510-1铀矿床垂直分带规律的发现及其成因意义

张成江, 陈友良

(成都理工大学地球科学学院,成都 610059)

510-1铀矿床垂直分带规律的发现及其成因意义

张成江, 陈友良

(成都理工大学地球科学学院,成都 610059)

510-1铀矿床中与成矿有关的石英、方解石脉在空间分布上显示出与华南地区花岗岩型铀矿床相似的“上酸下碱”的垂直分带规律。矿床上部(1中段)为“酸帽”,主要发育石英脉;中部(2～4中段)为“酸碱共生带”,石英脉与方解石脉均较发育;而下部(5～6中段及以下)则为“碱性基底”,大量发育方解石脉,未见石英脉,表明矿床第5中段附近(距现今地表深约200m)为“酸碱分离”的地球化学界面。由矿床浅部向深部,总体上方解石中Sr、Zr、Ba、Zn、U、Ni、Cr等微量元素的含量明显增加,其中第5中段附近为多种微量元素的聚集地带。方解石、石英的δCe、δEu值垂向变化也反映出5中段附近为成矿流体演化的氧化还原过度带,与矿床“酸碱分离”的界面一致,暗示这一部位为一重要的流体成矿地球化学界面,亦是铀发生突发成矿作用产生高度富集的部位。垂直分带规律显示出该矿床属于典型的热液矿床,深部找矿潜力还很大。

垂直分带 碳硅泥岩型铀矿床 若尔盖

Zhang Cheng-jiang,Chen You-liang.D iscovery of vertical zon ing in the 510-1 uran ium deposit and its geological implications[J].Geology and Exploration,2010,46(3):0434-0441.

0 引言

碳硅泥岩型铀矿床是中国铀矿地质工作者依据其产出的赋矿围岩特征总结和建立起来的一种新的铀矿类型,系指产于未变质或弱变质海相碳酸盐岩、硅质岩、泥岩及其过渡型岩类中的铀矿床(刘兴忠等,1997),在国外,类似的矿床一般称为黑色页岩型铀矿床。若尔盖地区是我国著名的碳硅泥岩型铀矿床产区,为我国十大铀矿资源基地之一(陈友良, 2004)。前人对若尔盖地区的研究由于长期受“地层控矿”表象的严重束缚,将周围地层作为铀源层,将研究重点放在大气降水对地层的改造和富集上,对矿床的一些深部来源信息未能引起重视。

国内外的找矿实践证明,矿床垂直分带规律研究是预测隐伏矿床(体)最为有效的理论和方法。国外,特别是前苏联非常重视铀矿床垂直分带的研究,他们十分重视矿物晕和元素晕的分带性特征。由于传统观点认为碳硅泥岩型铀矿受层位控制明显,因而对该类型铀矿床的垂直分带性研究尚未见报导。笔者在野外调查中通过系统和细致的观察,首次发现若尔盖地区具有代表性意义的510—1铀矿床中产出有大量与铀成矿密切相关的热液成因石英、方解石脉,且在空间分布上显示出与华南地区花岗岩型铀矿床相似的“上酸下碱”的垂直分带规律,矿物微量元素地球化学研究也得到了证实。这种垂直分带现象更说明本区的铀矿床为典型的热液成因铀矿床,指示深部有较大的找矿潜力。上述成果和认识突破了中国碳硅泥岩型铀矿成矿的传统理论,对若尔盖地区今后的深部找矿和预测工作具有重要的指导意义,同时对中国其它地区碳硅泥岩型铀矿的找矿和勘查工作亦具有新的启迪作用。

1 矿床地质

1.1 区域铀成矿概况

若尔盖铀矿田位于西秦岭褶皱带之南亚带,分布于主要由古生界地层所构成的白龙江复背斜西段(毛裕年等,1989)。区内所见规模最大的断裂带为白龙江断裂带,该断裂带实际上是东昆仑—阿尼玛卿山深大断裂带(简称昆阿断裂带)的组成部分。

区域构造线以北西西向为主,北东向次之。铀矿化与构造关系非常密切,铀矿体常产于几组不同方向断裂构造的交叉部位。铀矿田内有多处温泉分布,现今仍是一地热异常区,这一特点与我国典型热液型铀矿的产区一致。

