第18讲（铀的成矿机理）.doc

地质学基础与铀矿地质讲义2007（第18讲） 内容提要 第三编 铀的成矿机理 第1章 铀的区域成矿背景及区域成矿作用机理 参看铀资源地质学pp.310-330. 第1章 铀的区域成矿背景及区域成矿作用机理 铀尽管属于性质活波的元素，其矿化作用遍及各种地质环境，类型也十分繁多。但铀矿的大富集，在空间分布上具有明显的差异性。已探明的铀矿床虽然遍及全世界40多个国家，但储量的90％仅局限于10个国家和地区，即澳大利亚、哈萨克斯坦、加拿大、美国、南非、纳米比亚、巴西、乌克兰、乌兹别克斯坦、俄罗斯。 铀矿化这一富集特征，构成了铀的成矿具有一定区域性，这种区带性受一定区域背景条件和铀的区域成矿作用机制所制约和控制。 铀的地球化学特征和行为有以下几个明显的特点 （1）铀是亲石元素，是趋向于在陆壳中富集的元素。在各大岩类中，在酸性岩中丰度最高（花岗岩中为3.510-6），上述丰度特征充分反映了亲石特点。 （2）铀是放射性元素，铀元素在地球中总量随时间的推移而不断减少。自地球形成至今，238U衰减了约50％，235U已衰减了85.35％，合计铀元素约衰减了52％。 （3）铀是变价元素，在还原条件下，铀呈U4，趋于稳定，在氧化条件下，铀呈U6，活波呈搬运态。 （4）在变质相中，随着变质作用的递增，铀逐步减少。 （5）成岩成矿实验结果 ①花岗质熔体中，流体与熔体共存相中铀趋向于熔体，熔体结晶过程当中铀趋向于固相形成铀矿物；流体与结晶熔体共存相时，随熔体结晶时铀又趋向于残浆中富集。 铀在硅酸熔体中这种地球化学属性使我们可对铀在深部的地球化学行为建立起一个循环链，处于深部变质带岩石中的铀趋向于向流体中转移；而变质流体及深部的地幔流体诱导幔层、壳层分熔产生熔体后，铀又趋向于熔体（即岩浆）转移，形成富铀岩浆；熔体（岩浆）向浅部运移，随着温度降低，结晶作用开始，就出现了岩浆结晶早期、初期铀以副矿物或独立铀矿物晶出，所以早期结晶的黑云母、副矿物中铀含量较高；随着结晶作用的进展，残浆逐步饱含挥发组分，富挥发组分流体的产生，使铀又趋向于向流体转化，实现了铀从岩浆熔体转入热液系统的转化。 ②在还原体系的热液中，由于CO2的存在，铀酰离子团能与碳酸根离子络合而稳定地运移，这一实验成果解决了成矿热液中铀地迁移机制问题。 一、地壳类型，地壳演化成熟度与铀成矿作用 地壳分大陆地壳和大洋地壳二个类型。大陆地壳、地幔和地核是地球化学分异地基本表象，所以原始地壳的形成，亦即地球早期地壳特征对铀矿省的形成和控制作用特别明显。大陆地壳的演化类型对铀的活化及成矿有着不同的控制过程，从而也就形成了不同种类的铀矿成矿省。 1、原始硅铝地壳的形成、钾质花岗岩事件与铀成矿作用 目前，测得的最古老地壳的年龄为38108 a，在硅铝地壳（劳亚古陆和冈瓦那古陆）形成之后，在古老地壳区出现了二个重要地质事件，即麻粒岩及紫苏花岗岩事件、钾质花岗岩事件。麻粒岩中缺K、Rb、Cs、U、Th，而钾质花岗岩事件是一次明显的增铀和增不相容元素事件，使铀元素在岩石中丰度从110-6增至510-6610-6以上，这是铀元素在地壳中的第一次增量。 古老的硅铝地壳提供了区域性铀源，这是形成铀矿省的物质前提。