澳大利亚奥林匹克坝矿床铀成矿地质特征

徐翅翔， 林子瑜， 聂逢君， 余 倩

(东华理工大学， 南昌 330000)

澳大利亚是世界上著名的三大产铀国之一，其探明铀资源量位据世界首位；元古宙不整合面型、多金属铁氧化物角砾杂岩型(IOCG)、砂岩型、表生型(钙结岩型)铀矿是其四大主要铀矿类型。通过IAEA世界铀矿床分布数据库(UDEPO)系统、澳大利亚政府统计局矿产资源储量数据库(OZMIN)、澳大利亚各州政府矿产资源数据库、美国地调局矿产资源数据系统(MRDS)，以及一些重要的上市矿业公司年报，检索统计到澳大利亚铀资源量为321.7万tU，其中IOCG型铀矿资源量242.0万tU，占75.22%，主要分布于南澳州(1)聂逢君、林子瑜、黄美化、徐翅翔、余倩、占莎莎. 澳洲南- 东南亚铀资源时空分布及典型矿床特征研究(内部资料)，2019。。奥林匹克坝(Olympic Dam)是世界上最重要的铜、金、银和铀矿床之一，属于IOCG矿床类型。该矿床不仅是世界前三大铜矿之一，也是世界上已知最大的铀矿床。根据BHP公司(BHP Billiton Plc)2019财年年报(2)BHP公司年报2019(https:∥www.bhp.com/investor-centre/annual-report-2018)。，其主要金属资源储量：Cu 79 448 000 t，品位为1.433%；U3O82 560 560 t，品位为0.024%(折合2 171 359 t，U品位为0.020%)；Au 3 414 t，品位为0.543 g/t；Ag 12 916 t，品位为2.391 g/t。

本文基于一系列相关地质研究报告与论文文献综合研究而成，以期为国内矿业企业及地勘单位合理部署澳洲铀矿勘查与开发提供参考。

1 区域地质背景

奥林匹克坝和后来发现的卡拉帕蒂娜(Carrapateena)IOCG型铀多金属矿床位于南澳州髙勒地盾北—东部边缘奥林匹克坝铜金成矿省，这里拥有著名的普罗明特丘(Prominent Hill)矿山、奥林匹克坝矿山和莫塔·瓦拉罗(Moonta-Wallaroo)历史矿区。髙勒地盾由中太古代至中元古代变形变质的沉积岩、火山岩和深成岩组成，并被细分为一系列地质域，奥林匹克坝和卡拉帕蒂娜矿床产于奥林匹克地质域。髙勒地盾IOCG型矿化与中元古代赫尔塔巴(Hiltaba)岩套和髙勒区(Gawler Range)火山岩岩浆作用有关，矿化赋存于多宁顿(Donington)花岗岩套中，上部覆盖着数百米厚的斯图尔特陆架(Stuart Shelf)新元古代沉积物(图1)。D.L.Huston等[1](2011)对髙勒地质省区域地质背景与演化做了详细综述。

1)南澳大利亚已知最古老的岩石是中太古代(3 150 Ma)花岗质片麻岩，仅在靠近高勒地质省东部边缘的斯宾塞域(Spencer Domain)北部约1 500 km2的相对局限区内被发现[3]。

2)克拉通北部和南部在2 550～2 480 Ma沉积了表壳岩组合，包括碎屑和化学沉积岩以及火山岩。它们在约2 470～2 410 Ma之间的斯莱福德造山(Sleafordian Orogeny)作用中发生了不同程度的变质作用，许多已达到麻粒岩相。髙勒地质省北部的这些新太古代至古元古代早期的岩石被称为穆尔加辛杂岩(Mulgathing Complex)，而南部的类似老岩石被称为斯莱福德杂岩(Sleaford Complex)。这两个杂岩在地表被广泛分布的、基本平坦的髙勒区火山岩(约1 590 Ma)和古元古代晚期圣彼得岩套(St Peter Suite，约1 620 Ma)火成岩分开，但两者在深部可能是连续的并形成了一个弧形基底，在其上则沉积了古元古代沉积物。

