热液型铀成矿氧化还原条件研究：来自特征矿物的指示

陶意，林锦荣，胡志华，庞雅庆，王勇剑，高飞

（中核集团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）

热液型铀矿床中普遍发育铀-赤铁矿型与铀-黄铁矿型两种类型铀矿化。前人研究认为，热液型铀矿床具有上部氧化所致的赤铁矿化红色蚀变、下部还原所致的黄铁矿化灰色蚀变分带特征，即“上氧化下还原”、“上酸下碱”的变化规律［1-2］。最新钻孔资料显示，以赤铁矿为特征矿物的红色铀矿化蚀变组合和以黄铁矿为特征矿物的灰色铀矿化蚀变组合在浅部、深部空间均有分布，并不存在明显的垂向分带性。此外，关于赤铁矿对沥青铀矿形成环境的制约性存在有较大争议，导致对热液型铀矿成矿机制认识存在不足［3-18］。笔者通过对相山矿田和长江矿田典型矿床中指示成矿氧化还原环境的铀-赤铁矿型与铀-黄铁矿型两种矿化类型研究，阐明两种矿化类型矿物组合特征、时空分布特征，探讨两种类型铀矿化的可能成因，总结铀成矿的氧化还原条件，为理解热液型铀成矿作用提供新信息。

1 地质概况

华南地区中生代时期发生大规模的铀-多金属成矿作用，形成了一系列的铀矿床，是我国重要的铀矿产区［19-23］。依据赋矿围岩不同，华南地区铀矿床可分为火山岩型铀矿床、花岗岩型铀矿床、碳硅泥岩型铀矿床，火山岩型铀矿床主要分布于江西相山地区，花岗岩型铀矿床主要分布于诸广地区［24-25］。

相山矿田位于相山大型塌陷式火山盆地内，矿田内已发现多个铀矿床，铀矿床主要集中于盆地北部及西部，东部仅发现一个矿床，中部、南部仅发现一些稀疏矿点［26］。矿田受断陷红盆断裂构造体系与火山构造体系联合控制。矿田内铀矿床定位于北东向区域断裂构造及北西向、近东西向、近南北向次级断裂带与环状、弧形火山构造复合部位［27］。相山矿田地层可分为基底变质岩和火山岩盖层。其中火山盖层主要是下部的打鼓顶组（K1d）和上部的鹅湖岭组（K1e），火山喷发之后有浅成-超浅成侵入岩（花岗斑岩、次流纹斑岩等）侵入。岩浆活动发育，主要有加里东期、印支期及燕山早期中深成岩类及燕山晚期浅成侵入岩类（图1）。

矿体主要形成于不同产状断裂构造的转换地段、不同方向裂隙密集区、火山塌陷强烈部位及不同岩性接触带附近［28］。赋矿围岩主要为碎斑流纹岩、流纹英安岩及花岗斑岩。矿体主要呈群脉状、透镜状，延伸长，垂幅大。矿石类型主要有铀-赤铁矿型、铀-黄铁矿型、铀-萤石型、铀-绿泥石型和铀-碳酸盐型；矿石结构主要呈胶状结构、它形粒状、不规则状等；矿石构造主要有角砾状、脉状、浸染状构造。围岩蚀变强烈，可分为碱性蚀变和酸性蚀变，碱性蚀变有钠长石化、赤铁矿化、碳酸盐化、磷灰石化、绿泥石化等，酸性蚀变有硅化、黄铁矿化、萤石化、水云母化等，在酸碱交代叠加部位形成富矿石［26-28］。

图1 相山矿田地质简图（据林锦荣等，2014［27］修改）Fig.1 The geological sketch of Xiangshan ore field

长江矿田位于诸广山复式岩体南部，现已发现7 个铀矿床。在大地构造上位于闽-赣后加里东隆起与湘-桂-粤北海西-印支期坳陷的结合部位，受南北向万洋-诸广山、东西向九峰-大余和北东向万长山隆起带多重联合控制［29］。矿田范围内岩浆活动发育，形成印支-燕山期花岗岩体主体，少量燕山晚期中基性、酸性岩脉侵入至岩体中。区内主要断裂有北东向棉花坑断裂、黄溪水断裂、里周断裂和北西向油洞断裂及近南北向次级硅化断裂带（图2）。