这样就导致了这样一个事实，即各种时代，各种类型铀矿省都直接或间接地和古陆壳空间关系密切，反映出铀矿床产出对陆壳地依赖性。 2、古陆壳演化成熟度，古陆壳稳定与铀成矿 铀矿地形成不仅依赖于原始古陆壳的存在，更重要的是与原始陆壳形成的时间、钾质花岗岩出现的时间和规模关系密切，简称为原始地壳的演化成熟度。钾质花岗岩的出现标志着该区原始陆壳演化成熟度高。古陆壳演化成熟度高，富铀钾质花岗岩及古陆壳固化稳定早，不但是含金铀砾岩类型铀矿省判别的主要标志，也是整个地区含铀性好坏、远景大小的重要判别依据。但也有不同意见，认为稳定早，出现特定的铀矿类型，稳定晚，演化充分，也可以出现另外一些重要的铀矿床类型，如中欧的花岗岩型、黑色页岩型铀矿床，中亚的砂岩型铀矿床。 3、地壳类型、地壳活化与铀矿 按传统观念，地壳以康拉特不连续面为界，分为上地壳和下地壳，上地壳为花岗质岩石，下地壳为玄武质岩石。但流变学理论认为，大陆地壳岩石圈具有分层流变模式，大陆地壳具有“三明治结构”的三层结构式，当然还有其他分法。即上地壳和上地幔的脆性形变层夹下地壳的韧性流变层。 目前仅就下地壳的韧性流变层的特征就可以划分出以下四种结构的地壳类型，即稳定克拉通型、古老造山带型、年轻造山带型、活动伸展区型。不同地壳结构类型将会形成不同时代，不同铀成矿带和成矿区。 （1）稳定克拉通的区域背景是铀成矿的最佳构造环境，也是铀成矿后不受改造的最佳保矿环境，该地壳类型是目前找铀矿首选的地壳类型； （2）古老造山带地壳类型和活动伸展区地壳类型的地带，产有具自己特点的铀矿化类型的成矿省，对该地区需要因地制宜地查清其地质热事件和沉积建造后，再确定可能的铀矿目标类型，然后采用适宜的找矿模式开展找矿工作； （3）在年轻造山带区地壳类型目前还没有发现大的铀成矿区，但受其影响的邻区次造山带活动区是寻找砂岩型铀矿的有利靶区。 总之，铀成矿要求的区域成矿背景是动中求静，静中求动，所以对地壳类型与铀成矿关系，要辩证、发展地去看，要综合分析。 古老造山带、年轻造山带和活动伸展区地壳类型是以铀的活化成矿为特征的。 二、大洋地壳的形成与消亡，亏损地幔，富集地幔与铀的成矿作用 大洋地壳是指分布于大洋盆地之下的地壳，从上至下可分为三层未固结的沉积物，平均厚度为0.51 km；固结的沉积物，厚度为1.7 km；厚度不到5 km的玄武岩或辉长岩层。 板块构造被认为是大洋地壳通过大洋中脊的扩张和俯冲带的“消减”，不断形成与消亡，形成的一个新的壳幔作用链。这种再循环的地球化学过程和地球动力学作用，使人们对铀的原始富集的认识跳出了过去仅限于地球演化早期古陆壳形成期的单一模式。 法埃夫（1979）率先提出铀的地球化学旋回概念，强调铀不仅随壳幔分异相对聚集于岩石圈上部，而且在板块消减过程中有转入地幔的现实可能性。 洛卡尔蒂则通过计算进一步指出，随着板块消减作用每年在地幔中铀的净增长长达3.59.5106 kg，而1个百万年就能净增3.59.5109 t 的量，这个数量相当于全球现已探明铀资源量的一二千倍。 由于铀与地幔物质处于强烈不相容态，过量铀的存在使所在地区的地幔成为异常地幔，又称为富集地幔。正是从异常地幔中释放出的过量铀而导致在其上方形成铀矿省。 