華南諸廣山中部鹿井鈾礦田構(gòu)造活化數(shù)值模擬

劉傳東, 李增華*, 郭春影, 鄧 騰, 郭福生, 許德如, 韋曉艷, 鄒永強, 郭世超

華南諸廣山中部鹿井鈾礦田構(gòu)造活化數(shù)值模擬

劉傳東1, 2, 李增華1, 2*, 郭春影3, 鄧 騰1, 2, 郭福生1, 2, 許德如1, 2, 韋曉艷1, 2, 鄒永強1, 2, 郭世超2

(1. 東華理工大學(xué), 核資源與環(huán)境國家重點實驗室, 江西 南昌 330013; 2. 東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 江西 南昌 330013; 3. 核工業(yè)北京地質(zhì)研究院, 北京 100029)

桃山?諸廣山成礦帶作為華南重要的花崗巖型鈾礦資源產(chǎn)區(qū), 構(gòu)造活化對于帶內(nèi)熱液鈾礦的賦存空間起到了重要的控制作用。鹿井鈾礦田位于桃山?諸廣成礦帶中部, 受NE向斷裂的控制, 礦體主要產(chǎn)于印支期花崗巖(牛尾嶺、黃蜂嶺、高昔以及羊角腦礦床)和寒武紀地層(鹿井鈾礦床西部)內(nèi)。前人研究表明鹿井鈾礦田內(nèi)存在多期次構(gòu)造活化的形跡, 但對于構(gòu)造活化如何影響礦體賦存空間進而控制礦床空間分布缺乏細致的研究。本文利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件, 探究了在不同構(gòu)造應(yīng)力背景下, 斷層活化形成的擴容區(qū)與已知礦床空間分布的關(guān)系。模擬結(jié)果表明, 白堊紀?新近紀的拉張構(gòu)造運動能造成先存斷裂的活化, 進而產(chǎn)生擴容區(qū), 有利于成礦。因此在NW向伸展構(gòu)造環(huán)境下, NE向先存斷裂的活化是控制鹿井鈾礦田內(nèi)各礦床分布的重要條件。

構(gòu)造活化; 構(gòu)造控礦; 數(shù)值模擬; 鹿井鈾礦田; 花崗巖型鈾礦

0 引 言

鈾是國民經(jīng)濟建設(shè)和軍工發(fā)展的戰(zhàn)略資源礦產(chǎn), 作為核電的基礎(chǔ)原料, 也是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要發(fā)展資源(張金帶等, 2019)。至2030年, 基于核能發(fā)電完成“雙碳”目標, 鈾資源需求量高達18800 t(陳軍強等, 2021)。相較于澳大利亞、加拿大、哈薩克斯坦等全球核能礦產(chǎn)資源強國, 中國的鈾資源量(國內(nèi)已探明儲量)較為匱乏。而且我國相對國外鈾資源投資起步相對較遲, 對應(yīng)產(chǎn)能也較小, 以當(dāng)前的鈾資源探明和國外投資發(fā)展速度逐漸不能滿足未來的社會發(fā)展需要(張金帶等, 2019; 陳軍強等, 2021)。因此, 強化熱液型鈾礦成礦理論、發(fā)展和突破勘探技術(shù), 將成為擴充國內(nèi)鈾礦資源量, 擴展國外鈾資源開發(fā)的首要目標。

構(gòu)造對后生礦床的形成至關(guān)重要(Micklethwaite and Cox, 2004; Hayward and Cox, 2017; Chi et al., 2022)。前人研究表明構(gòu)造活化除有助于流體轉(zhuǎn)移至發(fā)生更大破裂的斷層, 還會影響斷裂附近巖石變形的程度, 如造成局部的巖石擴容(Igonin et al., 2021)。擴容區(qū)作為成礦流體匯聚的響應(yīng)結(jié)果, 往往與礦體的空間定位緊密相關(guān)(Oliver et al., 1999; Li et al., 2017)。因此, 構(gòu)造活化、構(gòu)造擴容與熱液礦體空間定位問題一直被國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注(Sibson, 1992; Liu et al., 2011; Li et al., 2020; Chi et al., 2022)。

構(gòu)造活化對許多世界級鈾礦床的礦體空間定位具有影響。如以不整合面型鈾礦床聞名的加拿大阿薩巴斯卡盆地, 其基底斷裂的活化不僅控制了礦床內(nèi)/附近斷裂帶中流體的流進和流出, 同時也影響了礦床的賦存位置(Chi et al., 2019; Eldursi et al., 2020)。南澳大利亞Gawler克拉通同樣作為世界級礦產(chǎn)(IOCG型奧林匹克壩礦床)的產(chǎn)出地(Cuney, 2009; Dahlkamp, 2013), 其內(nèi)部的Roopena構(gòu)造活化誘使了花崗巖中鈾的再富集, 進而促進了流體萃取花崗巖, 形成的含鈾流體能夠在新世砂巖內(nèi)沉積成礦(Jaireth et al., 2016; Domnick et al., 2020)。

