华南地区构造–岩浆活化与热液铀成矿的分形动力学

谢焱石, 尹建文, 谭凯旋, 唐振平, 段先哲, 胡 杨,王正庆, 李春光, 王昭昭, 冯志刚

(南华大学 核资源工程学院, 湖南省核燃料循环技术与装备协同创新中心, 湖南 衡阳 421001)

华南地区构造–岩浆活化与热液铀成矿的分形动力学

谢焱石, 尹建文, 谭凯旋, 唐振平, 段先哲, 胡 杨,王正庆, 李春光, 王昭昭, 冯志刚

(南华大学 核资源工程学院, 湖南省核燃料循环技术与装备协同创新中心, 湖南 衡阳 421001)

华南地区位于东亚壳体东南缘, 包括东南地洼区和江南地洼区两个典型的华夏型地洼区, 该区多阶段的复杂构造–岩浆演化形成了大量的花岗岩及断裂构造, 并导致大量多因复成热液铀矿床的形成。这些花岗岩体、断裂构造及铀矿床的空间分布均具有分形特征。东南地洼区断裂构造的分维值为1.6800, 明显大于江南地洼区的1.5939, 显示前者更有利于热液铀成矿作用的发生。花岗岩体空间分布盒维数D总体上随其规模增大而增大, 较大的周长–面积分形维数DPA会导致盒维数D增大, 显示其构造–岩浆活动的复杂性增强。其中燕山晚期、燕山早期和印支期较大的D和DPA显示其更有利于热液铀成矿的发生。华南地区热液铀矿床空间分布盒维数为1.0254, 明显小于两个不同构造区断裂构造空间分布的分维值, 表明华南地区铀矿床的发育程度低于断裂。用元胞自动机模型对断裂和成矿演化进行模拟的结果表明, 其分维值随时间逐渐增大, 到中晚期断裂分维值增高至超过临界值后才有大规模成矿作用发生, 成矿分维值显著增大。多阶段复杂的构造–岩浆活动的分形演化导致了华南地区多因复成热液铀成矿的分形分布。

构造–岩浆活化； 断裂构造； 花岗岩； 热液铀矿； 分形； 华南

华南地处东亚壳体东南缘, 濒临西太平洋, 包括东南地洼区和江南地洼区(陈国达, 1994, 1998)。该区自早泥盆世至中三叠世经历了较长期的地台发展阶段, 沉积了一套稳定的碳酸盐岩建造、含煤砂页岩建造。从晚三叠世开始区域进入地洼阶段,发生了广泛和强烈的构造–岩浆活化, 特别是在白垩纪–古近纪地壳拉张作用下(胡瑞忠等, 2004), 形成了许多重要的热液铀矿床, 从赋矿岩性可将其划分为花岗岩型、火山岩型和碳硅泥岩型。诸多学者针对这些热液铀矿床的成矿机理(杜乐天和王玉明, 1984)、构造环境及其岩浆演化序列(覃慕陶和刘师先, 1998)、地质地球化学特征(张祖还和章邦桐, 1991)、成矿序列(邓平等, 2002)以及成矿专属性(陈振宇等, 2014)进行了系统研究。王正庆等(2013)系统分析了目前华南主要铀成矿动力学观点, 探讨了华南中新生代构造–岩浆活动与铀成矿的关系。然而, 由于成矿作用的复杂性(於崇文, 1998), 包括断裂构造体系的分布与演化(Agterberg et al., 1996；谢焱石和谭凯旋, 2002)、岩浆演化(Perugini and Poli, 2000)、成矿元素活化与迁移(Zhou et al., 1994)、矿物的沉淀与矿体的形成(谢焱石等, 2004)等, 难以对构造–岩浆活化与铀成矿的关系进行准确阐述。本文基于多因复成矿床成矿理论(陈国达, 2000),从构造单元成矿学的角度(陈国达, 1987), 根据华南不同构造区断裂构造、不同时期花岗岩的空间分布的分形分析, 结合数值模拟, 以新的思路探讨华南地区构造–岩浆活化与热液铀成矿的分形动力学。

