華南諸廣山中部鹿井鈾礦田構造活化數值模擬

劉傳東, 李增華*, 郭春影, 鄧 騰, 郭福生, 許德如, 韋曉艷, 鄒永強, 郭世超

華南諸廣山中部鹿井鈾礦田構造活化數值模擬

劉傳東1, 2, 李增華1, 2*, 郭春影3, 鄧 騰1, 2, 郭福生1, 2, 許德如1, 2, 韋曉艷1, 2, 鄒永強1, 2, 郭世超2

(1. 東華理工大學, 核資源與環境國家重點實驗室, 江西 南昌 330013; 2. 東華理工大學 地球科學學院, 江西 南昌 330013; 3. 核工業北京地質研究院, 北京 100029)

桃山?諸廣山成礦帶作為華南重要的花崗巖型鈾礦資源產區, 構造活化對于帶內熱液鈾礦的賦存空間起到了重要的控制作用。鹿井鈾礦田位于桃山?諸廣成礦帶中部, 受NE向斷裂的控制, 礦體主要產于印支期花崗巖(牛尾嶺、黃蜂嶺、高昔以及羊角腦礦床)和寒武紀地層(鹿井鈾礦床西部)內。前人研究表明鹿井鈾礦田內存在多期次構造活化的形跡, 但對于構造活化如何影響礦體賦存空間進而控制礦床空間分布缺乏細致的研究。本文利用FLAC3D數值模擬軟件, 探究了在不同構造應力背景下, 斷層活化形成的擴容區與已知礦床空間分布的關系。模擬結果表明, 白堊紀?新近紀的拉張構造運動能造成先存斷裂的活化, 進而產生擴容區, 有利于成礦。因此在NW向伸展構造環境下, NE向先存斷裂的活化是控制鹿井鈾礦田內各礦床分布的重要條件。

構造活化; 構造控礦; 數值模擬; 鹿井鈾礦田; 花崗巖型鈾礦

0 引 言

鈾是國民經濟建設和軍工發展的戰略資源礦產, 作為核電的基礎原料, 也是實現碳達峰、碳中和目標的重要發展資源(張金帶等, 2019)。至2030年, 基于核能發電完成“雙碳”目標, 鈾資源需求量高達18800 t(陳軍強等, 2021)。相較于澳大利亞、加拿大、哈薩克斯坦等全球核能礦產資源強國, 中國的鈾資源量(國內已探明儲量)較為匱乏。而且我國相對國外鈾資源投資起步相對較遲, 對應產能也較小, 以當前的鈾資源探明和國外投資發展速度逐漸不能滿足未來的社會發展需要(張金帶等, 2019; 陳軍強等, 2021)。因此, 強化熱液型鈾礦成礦理論、發展和突破勘探技術, 將成為擴充國內鈾礦資源量, 擴展國外鈾資源開發的首要目標。

構造對后生礦床的形成至關重要(Micklethwaite and Cox, 2004; Hayward and Cox, 2017; Chi et al., 2022)。前人研究表明構造活化除有助于流體轉移至發生更大破裂的斷層, 還會影響斷裂附近巖石變形的程度, 如造成局部的巖石擴容(Igonin et al., 2021)。擴容區作為成礦流體匯聚的響應結果, 往往與礦體的空間定位緊密相關(Oliver et al., 1999; Li et al., 2017)。因此, 構造活化、構造擴容與熱液礦體空間定位問題一直被國內外學者所關注(Sibson, 1992; Liu et al., 2011; Li et al., 2020; Chi et al., 2022)。

構造活化對許多世界級鈾礦床的礦體空間定位具有影響。如以不整合面型鈾礦床聞名的加拿大阿薩巴斯卡盆地, 其基底斷裂的活化不僅控制了礦床內/附近斷裂帶中流體的流進和流出, 同時也影響了礦床的賦存位置(Chi et al., 2019; Eldursi et al., 2020)。南澳大利亞Gawler克拉通同樣作為世界級礦產(IOCG型奧林匹克壩礦床)的產出地(Cuney, 2009; Dahlkamp, 2013), 其內部的Roopena構造活化誘使了花崗巖中鈾的再富集, 進而促進了流體萃取花崗巖, 形成的含鈾流體能夠在新世砂巖內沉積成礦(Jaireth et al., 2016; Domnick et al., 2020)。

華南是我國重要的產鈾區之一, 位于華南鈾成礦省中的桃山?諸廣鈾成礦帶是我國最大的花崗巖型鈾礦成礦帶。帶內集中產出了桃山、諸廣山南部、下莊、鹿井等花崗巖型熱液鈾礦田(張萬良等, 2011; 趙如意等, 2020)?；◢弾r型熱液鈾礦的形成不僅受到地殼U元素的預富集、富CO2熱液流體萃取原巖U形成成礦流體以及含U流體富集成礦的共同制約(Hu et al., 2008), 多期次的構造活化對礦體的富集和破壞也具有較大的影響(孫岳等, 2020)。前人研究表明鹿井鈾礦田內存在多期次構造(印支、燕山運動)活化的形跡(孫岳等, 2020), 且礦體主要產于斷裂帶或臨近斷裂帶的沉積巖以及花崗巖中(張萬良等, 2011)。根據礦體的空間產出位置, 礦體可劃分為巖體內帶亞類、巖體外帶亞類以及巖體上覆盆地亞類(李子穎等, 2021)。盡管研究區發生多期斷裂構造活化現象, 但構造活化對礦體空間定位的認識仍然不足。本文通過總結鹿井鈾礦田的地質特征, 采用FLAC3D軟件對鹿井鈾礦田構造活化產生的擴容區進行模擬分析, 以此討論NE向先存斷裂的活化機制, 以及桃山?諸廣成礦帶先存斷裂活化對于鈾礦體形成的意義。