区内岩浆活动较强烈,铀矿床在空间上的分布与岩浆岩具有密切关系,矿床分布东疏西密、矿床规模东小西大、矿石品位东贫西富的特点与中酸性侵入体在空间分布上所表现出的东疏西密的特点,以及中酸性岩浆活动东弱西强的特点相吻合(何明友,1993)。

矿田东西长约50km,南北宽约6km,面积约300km2。现已探明铀矿床10余个,矿(化)点20余处。矿化种类繁多,类型复杂。在铀矿床内,还产出有Mo、Ni、Zn、Au等金属元素的矿化,大多已达到综合利用的工业指标,部分还可单独构成工业矿体(毛裕年等,1989)。

沿白龙江深大断裂带成矿作用具有明显的分带性,即由西向东,表现为Cu→Cu、Pb、Zn→Au、U→U、Au的成矿元素组合。这种分带性反映出这些金属元素在成矿作用上的内在联系。金、铀成矿时代均集中于137～47Ma范围内(刘家军,1996)。

1.2 510-1矿床地质特征

510-1矿床位于若尔盖铀矿田西部,是若尔盖铀矿田最具代表性的典型矿床。

矿体赋存于志留统羊肠沟组上段由灰岩、砂(板)岩及硅质岩等组成的透镜体内。矿床内断裂构造比较发育,主要为NW向断层,后被NE向断裂所切割。岩层之间多为走向断层接触,断裂规模大,分布广,分枝复合较为复杂。矿体主要产于由F1和F2断裂等所形成的构造破碎带内(图1)。

该矿床现已圈定大小矿体30个,其中25个为盲矿体。由于该矿床深部尚未完全控制,可以预料今后在矿床深部尚会有新的矿体发现。矿体形态不规则,大多呈透镜状、柱状、少量为脉状,沿走向,倾向和厚度方向上变化不一,呈矿体群出现(图2)。

矿石类型绝大部分属碳酸盐岩型,部分属硅酸盐岩型,但也呈现不同程度的碳酸盐化。由于铀矿化产于透水性能强而松脆的粉砂状炭质砂岩及灰岩或硅质岩等破碎带内,所以矿石的结构构造较为复杂,一般多为角砾状构造和细网脉状构造,粉砂状结构、压碎结构和胶状结构等。

图1 510—1铀矿床二中段地质略图Fig.1 Sketch geologicalmap of the m iddle section of 510-1 uranium deposit

图2 510-1矿床0-1勘探线剖面示意图Fig.2 Schematic profile of l ine 0-1 of 510-1 uranium deposit

矿石中的铀主要以沥青铀矿的形式产出。吸附状态的铀赋存于炭质、泥质物中。次生铀矿物主要以钙铀云母、铜铀云母存在于地表淋积氧化带中。矿石中的主要矿物成分为沥青铀矿、闪锌矿、硫铁镍矿、针镍矿、辉镍矿、辉铜矿、黄铜矿、斑铜矿、黄铁矿、白铁矿、褐铁矿、石英、方介石、重晶石、石膏等。铀的次生矿物有钙铀云母、铜铀云母等。

矿石中主要的化学成分为S iO2、CaO、Mg O、Fe2O3。伴生元素有Mo、V、P、S、Co、Ni、Zn等。其中Ni、Zn均已达到综合利用标准。从目前的资料看,Ni的平均品位均超过了国家综合利用标准的6～7倍,Zn达到了国家单独开采的工业指标。

2 样品的采集与分析

2.1 样品的采集

经详细的野外地质观察,确定了与铀成矿关系密切的热液脉体,划分了热液脉体的期次。510-1铀矿床现已开采至六中段(一个中段为40m),为了进行系统研究,分不同的中段(露天采场、2、5、6中段)进行了采样。

2.2 样品的分析测试

采用中子活化方法,分析了主成矿阶段形成的石英和方解石的微量元素和稀土元素组成。样品经中国工程物理研究院池式反应堆中照射,中子注量率约为1×1013n/cm2.s,照射时间约10h,由四川省地学核技术重点实验室采用美国CANBER公司生产的Ge (Li)半导体探测器加4096道分析器测定,相对误差为5%～10%。分析结果列于表1和表2。