華南是我國重要的產(chǎn)鈾區(qū)之一, 位于華南鈾成礦省中的桃山?諸廣鈾成礦帶是我國最大的花崗巖型鈾礦成礦帶。帶內(nèi)集中產(chǎn)出了桃山、諸廣山南部、下莊、鹿井等花崗巖型熱液鈾礦田(張萬良等, 2011; 趙如意等, 2020)?；◢弾r型熱液鈾礦的形成不僅受到地殼U元素的預(yù)富集、富CO2熱液流體萃取原巖U形成成礦流體以及含U流體富集成礦的共同制約(Hu et al., 2008), 多期次的構(gòu)造活化對礦體的富集和破壞也具有較大的影響(孫岳等, 2020)。前人研究表明鹿井鈾礦田內(nèi)存在多期次構(gòu)造(印支、燕山運動)活化的形跡(孫岳等, 2020), 且礦體主要產(chǎn)于斷裂帶或臨近斷裂帶的沉積巖以及花崗巖中(張萬良等, 2011)。根據(jù)礦體的空間產(chǎn)出位置, 礦體可劃分為巖體內(nèi)帶亞類、巖體外帶亞類以及巖體上覆盆地亞類(李子穎等, 2021)。盡管研究區(qū)發(fā)生多期斷裂構(gòu)造活化現(xiàn)象, 但構(gòu)造活化對礦體空間定位的認識仍然不足。本文通過總結(jié)鹿井鈾礦田的地質(zhì)特征, 采用FLAC3D軟件對鹿井鈾礦田構(gòu)造活化產(chǎn)生的擴容區(qū)進行模擬分析, 以此討論NE向先存斷裂的活化機制, 以及桃山?諸廣成礦帶先存斷裂活化對于鈾礦體形成的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

桃山?諸廣成礦帶橫跨湘贛粵三省, 受華夏板塊和揚子板塊接合帶東側(cè)的四會?吳川復(fù)合斷裂帶控制(Li et al., 2014; Shu et al., 2021)。在桃山?諸廣成礦帶內(nèi), 四會?吳川復(fù)合斷裂由撫州?遂川、桃山?諸廣、南雄以及鷹潭?寧都?翁源等多條NE向斷裂組成(圖1)(鄧平等, 2003b)。這些斷裂主要形成于晚三疊世(柏道遠等, 2007), 白堊紀經(jīng)歷了左旋走滑、造山滑脫伸展以及右旋擠壓等多期次的構(gòu)造活動(鄧平等, 2003b; 柏道遠等, 2005)。在造山作用的擠壓變形和變質(zhì)作用以及造山后期應(yīng)力減弱的基礎(chǔ)上(柏道遠等, 2007; Li et al., 2014), 區(qū)內(nèi)發(fā)育多期次NW-SE向擠壓或伸展, 形成了多個NE向的伸展盆地(如南雄盆地、吉安盆地等)和大規(guī)模的中生代花崗巖和火山巖, 如桃山的黃陂巖體(167 Ma)、羅布里巖體(146 Ma)和大古寨巖體(152 Ma), 以及諸廣的長江巖體(160 Ma)、赤坑巖體(154 Ma)、企嶺巖體(156 Ma)和茶山巖體(157 Ma)(鄧平等, 2012)。

圖1 桃山?諸廣山成礦帶區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)Zhang et al., 2020修改)

帶內(nèi)地層可劃分為中元古代變質(zhì)巖、上古生代寒武紀?奧陶紀淺變質(zhì)巖以及白堊紀?新近紀的碎屑沉積巖。中元古代變質(zhì)巖主要為云母片巖、麻粒巖以及大理巖(Zhang et al., 2020); 上古生代寒武紀?奧陶紀高碳、高硅質(zhì)的板巖和普遍遭受低程度變質(zhì)作用的砂巖。白堊紀?新近紀碎屑沉積巖組成帶內(nèi)NE向“川”字斷裂格架中的多個紅層盆地, 如南雄、贛州、吉安、鹿井等盆地, 其中鹿井和南雄盆地主要為不對稱伸展斷陷盆地(Wang and Shu, 2012)。

