贵州荔波-独山地区含铀煤系地质地球化学特征及煤岩型铀矿床成因

田 超 ，宋 昊 ，郑懋荣，李 圻

(1.成都理工大学地球科学学院，四川 成都 6100001；2.贵州省有色金属和核工业地质勘查局七总队，贵州 贵阳 550000)

煤岩型铀矿床是贵州省重要的铀矿类型之一，研究区位于贵州省丹寨-三都-独山碳硅泥岩型、煤岩型铀成矿带内(刘开坤等，2016)。我国含煤岩型铀矿的勘查研究始于1960年前后，并在云南、新疆两省发现了一批工业规模不等的铀矿床，如帮卖盆地303矿田、伊犁盆地洪海沟地区煤岩型铀矿床、塔里木盆地萨瓦布其地区煤岩型铀矿床等(张淑苓，1987；王毛毛，2015；刘章月，2011)。含铀煤既可作工业燃料，又可从灰分中提取铀产品，从而大大提高了该类型铀矿床的工业意义(姚振凯，1988)。已发现的煤岩型铀矿床一般产于中-新生代陆相沉积盆地边缘部分(В.И.丹切夫，1974)，盆地基底为华力西至燕山期花岗岩酸性火山岩(张淑苓，1984)。而晚古生代成煤期，在中国以石炭-二叠纪为主，虽有大煤田的形成，但未见煤中存在工业铀矿化的报导(姚振凯，1988)，对其研究亦相对较少。研究区含铀煤产于晚古生代二叠纪吴家坪组，在其北段已发现2个达到工业品位的小型煤岩型铀矿床，同时分布有大量铀矿化点及异常点。本文旨在深化对研究区吴家坪组含铀煤系成矿地质、地球化学特征认识的基础上，揭示成矿的主控因素，探讨成矿物质来源及铀矿化成因，进一步丰富该类型铀矿的成矿理论，为扩大荔波-独山地区铀矿找矿成果具有重要意义。

1 区域地质背景

1.1 区域地质背景

研究区位于江南台背斜之西，处于台背斜与台向斜逐渐过渡凹陷带内。以浅海相的碳酸盐类沉积为主，次为碎屑岩沉积。出露地层有青白系、南华系南坨组，震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、第四系。含铀层位主要为上二叠系上统吴家坪组底部褐煤及炭质页岩。北东向延伸的开阔向斜控制区内地层展布，向斜两翼不对称，并在转折端形成复向斜褶皱。向斜两翼多成高角度纵向正断层为主，转折端处多变为高角度纵向逆断层，代表性断层有烂土断层、甲倒断层和三都断层。横向正断层在向斜两翼或转折端呈雁形排列。使附近煤系地层形成小型褶皱构造，出现地层重复和缺失。纵向断层形成于褶皱早期，横向断层在褶皱后期形成，并切割纵向断层(图1)。

图1 贵州荔波-独山地区地质简图

1.2 区域构造演化

研究区经历了吕梁至喜马拉雅多次构造运动，历次构造运动产生的影响如下：(1)吕梁运动使前震旦系岩层褶皱，硬化形成陆台，到震旦纪陆台分化，江南古陆隆起。(2)加里东期，气候转暖，巨厚碳酸盐沉积。由于地壳上升，上奥陶纪及下志留纪缺失。受加里东期末造山运动影响，区内褶皱成北北东向的构造体系，形成向斜轮廓雏形。(3)海西-印支期，地壳小幅度升降，海岸线不断迁移，沉积以碳酸盐为主，其次为碎屑岩。下二叠纪末，升出海面处于大陆状态，阳新灰岩遭受剥蚀风化形成喀斯特地形。乐平早期，地壳下降，植物繁盛，堆积薄煤层。同时陆地上及同生海水带来的铀，被吸附，还原沉淀，在有利部位形成具有一定工业价值的矿体。(4)燕山-喜山期，以板内伸展走滑作用为主，形成系列NE、NNE向褶皱和断裂，并叠加、改造前期构造，形成现今的基本轮廓。

2 含铀煤系特征

图2 荔波-独山地区含铀煤系地层柱状对比图

3 样品采集与分析

4 元素地球化学特征

4.1 常量元素特征

表1 常量元素分析结果表(wt%)

4.2 微量元素特征

表2 微量元素分析结果表(×10-6)

图3 铀矿(化)层(a)和围岩(b)元素原始地幔标准化微量元素蛛网

从表2可以看出，围岩中U和V发生富集而Mo不怎么富集，可能指示缺氧的环境；而矿(化)层中它们同时显著富集则指示硫化的，即水体中含有一定量的H2S的环境(Algeo T J，2004)，这与矿(化)层中普遍含粉末状或星散状黄铁矿结论一致。

4.3 稀土元素地球化学特征

表3 稀土元素含量(×10-6)及特征值

图4 矿(化)层(a)及围岩(b)球粒陨石标准化稀土元素配分曲线

5 讨论

5.1 成矿的铀源

研究区含铀煤矿(化)层样品在La/Yb-∑REE图解中的投点大部分落入碱性玄武岩范围内，及少点落入大陆拉斑玄武岩和花岗岩中(图5)，因此认为区内U元素富集成矿的物源主要来自富铀的峨眉山玄武岩，这与利用主量元素、微量元素及Sr、Nd同位素研究大火成岩省的外带即贵州境内玄武岩属碱性玄武岩结论一致(廖宝丽，2013)。研究区矿(化)层及围岩中U与Co、Ti、Co/Ni均有一定的正相关性(图6)，说明其铀主要来源可能为火山活动，部分来自围岩，与样品在La/Yb-∑REE图解中的投点大部分落入碱性玄武岩范围内结论相吻合。这是由于晚二叠世吴家坪早期，峨眉山地幔热柱海相第一喷发旋回期后，从地幔中携带富含SiO2、Mn、U、Co，Pb、CO2等气液流体溶入海水中，从贵州境内北西向南东流入黔南地区福泉市、平塘县、三都县等地，在还原环境下被吸附，还原沉淀，在有利部位形成具有一定工业价值的矿体。

