王健，王文全，漆富成，王振云，张文东

（核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

晓坪坳陷位于湘西北铀多金属成矿带的北部，是湘西北最早开展铀多金属勘查的地区。20世纪60 年代初，在该地区的黑色岩系中发现了镍钼矿床，同时通过航空和地面伽马测量，发现了放射性异常，而后落实了一批铀矿点。80 年代后期又在这一地区发现了铂族元素、稀土元素和稀有元素等许多国民生产中急需的战略性矿产资源，通过持续性的勘查工作，截止目前在这一地区发现的有用元素种类达30 种以上［1-2］。这些矿产资源大都产在晓坪坳陷寒武纪早期的黑色岩系中，这套黑色岩系从北到南广泛分布在整个湘西北地区，同时在我国南方多个省区均有出露，是我国重要的稀有金属、非金属以及油气源岩的赋矿地层。近些年漆富成等［3-4］和闫友谊［5］通过系统性的调查取样对晓坪坳陷黑色岩系的含矿性做出了具体评价，并在岩石学、矿物学等方面开展了一定的研究；王健等［6］利用铀-铅同位素测年探讨了黑色岩系中铀矿化的年龄；对于这套含铀多金属黑色岩系的成因，刘宝珺等［7］、王成善等［8］、漆富成等［9］均提出过与海侵体系下的缺氧作用和海底喷流作用有关，但对于此认识观点，还需多方面的证据加以支撑。本文利用近些年新的分析测试手段，对晓坪坳陷黑色岩系中铀多金属的矿物种类、存在状态、赋存位置等开展了研究，并根据研究结果从矿物学角度提出一些成矿作用方面的认识，以期能对湘西北地区含铀多金属黑色岩系的成因理论加以完善。

1 区域地质背景

晓坪坳陷归属于湘西北成矿带，位于扬子陆块东南端，南部为华南造山带，东部为华夏陆块［10］。研究区内发育的含铀多金属黑色岩系主要是寒武纪的地层。在寒武纪时期，我国南方由华夏陆块和扬子陆块两个Ⅰ级构造单元组成，华夏陆块和扬子陆块分别由3 个Ⅱ级构造单元组成，其中组成扬子陆块的3 个Ⅱ级构造单元依次为扬子东南大陆边缘、扬子克拉通和扬子北部大陆边缘，晓坪坳陷就位于扬子东南大陆边缘的北部的陆缘裂陷、深断裂带成矿体系中［11］（图1）。刘宝珺等［7］认为湘西北地区在寒武纪早期是拉张最为强烈的阶段，在拉张作用的过程中，同时沉积形成一套层位稳定赋存多金属矿化的黑色岩系，其岩性以碳质页岩、粉砂质板岩、磷块岩、硅质岩为主。研究区构造以北东向断裂和褶皱构造为主，北西向构造不发育［12］，岩浆活动不强烈［13］。

图1 中国南方寒武纪古构造示意图（据文献［11］修改）Fig.1 Paleotectonic map of Cambria in southern China（modified after reference［11］）

2 含铀多金属黑色岩系地质特征

晓坪坳陷呈北东向展布在扬子陆块东南缘的陆缘裂陷、深断裂带中，被3条贯穿湘西北的深大断裂带所夹持，北西侧为花垣-慈利断裂带和凤凰-吉首断裂带，南东侧为四都坪-龙潭河断裂带，赋存铀多金属矿化的地层为下寒武统牛蹄塘组，花垣-慈利断裂带从北部的赋矿地层切过［14-16］（图2）。牛蹄塘组主要岩性为富含磷结核的页岩、硅质岩等，沉积形成在灯影组风化剥蚀面之上，所以牛蹄塘组的地层产状受下伏地层影响较大。矿化地层主要呈似层状不等厚连续发育，厚度在0.5～3.5 m之间（图3），向北东方向延伸约30 km，北部受断裂切割局部出现铀多金属矿化变富的现象。通过系统的剖面采样分析得出，晓坪坳陷中铀多金属矿化岩石中U 含量介于（1.50～210.30）×10-6、V含量变化范围为（26.32～17 812.13）×10-6、Ni 含量变化范围为（18.32～6 634.10）×10-6、Mo含量变化范围为（2.70～12 406.41）×10-6。与上地壳相比，这几种主要的矿化元素浓集倍数均达到了几十至上千，局部地段U 达到了非常规铀资源品位指标，Mo、Ni达到了工业品位，Ga、Cd、V、Tl等元素达到了非常规铀资源伴生组分综合利用指标。

