相山矿田邹家山铀矿床碱交代矿化蚀变岩地球化学

胡宝群, 王 倩, 2, 邱林飞, 孙占学, 王 运, 吕古贤, 胡荣泉



相山矿田邹家山铀矿床碱交代矿化蚀变岩地球化学

胡宝群1, 王 倩1, 2, 邱林飞3, 孙占学1, 王 运4, 吕古贤5, 胡荣泉6

(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 南昌 330013; 2.内蒙古赤峰地质矿产勘查开发院, 内蒙古 赤峰 024000; 3.核工业北京地质研究院, 北京 100029; 4.江西省煤田地质勘查研究院,江西 南昌 330000; 5.中国地质科学院 地质力学研究所, 北京 100081; 6.中核抚州金安铀业公司, 江西乐安 344301)

相山矿田邹家山铀矿床成矿作用与碱交代关系密切。钠、钾的带入和带出极大地影响铀成矿作用过程, 钠交代和钾交代对铀成矿的影响差异明显。本文以邹家山铀矿床中典型的钠化和钾化矿体为研究对象, 通过比较两矿体剖面的地球化学特征, 研究其异同, 探讨钠交代、钾交代与铀成矿作用关系, 得出以下认识: (1)与矿体两侧的围岩相比, 钠交代和钾交代矿石中都富U和Mo, 而Ba含量明显降低; (2)钠交代对原岩化学成分的改变不强。除了钠含量明显增高、钾含量明显降低、钠钾摩尔比 M(Na2O/K2O)明显增大外, 矿石与原(或围)岩的化学成分相差不大, 总碱摩尔数 M(Na2O+K2O)几乎不变; (3)钾交代对原岩的矿物及化学成分改变很大。除钾高、钠低等含量变化外, 强烈去Si和Na, M(Na2O+K2O)有20%～30%的减少, 而且许多微量(成矿)元素含量明显增加, 特别是稀土元素明显增高, 且重稀土增加更快; (4)两类碱交代中行为反差最大的组分是Na2O、K2O、SiO2和REE。钠交代过程中, Na2O和SiO2增加, K2O和REE减少, M(Na2O/K2O)明显增大; 而钾交代过程正相反; (5)在相山铀成矿过程中, 仅有钠交代时铀的含量较低, 强钾交代是形成富铀矿的必要条件。

含矿断裂; 蚀变地球化学; 碱交代; 铀矿床; 邹家山

邹家山铀矿床是相山矿田中最重要的矿床, 该矿床规模大、品位高, 有的矿体局部铀品位可达10%以上。随着开采的深入, 浅部和优质资源消耗殆尽, 下一步找矿的突破口在哪？值得大家深思。

包括邹家山铀矿床在内的相山矿田各矿床, 无论是火山熔岩亚型、次火山岩亚型或爆发角砾岩亚型, 尽管各自地质特征不尽相同, 铀矿化都严格受断裂控制(王运等, 2010, 2012; 胡宝群等, 2011; 王运, 2011; 刘正义等, 2015; 王倩等, 2015)。矿石主要为断层角砾、断层泥和断裂两侧矿化强蚀变岩, 是铀矿物和一些硅质、碳酸盐、萤石和黏土等混合物。一旦离开断裂及两侧强蚀变带, 就基本不含铀。因此, 研究这些含矿断裂及蚀变岩的地球化学特征,可揭示成矿作用过程, 给出一些找矿信息。

大量的研究显示, 邹家山铀矿床的形成与碱交代关系紧密, 整个相山矿田铀成矿作用过程中广泛存在钠交代、钾交代或钾钠混合交代(杜乐天和王文广, 1998; 程华汉和杜乐天, 1998; 杜乐天, 1987, 2002, 2011; 杜乐天和王玉明, 1984; 王运等, 2012)。尽管有的铀矿体还有部分硅化、萤石化、碳酸盐化、磷灰石化等, 但钠和钾是常量组分, 其带入和带出可使整个体系的原有组分发生较大变化, 并改变成矿作用的物理化学条件, 极大地影响成矿作用过程和地质表现。