1 區域地質背景

桃山?諸廣成礦帶橫跨湘贛粵三省, 受華夏板塊和揚子板塊接合帶東側的四會?吳川復合斷裂帶控制(Li et al., 2014; Shu et al., 2021)。在桃山?諸廣成礦帶內, 四會?吳川復合斷裂由撫州?遂川、桃山?諸廣、南雄以及鷹潭?寧都?翁源等多條NE向斷裂組成(圖1)(鄧平等, 2003b)。這些斷裂主要形成于晚三疊世(柏道遠等, 2007), 白堊紀經歷了左旋走滑、造山滑脫伸展以及右旋擠壓等多期次的構造活動(鄧平等, 2003b; 柏道遠等, 2005)。在造山作用的擠壓變形和變質作用以及造山后期應力減弱的基礎上(柏道遠等, 2007; Li et al., 2014), 區內發育多期次NW-SE向擠壓或伸展, 形成了多個NE向的伸展盆地(如南雄盆地、吉安盆地等)和大規模的中生代花崗巖和火山巖, 如桃山的黃陂巖體(167 Ma)、羅布里巖體(146 Ma)和大古寨巖體(152 Ma), 以及諸廣的長江巖體(160 Ma)、赤坑巖體(154 Ma)、企嶺巖體(156 Ma)和茶山巖體(157 Ma)(鄧平等, 2012)。

圖1 桃山?諸廣山成礦帶區域地質簡圖(據Zhang et al., 2020修改)

帶內地層可劃分為中元古代變質巖、上古生代寒武紀?奧陶紀淺變質巖以及白堊紀?新近紀的碎屑沉積巖。中元古代變質巖主要為云母片巖、麻粒巖以及大理巖(Zhang et al., 2020); 上古生代寒武紀?奧陶紀高碳、高硅質的板巖和普遍遭受低程度變質作用的砂巖。白堊紀?新近紀碎屑沉積巖組成帶內NE向“川”字斷裂格架中的多個紅層盆地, 如南雄、贛州、吉安、鹿井等盆地, 其中鹿井和南雄盆地主要為不對稱伸展斷陷盆地(Wang and Shu, 2012)。

桃山?諸廣鈾成礦帶內的鈾成礦時代具有多期性, 其中下莊礦田內的仙石鈾礦床角礫狀產出的瀝青鈾礦年齡為125 Ma, 脈狀產出的瀝青鈾礦年齡為81 Ma(鄧平等, 2003a), 長江鈾礦田瀝青鈾礦年齡為118±8 Ma, 87±4 Ma, 68±6 Ma(Zhang et al., 2017)。除下莊礦田(石頭嶺、白水寨等礦床)成礦年齡與富礦圍巖的時差較小外(Zhang et al., 2021), 桃山、鹿井、諸廣南等大部分礦床的形成時間與白堊紀?古近紀的巖石圈伸展時間一致(Hu et al., 2008)。根據鈾礦與花崗巖體產出的位置, 礦體可以分為巖體內帶、巖體外帶以及巖體上覆盆地三個亞類, 但礦體的產出位置主要受斷裂構造本身(斷裂所控制的破裂蝕變巖)以及上覆盆地的斷裂控制(趙如意等, 2020)。目前對后生熱液花崗巖型鈾礦的研究認為, 來自幔源的富CO2巖漿熱液和地表的高氧逸度大氣降水或地層水通過賦鈾圍巖中構造斷裂體系萃取花崗巖中的U, 形成的含U流體通過對流循環在斷裂內或附近的特定位置發生氧化還原反應形成鈾礦體(Hu et al., 2008; Chi et al., 2020)。

2 鹿井鈾礦田地質背景

鹿井鈾礦田位于桃山?諸廣成礦帶中部。礦區內地層主要由白堊紀沉積蓋層、震旦紀?寒武紀變質基底兩大部分組成(圖2b)。震旦系?寒武系淺變質巖作為該區內最古老的巖石, 厚度為5～13 km, 主要分布于礦田的西側和北東側, 由下寒武統香楠組和中寒武統菜園頭組組成。下寒武統香楠組主要為互層的碳質板巖和淺變質砂巖, 而上覆的菜園頭組為互層的淺變質砂巖和板巖(邵飛等, 2010)。白堊紀?古近紀期間, 震旦紀?寒武紀變質基底和印支期花崗巖上不整合了面積約16 km2、厚度大于360 m的豐州盆地(張萬良和潘開明, 2011)。盆地內白堊紀砂礫巖主要由風化破碎的花崗巖碎屑以及淺變質砂巖雜基組成。區內巖漿巖則以印支期黑云母花崗巖為主, 其次為燕山期二長花崗巖(Min et al., 1999; 張萬良等, 2018)。黑云母花崗巖作為鈾礦的主要賦存圍巖, 其全巖鋯石U-Pb SHRIMP年齡為235.4±1.1 Ma(Min et al., 1999; 韓娟等, 2011)。

圖2 鹿井鈾礦田地質簡圖(a)及剖面示意圖(b)(據張萬良等, 2011修改)

區內構造發育廣泛, 主要為NE向斷裂以及NW向褶皺。通過對NE向斷裂帶內宏、微觀構造觀察分析, 前人發現斷裂帶內的構造角礫巖、碎裂巖以及長石、石英均具有機械破碎的特征, 表明淺表NE向斷裂為脆性斷裂(潘春蓉, 2017; 孫岳等, 2020)。該脆性斷裂在礦田內的不同地區都有活化的形跡, 如印支期花崗巖中NE向斷裂帶內的右行壓扭擦痕,沙壩子鈾礦床NE向斷裂帶內多期穿切的石英脈,以及廟背垅鈾礦床NE向斷裂帶內的右行壓扭階步(李先福等, 1999; 孫岳等, 2020)。孫岳等(2020)根據Win_Tensor構造應力反演, 揭示鹿井鈾礦田NE斷裂經歷三期構造活化: 第1期具有擠壓葉理的早期NW向擠壓變形; 第2期形成放射狀石英以及左行擦痕的中期NW向拉張變形; 第3期產生右行壓扭的晚期NWW向擠壓變形。