1 华南地区断裂构造的分形分布特征

华南大陆岩石圈块体北以长江断裂带为界, 西及西南以龙门山–哀牢山断裂带为界, 东及东南部延伸至陆缘海区。新元古代扬子和华夏两个独立块体拼合成为统一陆块, 华南地区进入地台发展阶段。晚古生代期间, 先在西部扬子块体出现“活化先奏”的构造活动(陈国达等, 2001), 并逐步向东扩展。中、新生代以来, 随着热–构造对华南大陆岩石圈改造作用的逐步加强, 华南地区进入地洼发展阶段,形成一系列北东向断陷构造盆地, 并伴随大规模的中酸性岩浆活动。

在长期的构造–岩浆演化过程中, 华南地区主要发育有3组活动断裂, 走向分别为NE-NNE向、NEE-EW向、NW-NWW向(Li et al., 2002), 其中NE-NNE向断裂规模最大(图1), 分布最广。NEE-EW向断裂在地壳深部有明显反映, 主要形成并活动于中生代以前； NW-NWW向断裂是一组新生的、近期活动性最强的断裂, 规模较小、切割不深。为了探讨构造–岩浆活化对热液铀成矿的影响, 分别对东亚壳体的江南地洼区和东南地洼区内的断裂构造进行了分形分析, 断裂构造数据来源于1∶250万的中国地质图(来源于国土资源科学数据共享地质调查分中心网站, http: //gsd.cgs.cn/categories.asp?tp= 250W), 分形分析方法采用常用的盒维数法(谢焱石和谭凯旋, 2002)。

两个构造区位于109°E以东, 32°N以南的部分,总断裂数为4995 条, 总长度为65598 km。其中江南地洼区为1464 条, 总长度为26770 km； 东南地洼区为3531 条, 总长度为38828 km。根据盒维数计算方法, 将断层分别用边长r为10 km、20 km、40 km、80 km和160 km的网格覆盖, 统计出有断层出露的网格数N(r), 分别取其自然对数作图(图2), 根据最小二乘法对各数据点进行线性回归拟合求解分维值,得出江南地洼区的断层分维值为1.5939, 东南地洼区为1.6800, 显示出东南地洼区的断裂构造复杂性大于江南地洼区, 表明东南地洼区相对于江南地洼区更有利于铀成矿作用的发生。实际上, 在江南地洼区内的雪峰山–九万大山铀成矿带、幕阜山–衡山铀成矿带和栖霞山–庐纵铀成矿带已发现的铀矿床数远少于东南地洼区内的赣杭铀成矿带、武夷山铀成矿带、桃山–诸广铀成矿带和郴州–钦州铀成矿带(黄净白等, 2005)。

图1 华南热液铀矿床与断裂构造分布略图Fig.1 Sketch map showing the spatial distribution of faults and hydrothermal uranium deposits in South China

图2 华南不同构造区断裂构造分布分形分析Fig.2 Fractal characteristics of fracture distribution in two tectonic regions of South China

2 华南地区花岗岩体的分形分布与热液铀成矿作用

岩浆活动是大陆岩石圈演化的一个重要组成部分, 华南地区历经地槽–地台–地洼阶段等长期复杂的构造–岩浆演化过程, 发育了出露面积超过1.6×105km2的花岗岩。华南花岗岩的时空分布严格受构造–岩浆活动制约, 空间上主要呈NE向带状分布, 时间上从北西向南东方向愈来愈新。在扬子和华夏块体拼合成华南陆块以前, 岩浆活动不是十分发育,主要集中于江南地洼区。随着晚古生代“活化先奏”构造活动的出现, 岩浆活动由西北向东南部逐渐加强, 东南地洼区发育了大量的印支期花岗岩。早中生代该区进入地洼演化阶段, 在晚三叠世进入地洼初动期, 东南地洼区和江南地洼区先后在中、晚侏罗世进入地洼激烈期, 发育了大面积的燕山期花岗岩。

