豫西卢氏县柳树湾伟晶岩型铀矿床岩石地球化学特征及其成矿意义

张同林,温国栋,张苏恒

(河南省核工业地质局,河南 郑州 450044)

伟晶岩型铀矿床是世界上最为重要的铀矿床类型之一[1],对比砂岩型、热液型和火山岩型等铀矿床类型,伟晶岩型铀矿床表现出品位低、分布不均等特点,但由于其易于规模化且便于开采受到了国内外学者的广泛关注[1--5]。国内伟晶岩型铀矿床以北秦岭造山带商--丹地区的伟晶岩型铀矿床最为发育[6--7],前人研究表明该地区具有巨大的找矿潜力,并先后在该地区发现了光石沟大型铀矿床和小花岔中型铀矿床[4--5]。沙亚州等人[2]和冯张生等人[8]对光石沟铀矿床的富铀层段和贫铀层段进行详细的地球化学研究后指出二者在地球化学特征上呈现显著的差异;何厚锦等人[9]对光石沟晶质铀矿进行了U--Pb年龄的测定,并限定了该矿床的形成时间;小花岔铀矿床的地球化学特征、形成时间以及可能的形成原因前人都有详细地论述[4--5,10]。卢欣祥等人[11--12]和李靖辉[13]对商--丹地区伟晶岩型铀矿床的地质特征、成矿背景等进行了论述,并认为豫西柳树湾地区也具良好的找矿前景;曲凯[14]和张盼盼[15]等人先后在豫西柳树湾地区找矿前景调研中发现该区黑云母花岗伟晶岩脉中存在铀(元素)的富集现象,曲凯等人[14]主要对柳树湾花岗伟晶岩型铀矿床中黑云母的化学特征进行了研究,张盼盼等人[15]则对该地区的地球化学特征进行了论述,但相比光石沟和小花岔铀矿床,柳树湾铀矿床的地质学特征研究仍较为薄弱,且地球化学数据的积累严重不足,基于此原因本文对柳树湾黑云母伟晶岩脉型铀矿床进行了详细的地球化学特征研究,并与光石沟和小花岔铀矿床进行对比,为该地区以后的铀矿勘查提供科学依据。

1 区域地质背景

柳树湾地区位于河南省三门峡市西南方向卢氏县内,西部毗邻灰池子花岗质复式岩体,该区属华北地层大区秦祁昆地层区北秦岭分区西峡--南召地层小区。大地构造位置位于秦祁昆造山系中秦岭弧盆系内商南--丹凤断裂带附近的商丹绿岩混杂岩带附近[16--17],可见宽坪岩体、黄龙庙岩体、灰池子侵入--复式岩体和商南岩体,自北到南依次出露二郎坪群、秦岭群、丹凤群[18--19](图1a),其中以秦岭群为主。秦岭群是一套富含泥质的陆源碎屑岩的高级变质岩系,也是研究区含铀花岗伟晶岩脉的主要围岩。

受加里东运动的影响,该区内岩浆活动频繁,构造十分活跃,并在437～382 Ma形成了研究区内规模较大的灰池子侵入--复式岩体[9--10,17,20]。灰池子岩体主要由明朗河岩体、蔡家沟岩体和淇河岩体组成,其中柳树湾伟晶岩型铀矿床分布在该岩体的东侧且更靠近明朗河和蔡家沟岩体,而小花岔和光石沟伟晶岩型铀矿床分布在该岩体的南侧并更靠近淇河岩体(图1b)。随着加里东期扬子板块与华北地块的俯冲[21],在研究区内形成了大量沿着侵入--复式岩体呈带状分布的伟晶岩岩脉,自内向外依次发育含矿黑云母花岗伟晶岩脉、不含矿二云母花岗伟晶岩脉和含稀有金属锂云母花岗伟晶岩脉[13,22],其中富钾黑云母花岗伟晶岩脉是本次研究的主要对象。

