相山火山盆地航空放射性鉀增量異常特征及其成因

隨著我國鉻資源年產量的增加，新的鉻資源開發蓬勃發展，對鋯資源的研究也面臨著一個新的發展階段。然而由于找礦方向由初期找露頭、淺部和易識別礦轉為找深部、隱伏和難識別礦,找礦難度日益加大,找礦方法期待與時俱進。如何對現有資料進行再開發獲取“隱伏礦”的找礦信息,實現最小程度的勘查投入和最大程度的找礦突破,已成為當前鈾礦地質工作者急需解決和面臨的問題。本文基于航空放射性K能譜數據再開發,闡述了相山地區鉀增量場的空間分布特點與分布規律,并對相山礦田礦石、蝕變巖石、未蝕變巖石進行詳細的野外地質調查以及其顯微巖石學和元素地球化學對比研究,旨在探討鉀增量虧損場(帶)的地質成因及其與鈾成礦的關系,為航空放射性資料的再開發成果在相山地區、乃至火山巖型鈾礦成礦遠景區預測與找礦提供識別依據和理論方法。1礦田圍巖蝕變相山鈾礦田處于揚子準地臺與華南褶皺系兩個一級大地構造單元相接壤的部位,同時又位于總體呈北東向的贛杭火山巖鈾成礦帶與呈北北東向展布的大王山—于山花崗巖鈾成礦帶的交接部位(圖1)(邱愛金等,1999;胡瑞忠等,2004;黃錫強等,2008;陳正樂等,2011)。區內巖漿活動頻繁,其中以燕山晚期火山活動最為強烈,發生了高強度、大規模的鈾成礦作用,形成了相山鈾礦田。相山礦田的地層主要包括變質巖系、火山巖系和紅色沉積巖系三大部分,分別構成相山火山盆地基底、火山盆地蓋層和“紅盆”蓋層。其賦礦圍巖是一套火山-侵入雜巖,形成于早白堊世(楊水源等,2010)主要是由碎斑熔巖、流紋英安巖(包括流紋英安斑巖)和晚期的花崗斑巖組成(圖1)。礦田圍巖蝕變普遍發育,主要有:水云母化、綠泥石化、長石化、碳酸鹽化、螢石化、赤鐵礦化。鈾礦化主要與水云母化、赤鐵礦化、螢石化和綠泥石化有關。成礦前蝕變以面式蝕變為特征:北部和東部主要為鈉長石化,西部則為水云母化;成礦期蝕變以赤鐵礦化、螢石化、水云母化、綠泥石化、碳酸鹽化、黃鐵礦化為特征,具有分帶和空間疊加現象;成礦后期蝕變包括硅化、螢石化、碳酸鹽化等,顯脈狀充填于裂隙中。已探明的鈾礦床主要分布在火山盆地的北部和西部,其中北部的鈾礦床多定位于NE向、EW向構造、推覆構造和環狀火山塌陷構造復合部位,西部的鈾礦床受NE向、NW向、EW向、近NS向構造及火山塌陷構造控制。礦化體直接發育于主斷裂帶或者緊靠主斷裂的破碎帶內及其旁側的次級裂隙構造內,礦化對巖性沒有選擇性(邵飛等2008),與斷裂構造的發育程度有關。鈾成礦年齡主要集中在120Ma和80~100Ma兩個時間區段(巫建華等,2011),與賦礦圍巖存在礦巖時差(邵飛等,2007)。2試驗與分析方法首先對航放能譜K測量數據進行處理,編制航放鉀增量等值圖,分析航空放射性增量異常場的空間分布特征與規律,開展地質資料與鉀增量場的疊合分析。在此基礎上,開展對應于鉀增量異常場的地質特征野外調查,系統采集了油家山-鄒家山剖面、居隆庵地區、浯漳-云際-沙洲礦床熱液蝕變剖面的礦石、蝕變巖石及正常圍巖樣品,采集的主要巖石單元為碎斑熔巖和花崗斑巖,并對樣品開展了顯微巖石學、常量元素和微量U、Th測試與研究。