苗儿山中段向阳坪铀矿床矿石特征及铀的赋存状态

谭 双， 陈 琪， 万建军， 高 翔， 吴昆明， 范鹏飞

(1.核工业二三〇研究所，湖南 长沙 410007；2.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013)

苗儿山中段是中国南方重要的花岗岩型铀矿富集区，同时是南方硬岩型铀矿找矿重点工作地区。向阳坪铀矿床为近年来在苗儿山中段新落实的中型矿床，研究人员针对该区及周边的构造与成矿、成矿年代和矿床地球化学做了大量的研究工作(黄宏业等，2009；石少华等，2011a，2011b；陈琪等，2020)。前人研究表明：苗儿山铀矿田经历了多期次构造-岩浆活动，岩浆分异程度高，经历了从黑云母花岗岩向二云母花岗岩演化序列，从而形成苗儿山复式岩体(胡欢等，2012, 2013, 2014；王正庆，2018；谭双等，2021)；成矿作用主要受构造控制，新-资断裂NNE向区域性一级断裂控制贯穿整个苗儿山地区，天金断裂为二级断裂，同时发育一系列NE和NNE向以及少量近EW向次级断裂，构成了区内主要断裂构造格架(李妩巍等，2011；王正庆，2018)；苗儿山地区经历了多期次成矿作用(～124 Ma、～104 Ma、～94 Ma、～70 Ma、～60 Ma、～53 Ma、～41 Ma)，各期次的成矿作用构成了本区的成矿时代格架(石少华等，2010；王正庆，2018；陈佑纬等，2019；李杰等，2021)。近年来的勘查工作在研究区取得了突破性的成果，在多组断裂带新发现富大矿体，野外钻孔岩芯编录过程中发现矿石类型主要为碎裂花岗岩型和构造角砾岩型，铀矿化主要与绿泥石化、黄铁矿化、赤铁矿化以及硅化关系密切。笔者对不同钻孔见矿部位的矿石样品进行采集，通过光学显微镜、激光拉曼、电子探针等现代分析测试手段，查明矿石矿物组成、矿物形态以及铀的赋存状态，从微观角度分析探讨主要铀矿物成因，对增强区内矿物组合特征和铀矿物成因的认识提供有力支撑。

1 地质背景

向阳坪矿床是苗儿山铀矿田内重要的铀矿床之一，大地构造位置处于扬子板块的江南陆缘隆起带南缘，矿田内断裂构造发育，形成了以NNE向为主的走滑构造体系，控制了区内铀矿化的发育(图1a)。向阳坪铀矿床位于香草坪断裂西侧的孟公界—沙子江断裂带南部，矿体产出于豆乍山花岗岩体西南方向，并与香草坪花岗岩体相接触(欧阳平宁等，2012)。矿床及其周边出露地层为新元古代、古生代变沉积岩系以及白垩系红色砂砾岩。研究区岩浆活动频繁，显示多阶段多期次特点，形成了加里东期准铝质的苗儿山岩体、印支期过铝质的香草坪、豆乍山、张家岩体以及燕山期过铝质的小木楠岩体，上述岩体共同组成了苗儿山复式岩体。向阳坪铀矿床产于香草坪和豆乍山两种岩体中，两岩体均为富铀岩体，岩性分别为中粗粒似斑状黑云母花岗岩和中细粒二云母花岗岩(徐伟昌等，1994；谢晓华等，2008；吴昆明等，2016)。区域上构造活动强烈，以加里东期、印支期和燕山期最为显著，基本的构造格架由 SN、EW、NE和NNE向4组断裂构成，NNE和NE向两组构造最为发育并且是主要控矿构造(图1c)，如向阳坪铀矿床F7、F8、F9、F10断裂带等(李妩巍等，2011；李妩巍，2016)。向阳坪矿床铀矿体多以透镜状和雁列式产出，矿化蚀变较为广泛，与铀矿化密切相关的蚀变主要是绿泥石化、黄铁矿化、赤铁矿化以及硅化。

