华南诸广山中部鹿井铀矿田构造活化数值模拟

刘传东, 李增华*, 郭春影, 邓 腾, 郭福生, 许德如, 韦晓艳, 邹永强, 郭世超

华南诸广山中部鹿井铀矿田构造活化数值模拟

刘传东1, 2, 李增华1, 2*, 郭春影3, 邓 腾1, 2, 郭福生1, 2, 许德如1, 2, 韦晓艳1, 2, 邹永强1, 2, 郭世超2

(1. 东华理工大学, 核资源与环境国家重点实验室, 江西 南昌 330013; 2. 东华理工大学 地球科学学院, 江西 南昌 330013; 3. 核工业北京地质研究院, 北京 100029)

桃山‒诸广山成矿带作为华南重要的花岗岩型铀矿资源产区, 构造活化对于带内热液铀矿的赋存空间起到了重要的控制作用。鹿井铀矿田位于桃山‒诸广成矿带中部, 受NE向断裂的控制, 矿体主要产于印支期花岗岩(牛尾岭、黄蜂岭、高昔以及羊角脑矿床)和寒武纪地层(鹿井铀矿床西部)内。前人研究表明鹿井铀矿田内存在多期次构造活化的形迹, 但对于构造活化如何影响矿体赋存空间进而控制矿床空间分布缺乏细致的研究。本文利用FLAC3D数值模拟软件, 探究了在不同构造应力背景下, 断层活化形成的扩容区与已知矿床空间分布的关系。模拟结果表明, 白垩纪‒新近纪的拉张构造运动能造成先存断裂的活化, 进而产生扩容区, 有利于成矿。因此在NW向伸展构造环境下, NE向先存断裂的活化是控制鹿井铀矿田内各矿床分布的重要条件。

构造活化; 构造控矿; 数值模拟; 鹿井铀矿田; 花岗岩型铀矿

0 引 言

铀是国民经济建设和军工发展的战略资源矿产, 作为核电的基础原料, 也是实现碳达峰、碳中和目标的重要发展资源(张金带等, 2019)。至2030年, 基于核能发电完成“双碳”目标, 铀资源需求量高达18800 t(陈军强等, 2021)。相较于澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦等全球核能矿产资源强国, 中国的铀资源量(国内已探明储量)较为匮乏。而且我国相对国外铀资源投资起步相对较迟, 对应产能也较小, 以当前的铀资源探明和国外投资发展速度逐渐不能满足未来的社会发展需要(张金带等, 2019; 陈军强等, 2021)。因此, 强化热液型铀矿成矿理论、发展和突破勘探技术, 将成为扩充国内铀矿资源量, 扩展国外铀资源开发的首要目标。

构造对后生矿床的形成至关重要(Micklethwaite and Cox, 2004; Hayward and Cox, 2017; Chi et al., 2022)。前人研究表明构造活化除有助于流体转移至发生更大破裂的断层, 还会影响断裂附近岩石变形的程度, 如造成局部的岩石扩容(Igonin et al., 2021)。扩容区作为成矿流体汇聚的响应结果, 往往与矿体的空间定位紧密相关(Oliver et al., 1999; Li et al., 2017)。因此, 构造活化、构造扩容与热液矿体空间定位问题一直被国内外学者所关注(Sibson, 1992; Liu et al., 2011; Li et al., 2020; Chi et al., 2022)。

构造活化对许多世界级铀矿床的矿体空间定位具有影响。如以不整合面型铀矿床闻名的加拿大阿萨巴斯卡盆地, 其基底断裂的活化不仅控制了矿床内/附近断裂带中流体的流进和流出, 同时也影响了矿床的赋存位置(Chi et al., 2019; Eldursi et al., 2020)。南澳大利亚Gawler克拉通同样作为世界级矿产(IOCG型奥林匹克坝矿床)的产出地(Cuney, 2009; Dahlkamp, 2013), 其内部的Roopena构造活化诱使了花岗岩中铀的再富集, 进而促进了流体萃取花岗岩, 形成的含铀流体能够在新世砂岩内沉积成矿(Jaireth et al., 2016; Domnick et al., 2020)。

