修武盆地下寒武统黑色岩系铀矿物赋存特征及富集机理

王 运，胡宝群，高海东，李文成，伯 慧，郭国林

（1.东华理工大学 放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室，江西 抚州344000；2.江西省煤田地质勘察研究院，江西 南昌330000；3.江西省核工业地质调查院，江西 南昌330000）

1 引言

下寒武统黑色岩系 “多元素富集事件”倍受世人关注，国内外学者一直致力于对其进行研究[1－5]。国内对下寒武统黑色岩系的研究主要集中于我国南部地区 （黔、湘、滇等）；研究对象多偏向于钒、镍和钼，对铀的研究相对较少，仅在微量元素数据分析时偶尔提及；研究手段多以微量元素化学分析为主。作为我国碳硅泥岩型铀矿的主要赋矿岩系，湘西南桂北下寒武统黑色岩系铀含量远高于克拉克值，并且在其中已发现了多个铀矿床。近年来，随着找矿工作的深入开展，有必要对下寒武统黑色岩系铀矿物的赋存特征及富集机理进行研究，以期为找矿和矿产开发、环保等方面提供基础性技术资料。

2 区域地质特征

修武盆地区域构造上位于扬子板块的次级构造单元——下扬子坳陷带，归属于九江坳陷的修水－武宁复向斜。中元古界双桥山群构成该复向斜的变质褶皱基底，南华系至下三叠统为复向斜的主体，轴向一般呈北东东向，部分地段为近东西向及北西向。

区内地层出露较全，从中元古界到新生界，除缺失侏罗系、白垩系以及泥盆系、石炭系的部分地层外，其它各系均较发育，特别是南华系至下志留统发育最为齐全。

断裂构造比较发育，大型断裂以北西向、北东向、北北东向逆冲断层为主。小型断裂多为大断裂的次级构造，倾角20°～80°，以宽约2～5cm的白色、绿色、无色透明石英脉和白色、棕黄色透明方解石脉充填其中。震旦系地层裂隙中也偶见宽约1～3cm的紫红色、绿色、无色透明萤石脉充填。

区内各类岩石均遭受不同程度的蚀变，常见的有硅化、碳酸盐化、黄铁矿化等。其中，硅化表现为以面型蚀变为主，碳酸盐化常呈脉状，黄铁矿化以团块状和颗粒状为主。

区内尚未发现岩浆岩。

3 样品采集与分析结果

所有样品均取自修武盆地地表及钻孔（表1）。将岩石样品制备成薄片进行镜下观察，并通过JXA－8100电子探针对含铀矿物进行成分鉴定，以及对岩石做化学成分分析 （XRF）、微量元素及稀土元素分析 （ICP－MS）。

表1 样品岩性及采样位置Table 1 Rock types and sample location

3.1 铀矿物赋存状态

电子探针化学分析初步确定黑色岩系中的铀矿物主要为磷钙铀矿和含磷钙钛铀矿 （表2）。

磷钙铀矿：主要成分含量，UO2为24.93%～32.96%，CaO 20.01%～21.62%，P2O523.28%～26.20%，SiO21.44%～8.40%，ThO2＜0.04%。此外，常含有TiO2、MgO、Na2O、Al2O3等。

磷钙铀矿颗粒大小为2μm左右，基本以独立矿物存在于石英的微孔隙中或吸附于石英表面 （图1），矿物周围多见石英、黄铁矿、磷灰石等。

表2 铀矿物电子探针分析结果 （%）Table 2 Electron microprobe analysis results of uranium minerals（%）

图1 铀矿物的存在形式 （电子探针背散射电子图像）Fig.1 Existing form of uranium mineral（BSE images）Pho—磷钙铀矿；Bra—含磷钙钛铀矿；Py—黄铁矿；Tit—TiO2矿物；Ap—磷灰石；Q—石英。

含磷钙钛铀矿：UO2含量为27.54%～50.24%，TiO29.86%～29.58%，CaO 2.09%～8.34%，P2O52.39%～12.83%，SiO28.51%～19.61%，ThO20.16%～0.61%。此外，常含有Na2O、MgO、Al2O3等。含磷钙钛铀矿颗粒大小在1～3μm，基本以独立矿物存在，少量与TiO2矿物共生 （图1），矿物周围多见石英、黄铁矿、磷灰石、铁白云石等。

3.2 岩石化学组分特征

对修武盆地下寒武统采取5个不同层位的岩石样品进行化学分析 （表3），从表3可知，XW1（含碳灰岩）和XW4（石煤）烧失量明显大于其他样品，这主要是由于有机质含量高的缘故。本区石煤中有机碳含量一般为7%～15%。

w（SiO2）／w（A12O3）值是区分岩石物源的重要标志，陆壳w（SiO2）／w（A12O3）平均值为3.6[6]。因此，与此比值接近的岩石其物源应以陆源为主，超过此值的则多是由于生物或热水作用的结果。研究区采集的样品w（SiO2）／w（A12O3）值为3.35～230.95 （表3），间接表明其物源有大量生物和大洋热水沉积物补充。