呈NW-SE向分布的牛尾嶺、鹿井、黃蜂嶺、高昔以及羊角腦等礦床明顯受NE向斷裂控制。牛尾嶺礦床的礦體主要賦存在牛尾嶺QF1斷裂上盤標高480～250 m的印支期花崗巖中, 傾向SE, 傾角約55°; 地表出露的NE向斷裂寬約數十米, 深部NE向斷裂則切穿白堊紀盆地底部的印支期花崗巖(邵飛等, 2010; Xiao et al., 2020)。鹿井礦床NE向QF2-1、QF2-2斷裂縱向延伸較深, 可達2.5 km, 單條斷裂寬約數十米。礦床西部礦體主要賦存于印支期花崗巖, 而東部則主要賦存于震旦系?寒武系的淺變質巖內(邵飛等, 2010; 張萬良等, 2011)。三維地質模型觀測結果顯示, NE向斷裂帶上盤淺變質板巖中的鈾礦體沿西南延伸逐漸向該斷裂靠攏(黃龍, 2018)。黃蜂嶺以及高昔的鈾礦體主要賦存于QF2-3、QF2-4、QF2-5斷裂上盤的印支期花崗巖中, 礦體產狀較陡, 整體呈雁形排列的透鏡狀和團塊狀。石英硅化帶和玉髓膠結角礫巖帶作為羊角腦礦床NE向斷裂的兩種次級斷裂帶, 玉髓膠結角礫巖帶在成礦前、中、后均發現有多期構造活化伴隨的熱液活動, 但目前礦體主要賦存于印支期花崗巖中的石英硅化帶以及玉髓膠結角礫巖帶內(潘春蓉, 2017)。

鹿井鈾礦田瀝青鈾礦的礦體形成于早白堊紀?古近紀(103～87 Ma, 48 Ma; Min et al., 1999; 韓娟等, 2011), 但高峰期集中于100～90 Ma以及60～50 Ma(邵飛等, 2010), 礦化具有多期疊加的特點。在長時間的熱液活動期間, 中低溫(169～236 ℃)、較高壓(15.2～50.7 MPa)的成礦流體與圍巖發生了強烈的水?巖反應(潘春蓉, 2017; 羅森森, 2020; Sun et al., 2021), 形成了一系列與鈾礦關系較為密切的螢石化、赤鐵礦化、黃鐵礦化以及硅化等圍巖蝕變。

3 數值模擬原理和方法

3.1 數值模擬

FLAC3D(fast lagrangian analysis of continua)軟件是一款多孔介質下, 單場或多場(應力場、流體場、熱力場)耦合變形的三維(二維)數值模擬程序。該軟件用材料物理性質的平均值表示幾何模型所在笛卡爾坐標系中的各節點位置, 并運用有限差分法, 通過應力應變方程、達西定律、熱傳導方程等計算變形、流體流動和熱量變化下非線性、大應變問題(Oliver et al., 2006; 李增華等, 2019)。

流固耦合是FLAC3D軟件中變形和流體模塊的組合。其中變形模塊下摩爾?庫倫本構關系能夠充分描述上地殼的巖石彈性和塑性的變形過程(Hobbs et al., 2000; McLellan et al., 2004)。流體模塊則遵循達西定律, 即流體的流動過程受水頭壓力和滲透率的控制。在摩爾?庫倫本構關系中, 強應變導致孔隙壓力的變化, 與之相應的流體水頭壓力也會發生改變, 而孔隙壓力的變化會造成有效應力的變化, 并反作用于材料變形(Oliver et al., 1999; McLellan et al., 2004)。

FLAC3D 軟件被廣泛用于構造變形和流體運移的模擬, 如Li et al. (2018a)通過數值模擬, 揭示了阿薩巴斯卡盆地Sue鈾礦田潛在的容礦空間主要受到含石墨基底巖石的流變性和變形程度影響; Liu et al. (2011)對青城子金礦床的構造流體模擬顯示, 擠壓構造活動下礦化流體的匯聚受巖性界面間的力學差異控制。華南花崗巖型熱液鈾礦床成礦時間明顯滯后于構造發育與巖漿巖侵位的時間, 且受到巖石圈構造作用的影響強烈, 產生多期構造活化(Hu et al., 2008; 陳柏林等, 2022)。鹿井鈾礦田內花崗巖型鈾礦床形成與提供鈾源的淺變質巖和花崗巖之間存在一定的時差, 鈾礦體的形成受深部和淺部成礦流體運移的耦合影響。因此, 運用FLAC3D中的流固耦合模塊建立含U流體和構造運動數值模擬模型, 以此揭示構造活化作用下, 影響成礦空間(擴容空間)形成的因素。

