矿液致裂作用对苗儿山矿田花岗岩型脉状铀矿床多期成矿的制约

方适宜

（核工业230研究所，湖南 长沙 410011）

矿液致裂作用对苗儿山矿田花岗岩型脉状铀矿床多期成矿的制约

方适宜

（核工业230研究所，湖南 长沙 410011）

运用矿液致裂理论与多种测试技术，详细研究了桂北苗儿山矿田花岗岩型脉状铀矿床矿脉的形态与内部结构，获知成矿时矿液的压力大于围岩的静压力，矿脉由矿液压裂作用形成。在此基础上讨论了矿液致裂对花岗岩型脉状铀矿床多期成矿的控制。

矿液致裂；多期成矿；脉状铀矿床；苗儿山矿田

1 有液压参与的断裂作用

近年来的研究表明，地壳内各种流体的活动对构造的形成和演化产生重要影响（Fyfe， 1981； Cox， 1995）。 由于流体渗滤与构造变形在动力学、化学、热力学和水力学等方面存在复杂的耦合关系（Tobish等，1991），这种耦合关系使流体对岩石的矿物相、变质相、结构构造和变形习性产生深刻影响，从而控制岩石的变形行为。液压致裂是流体影响和控制岩石变形的重要方面及表现形式之一。理论和试验研究表明［1-2］，如果在介质中有液压存在，那么就代表没有流体压力时应力状态的莫尔圆就沿着正应力的方向向左平移了pF距离（图1），从而使代表有流体压力存在时应力状态的莫尔圆和莫尔包络线相切，岩石就会出现破裂。一旦始态的差异应力（莫尔圆的半径）大，流体压力稍微提高就足以产生破裂，导致莫尔圆在小斜率的区域里和包络线相切（图1a）。如果始态差异应力小，流体压力必须很高，才能和固体压力一起产生破裂。莫尔圆跑到大斜率的区域里和包络线相切，圆心靠近原点，α角小，破裂显示为张性（图 1b）。

图2 液压致裂作用原理，超压流体使断裂扩展到非渗透的围岩中（据A.尼古拉，1984）Fig.2 Principles of hydraulic pressure cracking，overpressure causing the fractures extend into the impermeable wall rock （After A.Nicola， 1984）

在流体压力大于固体压力的地方，如果围岩或上覆岩层是非渗透性的，液压引起的断裂作用就会发生。为什么会出现流体压力大于围压的情况呢？其原因可能是深处高压矿液的贯入，或是在某些去水作用或部分熔融作用过程中体积增大（图2a），或者由于小流体柱顶部的重力值小于围岩（图2b）。这种流体沿构造应力集中带上升，使围岩破裂，形成容矿断裂。随之矿液进入，形成矿脉。因此液压致裂发生的条件是pF≥σ3＋Rt，即当流体压力pF超过最小主应力σ3和岩石抗张强度Rt之和时，便会发生液压致裂。破裂的瞬时开启可成为流体排出的通道，使得在多孔介质中的pF减小，断裂又重新闭合。这样的破裂就像一个备有活塞的汽缸，吸入、排出。如此重复作用从而使介质中的流体不断被排出。因此，矿液致裂作用具有骤发性（快）、破坏性（强）和周期性（长期）等特点。在详细的野外观察和室内综合研究基础上，笔者认为，苗儿山矿田花岗岩型脉状铀矿床矿脉的形成与矿液压裂作用密切相关。

2 花岗岩型脉状铀矿床矿液致裂的证据

2.1 矿脉的形态与内部结构

沙子江矿床容矿断裂平面上以相互平行的断裂组出现（图3），并局部含有纤维状线理的脉状充填物，表明断裂有张性破裂特征。矿脉的形态与内部结构也反映了多期矿液压裂作用。在同构造充填液体压力作用下，由于容矿断裂沿应力方向旋转形成的两条沥青铀矿脉间分枝复合或侧羽扩展连通。沥青铀矿脉尾端的分枝与偏折，是张性脉动扩展的证据。发育大量网状裂隙及可拼接角砾（图4），角砾有时呈撕裂状，甚至呈藕断丝连状的布丁构造，晚期角砾可包裹早期角砾，均具有压裂的外貌，孟公界矿床矿脉具有平行复脉和脉中脉构造（图5）特征，不同期次形成的脉体，其颜色、宽度和结晶程度等有所不同，显微镜下观察不同世代矿物及晶体生长带向两壁可对称发展，也可不对称发展，石英生长方向（长轴方向）垂直脉壁形成带极密，实质上高压流体周期性活动导致连续的裂开—愈合过程发生，这进一步证明矿液压裂容矿断裂是张性的，其中矿液的压力对容矿断裂的形成与扩展起着重要作用。

