华南地区花岗岩特征及其与铀成矿地质作用

2021-12-29江卫兵李海东

世界核地质科学 2021年4期

江卫兵,邵上,林坤,李海东

（核工业二九〇研究所，广东韶关 512029）

华南地区包括长江以南和三江以东区域［1］，面积大于100万平方千米，区内出露的主要岩石为花岗岩和中酸性火山岩，因此也被称为“长英质火成岩省”［2］或大花岗岩省。花岗岩形成时代分布较广，从东安期一直延续到燕山期，其中燕山期花岗岩类分布面积最广［3］，其次为印支期。花岗岩在时空分布上受造山带的制约，即同一造山旋回伴随相应的花岗岩类［4-5］。早期研究认为华南印支期花岗岩中无铀矿或与铀成矿关系不大，但近十几年研究成果发现华南印支期花岗岩体中也有铀矿床形成［6-8］，与铀成矿作用关系密切［9］。因此引起众多学者的广泛关注，从时空分布、岩浆演化规律、地球化学特征、构造环境、成因类型以及与铀成矿关系等方面进行了大量研究。本文以华南地区各个时期的花岗岩为研究对象，在阅读前人大量文章的前提下，结合本人在下庄地区铀矿勘查工作，从年代学、地球化学、矿床学等方面分析华南地区加里东期、印支期和燕山期花岗岩特征及其与铀成矿关系。

1 地质背景

华南地区是我国钨、锡、铀、铍、铌、钽、稀土等金属矿产的集中产地，华南大陆主要由扬子和华夏地块组成（图1），位于秦岭－大别造山带以南，青藏高原以东的广泛中国大陆及其临海区域。区内地质构造演化复杂，在经历早前寒武纪构造复杂演化基础上，又经历了全球超大陆聚散和南北大陆离散拼合等构造演化历史。是全球板块构造演化的重要组成部分，位于全球现今三大重要板块的汇聚拼合部位。整体陆壳主要由三层显生宙盖层和双层前寒武纪不同基底构成。

图1 华南大地构造单元略图（据张万良，2011）［7］Fig.1 Tectonic unit sketch map of South China（After ZHANG Wanliang，2011）［7］

2 花岗岩特征

2.1 加里东期花岗岩

主要分布在武夷山和云开大山地区，呈北东向展布，出露面积总共约2万余平方千米。加里东早期花岗岩类A/CNK比值介于1.25～1.55之间，均大于1.1，为过铝质；加里东晚期岩体A/CNK多大于或接近1.1。孙涛（2006）［10］利用铝饱和指数（A/CNK）对华南加里东期花岗岩类岩石化学数据作统计和编图结果表明，华南加里东期花岗岩以强过铝质为主（A/CNK＞1.1），约占58.6%，对应为S型花岗岩；弱过铝质次之（A/CNK=1.0～1.1），约占34.1%，对应为I型花岗岩；准铝质花岗岩（A/CNK＜1.0）约占7.3%［1］。本文统计了最近几年华南加里东期岩体同位素年龄数据（表1）。从表中可知华南加里东期花岗岩类主要形成于460～410 Ma，张芳荣等（2009）［11］将其分为早晚两期，早期岩体形成时代约为460～440 Ma，以发育面理化为特征；晚期岩体形成时代约为440～410 Ma，以块状构造为特征。

表1 华南加里东期岩体年龄统计Table 1 Age statistics of Caledonian granites in South China

2.2 印支期花岗岩

主要分布在华南西部的雪峰隆起带和东部的武夷隆起带，出露面积总共约8000 km2。

主要由一套准铝质-强过铝质高钾花岗岩、二长花岗岩等组成，其形成环境与碰撞造山作用关系密切。华南印支期花岗岩主要分布在湖南、江西、广东、广西等省，其中湖南、江西分布最多（图2），呈岩基产出。根据花岗岩分类原则，华南印支期花岗岩分为I型和S型两种成因类型。