图1 苗儿山大地构造位置图(a)、苗儿山岩体(b)及苗儿山中段铀成矿区(c)地质简图

2 样品采集与分析

本次研究对研究区内矿体赋存部位进行了详细的野外观察，在多个钻孔地质编录的基础上，选取典型的钻探施工所取得的矿石样品。矿石主要为“赤铁矿化、硅化”碎裂岩及角砾岩，见原生灰黑色沥青铀矿与黄铁矿共生或充填在脉石矿物裂隙及周边，另可见沥青铀矿与铀石在硅化碎裂岩中共生(图2a, b)，次生铀矿物主要为淡黄色硅钙铀矿充填在脉石矿物裂隙间(图2c, d)。对所采样品磨制光薄片，利用偏光显微镜进行观察，岩性主要为花岗碎裂岩、硅化花岗岩，具有花岗碎裂结构，块状构造。

图2 向阳坪矿床典型矿石取样照片

样品通过显微镜观察并在薄片上圈定电子探针分析测试区域后做喷碳处理，最后应用电子探针进行背散射观察与微区化学成分测定，并进行激光拉曼测试，理清矿物共生组合关系。测试工作均在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成。电子探针具体型号为JXA-8530F Plus，测试电压、电流分别为15 kV和2.0×10-8A，束斑大小为2 μm。各元素标样选择具体如下：镁、铁、铝、硅标样为绿泥石；钠、钾、钙、钛、铬、锰标样分别为硬玉、钾长石、磷灰石、金红石、氧化铬和蔷薇辉石。数据结果符合硅酸盐矿物电子探针定量分析国家标准(GB/T15617—2002)。

3 矿石特征

3.1 岩相学特征

通过光学显微镜岩矿鉴定分析可知，含矿岩石具碎裂结构，为块状构造，岩石受硅化作用较强烈，石英大多呈破碎状，还可见不同程度的硅化、黏土化和绢云母化，矿物组成粒径差异明显，可将矿物分为碎斑和碎基(图3a，b，c)，反射光下还可见有黄铁矿与铀矿物沿着破碎的矿物裂隙间充填共生(图3d)。

图3 向阳坪铀矿床矿石主要镜下特征

3.1.1 矿石结构

在矿石中，铀矿物以环带、粒状、环状以及放射状4种结构为主。①环带结构。硅钙铀矿呈环带状与其他矿物共生，部分环带围绕同一个中心叠布，称之为同心环带结构。环带结构的特征是不同时代的铀矿物先后沉淀形成环带(图4a)。②放射状结构。其特征是铀矿物集合体呈针状、放射状产出(图4b)，经过大量的电子探针背散射图像观察，硅钙铀矿主要以放射状结构在本区产出。③粒状结构。原生铀矿物(沥青铀矿、铀石和晶质铀矿)或含铀矿物晶体常呈粒状或小团块状分布在其他脉石矿物中，此种结构在向阳坪矿床中较常见(图4c)。④环边结构。又称镶边结构，其特点是沥青铀矿或铀石环绕其他脉石矿物，从而形成环边(图4d)。

图4 向阳坪铀矿床矿石结构背散射图像

3.1.2 矿石构造

根据显微镜镜下和背散图像观察结果，发现本区矿石构造主要为两种：①脉状、网脉状构造。原生沥青铀矿和铀石部分呈细脉状穿插在钾长石和石英中，或与黄铁矿共生充填于岩石裂隙之中，形成脉状构造(图5a，b)。②斑点状构造。该类构造以直径较大的铀矿物集合体而区别于浸染状构造，铀矿物集合体形态多样，如圆形、似椭圆形和不规则形状等(图5c，d)。

图5 向阳坪铀矿床矿石构造电子探针背散射图像

3.2 矿石矿物

通过本次研究发现，向阳坪铀矿床的主要原生铀矿物有沥青铀矿、铀石，少量钛铀矿和钍铀矿等；次生铀矿物主要为硅钙铀矿、铜铀云母等。现对最常见、含量最多的沥青铀矿、铀石、硅钙铀矿分述如下。

3.2.1 沥青铀矿

表1 沥青铀矿电子探针分析化学成分表

3.2.2 硅钙铀矿

硅钙铀矿在肉眼观察下多呈淡黄色放射状或簇状，充填在构造角砾岩的角砾裂隙间(图2c，d)，多与石英、钾长石等脉石矿物共生，局部可见到硅钙铀矿粒径大于200 μm(图4a，b)。硅钙铀矿的电子探针化学成分如表2所示，UO2和SiO2为其主要成分，含量分别为62.16%～73.68%(平均含量为68.44%)与10.87%～19.79%(平均含量为15.45%)。硅钙铀矿与沥青铀矿在化学成分上的区别在于其SiO2含量相对较高(分别为15.45%与1.29%)，UO2含量相对较低(分别为68.44%与87.57%)，与铀石区别在于其CaO的含量相对较高(分别为5.11%与2.56%)。

