光石沟铀矿床晶质铀矿电子探针化学定年研究

郭国林， 张展适， 刘晓东， 冯张生， 赖冬蓉， 周文婷

(1.核资源与环境省部共建国家重点实验室培育基地(东华理工大学)，江西 南昌 330013;2.陕西省核工业地质局224大队，陕西 西安 710024)

对铀矿床的成矿年代学研究，通常的做法是选择铀矿体中的矿石矿物如晶质铀矿、沥青铀矿进行U-Pb同位素稀释法定年，但该方法有着繁琐的化学处理过程，而且还要对同位素进行U-Pb分离(崔建勇等，2005)，成本较高。即使该技术发展到今天可以做到单颗粒矿物的同位素年代学分析，但终究得到的也只是一混合年龄，同时化学处理过程中稍有不慎就可能会带入一些人为因素，从而影响测年结果的准确性和可靠性。再者，从地球化学性质来看，铀元素非常活泼，在弱酸性和弱碱性热液条件下都极易发生迁移，铀矿床中先前已形成的铀矿物极有可能在新的热液条件下重新活化迁移，从而导致U或Pb的丢失，因而准确测定铀矿床的成矿年龄变得非常困难。以致于不同学者在同一个铀矿床中测得的成矿年龄往往不一样，有时甚至在同一个铀矿脉的不同空间位置采集的铀矿石样品进行U-Pb同位素稀释法定年，也会获得不同的年龄值。此外，即使能找到与铀成矿年代一致的锆石、独居石等副矿物来进行LA-ICP-MS或SHRIMP定年，也往往因为这些副矿物长时间受铀矿体放射性损伤以及矿物本身的高U/Th比值，常常导致年龄测试结果的误差偏大。因此，如何有效的甄别铀矿物形成后是否处在一个封闭的体系，并且更加合理有效的测定铀矿床的成矿年代，已成为了铀矿地质工作者不断研究和探索的课题。

由于现代科学技术的飞速发展，矿物原位年代学研究技术日益成熟，当前地球科学年代学研究中应用最为广泛的LA-ICP-MS和SHRIMP原位测年技术对锆石、独居石等副矿物定年研究取得了很多成功的应用实例。但应用该技术对铀矿床中的晶质铀矿、沥青铀矿等高U-Th-Pb含量的矿物进行微区定年时却遇到了困难，原因在于晶质铀矿/沥青铀矿的U-Th-Pb含量太高(相对独居石、锆石等副矿物来说)，定年结果并不理想。从已发表的文献来看，利用LA-ICP-MS技术对晶质铀矿、铀钛磁铁矿、沥青铀矿等矿物测年成功的报道极少(Chipley et al.，2007;邹东风等，2011)，而 SHRIMP 技术无法对晶质铀矿、沥青铀矿等矿物进行测年研究。

1990年代逐渐发展起来的电子探针化学定年技术在研究古老变质岩、岩浆岩中的独居石、锆石的化学定年中取得了许多成功实例(Suzuki et al.，1991a，1991b，1994;刘树文等，2004;党青宁等，2004;陈强等，2006;陈松能等，2007;凤永刚等，2008)。但现在发表的大量文献中关于晶质铀矿的电子探针化学定年研究实例较少(Bowles，1990;Kempe，2003;Votyakov et al.，2011)，国内张昭明(1982)曾发表过晶质铀矿电子探针定年数据，可能由于当时的分析条件或者晶质铀矿颗粒的选择问题，年龄偏差较大，因此没有得到较好的应用。此外，葛祥坤等(2011)介绍了晶质铀矿电子探针化学定年方法的可行性，但并没有发表实测数据。

本文对丹凤光石沟伟晶岩型铀矿床的钻孔样品中的铀矿石样品进行了晶质铀矿U-Th-Pb化学定年研究，获得了铀矿床的形成年龄，其晶质铀矿的年龄与该矿床已发表的U-Pb同位素稀释法获得的年龄一致。这说明，应用电子探针化学定年方法来研究铀矿床的成矿年代可能是一个切实可行的方法。

1 地质背景

光石沟花岗伟晶岩型铀矿床位于华北地台南缘的北秦岭加里东褶皱带的南亚带内，含铀花岗伟晶岩贯入灰池子花岗岩体南缘外接触带的中元古界秦岭群变质岩之中，铀矿床位于灰池子花岗岩体与下元古界秦岭群外接触带、土地岭－牛家台背斜南西翼的伟晶岩密集带内(图1)。含矿花岗伟晶岩呈岩脉状产出，多沿着背斜轴部和断裂、层间裂隙、片理面侵位，多数与区域构造线平行延伸，但也有少数切割片理和构造线，与围岩呈明显的侵入接触关系。花岗伟晶岩脉长约50～200 m，宽约2～30 m，走向290°～320°，倾向南西，倾角大于65°，局部近于直立(曾令交等，1994，1998;冯张生等，2011;沙亚洲等，2011;孙远强等，2012)。