通常这些碱交代作用交织在一起、各有主次, 并与其他蚀变共生(吴俊奇等, 1998; 李子颖等, 2004),难以分辨出不同碱交代类型的地质表现及对矿体最终形成的影响有多大。作者在研究邹家山矿床时发现了较为典型的钠交代和钾交代矿体, 通过对典型钠交代和钾交代(简称钠化和钾化)含矿断裂(矿体)及蚀变岩剖面的地球化学特征比较, 研究两者的异同, 试图探讨两者与铀成矿作用关系, 期待得到一些有关铀成矿作用的信息。

1 碱交代矿化蚀变典型剖面

据前期工作基础(王运等, 2010, 2012; 胡宝群等, 2011; 王运, 2011), 在邹家山矿床中找到较为典型的钠交代矿化蚀变岩剖面(如图 1a)及钾交代矿化蚀变岩剖面(如图1b, c)。

由邹家山几个中段矿体产状来看, 矿体严格受断裂控制, 围岩为碎斑熔岩或流纹英安斑岩等。井下物探测量显示, 断裂中间的破碎带为富矿体,向两侧铀品位降低, 超过了断裂边界多降至边界品位之下。钠化和钾化矿体都发育不同程度的红化现象。含矿断裂中央的破碎带, 发育强烈的水云母化、萤石化、黄铁矿化、碳酸盐化等蚀变, 含矿断裂的外侧蚀变明显减弱。邹家山矿床乃至整个相山矿田中铀矿体的产出特征大致相似。

(a) 钠交代矿化蚀变岩剖面(剖面N), 位于邹家山露天采场(标高200 m), 含矿断裂的产状为70°∠60°, 样品取样编号从右至左依次为N1～N6, 含矿断裂两侧红化明显; (b) 邹家山4号矿带10号中段钾交代矿化蚀变岩剖面(剖面K1), 含矿断裂的产状为233°∠47°, 断裂两侧边界平直; (c) 邹家山4号带9号中段钾交代矿化蚀变岩剖面(剖面K2), 含矿断裂的产状为273°∠37°, 含矿断裂边界弯曲但清晰。

2 钠化和钾化矿体剖面主量元素特征比较

3条典型剖面的主量元素测试结果如表1所示。据表1中化学成分可知:

(1) 在钠化矿体剖面中(剖面 N), 与围岩相比,钠化矿石中Na2O明显增高, SiO2、P2O5、TiO2和LOI略有增加; 而K2O明显减少, Fe2O3T、Na2O+K2O和CaO略有减少; Al2O3、MgO和MnO则变化不明显。

尽管钠化矿石中 Na2O+K2O总量要比围岩低,但钠化矿石和围岩中总碱摩尔数 M(Na2O+K2O)几乎一样, M(Na2O/K2O)在矿石明显增大。这说明钠化过程中, 钠含量增高、钾含量降低, 但总碱摩尔数基本保持不变。

(2) 在钾化矿体剖面中(剖面 K1、K2), 与围岩相比, 钾化矿石中 K2O、Al2O3、P2O5、TiO2和LOI明显增加, 水云母化等黏土化明显。Na2O和 SiO2明显减少, 强烈去Si和Na, Na消失殆尽, 去Si可达23%～47%。其他MgO、MnO、Fe2O3T和CaO则变化规律不明显。

钾化矿石中M(Na2O+K2O)略有减少, 大致减少20%～30%, 但 M(Na2O/K2O)在矿石中明显降低、矿石中的钠含量极低。

(3) 钾化矿石的 LOI明显很高, 远高于钠化矿石, 说明钾化矿石中含更多的挥发分。

(4) 碱交代(钾化、钠化)矿石中的 TiO2都高于围岩。

(5) 与矿体围岩相比, 无论钠化矿体还是钾化矿体, 矿石中Na2O+K2O总量和M(Na2O+K2O)并没增加, 还有所下降, 但M(Na2O/K2O)却有巨大差别。

本次研究较难得是发现一条较为典型的钠化富铀矿体(如图1a)。钠交代矿体取样完整, 可见到两侧未蚀变的围岩, 有利于矿体、近矿蚀变岩与非矿化围岩之间的比较。受井下坑道宽度限制, 两条钾化矿体剖面较短, 采到的围岩样品都已发生弱蚀变,没有采到未蚀变的围岩样品。

