張 巖，漆富成，張字龍，李治興，王文全，楊志強

(核工業(yè)北京地質研究院，中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京 100029)

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降扎鈾礦床熱水沉積硅質巖的地球化學特征

張 巖，漆富成，張字龍，李治興，王文全，楊志強

(核工業(yè)北京地質研究院，中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京 100029)

降扎鈾礦床的賦礦主巖為碳硅泥巖富鈾建造，筆者對其硅質巖的化學成分、微量元素、稀土元素及Si同位素進行研究，結果表明硅質巖為熱水沉積成因。這種硅質巖可能形成于陸緣裂谷或裂谷向小洋盆過渡的環(huán)境；沉積成巖熱水可能為與下伏中酸性火山巖進行水-巖反應的深循環(huán)海水。硅質巖成巖后可能還受到來自上地幔的熱液疊加改造。

降扎鈾礦床；硅質巖；熱水沉積成因；形成環(huán)境；熱液來源

降扎碳硅泥巖型鈾礦床是若爾蓋鈾礦田的重要組成部分。該礦床的礦體主要賦存于志留系硅質巖破碎帶與硅灰?guī)r透鏡體中。雖然前人對降扎鈾礦床開展了大量的研究工作，但對作為“鈾源層”的碳硅泥巖富鈾建造及其硅質巖的成因觀點不一[1-4]。筆者試圖通過對該建造中的硅質巖進行地球化學特征研究，以期揭示硅質巖的成因類型及古形成環(huán)境，并探討成巖硅質熱液與后期成礦熱液的來源。這對碳硅泥巖型鈾礦成因研究及區(qū)內找礦具有現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域及礦床地質概況

研究區(qū)位于秦嶺-大別造山帶秦嶺板塊西段南緣，白龍江復背斜溫泉溝次級背斜北翼西部，距南面勉略縫合帶50km左右。區(qū)內出露地層有震旦系至白堊系，巖漿巖有志留紀后期侵入的輝綠巖，規(guī)模小且分散。震旦系以中酸性火山巖為主。區(qū)內主體構造為白龍江復背斜，走向NWW，長約50km，寬約20km。主要斷裂構造線為NWW向，與地層走向大體一致，其次是橫切地層的NE向斷裂。降扎鈾礦床的礦體主要沿NWW向主干斷裂轉折端及分支膨脹部位破碎帶分布，具有明顯的后期構造控礦特征(圖1)。礦區(qū)內寒武系和奧陶系地層厚927m，巖石中U含量為(8～12)×10-6；志留系地層厚度大于1147.3m，巖石U含量為(5～15)×10-6,均為典型的碳硅泥巖，局部硅質巖層呈鈾礦化。

2 樣品特征及分析測試方法

研究工作中采取的樣品為志留系地層巖心的富鈾硅質巖及硅質巖。硅質巖具水平及塊狀層理，局部見鮞粒結構，組成礦物主要為微晶石英及少量重結晶石英，有機質含量較高，有脈寬<1mm的后期方解石脈或白云石脈充填。硅質巖無后期蝕變、淋濾或氧化褪色現(xiàn)象，具淺變質特征，鈾含量為(9～12)×10-6，與其他圍巖的鈾含量基本一致。

樣品粉碎至200目，進行X-熒光化學成分分析及ICP-MS微量元素化學分析。Si同位素組成以硅酸鹽或含硅礦物的五氟化溴法進行測定。

圖1 若爾蓋鈾礦田區(qū)域地質略圖(據(jù)朱西養(yǎng)等，2008修改)Fig.1 Regional geological map of Ruoergai uranium ore field1—第四系黃土；2—白堊系陸源碎屑巖；3—侏羅系安山巖、火山碎屑巖；4—三疊系灰?guī)r、白云巖、砂巖；5—二疊系灰?guī)r；6—石炭系灰?guī)r；7—泥盆系灰?guī)r、板巖、白云巖；8—上志留統(tǒng)硅質巖、灰?guī)r、板巖、硅灰?guī)r透鏡體；9—中志留統(tǒng)砂巖、板巖、硅質巖、硅灰?guī)r透鏡體；10—下志留統(tǒng)板巖、灰?guī)r、硅質巖、硅灰?guī)r透鏡體；11—寒武-奧陶系硅質巖、板巖、砂巖、灰?guī)r(白云巖)透鏡體；12—震旦系凝灰?guī)r；13—地質界線；14—斷裂；15—輝綠巖脈體；16—鉆孔；17—鈾礦床。

