遼東連山關地區(qū)古元古代基性巖特征及與鈾礦關系探討

吳 迪, 劉永江, 王慶喜, 李偉民

遼東連山關地區(qū)古元古代基性巖特征及與鈾礦關系探討

吳 迪1, 2, 劉永江3*, 王慶喜4, 李偉民1

(1.吉林大學 地球科學學院, 吉林 長春 130061; 2.中核北方鈾業(yè)有限公司, 遼寧 葫蘆島 125000; 3.深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學中心 海底科學與探測技術重點實驗室, 中國海洋大學 海洋地球科學學院, 山東 青島 266100; 4.核工業(yè)二四〇研究所, 遼寧 沈陽 110032)

連山關地區(qū)位于華北克拉通北緣鈾成礦省遼東鈾成礦帶, 以往的勘探發(fā)現鈾礦周圍大量基性巖發(fā)育, 為進一步了解基性巖構造環(huán)境及其與鈾成礦的關系, 本文以鉆孔深部基性巖為研究對象, 通過巖石學、地球化學及年代學等研究, 探討基性巖的地質地球化學特征、形成時代、巖石成因及與鈾成礦的關系。研究表明: 鉆孔深部基性巖以變輝綠巖和輝綠玢巖為主, 具有鉀、鈉含量相當, 過鋁質等特征, 屬于堿性?過堿性系列巖石; 稀土元素含量偏高, 輕稀土元素相對富集, 重稀土元素相對虧損, 輕重稀土元素分異作用不明顯, Eu呈現中等程度負異常, Ce呈微弱負異常; 微量元素Ba、La、Zr、Hf相對富集而U、K、P、Ti相對虧損。地球化學特點表明, 研究區(qū)基性巖屬于板內堿性玄武巖, 源區(qū)為過渡型地幔, 形成于大陸碰撞后伸展裂解的構造環(huán)境, 并在上侵過程中存在地殼混染作用。連山關巖體南緣發(fā)育的韌性剪切帶及相伴生的張性破裂為基性巖的就位提供空間?；詭r同時也為鈾成礦提供熱源、礦化劑及部分成礦流體。綜合分析認為, 造山期后伸展張裂階段形成的基性巖與鈾成礦關系密切, 連山關巖體南部遼河群覆蓋區(qū)可作為下一步重點找礦地段。

古元古代; 基性巖; 鈾成礦; 幔源; 韌性剪切帶; 連山關

0 引 言

基性巖是巖石圈(或地殼)伸展構造背景下, 地幔巖石圈部分熔融作用以及幔源巖漿作用的產物, 對限定研究區(qū)的構造格局和時空演化特征起著重要作用, 具有重要的大陸動力學意義(Halls, 1987; Windley, 1996; 李江海等, 1997, 2006; 周鼎武等, 1998, 2006; 王正其等, 2007, 2010)。近年來, 對基性巖的研究已經成為國內外熱點, 在基性巖的形成條件、巖石學、地球化學、年代學、構造演化及其與金屬成礦之間的關系等方面取得了一系列的成果(李獻華等, 1990, 1995, 1997; Groves, 1993; 胡瑞忠等, 1993; 曹榮龍, 1995, 1996; 李子穎等, 1999; 馬芳等, 2000; 侯貴廷等, 2005, 2010)。有資料表明, 一些鈾礦體與基性巖具有密切的時空關系, 在鈾成礦過程中, 基性巖也起到了一定作用。例如, 張守本(2004)對亞洲158個新生代鈾礦體統(tǒng)計分析表明, 約60%鈾礦體直接位于玄武質火山機構的接觸帶附近; 我國華南地區(qū)下莊、相山、寶龍山鈾礦田(床)內, 鈾礦化都發(fā)生在基性巖形成以后, 且兩者具有同源性, 并為鈾成礦提供重要的礦化劑(毛景文等, 2000; 胡瑞忠等, 2004; 王正其和李子穎; 2007; 寧君等, 2011; 張良, 2013, 2014; 顏新林, 2018)如相山鈾礦床成礦流體中存在大量的幔源稀有氣體(胡瑞忠等, 2004; 姜耀輝等, 2004; 饒澤煌, 2012); 杜樂天(2002, 2009)認為熱液鈾礦床是堿交代作用形成的, 形成礦床的熱液來自幔源; 基性巖脈的形成能夠為鈾的沉淀富集作用提供場所等(王學成等, 1991)。

遼吉古元古裂谷帶位于華北克拉通東北部, 帶內礦產資源豐富, 目前發(fā)現有鈾、金、銀、鐵、銅、鉛、鋅、鈷等金屬礦以及硼礦、菱鎂礦、岫玉和滑石礦等非金屬礦產, 區(qū)域成礦作用可能與裂谷演化關系密切(陳榮度, 1984, 1990; 李三忠等, 1996, 2001; 翟安民等, 2005; 宋建潮, 2011; 周永恒等, 2011; 董存杰, 2012; 張朋等, 2016)。值得關注的是, 遼東地區(qū)是中國最古老鈾礦床(點)集中分布區(qū)和很好的潛在鈾成礦省(夏毓亮和韓軍, 2008)。目前遼東發(fā)現鈾礦床主要產于連山關地區(qū), 對于該區(qū)鈾礦床成因, 學者們持有沉積變質?熱液改造型(郭智添, 1982, 1986; 鐘家蓉, 1983; 劉德正, 1990)、堿交代熱液脈型(王駒和杜樂天, 1988; 劉正義等, 2019)、熱液脈狀充填型(張家富, 1990, 1994)、混合巖化熱液脈型(連立祥, 1989; 楊福鵬, 2010; 佟國元, 2012)、不整合脈型(董春林和薛樹桐, 1992; 張振強和曲先良, 2001)、重熔混合熱液型(莊廷新等, 2009; 吳迪等, 2013, 2017)和構造熱液型(張小勇等, 2015; 郭春影等, 2018)等。