华南是我国重要的产铀区之一, 位于华南铀成矿省中的桃山‒诸广铀成矿带是我国最大的花岗岩型铀矿成矿带。带内集中产出了桃山、诸广山南部、下庄、鹿井等花岗岩型热液铀矿田(张万良等, 2011; 赵如意等, 2020)。花岗岩型热液铀矿的形成不仅受到地壳U元素的预富集、富CO2热液流体萃取原岩U形成成矿流体以及含U流体富集成矿的共同制约(Hu et al., 2008), 多期次的构造活化对矿体的富集和破坏也具有较大的影响(孙岳等, 2020)。前人研究表明鹿井铀矿田内存在多期次构造(印支、燕山运动)活化的形迹(孙岳等, 2020), 且矿体主要产于断裂带或临近断裂带的沉积岩以及花岗岩中(张万良等, 2011)。根据矿体的空间产出位置, 矿体可划分为岩体内带亚类、岩体外带亚类以及岩体上覆盆地亚类(李子颖等, 2021)。尽管研究区发生多期断裂构造活化现象, 但构造活化对矿体空间定位的认识仍然不足。本文通过总结鹿井铀矿田的地质特征, 采用FLAC3D软件对鹿井铀矿田构造活化产生的扩容区进行模拟分析, 以此讨论NE向先存断裂的活化机制, 以及桃山‒诸广成矿带先存断裂活化对于铀矿体形成的意义。

1 区域地质背景

桃山‒诸广成矿带横跨湘赣粤三省, 受华夏板块和扬子板块接合带东侧的四会‒吴川复合断裂带控制(Li et al., 2014; Shu et al., 2021)。在桃山‒诸广成矿带内, 四会‒吴川复合断裂由抚州‒遂川、桃山‒诸广、南雄以及鹰潭‒宁都‒翁源等多条NE向断裂组成(图1)(邓平等, 2003b)。这些断裂主要形成于晚三叠世(柏道远等, 2007), 白垩纪经历了左旋走滑、造山滑脱伸展以及右旋挤压等多期次的构造活动(邓平等, 2003b; 柏道远等, 2005)。在造山作用的挤压变形和变质作用以及造山后期应力减弱的基础上(柏道远等, 2007; Li et al., 2014), 区内发育多期次NW-SE向挤压或伸展, 形成了多个NE向的伸展盆地(如南雄盆地、吉安盆地等)和大规模的中生代花岗岩和火山岩, 如桃山的黄陂岩体(167 Ma)、罗布里岩体(146 Ma)和大古寨岩体(152 Ma), 以及诸广的长江岩体(160 Ma)、赤坑岩体(154 Ma)、企岭岩体(156 Ma)和茶山岩体(157 Ma)(邓平等, 2012)。

图1 桃山‒诸广山成矿带区域地质简图(据Zhang et al., 2020修改)

带内地层可划分为中元古代变质岩、上古生代寒武纪‒奥陶纪浅变质岩以及白垩纪‒新近纪的碎屑沉积岩。中元古代变质岩主要为云母片岩、麻粒岩以及大理岩(Zhang et al., 2020); 上古生代寒武纪‒奥陶纪高碳、高硅质的板岩和普遍遭受低程度变质作用的砂岩。白垩纪‒新近纪碎屑沉积岩组成带内NE向“川”字断裂格架中的多个红层盆地, 如南雄、赣州、吉安、鹿井等盆地, 其中鹿井和南雄盆地主要为不对称伸展断陷盆地(Wang and Shu, 2012)。

