相山铀多金属矿田赋矿围岩及成矿硫源特征

杨庆坤 孟祥金 姜勇彪 周万蓬

(1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京100083;2.东华理工大学地球科学学院，江西南昌330013;3.中国地质科学院矿产资源研究所，北京100037)

江西相山铀多金属矿田是中国最大的、与火山侵入杂岩有关的中低温热液型铀矿床之一。尽管前人已经对该杂岩体的岩相学、矿物学、岩石地球化学和同位素地球化学等方面展开了研究，但对于其成因仍存在较大争议，主要体现在岩石类型、幔源加入程度、岩浆源区的深度、同源性、大地构造背景方面。本研究通过对相山赋含铀矿花岗质岩石及基底变质岩(包括捕掳体)的地球化学特征进行分析，从而探讨花岗质围岩的来源及成因归属，并对比分析铀矿床与铅锌矿床的成矿物质来源。

1 地质背景

相山铀多金属矿田位于钦杭成矿带东段、赣杭火山成矿带内，区域上受控于遂川深断裂和宜黄—安远深断裂。相山成矿区为一陆相火山盆地，具有典型的火山口塌陷构造，在平面上近椭圆形，剖面上呈现南北对称、东陡西缓的漏斗状。火山盆地总体上为3层结构，基底主要为青白口系的低绿片岩相和低角闪岩相的变质岩系，部分为下石炭统、上三叠统的含煤岩系;基底之上为一套上白垩统火山沉积盖层，并被火山岩之后的浅层—超浅层侵入岩侵入，局部见有基性岩脉。相山铀多金属矿田是国内火山岩型铀矿床的主要产区，所有矿床或矿化点均分布在相山陆相火山盆地内。铀、铅锌矿多金属矿化均受控于断裂构造控制，铀矿床或矿化点主要集中在盆地的北部和西部，铅锌矿床主要分布在铀矿床下部，在空间上形成上铀下铅锌的分布格局。

2 岩石地球化学特征

岩石样品主要采集于钻孔、矿井坑道和地表。钻孔位于牛头山，其岩性主要为流纹英安岩、碎斑熔岩、粗斑花岗斑岩、黄铁矿、闪锌矿、方铅矿。矿井坑道中的岩性主要采集了沙洲矿床的粗斑花岗斑岩、黄铁矿等及云际矿床地表上部花岗岩采场的碎斑熔岩、千枚岩以及碎斑熔岩中的捕掳体(角岩化千枚岩)。全岩主微量元素及硫化物硫同位素均由核工业北京地质研究院进行测试。

2.1 主量元素特征

在TAS分类判别图上，岩石样品投点较为集中，主要分布在花岗闪长岩、石英二长花岗岩和花岗岩的交界线处。流纹英安岩w(Al2O3)/w(CaO+Na2O+K2O)为1.002～1.131，平均值为1.072，略小于1.1，表明其属于准铝质至弱过铝质花岗岩;在w(SiO2)－w(Na2O)图解上，属于富硅钙碱性系列。w(K2O)/w(N2O)＞1，里特曼指数为1.67～2.52，平均值为2.1，碱铝比为0.65～0.80，平均为0.64，碱铝比值小于0.90，属碱不饱和系列，碱总量为 7.01% ～9.05%，仅有一件样品超过9%，平均值为8.13%。流纹英安岩的碱总量为6.58% ～7.79%，平均值为7.27。碎斑熔岩及花岗斑岩的地球化学特征极为接近，w(Al2O3)/w(CaO+Na2O+K2O)为 0.88～1.064，平均值为1.004，略小于1.1，表明其属于准铝质至弱过铝质花岗岩;在w(SiO2)－w(Na2O)图解上，属于富硅钙碱性系列。w(K2O)/w(N2O)＞1，里特曼指数为1.93～3.11，平均值为2.47，碱铝比为0.56～0.70，平均为0.73，碱铝比值小于0.90。属碱不饱和系列，碱总量为6.58% ～7.79%，平均值为7.27%。表明碎斑熔岩及花岗斑岩较流纹英安岩更富酸性和碱性成分，而基性成分相似。赋矿花岗质围岩的这些特征十分类似于华南陆壳改造型花岗岩。

2.2 微量元素(稀土)特征

在微量元素与稀土元素上，流纹英安岩稀土总量为(233.84 ～ 270.57)× 10－6，δLa/δYb 为 8.45 ～9.71，碎斑熔岩及花岗斑岩稀土总量为(269.02～374.67)×10－6，δLa/δYb 为10.74 ～25.41，都具有较高的稀土元素总量和轻稀土富集情况。碎斑熔岩及花岗斑岩的稀土元素总量明显高于流纹英安岩，并具有更高的轻稀土富集现象。碎斑熔岩及花岗斑岩具有相似的Eu中度负异常现象(流纹英安岩δEu=0.38～0.42，碎斑熔岩及花岗斑岩 δEu=0.39～0.64)。