硅酸鹽全分析由核工業290研究所完成,采用X射線熒光光譜法進行測定,相對誤差<5%,儀器型號為飛利浦PW2404X射線熒光光譜儀;微量U、Th分析由核工業北京地質研究院分析測試中心完成,采用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)方法進行測定,所用電感耦合等離子質譜儀為Finnigan-MAT公司產ElementⅠ型,檢測能力小于1×10-9,RSD<2%(1h),靈敏度:1000cps/1×10-12Rh(R=300)。樣品的分析測試結果列于表1。鉀增量值是在計算某地層(或巖石)單元的航空伽瑪測量獲得的鉀平均值作為單元背景值的基礎上確定,是指航放測量點的鉀含量與其所在地層(或巖石)單元鉀背景值之差,用符號△K表示。測量單位用ppm表示。3礦床構造空間對應性分析以鉀增量值(△K)小于0ppm、0~0.2ppm、0.2~0.4ppm、0.4~0.6ppm、大于0.6ppm為值域,將相山地區鉀增量場進行數據投影并作等值線圖,得到相山地區鉀增量場空間分布圖(圖2)。圖中顯示相山火山盆地鉀增量場表現出以下特征:在相山火山盆地區,鉀增量值域存在較大的不均勻性,并顯現出正值域與負值域呈相間帶狀展布特點,帶狀展布為NE向。由火山盆地SE側往NW側,分別發育5條△K正值帶和4條△K負值帶。5條正值帶依次是苔州-6129-浯漳、云際-相山-芙蓉山、沙洲-鄒家山、窯上-6136-6124、400-621-同富。負值帶是6119-上南、6115-6123、橫澗-6122-居隆庵、蕪頭-王家邊。NE向△K正值域帶內,除云際-相山-芙蓉山增量帶空間連續性較好外,其余正值帶并不連續,呈孤島狀NE向斷續延伸。△K正值域帶寬度變化較大,介于5km~1km之間。鉀增量場與斷裂構造空間對應性:將相山盆地鉀增量場與地質場疊加分析可見(圖2),鉀增量帶表現出的NE向空間延伸趨勢方位與區內主要斷裂構造的展布方位(NE向)是一致的,且NE向鉀增量負值帶與NE向斷裂空間位置上兩者表現出較好的吻合性。由NW側向SE側,鉀增量負值帶依次與NE向展布的F2、F3、F4、F5、F6斷裂相對應。此外,相山西部NW向Fb斷裂、北部SN向Fa斷裂與局部鉀增量負值區在空間位置上也表現出較好的吻合性。依據上述現象,推測相山火山盆地內鉀增量場空間分布受NE向斷裂構造的制約,兩者之間存在內在的成因關系,NE向斷裂構造控制了鉀增量負值帶的發育位置和空間展布趨勢。鉀增量場與巖石單元的空間對應關系:研究發現,同為鵝湖嶺組,或打鼓頂組、或花崗斑巖巖石單元,既有對應于鉀增量正值域區,也可見負值域對應其中,說明鉀增量場與相山火山盆地發育的火山巖地層之間沒有專屬的對應關系,說明現今發育的K增量場是原生鉀含量場疊加后期K再分配或K增量事件的產物。具體到某一火山巖地層單元,一方面,鉀增量場分布范圍與地層分布范圍表現出不一致性,即某一巖層的部分位置表現為鉀增量正值區,而其它范圍則表現為鉀增量負值區。另一方面,鉀增量正值帶(NE向)的空間延伸方位與地層的走向也未表現出一致性,且NE向鉀增量正值帶的分布范圍往往跨越了不同的巖石或地層單元。已知鈾礦床(點)與鉀增量場的對應關系:相山火山盆地內現已發現的鈾礦床或礦點,絕大部分分布低鉀增量值帶或負鉀增量值帶(△K小于0.2ppm或為負值區),其它鈾礦床或礦點產出基本位于大致與鉀增量低值帶與高值帶兩者的遞變部位對應。其中浯漳、上南、6129、615、6110、6122-14、6134-34等鈾礦床位于鉀增量值為0.2~0.4ppm的邊緣地帶;323鈾礦床位于鉀增量值為0.4~0.6ppm的邊緣地帶;6113鈾礦床位于鉀增量值為大于0.6ppm的邊緣地帶。