桃山‒诸广铀成矿带内的铀成矿时代具有多期性, 其中下庄矿田内的仙石铀矿床角砾状产出的沥青铀矿年龄为125 Ma, 脉状产出的沥青铀矿年龄为81 Ma(邓平等, 2003a), 长江铀矿田沥青铀矿年龄为118±8 Ma, 87±4 Ma, 68±6 Ma(Zhang et al., 2017)。除下庄矿田(石头岭、白水寨等矿床)成矿年龄与富矿围岩的时差较小外(Zhang et al., 2021), 桃山、鹿井、诸广南等大部分矿床的形成时间与白垩纪‒古近纪的岩石圈伸展时间一致(Hu et al., 2008)。根据铀矿与花岗岩体产出的位置, 矿体可以分为岩体内带、岩体外带以及岩体上覆盆地三个亚类, 但矿体的产出位置主要受断裂构造本身(断裂所控制的破裂蚀变岩)以及上覆盆地的断裂控制(赵如意等, 2020)。目前对后生热液花岗岩型铀矿的研究认为, 来自幔源的富CO2岩浆热液和地表的高氧逸度大气降水或地层水通过赋铀围岩中构造断裂体系萃取花岗岩中的U, 形成的含U流体通过对流循环在断裂内或附近的特定位置发生氧化还原反应形成铀矿体(Hu et al., 2008; Chi et al., 2020)。

2 鹿井铀矿田地质背景

鹿井铀矿田位于桃山‒诸广成矿带中部。矿区内地层主要由白垩纪沉积盖层、震旦纪‒寒武纪变质基底两大部分组成(图2b)。震旦系‒寒武系浅变质岩作为该区内最古老的岩石, 厚度为5～13 km, 主要分布于矿田的西侧和北东侧, 由下寒武统香楠组和中寒武统菜园头组组成。下寒武统香楠组主要为互层的碳质板岩和浅变质砂岩, 而上覆的菜园头组为互层的浅变质砂岩和板岩(邵飞等, 2010)。白垩纪‒古近纪期间, 震旦纪‒寒武纪变质基底和印支期花岗岩上不整合了面积约16 km2、厚度大于360 m的丰州盆地(张万良和潘开明, 2011)。盆地内白垩纪砂砾岩主要由风化破碎的花岗岩碎屑以及浅变质砂岩杂基组成。区内岩浆岩则以印支期黑云母花岗岩为主, 其次为燕山期二长花岗岩(Min et al., 1999; 张万良等, 2018)。黑云母花岗岩作为铀矿的主要赋存围岩, 其全岩锆石U-Pb SHRIMP年龄为235.4±1.1 Ma(Min et al., 1999; 韩娟等, 2011)。

图2 鹿井铀矿田地质简图(a)及剖面示意图(b)(据张万良等, 2011修改)

区内构造发育广泛, 主要为NE向断裂以及NW向褶皱。通过对NE向断裂带内宏、微观构造观察分析, 前人发现断裂带内的构造角砾岩、碎裂岩以及长石、石英均具有机械破碎的特征, 表明浅表NE向断裂为脆性断裂(潘春蓉, 2017; 孙岳等, 2020)。该脆性断裂在矿田内的不同地区都有活化的形迹, 如印支期花岗岩中NE向断裂带内的右行压扭擦痕,沙坝子铀矿床NE向断裂带内多期穿切的石英脉,以及庙背垅铀矿床NE向断裂带内的右行压扭阶步(李先福等, 1999; 孙岳等, 2020)。孙岳等(2020)根据Win_Tensor构造应力反演, 揭示鹿井铀矿田NE断裂经历三期构造活化: 第1期具有挤压叶理的早期NW向挤压变形; 第2期形成放射状石英以及左行擦痕的中期NW向拉张变形; 第3期产生右行压扭的晚期NWW向挤压变形。