桃山?諸廣鈾成礦帶內(nèi)的鈾成礦時代具有多期性, 其中下莊礦田內(nèi)的仙石鈾礦床角礫狀產(chǎn)出的瀝青鈾礦年齡為125 Ma, 脈狀產(chǎn)出的瀝青鈾礦年齡為81 Ma(鄧平等, 2003a), 長江鈾礦田瀝青鈾礦年齡為118±8 Ma, 87±4 Ma, 68±6 Ma(Zhang et al., 2017)。除下莊礦田(石頭嶺、白水寨等礦床)成礦年齡與富礦圍巖的時差較小外(Zhang et al., 2021), 桃山、鹿井、諸廣南等大部分礦床的形成時間與白堊紀?古近紀的巖石圈伸展時間一致(Hu et al., 2008)。根據(jù)鈾礦與花崗巖體產(chǎn)出的位置, 礦體可以分為巖體內(nèi)帶、巖體外帶以及巖體上覆盆地三個亞類, 但礦體的產(chǎn)出位置主要受斷裂構(gòu)造本身(斷裂所控制的破裂蝕變巖)以及上覆盆地的斷裂控制(趙如意等, 2020)。目前對后生熱液花崗巖型鈾礦的研究認為, 來自幔源的富CO2巖漿熱液和地表的高氧逸度大氣降水或地層水通過賦鈾圍巖中構(gòu)造斷裂體系萃取花崗巖中的U, 形成的含U流體通過對流循環(huán)在斷裂內(nèi)或附近的特定位置發(fā)生氧化還原反應(yīng)形成鈾礦體(Hu et al., 2008; Chi et al., 2020)。

2 鹿井鈾礦田地質(zhì)背景

鹿井鈾礦田位于桃山?諸廣成礦帶中部。礦區(qū)內(nèi)地層主要由白堊紀沉積蓋層、震旦紀?寒武紀變質(zhì)基底兩大部分組成(圖2b)。震旦系?寒武系淺變質(zhì)巖作為該區(qū)內(nèi)最古老的巖石, 厚度為5～13 km, 主要分布于礦田的西側(cè)和北東側(cè), 由下寒武統(tǒng)香楠組和中寒武統(tǒng)菜園頭組組成。下寒武統(tǒng)香楠組主要為互層的碳質(zhì)板巖和淺變質(zhì)砂巖, 而上覆的菜園頭組為互層的淺變質(zhì)砂巖和板巖(邵飛等, 2010)。白堊紀?古近紀期間, 震旦紀?寒武紀變質(zhì)基底和印支期花崗巖上不整合了面積約16 km2、厚度大于360 m的豐州盆地(張萬良和潘開明, 2011)。盆地內(nèi)白堊紀砂礫巖主要由風(fēng)化破碎的花崗巖碎屑以及淺變質(zhì)砂巖雜基組成。區(qū)內(nèi)巖漿巖則以印支期黑云母花崗巖為主, 其次為燕山期二長花崗巖(Min et al., 1999; 張萬良等, 2018)。黑云母花崗巖作為鈾礦的主要賦存圍巖, 其全巖鋯石U-Pb SHRIMP年齡為235.4±1.1 Ma(Min et al., 1999; 韓娟等, 2011)。

圖2 鹿井鈾礦田地質(zhì)簡圖(a)及剖面示意圖(b)(據(jù)張萬良等, 2011修改)

區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育廣泛, 主要為NE向斷裂以及NW向褶皺。通過對NE向斷裂帶內(nèi)宏、微觀構(gòu)造觀察分析, 前人發(fā)現(xiàn)斷裂帶內(nèi)的構(gòu)造角礫巖、碎裂巖以及長石、石英均具有機械破碎的特征, 表明淺表NE向斷裂為脆性斷裂(潘春蓉, 2017; 孫岳等, 2020)。該脆性斷裂在礦田內(nèi)的不同地區(qū)都有活化的形跡, 如印支期花崗巖中NE向斷裂帶內(nèi)的右行壓扭擦痕,沙壩子鈾礦床NE向斷裂帶內(nèi)多期穿切的石英脈,以及廟背垅鈾礦床NE向斷裂帶內(nèi)的右行壓扭階步(李先福等, 1999; 孫岳等, 2020)。孫岳等(2020)根據(jù)Win_Tensor構(gòu)造應(yīng)力反演, 揭示鹿井鈾礦田NE斷裂經(jīng)歷三期構(gòu)造活化: 第1期具有擠壓葉理的早期NW向擠壓變形; 第2期形成放射狀石英以及左行擦痕的中期NW向拉張變形; 第3期產(chǎn)生右行壓扭的晚期NWW向擠壓變形。