光石沟铀矿床中赋矿岩石主要为黑云母花岗伟晶岩，呈灰白色，局部为浅肉红色。岩石结构构造变化大，主要为中粗粒伟晶结构，块状构造。铀矿体呈脉状赋存于黑云母花岗伟晶岩脉中，矿体严格受黑云母花岗伟晶岩脉控制，产状与岩脉也基本一致，均为北西西向。铀矿物为晶质铀矿，脉石矿物为黑云母、石英和长石，副矿物有磷灰石、石榴石、独居石、锆石、黄铁矿和磁铁矿。脉体局部可见粗大长石晶体和石英块体，黑云母局部大片的集中分布。

图1 光石沟矿床地质简图Fig.1 Geological sketch of Guangshigou uranium deposit

2 理论基础

电子探针化学测年技术最早是由 Suzuki和Adachi提出，是用电子探针测量矿物中的U-Th-Pb的含量来计算矿物的“化学年龄”(Suzuki et al.，1991a)。该测年技术的应用前提是被测矿物不含普通铅或者可忽略不计，并且要求矿物在后期的地质事件中能保持体系的封闭，其详细的测年理论已有许多文献介绍(Montel et al.，1996;Rhede et al.，1996;周剑雄等，2002;张文兰等，2003;郭国林等，2005)。从已发表的文献来看，电子探针化学测年技术多应用于研究古老变质岩和岩浆岩中的独居石、锆石等含铀副矿物，而较少用于研究晶质铀矿、沥青铀矿。晶质铀矿是铀矿床和花岗岩中常见的矿物之一，通常具有60% ～90%的 UO2，少量的ThO2(一般少于 20%)、Y，Si，Ca，Fe 以及放射性成因的Pb。Kempe(2003)认为晶质铀矿中的 Ca，Si和Fe的质量分数能够反映U-Th-Pb体系的封闭性(Kempe，2003)，即当 Ca，Si和Fe 质量份数不高时，表明晶质铀矿未经历了后期改造，所处环境为封闭体系，一般不会发生放射性成因铅丢失，因此适合电子探针化学定年研究。研究认为晶质铀矿中的普通铅含量极低，一般不超过0.36%(张昭明，1982)，而U，Th和放射性成因Pb的含量一般都较高，因此，相对放射性成因Pb来说，普通Pb很少，对晶质铀矿化学年龄值的影响极其有限，所以结合Kempe(2003)的判别方法，对晶质铀矿进行微区电子探针化学测年是一种切实可行的方法。

3 样品分析与数据处理

本文的晶质铀矿样品采自光石沟伟晶岩型铀矿床的ZK8001钻孔，矿石样品磨制光片后，在显微镜下鉴别出晶质铀矿矿物并做好标志，镀碳处理后再进行电子探针测年分析。背散射图像显示(图2)，晶质铀矿粒径为0.1～0.3 mm，呈多边形晶形，以独立的矿物相存在，通常包裹于硅酸盐矿物钾长石和石英之中，矿物周边常见有黄铁矿、方解石等矿物围饶。晶质铀矿表面灰度均匀，有少量碎裂纹，裂纹两侧矿及矿物边缘并没有灰度变浅现象，说明晶质铀矿并没有经历蚀变改造，成分上一直保持封闭，适合进行电子探针化学定年研究。

图2 晶质铀矿背散射电子图Fig.2 BSE Image of Uraninite

电子探针化学测年工作在核资源与环境国家重点实验室培育基地的JXA-8100型电子探针上完成，具体的测试条件是加速电压15.0 kv，探针电流100 nA，电子束斑为1 μm。各元素使用的X-ray分别为YLa，ThMa，PbMa和UMa谱线，峰位计数时间U，Th，Pb分别设为120，180和300 s。由于 Y 会对PbMα峰产生叠加影响，对不含Pb的人工合成晶体钇石榴石(YAG)分别测量其YLα和 PbMa的计数，计算不含Pb钇石榴石中Y浓度对PbMα影响系数，然后通过电子探针Online校正PbMα的计数，最后再计算输出Th，U和校正后的Pb浓度。标样选择方面，Y采用钇石榴石，U，Th，Pb均使用沥青铀矿，Si用石英，Ca用磷灰石，Fe用磁铁矿作标样，其中SiO2、CaO、FeO的含量用来作为评价分析点数据是否处于封闭系统的依据(Kempe，2003)。

