湘赣边界鹿井地区下寒武统斑点板岩地球化学特征及原岩形成环境

张万良, 李余亮

(核工业二七〇研究所,江西 南昌 330200)

寒武纪是显生宙的开始,标志着地球生物演化史拉开新的一幕。中国寒武纪地层区域分布广泛,包括稳定型、活动型和过渡型沉积。稳定型沉积发育于华北地块东部、塔里木地块北缘以及扬子地块中。活动型沉积发育于北方大兴安岭北部、鸭绿江一带的兴凯湖区,以含火山物质为特征,南方华南活动带是另一个明显的活动型沉积区。过渡型沉积主要为含硅质和碳质的钙质沉积和薄层碳酸盐沉积,分布在中国东部,以江南区为主,也见于秦岭和中北天山(赵兵等,2014)。

湘赣边界鹿井地区早寒武世地层以过渡型沉积为主,板岩是主要岩石类型,其中斑点板岩是铀矿化重要围岩之一。斑点板岩是一种低级的热接触变质岩(地质矿产部地质辞典办公室,2005),它不仅具有板状构造,也具有斑点构造。

鹿井地区是华南花岗岩型铀矿的重要集中区之一(肖振华等,2021;王前林等,2021;张万良等,2022),铀矿化产于印支-燕山期花岗岩内部或其外接触带下寒武统斑点板岩及其他浅变质岩系中,成矿时代为晚白垩世-古近纪。斑点板岩作为印支期花岗岩的接触浅变质岩,是铀矿的重要含矿围岩之一。斑点板岩的地球化学特征和原岩形成的构造环境对分析判断成矿物质来源和铀矿成因认识具有重要意义。斑点板岩对铀矿形成的控制作用一直是铀矿地质勘探和找矿预测过程中的关键科学问题,但已有研究薄弱,成果不多。

鹿井地区部分钻孔中见到新鲜的下寒武统斑点板岩,有的钻孔中见到斑点斑岩中存在铀矿化现象。笔者采集了ZK75-1钻孔斑点板岩样品,镜下观察后进行了主量、微量、稀土元素检测分析,并对该斑点板岩的地球化学特征及其原岩形成构造环境进行探讨。

1 地层概况

湘赣边界鹿井地区的寒武纪地层分上、中、下三层,分别为水石组(∈3s)、茶园头组(∈2cy)和香楠组(∈1x)(图1)。水石组下部以砂岩夹板岩为主,上部泥板岩相对增多,主要为板岩夹砂岩。茶园头组岩性主要为深灰、灰绿色巨厚层变质长石石英砂岩夹少量深灰色条纹状板岩,灰绿、深灰色厚层板岩夹中层变质砂岩,灰黑色含碳板岩夹粉砂质板岩及薄层含碳硅板岩、硅质板岩等。该地层在湖南省称茶园头组(张纯臣,1997),在江西省称高滩组(∈2gt)(刘亚光,1997)。

图1 鹿井地区地质略图(张万良等,2022)

下寒武统香楠组岩性主要有灰色-深灰色含碳板岩、斑点板岩、硅质板岩、粉砂质板岩及变质杂砂岩等。中下部为深灰色厚层状变质中细粒杂砂岩、中薄层状含碳板岩、斑点板岩、薄层的泥质灰岩及板岩互层,其中灰岩呈层纹状。上部为灰色中层状细粒石英砂岩、薄层微条纹状板岩、砂质板岩。该地层下与老虎塘组,上与茶园头组呈连续过渡关系。岩层中见有粒序层理、小型交错层理、水平层理和块状层理,属于次深海-深海相沉积,产海绵骨针化石,厚度为831.87～1 679.20 m。

鹿井矿田西部位于湖南省境内,东部位于江西省境内,下寒武统香楠组(∈1x)是湖南省岩石地层名称,按江西省岩石地层划分方案,本组相当于下寒武统牛角河组(∈1n)。斑点板岩是下寒武统香楠组的主要岩性之一(图2,3),在湘赣边界一带具有广泛的代表性。

图2 地表风化斑点板岩(a)和斑点板岩显微照片(+)(b)