图3 沙子江矿床地质略图及0号勘探线剖面示意图（据核工业310队资料修改，1985）Fig.3 Geology map of Shazijiang deposit and cross section of exploration line No.0（Modified after information from Geologic Party No.310， CNNC， 1984）

图4 由矿液压裂造成的沥青铀矿脉（黑色）尾端的分枝与网状裂隙及可拼接矿石角砾（沙子江矿床1 420 m中段）Fig.4 Net-like fracture and branches at the end of pitchblende vein（black）caused by hydraulic pressure cracking and joinable breccias（1 420 m level in Shazijiang deposit）

图5 孟公界YD-1沿脉坑道中1号脉的形状Fig.5 The shape of vein No.1 in YD-1 vein along tunnel in Menggongjie

苗儿山矿田花岗岩型脉状铀矿床矿脉的两壁平直，与围岩界线截然，脉壁没有擦痕和阶步等断层作用的标志［3］，黑色硅质矿脉中常有早期浅色硅质矿脉的夹石，夹石在矿脉中呈飘浮状分布，并且在矿脉两侧和端部夹石减少，而中心含量高。显微镜下观察角砾与围岩的内部变形程度基本一致，不发育变形显微构造，表明夹石形成为矿液压裂所致。

2.2 流体包裹体特征

流体包裹体主要发育在微晶石英矿石中。这些包裹体呈无色，以气-液两相或单一液相为主；形态主要有椭圆形、三角形和不规则形等；包裹体长轴大约为8～15 μm；多数包裹体无特定方向分布（图6a）；气-液两相包裹体的气体百分数为10%～50%。它们的均一温度为154～248.3℃，加权平均值为（184.69±24.51）℃（n＝10）（图 6b）； 盐度集中在9.28%～15.2%NaCl之间，加权平均值为（13.23±1.55）%NaCl （图 6c）。根据包裹体的温度和盐度数据，求得其密度为0.73～0.95 g·cm-3，在NaCl—H2O体系的等容线图上求出其压力值在（176～580）×105Pa之间变化，说明成矿流体的温度、密度、浓度、压力和成分等物理-化学性质发生过频繁变动。

2.3 矿脉与围岩石英杂质、X衍射数据、晶胞参数和红外光谱学特征的对比分析

2.3.1 石英杂质含量

由表1中可见，矿脉中石英杂质质量分数低（1.487%），糜棱岩中石英杂质质量分数高（3.172%），表明成矿溶液具有较高的压力。沙子江矿床石英杂质质量分数（1.186%）比孟公界矿床石英杂质质量分数（1.788%）低，说明前者形成的矿液压力比后者高。

图6 沙子江矿床石英的包裹体照片及其均一温度和盐度的频率直方图Fig.6 Photos of quartz inclusion and frequency histogram of homogeneous temperature and salinity in Shazijiang deposit

表1 石英中杂质质量分数分析表Table 1 The content of impurities in quartz

2.3.2 面网间距及衍射强度

根据高压流体中结晶的石英，类质同象和杂质混入物相对减少，进入晶格的离子数减少，各个方向面网间距总的来说呈减少的趋势，从而导致面网间距依次减小。表2表明沙子江矿床和孟公界矿床矿脉中面网间距减小，说明矿脉中石英是在高压流体中结晶生成的。

X射线的衍射强度也是一个与压力有关的物理量。据经验公式，压力升高，衍射强度降低，平均衍射强度也降低。由表3可见矿脉中石英的衍射强度低于围岩中石英的衍射强度。

2.3.3 石英晶胞参数对比

矿脉中石英的晶胞参数与标准石英晶胞参数对比，其a0、b0和c0值均有减小，而围岩中的石英略有增大（表4）。说明不是定向压力所致，而是流体压力作用的结果。

2.3.4 红外光谱学特征

对矿脉与围岩中石英进行红外光谱学特征研究表明，矿液致裂作用首先在吸收峰的强度（吸光度用A表示）上表现明显。流体压力大，石英中类质同象和杂质少，而类质同象替代物和杂质含量影响晶体的对称性和化学键强度。即压力上升，杂质混入物下降，对称性和化学键增强，吸光度A上升。由表5可见，矿脉的吸光度比围岩大，说明矿脉中流体压力增大。