3 硅質巖的地球化學特征

3.1 巖石化學成分

硅質巖樣品的SiO2含量為90.72%～93.01%，K2O/Na2O>1，F(xiàn)e2O3含量為1.38%～3.06%，Al2O3含量為0.252%～0.692%(表1)。由于Al是陸源碎屑鋁硅酸鹽的主要組分，故被看作是陸源物質的代表；而Fe、Mn是熱液流體的主要組成元素，故可將Fe、Mn的相對含量作為識別熱液貢獻大小的標志。Bostrom(1973)等提出利用Fe/Ti、Al/(Al+Fe+Mn)、(Fe+Mn)/Ti (元素質量比)來區(qū)分熱水沉積物與正常海水沉積物，當上述比值分別>20、<0.35、>25(±5)時，則認為其屬于熱水沉積物[5]。降扎鈾礦床的硅質巖Fe/Ti>143.88(遠大于20)；Al/(Al+Fe+Mn)為0.08～0.21(<0.35)；(Fe+Mn)/Ti為55.01～180.6[>25(±5)](表1)，說明該硅質巖為熱水沉積成因。經(jīng)Fe-Mn-Al及Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)成因判別圖進行數(shù)據(jù)投影(圖2、3)，硅質巖樣品的投影點全部落在熱水沉積物區(qū)的富Fe端[5-6]。

3.2 微量元素特征

Murray等(1991)研究表明：大陸邊緣硅質巖的V含量為20×10-6左右、Ti/V值(元素質量比值)約為40，大洋盆地硅質巖V含量為38×10-6左右、Ti/V值約為25，洋中脊硅質巖V含量為42×10-6左右[7]。研究區(qū)硅質巖大部分樣品的V含量為(48.1～83.8)×10-6，高于洋中脊硅質巖，1、6號樣品V含量為(28.6～29.4)×10-6，接近于大陸邊緣向大洋盆地過渡部位的硅質巖；硅質巖樣品Ti/V值<6.29，部分樣品Ti/V值趨近0(表2)。Girty等(1994)研究表明：與大陸邊緣環(huán)境相關的硅質巖Th/U值(元素質量比值)>3.8，相對遠離大陸環(huán)境的硅質巖Th/U值介于0.6～5.0。區(qū)內樣品的Th/U值為0.01～0.05，3件樣品趨近于0，遠小于相對遠離大陸環(huán)境的硅質巖Th/U值(表2)。

表1 硅質巖化學成分含量(%)及部分特征值

注:樣品分析測試由核工業(yè)北京地質研究院分析測試中心完成。

圖2 硅質巖Fe-Mn-Al成因判別圖(據(jù)adachi等，1986)Fig.2 Fe-Mn-Al diagram of siliceous rockⅠ—生物沉積及其他非熱水沉積物區(qū)；Ⅱ—熱水沉積物區(qū)。

圖3 硅質巖Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)成因判別圖(據(jù)Bostrom, 1973)Fig.3 Fe-Mn-(Cu+Ni+Co) diagram of siliceous rockHN—水成沉積物區(qū)；HD—熱水沉積物區(qū)；RH—紅海熱水沉積物區(qū)；ED—東太平洋中脊熱水沉積物區(qū)。

樣品號取樣深度(m)巖 性VThUZrCrTi/VTh/U1810硅質巖(鈾礦化)28600119018700024800133006290012808硅質巖(弱鈾異常)48100060443000239001420042400138079硅質巖型鈾礦石83700047016950005200017100172<00148075硅質巖(弱鈾異常)501000280413001880013400—00158076硅質巖672000580107002230017500—00568064硅質巖2940003479220936010800—00478066硅質巖838000578126002490020800179005

注:樣品分析測試由核工業(yè)北京地質研究院分析測試中心完成。

在U-Th關系圖中(圖4)[8]，硅質巖投影點部分落在相當于紅海熱水沉積物區(qū)，部分落在U/Th=100趨勢線左上側，說明鈾的后期富集對硅質巖形成環(huán)境的判別起到干擾作用。而在Zr-Cr關系圖中(圖5)[9]，硅質巖樣品的投影點則全部落在現(xiàn)代熱水沉積物趨勢線以下。

