方山口铀钒型非常规铀资源地球化学特征

王文全，漆富成，张字龙，李治兴，杨志强，张 岩

(核工业北京地质研究院，北京 100029)



方山口铀钒型非常规铀资源地球化学特征

王文全，漆富成，张字龙，李治兴，杨志强，张 岩

(核工业北京地质研究院，北京 100029)

文章以方山口U-V型非常规铀资源为研究对象，对该区矿化层和赋矿围岩进行了元素地球化学分析，结果表明：U、V呈明显正相关；在铀多金属矿化层中，与超基性岩浆有关的Cr、Co、Ni元素超常富集；稀土元素配分模式中呈现弱Ce负异常，Eu正异常；矿化层与围岩分析数据在ω(La)/ω(Yb)-∑REE图中投影点落在玄武岩区内。研究认为，方山口铀钒型非常规铀资源形成于早寒武世裂谷环境，在同沉积海相黑色岩系形成的同时，伴随着海底喷流作用，U、V多金属矿化层的形成可能与受超基性岩浆作用影响的热水作用相关联。

非常规铀资源；地球化学；铀钒型；方山口

非常规铀资源系指分布在一定地质体和地质介质(如特定水体)中，在当前技术和经济条件下尚未开采利用的低品位铀资源，或者只作为次要产品、副产品开发利用的铀资源[1]。目前，与黑色岩系有关的非常规铀资源类型，主要包括：含铀黑色岩系型、含铀磷块岩型、铀多金属磷块岩型[2]。方山口是一处富含磷、钒、铀黑色岩系非常规铀资源的产出地，其磷矿资源量约为2.305×107t(P2O5含量6%～11%)；钒矿1.296×106t(V2O5含量0.40%～0.85%)；铀与磷、钒伴生，达到综合利用指标[2]。该区还未开展过系统的地质勘查，研究程度不高，认识还不够深入。因此，本文从微量元素、稀土元素方面的研究入手，为方山口双鹰山组非常规铀资源的多金属矿化物质来源提供地球化学证据，也为探讨U-V型非常规铀资源成因提供依据。

1 矿床地质概况

方山口铀钒型非常规铀资源赋存地层分布于甘肃敦煌西北部，即塔里木板块、西伯利亚板块和哈萨克斯坦-北山板块的交接部位。本区出露地层主要有蓟县系平头山组硅质岩、大理岩与下寒武统双鹰山组黑色硅质板岩、层状磷块岩[3]。下寒武统双鹰山组不整合覆盖于蓟县系平头山组之上，是方山口铀钒型非常规铀资源的赋矿层位(图1)，铀钒多金属矿化层呈层状、似层状产出，含矿主岩为黑色硅质板岩、磷块岩。该矿化层位沿复式背斜的两翼呈带状分布，长约16km，矿化厚度约5.5m，其中钒达到工业品位，铀在矿化层中平均含量为77.8×10-6。按世界黑色岩系型非常规铀资源的界定，凡具备多金属伴生组分达到综合利用指标，铀含量介于(50～300)×10-6的黑色岩系，皆可作为黑色岩系非常规铀资源[4，5]。该区铀可作为钒的共生产品或重要副产品回收。

图1 方山口非常规铀资源地质略图(据赵省民，2003)Fig.1 The geological sketch of unconventional uranium resource in Fangshankou1—第四系砂砾岩；2—上新统苦泉组粉砂岩；3—上奥陶统云母石英片岩；4—中下奥陶统硅质板岩、石英岩；5—中上寒武统西双鹰山群硅质板岩；6—下寒武统双鹰山组硅质板岩、磷块岩；7—中元古界蓟县系平头山组硅质岩、大理岩；8—海西中期花岗岩；9—地质界线；10—不整合界线；11—断层；12—推测断层；13—取样位置。

2 样品采集和分析

对方山口地区下寒武统双鹰山组与中元古界蓟县系平头山组剖面系统地采集27件样品，并对样品进行了元素地球化学分析。测试工作由核工业北京地质研究院分析测试研究所完成，测试仪器为电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)(德国Finnigan-Mat公司制造的HR-ICP-MS Element I)，测试方法依据DZ/T0223-2001通则，工作温度和相对湿度分别为20℃和30%，微量元素含量大于10×10-6时相对误差小于5%，含量小于10×10-6时的相对误差小于10%。

