澳大利亞奧林匹克壩礦床鈾成礦地質(zhì)特征

徐翅翔， 林子瑜， 聶逢君， 余 倩

(東華理工大學(xué)， 南昌 330000)

澳大利亞是世界上著名的三大產(chǎn)鈾國(guó)之一，其探明鈾資源量位據(jù)世界首位；元古宙不整合面型、多金屬鐵氧化物角礫雜巖型(IOCG)、砂巖型、表生型(鈣結(jié)巖型)鈾礦是其四大主要鈾礦類型。通過(guò)IAEA世界鈾礦床分布數(shù)據(jù)庫(kù)(UDEPO)系統(tǒng)、澳大利亞政府統(tǒng)計(jì)局礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量數(shù)據(jù)庫(kù)(OZMIN)、澳大利亞各州政府礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)庫(kù)、美國(guó)地調(diào)局礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)系統(tǒng)(MRDS)，以及一些重要的上市礦業(yè)公司年報(bào)，檢索統(tǒng)計(jì)到澳大利亞鈾資源量為321.7萬(wàn)tU，其中IOCG型鈾礦資源量242.0萬(wàn)tU，占75.22%，主要分布于南澳州(1)聶逢君、林子瑜、黃美化、徐翅翔、余倩、占莎莎. 澳洲南- 東南亞鈾資源時(shí)空分布及典型礦床特征研究(內(nèi)部資料)，2019。。奧林匹克壩(Olympic Dam)是世界上最重要的銅、金、銀和鈾礦床之一，屬于IOCG礦床類型。該礦床不僅是世界前三大銅礦之一，也是世界上已知最大的鈾礦床。根據(jù)BHP公司(BHP Billiton Plc)2019財(cái)年年報(bào)(2)BHP公司年報(bào)2019(https:∥www.bhp.com/investor-centre/annual-report-2018)。，其主要金屬資源儲(chǔ)量：Cu 79 448 000 t，品位為1.433%；U3O82 560 560 t，品位為0.024%(折合2 171 359 t，U品位為0.020%)；Au 3 414 t，品位為0.543 g/t；Ag 12 916 t，品位為2.391 g/t。

本文基于一系列相關(guān)地質(zhì)研究報(bào)告與論文文獻(xiàn)綜合研究而成，以期為國(guó)內(nèi)礦業(yè)企業(yè)及地勘單位合理部署澳洲鈾礦勘查與開(kāi)發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

奧林匹克壩和后來(lái)發(fā)現(xiàn)的卡拉帕蒂娜(Carrapateena)IOCG型鈾多金屬礦床位于南澳州髙勒地盾北—東部邊緣奧林匹克壩銅金成礦省，這里擁有著名的普羅明特丘(Prominent Hill)礦山、奧林匹克壩礦山和莫塔·瓦拉羅(Moonta-Wallaroo)歷史礦區(qū)。髙勒地盾由中太古代至中元古代變形變質(zhì)的沉積巖、火山巖和深成巖組成，并被細(xì)分為一系列地質(zhì)域，奧林匹克壩和卡拉帕蒂娜礦床產(chǎn)于奧林匹克地質(zhì)域。髙勒地盾IOCG型礦化與中元古代赫爾塔巴(Hiltaba)巖套和髙勒區(qū)(Gawler Range)火山巖巖漿作用有關(guān)，礦化賦存于多寧頓(Donington)花崗巖套中，上部覆蓋著數(shù)百米厚的斯圖爾特陸架(Stuart Shelf)新元古代沉積物(圖1)。D.L.Huston等[1](2011)對(duì)髙勒地質(zhì)省區(qū)域地質(zhì)背景與演化做了詳細(xì)綜述。

1)南澳大利亞已知最古老的巖石是中太古代(3 150 Ma)花崗質(zhì)片麻巖，僅在靠近高勒地質(zhì)省東部邊緣的斯賓塞域(Spencer Domain)北部約1 500 km2的相對(duì)局限區(qū)內(nèi)被發(fā)現(xiàn)[3]。