从红外光谱图上，对矿脉与围岩中石英样品的吸收峰数目进行统计（表6），可以看出矿脉中石英吸收峰数目减少，围岩中石英吸收峰数目增加。特别是沙子江矿床从上到下随着流体压力增高，矿脉内吸收峰数目依次递减。

通过对矿脉和围岩中石英的吸收峰横坐标数进行统计（表7）可以看出，矿脉中石英的主要几个吸收峰有向高波数移动趋势，说明流体压力也有增加趋势。

3 矿液致裂对花岗岩型脉状铀矿床多期成矿的制约

根据野外调查和资料分析，区内印支晚期伴随苗儿山—越城岭强烈隆升，在越城岭隆起与东西侧新宁坳陷的转换带上，在强大的剪应力作用下，地下6～10 km深部形成了新资韧性剪切带，地表为脆性破裂 （即新资断裂）。几乎同时，苗儿山—越城岭复式背斜核部深部岩石发生了重熔，形成豆乍山和香草坪等 “S”型花岗岩，燕山期区内韧性剪切带继续活动，深部重熔岩浆上升沿浅部新资断裂及次级断裂呈岩墙扩张式侵位，形成SN向延伸数十公里的花岗斑岩和紫花坪、大圳和五团花岗岩及新资断陷盆地，产生控矿韧性剪切带（如沙子江矿区的8、9号带，孟公界矿区的1号带和双滑江矿床的天金断裂带等）叠加在印支期大规模韧性剪切带上，喜山期新资断裂表现为张扭性质，切割了白垩纪地层。石英热活化电子自旋共振测试结果表明，该断层糜棱岩有207～233 Ma和66～69 Ma两个阶段形成年龄，硅化带为148 Ma，对应区内铀成矿年龄则有138 Ma和74 Ma两期。

由于新资走滑韧性剪切带的作用在矿田内形成了大规模的印支期—燕山期剪切重熔花岗岩，岩浆的结晶分异作用使其分离出大量流体相，部分流体使岩体发生强烈的自变质作用和碱交代作用，岩体中普遍发育钾、钠长石化和硅化等蚀变，钾、钠长石化使岩石的脆性增大，抗压强度和抗张强度减小，而大面积的硅化为高压流体的汇聚提供了良好的圈闭条件。燕山晚期花岗岩和花岗斑岩的侵位直接诱发了液压致裂的发生，新资盆地内各种建造水、大气降水和地下水沿走滑断裂带（主要是浅部脆性断裂系统）下渗循环，萃取含铀地层及岩体中的铀，与深部富含Si、U、K、Na和CO2的超临界流体沿走滑断裂带及次级控矿断裂向上运移，它们相遇混合，并汇聚于岩体硅化屏蔽层之下，其压力逐渐增大，一旦超过上覆岩石的抗张强度和最小主应力之和，便发生液压致裂和铀成矿作用。大气水和深部含矿热液持续补给使含矿热液流体压力周期性积累—释放，矿液压裂幕式发生并导致多期铀成矿作用，其直接的表现形式是矿石的多次角砾岩化和含矿裂隙—脉的增量沉淀。

表4 苗儿山矿田花岗岩型脉状铀矿床矿脉和围岩中晶胞参数及其与标准石英对比Table 4 Unit cell parameters and their contrast to the standard quartz in ore vein and wall rock of vein shape granite-type uranium deposit in Miaoershan ore field

表5 苗儿山矿田花岗岩型脉状铀矿床矿脉与围岩中石英各峰的吸光度Table 5 Absorbance of the quartz peaks in ore vein and wall rock of vein shape granite-type uranium deposit in Miaoershan ore field

表6 苗儿山矿田花岗岩型脉状铀矿床矿脉与围岩中石英红外光谱图上吸收峰数目Table 6 Numbers of absorption peaks of inferred spectrogram of quartz in ore veins and wall rock of vein shape granite-type uranium deposit in Miaoershan ore field

表7 苗儿山矿田花岗岩型脉状铀矿床矿脉和围岩中石英红外振动波数的变化Table 7 Wave numbers of changes of inferred vibration quartz in ore veins and wall rock of vein shape granite-type uranium deposit in Miaoershan ore field