遼吉裂谷帶北側發(fā)育大量基性巖。前人對基性巖做了大量研究, 提出基性巖石與花崗質巖石是形成于陸內裂谷構造環(huán)境下的雙峰式巖漿巖組合(張秋生, 1987; Sun et al., 1993; 李守義等, 1994; 孫敏等, 1996)和地幔部分熔融的產物(Yuan et al., 2015; Wang et al., 2016)等不同成因觀點; 在構造背景上有形成于火山弧環(huán)境(Faure et al., 2004; 馬立杰等, 2007; Yuan et al., 2015; 高鉑森等, 2017)或者弧后伸展環(huán)境(劉永達等, 1989, 1992; 王惠初等, 2011; Meng et al., 2014)等不同認識。出露于研究區(qū)范圍內的基性巖呈面狀分布, 以巖床、巖墻或者巖脈的形式侵入于遼河群中。由于遼河群整體受古元古代構造變形和相關變質作用的改造較弱, 這些基性巖石絕大多數也因此保留了原始的巖漿結構, 巖性主要包括變輝綠巖和變輝長巖(許王, 2019)。

此外, 連山關地區(qū)鈾礦受巖體周緣韌性剪切帶控制比較明顯, 但并不是整個剪切帶內都含(鈾)礦。隨著近幾年找礦勘查向深部發(fā)展, 在連山關太古宙花崗質巖體內的鈾礦體下方識別出許多基性巖脈, 鈾礦受剪切帶控制的同時有可能與基性巖有一定的關系。而前人對連山關地區(qū)鈾礦成因研究大多忽略了基性巖在鈾成礦過程中所起的作用, 對礦床(點)中的基性巖特征、構造背景及與鈾成礦的關系研究處于空白。鑒于此, 本文以連山關地區(qū)侵入到太古宙巖體內的基性巖為研究對象, 探討基性巖特征及與鈾成礦的關系, 進而填補前人研究的薄弱環(huán)節(jié), 以期補充完善本區(qū)鈾成礦模式, 對今后該區(qū)鈾礦找礦工作提出新的思路。

1 地質背景

研究區(qū)位于遼吉古元古裂谷帶北緣(圖1a), 主體構造格架為一軸向北西西向的短軸背斜, 核部為太古宙混合花崗雜巖體, 冀部為古元古界遼河群沉積變質巖系所覆(圖1b)。區(qū)內主要出露太古宙結晶基底、太古宇鞍山群和古元古界遼河群沉積變質巖系, 同時伴有少量的古元古代基性巖墻群。其中鞍山群呈殘留體賦存于混合花崗雜巖體中, 區(qū)內僅有茨溝組及大峪溝組分布; 遼河群在區(qū)內分布廣泛、出露完整、韻律明顯, 構成一巨大沉積旋回, 共出露5個巖組: a. 浪子山組, 為碎屑巖?黏土質巖建造; b. 里爾峪組, 為酸性巖?火山巖建造; c. 高家峪組, 為黏土質?半黏土質建造及碳酸鹽建造; d. 大石橋組, 為碳酸鹽建造; e. 蓋縣組, 為碎屑巖建造(吳迪等, 2017)。

研究區(qū)斷裂十分發(fā)育, 主要有NW向、近EW向斷裂組與NE向、NNE向斷裂組, 主要發(fā)育在遼河群與巖體接觸部位, 即連山關巖體南帶與遼河群不整合面的構造擠壓糜棱巖、片理化帶。伴隨區(qū)域南北向的擠壓變形形成連山關背斜穹窿, 同時在巖體周緣發(fā)生較大規(guī)模的右旋剪切走滑作用, 形成了大型的NW向滑脫的順層韌性剪切滑脫帶(劉永江等, 1996; 李三忠等, 1996)。近期研究表明, 連山關巖體周緣均發(fā)育有不同變形強度的韌性剪切帶, 巖體南緣和東北緣韌性剪切帶巖石應變特征較明顯, 巖體東、西兩端構造變形相對較弱, 其余均被新元古代地層覆蓋。連山關巖體南緣韌性剪切帶呈NWW向展布, 長37 km、寬1.5 km, 總體表現為強弱不同的變形特征, 既發(fā)育擠壓褶皺又發(fā)育右行走滑剪切變形, 從西到東與遼河群浪子山組地層的接觸關系均為構造接觸, 原始的沉積不整合接觸關系已被改造消失, 取而代之的是強烈的韌性剪切變形帶(常瑞虹等, 2017)。

圖1 遼東連山關地區(qū)地質簡圖(據常瑞紅等, 2017修改)