由于俯冲作用，板块把大洋地壳带入上地幔深处，大洋地壳的地壳层物质在深部通过去水、去气等多种地质作用把赋存于岩石中U、Th等大离子亲石元素从岩石中逸出并转入流体，然后流体再进入地幔的分熔相，最后导致陆下岩石圈出现富集地幔。这类富集地幔（又称源区富集区）大量富集的地壳元素，恰恰是地幔中的不相容元素，如大离子亲石元素K、Rb、Cs、Sr、Ba、Th、U、Ce、Pr，铀作为不相容元素，也存在于富集地幔中，或存在于其流体相中。随着地幔的分熔作用，派生的玄武岩浆，通过底侵作用封闭于地壳底部，诱发壳幔作用，形成壳幔混合型岩浆。上述壳幔过程，通过铀在流体与熔体中的地球化学行为，使铀从富集地幔中向酸性熔体转化，然后再向热液体系转化，最终完成从深部向浅部的迁移。 三、成矿环境与铀的成矿作用 成矿环境主要是指铀矿床形成时的地质环境，它涵盖了铀成矿时的构造环境及地球化学环境。构造环境是指地块所处的地球动力学背景。 1、稳定原始克拉通和古地台、新地台的构造环境与铀成矿 铀成矿无论是内生，还是外生，均需要一个稳定的地壳背景，这个稳定地壳的形成包含了地壳演化成熟度的高低，也涵盖了地球中不同地区不同地段地壳稳定时间的不一致性。 地球中最早于太古代就稳定下来的地盾区，称原始克拉通，元古宙才稳定下来的克拉通，称古地台，显生宙才稳定下来的地段，称年轻地台。稳定克拉通、古地台、新地台构造环境的铀成矿具有以下特点。 （1）外生铀矿床 稳定的构造环境是外生铀矿床形成的必备条件。元古宙中外生铀矿床，均产生于内克拉通盆地，如含金－石英卵石砾岩型铀矿床，加蓬的砂岩型铀矿床。对显生宙中外生铀矿床，特别是砂岩型铀矿床，稳定的构造环境造就了形成砂岩型铀矿的地质基础规模巨大的良好的砂体，适宜的砂泥岩性组合（结构），富含有机质的地球化学障。但要成矿，还需要该稳定构造环境再次受到构造活化，经弱挤压次造山作用，形成构造反转（构造力学体制变革）。 （2）内生铀矿床 稳定的构造环境，再次构造岩浆活化是形成大型铀矿床的根本原因。地壳稳定标志着地壳演化成熟度较高，使地壳向富钾、富硅、富铀阶段迈进。有了富铀体，又有了携带铀同行的硅、钾流体，再次构造活化，就能促使铀再迁移富集成矿。 2、造山带构造环境与铀成矿 对古老造山带，年轻造山带和活动伸展区铀矿化进行细致的分析，发现内生铀矿化虽产于造山带中，但成矿时代往往是落在造山作用的后期，而造山作用的主期一般不形成铀矿床。而后造山阶段一般是非造山期，近年来人们已认识到它是大陆造山带的一个新演化阶段，是造山带形成巨大山根后，转向造山带山根崩塌，然后引起地幔上涌，幔汁活动，进入拉张伸展的一个特定阶段。铀成矿就是在这个背景条件下形成的，这个背景是早期造山作用，形成大面积的钾质花岗岩或钾质的火山岩带，伴有铀含量的增高，晚期转入非造山期的拉张伸展期，该期的岩浆－流体作用以壳幔作用为特征。 3、中、新生代时期盆地构造类型、盆地构造类型转化与外生砂岩型铀矿 砂岩型铀矿的产铀盆地的构造环境决定于盆地两个时期的动力学背景。一个是形成赋矿主岩时期的盆地构造类型，我们一般称盆地原型，这是砂岩成矿的基础，也是先决条件，它提供了铀成矿的物质基础、赋存空间、地质构造及保存条件；另一个是后期叠置盆地的构造类型，它必须提供铀成矿时的动力学机制，能导致原型盆地的隆起，贮矿层与地表连通，能控制赋矿砂体发生倾斜，形成自流盆地的渗入型水动力状态，促成层间氧化带的形成和发育，从而形成不同类型的砂岩型铀矿。 