江西相山邹家山、沙洲矿床蚀变特征对比及其对成矿热液来源的启示

姚宏鑫郭 涛朱随洲施立虎储照波李令斌陶 铸李新年

1.中煤地生态环境科技有限公司,北京 100070;

2.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081;

3.山东正元地质资源勘查有限责任公司,山东 济南 250101

0 引言

江西中部中生代陆相火山岩带位于扬子地台江南台隆与华南加里东褶皱系赣中南褶隆的结合处,赣-杭火山岩带西南端与赣中南燕山期花岗岩带的过渡地带(李邦达,1993)。江西相山火山岩型铀矿田赋存于火山-侵入杂岩体中, 成矿过程受到断裂带控制,是热液交代蚀变的产物(陈正乐等,2011)。然而,关于该矿田铀的成矿物质来源是否属于同一成矿流体始终存在争论。陈肇博(1982)曾提出“双混合”模式,认为成矿溶液中铀的一个重要来源是遭受深熔作用的富铀地层中的铀转入酸性岩浆和原生流体,另一个重要来源则是原生流体及其与大气成因水混合后生成的热液在上升和渗流过程中,从所经过的富铀地层和古老铀矿床溶解出的铀;杜乐天(2011)和毛景文等(2004)认为热液是由地幔流体转化而来,铀元素主要来源为富铀火山岩本身和基底的变质岩石;李子颖(2010)通过对我国华南热液型铀矿床的大量研究提出了“热点”铀矿流体来源观点;邱爱金等(1999)认为铀来自富铀的深部基底变质岩形成的深熔岩浆的充分演化释放;李学礼等(1992)认为铀源自相山火山盆地水热系统;聂江涛等(2018)认为铀可能来源于岩浆热液;范洪海等(2003)认为相山铀矿田的成矿热液主要来源于地壳。

元素地球化学示踪可为成矿物质和含矿流体的来源提供重要证据(钟福军等,2019);微量元素特别是其中的稀土元素与各种地质过程相联系,在物质物理-化学状态的转变和质量迁移中起作用(周国兴等,2014)。基于此,选择相山铀矿田邹家山矿床和沙洲矿床两个典型矿床开展了矿石和蚀变围岩常量、微量元素分析,并通过对比,研究矿床的垂向矿化蚀变规律,以揭示成矿流体来源。

1 区域地质

相山铀矿田位于江西省中部腹地的抚州市乐安县境内,矿田地处相山塌陷式火山盆地中(陈贵华和陈名佐,1999),盆地在平面上呈椭圆形,东西长度约为20 km,南北宽度约为14 km,面积约318 km2。相山盆地大体上含有3层结构:基底地层为震旦系,其上部为下石炭统和上三叠统;盖层地层主要由上侏罗统火山岩组成;此外盆地北西侧的火山岩上部被上白垩统红层覆盖。盆地内现已发现矿床24个,所有矿床的铀矿化均受基底构造、盖层构造和火山构造的联合控制(陈柏林,2020)。相山地区既属于扬子板块和华南板块两个构造单元的交汇部位,同时又属于总体呈北东向展布的赣-杭火山岩铀成矿带与北东向展布的大王山-于山花岗岩铀成矿带的叠加部位,是深大断裂构造活动带与火山-岩浆活动带交汇的特殊地带,这造就了相山铀矿田形成的独特区域地质环境。相山盆地盖层是以北东向断裂带为主导构造的,北西向断裂带为次要构造,两者与火山构造(包括火山塌陷构造)共同组成环状交织的构造格局。陈柏林(2020)认为相山断裂构造控制热液型脉状铀矿床,含矿(赋矿)构造几乎全部属于小规模的次级断裂和裂隙;断裂构造是成矿流体和热液的上升通道,并运移至小断裂带与构造裂隙带里富集(焦养泉等,2007;陈柏林,2020),产生大规模的铀成矿作用,形成相山铀矿田。

