湖北省十堰地區(qū)鈾礦賦礦層地球化學(xué)特征

羅 勇, 孫漢勇, 胡新中, 張 戰(zhàn), 陳國(guó)榮

(湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊(duì),湖北 襄陽(yáng) 441002)

南秦嶺一套黑色巖系在早古生代陸緣裂谷封閉滯留還原環(huán)境下形成,該黑色巖系是南秦嶺地區(qū)鈾、釩、鉬等有關(guān)礦產(chǎn)的賦礦地層,是中國(guó)重要的碳硅泥巖型鈾礦成礦帶之一。十堰地區(qū)同期發(fā)育的黑色巖系雖已發(fā)現(xiàn)有眾多的鈾礦(床)點(diǎn),但未發(fā)現(xiàn)規(guī)模礦床,因此,對(duì)該區(qū)黑色巖系鈾礦的地球化學(xué)特征研究,能為下步黑色巖系中鈾礦的尋找提供找礦思路。

1 成礦地質(zhì)背景

秦嶺造山帶是在晚元古代—中三疊世經(jīng)歷由南向北俯沖碰撞,并由后造山期強(qiáng)烈的陸內(nèi)造山作用形成今日所見(jiàn)復(fù)雜面貌[1-2]。南秦嶺早古生代黑色巖系是由半深?！詈Ｏ喙栀|(zhì)巖類(lèi)、泥質(zhì)巖類(lèi)、碳酸鹽巖、含磷—碳硅泥質(zhì)巖以及發(fā)育的海底熱水沉積巖系組成。十堰地區(qū)處于秦嶺—大別造山帶,該帶在早古生代時(shí)期形成北、中、南三個(gè)黑色巖系帶[3],區(qū)域上黑色巖系含大量的有機(jī)質(zhì)和V、Ni、Mo、U、Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Pt、Cr、Y、Se及稀土等金屬元素,作為含煤巖系、(油)氣源巖巖系,多金屬礦層或礦源層,是潛在的礦床資源[4],也是中國(guó)重要的碳硅泥巖型鈾礦成礦帶之一。

十堰地區(qū)的黑色巖系地層形成于晉寧運(yùn)動(dòng)之后的早古生代。晉寧運(yùn)動(dòng)使揚(yáng)子板塊和華北板塊聯(lián)合構(gòu)成了中國(guó)古大陸,其后的伸展運(yùn)動(dòng)在揚(yáng)子板塊北緣形成了陸緣裂谷,寒武紀(jì)時(shí)期陸緣裂谷發(fā)展成淺海盆地逐漸演變成淺海陸棚,沉積以炭質(zhì)泥質(zhì)巖、炭質(zhì)硅質(zhì)巖和硅質(zhì)巖,夾少量石煤和微晶灰?guī)r,底部含少量膠磷礦或磷結(jié)核,并富含鈾、釩、鉬等多種元素,是區(qū)內(nèi)鈾礦礦源層形成的最重要時(shí)期。

2 礦床地質(zhì)特征

十堰地區(qū)鈾礦主要賦存于下寒武統(tǒng)莊子溝組內(nèi),多與釩、鉬礦共生。十堰地區(qū)共有鈾礦床(點(diǎn))24處,其中小型鈾礦床2處、礦點(diǎn)22處(圖1)。鈾礦床(點(diǎn))主要分布在竹山西北部,鄖西縣的西部和白河—將軍河—蒿坪一帶,竹溪及鄖縣—丹江口市地區(qū)較少。

鈾礦受一定層位控制,賦礦地層為下寒武統(tǒng)莊子組下段,即含角礫巖的薄層狀炭質(zhì)硅質(zhì)板巖(∈1z2)。礦化層一般為似層狀、條帶狀,產(chǎn)狀與圍巖一致,但與圍巖沒(méi)有明顯界線。