研究區(qū)侵入巖主要包括太古宙和古元古代兩個演化時期。太古宙巖體以變質深成巖?片麻巖類為主, 連山關混合花崗雜巖體作為主要代表, 由太古宙侵入巖體混合了太古宇鞍山群和古元古界遼河群浪子山組底部巖層組成, 該混合花崗雜巖體西起弓長嶺、東至草河城, 呈近東西向分布, 巖體長40 km, 寬7～10 km, 面積約320 km2, 構成連山關復背斜的軸部, 雜巖體主體由紅色鉀質混合花崗巖組成, 其間有少量早期鈉質花崗片麻巖殘留體, 并大量分布太古宙鞍山群殘留體, 邊部分布白色重熔混合巖(吳迪等, 2013, 2017); 背斜核部連山關巖體平均含鈾量為(6～8)×10?6, 是遼東地區(qū)主要鈾礦遠景區(qū)之一(郭智添, 1982; 莊廷新等, 2009; 吳迪等, 2013); 古元古代侵入體主要為基性巖, 走向與韌性剪切帶一致, 呈北西向展布于遼河群中(圖1), 巖性多為斜長角閃巖、變輝長巖、變輝綠巖, 以層狀或脈狀形態(tài)產出(盧天驕, 2019; 許王, 2019; 劉杰勛, 2019; 薛吉祥等, 2020)。

從產出狀態(tài)角度, 大部分基性巖主要分布在遼河群內, 呈北西向展布, 主要包括變輝長巖、變輝綠巖和變玄武巖等, 并經歷了綠片巖相?角閃巖相變質作用(于介江等, 2007; 許王, 2017)。于介江等(2007)在斜長角閃巖中獲得了2060±20 Ma 的鋯石U-Pb巖漿年齡; 秦亞(2013)確定裂谷帶裂陷期火山巖的原巖年齡為2165～2179 Ma; Meng et al.(2014)測得變輝長巖鋯石LA-ICP-MS 年齡2157±17 Ma、變輝綠巖鋯石LA-ICP-MS 年齡2161±12 Ma、變玄武巖鋯石LA-ICP-MS 年齡2144±16 Ma, 表明這些變質基性巖形成于太古宙克拉通裂解、遼吉古裂谷拉張、遼河群沉積階段, 是裂谷活動初始階段的產物(Halls, 1987; 侯貴廷等, 2005; Yuan et al., 2015; 許王等, 2017)。少量發(fā)現于連山關巖體中, 巖性主要為變輝綠巖和輝綠玢巖, 目前還沒有相關研究成果發(fā)表。王惠初等(2011)對遼陽河欄附近的變質枕狀熔巖、變質輝綠巖墻以及花崗偉晶巖進行了研究, 認為變質枕狀熔巖形成于1880 Ma, 花崗偉晶巖的年齡為1860 Ma, 可作為造山作用結束的標志, 變質基性巖墻年齡為 1830 Ma, 可作為后造山伸展張裂的標志; 董存杰(2012)測得侵入下元古界遼河群的基性巖年齡1751 Ma; 秦亞等(2015)發(fā)現裂谷帶所有變質火山巖和變質沉積巖樣品均具有1860～1883 Ma的變質鋯石, 侵入到大石橋組中的基性巖墻群中具有1874±31 Ma 的變質鋯石, 代表裂古閉合時的區(qū)域變質事件時代或造山期后大陸架伸展階段基性巖漿侵入時代。

2 典型鈾礦床特征

研究區(qū)內已發(fā)現有連山關、黃溝和玄嶺后三個鈾礦床。三者成礦時代較為一致, 均為呂梁運動晚期1.8～1.9 Ga(夏毓亮和韓軍, 2008; 韓軍, 2009)。其中, 連山關和黃溝鈾礦分布在巖體南側接觸帶、玄嶺后鈾礦分布在巖體北側接觸帶, 均受韌性剪切帶控制, 主要礦體賦存于剪切帶內帶的重熔混合巖(原混合質石英巖、白色混合花崗巖)之中。

2.1 連山關(3075)鈾礦

連山關鈾礦受北東走向的小背斜控制, 該背斜軸長120～140 m, 兩翼寬度120 m, 背斜高60～80 m, 標高180～260 m, 背斜北東仰起, 南西傾伏, 傾伏角46°; 由浪子山巖組一段石英巖、云母石英片巖組成, 核部被重熔混合巖充填(圖2)。

2.2 黃溝鈾礦

黃溝鈾礦分布在東西長約600 m、南北寬約500 m的范圍內, 大多數礦體集中在標高0～200 m空間內。礦體呈細脈狀、透鏡狀、魚群狀分布, 礦體厚度一般為1.0～4.0 m; 礦體走向集中在60°～90°, 傾向南東, 傾角19°～45°; 礦床中礦體均為隱伏盲礦體, 主要賦存于重熔混合巖異常增厚部位內的北東東向剪切裂隙中, 自北西向南東雁行排列并向南西側伏(圖3)。

黃溝鈾礦有22個鉆孔深部見基性巖脈, 占鉆孔總數的三分之二, 基性巖投影位于黃溝鈾礦床中心部位, 且基性脈巖常位于鈾礦體深部(圖4a)。黃溝ZK35-1號鉆孔在229.63～234.83 m見5.20 m變輝綠巖, 輝綠巖本身無礦(放射性強度為圍巖的三分之一), 但裂隙面見鈾礦化(圖5)。

2.3 玄嶺后(410)鈾礦

玄嶺后鈾礦礦體形態(tài)和產狀變化較大, 一般多呈透鏡狀、脈狀、不規(guī)則狀。礦體走向很不穩(wěn)定, 主體走向北東、傾向北西, 上部傾角陡、下部變緩; 礦體厚度由0.5～15 m, 延深30～140 m, 平均鈾含量0.107%;礦體分布在巖體與片巖接觸帶內帶, 距接觸帶0～30 m左右, 在平面和剖面上處于巖體外凸部位。在探采對比剖面中, 發(fā)現多條輝綠巖脈穿插在巖體與地層之中, 鈾礦體在形態(tài)中受巖脈控制且與輝綠巖脈產狀相似, 位于輝綠巖脈中間夾持部位(圖4b)。