2 样品及测试

鹿井矿田蕉叶垅地区多个钻孔揭穿白垩纪红层、印支-燕山期花岗岩和QF1硅化破碎带后,均见到香楠组斑点板岩,其中ZK75-1孔揭露板岩厚度达241.08 m,岩性单一,呈灰色、深灰色,见粒状黄铁矿,局部见石英、方解石脉。10个斑点板岩样品取样位置见图3。

图3 鹿井地区ZK75-1孔岩性柱及取样位置图

镜下观察,斑点板岩主要由粒径小于0.08 mm定向排列的显微鳞片状绢云母、显微叶片状绿泥石、它形粒状石英、不透明铁质(碳质)等组成,构成显微粒状鳞片状变晶结构,千枚状构造。岩石变质程度比典型的板岩要深,可称为千枚状板岩。绢云母含量为68%,呈显微鳞片状和显微鳞片集合体状,干涉色鲜艳,定向排列,在应力作用下形成小的褶皱、褶曲。绿泥石含量为23%,呈显微叶片状,浅绿色,异常蓝、一级暗灰干涉色,与绢云母互混或组成雏晶状斑点,定向排列。石英含量为8%,它形粒状,一级亮白干涉色,少量颗粒压扁拉长,分散分布在绢云母、绿泥石中,部分聚集成条带状微晶集合体,定向分布。不透明铁质含量为1%,它形粒状,长条状,多与绿泥石互混组成斑点,定向排列。岩石中绿泥石、绢云母、不透明铁质等局部聚集,组成条状斑块,雏晶状斑点(图2)。

研究区斑点板岩重结晶作用明显,岩石几乎全由绢云母、绿泥石、石英等新生矿物所组成。根据潘兆橹(1985)建议,板岩可按新生矿物进一步命名为:绢云板岩、绿泥板岩、绿泥绢云板岩和绢云绿泥板岩。本区斑点板岩镜下可命名为绿泥绢云板岩(贺同兴等,1980)。

样品测试在核工业二三〇研究所分析检测中心完成,常量组分SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO、TiO2、MnO、Na2O、K2O、P2O5采用X射线荧光法检测,使用仪器为X射线荧光光谱仪(AxiosMAX),烧失量用重量法检测,FeO用滴定法检测,微量及稀土元素用电感耦合等离子体质谱仪(NexION 300X)检测。各组分或元素的分析误差均在规范规定的范围之内,一级标准物质合格率为100%,重复样合格率为100%。

3 主量元素地球化学特征

主量元素的检测结果见表1。研究区斑点板岩的原岩为泥质岩石,把中国东部泥质岩和华南碳质页岩的化学成分数据列入表1中对比参考。从表1可见,研究区斑点板岩SiO2含量为60.93%～64.31%,平均为62.91%,略高于中国东部泥质岩(60.63%),也高于华南碳质页岩的平均值(56.17%);Al2O3含量为16.60%～17.93%,平均为16.88%,与中国东部泥质岩(16.35%)相近,但高于华南碳质页岩(12.02%);CaO含量为0.365%～0.927%,平均为0.550%,明显低于中国东部泥质岩或华南碳质页岩;MgO含量为2.72%～3.04%,平均为2.88%,K2O含量为3.73%～4.30%,平均为4.07%,略高于中国东部泥质岩或华南碳质页岩;Na2O含量为0.216%～1.400%,平均为0.720%,与中国东部泥质岩或华南碳质页岩相差不大;Fe2O3含量为1.24%～1.66%,平均为1.43%,比中国东部泥质岩、华南碳质页岩明显偏低,但FeO含量较高,平均为4.84%,是中国东部泥质岩的3.4倍,是华南碳质页岩的15倍;MnO(或Mn)含量与中国东部泥质岩相当,但高于华南碳质页岩;TiO2(或Ti)含量与中国东部泥质岩或华南碳质页岩相差均不大;P2O5含量为0.135%～0.154%,平均为0.140%,略高于中国东部泥质岩,但明显低于华南碳质页岩(1.720%);烧失量平均为3.98%,也大大低于华南碳质页岩(15.66%)。