2 样品采集与分析

为探讨柳树湾地区含铀岩系的地球化学特征,本文系统地采集了研究区内各类岩石标本(图1c)。为确保数据的准确性,排除后期风化作用和大气林滤的影响,本文所测试样品均采自钻孔岩心和探槽新鲜面。将所采样品送至河南省岩石矿物测试中心制成薄片样,依据国家标准(GB/T 17412.1--3—1998)和行业标准(DZ/T 0130.9—2006)采用Leitz--ORTHOPLAN 型号显微镜进行镜下鉴定。主量元素和微量元素(包含稀土元素)送至河南省核工业放射性核素检测中心进行分析,其中主量元素依据国家标准(GB/T 14506.28—2010)采用X 射线荧光光谱仪进行检测;微量元素依据国家标准(GB/T 14506.30—2010)采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP--MS)进行检测。

3 岩石学特征

柳树湾地区赋铀岩性主要为富含黑云母钾化较强的肉红色黑云母花岗伟晶岩,少量为局部伟晶岩化的黑云斜长花岗岩,这些赋矿伟晶岩脉主要分布在灰池子复式岩体的内接触带,范围在0～300 m 内,并多与接触界线平行,其围岩主要为各类片岩和片麻岩,如斜长角闪片岩、黑云二长片麻岩、斜长二云片麻岩等。

黑云母花岗伟晶岩呈灰白色或肉红色、浅肉红色,具中--粗粒花岗伟晶岩结构、文象结构,呈块状构造,局部可见条带状构造。矿物成分主要为石英、钾长石、斜长石和黑云母等,可见晶质铀矿、锆石、榍石等副矿物。在镜下石英呈两种形态分布,一种为无色透明;另一种呈烟灰--茶褐色,具明显油脂光泽;长石粒径介于2～10 cm之间,局部可达15 cm,钾长石局部含量可达65%;黑云母呈板状、团块状或条带状分布在其它矿物颗粒之间。结合样品中铀的含量,发现赋铀层段的黑云母花岗伟晶岩多由于强烈的钾化作用而呈现肉红色(图2a),且石英多以具油脂光泽的烟灰--茶褐色晶体形式存在,颗粒较无矿段大;钾长石、黑云母含量明显增高,且黑云母呈他形团块状分散于矿物晶格中,少见自形板状;钾长石呈他形粒状,表面多因黏土化而略显浑浊,部分颗粒可见格子状双晶;斜长石多呈他形粒状,分布不均匀,部分颗粒被绢云母、黏土矿物交代。含矿段伟晶镜下的副矿物也呈现不同的特点,其中晶质铀矿是含矿段伟晶中主要的副矿物,在镜下呈现两种赋存形式,一种以细脉状赋存于黑云母中(图2b);另一种以晶型较好的形态赋存于矿物颗粒之间(图2c),部分由于微量元素的混染而呈黄绿色或黄褐色,粒径介于0.05～0.25 mm 之间。此外在部分样品中还可以看见钍石、黄铁矿、磁铁矿(图2d)和辉石、褐铁矿(图2e)等副矿物,其中钍石多以半透明状的棕褐色自形粒状产出,常被团块状的黑云母所包围。根据张盼盼等人[15]对该区钍石的电子探针测试显示,研究区铀矿除以晶质铀矿赋存于伟晶岩脉中,部分还以铀钍石的形式赋存于伟晶岩脉中。

图1 研究区位置图和地质简图(图a改自文献[23];图b改自文献[24])Fig.1 Geological map and sampling location of the study area

赋矿黑云斜长花岗岩多呈肉红色,具中--粗粒花岗结构,呈块状构造,矿物成分以斜长石和石英,含少部分黑云母(图2f)。斜长石多呈他形粒状,发育聚片双晶,表面常被绢云母、黏土矿物交代而略显污浊;石英呈茶褐色的他形粒状,具强烈波状消光;黑云母呈褐色的鳞片状分布于矿物间隔中,晶质铀矿多以细脉状赋存于黑云母中,局部可见铁质析出。

综上,柳树湾地区内的赋矿伟晶岩脉以具花岗结构的花岗岩为主,由于强烈的钾化作用而呈现明显的肉红色,出现烟灰--茶褐色石英,且矿物颗粒也较围岩粗大,矿物颗粒表面蚀变现象明显,这些特征可作为研究区岩石学找矿标志。

