甘肃省龙首山白岗岩特征及其与铀成矿的关系

杨春四, 张树明,2, 赵亚云, 彭瑞强

(1.东华理工大学 省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地,江西 南昌 330013; 2.东华理工大学 放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室,江西 南昌 330013; 3.中国核工业地质局 208大队,内蒙古 包头 014000)

甘肃省龙首山白岗岩特征及其与铀成矿的关系

杨春四1, 张树明1,2, 赵亚云1, 彭瑞强3

(1.东华理工大学 省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地,江西 南昌 330013; 2.东华理工大学 放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室,江西 南昌 330013; 3.中国核工业地质局 208大队,内蒙古 包头 014000)

对白岗岩的岩相学、地球化学、成岩年龄、物质来源、成岩条件和岩石演化特征等方面作了系统总结,结果表明:岩石为富硅、富钾、过铝质、钙碱性,贫钙、铁、镁花岗岩,微量元素Cr、Ni、Co等铁族元素和Mo、Zr、Zn等亲硫元素相对富集,轻重稀土的比值<1,稀土分配型式呈平坦状,有明显的铕负异常。研究表明研究区白岗岩为龙首山群地层经重熔作用形成的花岗质岩浆结晶分异的产物;白岗岩与铀矿有明显的共生关系,并且为铀矿形成提供了铀源和热源。

白岗岩;铀成矿;龙首山

龙首山成矿带是一条多金属成矿带,东段产有世界著名的与超基性岩有关的Cu-Ni-PGE 硫化物矿床(金川矿床),中段为典型碱交代型铀矿床(如芨岭矿床、新水井矿床等),西段有伟晶状白岗岩型铀矿床(即红石泉矿床)。甘肃红石泉铀矿床含矿主岩为元古代伟晶状白岗岩,在总结前人研究的基础上,结合本项目组近些年来的研究成果,对白岗岩的特征进行总结,并简要探讨与铀成矿之间的联系。

1 区域地质概况

龙首山成矿带位于华北板块西南缘,东起甘肃红崖山,向西延伸到张掖市西北,东西长180 km,其北与阿拉善潮水盆地相接,其南与祁连加里东地槽之走廊过渡带相邻,南北宽n～10n km[1],面积约2 600 km2(图1)[2]。经历了多旋回地质构造演化过程,是中国西北地区一个重要的铀成矿带[3]。

区内主要地层有下元古界龙首山群(Pt1l)、中元古界墩子沟群(Pt2d)和上元古界韩母山群(Pt3h)。龙首山群(Pt1l)岩性为片岩、片麻岩、大理岩、石英岩和斜长角闪片岩等,是主要出露地层。墩子沟群(Pt2d)出露面积范围小,下部岩性为硅质条带状白云质大理岩、结晶灰岩,上部为炭质千枚岩夹灰岩条带。韩母山群(Pt3h)岩性为基性火山岩夹薄层千枚岩、透闪石片岩和结晶灰岩、白云质泥质灰岩。

该区总体构造线呈310°～ 320°方向,该断裂构造—岩浆活动—成矿带内的铀和其他金属内生矿床均为古生代构造—岩浆活动的产物[4]。区内褶皱构造发育,按其展布方向可分3组:NW向、近EW向和近SN向。NW向断裂形成于元古代,该组断裂相互平行,每隔30～50 m出现一条破碎带,带内充填大小不等的挤压透镜体;近EW向断裂为次级断裂构造,延伸数十米,倾角中等;近SN向断裂切割岩体或矿体,结构面平直光滑,延伸数十米—数百米,错距较小,一般为1～2 m。构造基本控制了地层的展布和侵入岩的分布,定位了多金属矿床(点)的时空展布。

该区侵入岩十分发育,种类较多,约占全区总面积的20%,主要岩石类型为超基性、基性、中性、酸性、碱性侵入岩,展布方向与区域构造基本一致。其中,中条期岩石类型以成矿带西段的中酸性岩为主,呈岩株、岩枝和岩脉产出,规模不大;超基性岩浆以金川地区为主,岩体呈岩墙产出。加里东期岩浆活动表现为期次多而强烈,多数为复式岩体,以芨岭岩体为代表,演化分异充分,晚期花岗岩富碱,系深部陆壳重熔交代成因[5]。海西期岩体主要呈串珠状岩枝,沿区域性断裂分布,带内已发现多处碱交代型铀矿床、铀矿化点[6]。

