王正庆, 管太阳, 林子瑜, 冯志刚, 谢焱石, 陈 亮
(1.南华大学核资源与核燃料工程学院,湖南衡阳 421001;2.中钢矿业开发有限公司,北京 100080;3.东华理工大学地球科学学院,江西南昌 330013)
华南地区大量矿床的发现表明,该区铀矿资源相当丰富(杜乐天,2011)。区内广泛分布有花岗岩型、火山岩型、碳硅泥岩型(部分淋积成因)和(内生)砂岩型(部分淋积成因)等热液型铀矿(商朋强等,2007;张万良,2011)。大陆动力学和地球系统科学是当前世界地球科学发展的最新动向(杨经绥等,2009),而华南岩浆岩及铀矿形成的构造环境研究属于大陆动力学研究范畴。铀矿床在华南的大量分布,与华南特有的区域地质背景和中新生代构造-岩浆活动有着十分密切的关系(邓平等,2003),然而在探讨华南铀成矿规律的各类文献中,鲜见有从构造-岩浆活动驱动机制与铀成矿的关系出发,对华南中新生代构造-岩浆活动与铀成矿关系进行总结。本文拟从构造-岩浆活动驱动机制与铀成矿的关系出发,总结与华南铀成矿直接相关的构造-岩浆活动的促成因素或驱动机制,以期能够加深对该区铀成矿理论的认识,为铀矿地质勘查研究提供科学参考。
对于华南中新生代构造-岩浆活动,舒良树等(2004)从构造旋回角度,李子颖(2006)从地幔柱构造角度,进行了详细的阐述。两种观点,虽阐述角度不同,但彼此之间构造-岩浆活动的特征,具有良好的时空一致性。
如舒良树等(2004)认为华南在中新生代存在4个构造演化阶段。基底期,前晚三叠世近EW向古亚洲-特提斯构造域,包括早-中三叠世的强烈山体隆升、构造变形与侧向增生作用;后造山期,晚三叠世-早侏罗世陆相磨拉石类前陆盆地与花岗岩;过渡期,中侏罗世裂谷盆地阶段;伸展期,太平洋俯冲对本区的改造阶段,包括晚侏罗世-早白垩世岩浆断陷盆岭阶段和晚白垩世-古近纪的陆内伸展断陷盆地阶段。华南铀成矿作用主要与上述的最后一个伸展期有关。
李子颖(2006)认为华南加里东期以后受地幔柱构造动力作用和热动力影响更加明显。在印支期(220 Ma)造山运动期间,深部地幔柱继续上升,岩浆作用以钙碱性二长闪长花岗岩为主。在侏罗纪至早白垩世(190~125 Ma),随着地幔柱的进一步上升,受热动力作用的影响,区域上产生较强烈的火山喷发和岩浆侵入作用。岩浆成份上由钙碱性到偏碱性碱性演化(谢窦克等,1996)。同时,受上升动力的作用,在区域隆起背景上出现一系列由于断陷作用而形成的盆地。随热减薄作用进一步加强,热柱顶冠上部进一步裂解,形成一系列断层控制的区域性大型盆地陆相沉积建造。此外,在沉积作用的同时,在盆地中由于裂解作用导致深源的偏碱性火山喷出作用,如沉积岩层中的碱性玄武岩及与其同源的基性岩脉—粒玄岩或煌斑岩等。在晚白垩世(约100 Ma),即燕山造山运动的主幕期间,地幔柱作用进一步加强,产生更高温度的岩浆作用,其活动规模和强度在前述基础上继续扩大,深源无水、成分上受更大深度范围的部分熔融以及更高分馏的结晶分异作用所控制,以偏碱性、碱性为特点;区域上伴随各类岩脉的贯入,拉张作用增强,产生裂解构造薄弱带,形成热点活动。由于热点活动的继续,在中生代晚期产生比较强的流体作用(李子颖,2006)。由于中新生代地幔柱构造的作用和影响,形成了如钨、锡、铌、钽、锑、铜、铅、锌、钼、金和铀等矿化,从而使华南成为我国的多金属资源基地(陈肇博等,1982;杜乐天,1982;胡绍康,1982;涂光炽等,2006)。
