湖北省十堰地区铀矿赋矿层地球化学特征

罗 勇, 孙汉勇, 胡新中, 张 战, 陈国荣

(湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

南秦岭一套黑色岩系在早古生代陆缘裂谷封闭滞留还原环境下形成,该黑色岩系是南秦岭地区铀、钒、钼等有关矿产的赋矿地层,是中国重要的碳硅泥岩型铀矿成矿带之一。十堰地区同期发育的黑色岩系虽已发现有众多的铀矿(床)点,但未发现规模矿床,因此,对该区黑色岩系铀矿的地球化学特征研究,能为下步黑色岩系中铀矿的寻找提供找矿思路。

1 成矿地质背景

秦岭造山带是在晚元古代—中三叠世经历由南向北俯冲碰撞,并由后造山期强烈的陆内造山作用形成今日所见复杂面貌[1-2]。南秦岭早古生代黑色岩系是由半深海—深海相硅质岩类、泥质岩类、碳酸盐岩、含磷—碳硅泥质岩以及发育的海底热水沉积岩系组成。十堰地区处于秦岭—大别造山带,该带在早古生代时期形成北、中、南三个黑色岩系带[3],区域上黑色岩系含大量的有机质和V、Ni、Mo、U、Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Pt、Cr、Y、Se及稀土等金属元素,作为含煤岩系、(油)气源岩岩系,多金属矿层或矿源层,是潜在的矿床资源[4],也是中国重要的碳硅泥岩型铀矿成矿带之一。

十堰地区的黑色岩系地层形成于晋宁运动之后的早古生代。晋宁运动使扬子板块和华北板块联合构成了中国古大陆,其后的伸展运动在扬子板块北缘形成了陆缘裂谷,寒武纪时期陆缘裂谷发展成浅海盆地逐渐演变成浅海陆棚,沉积以炭质泥质岩、炭质硅质岩和硅质岩,夹少量石煤和微晶灰岩,底部含少量胶磷矿或磷结核,并富含铀、钒、钼等多种元素,是区内铀矿矿源层形成的最重要时期。

2 矿床地质特征

十堰地区铀矿主要赋存于下寒武统庄子沟组内,多与钒、钼矿共生。十堰地区共有铀矿床(点)24处,其中小型铀矿床2处、矿点22处(图1)。铀矿床(点)主要分布在竹山西北部,郧西县的西部和白河—将军河—蒿坪一带,竹溪及郧县—丹江口市地区较少。

铀矿受一定层位控制,赋矿地层为下寒武统庄子组下段,即含角砾岩的薄层状炭质硅质板岩(∈1z2)。矿化层一般为似层状、条带状,产状与围岩一致,但与围岩没有明显界线。

组成矿石的矿物成分有沥青铀矿、黄铁矿、褐铁矿等,脉石矿物主要有石英、绢云母、绿泥石,炭质、方解石、磷灰石、石墨等。

矿石的化学成分与围岩相似,表现为铀与有机碳、氧化铁、氧化镁和五氧化二磷有密切联系,体现继承性特点;但又存在着质的差异,即各自的微量元素组合不同。矿石中富含Mo、Ag等,而围岩中却富含有机碳、P、V、Cu、Fe、Al等。

矿石化学成分以SiO2为主,约占整个岩石化学成分的92.17%(表1),除此外还含有铀、钒、钼、镍、铬和铜[1]。

矿石主要结构有粒状变晶结构、鳞片粒状变晶结构、粒状鳞片变晶结构、他形粒状变晶结构。

矿石主要构造有片状构造、褶纹构造、碎裂状构造、细脉浸染状构造。

图1 十堰地区地形地质图Fig.1 Topographic map of Shiyan area1.铀矿及铀矿化点位置及编号;2.含矿层位;3.地层代号;4.产状。

表1 矿石化学成分表Table 1 Chemical composition table of ore

分析项目SiO2Al2O2FeOMgOCaOTFeU含量/10-292．171．061．190．360．101．640．079分析项目V2O5NiCuCrMoSY含量/10-20．4280．0480．0740．090．0180．100．012

