華南地區構造–巖漿活化與熱液鈾成礦的分形動力學

謝焱石, 尹建文, 譚凱旋, 唐振平, 段先哲, 胡 楊,王正慶, 李春光, 王昭昭, 馮志剛

(南華大學 核資源工程學院, 湖南省核燃料循環技術與裝備協同創新中心, 湖南 衡陽 421001)

華南地區構造–巖漿活化與熱液鈾成礦的分形動力學

謝焱石, 尹建文, 譚凱旋, 唐振平, 段先哲, 胡 楊,王正慶, 李春光, 王昭昭, 馮志剛

(南華大學 核資源工程學院, 湖南省核燃料循環技術與裝備協同創新中心, 湖南 衡陽 421001)

華南地區位于東亞殼體東南緣, 包括東南地洼區和江南地洼區兩個典型的華夏型地洼區, 該區多階段的復雜構造–巖漿演化形成了大量的花崗巖及斷裂構造, 并導致大量多因復成熱液鈾礦床的形成。這些花崗巖體、斷裂構造及鈾礦床的空間分布均具有分形特征。東南地洼區斷裂構造的分維值為1.6800, 明顯大于江南地洼區的1.5939, 顯示前者更有利于熱液鈾成礦作用的發生。花崗巖體空間分布盒維數D總體上隨其規模增大而增大, 較大的周長–面積分形維數DPA會導致盒維數D增大, 顯示其構造–巖漿活動的復雜性增強。其中燕山晚期、燕山早期和印支期較大的D和DPA顯示其更有利于熱液鈾成礦的發生。華南地區熱液鈾礦床空間分布盒維數為1.0254, 明顯小于兩個不同構造區斷裂構造空間分布的分維值, 表明華南地區鈾礦床的發育程度低于斷裂。用元胞自動機模型對斷裂和成礦演化進行模擬的結果表明, 其分維值隨時間逐漸增大, 到中晚期斷裂分維值增高至超過臨界值后才有大規模成礦作用發生, 成礦分維值顯著增大。多階段復雜的構造–巖漿活動的分形演化導致了華南地區多因復成熱液鈾成礦的分形分布。

構造–巖漿活化； 斷裂構造； 花崗巖； 熱液鈾礦； 分形； 華南

華南地處東亞殼體東南緣, 瀕臨西太平洋, 包括東南地洼區和江南地洼區(陳國達, 1994, 1998)。該區自早泥盆世至中三疊世經歷了較長期的地臺發展階段, 沉積了一套穩定的碳酸鹽巖建造、含煤砂頁巖建造。從晚三疊世開始區域進入地洼階段,發生了廣泛和強烈的構造–巖漿活化, 特別是在白堊紀–古近紀地殼拉張作用下(胡瑞忠等, 2004), 形成了許多重要的熱液鈾礦床, 從賦礦巖性可將其劃分為花崗巖型、火山巖型和碳硅泥巖型。諸多學者針對這些熱液鈾礦床的成礦機理(杜樂天和王玉明, 1984)、構造環境及其巖漿演化序列(覃慕陶和劉師先, 1998)、地質地球化學特征(張祖還和章邦桐, 1991)、成礦序列(鄧平等, 2002)以及成礦專屬性(陳振宇等, 2014)進行了系統研究。王正慶等(2013)系統分析了目前華南主要鈾成礦動力學觀點, 探討了華南中新生代構造–巖漿活動與鈾成礦的關系。然而, 由于成礦作用的復雜性(於崇文, 1998), 包括斷裂構造體系的分布與演化(Agterberg et al., 1996；謝焱石和譚凱旋, 2002)、巖漿演化(Perugini and Poli, 2000)、成礦元素活化與遷移(Zhou et al., 1994)、礦物的沉淀與礦體的形成(謝焱石等, 2004)等, 難以對構造–巖漿活化與鈾成礦的關系進行準確闡述。本文基于多因復成礦床成礦理論(陳國達, 2000),從構造單元成礦學的角度(陳國達, 1987), 根據華南不同構造區斷裂構造、不同時期花崗巖的空間分布的分形分析, 結合數值模擬, 以新的思路探討華南地區構造–巖漿活化與熱液鈾成礦的分形動力學。