图2 华南印支期花岗岩分布图Fig.2 Distribution map of Indosinian granites in South China

本文统计了最近几年华南印支期同位素年龄数据。结果表明印支期花岗岩主要为多期次岩浆活动形成的复式岩体组成部分，例如：白马山岩体由印支晚期花岗岩（209 Ma）和燕山早期花岗岩（176 Ma）组成［19］；沩山花岗岩体为印支晚期（211 Ma）至燕山早期（184 Ma）多次岩浆侵入构成的复式岩体［20］；贵东花岗岩体是由印支期下庄岩体（235 Ma）、鲁溪岩体（239 Ma）、帽峰岩体（219 Ma）［21］和燕山期的隘子岩体（160 Ma）、司前岩体（151 Ma）［22］等组成的复式岩体。

印支期花岗岩主量元素统计数据结果表明，该期花岗岩以高SiO2、K2O、Al2O3和K2O/Na2O比值，低CaO、MgO、P2O5为特征。印支期S型花岗岩相对I型花岗岩而言具有较高的SiO2含量，S型花岗岩Si O2含量为71.99%～76.46%，平均为74.15%（白面石除外）；I型花岗岩SiO2含量为68.33%～73.99%，平均为71.25%。在图3中，除大神山岩体（I型）和白面石岩体（S型）落于花岗闪长岩区域外，其余基本落于花岗岩的区域内；除大神山岩体全部和栗木、王仙岭岩体部分K2O值小于Na2O，其余印支期花岗岩K2O值均大于Na2O、K2O/Na2O比值介于1.05～4.85之间，平均为1.72，要高于华南壳源型花岗岩（K2O/Na2O=1.61）比值［23-24］。在图4中，I型花岗岩样品点均落于高钾钙碱性系列，S型花岗岩样品大多也落于高钾钙碱性系列，少数落于钾玄岩系列。综上可见，印支期花岗岩属于准铝质-过铝质、高钾钙碱性花岗岩。

图3 华南印支期I型和S型花岗岩SiO2-Na2O+K2 O图Fig.3 The Si O2 versus Na2O+K2O diagram of I type and S type granites of Indosinian in South China

图4 华南印支期I型和S型花岗岩Si O2-K2 O图Fig.4 The Si O2 versus K2O diagram of I type and S type granites of Indosinian in South China

印支期花岗岩分为两组：1）下庄、锡田、关帝庙、大神山、龙源坝、小陶、白马山、白面石、邓阜山。这些岩体的稀土总量∑REE介于65.2×10-6～547.9×10-6之间，偏高，具较弱的Eu负异常（δEu=0.24～0.8）（小陶岩体个别样品δEu为0.15），稀土分布曲线呈右倾型，轻重稀土之间分馏明显，（La/Yb）N=7.81～43.52；2）红山、大富足、帽峰、王仙岭、阳明山、苗儿山-越城岭、栗木，这些岩体的稀土总量∑REE偏低（17.49×10-6～214.55×10-6），远低于全球花岗岩稀土元素的平均值（250×10-6）（帽峰岩体中两个样品的∑REE达280×10-6），具较强的Eu负异常（δEu=0.02～0.37），稀土分布曲线呈平坦型或弱的右倾型，轻重稀土之间分馏不明显，（La/Yb）N=3.38～6.31。

花岗岩体富集Rb、U、Th等大离子亲石元素和Ce、Sm、Y等稀土元素，明显亏损Ba、Sr、Ti等元素，属低Sr、Ba花岗岩。与孙涛（2003）［25］提出的南岭东段主要为强过铝质花岗岩结论相一致。Rb、Sr、Ba等微量元素的含量变化主要受长石、黑云母等造岩矿物制约，Ti的负异常是钛铁矿分离结晶作用的结果。而大神山、关帝庙、锡田、下庄、苗儿山－越城岭、白马山、小陶、白面石、红山、大富足、龙源坝、邓阜仙岩体显示出明显的P的负异常，是磷灰石分离结晶作用的结果。印支期花岗岩，Nb/Ta值大多数为3.27～11.94，反映岩浆作用过程中，Nb和Ta曾发生较明显的馏（栗木岩体部分样品Nb/Ta值只有0.5左右，大富足、白面石岩体个别样品Nb/Ta值＞16），Ta相对富集，而Nb相对亏损，低于地壳平均值（11.22），这反映了印支期花岗岩源区主要由地壳物质组成，具有壳源岩浆的特征［26］。