呈NW-SE向分布的牛尾岭、鹿井、黄蜂岭、高昔以及羊角脑等矿床明显受NE向断裂控制。牛尾岭矿床的矿体主要赋存在牛尾岭QF1断裂上盘标高480～250 m的印支期花岗岩中, 倾向SE, 倾角约55°; 地表出露的NE向断裂宽约数十米, 深部NE向断裂则切穿白垩纪盆地底部的印支期花岗岩(邵飞等, 2010; Xiao et al., 2020)。鹿井矿床NE向QF2-1、QF2-2断裂纵向延伸较深, 可达2.5 km, 单条断裂宽约数十米。矿床西部矿体主要赋存于印支期花岗岩, 而东部则主要赋存于震旦系‒寒武系的浅变质岩内(邵飞等, 2010; 张万良等, 2011)。三维地质模型观测结果显示, NE向断裂带上盘浅变质板岩中的铀矿体沿西南延伸逐渐向该断裂靠拢(黄龙, 2018)。黄蜂岭以及高昔的铀矿体主要赋存于QF2-3、QF2-4、QF2-5断裂上盘的印支期花岗岩中, 矿体产状较陡, 整体呈雁形排列的透镜状和团块状。石英硅化带和玉髓胶结角砾岩带作为羊角脑矿床NE向断裂的两种次级断裂带, 玉髓胶结角砾岩带在成矿前、中、后均发现有多期构造活化伴随的热液活动, 但目前矿体主要赋存于印支期花岗岩中的石英硅化带以及玉髓胶结角砾岩带内(潘春蓉, 2017)。

鹿井铀矿田沥青铀矿的矿体形成于早白垩纪‒古近纪(103～87 Ma, 48 Ma; Min et al., 1999; 韩娟等, 2011), 但高峰期集中于100～90 Ma以及60～50 Ma(邵飞等, 2010), 矿化具有多期叠加的特点。在长时间的热液活动期间, 中低温(169～236 ℃)、较高压(15.2～50.7 MPa)的成矿流体与围岩发生了强烈的水‒岩反应(潘春蓉, 2017; 罗森森, 2020; Sun et al., 2021), 形成了一系列与铀矿关系较为密切的萤石化、赤铁矿化、黄铁矿化以及硅化等围岩蚀变。

3 数值模拟原理和方法

3.1 数值模拟

FLAC3D(fast lagrangian analysis of continua)软件是一款多孔介质下, 单场或多场(应力场、流体场、热力场)耦合变形的三维(二维)数值模拟程序。该软件用材料物理性质的平均值表示几何模型所在笛卡尔坐标系中的各节点位置, 并运用有限差分法, 通过应力应变方程、达西定律、热传导方程等计算变形、流体流动和热量变化下非线性、大应变问题(Oliver et al., 2006; 李增华等, 2019)。

流固耦合是FLAC3D软件中变形和流体模块的组合。其中变形模块下摩尔‒库伦本构关系能够充分描述上地壳的岩石弹性和塑性的变形过程(Hobbs et al., 2000; McLellan et al., 2004)。流体模块则遵循达西定律, 即流体的流动过程受水头压力和渗透率的控制。在摩尔‒库伦本构关系中, 强应变导致孔隙压力的变化, 与之相应的流体水头压力也会发生改变, 而孔隙压力的变化会造成有效应力的变化, 并反作用于材料变形(Oliver et al., 1999; McLellan et al., 2004)。

FLAC3D 软件被广泛用于构造变形和流体运移的模拟, 如Li et al. (2018a)通过数值模拟, 揭示了阿萨巴斯卡盆地Sue铀矿田潜在的容矿空间主要受到含石墨基底岩石的流变性和变形程度影响; Liu et al. (2011)对青城子金矿床的构造流体模拟显示, 挤压构造活动下矿化流体的汇聚受岩性界面间的力学差异控制。华南花岗岩型热液铀矿床成矿时间明显滞后于构造发育与岩浆岩侵位的时间, 且受到岩石圈构造作用的影响强烈, 产生多期构造活化(Hu et al., 2008; 陈柏林等, 2022)。鹿井铀矿田内花岗岩型铀矿床形成与提供铀源的浅变质岩和花岗岩之间存在一定的时差, 铀矿体的形成受深部和浅部成矿流体运移的耦合影响。因此, 运用FLAC3D中的流固耦合模块建立含U流体和构造运动数值模拟模型, 以此揭示构造活化作用下, 影响成矿空间(扩容空间)形成的因素。