图5 荔波-独山地区含铀煤系(La/Yb)N-∑REE图解中的投影

图6 元素相关性图解

5.2 主要控矿因素

5.2.1 层位及岩性控矿

研究区铀矿(化)体呈层状产于二叠系吴家坪组底部褐煤层夹灰色粘土页岩内，其顶底板节理裂隙中有铀矿化现象，其他层位中未见铀矿化。镜下鉴定含铀煤质为褐煤，条带状结构，组成煤的显微分子有：凝胶体、木煤、丝炭、半丝炭，粘土矿物充填于胞腔中或与有机体混合，含铀煤层中普遍含粉末状或星散状黄铁矿及少量黄铁矿结合。其中凝胶组分、粘土矿物及胶黄铁矿均对铀具有吸附作用(刘正义等，1980)。因此，层位和岩性是铀同生沉积、同生富集必要条件。

5.2.2 沉积环境控矿

中二叠世茅口末期，由于受东吴运动作用，区内地壳上升，海平面下降，致使三都、紫云、册亨等广大地区上升为陆，受到短暂剥蚀，形成茅口灰岩风化侵蚀面。吴家坪早期，地壳下降，海平面上升，形成台地内潮坪-潮下缺氧还原的沉积环境，在低洼地段堆积保存了粘土、泥炭及黄铁矿等聚铀剂。铀元素的沉淀明显地受沉淀介质地球化学环境的控制；最重要的影响因素是“氧逸度”，次为“酸碱度”及“相对盐度”(梅水泉，1988)，研究区含铀煤层V/(V+Ni)均值大于0.84，表明铀元素的沉淀富集与“还原”环境密切相关，说明高价铀(U6+)迁移、低价铀(U4+)易沉淀的地球化学性质；MnO/TFe均值小于0.013，CaO/(CaO+TFe)×100%均值小于0.20，可见“酸性-低盐”相是铀的有利沉淀环境。

5.2.3 构造控矿

研究区紧靠江南陆块之西部边缘，燕山期受到东西向强力挤压，喜山期地壳抬升，形成南北向褶皱带，在吴家坪组底部会黑色硅质灰岩、硅质岩与褐煤层及炭质页岩能干性不同的岩层之间，形成层间揉皱及破碎带，在地下水的作用下，使初步富集的铀再次活化、迁移，在有利部位二次富集成矿。区内断裂构造发育，以高角度逆断层出现，发生在含铀煤层形成之后，使含铀矿层错动为两层，在断层或距断层一定距离地带，显示出有铀的次生富集现象，并造成围岩层的构造裂隙中有铀矿化显示。构造是铀富集、聚集的外动力。

5.3 成矿机制及成因

晚二叠世早期，研究区处于潮坪洼陷地段半封闭沼泽环境，由原地生长的和源区搬运来的陆生植物遗体，经喜氧细菌的分解而生成的腐殖酸溶胶，并通过吸附作用、离子交换或络合、鳌合作用形成铀酰腐殖酸盐。A.Szalay认为在煤的有机质中，腐殖酸可与金属(U、Ge、V、Mo、Cu等)形成各种不同的络合物。腐殖酸络合铀等金属的能力还与介质pH值有关，当pH4-5时，腐殖酸络合铀量最大(张淑苓，1984)，这与前述区内沉积环境为酸性结论一致。随着上覆碎屑物的堆积，泥炭经深埋压实作用，变质形成褐煤，水介质中的溶解氧逐渐消失，厌氧细菌活跃起来，有机质进一步分解，产生H2S、CH4、H2等强还原性气体。这时与腐殖酸呈吸附结合或离子交换的铀酰离子解吸，U6+被还原成U4+沉淀下来，形成铀的富集体。

在含铀的褐煤层形成后，受燕山-喜山期强力挤压及抬升作用，在能干性较小的含铀煤层内发生层间滑动及揉皱现象，使铀元素进一步活化迁移，二级和三级褶皱的鞍部和两翼富集成具有工业价值的铀矿体。研究区内含铀煤层的上覆岩层为含炭泥灰岩，下伏致密状硅质灰岩，均是隔水层或不透水层，次生淋滤作用的可能小。因此，研究区含铀煤属同生沉积、同生富集为主，构造叠加改造为辅的成因类型。

6 结论

(1)La/Yb-∑REE图解及稀土配分模式显示，成矿物质U主要来源于火山活动，部分来自围岩。与晚二叠世吴家坪早期，峨眉山地幔热柱海相第一喷发旋回期后，从地幔中携带富含SiO2、Mn、U、Co、Pb、CO2等气液流体溶入海水有关。

(2)铀富集成矿的有利沉积环境为海湾沼泽相，通过微量元素分析，铀元素的沉淀富集与“还原”环境密切相关，“酸性-低盐”相是铀的有利沉淀环境。

(3)研究区铀主要呈吸附状及胶体状赋存于含铀煤层中，含铀煤属同生沉积、同生富集为主，构造叠加改造为辅的成因类型。