新疆冰草沟地区构造角砾岩与铀成矿关系探讨

周宏伟，姚俊逸

（核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）

冰草沟地区位于北天山铀成矿远景带中部，是北天山地区铀矿床、矿点最为密集的地段，前人在20 世纪50 年代末、70 年代初和21 世纪初分别开展了铀及共伴生矿产的评价和勘查工作［1-2］。冰草沟矿床为北天山仅有的火山岩型铀矿床，伴生矿产主要以磷矿为主，磷、铀矿在空间分布上具有高度的正相关性［1］。前人将冰草沟地区构造角砾岩定名为熔结角砾岩［1-2］，但与铀成矿的关系未进行具体研究。本次通过对构造角砾岩岩相特征及其与铀矿体的空间关系研究，结合岩石主量、稀土及微量元素地球化学特征，分析岩浆及成矿流体源区特征，对进一步探讨构造角砾岩与磷、铀矿成因具有重要意义，为该成矿区带的今后找矿方向提供借鉴。

1 地质背景

冰草沟地区位于博格达晚古生代裂陷盆地西段，博格达山南坡。区内地层以石炭系、二叠系、三叠系为主（图1），其中石炭系主要为一套枕状玄武岩、火山碎屑岩夹少量含砂质泥硅质岩组合；二叠系为海陆交互相含磷、碳质碎屑岩，为铀矿的主要产出层位；三叠系主要为一套陆源碎屑岩沉积建造。

图1 冰草沟地区区域地质图Fig.1 Regional geology map of Bingcaogou area

早二叠世—晚二叠世，冰草沟地区火山喷发活动逐渐减弱，以裂隙式间歇喷发为主要类型［3］，为一套造山期后局部拉张环境下喷发形成的火山熔岩和火山碎屑岩，其中火山熔岩以玄武安山岩分布最广，呈近东西、北东东向近于顺层展布，其顶底部是形成铀矿的主要部位。区域上侵入岩以辉长岩、辉绿岩、辉石闪长岩为主，主要以岩墙形态产出，少量呈岩株状，走向与区域构造线方向基本一致。

区内构造大致呈近东西向发育。褶皱多为系列连续的背、向斜构造，均为纵弯褶皱，为裂陷盆地发展阶段岩浆侵入抬升产生［4］。断裂自早到晚依次为近东西向断裂、北北西/近南北向切层断裂及北西向断裂，断裂性质主要为压性、兼具扭性特征。

冰草沟地区各类岩性铀、磷元素含量统计显示（表1），砂岩与构造角砾岩的铀含量较区内其他岩性高，玄武安山岩、构造角砾岩具有较高的磷含量。区内二叠纪中基性岩浆活动形成的大量磷质是后期热液成矿的重要物源。

表1 冰草沟地区主要岩性中磷、铀元素含量统计一览表Table 1 Statistics of phosphorus and uranium content of main rocks in Bingcaogou area

2 铀成矿特征

冰草沟地区矿化集中区呈东西向展布，长30 余千米，宽15 km，共发现磷铀矿床1 个、铀矿（化）点7 个及众多的异常点带，区域上呈串珠状分布（图2）。单个矿床、矿点沿走向或破碎带方向延伸多在200～400 m 之间，宽度为数十米。

图2 冰草沟地区地质图Fig.2 Geology map of Bingcaogou area

区内冰草沟磷铀矿床主要产于下二叠统塔什库拉组上亚组（P1tc）玄武安山岩及其夹持的砂岩中。玄武安山岩在区内出露1～5 层，其中第2～4 层玄武安山岩顶板发育构造角砾岩。构造角砾岩呈顺层展布或与地层走向夹角小于10°，出露宽度范围一般小于350 m，单层厚度为12～59 m，在垂向上及走向上均具有分枝复合现象。

区内近东西向冰草沟断裂和近南北向断裂夹持部位形成冰草沟背斜，沿其轴部形成的近东西向张性断裂为辉石闪长岩所侵入，近东西向和近南北向断裂总体上控制了区内主要矿床、矿化点带的分布。控矿断裂形成于华力西期，以近东西向压扭性断裂为主，其形成的层间构造破碎带及次级构造裂隙带为主要的导矿、容矿构造，为后期含铀热液的运移提供通道及富集空间。受燕山期及喜山期构造抬升剥蚀的破坏，晚期北西、北北西向压扭性切层断裂多成组发育，错断近东西向控矿断裂。