3.2 模型建立

研究区地质、地球化学和地质物理特征以及鹿井铀矿田内矿床的分布与NE向断裂关系密切(李先福等, 1999; 孙岳等, 2020)。为了充分揭示构造活化对矿体赋存空间的制约性, 以切穿NE向断裂和矿体分布的A-A′地质剖面(图2b)建立简化模型。依据A-A′剖面图中的岩性界限, 模型内共划分5个单元(4种岩性单元和1种断裂单元), 岩性单元中包括:代表印支期黑云母花岗岩的“花岗岩1”, 代表燕山期二长花岗岩的“花岗岩2”, 代表震旦纪‒寒武纪的含碳板岩和浅变质砂岩的“浅变质岩”, 以及代表白垩纪红层的“砂砾岩”。模型中各单元的界限参考A-A′剖面中标定的位置, 各断裂宽度均设定为200 m。根据鹿井矿床的锆石和磷灰石(U-Th)/He热力年代, 反演鹿井矿床晚白垩世至今剥蚀深度约为5 km(Sun et al., 2021), 为尽可能突出构造变形对矿体赋存空间的影响, 结合A-A′剖面图(图3), 仅展示深度为5.0～6.2 km的部分。因此, 简化模型长12 km、高1.2 km。

图3 鹿井铀矿田A-A′剖面地质简化模型

3.3 岩石参数

本研究基于摩尔‒库伦本构模型, 需要通过内聚力、体积模量、剪切模量、内聚力等物理特征描述岩石和断裂的基本性质。依据鹿井含铀花岗岩溶浸研究中实测的物理性质(李建红等, 2001), 同时结合研究区内黑云母花岗岩、二长花岗岩、浅变质岩、砂砾岩以及断层的岩性、结构、构造以及物理化学性质, 在总结前人模拟研究归纳的力学特征(Zhou et al., 2008; Ju and Yang, 2011; Zhu et al., 2014; Li et al., 2018a)基础上, 选取各岩石的力学参数, 详细见表1。总体而言, 断裂作为矿体空间定位的重要影响因素, 相较于花岗岩(黑云母花岗岩和二长花岗岩)、浅变质岩以及砂砾岩, 其物理特征中的渗透率、孔隙度和剪胀角最高, 体积模量、剪切模量、内聚力、抗张强度以及摩擦角均最弱。

表1 数值模拟岩石力学和流体参数

3.4 初始条件与边界条件

初始条件和边界条件作为控制数值模拟结果的关键因素, 需要对成矿前期的各项条件进行综合分析。依据前人对鹿井铀矿田内各矿床的流体包裹体研究和热力史模拟, 成矿期的流体温度约200 ℃(Min et al., 1999; Sun et al., 2021), 推测的成矿深度约为 5 km (Sun et al., 2021)。因此, 模型初始条件设定如下:

(1) 岩石渗透系数和流体相关参数设定: 根据FLAC3D数值模拟流体相关参数的要求, 需要计算岩石相应渗透系数, 即固有渗透率和流体黏度之比。参考前人数值模拟研究的流体参数, 将200 ℃下的流体动黏度设定为10−4Pa·s(李先福等, 1999)。流体密度仅考虑温度的影响, 并根据公式:=f(1−(−f))进行设定, 式中f为参照温度20 ℃,f为参照密度1000 kg/m3,为流体体胀系数1.29×10−3/℃(刘向冲, 2020)。岩石为完全饱和状态, 孔隙压力为静水压力体系。

