姚宏鑫郭 濤朱隨洲施立虎儲(chǔ)照波李令斌陶 鑄李新年

1.中煤地生態(tài)環(huán)境科技有限公司,北京 100070;

2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081;

3.山東正元地質(zhì)資源勘查有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250101

0 引言

江西中部中生代陸相火山巖帶位于揚(yáng)子地臺(tái)江南臺(tái)隆與華南加里東褶皺系贛中南褶隆的結(jié)合處,贛-杭火山巖帶西南端與贛中南燕山期花崗巖帶的過渡地帶(李邦達(dá),1993)。江西相山火山巖型鈾礦田賦存于火山-侵入雜巖體中, 成礦過程受到斷裂帶控制,是熱液交代蝕變的產(chǎn)物(陳正樂等,2011)。然而,關(guān)于該礦田鈾的成礦物質(zhì)來源是否屬于同一成礦流體始終存在爭論。陳肇博(1982)曾提出“雙混合”模式,認(rèn)為成礦溶液中鈾的一個(gè)重要來源是遭受深熔作用的富鈾地層中的鈾轉(zhuǎn)入酸性巖漿和原生流體,另一個(gè)重要來源則是原生流體及其與大氣成因水混合后生成的熱液在上升和滲流過程中,從所經(jīng)過的富鈾地層和古老鈾礦床溶解出的鈾;杜樂天(2011)和毛景文等(2004)認(rèn)為熱液是由地幔流體轉(zhuǎn)化而來,鈾元素主要來源為富鈾火山巖本身和基底的變質(zhì)巖石;李子穎(2010)通過對(duì)我國華南熱液型鈾礦床的大量研究提出了“熱點(diǎn)”鈾礦流體來源觀點(diǎn);邱愛金等(1999)認(rèn)為鈾來自富鈾的深部基底變質(zhì)巖形成的深熔巖漿的充分演化釋放;李學(xué)禮等(1992)認(rèn)為鈾源自相山火山盆地水熱系統(tǒng);聶江濤等(2018)認(rèn)為鈾可能來源于巖漿熱液;范洪海等(2003)認(rèn)為相山鈾礦田的成礦熱液主要來源于地殼。

元素地球化學(xué)示蹤可為成礦物質(zhì)和含礦流體的來源提供重要證據(jù)(鐘福軍等,2019);微量元素特別是其中的稀土元素與各種地質(zhì)過程相聯(lián)系,在物質(zhì)物理-化學(xué)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變和質(zhì)量遷移中起作用(周國興等,2014)。基于此,選擇相山鈾礦田鄒家山礦床和沙洲礦床兩個(gè)典型礦床開展了礦石和蝕變圍巖常量、微量元素分析,并通過對(duì)比,研究礦床的垂向礦化蝕變規(guī)律,以揭示成礦流體來源。

1 區(qū)域地質(zhì)

相山鈾礦田位于江西省中部腹地的撫州市樂安縣境內(nèi),礦田地處相山塌陷式火山盆地中(陳貴華和陳名佐,1999),盆地在平面上呈橢圓形,東西長度約為20 km,南北寬度約為14 km,面積約318 km2。相山盆地大體上含有3層結(jié)構(gòu):基底地層為震旦系,其上部為下石炭統(tǒng)和上三疊統(tǒng);蓋層地層主要由上侏羅統(tǒng)火山巖組成;此外盆地北西側(cè)的火山巖上部被上白堊統(tǒng)紅層覆蓋。盆地內(nèi)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)礦床24個(gè),所有礦床的鈾礦化均受基底構(gòu)造、蓋層構(gòu)造和火山構(gòu)造的聯(lián)合控制(陳柏林,2020)。相山地區(qū)既屬于揚(yáng)子板塊和華南板塊兩個(gè)構(gòu)造單元的交匯部位,同時(shí)又屬于總體呈北東向展布的贛-杭火山巖鈾成礦帶與北東向展布的大王山-于山花崗巖鈾成礦帶的疊加部位,是深大斷裂構(gòu)造活動(dòng)帶與火山-巖漿活動(dòng)帶交匯的特殊地帶,這造就了相山鈾礦田形成的獨(dú)特區(qū)域地質(zhì)環(huán)境。相山盆地蓋層是以北東向斷裂帶為主導(dǎo)構(gòu)造的,北西向斷裂帶為次要構(gòu)造,兩者與火山構(gòu)造(包括火山塌陷構(gòu)造)共同組成環(huán)狀交織的構(gòu)造格局。陳柏林(2020)認(rèn)為相山斷裂構(gòu)造控制熱液型脈狀鈾礦床,含礦(賦礦)構(gòu)造幾乎全部屬于小規(guī)模的次級(jí)斷裂和裂隙;斷裂構(gòu)造是成礦流體和熱液的上升通道,并運(yùn)移至小斷裂帶與構(gòu)造裂隙帶里富集(焦養(yǎng)泉等,2007;陳柏林,2020),產(chǎn)生大規(guī)模的鈾成礦作用,形成相山鈾礦田。