3.3 稀土元素特征

稀土元素是研究硅質巖成因、恢復古海洋環(huán)境和判別氧化還原條件的良好地球化學示蹤劑。由于巖石的稀土配分模式一般不受成巖和變質作用的影響，所以硅質巖的稀土配分模式主要反映成巖前稀土的配分特征。研究區(qū)硅質巖樣品的球粒隕石標準化配分模式曲線(圖6)具有較好的一致性，其相關參數(shù)的計算均以北美頁巖作為比對。

圖4 不同類型沉積物的U-Th關系圖(據(jù)Rona P A, 1984)Fig.4 U-Th diagram of different types of sedimentsⅠ—TAG熱水沉積物區(qū)；Ⅱ—Galapagos熱水沉積物區(qū)；Ⅲ—Amphitrite熱水沉積物區(qū)；Ⅳ—紅海熱水沉積物區(qū)；Ⅴ—中太平洋中脊熱水沉積物區(qū)；Ⅵ—Langban熱水沉積物區(qū)；Ⅶ—錳結核區(qū)；Ⅷ—普通深海沉積物區(qū)；Ⅸ—鋁土礦區(qū)；Ⅹ—古老石化的熱水沉積物區(qū)。

Murray(1991)等在研究了大洋中脊、大洋盆地和大陸邊緣等不同大地構造環(huán)境中的熱水沉積硅質巖后發(fā)現(xiàn)：(1)現(xiàn)代大洋硅質巖和造山帶古海洋硅質巖δCe值從大洋中脊(0.29) →大洋盆地(0.55) →大陸邊緣沉積環(huán)境(0.90～1.30) 表現(xiàn)出遞增規(guī)律。洋中脊附近硅質巖的(La/Ce)N值約為3.15；大洋盆地硅質巖(La/Ce)N=1.10～2.15；大陸邊緣硅質巖(La/Ce)N=0.15～1.15。洋中脊附近的硅質巖δEu值從洋中脊的1.35降低到距洋中脊75km的處的1.02。自濱淺海至大洋盆地，硅質巖的∑REE降低，近洋中脊硅質巖∑REE<10.9×10-6，距洋中脊75km的硅質巖∑REE<72.6×10-6[7]。

對比區(qū)內硅質巖樣品的稀土元素特征值(表3)，其δCe值范圍為1.102～1.239，(La/Ce)N為0.76957～0.95201，均落在大陸邊緣沉積環(huán)境硅質巖的相應數(shù)值范圍內。硅質巖樣品的δEu范圍為1.803～2.212，大于洋中脊硅質巖的δEu值?！芌EE介于(11.934～27.894)×10-6，平均值為17.73386×10-6，介于近洋中脊與距洋中脊75km的硅質巖的∑REE值范圍之間。

圖5 硅質巖的Zr-Cr沉積環(huán)境判別圖(據(jù)Marchin 等, 1982)Fig.5 Zr-Cr diagram of siliceous rockⅠ—現(xiàn)代熱水沉積物的趨勢線；Ⅱ—現(xiàn)代水成沉積物的趨勢線及集中區(qū)；Ⅲ—現(xiàn)代水成含金屬沉積物分布區(qū)。

圖6 降扎鈾礦床硅質巖球粒隕石標準化稀土元素配分模式曲線圖(據(jù)Boynton,1984)Fig.6 The chondrite-normalized REE pattern of siliceous rock samples of Jiangzha uranium deposite 1—硅質巖(鈾礦化)；2、4—硅質巖(弱鈾異常)；3—硅質巖型鈾礦石； 5～7—硅質巖。

樣品號取樣深度(m)巖 性LaCePrNdSmEuGdTbDy1810硅質巖(鈾礦化)3480740007773130057402170542010405762808硅質巖(弱鈾異常)29306750067528800559013304950095053538079硅質巖型鈾礦石36009470109050001340037711300285192048075硅質巖(弱鈾異常)21705370054424300508012804330078042858076硅質巖38508680082134600671032705980103053368064硅質巖18404420044020800602019905720110061478066硅質巖295070800664302006980245062001180672球粒隕石(平均)03108080122060195007350259004740322北美頁巖(NASC)41831013875161635123549