基底变质岩和各个围岩之间具有相近的微量元素和稀土元素含量特征，意味着它们成因上存在相关性，见图1、图2。

图1 稀土元素球粒陨石标准化Fig.1 Standardization of REE chondrite

图2 微量元素原始地幔标准化Fig.2 Standardization of primitive mantle of trace element

在原始地幔标准化蛛网图上，各类岩石样品曲线形式总体一致，表现为斜率较大的右倾型。强烈富集Ce及其左侧更强的不相容元素，元素丰度值为原始地幔的10～100倍，亏损高场强元素(Nb、Ta、Zr等)，明显富集大离子亲石元素(Cs、Rb、La等)，大离子亲石元素的正异常和Nb、Ta等高场强元素的负异常，表明岩浆源区来自于地壳。明显亏损Sr、Ba元素，表明岩浆在部分熔融或结晶分异过程发生了斜长石的分离作用。

3 硫化矿硫同位素特征

相山地区与铅锌矿床伴生的20件金属硫化物样品(闪锌矿、黄铁矿、方铅矿)的 δ34S值为1.3‰ ～4.7‰，极差为3.4‰，平均值为3.2‰，变化范围较窄。其中闪锌矿 δ34S值为 3.8‰ ～4.7‰，平均为4.2‰，方铅矿 δ34S 值为 1.7‰ ～2.6‰，平均为2.2‰，黄铁矿 δ34S 值为 3.4‰ ～4.6‰，平均为4.0‰，显示了铅锌矿床硫同位素组成比较稳定;与铀矿床有关的硫化物均为吴柏林和周鲁民在居隆庵含矿蚀变带(赤铁矿化化、萤石化)采集的黄铁矿样品，呈浸染状赋存于铀矿石中，δ34S值为 －8.6‰ ～0.286‰，平均为－1.35‰［1］;围岩内黄铁矿的硫同位素数据摘自邱林飞对居隆庵矿床赋矿斑岩的测试结果，δ34S 值为1.9‰ ～5.2‰，平均为3.5‰［2］。

同一块样品闪锌矿的δ34SV－CDT值大于方铅矿的δ34SV－CDT值，如样品 ZK26 －101 －40、ZK26 －101 －44、ZK26－13－64、ZK26－13－68、ZK26－13 －69，闪锌矿的δ34SV－CDT值分别为 4.0‰、4.2‰、4.1‰、4.4‰和 4.7‰，而方铅矿的δ34SV－CDT值分别为 1.7‰、2.7‰、2.4‰、2.4‰和2.6‰。所采集的样品闪锌矿δ34SV－CDT值为 3.8‰ ～ 4.7‰，平均为 4.2‰，方铅矿δ34SV－CDT值为 1.3‰ ～ 2.7‰，平均为 2.2‰，黄铁矿δ34SV－CDT值为 3.9‰ ～4.6‰，平均为 4.0‰。根据热力学平衡分馏原理，硫化物 δ34S值按照方铅矿、闪锌矿、黄铁矿的顺序变化而达到平衡分馏，而样品数据显示，δ34S值按照方铅矿、黄铁矿、闪锌矿的顺序变化，意味着方铅矿与闪锌矿基本达到同位素分馏平衡，黄铁矿而未达到同位素分馏平衡或平衡遭到破坏，同时也说明尽管硫化物形成于同一成矿期，但它们生成的顺序是有所不同的。

根据共生硫化物所确定的成矿温度，揭示了铅锌矿床属中高温热液矿床，并明显分为2个阶段。早期主要为高温阶段，成矿温度为424℃ ～382℃;晚期为中高温阶段，成矿温度为331℃ ～290℃。

4 讨论

4.1 源岩和成因机制

相山杂岩体属S型或A型一直存在争议。高分异I、S型花岗岩和A型花岗岩在地球化学特征及矿物学特征方面十分相似。对于A型岩浆的成因，可以将其归为以下8类:①来自幔源的碱性岩浆结晶分异过程中产生的A型花岗质残留岩浆;②来自幔源的拉斑质岩浆极度分异或者低度部分熔融的底侵拉斑玄武质岩浆;③来自地幔岩石重熔分异形成的碱性花岗质岩浆;④幔源碱性岩浆与地壳物质作用产生正长岩岩浆，并进一步分异或与壳源物质混染;⑤下地壳岩石经部分熔融抽取了I型花岗质岩浆后，富F的麻粒岩质残留物再次部分熔融;⑥地壳火成岩(英云闪长岩和花岗闪长岩)直接熔融;⑦幔源岩浆底侵或受挥发份稀释的下地壳物质重熔;⑧幔壳混合岩浆。

