粤北下庄矿田新生代构造演化及其对铀成矿的影响
2011-12-18王军赖中信张辉仁汤世凯杨坤光
王军,赖中信,张辉仁,汤世凯,杨坤光
(1.中国地质大学(武汉)a.地球科学学院;b.构造与油气资源教育部重点实验室;湖北 武汉430074;2.广东省核工业地质局二九三大队,广东广州510800)
粤北下庄矿田新生代构造演化及其对铀成矿的影响
王军1a,1b,赖中信2,张辉仁2,汤世凯1a,1b,杨坤光1a,1b
(1.中国地质大学(武汉)a.地球科学学院;b.构造与油气资源教育部重点实验室;湖北 武汉430074;2.广东省核工业地质局二九三大队,广东广州510800)
粤北南岭地区是我国重要的花岗岩型铀矿产地,通过野外地质调查与构造变形研究,结合34件石英脉体电子自旋共振(ESR)测年研究,论述了粤北地区下庄矿田的新生代构造演化期次。构造变形研究与ESR年龄测定显示:新生代主要发生了三幕构造变形,第Ⅰ幕(65.5~55.0Ma)为地块的差异升降运动,断裂活动规模大;第Ⅱ幕(40.3~20.0Ma)为间歇性的升降运动,总体为上升趋势;第Ⅲ幕(20.0~2.2Ma)表现为断裂频繁活动,但活动规模小。ESR年龄数据也很好地限定了区内铀矿成矿时代,331、335、336矿床沥青铀矿U-Pb年龄表明成矿最晚发生在60Ma±,与第Ⅰ幕相对应。第Ⅱ幕、第Ⅲ幕使得地块抬升并引发频繁的断裂活动。区内出露的NNE向、NEE向以及近EW向的多组构造在平面上呈“棋盘式”格局,垂向上呈“地堑”式,这种断层组合加剧了花岗岩体上升后的风化、淋滤与剥蚀过程,由此破坏了先存的有利成矿环境。因此,研究新生代构造演化对于探讨新生代以来构造活动对铀矿的控制与影响仍具有重要意义。
新生代构造演化;ESR测年;铀矿;粤北下庄矿田
0 引 言
华南大陆经历了多期构造运动,其中最重要的为四堡-晋宁、加里东、印支和燕山、喜马拉雅四个变形期。U-Pb年龄和Sm-Nd模式年龄均显示扬子陆块的主体形成于古元古代(2000Ma±)(刘国惠和郑长胜,1993),而华夏陆块与扬子陆块最终形成统一的结晶基底为新元古代的晋宁期(800Ma±)。南华纪至早古生代,华南再次发生陆内裂解,至早古生代末发生了强烈的加里东运动(舒良树等,2006;郝义等,2010),导致震旦系-下古生界的强烈褶皱与大规模花岗岩岩浆活动,发生陆内造山活动。晚古生代再次发生陆内裂陷,至中三叠世的印支运动使得华南与华北、滇缅对接碰撞,至此进入板内变形演化阶段。印支期在南岭地区形成的深大断裂控制了三条近EW向花岗岩带的展布(周新民,2007)。早中侏罗世,华南地区由近东西向展布的特提斯构造域逐渐转为北东向展布的太平洋构造域,使得华南地区受古亚洲洋体系控制逐渐转向受太平洋体系控制(舒良树和周新民,2002;舒良树等,2004)。至晚侏罗世至早白垩世,华南地区发生大规模的岩石圈减薄与岩浆活动(胡瑞忠等,2007;朱清波等;2010),诱发了壳幔相互作用并最终导致了华南花岗岩地区的多金属成矿作用(付建明等,2008;郭锐和彭恩生,2009;刘国庆等,2008;杨晓君等,2008),而铀矿成矿作用主要也出现在这个时期。
对于华南岩石圈减薄与铀矿成矿关系,前人做过较多研究,主要认为华南地区的铀源岩石分布广泛,一般花岗岩中铀的克拉克值为3.5μg/g,而华南地区较高,如下庄矿田花岗岩可达24μg/g(黄国龙等,2006)。含矿热液主要以含铀络合物的形式存在,当岩石圈伸展,从深部上来的幔源流体和气体向大气成因的地下热液提供了矿化剂(胡瑞忠等,2007),使热液中的赋铀络合物迁移、沉淀并聚集成矿。华南地区中生代以来多期岩浆活动与多期岩石圈伸展直接诱发了多次铀矿化活动。
围绕贵东岩体与铀矿成矿关系,前人研究主要集中在中生代,包括岩石成分与成因(周新民,2007;王德滋和周新民,2002)、铀矿物质来源(陈培荣等,2002;邓平和沈渭洲,2003)、成矿物质的迁移、富集、沉淀(胡瑞忠,1994;章邦栋等,2002;商朋强等,2007)等相关领域。进入新生代之后,构造活动仍较强烈,也有不同程度的岩浆活动。然而,关于新生代构造活动期次、多期构造活动为何不易形成大型铀矿床、其原因何在?有关这些研究前人涉及较少。本文将以构造变形为基础,结合断裂热液活动形成的石英脉ESR定年研究,由此为新生代构造变形与铀矿成矿关系提供新的资料,同时对厘定粤北下庄矿田新生代构造演化、构建粤北下庄矿田铀矿成矿模式有重要意义。