3.2 模型建立

研究區地質、地球化學和地質物理特征以及鹿井鈾礦田內礦床的分布與NE向斷裂關系密切(李先福等, 1999; 孫岳等, 2020)。為了充分揭示構造活化對礦體賦存空間的制約性, 以切穿NE向斷裂和礦體分布的A-A′地質剖面(圖2b)建立簡化模型。依據A-A′剖面圖中的巖性界限, 模型內共劃分5個單元(4種巖性單元和1種斷裂單元), 巖性單元中包括:代表印支期黑云母花崗巖的“花崗巖1”, 代表燕山期二長花崗巖的“花崗巖2”, 代表震旦紀?寒武紀的含碳板巖和淺變質砂巖的“淺變質巖”, 以及代表白堊紀紅層的“砂礫巖”。模型中各單元的界限參考A-A′剖面中標定的位置, 各斷裂寬度均設定為200 m。根據鹿井礦床的鋯石和磷灰石(U-Th)/He熱力年代, 反演鹿井礦床晚白堊世至今剝蝕深度約為5 km(Sun et al., 2021), 為盡可能突出構造變形對礦體賦存空間的影響, 結合A-A′剖面圖(圖3), 僅展示深度為5.0～6.2 km的部分。因此, 簡化模型長12 km、高1.2 km。

圖3 鹿井鈾礦田A-A′剖面地質簡化模型

3.3 巖石參數

本研究基于摩爾?庫倫本構模型, 需要通過內聚力、體積模量、剪切模量、內聚力等物理特征描述巖石和斷裂的基本性質。依據鹿井含鈾花崗巖溶浸研究中實測的物理性質(李建紅等, 2001), 同時結合研究區內黑云母花崗巖、二長花崗巖、淺變質巖、砂礫巖以及斷層的巖性、結構、構造以及物理化學性質, 在總結前人模擬研究歸納的力學特征(Zhou et al., 2008; Ju and Yang, 2011; Zhu et al., 2014; Li et al., 2018a)基礎上, 選取各巖石的力學參數, 詳細見表1?？傮w而言, 斷裂作為礦體空間定位的重要影響因素, 相較于花崗巖(黑云母花崗巖和二長花崗巖)、淺變質巖以及砂礫巖, 其物理特征中的滲透率、孔隙度和剪脹角最高, 體積模量、剪切模量、內聚力、抗張強度以及摩擦角均最弱。

表1 數值模擬巖石力學和流體參數

3.4 初始條件與邊界條件

初始條件和邊界條件作為控制數值模擬結果的關鍵因素, 需要對成礦前期的各項條件進行綜合分析。依據前人對鹿井鈾礦田內各礦床的流體包裹體研究和熱力史模擬, 成礦期的流體溫度約200 ℃(Min et al., 1999; Sun et al., 2021), 推測的成礦深度約為 5 km (Sun et al., 2021)。因此, 模型初始條件設定如下:

(1) 巖石滲透系數和流體相關參數設定: 根據FLAC3D數值模擬流體相關參數的要求, 需要計算巖石相應滲透系數, 即固有滲透率和流體黏度之比。參考前人數值模擬研究的流體參數, 將200 ℃下的流體動黏度設定為10?4Pa·s(李先福等, 1999)。流體密度僅考慮溫度的影響, 并根據公式:=f(1?(?f))進行設定, 式中f為參照溫度20 ℃,f為參照密度1000 kg/m3,為流體體脹系數1.29×10?3/℃(劉向沖, 2020)。巖石為完全飽和狀態, 孔隙壓力為靜水壓力體系。

(2) 模型邊界設定: 模型底部邊界僅可在水平方向產生位移(圖4), 上部、左部以及右部邊界均可在水平和垂直方向產生位移。

圖4 模型初始條件和邊界條件設定示意圖

(3) 模型初始地應力平衡: 在施加構造應力前, 模型的初始地應力場僅由自重應力提供。由于模型并不包括上覆5 km的地層, 需要對模型頂界面施加5 km厚的巖石垂向壓力(圖4)。根據巖體自重應力計算公式:ini=r,r為上覆圍巖的平均密度,為該點與水平面的高差, 可得ini為1.2×108N(圖4)。地應力平衡后, 在模擬構造活化前, 移除地應力平衡過程中模型產生的體積應變增量、邊界加載速度和節點位移, 恢復模型的未變形狀態。

(4) 在模擬擠壓或伸展構造活化條件前, 本研究設置了多組擠壓或拉張的邊界加載速度(ini)實驗: 以10?8m/s、10?9m/s、10?10m/s以及10?11m/s拉張或擠壓的邊界加載速度進行模擬。通過模型邊界的邊界加載速度的約束, 在模型左右邊界, 分別施加相同的擠壓或拉張的邊界加載速度, 討論構造環境的影響。

(5) 模型運行過程時, 為了避免變形程度過大導致的模型某一單元破壞或變形計算過多導致的計算無法收斂中止等問題, 本次數值模擬中所有的模型均被拉張或壓縮至模型總寬度的0.5%。

4 模型結果

4.1 不同邊界加載速度體積應變模擬結果

不同邊界加載速度的拉張體積應變分布結果見圖5。盡管在邊界加載速度為10?8m/s和10?9m/s的拉張條件下, 達到0.5%體積應變狀態累計時間不同, 分別為8674年和8968年; 但其體積應變分布較為相似, 主要沿模型的左右邊界垂直分布(圖5a、b)。而在邊界加載速度為10?10m/s和10?11m/s的拉張條件下, 達到0.5%體積應變狀態累計時間差異較大, 分別為11910年和41332年; 模型體積應變分布的狀態有很大不同, 其體積應變主要位于斷裂以及斷裂附近(圖5c、d)。但兩個模型同時也存在差異, 如邊界加載速度為10?11m/s拉張條件下并未在QF5斷裂內產生體積應變, 而在其他斷裂附近產生體積應變的增強。