1 華南地區斷裂構造的分形分布特征

華南大陸巖石圈塊體北以長江斷裂帶為界, 西及西南以龍門山–哀牢山斷裂帶為界, 東及東南部延伸至陸緣海區。新元古代揚子和華夏兩個獨立塊體拼合成為統一陸塊, 華南地區進入地臺發展階段。晚古生代期間, 先在西部揚子塊體出現“活化先奏”的構造活動(陳國達等, 2001), 并逐步向東擴展。中、新生代以來, 隨著熱–構造對華南大陸巖石圈改造作用的逐步加強, 華南地區進入地洼發展階段,形成一系列北東向斷陷構造盆地, 并伴隨大規模的中酸性巖漿活動。

在長期的構造–巖漿演化過程中, 華南地區主要發育有3組活動斷裂, 走向分別為NE-NNE向、NEE-EW向、NW-NWW向(Li et al., 2002), 其中NE-NNE向斷裂規模最大(圖1), 分布最廣。NEE-EW向斷裂在地殼深部有明顯反映, 主要形成并活動于中生代以前； NW-NWW向斷裂是一組新生的、近期活動性最強的斷裂, 規模較小、切割不深。為了探討構造–巖漿活化對熱液鈾成礦的影響, 分別對東亞殼體的江南地洼區和東南地洼區內的斷裂構造進行了分形分析, 斷裂構造數據來源于1∶250萬的中國地質圖(來源于國土資源科學數據共享地質調查分中心網站, http: //gsd.cgs.cn/categories.asp?tp= 250W), 分形分析方法采用常用的盒維數法(謝焱石和譚凱旋, 2002)。

兩個構造區位于109°E以東, 32°N以南的部分,總斷裂數為4995 條, 總長度為65598 km。其中江南地洼區為1464 條, 總長度為26770 km； 東南地洼區為3531 條, 總長度為38828 km。根據盒維數計算方法, 將斷層分別用邊長r為10 km、20 km、40 km、80 km和160 km的網格覆蓋, 統計出有斷層出露的網格數N(r), 分別取其自然對數作圖(圖2), 根據最小二乘法對各數據點進行線性回歸擬合求解分維值,得出江南地洼區的斷層分維值為1.5939, 東南地洼區為1.6800, 顯示出東南地洼區的斷裂構造復雜性大于江南地洼區, 表明東南地洼區相對于江南地洼區更有利于鈾成礦作用的發生。實際上, 在江南地洼區內的雪峰山–九萬大山鈾成礦帶、幕阜山–衡山鈾成礦帶和棲霞山–廬縱鈾成礦帶已發現的鈾礦床數遠少于東南地洼區內的贛杭鈾成礦帶、武夷山鈾成礦帶、桃山–諸廣鈾成礦帶和郴州–欽州鈾成礦帶(黃凈白等, 2005)。

圖1 華南熱液鈾礦床與斷裂構造分布略圖Fig.1 Sketch map showing the spatial distribution of faults and hydrothermal uranium deposits in South China

圖2 華南不同構造區斷裂構造分布分形分析Fig.2 Fractal characteristics of fracture distribution in two tectonic regions of South China

2 華南地區花崗巖體的分形分布與熱液鈾成礦作用

巖漿活動是大陸巖石圈演化的一個重要組成部分, 華南地區歷經地槽–地臺–地洼階段等長期復雜的構造–巖漿演化過程, 發育了出露面積超過1.6×105km2的花崗巖。華南花崗巖的時空分布嚴格受構造–巖漿活動制約, 空間上主要呈NE向帶狀分布, 時間上從北西向南東方向愈來愈新。在揚子和華夏塊體拼合成華南陸塊以前, 巖漿活動不是十分發育,主要集中于江南地洼區。隨著晚古生代“活化先奏”構造活動的出現, 巖漿活動由西北向東南部逐漸加強, 東南地洼區發育了大量的印支期花崗巖。早中生代該區進入地洼演化階段, 在晚三疊世進入地洼初動期, 東南地洼區和江南地洼區先后在中、晚侏羅世進入地洼激烈期, 發育了大面積的燕山期花崗巖。