4、地球化学环境的讨论 （1）构造环境与氧化－还原作用场 构造的挤压与拉张决定了地质块体的封闭与开启，于是也就间接地和氧化－还原的地球化学环境相关联。同一时期、同一空间形成的铀矿化因为赋矿构造性质的差别，而导致氧化－还原状态的差别，从而形成了不同的矿化类型。张扭性构造，其开启程度好，自由氧活动明显，所以以铀－赤铁矿类型为主；而压扭性构造，其封闭程度相对好一些，自由氧活动相对减弱，所以以铀－黄铁矿－粘土型为主。 （2）干旱、潮湿气候与地球化学 潮湿气候有利于植物生长，使产铀盆地易形成含有机物质较多的灰色岩系。具有较高还原能力的地球化学障，有利于砂岩铀矿主岩的形成。但亚热带区炎热条件下的潮湿气候，使有机物易氧化和分解，不易保存，相应地其地球化学障的聚铀作用就差一些。干旱和半干旱气候区（特别是沙漠化区），植被不发育，有机物易分解氧化，沉积岩一般以红色岩系为主，对形成赋矿主岩的氧化－还原地球化学障不利，但对形成层间氧化带及潜水氧化带则是有利的地球化学环境。 （3）地化参数与铀成矿 通常情况下，铀多形成于浅成中低温条件，实际上铀的成矿的物理化学条件比较宽。它既可以形成于浅源浅成低温条件，也可以形成于深源深成高温或深源浅成中低温条件下，还可以形成于表生低温（50℃）水溶液条件下。 5、岩浆体系及多期，多阶段，多层次岩浆作用与铀成矿作用 铀成矿与岩浆岩的关系较为复杂，其原因在于，铀矿区和铀矿省在空间的分布上总与富铀的钾质酸性侵入岩和（或）火山岩关系密切，花岗岩和火山岩及其周边的变质岩成为含矿主岩；但成矿时间上，铀成矿与主岩总有时差。直到目前为止，还没有确切证据确认铀成矿对某阶段的岩浆岩有专属性。这也就导致在讨论酸性岩浆成铀矿的重要性时，有人提出基性岩浆在铀成矿中同样重要，因为不少铀矿床成矿前后均伴随基性岩浆活动。 对华南成矿省的岩浆岩体系深入研究，得出两个重要的认识。 （1）存在着从造山到后造山二个不同构造环境的岩浆岩体系 挤压造山构造环境形成了“S”型壳层改造花岗岩，完成了铀在壳层中的初次富集形成富钾的花岗岩和火山岩，是铀预富集阶段；拉张伸展构造环境形成了同熔型花岗岩系列，完成了铀从富集幔源向壳层，再向地表浅部迁移过程，满足了铀活化成矿的基本条件，是铀成矿阶段。 （2）存在着两个不同动力学机制的造山过程，即印支造山过程和燕山造山过程 印支造山过程和燕山造山过程形成了富铀花岗岩和火山岩，完成了铀的预富集；但铀成矿作用是燕山造山过程的造山后伸展构造－岩浆期造就的，由此形成了华南铀成矿省。 6、热液蚀变及热液成分、热液来源与铀成矿作用 内生的大型铀矿床是伴随着大规模热液蚀变形成而产生的，所以热液蚀变带既是铀成矿作用的必然产物，也是能否形成大铀矿的区域成矿标志。 内生热液蚀变基本上可以分为两类碱性热液蚀变和酸性热液蚀变。 碱性热液蚀变主要是指钾、钠质交代蚀变，在偏酸性岩石围岩中以产生钾、钠质长石类矿物为特征，在基性岩中多发育云母化。碱质交代作用受构造环境，特别是封闭、开放环境影响较大。所以在封闭、半封闭和开放条件下，形成的碱质交代体特征有明显的差别。碱质热液蚀变不但广泛见于内生铀矿床，也广泛见于金属矿床。 碱交代蚀变带是成矿元素活化带。碱交代作用，能把岩石中的各种金属元素（自然也包括铀元素）活化，由固态转入流体并迁移成矿。 