組成礦石的礦物成分有瀝青鈾礦、黃鐵礦、褐鐵礦等,脈石礦物主要有石英、絹云母、綠泥石,炭質(zhì)、方解石、磷灰石、石墨等。

礦石的化學(xué)成分與圍巖相似,表現(xiàn)為鈾與有機(jī)碳、氧化鐵、氧化鎂和五氧化二磷有密切聯(lián)系,體現(xiàn)繼承性特點(diǎn);但又存在著質(zhì)的差異,即各自的微量元素組合不同。礦石中富含Mo、Ag等,而圍巖中卻富含有機(jī)碳、P、V、Cu、Fe、Al等。

礦石化學(xué)成分以SiO2為主,約占整個(gè)巖石化學(xué)成分的92.17%(表1),除此外還含有鈾、釩、鉬、鎳、鉻和銅[1]。

礦石主要結(jié)構(gòu)有粒狀變晶結(jié)構(gòu)、鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)、粒狀鱗片變晶結(jié)構(gòu)、他形粒狀變晶結(jié)構(gòu)。

礦石主要構(gòu)造有片狀構(gòu)造、褶紋構(gòu)造、碎裂狀構(gòu)造、細(xì)脈浸染狀構(gòu)造。

圖1 十堰地區(qū)地形地質(zhì)圖Fig.1 Topographic map of Shiyan area1.鈾礦及鈾礦化點(diǎn)位置及編號(hào);2.含礦層位;3.地層代號(hào);4.產(chǎn)狀。

表1 礦石化學(xué)成分表Table 1 Chemical composition table of ore

分析項(xiàng)目SiO2Al2O2FeOMgOCaOTFeU含量/10-292．171．061．190．360．101．640．079分析項(xiàng)目V2O5NiCuCrMoSY含量/10-20．4280．0480．0740．090．0180．100．012

3 U元素異常特征

為分析區(qū)域地層中元素的相互關(guān)系及元素組合,利用5 126個(gè)水系沉積物數(shù)據(jù),進(jìn)行相關(guān)、聚類(lèi)和因子分析。通過(guò)相關(guān)分析解決元素間的親疏問(wèn)題、通過(guò)聚類(lèi)分析確定元素的組合關(guān)系、通過(guò)因子分析對(duì)地質(zhì)變量進(jìn)行降維簡(jiǎn)化,總結(jié)其地質(zhì)規(guī)律。結(jié)果證明寒武系下統(tǒng)莊子溝組黑色巖系具有高背景含量的鈾,形成了鈾的地球化學(xué)異常。

鈾元素異常主要分布于十堰地區(qū)的西南部,即竹山縣的得勝鋪、竹溪縣的中鋒鎮(zhèn)、豐溪—官渡與柳林之間,東延至房縣橋上。除此之外,鄖縣紅巖背和鄖西觀音鎮(zhèn)附近也有分布。與下寒武統(tǒng)地層的分布范圍一致。

4 巖石放射性特征

寒武系下統(tǒng)地層在區(qū)內(nèi)分布較廣,統(tǒng)計(jì)的巖石放射性特征值(γ)僅限于兩鄖斷裂與十堰斷裂之間的部分寒武系地層,見(jiàn)表2。

寒武系上統(tǒng)細(xì)晶灰?guī)r放射性強(qiáng)度較低,變化范圍不大,含放射性值均勻。中統(tǒng)的絹云千枚巖變化曲線為單峰值,伽瑪強(qiáng)度低,穩(wěn)定,巖石含放射元素均勻。下寒武統(tǒng)巖石伽瑪強(qiáng)度比較高,這反映放射性元素含量相對(duì)較高的特征,與鈾礦的形成有著直接關(guān)系。在白河幅、三岔幅1∶5萬(wàn)放射性測(cè)量中發(fā)現(xiàn)放射性異常(點(diǎn))16處,寒武系下統(tǒng)地層內(nèi)15處;鮑家店幅、門(mén)樓幅1∶5萬(wàn)放射性測(cè)量中發(fā)現(xiàn)放射性異常26處,有13處落于下寒武統(tǒng)地層內(nèi)。因此,寒武系下統(tǒng)莊子溝組是區(qū)內(nèi)寒武紀(jì)地層的主要放射源,間接指示為賦軸礦地層。