本次分析數據來源于孫濤(2006)編制的1∶250萬華南花崗巖分布圖, 并將華南花崗巖時代分為前寒武期、加里東期、海西期、印支期、燕山早期和燕山晚期, 兩構造區各時期花崗巖體出露面積統計結果見表1。其中前寒武期花崗巖主要分布于江南地洼區中南部, 東南緣及西南緣可見零星分布；加里東期花崗巖主要分布于東南地洼區西北部湘–贛、湘–桂和桂–粵交界地區； 海西期花崗巖僅零星分布于東南地洼區； 印支期花崗巖主要分布于東南地洼區西南部和中部, 江南地洼區僅在西部可見零星分布； 燕山早期花崗巖在華南花崗巖中出露面積最大, 主要分布于東南地洼區； 燕山晚期花崗巖主要分布于東南地洼區沿海一帶和江南地洼區北緣。

2.1 華南花崗巖體空間分形分布特征

花崗巖體盒維數計算方法與斷裂構造類似, 先將1∶250萬華南花崗巖分布圖利用GIS軟件平臺數字化, 然后分別用邊長r為10 km、20 km、40 km、80 km和160 km的網格去覆蓋花崗巖體, 統計出有巖體出露的網格總數N(r), 分別取其自然對數作圖(圖3),再對數據點進行線性回歸求解分維值D。分別計算了前寒武期、加里東期、海西期、印支期、燕山早期和燕山晚期花崗巖體的空間分布分維值(表1)。很明顯, 總體上隨著花崗巖體出露的規模增大, 其分維值也隨之增加, 顯示其巖漿活動的復雜性增強。但是燕山早期花崗巖體出露規模明顯大于燕山晚期,而其分維值則相反, 究其原因, 一方面二者規模相差不大, 分維值十分接近； 其次與燕山晚期花崗巖體空間形態的復雜性大于燕山早期有關, 隨后的周長–面積分形關系的分析結果恰好說明了這點。

圖3 不同時期華南花崗巖盒維數分析Fig.3 Analyses on the box dimensions of granites during various periods in South China

為了解江南地洼區和東南地洼區巖漿活動的差異, 對兩構造區不同時期的花崗巖體空間分布進行了分形分析(由于前寒武期和海西期巖體數量太少,沒有進一步分構造區進行分形分析), 分析結果見圖4和表1, 顯示與上述整個華南地區花崗巖相類似的規律, 分維值隨著花崗巖體出露規模增大而增加。例外的是印支期花崗巖的規模在東南地洼區大于江南地洼區, 分維值則相反, 也與印支期江南地洼區花崗巖體形態的復雜性較大有關。

表1 華南花崗巖體空間分布分形分析Table 1 Fractal analyses on the spatial distributions of granites in South China

圖4 不同構造區不同時期華南花崗巖盒維數分析Fig.4 Analyses on the box dimensions of granites during different periods in various tectonic regions of South China

2.2 華南花崗巖體周長–面積(P-A)分形關系

根據Cheng (1995)提出的P-A模型可以計算花崗巖體出露形態的周長–面積(P-A)分形關系分形維值DPA, DPA趨近2的程度可以度量花崗巖體出露形態的不規則性, 即DPA愈趨近2, 花崗巖體愈不規則。計算DPA的表達式為: lnP=C+0.5DPAlnA, 式中P為花崗巖體的周長, A為花崗巖體的出露面積, C為常數。將所有花崗巖體周長P和面積A的對數投到lnP-lnA雙對數圖上(圖5), 對所有點進行最小二乘法線性回歸擬合, 得到直線斜率的2倍即為周長–面積分形維數DPA。圖5、圖6和圖7分別為江南地洼區、東南地洼區以及整個華南全區花崗巖體周長–面積分形關系分析結果, 其中前寒武期和海西期由于巖體數量太少, 無法進行分區統計, 且海西期總巖體數僅為14個, 擬合度R2僅為0.9094(圖7), 其計算結果DPA=1.2680可靠性不高。其他相應的分形維值DPA一并列于表1, 可見燕山晚期DPA大于燕山早期, 表明燕山晚期花崗巖體空間形態的復雜性要大于燕山早期, 從而使得規模相對較小的燕山晚期花崗巖體的空間分布盒維數大于燕山早期, 同樣的結論也適用于印支期規模相對較小的江南地洼區花崗巖盒維數要大于東南地洼區。