該現象似乎給予以下啟示:相山火山盆地內鈾礦床的定位與鉀增量相對虧損場(帶)具有良好的對應關系,鈾成礦作用發生及其礦床的形成,應與區內低或負鉀增量帶具有成因聯系,成礦流體可能具有相對貧鉀或蝕變過程具有“去鉀”作用。4異常鉀累積異常的地質地球化學特征4.1顯微蝕變巖石學特征野外地質調查研究發現,相山礦田發育的鈾礦床具有明顯的蝕變分帶特征,區內與鉀增量虧損場(帶)大致對應的地質場表現特征為“灰綠色”蝕變帶,“灰綠色”蝕變帶沿斷裂構造或構造裂隙帶走向呈網狀、脈狀、帶狀等不規則形態。蝕變帶與鈾礦體的發育表現出密切的空間對應關系,表現形式一般為:中心是鈾礦脈(螢石型礦石+紅化型礦石),兩側為寬度較大的水云母化帶,水云母化蝕變強度從礦脈中心往兩側逐漸變弱,直至過渡為正常巖石。鈾礦體形態主要呈脈狀、細脈狀和透鏡狀產于“灰綠色”蝕變層,斷裂構造或裂隙帶、蝕變帶及鈾礦體三者產狀基本吻合,暗示相山火山盆地蝕變帶及與之有密切成因聯系的鈾礦體發育、展布,受斷裂構造或裂隙帶控制。本次研究以相山盆地碎斑熔巖和花崗斑巖及其對應的蝕變巖石為代表,開展顯微蝕變巖石學研究工作。宏觀上,相山火山盆地正常(未蝕變)碎斑熔巖顏色通常為灰白色、灰色、灰紅色和灰黑色。花崗斑巖多顯淺灰色、灰白色,兩者巖石均顯塊狀構造、斑狀結構,斑晶主要成份為長石和石英。遭受熱液蝕變后碎斑熔巖和花崗斑巖顏色發生了顯著的變化,蝕變較弱者巖石顏色一般呈現為不均勻斑點狀綠色,蝕變強者巖石顏色通常為灰綠色、淺綠色。顯微研究顯示,灰或淺綠色碎斑熔巖和花崗斑巖的蝕變類型主要包括水云母化、綠泥石化,其次是碳酸鹽化和螢石化,其中水云母化主要以鱗片狀交代鉀長石和基質,呈不均勻狀分布。強水云母化碎斑熔巖斑晶礦物相對破碎,裂隙發育,可見破碎的石英斑晶,凸顯出典型的碎斑特點;黑云母均遭受不同程度的綠泥石化,且綠泥石呈撓曲狀或片狀,并保留黑云母的“假象”。花崗斑巖受到不同程度的蝕變,蝕變較強的花崗斑巖,遭受了強烈的水云母化,基本看不到完整的長石,石英鉀長石保留了一定的文象結構,可見黑云母的白云母化;蝕變較弱的花崗斑巖,鉀長石斑晶遭受蝕變很弱,裂隙帶有絹云母化發育,可見明顯的石英鉀長石文象結構。紅化型鈾礦石中可見長石斑晶,但均發生蝕變,主要蝕變有赤鐵礦化、鈉長石化、水云母化。螢石型鈾礦石中長石、黑云母和石英斑晶面目全非,很難辨別出礦物性質。綜上所述,巖石在遭受后期熱液蝕變后,其巖石學特征上發生了顯著的變化。不僅在宏觀上顏色存在明顯的區別,其中顯微結構以及礦物組成也發生了不同程度的變化。特別值得注意的是鉀長石和基質廣泛被水云母、綠泥石、碳酸鹽和螢石交代,暗示強烈的交代蝕變作用可能導致巖石中K質含量呈現降低的趨勢。4.2蝕變巖石中ko、th、u/th元素含量特征相山火山盆地巖石(碎斑熔巖、花崗斑巖)及其相對應的蝕變巖石主量元素的分析結果列于表1。數據結果及相關圖解顯示:(1)正常(未蝕變)碎斑熔巖K2O含量比較穩定,介于5.03%~5.28%,平均含量值為5.17%。遭受水云母化蝕變后的碎斑熔巖K2O含量較未蝕變碎斑熔巖變化幅度增大,介于3.03%~5.29%,平均含量則降至為4.66%。花崗斑巖的K2O含量明顯高于碎斑熔巖,主要介于5.46%~7.27%區間,平均含量為6.13%。遭受水云母化蝕變后的花崗斑巖K2O含量變化區間則為1.55%~5.97%,平均含量降至為4.83%。