图2 晓坪坳陷含铀多金属黑色岩系地质略图（据文献［14］修改）Fig.2 Geological sketch of uranium-polymetallic bearing black-rock series in Xiaoping depression（modified after reference［14］）

图3 研究区含铀多金属黑色岩系野外露头Fig.3 Outcrop of uranium polymetallic-bearing blackrock series in the study area

3 矿物赋存特征

晓坪坳陷铀多金属矿化赋矿岩石主要为碳质页岩、磷块岩、硅质板岩。通过岩矿分析、矿相显微镜观察、电镜和探针测点等综合手段，在研究区矿化样品中发现的铀矿物有晶质铀矿、沥青铀矿、铀石；金属矿物以镍钼矿物为主，含少量闪锌矿和方铅矿。

此次研究发现晓坪坳陷中的铀矿物以晶质铀矿和沥青铀矿为主，铀石相对较少。晶质铀矿主要以立方体聚形晶及单个立方体的形态产出（图4），少部分呈不规则状，聚形晶粒径主要集中在4～11 μm，立方体大小主要为3～6 μm。自然界中晶质铀矿的结晶形态受结晶温度的影响，结晶于高温条件下的晶质铀矿主要呈八面体、立方体或立方体聚形晶的形态，而结晶于较低温度下的晶质铀矿，晶形较差，主要呈不规则状或块状［17-18］。在研究区发现的晶质铀矿，大多自形程度高，且聚形晶的边部平直，形态清晰，所以根据晶质铀矿的结晶形态判断，其主要形成于高温条件下。扫描电镜能谱分析结果表明，研究区晶质铀矿的U 含量介于63%～67%，O 含量介于24%～27%；晶质铀矿中除了主要元素U 和O 外，大部分还含有Y、P、Si、Ca 等元素。矿物的主、微量元素组分与其形成的环境有重要关系，P、Ca、Si 等元素的带入，主要是受富磷的碳硅泥质围岩成分的影响，Y 的带入，主要是受结晶温度的影响，通常形成的温度越高，U4+越容易与钇族稀土的3 价离子发生类质同象［19］。因此从晶质铀矿晶体形态和矿物成分两方面均可以判断，晓坪地区的晶质铀矿大部分结晶在高温条件下。

图4 晶质铀矿背散射图像（a）及能谱分析图（b）Fig.4 BSE image（a）and energy spectrum（b）of uraninite

晓坪坳陷中发现的沥青铀矿主要以不规则粒状、胶状、皮壳状等形态产出，部分为胶状集合体的形态（图5），单个矿物颗粒直径为3～11 μm，其中6 μm 左右的矿物颗粒最为常见，集合体粒径介于12～22 μm。整体而言，沥青铀矿比晶质铀矿稍大，根据扫描电镜能谱分析数据，其U 含量介于66%～73%，O 含量介于22%～27%，受其赋矿岩石和产地的地球化学背景影响，大部分沥青铀矿中含有P、Ca、Na、Al、K 等元素。