2 矿床地质

相山铀矿田内目前已经发现的矿床主要分布在北部成矿区和西部成矿区,其中西部成矿区以邹家山矿床为代表,北部成矿区以沙洲矿床为代表(图1)。邹家山矿床的成矿作用主要受北东向的邹家山-石洞断裂带及其派生的一系列裂隙群(带)控制(魏祥荣等,2006)。邹家山矿床内地层出露较简单,基底主要是震旦系云母石英片岩,部分为下石炭统和上三叠统;盖层为出露地表的侏罗系打鼓顶组粉砂岩、砂砾岩和流纹英安岩,鹅湖岭组凝灰岩和碎斑熔岩。流纹英安岩(图2a)和碎斑熔岩(图2b)是主要的赋矿岩。该矿床由多条矿脉组成,产状总体趋于稳定,大多数呈群脉状平行产出,矿化集中于矿田火山塌陷岩层中变陡位置两侧的断裂、裂隙和沿碎斑熔岩底板接触带中,垂幅最大可达约 800 m,平均品位 0.676%。矿石中矿物组分主要为铀矿物和钍矿物,矿石类型主要为沥青铀矿、含钍沥青铀矿、钛铀矿、铀石、铀钍石、方钍石和磷钍石,以沥青铀矿和钛铀矿为主。脉石中所含矿物包括石英、萤石、方解石、水云母、绿泥石和磷灰石等。沙洲矿床位于相山盆地北部, 其成矿也受断裂构造控制(陈跃辉和李建红,1995)。沙洲矿床内出露地层均为南华系—震旦系浅变质岩(黄锡强等,2008)。铀矿化主要产于矿床内大面积出露的花岗斑岩中(图2c),矿石呈肉红色和灰白色,具似斑状结构,块状构造,所含矿物主要为长石、石英和黑云母。矿床内构造十分发育,成矿受平行断裂带控制。

图1 相山盆地火山构造简图(据温志坚等,1999;聂江涛,2018修改)Fig.1 Diagram showing the volcanic structure of the Xiangshan Basin (modified after Wen et al.,1999; Nie, 2018)1-Nanxiong Formation of Upper Cretaceous; 2-Ehuling Formation of Lower Cretaceous; 3-Daguding Formation of Lower Cretaceous; 4-Anyuan Formation of Upper Triassic; 5-Mesoproterozoic Erathem; 6-Triassic; 7-Granite prophyry; 8-Early Yanshanian granite; 9-Fault and fracture

相山铀矿田的热液蚀变经历了碱性→酸性→碱性的变化过程(周文斌等,1997)。前期的碱性蚀变中铀被吸附而预富集,这一成矿阶段称作赤铁矿化阶段,成矿年龄为 115±0.6 Ma(范洪海等,2003)。围岩在蚀变作用下,物理性质发生了变化,表现为抗压降低、孔隙度增加以及渗透性增强。在之后的酸性热液蚀变过程中,铀从络合物中还原出来,这一成矿阶段称作萤石化阶段,成矿年龄为 99±6 Ma(章邦桐等,1990)。邹家山矿床中常出现的蚀变类型主要为:碱交代、红化、赤铁矿化、绢云母化(图2d)和水云母化(图2e)等,矿石以铀-萤石型(图2f)、铀-硫化物型和铀-赤铁矿型为主。沙洲矿床中常见的蚀变类型有:红化、碱交代、绿泥石化、萤石化、黄铁矿化(图2g)和碳酸盐化等,矿石以铀-赤铁矿型(图2h)和铀-绿泥石型为主(姚宏鑫等,2013; 刘斌等,2019)。

图2 邹家山矿床和沙洲矿床蚀变岩类型Fig.2 Types of altered rocks in the Zoujiashan and Shazhou deposits(a) Rhyodacite in the Zoujiashan deposit; (b) Porphyroclastic in the Zoujiashan deposit; (c) Porphyritic granite in the Shazhou deposit; (d) Sericitization in the Zoujiashan deposit;(e) Hydromica in the Zoujiashan deposit; (f)Fluoritization in the Zoujiashan deposit;(g) Pyritization in the Shazhou deposit; (h) Hematitezation in the Shazhou deposit

3 样品来源与分析结果

选择邹家山矿床和沙洲矿床有代表性的赋矿围岩、蚀变赋矿围岩和矿石样品18件,包括花岗斑岩(沙洲矿床)、碎斑熔岩(邹家山矿床)和流纹英安岩(邹家山矿床)三种岩性(表1)。其中,XS代表沙洲样品,XZ代表邹家山样品。所取两个矿床的样品多呈灰黑色,铀矿物主要为沥青铀矿和钛铀矿,钛铀矿多与沥青铀矿共生,并伴有少量的钍铀石和铀石等,铀矿物常与黄铁矿、磷灰石和萤石密切共生。

表1 样品来源及性质简述Table 1 Location and brief lithological description of the samples

常量、微量元素由澳实矿物实验室(广州)分析测试,采用X荧光光谱测试方法,使用能量型X射线荧光光谱仪EDXRF进行全岩分析,检测范围:0.01%～100%,分析结果分别见表2和表3。

表2 邹家山矿床和沙洲矿床不同标高样品常量元素表(%)Table 2 Major elements of samples at different elevations in the Zoujiashan and Shazhou deposits (%)

表3 邹家山矿床和沙洲矿床不同标高样品微量元素表(×10-6)Table 3 Trace elements of the samples at different elevations in the Zoujiashan and Shazhou deposits (×10-6)