呈NW-SE向分布的牛尾嶺、鹿井、黃蜂嶺、高昔以及羊角腦等礦床明顯受NE向斷裂控制。牛尾嶺礦床的礦體主要賦存在牛尾嶺QF1斷裂上盤標高480～250 m的印支期花崗巖中, 傾向SE, 傾角約55°; 地表出露的NE向斷裂寬約數(shù)十米, 深部NE向斷裂則切穿白堊紀盆地底部的印支期花崗巖(邵飛等, 2010; Xiao et al., 2020)。鹿井礦床NE向QF2-1、QF2-2斷裂縱向延伸較深, 可達2.5 km, 單條斷裂寬約數(shù)十米。礦床西部礦體主要賦存于印支期花崗巖, 而東部則主要賦存于震旦系?寒武系的淺變質(zhì)巖內(nèi)(邵飛等, 2010; 張萬良等, 2011)。三維地質(zhì)模型觀測結(jié)果顯示, NE向斷裂帶上盤淺變質(zhì)板巖中的鈾礦體沿西南延伸逐漸向該斷裂靠攏(黃龍, 2018)。黃蜂嶺以及高昔的鈾礦體主要賦存于QF2-3、QF2-4、QF2-5斷裂上盤的印支期花崗巖中, 礦體產(chǎn)狀較陡, 整體呈雁形排列的透鏡狀和團塊狀。石英硅化帶和玉髓膠結(jié)角礫巖帶作為羊角腦礦床NE向斷裂的兩種次級斷裂帶, 玉髓膠結(jié)角礫巖帶在成礦前、中、后均發(fā)現(xiàn)有多期構(gòu)造活化伴隨的熱液活動, 但目前礦體主要賦存于印支期花崗巖中的石英硅化帶以及玉髓膠結(jié)角礫巖帶內(nèi)(潘春蓉, 2017)。

鹿井鈾礦田瀝青鈾礦的礦體形成于早白堊紀?古近紀(103～87 Ma, 48 Ma; Min et al., 1999; 韓娟等, 2011), 但高峰期集中于100～90 Ma以及60～50 Ma(邵飛等, 2010), 礦化具有多期疊加的特點。在長時間的熱液活動期間, 中低溫(169～236 ℃)、較高壓(15.2～50.7 MPa)的成礦流體與圍巖發(fā)生了強烈的水?巖反應(yīng)(潘春蓉, 2017; 羅森森, 2020; Sun et al., 2021), 形成了一系列與鈾礦關(guān)系較為密切的螢石化、赤鐵礦化、黃鐵礦化以及硅化等圍巖蝕變。

3 數(shù)值模擬原理和方法

3.1 數(shù)值模擬

FLAC3D(fast lagrangian analysis of continua)軟件是一款多孔介質(zhì)下, 單場或多場(應(yīng)力場、流體場、熱力場)耦合變形的三維(二維)數(shù)值模擬程序。該軟件用材料物理性質(zhì)的平均值表示幾何模型所在笛卡爾坐標系中的各節(jié)點位置, 并運用有限差分法, 通過應(yīng)力應(yīng)變方程、達西定律、熱傳導(dǎo)方程等計算變形、流體流動和熱量變化下非線性、大應(yīng)變問題(Oliver et al., 2006; 李增華等, 2019)。

流固耦合是FLAC3D軟件中變形和流體模塊的組合。其中變形模塊下摩爾?庫倫本構(gòu)關(guān)系能夠充分描述上地殼的巖石彈性和塑性的變形過程(Hobbs et al., 2000; McLellan et al., 2004)。流體模塊則遵循達西定律, 即流體的流動過程受水頭壓力和滲透率的控制。在摩爾?庫倫本構(gòu)關(guān)系中, 強應(yīng)變導(dǎo)致孔隙壓力的變化, 與之相應(yīng)的流體水頭壓力也會發(fā)生改變, 而孔隙壓力的變化會造成有效應(yīng)力的變化, 并反作用于材料變形(Oliver et al., 1999; McLellan et al., 2004)。

FLAC3D 軟件被廣泛用于構(gòu)造變形和流體運移的模擬, 如Li et al. (2018a)通過數(shù)值模擬, 揭示了阿薩巴斯卡盆地Sue鈾礦田潛在的容礦空間主要受到含石墨基底巖石的流變性和變形程度影響; Liu et al. (2011)對青城子金礦床的構(gòu)造流體模擬顯示, 擠壓構(gòu)造活動下礦化流體的匯聚受巖性界面間的力學(xué)差異控制。華南花崗巖型熱液鈾礦床成礦時間明顯滯后于構(gòu)造發(fā)育與巖漿巖侵位的時間, 且受到巖石圈構(gòu)造作用的影響強烈, 產(chǎn)生多期構(gòu)造活化(Hu et al., 2008; 陳柏林等, 2022)。鹿井鈾礦田內(nèi)花崗巖型鈾礦床形成與提供鈾源的淺變質(zhì)巖和花崗巖之間存在一定的時差, 鈾礦體的形成受深部和淺部成礦流體運移的耦合影響。因此, 運用FLAC3D中的流固耦合模塊建立含U流體和構(gòu)造運動數(shù)值模擬模型, 以此揭示構(gòu)造活化作用下, 影響成礦空間(擴容空間)形成的因素。