图5 沥青铀矿背散射图像（a）及能谱分析图（b）Fig.5 BSE image（a）and energy spectrum（b）of pitchblende

研究区铀石相对较少，且常与沥青铀矿共生在一起（图6），自形程度较高，单个矿物以短柱状、柱状和梭状为主，集合体形态呈胶状、皮壳状等。铀石矿物颗粒较大，单体粒径为4～9 μm，集合体直径为6～16 μm。扫描电镜能谱分析表明，铀石U 含量介于54%～61%，O 含量介于24%～31%，Si 含量介于7%～13%。铀石中普遍含有P 和Ca，少部分含有Y，Y 的出现指示矿物结晶于相对较高的温度环境下［19］。同时在铀石附近的重晶石中包裹有硒汞矿。Se是一种亲地核的深源元素，其在地核中的含量要远远高于在地壳中的含量，地核中Se含量约为40×10-6，而地壳的Se含量仅为0.08×10-6，在地球演化形成的过程中，Se 大都富集在地幔和地核中，属于典型的深源元素［20］。Y、Se 两种元素的出现，指示研究区热水沉积作用过程中成矿流体携带有深源成矿物质的参与。部分铀石边部和内部还可以见到结晶较晚呈小乳滴状和不规则状分布的方铅矿（图7）。

图6 铀石与沥青铀矿背散射图像（a）及铀石能谱分析图（b）Fig.6 BSE image of pitchblende and coffinite（a），and energy spectrum of coffinite（b）

图7 铀石与方铅矿元素面分布图Fig.7 Element mapping in coffinite and galena

前人在20 世纪60 年代就开展了关于晓坪坳陷黑色岩系中镍、钼矿化的研究，并且在这一地区落实了镍、钼矿床。前人在这一地区研究发现的镍矿物可以分为硫化物和硫砷化物两大类，镍的硫化物主要包括硫铁镍矿、紫硫镍矿、含镍黄铁矿、针镍矿等；镍的硫砷化物主要是辉砷镍矿［21］。随着近几年分析测试手段的提高，漆富成等［3］在晓坪坳陷赋矿岩石气泡孔洞中发现镍矿物与晶质铀矿共生在一起，气泡孔洞四周主要是石英，中部为方硫镍矿包裹较晚结晶的辉砷镍矿和晶质铀矿，方硫镍矿边部结晶形成有闪锌矿和含铅黄铁矿，除方硫镍矿粒径较大约80 μm 外，其余矿物颗粒均较小，仅为1～3 μm（图8）。

图8 镍及多金属矿物背散射图像［3］Fig.8 BSE image of nickel and polymetallic minerals［3］

钼元素主要以胶状集合体的形式存在，Jr Conwet 等［22］研究认为这种集合体是胶硫钼矿，潘家永等［23］通过研究将这种集合体命名为碳硫钼矿，更加突出了集合体中碳元素的存在。本次研究发现这种胶状集合体中除了Mo、S 两种主要元素外，同时含有Fe、Ni、As 等杂质元素，为了强调其胶状集合体的形式，本文将其称为胶硫钼矿（图9）。钒元素的独立矿物在自然界中非常少，所以独立的钒矿物不能成为钒矿化中钒元素的主要载体。整个湘西北地区，钒元素的赋存状态都基本一致，主要是以黏土吸附和类质同象两种方式赋存在矿化岩石中，没有发现钒的独立矿物［24］。本次研究在晓坪坳陷中发现的钒元素，也都赋存在云母类的黏土矿物中，由于云母类矿物中Al3+离子半径及化学性质与V3+、V4+较为接近，所以V 容易置换Al 进入硅酸盐矿物晶格中形成类质同象而发生富集［25］。

图9 钼矿物背散射图像（a）及能谱分析图（b）Fig.9 BSE image（a）and energy spectrum（b）of molybdenum mineral

本次工作通过观察统计，发现晓坪坳陷黑色岩系中的铀多金属矿物赋存位置可以分为：气泡孔洞、溶蚀孔洞、沉积物裂隙、矿物间隙4种主要类型。这4 种类型中最主要的矿物赋存位置为气泡孔洞和溶蚀孔洞，沉积物裂隙和矿物间隙中沉淀的矿物相对较少。气泡孔洞是在海底喷流作用下深部来源的气液组分在不断上涌的过程中，会在早先形成的海底沉积物中冲出孔洞，而后孔洞被热水溶液中沉淀析出的物质逐步充填，孔壁四周形成方解石、石英、重晶石等矿物，中心常结晶形成多种类型的金属矿物，前文图8 所述的镍矿物与晶质铀矿、闪锌矿就共同沉淀在一个气泡孔洞中；溶蚀孔洞是磷块岩中早先沉积形成的鲕粒状磷灰石，后期经海浪的机械破碎作用和深部流体的溶蚀作用，发生破碎-溶蚀-重结晶时在岩石内部形成的孔洞，孔洞大小通常介于3～15 μm，前文图5 中所述的沥青铀矿就结晶形成于磷块岩内部的溶蚀孔洞中。