图1 髙勒克拉通及其邻近地质域地质简图[2]Fig.1 Simplified geological map of the Gawler craton and adjacent geological domains[2]

3)2 000～1 700 Ma之间的晚古元古代是髙勒地质省大部分地区广泛沉积时期，不时出现岩浆活动、变形和变质作用。在克拉通东部边缘，哈奇森(Hutchison)岩群被解释为在2 000～1 850 Ma之间沉积，其环境可能为被动大陆边缘环境[4]。然而，最近对哈奇森岩群进行了广泛的修订[5]，细分为晚太古代米德巴克(Middleback)岩群和1 865 Ma的达克皮克(Darke Peak)岩群、1 780～1 730 Ma克里夫(Cleve)两个古元古代岩群。沿髙勒地质省东部边缘，达克皮克群和克利夫群的沉积岩被广泛的花岗质深成岩体侵入(约1 850 Ma)而分离，统称为多宁顿(Donington)岩套[6]。

4)髙勒地质省1 780～1 730 Ma的沉积作用似乎已被金邦(Kimban)造山运动终止，金邦造山运动在时间上跨越1 730～1 690 Ma，是克拉通大部分地区高级变质作用的原因。在髙勒地质省南部，斯莱福德杂岩在金邦造山运动期间被广泛改造[7]，米塔利(Miltalie)片麻岩和和哈奇森(Hutchison)岩群被紧密褶皱和变质。在高勒地质省北部穆尔加辛杂岩相对有限的热变形改造与金邦造山作用有关，但高级变质作用和变形发生在卡拉利(Karari)剪切带北部的纳瓦(Nawa)域[8]和福勒(Fowler)域[9]。在卡林加拉(Kalinjara)糜棱岩带以西的髙勒地质省南部和克拉通中、北部(包括约1 690 Ma的Tunkillia岩套)，显著的岩浆作用也与金邦造山作用有关[10]。

5)金邦造山运动之后，约1 660 Ma的塔尔库拉(Tarcoola)组沉积发生在克拉通中部[11]。

6)古元古代晚期到中元古代早期是高勒地质省岩浆活动非常广泛的时期。该阶段的岩浆作用始于约1 630～1 610 Ma，克拉通西南部圣彼得花岗岩岩套侵入，并伴随着同期火山作用。广泛的髙勒火山岩(1 595～1 590 Ma)和1 595～1 575 Ma持续侵入的希尔塔巴(Hiltaba)花岗岩套紧随其后。高勒地质省所有已知矿床和远景区似乎都形成于1 590～1 580 Ma之后(或准同步)，与希尔塔巴岩套和髙勒火山岩的岩浆作用以及相关的热液蚀变作用同步[12]。

在希尔塔巴岩套花岗岩侵入大致同时，高勒地质省北部，包括伍兹山(Mt Woods)域、库伯佩迪(Coober Pedy)山岭和梅贝尔溪(Mabel Creek)山岭地区，在中到深地壳层次上也经历了高级变质作用[4,13]。约1 595～1 570 Ma的岩浆作用和/或变质作用反映了髙勒地质省大部分地区的最后一次构造热事件。

7)在克拉通东部，相对平坦的潘杜拉组砂岩(Pandurra Formation)覆盖着髙勒区火山岩，阿德莱德裂谷杂岩(Adelaide Rift)构成新元古代沉积物基底。Fanning(1983)等[14]曾报告了潘杜拉组最小沉积年龄(Rb-Sr)为(1 424±51)Ma。

2 铀成矿地质特征

Tania Wilson[15](2012)在《Uranium and uranium mineral systems in South Australia》中对奥林匹克坝矿床铀成矿地质特征做了详细综述。