华南地区是我国乃至全球大密度成矿区,是我国东部中生代“大规模成矿”或“大爆发成矿”最具代表性的区带(华仁民等,1999;毛景文等,2000,2008)。华南地区中生代主要金属矿床成矿出现于三个阶段,即晚三叠世(230~210 Ma)、中晚侏罗世(170~150 Ma)和早中白垩世(134~80 Ma)(毛景文等,2008)。而华南在伸展期演化阶段,共发生过6次伸展,相对应着出现6次铀成矿作用(胡瑞忠等,2004;商朋强等,2007)。这6次伸展和铀成矿作用,又可分组为两个次级阶段:与晚侏罗世-早白垩世岩浆断陷盆岭阶段对应的有145~135 Ma(140~135 Ma)、125~115 Ma(120~115 Ma)和110~100 Ma(105~100 Ma),与晚白垩世-古近纪的陆内伸展断陷沉积盆地阶段对应的有95~85 Ma(90~85 Ma)、75~70 Ma(70~65 Ma)和55~45 Ma(50~45 Ma)(括号外的年龄段为伸展年龄段,括号内的年龄为铀成矿年龄段),分界线大致在(99.6±0.9)Ma(即早、晚白垩纪分界年龄)。华南晚侏罗世-古近纪伸展期和铀成矿的两个次级阶段的划分,与华南近年来提出的早期高温、晚期中低温两期铀成矿作用相对应(邓平等,2002;胡宝群等,2003)。因此,华南地区构造-岩浆活动与铀成矿的关系密切。因此,表1是以华南铀成矿省为例,剖析了构造-岩浆与成矿活动之间的时空关系。
在区域挤压框架下的印支运动,导致华南大陆发生板内伸展作用,形成印支期花岗岩。而后的燕山运动后造山地质事件,岩石圈发生强烈裂解,促使大规模岩浆底侵和地壳物质熔融(陈培荣等,2002;陈培荣,2004;李献华等,2007)。例如,位于南岭中段的诸广山花岗岩是一个发育在特提斯-古亚洲构造域变质基底之上的多期复式岩体,具中浅层次热隆伸展构造的几何学与运动学特征,可认为是印支期碰撞造山、燕山期俯冲消减以及大陆内部玄武岩浆底侵和地壳深熔等联合作用的产物(舒良树等,2004)。伸展构造为热液铀成矿提供了有利的成矿空间,花岗岩型铀矿(包括砂岩型)主要受热隆伸展构造控制,火山岩型铀矿主要受裂陷伸展构造控制,碳硅泥岩型铀矿主要受重力伸展构造控制(余达淦,1994)。再如,361铀矿床在成矿前阶段构造相对挤压的封闭环境中,成矿物质迁移、富集而在成矿阶段构造拉张的开放环境中快速沉淀成矿(刘埃平等,1993)。构造拉张开放环境形成剪切应变带,矿床(体)往往赋存于剪切应变、体积应变和温度由极大向极小转换的构造部位(席先武等,2003)。
受燕山期构造-岩浆热事件叠加的印支期花岗岩与铀成矿关系密切,可能是铀源体 (胡瑞忠等,1993;陈培荣,2004)。同时,亦有研究表明,相山矿田的下寒武统地层为区域铀源层(邵飞等,2008),南岭地区富铀基底沉积岩或变质岩,与相山火山铀成矿盆地的基底构造变形十分相似,是一种非常有利于大规模铀成矿作用发生的构造变形基底(毛孟才等,2002;邓平等,2002)。从构造-岩浆活动驱动机制与铀成矿的关系出发,以上所阐述的铀成矿理论,可称为“构造体制转换铀成矿观”。构造体制转换所导致的构造-岩浆活动的驱动机制源于板块运动。本观点强调构造体制转换对成岩成矿的重要控制作用。