2 礦床地質(zhì)

相山鈾礦田內(nèi)目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的礦床主要分布在北部成礦區(qū)和西部成礦區(qū),其中西部成礦區(qū)以鄒家山礦床為代表,北部成礦區(qū)以沙洲礦床為代表(圖1)。鄒家山礦床的成礦作用主要受北東向的鄒家山-石洞斷裂帶及其派生的一系列裂隙群(帶)控制(魏祥榮等,2006)。鄒家山礦床內(nèi)地層出露較簡單,基底主要是震旦系云母石英片巖,部分為下石炭統(tǒng)和上三疊統(tǒng);蓋層為出露地表的侏羅系打鼓頂組粉砂巖、砂礫巖和流紋英安巖,鵝湖嶺組凝灰?guī)r和碎斑熔巖。流紋英安巖(圖2a)和碎斑熔巖(圖2b)是主要的賦礦巖。該礦床由多條礦脈組成,產(chǎn)狀總體趨于穩(wěn)定,大多數(shù)呈群脈狀平行產(chǎn)出,礦化集中于礦田火山塌陷巖層中變陡位置兩側(cè)的斷裂、裂隙和沿碎斑熔巖底板接觸帶中,垂幅最大可達(dá)約 800 m,平均品位 0.676%。礦石中礦物組分主要為鈾礦物和釷礦物,礦石類型主要為瀝青鈾礦、含釷瀝青鈾礦、鈦鈾礦、鈾石、鈾釷石、方釷石和磷釷石,以瀝青鈾礦和鈦鈾礦為主。脈石中所含礦物包括石英、螢石、方解石、水云母、綠泥石和磷灰石等。沙洲礦床位于相山盆地北部, 其成礦也受斷裂構(gòu)造控制(陳躍輝和李建紅,1995)。沙洲礦床內(nèi)出露地層均為南華系—震旦系淺變質(zhì)巖(黃錫強(qiáng)等,2008)。鈾礦化主要產(chǎn)于礦床內(nèi)大面積出露的花崗斑巖中(圖2c),礦石呈肉紅色和灰白色,具似斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,所含礦物主要為長石、石英和黑云母。礦床內(nèi)構(gòu)造十分發(fā)育,成礦受平行斷裂帶控制。

圖1 相山盆地火山構(gòu)造簡圖(據(jù)溫志堅(jiān)等,1999;聶江濤,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

相山鈾礦田的熱液蝕變經(jīng)歷了堿性→酸性→堿性的變化過程(周文斌等,1997)。前期的堿性蝕變中鈾被吸附而預(yù)富集,這一成礦階段稱作赤鐵礦化階段,成礦年齡為 115±0.6 Ma(范洪海等,2003)。圍巖在蝕變作用下,物理性質(zhì)發(fā)生了變化,表現(xiàn)為抗壓降低、孔隙度增加以及滲透性增強(qiáng)。在之后的酸性熱液蝕變過程中,鈾從絡(luò)合物中還原出來,這一成礦階段稱作螢石化階段,成礦年齡為 99±6 Ma(章邦桐等,1990)。鄒家山礦床中常出現(xiàn)的蝕變類型主要為:堿交代、紅化、赤鐵礦化、絹云母化(圖2d)和水云母化(圖2e)等,礦石以鈾-螢石型(圖2f)、鈾-硫化物型和鈾-赤鐵礦型為主。沙洲礦床中常見的蝕變類型有:紅化、堿交代、綠泥石化、螢石化、黃鐵礦化(圖2g)和碳酸鹽化等,礦石以鈾-赤鐵礦型(圖2h)和鈾-綠泥石型為主(姚宏鑫等,2013; 劉斌等,2019)。

圖2 鄒家山礦床和沙洲礦床蝕變巖類型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 樣品來源與分析結(jié)果