該結果暗示巖石遭受蝕變后,其中鉀質含量遞降,蝕變場可能對應于航空放射性鉀增量場中的相對“虧損場”。上述數據變化特點與蝕變巖石學顯微研究得到的“蝕變帶巖石中鉀長石和基質廣泛被水云母交代”認識是相吻合的。(2)Na2O表現出與K2O類似的變化特點:碎斑熔巖與蝕變碎斑熔巖Na2O平均含量分別為2.83%、2.55%。花崗斑巖與蝕變花崗斑巖平均含量分別為2.89%、1.93%。圖3顯示,蝕變巖石Na2O含量投影點較未蝕變巖石Na2O含量投影點呈現出向“下移”的趨勢。上述表明蝕變后巖石中的Na2O含量顯示出明顯降低的變化趨勢。結合前述K質含量變化特點,說明相山地區熱液蝕變過程,是一個K、Na同步遷出的過程。(3)圖3顯示,與蝕變碎斑熔巖比較,碎斑熔巖礦石中K2O含量投影點表現出向“左移”的趨勢,Na2O含量投影點則呈現出向“上移”的趨勢,且K2O與Na2O顯現出良好的負相關性。該現象暗示礦化作用會導致巖石中K質含量較蝕變帶更低,Na含量更高,這與蝕變巖石學顯微研究得到的礦化帶巖石中鉀長石被鈉長石、螢石、水云母交代的認識基本吻合。(4)表1顯示,碎斑熔巖中U、Th和U/Th平均值分別為9.41×10-6[變化范圍(7.84~13.1)×10-6]、25.6×10-6[變化范圍(21.1~28.3)×10-6]和0.36[變化范圍(0.28~0.49)];蝕變碎斑熔巖中U、Th和U/Th平均值分別為11.41×10-6[變化范圍(6.58~14.6)×10-6]、26.4×10-6[變化范圍(20.5~28.9)×10-6]和0.43[變化范圍(0.32~0.49)];碎斑熔巖礦石中U、Th和U/Th平均值分別為350×10-6[變化范圍(107~739)×10-6]、82.2×10-6[變化范圍(35.6~174)×10-6]和4.36[變化范圍(2.27~9.41)]。以上數據顯示,從礦石帶-蝕變帶-正常巖石帶U、Th和U/Th值均表現出逐漸降低的趨勢。結合野外地質調查發現,圍巖蝕變總是發育在已知鈾礦體的四周,鈾礦體與蝕變圍巖之間、蝕變圍巖與正常圍巖之間呈現出漸變的過渡型關系。說明流體作用過程,導致元素活化,使得U、Th元素向礦石帶逐漸遷移富集成礦。(5)圖4顯示,除個別點外,蝕變碎斑熔巖U、Th曲線變化趨勢基本一致。與正常碎斑熔巖相比,蝕變帶碎斑熔巖U曲線呈現“上移”的趨勢,Th曲線也呈現“上移”的趨勢,但Th曲線“上移”幅度相對較小。碎斑熔巖和蝕變碎斑熔巖U與U/Th均呈良好的正相關性。結合前述U、Th和U/Th含量變化特征,說明成礦流體在蝕變過程中伴隨著U、Th元素同步遷移富集,然而由于Th元素地球化學性質較為穩定,不易活化遷移,致使蝕變帶較正常巖石帶Th含量增加較小。綜上所述,不同地質體鉀含量存在差異,然與正常未蝕變巖石比較,水云母化蝕變后巖石的鉀增量值呈現出相對降低的趨勢,鉀增量虧損帶(場)的形成是流體與圍巖發生交代作用導致的結果,即鉀虧損帶(場)是流體導致的“灰綠色”蝕變作用結果的響應。正常巖石帶遭受熱液蝕變作用的過程,伴隨著鈾、釷的同步帶入,鉀元素的帶出,說明熱液蝕變過程與鈾成礦作用存在內在的成因聯系。蝕變過程導致K2O、U、Th發生的系列變化,為鉀增量場信息指導蝕變帶識別提供了前提依據。