表2 寒武系巖石放射性特征表Table 2 Rock radioactivity characteristic table of Cambrian

注:上統(tǒng)、中統(tǒng)資料來(lái)源于上店子幅等1∶5萬(wàn)區(qū)調(diào)報(bào)告(1991),下統(tǒng)資料來(lái)源于鮑家店幅1∶5萬(wàn)區(qū)調(diào)報(bào)告(1987)。

5 地球化學(xué)特征

5.1 巖石地球化學(xué)特征

區(qū)內(nèi)含礦巖系總體為硅質(zhì)板巖、含碳硅質(zhì)板巖和炭質(zhì)板巖,進(jìn)一步劃分為薄層硅質(zhì)巖,含碳硅質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖、含磷結(jié)核炭質(zhì)板巖、中厚層硅質(zhì)巖等。其化學(xué)成分特點(diǎn)是:硅質(zhì)巖、含碳硅質(zhì)板巖富含SiO2,含量一般為81.60%～91.16%,而炭質(zhì)板巖較富集Al2O3、K2O、TiO2和Fe2O3,見(jiàn)表3。

依據(jù)Taylor等(1985)提出,沉積巖中的物質(zhì)來(lái)源以n(SiO2)/n(Al2O3)為3.6作判別標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)殛憵ぶ械膎(SiO2)/n(Al2O3)為3.6,接近此值者應(yīng)為陸源為主,超過(guò)此值者多由于生物或熱水作用的補(bǔ)充。該區(qū)的分析數(shù)據(jù)顯示n(SiO2)/n(Al2O3)比值為11.82～301.33,均>3.6,說(shuō)明沉積巖的物源有生物或熱水作用的補(bǔ)充。Marray(1990、1994)用n(Al2O3)/n(Al2O3+ Fe2O3)值來(lái)確定硅質(zhì)巖、頁(yè)巖等的沉積大地構(gòu)造環(huán)境。當(dāng)n(Al2O3)/n(Al2O3+Fe2O3)的比值為0.6～0.9時(shí),為大陸邊緣環(huán)境;當(dāng)比值為0.4～0.7時(shí),為遠(yuǎn)洋深海環(huán)境;當(dāng)比值為0.1～0.4時(shí),為洋脊環(huán)境。區(qū)內(nèi)的n(Al2O3)/n(Al2O3+Fe2O3)比值為0.49～0.93,均>0.4,其中硅質(zhì)板巖或含碳硅質(zhì)板巖比值在0.49～0.77之間,其余均接近于0.6～0.9。因此,可判別含礦巖系沉積環(huán)境為大陸邊緣環(huán)境,炭硅質(zhì)巖則接近深海環(huán)境。

表3 含礦巖性化學(xué)成分特征及特征值表Table 3 Eigenvalue table of characteristics of chemical composition of ore bearing lithology

5.2 元素地球化學(xué)特征

常用n(Al)/n(Al+Fe+Mn)的比值來(lái)確認(rèn)沉積巖的物質(zhì)來(lái)源,Jewell等人提出沉積巖主要來(lái)源于陸源時(shí),巖石中的n(Al)/n(Al+Fe+Mn)比值>0.5;沉積巖來(lái)源為有熱水加入時(shí),巖石中的n(Al)/n(Al+Fe+Mn)比值<0.35。研究區(qū)n(Al)/n(Al+Fe+Mn)的比值為0.31～0.87,平均0.58,說(shuō)明沉積巖的物質(zhì)來(lái)源為陸源和熱水物質(zhì)共同參與。

5.3 微量元素特征

十堰地區(qū)寒武系下統(tǒng)莊子溝組含礦巖系中微量元素及富集程度與典型地區(qū)對(duì)比基本相似。微量元素的富集程度與巖性有著密切的關(guān)系,莊子溝組不同的巖性其微量元素含量及富集程度不同(圖2)。白云巖中各微量元素含量最低,炭硅質(zhì)板巖所含微量元素最高；白云巖除Ag、Ba、Cd相對(duì)地殼富集外,其余微量元素都出現(xiàn)虧損；Co、Ga在所有巖性中皆虧損。其中Ba含量整體較高與該層普遍含有重晶石有關(guān)。

