综述：坦桑尼亚维多利亚湖金矿区中的放射性热生成：对热液循环和矿产勘探的影响

《Journal of African Earth Sciences》：Radiogenic Heat Generation in Lake Victoria Goldfields, Tanzania: Implications for Hydrothermal Fluid Circulation and Mineral Exploration

　　

摘要

地壳岩石中的放射性热生成是控制地热梯度、热液流体循环和矿物化过程的基本因素。本研究利用汇编的地球化学数据集（共163个样本），定量分析了坦桑尼亚维多利亚湖金矿区（LVG）的放射性热生成情况，并运用热-流体-金元素传输耦合模型评估了其矿产成因意义。放射性热生成量（A）的范围为0.05至8.86 μW/m3，其中高K含量花岗岩、变质流纹岩和晚构造期花岗岩的热生成量最高，而变玄武岩和基性火山岩的热生成量最低。通过对坦桑尼亚克拉通上覆35公里范围内的数据整合分析，得出当前该地区的放射性热生成功率约为15.25 GW，相应的地表热流分别为：花岗岩地貌区约为50 mW/m2，非花岗岩地貌区约为27.5 mW/m2。在太古代（约27亿年前），放射性热生成量约为现在的2.7至3倍，产生的热功率分别为约42.12 GW和约9.29 GW。这些较高的热通量导致了地热梯度为约56°C/km和约31°C/km，为金银元素在250–450°C的最佳温度范围内传输提供了条件。热能计算表明，花岗岩地貌区的热液流体循环能力约为3.34 × 10? kg/s，非花岗岩地貌区约为7.37 × 103 kg/s。在假设金溶解度为1 ppm和沉淀效率为1%的情况下，这些系统在1百万年的成矿周期内可能生成200万至1000万吨黄金。这些结果证实，放射性热生成是驱动热液循环和金矿形成的主要热源，因此A成为太古代克拉通地区勘探工作中的关键预测参数。

引言

根据地球内部现今热流的估计值（Dye, 2012），其范围在43至49太瓦之间。地球化学和地球物理学证据进一步表明，大约46%的总热量产生于地壳和上地幔（Arevalo Jr. et al., 2009）。火成侵入体（尤其是花岗岩）是太古代克拉通的重要组成部分，对地壳热状态有显著影响。产生热量的元素（HPEs），主要是铀（U）、钍（Th）和钾（K??）通过放射性衰变产生热量，并显著影响地热梯度、变质作用和热液流体循环。这些元素在岩石中的富集（如花岗岩、火山岩和凝灰岩）会导致局部热异常，从而在地质时间尺度上维持热液系统的存在。维多利亚湖金矿区的超地体构造（Kabete et al., 2012）对金矿资源的分布具有控制作用。超地体边界充当了长期存在的深部剪切通道，局部化了流体流动和矿物化作用，使其成为坦桑尼亚克拉通区域范围内金矿勘探的一级预测指标（图1）。

坦桑尼亚西北部的维多利亚湖金矿区（LVG）是东非最重要的金矿区之一，拥有Buckreef、Buzwagi、Geita、Bulyanhulu、Golden Pride和North Mara等主要金矿床。该地区的金矿化现象通常与太古代绿岩带中的主要剪切带相关。金元素富集/迁移与花岗岩侵入体及其相关热生成之间的间接联系并不罕见。尽管在结构控制、岩石成因和地质年代学方面进行了大量研究，但放射性热生成对热液流体生成和矿物化的具体贡献尚未得到系统量化。

本研究旨在：

• 1.
  收集LVG所有主要岩类型的已发表的铀（U）、钍（Th）和钾（K）地球化学数据。
• 2.
  使用标准化和单位一致的方法计算放射性热生成量。
• 3.
  探讨其对热液流体循环和金矿化的作用。
• 4.
  讨论勘探意义并勾勒未来研究方向。

部分摘录

地质背景

维多利亚湖金矿区从坦桑尼亚中部（图2）向北延伸至肯尼亚西南部和乌干达东南部（Borg and Shackleton, 1997）。该区域由新太古代绿岩带（Nyanzian和KavirondianSupergroups）构成，其中夹杂着多代花岗岩侵入体，包括中性岩-英云闪长岩-花岗闪长岩套（TTG）、正长岩、花岗闪长岩和晚构造期高K含量花岗岩。多代花岗岩侵入体通常与主要剪切带和含金石英脉相关联。