選擇鄒家山礦床和沙洲礦床有代表性的賦礦圍巖、蝕變賦礦圍巖和礦石樣品18件,包括花崗斑巖(沙洲礦床)、碎斑熔巖(鄒家山礦床)和流紋英安巖(鄒家山礦床)三種巖性(表1)。其中,XS代表沙洲樣品,XZ代表鄒家山樣品。所取兩個(gè)礦床的樣品多呈灰黑色,鈾礦物主要為瀝青鈾礦和鈦鈾礦,鈦鈾礦多與瀝青鈾礦共生,并伴有少量的釷鈾石和鈾石等,鈾礦物常與黃鐵礦、磷灰石和螢石密切共生。

表1 樣品來源及性質(zhì)簡述Table 1 Location and brief lithological description of the samples

常量、微量元素由澳實(shí)礦物實(shí)驗(yàn)室(廣州)分析測(cè)試,采用X熒光光譜測(cè)試方法,使用能量型X射線熒光光譜儀EDXRF進(jìn)行全巖分析,檢測(cè)范圍:0.01%～100%,分析結(jié)果分別見表2和表3。

表2 鄒家山礦床和沙洲礦床不同標(biāo)高樣品常量元素表(%)Table 2 Major elements of samples at different elevations in the Zoujiashan and Shazhou deposits (%)

表3 鄒家山礦床和沙洲礦床不同標(biāo)高樣品微量元素表(×10-6)Table 3 Trace elements of the samples at different elevations in the Zoujiashan and Shazhou deposits (×10-6)

通過對(duì)樣品中常量、微量元素進(jìn)行趨勢(shì)變化分析、相關(guān)分析、Q型聚類分析和正交因子載荷關(guān)系分析,推斷研究區(qū)內(nèi)礦床的蝕變過程和成礦熱液來源。在10類常量元素中,SiO2含量最高,其中圍巖中SiO2含量明顯高于礦石中的含量,SiO2與CaO呈明顯的負(fù)相關(guān);在18類微量元素中,U、V、Th呈明顯正相關(guān)關(guān)系,礦石中U含量明顯高于其他微量元素。

4 元素含量變化特征

4.1 常量元素變化與蝕變比較

選擇鄒家山礦床和沙洲礦床的礦石樣品,分析兩個(gè)礦床礦石隨深度增加Fe2O3、MgO、P2O5和CaO含量的變化趨勢(shì)(圖3)。圖3可見,鄒家山礦床的樣品自-85 m處隨深度的增加Fe2O3、MgO和P2O5含量整體隨之呈增加的趨勢(shì),此趨勢(shì)表明,在鄒家山礦床隨深度增加蝕變巖的赤鐵礦化、綠泥石化和磷灰石化增強(qiáng);在-85 m處CaO的含量最高,隨深度增加則明顯降低,CaO含量與礦床內(nèi)螢石化的發(fā)育強(qiáng)度有關(guān),說明-85 m處螢石化是最為發(fā)育的,酸性蝕變最強(qiáng)烈,隨深度增加堿交代逐漸增強(qiáng)。沙洲礦床的樣品自-8 m處隨深度增加Fe2O3、P2O5的含量整體隨之表現(xiàn)為下降趨勢(shì),這表明,沙洲礦床隨深度增加蝕變巖的赤鐵礦化、磷灰石化程度減弱,因此堿交代作用呈減弱趨勢(shì);在-98 m處,CaO含量最高,說明此處酸性蝕變作用達(dá)到最強(qiáng)。

圖3 鄒家山礦床和沙洲礦床礦石隨深度增加Fe2O3、MgO、P2O5、CaO變化圖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

鄒家山礦床樣品K2O含量趨勢(shì)為先增高后減弱,Na2O含量趨勢(shì)為增高,但Na2O含量一直低于K2O,說明在-85 m處水云母化是最發(fā)育的,即氫交代作用在此處達(dá)到最強(qiáng),隨深度增加堿金屬陽離子交代作用表現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢(shì);沙洲礦床礦石的Na2O平均含量高于K2O,說明氫交代強(qiáng)于堿金屬陽離子交代。