表1 邹家山矿床典型碱交代矿体剖面主量元素组成(%)Table 1 Major element(%) compositions of the alkali metasomatized ores in the Zoujiashan uranium ore-deposit (%)

3 钠化和钾化矿体剖面稀土元素特征比较

由表 2可见, 钠化和钾化矿体中稀土元素的含量具有较明显的差异:

(1) 与围岩相比, 钠化矿石中∑REE降低, 平均下降25%左右; 轻重稀土比(LaN/YbN)略有下降; δEu稍有降低。但总体来说, 钠化矿石中稀土各特征值变化不太大。

(2) 与围岩相比, 钾化矿石中的稀土特征变化较大, ∑REE明显提高, 是围岩的2倍以上; 轻重稀土比(LaN/YbN)明显降低, 矿石中 HREE明显富集;与近矿蚀变围岩相比, 矿石中δEu值略有降低。

(3)两类碱交代矿石的稀土特征对比显示: 钠化矿石的δEu值小、Eu亏损更为明显, ∑REE低, 更富集轻稀土。钾化矿石的δEu值稍大一些, ∑REE高, 更富集HREE。两类碱交代矿石中, δCe极为相近, 钠化矿石的δCe略高。

(4) 两类碱交代围岩的稀土特征对比显示: 钠化围岩∑REE低, Eu亏损更为明显一些, 但两类围岩的轻重稀土比值较为接近。

(5) 对比稀土元素标准化曲线图(图 2), 可见钠化矿石与钾化矿石曲线特征明显不同: 钠化矿石与围岩的稀土配分曲线近乎相同, 而钾化矿石中的稀土含量明显高于围岩、且矿石中的重稀土所占比例明显增高。

4 钠化和钾化矿体剖面其他微量元素特征比较

3条矿体剖面的其他微量元素的含量如表3。

由表3可知:

(1) 与围岩相比, 钠交代矿化蚀变剖面N中, 钠化矿石中: 明显增高的元素有U和Mo, 略有增高的有Th、Sr、Cs、Ga、W和V。明显降低的有Ba、Pb和Rb, 略有降低的有Co和Nb。变化规律不明显的有Cr、Ni、Cu、Zn、Tl、Ta、Zr、Hf和Y。

表2 邹家山矿床典型碱交代矿体剖面稀土元素组成(×106-)Table 2 REE concentrations of the alkali metasomatized ores in the Zoujiashan uranium ore-deposit (×106-)

总体来看, 钠化矿石中除U和Mo明显高、Ba明显降低外, 其他微量元素含量在钠化矿石及其围岩中相差不大。

(2) 与围岩相比, 钾交代矿化剖面K1、K2中, 钾化矿石中: 明显增高的元素有U、Mo、Be、Li、W、Pb、Y、Tl、Th、Cs、Nb和Zr, 略有增高的有Hf、Cu、Ni、Rb、Ta、Co和V, 降低较明显的有 Ba, Ga,变化规律不明显的有 Cr、Zn和 Sr。总体来看, 除Ba和 Ga含量较围岩降低外, 钾化矿石中大多数微量元素的含量都有所增加。

(3) 对比钠化和钾化矿体剖面微量元素成分变化规律, 相同之处是两类交代的矿石中, 都富 U和Mo, 明显降低的是Ba。

通过比较钠化和钾化矿化蚀变岩剖面中的微量元素特征, 得出这些微量元素成矿与这两类碱交代的亲疏关系。如钠化和钾化都有可能形成钼矿, 或者说碱交代都利于 Mo矿的形成, 稀土矿化可能仅与钾化有关, Pb和Cu等多金属矿可能与钾化关系更为密切。因此, 对钾化和钠化等碱交代作用研究, 可能给出整个相山矿田铀等多金属成矿演化系列(张万良和邹茂卿, 2014; 胡宝群等, 2015)的一些信息。

