相山火山盆地航空放射性钾增量异常特征及其成因

相山火山盆地航空放射性钾增量异常特征及其成因

随着我国铬资源年产量的增加，新的铬资源开发蓬勃发展，对锆资源的研究也面临着一个新的发展阶段。然而由于找矿方向由初期找露头、浅部和易识别矿转为找深部、隐伏和难识别矿,找矿难度日益加大,找矿方法期待与时俱进。如何对现有资料进行再开发获取“隐伏矿”的找矿信息,实现最小程度的勘查投入和最大程度的找矿突破,已成为当前铀矿地质工作者急需解决和面临的问题。本文基于航空放射性K能谱数据再开发,阐述了相山地区钾增量场的空间分布特点与分布规律,并对相山矿田矿石、蚀变岩石、未蚀变岩石进行详细的野外地质调查以及其显微岩石学和元素地球化学对比研究,旨在探讨钾增量亏损场(带)的地质成因及其与铀成矿的关系,为航空放射性资料的再开发成果在相山地区、乃至火山岩型铀矿成矿远景区预测与找矿提供识别依据和理论方法。1矿田围岩蚀变相山铀矿田处于扬子准地台与华南褶皱系两个一级大地构造单元相接壤的部位,同时又位于总体呈北东向的赣杭火山岩铀成矿带与呈北北东向展布的大王山—于山花岗岩铀成矿带的交接部位(图1)(邱爱金等,1999;胡瑞忠等,2004;黄锡强等,2008;陈正乐等,2011)。区内岩浆活动频繁,其中以燕山晚期火山活动最为强烈,发生了高强度、大规模的铀成矿作用,形成了相山铀矿田。相山矿田的地层主要包括变质岩系、火山岩系和红色沉积岩系三大部分,分别构成相山火山盆地基底、火山盆地盖层和“红盆”盖层。其赋矿围岩是一套火山-侵入杂岩,形成于早白垩世(杨水源等,2010)主要是由碎斑熔岩、流纹英安岩(包括流纹英安斑岩)和晚期的花岗斑岩组成(图1)。矿田围岩蚀变普遍发育,主要有:水云母化、绿泥石化、长石化、碳酸盐化、萤石化、赤铁矿化。铀矿化主要与水云母化、赤铁矿化、萤石化和绿泥石化有关。成矿前蚀变以面式蚀变为特征:北部和东部主要为钠长石化,西部则为水云母化;成矿期蚀变以赤铁矿化、萤石化、水云母化、绿泥石化、碳酸盐化、黄铁矿化为特征,具有分带和空间叠加现象;成矿后期蚀变包括硅化、萤石化、碳酸盐化等,显脉状充填于裂隙中。已探明的铀矿床主要分布在火山盆地的北部和西部,其中北部的铀矿床多定位于NE向、EW向构造、推覆构造和环状火山塌陷构造复合部位,西部的铀矿床受NE向、NW向、EW向、近NS向构造及火山塌陷构造控制。矿化体直接发育于主断裂带或者紧靠主断裂的破碎带内及其旁侧的次级裂隙构造内,矿化对岩性没有选择性(邵飞等2008),与断裂构造的发育程度有关。铀成矿年龄主要集中在120Ma和80~100Ma两个时间区段(巫建华等,2011),与赋矿围岩存在矿岩时差(邵飞等,2007)。2试验与分析方法首先对航放能谱K测量数据进行处理,编制航放钾增量等值图,分析航空放射性增量异常场的空间分布特征与规律,开展地质资料与钾增量场的叠合分析。在此基础上,开展对应于钾增量异常场的地质特征野外调查,系统采集了油家山-邹家山剖面、居隆庵地区、浯漳-云际-沙洲矿床热液蚀变剖面的矿石、蚀变岩石及正常围岩样品,采集的主要岩石单元为碎斑熔岩和花岗斑岩,并对样品开展了显微岩石学、常量元素和微量U、Th测试与研究。