這些常量元素變化的現(xiàn)象表明了兩個(gè)礦床垂向蝕變分帶明顯,隨深度增加CaO的不同變化趨勢(shì)表明兩個(gè)礦床垂向蝕變變化規(guī)律不同:鄒家山礦床-85 m至-210 m垂向蝕變螢石化程度逐漸減弱,堿金屬陽離子交代強(qiáng)于沙洲礦床,即堿金屬陽離子交代有增強(qiáng)的趨勢(shì);沙洲礦床-8 m至-98 m垂向蝕變螢石化逐漸增強(qiáng),是隨深度增加堿金屬陽離子交代減弱的趨勢(shì),即氫交代增強(qiáng)的趨勢(shì)。鄒家山礦床中的礦石為成礦早期形成的堿性鈉交代型鈾礦化,礦巖時(shí)差小;沙洲礦床中的礦石為成礦晚期形成的酸性螢石-水云母型鈾礦化,礦巖時(shí)差較大。在空間分布上,堿性鈾礦化主要賦存于相山礦田西北部花崗斑巖及其內(nèi)-外接觸帶中;酸性鈾礦化主要賦存于相山礦田西部火山巖中的各級(jí)構(gòu)造及其復(fù)合部位。

張學(xué)權(quán)等(1982)研究了相山礦田熱液作用的地球化學(xué)演化過程,依據(jù)部分包體成分和礦物組合分析得出堿交代階段的特征是:堿性熱液初始成分中,陽離子組成中富含Na+,而貧K+,Na+/K+比值大于等于19,還含有一些Ca2+等,陰離子組成中主要為HCO3-和CO32-,缺少Cl-和等強(qiáng)酸根離子;酸性交代特征是:Na+含量很低,K+含量也不高,Ca2+含量較高。周文斌等(1997)對(duì)相山鈾礦田成礦作用進(jìn)行地球化學(xué)模擬也證實(shí)了化學(xué)反應(yīng)有此特征。此次對(duì)研究區(qū)“酸”“堿”蝕變特征的研究進(jìn)一步佐證了上述研究成果。

4.2 微量元素特征分析

4.2.1 微量元素相關(guān)關(guān)系

首先將原始數(shù)據(jù)(表3)標(biāo)準(zhǔn)化,使各變量有相對(duì)統(tǒng)一的水平,但不改變兩個(gè)變量在變化后的相關(guān)程度,即將坐標(biāo)原點(diǎn)移到了重心位置,補(bǔ)充樣品5個(gè),臨界相關(guān)系數(shù)為1,從而得到標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)矩陣。然后通過回歸分析得出不同變量之間的相關(guān)系數(shù)矩陣(表4)。從中可以看出,U與Th、Pb、Sr、Zr、Y、Mo、Zn和Tl具有較高的相關(guān)系數(shù),Mo、Sr、Th元素與U元素具有較高的相關(guān)性,說明這些元素是與鈾礦化和蝕變關(guān)系最為密切的元素;而與其他元素相關(guān)系數(shù)不大或呈負(fù)相關(guān),說明這些元素在U富集的同時(shí)未被富集或在交代反應(yīng)中被置換掉。根據(jù)親石元素相容性的順序和表4中各元素相關(guān)系數(shù)可以將相山火山巖系的微量元素大致分為三組:①U、Rb、Ta、Sm、Nb元素相容性極弱;②Sr、Mo、Th、Zr元素相容性中等;③V、La元素相容性強(qiáng)。

表4 成礦微量元素相關(guān)系數(shù)矩陣Table 4 Correlation coefficient matrix of trace elements

4.2.2 Q型聚類分析

以U、Th、Pb、Rb、Sr、Ba、Zr、Y、Mo、Zn和Tl元素為指標(biāo)對(duì)鄒家山礦床和沙洲礦床的樣品進(jìn)行了Q型聚類分析(圖4)。從圖4可以看出,圍巖聚為一類,蝕變巖和礦石聚為一類,并且圍巖與蝕變巖和礦石之間關(guān)系較遠(yuǎn)。

圖4 鄒家山礦床和沙洲礦床樣品Q型聚類分析圖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 正交因子載荷關(guān)系

對(duì)于微量元素相關(guān)系數(shù)矩陣,由于變量數(shù)目大于獨(dú)立條件,因而因子解具有不確定性。所以初始因子載荷不能以最少因子反映變量的特征,必須對(duì)因子加以旋轉(zhuǎn),進(jìn)行正交因子方差極大法旋轉(zhuǎn)分析。計(jì)算過程中前4個(gè)因子的累計(jì)方差貢獻(xiàn)已達(dá)90.66%,因此公因子選擇前4個(gè)因子。這4個(gè)公因子方差基本上已經(jīng)代表了原始變量的信息特征,從而通過數(shù)據(jù)分析得到了礦化區(qū)域微量元素的正交因子載荷矩陣(表5)。第一因子主載荷元素包括Nb、Rb、Sm、Ta、Y、(Ga、Th),為非成礦因子;第二因子主載荷元素包括U、Zr、Cu、Pb、Zn,為指示因子;第三因子主載荷元素包括Mo、Sr、Th、Tl、U,這些元素具有正相關(guān)關(guān)系,屬疊加成礦因子;第四因子主載荷元素包括V、La、Ba,為主成礦因子。