图2 研究区岩石学特征Fig.2 The microscopic characteristics of rocks in study area

4 地球化学特征

4.1 主量元素

柳树湾地区伟晶岩主量元素中SiO2含量占据了绝对优势(表1),其次为Al2O3、Na2O和K2O,依据《铀矿地质勘查规范》(DZ/T 0199—2015)划分标准可以看出研究区主量元素在含量上有一定的差异,其中工业矿石(U≥0.05%)的SiO2平均值为73.66%;低品位矿石(0.03%≤U＜0.05%)的SiO2平均值为67.96%;含矿伟晶岩(0.01%≤U＜0.03%)的SiO2值为65.80%,表明研究区矿石的铀含量与伟晶岩脉SiO2含量呈正向相关性(图3a)。在伟晶岩矿石和含矿伟晶岩中Al2O3介于10.64%～19.83% 之 间,平 均 为14.62%;Na2O 和K2O 含量较为接近,平均值分别为3.67%和3.89%(表1)。Na2O＋K2O 介于5.27%～9.60%之间,平均为7.56%,K2O/Na2O 值平均为1.31,上述特征表明研究区在成矿过程中存在Na2O 和K2O 的迁移,并由于K 的富集导致研究区含矿岩段呈现肉红色的岩石学特征,但研究区Na2O＋K2O 值略低于灰池子复式花岗岩体中的明朗河岩体(7.64%)[16]而高于蔡家沟岩体(6.59%)[16]和淇河岩体(7.22%)[16],且灰池子复式花岗岩体K2O/Na2O 均小于1[16],说明柳树湾伟晶岩型铀矿床在加里东运动俯冲造成岩浆活动中主要接受了围岩明朗河岩体成矿流体的同化浑染作用,并且此次同化浑染作用造成了K 元素的富集,因此柳树湾地区与明朗河岩体Na2O＋K2O值相似,并出现了高K2O/Na2O 现象。

研究区里特曼指数σ介于0.65～4.40之间,平均为2.06,表明研究区内岩石组合为钙碱性组合类型;A/CNK 可指示岩石是否具有铝过饱和的特征,从表1 可以看出,研究区A/CNK 均大于1,平均值为1.73表明该地区具有铝过饱和的特征。此外,研究区伟晶岩矿石和含矿伟晶岩的氧逸度介于0.02～0.46,平均为0.23,表明研究区铀矿石的主体形成环境为低氧逸度环境,整体而言研究区U 与氧逸度呈正向相关关系(图3b),说明低氧逸度是研究区铀矿石形成的必备条件之一。

图3 研究区SiO2(a)和氧逸度(b)与U 相关性判别图Fig.3 The correlation diagram of SiO2(a)、oxygen fugacity(b)and U of rocks in the study area

4.2 微量元素

对研究区的样品按照工业矿石、低品位矿石、含矿岩石和无矿岩石进行稀土元素和微量元素测定(表2、3),测试结果采用球粒陨石[25]标准化绘制稀土元素(图4)和部分微量元素配分模式图(图5)。

从配分模式图(图4a)来看研究区稀土元素的配分模式和稀土元素总量在上述4类岩石中的差异明显。首先,工业矿石呈现显著的左倾特征,且Eu强烈亏损,表明在工业矿石段中轻稀土元素相对富集;低品位矿石具Eu亏损平缓状特征,表明轻重稀土元素分馏效应不明显;含矿岩石和无矿岩石都具有右倾特征,表明在这两类岩石中重稀土元素相对富集,但含矿岩石呈现微弱的Eu 亏损而无矿岩石无明显Eu的异常;Ce在这4类岩石中均无异常现象。其次,工业矿石、低品位矿石、含矿岩石和无矿岩石的∑REE 平均值分别为182.74×10－6、78.28×10－6、97.24×10－6和44.42×10－6,整体而言工业矿石具有较高的∑REE 含量,且高于无矿岩石,将U 分别与∑REE、δEu 和δCe进行相关性分析后发现U 与∑REE 呈现较好的正向相关性,U 与δEu呈现一定的负向相关性,而U 与δCe无明显相关性(图4b、c、d)。最后,LREE/HREE值整体而言随着铀含量的升高而降低,除工业矿石中有一个LREE/HREE值略小于1外(表2),其余样品LREE/HREE值均大于1,表明这4种类型的伟晶岩都具有一定程度的轻、重稀土元素分馏现象,且LaN/YbN值也具有随着铀含量的升高而降低的特征。