区内铀矿的赋存部位有3 种：一是赋存于玄武安山岩与砂岩形成的构造界面中，矿体沿层面（即构造面）两侧呈层状、似层状，富大矿体定位于构造角砾岩向浅部尖灭延伸的构造破碎带中；二是赋存于玄武安山岩中，在顺层断裂及构造角砾岩夹持的次级构造破碎、裂隙带形成厚度不等的脉状矿体；三是赋存于砂岩中，矿体产于顺层断裂及构造角砾岩上盘次级构造破碎带中，多呈细透镜状，数量众多但规模较小，矿体中磷含量随着距离构造角砾岩增加而降低。

研究区铀矿体规模大小悬殊，长度由数十米至百余米，最长为472 m，厚度一般在0.7～1.5 m 左右，平均厚度为1.18 m，平均品位为0.097 %。目前已发现磷铀矿主要定位于冰草沟矿床玄武安山岩与砂岩的构造界面中，矿体中伴生磷（P2O5）矿化品位为8.24 %～12.28 %，平均品位为9.52 %，冰草沟矿床外围铀矿体中伴生磷品位均小于8 %。

研究区围岩蚀变发育较广且影响较大的主要有褐铁矿化、赤铁矿化、碳酸盐化、绿泥石化、硅化、黄铁矿化、钠长石化及萤石化等，与铀矿关系密切的主要有3 种蚀变组合类型，其中钠交代、赤铁矿化蚀变组合主要分布在玄武安山岩与砂岩构造界面中，以构造角砾岩尖灭延伸部位的顺层构造破碎带中发育最为典型，是磷铀矿的主要蚀变标志；弱赤铁矿化、硅化、碳酸盐化蚀变组合与萤石化、硅化、碳酸盐化蚀变组合主要分布于构造角砾岩上盘砂岩的次级构造裂隙带中，距离构造角砾岩由近至远分带展布。

3 构造角砾岩特征

研究区玄武安山岩顶板层间构造破碎带中主要发育构造角砾岩，在走向上呈板状近顺层展布，延伸较为稳定，向冰草沟矿床以西趋于隐伏，向浅部呈透镜状、脉状分枝复合产出。

构造角砾岩角砾成分主要为底板玄武安山岩，有明显位移且拼接性较差。角砾可见溶蚀和交代现象，局部呈次棱角、次圆状，说明发生过一定流化作用，但未见外来其他成分角砾，认为其属于构造动力角砾岩。

浅部构造角砾多为磨碎的原岩组分（图3a、b），胶结物以方解石为主，碎屑物具方解石化、绿泥石化特征；深部构造角砾岩胶结物主要以次生石英为主，可见少量斜长石斑晶，次生石英多交代原岩组分（图3c、d）。在深部角砾岩中多脱玻蚀变为微粒状长英质，玄武安山岩角砾熔蚀交代后多见珍珠状结构，主要表现为长英质熔体特征。胶结物从深到浅含量逐渐减少，具有深部长英质向浅部方解石变化特征，说明遭受挥发分饱和熔体一定程度重熔后，突然压力骤降发生沸腾，熔体出现气、液和固相的分离，从而使挥发分大量溢出，使得后续熔体变成挥发分少、黏度更大的残余熔体，更易形成类似石英交代的珍珠状结构［5］。

图3 构造角砾岩及其镜下特征Fig.3 Photo of breccia core and its thin section

构造角砾岩延伸及斜交的次级构造裂隙带为本区主要的含矿构造，与构造角砾岩近于平行或斜交，多形成羽状、分枝复合状裂隙带。铀矿体主要赋存于透镜状构造角砾岩及其两侧碳酸盐、硅质脉中（图4a），其周边碎裂岩化围岩也是铀矿体的主要赋存部位（图4b）。

图4 冰草沟矿床磷铀矿石特征Fig.4 Photo of phosphate core and uranium ore in Bingcaogou deposit

根据构造角砾岩形态与矿体的空间关系，其舌状凸起延伸及垂向膨胀部位是形成富大矿体的有利部位（图5），相变界面是定位铀及伴生磷矿的重要构造、相带标志（图6）。构造角砾岩向浅部延伸的构造破碎带有利成矿范围一般小于500 m，顶板斜交的次级含矿构造破碎带有利成矿范围平距一般小于300 m。

图5 冰草沟地区构造角砾岩与矿体关系横剖面示意图Fig.5 Cross section showing the relationship between structural breccia and ore body in Bingcaogou area

图6 冰草沟地区构造控矿特征示意图Fig.6 Schematic diagram of structural control on uranium mineralization in Bingcaogou area