华南I型和S型印支期花岗岩在形成年龄上无明显区别（表2），但岩石成因和物源上存在明显的差异。华南印支期S型花岗岩被认为是地壳重熔的产物，是区内早期变质沉积岩部分熔融产生的岩浆结晶形成的，而I型花岗岩则主要是变质泥岩和变质玄武岩以及少量幔源岩浆的混合［25，47-48］。朱自强（2004）［49］则认为印支期富镁、钛的钙碱性二长闪长花岗岩的形成与地幔柱的上升作用有关。

表2 华南印支期花岗岩年龄统计表Table 2 Age statistics of Indosinian granites in South China

蔡杨等（2013）［31］利用CaO/Na2O-Al2O3/Ti O2图解对印支期花岗岩源区研究显示，强过铝质花岗岩具有较低的CaO/Na2O比值，落在了泥质岩源区内；准铝质-弱过铝质花岗岩的Ca O/Na2O比值明显高于强过铝质花岗岩，表明形成于更高的温压环境下。花岗岩的Al2O3/Ti O2比值常用于判别花岗岩源区部分熔融温度：若Al2O3/Ti O2＞100，部分熔融温度低于875℃；若Al2O3/Ti O2＜100，则部分熔融温度高于875℃。高温型过铝质花岗岩的成因，与地幔软流圈的上涌导致地壳受地幔热的输入而诱发部分熔融有关。由统计可知：华南印支期I型花岗岩和弱铝质S型花岗岩Al2O3/Ti O2比值都小于100，强过铝质花岗岩中也有部分岩体的Al2O3/TiO2值小于100，显示出成岩过程中地幔的参与。

2.3 燕山期花岗岩

燕山早期花岗岩在华南花岗岩中出露面积最广，主要呈北东向分布，在南岭地区呈东西向分布，年龄主要介于200～150 Ma。以黑云母二长花岗岩和黑云母花岗岩为主，同时伴随少量超酸性钾长花岗岩、二云母花岗岩和偏中性的花岗闪长岩。岩石富硅、铝，贫钙、镁，具有较高的（87Sr/86Sr）i和较低的εNd（t）值，具典型的S型花岗岩特征，是壳源改造型花岗岩［50］。而李献华等（2007）［51］通过对华南燕山早期花岗岩的Si O2-P2O5系统研究，表明二者呈负相关关系，燕山早期的含角闪石花岗闪长岩-黑云母二长花岗岩和黑云母钾长花岗岩-二（白）云母花岗岩为准铝质-弱铝质的I型/分异I型花岗岩演化系列。

燕山晚期花岗岩主要分布在浙、闽、粤沿海地区和湘北、鄂南、皖南和苏沪的长江中下游地区，出露面积超过50300 km2。在沿海地区走向以北北东向为主，在长江中下游地区走向以北东东向为主。此时岩浆活动主要以准铝和弱过铝质钙碱性为主，年龄介于150～97 Ma。

3 花岗岩与铀成矿作用

华南地区与铀成矿有关的花岗岩体主要形成于印支期和燕山期，少量加里东期。华南花岗岩型铀矿床成矿年龄绝大部分位于燕山期，少数几个成矿位于加里东期，年龄为378、360、407 Ma［7］。数据统计结果表明华南地区花岗岩型铀矿成矿年龄绝大部分小于145.5 Ma（约97.8%），主要集中在100～40 Ma［7］，例如长江矿田棉花坑矿床（302）、下庄矿田希望矿床（330）。

3.1 加里东期花岗岩与铀成矿

加里东花岗岩为燕山期大范围铀成矿提供铀源，提供铀源的方式有两种。一种是加里东期岩体中所含的成矿元素在后来（印支期、燕山期）的花岗质岩浆-热液或者地幔流体作用下可以活化-转移，参与成矿；另一种是通过岩浆作用进入到晚期花岗岩中。例如在赣南白面石、隘高等地区，部分加里东期花岗岩通过熔融而形成印支期花岗岩；而印支期花岗岩则作为围岩为铀成矿作用提供铀源。