3 基性巖樣品的巖相學特征

本次研究的采樣地點分別為連山關巖體周緣接觸帶的黃溝、祁家堡、云盤和玄嶺后4個鈾礦(化)點, 共計5個鉆孔內的9件樣品(圖1b), 全部為鉆孔深部巖心樣品, 根據手標本結合鏡下巖礦鑒定, 巖性主要為變輝綠巖(圖6a～c)和輝綠玢巖(圖6d～f)。

圖2 連山關鈾礦床220 m中段平面圖及剖面示意圖(據莊廷新, 2009修改)

圖3 黃溝鈾礦床160 m中段平面圖及剖面示意圖

圖4 研究區(qū)基性巖脈與鈾礦化空間位置圖(a. 黃溝鈾礦; b. 410鈾礦)

變輝綠巖手標本呈灰綠色, 殘余輝綠結構, 塊狀構造。主要由基性斜長石、普通輝石及后期蝕變礦物絹云母和方解石組成。見少量磁鐵礦、鈦鐵礦等不透明金屬礦物。巖石發(fā)育較強絹云母化及碳酸鹽化?；孕遍L石含量約55%, 呈自形?半自形薄板狀、板條狀交織分布, 粒徑長0.4～0.6 mm, 聚片雙晶明顯, 多以拉長石為主; 普通輝石含量約40%, 呈它形粒狀、短柱狀(多呈半自形), 粒徑0.08～0.30 mm, 少數隱約可見微弱多色性, 干涉色大多為二級中部及二級橙。普通輝石發(fā)育強烈絹云母化和碳酸鹽化, 部分已完全被絹云母和方解石交代, 且在蝕變過程中析出有鐵鎂質組分, 形成不透明金屬礦物, 僅少量輝石仍保留短柱狀外形。

輝綠玢巖手標本呈灰黑色, 斑狀結構, 塊狀構造。由斑晶和基質組成, 斑晶為斜長石(Pl)、輝石(Px), 約占10%～15%; 基質(80%～85%)為顯微晶質斜長石、輝石、黑云母等, 微晶斜長石架構中充填細粒的輝石、黑云母、磁鐵礦等呈輝綠結構。副礦物為磁鐵礦、磷灰石等。其中, 斜長石: 自形、柱狀, 部分顆粒隱約見雙晶; 斑晶, 粒徑1.0～7.0 mm, 約占巖石總量7%～10%; 基質, 顯微晶質, 含量約35%～ 40%; 輝石: 自形、柱狀, 主要為普通輝石; 斑晶, 主要粒徑0.5～3.0 mm, 含量約5%～8%; 基質, 顯微晶質, 含量25%～30%; 黑云母: 自形、片狀, 褐棕色, 顯微晶質, 含量10%～15%; 副礦物: 磁鐵礦, 自形、粒狀, 含量約4%～5%。

4 基性巖樣品的地球化學特征

4.1 分析方法

本文樣品主微量、稀土元素分析測試均在核工業(yè)東北分析測試中心完成, 主量元素分析采用X射線熒光熔片法(XRF), 分析精度小于1%, 其中FeO和LOI采用濕化學分析法測定; 稀土元素和微量元素分別采用陽離子交換分離?電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)和電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)完成, 分析精度優(yōu)于6%。分析結果(表1)利用地球化學工具軟件包GeoKit程序對數據進行處理(路遠發(fā), 2004)。

4.2 分析結果

9件樣品的SiO2含量為40.16%～49.81%, 屬于基性巖范疇, 在全堿-硅(TAS)分類圖解(圖7a)上, 研究樣品投入副長石輝長巖區(qū)域內, 屬于堿性系列巖石; MgO含量為4.29%～9.58%, Mg#變化較大(30.48～ 58.84), 在Nb/Y-SiO2火山巖分類圖解(圖7b)上, 樣品投入堿性玄武巖和碧玄巖區(qū)域。在巖漿系列判別圖解(圖8)上, 樣品投入鉀玄巖及過堿性系列巖石區(qū)域內。樣品的固結指數變化較大(17.31～37.27), 表明巖漿結晶分異趨勢較明顯; 固結指數SI與MgO的線性關系相比其與SiO2之間的線性關系更好, 說明MgO對巖漿的結晶分異起主導作用(圖9)。

圖5 黃溝礦區(qū)基性巖裂隙面見鈾礦化

(a) 變輝綠巖手標本; (b) 變輝綠巖鏡下(+); (c) 變輝綠巖鏡下(?); d. 輝綠玢巖手標本; (e) 輝綠玢巖鏡下(+); (f) 輝綠玢巖鏡下(?)。礦物代號: Pl. 斜長石; Px. 普通輝石; Cal. 方解石。

表1 基性巖脈巖石化學分析表(主量元素: %, 稀土、微量元素: ′10?6)