5 碱交代矿化蚀变岩地球化学特征比较及相关讨论

通过典型的钠化和钾化蚀变岩剖面的化学成分比较, 可能带来一些铀成矿作用的启示。

5.1 矿化蚀变岩剖面地球化学特征比较

由表 4 可见, 钠化和钾化矿石在化学成分特征的异同: (1)与矿体两侧的围岩比较, 两类碱交代矿石中都富U和Mo, 而贫Ba; (2)钠化对原岩化学成分的改变不是很强烈, 除了钠含量明显增高、钾含量明显降低(即M(Na2O/K2O)明显增大)外, 其他元素含量变化并不明显, 特别是钠化过程中M(Na2O+K2O)几乎不变; (3)钾化对原岩化学成分改变很大: 除了钾含量变高外, 强烈去Na和Si, Na消失殆尽, 且许多成矿元素含量增加明显。在德兴银山铅锌铜矿床中, 也出现强钾化去钠Na和Si, Na消失殆尽的现象(李满根等, 2007); (4)钠化矿石与其围岩相比, M(Na2O+K2O)不变。而钾化矿石与其围岩相比, 矿石中总碱摩尔数有20%～30%的减少; (5)无论钠化还是钾化, 矿石中Na2O+K2O总量和M(Na2O+ K2O)并没增加、甚至还有所下降, 但M(Na2O/K2O)却有巨大差别。

5.2 碱交代与铀成矿关系

钾化矿石铀品位很高, 在邹家山4号带、9号带和10号带中段多次采到铀品位达10%～15%的矿石。

钠化矿石铀品位相对较低, 现在本研究中未发现特高品位(也不排除前人开采完毕且时间久远、未曾记录下最高品位)。但是钠化矿石在沙洲矿床和云际矿床中常见, 与邹家山矿床相比, 这两个矿床以品位较低为特征。

结合已有的资料(王运等, 2010, 2012; 胡宝群等, 2011, 2015; 邱林飞等, 2012; 王倩等, 2015)推断:

(1) 钠化形成的铀矿石品位相对较低, 而钾化矿石的铀品位高。钾化是富矿体形成的必要条件(李满根等, 2007), 且钾化(即去Si和Na)越充分, 铀成矿更好。钾化愈强烈, 稀土增加越多, 且越富重稀土。如在邹家山、山南(邵飞等, 2012)矿床中钾化特别强烈, 铀品位高、储量大; 而云际、沙洲和红卫矿床则钠化强、后期钾化弱, 都是铀品位低、储量小的中小矿床。

(2) 在相山地区存在不少钾、钠交代现象, 且在同一过程中两者通常是相互排斥, 呈负相关关系。主要表现为钠钾成分一种明显增加而另一种明显减少(胡宝群等, 2011), 即 M(Na2O/K2O)两极变化, 而Na2O+K2O总量并不一定增加。但不同时代的钠钾交代可能叠合在同一矿体或地质体中。

由上述研究可知, 钠化和钾化有一共同特征,都可富U和Mo。但钠化(除了M(Na2O/K2O)明显变化外)对整个原岩组成的改变较少, 而钾化则伴随着强烈去Si和Na、极大地改变原岩的化学成分。

(3) 综合已有的年代学研究(范洪海等, 2003; 陈正乐等, 2013; 杨水源, 2013), 就相山地区而言, 钠化可能与火山活动形成的环状构造活动有关, 矿化发生的时间大致为 115 Ma(本区火山岩和次火岩的年龄在134～136 Ma左右); 而钾化主要与抚州-永丰盆地东南缘 NE向断裂构造活动有关, 矿化发生的时间大致为90～98 Ma(时间上要晚于K2上限的99.8 Ma); 晚期NE向断裂横切、或叠加早期火山活动所形成的断裂(胡宝群等, 2015)。对于邹家山矿床, 钾化主要与邹-石断裂相关。对于沙洲、山南矿床, 钾化主要与 NE向断裂构造有关。云际矿床总体而言, 钾化不太发育。

(4) 相山东南部可能未抬升, 出露较大面积的次火山岩, 显示出较强钠化。西北部则表现为抬升,并遭受剥蚀, 显示出细小的次火岩岩根; 由于抚-崇盆地东南缘断裂不是垂直抬升, 而造成局部张性断裂, 引发大规模的钾化而成矿(胡宝群等, 2015)。相山西北部富集铀矿床的原因, 可能是盆地西北深大断裂切得很深, 在热的驱动下, 盆地中的流体(也可能有部分地幔来源)沿邹-石断裂上升致局部张性环境中而成矿。