通过对样品中常量、微量元素进行趋势变化分析、相关分析、Q型聚类分析和正交因子载荷关系分析,推断研究区内矿床的蚀变过程和成矿热液来源。在10类常量元素中,SiO2含量最高,其中围岩中SiO2含量明显高于矿石中的含量,SiO2与CaO呈明显的负相关;在18类微量元素中,U、V、Th呈明显正相关关系,矿石中U含量明显高于其他微量元素。

4 元素含量变化特征

4.1 常量元素变化与蚀变比较

选择邹家山矿床和沙洲矿床的矿石样品,分析两个矿床矿石随深度增加Fe2O3、MgO、P2O5和CaO含量的变化趋势(图3)。图3可见,邹家山矿床的样品自-85 m处随深度的增加Fe2O3、MgO和P2O5含量整体随之呈增加的趋势,此趋势表明,在邹家山矿床随深度增加蚀变岩的赤铁矿化、绿泥石化和磷灰石化增强;在-85 m处CaO的含量最高,随深度增加则明显降低,CaO含量与矿床内萤石化的发育强度有关,说明-85 m处萤石化是最为发育的,酸性蚀变最强烈,随深度增加碱交代逐渐增强。沙洲矿床的样品自-8 m处随深度增加Fe2O3、P2O5的含量整体随之表现为下降趋势,这表明,沙洲矿床随深度增加蚀变岩的赤铁矿化、磷灰石化程度减弱,因此碱交代作用呈减弱趋势;在-98 m处,CaO含量最高,说明此处酸性蚀变作用达到最强。

图3 邹家山矿床和沙洲矿床矿石随深度增加Fe2O3、MgO、P2O5、CaO变化图Fig.3 Diagram showing content changes of Fe2O3, MgO, P2O5 and CaO with increasing depth in the Shazhou (left) and Zoujiashan (right) deposits(a and b)Fe2O3; (c and d)MgO; (e and f)P2O5; (g and h) CaO

邹家山矿床样品K2O含量趋势为先增高后减弱,Na2O含量趋势为增高,但Na2O含量一直低于K2O,说明在-85 m处水云母化是最发育的,即氢交代作用在此处达到最强,随深度增加碱金属阳离子交代作用表现出增强的趋势;沙洲矿床矿石的Na2O平均含量高于K2O,说明氢交代强于碱金属阳离子交代。

这些常量元素变化的现象表明了两个矿床垂向蚀变分带明显,随深度增加CaO的不同变化趋势表明两个矿床垂向蚀变变化规律不同:邹家山矿床-85 m至-210 m垂向蚀变萤石化程度逐渐减弱,碱金属阳离子交代强于沙洲矿床,即碱金属阳离子交代有增强的趋势;沙洲矿床-8 m至-98 m垂向蚀变萤石化逐渐增强,是随深度增加碱金属阳离子交代减弱的趋势,即氢交代增强的趋势。邹家山矿床中的矿石为成矿早期形成的碱性钠交代型铀矿化,矿岩时差小;沙洲矿床中的矿石为成矿晚期形成的酸性萤石-水云母型铀矿化,矿岩时差较大。在空间分布上,碱性铀矿化主要赋存于相山矿田西北部花岗斑岩及其内-外接触带中;酸性铀矿化主要赋存于相山矿田西部火山岩中的各级构造及其复合部位。

张学权等(1982)研究了相山矿田热液作用的地球化学演化过程,依据部分包体成分和矿物组合分析得出碱交代阶段的特征是:碱性热液初始成分中,阳离子组成中富含Na+,而贫K+,Na+/K+比值大于等于19,还含有一些Ca2+等,阴离子组成中主要为HCO3-和CO32-,缺少Cl-和等强酸根离子;酸性交代特征是:Na+含量很低,K+含量也不高,Ca2+含量较高。周文斌等(1997)对相山铀矿田成矿作用进行地球化学模拟也证实了化学反应有此特征。此次对研究区“酸”“碱”蚀变特征的研究进一步佐证了上述研究成果。

4.2 微量元素特征分析

4.2.1 微量元素相关关系

首先将原始数据(表3)标准化,使各变量有相对统一的水平,但不改变两个变量在变化后的相关程度,即将坐标原点移到了重心位置,补充样品5个,临界相关系数为1,从而得到标准化的数据矩阵。然后通过回归分析得出不同变量之间的相关系数矩阵(表4)。从中可以看出,U与Th、Pb、Sr、Zr、Y、Mo、Zn和Tl具有较高的相关系数,Mo、Sr、Th元素与U元素具有较高的相关性,说明这些元素是与铀矿化和蚀变关系最为密切的元素;而与其他元素相关系数不大或呈负相关,说明这些元素在U富集的同时未被富集或在交代反应中被置换掉。根据亲石元素相容性的顺序和表4中各元素相关系数可以将相山火山岩系的微量元素大致分为三组:①U、Rb、Ta、Sm、Nb元素相容性极弱;②Sr、Mo、Th、Zr元素相容性中等;③V、La元素相容性强。

