浅谈砂岩型铀矿基本特征及其定年现状研究

罗晶晶

(西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

浅谈砂岩型铀矿基本特征及其定年现状研究

罗晶晶

(西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

[摘要]U-Pb同位素定年技术是目前同位素测年中应用最为广泛的一种方法，近几年来随着铀矿物的勘探开发，铀矿物成矿年代学也有了一定的发展研究。砂岩型铀矿目前主要的定年方法有两大类那就是全岩/单矿物U-Pb等时线法和微区原位测年法，其中微区原位测年法又分为电子探针化学测年、同位素微区原位精确测年以及近年来最新利用FLA-ICP-MS U-Pb定年法在铀矿物中进行定年应用。文章通过对铀矿年代学研究现状的总结对比，铀矿物FLA-ICP-MS U-Pb定年法可以测试出更新的年龄，说明此测试体系更加接近封闭体系，越来越符合等时线法测年的要求和一般地球化学原理，这样可以更为精确的得知矿体的年龄从而对应所受的构造演化历程，为沉积盆地勘探提供一个充分的依据。

[关键词]U-Pb同位素定年；铀矿物；成矿年代学；铀石LA-ICP-MS U-Pb法定年；全岩U-Pb等时线法

近些年来铀矿随着勘探力度的加大有了一定的勘探发展，特别是铀矿年代学—铀矿物FLA-ICP-MS U-Pb精确定年。U-Pb同位素定年技术是目前同位素测年中应用最为广泛的一种方法，该方法之所以被广泛应用是由于在U-Pb同位素定年中可以利用两个同位素衰变(238U→8α+6β-→206Pb235U→7α+4β-→207Pb)进行精确定年，并且可以得到三组相互独立的同位素年龄(206Pb/238U年龄、207Pb/235U年龄和207Pb/206Pb年龄)。UPb同位素定年最常用的方法有同位素稀释—热电离质谱法(ID-TIMS)二次离子质谱法(SIMS)激光烧蚀—电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)[1]。在目前同位素测年中应用最广泛也最成熟的矿物为锆石，但是近几年来随着铀矿物的勘探开发，铀矿物成矿年代学也有了一定的发展研究。作者通过目前研究、文献查阅以及资料总结对砂岩型铀矿定年现状进行了分析探讨。

图1　研究区样品在UO2-CO2-H2O体系中沥青铀矿的稳

1砂岩型铀矿基本特征

在铀矿勘探中砂岩型铀矿是目前沉积盆地里的一个主要类型。平常从铀矿石中可以提炼出铀，但是这种成铀在空气中是见不到的，容易被空气氧化成黄色，通常被叫做“黄饼”。理论中一价到六价应该都是存在的但是在自然界中只有U4+和U6+稳定存在，其余均不稳定。在氧化条件下呈6价迁移，就是溶液在地下水中的迁移；还原条件下呈4价沉淀成矿；迁移形式为以氧化物的形式，最主要的是以铀酰络离子的形式，如UO22+与CO32-、SO42-、OH-、F-络合的络离子 ，最主要是以碳酸铀酰络离子形式迁移，碳酸铀酰络离子是各种天然含铀水溶液中铀迁移的最主要形式(徐国庆，1985)[2]。如遇到还原环境就以UO2形式形成沉淀。图1为铀矿稳定场范围，横坐标为Ph，纵坐标为Eh，图中上部为氧化环境主要以U6+碳酸铀酰络离子的形式在水溶液中迁移，下部为还原环境下主要以U4+沉淀形成晶质铀矿。图中东胜样品、伊犁样品、吐哈样品是通过野外采样实验测得后投图得到，说明水溶液中的铀遇到还原环境可以沉淀形成铀矿床。

图2　吐哈盆地西南缘十红滩铀矿床成矿模式示意图

砂岩型铀矿成矿年代相对比较新其赋存层位为T、J、K1、K2、N。砂岩型铀矿产在砂岩中具有层间氧化带型，铀矿地层具泥—砂—泥结构[3]。铀矿的形成必须具有泥—砂—泥结构是由于层间氧化带是先受地下水氧化，然后在随着水流在地表被还原形成沉淀，又因为其是由流体作用形成的如果没有泥岩封闭就会流失，就不可能聚集成矿，就类似于石油中的圈闭条件一样所以铀矿地层必须具有泥—砂—泥结构。含矿砂岩中多含有机质、黄铁矿、油气等还原物质。如果在野外观察为黄色，或红色的氧化环境那么含矿可能性就很小；如果为灰色的并且含有很多植物碎屑黄铁矿，那么这就是个有利的含矿层位。砂岩型铀矿产在自流水盆地内，地下水具有完整的补—径—排系统，补就是有一定的高差水可以流过来，径就是水流过的区域，排就是沿着断裂排出，形成一个补—径—排系统，其中径流区范围比较大。砂岩型铀矿矿床多产在构造相对稳定的构造斜坡区、宽缓背向斜部位，产状一般比较平缓，小于15°铀矿形成在盆地的边部，也就分布在山边区域[4]。砂岩型铀矿的形成受氧化带控制主要是潜水氧化带和层间氧化带(图2)。

