中央亚洲活动带多岛海地质演化与砂岩型铀矿时空定位模式

刘红旭，陈祖伊，郭 华，王润红

（1.中国地质大学 （北京），北京100083；2.核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京100029；3.中铁资源有限公司，北京100055）

欧亚大陆上存在一条贯穿整个大陆的东西向巨型铀成矿带 （谢雷赫 .А.С.等，1999），其东段大致与中央亚洲活动带重合，又称蒙古弧[1]，向西沿东欧陆块南缘的古生代褶皱带延伸，直抵大西洋东岸[2]。

截至目前，在该带中已探明众多不同类型的铀矿床，特别是砂岩型铀矿在其中占有举足轻重的地位。经谢雷赫.A.C等 （1999）初步估算，该铀矿带集中了世界铀资源量的50%和俄罗斯铀资源量的70% （图1）[2]。

不难发现，产出砂岩型铀矿的盆地均发育于残留古陆块 （亦即中间地块）之上或其邻近部位。在我国境内的北疆地区亦存在不同规模的古地块，如伊犁微地块、准噶尔地块、吐哈地块等。蒙古的多尔诺特火山岩型铀矿田和哈拉特古河谷砂岩型铀矿 （乔伦盆地）也产在从中朝古陆块分裂出去的中央蒙古古陆块之上。

所有的铀矿床，不论其属于何种成因类型，都趋附于成熟古陆块，这一规律就是所谓的中间地块控矿说，亦可表述为成熟陆块控矿[3]。

本文基于多岛海地质演化理论[4]，认为古生代中央亚洲活动带 （本文研究区限指中国境内段）具有岛海相间的古地理格局。即整个古生代，研究区是由众多古陆块及其诸多岛弧、洋壳（海盆）、弧后盆地等组成的多岛海构造格局，而这一构造格局于晚古生代发生萎缩消亡，最终导致西伯利亚板块与卡拉库姆－塔里木板块之间以弧－陆、弧－弧碰撞的方式拼贴而成为一体。由于该整体的各个局部地区的组成复杂多样，大地构造的属性不同，其地壳成熟度亦存在着明显的差别[5]。这种成熟度上的差别也在相当程度上决定或影响了相应地段的铀成矿潜力。

图1 贯穿欧亚大陆的铀成矿带示意图 （据李巨初，2011）Fig.1 Uranium mineralization belt through Eurasian continent

成熟陆壳对铀矿 （包括砂岩型铀矿）的时空控制、铀矿对成熟陆壳具有明显的趋附性、铀矿与成熟陆壳在空间上存在依存联系，成盆期前的古生代构造背景对于后期盆地内砂岩型铀矿的成矿作用具有一定的影响和控制作用，这一系列观点已为中外学者所认同。对于砂岩型铀矿来讲，研究盆地不同地段古生代构造属性及其陆壳成熟度，对于指导铀矿找矿工作显得尤为重要。

1 研究思路及方法

地壳成熟度的具体标志主要体现在一系列地球化学参数上。因此，通过岩石地球化学及其同位素地球化学示踪等技术手段，选取适当的地化参数，对研究区不同构造单元的地壳成熟度进行分析对比，有可能探讨和大致厘定研究区砂岩型铀矿的成矿远景。

通过典型地段的取样分析，借助现有岩石地球化学构造判别图解，判断相应地段古生代大地构造属性，恢复研究区古生代大地构造格局。

Miyashiro（1974）通过对岛弧和大陆边缘弧火山岩系列的详细研究[6]，将火山弧划分为3种类型 （表1），在判定火山岛弧地壳成熟度上把FeO／MgO值作为一项重要指标，认为在SiO2含量相同的条件下，随着岛弧成熟度的提高，FeO／MgO值不断增大，而岩石的属性就逐渐从拉斑系列转为钙碱性系列。把火成岩划分成拉斑系列、钙碱性系列、高钾钙碱性系列和钾玄岩系列是在SiO2含量相等的条件下，根据K2O含量的高低而确定的，但这种划分并没有反映出K2O和Na2O含量之间的多寡。为了说明岩石是钾质的或富钾的，在具体研究工作中引入K2O／Na2O参数。因为它与地壳成熟度、特别是与研究区是否能成为主要的产铀区有很大的关系。或者说，根据Miyashiro的分类，岩石可以是高钾的（相对于SiO2含量来说），但不一定是钾质的或富钾的[7]。