奥林匹克坝矿床位于髙勒地盾东缘奥林匹克地质域内，不整合覆盖着厚约300 m的新元古代- 寒武纪斯图尔特陆架(Stuart shelf)产状平缓的沉积岩(图1)。该地质省基底岩石与古元古代哈奇森岩群变质沉积物和林肯(Lincoln)杂岩的变形花岗岩有关，随后出现中元古代希尔塔巴花岗岩岩套类侵入，基底单元被同时代髙勒双峰式火山岩单元覆盖[16]。

矿床赋存在一个大型热液角砾岩体中，称为奥林匹克坝角砾杂岩(ODBC)[17]，该角砾杂岩产于罗克斯比丘陵(Roxby Downs)花岗岩中。该花岗岩是希尔塔巴岩套岩基的一部分，后者非正式地称为勃艮第(Burgoyne)岩基，面积约50 km×35 km。岩基成分为正长花岗岩到石英二长闪长岩不等，大致分为两个子岩套，东部为白坝(White Dam)子岩套，西部为维尔达(Wirrda)子岩套[18]。罗克斯比花岗岩是维尔达子岩套的一员[19]。罗克斯比花岗岩和勃艮第岩基内其他深成岩体的侵入年龄受U-Pb锆石年龄(1 598±2至1 588±4 Ma)约束[20-21]。罗克斯比花岗岩为粉红色到红色、未经受变形、未变质、粗中粒、石英含量低的正长花岗岩，具有A型花岗岩特征[18]。

奥林匹克坝矿床位于主体N-NW走向的G2和W-NW走向的G9C重力线性构造交汇处，与斯图尔特陆架上众多磁- 重复合异常之一有关[22]。对这些复合异常的钻探，在基底中发现大量热液铁氧化物蚀变，在空间上与希尔塔巴岩套花岗岩类有关[23]。

2.1 奥林匹克坝角砾杂岩(ODBC)

ODBC组成主要包括漏斗状、贫赤铁矿的石英角砾岩“核心”，周围环绕着一系列不规则的变化复杂的矿化带和宽阔的赤铁矿- 花岗岩角砾带。这些角砾岩的岩性从系统外围的花岗岩到强烈赤铁矿化的杂岩，显示出多旋回蚀变和角砾岩化的结构特征[22]。

图2 ODBC地质平面简图[17]Fig.2 Simplified geological plan of the ODBC[17]

图3 ODBC东西剖面示意图[17]Fig.3 Schematic east-west cross-section through the ODBC[17]

在平面图(图2)中，ODBC形状不规则，赤铁矿- 花岗岩角砾岩环绕赤铁矿- 石英角砾岩核心。弱蚀变角砾状花岗岩向周围延伸5～7 km，与周围Roxby Downs花岗岩呈不明显的渐变边界。杂岩中较强赤铁矿蚀变角砾岩走向NW-SE，长度>5 km，宽度达3 km。ODBC局部延伸深度>1.4 km[22]。ODBC中的赤铁矿- 花岗岩角砾岩以不规则形状大小出现，但总体上有一定的方向性，倾角陡至直立(图3)。角砾岩体的厚度随深度而变化，并可能在短距离内收缩和膨胀；其矿化程度不同，成分也有很大的差异，这取决于角砾岩化和蚀变的程度。

里夫等[17]认为角砾岩是由水力压裂、构造断裂、化学溶蚀、潜水岩浆作用和重力崩塌等多种作用组合而形成的[22]。

2.2 热液蚀变

热液蚀变矿物包括绢云母- 赤铁矿，含有较少的绿泥石、二氧化硅、碳酸盐(菱铁矿)和磁铁矿。蚀变组合变化大，矿物分布模式复杂，但在整个矿床和单个角砾岩带规模上可识别出系统蚀变模式。一般来说，蚀变强度与角砾化程度直接相关[22]。磁铁矿是角砾杂岩中氧化铁蚀变的最早阶段，随后被广泛分布的赤铁矿化蚀变所覆盖。磁铁矿仅在深处和ODBC外围演化较低的角砾岩系统内存在。赤铁矿蚀变通常更丰富和强烈地朝向矿床中心出现，局部可达到岩石的95%，并且主要取代先前存在的矿物，包括原生花岗岩、岩墙和次生热液或脉状矿物[17]。氧化铁，主要是赤铁矿，普遍与铜矿化密切相关[22]。一些研究表明，铜、铀和稀土与铁同时引入，矿化角砾岩中的结构关系也表明，硫化物与密切相关或共生的赤铁矿同时代或其后[17, 22]。

