湘西北黑色岩系非常规铀资源成矿地质特征及成矿时代

王健，漆富成，李治兴，王文全，张文东，王振云

（核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

晚震旦世—早寒武世，沿扬子陆块东南缘沉积了一套富含有机质的黑色岩系，主要岩石类型有黑色页岩、磷块岩、硅质页岩、粉砂岩、泥岩等，其分布范围广，从西到东涉及云南、贵州、湖南、江苏、安徽等我国南方多省区。这套黑色岩系是我国重要的钒、镍、钼、铀、重晶石、石煤、铂族元素等的矿源层，有用元素种类达到30 种以上［1-2］，其中湘西北地区发育的早寒武世黑色岩系是我国重要的非常规铀资源的产出层位。近年来，漆富成等人利用高分辨透射电镜、扫描电镜等手段，对湘西北地区的非常规铀资源开展了大量研究，在海相磷块岩中发现了硒汞矿、晶质铀矿、纳米级钛铀矿等，并探究了这些矿物的形成与湘西北地区海底喷流热水沉积作用的成因联系［3-5］。湘西北地区黑色岩系非常规铀资源在微观矿物发现、矿物成因探讨、铀多金属成矿作用等方面取得了重要成果，但在该地区非常规铀资源成矿地质特征的总结和成矿时代的厘定等方面还存在进一步开展工作的需要，笔者根据近些年来在湘西北地区开展野外地质调查所取得的最新发现，总结该地区黑色岩系非常规铀资源的成矿地质特征，厘定成矿时代划分成矿期次。

1 区域地质背景

湘西北地区位于扬子陆块东南缘构成的陆缘裂陷、深断裂带成矿体系，区域构造以北东-北北东向褶皱和断裂构造为主，早寒武世早期，湘西北地区及整个华南由于大陆边缘发生进一步的解体和热沉降，短时间内使海平面迅速上升及洋流上翻，造成缺氧环境，形成广泛分布的黑色岩系。在湘西北凤凰、吉首、常德一线同沉积断裂控制的北东向坳陷群内沉积物均为黑色薄层页岩、硅质岩、磷结核夹层、黑色碳质板岩等。该地区早寒武世构造-古地理环境从西北向东南发育陆棚台地相、台地边缘相、深水斜坡相和盆地相，相对应的含铀建造为磷酸盐岩建造、含铀碳酸岩建造、含铀硅酸盐岩建造。该时期黑色岩系的分布范围是湘西北-黔中成矿带历史上最大的一次，形成了区域内许多大型、超大型矿床，同时促使大量诸如钒、钼、镍、金、银、铀等金属、非金属及稀有元素的富集（图1）。

图1 扬子陆块东南缘寒武纪构造格架与铀、镍、钼、重晶石矿床分布示意图（据马永生等修改，2007）Fig.1 Tectonic framework of continental margin in the southeast Yangtze plate during Cambrian and the distribution of uranium，nickel，molybdenum，barite deposits

2 地质特征

湘西北黑色岩系非常规铀资源主要包括：铀多金属磷块岩型、含铀磷块岩型、含铀黑色岩层型，在相对空间层位上含铀磷块岩型位于早寒武世黑色岩系的下段，在相邻上部层位发育铀多金属磷块岩型，含铀黑色岩层型发育在最上部。按区域内的含铀矿化地层组合主要可以划分为两大类：铀多金属磷块岩型叠加含铀黑色岩层型，含铀磷块岩型、铀多金属磷块岩型叠加含铀黑色岩层型。

图2 铀多金属磷块岩型叠加含铀黑色岩层型非常规铀资源地质略图（据鲍振襄等修改，2001）Fig.2 Geological sketch of uranium-bearing phosphorite superposed by uranium-bearing black-rock series

图3 铀多金属磷块岩型叠加含铀黑色岩层型非常规铀资源野外露头Fig.3 Outcrop of uranium-bearing phosphorite superposed by uranium-bearing black-rock series