3 U元素异常特征

为分析区域地层中元素的相互关系及元素组合,利用5 126个水系沉积物数据,进行相关、聚类和因子分析。通过相关分析解决元素间的亲疏问题、通过聚类分析确定元素的组合关系、通过因子分析对地质变量进行降维简化,总结其地质规律。结果证明寒武系下统庄子沟组黑色岩系具有高背景含量的铀,形成了铀的地球化学异常。

铀元素异常主要分布于十堰地区的西南部,即竹山县的得胜铺、竹溪县的中锋镇、丰溪—官渡与柳林之间,东延至房县桥上。除此之外,郧县红岩背和郧西观音镇附近也有分布。与下寒武统地层的分布范围一致。

4 岩石放射性特征

寒武系下统地层在区内分布较广,统计的岩石放射性特征值(γ)仅限于两郧断裂与十堰断裂之间的部分寒武系地层,见表2。

寒武系上统细晶灰岩放射性强度较低,变化范围不大,含放射性值均匀。中统的绢云千枚岩变化曲线为单峰值,伽玛强度低,稳定,岩石含放射元素均匀。下寒武统岩石伽玛强度比较高,这反映放射性元素含量相对较高的特征,与铀矿的形成有着直接关系。在白河幅、三岔幅1∶5万放射性测量中发现放射性异常(点)16处,寒武系下统地层内15处;鲍家店幅、门楼幅1∶5万放射性测量中发现放射性异常26处,有13处落于下寒武统地层内。因此,寒武系下统庄子沟组是区内寒武纪地层的主要放射源,间接指示为赋轴矿地层。

表2 寒武系岩石放射性特征表Table 2 Rock radioactivity characteristic table of Cambrian

注:上统、中统资料来源于上店子幅等1∶5万区调报告(1991),下统资料来源于鲍家店幅1∶5万区调报告(1987)。

5 地球化学特征

5.1 岩石地球化学特征

区内含矿岩系总体为硅质板岩、含碳硅质板岩和炭质板岩,进一步划分为薄层硅质岩,含碳硅质板岩、炭质板岩、含磷结核炭质板岩、中厚层硅质岩等。其化学成分特点是:硅质岩、含碳硅质板岩富含SiO2,含量一般为81.60%～91.16%,而炭质板岩较富集Al2O3、K2O、TiO2和Fe2O3,见表3。

依据Taylor等(1985)提出,沉积岩中的物质来源以n(SiO2)/n(Al2O3)为3.6作判别标准。因为陆壳中的n(SiO2)/n(Al2O3)为3.6,接近此值者应为陆源为主,超过此值者多由于生物或热水作用的补充。该区的分析数据显示n(SiO2)/n(Al2O3)比值为11.82～301.33,均>3.6,说明沉积岩的物源有生物或热水作用的补充。Marray(1990、1994)用n(Al2O3)/n(Al2O3+ Fe2O3)值来确定硅质岩、页岩等的沉积大地构造环境。当n(Al2O3)/n(Al2O3+Fe2O3)的比值为0.6～0.9时,为大陆边缘环境;当比值为0.4～0.7时,为远洋深海环境;当比值为0.1～0.4时,为洋脊环境。区内的n(Al2O3)/n(Al2O3+Fe2O3)比值为0.49～0.93,均>0.4,其中硅质板岩或含碳硅质板岩比值在0.49～0.77之间,其余均接近于0.6～0.9。因此,可判别含矿岩系沉积环境为大陆边缘环境,炭硅质岩则接近深海环境。

表3 含矿岩性化学成分特征及特征值表Table 3 Eigenvalue table of characteristics of chemical composition of ore bearing lithology

5.2 元素地球化学特征

常用n(Al)/n(Al+Fe+Mn)的比值来确认沉积岩的物质来源,Jewell等人提出沉积岩主要来源于陆源时,岩石中的n(Al)/n(Al+Fe+Mn)比值>0.5;沉积岩来源为有热水加入时,岩石中的n(Al)/n(Al+Fe+Mn)比值<0.35。研究区n(Al)/n(Al+Fe+Mn)的比值为0.31～0.87,平均0.58,说明沉积岩的物质来源为陆源和热水物质共同参与。