圖5 江南地洼區各時期花崗巖體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

花崗巖體出露形態的復雜性是巖漿侵位過程中與地層、構造、火山巖及早期花崗巖體等多種因素復合作用的結果。巖體出露形態的復雜性與華南熱液鈾成礦具有一定的關系, 總體表現為具有較大的空間分布盒維數D以及周長–面積分形維數DPA花崗巖時代都是和熱液鈾成礦相關的燕山晚期、燕山早期、印支期和加里東期巖體。據王正慶等(2013)統計,華南地區產鈾巖體的主要成巖時代為印支期和燕山早期, 少數巖體的成巖時代為燕山晚期； 成礦時代則主要集中于燕山晚期–喜山期, 僅少數礦化發生于燕山早期。因此陳振宇等(2014)認為, 燕山晚期–喜山期的伸展構造活動及其伴隨的中基性–酸性巖漿活動比印支期–燕山期的花崗巖更具有成礦專屬性。加里東期花崗巖雖不直接參與成礦, 但可為后期花崗巖的成礦提供物質來源(華仁民等, 2013)。

圖6 東南地洼區各時期花崗巖體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

華南熱液鈾礦床自西向東總體分布趨勢是碳硅泥巖型–花崗巖型–火山巖型, 成礦時代相對集中于白堊紀–古近紀和空間上鈾礦床與中新生代斷陷盆地及盆緣斷裂的密切相關, 是華南熱液鈾礦床兩大基本特征(黃凈白等, 2005)。巖體的形成主要受巖漿活動控制, 而鈾成礦則除了需要有巖漿活動提供熱能和部分熱液來源之外, 還需要有來自于深部地幔的富含CO2的礦化劑參與(胡瑞忠等, 2004)、斷裂構造提供熱液活動和礦化就位的空間等其他要素, 發生在早中生代(T)的印支運動和晚中生代(J-K)的燕山運動是該區巖漿作用和成礦作用的重要動力條件(陳培榮, 2004)。這表現為既直接參與成礦, 又與成礦期的中新生代斷裂構造活動密切相關的相對規模較小的燕山晚期花崗巖盒維數D=1.3371及周長–面積分形維數DPA=1.2322均大于規模較大的燕山早期。

3 華南熱液鈾礦床的分形分布

針對華南地區已探明的200多個熱液鈾礦床(張萬良, 2011), 采用同樣的盒維數計算法計算其空間分布的分維值。統計出覆蓋網格邊長r分別等于25 km、50 km、100 km、200 km和400 km對應有鈾礦床出露的網格總數N(r), 其結果分別為199、97、44、26、11, 據此作出lnN(r)-lnr關系曲線(圖8), 通過最小二乘法擬合得出華南熱液鈾礦床空間分布的分維值為1.0254, 明顯小于華南兩個不同構造區斷裂構造空間分布的分維值1.5939和1.6800。對于斷裂和礦床分布來說, 分維值越大, 說明其發育演化程度越高,分布密度越大。因此, 華南地區鈾礦床的發育程度和分布密度要比斷裂低。造成斷裂與礦床分布的分形差異的主要原因是礦床的形成和分布受斷裂控制,以及斷裂發育演化過程的復雜性。

4 華南熱液鈾礦床成礦的分形動力學模擬

導致礦床分形分布的主要原因是分形熱液體系的活動(Carlson, 1991)。斷裂構造在增高巖石滲透率和巖石的連通性、驅動流體流動與匯聚及成礦過程中起了重要作用(Zhang and Sanderson, 1994；Curewitz and Karson, 1997； Cox, 1999)?；跐B透理論利用元胞自動機模型模擬了斷裂發展及對流體演化和成礦作用的影響(圖9), 模擬中考慮一個向前的時間步長Δt, 裂隙–成礦體系從時間t向t+Δt逐步演化(t初始值取0, Δt取10 Ma), 不同時期裂隙與成礦的分維值模擬結果列于表2。模擬結果表明裂隙與成礦演化過程是分形動力學過程, 裂隙和成礦的分維值均隨時間演化而不斷增大, 每個階段的裂隙分維值要顯著大于成礦分維值。早期在分形滲透臨界條件以下, 裂隙的分維值僅為1.031和1.178, 僅有小而弧立的斷裂簇存在, 無大規模的成礦流體活動和礦床形成, 成礦分維值僅為0.176和0.645, 僅有零星的礦物沉淀； 晚期在分形滲透臨界條件以上,裂隙分維值分別為1.362和1.574, 裂隙連通性顯著增大, 成礦作用顯著增強, 成礦分維值達到1.182和1.262。華南兩構造區的斷裂構造分布分維值分別為1.5939和1.6800, 均處于臨界條件上的斷裂發展成熟期, 有利于鈾成礦, 但是該區的鈾礦分布分維值僅為1.0254, 小于模擬結果, 可能是該區還有部分熱液鈾礦未被發現從而導致其分維值偏低。