3 微量元素地球化学特征

3.1 微量元素组成及与铀的关系

方山口非常规铀资源赋矿围岩和矿化岩石样品微量元素分析结果(表1)表明，该地区样品中的V、Cr、Co、Ni超常富集，硅质板岩矿化层中V含量(7107×10-6)达到工业品位，矿化层中U含量(85.58×10-6)达到综合利用指标。U、V富集程度明显，且在剖面上U含量随V含量变化而变化，在矿化层中两者达到最高值，具有良好的正相关关系。由于V、Cr、Co、Ni属铁族元素，也是典型的地幔源元素，Cr、Co、Ni的富集通常与岩浆热液活动有关。因此，方山口V、Cr、Co、Ni的超常富集，预示着该区黑色岩系U-V型非常规铀资源在成因上与早寒武世北山裂谷环境下的海底喷流作用有关。

3.2 微量元素配分模式

对方山口非常规铀资源赋矿围岩及矿化岩石样品的微量元素进行上地壳标准化(图2)(据Taylor，1981)[6]。从图2可以看出，该区下寒武统双鹰山组矿化层中氧化还原敏感元素U、V、Cr、Co、Ni相对富集，含量分别是上地壳平均值的12.0～72.8、3.3～178.8、1.7～18.9、0.3～6.5、0.6～18.5倍；中高场强和大离子亲石元素Rb、Ta、Th相对亏损，平均富集系数分别是0.09～1.4、0.003～0.2、0.1～1.2倍。双鹰山组硅质板岩(围岩)样品的U、V、Cr、Co、Ni富集程度明显减弱，富集程度是上地壳平均值的2.6～18.8、3.3～162.7、2.2～22.2、0.1～1.8、0.3～14.8倍，与矿化层的变化趋势相似，其中的U含量相对于矿化层降低最为明显。中元古界蓟县系平头山组硅质岩(下部硅质岩，围岩)的U、V、Cr、Co、Ni富集程度明显降低，富集程度是上地壳平均值的1.6、0.7、5.0、0.5、1.1倍，其中V的富集程度相对于矿化层和下寒武统围岩降低最为明显，U富集程度较矿化层降低明显。该区矿化层与上覆围岩都具有U、V、Cr、Co、Ni富集的特征，不同的是在矿化层中富集更为显著。

图2 方山口非常规铀资源赋矿围岩及矿化岩石微量元素上地壳标准化图(据Taylor，1981)Fig.2 The diagram of upper crust normalized trace elements of mineralized and host rocks for unconventional uranium resource in Fangshankou注：图例为样品(组合)编号及岩性。1—FSK1～3 上部硅质岩；2—FSK4～14 硅质板岩；3—FSK15～23 硅质板岩(矿化)；4—FSK24～26 磷块岩(矿化)；5—FSK27 下部硅质岩。

表1 方山口非常规铀资源赋矿围岩及矿化岩石微量元素化学分析结果(×10-6)

表2 方山口非常规铀资源赋矿围岩和矿化岩石稀土元素含量(×10-6)及特征参数

利用下寒武统双鹰山组含矿层与上覆围岩元素含量比值作图(图3)[6]，可以简便地表示微量元素相对富集或亏损。从图3可以看出，U、V、Cr、Co、Ni相对富集，富集系数分别为10.4、27.7、4.1、5.9、29.2；大离子亲石元素Rb和高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf、Th相对亏损，富集系数为0.4、0.9、0.8、0.7、0.6、0.3。导致上述结果的可能原因是方山口黑色岩系U-V型非常规铀资源矿化层除了与围岩具有相同的物质来源外，矿化层可能受到与超基性岩浆喷溢有关的热水作用的影响更为强烈。

图3 方山口非常规铀资源矿化层与围岩微量元素相对富集-亏损图Fig.3 Historgram of trace element enrichment and depletion of mineralized layer and host rocks in Fangshankou