本次分析数据来源于孙涛(2006)编制的1∶250万华南花岗岩分布图, 并将华南花岗岩时代分为前寒武期、加里东期、海西期、印支期、燕山早期和燕山晚期, 两构造区各时期花岗岩体出露面积统计结果见表1。其中前寒武期花岗岩主要分布于江南地洼区中南部, 东南缘及西南缘可见零星分布；加里东期花岗岩主要分布于东南地洼区西北部湘–赣、湘–桂和桂–粤交界地区； 海西期花岗岩仅零星分布于东南地洼区； 印支期花岗岩主要分布于东南地洼区西南部和中部, 江南地洼区仅在西部可见零星分布； 燕山早期花岗岩在华南花岗岩中出露面积最大, 主要分布于东南地洼区； 燕山晚期花岗岩主要分布于东南地洼区沿海一带和江南地洼区北缘。

2.1 华南花岗岩体空间分形分布特征

花岗岩体盒维数计算方法与断裂构造类似, 先将1∶250万华南花岗岩分布图利用GIS软件平台数字化, 然后分别用边长r为10 km、20 km、40 km、80 km和160 km的网格去覆盖花岗岩体, 统计出有岩体出露的网格总数N(r), 分别取其自然对数作图(图3),再对数据点进行线性回归求解分维值D。分别计算了前寒武期、加里东期、海西期、印支期、燕山早期和燕山晚期花岗岩体的空间分布分维值(表1)。很明显, 总体上随着花岗岩体出露的规模增大, 其分维值也随之增加, 显示其岩浆活动的复杂性增强。但是燕山早期花岗岩体出露规模明显大于燕山晚期,而其分维值则相反, 究其原因, 一方面二者规模相差不大, 分维值十分接近； 其次与燕山晚期花岗岩体空间形态的复杂性大于燕山早期有关, 随后的周长–面积分形关系的分析结果恰好说明了这点。

图3 不同时期华南花岗岩盒维数分析Fig.3 Analyses on the box dimensions of granites during various periods in South China

为了解江南地洼区和东南地洼区岩浆活动的差异, 对两构造区不同时期的花岗岩体空间分布进行了分形分析(由于前寒武期和海西期岩体数量太少,没有进一步分构造区进行分形分析), 分析结果见图4和表1, 显示与上述整个华南地区花岗岩相类似的规律, 分维值随着花岗岩体出露规模增大而增加。例外的是印支期花岗岩的规模在东南地洼区大于江南地洼区, 分维值则相反, 也与印支期江南地洼区花岗岩体形态的复杂性较大有关。

表1 华南花岗岩体空间分布分形分析Table 1 Fractal analyses on the spatial distributions of granites in South China

图4 不同构造区不同时期华南花岗岩盒维数分析Fig.4 Analyses on the box dimensions of granites during different periods in various tectonic regions of South China

2.2 华南花岗岩体周长–面积(P-A)分形关系

根据Cheng (1995)提出的P-A模型可以计算花岗岩体出露形态的周长–面积(P-A)分形关系分形维值DPA, DPA趋近2的程度可以度量花岗岩体出露形态的不规则性, 即DPA愈趋近2, 花岗岩体愈不规则。计算DPA的表达式为: lnP=C+0.5DPAlnA, 式中P为花岗岩体的周长, A为花岗岩体的出露面积, C为常数。将所有花岗岩体周长P和面积A的对数投到lnP-lnA双对数图上(图5), 对所有点进行最小二乘法线性回归拟合, 得到直线斜率的2倍即为周长–面积分形维数DPA。图5、图6和图7分别为江南地洼区、东南地洼区以及整个华南全区花岗岩体周长–面积分形关系分析结果, 其中前寒武期和海西期由于岩体数量太少, 无法进行分区统计, 且海西期总岩体数仅为14个, 拟合度R2仅为0.9094(图7), 其计算结果DPA=1.2680可靠性不高。其他相应的分形维值DPA一并列于表1, 可见燕山晚期DPA大于燕山早期, 表明燕山晚期花岗岩体空间形态的复杂性要大于燕山早期, 从而使得规模相对较小的燕山晚期花岗岩体的空间分布盒维数大于燕山早期, 同样的结论也适用于印支期规模相对较小的江南地洼区花岗岩盒维数要大于东南地洼区。