表1 火山弧岩石类型、岩石系列和地壳厚度特征Table 1 Rock types and series and the crust thickness in volcanic arcs

在研究工作中，笔者以Miyashiro的划分方案为基础，选取了火山岩全分析的若干项数据进行运算处理。具体做法如下：选取产出砂岩型铀矿盆地所属的构造单元中的矿前期 （前盆地期或盆地沉积期但先于砂岩型铀矿成矿）的火山岩样品，依据图解厘定其岩石系列归属，推算岩石生成时的地壳厚度，并计算相应岩石的FeO／MgO、K2O／Na2O值，由此推断岩石生成时的大地构造环境和地壳成熟度。此外，还对比了国外重要铀矿产出区的地质背景，把火山岩的K2O／Na2O＞0.8作为有利于区域铀矿化发育的指标，同时加上高钾钙碱性－钾玄岩系列，FeO／MgO＞1.00两项辅助性指标，对研究区内陆块是否有利于砂岩型铀矿化的发育进行了基本评价。

2 研究区不同地段古生代大地构造属性及其地壳成熟度

为查明中央亚洲活动带 （中国段）内不同构造单元古生代大地构造属性及其相应的地壳成熟度，笔者有针对性地在相应地段采集了代表性的古生代火山岩样品。根据区内中新生代沉积盆地的分布以及砂岩型铀矿化的产出特征，将伊犁盆地南北缘，吐哈盆地南北缘，准噶尔盆地北缘、西北缘以及东缘，二连盆地东北缘和西南缘，海拉尔盆地北缘和东缘作为重点采样地段，在收集前人大量地球化学分析数据作为补充与参考的基础上，通过岩石地球化学及同位素地球化学示踪古构造等方法，恢复相应地段的古生代大地构造属性，并推算该地段的地壳厚度及其地壳成熟度。

同时，以蒙古多尔诺特火山岩型铀矿田和国内产铀盆地 （测老庙）为产铀样板区，总结这些产铀区内火山岩 （特别是中基性岩）共同的岩石学和地球化学特征，即：火成岩多数为高钾钙碱性岩至钾玄岩系列，反映当时的地壳古厚度在40～67km；从晚古生代到中生代火成岩的FeO／MgO值逐渐增高，从0.73增高到1.20，K2O／Na2O值则由0.52增高至0.79。这些数据均对应于成熟古陆壳的指标，笔者将其当作有利于砂岩型铀矿产出的岩石－地球化学参数，并将伊犁、吐哈、准噶尔、三塘湖、北山盆地群，以及二连、海拉尔、松辽等盆地周边火山岩 （或侵入岩）的数据与其进行对比分析，探讨相应地段的陆壳成熟度。

2.1 研究区古生代大地构造属性

研究中所遵循的多岛海构造演化模式有别于经典的板块构造理论，即中央亚洲活动带的构造演化过程并非是西伯利亚古陆块和塔里木－中朝 （华北）古陆块之间不断地相对增生，最终碰撞对接形成统一大陆的过程，而是一个由众多岛弧和弧后盆地构成的古生代多岛海，在地壳汇聚过程中不断发生弧后衰萎或弧－陆碰撞乃至弧－弧碰撞而最终演化为统一陆壳的过程。即不是传统认识上的两大古陆块之间的 “硬”碰撞[8]。

众多证据表明[9]，弧后盆地衰萎时多岛海弧后地区的岩浆作用非常活跃。地质历史上出现的火山弧并非都是活动大陆边缘的陆内火山弧，有一些可能是弧后衰萎的岩浆弧。研究区内分布的众多蛇绿岩带，代表着不同时代消减的弧后盆地的洋壳基底残片[10－11]。在研究区整个古生代的构造演化历史中并未发生过两大古陆块的直接碰撞，而只是弧－弧碰撞或弧－陆碰撞。

基于研究区重点盆地相应地段古生代岩石地球化学分析结果，结合现有大量文献的分析数据及相应成果认识，初步确定了研究区相应地段的古生代大地构造属性 （表2、图2）。

表2 研究区已知产铀地段古生代大地构造属性及地壳成熟度对比Table 2 Paleozoic tectonic attribute and crustal maturity of known uranium mineralization in research region