图2 长江矿田地质简图（据Zhang 等，2017［18］修改）Fig.2 The geological sketch of Changjiang ore field

长江矿田内矿床主要位于里周断裂与黄溪水断裂夹持的区域内，矿体主要分布于近南北向次级硅化断裂带及北西向油洞断裂内。赋矿围岩主要为印支期中粒小斑状二云母花岗岩（油洞岩体）、燕山期中粗粒斑状黑云母花岗岩（长江岩体）。油洞岩体主要位于矿田东侧，成岩年龄为322～244 Ma，铀含量平均为12.26×10-6；长江岩体主要位于矿田西侧，成岩年龄为166～154 Ma，铀含量平均为18.3×10-6［30-31］。矿体主要呈脉状、透镜状、豆荚状，局部膨大收缩，延续性好。铀矿石类型主要有铀-赤铁矿-微晶石英型、铀-黄铁矿-微晶石英-紫黑色萤石型和含铀碎裂花岗岩型。矿石中铀矿物主要为沥青铀矿，此外还有铀石、晶质铀矿、铀钍石、钛铀矿、钙铀矿等，沥青铀矿呈微粒分散状、圆球状、胶状、肾状、皮壳状、不规则状分布于矿石中。矿石常具有碎裂结构、碎斑结构和碎裂花岗结构；浸染状构造、条带状构造、角砾状构造。矿区内矿化中心及围岩发生强烈热液蚀变作用，主要蚀变类型有硅化、赤铁矿化、黄铁矿化、萤石化、水云母化、绿泥石化、碳酸盐化、高岭石化，蚀变矿物呈对称状分布于矿化中心两侧，具有明显分带性［32-33］。

2 矿物组合特征

矿物组合是揭示成矿流体地球化学条件的基础［34］，根据野外及镜下鉴定观察，铀-赤铁矿与铀-黄铁矿两种类型铀矿化具有不同的矿物组合特征，反映成矿流体或成矿环境具有明显差异。

铀-赤铁矿型矿石有碱交代型和酸交代型两种，相山矿田以碱交代型为主，长江矿田以酸交代型为主。相山矿田中碱交代型呈深红色、暗红色，以赤铁矿、钠长石为主，矿物组合为沥青铀矿-钠长石-赤铁矿-磷灰石-碳酸盐［35-37］（图3）。矿石中铀矿物主要为沥青铀矿，沥青铀矿呈微粒细分散状、不规则粒状；赤铁矿呈云雾状、尘土状、浸染状分布于矿物表面；钠长石呈棋盘格状交代钾长石斑晶，钠长石化强烈部位石英完全消失；磷灰石呈细小柱状，与赤铁矿、钠长石伴生产出；碳酸盐主要为方解石，以脉状为主，穿插于矿石中。长江矿田酸交代型多呈棕红色、猪肝色、酱红色，以沥青铀矿、铁氧化物、微晶石英为主，形成沥青铀矿-赤铁矿-微晶石英矿物组合（图4）。矿石中铀矿物以沥青铀矿为主，铀石次之，沥青铀矿粒径极小，呈不规则状；铁氧化物以赤铁矿为主、水针铁矿次之，赤铁矿常呈云雾状、尘土状及微细脉状分布于微晶石英上，水针铁矿常为放射状、针状集合体、粒状等；微晶石英它形粒状，在矿石孔隙发育部位可呈梳状［38-39］。此外，矿石中还含有大量蚀变的长石、黑云母、角闪石角砾。

铀-黄铁矿型矿石在相山矿田及长江矿田中均较发育，特征相似。矿石呈灰色、紫黑色，常见黄铁矿-黑色沥青铀矿脉-微晶石英-萤石组合。矿石中铀矿物主要为沥青铀矿，粒径较大，呈圆球状、胶状、肾状等；黄铁矿具多种形态，自形立方体状、五角十二面体状、八面体状、复杂聚形等，与沥青铀矿相伴生的黄铁矿多为胶状、脉状、不规则粒状，黄铁矿被沥青铀矿或其他铀矿物包围、穿插、交代；萤石呈紫黑色，呈自形晶状、脉状、隐晶质胶状，与沥青铀矿伴生萤石多为胶状及脉状［40-42］。