注: Mg#=100′Mg2+/(Mg2++Fe2+); SI=MgO′100/(MgO+FeO+Fe2O3+Na2O+K2O)。

Ir系Irvine分界線, 上方為堿性, 下方為亞堿性。1. 橄欖輝長巖; 2a. 堿性輝長巖; 2b. 亞堿性輝長巖; 3. 輝長閃長巖; 4. 閃長巖; 5. 花崗閃長巖; 6. 花崗巖; 7. 硅英巖; 8. 二長輝長巖; 9. 二長閃長巖; 10. 二長巖; 11. 石英二長巖; 12. 正長巖; 13. 副長石輝長巖; 14. 副長石二長閃長巖; 15. 副長石二長正長巖; 16. 副長正長巖; 17. 副長深成巖; 18. 霓方鈉巖/磷霞巖/粗白榴巖。

圖8 連山關地區(qū)基性巖的巖石系列判別圖解(底圖: a據Peccerillo and Taylor, 1976; b據Middlemost, 1985)

稀土元素總量ΣREE=70.66×10?6～319.87×10?6, 平均值為265.22×10?6, 表明稀土總量較高, ΣLREE= 64.71×10?6～293.08×10?6, ΣHREE=5.95×10?6～27.03×10?6, ΣLREE/ΣHREE=10.63～11.02, (La/Yb)N=2.27～2.36, 表明輕稀土元素明顯富集, 輕、重稀土元素之間分異作用不明顯; 在球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(圖10a)上, 所有樣品均表現為“右傾”型。各樣品稀土元素配分曲線相似, 暗示其同源演化的特點; 具有弱的Eu負異常(δEu=0.73～0.78), 表明原始巖漿中的斜長石發(fā)生了一定程度的結晶分異作用; Ce微弱異常(δCe=0.96～1.02), 暗示基性巖受后期影響較小(劉燊等, 2005)。

在微量元素蛛網圖(圖10b)上, 樣品富集Ba、La、Zr、Hf等元素, 虧損U、K、P、Ti等元素?；詭rNb/Ta值為14.06～14.94, 稍高于太古代大陸地殼平均值(12.5), Y、Yb、Lu三種元素與原始地幔含量相近, 表明其具有幔源物質參入, Sr的弱負異?？赡芘c低壓條件下的斜長石分異結晶作用有關(童勁松等, 2007), Zr、Hf相對高含量反映幔源巖漿混染了殼源物質。

5 討 論

5.1 基性巖的構造環(huán)境與物質源區(qū)

利用研究區(qū)基性巖主、微量元素含量進行地球化學投點對其構造環(huán)境進行判別(圖11), 在TiO2-Zr判別圖解上, 樣品大部分投入板內玄武巖區(qū)域內, 少量投入火山弧玄武巖區(qū); 在Th/Yb-Ta/Yb圖解上, 僅1個樣品投入陸緣弧玄武巖區(qū)域, 其余均投入板內玄武巖區(qū)域內; 在Th/Hf-Ta/Hf判別圖解上, 樣品大部分投入大陸板內裂谷玄武巖區(qū), 個別投入大洋玄武巖區(qū); 在2Nb-Zr/4-Y圖解上, 樣品投入板內堿性玄武巖區(qū)域內。綜上, 樣品投點大部分落入板內玄武巖區(qū)域, 且MgO含量變化范圍不大。同時, 基性巖樣品明顯虧損P、Nb、Ti等元素且U/Th值(0.02～019)明顯低于島弧火山巖特征, 而與大陸裂谷(伸展環(huán)境)玄武巖含量相當。本文認為, 研究區(qū)基性巖屬于大陸裂谷玄武巖類, 其成因與板內大陸裂谷構造環(huán)境密切相關, 形成于大陸碰撞后伸展裂解的構造環(huán)境。

前人研究成果表明, 如果La/Sm值大于5, 說明在巖漿演化過程中發(fā)生地殼混染。研究區(qū)基性巖中La/Sm=5.93～6.25, 均大于5, 說明巖漿在上侵過程中存在地殼混染作用; Ta/La均值為0.10, 與原始地幔(Ta/La=0.06)相近, 表明地殼混染作用對巖漿演化影響不大; Nb/La=0.48～3.15均值為1.38, 說明巖漿可能繼承了混合作用改造的地幔源區(qū)(楊毓紅等, 2013)。此外, 研究區(qū)基性巖Zr/Nb=3.58～19.58, 均值為8.64, 而原始地幔Zr/Nb=18, 結合基性巖具有富集輕稀土元素、大離子親石元素、虧損高場強元素的特點, 認為研究區(qū)基性巖源區(qū)為過渡型地幔。

基性巖可產出于多種構造環(huán)境, 包括形成于離散板塊邊緣的洋中脊玄武巖、洋島玄武巖、大陸溢流玄武巖、大陸裂谷玄武巖以及與俯沖帶有關的玄武巖等。前人研究結果表明, 華北克拉通東部陸塊和西部陸塊的碰撞拼合, 形成中央造山帶的時間大約發(fā)生于1850 Ma, 之后又經歷數次伸展和裂解事件, 形成邊緣斷裂, 最終導致基性巖的侵位(金成偉等, 2002; Simon, 2004; 趙太平等, 2007; 趙國春等, 2009)。綜合研究認為, 研究區(qū)基性巖形成于遼吉古元古裂谷帶閉合后伸展裂解的構造環(huán)境。

