相山鈾礦田基底變質巖原巖恢復及構造環境判別

馬永勝，聶江濤，郭建，司志發，劉軍港

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

相山鈾礦田作為我國最大的火山巖型鈾礦田，長期以來備受鈾礦地質學家的關注［1-19］。目前，有關該礦田淺表的火山巖、次火山巖及相關脈巖已展開了詳細的巖石學、地球化學和同位素年代學等研究［1-4，6］；此外，對于相山鈾礦田鈾礦化特征、關鍵控礦要素及其成礦作用等方面也進行了詳細的研究與討論，取得一系列豐碩的科研成果［1-2，6-8］。尤其是近年來核工業北京地質研究院啟動了相山鈾礦田深部多金屬鈾成礦理論的研究計劃，發現深部除具有鈾礦化信息外，還具有較好的鉛鋅找礦潛力［2-4］；與此同時，隨著科學深鉆的實施，進一步揭穿了相山火山盆地基底與蓋層的巖性界面，發現其深部廣泛發育厚度較大的中-淺變質巖。然而，一直以來，由于受蓋層的覆蓋使得相山鈾礦田基底變質巖的研究較為薄弱，缺乏足夠關注。因此，本文以相山鈾礦田基底變質巖為研究對象，對江西相山鈾礦田深部巖心進行系統取樣，通過巖石學及礦物學、地球化學等方面的研究，并結合區域地質成果，進一步開展原巖恢復及成因環境的機制研究，從而為相山鈾礦田深部地質演化提供一定的理論依據。

1 區域地質概況

相山鈾礦田位于揚子板塊與華南板塊縫合線南緣，呈橢圓形，東西長26 km，南北寬16 km，面積約316 km2，為中國目前最大的陸相火山巖型鈾礦田。

相山鈾礦田在大地構造位置上處于揚子板塊與華南板塊的邊緣縫合地帶（圖1a），經歷了多期次構造及巖漿演化活動，其中以中生代陸相火山活動最為強烈［1，4］。加里東期，華南板塊與揚子板塊碰撞，在造山帶內部形成一系列NE 向深源斷裂；燕山期早期，隨著太平洋板塊強烈的俯沖，深源斷裂在強烈的區域擠壓構造應力作用下發生平移，形成NE 向走滑構造斷裂體系，從而為相山中酸性巖漿的噴發活動提供可能；燕山晚期，板塊俯沖減緩，板塊弧后松弛促使其構造應力由擠壓轉為拉張，遂川-德興斷裂在拉張構造應力下，產生一系列小型斷裂和構造裂隙（圖1b），這為后期成礦流體的運移和富集成礦提供了成礦空間與可能，從而促使相山鈾礦田的形成［1-2，5，13，18-20］。

圖1 相山鈾礦田大地構造位置（a）與地質簡圖（b）（據文獻［6］修改）Fig.1 Tectonic location（a）and sketch geology map（b）of Xiangshan uranium ore field（modified after reference［6］）

相山火山盆地的火山侵入雜巖體主要由碎斑流紋巖、流紋英安巖和花崗斑巖等組成，其基底主要為中元古界晚期低綠片巖相-角閃巖相變質巖系，在晉寧晚期及加里東期經歷了強烈的變質、變形作用［7，11］。前人通過研究相山地表出露的變質巖發現，其巖石類型復雜，淺變質作用顯著，主要發育庫里組和上施組。庫里組巖性主要為含十字石榴千枚狀二云片巖、石榴二云石英片巖及細粒砂巖；上施組巖性主要為石榴石英片巖、石榴二云千枚巖及石榴黑云母粉砂巖，并且遭受了一定的區域變質作用［5］。

2 樣品采集及分析方法

鈾礦第一科學深鉆CUSD1 顯示，地層從上到下依次為南雄組碎屑沉積物（砂巖、礫石等），厚度約50 m；鵝湖嶺組碎斑流紋巖、熔結凝灰巖，厚約1 000 m；打鼓頂組流紋英安巖、熔結凝灰巖，厚約200 m；安源組砂礫巖，厚約150 m；深度14 60.30～2 812.03 m 的中元古代厚層基底變質巖，厚度未見底。本文采集鉆孔1 460.30～2 812.03 m 處的15 個基底變質巖巖心樣品，并對其進行全巖主微量元素、稀土元素測試分析。