铀钍比值能够很好地区别正常海水沉积与热水沉积，热水沉积的U/Th值>1，正常海水沉积U/Th值<1[7]。方山口铀钒多金属矿床中U/Th值为1.56～26.35，平均为10.47，在矿化层中最高为43.44。这表明该区矿化层和围岩均受到热水沉积作用的影响，不同的是矿化层受到的热液活动影响更为强烈。

4 稀土元素地球化学特征

4.1 稀土元素配分模式

方山口非常规铀资源矿化层与围岩的稀土元素含量如表2所示，其标准化配分模式见图4(据Haskin，1984)。从图4可见，该区样品的稀土元素配分曲线大体呈水平状，无明显的轻重稀土分馏现象，具有弱负Ce异常和弱正Eu异常特征。其中，磷块岩中负Ce异常较为明显；硅质岩HREE相对富集，(La/Yb)N值在0.27～1.05，平均为0.49。矿化层与围岩的负Ce异常和正Eu异常略有不同，但稀土元素配分的总体特征与变化趋势较为一致。导致上述特征的可能原因是方山口非常规铀资源的矿化层与围岩形成环境相似，均处于同一个北山裂谷体系，具有相似的物质来源。

图4 方山口铀钒型非常规铀资源赋矿围岩及矿化岩石稀土元素配分模式Fig.4 REE patterns of mineralized and host rocks for U-V type unconventional resource in Fangshankou注：图例说明同图2

4.2 稀土元素特征标志

研究区下寒武统双鹰山组上部硅质岩的∑REE含量为(19.8～31.8)×10-6，平均为23.9×10-6；硅质板岩∑REE为(145.6～420.7)×10-6，平均为296.7×10-6，矿化硅质板岩∑REE为(89.8～439.9)×10-6，平均为256.3×10-6；磷块岩(矿化)∑REE为(139.6～1029.4)×10-6，平均为466.9×10-6；中元古界蓟县系平头山组硅质岩(下部硅质岩)∑REE为11.2×10-6。因此，按总稀土含量排序：磷块岩(矿化)>硅质板岩>矿化硅质板岩>硅质岩。磷块岩(矿化)、硅质板岩和矿化硅质板岩的∑REE含量略高于北美页岩(200×10-6)[5]。

将方山口地区硅质板岩、硅质板岩(矿化)、磷块岩(矿化)及硅质岩相应的稀土特征数据投入ω(La)/ω(Yb)-∑REE判别图。如图5所示，该区大部分数据落在玄武岩区内，代表该区处在一种非正常的海水沉积作用环境，其成矿物质来源可能与海底喷流作用有关，与受超基性岩浆喷溢影响的热水作用相联系[8-9]。

通常，开阔洋盆的正常海水沉积呈现Ce的负异常，热水流体(简单传导冷却)沉积表现为Eu的正异常[10]。方山口地区岩石的δCe为0.37～0.96，平均为0.66，δEu为0.76～2.54，平均为1.33，表明其稀土元素配分模式与海底热水流体系统的沉积物相似[11]，两者有相似的沉积作用过程。预示着该区的成矿过程受到高温的热水流体和较低温的海水在海底附近发生混合作用的影响。

5 结论

(1)方山口U-V型非常规铀资源矿化层中Cr、Ni、Co明显富集，U的富集程度与V、Cr、Ni、Co关系密切，预示着该区在早寒武世北山裂谷环境下伴随海底喷流作用，在与超基性岩浆喷溢有关的热液作用环境中形成了铀多金属矿化层位。

(2)微量元素标准化和稀土元素配分模式图显示方山口黑色岩系U-V型非常规铀资源矿化层与围岩具有相似的变化趋势，不同的是矿化层富集程度更为明显。这表明方山口同生沉积形成的黑色岩系可能具有相同的物质来源。

(3)方山口非常规铀资源赋矿围岩及矿化岩石样品U/Th值平均为10.47，在矿化层中最高为43.44；矿化层和围岩相应特征数据在ω(La)/ω(Yb)-∑REE判别图中投影点主要落在玄武岩区；矿化层与围岩的负Ce异常和正Eu异常略有不同，预示着方山口非常规铀资源的成矿物质来源与海底喷流作用有关，与超基性岩浆喷溢有关的热液作用环境相联系，而且在成矿过程中受到高温的热水流体和较低温的海水在海底附近发生混合作用的影响。