表1 成矿期方解石和石英脉微量元素含量(×10-6)Table1 Trace element content of m ineralized calcite and quartz veins(×10-6)

表2 成矿期方解石脉稀土元素含量(×10-6)及特征参数Table1 Rare earth element content and parameter of m ineralized calcite and quartz veins(×10-6)

3 垂直分带特征

3.1 矿物组合垂直分带

510-1铀矿床中与铀成矿密切相关的主成矿期热液成因矿物(石英、方解石)具有明显的垂直分带性,表现出“上酸下碱”的垂直分带特征:矿床上部(1中段)为“酸帽”,主要发育石英脉;中部(2～4中段)为“酸碱共生带”,石英脉与方解石脉均较发育;而下部(5～6中段及以下)则为“碱性基底”,大量发育方解石脉,未见石英脉。这种垂直分带现象更进一步说明本区的铀矿床为典型的热液成因铀矿床。

此外从矿化类型和矿石矿物组合特征来看,在若尔盖整个铀矿田范围内,自上而下可大体划分出三个带:

铁镍硫化物-铀矿化带:该带产出标高在3520m以上,其特点是出现大量黄铁矿及硫铁镍矿、针镍矿、辉镍矿等铁镍硫化物。

少硫化物-铀矿化带:该带产出标高为3520m～3300m,其特点是硫化物主要是呈细脉状及浸染状的黄铁矿、闪锌矿、铁镍硫化物组合。

闪锌矿-少铁镍硫化物-铀矿化带:该带产出标高在3300m以下,其特点是闪锌矿的出现频率较高,铁镍硫化物少见。

3.2 矿石成分垂直分带

510-1铀矿床成矿元素U的分布具有一定的垂向变化特征(表3),从矿床地表至深部U的品位逐渐增加,在已经开采的五、六中段发现有U品位>10%的特富矿石和矿体存在,结合脉体的垂直分带规律判断,510-1铀矿床第5中段附近(距现今地表深约200m)可能为一“酸碱分离”的地球化学界面,亦是铀发生突发成矿作用产生高度富集的部位。这一重要规律的揭示对若尔盖地区今后的找矿和预测工作具有十分重要的指导意义。

在矿石化学成分上,产出标高在3520m以上的矿石,Zn、Mo含量低;产出标高在3300m以下的矿石中Zn、Mo含量较高,而V含量较低。

从沥青铀矿的含氧系数变化规律看,似有“上氧化,下还原”的分带规律。产出标高在3520m以上的矿石中沥青铀矿的含氧系数高达2.61,杂质含量相对较低;产出标高在3300m以下的矿石中沥青铀矿的含氧系数较低(X=2.55～2.56),且杂质含量明显偏高。

表3 510-1铀矿床不同中段矿石铀含量变化Table3 Uran ium content of ores in different sections of 510-1 deposit(%)

3.3 矿物微量元素垂向分带

由于石英脉体只分布在矿床的上部,对研究微量元素的垂向变化作用不大,而方解石从矿床的二中段直到六中段以下都有分布,因此本文重点探讨方解石中微量元素的垂向变化特征。考虑到方解石中U与Co、Ba、Ni、Zn、Sb、Zr呈显著的正相关,下面着重讨论这些相关元素的变化特征。

图3为不同中段方解石中与U呈显著正相关的微量元素含量变化图,从该图可以看出,从2中段到5中段方解石中的上述微量元素含量显著增加,在5中段附近有一突出的峰值,反映5中段附近为上述微量元素的高度富集带,与前述矿床的垂直分带特征十分吻合。即510-1铀矿床第5中段附近是一重要的流体成矿地球化学界面,是一个产生多种元素突发成矿作用的界面。成矿元素U以及微量元素高度富集在该部位,510-1铀矿床在该部位产出的镍矿与锌矿矿体,有的已达到单独开采的工业指标,便是有利的佐证。的相对稳定,所形成的热液矿物则出现Eu的负异常。而在相对氧化的环境下情况相反,Eu3+可较长时间地保存在溶液中,而Ce3+则被氧化成Ce4+并产生沉淀,导致流体中出现Ce的亏损和Eu的相对稳定,所形成的热液矿物则出现Ce的负异常。因此δCe和δEu值可以作为氧化还原环境的指示标志。

