二连盆地卫镜岩体风化作用地球化学特征研究

李西得，刘军港

（核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

在地壳中通过流体所发生的水-岩作用是一类重要的地质作用［1-2］，宏观上来说，水岩反应可以改变岩石的结构构造，同时会造成矿物分解［3-4］，有利于矿物包裹体或者晶格中金属元素的释放，导致大量水溶性元素和金属元素发生活化迁移，对成矿有重要意义［5］，因此研究岩体的风化作用条件下的岩石地球化学特征，对于揭示在风化作用条件下元素的富集和迁出机制及其对成矿的作用具有重要意义［6］。卫镜岩体位于内蒙古二连盆地西部，形成时代为279 Ma，属于弱过铝质的高钾钙碱性系列的I 型花岗岩，起源于年轻的源区［7］，已有研究认为该岩体是二连盆地砂岩铀矿床的重要铀源［8］，因此本文拟采用岩石地球化学手段对新鲜-风化的花岗岩进行研究，探讨风化过程中元素活动性，本研究对其岩体风化作用过程中元素地球化学行为研究和认识铀的迁出机制和能力有重要意义。

1 地质背景

研究区大地构造位置位于西伯利亚板块南缘与华北地台北缘接壤部位，中亚造山带（兴蒙造山带） 中部，艾勒格庙-锡林浩特前寒武系地块的中西段，位于索伦山板块缝合线和贺根山断裂之间，属于滨太平洋成矿域大兴安岭铀成矿省二连盆地铀成矿区的巴音宝力格隆起铀成矿带［9］。二连盆地基底主要由元古宇石英岩、大理岩、云母石英片岩及变粒岩等中等变质岩和古生界凝灰岩、变质砂岩、片岩、板岩夹结晶灰岩组成。上古生界广泛分布于盆地周边，构成盆地的主要基底，岩性主要为变质石英砂岩、硬砂岩、安山岩、安山质凝灰岩、灰岩、板岩等。盆地盖层发育较齐全，从侏罗系至第四系均有沉积，主体由白垩系、古近系和新近系构成 （图1）。二连盆地是在艾力格庙-锡林浩特微板块的基础上发育起来的中生代断陷-坳陷盆地，其沉积构造是在基底构造基础上，通过中新生代拉张断陷和差异升降两大不同应力场环境，逐渐继承发展和改造变化而来［10］。前中生代岩浆活动在元古宙、早古生代，晚古生代都有所显示，尤以晚古生代海西中晚期岩浆活动更为明显，除侵入岩外，还有中性、中酸性火山岩、凝灰岩等。中、新生代岩浆活动主要发生于燕山期及喜山期，燕山期主要为中酸性、酸性岩浆岩类及其对应的喷出岩；喜山期主要为喷出岩-玄武岩。

2 样品特征及分析方法

本次分析样品采集于卫镜岩体地表和附近的ZK15、ZK17 等钻孔，采集过程中将其划分为新鲜岩石、风化岩石。每类件样品一分为二，一部分磨制光薄片进行岩相学观察研究，剩余对应样品在玛瑙研钵内手工磨碎至200 目，整个过程保证无污染。样品的主微量元素分析皆在核工业北京地质研究院分析测试中心开展。主量元素测试方法为： 样品置于105℃烘箱烘干2 h，再经1 000 ℃煅烧熔融后进行玻璃熔片制定，然后用XRF-1800 波长扫描，X 射线荧光光谱仪测定，测试仪器为飞利浦PW2404X 射线荧光光谱仪。实验过程中，X 射线管电压为50 kV，电流为50 mA，元素的测定精度可达0.01%，分析误差＜5%。此外，用化学分析法（CA）测定样片中氧化亚铁的含量 （测定范围＞0.5%），详细的分析流程见中华人民共和国国家标准 GB/T 14506.14—2010。微量元素采用电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）分析，样品经溶样定容后，在德国Finnigan-MAT 公司制造的HR-ICPMS（ElementⅠ）仪器上进行测定。测试方法依据DZ/T 0223—2001 方法通则，工作温度、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%，小于10×10-6时的相对误差小于10%，试方法依据GB/T 14506.30—2010“硅酸盐岩石化学分析方法”第30 部分： 44 个元素量测定。

3 岩相学特征

图2 二连盆地卫镜岩体新鲜和风化花岗岩特征Fig.2 Hand specimens of weathered granite and microscope photograph of fresh granite from Wejing pluton in Erlian Basin