图1 龙首山成矿带区域地质图[2]

Fig.1 Regional geological map of metallogenic belt in Longshoushan

2 白岗岩地质特征

2.1 岩相学特征

新鲜的白岗岩多呈灰白色,少数为浅黄微带褐色,风化后为灰黑色或者紫红色,伟晶状花岗结构,块状构造。主要矿物为石英和钾长石(图2-a),次要矿物为斜长石和白云母(图2-b),副矿物常见有黄铁矿、锆石、辉钼矿。石英为他形晶(图2-c),颗粒大小不等,含量40%左右,局部达70%,其形态和成因复杂,主要有烟灰色他形粒状的岩浆共结结晶石英、灰色不规则粒状集合体的石英、变余石英及晚期细小脉状石英;钾长石呈半自形—他形晶,发育有纤细的格状双晶,晶粒粗大,约1～2 cm,最大可达5 cm,常见类型为条纹长石和微斜长石(图2-d),含量约40%～50%,镜下局部可见石英和钾长石形成的显微文象结构(图2-e);斜长石含量不均匀(图2-f),含量约10%,颗粒一般比钾长石小,钠长双晶发育,有轻度绢云母化。白云母分布不均匀(图2-e),一般呈较大的片状集合体,粒径一般为0.5～1 cm,但经常能看到更大的晶体,偶尔出现在石英、长石颗粒的间隙中,个别白云母的周边有铁质富集。

2.2 地球化学特征

岩石主量元素分析结果主要源于本项目组数据以及北京三所、戎嘉树报告、二○三研究所部分研究成果;微量元素、稀土元素、同位素分析结果来源于本项目组成果(表1、表2)。

岩石平均化学成分SiO2=73.84%,Al2O3=12.82%,CaO=0.73%,MgO=0.53%,Na2O=2.36%,K2O=6.36%,Na2O/K2O=2.69,Fe2O3/FeO=0.22,(Na2O +K2O)/CaO=11.95,σ=2.5,属于富硅、富钾、过铝钙碱性,贫钙、铁、镁花岗岩类。

微量元素富集Cr、Ni、Co等铁族元素和Mo、Zr、Zn等亲硫元素,钼是伟晶状白岗岩的特征元素,且其多少与铀含量呈正消长关系。

白岗岩的稀土分配型式呈平坦状,轻重稀土的比值多<1,有明显的负铕异常。伟晶状白岗岩铀含量较高,因岩石中常含数量不等的晶质铀矿,造成岩体普遍低度铀矿化。

岩石同位素测定显示,该岩体的(87Sr/86Sr)i为0.727～0.963[7],根据I型与S型花岗岩(87Sr/86Sr)i=0.706(I型<0.706,S型>0.706)的划分标志,白岗岩具有S型花岗岩的特征,其岩浆来源主要为地壳物质的部分熔融,其成因类型应为半原地型壳源重熔—结晶交代岩石,其压力>30 GPa,实际测得矿物生成温度为370～430 ℃[5,8]。

2.3 成岩年龄

关于白岗岩的成岩时代也获得了详细资料(表3),伟晶状白岗岩形成年龄集中在1 750—1 800 Ma之间,认为应是中条期的产物。但是华北地台在1 850 Ma左右时,根据锆石年龄资料,有一期广泛的区域变质作用和混合岩化作用,形成了广泛分布的一期铀矿化,同位素年龄为1 832—1 834 Ma[9]。很显然与前人获得的1 750—1 800矛盾,本项目组近期获得锆石年龄(另文发表),结合野外观察,笔者认为白岗岩成岩年龄应为2 470 Ma。资料显示在2.5 Ga左右,华北板块的东部地块和中部地块正值大规模的岩浆作用,地壳剧烈生长的高峰期,白岗岩的形成正是岩浆活动在西部地块的一个体现。