研究区微量元素也表现出明显的差异性,以元素性质分类进行对比研究,可发现研究区内伟晶岩铀矿石明显富集大离子亲石元素(LILE)如Rb、Ba、Th 等,亏损高场强元素(HFSE)如Ti等(图5a),将U 与Rb、Ba、Th和Ti进行相关性评价可发现,研究区U 与Rb、Ba无明显相关性,与Th和Ti呈正向相关(图5b、c、d、e)。此外研究区内伟晶岩铀矿石中V、Zn、Pb等微量元素也出现了一定情况的富集(图6a),且与U 表现出一定的正向相关性(图6b、c、d),因此可将这些微量元素作为研究区的找矿标志元素。

综上,柳树湾伟晶岩型铀矿床主量元素以SiO2为主,并与U 呈正相关,且在成矿过程中存在Na、K 等元素的迁移,研究区整体具有富Si、K 和Al过饱和以及低的氧逸度等特征;稀土元素表现为含矿伟晶岩段稀土元素的配分模式呈现右倾型强烈Eu亏损的特征,并且稀土元素总量与U 呈现正向相关性;微量元素Th、Ti、Pb等与U 表现出正向相关性,因此可将SiO2含量、稀土元素配粉模式以及∑REE、δEu、Th、Ti、V、Zn、Pb等特征元素及其特征作为研究区伟晶岩型铀矿床的地球化学找矿标志。

5 讨论

5.1 地质特征对比

图4 研究区稀土元素配分模式图(a)及元素相关性判别图(b、c、d)(球粒陨石标准化数值引自文献[25])Fig.4 The chondrite normalized REE pattern(a)and discrimination diagram of element correlation(b、c、d)in the study area

柳树湾地区与小花岔、光石沟铀矿床均分布在灰池子复式花岗岩体外围,3个含矿伟晶岩段均为黑云母花岗伟晶岩,且都具有一定的同化混染现象,矿体都呈现脉状或透镜状且铀矿的赋存形式主要为晶质铀矿。不同之处在于,从其内部岩体分布距离来看,柳树湾更靠近明朗河和蔡家沟岩体,而小花岔和光石沟更靠近淇河岩体;从铀矿赋存的状态来看,柳树湾地区出现了钍石富铀的报道,光石沟出现了更长石和黑云母富铀的报道[8],小花岔出现了磁黄铁矿含铀的报道[4--5]。

5.2 地球化学特征对比

地球化学特征的对比主要从主量元素、稀土元素和微量元素3个方面进行分析(表1、2、3)。从主量元素的含量来讲,这3个地区都是以硅--铝质为主且出现富钾的特征,且研究区与小花岔铀矿床的SiO2含量与U 含量都呈现正向相关关性,但光石沟铀矿床呈现负向相关关系;柳树湾地区Na2O＋K2O 值平均为7.56%,对比小花岔和光石沟含矿伟晶岩Na2O＋K2O值分别为6.61%和8.58%[4--5,9],表明上述3个伟晶岩型铀矿床在成矿过程中都由于同化浑染作用导致了Na2O 和K2O 的迁移,但研究区的K2O/Na2O 平均值为1.31,对比小花岔和光石沟含矿伟晶岩发现,前者K2O/Na2O 小于1、后者大于1[4--5,9],这可能是由于加里东运动俯冲造成岩浆活动的不均一性所造成。从里特曼指数来看,小花岔和光石沟的里特曼指数σ平均值分别为1.30和2.07[4--5,9],对比柳树湾地区特曼指数σ平均值,发现3个地区的岩石组合均为钙碱性组合类型,并与灰池子复式花岗岩体的类型相当;小花岔、光石沟A/CNK 平均值分别为1.08和1.45[4--5,9],对比研究区A/CNK平均值1.73,说明这3个伟晶岩型铀矿床都存在铝过饱和的特征,且与灰池子复式花岗岩体的A/CNK 值[16]较为接近。柳树湾地区与小花岔、光石沟的特曼指数与A/CNK 值的相似性指示这3个地区的成矿流体具有一定的相似性,并与灰池子复式花岗岩体存在一定的相关性。此外,光石沟[9]含矿伟晶岩氧逸度与研究区表现出相似的特征,均表现出低值且与U 呈正向相关性的特征,但小花岔含矿伟晶岩[4--5]氧逸度为2.70,远大于前两者,但从U 角度而言,3个地区都具有含矿伟晶岩氧逸度小于非含矿伟晶岩的特征,说明低氧逸度是铀矿石形成的必要前提。