相山杂岩体来自于上地壳的变沉积岩重熔已经得到了验证，因此可以将上述成因中与“I型花岗岩”和“下地壳”有关的条件去除，那么剩下的成因条件中基本都有幔源岩浆的参与，因此界定到底是S型还是A型花岗岩，就需要重点研究是否有幔源物质的参与。

花岗岩的源岩通常与其化学成分相联系，本次研究的围岩样品中，除流纹英安岩外均表现为δLa和δLa/δSm值的正相关性，显示出平衡部分熔融作用的成岩特征，因此，整体上看相山火山杂岩体应为源岩经历了平衡部分熔融作用所形成。流纹英安岩的w(Al2O3)/w(CaO+Na2O+K2O)为 1.003～1.132，平均为1.072，碎斑熔岩及花岗斑岩 w(Al2O3)/w(CaO+Na2O+K2O)为 0.879～1.064，平均为1.004，绝大多数值大于1.0。流纹英安岩标准刚玉分子含量为0.39% ～2.08%，碎斑熔岩及花岗斑岩标准刚玉分子含量为0～1.1%，SiO2和P2O5具有明显的负相关性，这些特征说明了赋矿围岩属于准铝质至弱过铝质花岗岩，其球粒陨石标准化稀土配分模式显示负Eu异常，原始地幔标准化微量元素模式清晰地显示 Rb、U、Th、Pb、Hf富集和 Ba、Sr、Nb 的亏损，表明母岩浆经历了显著的富铕、锶、钡矿物相(斜长石)分离结晶作用，具有起源于沉积源岩的过铝质S型花岗岩的特征。实验表明，w(CaO)/w(Na2O)值作为判别过铝质花岗岩的指标，以0.3为界，小于0.3者其源岩为泥质岩石，大于0.3者为杂砂岩［3］。流纹英安岩w(Al2O3)/w(CaO+Na2O+K2O)为0.84～1.24，碎斑熔岩及花岗斑岩w(CaO)/w(Na2O)为0.48～1.22，其源岩主要为变质杂砂岩。各个岩石的δRb/δSr－δRb/δBa值也指示源岩为变质杂砂岩成分。

δSm/δNd值在岩浆岩中由超基性、基性、中性、酸性至碱性逐渐渐减，δSm/δNd值深源大于浅源，壳层为0.1 ～0.31，而深源可达 0.5 ～1.0［4］。相山变质基底的 δSm/δNd 值为 0.19 ～0.2，平均值为 0.19。流纹英安岩的 δSm/δNd值为0.19，粗斑花岗斑岩为0.16～0.18，碎斑熔岩为0.16～0.17。说明赋铀矿岩石同赋铅锌矿岩石具有同源性，源区物质来源比较浅，应为上地壳变质基底。

碎斑熔岩 δ87Sr/δ86Sr值为0.711 5 ～0.714 51［5］，高于原始地幔现代值(0.704 7)，接近现今大陆壳值(0.719)。在划分花岗岩成因类型时，δ87Sr/δ86Sr值大于0.707，代表了 S 型花岗岩，δ87Sr/δ86Sr值小于0.707，代表了 I型花岗岩［6］。δ143Nd/δ144Nd 值低于原始地幔现代值(0.526 38):以t=135 Ma(矿区花岗质岩体形成时代平均值)计算的 δ87Sr/δ86Sr＞0，δNd ＜0，在 δ87Sr/δ86Sr－ δNd 图中均落在华南陆壳分异改造型花岗岩范围内，见图3。相山赋矿花岗质岩石的二阶段模式年龄的变化范围较窄，主要集中在1.4～1.65 Ga。说明了各类岩石之间源区的一致性和单一性。因此认为，相山杂岩体应该为S型花岗岩，是由上地壳变质沉积岩在由挤压向拉张转换过程中减压升温，发生局部熔融，形成花岗质岩浆，然后上升运移到地壳一定部位，通过分异结晶形成该花岗岩体。碎斑熔岩、花岗斑岩及流纹英安岩为同源产物，因高度结晶分异作用而显A型花岗岩特征。熔融所需的流体可由源岩中白云母(绢云母)脱水反应获得。

图3 δ87Sr/δ86Sr与 δNd 关系Fig.3 Relationship between δ87Sr/δ86Sr and δNd

4.2 锆石饱和温度

花岗岩浆大多是以绝热式上升就位的，因此岩浆早期结晶的温度可以近似代表岩浆形成时的温度，而初始岩浆温度近似于岩浆早期的结晶温度，并可以通过“锆石饱和温度”计算获得。锆石在花岗质熔浆结晶过程中属于较早晶析的副矿物，锆石中Zr的分配系数主要受控于外界温度，其在岩浆中的含量与温度存在相关性，而其他因素对其影响极弱，因此可以将“锆石饱和温度”看做花岗质岩石近液相线温度［7］。计算表明，流纹英安岩的锆石饱和温度为800℃ ～811℃，平均值为805℃。碎斑熔岩为741℃ ～770℃，平均值为756℃。粗斑花岗斑岩为725℃ ～739℃，平均值为745℃。各岩体之间锆石饱和温度的差异性较弱，总体平均为757℃。