图2 白岗岩手标本及镜下显微照片

Fig.2 Photographs of hand specimens and micrographs of alaskite

Q.石英;Bt.黑云母;Pnn.叶绿泥石;Pl.斜长石;Ms.白云母;Pth.条纹长石。

表1 白岗岩主量元素和微量元素分析结果

Table 1 Major and trace element analytical results 单位:10-6

样号LSS13-17LSS13-09LSS13-12LSS14-23LSS13-11LSS13-13LSS14-09LSS14-64LSS14-56LSS13-06SiO272.7874.8872.6977.8175.1572.9175.1273.4867.3273.16TiO20.210.080.010.030.210.120.650.190.680.29Al2O311.4412.6112.7911.5211.8913.3012.7612.8713.1813.36Fe2O30.520.310.290.130.420.070.300.232.570.57FeO1.560.280.780.561.711.232.042.182.352.07MnO0.090.030.010.060.030.030.080.130.080.09MgO0.920.010.520.320.290.450.370.921.550.79CaO2.030.940.750.610.290.750.750.850.141.16Na2O2.022.832.452.182.102.642.212.382.822.10K2O5.526.517.865.696.206.045.245.496.486.05P2O50.030.010.090.040.090.050.040.030.060.07LOI2.250.961.460.991.161.640.311.142.640.24Rb229163245207100158129167383253Ba690535630499327525269300782998Th96.520.443.112.111868.336.912.717.219.2U162413.987.816.52388133246.2126.59249Ta1.741.174.30.9482.933.183.690.7731.892.15Nb30.914.173.8116471.87310.824.833Sr15569.317258.522816252.948.530.8153Zr29879.8409135690262514189136264Hf11.23.213.64.523.29.3919.15.734.339.56Y45.119.236.120.751.125.110724.630.624La15.320.344.631.636.440.918.424.856.530.2Ce32.736.788.361.270.377.140.645.810957.1Pr3.963.9810.97.18.389.875.185.7212.46.56Nd16.313.641.626.330.637.120.526.545.424.2Sm5.182.336.714.645.865.676.547.864.41Eu1.120.3781.740.7370.6451.60.6061.941.141.08Gd5.142.155.23.955.094.756.516.926.723.92Tb1.540.4180.7340.6441.040.6822.021.271.090.742Dy10.52.623.473.596.463.2613.86.135.474.33Ho2.270.5640.6250.7031.450.6093.581.171.080.879Er6.61.71.762.184.71.7510.82.83.112.62Tm1.150.3120.2950.3740.8870.2842.40.5020.5860.454Yb7.272.051.852.355.651.8815.43.24.083.02Lu0.7630.3190.6480.3521.030.5782.050.3570.5160.467

表2 白岗岩Sr、Nd同位素组成

表3 白岗岩成岩年龄一览表

3 白岗岩岩石演化特点与成岩条件讨论

3.1 岩石演化特点

根据白岗岩矿物组合和地球化学特征,伟晶状白岗岩体从中部向边缘大致可划分三种岩石类型:正常伟晶状白岗岩、含黑云母白岗岩和黑云母白岗岩。由于该岩体以正常伟晶状白岗岩为主,因此仍将其称为伟晶状白岗岩体。这三种类型的岩石不仅有明显的岩石物质成分上的差异性,而且也反映出岩浆的分异演化趋势[10]。

3.1.1 矿物成分演化特点

从正常伟晶状白岗岩到含黑云母白岗岩,再到黑云母白岗岩,暗色矿物和副矿物逐渐增加,特别是黑云母和晶质铀矿含量明显增加。与晶质铀矿密切共生的黑云母沿长石、石英粒间或微裂隙呈脉状、网脉状充填,显然为岩浆结晶分异晚期的产物。

3.1.2 微量元素演化特点

从正常伟晶状白岗岩到含黑云母白岗岩,再到黑云母白岗岩,绝大部分微量元素都有增加的趋势,特别是U含量增长非常显著。这进一步反映出暗色矿物、副矿物在岩浆结晶分异晚期富集的特点。

3.1.3 稀土元素演化特点

从正常伟晶状白岗岩到含黑云母白岗岩,再到黑云母白岗岩,稀土元素总量增加,这与一般花岗岩随岩浆分异演化稀土元素总量逐渐减少具有明显的差异;Eu由正异常转变为负异常;重稀土相对于轻稀土而明显增加。副矿物和暗色矿物的稀土元素分配系数较大,易于在这些矿物中富集。对于钾长石和斜长石,除了Eu的分配系数>1外,其它稀土元素的分配系数均<1,这表明它们以富集稀土元素Eu为特点。由于在白岗质岩浆结晶分异中首先晶出斜长石、钾长石和石英,这就使早期结晶的白岗岩中稀土元素总量较低,使得稀土元素在岩浆结晶分异晚期相对富集,并出现Eu正异常。到岩浆气成热液成矿阶段,由于大量暗色矿物和副矿物的形成,稀土元素总量明显增加,并因成岩早期阶段斜长石的分离结晶,出现了Eu负异常的现象。