图5 江南地洼区各时期花岗岩体P-A分形分析Fig.5 P-A fractal analyses on the granites during various periods in the Kiangnan Diwa region of South China

花岗岩体出露形态的复杂性是岩浆侵位过程中与地层、构造、火山岩及早期花岗岩体等多种因素复合作用的结果。岩体出露形态的复杂性与华南热液铀成矿具有一定的关系, 总体表现为具有较大的空间分布盒维数D以及周长–面积分形维数DPA花岗岩时代都是和热液铀成矿相关的燕山晚期、燕山早期、印支期和加里东期岩体。据王正庆等(2013)统计,华南地区产铀岩体的主要成岩时代为印支期和燕山早期, 少数岩体的成岩时代为燕山晚期； 成矿时代则主要集中于燕山晚期–喜山期, 仅少数矿化发生于燕山早期。因此陈振宇等(2014)认为, 燕山晚期–喜山期的伸展构造活动及其伴随的中基性–酸性岩浆活动比印支期–燕山期的花岗岩更具有成矿专属性。加里东期花岗岩虽不直接参与成矿, 但可为后期花岗岩的成矿提供物质来源(华仁民等, 2013)。

图6 东南地洼区各时期花岗岩体P-A分形分析Fig.6 P-A fractal analyses on the granites during various periods in the Southeast Diwa region of South China

华南热液铀矿床自西向东总体分布趋势是碳硅泥岩型–花岗岩型–火山岩型, 成矿时代相对集中于白垩纪–古近纪和空间上铀矿床与中新生代断陷盆地及盆缘断裂的密切相关, 是华南热液铀矿床两大基本特征(黄净白等, 2005)。岩体的形成主要受岩浆活动控制, 而铀成矿则除了需要有岩浆活动提供热能和部分热液来源之外, 还需要有来自于深部地幔的富含CO2的矿化剂参与(胡瑞忠等, 2004)、断裂构造提供热液活动和矿化就位的空间等其他要素, 发生在早中生代(T)的印支运动和晚中生代(J-K)的燕山运动是该区岩浆作用和成矿作用的重要动力条件(陈培荣, 2004)。这表现为既直接参与成矿, 又与成矿期的中新生代断裂构造活动密切相关的相对规模较小的燕山晚期花岗岩盒维数D=1.3371及周长–面积分形维数DPA=1.2322均大于规模较大的燕山早期。

3 华南热液铀矿床的分形分布

针对华南地区已探明的200多个热液铀矿床(张万良, 2011), 采用同样的盒维数计算法计算其空间分布的分维值。统计出覆盖网格边长r分别等于25 km、50 km、100 km、200 km和400 km对应有铀矿床出露的网格总数N(r), 其结果分别为199、97、44、26、11, 据此作出lnN(r)-lnr关系曲线(图8), 通过最小二乘法拟合得出华南热液铀矿床空间分布的分维值为1.0254, 明显小于华南两个不同构造区断裂构造空间分布的分维值1.5939和1.6800。对于断裂和矿床分布来说, 分维值越大, 说明其发育演化程度越高,分布密度越大。因此, 华南地区铀矿床的发育程度和分布密度要比断裂低。造成断裂与矿床分布的分形差异的主要原因是矿床的形成和分布受断裂控制,以及断裂发育演化过程的复杂性。