U含量有局部富集,玉皇頂鈾礦區(qū)U含量超過(guò)邊界品位,竹溪縣葛洞剖面和鄖西縣煤炭溝剖面U的含量均較高,前者含軸范圍為96.2×10-6～109×10-6,后者含鈾范圍為101×10-6～113×10-6。

圖2 不同巖性微量元素蛛網(wǎng)圖Fig.2 Spider diagram of trace elements of different lithology1.炭硅質(zhì)板巖;2.炭質(zhì)板巖;3.硅質(zhì)板巖;4.灰?guī)r(含重晶石);5.白云巖。

5.4 稀土元素特征

十堰地區(qū)含礦巖系中稀土總量低,ΣREE平均為92.73×10-6(不含Y),其中炭硅質(zhì)板巖ΣREE平均為135.50×10-6,炭質(zhì)板巖ΣREE平均為112.87×10-6,硅質(zhì)板巖ΣREE平均為62.46×10-6,含重晶石灰?guī)rΣREE平均為52.43×10-6,白云巖ΣREE平均為15.98×10-6。

稀土總量在炭硅質(zhì)板巖中含量最高,白云巖中最低。REE總量具有隨海水深度的增加而升高,因此,十堰地區(qū)炭硅質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖、含重晶石灰?guī)r和白云巖的沉積時(shí)的海水深度依次變淺(圖3)。

圖3 十堰地區(qū)稀土元素配分圖Fig.3 Partition diagram of rare earth element in Shiyan area1.全區(qū);2.炭硅質(zhì)板巖;3.炭質(zhì)板巖;4.硅質(zhì)板巖;5.灰?guī)r、含重晶石灰?guī)r;6.白云巖。

6 U成因分析

根據(jù)碳硅泥巖型鈾礦床的分類(lèi)方法，把十堰地區(qū)鈾礦床成因化歸為沉積型鈾礦，碳硅泥巖型亞類(lèi)。成巖之后的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是成礦過(guò)程中的主要?jiǎng)恿Γ沟寐癫卦谏畈康拟櫾磳由仙降乇硖?，同時(shí)又使得機(jī)械

性質(zhì)不同的巖層之間產(chǎn)生層間斷裂或其他破碎帶。于是，在風(fēng)化作用初期，相對(duì)較高的地方(如背斜軸部)首先遭受風(fēng)化作用，使鈾源層中的鈾很大一部分轉(zhuǎn)入地下水，順沿各種斷層，特別是向斜翼部的層間斷裂滲透，并在氧化還原過(guò)渡帶富集成礦和積聚，直至最后形成礦床。控礦因素主要是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不能孤立控礦，必須與一定的巖相和鈾源相結(jié)合。

7 結(jié)論

通過(guò)地球化學(xué)異常、巖石化學(xué)成分、稀土元素特征、微量元素特征、放射性元素特征的研究分析,可以得出以下結(jié)論:

(1) 寒武系下統(tǒng)莊子溝組是湖北省兩竹、兩鄖地區(qū)鈾礦的賦礦地層，其中莊子溝組中的炭硅質(zhì)巖石是鈾礦的主要載體。

(2) 含鈾載體層(炭硅質(zhì)巖石)微量元素、稀土元素較同組的其他巖類(lèi)含量高。

(3) 黑色巖系沉積環(huán)境處于大陸邊緣環(huán)境,炭硅質(zhì)巖則接近深海環(huán)境,沉積巖的物質(zhì)來(lái)源為陸源和熱水物質(zhì)共同參與。

(4) 鈾的控礦因素主要是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但構(gòu)造運(yùn)動(dòng)必須與一定的巖相和鈾源相結(jié)合。

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