绢云母是Roxby Downs花岗岩中长石热液蚀变的主要产物，除赤铁矿- 石英岩核外，广泛分布于所有角砾岩中。长石的假像绿泥石蚀变呈斑片状，广泛存在于角砾杂岩中，强度一般为低到中等。菱铁矿蚀变在矿化角砾岩中通常较弱，绿泥石和菱铁矿蚀变在角砾岩带的深处和边缘更为丰富。轻微的石英蚀变发生在整个角砾岩杂岩中，然而，更强烈的硅化作用围绕核心边缘发育，并且具有更高品位的金矿化[22]。

2.3 矿化与分带

2.3.1 矿化

黄铜矿、斑铜矿和辉铜矿是矿床的主要含铜矿物，局部赋存少量原生铜和其他含铜矿物。铜矿石矿物以浸染状、细脉状和碎片状的形式出现在角砾岩带中，主要出现在基质中。萤石或重晶石矿化通常与硫化物矿化同生，萤石在矿化角砾岩以浸染、碎屑和细脉的形式出现，局部富集[17]。重晶石在大多数赤铁矿- 花岗岩角砾岩中以低浓度出现[22]。铀矿物主要为沥青铀矿，含少量的水硅铀矿和白榴石。沥青铀矿通常与硫化物和赤铁矿共生，以细粒浸染状出现在赤铁矿角砾岩中[22-23]。少量的金和银与铜硫化物密切相关。金通常以极细的颗粒存在于铜硫化物中，并与之伴生。银通常以固溶体形式和硫化物一起出现。含稀土矿物主要为氟碳铈矿[22]。

ODBC中的离散矿带仅占角砾岩总体积的小部分，然而，在整个ODBC中，弱的铜- 铀- 金- 银- 稀土矿化普遍存在，背景水平高达0.5% Cu、0.02% U3O8、0.5% g/tAu和1 g/t Ag。高品位Cu-U矿化与赤铁矿蚀变强度之间存在着普遍的相关性，然而，中心赤铁矿- 石英角砾岩带基本上是贫矿化的[22]。

2.3.2 矿化分带

由于ODBC内硫化物分带模式和相适的富含赤铁矿角砾岩分布，矿带几何特征高度复杂[22]。硫化物矿化显示了大范围横向和纵向分带模式，黄铁矿- 黄铜矿在矿床深处和外围，逐渐到斑铜矿，然后是辉铜矿[17, 22-23]。黄铜矿和斑铜矿之间的界面通常是突变的，易于绘制，并且在大范围尺度上，围绕赤铁矿- 石英核心边缘陡倾(图3)。当详细观察时，斑铜矿- 黄铜矿界面和其他矿物学边界高度不规则且局部卷曲[22]。整个硫化物分带在成因上被解释为原生的(hypogene in origin)[17]，这表明热液的多次侵入和一系列的矿石沉淀机制形成了主要的硫化物共生序列和在矿化和蚀变组合中观察到的复杂关系[24]。

2.4 ODBC形成环境与构造演化

ODBC主要形成于高位火山环境[[17, 23, 25]，杂岩内有地表岩性，表明热液系统突破了古表面。里夫等人[17]提出该矿床可能形成于与玛珥湖(Maar，一种低平火山口，以德国西部玛珥湖为代表，中国广东湛江市湖光岩玛珥湖同属典型)类似的岩浆火山机构[22]。

热液角砾岩化作用发生在罗克斯比花岗岩的构造控制部位，在动态复杂系统中与蚀变、脉体、岩墙侵入、潜水岩浆活动和矿化同时演化，多重叠加角砾岩化事件导致矿床宿主岩石性质高度多变[22]。随着热液系统的减弱，角砾成岩脆性结构发育[17]。