3.2 印支期花岗岩与铀成矿

印支期花岗岩与铀成矿有密切成因关系。众多学者根据印支期花岗岩体中铀矿产出情况，将其分为产铀花岗岩体和非产铀花岗岩体。章健等（2011）［52］对产铀岩体（诸广山和大富足岩体）和非产铀岩体（白马山和瓦屋堂岩体）进行矿物化学成分研究分析认为，与非产铀花岗岩相比，产铀花岗岩具有如下特征：黑云母蚀变程度强，包裹的副矿物较多；黑云母中SiO2、Ti O2、Fe2O3、MgO的含量较低，Al2O3、F、FeO的含量较高；黑云母均为铁叶云母，Al3+和Fe2+高，花岗岩类型为过铝质花岗岩，来源于泥质地壳；并且花岗岩的氧逸度低、成岩温度低。这些特征是判别华南印支期花岗岩产铀潜力的重要标志。

印支期花岗岩为燕山期大范围铀成矿提供铀源。华南印支期产铀花岗岩大多数为S型花岗岩，多为地壳物质重熔形成，具有较高的铀含量，为燕山期铀成矿提供充足的铀源，帽峰岩体发育大量蚀变，花岗岩中的晶质铀矿发生溶蚀就是证明［21］。

印支期花岗岩为燕山期大范围成矿的有利赋矿围岩。华南铀成矿作用主要发生在燕山期，但其赋矿围岩大部分为印支期花岗岩，具有较大的矿岩时差。华南地区主要以热液脉型铀矿化为主，热液蚀变发育，印支期花岗岩经历多期次热液蚀变之后岩石孔隙度增大，有利于成矿元素的浸出，同时也为成矿元素铀富集提供良好场所。

3.3 燕山期花岗岩与铀成矿

燕山期构造-岩浆活动强烈、复杂。华仁民等（2005）［53］根据花岗岩形成年代及形成时的大陆动力学背景等，将燕山期花岗岩划分为早、中、晚三期，再进一步将燕山中、晚两期各细划分为两个阶段。

华南大规模岩浆活动从185 Ma开始，并集中在180～170 Ma之间。但该阶段没有铀矿床的形成。燕山早期的大陆动力学背景是造山后局部的“伸展-裂解”。

燕山中期第一阶段发生在170～150 Ma，为华南地区岩石圈全面伸展-减薄时期，该时期岩浆作用强烈，地幔上涌引发大量玄武质岩浆的底侵作用，并触发大规模的地壳熔融作用，形成“改造型”或陆壳重熔型花岗岩，岩性主要为黑云母二长花岗岩，并在160 Ma前后形成高潮。燕山中期第二阶段的发生在150～140 Ma，该阶段无大规模花岗岩类岩浆活动；岩浆活动主要体现在160 Ma左右形成的陆壳重熔型花岗岩主体继续分异演化。燕山中期阶段也没有铀矿床的产出。

华南燕山早-中时期为印支运动造山后的伸展构造环境，受太平洋板块构造体系影响较小。到了燕山晚期，华南地区主要受太平洋构造体系的控制，燕山晚期第一阶段介于139～100 Ma，该期构造背景以太平洋板块俯冲－挤压为主，形成了大量广泛分布在大陆边缘的钙碱性火山岩系列。燕山晚期第二阶段在100 Ma后，华南东部地区进入真正的拉张环境，在该时期（100～90 Ma）浙闽沿海地带形成的大量A型花岗岩就是拉张环境的具体表现［54］，而90 Ma之后出现双峰式火山岩。华南东部大量红盆也主要形成于燕山晚期第二阶段。而这个时期华南地壳处于拉张状态，产生大量的联通地幔的深大断裂，同时伴随着基性岩脉的生成。在该时期共形成三期基性岩脉，形成年龄分别为～140、～105、～90 Ma三个阶段，而这三个阶段正是下庄地区铀成矿的三个阶段，指示下庄地区铀成矿和与之对应的中基性岩脉是同一时期的产物，它们所具有的这一对应关系在证实华南地壳拉张事件控制着轴成矿的形成时代上是一个较为有利的证据。此外，部分矿床中矿体赋存于燕山期岩体内或印支期与燕山期岩体接触部位，并在燕山期岩体中见晶质铀矿（下庄竹筒尖矿床），表明燕山期岩体为铀成矿提供热能。