硅酸盐全分析由核工业290研究所完成,采用X射线荧光光谱法进行测定,相对误差<5%,仪器型号为飞利浦PW2404X射线荧光光谱仪;微量U、Th分析由核工业北京地质研究院分析测试中心完成,采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)方法进行测定,所用电感耦合等离子质谱仪为Finnigan-MAT公司产ElementⅠ型,检测能力小于1×10-9,RSD<2%(1h),灵敏度:1000cps/1×10-12Rh(R=300)。样品的分析测试结果列于表1。钾增量值是在计算某地层(或岩石)单元的航空伽玛测量获得的钾平均值作为单元背景值的基础上确定,是指航放测量点的钾含量与其所在地层(或岩石)单元钾背景值之差,用符号△K表示。测量单位用ppm表示。3矿床构造空间对应性分析以钾增量值(△K)小于0ppm、0~0.2ppm、0.2~0.4ppm、0.4~0.6ppm、大于0.6ppm为值域,将相山地区钾增量场进行数据投影并作等值线图,得到相山地区钾增量场空间分布图(图2)。图中显示相山火山盆地钾增量场表现出以下特征:在相山火山盆地区,钾增量值域存在较大的不均匀性,并显现出正值域与负值域呈相间带状展布特点,带状展布为NE向。由火山盆地SE侧往NW侧,分别发育5条△K正值带和4条△K负值带。5条正值带依次是苔州-6129-浯漳、云际-相山-芙蓉山、沙洲-邹家山、窑上-6136-6124、400-621-同富。负值带是6119-上南、6115-6123、横涧-6122-居隆庵、芜头-王家边。NE向△K正值域带内,除云际-相山-芙蓉山增量带空间连续性较好外,其余正值带并不连续,呈孤岛状NE向断续延伸。△K正值域带宽度变化较大,介于5km~1km之间。钾增量场与断裂构造空间对应性:将相山盆地钾增量场与地质场叠加分析可见(图2),钾增量带表现出的NE向空间延伸趋势方位与区内主要断裂构造的展布方位(NE向)是一致的,且NE向钾增量负值带与NE向断裂空间位置上两者表现出较好的吻合性。由NW侧向SE侧,钾增量负值带依次与NE向展布的F2、F3、F4、F5、F6断裂相对应。此外,相山西部NW向Fb断裂、北部SN向Fa断裂与局部钾增量负值区在空间位置上也表现出较好的吻合性。依据上述现象,推测相山火山盆地内钾增量场空间分布受NE向断裂构造的制约,两者之间存在内在的成因关系,NE向断裂构造控制了钾增量负值带的发育位置和空间展布趋势。钾增量场与岩石单元的空间对应关系:研究发现,同为鹅湖岭组,或打鼓顶组、或花岗斑岩岩石单元,既有对应于钾增量正值域区,也可见负值域对应其中,说明钾增量场与相山火山盆地发育的火山岩地层之间没有专属的对应关系,说明现今发育的K增量场是原生钾含量场叠加后期K再分配或K增量事件的产物。具体到某一火山岩地层单元,一方面,钾增量场分布范围与地层分布范围表现出不一致性,即某一岩层的部分位置表现为钾增量正值区,而其它范围则表现为钾增量负值区。另一方面,钾增量正值带(NE向)的空间延伸方位与地层的走向也未表现出一致性,且NE向钾增量正值带的分布范围往往跨越了不同的岩石或地层单元。已知铀矿床(点)与钾增量场的对应关系:相山火山盆地内现已发现的铀矿床或矿点,绝大部分分布低钾增量值带或负钾增量值带(△K小于0.2ppm或为负值区),其它铀矿床或矿点产出基本位于大致与钾增量低值带与高值带两者的递变部位对应。其中浯漳、上南、6129、615、6110、6122-14、6134-34等铀矿床位于钾增量值为0.2~0.4ppm的边缘地带;323铀矿床位于钾增量值为0.4~0.6ppm的边缘地带;6113铀矿床位于钾增量值为大于0.6ppm的边缘地带。