表1 鹿井地区斑点板岩主量元素含量

研究区斑点板岩的主量元素含量变化范围较小(图4),各样品化学组分较均一,该板岩经历了明显的变质作用和重结晶作用,化学成分趋于均匀化。与中国东部泥质岩对比,CaO和Fe2O3含量较低,FeO含量偏高,其他组分或与之相当,或略有偏高。与华南碳质页岩相比,SiO2、Al2O3、K2O、FeO、MnO含量偏高,CaO、P2O5、Fe2O3含量和烧失量明显较低,MgO、Na2O、TiO2含量与之大致相当。CaO、P2O5含量和烧失量的降低,反映了热接触变质结晶作用过程,也是岩石中的H2O、CO2、有机成分等逐渐变化或迁出的过程。

4 微量元素地球化学特征

本次斑点板岩检测的微量元素包括铁族微量元素、放射性元素、分散元素、稀有元素、钨钼族元素、亲铜成矿元素和稀土元素。

4.1 铁族及放射性元素

4.1.1 铁族元素

斑点板岩Co含量为16.5×10-6～18.5×10-6,平均为17.6×10-6,与中国东部泥质岩及华南碳质页岩含量相近。Cr含量为151×10-6～171×10-6,平均为163×10-6,比中国东部泥质岩和华南碳质页岩含量均高。Ni含量为42.9×10-6～46.9×10-6,平均为45×10-6,V含量为109×10-6～129×10-6,平均为118×10-6,与中国东部泥质岩相近,但大大低于华南碳质页岩含量。

鹿井地区斑点板岩铁族元素,与中国东部泥质岩、华南碳质页岩相比,Fe2O3、Ni、V含量较低,MnO、Cr含量较高, TiO2、Co含量大致相当。反映研究区下寒武统在热接触变质结晶作用过程中,Ni、V趋于贫化,Mn、Cr趋于富集,Ti、Co受热接触变质作用影响较小。

4.1.2 放射性元素

本次仅对斑点板岩的Th、U放射性元素进行了检测(表2)。斑点板岩Th含量为18.2×10-6～25.1×10-6,平均为21.7×10-6,均高于中国东部泥质岩和华南碳质页岩含量;U含量为4.92×10-6～21.9×10-6,平均为8.12×10-6,略高于中国东部泥质岩,但明显低于华南碳质页岩含量(75.57×10-6)。Th是较惰性元素,U是较活泼元素,Th在热接触变质作用过程中可能保持或基本保持恒定,U在热接触变质过程中可被活化迁移,并与Th发生分离。鹿井地区斑点板岩的Th/U值为0.83～4.71,平均为2.67,略低于中国东部泥质岩Th/U值(4.52),但明显高于华南碳质页岩Th/U值(0.15)。

表2 鹿井地区斑点板岩部分铁族元素及放射性含量

鹿井地区印支-燕山期花岗岩U含量为2.65×10-6～115.00×10-6,Th/U值为0.13～2.46,平均为1.20,富含晶质铀矿,自变质作用强烈,可提供丰富的铀成矿物质来源(章邦桐,1994)。而鹿井地区寒武系浅变质由于经历过区域变质作用和热接触变质作用,铀已经发生过活化迁移,热接触变质之后的斑点板岩U含量明显低于华南碳质页岩,Th/U值增大,再一次作为中新生代铀源岩的可能性大大降低。

4.2 分散元素

本次对鹿井地区斑点板岩的钡(Ba)、锶(Sr)、镉(Cd)、镓(Ga)、铊(Tl)、铼(Re)、硒(Sc)共7种分散元素进行了检测(表3)。

表3 鹿井地区斑点板岩分散元素含量

斑点板岩Ba含量为438×10-6～491×10-6,平均为466×10-6,明显低于华南碳质页岩(2 284.6×10-6),也低于中国东部泥质岩(590×10-6);Sr含量为23.3×10-6～41.7×10-6,平均为31.6×10-6,均低于中国东部泥质岩或华南碳质页岩;Cd含量为0.033×10-6～0.356×10-6,平均为0.101×10-6,与中国东部泥质岩相当,但明显低于华南碳质页岩;Ga含量为22.1×10-6～26.7×10-6,平均为24.4×10-6,与中国东部泥质岩和华南碳质页岩相差均不大;Tl含量为1.03×10-6～1.65×10-6,平均为1.27×10-6,高于中国东部泥质岩的值,但低于华南碳质页岩(11.02×10-6);Re含量为0.000 02×10-6～0.003 00×10-6,平均为0.001 57×10-6,明显低于中国东部泥质岩;Se含量为0.084×10-6～0.216×10-6,平均为0.136×10-6,与中国东部泥质岩的Se丰度相当。