5.3 微量元素特征

十堰地区寒武系下统庄子沟组含矿岩系中微量元素及富集程度与典型地区对比基本相似。微量元素的富集程度与岩性有着密切的关系,庄子沟组不同的岩性其微量元素含量及富集程度不同(图2)。白云岩中各微量元素含量最低,炭硅质板岩所含微量元素最高；白云岩除Ag、Ba、Cd相对地壳富集外,其余微量元素都出现亏损；Co、Ga在所有岩性中皆亏损。其中Ba含量整体较高与该层普遍含有重晶石有关。

U含量有局部富集,玉皇顶铀矿区U含量超过边界品位,竹溪县葛洞剖面和郧西县煤炭沟剖面U的含量均较高,前者含轴范围为96.2×10-6～109×10-6,后者含铀范围为101×10-6～113×10-6。

图2 不同岩性微量元素蛛网图Fig.2 Spider diagram of trace elements of different lithology1.炭硅质板岩;2.炭质板岩;3.硅质板岩;4.灰岩(含重晶石);5.白云岩。

5.4 稀土元素特征

十堰地区含矿岩系中稀土总量低,ΣREE平均为92.73×10-6(不含Y),其中炭硅质板岩ΣREE平均为135.50×10-6,炭质板岩ΣREE平均为112.87×10-6,硅质板岩ΣREE平均为62.46×10-6,含重晶石灰岩ΣREE平均为52.43×10-6,白云岩ΣREE平均为15.98×10-6。

稀土总量在炭硅质板岩中含量最高,白云岩中最低。REE总量具有随海水深度的增加而升高,因此,十堰地区炭硅质板岩、炭质板岩、硅质板岩、含重晶石灰岩和白云岩的沉积时的海水深度依次变浅(图3)。

图3 十堰地区稀土元素配分图Fig.3 Partition diagram of rare earth element in Shiyan area1.全区;2.炭硅质板岩;3.炭质板岩;4.硅质板岩;5.灰岩、含重晶石灰岩;6.白云岩。

6 U成因分析

根据碳硅泥岩型铀矿床的分类方法，把十堰地区铀矿床成因化归为沉积型铀矿，碳硅泥岩型亚类。成岩之后的构造运动是成矿过程中的主要动力，它使得埋藏在深部的铀源层上升到地表处，同时又使得机械

性质不同的岩层之间产生层间断裂或其他破碎带。于是，在风化作用初期，相对较高的地方(如背斜轴部)首先遭受风化作用，使铀源层中的铀很大一部分转入地下水，顺沿各种断层，特别是向斜翼部的层间断裂渗透，并在氧化还原过渡带富集成矿和积聚，直至最后形成矿床。控矿因素主要是构造运动，但构造运动不能孤立控矿，必须与一定的岩相和铀源相结合。

7 结论

通过地球化学异常、岩石化学成分、稀土元素特征、微量元素特征、放射性元素特征的研究分析,可以得出以下结论:

(1) 寒武系下统庄子沟组是湖北省两竹、两郧地区铀矿的赋矿地层，其中庄子沟组中的炭硅质岩石是铀矿的主要载体。

(2) 含铀载体层(炭硅质岩石)微量元素、稀土元素较同组的其他岩类含量高。

(3) 黑色岩系沉积环境处于大陆边缘环境,炭硅质岩则接近深海环境,沉积岩的物质来源为陆源和热水物质共同参与。

(4) 铀的控矿因素主要是构造运动，但构造运动必须与一定的岩相和铀源相结合。

[1] 张国伟,张本仁,袁学诚,等.秦岭造山带与大陆动力学[M].北京:科学出版社,2001:1-729.

[2] 张国伟,董云鹏,赖绍聪,等.秦岭—大别造山带南缘勉略构造带与勉略缝合带[J].中国科学(D辑),2003,33(12):1121-1135.

[3] 张爱云.海相黑色页岩建造地球化学与成矿意义[M].北京:科学出版社,1987.

[4] 张复新,王立社,侯俊富.秦岭造山带黑色岩系与金属矿床类型及成矿系列[J].中国地质,2009,36(3):694-704.