圖7 華南地區各時期花崗巖體P-A分形分析Fig.7 P-A fractal analyses on the granites during various periods in South China

圖8 華南地區熱液鈾礦床空間分布分形分析Fig.8 Fractal analyses on the spatial distributions of hydrothermal uranium deposits in South China

實際上, 分形斷裂構造系統控制了熱液流體體系的分形分布, 熱液流體體系由許多具分形分布的流體對流循環單元構成, 礦床在這些熱液單元尺度上共生, 從而導致了礦床為分形分布。空間上的分形構造–流體體系隨時間演化構成了一個四維成礦系統(陳國達, 2000)。華南現存的江南地洼區和東南地洼區是具有多階段大地構造演化的復雜華夏型地洼區(陳國達, 1998), 該地區多階段的復雜構造–巖漿演化(陳國達等, 2001)造就了華南地區復雜的熱液鈾成礦作用, 形成了華南熱鈾成礦具多成因類型、多控礦因素、多成礦作用和多成礦物質來源的現狀。

圖9 熱液鈾礦–裂隙–成礦分形動力學模擬結果Fig.9 Fractal dynamic simulation results of hydrothermal uranium deposits-fractures-mineralization

表2 模擬不同時期裂隙與成礦分維值Table 2 Modeling of fractal dimensions of fracture and mineralization during different stages

5 結 論

華南地區位于東亞殼體東南緣, 包括東南地洼區和江南地洼區兩個典型的華夏型地洼區, 多階段的復雜構造–巖漿演化形成了大規模分布的不同時期花崗巖、眾多的中新生代斷陷盆地及大量斷裂構造, 并最終導致大量多因復成熱液鈾礦床的形成。這些花崗巖體、斷裂構造及鈾礦床的空間分布均具有分形特征, 前寒武期、加里東期、海西期、印支期、燕山早期及燕山晚期花崗巖體空間分布盒維數D分別為: 1.0132、1.1276、0.9084、1.0538、1.3361、1.3371, 周長–面積分形維數DPA分別為1.1210、1.1750、1.2680、1.1870、1.2006、1.2322。江南地洼區的斷裂分維值為1.5939, 東南地洼區為1.6800,鈾礦床分維值為1.0254。

花崗巖體出露形態的復雜性是巖漿作用與地層、構造、火山巖及早期花崗巖體等多種因素復合作用的體現?；◢弾r體空間分布盒維數D總體上隨著花崗巖體出露的規模增大而增大, 并受花崗巖體形態的影響, 較大的周長–面積分形維數DPA會導致盒維數D增大, 顯示其巖漿活動的復雜性增強。華南地區燕山晚期、燕山早期、印支期具有相對較大的巖體的空間分布盒維數D以及周長–面積分形維數DPA, 顯示其更有利于熱液鈾成礦的發生。

東南地洼區的斷裂構造復雜性大于江南地洼區,前者更有利于鈾成礦作用的發生。通過元胞自動機模型對斷裂和成礦演化進行模擬, 結果表明斷裂和成礦分布分維值隨時間逐漸增大, 到中晚期斷裂分維值增高至超過臨界值后才有大規模成礦作用發生,成礦分維值顯著增大。多階段復雜的構造–巖漿活動的分形演化導致了華南地區多因復成熱液鈾成礦的分形分布。

致謝： 中國科學院廣州地球化學研究所林舸研究員與作者進行了有益的討論, 在此表示感謝。同時對審稿人提出的修改意見表示衷心的感謝。

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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

項目資助： 國防基礎科研計劃項目(B3720110004)、湖南省自然科學基金青年項目(11JJ4029)和南華大學“蒸湘學者計劃”聯合資助。

謝焱石(1976–), 男, 副教授, 主要從事成礦作用的非線性動力學研究。Email: xie_yanshi@qq.com

譚凱旋(1963–), 男, 教授, 主要從事構造–流體–成礦作用動力學研究。Email: nhtkx@126.com