圖5 不同邊界加載速度下模型在拉伸0.5%體積應變時的模擬結果

4.2 不同應力方向體積應變模擬結果

邊界加載速度為10?10m/s數值模擬結果顯示: 擠壓條件下, 達到0.5%體積應變狀態累計時間為10693年; 模型的體積應變主要出現在各斷層尖端, 最大體積應變主要出現在QF1斷裂和QF2-3斷裂上盤的花崗巖2以及QF2-1斷裂和QF2-2斷裂底部尖端(圖6a)。在拉張條件下, 達到0.5%體積應變狀態累計時間為11910年; 模型的體積應變分布較為復雜(圖6b),總體分布在斷裂內部及斷裂上或下盤的巖石中, 最大體積應變位于QF5斷裂與上覆砂礫巖的接觸界面。盡管QF1斷裂、QF2-1斷裂至QF2-5斷裂上、下盤巖石中出現不同形狀、大小的體積應變, 體積應變的分布與已發現礦體位置對應較好。

5 討 論

構造活化與構造存在緊密的聯系。先存構造作為巖石中的薄弱位置, 在活化過程中能夠優先產生形變(Sibson, 1992)。該形變可促使先存構造活化成為成礦流體運移的導礦構造、儲礦構造或復合的導儲構造。當構造作用強烈至先存構造附近圍巖也產生擴容區時, 這些擴容空間可以成為流體的通道, 即導礦構造, 而擴容區在形成過程中與圍巖之間出現的流體超壓或流體欠壓也能夠為成礦流體運移提供一定的驅動力(Oliver et al., 2006; Chi et al., 2022)。因此, 擴容區的形成和分布與成礦流體的空間運移和成礦物質的富集存在重要聯系(Zhang et al., 2008; Li et al., 2018b)。

礦體形成是在一定時間內成礦流體匯聚富集, 成礦物質沉淀于儲礦構造內的產物。多數華南花崗巖型熱液鈾礦床/礦體的成礦時間晚于構造作用與巖漿作用, 且在礦體的形成過程中存在幕式構造作用(孫岳等, 2020; 陳柏林等, 2022)。在發育先存構造的條件下, 含鈾成礦流體如何運移并沉積成礦, 需要總結歸納現有的導礦構造以及考慮對于鈾成礦有利的儲礦構造的基礎上(陳柏林等, 2022), 也要對儲礦構造的形成分布進行探究。因此, 通過模擬構造活化后的擴容區的空間分布位置, 在一定程度上, 是判斷礦床/礦體分布空間的重要方法之一。

巖石的變形和斷裂的產生具有一定的時空特征, 受加載速率影響, 巖石力學性質局部會發生改變(Qi et al., 2016), 而巖石的力學性質改變也會進一步影響擴容區的產生。前人通過巖石摩擦仿真實驗, 揭示不同邊界加載速度對于巖石破裂空間演化的關系(Xu et al., 2018)。因此, 可以通過運用數值模擬, 從擴容區產生的角度, 討論邊界加載速度是否對礦田礦床形成產生影響并對此加以約束。本次拉張模型的數值模擬結果顯示, 較短的時間(約0.01 Ma; 邊界加載速度為10?10m/s)可以形成與礦床分布較為一致的擴容區空間。白堊紀?新近紀長期的拉張構造作用過程中, 較慢(≤10?10m/s)的變形速度可以保持成礦擴容區的形成, 為研究區內多期次流體運移提供成礦空間。而較快的變形速度則會造成局部的巖石黏度降低(Qi et al., 2016), 易在模型邊部形成與各礦床的空間分布差異較大的擴容區(圖5a、b)。

應力作為激活構造活化的重要條件, 其方向決定了巖體能否受力再破裂進而產生擴容區。結合前人對鹿井鈾礦田構造期次的解譯以及本次數值模擬結果, 成礦早期與成礦晚期主要發育擠壓構造, 且擠壓環境的擴容區主要分布在斷裂的“尖端”以及燕山期花崗巖內(圖6a)。依據地表的剝蝕情況, 剩余的擴容區位置較深且數量較少。結合當前鈾礦床的空間分布, 不難發現擠壓構造環境不足以支撐鹿井鈾礦田內大規模致礦。與此對比, 拉張環境的擴容區分布與礦體空間位置較為吻合(圖6b), 這也揭示NW向拉張構造環境對鹿井鈾礦田內礦體分布具有重要意義。因此, NW向拉張構造環境是控制鹿井鈾礦田內大規模鈾礦體產生的重要因素。但值得注意的是, 模擬中QF4和QF5斷裂并未產生擴容區, 這可能是由于受斷裂上、下盤的巖性力學差異控制, 當巖石的上、下盤存在力學性質較弱的巖性時, 力學較弱的區域會優先產生擴容(Sibson, 1996; 李增華等, 2019)。

雖然數值模擬針對華南鹿井鈾礦田構造活化對礦床空間分布控制進行了研究, 但忽略了巖石的橫向差異性以及流體在斷裂/擴容區中沉淀對空間愈合的影響。此外對礦田內各礦床較為細致的控制因素(巖性、多條斷裂組合以及斷裂帶內各組分)揭示仍不清晰, 影響后續找礦工作。由于在華南花崗巖鈾礦形成過程中, 成礦流體形成前, 淺部流體和深部流體混合能夠作用的最大深度, 以及對圍巖的影響范圍尚未揭示(Hu et al., 2008; Chi et al., 2020, 2022), 因此后續的工作中需要進一步細化數值模擬的巖石力學參數的設定, 以及鈾礦床形成的流體流動和擴容區的耦合數值模擬研究。

根據鹿井鈾礦田地質特征, 區內存在大范圍的巖漿巖和多個鈾礦床。部分學者也提出了巖漿上涌形成的巖漿房烘烤(Chi et al., 2022)和放射性元素衰變生熱(李建威和李紫金, 2000)對成礦流體運移產生的熱作用; 也有部分學者認為巖漿冷卻形成的熱場對流體的熱驅動作用時間較短、規模較小, 巖漿熱場所驅動的成礦流體運移不能支撐成礦事件(張旗等, 2014; 劉向沖, 2020)。因此, 在以后的研究中, 還需要對花崗巖型鈾礦床的熱作用進行探究。