4 华南热液铀矿床成矿的分形动力学模拟

导致矿床分形分布的主要原因是分形热液体系的活动(Carlson, 1991)。断裂构造在增高岩石渗透率和岩石的连通性、驱动流体流动与汇聚及成矿过程中起了重要作用(Zhang and Sanderson, 1994；Curewitz and Karson, 1997； Cox, 1999)。基于渗透理论利用元胞自动机模型模拟了断裂发展及对流体演化和成矿作用的影响(图9), 模拟中考虑一个向前的时间步长Δt, 裂隙–成矿体系从时间t向t+Δt逐步演化(t初始值取0, Δt取10 Ma), 不同时期裂隙与成矿的分维值模拟结果列于表2。模拟结果表明裂隙与成矿演化过程是分形动力学过程, 裂隙和成矿的分维值均随时间演化而不断增大, 每个阶段的裂隙分维值要显著大于成矿分维值。早期在分形渗透临界条件以下, 裂隙的分维值仅为1.031和1.178, 仅有小而弧立的断裂簇存在, 无大规模的成矿流体活动和矿床形成, 成矿分维值仅为0.176和0.645, 仅有零星的矿物沉淀； 晚期在分形渗透临界条件以上,裂隙分维值分别为1.362和1.574, 裂隙连通性显著增大, 成矿作用显著增强, 成矿分维值达到1.182和1.262。华南两构造区的断裂构造分布分维值分别为1.5939和1.6800, 均处于临界条件上的断裂发展成熟期, 有利于铀成矿, 但是该区的铀矿分布分维值仅为1.0254, 小于模拟结果, 可能是该区还有部分热液铀矿未被发现从而导致其分维值偏低。

图7 华南地区各时期花岗岩体P-A分形分析Fig.7 P-A fractal analyses on the granites during various periods in South China

图8 华南地区热液铀矿床空间分布分形分析Fig.8 Fractal analyses on the spatial distributions of hydrothermal uranium deposits in South China

实际上, 分形断裂构造系统控制了热液流体体系的分形分布, 热液流体体系由许多具分形分布的流体对流循环单元构成, 矿床在这些热液单元尺度上共生, 从而导致了矿床为分形分布。空间上的分形构造–流体体系随时间演化构成了一个四维成矿系统(陈国达, 2000)。华南现存的江南地洼区和东南地洼区是具有多阶段大地构造演化的复杂华夏型地洼区(陈国达, 1998), 该地区多阶段的复杂构造–岩浆演化(陈国达等, 2001)造就了华南地区复杂的热液铀成矿作用, 形成了华南热铀成矿具多成因类型、多控矿因素、多成矿作用和多成矿物质来源的现状。

图9 热液铀矿–裂隙–成矿分形动力学模拟结果Fig.9 Fractal dynamic simulation results of hydrothermal uranium deposits-fractures-mineralization

表2 模拟不同时期裂隙与成矿分维值Table 2 Modeling of fractal dimensions of fracture and mineralization during different stages

5 结 论

华南地区位于东亚壳体东南缘, 包括东南地洼区和江南地洼区两个典型的华夏型地洼区, 多阶段的复杂构造–岩浆演化形成了大规模分布的不同时期花岗岩、众多的中新生代断陷盆地及大量断裂构造, 并最终导致大量多因复成热液铀矿床的形成。这些花岗岩体、断裂构造及铀矿床的空间分布均具有分形特征, 前寒武期、加里东期、海西期、印支期、燕山早期及燕山晚期花岗岩体空间分布盒维数D分别为: 1.0132、1.1276、0.9084、1.0538、1.3361、1.3371, 周长–面积分形维数DPA分别为1.1210、1.1750、1.2680、1.1870、1.2006、1.2322。江南地洼区的断裂分维值为1.5939, 东南地洼区为1.6800,铀矿床分维值为1.0254。

花岗岩体出露形态的复杂性是岩浆作用与地层、构造、火山岩及早期花岗岩体等多种因素复合作用的体现。花岗岩体空间分布盒维数D总体上随着花岗岩体出露的规模增大而增大, 并受花岗岩体形态的影响, 较大的周长–面积分形维数DPA会导致盒维数D增大, 显示其岩浆活动的复杂性增强。华南地区燕山晚期、燕山早期、印支期具有相对较大的岩体的空间分布盒维数D以及周长–面积分形维数DPA, 显示其更有利于热液铀成矿的发生。