卫镜岩体岩性为浅肉红色中粗粒黑云母钾长花岗岩（图2a），粗粒花岗结构，块状构造，主要矿物为石英、钾长石、斜长石和少量黑云母。钾长石以微斜长石为主，含量约40%，自形-半自形板状结构，粒径大小不等，长轴范围为1～4 mm；斜长石含量约10%，自形-半自形板状，长轴1～4 mm，可见聚片双晶，偶见弱-中等绢云母化；石英含量约35%，半自形-他形粒状，粒径0.5～7 mm；黑云母约占10%，可见多色性，呈深棕色-浅棕色；副矿物主要为锆石、磁铁矿、褐帘石等，含量约为5%（图2b）。风化花岗岩中钾长石和斜长石风化较强，风化为高岭石、黑云母发生弱的绿泥石化并含量减少等（图2c、d）。

4 结果与讨论

8 件样品的化学分析结果见表1、2。由于在化学风化过程中，活动性元素的淋失或岩石体积缩小会掩盖地质过程中元素迁移或富集的真实面目［11］。因此一般采用Grant 等浓度图解来处理［12］，即以不活动元素为参考来计算蚀变或化学风化前后岩石中元素的质量迁移，表达方式为：

表2 二连盆地卫镜岩体微量元素地球化学数据/10-6Table 2 Trace element analyses of Weijing pluton in Erlian Basin

本文采用Al 元素对主微量元素进行处理。处理后的数据见表1、2。风化过程中一般采用化学风化指数CIA＝［Al2O3/（Al2O3＋CaO*＋Na2O ＋K2O）］ ×100）［13］和样品在 Al2O3-（CaO*＋Na2O）-K2O 三角图中的分布来探讨化学风化程度和岩石化学风化过程中主成分和矿物学变化（其中CaO* 指硅酸盐中的CaO），相应处理结果见表1、图3。

4.1 主量元素

由表1 可以看出，相对新鲜岩石，风化样品的CIA 值介于58.67～60.07，反映寒冷、干燥气候条件下低等化学风化程度。另外，半风化到地表强风化花岗岩的化学蚀变指数逐步升高，表明样品化学风化程度增强，长石逐渐蚀变为黏土矿物。由图3a 可以看出，半风化产物的主要成分演化趋势线平行于Al2O3-（CaO*＋Na2O）边，说明样品中的斜长石最先风化分解，Ca、Na 流失，而钾长石相对稳定，但是在地表强风化产物的主要成分演化趋势线近似平行于Al2O3-K2O 边，钾长石风化分解明显，蒙脱石、伊利石、高岭石是该阶段的主要次生矿物，由于长石类矿物在酸性湿润气候条件下容易风化为高岭石和埃洛石［15］，本风化花岗岩特征暗示风化条件为干旱条件。

图3 二连盆地卫镜岩体花岗岩新鲜-半风化-风化样品元素变化图解Fig.3 Element migration diagram of fresh-weathering-weathered granite sample from Weijing pluton in Erlian Basin

由表1 和图3 可以看出，相比新鲜岩石，随着风化作用加强，Na、K 等成分明显降低，反映了长石类矿物的分解，尤其在强风化条件下钾长石分解作用明显；P 含量也明显降低，表明强风化条件下原生含磷矿物（如磷灰石）分解释放P；Mg、Ca 与Si 的变化趋势相似，半风化条件下明显下降，地表风化程度变强时又有所升高，反映黏土矿物的吸附作用对Mg、Ca 的影响；、FeO 含量降低明显，且表现出较为一致的变化趋势，表明的变化主要受到FeO 含量变化的影响，在花岗岩中最常见的含FeO 矿物是黑云母［16］，其次为磁铁矿、黄铁矿等副矿物，但是地表露头和镜下特征表明黑云母并未发生明显分解，且风化岩石中Mg、F 并无明显降低（F 主要赋存于黑云母中［17］），这表明FeO 的降低并非主要与黑云母等暗色矿物的分解关系，更可能与磁铁矿和黄铁矿的氧化淋滤有关。H、LOI、S 和C 在强风化样品中含量明显降低，暗示风化条件为干燥氧化气候条件，与前文分析一致。Ti 的含量较为稳定，说明在化学风化过程中Ti 也是稳定元素。可见，卫镜岩体花岗岩风化过程中Ca、K、Mg、Fe、C、S等元素容易迁移，P、Mn、Na 次之，而Ti、Al 属于稳定元素。