A:卷状矿体；B：矿卷前缘正在生成的铀矿化；C：煤层；D：透镜状矿体；E：氧化带砂体；F：原生带砂体；G：钻孔

在图2中可以看出矿体以卷状分布在层间氧化带边部。砂岩型铀矿具有多层性矿体为盲矿体，矿体多呈卷状，富矿集中在卷头，其次为板状、透镜状(图3)。矿体成卷状是由于氧化带是由地下水往前冲对砂岩进行氧化，前面氧化快，后面氧化慢，慢慢的就形成了如图3所示的形状，铀矿一般在过渡带形成。砂岩型铀矿的矿化品位变化大，以低品位大矿量为特点，伴生元素有Mo、Re、Se、Sc、V等，之所以说砂岩型铀矿经济效益高就是由于其有伴生元素采出。

2砂岩型铀矿定年现状研究

砂岩型铀矿目前主要的定年方法有两大类那就是全岩/单矿物U-Pb等时线法和微区原位测年法，其中微区原位测年法又分为电子探针化学测年、同位素微区原位精确测年以及近年来最新的利用FLA-ICP-MS 法在铀矿物中进行定年应用[5]。

2.1全岩/单矿物U-Pb等时线法

自国内铀矿工作重点转向砂岩型铀矿以来，在砂岩型铀矿找矿及科研工作方面取得了很大的成果。尤其是在砂岩型铀矿测年方面，在北方几个主要的含铀盆地进行了研究，取得了较为丰富的成果(夏毓亮等，2003，2005；刘汉彬等，2004,2007；向伟东等，2006)，其均采用的是矿石全岩/单矿物铀—铅同位素等时线测年法[6-10]。在研究中由于砂岩型铀矿的铀矿石中很难挑选出像锆石、独居石等副矿物一样能用于进行U-Pb同位素定年的独立铀矿物，所以主要采用全岩/单矿物U-Pb等时线法进行测年，但是由于砂岩型铀矿的形成是一个长期的地下水氧化作用不断导致铀的富集的过程，因此成矿过程是动态的，成矿体系完全是开放式的，铀矿石可能受到后期的改造和破坏，尽管可以采取各种修正措施，如根据U-Ra平衡系数对样品铀含量进行修正等，在一定程度上提高精度；但总体上体系很难真正保证一直处于U、Th、Pb封闭体系，因而利用全岩U-Pb法测定砂岩型铀矿成矿年龄在理论上可能存在一定的误差和局限性。由于上述原因，尽管前期国内外均做了大量的工作，也取得了丰富的认识，但对砂岩型铀矿的定年仍要不断地进行探索、发展和完善[11-14]。

2.2微区原位测年

目前已经发展起来的微区原位测年是成矿年代学中应用广泛的方法，分为同位素微区原位测年和化学微区原位测年两种。与全岩/单矿物U-Pb等时线法相比，微区原位测年具有经济快速、不需要挑选单矿物以及化学分离、高空间分辨率、可以区分不同期次的矿物(锆石、独居石等)、可以原位区分并避开经受后期流体作用干扰的区域，因而可能得到更具有实际地质意义的年龄。

2.2.1电子探针化学测年

电子探针仪是对一种单矿物微区进行定量化学分析的仪器，电子探针化学微区原位测年技术近年来已经应用于岩浆岩和变质岩其主要测试对象以独居石居多。周建雄等(2002)、陈强等(2006)、陈能松等(2007)等多位学者运用电子探针对已知年龄的独居石标样或者已知年龄范围的独居石样品进行定年分析，测试标样的年龄与标定值一致，样品的电子探针化学年龄也在推测值范围之内，认为在富Th、U、Pb，几乎不含普通Pb而且封闭温度高的独居石中进行电子探针化学年龄分析是一种可靠有效的方法。但是电子探针微区测年也同样存在一些缺点，如其检测值的精度比较低，只能测定Pb的总量而不能识别Pb的三种同位素，没法通过Pb同位素比值校正体系的准确年龄值，或鉴别年龄是否谐和。在目前分析的条件下电子探针化学年龄的解释也必须以区域上其它准确可靠的年代学数据为重要参考才具有地质意义[15]。