表5 正交因子載荷矩陣圖Table 5 Loaing matrix of orthogonal factors

5 成礦熱液來源分析

鄒家山礦床和沙洲礦床礦石中的元素種類和含量表明成礦作用中的高氟、高溫、高壓和高濃度的特點(diǎn),這個(gè)特點(diǎn)反映了成礦物質(zhì)是深源的。鄒家山和沙洲兩個(gè)礦床在相同深度的蝕變礦物組合含量的不同,是由于兩個(gè)礦床不同的構(gòu)造演化形成的,鄒家山礦床成礦深度320～1640 m,剝蝕厚度320～416 m;沙洲礦床成礦深度38～1425 m,剝蝕厚度190～240 m(王蕾,2011)。表現(xiàn)為鄒家山礦床淺部出露的礦體以堿性蝕變?yōu)橹?沙洲礦床淺部出露的礦體以酸性蝕變?yōu)橹?。但兩個(gè)礦床的蝕變和礦化巖石具有相似的地球化學(xué)特征,具有相類似的礦石元素組合類型,礦物組成具有相似性等,這些特征表明,形成鄒家山礦床和沙洲礦床的成礦流體應(yīng)是同一深部熱液流體。

微量元素的相關(guān)分析與Q型聚類分析結(jié)果是,Th、Sr、Mo、Tl、U、V、La、Ba是成礦密切元素,以這些元素為指標(biāo)可將圍巖與蝕變巖和礦石分為相距較遠(yuǎn)的兩大類。這說明,成礦元素與圍巖無關(guān),成礦熱液是深部流體。礦石中元素Th、Sr、Tl的富集,特別是Mo的富集,不僅說明了相山礦田經(jīng)歷了多期次、復(fù)雜的水巖反應(yīng),更說明了成礦作用是巖漿期后的產(chǎn)物(賴樹欽等,2008;田明明等,2020)。微量元素的因子數(shù)據(jù)分析成為了證明研究區(qū)成礦物質(zhì)來源于區(qū)域富鈾層位——早寒武世地層的重要證據(jù)。由巖石微量元素分類組合特征(邵飛等,2009), 并將其與礦石微量元素對(duì)比可見,流紋英安巖(U、Mo、Zn、Sn、Be和Ni分類組合)與礦石有極強(qiáng)的相關(guān)性。可見, 流紋英安巖的巖漿溶液很可能提供了成礦物質(zhì)來源,加之在巖漿期后,流體巖石之間發(fā)生相互作用,這使得巖石中的一部分U進(jìn)入到了成礦溶液, 但是,這部分U屬于火山盆地-成礦物質(zhì)匯區(qū)內(nèi)的成礦物質(zhì)再遷移、再分配, 這部分U可能不是主要的物質(zhì)來源 (劉林和芮會(huì)超,2016;劉貴,2020)。

6 結(jié)論

(1)常量元素變化趨勢(shì)說明,相山礦田內(nèi)礦床的蝕變垂向分帶明顯,鄒家山礦床淺部出露的蝕變巖以“堿性”蝕變?yōu)橹?沙洲礦床出露的蝕變巖以“酸性”蝕變?yōu)橹?證實(shí)了相山礦田蝕變具有“北酸西堿”的特征。

(2)微量元素相關(guān)分析、Q型聚類分析及正交因子載荷關(guān)系分析說明,V、La、Ba為重要成礦因子,Mo、Sr、Th、Tl、U為成礦指示因子,樣品中元素特征表明相山礦田鄒家山與沙洲礦床成礦熱液來源與圍巖無關(guān),而是同一深部熱液流體。

(3)對(duì)比巖石微量元素分類組合發(fā)現(xiàn),流紋英安巖的巖漿溶液很可能是主要的成礦物質(zhì)來源。巖漿期后流體巖石相互作用下進(jìn)入到礦溶液的部分U很可能不是主要的物質(zhì)來源。