續(xù)表3

注:樣品由核工業(yè)北京地質研究院分析測試中心完成分析測試；球粒隕石(平均)據(jù)Boynton(1984)；NASC據(jù)SHOLKOVITZ(1988)。

3.4 Si同位素特征

研究資料表明，不同成因的硅質巖具有特定的δ30Si值分布范圍。低溫水中自生沉積的石英砂δ30Si值為1.1‰～1.4‰；熱水沉積硅質巖δ30Si值為-1.5‰～0.8‰，成巖過程中次生石英的δ30Si值變化范圍介于前兩者之間；交代成因硅質巖δ30Si值為2.4‰～3.48‰；深海環(huán)境下沉積并與蛇綠巖或混雜巖共生的生物成因硅質巖，其δ30Si值為-0.6‰～0.8‰，平均值為0.16‰；半深海環(huán)境下與石灰?guī)r共生的生物成因硅質巖，其δ30Si值為0.1‰～0.6‰，平均值為0.4‰；淺海環(huán)境下與疊層石白云巖共生的生物成因硅質巖δ30Si值為 -0.3‰～3.4‰，平均值為1.3‰；生物成因硅質巖的δ30Si值變化較大，并與沉積環(huán)境關系密切；火山噴發(fā)-化學沉積硅質巖δ30Si值為-0.5‰～-0.4‰[10-13]。

區(qū)內硅質巖樣品并不與正常沉積成因的石灰?guī)r或白云巖共生，但有少量方解石脈和白云石脈分布，且降扎鈾礦區(qū)志留系及前志留系地層中均未發(fā)現(xiàn)蛇綠巖或蛇綠混雜巖，但有中酸性火山巖分布，這排除了硅質巖樣品δ30Si值(表4)與深海環(huán)境下沉積并與蛇綠巖或混雜巖共生的生物成因，或半深海環(huán)境下與石灰?guī)r共生的生物成因硅質巖、淺海環(huán)境下與疊層石白云巖共生的生物成因δ30Si值重疊，可能為其中任何一種成因的可能性。因此，筆者認為本區(qū)硅質巖應為熱水沉積成因。

表4 硅質巖樣品的硅同位素分析結果

注:樣品由核工業(yè)北京地質研究院分析測試中心完成分析測試；NBS-28為美國國家標準局標樣。

4 硅質巖成因及形成的古環(huán)境

上述巖石化學成分、微量元素、稀土元素及Si同位素特征綜合顯示，區(qū)內硅質巖為熱水沉積成因。這與朱西養(yǎng)等(2008)提出的本地區(qū)硅質巖為熱水沉積硅質巖的結論相一致[5]。由于取樣位置的局限性，未發(fā)現(xiàn)硅質巖的形成與生物化學作用及火山作用有關的跡象[3，4]。

研究表明，區(qū)內硅質巖形成于陸緣裂谷或裂谷向小洋盆過渡環(huán)境，顯示了洋中脊硅質巖與相對遠離大陸邊緣環(huán)境硅質巖共存的特征。這說明硅質巖的形成環(huán)境具有陸緣環(huán)境與近洋中脊環(huán)境的雙重性，可能為陸緣裂谷或裂谷向小洋盆過渡環(huán)境。這一觀點與張國偉(2003)提出本地區(qū)前奧陶紀-泥盆紀存在裂谷的論斷相近似[14]。

硅質巖的沉積成巖熱水可能為與下伏中酸性火山巖進行水-巖反應的深循環(huán)海水，其成巖后可能受到了來自上地幔熱液的疊加改造。礦區(qū)中除硅質巖型鈾礦石樣品外，其他樣品均顯示出與下伏中酸性火山巖相同的稀土元素配分模式，說明成巖熱水為與下伏中酸性火山巖進行水-巖反應的深循環(huán)海水。硅質巖型鈾礦石略富集LREE，這可能與來自上地幔的熱液在上涌過程中吸收了殼源的LREE有關；也可能與分析測試方法(硅質巖與后期脈體混合粉末樣品測量取平均值)有關。但HREE的未虧損趨勢已顯示了幔源的特點，所以認為上述觀點可以成立。這與陳友良(2008)認為本地區(qū)后期成礦熱液為殼幔混源的觀點相近[15]。但由于礦化硅質巖樣品較少，難于具有代表性，還有待后續(xù)工作的進一步證實。

[1]趙鳳民.中國鈾礦床研究評價(第四卷 碳硅泥巖型鈾礦床)[M].北京：核工業(yè)北京地質研究院，2011,240-256.