5.2 基性巖與鈾礦的時空關系

在每個重要的熱液成礦期都存在成礦前貫入的基性巖墻群(杜樂天, 2011, 2015)。研究區(qū)內呈脈體侵入到花崗巖體之中的變輝綠巖、輝綠玢巖尚未有年齡數據發(fā)表, 本次研究也未測得其年齡, 但研究區(qū)基性巖形成于大陸碰撞后伸展裂解的構造環(huán)境, 結合華北克拉通早期的構造事件, 限定其時限為1700～1900 Ma(翟明國, 2004); 同時在黃溝輝綠巖脈中發(fā)現鈾礦這一現象, 表明鈾礦化形成在輝綠巖侵入之后, 結合前人總結造山期后伸展階段的基性巖年齡在1751～1880 Ma, 其侵入年齡與連山關鈾成礦年齡相吻合(1851±8071Ma, 夏毓亮和韓軍, 2008; 1798±60 Ma, 郭春影, 2018)的特點, 說明該期基性巖與鈾礦在時間上較為接近。

圖10 球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(a)與MORB標準化微量元素蛛網圖(b)(球粒隕石標準化值據Taylor and Mclennman, 1985; MORB標準化值據Sun and Mcdonough, 1989)

MORB. 洋中脊玄武巖; VAB. 火山弧玄武巖; WPB. 板內玄武巖。Ⅰ. 板塊發(fā)散邊緣N-MORB區(qū); Ⅱ. 板塊匯聚邊緣(Ⅱ1. 大洋島弧玄武巖區(qū); Ⅱ2. 陸緣島弧及陸緣火山弧玄武巖區(qū)); Ⅲ. 大洋板內洋島、海山玄武巖區(qū)及T-MORB、E-MORB區(qū); Ⅳ. 大陸板內(Ⅳ1. 陸內裂谷及陸緣裂谷拉斑玄武巖區(qū); Ⅳ2. 陸內裂谷堿性玄武巖區(qū); Ⅳ3. 大陸拉張帶(或初始裂谷)玄武巖區(qū); Ⅴ. 地幔熱柱玄武巖區(qū))。A1+A2. 板內堿性玄武巖; A2+C. 板內拉斑玄武巖; B. P型MORB; D. N型MORB; C+D. 火山弧玄武巖。

研究表明, 全球大量的鈾礦床空間上與基性巖墻密切相關(Christie, 1953)。如加拿大112個熱液鈾礦有70個產于基性巖中(Robinson, 1955), 據張守本(2004)統(tǒng)計, 俄羅斯、蒙古、中國、南非、德國、澳大利亞和北美洲等國鈾礦在時空分布上與基性巖體保持一致。研究區(qū)內黃溝鈾礦和玄嶺后鈾礦在鈾礦體附近均發(fā)現輝綠巖脈。黃溝鈾礦體下方多見輝綠巖脈、且在輝綠巖脈中發(fā)現鈾礦化, 玄嶺后鈾礦體與輝綠巖脈產狀高度一致, 說明基性巖與鈾礦空間關系密切。

5.3 基性巖與鈾礦的成因關系

5.3.1 提供熱源

地幔流體不僅是一種高溫流體, 而且是一種熱能傳輸介質(饒澤煌和方欣, 2011); 研究表明, 希望、石土嶺鈾礦床的形成與貴東熱點活動有著密切的成因聯系(李子穎等, 1999, 2006); 連山關地區(qū)見多期次花崗質和中基性巖漿侵入體, 深源偏堿性、堿性火山巖及中基性巖漿活動是深部熱動力隆升作用的一部分, 它可作為區(qū)域上鈾成礦的一種標志(李子穎等, 2006)。連山關鈾礦形成溫度在237～304 ℃之間(王駒和杜樂天, 1988), 屬于中低溫熱液鈾礦床, 基性巖漿溫度大約在1000～1200 ℃(Carmichael et al., 1974), 遠高于鈾礦形成時的溫度, 因此, 基性巖漿上涌可提供足夠熱源。

5.3.2 提供礦化劑

基性巖中攜帶的強還原性氣體H2、CO、CH4、H2S、烴類是極為理想的還原劑(Carrat, 1974), CO2減壓逸散是鈾大量沉淀富集的條件(Maisonneuve, 1984), 巫建華等(2005)強調構成成礦熱液主體的∑CO2來自地幔, 石角圍、小水鈾礦床成礦流體中的礦化劑來自地幔, 鈾源可能直接來自與輝綠巖具有相似源區(qū)性質的富集地幔, 推測鈾的沉淀成礦與富含CO2、F、H2S、U等組分的超臨界態(tài)成礦流體在臨界點附近發(fā)生沸騰作用相關(李子穎, 2006; 王正其等, 2010); 幔源流體本身具有高溫且含有還原性物質, 在與含鈾量較高的圍巖相互作用過程中, 發(fā)生物質交換, 當溫壓條件合適, 熱液中鈾發(fā)生聚集并沉淀, 在此過程中, 基性巖起到了熱源和礦化劑的作用(邵飛等, 2011, 2012)。地幔軟流體上隆, 地殼減薄, 基性巖墻貫入, 幔汁跟著上涌, 形成強烈的堿交代作用熱液成礦(杜樂天, 2015)。根據對連山關鈾礦床中與瀝青鈾礦同生石英的包裹體分析, 連山關鈾礦成礦期熱液偏中性, 為Ca2+-Na+/HCO3?-SO42?型, 鈾主要以[UO2(CO3)2]2?形式遷移, 流體中H2較高為(0.13～0.22)′10?6, 經計算結果H2/H2O=1.6×10?12, 顯示H2來自幔源(核工業(yè)241大隊, 1990)。