表1 华南铀成矿省构造-岩浆活动与铀成矿的关系Table 1 The relationship between structure-magmatic activity and uranium mineralization in Southern China uranium province
地幔柱构造和热点活动理论的形成和演化及动力学观点被称为是继大陆漂移和板块构造以后的第三次地学浪潮(王鸿祯,1995)。地幔柱指储藏巨大能量的热柱和化学成分与周围有明显差别的化学柱的综合(李子颖等,1999),热点是地幔柱到达地表的作用形式(Wilson,1963,1973;Morgan,1972)。卢焕章等(2011)认为,地幔柱与板块构造的关系,视地球的年代不同而不一样。王登红等(2008),研究了不同构造环境中与热点有关的矿床实例,认为地幔柱可能影响到地球演化各个阶段的成矿作用。例如,阿拉斯加Bokan山(中生代)和阿帕拉契亚(中古生代至中生代),矿床成因为岩浆-雨水热液的铀矿。根据现代地球物理资料综合研究推测,华南地区的柱状刚性岩石圈很可能代表一个地幔冷柱,该冷柱在燕山期曾是一个地幔热柱。华南地区在燕山期地幔可能上隆,导致上覆地壳大面积重熔或同熔成花岗质岩浆(毛景文等,1998)。同时,地幔柱构造不仅为铀的活化、迁移和富集提供热动力,而且还可能提供成矿物质来源(Hawkesworth et al.,1993;李子颖,2006)。铀是在复杂的多期次岩浆和流体作用过程的晚期熔体或流体中富集,主要来自深部,其富集沉淀主要是成矿流体在近地表时,由于物理化学条件的改变,控制铀成矿的核心因素是热点活动与构造作用的叠合(李子颖,2006)。热点(地幔柱)铀成矿理论的提出,为深部铀矿找矿战略的实施提供了理论依据(王正其等,2007)。持类似观点的还有其他学者,如胡瑞忠等(1993)、朱捌(2010)、谭俊等(2007)、赵军红等(2001)研究认为,地壳伸展和岩石圈减薄,导致幔源基性岩浆上侵和地幔流体进入地壳,该动力学背景下形成的富CO2热液浸取同一或不同铀源岩中的铀并在不同围岩中成矿,形成了按赋矿围岩划分的各种矿床类型(花岗岩型、火山岩型和碳硅泥岩型)。地幔柱活动及板块运动的动力学背景,成功回答了华南铀矿矿岩时差问题,即南岭地区大部分“花岗岩型”铀矿床的花岗岩成岩时间是印支期,但铀的成矿作用主要发生在燕山晚期(胡瑞忠等,1993,2004;华仁民等,2008)。
从构造-岩浆活动的驱动机制及与铀成矿的关系出发,对于以上所阐述的铀成矿理论,本文称之为“热点(地幔柱)铀成矿观”。本观点驱动机制主要源于热点(地幔柱)活动,强调热点(地幔柱)活动对铀成矿的重要控制作用,同时部分学者也不排除太平洋-亚欧板块碰撞所发挥的能动的驱动作用。
幔汁活动及其造成的幔壳溃变破坏了地球三大基本动力(重力、各圈层差异转速的剪切力和天体潮汐力)之间的原有平衡。铀成矿的地质动力学背景是软流层的溃变上隆和水平滑移,由此派生出的拆离构造,是幔汁上涌进行碱交代、搬运、沉淀矿质的通道(杜乐天,2001;强祖基等,2001)。在华南地区,燕山期地幔流体具有独特的溶解和输运能力,极强的渗透能、化学反应能及反应速度极高的热容、萃取能力和分相不混溶性。这些地幔流体不仅在地幔中产生,而且也在上升过程中对其携带的地幔岩包体产生交代作用,尤其是当它们穿过上地幔及莫霍面进人岩石圈地壳时,与地壳岩石之间产生强烈的交代作用,导致壳源成矿元素大规模活化转移,因而有利于形成大型、超大型矿床和巨大的矿带(杜乐天,2001)。