鹿井地区斑点板岩中大部分分散元素(如Ba、Sr、Cd、Re等)含量较低,明显低于中国东部泥质岩或华南碳质页岩的含量,反映这些分散元素在热接触变质结晶过程中,趋于贫化,但Ga受其影响较小,是热接触变质结晶过程中的惰性元素。

4.3 稀有元素

稀有元素指在自然界中含量稀少或分布稀散,或提炼困难、应用较少的一类元素的总称。本次对斑点板岩的锂(Li)、铍(Be)、铷(Rb)、铯(Cs)、铌(Nb)、钽(Ta)、锆(Zr)、铪(Hf)、钪(Sc)共9种稀有元素进行了检测(表4)。

表4 鹿井地区斑点板岩稀有元素含量

斑点板岩Li含量为85.4×10-6～98.7×10-6,平均为91.7×10-6,Rb含量为241×10-6～325×10-6,平均为285×10-6,均高于中国东部泥质岩或华南碳质页岩;Be含量为3.03×10-6～6.12×10-6,平均为3.93×10-6,Cs含量为13.0×10-6～18.8×10-6,平均为15.4×10-6,Nb含量为9.6×10-6～20.5×10-6,平均为18.0×10-6,Sc含量为14.4×10-6～17.3×10-6,平均为16.4×10-6,它们相近或略高于中国东部泥质岩或华南碳质页岩的Be、Cs、Nb、Sc含量。Ta含量为0.14×10-6～0.70×10-6,平均为0.43×10-6,Zr含量为66.7×10-6～84.4×10-6,平均为75.4×10-6,Hf含量为2.03×10-6～2.37×10-6,平均为2.13×10-6,均低于中国东部泥质岩或华南碳质页岩Ta、Zr、Hf含量。

鹿井地区斑点板岩中稀有元素与中国东部泥质岩或华南碳质页岩相比,Li、Rb相对富集,Sc、Be、Cs、Nb略富集,Ta、Zr、Hf则呈降低趋势(图5),反映本区的热接触变质结晶作用,可使多数稀有元素如Li、Rb、Be、Cs、Nb、Sc等得到不同程度的富集,而只有少部分稀有元素如Ta、Zr、Hf等趋于贫化。

图5 鹿井地区斑点板岩稀有元素富集或贫化趋势图

4.4 钨钼族及亲铜成矿元素

4.4.1 钨钼族元素

本次对鹿井地区斑点板岩的钨(W)、钼(Mo)、铋(Bi)共3个钨钼族元素进行了检测(表5)。其中W含量为2.93×10-6～6.19×10-6,平均为4.5×10-6,高于中国东部泥质岩和华南碳质页岩的含量,热接触变质作用可能有利于W的富集。Bi含量为0.35×10-6～0.95×10-6,平均为0.57×10-6,与中国东部泥质岩和华南碳质页岩相差不大;Mo含量为0.261×10-6～1.265×10-6,平均含量仅为0.520×10-6,虽然与中国东部泥质岩相近,但远低于华南碳质页岩的含量(620.280×10-6)。Mo是一种变价元素,热接触变质过程可促使大量Mo的活化迁移,因而本区斑点板岩原岩的Mo含量可能较高。

表5 鹿井地区斑点板岩钨钼族及亲铜元素含量

4.4.2 亲铜成矿元素

鹿井地区斑点板岩铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、金(Au)、银(Ag)、锑(Sb)共6种亲铜成矿元素检测结果见表5。其中Cu、Pb、Zn、Sb含量与中国东部泥质岩相近,但远低于华南碳质页岩中的含量,而Au、Ag含量明显高于中国东部泥质岩。这种亲铜成矿元素的含量特征既不同于中国东部泥质岩,也不同于华南碳质页岩,可能与斑点板岩原岩的亲铜元素含量有关,也可能与斑点板岩遭受较强烈的热接触变质结晶作用有关。