3.2 模型建立

研究區(qū)地質(zhì)、地球化學(xué)和地質(zhì)物理特征以及鹿井鈾礦田內(nèi)礦床的分布與NE向斷裂關(guān)系密切(李先福等, 1999; 孫岳等, 2020)。為了充分揭示構(gòu)造活化對礦體賦存空間的制約性, 以切穿NE向斷裂和礦體分布的A-A′地質(zhì)剖面(圖2b)建立簡化模型。依據(jù)A-A′剖面圖中的巖性界限, 模型內(nèi)共劃分5個單元(4種巖性單元和1種斷裂單元), 巖性單元中包括:代表印支期黑云母花崗巖的“花崗巖1”, 代表燕山期二長花崗巖的“花崗巖2”, 代表震旦紀?寒武紀的含碳板巖和淺變質(zhì)砂巖的“淺變質(zhì)巖”, 以及代表白堊紀紅層的“砂礫巖”。模型中各單元的界限參考A-A′剖面中標定的位置, 各斷裂寬度均設(shè)定為200 m。根據(jù)鹿井礦床的鋯石和磷灰石(U-Th)/He熱力年代, 反演鹿井礦床晚白堊世至今剝蝕深度約為5 km(Sun et al., 2021), 為盡可能突出構(gòu)造變形對礦體賦存空間的影響, 結(jié)合A-A′剖面圖(圖3), 僅展示深度為5.0～6.2 km的部分。因此, 簡化模型長12 km、高1.2 km。

圖3 鹿井鈾礦田A-A′剖面地質(zhì)簡化模型

3.3 巖石參數(shù)

本研究基于摩爾?庫倫本構(gòu)模型, 需要通過內(nèi)聚力、體積模量、剪切模量、內(nèi)聚力等物理特征描述巖石和斷裂的基本性質(zhì)。依據(jù)鹿井含鈾花崗巖溶浸研究中實測的物理性質(zhì)(李建紅等, 2001), 同時結(jié)合研究區(qū)內(nèi)黑云母花崗巖、二長花崗巖、淺變質(zhì)巖、砂礫巖以及斷層的巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及物理化學(xué)性質(zhì), 在總結(jié)前人模擬研究歸納的力學(xué)特征(Zhou et al., 2008; Ju and Yang, 2011; Zhu et al., 2014; Li et al., 2018a)基礎(chǔ)上, 選取各巖石的力學(xué)參數(shù), 詳細見表1。總體而言, 斷裂作為礦體空間定位的重要影響因素, 相較于花崗巖(黑云母花崗巖和二長花崗巖)、淺變質(zhì)巖以及砂礫巖, 其物理特征中的滲透率、孔隙度和剪脹角最高, 體積模量、剪切模量、內(nèi)聚力、抗張強度以及摩擦角均最弱。

表1 數(shù)值模擬巖石力學(xué)和流體參數(shù)

3.4 初始條件與邊界條件

初始條件和邊界條件作為控制數(shù)值模擬結(jié)果的關(guān)鍵因素, 需要對成礦前期的各項條件進行綜合分析。依據(jù)前人對鹿井鈾礦田內(nèi)各礦床的流體包裹體研究和熱力史模擬, 成礦期的流體溫度約200 ℃(Min et al., 1999; Sun et al., 2021), 推測的成礦深度約為 5 km (Sun et al., 2021)。因此, 模型初始條件設(shè)定如下:

(1) 巖石滲透系數(shù)和流體相關(guān)參數(shù)設(shè)定: 根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬流體相關(guān)參數(shù)的要求, 需要計算巖石相應(yīng)滲透系數(shù), 即固有滲透率和流體黏度之比。參考前人數(shù)值模擬研究的流體參數(shù), 將200 ℃下的流體動黏度設(shè)定為10?4Pa·s(李先福等, 1999)。流體密度僅考慮溫度的影響, 并根據(jù)公式:=f(1?(?f))進行設(shè)定, 式中f為參照溫度20 ℃,f為參照密度1000 kg/m3,為流體體脹系數(shù)1.29×10?3/℃(劉向沖, 2020)。巖石為完全飽和狀態(tài), 孔隙壓力為靜水壓力體系。

