西澳Mulga Rock礦區煤-鈾-稀土的成礦關系

董　鵬，李昱臻，譚　偉

(1.成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059；2.國土資源部構造成礦成藏重點實驗室，四川 成都 610059；3.成都地奧礦業能源有限公司，四川 成都 610041)

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西澳Mulga Rock礦區煤-鈾-稀土的成礦關系

董鵬1，2，3，李昱臻1，3，譚偉3

(1.成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059；2.國土資源部構造成礦成藏重點實驗室，四川 成都 610059；3.成都地奧礦業能源有限公司，四川 成都 610041)

鑒于煤中鈾和稀土的兼探和聯采正逐步受到世界各國的重視，本文以西澳Mulga Rock礦區中的Ambassador、Shogun和Emperor三個礦床為研究對象。本文首先從時間與空間演化的角度細致研究了煤-稀土-鈾的共生成礦關系。基于對礦區中煤與鈾以及稀土的成礦關系分析，從樣品數據、物質來源和運移成礦等幾個方面，總結探討了煤-鈾-稀土的共生成礦模式。在此基礎上，運用新的礦產系統方法(MSA)對于煤-鈾-稀土的礦床成因及經濟價值進行綜合分析。MSA方法由于側重于礦化過程而具有廣泛的應用范圍，因而對于分析煤與稀土和鈾的共生礦床具有重要的指導價值。結論認為，煤礦、稀土和鈾等多種礦產應綜合開發和利用，即能提高經濟效益，也能改善環境治理等社會效益。

Mulga Rock礦區；煤層；砂巖型鈾礦；稀土元素；成礦關系

煤中多礦種尤其是鈾和稀土的兼探和聯采正在世界各地逐漸受到重視，其中有成功的經驗也有不成功的教訓。例如，中國東北內蒙古烏蘭圖嘎礦床含鍺白堊紀褐煤中富含REE稀土元素，俄羅斯Promore地區的Spetsugli含鍺煤礦中發現了高含量的稀土元素[1]。內蒙古準噶爾含鍺煤礦也報道過富含稀土元素[2]。在德國Lusatia褐煤礦山的一個礦坑里的酸性水中高含量的稀土甚至帶了環境問題[5]。筆者認為，在環境生態保護日益重要的前提下，煤礦中稀土和鈾等多金屬礦產應綜合利用開發[3-5]，這樣一方面能夠提高經濟效益，另一方面也能改善環境治理等社會效益。

本文研究的澳大利亞擁有世界上最多的鈾礦資源(表1)。其西部的Mulga Rock礦區位于Canning盆地，是典型的煤-鈾-稀土多礦種共生巖體，具有重要的科學研究價值。該礦區的推斷鈾礦資源量為5544萬t，U3O8的品位為0.490kg/t，總稀土資源量雖然目前尚未公布[6]，但前景也甚廣闊。與世界上的許多礦床相似，Subhash Jaireth等人(2014)的最新研究成果認為，該礦區砂巖型多金屬鈾礦中的稀土元素也與褐煤有關[7]。

表1　世界主要的鈾資源國和生產國

資料來源：OECD，2014；WNA，2015；SNL，2015

1　研究區的地質背景

西澳大利亞的Mulga Rock礦區具有位于西澳大利亞著名金坑卡爾古利(Kalgoorlie)的東北方向，距離大約220km(圖1)。礦區包含三個獨立的礦床，即：Ambassador礦床、Shogun礦床和Emperor礦床，在地質省劃分上屬于Canning盆地。

圖1　Mulga Rock礦區構造位置及構造綱要圖

地質調查研究發現，Mulga Rock礦區的古河道層序主要包括三個部分：①河流相砂，含湖泊相沉積夾層，30m厚；②湖泊-沼澤相沉積，高嶺石粘土上覆于褐煤(泥煤)、富粘土質褐煤、碳質砂巖和粘土，30m厚；③底部河流相砂巖和礫巖，約40m厚。

西澳大利亞的新生代Narnoo盆地具有鈾礦化現象，并且沿著Yilgarn克拉通內部的古河道向上游末端富集(圖1)。如圖1所示，Narnoo盆地內的沉積發生在中始新世后期到晚始新世，介于Gunbarrel盆地沉積的底界和頂界之間[9]。在始新世期間，Yilgarn克拉通的隆起導致河流底面下降，坡流梯度增加，而形成了切入Gunbarrel盆地下部的深切峽谷。在中新世以后，區域抬升造成了始新世沉積的顯著風化。

