòu)造聯(lián)合控制，總體呈NE向。

2)礦床地殼熱流為35.33 mW/m2，地幔熱流為48.16 mW/m2，殼、幔熱流比為0.73，屬“熱幔冷殼”型；地殼熱流主要來(lái)源于上地殼、中地殼巖石放射性核素衰變產(chǎn)熱。

3)總體熱結(jié)構(gòu)顯示，研究區(qū)上地殼鈾源豐富，早白堊世火山巖是區(qū)內(nèi)主要鈾源體。

4)現(xiàn)今地?zé)釄?chǎng)顯示，研究區(qū)熱異常與礦體(帶)空間分布特征鏡像重合，二者皆受控于斷裂構(gòu)造分布特征。

5)地溫梯度大于4 ℃/100 m為礦床平面定位標(biāo)志，地溫異常軸線旁側(cè)等值線密集帶是富大礦體賦存的有利部位。