湘西北铀多金属磷块岩型叠加含铀黑色岩层型的铀矿化地层组合，主要发育在扬子陆块东南缘慈利断陷盆地中，沿花垣-慈利深大断裂南侧作北东东向带状延伸（图2）。铀矿化主要赋存于下寒武统木昌组底部的含磷岩系中，该套含铀地层发育在上震旦统灯影组白云岩之上，所以矿化地层的产状、形态、分布及规模均受控于这套灯影组下伏地层的古风化剥蚀隆凹面（图3）。该套含铀地层组合，除钼、镍达到工业品位外，钒、铀、镓、镉、铼、铊等达到铀矿床伴生组分综合利用指标。下部形成Ni-Mo-Re-Tl-U-V-Ga-Cd铀多金属磷块岩型非常规铀资源，平均厚度2.1 m，最大厚度3.0 m；上部为Ni-Mo-U-VGa 含铀黑色岩层型，平均厚度2.0 m，最大厚度2.5 m。这套含铀地层组合沿剪刀寺向斜两翼发育，向斜朝北东方向延伸约15 km，宽约16 km。铀多金属矿化主要呈不等厚层状、似层状连续发育，铀矿化明显受层位控制，最厚段延续约10 km。

含铀磷块岩型、铀多金属磷块岩型叠加含铀黑色岩层型的铀矿化地层组合，主要发育在扬子陆块东南缘的晓平坳陷中（图4）。该套含铀地层组合除钼、镍达到工业品位外，钒、铀、镓、镉、铊等达到了铀矿床伴生组分综合利用指标。下部为Ni-Mo-U-V-Ga 含铀磷块岩型非常规铀资源，平均厚度1.5 m；中部为Ni-Mo-Tl-U-V-Ga-Cd 铀多金属磷块岩型非常规铀资源，平均厚度0.6 m；上部为Mo-U-V-Ga 含铀黑色岩层型，平均厚度1.2 m（图5）。这套含铀地层组合沿北东向大庸向斜两翼出露。大庸向斜呈北东向不对称展布，向斜宽12 km，南北长18 km，向北东延伸约36 km，次级褶皱发育，向斜西北缘矿化层厚0.3～0.5 m，东南缘铀多金属矿化呈层状、似层状，厚度渐变增加，最厚段位于小坪到大坪地段，平均厚度2.8 m，最大厚度3.8 m，最厚段延续约6 km。铀矿化明显受层位控制，区域内断裂构造发育，局部出现由于断裂切割铀矿化变富的现象。

图4 3 种类型叠加的非常规铀资源地质略图（据鲍振襄等修改，2001）Fig.4 Geological sketch of unconventional uranium resources of three types superposition

图5 3 种类型叠加的非常规铀资源野外露头Fig.5 Outcrops of unconventional uranium resources of three types superposition

3 成矿年代

3.1 样品采集制备

本次用于成矿时代研究的10 件样品，采自晓平坳陷中发育的含铀磷块岩型、铀多金属磷块岩型叠加含铀黑色岩层型的地层组合中，具体位置位于大坪西南侧约2 km 的研究剖面中（图4），其中5 件样品采自下部的含铀磷块岩，另外5 件采自紧邻其上部层位的铀多金属磷块岩，样品采集前均使用便携式γ能谱仪和手持X 荧光多元素分析仪对样品中U、V、Ni、Mo 等元素含量进行了确认，以保证样品采集的准确性和有效性。在样品处理过程中，将所有样品碎至200 目，进行U、Pb含量和同位素分析测量。样品的U、Pb 含量和同位素比值测定在核工业北京地质研究院分析测试研究所完成，使用的仪器为GV 公司的ISOPROBE-T 型热电离质谱仪，对1 μg 的208Pb/206Pb 测量精度优于0.005%。

3.2 测试结果

用于成矿时代研究的含铀磷块岩和铀多金属磷块岩两组样品U、Pb 含量及其同位素组成测定结果见表1，样品中U 的含量为0.012%～0.129%，Pb 的含量 为0.002%～0.025%，238U/204Pb 变化范围为434.095～1 922.044，206Pb/204Pb 变化范围为64.396～171.279，获得含铀磷块岩型样品U-Pb 等时线年龄值为（718±87）Ma（图6），铀多金属磷块岩型样品U-Pb 等时线年龄值为（503±29）Ma（图7）。

上述两组年龄表明，湘西北地区位于下部层位的含铀磷块岩型非常规铀资源成矿时代较早，形成于震旦纪，成矿年龄为（718±87）Ma；位于其上部层位元素种类更为丰富的铀多金属磷块岩型非常规铀资源，形成于寒武纪中期，成矿年龄为（503±29）Ma，结合矿化地层发育特征，认为两组年龄中形成较早的含铀磷块岩型非常规铀资源，可以看做晚期铀多金属磷块岩型的预富集阶段。