2)克拉通北部和南部在2 550～2 480 Ma沉積了表殼巖組合，包括碎屑和化學(xué)沉積巖以及火山巖。它們?cè)诩s2 470～2 410 Ma之間的斯萊福德造山(Sleafordian Orogeny)作用中發(fā)生了不同程度的變質(zhì)作用，許多已達(dá)到麻粒巖相。髙勒地質(zhì)省北部的這些新太古代至古元古代早期的巖石被稱為穆?tīng)柤有岭s巖(Mulgathing Complex)，而南部的類似老巖石被稱為斯萊福德雜巖(Sleaford Complex)。這兩個(gè)雜巖在地表被廣泛分布的、基本平坦的髙勒區(qū)火山巖(約1 590 Ma)和古元古代晚期圣彼得巖套(St Peter Suite，約1 620 Ma)火成巖分開(kāi)，但兩者在深部可能是連續(xù)的并形成了一個(gè)弧形基底，在其上則沉積了古元古代沉積物。

圖1 髙勒克拉通及其鄰近地質(zhì)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖[2]Fig.1 Simplified geological map of the Gawler craton and adjacent geological domains[2]

3)2 000～1 700 Ma之間的晚古元古代是髙勒地質(zhì)省大部分地區(qū)廣泛沉積時(shí)期，不時(shí)出現(xiàn)巖漿活動(dòng)、變形和變質(zhì)作用。在克拉通東部邊緣，哈奇森(Hutchison)巖群被解釋為在2 000～1 850 Ma之間沉積，其環(huán)境可能為被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境[4]。然而，最近對(duì)哈奇森巖群進(jìn)行了廣泛的修訂[5]，細(xì)分為晚太古代米德巴克(Middleback)巖群和1 865 Ma的達(dá)克皮克(Darke Peak)巖群、1 780～1 730 Ma克里夫(Cleve)兩個(gè)古元古代巖群。沿髙勒地質(zhì)省東部邊緣，達(dá)克皮克群和克利夫群的沉積巖被廣泛的花崗質(zhì)深成巖體侵入(約1 850 Ma)而分離，統(tǒng)稱為多寧頓(Donington)巖套[6]。

4)髙勒地質(zhì)省1 780～1 730 Ma的沉積作用似乎已被金邦(Kimban)造山運(yùn)動(dòng)終止，金邦造山運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上跨越1 730～1 690 Ma，是克拉通大部分地區(qū)高級(jí)變質(zhì)作用的原因。在髙勒地質(zhì)省南部，斯萊福德雜巖在金邦造山運(yùn)動(dòng)期間被廣泛改造[7]，米塔利(Miltalie)片麻巖和和哈奇森(Hutchison)巖群被緊密褶皺和變質(zhì)。在高勒地質(zhì)省北部穆?tīng)柤有岭s巖相對(duì)有限的熱變形改造與金邦造山作用有關(guān)，但高級(jí)變質(zhì)作用和變形發(fā)生在卡拉利(Karari)剪切帶北部的納瓦(Nawa)域[8]和福勒(Fowler)域[9]。在卡林加拉(Kalinjara)糜棱巖帶以西的髙勒地質(zhì)省南部和克拉通中、北部(包括約1 690 Ma的Tunkillia巖套)，顯著的巖漿作用也與金邦造山作用有關(guān)[10]。

5)金邦造山運(yùn)動(dòng)之后，約1 660 Ma的塔爾庫(kù)拉(Tarcoola)組沉積發(fā)生在克拉通中部[11]。

6)古元古代晚期到中元古代早期是高勒地質(zhì)省巖漿活動(dòng)非常廣泛的時(shí)期。該階段的巖漿作用始于約1 630～1 610 Ma，克拉通西南部圣彼得花崗巖巖套侵入，并伴隨著同期火山作用。廣泛的髙勒火山巖(1 595～1 590 Ma)和1 595～1 575 Ma持續(xù)侵入的希爾塔巴(Hiltaba)花崗巖套緊隨其后。高勒地質(zhì)省所有已知礦床和遠(yuǎn)景區(qū)似乎都形成于1 590～1 580 Ma之后(或準(zhǔn)同步)，與希爾塔巴巖套和髙勒火山巖的巖漿作用以及相關(guān)的熱液蝕變作用同步[12]。