地球化學分析測試由核工業北京地質研究院分析測試所完成。分析樣品均為新鮮無蝕變的巖心樣品。主量元素利用PW2404 型X 射線熒光光譜儀進行掃描測定，分析測試條件：電壓為50 kV，電流為50 mA，分析誤差小于5%；微量元素利用德國Finnigan-MAT 公司的HR-ICP-MS X射線熒光光譜儀進行分析測試，測試濕度為30%，溫度為20℃，相對誤差根據微量元素含量分別為＜5%（＞10×10-6）、＜10%（＜10×10-6）。

3 巖石學及礦物組合特征

本文根據變質巖結構構造等特征，把變質巖分為片巖、千枚巖、板巖，其主要礦物為石英、白云母、黑云母、斜長石及鈉長石等。

3.1 白云母石英片巖

白云母石英片巖以灰黑色為主，重結晶作用明顯，片狀構造（圖2a）。巖石為顯晶質鱗片粒狀變晶結構、斑狀變晶結構，局部保留有變余砂狀結構，組成礦物主要有白云母（20%～25%）、絹云母（20%～30%）、石英（35%～40%）、長石（約15%）、黑云母（約5%）。礦物以粒狀、片狀為主，定向性差，大小不均（圖2b），粒徑主要集中在0.1～0.15 mm。主要變質礦物組合為石英+白云母+絹云母+斜長石+黑云母。

3.2 絹云母石英千枚巖

絹云母石英千枚巖硬度大，呈淺灰黑色（圖2c）。顯微鏡下片理面上可見由細小鱗片狀礦物定向排列而成的絲絹狀光澤，以變余粉砂-顯微粒狀變晶結構為主，千枚狀構造（圖2c）。組成礦物主要有石英（20%～30%）、長石（20%～30%）、白云母（5%～10%）和少量碳質；變質礦物有絹云母（20%～30%）和綠泥石（3%～7%）。礦物長軸方向長度為0.03～0.05 mm，絹云母沿長軸方向排列在拉長變形的石英顆粒間構成千枚狀構造（圖2d），絹云母、方解石等礦物定向排列，部分斜長石等礦物保持原巖結構，泥質、碎屑成分較多，方解石、斜長石等礦物變質程度較低（圖2e）。變質礦物組合為石英+鈉長石+絹云母+綠泥石。

3.3 硅質板巖

硅質板巖致密，顏色較深（圖2f），顯微鏡下以變余粉砂-顯微鱗片狀變晶結構為主，板狀構造、變余層理構造（圖2g、h），見后期發育的石英脈充填（圖2i）。礦物組成主要有石英（40%～50%）、泥質（5%～10%）、碳質（15%～20%）、絹云母（5%～10%）、黑云母（5%～10%），顆粒粒徑為0.01～0.03 mm。變質礦物組合為石英+絹云母+黑云母。

圖2 相山基底變質巖顯微及野外照片Fig.2 Field photos and microscopic feature of metamorphic rocks from Xiangshan basement