根據Douglas等人(2011)的研究成果，Mulga Rock礦區的這些鈾礦床產于褐煤層以及下伏的古河道砂巖巖體中，有5～15km寬，長達100km以上，其Pb-Pb測定數據和較高的Th/U比值說明可能與鉀鎂煌斑巖和碳酸巖有關。據推測，古河道可能是從水流體系中獲得鈾元素來源，而水流系統向西北方延伸長達400多千米，橫穿過Yilgarn克拉通。Mulga Rock礦區的稀土元素(主要是La、Ce和Sc)與砂巖型多金屬鈾礦中的褐煤有關(圖2和圖3)。

圖2　Ambassador礦床5766鉆孔簡略巖性地層圖

圖3　Mulga Rock褐煤砂巖型鈾礦-稀土礦地質剖面(據Douglas(2011)修改)

2　煤-稀土-鈾的時間與空間賦存關系

煤-稀土-鈾的共生成礦關系若從時間與空間演化的角度去細致研究能夠發現更多內在的客觀規律。首先，從時間的角度，綜合以往研究成果，礦區的推測礦化年齡大致位于30萬年前[6，9]。這個時間段對應于風化作用和相應的成巖作用時期，最初的鈾、稀土等金屬在晚始新世的有機相中發生同沉積作用，之后又經過再活化作用而富集成礦。

從空間分布的角度看，如圖2中所示，Mulga Rock礦區的多金屬鈾礦床產出在Yilgarn克拉通和Albany-Fraser地質省太古代和元古代花崗巖之下埋藏的顯生宙時代古河道層序中。

如圖3所示，上部單元已經發生風化、鐵化和硅化，導致氧化作用向下延伸20～30m，在高嶺土質黏土和褐煤的接觸面具有明顯的氧化還原邊界，一般接近當地的地下水位。氧化過程可能在漸新世到中新世中期的潮濕條件下經歷了風化作用，后來更干旱的環境下經歷了風化作用。

鈾和稀土相比較而言，Ambassador礦床中的鈾賦存在褐煤層中以及其下的砂巖，但稀土元素似乎主要局限于礦化的褐煤層。而Emperor礦床和Shogun礦床的稀土豐度資料雖然尚未公布，但也與礦區的褐煤具有密切的成因關系。

3　煤-鈾的成礦關系

從沉積相的角度看，道格拉斯等人(2011)在Mulga Rock的沉積層序中識別出三種陸相沉積，分別為：①底部的河流相砂巖和礫巖；②湖泊-沼澤相的高嶺土質粘土巖、泥炭、富含粘土的泥炭和碳質砂巖、粉砂巖和粘土巖；③上部的沼澤相高嶺土質粘土巖，可作為氧化還原的邊界。研究發現，鈾元素富集在氧化還原邊界的前緣，特別是在泥炭和含碳泥巖的上部1～2m。鈾礦或含鈾礦物以單獨形態賦存是非常少見的，相反大多是以非結晶相態分散在碳基質中，而且通常太微細而無法通過光學或電子顯微技術來分辨。

從成礦環境的角度看，煤層流體包括煤層氣都是地層內鈾離子還原沉淀和富集成礦的重要還原劑。實踐證明，煤層及其厚度變化(有機質)、沉積相(賦存組合)、巖性顏色(氧化還原特征)確實可以作為多數地區砂巖型鈾礦體勘探的重要外在找礦標志。

3.1樣品數據

為了驗證相關的推論是否正確，Caroline等人(2015)在地表以下53～58.5m層段的始新世中期松散固結碳質沉積物中采集樣品并進行分析[6]。結果表明，還原性沉積表現為：深褐色碳質地層至黑色粘土，位于地表以下53～55m處深度；逐漸過渡到56～57.5m深度的極細粒砂巖，砂巖顆粒包裹有褐色至黑色粘土，下方是57.5～59m處的深褐色碳質巖層到黑色粘土。整個還原性沉積被地表以下51～52m深度的白色淋濾型高嶺土質粘土層封蓋。上述情況表明，氧化還原邊界前緣是以48.5m深度以上的氧化性微紅色砂巖向53～55m深度的還原性碳質粘土漸變為標志。礦化部分位于還原性巖層，最高鈾濃度位于含碳沉積層的上部1m位置，品位達到5280ppm，水平相當之高。