该现象似乎给予以下启示:相山火山盆地内铀矿床的定位与钾增量相对亏损场(带)具有良好的对应关系,铀成矿作用发生及其矿床的形成,应与区内低或负钾增量带具有成因联系,成矿流体可能具有相对贫钾或蚀变过程具有“去钾”作用。4异常钾累积异常的地质地球化学特征4.1显微蚀变岩石学特征野外地质调查研究发现,相山矿田发育的铀矿床具有明显的蚀变分带特征,区内与钾增量亏损场(带)大致对应的地质场表现特征为“灰绿色”蚀变带,“灰绿色”蚀变带沿断裂构造或构造裂隙带走向呈网状、脉状、带状等不规则形态。蚀变带与铀矿体的发育表现出密切的空间对应关系,表现形式一般为:中心是铀矿脉(萤石型矿石+红化型矿石),两侧为宽度较大的水云母化带,水云母化蚀变强度从矿脉中心往两侧逐渐变弱,直至过渡为正常岩石。铀矿体形态主要呈脉状、细脉状和透镜状产于“灰绿色”蚀变层,断裂构造或裂隙带、蚀变带及铀矿体三者产状基本吻合,暗示相山火山盆地蚀变带及与之有密切成因联系的铀矿体发育、展布,受断裂构造或裂隙带控制。本次研究以相山盆地碎斑熔岩和花岗斑岩及其对应的蚀变岩石为代表,开展显微蚀变岩石学研究工作。宏观上,相山火山盆地正常(未蚀变)碎斑熔岩颜色通常为灰白色、灰色、灰红色和灰黑色。花岗斑岩多显浅灰色、灰白色,两者岩石均显块状构造、斑状结构,斑晶主要成份为长石和石英。遭受热液蚀变后碎斑熔岩和花岗斑岩颜色发生了显著的变化,蚀变较弱者岩石颜色一般呈现为不均匀斑点状绿色,蚀变强者岩石颜色通常为灰绿色、浅绿色。显微研究显示,灰或浅绿色碎斑熔岩和花岗斑岩的蚀变类型主要包括水云母化、绿泥石化,其次是碳酸盐化和萤石化,其中水云母化主要以鳞片状交代钾长石和基质,呈不均匀状分布。强水云母化碎斑熔岩斑晶矿物相对破碎,裂隙发育,可见破碎的石英斑晶,凸显出典型的碎斑特点;黑云母均遭受不同程度的绿泥石化,且绿泥石呈挠曲状或片状,并保留黑云母的“假象”。花岗斑岩受到不同程度的蚀变,蚀变较强的花岗斑岩,遭受了强烈的水云母化,基本看不到完整的长石,石英钾长石保留了一定的文象结构,可见黑云母的白云母化;蚀变较弱的花岗斑岩,钾长石斑晶遭受蚀变很弱,裂隙带有绢云母化发育,可见明显的石英钾长石文象结构。红化型铀矿石中可见长石斑晶,但均发生蚀变,主要蚀变有赤铁矿化、钠长石化、水云母化。萤石型铀矿石中长石、黑云母和石英斑晶面目全非,很难辨别出矿物性质。综上所述,岩石在遭受后期热液蚀变后,其岩石学特征上发生了显著的变化。不仅在宏观上颜色存在明显的区别,其中显微结构以及矿物组成也发生了不同程度的变化。特别值得注意的是钾长石和基质广泛被水云母、绿泥石、碳酸盐和萤石交代,暗示强烈的交代蚀变作用可能导致岩石中K质含量呈现降低的趋势。4.2蚀变岩石中ko、th、u/th元素含量特征相山火山盆地岩石(碎斑熔岩、花岗斑岩)及其相对应的蚀变岩石主量元素的分析结果列于表1。数据结果及相关图解显示:(1)正常(未蚀变)碎斑熔岩K2O含量比较稳定,介于5.03%~5.28%,平均含量值为5.17%。遭受水云母化蚀变后的碎斑熔岩K2O含量较未蚀变碎斑熔岩变化幅度增大,介于3.03%~5.29%,平均含量则降至为4.66%。花岗斑岩的K2O含量明显高于碎斑熔岩,主要介于5.46%~7.27%区间,平均含量为6.13%。遭受水云母化蚀变后的花岗斑岩K2O含量变化区间则为1.55%~5.97%,平均含量降至为4.83%。