图3 510-1铀矿床不同中段方解石脉微量元素含量变化图Fig.3 Variations of trace element content of calcite veins in different sections in 510-1 deposit

510-1铀矿床中与铀矿化关系密切的热液成因方解石的δEu值为0.31～0.75,平均为0.61;δCe值为0.94～1.19,平均为1.04;表现为明显的Eu负异常和比较稳定的Ce含量,表明矿体中的方解石形成于比较还原的环境。石英的δEu值为0.31～1.07,平均为0.70;δCe值为0.80～1.04,平均为0.91;表现为既有Eu的正异常,也有Eu的负异常,而Ce含量亦相对稳定,但总体上石英与方解石相比δEu值要大,而δCe值要小,反映其形成于比较氧化的环境。

为了更准确地探讨流体成矿环境的变化,选取与成矿作用关系最密切的成矿期方解石和石英来进行深入讨论。从表2可以看出,成矿期的方解石与石英相比,其δEu值明显要小,而δCe值相对要大,说明石英相对于方解石形成时的氧逸度要高一些。这与石英产于矿床上部,而方解石主要分布在深部的垂直分带规律一致。

由图4可见,随着矿床由深至浅,δCe值有逐渐

3.4 矿物δCe和δEu的垂向分带

Ce、Eu是具有重要意义的变价元素,可随环境的氧化还原条件不同而呈现不同的价态(涂光炽等,1998;赵振华,1997)。在相对还原的条件下, Ce3+可较长时间地保存在溶液中,而Eu3+则被还原成Eu2+沉淀,导致流体中出现Eu的亏损和Ce降低的趋势,而δEu值则表现为逐渐升高,说明矿床的形成环境总体上由相对还原向相对氧化转变。在5中段,δCe与δEu值有显著变化,表明成矿流体的环境发生突变,导致U等成矿元素沉淀富集成矿,这也从另一侧面说明5中段附近为流体成矿的地球化学界面。

4 讨论及结论

我国对铀矿床的垂直分带规律研究主要集中在华南地区花岗岩型铀矿床,认识到石英脉从矿床上部到下部出现有连续充填段→不连续充填段→蚀变破碎带的垂向变化,存在早期脉在上,晚期脉在下的石英脉异期不连续逆向垂直分带性;“在碱交代中会产生一个基本的垂向分带规律:下部为碱交代,上部为氢交代(或称酸交代),酸—碱分离,上酸下碱”(杜乐天,1983,1990)。金景福等多年来一直强调铀矿床的脉石矿物在垂向上的分带性,不少铀矿床出现“萤石在上,方解石在下”的垂直分带现象(金景福等,1992)。花岗岩型热液铀矿床的形成与流体的混合和沸腾密切相关,铀矿床中常见的“上酸下碱、上氧化下还原”的垂直分带现象是流体混合和沸腾作用的综合产物(倪师军等,1994,1992),矿体的空间定位受流体混合和沸腾地球化学界面控制(张成江等,2001;倪师军等,2001;张成江,2005)。

若尔盖地区作为中国著名的碳硅泥岩型铀矿床产区之一,自二十世纪60年代发现以来的40多年来,地质勘探和矿山开采部门进行了较详细的普查勘探工作,积累了丰富的实际地质资料。与此同时,几乎自矿床发现时起,不同单位或部门的地学家们相继从不同角度开展了大量的专题研究(何明友等,1996a;何明友等,1996b;赵兵,1994,1996,2002;王驹,1991;曾天柱,2002;陈友良,2008),取得了许多成果,为该区铀矿床的深入研究、成矿规律的探索奠定了良好的基础,综合前人从二十世纪60年代以来所作的研究工作,对该区铀矿床的成因观点主要有:表生氧化论或表生改造论(甘肃地矿局第五地质队,1980);地下水淋滤论(中国科学院地球化学研究所,1973;中国地质科学院矿床地质研究所, 1973,1975;陈一峰,1982;季洪芳等,1982);变质分异论(甘肃地矿局区域地质调查队,1973);构造挤压浸出论(中国地质科学院地质力学研究所,1975;中国科学院地球化学研究所,1976);“自生自储”累积成矿说(毛裕年,1989);地层预富集—蚀变预富集—工业富集成矿“三步”论(王驹,1991);构造—岩浆活化成矿论(金景福,1994;何明友,1993)。除金景福等人在90年代的研究中注重了构造—岩浆作用外,以前的研究大多具有明显的共性,这就是把周围地层视为铀源层,将大气降水的淋滤或循环作为流体成矿的主要过程,然后围绕这一中心,从各个不同角度展开研究,因而所得出的结论基本上大同小异。随着近年来深部地质勘查工作的开展和矿山对深部原生矿的开采揭露,发现了许多用传统成因观点无法解释的地质现象,深部流体成矿的迹象明显。