2.2.2同位素微区原位精确测年

目前矿床学中成矿年代学研究应用最广泛的方法就属同位素微区原位测年技术。其中对成岩成矿岩矿石中的锆石进行激光剥蚀电感耦合等离子体质谱FLA-ICP-MS U-Pb年龄的确定，无论从原理上、还是测试方法、直至结果处理等方面该方法目前均是成熟的，其先进性和高精度在国内外处于研究的前列，堪称是现在矿床学年代学中的“精确定年”。由于锆石较为稳定，受后生作用影响较小，且由于Zr与U之间类质同像的地球化学特征，使锆石U-Pb法测年得到广泛应用[16-17]。其方法手段是利用激光剥蚀系统与ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪)相联机的方法，进行固体物质原位微区U-Pb定年，与此同时，还可进行该矿物微区稀土元素和铪同位素测试，这些数据可为矿物成因或矿床成因认识提供大量信息(吴元保等，2004；柳小明等，2007；孙金凤等，2012；袁洪林等，2003，2013；Yuan H L et,2004，2008)。

2.2.3FLA-ICP-MS 法在铀矿物定年中的应用

目前在铀矿地质测年方面，随着新的测试仪器和测试方法及数据处理新软件的出现和应用，从理论和实践方面对砂岩型铀矿精确定年的新的探索慢慢露出苗头，其思路变得愈来愈清晰。FLA-ICP-MS 铀矿物定年法已有很多学者对其进行了探索。由于铀矿物的单颗粒相对比较小并且没有固定的晶型所以很难像锆石、独居石一样先进行单矿物挑选后再制成靶来进行FLA-ICP-MS U-Pb 定年。因此FLA-ICP-MS U-Pb 定年的样品制备我们采用直接把样品制成探针片，但是由于激光剥蚀较为强烈防止把探针片击穿我们采用了含铀量较高的矿石样品制成150～200 μm左右的加厚的电子探针片(约是一般普通探针片的5倍)。先用电子探针找到铀矿物的具体位置对照着在电子显微镜下圈出铀含量较高铀矿较大且较为平整的区域然后把探针片放在飞秒激光剥蚀四级杆等离子体质谱仪下来完成LA-ICP-MS铀石U-Pb同位素定年分析。

为了全面了解铀矿物FLA-ICP-MS U-Pb定年结果的合理性，了解LA-ICP-MS铀矿物 U-Pb定年与传统的全岩/单矿物U-Pb等时线法测试结果的差异性，搜集了前人对鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿年龄运用不同方法得出的实验的结果进行对比(表 1，图4)。从鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿“全岩——铀混合矿物——铀矿物”LA-ICP-MS U-Pb 年龄对比图(图 4)可以清楚的看出利用全岩U-Pb等时线法测定的鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿年龄，最老的年龄有下侏罗统、上侏罗统，其次是早白垩世、晚白垩世等，年轻的年龄数据较少，仅有始新世、中新世等。由铀单矿物(应是混合单矿物)所做的U-Pb等时线年龄则较全岩年龄偏年轻，为古新世、中新世，没有老年龄也没有特别年轻的年龄。而由LA-ICP-MS 铀石U-Pb法测得的年龄则更年轻，与全岩U-Pb等时线法对比没有了很老的年龄，但是具有更新世更年轻的年龄，说明这个测试的系统越来越接近封闭体系，越来越符合等时线测年法和地球化学的原理，应该是真正意义上的精确定年。所以用LA-ICP-MS铀石 U-Pb定年更加精确，为沉积盆地勘探预测提供一个较为精确的理论依据。

表1　鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿年龄数据表

3结语

文章通过对砂岩型铀矿基本特征进行总结，分析了目前砂岩型铀矿定年现状，清楚地了解到FLA-ICP-MS U-Pb定年法目前在铀矿物定年中是最符合等时线测年法和地球化学的原理，这样可以更为精确的得知矿体的年龄从而对应所受的构造演化历程，为沉积盆地勘探提供一个充分的依据。总而言之砂岩型铀矿精确定年技术的发展离不开先进科学仪器设备的研发和测试方法的创新，目前的测试方法还属于一个不断完善的阶段，比如用飞秒激光剥蚀四级杆等离子体质谱仪来完成LA-ICP-MS铀石U-Pb同位素定年测试时所用的标样依然是锆石，我们可以考虑是否可以用铀石单矿物直接来像锆石一样做成标样来对砂岩型铀矿进行LA-ICP-MS铀石U-Pb同位素定年，这样可能既不会污染仪器，也可能会得到一个更加合理更加精确的年龄，使得铀矿物年代学有个新的突破，这个问题值得研究者来探讨验证。

图4　鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿“全岩—铀混

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[收稿日期]2015-11-06

[作者简介]罗晶晶(1991-)女，陕西西安人，在读硕士研究生，主攻方向：地质学。

[中图分类号]P578.4+93

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)03-0245-03