沙子江矿床和孟公界矿床矿脉的形态与内部结构证明，矿脉应为同构造张性脉，成脉的充填和交代作用与成脉裂隙的形成是同时发生的［4］。A．尼古拉认为，除了地壳最表层的破裂之外，所有的张破裂都由液压或有液压参与的断裂作用形成［1］。大地应力测量也表明，地壳中几乎不存在张应力，只有剪应力［2］。沙子江和孟公界花岗岩型脉状铀矿床矿脉的张性特征表明容矿断裂的形成除差异应力外，必须要有其他因素的参与，矿液的液压能起到这种作用。

矿液致裂作用导致不同含铀硅质脉型（大脉与网脉，细脉）交替出现并有多期活动，说明它们形成时流体压力有一定差别，这种差别主要与矿液上升过程中的压力旋回及矿液补给有关。压力增加导致岩石破裂，岩石破裂又会增加渗透性，从而导致压力的下降，这种过程循环往复就是压力旋回。矿液致裂在岩石中形成的裂隙迅速被热液流体充填，进而形成含铀硅质脉。由于裂隙与脉在形成时间上接近，并具有成因联系，笔者称之为裂隙—脉系统。在裂隙—脉系统中，早期矿液补充不充分，压力有限，只能形成浅色硅质细脉和网脉条带，并且这种条带在矿脉的中心部位较多，在矿脉的边缘部位较少，推断矿脉的形成是由中心向边缘不断脉动扩展而成。晚期深部含矿硅质溶液再次聚集，矿液补给充分，并能较长时间保持较大的压力，形成沥青铀矿大脉及黑白相间的脉中脉和平行复脉。晚期含矿黑色硅质溶液注入含矿浅色硅质脉中有多种情况：（1）在浅色硅质脉完全凝固以后裂开注入。在没有交代作用的情况下，浅色硅质脉和含矿黑色硅质脉形成边界明显的复脉；若有交代作用，则形成边界不明显的复脉。（2）在浅色硅质脉没有完全凝固时裂开注入，含矿的黑色硅质脉将浅色的半凝固硅质搅动成呈飘浮状的夹石。在硅质脉夹石的破裂孔隙中，还可形成辉锑矿和萤石的晶洞。有些矿脉的围岩有平直的断层泥带和局部的片理化带，这是成矿后剪切活动的产物。

4 结 语

脉状矿床成矿动力学研究，起步不久，成果不多。矿液致裂作用为构造地质、矿田构造及矿床成因研究提供了新思路。苗儿山成矿区铀矿床是产于花岗岩体中与矿液致裂有关的脉状铀矿，对于铀成矿动力学来说，它还是一个新类型，值得进一步深入研究和总结。华南有大面积的花岗岩分布，进一步深入研究这一类型矿床，有重要的理论与找矿意义。

［1］尼古拉 A.构造地质学原理［M］.北京：石油工业出版社，1989:20-29.

［2］兰姆赛J G.现代构造地质学方法（第2卷）：褶皱和断裂［M］.北京：地质出版社，1985:312-344.

［3］方适宜．剪切带型铀矿床矿脉三维模型及盲矿预测［C］//第8届全国矿床会议论文集.北京：地质出版社，2006:372-375.

［4］方适宜.异常成矿构造聚敛场：花岗岩型富大铀矿床形成的特殊构造环境［J］.中南铀矿地质，2003， 17（2）:45-54.

Control of hydraulic pressure cracking on multiphase metallogenesis of vein shape granite-type uranium deposit in Miaoershan orefield

FANG Shi-yi
（Research Institute No.230， CNNC， Changsha， Hunan 410011， China）

Morphologies and intertexture of ore veins in vein shape granite-type uranium deposits in Miaoershan ore field in north of Guangxi are studied in detail through using the hydraulic pressure cracking theory and various kinds of testing technique.It is known that the pressure on ore fluid is larger than that of wall rock，and the ore veins are formed by hydraulic pressure cracking.Based on the above discussion，the control of hydraulic pressure cracking on the multiphase metallogenesis of vein shape granite-type uranium deposits is discussed.

hydraulic pressure cracking；multiphase metallogenesis； vein shape uranium deposit；Miaoershan ore field

P619.14；P598

A

1672-0636（2012）01-0009-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2012.01.002

2011-08-03；

2011-10-19

方适宜（1952—），湖南平江人，高级工程师（研究员级），现主要从事铀矿地质与科研工作。E-mail:fsy_230@163.com