在希爾塔巴巖套花崗巖侵入大致同時(shí)，高勒地質(zhì)省北部，包括伍茲山(Mt Woods)域、庫(kù)伯佩迪(Coober Pedy)山嶺和梅貝爾溪(Mabel Creek)山嶺地區(qū)，在中到深地殼層次上也經(jīng)歷了高級(jí)變質(zhì)作用[4,13]。約1 595～1 570 Ma的巖漿作用和/或變質(zhì)作用反映了髙勒地質(zhì)省大部分地區(qū)的最后一次構(gòu)造熱事件。

7)在克拉通東部，相對(duì)平坦的潘杜拉組砂巖(Pandurra Formation)覆蓋著髙勒區(qū)火山巖，阿德萊德裂谷雜巖(Adelaide Rift)構(gòu)成新元古代沉積物基底。Fanning(1983)等[14]曾報(bào)告了潘杜拉組最小沉積年齡(Rb-Sr)為(1 424±51)Ma。

2 鈾成礦地質(zhì)特征

Tania Wilson[15](2012)在《Uranium and uranium mineral systems in South Australia》中對(duì)奧林匹克壩礦床鈾成礦地質(zhì)特征做了詳細(xì)綜述。

奧林匹克壩礦床位于髙勒地盾東緣奧林匹克地質(zhì)域內(nèi)，不整合覆蓋著厚約300 m的新元古代- 寒武紀(jì)斯圖爾特陸架(Stuart shelf)產(chǎn)狀平緩的沉積巖(圖1)。該地質(zhì)省基底巖石與古元古代哈奇森巖群變質(zhì)沉積物和林肯(Lincoln)雜巖的變形花崗巖有關(guān)，隨后出現(xiàn)中元古代希爾塔巴花崗巖巖套類侵入，基底單元被同時(shí)代髙勒雙峰式火山巖單元覆蓋[16]。

礦床賦存在一個(gè)大型熱液角礫巖體中，稱為奧林匹克壩角礫雜巖(ODBC)[17]，該角礫雜巖產(chǎn)于羅克斯比丘陵(Roxby Downs)花崗巖中。該花崗巖是希爾塔巴巖套巖基的一部分，后者非正式地稱為勃艮第(Burgoyne)巖基，面積約50 km×35 km。巖基成分為正長(zhǎng)花崗巖到石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖不等，大致分為兩個(gè)子巖套，東部為白壩(White Dam)子巖套，西部為維爾達(dá)(Wirrda)子巖套[18]。羅克斯比花崗巖是維爾達(dá)子巖套的一員[19]。羅克斯比花崗巖和勃艮第巖基內(nèi)其他深成巖體的侵入年齡受U-Pb鋯石年齡(1 598±2至1 588±4 Ma)約束[20-21]。羅克斯比花崗巖為粉紅色到紅色、未經(jīng)受變形、未變質(zhì)、粗中粒、石英含量低的正長(zhǎng)花崗巖，具有A型花崗巖特征[18]。

奧林匹克壩礦床位于主體N-NW走向的G2和W-NW走向的G9C重力線性構(gòu)造交匯處，與斯圖爾特陸架上眾多磁- 重復(fù)合異常之一有關(guān)[22]。對(duì)這些復(fù)合異常的鉆探，在基底中發(fā)現(xiàn)大量熱液鐵氧化物蝕變，在空間上與希爾塔巴巖套花崗巖類有關(guān)[23]。

2.1 奧林匹克壩角礫雜巖(ODBC)

ODBC組成主要包括漏斗狀、貧赤鐵礦的石英角礫巖“核心”，周圍環(huán)繞著一系列不規(guī)則的變化復(fù)雜的礦化帶和寬闊的赤鐵礦- 花崗巖角礫帶。這些角礫巖的巖性從系統(tǒng)外圍的花崗巖到強(qiáng)烈赤鐵礦化的雜巖，顯示出多旋回蝕變和角礫巖化的結(jié)構(gòu)特征[22]。

