湖南怀化麻池寨铀矿地质特征及成矿机制研究

熊建忠，谢玉华，高 华

(湖南省核工业地质局三〇一大队，湖南 长沙 410114)

0 引言

麻池寨铀矿床产于湖南怀化地区上震旦统留茶坡组以硅质岩为主的沉积岩内，系湖南省内最具代表性的层控层状铀矿床，前人将其划分为碳硅泥岩型或黑色页岩型铀矿床[1-2]，认为矿床成因类型为与菌、藻类生物作用有关的生物地球化学沉积矿床[3]。

从区域地质、含矿岩系特征、矿体特征、矿石特征等研究出发，结合最新的勘探和研究成果，认为麻池寨铀矿床形成于扬子地台东南缘裂陷带内，系海底热水喷流沉积起主导成矿作用的沉积成岩型矿床。这一新认识，对于麻池寨矿床乃至整个湘西南地区的铀矿找矿突破与增储，具有一定的帮助和借鉴性。

1 区域地质背景

矿区位于杨子陆块江南新元古代造山带雪峰冲断带中段，雪峰冲断带及其内部的褶皱与同走向断裂总体呈向北西突出的弧形展布，区内褶皱及断层发育，总体呈NNE—NE向展布，属雪峰山铀成矿带中部。区内岩浆岩不发育，东南出露有白马山复式岩体。区域上主要经历了弧后盆地阶段、裂谷盆地阶段、被动大陆边缘盆地阶段、陆地碰撞造山阶段、陆表海盆地阶段、陆地碰撞—后碰撞阶段、陆相盆地阶段。

该区在雪峰运动形成板溪群褶皱基底后，由冰川到浅海相沉积的震旦系、寒武系广泛发育，后经加里东运动使东区褶皱隆起，缺失奥陶系、志留系，华力西、印支运动表现为不均衡的下降，造成由北西往南东的海浸超覆沉积，燕山运动早期使本区强烈褶皱隆起和凹陷，形成了本区构造的基本形态和展布形式，其发展一直持续到燕山运动晚期。

湘西南地区沉积成岩型铀矿主要产于雪峰山复式背斜中段北西翼的次一级复式向斜——黄岩向斜两翼。黄岩复向斜轴向40°～50°，扬起于南西段，向北东方向倾伏，产状比较平缓。向斜基底为板溪群，核部出露地层主要为寒武系中上统，两翼主要为震旦系上、下统，泥盆系—石炭系不整合其上。向斜两翼不对称，南东翼边界清晰，北西翼多被石炭系—二叠系等超覆掩盖。由于较新地层超覆和断裂构造的影响，使得该向斜形态不完整。

区域上，上震旦统留茶坡组为一套以热水沉积硅质岩为主、兼有热水参与的富含炭质和黄铁矿的黏土质页岩沉积[4]，岩石组合主要为黑色硅质岩夹少量含泥质硅质岩、页岩、硅质板岩，偶夹碎屑状硅质岩及磷质结核，整体上由基本层序硅质岩-页岩不等厚叠覆构成。沉积成岩型铀矿化主要赋存于上震旦统留茶坡组中段，其次为其上段以及下寒武统牛蹄塘组底部，赋矿岩系是一套含有机质和黄铁矿的硅泥质的黑色岩系，包括炭质板岩、硅质板岩、炭泥质硅质岩、薄层硅质岩、含磷硅质板岩、含硅磷块岩等。

2 矿床地质特征

2.1 含铀岩系组合序列

麻池寨矿床铀矿体赋存层位为上震旦统留茶坡组中段(图1)，其上段及下寒武统牛蹄塘组底部局部见铀矿化。

图1 麻池寨矿床地质简图

上震旦统留茶坡组，分为上、中、下三段。

上段(Z2l3)：分五层

⑤Z2l3-5：黑色薄层含炭硅质岩与炭质板岩互层。厚3.2～5.3 m。

④Z2l3-4：黑色中层状含炭硅质岩。厚3～3.2 m。

③Z2l3-3：条带状硅质岩，条带为灰色硅质岩和泥质硅质岩，条带宽0.5～3 cm。厚10.4～17 m。

②Z2l3-2：黑色中厚层状含炭硅质岩，质硬而脆。厚5～13 m。

①Z2l3-1：黑色薄层含炭硅质岩与薄层硅质板岩互层。厚2～4.5 m。

中段(Z2l2)(图2)