5.3 对华南热液铀成矿作用的一些启示

碱交代与铀成矿关系密切, 在其他地区也有碱交代的铀矿床(Smellie and Laurikko, 1984; Alexandre, 2010; Cuney et al., 2012)。但不同的交代类型可形成不同类型铀矿床, 或在铀成矿过程中不同碱交代类型对铀成矿的贡献不同( Rusinova et al., 2001)。

表3 邹家山矿床典型碱交代矿体剖面微量元素组成(×10–6)Table 3 Trace element (×10–6) concentrations of the alkali metasomatized ores in the Zoujiashan uranium ore-deposit

表4 邹家山矿床典型碱交代矿体剖面化学成分特征比较Table 4 Comparison of the chemical compositions of the alkali metasomatized ores in the Zoujiashan uranium ore-deposit

从相山矿田中主要矿床特征来看, 要形成富大铀矿床, 仅有钠化是不够的, 必须要有强钾化。钾化是超大型铀矿存在的必要条件。

鉴于钾化会引起强烈去Na、去Si, 所以钾化、钠化、硅化之间应有一定的成生联系。钠化相关的矿产有钨、锡, 如赣南产铀花岗岩体的外围接触带附近产有大量的钨锡矿床(吴俊奇等, 1998)。而钾化相关的矿石则可能与U、Mo、HREE和Th等有关(刘正义等, 2015; 王倩等, 2015)。硅化相关矿产则可能是Au、Ag等相关, 在邹家山矿床的4号带380采场,本研究测试发现局部Au和Ag的含量异常, 分别可达0.112 g/t和99.2 g/t, 远高于地壳背景值。

由本研究可知, 铀成矿作用过程中是否发生钠、钾交代, 不是以钠钾总量的绝对值来判定, 而是据切过矿体剖面中矿石、强蚀变围岩、弱蚀变围岩、未蚀变围岩的钠钾含量相对变化来确认的。因为不同的岩性钠钾含量不同, 碱交代时钾或钠有带入、也有带出, Na2O+K2O总量及M(Na2O+K2O)不一定是增加的, 这一点需特别注意。本次研究的钠化矿石中M(Na2O+K2O)与未蚀变的围岩近于一致, 而钾化矿石中的 M(Na2O+K2O)还有减少, 即钠钾交代矿石中Na2O+K2O总量并没有增加, 但 M(Na2O/K2O)发生明显的变化。在研究碱交代时, 使用 M(Na2O/K2O)相对Na2O+K2O总量更能反映碱交代过程中碱质的变化。

5.4 铀成矿过程中碱交代研究的下一步思考

(1)钠化和钾化的时间关系。是先后关系、谁先谁后, 还是多次反复？还是伴随着构造运动的波次式交替进行？(2)钠化和钾化的空间关系。垂向上谁上谁下, 平面上哪个处于中心位置哪个处于边部,哪个温度高、哪个温度低？(3)钠化明显地可看出是钠的带入、而钾的带出, 但是矿石与围岩的碱总量不变。而钾化表现为钾略有增加, 而钠明显带出且消失殆尽, 为什么？(4)两者之间是否存在成生关系？(5)强烈钾化时会明显去 Si, 那些带出的硅质去哪里？硅化在铀成矿作用中的地位及与钠化、钾化的关系？硅化在花岗岩型铀矿床中常见, 多表现为微晶石英, 事实上硅化是广泛存在于酸性岩的构造破碎带, 与铀矿化、金矿化等有关。钾化中伴随着强烈的去Si和Na, 是否意味着硅在热液中的溶解度更大, 容易和钠一起被带出？