酸性热液蚀变实质上是氢交代，表现为硅化、水云母化、粘土化、萤石化等。蚀变见于矿脉的两侧及上方，能共同组成一个酸性蚀变晕圈，铀矿化赋存于蚀变晕圈内，很少有例外，一般晕圈规模越大，铀矿规模也越大。 7、铀“成矿壳层”特征 在一个地区或同一矿田，铀富集在垂向上的分布受一定标高的控制，这一标高所限制的上限和下线，形成了空间上的具有一定厚度的层带。在这层带以上的铀矿化空间上仅成为点状异常，构不成一定规模品级的矿体；而在层带之下，铀矿化虽然具有矿根相特征，但也不会形成有经济意义的聚集，只有在层带内，铀的成矿作用才强烈。在一个矿田一般会有好几个富集标高。 例如鹿井矿田，处于碱质交代蚀变带中的铀矿床，矿化富集于0～310 m标高内，310 m标高以上的铀矿化往往是团块状、裂隙状或小矿体，在0～310 m标高内，最好的标高为310m、260 m、150 m和50 m，钻孔见矿往往在这个部位厚度大、品位富。对于铀在垂向的这个特点，杜乐天教授建议用铀“成矿壳层”这个概念加以归纳。 （1）热隆构造制约的铲状断裂系控制了“成矿壳层”的下界面 内生铀矿化的成矿作用多数与伸展构造的环境关系密切，该环境下的典型构造就是热隆构造。热隆构造使地堑或地垒式的高角度脆性断裂到深部角度均变缓，形成铲状断裂系。 “成矿壳层”的下界面往往是热隆构造的韧脆性构造变换面，是热岩石与冷岩石的变异面，是铲状断裂系的下铲面，是温度、压力、Eh值的转换面，也是成矿转换面，是铀“成矿壳层”的底面。 （2）大地水准面控制作用原则与成矿作用 大地水准面是重力向量的等势能值面，是在大陆之下推拟的世界洋面。在一般情况下，其决定着区域侵蚀基准面、渗入水的渗透深度，同时也决定它和上升的深部溶液的混合面、发育氧化和还原的交替带。所以大地水准面对成矿起着重要作用。这个面平行于古地形面和古大地水准面，因此，也就具有近水平带的特点。这是反映外壳层的气圈、水圈和生物圈与深部岩石圈作用的面，主要以地球化学作用交替为特征，如氧化－还原、碱－酸交替等，它控制了铀“成矿壳层”的顶面。 （3）酸－碱分离区 成矿壳层区是铀成矿的酸－碱分离区。具有还原特征的碱质热液处在深部，也就是韧脆面附近，由于它温度高，活动力非常强，形成了下部碱交代的蚀变带。越过此面以后，进入成矿壳层区迅速转入中低温区，热液性质由碱性逐步转变为酸性，这些酸包括它所组成的盐类。 热液由深部到浅部，从下面向上形成碱酸分离，先碱后酸，下碱上酸，下碱上硅，下碱上矿，矿酸同步迁移，同步定位。所以酸－碱分离区是成矿作用区，也是成矿壳层区。 （4）温度递变区 多数铀矿床的成矿温度为150℃～250℃，以中－低温为特点。但铀矿物及伴生的脉石矿物呈现的是由高温快速降温的产物，如与铀矿化共生的萤石是粉末状黑紫色萤石，而热液缓慢冷却结晶的萤石却无矿；石英则是胶状石英的玉髓；绿泥石是胶状鱼子状鲕状绿泥石，等等。 这一切展示了铀矿床不是简单的低温矿床，而是由于高温迅速转化为中低温，因温度特低，热液快速冷却和晶出，此环境有助于胶体共沉淀。 杜乐天教授进一步探索成矿壳层带，认为诸多物理化学急剧变化的转变因素中，幔汁不再稳定存在，热液开始有温度、压力、Eh值的变化，快速冷却和结晶，有助铀及伴生矿物胶体共沉淀。 5