图2 留茶坡组中段岩性剖面图

③上部(Z2l2-3)：灰色中—厚层状硅质板岩，微层理发育，磷片变晶结构，主要由黏土矿物(伊利石、水云母及高岭石，共占50%～70%)、石英及微晶石英(占15%～35%)组成，含较多的团块状、结核状、微层状和星散状黄铁矿(占5%)及少量白云石，分布稳定。厚0.4～2.62 m，为主要含矿层。

②中部(Z2l2-2)：灰—深灰色硅质白云岩，局部相变为泥质白云岩、白云质硅质板岩。岩石结构粗糙，主要由白云石(占50%～70%)、微晶石英或玉髓(占5%～20%)、少量黄铁矿(占2%～10%)和方解石组成。此层不稳定，局部缺失。厚0～3.1 m，局部见工业矿化。

①下部(Z2l2-1)：灰—灰黄色硅质板岩，岩性特点与上部相似，但岩性不稳定，呈似层状、扁豆状产出。厚0～1.1 m。局部产有工业铀矿体。

下段(Z2l1)

黑色或灰黑色中层状硅质岩，致密坚硬，性脆、层理不发育，可见黑白细密条纹，顶部见2～5 cm硅质板岩扁豆体。厚40～60 m，局部有铀异常产出。

下寒武统牛蹄塘组(∈1n)：分为上、下两段。

上段(∈1n2)：为暗灰色薄层砂质板岩，风化后呈紫红色。厚度>25 m，未见顶。

下段(∈1n1)：为中厚层炭质板岩，下部常含有炭、硅、磷及黄铁矿结核，顶部含海绵骨针化石。厚120～160 m。下部局部有铀矿化。

2.2 矿体分布特征

铀矿体主要赋存于上震旦统留茶坡组中段(Z2l2)硅质板岩中(图3)。工业矿体主要产于上部(Z2l2-3)，其次是下部(Z2l2-1)，夹层(Z2l2-2)中局部有矿化。共圈定15个矿体，其中上部(Z2l2-3)中5个，下部(Z2l2-1)10个，上部5个矿体的储量占矿床总储量的93%。矿体产状与岩层一致，倾角约10°。

图3 麻池寨矿床5线地质剖面

矿体大小悬殊，主矿体明显，单个矿体长500～1000 m，宽300～500 m，属大中型矿体。最小矿体长宽仅数十米。矿体品位变化不大，矿床的铀平均品位为0.074%。主矿体铀最高品位达0.124%，平均品位为0.070%，为盲矿体。矿床东南部和西北部矿体厚度较小。矿体埋深数米至百米，最深不超过200 m，地表多处矿体出露。矿化高程660～737 m，向北西倾伏。

2.3 含矿岩性(矿石)特征

2.3.1 含矿主岩矿物成分特征

麻池寨矿床含矿层岩性为灰—灰黄色中—厚层硅质板岩，岩石结构细腻，条带状构造及微层理发育，泥质成分含量较高，碳酸盐成分含量较低，含较多黄铁矿(呈团块状、鲕状、微层状、细分散状、胶状、结核状)。岩石中伊利石常呈叶片状、长条状围绕黄铁矿呈放射状分布，含较多白铁矿、重晶石、闪锌矿及少量黄铜矿、针镍矿、锆石、锐钛矿、磷灰石、磷钇矿等。岩石硬度较小。含矿岩石中有较多的黏土矿物，是良好的吸附剂，除此之外，还常见石英、锆石、锐钛矿、磁铁矿和磷灰石等矿物。在镜下，碎屑石英多呈不规则粒状、次棱角状并有溶蚀现象，石英晶体内见有较多的气体包裹体，推测这些碎屑物来自古老的酸性火山岩，这反映沉积时期铀源丰富，岩性有利。不含矿岩石多为灰—暗灰色，结构较粗糙，硅质及碳酸盐成分含量较高，泥质成分含量少，岩石硬度大，含较多半自形星散状黄铁矿，伊利石多呈针状，闪锌矿及其他矿物含量均较少。