4.3 构造环境

在 δRb/30 － δHf－3δTa图中，各岩石主要分布于同碰撞、碰撞后的相交位置。流纹英安岩主要形成于142 ～134 Ma［8］，整体上早于碎斑熔岩(136 ～ 133 Ma)［9］，各岩石恰好处于早燕山期向晚燕山期挤压环境向拉张环境过度的时间段，见图4。

图4 δRb/30、δHf与3δTa 关系Fig.4 Relationship begween δRb/30、δHf and 3δTa

相山位于华夏板块的北缘，而华夏板块本身就是由多个古陆核在晚三叠世时期才拼接为整体的稳定结晶基底，因此也就造成了该区大地构造背景的复杂程度。对于华南中生代大规模构造、岩浆作用的动力学背景，绝大多数学者倾向于与古太平洋板块俯冲相关的活动大陆边缘构造、岩浆作用模式［10］。与俯冲作用有关的火成岩往往具有Ta、Nb、Ti的负异常特征［11］。近年来的研究发现，大陆环境内的碰撞、后碰撞火山岩也具有类似特征［12］，这类火山岩在青藏高原也有大面积出露。万天丰［13］认为，中生代时期，太平洋板块位于华南板块的东南部并向北运移的过程中，尚未同华南板块发生大规模的俯冲作用。对于地幔岩浆的贡献，岩石样品地球化学数据上没有显著幔源特征，由于这套火山杂岩体具有相对较高的“锆石饱和温度”(平均为757℃)，地幔岩浆很可能为花岗岩的形成提供了部分热源，但主要的热源来自于大陆地壳拉张过程中的减压增温。

5 赋矿围岩与铀矿、铅锌矿的关系

铅锌矿床成矿热液中总硫同位素值为4.04‰，具混源硫特征。与铀矿床伴生的硫同位素主要为黄铁矿，其他硫化物极少见，因此黄铁矿的平均δ34S值可近似代表成矿溶液总硫的同位素组成，δ34S值为－1.35‰，预示了铅锌矿床与铀矿床的成矿流体性质差别明显。与铅锌矿床有关的黄铁矿呈现一致的正值，δ34S值为3.4‰ ～4.6‰，平均为4.0‰，围岩内黄铁矿的δ34S值为1.9‰～5.2‰，平均为3.5‰，两者具有明显的相似性，其中与铅锌矿床有关的黄铁矿数值稍大一点。由此推断铅锌矿的流体成因与火山作用期后热液相关，或受到海水或海相硫酸盐沉积物混染(变质基底)的结果。与铀矿床有关的黄铁矿δ34S值与围岩中黄铁矿的硫同位素具有很大的差异性，说明了铀矿床的成矿流体并非来自于围岩岩浆热液。黄铁矿δ34S值为－0.005‰～0.286‰，平均为－0.14‰，接近陨石硫δ34S值。因此可以判断铀矿床的成矿流体具有幔源特征。

6 结论

(1)相山铀多金属矿田内的花岗斑岩和流纹英安斑岩以相对富 SiO2、K2O 为特征，富集 Rb、U、Th、Pb、Hf，明显亏损 Ba、Sr、Nb 等元素;中高度富集轻稀土元素，显示中等负Eu异常，属于富硅高钾钙碱性S型花岗岩，因高度结晶分异而显A型花岗岩特征。

(2)主量元素、微量元素及Sr、Nd同位素表明，相山地区赋矿铅锌围岩与赋铀围岩具有同源性，主要来自于上地壳变质杂砂岩的部分重熔，依据锆石浓度饱和温度计计算其熔融温度平均约为757℃，熔融所需的流体可由源岩中白云母(绢云母)脱水反应获得。

(3)据花岗质岩石地球化学、年代学及区域对比研究推测，在构造演化阶段和形成构造环境上，各类岩石具有相近的构造环境，同属大陆环境碰撞、后碰撞之间的过渡阶段，幔源可能为花岗岩提供了热源。

(4)铅锌矿床与其上部的铀矿床在成矿流体性质上差别较大。铅锌矿床的硫源与围岩花岗斑岩体的岩浆演化过程密切相关，并有地层硫的参与，其成矿温度变化较大，应属于中高温热液矿床。铀矿床中黄铁矿的硫源来自于地幔流体或幔源基性岩浆，揭示了铀矿床成矿流体与幔源热液的相关性。

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