如前所述，工作区古生代并未出现过真正意义上的大洋[1，8]，其汇聚型过渡壳阶段大体上相当于规模较小的洋盆，没有发育良好的岛弧或陆缘弧，而是通过小规模俯冲或仰冲，主要以堆叠方式完成汇聚[2]。在构造环境复原示意图上 （图2），笔者划分出古陆块（含中间地块）、被动大陆边缘、火山岛弧、弧后盆地、坳拉谷 （裂谷）等不同类型的构造单元。通过对该图的判读和分析，对研究区内古生代不同部位的构造属性及砂岩型铀矿的区域评价预测可得出如下认识：

（1）伊犁地块南北两侧的古生代构造环境存在显著差异，地块南侧为火山型被动陆缘，而北侧为非火山型被动陆缘。

（2）赛里木地块周边均为非火山型被动陆缘。

（3）准噶尔地块的西侧和西南侧为陆壳成熟度相对较高的火山型被动大陆边缘或火山岛弧，而东南侧是博格达裂谷，东北侧和北侧主要是弧后盆地。由于前人没有准确地划分出作为弧后盆地关闭、结束的蛇绿岩带，因此将其笼统地称之为东准、西准弧盆系。

（4）吐哈地块南侧是陆壳成熟度较高的小热泉子－大南湖火山岛弧，北侧毗邻博格达裂谷和哈尔里克弧后盆地。

（5）三塘湖盆地古生代为火山岛弧和弧后盆地，没有明显的古陆块。

（6）北山盆地群所在地区虽然存在小型的卡瓦布拉克－马鬃山中间地块，但其古生代构造环境的主体是弧后盆地和火山岛弧。

（7）据海西期花岗岩岩石地球化学特征，结合现有地质图上出现的前寒武纪地层残留推断，狼山－乌力吉地区为前古生代地块。

（8）二连盆地西缘、北缘及东缘的周边地区存在残留的古陆块。盆地西南部白云鄂博－达茂旗一带和苏尼特隆起存在不成熟岛弧 （苏左旗－锡林浩特火山岛弧）和弧后盆地 （温都尔庙弧后盆地和白云鄂博弧间盆地）。

（9）松辽中间地块周边的3条弧后 （弧间）盆地——贺根山－黑河弧后盆地、嘉荫－牡丹江弧间盆地和西拉木伦－延吉弧间盆地将其与西北侧的兴安中间地块群和蒙古－额尔古纳中间地块与东侧的布列亚－佳木斯中间地块以及南侧的中朝古陆块相分隔，构成一种四周地块都呈正向隆起地形，而中心 （松辽地块）呈负向凹陷地形的独特地貌景象。这些弧后 （弧间）盆地的随后关闭和该区中生代的强烈构造岩浆活化，使这些零星的地块拼接成中生代统一的成熟陆块。这些陆块之间未发生过直接碰撞。

（10）区内古生代中间地块在中新生代出现两种不同的演化趋势，大体上来讲，西部面积较大的地块在中新生代均发生沉降 （相对于周边地质体），形成中新生代沉积盆地（如准噶尔盆地、伊犁盆地、吐哈盆地、赛里木盆地等）；东部的中间地块 （除松辽地块以外），均发生不同程度的隆升，并出现较强烈的岩浆构造活化，形成中生代的岩浆岩（火山岩）带；处于中间地带的乌力吉－狼山地块出现盆地－岩浆岩带复合体。这无疑是中生代以来太平洋板块对中国大陆东部作用的结果。

2.2 地壳成熟度

陆块的地壳成熟度是判别盆地砂岩型铀矿成矿的重要判据。砂岩型铀矿都趋附于地壳成熟度高的陆块，而以不成熟岛弧和弧后盆地为基底和铀源区的盆地则不利于后期砂岩型铀矿成矿作用的进行。盆地基底和周边岩浆岩的高钾性是判别该块体地壳成熟度和产铀性的重要标志。

研究区地壳成熟度在东西部存在明显的差异 （表2）。西部地区中生代的陆壳成熟度大体上沿袭了晚古生代的状态，而东部地区在晚古生代和中生代存在明显的不同。这与研究区古生代多岛海构造格局的时空演化以及东部太平洋板块运动有着直接的联系。多岛海构造格局从晚古生代自西向东呈剪刀式关闭，在时间上具有西早东晚的特点；太平洋板块运动使得东部地区在晚古生代岛弧环境的基础上，又经历了强烈的中生代早期岩浆活化改造，使得地壳成熟度在中生代时期有了很大程度的提升。这时的古构造环境亦转变为地壳成熟度相当高的大陆边缘弧。二连盆地、海拉尔盆地和松辽盆地周边的古生代和中生代早期火成岩的岩石地球化学数据，均反映出中生代岩浆改造作用大幅度提升该区的地壳成熟度，并且从火山岩K2O／Na2O值的逐渐增大也可推断该区砂岩型铀矿的成矿潜力在不断增大。