5蝕變盆地的巖性特征及蝕變帶的地質意義調查發現,碎斑熔巖和花崗斑巖K2O含量均值分別為5.17%、6.13%,說明不同巖石單元K豐度值是有明顯差異,花崗斑巖體具有較高的K本底值。與相應單元正常(未蝕變)巖石比較,遭受熱液作用后呈帶狀展布的“灰綠色”蝕變帶巖石中K2O含量明顯下降,且蝕變巖石之間K2O平均含量相差較小,碎斑熔巖礦石K2O含量(平均值為2.24%)也呈現出明顯下降的特點。綜合以上發現,認為相山火山盆地K增量場的發育可能至少受到以下三個方面因素的影響:一是不同單元火山巖巖性及其K本底差異所致;二是晚期花崗斑巖的鉀本底值在一定程度上影響了鉀增量場分布及其形態特征;三是受斷裂構造或裂隙帶制約的成礦流體導致的熱液蝕變作用。根據鉀增量場圖解,鉀增量正值帶與負值帶或虧損帶呈相間的帶狀展布,且具有跨地質單元現象。如果鉀增量場的發育與分布主要是由于不同單元火山巖巖性及其K本底差異所致,那么在晚期花崗斑巖或次花崗斑巖發育區應普遍表現為鉀增量高值區,事實情況是在相山火山盆地花崗斑巖體中既有鉀增量正值區,也發育負值區或虧損區。其次,由相山火山盆地出露的巖石單元可知,自火山盆地中心向四周凸顯出一定的差異,盆地中部以碎斑熔巖為主,出露面積占盆地內火山巖的75%左右,為相山火山盆地的主體巖性。流紋英安巖主要分布在西北部,花崗斑巖主要分布在南部和東部,規模不大,結合航空放射性測量精度,其相對高的K2O含量不可能引起區域性的影響,鉀增量正值帶與虧損帶分布范圍往往跨越不同的巖石單元。綜合以上可以排除鉀增量場特征是巖性差異及其K本底差異所致的可能性。理論上講,一次巖漿作用形成的巖漿巖,由于來自同一個巖漿房,其物質組成是相對均一的,同一個巖體或地質體元素含量的變化是后期相關熱液作用所致。野外調查也發現,鄒家山鉀增量低值區水云母化普遍發育,形成的灰綠色蝕變帶明顯受NE向鄒家山-石洞斷裂構造控制及后期熱液疊加的影響,然而在相山和芙蓉山鉀增量高值區卻沒有出現明顯的熱液蝕變現象,說明鉀增量負值區的形成與巖石遭受后期熱液蝕變作用密切相關。研究發現,蝕變巖石與正常未蝕變巖石之間并非以斷裂構造為界,而是以漸變式過渡,斷裂構造或裂隙帶作為成礦流體的運移通道,鉀增量虧損場(帶)的形成與巖石成巖后成礦流體在蝕變過程中對圍巖發生鉀質交代有關。結合前述鉀增量場特征,NE向鉀增量負值帶或虧損帶與NE向斷裂空間位置上兩者表現出較好的吻合性,鉀增量負值帶或虧損帶內基本有斷裂構造分布。以上地質事實,總體反映了鉀增量場受斷裂構造控制以及成巖后熱液改造的基本屬性。需要說明的是,相山盆地熱液蝕變帶巖石表現為相對鉀虧損帶,并不是說明導致蝕變的流體性質是貧鉀的。比較相山地區與下莊花崗巖地區的蝕變場特征(王如意等,2010),兩者有共同之處,均表現相對強烈的水云母化。區別在于下莊地區水云母化主要交代斜長石,而相山地區水云母化則主要交代鉀長石以及隱晶質基質,其次相山盆地蝕變的蝕變類型還包括綠泥石化、螢石化、碳酸鹽化。由于交代對象不同,導致蝕變產物總K含量變化結果截然不同。原因如下:鉀長石的分子式為KAlSi3O8,其中K離子占總礦物的百分比約為14.03%;水云母雖然是含鉀礦物,其分子式為(K,Na,H3O)Al2(AlSi3)O10[(OH)2,H2O],不考慮其中Na、H、O離子的占比,其中K最大占比約為10.7%,相比其交代對象鉀長石中的K占比顯著下降;綠泥石則是一種含(OH)的Fe、Mg、Al的層狀硅酸鹽,鈉長石化的產物是NaAlSi3O