5.3.3 提供成礦流體

基性脈巖在我國華南地區(qū)下莊、長江、桃山等鈾礦田成礦過程中均起到了重要作用。如: 希望、石土嶺鈾礦床成礦流體具有幔源特征(鄧平等, 2003; 凌洪飛等, 2005; 巫建華等, 2005; 朱捌, 2008, 2010; 沈渭洲等, 2010; 曹豪杰等, 2011); 下莊鈾礦田花崗巖體中輝綠巖磷灰石的87Sr/86Sr初始值為0.705, 具幔源巖石初始鍶同位素比值特征; 棉花坑鈾礦床輝綠巖、花崗巖及鈾伴生的紫黑色螢石的Sr同位素分析認為, 成礦組分Sr可能來源于基性脈巖(沈渭洲等, 2010)。諸廣礦田范圍內幔源基性巖脈非常發(fā)育, 成礦流體的H、O同位素、方解石的δ13C值也顯示成礦過程中有地幔流體參與(張國全等, 2008; 沈渭洲等, 2010; 郭國林等, 2010)。地幔流體提供成礦流體, 滲透到地殼中地幔流體可以活化、遷移其中的成礦元素, 形成成礦流體(饒澤煌和方欣, 2011)。隨著熱點活動的繼續(xù), 更深部的幔源物質上侵, 同時來自地幔的堿性流體上升(胡瑞忠等, 1993; 李子穎, 2006; 杜樂天和王文廣, 2009; 駱金誠等, 2019), 流體與圍巖的相互作用, 在已形成的富鈾體中產生部分熔融, 同時產生多種成分復雜(陰離子群: CO32?、PO43?、F?、S2?、O2?、OH?、Se2?等, 陽離子群: U4+、Si4+、Mg2+、Fe2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+、Ca2+、K+、Na+等)富鈾的成礦流體, 為鈾成礦作用奠定了基礎(鄧平等, 2003; 李子穎等, 2004, 2015; 王正其等, 2010; 杜樂天, 2011)。

地球化學分析結果表明, 研究區(qū)基性巖在上涌過程中與圍巖發(fā)生了物質交換, 其證據如下: 一是原始地幔、華北地幔、華北地殼、本文基性巖樣品、連山關鈾礦石圍巖和鈾礦石的稀土元素含量對比發(fā)現(表2), 連山關地區(qū)基性巖樣品稀土元素含量明顯高于地幔、稍高于地殼、與賦礦圍巖相近, 輕稀土元素均高于圍巖, 重稀土元素均低于圍巖, 說明在基性巖漿侵位過程中, 不斷進行物質交換; 二是連山關鈾礦床成礦期熱液δO18H2O為0.45‰, δDH2O為70.1‰～62.1‰, 推測成礦熱液可能是混合水, 即深部(幔源)初生水(具較低的δD18值)與來自連山關雜巖體(具較高的δD18值)混合而成(核工業(yè)241大隊, 1990); 三是本區(qū)基性巖鈾含量較低, 平均值0.87×10?6, 但在其侵入過程中, 伴隨著來自幔源流體上涌, 成礦流體存在來自于深源的Pt元素(圖12)。

圖12 鈾礦石SEI及U元素和Pt元素關系圖

5.4 韌性剪切帶與鈾礦的關系

韌性剪切變形作用作為一種重要的構造運動形式, 對于礦床的預富集、形成及演化產生了十分重要的影響。在造山帶構造體制轉換的環(huán)境下, 鈾元素的活化、遷移和沉淀過程與脆-韌性剪切帶緊密相關(韋昌山和翟裕生, 1996; Yan et al., 2003; Qiu et al., 2018)。連山關巖體及其上部遼河群的年代學研究以及構造背景分析, 確定了該地區(qū)遼河群底部與太古宙花崗巖之間存在大型韌性剪切帶(劉永江等, 1997); 其形成于古元古代晚期區(qū)域構造擠壓背景下D2變形幕, 同時伴隨著遼河群的變形變質作用和巖體的局部重熔(李三忠等, 1998; 吳迪等, 2013; 常瑞虹等, 2017); 韌性剪切帶巖石變形溫度為450～550 ℃, 韌性剪切作用伴隨著接觸帶巖石的部分重熔, 形成了沿韌性剪切帶呈帶狀展布的重熔混合巖(吳迪等, 2013; 常瑞虹等, 2017)。連山關地區(qū)鈾礦均受北西向韌性剪切帶控制, 分布于重熔混合巖之中, 剪切帶屬于一級控礦構造, 鈾礦體定位于剪切帶內次級裂隙之中。韌性剪切帶屬地殼中深層次構造的主要類型, 可為深部巖漿等流體上涌提供通道。研究區(qū)內呈北西西向展布的基性巖即通過韌性剪切帶就位, 同時, 大型的剪切構造活動也為深部流體上涌帶來通道, 富堿熱液沿途交代圍巖中的活動鈾隨著熱液的運移在局部地段發(fā)生了預富集, 被裂隙中的綠泥石集合體及泥鐵質膠結物吸附后, 形成了研究區(qū)的鈾礦化。