3.2物質來源

礦區煤層中的鈾礦主要與中低溫熱液流體有關。不同成因的含鈾流體(如地下水熱液、巖漿殘余熱液、變質熱液等)及其混合流體，在適宜的物理化學條件和各種有利的地質條件下，經過充填和交代等方式形成的鈾的富集體。Douglas等人(2011)認為，鉀鎂煌斑巖和碳酸巖與源巖地球化學特征相一致，因為它們通常富含許多各種不同的微量元素，特別是U、Th和REE[9]。這些巖石位于基底靠近古河道的位置或直接與Minigwal古河道系的一個分支相連，可能是該礦區礦化的一個來源。礦區的鈾礦床通常是中低級別的變質程度，在高度變質的巖石中則很少見，說明在變質過程中鈾元素是流失的。

3.3運移成礦

大部分的含鈾溶液并不是在原地成礦的，而是經過多期多次的構造運動不斷向上運移。溫度壓力發生變化，也可能是伸展或擠壓運動造成了壓力梯度，從而形成了構造運移的通道。流體所流經的地層巖性和物理化學性質會有很大不同，在適宜的條件下，含鈾流體通過斷層或斷裂甚至較小規模的裂隙，運移至弱氧化或還原環境而發生氧化還原反應，導致鈾礦沉積。

4　煤與稀土的成礦關系

4.1樣品數據

礦區中具有經濟價值的元素主要是U、Ni、Co、Cu、Zn、Sc、REE、V、Au和Ag。通過對相關資料和樣品的分析，Douglas等人(2011)認為，稀土礦化帶僅限于上部的褐煤單元，上部褐煤層中的稀土元素所占比例為：La10.8%，Ce39.8%，Pr6.1%，Nd 24.1%，Sm6.0%，Eu1.2%，Gd4.2%，Tb0.6%，Dy3.4%，Ho0.6%，Er1.5%，Tm0.2%，Yb1.2%，Lu0.2%。另外，也在一些鉆孔中發現了Sc2O3礦物的品位高達192 ppm的水平。

4.2物質來源

鑒于礦區成礦巖石的Pb-Pb同位素數據地質年齡為太古代或元古代，而且具有高的Th/U比值，很可能就是Ambassador礦區的源巖。具體來講，Ambassador礦區的同位素組成與西澳大利亞鉀鎂煌斑巖和碳酸巖相同，說明很可能是碳酸巖型稀土成礦。Mount Weld碳酸巖與古河道系相鄰，向西北延伸180km，產在Mulga Rock地區其他的碳酸巖是已知的，或者是推斷的。Sr和Nd同位素數據結果也支持這一假設。然而，礦區Sr和Nd同位素數據也與Yilgarn克拉通內的許多花崗巖類似，說明也可能有其他來源。

4.3運移成礦

Douglas等人的分析結果也支持化學同生模式[9]。也就是說，一種或多種來源的鈾和稀土元素在相應過程中轉移到溶液后，積累到一定程度時就在有機物質中發生沉淀，并在成巖/風化過程中發生再次遷移并富集。根據褐煤的孢粉年齡，溶液中的遷移和有機膠體中的吸附，假定在晚始新世潮濕風化事件是發生了溶解和遷移。那么，沉積后再遷移和富集在晚始新世任何時段都可以發生，這與始新世隆起時期的地下水位變化有關，推測的中新世沉積物或相關的強烈風化事件會將其掩埋封存，而有利于成礦。

5　煤-鈾-稀土綜合成礦模型

鑒于礦產系統方法目前已建立了靈活的概率分析框架，該方法已被廣泛用于礦產勘查定量風險分析[10]，同時也作為多礦種系統分析的重要部分用于進行勘探遠景區分析[11-14]，此外也用來描述與火山巖型塊狀硫化物礦床[15]和太古代脈金礦床[16- 17]的成礦過程。

研究發現，若使用礦產系統方法對澳大利亞的稀土和鈾礦床進行歸類和描述，將會獲得綜合性的新認知。礦產系統方法由于側重于礦床的礦化過程，而與在石油和天然氣勘探中已經證明是有用的油氣系統方法有著異曲同工之妙，因為它提供了一個非常好的分析框架，適用于盆地與遠景區的廣大范圍，而不像經驗性概念模型只能用于邊緣盆地[18]。至于礦產系統，Wyborn等(1994)將其定義為“控制礦床形成和賦存的所有地質因素”，同時還劃分了7種用于表征熱液礦產系統特點的重要地質因素，如礦化流體來源和運輸、金屬和其它礦石成分的來源、流入和流出的運移路徑、熱梯度、驅動流體流動原動力、圈閉動力學和構造機制、圈閉中礦物沉淀的化學或物理過程。礦產系統方法有時也稱為“源”、“運”和“圈”模式。但是，Walshe等人(2005)對其進行了重新定義。新的定義歸納出5個方面，并以此為基礎來理解各種尺度下(區域到礦床)下礦產系統的時空演變，包括：系統的構造和規模、系統的P-T和動力學演化、系統中流體和儲層的性質、流體運移的特征、金屬運移和沉淀的時空化學過程[19]。