(2) 模型邊界設(shè)定: 模型底部邊界僅可在水平方向產(chǎn)生位移(圖4), 上部、左部以及右部邊界均可在水平和垂直方向產(chǎn)生位移。

圖4 模型初始條件和邊界條件設(shè)定示意圖

(3) 模型初始地應(yīng)力平衡: 在施加構(gòu)造應(yīng)力前, 模型的初始地應(yīng)力場僅由自重應(yīng)力提供。由于模型并不包括上覆5 km的地層, 需要對模型頂界面施加5 km厚的巖石垂向壓力(圖4)。根據(jù)巖體自重應(yīng)力計算公式:ini=r,r為上覆圍巖的平均密度,為該點與水平面的高差, 可得ini為1.2×108N(圖4)。地應(yīng)力平衡后, 在模擬構(gòu)造活化前, 移除地應(yīng)力平衡過程中模型產(chǎn)生的體積應(yīng)變增量、邊界加載速度和節(jié)點位移, 恢復(fù)模型的未變形狀態(tài)。

(4) 在模擬擠壓或伸展構(gòu)造活化條件前, 本研究設(shè)置了多組擠壓或拉張的邊界加載速度(ini)實驗: 以10?8m/s、10?9m/s、10?10m/s以及10?11m/s拉張或擠壓的邊界加載速度進行模擬。通過模型邊界的邊界加載速度的約束, 在模型左右邊界, 分別施加相同的擠壓或拉張的邊界加載速度, 討論構(gòu)造環(huán)境的影響。

(5) 模型運行過程時, 為了避免變形程度過大導(dǎo)致的模型某一單元破壞或變形計算過多導(dǎo)致的計算無法收斂中止等問題, 本次數(shù)值模擬中所有的模型均被拉張或壓縮至模型總寬度的0.5%。

4 模型結(jié)果

4.1 不同邊界加載速度體積應(yīng)變模擬結(jié)果

不同邊界加載速度的拉張體積應(yīng)變分布結(jié)果見圖5。盡管在邊界加載速度為10?8m/s和10?9m/s的拉張條件下, 達到0.5%體積應(yīng)變狀態(tài)累計時間不同, 分別為8674年和8968年; 但其體積應(yīng)變分布較為相似, 主要沿模型的左右邊界垂直分布(圖5a、b)。而在邊界加載速度為10?10m/s和10?11m/s的拉張條件下, 達到0.5%體積應(yīng)變狀態(tài)累計時間差異較大, 分別為11910年和41332年; 模型體積應(yīng)變分布的狀態(tài)有很大不同, 其體積應(yīng)變主要位于斷裂以及斷裂附近(圖5c、d)。但兩個模型同時也存在差異, 如邊界加載速度為10?11m/s拉張條件下并未在QF5斷裂內(nèi)產(chǎn)生體積應(yīng)變, 而在其他斷裂附近產(chǎn)生體積應(yīng)變的增強。

圖5 不同邊界加載速度下模型在拉伸0.5%體積應(yīng)變時的模擬結(jié)果

4.2 不同應(yīng)力方向體積應(yīng)變模擬結(jié)果

邊界加載速度為10?10m/s數(shù)值模擬結(jié)果顯示: 擠壓條件下, 達到0.5%體積應(yīng)變狀態(tài)累計時間為10693年; 模型的體積應(yīng)變主要出現(xiàn)在各斷層尖端, 最大體積應(yīng)變主要出現(xiàn)在QF1斷裂和QF2-3斷裂上盤的花崗巖2以及QF2-1斷裂和QF2-2斷裂底部尖端(圖6a)。在拉張條件下, 達到0.5%體積應(yīng)變狀態(tài)累計時間為11910年; 模型的體積應(yīng)變分布較為復(fù)雜(圖6b),總體分布在斷裂內(nèi)部及斷裂上或下盤的巖石中, 最大體積應(yīng)變位于QF5斷裂與上覆砂礫巖的接觸界面。盡管QF1斷裂、QF2-1斷裂至QF2-5斷裂上、下盤巖石中出現(xiàn)不同形狀、大小的體積應(yīng)變, 體積應(yīng)變的分布與已發(fā)現(xiàn)礦體位置對應(yīng)較好。

5 討 論

構(gòu)造活化與構(gòu)造存在緊密的聯(lián)系。先存構(gòu)造作為巖石中的薄弱位置, 在活化過程中能夠優(yōu)先產(chǎn)生形變(Sibson, 1992)。該形變可促使先存構(gòu)造活化成為成礦流體運移的導(dǎo)礦構(gòu)造、儲礦構(gòu)造或復(fù)合的導(dǎo)儲構(gòu)造。當(dāng)構(gòu)造作用強烈至先存構(gòu)造附近圍巖也產(chǎn)生擴容區(qū)時, 這些擴容空間可以成為流體的通道, 即導(dǎo)礦構(gòu)造, 而擴容區(qū)在形成過程中與圍巖之間出現(xiàn)的流體超壓或流體欠壓也能夠為成礦流體運移提供一定的驅(qū)動力(Oliver et al., 2006; Chi et al., 2022)。因此, 擴容區(qū)的形成和分布與成礦流體的空間運移和成礦物質(zhì)的富集存在重要聯(lián)系(Zhang et al., 2008; Li et al., 2018b)。