由于受传统观点的束缚,对该区铀矿床的垂直分带性未引起人们的重视,至今未见研究报导。本次研究中对该区铀矿床“上酸下碱,上氧化下还原”的垂直分带规律的发现,进一步说明铀矿床为典型的热液成因铀矿床,其成因与华南地区花岗岩型铀矿床有相似之处。

国内外许多矿床的研究表明,构造在垂向上是有分带性的,一般表现为浅部是张裂脆性,向下变为韧性;地表发散,深部收敛。通过观察,若尔盖地区的铀矿床也有类似的规律。510-1矿床地表多条规模较小的容矿断裂向深部逐渐会聚成了较大规模的断裂,矿体的厚度增大,品位有变富的趋势。矿体形态的变化是:从地表至3562m中段(第2中段),由于密集的构造裂隙造成强烈的角砾化或片理化,矿体呈似网脉状;往下100m已是延伸不长的线形矿体,角砾化和碎裂的作用已很有限。说明大致在第5中段以上为张性构造空间膨胀地带,来自深部的成矿热液上升至此由于压力的骤降而产生减压沸腾,在热液沸腾过程中,由于酸性挥发份易于转入蒸气相(Drummondet al.,1985),大量的F2,SO2,O2等气体从矿床下部向上部转移,导致酸—碱分离,形成或加剧“上酸下碱,上氧化下还原”的垂直分带现象(倪师军,1994)。

综上所述,我们认为若尔盖碳硅泥岩型铀矿床存在与华南地区花岗岩型铀矿床相似的“上酸下碱,上氧化下还原”的垂直分带规律,510-1矿床深部5中段附近为氧化还原和“酸碱分离”过度带,是重要的流体成矿地球化学界面,亦是铀发生突发成矿作用产生高度富集的部位。垂直分带规律显示出该矿床属于典型的热液矿床,深部找矿潜力还很大。

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D iscovery of Vertical Zon ing in the 510-1 Uran ium Deposit and its Geological I mplications

ZHANG Cheng-jiang,CHEN You-liang
(College of Earth Sciences,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059)

We found for the first time the vertical zoning rule of gangue minerals(quartz and calcite)in the 510-1 uranium ore deposit that shows an acid top and alkaline bottom.Quartz veins developed on the top of the ore deposit(levelNo.1),both of quartz veins and calcite veins are in the middle(levelNo.2 to No.4),while on the bottom of the ore deposit(levelNo.5 to No.6 and below),only calcite veins are present but no quartz vein was found.The research indicates that there exist a geochemical interface for acid and alkali isolation nearbyNo.5 levelof the 510-1 uranium deposit(200m or so below present earth surface),which is also a high concentration position for uranium outburst ofmineralization.These results have broken the traditional theory on ore-forming of carbonaceous-siliceous-argillitic rock type uranium deposits.They have extremely important significance for ore exploration and prediction in the Zoige region in the future.Meanwhile,they are also an en enlightenment to exploration of other carbonaceous-siliceousargillitic rock types of uranium deposits.

vertical zoning,carbonaceous-siliceous-argillitic rock type uranium deposit,Zoige

book=5,ebook=40

P619.14

A

0495-5331(2010)03-0434-08

2010-04-27;[责任编辑]郑 杰。

国家自然科学基金(编号:40872069);矿床地球化学国家重点实验室开放基金(编号:200603);中国核工业地质局科研课题“若尔盖铀矿田富大矿体定位条件和扩大方向研究”资助。

张成江(1955年-),男,教授,现主要从事铀矿地质、地球化学研究和教学工作,E-mail:zcj@cdut.edu.cn。