(2) 模型边界设定: 模型底部边界仅可在水平方向产生位移(图4), 上部、左部以及右部边界均可在水平和垂直方向产生位移。

图4 模型初始条件和边界条件设定示意图

(3) 模型初始地应力平衡: 在施加构造应力前, 模型的初始地应力场仅由自重应力提供。由于模型并不包括上覆5 km的地层, 需要对模型顶界面施加5 km厚的岩石垂向压力(图4)。根据岩体自重应力计算公式:ini=r,r为上覆围岩的平均密度,为该点与水平面的高差, 可得ini为1.2×108N(图4)。地应力平衡后, 在模拟构造活化前, 移除地应力平衡过程中模型产生的体积应变增量、边界加载速度和节点位移, 恢复模型的未变形状态。

(4) 在模拟挤压或伸展构造活化条件前, 本研究设置了多组挤压或拉张的边界加载速度(ini)实验: 以10−8m/s、10−9m/s、10−10m/s以及10−11m/s拉张或挤压的边界加载速度进行模拟。通过模型边界的边界加载速度的约束, 在模型左右边界, 分别施加相同的挤压或拉张的边界加载速度, 讨论构造环境的影响。

(5) 模型运行过程时, 为了避免变形程度过大导致的模型某一单元破坏或变形计算过多导致的计算无法收敛中止等问题, 本次数值模拟中所有的模型均被拉张或压缩至模型总宽度的0.5%。

4 模型结果

4.1 不同边界加载速度体积应变模拟结果

不同边界加载速度的拉张体积应变分布结果见图5。尽管在边界加载速度为10−8m/s和10−9m/s的拉张条件下, 达到0.5%体积应变状态累计时间不同, 分别为8674年和8968年; 但其体积应变分布较为相似, 主要沿模型的左右边界垂直分布(图5a、b)。而在边界加载速度为10−10m/s和10−11m/s的拉张条件下, 达到0.5%体积应变状态累计时间差异较大, 分别为11910年和41332年; 模型体积应变分布的状态有很大不同, 其体积应变主要位于断裂以及断裂附近(图5c、d)。但两个模型同时也存在差异, 如边界加载速度为10−11m/s拉张条件下并未在QF5断裂内产生体积应变, 而在其他断裂附近产生体积应变的增强。

图5 不同边界加载速度下模型在拉伸0.5%体积应变时的模拟结果

4.2 不同应力方向体积应变模拟结果

边界加载速度为10−10m/s数值模拟结果显示: 挤压条件下, 达到0.5%体积应变状态累计时间为10693年; 模型的体积应变主要出现在各断层尖端, 最大体积应变主要出现在QF1断裂和QF2-3断裂上盘的花岗岩2以及QF2-1断裂和QF2-2断裂底部尖端(图6a)。在拉张条件下, 达到0.5%体积应变状态累计时间为11910年; 模型的体积应变分布较为复杂(图6b),总体分布在断裂内部及断裂上或下盘的岩石中, 最大体积应变位于QF5断裂与上覆砂砾岩的接触界面。尽管QF1断裂、QF2-1断裂至QF2-5断裂上、下盘岩石中出现不同形状、大小的体积应变, 体积应变的分布与已发现矿体位置对应较好。

5 讨 论

构造活化与构造存在紧密的联系。先存构造作为岩石中的薄弱位置, 在活化过程中能够优先产生形变(Sibson, 1992)。该形变可促使先存构造活化成为成矿流体运移的导矿构造、储矿构造或复合的导储构造。当构造作用强烈至先存构造附近围岩也产生扩容区时, 这些扩容空间可以成为流体的通道, 即导矿构造, 而扩容区在形成过程中与围岩之间出现的流体超压或流体欠压也能够为成矿流体运移提供一定的驱动力(Oliver et al., 2006; Chi et al., 2022)。因此, 扩容区的形成和分布与成矿流体的空间运移和成矿物质的富集存在重要联系(Zhang et al., 2008; Li et al., 2018b)。