4 指示意义

晓坪坳陷位于湘西北黑色岩系铀多金属成矿带的最北端，本次工作除过对湘西北黑色岩系成矿带的北部地区开展调查外，还对成矿带的中部和南部也进行了系统的调查研究，但由于文章篇幅原因，本文不对中部和南部地区铀多金属矿化展开论述（另外发表）。但从调查结果可以明显看出，相比南部的吉首坳陷和凤凰坳陷，晓坪坳陷黑色岩系中的有用元素种类是最多的，吉首坳陷和凤凰坳陷的矿化元素主要为U、V、Cu 三种，而晓坪坳陷的U、V、Ni、Mo、Cd、Sb、Ba 等元素含量均超过了地壳平均值的百倍至千倍。前人通过研究认为，湘西北地区的海底喷流热水口就位于晓坪坳陷区域内［26］，所以晓坪坳陷地区的铀多金属矿化成矿作用温度相对较高，且元素种类最为丰富，这与本文矿物学工作所发现的现象和得出的结论具有较好的一致性。晓坪坳陷中发现的铀矿物以晶质铀矿和沥青铀矿为主，大部分晶质铀矿结晶较好，主要以立方体和立方集合体聚形晶的形态产出，不同成因条件的晶质铀矿在结晶形态上具有不同特征。通常高温条件下结晶的晶质铀矿呈立方体、八面体或菱形十二面体的聚形晶，温度相对较低的条件下形成的晶质铀矿呈柱状、块状和不规则状［17-18］。同时晓坪坳陷中发现的晶质铀矿大部分含有钇族稀土，通常形成的温度越高，铀矿物中的U4+越容易与钇族稀土的3 价离子发生类质同象而被带入矿物中［19］。晓坪坳陷中发现的部分铀石含有Y，Y 是铀矿物形成温度的重要标型特征［19］，铀石周围的重晶石中含有典型的深源元素Se［20］，这两种元素的出现也指示研究区黑色岩系中的矿物结晶于相对较高的温度环境，且海底热水喷流过程中携带有深源成矿物质的参与。在赋矿岩石气泡孔洞中发现的晶质铀矿＋辉砷镍矿＋闪锌矿的高温矿物组合，也同样指示晓坪坳陷黑色岩系成矿作用与寒武纪海底喷流过程中不断上涌的高温热水含矿溶液密切相关。

5 结论

1）晓坪坳陷中发现的铀矿物以晶质铀矿和沥青铀矿为主，铀石相对较少。发现铀石边部和内部共生有结晶较晚的方铅矿。方硫镍矿内部包裹有较晚结晶的辉砷镍矿和晶质铀矿，边部共生有闪锌矿和含铅的黄铁矿，钼元素主要以胶硫钼矿的形式存在，钒元素主要以黏土吸附和类质同象两种方式赋存在矿化岩石中。

2）在晶质铀矿和铀石中发现有Y，大部分晶质铀矿以立方体和立方集合体聚形晶的形态产出，以上特征指示晓坪坳陷的铀多金属矿化主要沉淀结晶于相对较高的温度环境下。

3）晓坪坳陷黑色岩系中的铀多金属矿化岩石中矿物的赋存位置可以分为气泡孔洞、溶蚀孔洞、沉积物裂隙、矿物间隙4 种类型，其中最主要的矿物赋存位置为气泡孔洞和溶蚀孔洞。

4）在赋矿岩石气泡孔洞中发现晶质铀矿＋辉砷镍矿＋闪锌矿的高温矿物组合，以上发现指示，晓坪坳陷黑色岩系成矿作用与海底喷流过程中不断上涌的深部含矿热液关系密切。