围绕拆离构及其与铀矿化的关系,国内外大量学者开展了一系列研究(Wernicke,1981;陈跃辉等,1994;余达淦等,1998)。然而对于伸展构造中“红矿”与“黑矿”,其形的成机理是,在伸展构造体系中,浅部地下水,在向深部运移、循环的过程中逐步加温并从花岗岩体中汲取大量硅质和易浸出铀。在脆性高角度断裂系中,析出以红色微晶石英为主的“红矿”。深部热液体系从深层次带来矿源,并在运移途中汲取岩石中的成矿元素,在氧化还原过渡带中沉淀了灰黑色微晶石英和大量沥青铀矿的“黑矿”(潘永正等,1994)。王正其等(2010)研究认为,下庄矿田小水“交点型”铀矿床成矿流体中的矿化剂组分来自地幔,铀源最有可能直接来自与辉绿岩具有相似源区性质的岩石圈富集地幔岩。刘丛强等(2001)对诸广铀矿集区的研究同样指示,成矿物质和成矿流体具有幔源性。李献华等(1997)研究显示,粤北基性岩脉化学成分以拉斑质玄武岩为主,高的εNd(T)值(+5)表明其母岩浆来源于一大离子亲石元素和轻稀土元素长期较亏损的地幔源,基性岩脉主要形成于140 Ma、105 Ma、90 Ma(KAr,Ar-Ar法)三个阶段。以上基性岩脉的形成阶段与本区铀成矿时代在时间上具有很好的对应性(邓平等,2002)。胡瑞忠等(1993)、邓平等(2003)通过成矿流体H、O同位素研究发现,矿前期和成矿期成矿流体的 δ18OH2O=1.4‰ ~ 6.6‰,ΔDH2O=-65‰~34‰,表明成矿流体主要由地幔流体组成,矿脉中方解石的 δ13C= -8.5‰ ~3.1‰,反映矿化剂∑CO2来自地幔。
从构造-岩浆活动驱动机制与铀成矿的关系出发,对于以上所阐述的铀成矿理论,本文称之为“幔汁活动观铀成矿”。本观点驱动机制源于幔汁活动,强调幔汁活动对成岩成矿的重要能动作用。
陈国能等(1996),从花岗岩原地重熔说角度,揭示了铀矿热液的形成机理。华南中新生代的地壳活动与其东侧的大洋板块的运动密切相关。板块的相互作用为大陆内部的岩浆运动、构造活动以及变质作用和成矿作用等提供了能量,这也是陆壳重熔的主要原因(陈国能,1993)。华南三个铀矿化期分别与该区中新生代三个主要构造幕(扩张速度减慢处)相对应,初步的解释是,当扩张速度增加时,促使重熔层增厚,重熔界面升高;而当扩张速度减慢时,输入陆壳的能量减少,重熔岩浆固结,重熔界面下降,有利于大陆内张性构造(盆地和成矿裂隙)的形成和铀的迁移及沉淀(张珂,2001)。岩石的熔融导致其内的元素,包括成岩和成矿元素的活化。在岩浆结晶早期,未能加入到先结晶的硅酸盐晶格中的各种成矿元素,特别是亲硫元素和射气元素,将汇聚于残余岩浆中而被带到岩浆层的上方。当残余岩浆开始结晶时,不能加入硅酸盐晶格的成矿元素便会富集于气液流体中,并在温度梯度和压力梯度的驱动下向低压区,即重熔界面向上隆起的部位(现时见到的岩体顶部)运移。当重熔层上覆盖层中出现裂隙时,积聚于重熔层顶部的含矿流体就会沿着各种裂隙向上运动。在含矿流体向上运移过程中,随着温度的降低或化学条件的变化,其内各种不同的成矿元素或化合物,必在最适合其沉淀的物理化学区间析出,形成各种热液矿床或矿化(陈国能等,1996)。