图5 方山口非常规铀资源ω(La)/ω(Yb)-∑REE图(据Alleger et al，1987)Fig.5 ω(La)/ω(Yb)-∑REE diagram of host rock of unconventional uranium resourse in Fangshankou1—硅质板岩；2—矿化硅质板岩；3—磷块岩(矿化)；4—硅质岩。

方山口铀钒型非常规铀资源形成于北山裂谷环境中，受热水沉积作用影响。陆缘裂谷的形成，受控于地壳拉伸破裂后软流圈物质的上升和侧向扩张的影响，地壳拉张和部分熔融地幔上涌，不仅为下地壳部分熔融产生中酸性岩浆提供热量，而且壳幔混熔的流体在上升过程中萃取成矿物质。陆缘裂谷成矿体系的形成，伴随着海底喷流作用而沉积的磷块岩和碳硅泥岩组成了富铀的海相黑色岩系，为后期大规模铀成矿作用提供了巨量的矿质来源。

[1] 漆富成,张字龙,李治兴，等. 中国非常规铀资源[J]. 铀矿地质,2011,27(4):193-199.

[2] 漆富成,张字龙,李治兴,等. 中国黑色岩系非常规铀资源及其开发利用前景[J]. 世界核地质科学,2012,29(4):187-198.

[3] 赵省民, 聂风军,等. 敦煌方山口大型钒磷铀矿床的稀土元素地球化学研究[J]. 岩石矿物学杂志,2003， 22(1):55-60.

[4] IAEA. Uranium 2005：Resources，Production and Demand [R]. IAEA-OECD/NEA, 2006.

[5] 赵鹏大. 地质异常与成矿预测：当代矿产资源勘查评价的理论与方法[M]. 北京:地质出版社, 1998.

[6] Rollison,杨学民,等. 岩石地球化学[M]. 合肥:中国科学技术大学出版社, 2000,106-118.

[7] Rona P A. Hydrothermal mineralization of oceanic ridges[J]. Canadian mineralogist, 1988， 26(3):447-465.

[8] 漆富成,张字龙，等. 扬子陆块东南缘黑色岩系铀多金属成矿体系和成矿机制[J]. 铀矿地质，2011，27(3):129-135.

[9] Allegre C J， et al. Quantitative models of trace element behavior in magmatic processes[J]. Earth and planetary science latters, 1978, 38(1):1-25.

[10] 王中刚,于学元,等. 稀土元素地球化学[M]. 北京：科学出版社，1989，76-94.

[11] 丁振举,姚书振，等. 东沟坝多金属矿床喷流沉积成矿特征的稀土元素地球化学示踪[J]. 岩石学报, 2003，19(4)：792-298.

The Geochemical Characteristics of Fangshankou U-V Type Unconventional Uranium Resource

WANG Wen-quan, QI Fu-cheng, ZHANG Zi-long, LI Zhi-xing, YANG Zhi-qiang, ZHANG-Yan

(BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing100029,China)

This paper deal with Fangshankou U-V type unconventional uranium resource. Element geochemical analysis of the mineralized and host rock brought the fellowing facts:(1) U and V is significantly positive correlated;(2) Cr, Co, Ni are abnormally enriched in rocks related to ultrabasic magma in uranium polymetallic mineralization layer;(3) Weak negative Ce anomaly and of positive Eu anomaly occurred in REE patterns; (4) ω(La)/ω(Yb)-∑REE diagram of mineralization layer and host rock fall into the basalt area. This paper suggested that both of the polymetallic mineralization layer and host rock are formed in the early Cambrian Beishan rift valley environment. With the formation of the synsedimentary of marine black rock series and the process of submarine backwash,the forming of the U-V polymetallic mineralization is influenced via the hydrothermalism related with ultrabasic magmatism.

unconventional uranium resource； geochemistry；U-V type；Fangshankou

10.3969/j.issn.1000-658.2015.01.004

2014-01-21 [改回日期]2014-05-07

王文全(1982—)，男，2009年毕业于中国地质大学(北京)，现为核工业北京地质研究院博士研究生，主要从事铀矿地质研究。E-mail：wenquanw@126.com

1000-0658(2015)01-0029-07

P611

A