圖2 ODBC地質(zhì)平面簡(jiǎn)圖[17]Fig.2 Simplified geological plan of the ODBC[17]

圖3 ODBC東西剖面示意圖[17]Fig.3 Schematic east-west cross-section through the ODBC[17]

在平面圖(圖2)中，ODBC形狀不規(guī)則，赤鐵礦- 花崗巖角礫巖環(huán)繞赤鐵礦- 石英角礫巖核心。弱蝕變角礫狀花崗巖向周圍延伸5～7 km，與周圍Roxby Downs花崗巖呈不明顯的漸變邊界。雜巖中較強(qiáng)赤鐵礦蝕變角礫巖走向NW-SE，長(zhǎng)度>5 km，寬度達(dá)3 km。ODBC局部延伸深度>1.4 km[22]。ODBC中的赤鐵礦- 花崗巖角礫巖以不規(guī)則形狀大小出現(xiàn)，但總體上有一定的方向性，傾角陡至直立(圖3)。角礫巖體的厚度隨深度而變化，并可能在短距離內(nèi)收縮和膨脹；其礦化程度不同，成分也有很大的差異，這取決于角礫巖化和蝕變的程度。

里夫等[17]認(rèn)為角礫巖是由水力壓裂、構(gòu)造斷裂、化學(xué)溶蝕、潛水巖漿作用和重力崩塌等多種作用組合而形成的[22]。

2.2 熱液蝕變

熱液蝕變礦物包括絹云母- 赤鐵礦，含有較少的綠泥石、二氧化硅、碳酸鹽(菱鐵礦)和磁鐵礦。蝕變組合變化大，礦物分布模式復(fù)雜，但在整個(gè)礦床和單個(gè)角礫巖帶規(guī)模上可識(shí)別出系統(tǒng)蝕變模式。一般來(lái)說(shuō)，蝕變強(qiáng)度與角礫化程度直接相關(guān)[22]。磁鐵礦是角礫雜巖中氧化鐵蝕變的最早階段，隨后被廣泛分布的赤鐵礦化蝕變所覆蓋。磁鐵礦僅在深處和ODBC外圍演化較低的角礫巖系統(tǒng)內(nèi)存在。赤鐵礦蝕變通常更豐富和強(qiáng)烈地朝向礦床中心出現(xiàn)，局部可達(dá)到巖石的95%，并且主要取代先前存在的礦物，包括原生花崗巖、巖墻和次生熱液或脈狀礦物[17]。氧化鐵，主要是赤鐵礦，普遍與銅礦化密切相關(guān)[22]。一些研究表明，銅、鈾和稀土與鐵同時(shí)引入，礦化角礫巖中的結(jié)構(gòu)關(guān)系也表明，硫化物與密切相關(guān)或共生的赤鐵礦同時(shí)代或其后[17, 22]。

絹云母是Roxby Downs花崗巖中長(zhǎng)石熱液蝕變的主要產(chǎn)物，除赤鐵礦- 石英巖核外，廣泛分布于所有角礫巖中。長(zhǎng)石的假像綠泥石蝕變呈斑片狀，廣泛存在于角礫雜巖中，強(qiáng)度一般為低到中等。菱鐵礦蝕變?cè)诘V化角礫巖中通常較弱，綠泥石和菱鐵礦蝕變?cè)诮堑[巖帶的深處和邊緣更為豐富。輕微的石英蝕變發(fā)生在整個(gè)角礫巖雜巖中，然而，更強(qiáng)烈的硅化作用圍繞核心邊緣發(fā)育，并且具有更高品位的金礦化[22]。