此时的铀可能主要以U4+的形式存在,而U4+在岩浆结晶过程中可以与 Th4+,Zr4+,Hf4+,REE3+等进行同价或异价类质同象置换,从而被分散到锆石、榍石、磷灰石等副矿物中。这可能就是某些岩体铀的背景含量很高但又不能形成独立铀矿床的原因(刘英俊等,1984)。对于铀而言,系统氧逸度升高使铀离子有可能与氧结合成为铀酰离子团[(UO)22+]。铀酰离子团由于半径大,很难再以类质同象形式进入硅酸盐矿物的晶格之中,故只能在气液流体中富集。一旦条件允许,气液流体便被排出系统,其内的铀也随着气液流体沿裂隙向上运移(陈国能等,1996)。在复式岩体中,从早期岩体到晚期岩体,铀的含量常有逐渐升高的趋势(张祖还等,1991),便是上述过程的佐证。
从构造-岩浆活动驱动机制与铀成矿的关系出发,对于以上所阐述的铀成矿理论,本文称之为“原地重熔铀成矿观”。本观点的动力机制来源于板块运动,强调板块运动的快慢而导致的花岗岩的重熔界面的升降对成岩成矿的重要控制作用。
本文从华南构造-岩浆活动的驱动机制与铀成矿的关系出发,对华南中新生代众多铀成矿理论,从地球动力学背景角度进行了系统分析、归纳和对比,总结出了四种铀成矿的动力驱动机制观点。此工作有益于加深对华南铀成矿动力背景的理解、厘清华南铀矿地质研究的前沿与热点问题。文中四种观点之间并没有绝对的界限,它们要么以板块理论为依托,要么以地幔柱构造和热点活动理论为依托,要么依托二者的联合作用。另外,各观点大都强调铀源、矿化剂的幔源性,伸展构造对铀成矿的控制作用等。
华南铀矿勘查的突破强烈依赖于铀成矿理论的突破,华南铀矿地质研究的创新性仍有待加强,其指导找矿的成效性尚需充分挖掘。现提出以下存在的问题及努力方向,谨与广大同仁商榷。
(1)大陆岩石圈和大洋岩石圈在成分、厚度和力学强度方面有明显的差别,现有板块构造不完全适用于大陆构造。例如,大陆物质的增生和消减仍是一个谜。大陆地壳和地幔流变学的综合研究是认识大陆构造和超越板块构造的最佳途径(金振民等,2004)。大陆岩石圈对构造作用、重力作用和热作用的响应在很大程度上取决于其流变强度(宋鸿林,2002)。因此,加强华南铀矿地质流变学研究,是该区未来铀矿地质研究的热点方向。
(2)扎实的野外工作、构造-岩浆作用、壳幔作用、成矿数值模拟及成矿模型(席先武等,2003;Ge Lin et al.,2006)、构造应力及其对成岩、成矿的促进、核素迁移的影响机理、重点构造带及构造应变带处微观地球化学与构造应力、温度等岩石物理条件的耦合等研究有待加强。
(3)铀成矿理论指导找矿的成效性有待加强。华南具有良好的铀成矿条件下,如何找到类似于奥林匹克坝铜-金-铀型的超大型多金属矿床,需要同仁们深入研究。
(4)信息找矿技术有待提高。半个世纪以来,华南地区积累了大量勘探、研究资料,而先进的分析、提取技术可从中获得意外发现。同时,可在铀矿地质研究中加强物化探、遥感及GIS多元集成分析技术研究,以期获得铀矿地质研究及勘查的突破。
胡宝群教授、外审匿名专家及吴信民教授对文章提出了宝贵修改建议,原核工业291地质大队丁瑞钦总工、核工业290研究所的黄国龙总工、谭正中研究员等在项目研究中提供了帮助,在此一并致谢。
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