1 区域地质背景及铀矿化特征
1.1 地质背景
贵东岩体位于华夏陆块中南部,南岭近东西向构造带之大东山-贵东-五里亭花岗岩带中东部,区域上处于闽赣后加里东隆起西南缘与湘桂粤北海西-印支凹陷带的交汇部位(刘延勇,2008;舒良舒等,2006;王学成和饶冰,1989;徐夕生等,2003)(图1)。
该岩体系由多期、多阶段岩浆侵入形成,由不同岩性系列组成的巨大复式岩体(徐夕生等,2003;张辉仁等,2010),主要由印支期和燕山早期的花岗岩及燕山期中基性岩脉组成。岩体东北侧及东侧围岩由寒武系-奥陶系浅变质砂岩、板岩及含炭质板岩组成,北侧和南侧主要由泥盆系-石炭系砂岩、碳酸盐岩组成。岩体与上述围岩之间侵入接触关系明显,不仅在花岗岩中见有围岩捕虏体,受岩体影响围岩发生明显的接触变质作用,如角岩化、大理岩化等。在岩体南侧与泥盆系接触处,发育晚白垩世-古近纪断陷红盆沉积(张辉仁等,2010)。
1.2 铀矿化特征
图1 贵东岩体大地构造位置及邻区铀矿分布示意图(据邓平和沈渭洲,2003修改)Fig.1 The tectonic location of the Guidong granite and the distribution of uranium deposits in the adjacent area
下庄矿田(图2)内铀矿床分布严格受断裂构造控制,NNE、NEE和近EW向三个方向断裂相互交汇,构成棋盘格子状。矿田铀矿化类型主要有:(1)硅化带大脉型铀矿,严格受硅化断裂带控制,含铀脉体由微晶石英构成,围岩以中粗粒黑云母花岗岩为主,矿体主要产于近EW、NEE和NNE向构造带中,共生矿物主要有沥青铀矿、微晶石英、萤石、方解石等,该类矿床分布于矿田北部;(2)硅化带群脉型铀矿,受裂隙带控制,含铀脉体主要由微细的硅质或微晶石英脉体构成,沿裂隙密集分布,含铀脉体主要由绢云母、石英、硅质细脉等组成,主要分布于矿田东部;(3)“交点”型铀矿,位于断裂带与辉绿岩脉相交部位,矿体严格受断裂与辉绿岩脉复合构造控制,矿体长度往往与辉绿岩厚度呈正比,呈板柱状,延深大,矿石品位较富,主要为沥青铀矿-紫黑色萤石、黑色微晶石英和沥青铀矿-方解石型矿石,产于矿田南部;(4)碎裂岩型铀矿,受蚀变碎裂岩带、破碎带控制,含矿主岩大多为强烈破碎的花岗岩,并经历黏土化、绿泥石化、绢云母化等蚀变和碱交代作用(王少怀和裴荣富,2008),岩石中常见有萤石、黄铁矿、沥青铀矿等细小脉体,而且有蚀变、碎裂石英正长岩形式出现的富矿体;(5)变质岩型铀矿,产于花岗岩体外接触带中,受寒武系-震旦系浅变质岩层间破碎带或切层断裂带控制,矿体呈透镜状产出(张辉仁等,2010;中国科学院地质研究所,1966)。
图2 下庄矿田地质简图(据广东核工业地质局293大队,2005①广东核工业地质局293大队.2005.广东省下庄矿田铀资源大型基地勘查部署规划研究报告.)Fig.2 Geological sketch map of the Xiazhuang ore field
2 ESR定年、新生代的构造演化及影响
2.1 热液石英脉ESR测年原理
根据ESR测年原理,构造强烈活动时伴生的热液石英可以用来确定脆性断层活动的准确时间。ESR测年早期主要用于第四纪地质学和考古学方面的研究。但由于石英晶体内部存在肖脱基(Schottky)和夫伦克耳(Frenkel)缺陷,从而使得ESR测年可以覆盖整个地质历史时期,从2~1500Ma,尤其是中生代以来的脆性断层活动都能够较精确地测定(Grün,1989;Lin et al.,2006;Toyoda et al.,1993;Lee and Yang,2007)。采集样品自然风干后,将围岩粉碎为0.2~0.125mm粒度,用KJD-2000N低本底伽玛仪和微机数据采集系统测定α和γ天然放射性,得到样品的平衡铀摩尔值(Qx),同时进行含水量校正。然后将脉体粉碎为0.2~0.45mm粒度单矿物石英颗粒,每件样品取120mg进行热活化处理。经过热活化的样品冷却一周,然后用德国ER-200D-SRC电子自旋共振仪在相同的放大倍数下测定待测样品和标样的热活化ESR波谱振幅Hx和Hs,由公式(1)得到待测样品顺磁中心浓度值(Cx),然后通过公式(2)即可方便地计算出样品年龄值tx,测年误差在8%以下。