2.3 礦化與分帶

2.3.1 礦化

黃銅礦、斑銅礦和輝銅礦是礦床的主要含銅礦物，局部賦存少量原生銅和其他含銅礦物。銅礦石礦物以浸染狀、細(xì)脈狀和碎片狀的形式出現(xiàn)在角礫巖帶中，主要出現(xiàn)在基質(zhì)中。螢石或重晶石礦化通常與硫化物礦化同生，螢石在礦化角礫巖以浸染、碎屑和細(xì)脈的形式出現(xiàn)，局部富集[17]。重晶石在大多數(shù)赤鐵礦- 花崗巖角礫巖中以低濃度出現(xiàn)[22]。鈾礦物主要為瀝青鈾礦，含少量的水硅鈾礦和白榴石。瀝青鈾礦通常與硫化物和赤鐵礦共生，以細(xì)粒浸染狀出現(xiàn)在赤鐵礦角礫巖中[22-23]。少量的金和銀與銅硫化物密切相關(guān)。金通常以極細(xì)的顆粒存在于銅硫化物中，并與之伴生。銀通常以固溶體形式和硫化物一起出現(xiàn)。含稀土礦物主要為氟碳鈰礦[22]。

ODBC中的離散礦帶僅占角礫巖總體積的小部分，然而，在整個(gè)ODBC中，弱的銅- 鈾- 金- 銀- 稀土礦化普遍存在，背景水平高達(dá)0.5% Cu、0.02% U3O8、0.5% g/tAu和1 g/t Ag。高品位Cu-U礦化與赤鐵礦蝕變強(qiáng)度之間存在著普遍的相關(guān)性，然而，中心赤鐵礦- 石英角礫巖帶基本上是貧礦化的[22]。

2.3.2 礦化分帶

由于ODBC內(nèi)硫化物分帶模式和相適的富含赤鐵礦角礫巖分布，礦帶幾何特征高度復(fù)雜[22]。硫化物礦化顯示了大范圍橫向和縱向分帶模式，黃鐵礦- 黃銅礦在礦床深處和外圍，逐漸到斑銅礦，然后是輝銅礦[17, 22-23]。黃銅礦和斑銅礦之間的界面通常是突變的，易于繪制，并且在大范圍尺度上，圍繞赤鐵礦- 石英核心邊緣陡傾(圖3)。當(dāng)詳細(xì)觀察時(shí)，斑銅礦- 黃銅礦界面和其他礦物學(xué)邊界高度不規(guī)則且局部卷曲[22]。整個(gè)硫化物分帶在成因上被解釋為原生的(hypogene in origin)[17]，這表明熱液的多次侵入和一系列的礦石沉淀機(jī)制形成了主要的硫化物共生序列和在礦化和蝕變組合中觀察到的復(fù)雜關(guān)系[24]。

2.4 ODBC形成環(huán)境與構(gòu)造演化

ODBC主要形成于高位火山環(huán)境[[17, 23, 25]，雜巖內(nèi)有地表巖性，表明熱液系統(tǒng)突破了古表面。里夫等人[17]提出該礦床可能形成于與瑪珥湖(Maar，一種低平火山口，以德國(guó)西部瑪珥湖為代表，中國(guó)廣東湛江市湖光巖瑪珥湖同屬典型)類似的巖漿火山機(jī)構(gòu)[22]。

熱液角礫巖化作用發(fā)生在羅克斯比花崗巖的構(gòu)造控制部位，在動(dòng)態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)中與蝕變、脈體、巖墻侵入、潛水巖漿活動(dòng)和礦化同時(shí)演化，多重疊加角礫巖化事件導(dǎo)致礦床宿主巖石性質(zhì)高度多變[22]。隨著熱液系統(tǒng)的減弱，角礫成巖脆性結(jié)構(gòu)發(fā)育[17]。

據(jù)估計(jì)，在中元古代到新元古代，可能是在馬里諾(Marinoan)冰川作用期間，大約有500 m的羅克斯比花崗巖和ODBC上部被侵蝕，隨后沉積了上覆沉積層序。除了與蓋恩德(Gairnder)巖墻群相關(guān)的大型晚期重晶石- 螢石礦脈疊加礦化和巖墻侵入[17]，奧林匹克壩可能還受到卡拉蘭[26]、穆斯格拉維亞(Musgravian)和德拉梅里造山運(yùn)動(dòng)(Delamerian orogenisis)、阿德萊德伸展(Adelaidean extenson)、新生代斷層和隆起的遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)影響[15]。