[2]杜樂天.我國碳硅泥巖型金(鈾)成礦規(guī)律及遠景預測[M].北京：核工業(yè)北京地質研究院，1993，40-57.

[3]周德安，羅 毅.南秦嶺西段志留系硅灰?guī)r透鏡體成因及與鈾礦化的關系[M].北京：北京鈾礦地質研究所，1979，1-16.

[4]朱西養(yǎng)，陳友良，張成江，侯明才，等.若爾蓋鈾礦田富大礦體定位條件和擴大方向研究報告[R].廣漢：核工業(yè)280研究所，2008，1-134.

[5]Bostrom K.Provenance and accumulation rates of opaline silica: Al, Fe, Mn, Cu, Ni, and Co in Pacific pelagic sediment [J].Chemical Geology, 1973, 11: 123-148.

[6]Adachi M，Yamamoto Kand Sugisaki R.Hydrothermal chart and associated siliceous rocks from the northern Pacific: their geological significance as indication of ocean ridge activity [J]. Sedimentary Geology, 1986, 47: 125-148.

[7]Murry R W, Buchholtz Ten Brink M R, Gerlach D C, Russ G P, Jones D L. Rare earth, major, and trace elements in chert from Franciscan Complex and Monterey Group: Assessing REE sources to fine-grained marine sediments [J]. Geochim Cosmochim Acta, 1991, 55: 1875-1895.

[8]Rona P A.Criteria for recognition of hydrothermal mineral deposits in ocean crust[J]. Economic Geology, 1987, 73(2): 135-160.

[9]Marchig V.Some geochemistry indicators for discriminational between diagenetic and hydrothermal metalliferous sediments [J]. Marine Geology, 1982, 58(3): 241-256.

[10]丁悌平，萬德芳，李金城，等.硅同位素測量方法及其地質應用[J].礦床地質，1988，7(4)：90-95.

[11]丁悌平，蔣少涌，萬德芳，等.硅同位素地球化學[M].北京：地質出版社，1994，31-42.

[12]李延河，丁悌平，萬德芳.硅同位素動力學分餾的實驗研究及其地質應用[J].礦床地質，1994，13(3)：282-288.

[13]宋天銳，丁悌平.硅質巖的硅同位素(δ30Si)應用于沉積相分析的新嘗試[J].科學通報，1989，34(18)：1408-1411.

[14]張國偉，董云鵬，賴紹聰，等.秦嶺-大別造山帶南緣勉略構造帶與勉略縫合帶[J].中國科學(D輯)，2003，33(12)：1121-1135.

[15]陳友良.若爾蓋地區(qū)碳硅泥巖型鈾礦床成礦流體成因和成礦模式研究[D].成都理工大學， 2008.

Geochemical Characteristics of Hot Water Deposited Siliceous Rock in Jiangzha Uranium Deposit

ZHANG Yan, QI Fu-cheng, ZHANG Zi-long, LI Zhi-xing, WANG Wen-quan, YANG Zhi-qiang

(CNNCKeyLaboratoryofUraniumResourceExplorationandEvaluationTechnology,BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing10029,China)

Systemic research of major elements, trace elements, and Si isotope on siliceous rock samples in Jiangzha uranium deposit indicate that the rock is of hot water genesis and may formed in rift setting or rift to small ocean basin setting.The diagenesis water might was deeply cycled seawater which reacted with underlyn acidic volcanic rock and might surfer the later alteration by hydrotherm from the upper mantle.

Jiangzha uranium deposit;siliceous rock;hot water sedimentation genesis; forming environment; source of hydrothermal

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.02.003

2014-10-24 [改回日期]2014-11-19

張 巖(1987—)，男，在讀碩士研究生，專業(yè)方向：礦產(chǎn)普查與勘探。E-mail：zhongmou111@126.com

1000-0658(2015)02-0081-08

P581;598

A