4 岩石地球化学特征

4.1 主量元素

根据玄武安山岩、构造角砾岩样品主量元素分析统计结果（表2），对比分析构造角砾岩胶结物熔体中主量元素的变化特征。玄武安山岩里特曼指数（σ）基本在1.1～3.2 之间，平均为2.3，属于钙碱性、高钾钙碱性系列，在火山岩全碱-硅分类图中主要落入钙碱性安山岩、粗面安山岩、玄武质粗面安山岩内（图7）。构造角砾岩中Fe2O3、MgO、CaO 有明显变化外，其他主量元素变化不大。w（Fe2O3）值的明显增高，反映胶结物熔体中具有较高的氧逸度，说明晚期长英质熔体的酸度不断提高，有利于磷、铀的活化和迁移。

表2 玄武安山岩和构造角砾岩主量元素分析统计一览表w（B）/%Table 2 Statistics of major element content in basalt andesite and structural breccia w(B)/%

图7 冰草沟地区火山岩全碱-硅（TAS）分类图Fig.7 Total alkali silicon（TAS）classification diagram of volcanic rocks in Bingcaogou area

通过矿石与围岩样品主量元素分析结果对比（表3），矿石中具有明显Na 带入、K 带出，反映钠交代与矿化关系较密切；含矿玄武安山岩中w（FeO）值具有明显的降低，说明热液具有较高的氧逸度；含矿玄武安山岩和含矿砂岩中w（CaO）值的增加与成矿阶段均有大量碳酸盐析出有密切关系；含矿砂岩中w（SiO2）值无明显变化，含矿玄武安山岩中SiO2带出具有显著特征，认为玄武安山岩更易形成构造破碎带；无矿砂岩中具有较高的烧失量，含矿砂岩中有显著降低，在含矿玄武安山岩中具有明显增高。在203 矿点含矿碳酸盐脉中发现大量紫黑色萤石及油气包裹体，说明含矿流体富含大量有机质、氟等易挥发分。矿石与围岩样品中磷与铀含量具有正相关性，且存在共迁移、共沉淀的特性［6］，反映碱性含矿热液中大量铀、磷络合物析出。

表3 赋矿围岩及矿石主量元素分析一览表w（B）/%Table 3 Analysis result of major elements in host rock and ore w(B)/%

4.2 稀土、微量元素

通过区内玄武安山岩、构造角砾岩及矿石稀土、微量元素的含量（表4），可进一步分析中基性岩浆、长英质熔体源区及成矿流体特征。

表4 冰草沟地区样品稀土元素含量/10-6及相关参数一览表Table 4 REE contents（10-6）and parameters of ores in Bingcaogou area

玄武安山岩、构造角砾岩与周边辉石闪长岩、辉绿岩稀土元素配分曲线形态基本一致（图8a），表现为LREE 富集、HREE 亏损、Eu 轻度亏损的右倾型分布特征，为同源岩浆演化的产物，基本符合板内玄武岩特征。无矿、含矿构造角砾岩与玄武安山岩稀土元素配分曲线形态基本一致，∑REE降低与玄武安山岩角砾含量减少有关。含矿构造角砾岩与含矿砂岩、玄武安山岩均具有HREE富集特征（图8b、c、d），与矿石中稀土配分曲线具有一致性，HREE、铀与磷酸盐络合形式具有共同迁移和沉淀特征［7］，说明成矿流体主要为低温含矿热液［8］，该特征与地幔流体所产生的碱交代岩稀土特征相反，表明含矿流体为富钠碱性热液［9-11］。

图8 冰草沟地区矿石与赋矿围岩球粒陨石标准化稀土配分图Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns of ores and host rock in Bingcaogou area

构造角砾岩Nb/Ta 值分布在13.67～15.66 之间，均低于原始地幔比值17.5，说明区内中基性岩均受到地壳物质不同程度的混染［12］；Zr/Y 平均值分别为4.05～5.50，均小于18，显示富集地幔的特征［12］；构造角砾岩Rb/Sr 在0.04～0.44 之间，均大于0.03，说明受到明显地壳物质的混染［12］；δEu 为0.56～0.94，均大于0.3，均反映其岩浆上升过程均受到不同程度的地壳混染［12］。构造角砾岩显示富集地幔和不同程度的地壳混染特征，与玄武安山岩基本一致［12］，反应其对玄武安山岩的继承性和一致性。