表4 成矿微量元素相关系数矩阵Table 4 Correlation coefficient matrix of trace elements

4.2.2 Q型聚类分析

以U、Th、Pb、Rb、Sr、Ba、Zr、Y、Mo、Zn和Tl元素为指标对邹家山矿床和沙洲矿床的样品进行了Q型聚类分析(图4)。从图4可以看出,围岩聚为一类,蚀变岩和矿石聚为一类,并且围岩与蚀变岩和矿石之间关系较远。

图4 邹家山矿床和沙洲矿床样品Q型聚类分析图Fig.4 Tree plots of the Q-type cluster of the Zoujiashan and Shazhou deposits(a) The Zoujiashan deposit;(b) The Shazhou deposit

4.2.3 正交因子载荷关系

对于微量元素相关系数矩阵,由于变量数目大于独立条件,因而因子解具有不确定性。所以初始因子载荷不能以最少因子反映变量的特征,必须对因子加以旋转,进行正交因子方差极大法旋转分析。计算过程中前4个因子的累计方差贡献已达90.66%,因此公因子选择前4个因子。这4个公因子方差基本上已经代表了原始变量的信息特征,从而通过数据分析得到了矿化区域微量元素的正交因子载荷矩阵(表5)。第一因子主载荷元素包括Nb、Rb、Sm、Ta、Y、(Ga、Th),为非成矿因子;第二因子主载荷元素包括U、Zr、Cu、Pb、Zn,为指示因子;第三因子主载荷元素包括Mo、Sr、Th、Tl、U,这些元素具有正相关关系,属叠加成矿因子;第四因子主载荷元素包括V、La、Ba,为主成矿因子。

表5 正交因子载荷矩阵图Table 5 Loaing matrix of orthogonal factors

5 成矿热液来源分析

邹家山矿床和沙洲矿床矿石中的元素种类和含量表明成矿作用中的高氟、高温、高压和高浓度的特点,这个特点反映了成矿物质是深源的。邹家山和沙洲两个矿床在相同深度的蚀变矿物组合含量的不同,是由于两个矿床不同的构造演化形成的,邹家山矿床成矿深度320～1640 m,剥蚀厚度320～416 m;沙洲矿床成矿深度38～1425 m,剥蚀厚度190～240 m(王蕾,2011)。表现为邹家山矿床浅部出露的矿体以碱性蚀变为主,沙洲矿床浅部出露的矿体以酸性蚀变为主。但两个矿床的蚀变和矿化岩石具有相似的地球化学特征,具有相类似的矿石元素组合类型,矿物组成具有相似性等,这些特征表明,形成邹家山矿床和沙洲矿床的成矿流体应是同一深部热液流体。

微量元素的相关分析与Q型聚类分析结果是,Th、Sr、Mo、Tl、U、V、La、Ba是成矿密切元素,以这些元素为指标可将围岩与蚀变岩和矿石分为相距较远的两大类。这说明,成矿元素与围岩无关,成矿热液是深部流体。矿石中元素Th、Sr、Tl的富集,特别是Mo的富集,不仅说明了相山矿田经历了多期次、复杂的水岩反应,更说明了成矿作用是岩浆期后的产物(赖树钦等,2008;田明明等,2020)。微量元素的因子数据分析成为了证明研究区成矿物质来源于区域富铀层位——早寒武世地层的重要证据。由岩石微量元素分类组合特征(邵飞等,2009), 并将其与矿石微量元素对比可见,流纹英安岩(U、Mo、Zn、Sn、Be和Ni分类组合)与矿石有极强的相关性。可见, 流纹英安岩的岩浆溶液很可能提供了成矿物质来源,加之在岩浆期后,流体岩石之间发生相互作用,这使得岩石中的一部分U进入到了成矿溶液, 但是,这部分U属于火山盆地-成矿物质汇区内的成矿物质再迁移、再分配, 这部分U可能不是主要的物质来源 (刘林和芮会超,2016;刘贵,2020)。

6 结论

(1)常量元素变化趋势说明,相山矿田内矿床的蚀变垂向分带明显,邹家山矿床浅部出露的蚀变岩以“碱性”蚀变为主,沙洲矿床出露的蚀变岩以“酸性”蚀变为主,证实了相山矿田蚀变具有“北酸西碱”的特征。

(2)微量元素相关分析、Q型聚类分析及正交因子载荷关系分析说明,V、La、Ba为重要成矿因子,Mo、Sr、Th、Tl、U为成矿指示因子,样品中元素特征表明相山矿田邹家山与沙洲矿床成矿热液来源与围岩无关,而是同一深部热液流体。

(3)对比岩石微量元素分类组合发现,流纹英安岩的岩浆溶液很可能是主要的成矿物质来源。岩浆期后流体岩石相互作用下进入到矿溶液的部分U很可能不是主要的物质来源。