4 地球化學特征

4.1 主量元素

三種變質巖的主量元素分析結果見表1，其中硅質板巖SiO2含量平均為66.81%，相對于其他兩種變質巖，其含量更高，且Si值較高，為223.26；絹云母石英千枚巖具有更高的K2O 與Al2O3含量；白云母石英片巖的alk 值平均為17.22，顯示鈉鉀含量較低。所有樣品的SiO2含量為60.08%～69.56%，平均為65.50%，低于石英砂巖（91.50%）和長石砂巖（77.10%），接近古生代雜砂巖（66.10%）［16］，顯中酸性。Al2O3含量為11.70%～18.57%，平均含量為15.00%，顯示高鋁特征。本套巖石Al2O3/SiO2為0.17～0.29，平均為0.23，與雜砂巖相近，顯示碎屑沉積物近于源區，分選型差，成熟度較高［21］。TiO2含量除了樣品SD1-47 為1.00%外普遍小于1%。K2O 與Na2O 的含量變化較大，總體上，Na2O＜K2O。FeO與Fe2O3含量分別為2.69%～5.99%和1.10%～2.21%，平均含量分別為4.50%和1.58%，差異明顯，部分巖石富鐵，部分鐵含量相對較低，推測巖石具有兩個系列的類型。從巖石化學組分來看，原巖類型比較復雜，規律性較差。尼格里參數fm 值介于22.19～36.48，平均為31.96，Si 值為175.79～255.04，平均為210.56，可見巖石整體以高鎂鐵、富硅為特征，含有較多的石英、云母礦物。c 值介于1.81～11.70，平均值為4.36，說明巖石普遍含鈣質，且含量相對較低。al值介于42.65～55.39，平均值為47.74，顯示高鋁特征。alk 值介于12.84～20.52，平均值為15.94，顯示低鈉鉀特征。根據主量元素化學特征分析，巖石成熟度較高，顯示高鎂鐵、富硅、富鋁，低鈉鉀的特征。

4.2 微量元素

三種變質巖的微量元素分析結果見表2。結合微量元素原始地幔標準化蛛網圖可知（圖3），各元素含量變化較為均一，總體分異程度較低，且含量均大于原始地幔。

圖3 變質巖微量元素原始地幔標準化蛛網圖（原始地幔數據引自文獻［22］）Fig.3 Primitive mantle normalized trace element spider diagram of metamorphic rocks（standardized data quotes from reference［22］）

絹云母石英千枚巖Th平均含量為9.69×10-6，U 平均含量為1.64×10-6；白云母石英片巖Th 平均含量為8.82×10-6，U 平均含量為1.64×10-6；硅質板巖的Th 平均含量為8.20×10-6，U 平均含量為1.52×10-6。白云母石英片巖具有更高的Ce 含量，其平均含量為67.6×10-6，推測其形成環境氧逸度較高。

基底變質巖樣品總體表現為微量元素含量以高Th、La、Nd、Sm、Ba、Cr、Rb，低Nb、Sr、Zr、Hf等為特征。U 含量介于（1.13～2.12）×10-6，平均為1.59×10-6，含量相對較低；Th 介于（6.93～11.20）×10-6，平均為8.90×10-6，Th、U 含量與澳大利亞新太古代頁巖（PAAS）上部陸殼值變化相似，推測其在物質來源上具有一定的相似性［22］。La含量介于（29.5～49.2）×10-6，平均為38.3×10-6，Nd含量介于（24.3～40.0）×10-6，平均為31.6×10-6，Sm含量為（4.50～8.04）×10-6，平均為5.91×10-6，Ba含量為（297～1 106）×10-6，平均為576×10-6，Zr含量介于（24.7～180）×10-6，平均為117.4×10-6，Sr含量介于（97.4～269）×10-6，平均為148.4×10-6，Nb含量介于（8.67～14.5）×10-6，平均為12.02×10-6，Hf 含量介于（0.664～4.80）×10-6，平均為2.85×10-6。

通過研究微量元素含量特征，顯示樣品微量元素整體具有相對較高的Ba、Cr、Rb、K、Th 等元素含量，較低的Nb、Sr、P、Ti、U 等元素含量，推測可能有較多的泥質和有機質成分［23］。由于Nb、Sr、Ti 等元素化學性質在各種介質條件下相對不穩定，易受變質、蝕變、風化等影響，且不易進入晶體產生類質同象置換，所以受碎屑物質長距離搬運沉積和其后熱變質過程的疊加影響，巖石中所含的Nb、Sr、Ti 等元素產生了遷移丟失。

4.3 稀土元素

從稀土元素配分曲線展布形式上看（圖4），各樣品的稀土模式較為相似，變質巖整體表現為向右傾斜的變化趨勢，與前人研究的關于相山火山塌陷盆地基底變質巖的特征比較相似［9］。