2.3.2 含矿主岩化学成分特征

麻池寨矿床部分矿石化学成分样分析结果(表1、表2)表明，铀矿化与岩石化学成分关系密切。铀与Al2O3、P2O5含量均呈正相关关系，Al2O3、P2O5等氧化物含量比围岩有增高趋势，反映沉积阶段铀被黏土矿物和磷酸盐(胶磷矿)所吸附。铀与SiO2、CaO呈负相关关系，铀含量高的矿石中SiO2含量降低，并趋于稳定(大于64%)。

表1 麻池寨矿床矿石化学成分

表2 麻池寨矿床不同品级矿石化学成分对比

3 成矿机制探讨

3.1 控矿因素分析

1)铀矿化受地层岩性控制

主要含矿层为上震旦统留茶坡组中段，含矿层岩性主要为灰—灰黄色中—厚层含一定硅质成分的硅质板岩。由含矿主岩与硅质岩的空间位置关系(表3)，可以得出铀矿化主要富集在由化学沉积过渡到碎屑沉积的转化部位上，即地球化学的突变带上。

由表3可见，上震旦统留茶坡组下段为岩性稳定的硅质岩，整体层位矿化较差，仅局部有异常产出。其上段岩性以中厚层含炭、含泥硅质岩为主，顶部和底部为薄层硅质岩和硅质板岩互层层位，这种不纯的岩性组合在局部可形成矿化层位，个别地段见工业矿化。留茶坡组中段是以硅质板岩占绝对优势的层位，相对上、下段层位厚度较薄，是以硅质岩为主的沉积环境中短暂出现的以陆源碎屑沉积为主的沉积，是沉积成岩型铀矿化形成的主要时期。下寒武统牛蹄塘组下段属于相对稳定的黏土沉积，仅在其底部见矿化，其上段远离硅质岩层位，无铀矿化显示。

表3 麻池寨矿床含矿层位岩性特征

2)铀矿化受岩相古地理环境控制

含矿层形成于晚震旦世半封闭浅海湾海底起伏不平的隆起与洼陷过渡区，铀矿化与硅质白云岩和硅质泥岩的厚度比有关，矿化主要赋存于厚度比为0～0.2的硅质泥岩相区及厚度比为0.2～0.8的硅质泥岩夹硅质白云岩相区，次为厚度比为0.8～1.6的硅质泥岩、硅质白云岩相区，厚度比大于1.6的厚层硅质白云岩相区基本无铀矿化形成。

3)古气候条件对成矿的控制作用

含矿层为硅、泥和碳酸盐沉积，显示气候比较干燥、水介质为弱碱性，铀的富集与古气候由温暖湿润变为干燥的转变时期有关。

剖面上含矿层位于碎屑岩区段，其上、下岩层为化学沉积的硅质岩，含矿层位于两大岩类的过渡带，铀矿化产于由化学沉积(硅质岩、硅质白云岩)向碎屑沉积(硅质泥岩)的过渡部位，表现为由潮湿向干燥、地壳振荡向相对平静的过渡环境。

4)铀矿化的富集作用与构造活动有一定关系

矿化产于溆浦—四堡深断裂控制的断陷带(有白垩系—新近系红层覆盖)上盘、分水坳断裂和马颈坳断裂所夹持的阶梯状地堑型断块中，次级断裂组成的NE向小型堑垒构造对铀矿起到局部富集作用。

3.2 成矿作用特点

湘西南地区沉积成岩型铀矿勘查工作起步于20世纪50年代末期，80年代初各主要矿床矿点已完成深揭详查，并提交了储量报告，对各自矿区成矿规律进行了总结。由于当时认识的局限，碳硅泥岩型矿床的研究尚在起步阶段，对硅质岩的成因及其与铀矿化的关系还不明确。矿床的成因类型归纳为沉积成岩型和淋积型两种类型。根据成矿作用的特点，笔者认为麻池寨矿床成因类型具有沉积成岩型矿床的特点，后生淋积仅在局部起作用，主要依据如下：