表2 硅钙铀矿电子探针分析化学成分表

3.2.3 铀石

铀石在肉眼观察下多为黑色或灰黑色，异于其他铀的硅酸盐矿物，多色性较弱，干裂隙较沥青铀矿更少(郑启荣，1982)。本区铀石大部分呈粒状、环边状或破碎块状与其他矿物共生，如绿泥石和黄铁矿，少量分布在沥青铀矿附近，如图4c。铀石电子探针化学成分测定如表3，UO2为其主要成分，含量57.48%～81.25%，平均含量为67.74%；SiO2含量8.41%～21.99%，平均含量为16.28%。矿床中铀石的形成与SiO2关系密切，沉淀初期随着沥青铀矿的生成导致铀浓度急剧降低，矿液中SiO2与U3O8的浓度比急剧增高，至一定程度时析出铀石和SiO2。当SiO2活度增大时，沥青铀矿可与SiO2作用并生成铀石。反之，若介质中SiO2活度降低时，已生成的铀石则不稳定，分解成沥青铀矿和SiO2。

表3 铀石电子探针分析化学成分表

3.3 脉石矿物

研究区矿石的脉石矿物有石英、长石、云母、方解石、磷灰石、黄铁矿、磁铁矿、赤铁矿等。将脉石矿物的电子探针微区各化学成分的平均值列于表4，并对主要脉石矿物石英、长石、黄铁矿和赤铁矿的矿物学特征进行研究。

表4 脉石矿物电子探针分析化学成分表

(1)石英。类型多样，既有成岩期形成的，也有成岩后形成的以及热液蚀变期等次生成因的，约占全岩总量的21%～40%，主要成分中SiO2占绝大部分，平均含量高达98.97%，此外含极少量的FeO和Al2O3等杂质，常与长石或者云母等连生，多为他形粒状或集合体形式产出，通过X射线衍射分析可以看出在2θ为26.60°左右具有特征峰值(图6a)。

(2)长石。从Or(正长石)-Ab(钠长石)-An(钙长石)图中(图6b)可以看出，测试样品均落于正长石区域，属于碱性长石。电子探针化学成分显示所测碱性长石均为钾长石，因此向阳坪铀矿床中的长石基本为钾长石。

(3)黄铁矿。常见与原生沥青铀矿密切共生(图2b,图4d)，多呈小团块状分布(图3d)。黄铁矿化学成分主要为S和Fe，其中S含量均值为52.90%；Fe含量均值为46.24%。由黄铁矿激光拉曼光谱图(图6c)可知，特征最为明显的谱峰位移有339 cm-1、375 cm-1、425 cm-1三处，其中，375 cm-1处峰值最高，与339 cm-1处吸收峰同属于Fe—[S2]的伸缩振动，425 cm-1处吸收峰则归属于S—S键的伸缩振动。

图6 向阳坪矿床脉石矿物特征图

(4)赤铁矿。主要分布在石英周围或裂隙中，以斑点状集合体分布于黄铁矿周围，背散射图像中偶见细脉状沥青铀矿或铀石外围有赤铁矿分布(图5d，图6d)，赤铁矿电子探针化学成分分析中未见有UO2成分，主要成分为FeO，含量均值为76.41%。

3.4 铀的赋存状态

由电子探针铀元素面扫描分布图(图7)可见，铀元素主要分布于沥青铀矿、铀石等独立铀矿物。在此基础上开展的铀元素线扫描分析(图8)进一步显示，铀矿物中铀元素具有较高峰值，而其他副矿物或脉石矿物峰值较低，说明与铀矿物共生的其他矿物不含铀或含铀量极少(谭双等，2016)。面扫描与线扫描的结果保持一致，都是在铀矿物的位置上具有明显铀元素富集特征，结合各矿物的单点分析数据，表明向阳坪铀矿床矿石中铀主要存在于独立铀矿物，同时以类质同象的形式少量存在于磷灰石、锆石和独居石中。