式中Cs表示标样E′心浓度,Mx为待测样品质量,Ms为标样质量,ts为标样年龄,Qs为标样的平衡铀摩尔值(杨坤光等,2006;梁兴中和高钧成,1999;程万强和杨坤光,2009)。
2.2 样品特征及其结果分析
在粤北下庄矿田内马屎山断裂、黄陂断裂和下庄断裂,采集了断裂带内部的热液石英脉体。马屎山断裂主要为白色高温石英和后期梳状填充石英(图3a);黄陂断裂主要为白色高温石英,后期梳状填充石英,可见多期穿插现象(图3b、c);下庄断裂则大部分为石英岩,可见与矿化密切联系的微晶石英(图3d、e)。上述三条主干断裂的空间规模、走向、断裂带脉体特征及其活动性质详见表1。各样品的地理位置、产状详见表2。
表1 粤北下庄矿田主要断裂特征(据广东核工业地质局293大队,2005①)Table 1 The characteristics of the main faults of the Xiazhuang ore field in northern Guangdong Province
马屎山断裂两侧分别为冬瓜岭岩体和白垩系盆地,主断裂带出露大型热液石英脉,在白垩系盆地内部可见雁列状排列的小型石英脉出露;矿田北部的黄陂断裂规模更大,多期次活动明显,野外地质特征揭示了该断裂存在早晚两期热液活动,同时还保存了后期脆性断层活动形成的擦痕和阶步,现存温泉表明该断层仍然处于活动状态;下庄断裂位于花岗岩体内部,多期次的活动使得断裂带内部的花岗岩、石英岩呈角砾状,断裂带内构造角砾岩、断层泥等较为发育,晚期出现大量萤石脉、梳状石英脉充填在裂隙内(图3f)。
地表浅层脆性断裂出露的石英脉是晚期构造活动的标志,相互切割的石英脉表明存在多期热液活动,而梳状充填的石英脉体则表明后期断裂活动性质为张性(陈小东等,2002)。ESR测年结果(表2)显示,本次研究所测年龄代表着成矿期后热液活动,年龄值范围55.9~2.2Ma,测定结果在ESR测年有效测定范围内(Toyoda et al.,1993;Lee and Yang,2007),结果可信。结合野外地质特征和年龄数据,认为本次研究的白色热液石英脉均是新生代的活动产物,是成矿期后的热液活动。研究表明,受到华南区域性多期次构造-岩浆活动的影响,华南铀矿成矿也呈现多阶段的特点,其主要成矿时间分布在60~130Ma(李建红和梁良,2004;张展适等,2009;黄国龙等,2010),成矿期可划分为130~138Ma、122~125Ma、66.8~96.4Ma、54.4~63.9Ma 四个阶段。因此本次ESR年龄所测的最老的年龄代表着铀矿成矿期晚期年龄,并且热液活动的时间集中在55.9Ma、40.3~20.0Ma、20.0~2.2Ma(图4)三个阶段:早期活动规模较大,根据断层和脉体特征可以判断力学性质为左行剪切;中期为NEE向断层伴生的NNE向次级构造,以张性石英脉充填为主;而晚期则是小规模的热液活动,以石英脉和萤石脉为主,活动较为频繁(图4)。此外野外地质表明本区北部的黄陂断裂至今仍为活动断层,断裂带中温泉水温达43℃±。
表2 研究区石英脉ESR测年结果Table 2 The results of ESR dating on quartz veins in the studying area
2.3 断裂体系主要特征及对铀成矿的影响
中生代大规模构造-岩浆活动之后,地壳在中-新生代尤其是新生代的运动主要以地块的垂直差异升降运动为主,本区出露大量的石英断裂带和硅化断裂带控制了下庄铀矿田的空间格局,如此规模的石英脉和硅化带如何形成?在低温低压条件下SiO2的溶解度很小,显然不可能形成大规模脉体,只有上升的高温高压热液从花岗岩中萃取出大量SiO2并在上升过程中遇到张开性构造-断块边缘,突然减压导致大量硅质析出,最终形成大规模石英脉和硅化带,因此大型石英脉也是早期地块升降运动的证据。NWW向张性构造,主要充填规模不等的辉绿岩脉,从而为成矿提供了必要的还原剂(Fe2+为主)(舒良树和周新民,2002;黄国龙等,2010);NEE向构造早期表现为左行压剪性,以白色石英断裂为主,晚期表现以拉张为主,在晚白垩世-古近纪(K2-E),以走向为NEE向的脆性断裂为骨架,形成断陷盆地;NNE向压剪性构造,以硅化断裂带为主,白色石英断裂带次之,是NEE向新华夏构造体系左行剪切引发的次级构造(梁新权和温淑女,2009)。