该结果暗示岩石遭受蚀变后,其中钾质含量递降,蚀变场可能对应于航空放射性钾增量场中的相对“亏损场”。上述数据变化特点与蚀变岩石学显微研究得到的“蚀变带岩石中钾长石和基质广泛被水云母交代”认识是相吻合的。(2)Na2O表现出与K2O类似的变化特点:碎斑熔岩与蚀变碎斑熔岩Na2O平均含量分别为2.83%、2.55%。花岗斑岩与蚀变花岗斑岩平均含量分别为2.89%、1.93%。图3显示,蚀变岩石Na2O含量投影点较未蚀变岩石Na2O含量投影点呈现出向“下移”的趋势。上述表明蚀变后岩石中的Na2O含量显示出明显降低的变化趋势。结合前述K质含量变化特点,说明相山地区热液蚀变过程,是一个K、Na同步迁出的过程。(3)图3显示,与蚀变碎斑熔岩比较,碎斑熔岩矿石中K2O含量投影点表现出向“左移”的趋势,Na2O含量投影点则呈现出向“上移”的趋势,且K2O与Na2O显现出良好的负相关性。该现象暗示矿化作用会导致岩石中K质含量较蚀变带更低,Na含量更高,这与蚀变岩石学显微研究得到的矿化带岩石中钾长石被钠长石、萤石、水云母交代的认识基本吻合。(4)表1显示,碎斑熔岩中U、Th和U/Th平均值分别为9.41×10-6[变化范围(7.84~13.1)×10-6]、25.6×10-6[变化范围(21.1~28.3)×10-6]和0.36[变化范围(0.28~0.49)];蚀变碎斑熔岩中U、Th和U/Th平均值分别为11.41×10-6[变化范围(6.58~14.6)×10-6]、26.4×10-6[变化范围(20.5~28.9)×10-6]和0.43[变化范围(0.32~0.49)];碎斑熔岩矿石中U、Th和U/Th平均值分别为350×10-6[变化范围(107~739)×10-6]、82.2×10-6[变化范围(35.6~174)×10-6]和4.36[变化范围(2.27~9.41)]。以上数据显示,从矿石带-蚀变带-正常岩石带U、Th和U/Th值均表现出逐渐降低的趋势。结合野外地质调查发现,围岩蚀变总是发育在已知铀矿体的四周,铀矿体与蚀变围岩之间、蚀变围岩与正常围岩之间呈现出渐变的过渡型关系。说明流体作用过程,导致元素活化,使得U、Th元素向矿石带逐渐迁移富集成矿。(5)图4显示,除个别点外,蚀变碎斑熔岩U、Th曲线变化趋势基本一致。与正常碎斑熔岩相比,蚀变带碎斑熔岩U曲线呈现“上移”的趋势,Th曲线也呈现“上移”的趋势,但Th曲线“上移”幅度相对较小。碎斑熔岩和蚀变碎斑熔岩U与U/Th均呈良好的正相关性。结合前述U、Th和U/Th含量变化特征,说明成矿流体在蚀变过程中伴随着U、Th元素同步迁移富集,然而由于Th元素地球化学性质较为稳定,不易活化迁移,致使蚀变带较正常岩石带Th含量增加较小。综上所述,不同地质体钾含量存在差异,然与正常未蚀变岩石比较,水云母化蚀变后岩石的钾增量值呈现出相对降低的趋势,钾增量亏损带(场)的形成是流体与围岩发生交代作用导致的结果,即钾亏损带(场)是流体导致的“灰绿色”蚀变作用结果的响应。正常岩石带遭受热液蚀变作用的过程,伴随着铀、钍的同步带入,钾元素的带出,说明热液蚀变过程与铀成矿作用存在内在的成因联系。蚀变过程导致K2O、U、Th发生的系列变化,为钾增量场信息指导蚀变带识别提供了前提依据。