6 结 论

研究显示两类碱交代铀矿化特征有较明显的区别, 对铀成矿作用的意义各异。

(1) 两类碱交代矿化相同之处: 与矿体两侧的围岩比较, 两类碱交代矿石都是富集U和Mo(但在钾化矿石中更富集), 而Ba含量都明显降低。

(2) 两类碱交代矿化特征不同之处: 钠化对原岩化学成分的改变不强, 除了钠含量明显增高、钾含量明显降低(M(Na2O/K2O)明显增大)外, 矿石中M(Na2O+K2O)不变, 其他元素变化并不明显、仍保持围(或原)岩的化学成分特征。钾化对原来的矿物及化学成分改变很大, 除了富钾外, 强烈去Si和Na, Na消失殆尽、去Si可达23%～47%, 矿石中 M(Na2O+ K2O)有 20%～30%的减少, 而许多微量(成矿)元素含量明显增加, 特别是稀土元素明显增高、且重稀土增加更快。两类碱交代中元素行为反差最大的组分是Na2O, K2O, SiO2和REE, 钠交代过程中Na2O和SiO2增加, K2O和REE减少, M(Na2O/K2O)明显增大,而钾交代过程正相反。

(3) 在相山铀成矿过程中, 仅有钠化时铀的含量较低, 强钾化是形成富铀矿的必要条件。

致谢： 在此要特别感谢两位匿名审稿人, 不仅提出了宝贵的学术建议, 还对文字进行了细致的修改。

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Geochemistry of Alkali Metasomatized Rocks of Zoujiashan Uranium Ore-deposit in Xiangshan Ore-field

HU Baoqun1, WANG Qian1, 2, QIU Linfei3, SUN Zhanxue1, WANG Yun4, LV Guxian5and HU Rongquan6
(1. Fundamental Science Laboratory on Radioactive Geology and Exploration Technology, East China University of Technology, Nanchang 330013, Jiangxi, China; 2. Chifeng Institute of Geology and Mineral Exploration and Development of Inner Mongolia, Chifeng 024000, Inner Mongolia, China; 3. Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China; 4. Jiangxi Institute of Coal Geology for Exploration Research, Nanchang 330000, Jiangxi, China; 5. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China; 6. Fuzhou Jin’an Uranium Co. Ltd., CNNC, Le’an 344301, Jiangxi, China)

In the Zoujiashan ore deposit of the Xiangshan ore-field, uranium mineralization is closely related to alkali metasomatism. Sodium metasomatism and potassium metasomatism impact quite differently on uranium mineralization. Three ore-body profiles in the Zoujiashan ore-deposit are investigated to delineate the roles of sodium metasomatism and potassium metasomatism in uranium mineralization. The results showed that (1) Compared with the surrounding rock, ore bodies with sodium or potassium metasomatism are rich in U and Mo, but significantly poor in Ba; (2) Chemical changes of sodium metasomatism are less obvious, except the significant increase of Na/K ratios, whilst the alkali contents (Na2O+K2O) are somewhat constant; (3) Mineral and chemical changes of the potassium metasomatism are significant. Potassium metasomatism resulted in the intensive enrichment of K, and removal of Si and Na. Potassium metasomatism resulted in 20%-30% decrease of the total alkali, and signi ficant increases of trace elements, and the heavy rare earth elements in particular; (4) In two alkali metasomatism types, the components with the biggest contrast in behavior are Na2O, SiO2, K2O and REE. In the sodium metasomatism, the contents of Na2O and SiO2are increasing as well as decreasing in K2O and REE, so as to increase significantly in the mole ratio of Na2O/K2O. However, all are the contrary in the potassium metasomatism; (5) Strong potassium metasomatism is a prerequisite for the formation of high grade uranium ores in the Xiangshan ore-field, while the sodium metasomatism that predated the potassium metasomatism played a much less important role in the uranium mineralization.

ore-bearing fault; geochemistry of hydrothermal alteration; alkali metasomatism; uranium ore-deposit; Zoujiashan

P612; P595

A

1001-1552(2016)02-0377-009

10.16539/j.ddgzyckx.2016.02.015

2015-03-22; 改回日期: 2015-07-22

项目资助: 国家自然科学基金(41472069, 41172078和40862005)和江西省自然科学基金重大项目(20152ACB20015)联合资助。

胡宝群(1965–), 男, 教授, 主要从事岩矿地球化学研究。Email: bqhu@ecit.cn