4.2 微量元素

微量元素结果见表2，由表可以看出，相对于新鲜花岗岩，风化花岗岩中多数微量元素表现为稳定的特征，比如铁族元素Cr、Ni、Ti 及REE 等，但是少量元素表现出富集或者迁出的特点，如Nb、Ta、Zr、Hf、Th、Y 等高场强元素以及部分大离子亲石元素Pb、Rb、Be、Li、Sb 存在一定程度的富集趋势，明显迁出的元素有U、V、Sr。化学风化过程中，微量元素的活化主要是含微量元素的矿物的分解引起的［18］。Ba、Rb 和Cs 与K 的化学性质相似，主要赋存于钾长石和黑云母中，Sc主要存在于黑云母中，分析结果显示，风化岩石中以上元素均无明显变化，这主要受风化条件下原生矿物分解释放和黏土矿物吸附相互制约的过程共同控制；Sr 主要以替代Ca形式出现于斜长石中［1］，易随斜长石的风化而淋失；Nb、Ta、REE 赋存于榍石中，Zr 和Hf主要受锆石控制［19］，这些元素在风化岩石中的明显升高可能主要与榍石和锆石的稳定性有关，风化作用导致活动元素淋滤迁出，稳定重矿物滞留原地，导致风化岩石中Nb、Ta、Zr、Hf 的含量整体升高；Co、Ni 元素倾向于赋存在黄铁矿、磁铁矿等矿物中［20］，风化样品中的轻度降低，主要与该矿物的氧化分解有关，由于该类矿物含量有限，因此降低幅度不大；U、V 和Th 元素在风化过程中呈现相反的趋势，即在风化样品中Th 含量升高、U、V 降低，这主要与3 种元素在风化条件下的价态有关，如在氧化条件下U 主要呈＋6价，易溶于水，从而随着风化作用进行不断迁出，而Th 则为＋4 价，不易溶于水，因此在风化过程中滞留原地，造成原地的富集［21］。另外，一般情况下，Zr/Hf、Nb/Ta、Th/Sc、Zr/Nb、Sm/Nd 等元素比值在风化条件下保持稳定，因此常常用来风化物源区，但结合本文数据来看，除了Sm/Nd 值外，其他比值均发生了变化，表明在化学风化条件下，以上元素比值会发生解耦，因此用来示踪源区时需深入判断。

4.3 稀土元素

图4 二连盆地卫镜岩体花岗岩新鲜-半风化-风化样品稀土配分模式图Fig.4 REE pattern of fresh-weathering-weathered granite sample from Weijing pluton in Erlian Basin

图4 为不同类型样品的球粒陨石标准化稀土配分模式图，由图可以看出，二连盆地卫镜岩体为轻稀土明显富集，Eu 中等亏损、Ce 弱亏损的低稀土含量花岗岩，且风化作用并未明显改变稀土配分模式，Eu/Eu* 和Ce/Ce* 表现出波动性的轻微变化，可能与矿物的风化分解和黏土矿物的交换吸附有关。已有研究表明，Y 与Ho 在大多数地质过程中表现出相似的地球化学行为，因此二者比值常常保持稳定，但本地区不同风化样品的Y/Ho 值却明显高于新鲜岩石和球粒陨石（～38）的值，表明二者在化学风化过程中发生了解耦，这可能与地表含量丰富有关［17］，由于Ho与的络合能力强于Y，因此在水-岩作用过程中Ho 容易迁移淋失，而Y 更易吸附在固体颗粒而滞留原地［22］，从而导致在风化的样品中Y 与Ho 比值明显升高。

5 结论

1） 风化样品的CIA 值介于58.67～60.07，反映寒冷、干燥气候条件下低等化学风化程度，在半风化过程中，斜长石最先风化分解，Ca、Na 流失，钾长石相对稳定，在地表强风化条件下，钾长石风化分解明显，同时原生含磷矿物（如磷灰石）分解释放P 而淋失；黏土矿物的吸附作用导致Mg、Ca 在地表强风化条件下富集；、FeO 含量降低明显，更可能与磁铁矿和黄铁矿的氧化淋滤有关；H、LOI、S 和C 在强风化样品中明显降低，暗示风化条件为干燥氧化气候条件。卫镜岩体花岗岩风化过程中Ca、K、Mg、Fe、C、S 等元素容易迁移，P、Mn、Na 次之，而Ti、Al 属于稳定元素。

2） 铁族元素Cr、Ni、Ti 及REE 等微量元素保持基本稳定，Nb、Ta、Zr、Hf、Th、Y等高场强元素以及部分大离子亲石元素Pb、Rb、Be、Li、Sb 一定程度富集，U、V、Sr 明显迁出，且Zr/Hf、Nb/Ta、Th/Sc、Zr/Nb 等元素比值均发生变化，主要受风化条件下原生矿物分解释放和黏土矿物吸附相互制约的过程共同控制；不同样品稀土配分模式一致，但Y/Ho 值明显高于新鲜岩石的值，可能主要与地表含量丰富有关。