数据来源

尽管在LVG范围内进行了大量的地质、地球化学和结构学研究，但定量测量放射性热生成元素（U、Th和K）的空间覆盖范围仍然不均匀。特别是铀（U，ppm）、钍（Th，ppm）和钾（K，wt%）浓度的系统报告较少且分布零散，限制了对该地区放射性热生成量的全面评估。不过，已识别出包含这些参数的公开数据集，涉及五个主要区域。

结果

放射性热生成量的范围为0.05至8.86 μW/m3（表1）。辉长岩基岩的热生成量最低（约0.05 μW/m3），这反映了它们较低的铀、钍和钾含量。正长岩和正长闪长岩的热生成量也通常低于1 μW/m3。晚构造期高K含量花岗岩的热生成量最高（可达8.86 μW/m3）。流纹岩由于铀、钍和钾的富集，其热生成量也较高。

讨论

大陆地壳的成分变化范围较小，平均含二氧化硅量约为60-65 wt%。其上层以长英质花岗岩为主，这与洋壳不同。钻孔数据、基底露头研究和高分辨率地震调查，以及实验室地震速度测量结果表明，花岗岩层通常厚度为10–20公里（Christensen and Mooney, 1995; Artemieva and Thybo, 2013; Cherepanova et al., 2013），并对地热过程有重要贡献。

数值模拟热-流体关系

地球内部热量来源于两部分：古老行星吸积产生的余热（20%）和铀、钍、钾的放射性衰变产生的热量（80%（Arndt, 2011）。根据地表热流估计（表6），以花岗岩为主的地貌区热流约为50 mW/m2（0.05 W/m2），而非花岗岩地貌区热流约为27.5 mW/m2（0.0275 W/m2）。然而，这些数值仅代表放射性热成分（80%）。因此，总地表热流为...

LVG形成期间的金元素传输能力

造山作用形成的金矿床（OGD）中的含金流体通常在中地壳层变质过程中形成，形成范围从绿岩相到角闪岩相（Phillips and Powell, 2010; Jiang et al., 2023）。亚地壳流体也对OGD的形成起到一定作用（Jiang et al., 2009; Deng et al., 2020）。在所有情况下，热量都起着关键作用（Goswami et al., 2023）。这些流体具有低盐度（<10 wt.% NaCl当量）和富含二氧化碳的特点（Ridley and Diamond, 2000; Chen et al., 2007）。

LVG中的金沉积效率

自然系统中无法将传输的所有金元素完全沉淀。实际上，从热液流体中沉淀金元素的效率通常很低，估计沉淀率低于5%（Chiaradia, 2020）。然而，在特定有利地质条件下（如压力变化或与富含硫/硅的环境相互作用），可以触发局部高效沉淀，使金元素富集形成了可开发的矿床。

未来工作与展望

未来的研究应采用综合多学科方法，深入理解维多利亚湖金矿区（LVG）及更广泛的坦桑尼亚克拉通地区放射性热生成（A）及其矿产成因意义。首先，对花岗岩、TTG侵入体及相关上地壳岩石进行系统性和空间代表性的采样至关重要。高分辨率的铀（U，ppm）、钍（Th，ppm）和钾（K，%）地球化学分析将有助于精确估算热生成量。

结论

本研究定量证明，坦桑尼亚维多利亚湖金矿区（LVG）的放射性热生成是控制太古代地壳中热液流体循环和金矿化的关键能量来源。基于实测铀、钍和钾浓度的计算表明，花岗岩地貌区的平均热生成量约为2.0 μW/m3，而非花岗岩绿岩和上地壳区域的熱生成量较低。

未引用参考文献

Boniface and Mruma, 2012 Jaupart and Mareschal, 2003 Manya and Maboko, 2008a Manya and Maboko, 2008b Manya, 2008 Manya, 2012 Manya, 2016 Messo et al., 2012 Mining Technology, 2024a Geo数据库, 2016 Mining Technology, 2024b Raybach, 1976

利益冲突声明

笔者声明他们没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

致谢

非常感谢期刊编辑和审稿人的建设性建议和鼓励。同时感谢Pritam Ghosh博士、Manash Phukan、Animesh Mondal、Prayas Dutta和Souvik Kuiri在数据整理和技术讨论中的帮助。也感谢Sakariya集团的所有同事，包括技术总监。