4.5 稀土元素

鹿井地区斑点板岩稀土元素及有关参数见表6和表7。

表6 鹿井地区斑点板岩稀土元素含量

表7 鹿井地区斑点板岩稀土元素相关参数

鹿井地区斑点板岩及中国东部泥质岩、华南碳质页岩的稀土配分模式较相似,呈较平缓的锯齿状曲线(图6),但也存在一些微小差异。鹿井地区斑点板岩稀土总量为260.66×10-6～287.22×10-6,平均为273.49×10-6,高于华南碳质页岩(169.25×10-6);斑点板岩LREE/HREE值为8.73～9.82,平均为9.22,高于华南碳质页岩(6.95),而与中国东部泥质岩相近;斑点板岩δEu值为0.85～1.04,平均为0.95,与中国东部泥质岩接近,即负Eu异常不明显,而与华南碳质页岩(0.59)相差明显。可见,鹿井斑点板岩的稀土组成与中国东部泥质岩较相似,而与华南碳质页岩有一定差异,(La/Yb)N、(La/Lu)N、(Ce/Yb)N等参数也说明了这一情况。

图6 鹿井地区斑点板岩及中国东部泥质岩和华南碳质页岩稀土配分模式

Eu是稀土元素中的变价元素,Eu3+在强还原和偏碱性条件下可还原为Eu2+。在正常海水中,Eu只能以Eu3+存在,因此正常海水沉积物一般无明显的Eu异常,或具有微弱的Eu负异常。华南碳质页岩具有较明显的负Eu异常,原因可能是在海相沉积过程中,有较多的强还原剂(有机质等)的参与。中国东部泥质岩δEu值为0.92,可认为是正常的海水沉积物。鹿井斑点板岩δEu值为0.67,是因为斑点板岩已遭受了明显的热接触变质作用,原岩的稀土组成可能已发生了变化。

Ce也是变价元素,具有环境示踪意义。鹿井斑点板岩δCe值为0.88～0.95,平均为0.91,显示较明显的Ce负异常,与中国东部泥质岩和华南碳质页岩均相似,但更接近于华南碳质页岩。

5 原岩形成环境探讨

镜下观察到鹿井地区斑点板岩,矿物主要由绢云母、绿泥石和石英组成,具有泥质原岩绿片岩相变质的典型矿物组合特征。虽然热接触变质作用使岩石中的微量元素组分发生较大变化,但主量化学组分及一些微量元素的比值对斑点板岩原岩形成的沉积环境、构造背景研究仍具有示踪意义。

在变质作用过程中,除了深变质和较高温变质条件下出现的超变质作用和某些类型的交代改造作用外,基本能保持原岩的化学组分特点。也就是说,多数情况下变质岩都是原岩在相对封闭条件下经受变质作用的产物,岩石的主要成分(如SiO2、Al2O3等)变化基本上是等化学的(邱家骧等,1991)。

Taylor等(1995)认为,SiO2/Al2O3值可用以判断物源的来源类型。陆壳中SiO2/Al2O3值为3.60,沉积岩中SiO2/Al2O3值接近3.60,指示物源以陆源沉积岩为主,此值越大则表示受生物或热水作用影响较大。鹿井地区斑点板岩SiO2/Al2O3值为3.40～3.88,平均为3.73,超过了3.60(表8),指示物源以陆源沉积为主,但有残余生物作用的遗迹。华南碳质页岩SiO2/Al2O3值为4.67,指示着有生物作用的参与。

表8 鹿井地区斑点板岩地球化学参数

Roser等(1986)提出了SiO2-(K2O/Na2O)构造背景判别图解用以判别沉积物源区的大地构造背景。研究区斑点板岩样品大部分落入被动大陆边缘区(图7),表明斑点板岩原岩的形成构造背景为被动大陆边缘。