由于陆源物质富铝，而大洋热水沉积物中富铁、锰，因此这3者的含量关系可以用于示踪沉积岩的物源。沉积岩中w（Al）／w（A1＋Fe＋Mn）值＞0.5时，其物源应为陆源，而此比值＜0.35时为大洋热水的沉积[7]。研究区采集样品w（Al）／w（A1＋Fe＋Mn）值为0.24～0.65 （表3），也表明其物源应为陆源和海底热水沉积物，且以陆源为主。

表3 黑色岩系岩石化学组分含量 （%）及其特征参数Table 3 Petrochemical component and characteristic parameter of black rock series（%）

3.3 微量及稀土元素含量特征

表4列出了研究区下寒武统黑色岩系5个不同样品的 U、V、Mo、P、Sb、Pb、Sr、Zr、Hf、Ni、Th、Zn、Co、Cr等14种元素的含量分析结果，显示XW4（石煤）的U、V、Mo含量明显偏高，比其他样品富集数十倍，而其他样品与陆壳元素丰度值相比几乎无异常；U、V、Mo、P大致成正相关关系。

表4 黑色岩系微量元素分析结果 （×10－6）及铀钍比值Table 4 Trace element content of black rock series（×10－6）

热水沉积物w（U）／w（Th）值往往大于1，而正常海洋沉积物的w（U）／w（Th）值往往小于1[9]。本区岩石样品的w（U）／w（Th）平均值 （4.92）大于1，说明其受到热水沉积作用的影响。

Co主要是水成来源，而Cu、Ni、Zn为原生热水来源[10]。在 Zn－Ni－Co三角图 （图2）中可以看出，海底热水沉积物落在Zn、Ni结合之处，而水成沉积物主要落在Co含量相对较高的地方。本区下寒武统黑色岩系样品投点位于海底热水沉积范围及其附近，表明本区黑色岩系受到了热水沉积的影响。

图2 黑色岩系Zn－Ni－Co图 （据Jai H.C，1992）Fig.2 Zn－Ni－Co diagram of the black rock seriesⅠ—水成沉积物；Ⅱ—热水沉积物。

由表5可知，强黄铁矿化含碳硅质板岩稀土总量 （ΣREE）最高 （136.85×10－6），其次为石煤 （135.89×10－6）。ΣREE具有随海水深度的增加而升高的特点[4]，因此稀土总量的多少能反映古海洋的深度[5]。本区古海洋深度在寒武纪早期存在起伏，强黄铁矿化含碳硅质板岩、石煤形成于水深相对较大的还原性环境。

表5 稀土元素含量 （×10－6）及其特征参数Table 5 The content and characteristic parameters of REE （×10－6）

在 La／Yb－Ce／La 和 La／Yb－REE 图 中（图3、4），本区样品多落于沉积岩区和玄武岩区，显示样品具有正常海相沉积并有热水作用参与的特点。

图3 黑色岩系La／Yb－Ce／La图（据Kunzendorf H，1988）Fig.3 La／Yb－Ce／La diagram for the black rock series 1—深海沉积物；2—铁锰结核及铁镁岩；3—海相玄武岩。

4 铀富集机理

上述分析表明，本区铀富集主要与海底热水作用有关，与碳质、磷等关系也非常密切，其富集机理如下：

图4 黑色岩系La／Yb－REE图（据Allegre C.J，1978）ig.4 La／Yb－REE diagram for the black rock series 1—球粒陨石；2—大洋拉斑玄武岩；3—大陆拉斑玄武岩；4—碱性玄武岩；5—花岗岩；6—金伯利岩；7—碳酸盐岩；8—沉积岩。

在早寒武世黑色岩系沉积时，受构造拉张作用的影响，发生了多次海底火山喷发活动，形成以正常海洋沉积并伴有热水参与的黑色岩系。深部热源物质上升，与地表水、地下水和海水形成热液，其中溶解了少量的铀。当水中存在有机质时将形成有机质流体，其发生氧化作用可降低溶解分子氧的数量，从而使该流体对铀的富集能力数倍增加。同时，有机流体可降低矿物和岩石的稳定性，使碳酸盐、硅铝酸盐等矿物溶解，其中所含的钙、磷及微量铀被释放出来，进入流体并迁移。U、P具有共沉淀过程，磷酸钙在弱酸性介质中是强载铀体，主要以 [UO2（HPO4）2]2－形 式 迁 移[14]。实验表明，天然磷酸盐能强烈的从铀酰盐溶液中吸附铀，它可以从196×10－6的含铀水溶液中提取63%的铀于沉积物中[15]。黑色岩系中丰富的碳质可将流体中可溶U＋6还原为U＋4沉淀，而且其具有吸附性强、渗透性差、塑性较大等特点，非常有利于俘获铀而使其富集。此外，由于古海洋水深的起伏变化，海退时原本接受沉积的地区遭受剥蚀，岩石中富集的铀再次迁移至相对较深的海域富集，故在相对较深海域形成的石煤中铀富集较为显著。

5 结语

（1）修武盆地下寒武统黑色岩系中的铀矿物主要为磷钙铀矿和含磷钙钛铀矿；

（2）铀矿物基本上以独立矿物形式存在，其颗粒微小，约1～3μm，少量与钛矿物共生；

（3）黑色岩系沉积受海底热水影响，物源由陆源和海底热水沉积物两者混合组成，且以陆源为主；

（4）铀的富集与碳、磷等富集关系密切。

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