礦體形成是在一定時間內(nèi)成礦流體匯聚富集, 成礦物質(zhì)沉淀于儲礦構(gòu)造內(nèi)的產(chǎn)物。多數(shù)華南花崗巖型熱液鈾礦床/礦體的成礦時間晚于構(gòu)造作用與巖漿作用, 且在礦體的形成過程中存在幕式構(gòu)造作用(孫岳等, 2020; 陳柏林等, 2022)。在發(fā)育先存構(gòu)造的條件下, 含鈾成礦流體如何運移并沉積成礦, 需要總結(jié)歸納現(xiàn)有的導(dǎo)礦構(gòu)造以及考慮對于鈾成礦有利的儲礦構(gòu)造的基礎(chǔ)上(陳柏林等, 2022), 也要對儲礦構(gòu)造的形成分布進行探究。因此, 通過模擬構(gòu)造活化后的擴容區(qū)的空間分布位置, 在一定程度上, 是判斷礦床/礦體分布空間的重要方法之一。

巖石的變形和斷裂的產(chǎn)生具有一定的時空特征, 受加載速率影響, 巖石力學(xué)性質(zhì)局部會發(fā)生改變(Qi et al., 2016), 而巖石的力學(xué)性質(zhì)改變也會進一步影響擴容區(qū)的產(chǎn)生。前人通過巖石摩擦仿真實驗, 揭示不同邊界加載速度對于巖石破裂空間演化的關(guān)系(Xu et al., 2018)。因此, 可以通過運用數(shù)值模擬, 從擴容區(qū)產(chǎn)生的角度, 討論邊界加載速度是否對礦田礦床形成產(chǎn)生影響并對此加以約束。本次拉張模型的數(shù)值模擬結(jié)果顯示, 較短的時間(約0.01 Ma; 邊界加載速度為10?10m/s)可以形成與礦床分布較為一致的擴容區(qū)空間。白堊紀?新近紀長期的拉張構(gòu)造作用過程中, 較慢(≤10?10m/s)的變形速度可以保持成礦擴容區(qū)的形成, 為研究區(qū)內(nèi)多期次流體運移提供成礦空間。而較快的變形速度則會造成局部的巖石黏度降低(Qi et al., 2016), 易在模型邊部形成與各礦床的空間分布差異較大的擴容區(qū)(圖5a、b)。

應(yīng)力作為激活構(gòu)造活化的重要條件, 其方向決定了巖體能否受力再破裂進而產(chǎn)生擴容區(qū)。結(jié)合前人對鹿井鈾礦田構(gòu)造期次的解譯以及本次數(shù)值模擬結(jié)果, 成礦早期與成礦晚期主要發(fā)育擠壓構(gòu)造, 且擠壓環(huán)境的擴容區(qū)主要分布在斷裂的“尖端”以及燕山期花崗巖內(nèi)(圖6a)。依據(jù)地表的剝蝕情況, 剩余的擴容區(qū)位置較深且數(shù)量較少。結(jié)合當(dāng)前鈾礦床的空間分布, 不難發(fā)現(xiàn)擠壓構(gòu)造環(huán)境不足以支撐鹿井鈾礦田內(nèi)大規(guī)模致礦。與此對比, 拉張環(huán)境的擴容區(qū)分布與礦體空間位置較為吻合(圖6b), 這也揭示NW向拉張構(gòu)造環(huán)境對鹿井鈾礦田內(nèi)礦體分布具有重要意義。因此, NW向拉張構(gòu)造環(huán)境是控制鹿井鈾礦田內(nèi)大規(guī)模鈾礦體產(chǎn)生的重要因素。但值得注意的是, 模擬中QF4和QF5斷裂并未產(chǎn)生擴容區(qū), 這可能是由于受斷裂上、下盤的巖性力學(xué)差異控制, 當(dāng)巖石的上、下盤存在力學(xué)性質(zhì)較弱的巖性時, 力學(xué)較弱的區(qū)域會優(yōu)先產(chǎn)生擴容(Sibson, 1996; 李增華等, 2019)。