一般來講，礦產系統的劃分在結構上是分級的，礦床最常見的層次稱為“礦產系統組合”，如風化層、盆地、變質巖、巖漿巖等組合。這些組合進一步還可細分成“礦床類型”。其中，巖漿巖組合的基本要素是富稀土元素熔體的侵位，各種礦床類型或者是由熔體的結晶作用直接形成或者是在分離出的流體中形成。而盆地組合的礦床類型可以是機械和化學沉積作用形成，也可以由沉積盆地的成巖流體形成。風化層組合的礦床類型需要稀土元素的母體能夠形成有經濟品位的稀土富集體。稀土礦床的形成既可以是殘余物質中稀土元素富集也可以是局部稀土元素的再活化。變質組合的礦床類型是在區域變質或接觸變質作用中生成的。

礦產系統組合的概念有助于將礦床與稀土的一般地球化學循環(地幔-地殼-地表)聯系起來。鈾和REE來源于地幔并在地殼中富集，即地幔的部分熔融所形成的堿性和碳酸巖熔體富含鈾和REE。原始物質需要被富含不相容元素的熔體交代才能形成堿性熔體。地幔交代作用所需流體的也可能來自俯沖板塊的脫水，從而能夠交代軟流圈和大陸巖石圈的地幔。其中，交代地幔的部分熔融可以生成堿性和碳酸巖熔融體，而導致稀土元素的富集濃度大約上升兩個數量級。地殼的部分熔融還可產生富含REE的長英質熔體，但富集程度相對較小。具體來講，黑云母碳酸巖熔體稀土富集水平最高，而且明顯富集輕稀土(LREE/HREE約40)，相比之下堿性和長英質熔體僅為7。

6　結　論

綜上所述，Mulga Rock礦區是西澳大利亞典型的煤-鈾-稀土多礦種共生巖體。筆者通過對Mulga Rock礦區內煤-鈾以及煤-稀土的成礦關系的研究發現煤-鈾-稀土之間具有重要的共生成礦關系。具體表現為多種來源的鈾和稀土元素被溶解轉移到溶液流體中，當積累到一定濃度時在煤層(Mulga Rock礦區主要是褐煤)等有機還原環境下發生沉淀聚集，并在成巖/風化過程中發生遷移并富集。筆者認為，深入研究煤層與稀土和鈾的成礦關系，對于綜合開發和利用多礦種共生資源具有重要意義。礦產系統方法由于側重于礦床的礦化過程具有更廣的應用范圍，因而對于分析煤層與稀土和鈾的共生礦床具有重要的指導價值。

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Mineralization relationship of coal-uranium-REE in Mulga Rock deposits in west Australia

DONG Peng1，2，3，LI Yu-zhen1，3，TAN Wei3

(1.College of Earth Sciences，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China； 2.Key Laboratory of Tectonic Controls on Mineralization and Hydrocarbon Accumulation of Ministry of Land and Resources，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China； 3.Chengdu Di’ao Mining Industry Energy Resources Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China)

As coal-uranium-rare earth joint exploration and utilization is becoming more and more significant，the authors study Mulga Rock deposits in Western Australia：Ambassador，Shogun and Emperor deposits，as a typical symbiosis case.The authors analyze the mineralization relationship among coal and uranium and rare earth in the Mulga Rock deposits from the time-space framework in details.Based upon this，this paper explores the symbiosis mineralization modes of coal-uranium-rare earth from sampling data，materials source，and material transportation perspective.Then the authors finally use the mineral systems approach (MSA) for the comprehensive genesis and economics analysis of coal-uranium-rare earth.MSA has a great guide value for analyzing in this paper，since it focuses on the genesis relationship thus with a broad application area.The authors draw a conclusion that coal，uranium，rare earth，and other minerals should be comprehensive development and utilization，which notonly improves economic efficiency，but also can better the environment and other social governance.

Mulga Rock deposits；coal sediments；sandstone-typed uranium deposits；REE；genesis relationship

2016-03-05

TD353

A

1004-4051(2016)10-0154-05