1)矿化严格受上震旦统留茶坡组中段硅质泥岩控制，工业矿体受岩相古地理控制，主要分布在半封闭的浅海相内海底高地(水下隆起)向洼地过渡部位和低洼处的硅质泥质页岩相和硅质泥质页岩夹薄层硅质白云岩相中，这反映铀矿受一定的沉积环境制约。

2)组成含矿岩石的沉积物质特征，在有利的岩相古地理条件下，见有吸附能力强的黏土矿物和成岩早期黄铁矿胶粒，在其缓慢的成矿过程中从海水中不断吸附铀，而后这些富铀的沉积物在成岩作用下，物质发生结晶增大和重新分配，元素重新组合。铀在有利的还原环境中进一步富集沉淀。含矿层中广泛出现结核状、鲕豆状、胶状黄铁矿，这是典型的成岩矿物，它们与铀在空间上和成因上均有密切关系，显示沉积成岩成矿的特点。

3)矿石种类简单，地表地下均不见铀的次生矿物。铀矿化均匀稳定，品位和厚度变化梯度小。铀在矿石中主要是呈吸附状，其分布显示出一定沉积韵律，即泥质物-黄铁矿与硅质物组成的矿石中，铀均匀富集在暗色的泥质物和黄铁矿组成的条带中，反映铀矿化沉积阶段的特点。富集阶段或矿体边界稍有跨层现象，形成条带状、星点状、环带状等矿石结构。铀富集在黄铁矿、石英、黏土组成的结核边缘，空隙中等，反映铀在成岩阶段的特点。

4)矿体有跨层的现象，矿体变富的地段，有断层通过，裂隙密集发育，但淋积型矿化仅发育于在地表氧化带中，控矿规模较小，氧化带发育不深，控矿构造规模较小，未形成一定规模的工业矿体，主要矿体受成层产出的层位和岩性控制，矿体的形态在剖面图上与地层产状一致，呈层状、似层状，与褶皱和断裂构造没有成因上的联系。

5)矿床内水文地质条件简单，矿层顶板及含矿层本身均属裂隙型弱含水层，底板为隔水层，且含矿岩石本身致密坚硬，渗透率只有千分之几，氧化带发育不全，未发现与构造或构造氧化带密切相关的矿体。

6)根据麻池寨矿床及相邻矿区测定的成矿年龄，沉积成岩型矿床铀矿化年龄与赋矿岩层相近，沉积-淋积改造型铀矿床铀成矿作用自128 Ma一直延续到23 Ma，属燕山晚期至喜山早期的产物。

3.3 含矿岩系硅质岩的海底热水喷流沉积证据

海底热水喷流沉积是一种重要的地质作用，与成矿关系密切[5-6]。20世纪80年代以来，国内外许多专家、学者对不同地区的硅质岩从不同角度作了大量研究，认为海底或大陆的许多硅质岩特别是与矿化有关的硅质岩为热泉成因或喷流成因，并称之为(喷流)热水硅质岩[7-8]。湘西南地区在震旦纪—寒武纪期间存在大规模火山活动和海底喷流作用，为硅质岩的沉积提供了热源条件[9]。

麻池寨矿床上震旦统留茶坡组硅质岩致密坚硬，性脆，镜下见岩石主要由隐晶状、微晶粒状石英、隐晶状黏土矿物、胶状不透明炭质、有机质、少量不透明矿物等组成，构成隐—微晶粒状结构，板状—层状构造。陈先沛等[10]认为，硅质岩这种隐—微晶结构、层状—条带状构造为典型的热水沉积岩石特征。

Rona等[11]通过研究认为，U元素在热水沉积环境中沉积富集速率会加快，在热水沉积作用下形成的沉积岩中U元素富集程度较高，所以U/Th比值也能有效地判断正常海水沉积和热水沉积，热水沉积物的U/Th比值大于>1，正常沉积物的U/Th比值<1。根据含矿岩系U、Th分析结果(表4)，U/Th比值在1.18～90.83之间，指示了热水沉积特征。