根据U、Th放射性衰变原理，笔者用VC编写了依据UO2，ThO2，PbO浓度计算单点表观年龄的计算程序，得到表观年龄后，再设定表观年龄误差为5%(2σ)，利用 Ludwig的 Isoplot 3.76版本计算表观年龄的加权平均值及误差值。

4 光石沟铀矿床成矿年龄

光石沟铀矿床中的两颗晶质铀矿进行了电子探针化学定年研究，其分析点选择位置见图2，各分析点的测试值见表1，并依据自行编写的年龄计算机程序计算了各分析点的表观年龄。从表1可以看出，两颗晶质铀矿(8001G5-6、8001G5-7)中的SiO2，CaO，FeO质量百分比含量都小于0.2%，说明晶质铀矿形成后并没有经受热液改造，与背散射电子像观摩的结果一致，因而本次选择的两颗晶质铀矿适合进行电子探针化学定年研究。

晶质铀矿样品8001G5-6颗粒的UO2含量在84.538% ～87.605%，ThO2含量在 3.168% ～3.432%，PbO 含量在 4.572% ～5.272%，表观年龄为382.0 ～441.4 Ma，23 个分析点的加权平均年龄为(416.9 ±10)Ma，MSWD=1.6，置信度为 95%(图3a);晶质铀矿样品8001G5-7颗粒的UO2含量在81.753% ～87.777%，ThO2含量在2.994% ～3.361%，PbO 含量在 4.156% ～5.151%，表观年龄为366.2 ～430.0 Ma，22 个分析点的加权平均年龄为(407.6 ±8)Ma，MSWD=2.4，置信度为 95%(图3b)。

研究表明光石沟铀矿床晶质铀矿U-Pb同位素稀释法测得铀矿成矿年龄分别为405 Ma，412 Ma和418 Ma(冯明月等，1996)，而本文对光石沟铀矿床晶质铀矿电子探针化学测年表明光石沟铀矿床铀成矿时代在407.6～416.9 Ma之间，两者年龄基本一致。左文乾等应用LA-ICP-MS定年方法测定了灰池子岩体和大毛沟岩株的锆石U-Pb同位素年龄，结果表明灰池子岩体的形成年龄约为465 Ma，而大毛沟岩株形成年龄的锆石谐和曲线加权平均值年龄为(418±8.8)Ma(左文乾等，2010)。故从铀成矿年龄上来看，含矿伟晶岩脉明显晚于灰池子岩体，与野外观摩到的接触关系相一致，即与铀成矿关系密切，而与大毛沟岩株年龄较接近，可能暗示大毛沟岩株与含矿伟晶岩脉有成因上的联系。

图3 晶质铀矿年龄平均值Fig.3 Average age of uraninite

表1 光石沟代表性晶质铀矿电子探针分析值和化学年龄计算值Table1 EPMA analyses and chemical ages of selected uraninite from Guangshigou uranium deposit

注:定年研究在东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室中进行，仪器为日本电子公司的JXA-8100型电子探针，探针束流100 nA，加速电压为15.0 kV，束斑直径为1 μm

5 结论

本文所报道的光石沟伟晶岩型铀矿床成矿年龄与已有的矿床年代学结果非常一致，表明电子探针化学定年方法在解决晶质铀矿成矿年代学方面是一个可行的解决途径。

(1)从矿物学的角度来看，相对于独居石、锆石等副矿物，晶质铀矿具有较高的U，Th，Pb含量，在相同年龄条件下，它所积累的放射性成因铅比其他含副矿物要高得多，而晶质铀矿中初始铅一般不超过0.36%，对年龄影响不大，因而晶质铀矿比副矿物更适合电子探针化学定年研究。

(2)由于铀极活泼，在矿床中经常存在多期多阶段的晶质铀矿和沥青铀矿，使用传统U-Pb同位素稀释法定年时，很难在矿物挑选过程中区分不同期次的矿物，得到的年龄可能为混合年龄。而电子探针化学测年法是一个原位分析方法，结合高分辨率的背散射电子图像(1 μm左右)，可以对晶质铀矿或沥青铀矿进行微区原位定年，因而很容易区分不同期次的晶质铀矿或沥青铀矿。

(3)晶质铀矿的电子探针化学定年具有分析速度快、价格低廉、微区原位无损分析的优点。只要在选择分析点时尽量远离裂隙、矿物边缘等易发生Pb丢失的部位，并结合如Si，Ca和Fe的质量分数高低，间接判别测试分析点Pb的丢失情况，就能获得较为满意的测年结果。

综合来看，晶质铀矿电子探针化学定年方法为解决铀成矿年代学问题提供了一个可行的解决办法，但该方法测年结果的准确度和精确度还需要进一步细化，要与 LA-ICP-MS，SHRIMP，U-Pb同位素稀释法相互验证比对。

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