图7 鹿井地区斑点板岩SiO2-(K2O/Na2O)图解

高场强元素(如Th、Sc、Ti、Nb、Zr等)在热接触变质作用过程中的影响较小,一般保留了变质原岩母岩的原始信息,可用于原岩沉积盆地构造环境的判别(Mclennan, 1989)。Peppard等 (2018)认为,被动陆缘泥质岩沉积物的物源来自古老的、分异的上地壳,沉积物具有高的Th/Sc值。相反,泥质岩的Th/Sc值小于1,代表均一的或很少分异的区(Taylor et al.,1995;Savoy et al., 2000),其比值越小越具有铁镁质岩石的特征。鹿井地区斑点板岩Th/Sc值为1.16～1.47,均值为1.23,具有被动陆缘沉积物源区的特征。华南碳质页岩Th/Sc值为1.21,也指示为被动陆缘沉积物源区。

Mclennan 等(1991)提出被动陆缘沉积物和岩浆弧沉积物(包括岛弧、大陆边缘弧)的Th/Sc值、Zr/Sc值有不同的演化趋势。岛弧环境下沉积的砂岩和泥岩投点与火成岩演化的趋势线一致,被动陆缘的沉积物投点与岛弧环境下沉积物投点的趋势线相交,具有Th/Sc值较大,Zr/Sc值变化范围较大的特点。在Th/Sc-Zr/Sc 判别图中(图8),研究区斑点板岩投点与被动大陆边缘泥质岩趋势线一致,Th/Sc值较大,反映陆内较稳定的构造环境。

图8 Zr/Sc-Th/Sc判别图解(刘文等,2016)

研究区下寒武统在热接触变质结晶作用过程中,Ni、V趋于贫化,但二者相关性仍较明显(图9),相关系数为0.62,岩石中的V/(Ni+V)值在判别沉积环境方面具有与泥质原岩相同的参考作用。Wingnall(1994)提出利用V/(Ni+V)值可表征沉积环境的氧化-还原性,当V/(Ni+V)值小于0.46时为过氧化环境,当V/(Ni+V)值为0.57～0.46时为氧化环境,当V/(Ni+V)值为0.83～0.57时为缺氧还原环境,当V/(Ni+V)值为1.00～0.83时为静海还原环境。鹿井地区斑点板岩V/(Ni+V)值为0.71～0.74,平均值为0.72,指示为缺氧还原环境。即该斑点板岩的原岩与中国东部泥质岩和华南碳质页岩的形成环境相似(张玉玺,2019),均为缺氧的还原沉积环境。

图9 鹿井斑点板岩V和Ni散点图

稀土元素地球化学特征可以作为研究页岩沉积环境和富集机制的有效方法,沉积体系中的Ce 异常可以反映水体氧化还原条件的变化,Ce异常值大于-0.1时,反映水体为还原环境,小于-0.1时,反映水体为氧化环境(李双建等,2008)。通过计算,斑点板岩样品的Ce 异常值均大于-0.1,反映研究区斑点板岩原岩的沉积环境为还原容量较大的边缘海沉积盆地,这与V/(Ni+V)值判别的结果一致。

6 结论

(1)研究区斑点板岩重结晶作用明显,岩石几乎由新生矿物绢云母、绿泥石、石英等组成,斑点板岩的原岩属泥质类岩石。

(2)斑点板岩样品的化学成分变化范围较小。与中国东部泥质岩和华南碳质页岩相比,CaO、P2O5和烧失量较低,其他主量或微量组分也有一些变化,反映了热接触变质结晶作用过程,也是岩石中的H2O、CO2、有机成分及其他活动性较强元素包括成矿元素逐渐变化或迁出的过程。

(3)斑点板岩铀含量平均为8.12×10-6,略高于中国东部泥质岩,明显低于华南碳质页岩;Th/U值平均为2.67,略低于中国东部泥质岩,明显高于华南碳质页岩(0.15)。该斑点板岩由于经历过印支燕山期的热接触变质作用,铀已经发生过活化迁移,热接触变质之后的斑点板岩作为中新生代铀源的可能性大大降低。斑点板岩仅是鹿井地区铀矿体围岩而已。

(4)斑点板岩部分主量元素、高场强元素,或其比值对判别原岩形成环境有示踪意义。SiO2/Al2O3、Th/Sc 值以及SiO2-(K2O/Na2O)和Th/Sc-Zr/Sc图解指示鹿井斑点板岩原岩具有被动陆缘沉积物源区的特征,形成的构造环境较稳定。V/(Ni+V)值及Ce负异常指示原岩的沉积环境为还原容量较大的边缘海沉积盆地。