在矿区平面图上可见(图2),黄陂断裂(图5中①)北端和新桥下庄断裂(图5中④)相交,由于地块差异性抬升,在该部位形成“地堑”式洼地,对于含矿热液的运移和沉淀极为有利。华南断块运动始于早白垩世而在晚白垩世-古新世最为强烈。断块活动产生的“洼地”和断陷带改变了水动力条件,伴随产生的深大断裂则是良好的矿液运移通道和沉淀场所(李明连,1986)。此外本区断裂在平面上呈现串珠状、在空间上呈透镜状,从而使得在相邻断裂的连接处和单条断裂的弯曲部位成了有利的成矿部位(图5矿床位置)(陈小东等,2002;Sibson et al.,1975)。从ESR年龄谱上可知新生代早期的构造-热液活动并不是很频繁,但是仍有一定规模的铀矿化作用,据U-Pb同位素年龄资料,在102矿点-石角围断裂以及新桥-下庄断裂的339、335、336、331矿床存在59.5Ma、38Ma等较年轻的成矿年龄(据邹东风,未发表数据)。
图3 矿区主要断裂带及石英脉体特征Fig.3 The characteristics of the main faults and quartz veins in the ore field
新生代尤其是渐新世-中新世构造活动的频率明显增加,却为何没有大规模的铀矿成矿作用发生?根据目前对铀矿成矿年龄研究(舒良树和周新民,2002;李建红和梁良,2004),铀矿成矿时代主要集中在中生代尤其在70~90Ma±,对比下庄矿田成矿地质条件发现,新生代的构造活动中并未诱发大规模铀矿成矿活动的主要原因:一是新生代没有基性岩浆活动,而幔源流体、气体是下庄矿田主要铀矿化活动的矿化剂(胡瑞忠等,2007;商朋强等,2007;邓平和沈渭洲,2003);二是新生代以来频繁的构造活动破坏了先存的有利成矿环境。结合本区主要断裂体系的早期构造特征和前人研究成果(张展适等,2009),分析本区不同方向、不同规模断裂体系的产状、走向,厘定了本区的构造体系之间的相互关系、组合型式(主要断裂的空间规模、走向以及主要特征详见表2)。受新生代尤其是新近纪以来地块差异升降运动的影响,构造样式以“地堑”式、犁式等断裂组合形式为主(图5)。地壳垂直升降运动使得早期形成的花岗岩体产生了大量破裂,花岗岩体总体被抬升,主要表现为不同方向构造的交汇,呈雁列状、串珠状,从而加剧了下庄矿区含铀岩体的淋滤、风化和剥蚀,最终对早期形成的有利成矿环境产生了破坏作用,因此新生代以来矿区并未发现较大规模的铀矿化。
图4 粤北下庄矿田热液石英ESR年龄频谱图Fig.4 ESR spectrogram of hydrothermal quartz from the Xiazhuang ore field in northern Guangdong Province
图5 粤北下庄矿田断裂构造剖面图Fig.5 The profile showing the faults in the Xiazhuang ore field in northern Guangdong Province
3 结 论
在下庄矿田内,构造控矿是最重要控矿类型,无论矿区北部的大脉型铀矿,还是东部的群脉型铀矿、南部的交点型铀矿以及蚀变型铀矿都与构造活动密切相关。本文通过总结前人研究,结合现代构造热年代学方法ESR测年,厘定了本区新生代构造演化期次,将新生代的构造分为三幕,第Ⅰ幕(65.5~55.0Ma)为地块的差异升降运动,断裂活动规模大;第Ⅱ幕(40.3~20.0Ma)为间歇性的升降运动,总体为上升趋势;第Ⅲ幕(20.0~2.2Ma)表现为断裂频繁活动,但活动规模小,以石英脉和萤石脉为主。ESR测年结果不仅为新生代的构造运动、热液活动期次做了很好的佐证,同时也限定了本区的铀矿成矿时代,铀矿化活动最晚发生在60Ma±。最后通过对比早期铀矿成矿地质条件,结合ESR年代学特征阐明了区域构造进入新生代以来,下庄矿田没有发生大规模铀矿成矿的主要原因,一是没有幔源流体、气体参与,二是频繁的构造运动破坏了早期有利的铀矿成矿环境。
致谢:ESR年龄测定由成都理工大学核工业系梁兴中教授完成。两位审稿专家提出了宝贵的修改意见,在此一并致谢。
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Cenozoic Tectonic Evolution and its Influence on Uranium Ore-forming Processes in the Xiazhuang Ore Field,Northern Guangdong Province