东南地洼区的断裂构造复杂性大于江南地洼区,前者更有利于铀成矿作用的发生。通过元胞自动机模型对断裂和成矿演化进行模拟, 结果表明断裂和成矿分布分维值随时间逐渐增大, 到中晚期断裂分维值增高至超过临界值后才有大规模成矿作用发生,成矿分维值显著增大。多阶段复杂的构造–岩浆活动的分形演化导致了华南地区多因复成热液铀成矿的分形分布。

致谢： 中国科学院广州地球化学研究所林舸研究员与作者进行了有益的讨论, 在此表示感谢。同时对审稿人提出的修改意见表示衷心的感谢。

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Tectono-Magmatic Activization and Fractal Dynamics of Hydrothermal Uranium Ore Formation in South China

XIE Yanshi, YIN Jianwen, TAN Kaixuan, TANG Zhenping, DUAN Xianzhe, HU Yang, WANG Zhengqing, LI Chunguang, WANG Zhaozhao and FENG Zhigang
(School of Nuclear Resources Engineering, Hunan Provincial Cooperative Innovation Center for Nuclear Fuel Cycle Technology and Equipment, University of South China, Hengyang 421001, Hunan, China)

South China includes two typical Cathysian Diwa regions (i.e., Southeast Diwa and Kiangnan Diwa regions). The complicated multi-stage tectono-magmatic evolution resulted in the widespread granites, and Mesozoic-Cenozoic rifted basins, as well as NE-NNE and NW trending deep faults, and led to the formation of numerous hydrothermal uranium ore deposits. Fractal analyses and numerical simulation of the spatial distribution of faults, granite bodies and uranium ore deposits with fractal distribution were used to discuss the tectono-magmatic activization and fractal dynamics of hydrothermal uranium mineralization in South China, based on the theories of polygenetic compound and tectonic unit metallogeny. The calculated box counting dimensions of faults from Southeast Diwa and Kiangnan Diwa regions were 1.6800 and 1.5939, respectively, indicating that the faults in the former region are favorable for uranium mineralization. The calculated box counting dimension (D) and perimeter-area fractal dimension (DPA) of the granite bodies emplaced during Precambrian to late Yanshanian periods indicated that the D values increase with the granite outcrop area while DPAvalues increase with the granite shape complexity, demonstrating the strengthening complexity of tectono-magmatic activization. In addition, the D and DPAvalues of the granite bodies during the periods of Late Yanshanian, Early Yanshanian and Indosinian were relatively high, demonstrating that they also facilitated uranium mineralization. On the other hand, the calculated values (i.e., 1.0254) of box counting dimension of hydrothermal uranium ore deposits in South China are significantly lower than that of faults, consisting with the low distribution density and enrichment of uranium ore deposits. Our simulated results of Cellular Automata Model show that the fractal dimension values of faults and mineralization increase with time, and the large-scale mineralization occurs when these values reach the critical condition of fractal penetration during the mid-late stage simulation. Overall, the fractal evolution of complicated multi-stage tectono-magmatic activization in the two typical Cathysian Diwa regions produced the fractal distribution characteristics of polygenetic compound hydrothermal uranium deposits in South China.

tectono-magmatic activization； faults； granite bodies； hydrothermal uranium ore deposits； fractal distribution； South China

P612

A

1001-1552(2015)03-0510-010

2014-10-12； 改回日期： 2014-12-24

项目资助： 国防基础科研计划项目(B3720110004)、湖南省自然科学基金青年项目(11JJ4029)和南华大学“蒸湘学者计划”联合资助。

谢焱石(1976–), 男, 副教授, 主要从事成矿作用的非线性动力学研究。Email: xie_yanshi@qq.com

谭凯旋(1963–), 男, 教授, 主要从事构造–流体–成矿作用动力学研究。Email: nhtkx@126.com