图5 研究区微量元素标准化配分模式图(a)及元素相关性判别图(b～e)(球粒陨石标准化数值引自文献[25])Fig.5 Thechondrite normalized pattern of trace elements(a)and discrimination diagram of element correlation(b～e)in the study area

综上,在主量元素方面,柳树湾、小花岔和光石沟都呈现出富Si、K 和Al过饱和的特征。通过里特曼指数σ发现3个地区的岩石组合都为钙碱性组合类型以及具备较低的氧逸度等特征,并且这3 个含铀矿伟晶岩段的Na2O＋K2O、K2O/Na2O 和里特曼指数σ都具有光石沟＞柳树湾＞小花岔的特征,表明这3个地区含铀矿石伟晶岩脉的形成具有一定的相似性。但就里特曼指数σ的分布类型来说,柳树湾和光石沟都具备含矿伟晶岩段的里特曼指数σ高于非矿岩段,而小花岔却与之相反,此外小花岔的氧逸度明显增大,并且A/CNK 和氧逸度的变化趋势和上述Na2O＋K2O、K2O/Na2O 和里特曼指数σ的变化特征不一致,A/CNK 呈现柳树湾＞光石沟＞小花岔、氧逸度出现小花岔＞光石沟＞柳树湾的特征。

图6 研究区微量元素含量(a)分布图及元素相关性判别图(b、c、d)Fig.6 The content distribution(a)and discrimination diagram of element correlation(b、c、d)in the study area

图7 研究区和小花岔--光石沟稀土元素配分模式对比图(球粒陨石标准化数值引自文献[25])Fig.7 The comparison of chondrite normalized REE pattern between rocks in study area and Xiaohuacha-Guangshigou

稀土元素方面,以U ＞0.03% 和U ＜0.01%分别定义含矿伟晶岩段和非含矿伟晶岩段,柳树湾地区与光石沟和小花岔进行对比,发现含矿伟晶岩段∑REE 含量远大于非含矿伟晶岩段,在配分模式图上(图7),含矿伟晶岩段都具有显著的右倾,而非含矿伟晶岩段多表现为轻微的右倾,且Eu的亏损程度也远大于非含矿伟晶岩段,但柳树湾和小花岔含矿层段和非含矿层段的稀土元素配分模式图差异明显,前者为显著的右倾Eu亏损特点,后者为平滑型且无Eu的异常,且稀土元素总量相差较大,但光石沟地区的含矿层段和非含矿层段的稀土元素配分模式图都呈现右倾Eu亏损的特点,且稀土元素总量相差较其余两地小。微量元素方面,对比小花岔微量元素的蛛网图和分布特征(图8a、b),显示这两个地区的含矿伟晶岩段都呈现出Rb、Th 富集和V、Zn 和Pb 的高含量,而Nb和Ti出现不同程度的亏损,但柳树湾地区出现了Hf和Zr的富集小花岔表现出Hf和Zr的亏损,这可能与当时岩浆差异分化造成的同化混染有关。

5.3 差异成因探讨

由于加里东运动导致扬子、秦岭和华北三大板块有南向北依次俯冲造成,并造成地壳重融形成加里东期花岗岩[26],而灰池子复式花岗岩体则是这种重融的地壳岩浆,经过分异演化而形成的[9,11--12],表明这3 个含矿伟晶岩脉的形成与上述残余岩浆的结晶分异作用有关,灰池子复式花岗岩体内灰池子岩体与这3个地区伟晶岩的稀土元素配分模式也证实了这一点(图4a、图9),此外在柳树湾和光石沟地区都曾报道过Nb 的负异常[8,15],结合陈佑纬等人[7]的研究,表明该地区铀矿石的形成有大量壳源物质残余的同化混染作用。因此该地区的花岗伟晶岩脉存在两个成因,一个为灰池子岩体残余岩浆的结晶分异作;一个为围岩的同化混染作用。