雖然數(shù)值模擬針對華南鹿井鈾礦田構(gòu)造活化對礦床空間分布控制進行了研究, 但忽略了巖石的橫向差異性以及流體在斷裂/擴容區(qū)中沉淀對空間愈合的影響。此外對礦田內(nèi)各礦床較為細致的控制因素(巖性、多條斷裂組合以及斷裂帶內(nèi)各組分)揭示仍不清晰, 影響后續(xù)找礦工作。由于在華南花崗巖鈾礦形成過程中, 成礦流體形成前, 淺部流體和深部流體混合能夠作用的最大深度, 以及對圍巖的影響范圍尚未揭示(Hu et al., 2008; Chi et al., 2020, 2022), 因此后續(xù)的工作中需要進一步細化數(shù)值模擬的巖石力學(xué)參數(shù)的設(shè)定, 以及鈾礦床形成的流體流動和擴容區(qū)的耦合數(shù)值模擬研究。

根據(jù)鹿井鈾礦田地質(zhì)特征, 區(qū)內(nèi)存在大范圍的巖漿巖和多個鈾礦床。部分學(xué)者也提出了巖漿上涌形成的巖漿房烘烤(Chi et al., 2022)和放射性元素衰變生熱(李建威和李紫金, 2000)對成礦流體運移產(chǎn)生的熱作用; 也有部分學(xué)者認為巖漿冷卻形成的熱場對流體的熱驅(qū)動作用時間較短、規(guī)模較小, 巖漿熱場所驅(qū)動的成礦流體運移不能支撐成礦事件(張旗等, 2014; 劉向沖, 2020)。因此, 在以后的研究中, 還需要對花崗巖型鈾礦床的熱作用進行探究。

6 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬方法研究了桃山?諸廣成礦帶內(nèi)鹿井鈾礦田構(gòu)造化對花崗巖型鈾礦形成的控制作用, 得到以下認識:

NE向斷裂是鹿井鈾礦田內(nèi)礦床分布的主要控制因素; NE斷裂在拉伸構(gòu)造背景下的活化更容易形成擴容區(qū), 進而提高了巖石的滲透率, 為后期成礦流體的運移和匯聚提供通道和容礦場所, 而不同擴容區(qū)的發(fā)生位置最終控制了鹿井鈾礦田內(nèi)鈾礦床的空間分布。

致謝:感謝兩位審稿專家核工業(yè)北京地質(zhì)研究院邱林飛高級工程師和中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所劉向沖研究員提出的寶貴建議和修改意見。

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Numerical Simulation of Structural Reactivation of the Lujing Uranium Orefield in Central Zhuguangshan, South China

LIU Chuandong1, 2, LI Zenghua1, 2*, GUO Chunying3, DENG Teng1, 2, GUO Fusheng1, 2, XU Deru1, 2, WEI Xiaoyan1, 2, ZOU Yongqiang1, 2, GUO Shichao2

(1. State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang 330013, Jiangxi, China; 2. School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, Jiangxi, China; 3. Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China)

The Taoshan-Zhuguangshan metallogenic belt is an important area of granite-type uranium mineralization in South China. Tectonic reactivation played an important role in controlling the distribution of the hydrothermal uranium deposits in the belt. The Lujing orefield is located in the center of the Taoshan-Zhuguangshan metallogenic belt and controlled by the NE-trending faults. The ore bodies are mainly hosted in the Indonesian granites (the Niuweiling, Huangfengling, Gaoxi, and Yangjiaonao deposits) and Cambrian metamorphic rocks (the Lujing uranium deposit in the west). Previous studies have shown evidence of multi-stage tectonic activation, however, there is a lack of detailed research on how tectonic activation affects the occurrence of ore bodies and spatial distribution of the deposits. FLAC3D is used in this paper to explore the relationship between dilation formed by fault reactivation and spatial distribution of the deposits under different tectonic backgrounds. The simulation results show that the extensional tectonic movement from Cretaceous to Neogene may reactivate the pre-existed faults, and produce dilatation zone, which is beneficial to mineralization. The results show that the reactivation of the NE-trending pre-existed faults, under NW-trending extensional tectonic environment, is the major factor controlling the distribution of the deposits in the Lujing uranium orefield.

structural reactivation; structural control; numerical simulation; Lujing uranium orefield; granite-type uranium deposit

2021-11-29;

2022-06-12

國家自然科學(xué)基金項目(42172329、41972080)、江西省技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)類計劃項目(20212AEI91008)和中國鈾業(yè)有限公司?東華理工 大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點實驗室聯(lián)合創(chuàng)新基金項目(NRE2021-08)聯(lián)合資助。

劉傳東(1997–), 男, 碩士研究生, 地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)。E-mail: 59515268@163.com

李增華(1983–), 男, 教授, 從事鈾礦地質(zhì)和成礦流體動力學(xué)研究。E-mail: lizenghua@ecut.edu.cn

P611.5

A

1001-1552(2023)06-1220-012

10.16539/j.ddgzyckx.2023.06.002