基底變質巖樣品稀土元素總量（ΣREE）較高，為（132.61～212.51）×10-6，平均為169.38×10-6；輕、重稀土元素比值（LREE/HREE）為6.76～11.49，平均為8.70；LaN/YbN值為6.15～14.65，平均為10.03，顯示輕、重稀土元素分餾較為明顯，且輕稀土相對富集、重稀土相對虧損，重稀土一側近于平行，總體展布較為平緩。δEu 為0.60～1.12，平均為0.72，小于1，表現為負異常；δCe為2.93～3.86，平均為3.36，表現為正異常，分異程度相對較小，推測其沉積氧化程度較顯著［21］。Th/U 為4.47～7.82，平均為5.67，普遍高于太古宙上地殼（3.8），Th/U值較高，反映了較強烈的沉積再循環作用［24］。La/Sc 為1.88～3.54，平均為2.62，Th/Sc 為0.43～0.75，平均為0.61。結合圖3，稀土元素的分異和Eu 負異常，顯示變質再循環地殼的特點，推測其物質與源于古老地殼的再循環有關。

絹云母石英千枚巖Eu平均含量為1.32×10-6，Ce平均含量為66.2×10-6；白云母石英片巖Eu平均含量為1.36×10-6，Ce平均含量為67.6×10-6；硅質板巖的Eu含量平均為1.24×10-6，Ce 含量平均為63.2×10-6。三種變質巖Ce 含量均較高，δCe 平均值分別為3.06、3.38、3.65。絹云母石英千枚巖與白云母石英片巖、硅質板巖的LaN/YbN平均值分別為7.44、9.74、12.91，結合變質巖稀土元素北美頁巖標準化（NASC）蛛網圖顯示（圖4b），樣品稀土元素總體含量與北美頁巖（NASC）含量比較相近，顯示原巖具有沉積巖的特征［25-26］。

圖4 變質巖稀土元素球粒隕石（a）與北美頁巖標準化蛛網圖（b）（球粒隕石數據引自文獻［22］，北美頁巖數據引自文獻［25-26］Fig.4 Chondrite normalized（a）and North American shale normalized（b）REE pattern of metamorphic rocks（chondrite data quotes from reference［22］，North American shale composite date quotes from reference［25-26］）

5 原巖恢復及成因環境探討

變質巖都是特定原巖在相對較為封閉的條件下經變質作用的產物，其化學變化基本是等化學的，主要受原巖形成作用和成巖構造環境的影響，因此，通過研究巖石地球化學特征，基本可以反映原巖的特征［12］。本文主要結合變質巖原巖恢復機制以及樣品的巖石地球化學主微量數據特征，對所采集的深部樣品進行原巖恢復性研究。

5.1 原巖恢復

根據TiO2-SiO2圖解（圖5），樣品沿沉積巖、火山巖分界線邊緣兩側分布，且大多落在沉積巖區域，推測原巖可能來源于一定風化作用的基性火成巖、碎屑泥質巖或雜砂巖。

圖5 TiO2-SiO2圖解（據文獻［27］修改）Fig.5 Diagram of TiO2-SiO2（modified after reference［27］）

利用深部樣品巖石地球化學分析結果，計算尼格里參數后進行原巖恢復的投圖，由尼格里參數對Si投影圖（al+fm）-（c+alk）-Si圖解顯示（圖6），大多數樣品投點落于沉積系列厚層泥質巖區域，這與相關學者的研究結果比較相似［5］，推測相山基底變質巖原巖主要為泥沙質，泥巖含有大量有機質和炭化植物碎屑，所以形成的變質巖內也相應含較高的碳。結合圖5與圖6，推測巖漿源區存在兩端元不均一的混合作用或在巖漿上升過程中與圍巖發生同化混染、變質作用。巖石內泥質成分較多，所以在變質作用下容易形成沉積碎屑巖，在鏡下，觀察到長石、石英等礦物的結構構造較好，晶形變化微弱，推測其變質程度較低（圖2e）。這與鏡下觀察巖石組構和巖石宏觀產狀得出的結論具有較好的一致性，以上研究結合尼格里參數對Si投影圖，推測本次樣品其原巖屬于淺變質作用類型的陸源碎屑巖。