矿体形成是在一定时间内成矿流体汇聚富集, 成矿物质沉淀于储矿构造内的产物。多数华南花岗岩型热液铀矿床/矿体的成矿时间晚于构造作用与岩浆作用, 且在矿体的形成过程中存在幕式构造作用(孙岳等, 2020; 陈柏林等, 2022)。在发育先存构造的条件下, 含铀成矿流体如何运移并沉积成矿, 需要总结归纳现有的导矿构造以及考虑对于铀成矿有利的储矿构造的基础上(陈柏林等, 2022), 也要对储矿构造的形成分布进行探究。因此, 通过模拟构造活化后的扩容区的空间分布位置, 在一定程度上, 是判断矿床/矿体分布空间的重要方法之一。

岩石的变形和断裂的产生具有一定的时空特征, 受加载速率影响, 岩石力学性质局部会发生改变(Qi et al., 2016), 而岩石的力学性质改变也会进一步影响扩容区的产生。前人通过岩石摩擦仿真实验, 揭示不同边界加载速度对于岩石破裂空间演化的关系(Xu et al., 2018)。因此, 可以通过运用数值模拟, 从扩容区产生的角度, 讨论边界加载速度是否对矿田矿床形成产生影响并对此加以约束。本次拉张模型的数值模拟结果显示, 较短的时间(约0.01 Ma; 边界加载速度为10−10m/s)可以形成与矿床分布较为一致的扩容区空间。白垩纪‒新近纪长期的拉张构造作用过程中, 较慢(≤10−10m/s)的变形速度可以保持成矿扩容区的形成, 为研究区内多期次流体运移提供成矿空间。而较快的变形速度则会造成局部的岩石黏度降低(Qi et al., 2016), 易在模型边部形成与各矿床的空间分布差异较大的扩容区(图5a、b)。

应力作为激活构造活化的重要条件, 其方向决定了岩体能否受力再破裂进而产生扩容区。结合前人对鹿井铀矿田构造期次的解译以及本次数值模拟结果, 成矿早期与成矿晚期主要发育挤压构造, 且挤压环境的扩容区主要分布在断裂的“尖端”以及燕山期花岗岩内(图6a)。依据地表的剥蚀情况, 剩余的扩容区位置较深且数量较少。结合当前铀矿床的空间分布, 不难发现挤压构造环境不足以支撑鹿井铀矿田内大规模致矿。与此对比, 拉张环境的扩容区分布与矿体空间位置较为吻合(图6b), 这也揭示NW向拉张构造环境对鹿井铀矿田内矿体分布具有重要意义。因此, NW向拉张构造环境是控制鹿井铀矿田内大规模铀矿体产生的重要因素。但值得注意的是, 模拟中QF4和QF5断裂并未产生扩容区, 这可能是由于受断裂上、下盘的岩性力学差异控制, 当岩石的上、下盘存在力学性质较弱的岩性时, 力学较弱的区域会优先产生扩容(Sibson, 1996; 李增华等, 2019)。

虽然数值模拟针对华南鹿井铀矿田构造活化对矿床空间分布控制进行了研究, 但忽略了岩石的横向差异性以及流体在断裂/扩容区中沉淀对空间愈合的影响。此外对矿田内各矿床较为细致的控制因素(岩性、多条断裂组合以及断裂带内各组分)揭示仍不清晰, 影响后续找矿工作。由于在华南花岗岩铀矿形成过程中, 成矿流体形成前, 浅部流体和深部流体混合能够作用的最大深度, 以及对围岩的影响范围尚未揭示(Hu et al., 2008; Chi et al., 2020, 2022), 因此后续的工作中需要进一步细化数值模拟的岩石力学参数的设定, 以及铀矿床形成的流体流动和扩容区的耦合数值模拟研究。