图4 长江矿田矿石特征Fig.4 Specimen and microscopic feature of ores from Changjiang ore field

除颜色与矿物组合有显著差别外，铀-赤铁矿型与铀-黄铁矿型在矿石品位也有不同，总体而言，前者矿石品位较低，后者矿石铀含量高且易形成富大铀矿［43-44］。

3 时空分布特征

3.1 时间分布特征

相山矿田中广泛发育酸交代作用形成的铀-黄铁矿型铀矿脉穿插于碱交代作用形成的铀-赤铁矿型铀矿脉中。根据前人对相山酸碱交代的成矿年代学研究，相山矿田第一期碱交代蚀变作用形成于（115±0.5）Ma；第二期酸交代作用成矿年龄约为（99±6）Ma［26］。长江矿田钻孔岩心中也多见铀-黄铁矿型矿脉穿插至铀-赤铁矿型矿脉中。有学者运用LA-ICP-MS对长江矿田长排矿床不同类型铀矿石中沥青铀矿开展年代学研究，认为铀-赤铁矿型矿石中沥青铀矿形成于（70.2±0.5）Ma；铀-黄铁矿型矿石中沥青铀矿形成 于（62.4±2.5）Ma［45］。综合钻孔岩心资料和年代学特征，铀-赤铁矿型矿石形成相对较早，铀-黄铁矿型形成相对晚，二者形成于不同的成矿阶段。

3.2 空间分布特征

关于铀-赤铁矿与铀-黄铁矿两种类型铀矿化空间分布规律，前人研究认为存在“上氧化下还原”、“上酸下碱”明显的分带性特征，地表大气降水下渗作用是形成该特征的主要原因［1-2，26，36-37］。通过对相山矿田和长江矿田两种矿化类型的统计，发现铀-赤铁矿型矿石在深部也可大量发育，铀-黄铁矿型矿石亦可在浅部富集成矿，两种类型铀矿化在垂向上呈现穿插、叠置特征。

相山矿田红色碱交代型铀矿化蚀变（铀-赤铁矿型）与灰色酸交代铀矿化蚀变（铀-黄铁矿型），在不同深度均有产出［27-28］。通过对相山矿田内典型矿床居隆庵矿床不同标高矿体矿化及蚀变类型统计（表1），发现代表高氧逸度的红色赤铁矿化及钠长石化、磷灰石化、碳酸盐化等碱性蚀变组合既可形成于浅部，也形成于矿床深部；形成于低氧逸度条件下的黄铁矿化及水云母化、绿泥石化、萤石化等酸性蚀变组合也可大量形成于不同标高矿体内。除居隆庵矿床，河元背矿床、沙洲矿床、邹家山矿床等多个矿床的不同标高矿体均发现有大量红色碱交代型铀矿化蚀变（铀-赤铁矿型）与灰色酸交代铀矿化蚀变（铀-黄铁矿型），它们既可以单一矿化蚀变形式存在，也可相互穿插、叠置共存［27-28］，不具有明显的分带性。

长江矿田红色微晶石英脉型（铀-赤铁矿型）矿石与灰色微晶石英脉型（铀-黄铁矿型）矿石在矿田内所有矿床中均有产出，在垂向上可沿同一矿体或断隙构造叠置发育，并不存在明显的分带现象。以长江矿田典型矿床棉花坑矿床为例，矿床浅部也有灰色矿化蚀变（铀-黄铁矿型），如钻孔ZK22-1 标高56 m处；深部也见红色矿化蚀变（铀-赤铁矿型），如棉花坑矿床ZK45-4 钻孔标高-690 m 处（图5）。此外，矿田内书楼丘矿床、长排矿床等多个钻孔岩心不同标高处也均可见两种类型铀矿化蚀变组合相互穿插、叠置存在，垂向上并不具有明显分带性。

表1 居隆庵矿床不同标高矿体矿化特征（据林锦荣等，2014［27-28］修改）Table 1 Mineralization characteristics of ore bodies at different elevation fin Julongan deposit