2.5 成礦作用

最近的證據(jù)表明，約1 530～1 450 Ma髙勒地質(zhì)省北部的巖漿和構(gòu)造活動(dòng)也可能使部分礦石成分重新活化遷移。Oreskes和Einaudi(1990)[23]及Skirrow等(2007)[12]證明了奧林匹克壩的成礦年齡可能在1 590～1 580 Ma之后。

盡管提出了近地表熱液成因，但形成礦床的熱液流體和金屬的來(lái)源仍然存在爭(zhēng)議[22]。礦化年齡與長(zhǎng)英質(zhì)火成巖活動(dòng)相似，表明鈾在與火成巖熱事件相關(guān)的熱液活動(dòng)中富集[17, 22-23]。

Haynes等人(1995)在一個(gè)模型中提出，金屬沉淀是通過(guò)氧化- 還原反應(yīng)控制的，這是上升的、熱的、還原的富鐵流體與角礫雜巖上部冷的、氧化的鹽水和/或湖水混合的結(jié)果。根據(jù)礦物組成、礦石結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)模型，認(rèn)為氧化地下水主要貢獻(xiàn)礦石組分給系統(tǒng)，調(diào)用多重混合事件，解釋所觀察到的礦化和蝕變分帶樣式[27]。

Lambert等人[28](2005)提出了一些可能與奧林匹克壩礦床成因有關(guān)的耦合因素，包括：

1)古地溫梯度高；

2)大量普遍富鈾的花崗質(zhì)巖石侵位于地殼淺層，侵入同時(shí)代長(zhǎng)英質(zhì)火山巖；

3)形成瑪珥湖火山環(huán)境；

4)赤鐵礦穩(wěn)定的氧化含鈾流體與相對(duì)還原(磁鐵礦穩(wěn)定)蝕變的疊加，伴隨著與上升流體混合或通過(guò)與預(yù)先存在的含硫化物磁鐵礦蝕變反應(yīng)而產(chǎn)生鈾沉淀。

3 結(jié) 論

1)奧林匹克壩IOCG型礦床是目前世界上已知最大的鈾礦和世界前三大銅礦之一，其主要金屬資源儲(chǔ)量：79 448 000 t 品位為1.433%的Cu；2 171 359 t品位為0.020%的U；3 414 t品位為0.543 g/t的Ag；12 916 t品位為2.391 g/t的Au。

2)奧林匹克壩鈾礦產(chǎn)于被稱為ODBC的大型熱液角礫巖體中，該角礫雜巖產(chǎn)于羅克斯比A型花崗巖中，后者是希爾塔巴巖套巖基的一部分，侵入年齡(1 598±2)至(1 588±4)Ma。鈾礦形成與同時(shí)代的高溫A型或I型長(zhǎng)英質(zhì)和鐵鎂質(zhì)巖漿活動(dòng)密切相關(guān)。

3)ODBC呈形狀不規(guī)則的漏斗狀，赤鐵礦- 花崗巖角礫巖環(huán)繞赤鐵礦- 石英角礫巖核心，弱蝕變角礫狀花崗巖向四面八方延伸5～7 km，與寄主花崗巖呈不明顯的漸變邊界。熱液蝕變礦物包括絹云母- 赤鐵礦，含有較少的綠泥石、二氧化硅、碳酸鹽(菱鐵礦)和磁鐵礦，蝕變強(qiáng)度與角礫化程度直接相關(guān)。

4)ODBC主要形成于高位火山環(huán)境，熱液系統(tǒng)突破了古地表面，礦床可能形成于一個(gè)類似于瑪珥湖的巖漿火山機(jī)構(gòu)。

5)鈾礦物主要為瀝青鈾礦，含少量的水硅鈾礦和白榴石，瀝青鈾礦通常以細(xì)粒浸染狀出現(xiàn)在赤鐵礦角礫巖中，與硫化物和赤鐵礦共生，成礦年齡可能在1 590～1 580 Ma之后。

6)伸展導(dǎo)致的陷落地塊有利于保存在近地表形成的富赤鐵礦- 富鈾IOCG礦床，而周圍上升區(qū)域?qū)⒈憩F(xiàn)出更深的、富磁鐵礦(貧鈾)IOCG礦床類型。