5.5 成礦模型及今后找礦方向

結合本文研究成果認為, 遼東連山關地區(qū)鈾成礦主要由重熔混合巖(提供鈾源)、大型韌性剪切活動(提供動力及熱液運移通道)和基性脈巖(提供熱源和礦化劑, 與部分成礦流體)等綜合因素的結果(吳迪等, 2017)(圖13)。在此基礎上, 完善了本區(qū)的鈾成礦模式?；詭r墻事件是在拉張環(huán)境下地幔流體上涌的產物, 在此環(huán)境下, 圍巖形成張性裂隙或裂隙組, 基性巖冷凝過程中也會產生裂隙, 為成礦流體運移提供空間和動力。連山關地區(qū)多期次巖體及脈體活動頻繁, 伴隨著鈾的活化、遷移、聚集、沉淀。因此, 本區(qū)具有較大的找礦潛力, 多期次巖體及脈體侵入地段和構造疊加部位可作為下一步重點找礦方向。通過新的鈾成礦模式, 提出了新的三位一體找礦模型, 暨鈾礦化發(fā)育在重熔混合巖隆起區(qū)內、北西西向韌性剪切帶和北東東向裂隙組交匯部位及輝綠巖墻(脈)附近。據此找礦模型, 結合連山關鈾礦補充勘探中發(fā)現礦體有向西南側伏的規(guī)律, 且礦床西南邊界尚未控制住, 本文認為連山關巖體南部遼河群覆蓋區(qū)有較大的找礦潛力。

6 結 論

(1) 連山關地區(qū)遼河群地層和連山關巖體中廣泛發(fā)育基性脈巖, 其侵入時期主要分為裂谷拉張和造山期后兩個階段, 巖石類型主要有變輝長巖、變輝綠巖、變玄武巖和灰綠玢巖等。

(2) 巖石地球化學分析表明, 研究區(qū)基性巖屬于堿性?過堿性系列巖石, 屬于板內堿性玄武巖, 形成于大陸碰撞后伸展裂解的構造環(huán)境, 源區(qū)為過渡型地幔, 上侵過程中存在地殼混染作用。

(3) 造山期后伸展張裂階段形成的連山關地區(qū)基性巖與鈾礦的時空關系密切, 在時間上稍早于鈾礦化,空間上常位于鈾礦體深部, 成因上可為鈾成礦提供熱源、礦化劑及部分成礦流體。在基性巖的就位與鈾成礦過程中, 韌性剪切帶提供了運移通道。

(4) 根據基性巖與鈾成礦模型, 指出連山關巖體南部遼河群覆蓋區(qū)可作為下一步重點找礦方向。

1. 浪子山組二段石榴二云片巖; 2. 浪子山組一段石英巖、石英云母片巖; 3. 太古宇鞍山群殘留體; 4. 重熔混合巖; 5. 太古宙混合花崗巖; 6. 古元古代基性侵入巖; 7. 古風化殼中含鈾地段; 8. 韌性剪切帶; 9. 工業(yè)鈾礦體; 10. 漸變地質界線。

致謝:非常感謝兩位審稿人對稿件的細致審閱和提出的寶貴修改意見。

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Characteristics of Paleoproterozoic Mafic Rocks and Their Relationship with Uranium Mineralization in Lianshanguan Area, Eastern Liaoning Province

WU Di1, 2, LIU Yongjiang3*, WANG Qingxi4and LI Weimin1

(1. Earth Science Institute, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China; 2. North Uranium Co., Ltd CNNC, Hu Ludao 125000, Liaoning, China; 3. MOE Key Lab of Submarine Geoscience and Prospecting Techniques, Frontiers Science Center for Deep Ocean Multispheres and Earth System, College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong, China; 4. Research Institute No.240 CNNC, Shenyang 110032, Liaoning, China)

The Lianshanguan area is located in the eastern Liaoning uranium metallogenic belt and belongs to the uranium metallogenetic province of the North China Craton. Previous exploration has found a large number of basic intrusions around the uranium deposits. To delineate the tectonic environment of the mafic rocks and the relationship between the mafic rocks and uranium mineralization, the mafic rocks in the deep borehole are investigated. The results show that the mafic rocks are mainly peraluminous metadiabase and sillite, which have equivalent contents of Na2O and K2O, and belong to alkaline peralkaline series. The mafic rocks are characterized by enriched LREE (light rare earth elements) and depleted HREE (heavy rare earth elements), with negative Eu anomalies and weak negative Ce anomalies, and enrichment of Ba, La, Zr, Hf and depletion of U, K, P, Ti. According to the geochemical characters, the mafic rocks are likely derived from transitional mantle and experienced crustal contamination during magma ascend, which belongs to intraplate alkaline basalts formed in extensional tectonic environment after continental collision. The ductile shear zone developed in the southern margin of the Lianshanguan granitic pluton and the associated tensile fracture might have provided space for the emplacement of the mafic rocks. Moreover, the mafic rocks provided heat, mineralizer and some ore-forming fluids for the uranium mineralization. According to the comprehensive analysis, we propose that the mafic rocks, which formed in the post orogenic extension and tensional stage, are closely related to the uranium mineralization, while the covering area of the Liaohe Group in the south of Lianshanguan granitic pluton can be considered as the key prospecting area for the uranium mineralization.

Paleoproterozoic; basic rock; uranium mineralization; mantle-derived; ductile shear zone; Lianshanguan area

2020-03-09;

2020-05-25;

2021-04-27

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0600108-02)、國家自然科學基金(41672185)與青島市創(chuàng)新領軍人才計劃(19-3-2-19-zhc)和泰山學者計劃(ts20190918)聯合資助。

吳迪(1987–), 男, 博士研究生, 高級工程師, 從事鈾礦地質勘查與研究。Email: wudi.1114@163.com

劉永江(1964–), 男, 教授, 博導, 從事大地構造學、構造年代學和大陸流變學研究。Email: liuyongjiang@ouc.edu.cn

P595

A

1001-1552(2021)04-0727-018

10.16539/j.ddgzyckx.2021.02.016