WANG Jun1a,1b,LAI Zhongxin2,ZHANG Huiren2,TANG Shikai1a,1band YANG Kunguang1a,1b
(1.China University of Geosciences,a.Faculty of Earth Sciences;b.Key Laboratory of Tectonic and Petroleum Resources,Ministry of Education,Wuhan430074,Hubei,China;2.Geologic Brigade No.293,Guangdong Geologic Bureau of Nuclear Industry,Guangzhou510800,Guangdong,China)
The Nanling area in northern Guangdong Province is important for its granitic uranium deposits.The characteristics of the structures and ESR ages of the hydrothermal quartz show that the ore field underwent three stages of structural deformation in Cenozoic:(65.5~55.0Ma)differential uplifting of land mass and colossal faults movements;Ⅱ(40.3~20.0Ma)intermittent faulting and uplifting,Ⅲ(20.0~2.2Ma)frequent small scale hydrothermal activities.ESR ages of hydrothermal quartz and U-Pb ages of pitchblender from 331,335,336 uranium deposits demonstrate that the U mineralization took place no later than 60Ma±,which is consistent with the first stage deformation.The second and third stage deformation resulted in uplifting and frequent faulting.The NNE,NEE and the EW-trending structures exhibit chess-board pattern in horizontal and graben-like pattern vertically.The structures aggravated weathering,leaching and denudation processes,and finally destroyed the pre-exist metallogenic environment.Thus,study of the Cenozoic tectonic evolution may contribute to the understanding of the tectonic controls on the uranium ore forming processes.
Cenozoic tectonic evolution;ESR dating;uranium ore;Xiazhuang ore field
P613
A
1001-1552(2011)03-0355-009
2010-09-09;改回日期:2010-11-08
项目资助:国家自然科学基金项目(40972137)和广东省核工业局“南岭贵东花岗岩体构造变形与铀矿成矿关系”项目联合资助。
王军(1985-),男,硕士生,构造地质学研究方向。Email:wangjuncambrian@126.com
杨坤光(1954-),男,教授,博士生导师,构造地质学研究方向。Email:yangkunguang@163.com