据估计，在中元古代到新元古代，可能是在马里诺(Marinoan)冰川作用期间，大约有500 m的罗克斯比花岗岩和ODBC上部被侵蚀，随后沉积了上覆沉积层序。除了与盖恩德(Gairnder)岩墙群相关的大型晚期重晶石- 萤石矿脉叠加矿化和岩墙侵入[17]，奥林匹克坝可能还受到卡拉兰[26]、穆斯格拉维亚(Musgravian)和德拉梅里造山运动(Delamerian orogenisis)、阿德莱德伸展(Adelaidean extenson)、新生代断层和隆起的远场效应影响[15]。

2.5 成矿作用

最近的证据表明，约1 530～1 450 Ma髙勒地质省北部的岩浆和构造活动也可能使部分矿石成分重新活化迁移。Oreskes和Einaudi(1990)[23]及Skirrow等(2007)[12]证明了奥林匹克坝的成矿年龄可能在1 590～1 580 Ma之后。

尽管提出了近地表热液成因，但形成矿床的热液流体和金属的来源仍然存在争议[22]。矿化年龄与长英质火成岩活动相似，表明铀在与火成岩热事件相关的热液活动中富集[17, 22-23]。

Haynes等人(1995)在一个模型中提出，金属沉淀是通过氧化- 还原反应控制的，这是上升的、热的、还原的富铁流体与角砾杂岩上部冷的、氧化的盐水和/或湖水混合的结果。根据矿物组成、矿石结构和热力学模型，认为氧化地下水主要贡献矿石组分给系统，调用多重混合事件，解释所观察到的矿化和蚀变分带样式[27]。

Lambert等人[28](2005)提出了一些可能与奥林匹克坝矿床成因有关的耦合因素，包括：

1)古地温梯度高；

2)大量普遍富铀的花岗质岩石侵位于地壳浅层，侵入同时代长英质火山岩；

3)形成玛珥湖火山环境；

4)赤铁矿稳定的氧化含铀流体与相对还原(磁铁矿稳定)蚀变的叠加，伴随着与上升流体混合或通过与预先存在的含硫化物磁铁矿蚀变反应而产生铀沉淀。

3 结 论

1)奥林匹克坝IOCG型矿床是目前世界上已知最大的铀矿和世界前三大铜矿之一，其主要金属资源储量：79 448 000 t 品位为1.433%的Cu；2 171 359 t品位为0.020%的U；3 414 t品位为0.543 g/t的Ag；12 916 t品位为2.391 g/t的Au。

2)奥林匹克坝铀矿产于被称为ODBC的大型热液角砾岩体中，该角砾杂岩产于罗克斯比A型花岗岩中，后者是希尔塔巴岩套岩基的一部分，侵入年龄(1 598±2)至(1 588±4)Ma。铀矿形成与同时代的高温A型或I型长英质和铁镁质岩浆活动密切相关。

3)ODBC呈形状不规则的漏斗状，赤铁矿- 花岗岩角砾岩环绕赤铁矿- 石英角砾岩核心，弱蚀变角砾状花岗岩向四面八方延伸5～7 km，与寄主花岗岩呈不明显的渐变边界。热液蚀变矿物包括绢云母- 赤铁矿，含有较少的绿泥石、二氧化硅、碳酸盐(菱铁矿)和磁铁矿，蚀变强度与角砾化程度直接相关。

4)ODBC主要形成于高位火山环境，热液系统突破了古地表面，矿床可能形成于一个类似于玛珥湖的岩浆火山机构。

5)铀矿物主要为沥青铀矿，含少量的水硅铀矿和白榴石，沥青铀矿通常以细粒浸染状出现在赤铁矿角砾岩中，与硫化物和赤铁矿共生，成矿年龄可能在1 590～1 580 Ma之后。

6)伸展导致的陷落地块有利于保存在近地表形成的富赤铁矿- 富铀IOCG矿床，而周围上升区域将表现出更深的、富磁铁矿(贫铀)IOCG矿床类型。