根据鹿井铀矿田地质特征, 区内存在大范围的岩浆岩和多个铀矿床。部分学者也提出了岩浆上涌形成的岩浆房烘烤(Chi et al., 2022)和放射性元素衰变生热(李建威和李紫金, 2000)对成矿流体运移产生的热作用; 也有部分学者认为岩浆冷却形成的热场对流体的热驱动作用时间较短、规模较小, 岩浆热场所驱动的成矿流体运移不能支撑成矿事件(张旗等, 2014; 刘向冲, 2020)。因此, 在以后的研究中, 还需要对花岗岩型铀矿床的热作用进行探究。

6 结 论

本文采用数值模拟方法研究了桃山‒诸广成矿带内鹿井铀矿田构造化对花岗岩型铀矿形成的控制作用, 得到以下认识:

NE向断裂是鹿井铀矿田内矿床分布的主要控制因素; NE断裂在拉伸构造背景下的活化更容易形成扩容区, 进而提高了岩石的渗透率, 为后期成矿流体的运移和汇聚提供通道和容矿场所, 而不同扩容区的发生位置最终控制了鹿井铀矿田内铀矿床的空间分布。

致谢:感谢两位审稿专家核工业北京地质研究院邱林飞高级工程师和中国地质科学院地质力学研究所刘向冲研究员提出的宝贵建议和修改意见。

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Numerical Simulation of Structural Reactivation of the Lujing Uranium Orefield in Central Zhuguangshan, South China

LIU Chuandong1, 2, LI Zenghua1, 2*, GUO Chunying3, DENG Teng1, 2, GUO Fusheng1, 2, XU Deru1, 2, WEI Xiaoyan1, 2, ZOU Yongqiang1, 2, GUO Shichao2

(1. State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang 330013, Jiangxi, China; 2. School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, Jiangxi, China; 3. Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China)

The Taoshan-Zhuguangshan metallogenic belt is an important area of granite-type uranium mineralization in South China. Tectonic reactivation played an important role in controlling the distribution of the hydrothermal uranium deposits in the belt. The Lujing orefield is located in the center of the Taoshan-Zhuguangshan metallogenic belt and controlled by the NE-trending faults. The ore bodies are mainly hosted in the Indonesian granites (the Niuweiling, Huangfengling, Gaoxi, and Yangjiaonao deposits) and Cambrian metamorphic rocks (the Lujing uranium deposit in the west). Previous studies have shown evidence of multi-stage tectonic activation, however, there is a lack of detailed research on how tectonic activation affects the occurrence of ore bodies and spatial distribution of the deposits. FLAC3D is used in this paper to explore the relationship between dilation formed by fault reactivation and spatial distribution of the deposits under different tectonic backgrounds. The simulation results show that the extensional tectonic movement from Cretaceous to Neogene may reactivate the pre-existed faults, and produce dilatation zone, which is beneficial to mineralization. The results show that the reactivation of the NE-trending pre-existed faults, under NW-trending extensional tectonic environment, is the major factor controlling the distribution of the deposits in the Lujing uranium orefield.

structural reactivation; structural control; numerical simulation; Lujing uranium orefield; granite-type uranium deposit

2021-11-29;

2022-06-12

国家自然科学基金项目(42172329、41972080)、江西省技术创新引导类计划项目(20212AEI91008)和中国铀业有限公司‒东华理工 大学核资源与环境国家重点实验室联合创新基金项目(NRE2021-08)联合资助。

刘传东(1997–), 男, 硕士研究生, 地质资源与地质工程专业。E-mail: 59515268@163.com

李增华(1983–), 男, 教授, 从事铀矿地质和成矿流体动力学研究。E-mail: lizenghua@ecut.edu.cn

P611.5

A

1001-1552(2023)06-1220-012

10.16539/j.ddgzyckx.2023.06.002