3.2 成岩条件讨论

白岗岩与龙首山群变质岩微量元素成正相关关系,加之随着白岗质岩浆的演化,白岗岩的稀土元素分布模式与龙首山群变质岩的模式越来越接近,表明了白岗岩与龙首山地层的继承性与内在联系;白岗岩中Mg2+/Fe2+的值为0.44～0.49,而87Sr/86Sr的平均初始值为0.785,反映出岩浆物质来自于壳源物质重熔(龙首山群87Sr/86Sr初始值为0.723 2～0.767 7[13]);综上可以得出,白岗岩是龙首山群地层经重熔作用形成的花岗质岩浆结晶分异的产物。

4 白岗岩与铀成矿关系讨论

伟晶状白岗岩的形成和演化对铀矿化有着明显的控制作用。

(1) 成岩成矿时间上,白岗岩的成岩时间为2 470 Ma,耿元生[14]等(2010)研究表明,该期岩浆事件主要集中在2 540—2 490 Ma的50 Ma期间,而成矿年龄的初步富集和叠加主要发生在中条期和加里东期,两者在时间上有一定的延续性。

(2) 已探明资料表明,红石泉矿床铀矿体主要产于伟晶状白岗岩中,两者空间上具有明显的共生关系。

(3) 王木清(1982)所测得两个黄铁矿样品的硫同位素δ34S分别为0.32‰和1.32‰(位于幔源硫储库的范围0±3‰,Chaussidon,1990),而Co/Ni比值为0.84和3.25,说明伟晶状白岗岩在形成过程中可能有深源火山物质的加入。幔源热液为沿薄弱带上侵过程中,对围岩产生热力作用和物质成分的改造,使得龙首山群岩石(泥质岩、碎屑岩和火山物质)选择性重熔形成花岗质岩浆,为伟晶状白岗岩铀矿床的形成提供了热源。

(4) 岩浆活动为铀的活化转移创造条件。白家嘴子组的铀平均含量为3.7×10-6,在岩浆运移和侵位过程中,由于U的熔融活化度较大,使得U从围岩浸出到岩浆熔体中,冷凝结晶形成伟晶状白岗岩(U=2.75×10-6～8.35×10-6),为伟晶状白岗岩铀矿床的形成提供了铀源。

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(责任编辑：于继红)

The Characteristics and Its Relationship with Uranium Mineralizationof Alaskite in Longshoushan,Gansu Province

YANG Chunsi1, ZHANG Shuming1,2, ZHAO Yayun1, PENG Ruiqiang3

(1.StateKeyLaboratoryBreedingBaseofNuclearResourcesandEnvironment,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013; 2.KeyLaboratoryofRadioactiveGeologyandExplorationTechnologyFundamentalScienceforNationalDefense,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013; 3.NO.208GeologicalPartyCNNC,Baotou,InnerMongolia014000)

The authors do the system summary on petrography,geochemistry,geochronology,material source,rock-forming conditions and evolution characteristics of alaskite,and the result shows that the pegmatoidal alaskite is silicon-rich,potassium-rich,over aluminum,calcium alkaline,calcium-poor,iron-poor,magnesium-poor granite.Enrichment of Cr,Ni,Co and other iron group elements and Mo,Zr,Zn and other pro- sulfur element in trace elements.The LREE and HREE ratio is less than 1,and the distribution of rare earth elements shows flats shape.There has a significant negative Eu anomalies,which is the product of Longshoushan stratum.Pegmatoidal alaskite and uranium deposits have obvious symbiotic relationship,and provides uranium source and heat for the formation of uranium deposits.

alaskite; uranium mineralization; Longshoushan

2016-05-18;改回日期:2016-08-16

国家自然科学基金项目(项目编号:41172079)资助。

杨春四(1989-),男,硕士研究生,矿产普查与勘探专业,研究方向为铀矿地质学。E-mail:ychsdzyx@163.com

张树明(1965-),男,博士,教授,放射性地质与勘探专业。E-mail:shmzhang@ecit.cn

P588.13+1; P619.14

A

1671-1211(2017)01-0018-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.01.004

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161208.1457.038.html 数字出版日期:2016-12-08 14:57