Toth[12]通过对海底结核的研究指出，热液成因的沉积物中普遍含有较高的Ba元素，同时Sr/Ba、Co/Zn比值也可以作为判断岩石成因的依据，当Sr/Ba比值<1时，为热水沉积成岩。一般结核类沉积物Co/Zn比值约为2.5，当Co/Zn比值<0.15时，指示有热液作用的参与。根据含矿岩系Sr、Ba、Co、Zn分析结果(表4)，Sr/Ba比值介于0.004～0.655之间、Co/Zn比值介于0.002～0.043之间，以上两组特征参数指示了铀多金属矿化在沉积成岩、成矿过程中有热水作用的参与。

Taylor等[13]在研究大陆地壳中的Si、Al元素时提出，SiO2/A12O3比值如果大于3.6，则是由于热水作用或生物作用造成的；如果两者比值约为3.6时，则岩石物质来源为陆源。根据含矿岩系SiO2、A12O3分析结果(表4)，SiO2/A12O3比值分布范围为4.57～81.76。通过对数据的分析可以发现，指示陆源物质的数据和指示生物热水作用的数据交替出现，指示了间歇性的生物热水作用，推测该类型的岩、矿石物源以陆源为主，在形成过程中有间歇性的强烈热水作用和生物作用参与。

表4 含矿岩系Sr、Ba、Co、Zn、SiO2、Al2O3分析结果

3.4 成矿机制与矿床成因类型

综上所述，在震旦纪晚期，湘西南地区构造运动和岩浆活动强烈，基性—超基性火山岩、酸性侵入岩沿某些深大断裂间歇性火山喷流作用，不时地将地球深部的大量矿物质和高硅质的流体带到水体较深且相对封闭的沉积海盆中。硅质在复杂的化学沉积作用下形成薄层硅质岩(海底热液沉积岩)，矿物质则溶解于海水中。在海底火山喷流作用相对平静时期，海盆主要以悬浮的陆源碎屑沉积为主，陆源碎屑主要为富含有机质的黏土矿物，富含有机质的黏土矿物对海水中的金属离子具有强烈的吸附作用，形成了一套黑色硅质岩与炭质黏土岩石组合及黏土岩型铀等多金属矿床。矿床成因类型为海底热水喷流起主导成矿作用的沉积成岩型铀矿床。

4 结论

1)麻池寨铀矿床赋矿地层为上震旦统留茶坡组中段，赋矿岩性为上、下硅质岩为主的层位之间的含一定硅质成分的硅质板岩。

2)矿化受地层岩性、岩相古地理、古气候、区域构造活动等控矿因素控制。表现为矿化严格受上震旦统留茶坡组中段硅质板岩控制，大规模成矿作用受控于裂陷带环境下海底热水喷流作用而沉积的由热水沉积硅质岩和硅质泥岩组成的含铀海相碳硅泥岩建造。含矿层形成于晚震旦世半封闭浅海湾海底起伏不平的隆起与洼陷过渡区，工业矿体受岩相古地理和古气候条件控制，铀矿化主要富集在由化学沉积过渡到碎屑沉积的转化部位上，表现为由潮湿向干燥、地壳振荡向相对平静的过渡环境。断裂构造有利于铀在地表氧化带中进一步富集，形成沉积-淋积改造型铀矿化。

3)矿体的产出状态、矿石矿物特征、矿石结构构造特征、铀的赋存方式等显示的成矿作用具有沉积成岩型铀矿床的特点。

4)赋矿围岩硅质岩的岩石结构构造特征符合热水沉积岩石特征，含矿岩系特征元素含量比例关系指示了铀矿化在沉积成岩、成矿过程中有热水作用的参与。矿床成因类型为海底热水喷流起主导成矿作用的沉积成岩型铀矿床。

5)硅质岩为海底热水喷流作用的直接产物，铀矿化与硅质岩关系密切，但硅质岩没有矿化或矿化较差，铀依赖于富含有机质的黏土吸附作用成矿，铀的含矿主岩为含一定硅质成分的板岩。铀矿体主要赋存在以硅质岩为主的层位之间，且具备一定稳定沉积厚度的硅质板岩中，硅质岩和硅质板岩互层层位在局部可形成矿化层位，远离硅质岩的层位无矿化显示。麻池寨矿床含矿主岩特征及含矿主岩与硅质岩空间位置关系，对于黄岩向斜乃至整个湘西南地区的沉积成岩型铀矿找矿都具有重要参考意义。