图7 向阳坪矿床铀矿物背散射图像和铀元素面分布图

图8 向阳坪矿床铀矿物背散射图像与铀元素线分析图

4 铀成矿启示

沥青铀矿作为向阳坪铀矿床最主要的原生铀矿物，主要以团块状和脉状产出，理清其成因对进一步深化本矿床的认识具有十分重要的作用。

从化学组成上看，沥青铀矿化学成分中UO2与SiO2呈负相关(图9a)。在沉淀初期，成矿流体中的铀浓度明显大于硅浓度时，仅生成沥青铀矿，随着沥青铀矿沉淀，矿液中铀浓度下降，SiO2与U3O8的浓度比增高，达到一定程度时析出铀石和SiO2。当SiO2活度增大时，沥青铀矿可与SiO2作用并生成铀石。反之，若流体中SiO2活度降低，已生成的铀石则不稳定，分解成沥青铀矿和SiO2。Si4+还可能以内潜同晶等形式出现，铀硅可能存在相互消长关系(Min et al., 2005；刘成东等，2017)。由于Ca2+与 U4+离子半径相近，部分Ca元素以类质同象形式参与沥青铀矿的晶体组成，导致UO2与CaO常呈正相关关系(图9b)。沥青铀矿中Pb含量稍高，除以包裹体形式存在的方铅矿影响外，还存在相对均匀散状分布的显微质点，可能是铀放射性衰变的产物，这也是UO2与PbO呈弱正相关(图9c)的原因之一。区内铀矿化地段常伴随有黄铁矿化和赤铁矿化，赵凤民等(1986)认为当六价铀溶液流经黄铁矿还原场时能发生铁铀共生现象，生成沥青铀矿与黄铁矿，并见铁铀矿物互相形成内核与层圈。常见沥青铀矿与低价铁矿物共生，认为是UO22+和 Fe2+能共同进入同一矿物的结晶格架，说明铀与铁关系密切(图9d)，有可能以包裹体微粒、离子状态进入沥青铀矿中。

图9 向阳坪铀矿床沥青铀矿化学成分协变图

研究区铀石与沥青铀矿关系密切，铀石可在成矿流体SiO2活度增大时由沥青铀矿生成，在中性或弱酸性条件下铀石还会分解成沥青铀矿，所以铀石仅在弱碱性或碱性条件中稳定存在(Förster，2006；Hecht et al., 2000)。研究区铀石化学成分中，SiO2含量较高(平均含量16.28%)也可以看出铀石成因受SiO2的影响较大，当介质温度、pH值发生变化时，如温度下降以及pH值由碱性变为弱碱性，矿石中含铀矿物的活化铀就有可能形成铀石。

此外，从向阳坪铀矿床的铀矿物种类、矿物接触关系以及铀矿物线、面分析结果(图4，图5，图7，图8)上看，沥青铀矿是最容易萃取出活性铀的含铀矿物，与Cuney等(1987)的观察结果一致。结合硅钙铀矿电子探针微区矿物学特征(图4a，b)，表明沥青铀矿经历了强烈的溶蚀现象，在后期多阶段热液流体的交代作用下被溶解，即热液蚀变过程中铀元素发生了明显的迁移、富集，释放出铀元素，形成铀石和硅钙铀矿，为矿床的铀成矿提供铀源(张龙等，2018)。矿物成分反映出的蚀变不均一性，也指示不同期次的热液流体活动可能具有不同的成分和强度。

5 结论

在详细的野外观察和地质编录基础上，对典型矿石取样，并通过一系列现代分析测试手段对矿石矿物组成、矿石结构构造及铀的赋存状态等进行分析，得到如下结论：

(1)矿石中主要铀矿物为沥青铀矿、铀石和硅钙铀矿；脉石矿物主要为石英、长石、云母及方解石，其中长石大部分为钾长石；金属矿物有黄铁矿和赤铁矿等。

(2)铀矿物多呈脉状、放射状、环带状、不规则团块状分布，沿石英、长石等矿物内部空隙或矿物间裂隙生长。矿石类型主要为铀-石英型和铀-黄铁矿-石英型。

(3)矿石中铀主要是以独立铀矿物形式存在的，其中独立铀矿物以沥青铀矿、铀石和硅钙铀矿为主，为铀在本区最主要的赋存状态。

(4)向阳坪铀矿床中的沥青铀矿为中低温热液作用的产物，沥青铀矿与铀石关系密切，介质中SiO2活度增大时沥青铀矿可生成铀石，在中性或弱酸性条件下铀石还会分解成沥青铀矿。