图5 长江矿田棉花坑矿床不同钻孔矿化类型分布示意图Fig.5 Depth and types of mineralization in drills from Mianhuakeng deposit，Changjiang ore field

综合以上，无论是相山矿田内碱性蚀变矿化形成的铀-赤铁矿型矿石亦或长江矿田内酸性蚀变矿化形成的铀-赤铁矿型矿石，它们均比同矿田内铀-黄铁矿型矿石形成早，两种矿化蚀变类型在垂向上不具有明显的地表水氧化形成的浅部赤铁矿化带和深部还原的黄铁矿化带的垂向空间分带特征，它们可能是不同成矿阶段的产物。

4 对铀成矿氧化还原条件的指示

4.1 赤铁矿、黄铁矿成因

赤铁矿可形成于内生作用、表生作用和变质作用下，存在于在各种矿床蚀变带中或构成主要矿体，如BIF 铁矿、铁氧化物-铜-金矿床（IOCG）、铀矿床等［12，46-48］。赤铁矿中铁离子为Fe3＋，通常认为其为高氧逸度介质环境下的产物［49-51］。

相山矿田和长江矿田铀矿床中成矿各阶段均可见有赤铁矿，不同成矿阶段赤铁矿形态及成因具有较大差别。相山矿田成矿早期阶段，成矿流体中碱质含量高，碱性热液流体具有Eh 值高的特征，此环境有利于Fe2＋转变为Fe3＋［52］，原岩中富含Fe2＋矿物，如黑云母、角闪石、磁铁矿等在碱性热液交代作用下，转变为Fe3＋，最终形成赤铁矿，呈云雾状、尘土状分布于矿物表面。长江矿田成矿早期成矿流体具有深源流体与浅表大气降水混合的特征［18，23，33，38］，成矿热液具有较高的氧逸度，流体及围岩中Fe2＋被氧化，最终在矿脉中形成赤铁矿、水针铁矿沉淀。

黄铁矿广泛发育于条带状含铁建造矿床（BIF）、斑岩型铜-钼-金矿、火山岩熔块状硫化物型矿床（VMS）、铁氧化物型铜金型矿床（IOCG）、热液型铀矿和砂岩型铀矿床、浅成低温热液型金矿、卡林型金矿等多种成矿系统［46，53-58］。黄铁矿形 成于氧逸度较低、硫 逸度高的环境下，可作为还原环境的标型矿物［49-51］。在相山矿田与长江矿田中，黄铁矿形成于铀成矿作用的各个阶段，成矿前及成矿早阶段仅局部有少量黄铁矿，在铀-黄铁矿型矿石形成阶段黄铁矿大量产出，具有多种形态，与铀矿物伴生。黄铁矿微量元素特征表明，矿床中黄铁矿为热液成因，成矿前至成矿期黄铁矿形成温度降低［38，59-60］。

根据赤铁矿及黄铁矿的成矿特性，说明铀-赤铁矿型矿石成矿流体具有高氧逸度，铀-黄铁矿型矿石成矿流体具有低氧逸度。

4.2 与铀成矿关系

热液中的铀通常以六价铀的铀酰离子及其各种盐类络合物形式迁移，最终以四价铀物形式沉淀成矿［61-63］。在钻孔岩心及镜下常见到赤铁矿、黄铁矿与沥青铀紧密伴生，尤其在黄铁矿内部与外侧常见有沥青铀矿。黄铁矿形成于还原环境中，均具有较强的还原能力，常作为还原剂参与沥青铀矿等铀矿物沉淀富集的过程中［59-60，64-66］。有学者认为，热液型铀矿的形成与红盆存在有密切的关系，成矿前至成矿时红盆中富氧的盆地水沿区域断裂下渗至深部中，浸取富铀地质体中U4＋并将其氧化成为U6＋，富铀热液在迁移至成矿部位时再次被深部来源的还原性物质还原为U4＋沉淀，但后一过程中却常忽略沥青铀矿等铀矿物富集沉淀的还原环境与赤铁矿形成所需的氧化环境的相互制约性，难以解释矿石中与沥青铀矿中大量共存的赤铁矿［18，33，60，67-68］。