例如，松辽盆地北部和东北部所分布的下古生界至上石炭统浅变质岩，其原岩很可能就是岛弧 （或大陆边缘弧）火山岩，反映着盆地北侧和东北侧古生代的岛弧环境。中生代岩浆活化作用使古生代的岛弧陆壳成熟度大幅度提高，成为一片由众多分散的古陆块 （包括盆地基底的前寒武纪古陆块和古生代陆块）连接在一起的较大面积的成熟陆块。

3 成熟陆壳对铀矿 （特别是砂岩型铀矿）的时空控制

关于成熟陆壳对铀矿的时空控制，即铀矿对于成熟陆壳的趋附性，前人已有不少论述。前苏联学者曾估算，大约有98.9%的可靠铀储量分布在地台和中间地块上，亦即成熟的古老地块上 （ЕвстракинВ.А，1975）。Bowie S.H.U.也曾多次 （1975，1979，1985）指出，世界低成本铀储量都赋存在前寒武纪岩石或直接覆盖在前寒武纪基底的显生宙沉积物中。同时强调，地球上铀元素在新太古代至早元古代最早的地球壳幔分异过程中就发生了强烈分异而趋向于集中在当时形成的几大块古陆块（壳）中，随后的铀成矿作用只是这些铀丰度增高 （相对于较晚时期形成的陆壳而言）的古陆壳中铀再分配富集的结果。这些古陆块也就成为地球上最重要的铀成矿省[12]。

砂岩型铀矿主要形成于中新生代，因此在时间上出现在成熟陆壳形成之后，并且其空间定位亦受成熟陆壳的控制。

成熟陆壳对砂岩型铀矿的时空控制作用可以归纳为以下几个方面：

（1）成熟古陆壳严格控制了铀矿的时空分布，砂岩型铀矿床也不例外，成熟古陆壳是砂岩型铀矿床发育的区域前提条件之一；

（2）如果说石英卵石砾岩型和不整合面型铀矿严格出现在成熟古陆壳出现之后，那么成熟陆壳对砂岩型铀矿的时间控制的关系则是：代表成熟古陆壳的钾质富铀花岗岩类（也可以是中酸性火山岩，下同）出露至近地表并进入地下水作用圈之后；

（3）砂岩型铀矿空间上受成熟古陆壳的控制，不只是简单地表现为产铀盆地直接坐落在古老的前寒武系基底上，而更多地表现在铀矿区都趋附于代表成熟古陆壳的钾质富铀花岗岩体发育区，并且铀矿床取源于这些富铀岩石。这些钾质富铀花岗岩可能是古老陆壳的重熔（或部分熔融）生成的，因此可看作是比古老陆壳岩石更重要的 “转生铀源岩”；

（4）作为砂岩型铀矿铀源的花岗岩类并不一定要具有很高的铀含量，而是要具有较高的活性铀 （可浸出铀）份额；

（5）在砂岩型铀矿成矿作用过程中，潜在铀源岩石 （花岗岩或中酸性火山岩）的蚀变和破碎是活性铀增量的重要条件。因此，大范围 （体积）的岩石破碎和蚀变是砂岩型铀矿成矿的良好条件。

4 基于多岛海地质演化理论的砂岩型铀矿时空定位模式

基于对砂岩型铀矿成矿作用过程的认识，以及考虑到如下几个方面，笔者建立了基于多岛海地质演化理论的砂岩型铀矿时空定位模式 （图3）。

这个模式所涵盖的内容包括：

（1）成矿前区域构造特征和盆地基底的大地构造属性；

（2）容矿主砂体形成的构造体制和沉积环境，成矿阶段能够进入成矿地下水动力系统的潜在铀源岩；

（3）容矿主砂体 （或主岩建造）所经历的后期构造改造样式和强度；

（4）砂岩型铀矿形成之后可能经受的构造改造。

这一砂岩型铀矿时空定位模式将成因模式和预测模式融为一体，着重强调了成盆前区域构造属性 （由此推断其地壳成熟度）和潜在铀源岩石中的 “活性铀”，并把成熟度高的陆壳基底、活性铀份额高的铀源岩石作为评价预测砂岩型铀矿远景的两条补充性判据。

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