5蚀变盆地的岩性特征及蚀变带的地质意义调查发现,碎斑熔岩和花岗斑岩K2O含量均值分别为5.17%、6.13%,说明不同岩石单元K丰度值是有明显差异,花岗斑岩体具有较高的K本底值。与相应单元正常(未蚀变)岩石比较,遭受热液作用后呈带状展布的“灰绿色”蚀变带岩石中K2O含量明显下降,且蚀变岩石之间K2O平均含量相差较小,碎斑熔岩矿石K2O含量(平均值为2.24%)也呈现出明显下降的特点。综合以上发现,认为相山火山盆地K增量场的发育可能至少受到以下三个方面因素的影响:一是不同单元火山岩岩性及其K本底差异所致;二是晚期花岗斑岩的钾本底值在一定程度上影响了钾增量场分布及其形态特征;三是受断裂构造或裂隙带制约的成矿流体导致的热液蚀变作用。根据钾增量场图解,钾增量正值带与负值带或亏损带呈相间的带状展布,且具有跨地质单元现象。如果钾增量场的发育与分布主要是由于不同单元火山岩岩性及其K本底差异所致,那么在晚期花岗斑岩或次花岗斑岩发育区应普遍表现为钾增量高值区,事实情况是在相山火山盆地花岗斑岩体中既有钾增量正值区,也发育负值区或亏损区。其次,由相山火山盆地出露的岩石单元可知,自火山盆地中心向四周凸显出一定的差异,盆地中部以碎斑熔岩为主,出露面积占盆地内火山岩的75%左右,为相山火山盆地的主体岩性。流纹英安岩主要分布在西北部,花岗斑岩主要分布在南部和东部,规模不大,结合航空放射性测量精度,其相对高的K2O含量不可能引起区域性的影响,钾增量正值带与亏损带分布范围往往跨越不同的岩石单元。综合以上可以排除钾增量场特征是岩性差异及其K本底差异所致的可能性。理论上讲,一次岩浆作用形成的岩浆岩,由于来自同一个岩浆房,其物质组成是相对均一的,同一个岩体或地质体元素含量的变化是后期相关热液作用所致。野外调查也发现,邹家山钾增量低值区水云母化普遍发育,形成的灰绿色蚀变带明显受NE向邹家山-石洞断裂构造控制及后期热液叠加的影响,然而在相山和芙蓉山钾增量高值区却没有出现明显的热液蚀变现象,说明钾增量负值区的形成与岩石遭受后期热液蚀变作用密切相关。研究发现,蚀变岩石与正常未蚀变岩石之间并非以断裂构造为界,而是以渐变式过渡,断裂构造或裂隙带作为成矿流体的运移通道,钾增量亏损场(带)的形成与岩石成岩后成矿流体在蚀变过程中对围岩发生钾质交代有关。结合前述钾增量场特征,NE向钾增量负值带或亏损带与NE向断裂空间位置上两者表现出较好的吻合性,钾增量负值带或亏损带内基本有断裂构造分布。以上地质事实,总体反映了钾增量场受断裂构造控制以及成岩后热液改造的基本属性。需要说明的是,相山盆地热液蚀变带岩石表现为相对钾亏损带,并不是说明导致蚀变的流体性质是贫钾的。比较相山地区与下庄花岗岩地区的蚀变场特征(王如意等,2010),两者有共同之处,均表现相对强烈的水云母化。区别在于下庄地区水云母化主要交代斜长石,而相山地区水云母化则主要交代钾长石以及隐晶质基质,其次相山盆地蚀变的蚀变类型还包括绿泥石化、萤石化、碳酸盐化。由于交代对象不同,导致蚀变产物总K含量变化结果截然不同。原因如下:钾长石的分子式为KAlSi3O8,其中K离子占总矿物的百分比约为14.03%;水云母虽然是含钾矿物,其分子式为(K,Na,H3O)Al2(AlSi3)O10[(OH)2,H2O],不考虑其中Na、H、O离子的占比,其中K最大占比约为10.7%,相比其交代对象钾长石中的K占比显著下降;绿泥石则是一种含(OH)的Fe、Mg、Al的层状硅酸盐,钠长石化的产物是NaAlSi3O