圖6 （al+fm）-（c+alk）-Si圖解（據文獻［28］修改）Fig.6 Diagram of（al+fm）-（c+alk）-Si（modified after reference［28］）

在A-C-FM判別圖解中（圖7），根據巖石學及礦物學特征顯示樣品含有較多鈣鎂、鋁硅酸鹽礦物，樣品主要集中落于富鎂硅酸鹽巖、鋁硅酸鹽巖區域，推測其原巖為富鎂沉積巖、泥質碳質硅質巖，可能有部分火山凝灰巖。這與胡恭任等研究的贛中變質巖帶結晶基底原巖為泥質巖、碳質巖及硅質巖，副變質巖原巖為雜砂巖、黏土等特征有一定的相似性［11］。

圖7 A-C-FM判別圖（據文獻［29］修改）Fig.7 Diagram of A-C-FM（modified after reference［29］）A—Al2O3/（Fe2O3×2+FeO+MgO+CaO+Al2O3）×100%；C—CaO/（Fe2O3×2+FeO+MgO+CaO+Al2O3）×100%；FM—（Fe2O3×2+FeO+MgO）/（Fe2O3×2+FeO+MgO+CaO+Al2O3）×100%。

根據以上TiO2-SiO2圖解與A-C-FM 判別圖解分析，本區變質巖其原巖比較復雜，推測其原巖主要為一套陸源海相沉積泥質巖、砂巖及粉砂巖系列的淺變質作用類型的陸源碎屑巖，主要有巖屑砂巖、富鎂沉積巖、泥質碳質硅質巖，可能有部分火山凝灰巖。

5.2 構造環境判別

陸源變質沉積碎屑的化學組分受風化、侵蝕、搬運沉淀及成巖后生作用等多重影響因素，這些影響因素又與相應的構造環境有緊密的關系［23］。微量元素可以較好的反映源區原巖的地球化學特性［30］?；鬃冑|巖的∑REE、δEu、LaN/YbN、Th/U、Th/Sc、La/Sc 值顯示大陸邊緣沉積物的特征［31］。

根據微量元素構造判別圖顯示，樣品大多數點投于大陸弧環境（圖8），顯示其原巖主要以大陸弧構造環境為主，這與前人關于贛中相山變質巖的研究結果比較相似［20］。根據鏡下觀察，長英質礦物在構造應力作用下使粒狀長石、石英拉長，并定向分布（圖2d）；結合巖石礦物學特征與TiO2-SiO2圖解及（al+fm）-（c+alk）-Si圖解，可推測基底變質巖原巖可能是在相應的構造環境下緩慢沉積演化的。前人研究表明揚子地塊南緣新元古代沉積巖形成于活動大陸弧后盆地，其碎屑物主要在大陸構造環境下，由島弧火山噴發形成沉積碎屑巖［30，32-33］。從變質巖原巖自下而上巖性、粒度的變化和變質巖內礦物顆粒變形特征可以推測，從元古宙開始陸源碎屑物搬運距離和母巖風化產生的碎屑物質種類均發生過較大變化，同時遭受變質變形疊加改造，其具有較高的成熟度，是經歷搬運沉積和地球化學殼內再循環的產物，同時在沉積作用過程中，伴隨有相應的火山活動。

圖8 微量元素構造環境判別圖（據文獻［32］修改）Fig.8 Discrimination diagrams of tectonic setting（modified after reference［32］）

6 結論

1）相山鈾礦田基底變質巖成熟度較高，總體以高鎂鐵、富硅、富鋁，低鈉鉀為特征。

2）相山鈾礦田基底變質巖原巖成分復雜，推測其主要為一套陸源海相沉積泥質巖、砂巖及粉砂巖系列的淺變質作用類型的陸源碎屑巖，主要有巖屑砂巖、富鎂沉積巖、泥質碳質硅質巖，可能有部分火山凝灰巖。

3）根據主微量構造判別圖，推測相山鈾礦田基底變質巖其原巖為大陸島弧構造環境下形成的沉積碎屑巖。