表1 湘西北黑色岩系非常规铀资源矿石样品U-Pb 同位素分析结果表Table 1 U-Pb isotopic composition of samples from unconventional uranium resources of black-rock series in Northwest Hunan

图6 含铀磷块岩U-Pb 等时线图Fig.6 U-Pb isochron diagram of uranium-bearing phosphorite

图7 铀多金属磷块岩U-Pb 等时线图Fig.7 U-Pb isochron diagram of uranium-polymetallic phosphorite

4 讨论

扬子陆块东南缘发育的黑色岩系分布范围广，从西到东涉及云南、贵州、湖南等我国南方多省区，虽然成矿元素和矿物类型多达30 种以上，但整个区域上含矿层位比较稳定，所以也就使区域内不同位置间成矿年龄的对比参照具有了可行性［6］。毛景文等人通过开展Re-Os 同位素测年，获得了本文采样点西南侧约150 km 外的遵义黄家湾地区，黑色岩系中发育的钼镍铂族元素矿石年龄为（541.3±16）Ma［7］；Horan 等曾利用负热离子质谱对贵州天鹅山和湖南大庸镍钼铂族元素矿层进行测定，由于其所取得的数据无法拟合成一条直线，所以只获得了大致560 Ma 的推论参考年龄［8］。本次研究所获得的铀多金属磷块岩型非常规铀资源的年龄值（503±29）Ma，与前人在湘西北其它地区测试所得的多金属矿化年龄值具有较好的一致性，说明了湘西北地区这一套黑色岩系的成矿主要发生在震旦纪晚期—寒武纪中期。

通过本次研究所获得的两个年龄值，表明湘西北地区黑色岩系非常规铀资源的成矿与扬子陆块东南缘震旦纪—寒武纪时期发生的海底火山喷发和海底喷流作用有直接的关系。震旦纪—寒武纪扬子陆块边缘由于构造拉张和沉降，同时伴随海底火山喷发和海底喷流，沉积形成了由硅质磷块岩、热水沉积硅质岩和碳硅质泥岩组成的海相黑色岩系，这套大规模发育的黑色岩系中含有丰富的磷、钒、铀、镍、钼、钡、铂族元素等成矿物质，为湘西北地区的成矿提供了先决条件。同时这一时期的早阶段，海底热水喷流作用也为海底富含有机质的微生物提供了良好的生存环境，使微生物大量繁殖，微生物群对铀多金属等成矿物质的吸附、聚集起到了关键作用［9］，这种生物地球化学成矿作用在震旦纪晚期—寒武纪早期达到了峰值，整个成矿作用延续到了寒武纪中期，但由于这些空前繁盛的微生物其呼吸作用和残骸降解均是一个耗氧过程，消耗了海洋中的大量自由氧，逐步使这一时期的海洋环境变成了缺氧环境［10］，加之这一时期大陆边缘发生了进一步的解体和热沉降，短时间内使海平面迅速上升及洋流上翻，也造成了缺氧。所以震旦纪晚期—寒武纪中期在海底喷流、生物地球化学等多重因素的共同作用下，促使了湘西北地区黑色岩系非常规铀资源的形成。

5 结论

1）湘西北黑色岩系非常规铀资源主要包括含铀磷块岩型、铀多金属磷块岩型、含铀黑色岩层型，按区域内的含铀矿化地层组合可以划分为两大类：铀多金属磷块岩型叠加含铀黑色岩层型，主要沿花垣-慈利深大断裂南侧作北东东向带状延伸；含铀磷块岩型、铀多金属磷块岩型叠加含铀黑色岩层型，主要发育在扬子陆块东南缘的晓平坳陷中，沿北东向大庸向斜两翼出露。

2）通过对湘西北地区黑色岩系非常规铀资源成矿时代的研究，获得两组成矿年龄分别为为（718±87）Ma 和（503±29）Ma，结合含矿地层发育特征，认为两组年龄中形成较早的含铀磷块岩型非常规铀资源是晚期铀多金属磷块岩型的成矿预富集阶段。

3）震旦纪晚期—寒武纪中期在沉积成岩作用、热水沉积作用和生物地球化学成矿作用等多重因素的共同作用下，促使了湘西北地区黑色岩系非常规铀资源的形成。