图8 研究区和小花岔微量元素配分模式图(a)和含量对比图(b)(球粒陨石标准化数值引自文献[25])Fig.8 The comparison of chondrite normalized pattern(a)and content(b)of trace elements between the study area and Xiaohuacha

图9 蔡家沟岩体--淇河岩体--明朗河岩体稀土元素配分模式图(球粒陨石标准化数值引自文献[25],灰池子复式岩体稀土元素数据引自文献[16])Fig.9 The chondrite normalized REE pattern of Caijiagou pluton,Qihe pluton and Minglanghe pluton

上述说明这3个地区的伟晶岩脉具有相同的物质来源,均受控于灰池子复式花岗岩体,其岩石结构和部分主、微量元素特征也证实了这一点,但在矿物组成和元素含量仍出现了差别。笔者认为可能存在两个原因,其一为形成时间:李伍平等人对灰池子复式花岗岩体内的蔡家沟岩体与淇河岩体的形成时间做了探讨,并测得蔡家沟岩体的锆石U--Pb年龄为(437±47)Ma和淇河岩体Rb-Sr等时线年龄为(382±2)Ma以及K--Ar等时线年龄为和399.1 Ma[16--17,27--28]。基于此本文调研了小花岔和光石沟铀矿床形成的年龄,其中何厚锦等人测得光石沟晶质铀矿U--Pb 年龄为(401.3±3.2)Ma[9];刘刚等人测得小花岔锆石U--Pb的年龄峰值有两个,分别为(413±1.8)Ma和(417±2.6)Ma,并认为小花岔铀矿形成的年龄上限为417 Ma[4--5],虽现阶段无明确的柳树湾铀矿床的形成时间,但从岩石学、地球化学等暗示其形成时间和光石沟铀矿床形成的时间相似。从时间尺度上来看,小花岔铀矿床形成的时间最早,而时间尺度是残余岩浆结晶分异的重要参数,因此出现了小花岔赋矿围岩部分特征出现极低或极高现象。其二为构造强度:虽然这3个含矿伟晶岩脉都形成于构造俯冲背景之下的地壳重融,但在强度上由南向北构造强度依次减弱,且光石沟与小花岔铀矿床更靠近陕--豫边界的丹凤三角区,而该地区是扬子板块、秦岭板块和华北板块俯冲变形和构造活动最为强烈的地区[2],而柳树湾相对而言远离“中心三角区”,因此所受到的岩浆同化混染作用和构造作用较低。综上,由于成矿的时间以及受到岩浆作用、构造作用强度的差异,造成柳树湾、小花岔和光石沟赋矿围岩的地球化学特征的差异。

6 结论

1)研究区矿体呈现脉状、透镜状,且赋矿层段由于钾化作用而呈现明显的肉红色,石英呈现烟灰色,且矿物颗粒明显增大,上述特征可作为研究区伟晶岩型铀矿床的宏观找矿标志。

2)研究区主量元素中SiO2占据绝对优势,且与U 呈负相关,整体具有富Si、K 和Al过饱和以及低的氧逸度等特征;含矿伟晶岩段稀土元素的配分模式呈现右倾型强烈Eu亏损的特征,且∑REE、δEu、Th、Ti、V、Zn、Pb等特征元素与U 关系密切,上述特征可作为研究区伟晶岩型铀矿床的地球化学找矿标志。

3)对比小花岔和光石沟伟晶岩型铀矿床,发现3个伟晶岩型铀矿床存的岩石学特征和地球化学特征都表现出一定的相似性,但在副矿物成分、主量元素、微量元素以及稀土元素配分模式存在一定的差异性,表明这3个矿床均受控于灰池子复式花岗岩体,但由于成矿的顺序和岩浆作用、构造作用的强度造成了部分差异。