通常认为，沥青铀矿等铀矿物形成于还原环境中，而赤铁矿形成于氧化介质环境中，二者形成环境相互制约却常在矿石中伴生产出。众多铀矿工作者对此提出不同观点，有空洞效应理论［3］、CO2排气作用［5］、物态变异-粉末化［6］、铁的氢氧化物重结晶分解［7-9］、放射性成因理论［4，10-11］、地表大气水作用［12-13］、Fe-U 间化学作用［14-18］，争议较大。主要获得支持的是放射性成因理论和Fe-U 间化学作用观点，但有学者认为，成矿流体中铀不足以产生如此高浓度氧化性基团，放射性成因理论难以解释有些富铀部位赤铁矿含量低的现象；Fe-U 间化学作用观点缺乏反应结构的地质现象的支持［9，13-14］。

本次研究认为，沥青铀矿也可形成于一定的氧化环境下。首先，自然界中沥青铀矿中除U4＋外，还含有一定量U6＋，有些沥青铀矿中甚至 以U6＋为 主［69］，说明沥青铀矿以U4＋-U6＋混合方式发生沉淀富集，热液中的U没有完全被还原为U4＋沉淀。其次，矿石中虽然存在有大量赤铁矿与沥青铀矿，但有些沥青铀矿脉旁却没有大量赤铁矿富集，反映赤铁矿的出现仅表明成矿介质具有一定程度的氧化性，并非完全直接参与U 的还原过程。再次，矿石中沥青铀矿稀土元素数据显示，部分沥青铀矿存在明显Ce 正异常，反映其沉淀富集环境具有一定氧化性且沥青铀矿可以在这种介质环境中稳定存在［70］。在沥青铀矿-赤铁矿-微晶石英矿石中，常见有大量黑云母、角闪石角砾，它们几乎完全发生蚀变，其中Fe2＋与成矿热液发生水岩反应，对成矿时氧化环境起到一定制约性，使得介质氧化性不至于太强。当有愈多Fe2＋转变为Fe3＋时，对环境制约性愈强，愈有利于沥青铀矿沉淀富集，这也解释了铀-赤铁矿型矿石中颜色越深矿石品位越高的原因。应当指出，这种条件仅是铀矿物沉淀的必要条件，因为赤铁矿仅反映介质环境具有一定氧化性，与沥青铀矿并非处处伴生［71］。沥青铀矿与黄铁矿伴生附近，也可常见到黄铁矿局部被后期流体交代成赤铁矿，但在黄铁矿完全被交代成赤铁矿、褐铁矿部位，却极少见有沥青铀矿，说明介质氧化性过强，也不利于沥青铀矿的沉淀富集及保存。

综合以上，说明沥青铀矿形成并能稳定存在的介质氧化还原条件为黄铁矿至黄铁矿与赤铁矿共存区，完全的赤铁矿区也不利于沥青铀矿的存在，有黄铁矿存在的还原介质更有利于沥青铀矿的沉淀富集。

5 结论

1）铀-赤铁矿型和铀-黄铁矿型矿石是热液型铀矿床中主要矿石类型，它们具有不同的矿物组合。相山矿田碱交代成因的铀-赤铁矿型矿石矿物组合为沥青铀矿-赤铁矿-钠长石-磷灰石-碳酸盐；长江矿田酸交代成因的铀-赤铁矿型矿石矿物组合为沥青铀矿-赤铁矿-微晶石英。铀-黄铁矿型矿石矿物组合为沥青铀矿-黄铁矿-微晶石英-萤石。整体相比前者矿石品位低，后者矿石品位高。

2）铀-赤铁矿型较铀-黄铁矿型形成早，两种类型铀矿石在矿田深部及浅部均有大量富集，垂向上呈现相互叠置的分布特征。前者形成于相对氧化介质中，后者形成于相对还原介质中。

3）沥青铀矿形成并能稳定存在的氧化还原条件为黄铁矿至黄铁矿与赤铁矿共存区，黄铁矿存在区有利于沥青铀矿富集，完全的赤铁矿区不利于沥青铀矿的沉淀及保存。低氧逸度环境为富大铀矿形成的有利条件之一。