6 結 論

本文采用數值模擬方法研究了桃山?諸廣成礦帶內鹿井鈾礦田構造化對花崗巖型鈾礦形成的控制作用, 得到以下認識:

NE向斷裂是鹿井鈾礦田內礦床分布的主要控制因素; NE斷裂在拉伸構造背景下的活化更容易形成擴容區, 進而提高了巖石的滲透率, 為后期成礦流體的運移和匯聚提供通道和容礦場所, 而不同擴容區的發生位置最終控制了鹿井鈾礦田內鈾礦床的空間分布。

致謝:感謝兩位審稿專家核工業北京地質研究院邱林飛高級工程師和中國地質科學院地質力學研究所劉向沖研究員提出的寶貴建議和修改意見。

柏道遠, 黃建中, 李金冬, 王先輝, 馬鐵球, 張曉陽, 陳必河. 2007. 華南中生代構造演化過程的多地質要素約束——湘東南及湘粵贛邊區中生代地質研究的啟示. 大地構造與成礦學, 31(1): 1–13.

柏道遠, 黃建中, 劉耀榮, 伍光英, 馬鐵球, 王先輝. 2005. 湘東南及湘粵贛邊區中生代地質構造發展框架的厘定. 中國地質, 32(4): 33–46.

陳柏林, 高允, 申景輝, 曾廣乾. 2022. 粵北長江鈾礦田控礦構造解析. 地球科學, 47(1): 159–177.

陳軍強, 曾威, 王佳營, 馬亮, 楊君. 2021. 全球和我國鈾資源供需形勢分析. 華北地質, 44(2): 25–34.

鄧平, 任紀舜, 凌洪飛, 沈渭洲, 孫立強, 朱捌, 譚正中. 2012. 諸廣山南體印支期花崗巖的SHRIMP鋯石U-Pb年齡及其構造意義. 科學通報, 57(6): 881–888.

鄧平, 沈渭洲, 凌洪飛, 葉海敏, 王學成, 濮巍, 譚正中. 2003a. 地幔流體與鈾成礦作用: 以下莊礦田仙石鈾礦床為例. 地球化學, 32(6): 520–528.

鄧平, 舒良樹, 楊明桂, 郭英杰, 余心起. 2003b. 贛江斷裂帶地質特征及其動力學演化. 地質論評, 49(2): 113–122.

韓娟, 王彥斌, 王登紅, 陳鄭輝, 王清利, 侯可軍. 2011. 江西黃蜂嶺鈾礦床花崗巖時代、成因: 鋯石U-Pb年齡和Hf同位素證據. 地質與勘探, 47(2): 284–293.

黃龍. 2018. 湖南省諸廣山巖體中部鈾礦整裝勘查區三維找礦模型創建應用. 資源信息與工程, 33(3): 39–40, 44.

李建紅, 羅毅, 王明太, 孫志富, 周青生. 2001. 鹿井碎裂蝕變花崗巖型鈾礦床溶浸評價研究. 鈾礦地質, 17(3): 168–173, 149.

李建威, 李紫金, 傅昭仁, 李先福. 2000. 遂川?熱水走滑斷裂帶熱異常與熱液鈾成礦作用. 地質科技情報, 19(3): 39–43.

李先福, 李建威, 傅昭仁. 1999. 湘贛邊鹿井礦田與走滑斷層有關的鈾礦化作用. 地球科學, 24(5): 476–479.

李增華, 池國祥, 鄧騰, 許德如. 2019. 活化斷層對加拿大阿薩巴斯卡盆地不整合型鈾礦的控制. 大地構造與成礦學, 43(3): 518–527.

李子穎, 秦明寬, 范洪海, 蔡煜琦, 程紀星, 郭冬發, 葉發旺, 范光, 劉曉陽. 2021. 我國鈾礦地質科技近十年的主要進展. 礦物巖石地球化學通報, 40(4): 845– 857.

劉向沖. 2020. 遼東三股流巖體是否為五龍金礦成礦提供必要的能量? 地球科學, 45(11): 3998–4013.

羅森森. 2020. 湘東南鹿井鈾礦田地球化學特征及成礦機制. 北京: 中國地質大學(北京)碩士學位論文: 9–32.

潘春蓉. 2017. 湖南羊角腦鈾礦床地質特征及成因探討. 昆明: 昆明理工大學碩士學位論文: 8–51.

邵飛, 朱永剛, 郭湖生, 何曉梅, 邵上. 2010. 鹿井礦田鈾成礦地質特征及找礦潛力分析. 鈾礦地質, 26(5): 295– 300.

孫岳, 潘家永, 肖振華, 劉穎, 潘春蓉, 鐘福軍, 賴靜. 2020.諸廣山中部鹿井鈾礦田構造解析與找礦遠景探討. 中國地質, 47(2): 362–374.

楊尚海. 2008. 南嶺成礦帶沙壩子礦床外圍鈾成礦特征與找礦前景. 世界核地質科學, 25(4): 195–202.

張金帶, 李子穎, 蘇學斌, 譚亞輝, 李勝祥, 蘇艷茹, 李建華, 鄧平, 徐樂昌, 潘自強. 2019. 核能礦產資源發展戰略研究. 中國工程科學, 21(1): 113–118.

張旗, 金惟俊, 李承東, 焦守濤. 2014. 巖漿熱場: 它的基本特征及其與地熱場的區別. 巖石學報, 30(2): 341–349.

張萬良, 高夢奇, 呂川, 黃超, 黃迪, 謝智聰. 2018. 湘贛邊境鹿井地區花崗斑巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡及意義. 地質調查與研究, 41(3): 161–166, 175.