热液蚀变过程中Nb 和Ta 属于不活动元素且不易被流体迁移，刘小波［13］在矿石胶磷矿中测得Nb/Ta 均值为13.29，与其在玄武安山岩矿石中测得Nb/Ta 均值为13.12 非常接近，较构造角砾岩有所降低，表明矿石与胶磷矿中Nb/Ta 值基本一致，十分接近地壳的Nb/Ta 值12～13［14］，磷、铀成矿流体基本无地幔岩浆参与，可能与地壳有关。

卤素成分可用来指示初始岩浆熔体中的挥发分组成，进而指示母成矿流体的源区特征。与地壳部分熔融晚期分异的热液有关的磷灰石具有低的Cl 含量和较低的Cl/F 值（小于0.01）［15］，区内矿石中Cl/F 值为0.002 2～0.001 5［2］，均值为0.001 9，认为成矿流体可能源于地壳的部分熔融。

5 铀矿成因探讨

从大地构造演化特征上来看，冰草沟地区早二叠世裂谷强烈拉张，同时伴随中基性火山喷发和近东西向基性岩墙群的广泛发育，皆与地慢物质热底辟上升和地壳的有限拉张作用有关［16-17］。该阶段中基性岩浆中大量磷的带入是形成围岩中铀、磷初始聚集的有利条件［18］。晚二叠世裂谷盆地萎缩，总体表现为急剧拉张后平稳隆起为夭折裂谷特征。因此，对区内层间构造角砾岩胶结物流体和成矿热液的来源提出了疑问。

刘小波［13］测得冰草沟矿床矿石中热液锆石U-Pb 同位素年龄为260.8 Ma 左右，推断成矿时代应为晚二叠世。该阶段是本区在海西运动结束前较为重要的一次构造运动，博格达南缘的上二叠统泉子街组数百米磨拉石建造反映区内经历了相对强烈的隆升［16］。该时期天山经历准噶尔-哈萨克斯坦板块与塔里木板块后碰撞强烈造山阶段，强烈陆壳俯冲使得地壳发生部分熔融，形成高温变质岩、浅成酸性岩和浅色长英质脉岩及相关的中低温热液活动，使得俯冲陆壳来源的长英质熔体普遍具有富集放射性元素的特征［19-20］。

区内重熔产生长英质熔体沿岩石脆韧性层间界面剪切构造强烈活动，因地层压实、变质作用、岩石大量含水矿物相变脱水、砂岩中烃类及非烃类气体的生成与渗透压力差异等因素［21］，水、挥发分、钠的带入使得熔体黏度降低更易流动，形成富碱的长英质熔融体。长英质熔融体中易挥发性气体溶解度更低，这也致使产生的流体具有较高的压力［22］。流体在热梯度和压力梯度驱动力作用下沿层间破碎带向上运移，充填交代作用促使围岩中磷、铀等成矿物质不断活化、迁移，使得流体中成矿物质更为富集。

含矿流体上升过程至导矿断裂与容矿断裂转换部位时，会存在一个相当于重力压力影的压力骤减部位，成矿物质、水和其他易挥发分的出溶而形成长英质胶结物，随着温度、压力变化，交代作用促使含矿热液性质变化，铀、磷矿物同时沉淀成矿［1］。

6 结论

1）层间构造破碎带是含矿流体上升的主要通道，其水平-垂向上扭转膨胀部位的次级构造破碎带或密集裂隙带是主要的容矿构造。沿玄武安山岩顶板发育的角砾岩属于构造动力角砾岩，受层间构造破碎带控制，在空间上与磷铀矿体的展布具有一致性，构造角砾岩突变的尖灭界面是定位矿体的重要构造标志。

2）构造角砾岩为玄武安山岩破碎后被晚期长英质熔体充填胶结，w（Fe2O3）值明显增高反映熔体具有较高的氧逸度，使得晚期长英质熔体的酸度增加，更加有利于磷、铀的活化和迁移，含矿流体为长英质熔体中出溶的富钠碱性热液。

3）区内中基性岩具有板内玄武岩特征，Eu 明显亏损，表明存在岩浆分离结晶作用，结合与原始地幔标准Zr/Y、Nb/Ta、Rb/Sr 值的对比，说明地幔源区岩浆上升遭受到不同程度地壳物质混染；矿石中均表现重稀土明显富集，且Nb/Ta 值与地壳十分接近，高F、低Cl特征表明成矿流体可能来自于地壳部分熔融，构造角砾岩中。

4）成矿期热事件与晚二叠世强烈的褶皱造山和层滑构造形成的构造热动力有关，成矿流体来源于地壳的部分熔融形成长英质熔体，认为构造角砾岩胶结物与磷铀成矿具有同源、同期性。