張萬良, 何曉梅, 呂川, 韋金文. 2011. 鹿井鈾礦田成礦地質特征及控礦因素. 鈾礦地質, 27(2): 81–87.

張萬良, 潘開明. 2011. 鹿井鈾礦田豐州盆地及其保礦意義. 中國核學會, 2(5): 377–382.

趙如意, 王登紅, 陳毓川, 冷成彪, 秦錦華, 趙晨輝. 2020. 南嶺成礦帶鈾礦地質特征、成礦規律與全位成礦模式. 地質學報, 94(1): 149–160.

Chi G X, Ashton K, Deng T, Xu D, Li Z H, Song H, Liang R, Kennicott J. 2020. Comparison of granite-related uranium deposits in the Beaverlodge district (Canada) and South China–A common control of mineralization by coupled shallow and deep-seated geologic processes in an extensional setting., 117: 4–17.

Chi G X, Eldursi K, Li Z H, Bethune K, Ledru, Quirt D. 2019. Thermal-Hydraulic-Mechanical-Chemical (THMC) Modeling of Fluid Flow and Its Control on Localization of Uranium Deposits in the Northeastern Athabasca Basin, Saskatchewan. Technical Report for the NSERC- CRD and Fiorano Canada (formerly AREVA) Supported Project: 1–107.

Chi G X, Xu D R, Xue C J, Li Z H, Ledru P, Deng T, Wang Y M, Song H. 2022. Hydrodynamic links between shallow and deep mineralization systems and implications for deep mineral exploration.(), 96: 1–25.

Cuney M. 2009. The extreme diversity of uranium deposits., 44(1): 3–9.

Dahlkamp F J. 2013. Uranium ore deposits. Springer Science and Business Media: 29–31.

Domnick U, Cook N J, Ciobanu C L, Wade B P, Liam C, Bluck R. 2020. A mineralisation age for the sediment- hosted blackbush uranium prospect, North-Eastern Eyre Peninsula, South Australia., 10(2): 1–19.

Eldursi K, Chi G X, Bethune K, Li Z H, Ledru P, Quirt D. 2020. New insights from 2- and 3-D numerical modelling on fluid flow mechanisms and geological factors responsiblefor the formation of the world-class Cigar Lake uraniumdeposit, eastern Athabasca Basin, Canada., 56(7): 1365–1388.

Hayward K S, Cox S F. 2017. Melt welding and its role in fault reactivation and localization of fracture damage in seismically active faults.:, 122(12): 9689–9713.

Hobbs B E, Zhang Y H, Ord A, Zhao C B. 2000. Application of coupled deformation, fluid flow, thermal and chemical modelling to predictive mineral exploration., 69(70): 505–509.

Hu R Z, Bi X W, Zhou M F, Peng J T, Su W C, Liu S, Qi H W. 2008. Uranium metallogenesis in South China and its relationship to crustal extension during the Cretaceous to Tertiary., 103(3): 583–598.

Igonin N, Verdon J P, Michael Kendall J, Eaton D W. 2021. Large-scale fracture systems are permeable pathways for fault activation during hydraulic fracturing.:, 126(3): 1–19.

Jaireth S, Roach I C, Bastrakov E, Liu S. 2016. Basin-relateduranium mineral systems in Australia: A review of critical features., 76: 360–394.

Ju M H, Yang J W. 2010. Preliminary numerical simulation of tectonic deformation-driven fluid flow: Implications for ore genesis in the Dachang district, South China., 106(1–3): 133–136.

Li J H, Zhang Y Q, Dong S W, Johnston S T. 2014. Cretaceoustectonic evolution of South China: A preliminary synthesis., 134: 98–136.

Li Z H, Chi G X, Bethune K M, Eldursi K, Quirt D, Ledru P, Gudmundson G. 2018b. Synchronous egress and ingress fluid flow related to compressional reactivation of basement faults: The Phoenix and Gryphon uranium deposits, southeastern Athabasca Basin, Saskatchewan, Canada., 53(2): 277–292.

Li Z H, Chi G X, Bethune K M, Eldursi K, Quirt D, Ledru P, Thomas D. 2020. Interplay between thermal convection and compressional fault reactivation in the formation of unconformity-related uranium deposits., 56(7): 1389–1404.

Li Z H, Chi G X, Bethune K M, Eldursi K, Thomas D, Quirt D, Ledru P. 2018a. Numerical simulation of strain localization and its relationship to formation of the Sue unconformity-related uranium deposits, eastern Athabasca Basin, Canada., 101: 17–31.

Li Z H, Chi G X, Bethune K M, Thomas D, Zaluski G. 2017. Structural controls on fluid flow during compressional reactivation of basement faults: insights from numerical modeling for the formation of unconformity-related uranium deposits in the Athabasca Basin, Canada., 112(2): 451–466.

Liu L M, Wan C L, Zhao C B, Zhao Y L. 2011. Geodynamic constraints on orebody localization in the Anqing orefield, China: Computational modeling and facilitating predictive exploration of deep deposits., 43(1): 249–263.

McLellan J G, Oliver N H S, Schaubs P M. 2004. Fluid flow in extensional environments; numerical modelling with an application to Hamersley iron ores., 26(6–7): 1157–1171.

Micklethwaite S, Cox S F. 2004. Fault-segment rupture, aftershock-zone fluid flow, and mineralization., 32(9): 813.

Min M Z, Luo X Z, Du GS, He B A, Campbell A R. 1999. Mineralogical and geochemical constraints on the genesisof the granite-hosted Huangao uranium deposit, SE China., 14(2): 105–127.

Oliver N H S, Mclellan J G, Hobbs B E, Cleverley J S, Ord A, Feltrin L. 2006. Numerical models of extensional deformation, heat transfer, and fluid flows across basement- cover interfaces during basin-related mineralization., 101(1): 1–31.

Oliver N H S, Pearson P J, Holcombe R J, Ord A. 1999. Mary Kathleen metamorphic-hydrothermal uranium-rare- earth element deposit: Ore genesis and numerical model of coupled deformation and fluid flow., 46(3): 467–484.

Qi C, Wang M, Bai J, Wei X, Wang H. 2016. Investigation into size and strain rate effects on the strength of rock- like materials., 86: 132–140.

Shu L S, Yao J L, Wang B, Faure M, Charvet J, Chen Y. 2021. Neoproterozoic plate tectonic process and Phanerozoic geodynamic evolution of the South China Block., 216, 103596.

Sibson R H. 1992. Seismogenic framework for hydrothermal transport and ore deposition., 14: 25–50.

Sibson R H. 1996. Structural permeability of fluid-driven fault-fracture meshes., 18(8): 1031–1042.

Sun Y, Kohn B P, Boone S C, Wang D S, Wang K X. 2021. Burial and exhumation history of the Lujing uranium ore field, Zhuguangshan Complex, South China: Evidencefrom low-temperature thermochronology., 11(2), 116.

Wang D Z, Shu L S. 2012. Late Mesozoic basin and range tectonics and related magmatism in Southeast China., 3(2): 109–124.

Xiao Z H, Xiong S B, Li C H, Yang Z D, Feng X X, Liu X W. 2020. Types of uranium deposits in central Zhuguang Mountains in Hunan Province, South China and their metallogenic regularity and prospecting directions., 3: 411–424.

Xu S, Fukuyama E, Yamashita F, Mizoguchi K, Takizawa S, Kawakata H. 2018. Strain rate effect on fault slip and rupture evolution: Insight from meter-scale rock friction experiments., 733: 209–231.

Zhang C, Cai Y Q, Dong Q, Xu H. 2020. Cretaceous-Neogene basin control on the formation of uranium deposits in South China: Evidence from geology, mineralization ages, and H-O isotopes., 62(3): 263–310.

Zhang L, Chen Z Y, Wang F Y, White N C, Zhou T F. 2021. Release of uranium from uraninite in granites through alteration: Implications for the source of granite-related uranium ores., 116(5): 1115–1139.

Zhang Y H, Clennell M B, Piane C D, Ahmed S, Sarout J. 2016. Numerical modelling of fault reactivation in carbonate rocks under fluid depletion conditions — 2D generic models with a small isolated fault., 93: 17–28.

Zhang Y H, Schaubs P M, Zhao C, Ord A, Hobbs B E, Barnicoat A C. 2008. Fault-related dilation, permeabilityenhancement, fluid flow and mineral precipitation patterns: Numerical models.,,, 299(1): 239–255.

Zhou Y, Lin G, Yang L Q. 2008. Numerical simulation of rock deformation during the mineralization of the Xiangshanuranium deposit, Jiangxi province, south China., 18(3): 342–346.

Zhu J, Li Z, Lin G, Zeng Q, Zhou Y, Yi J, Gong G, Chen G. 2014. Numerical simulation of mylonitization and structural controls on fluid flow and mineralization of the Hetai gold deposit, west Guangdong, China., 14(2): 221–233.

Numerical Simulation of Structural Reactivation of the Lujing Uranium Orefield in Central Zhuguangshan, South China

LIU Chuandong1, 2, LI Zenghua1, 2*, GUO Chunying3, DENG Teng1, 2, GUO Fusheng1, 2, XU Deru1, 2, WEI Xiaoyan1, 2, ZOU Yongqiang1, 2, GUO Shichao2

(1. State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang 330013, Jiangxi, China; 2. School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, Jiangxi, China; 3. Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China)

The Taoshan-Zhuguangshan metallogenic belt is an important area of granite-type uranium mineralization in South China. Tectonic reactivation played an important role in controlling the distribution of the hydrothermal uranium deposits in the belt. The Lujing orefield is located in the center of the Taoshan-Zhuguangshan metallogenic belt and controlled by the NE-trending faults. The ore bodies are mainly hosted in the Indonesian granites (the Niuweiling, Huangfengling, Gaoxi, and Yangjiaonao deposits) and Cambrian metamorphic rocks (the Lujing uranium deposit in the west). Previous studies have shown evidence of multi-stage tectonic activation, however, there is a lack of detailed research on how tectonic activation affects the occurrence of ore bodies and spatial distribution of the deposits. FLAC3D is used in this paper to explore the relationship between dilation formed by fault reactivation and spatial distribution of the deposits under different tectonic backgrounds. The simulation results show that the extensional tectonic movement from Cretaceous to Neogene may reactivate the pre-existed faults, and produce dilatation zone, which is beneficial to mineralization. The results show that the reactivation of the NE-trending pre-existed faults, under NW-trending extensional tectonic environment, is the major factor controlling the distribution of the deposits in the Lujing uranium orefield.

structural reactivation; structural control; numerical simulation; Lujing uranium orefield; granite-type uranium deposit

2021-11-29;

2022-06-12

國家自然科學基金項目(42172329、41972080)、江西省技術創新引導類計劃項目(20212AEI91008)和中國鈾業有限公司?東華理工 大學核資源與環境國家重點實驗室聯合創新基金項目(NRE2021-08)聯合資助。

劉傳東(1997–), 男, 碩士研究生, 地質資源與地質工程專業。E-mail: 59515268@163.com

李增華(1983–), 男, 教授, 從事鈾礦地質和成礦流體動力學研究。E-mail: lizenghua@ecut.edu.cn

P611.5

A

1001-1552(2023)06-1220-012

10.16539/j.ddgzyckx.2023.06.002