准噶尔盆地东北缘卡拉麦里花岗质岩体年代学、地球化学特征及铀成矿潜力

耿英英,刘章月,2*,黄少华,何中波

(1.核工业北京地质研究院，北京 100029;2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

0 引 言

欧亚大陆存在一条横穿大陆的EW向铀矿带，该铀矿带东段大致上与中亚造山带重合，向西则沿东欧陆块(俄罗斯地台)南缘的古生代褶皱带展布，直抵大西洋东岸。这一大型铀矿带目前已探明众多不同类型不同规模的铀矿床，特别是砂岩型铀矿；截至2018年，中国、哈萨克斯坦、蒙古和乌兹别克斯坦集中了世界已探明砂岩型铀矿资源量的59%。目前，中国正在建设的3个铀矿大基地(伊犁盆地南缘、鄂尔多斯盆地北部和二连盆地中东部)均属于中亚铀成矿带。砂岩型铀矿的铀源主要来自盆地边缘及盆外蚀源区内U含量较高且“活性铀”份额高的中酸性火成岩，蚀源区的岩石类型和物质组成通过影响盆地内的沉积建造和岩性来制约砂岩型铀成矿作用和矿床规模。中亚造山带一个重要特征是广泛发育古生代—中生代花岗质侵入岩和中酸性火山岩，并且这些火成岩的U含量(质量分数,下同)远大于世界酸性火成岩的U平均含量((3.5～4.8)×10)。

准噶尔盆地铀成矿远景区是中亚铀成矿带的重要组成部分，近期对这一地区开展大量勘探工作发现了大量铀矿点。特别是在准噶尔盆地东北缘卡拉麦里山北侧卡姆斯特发现了中型砂岩型铀矿床，表明这一地区具有良好的勘探前景。前人对这些铀矿进行了大量研究，研究内容包括砂岩型铀矿控矿因素、成矿模式以及找矿前景等方面。此外，前人对该地区花岗质岩体时代、构造背景等方面也进行了深入研究。但是，目前对铀矿床成矿物质来源、花岗岩体和铀成矿之间的关系尚缺乏有针对性的研究，很大程度上制约了该地区的铀矿勘查工作。基于此，本文对蚀源区富铀地质体的岩相学、岩石地球化学特征、锆石年代学、Lu-Hf同位素进行研究，讨论其成因类型、物质来源以及形成时的构造环境，进而判断地壳演化成熟度，统计分析岩体U含量及迁移量，结合岩体在造山带构造演化过程中的响应，探讨准噶尔盆地东缘砂岩型铀矿的成矿物质来源、成矿潜力，以期为准噶尔盆地铀矿资源勘查工作提供参考。

1 区域地质背景

准噶尔盆地位于西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木板块的交接处，处于中亚造山带西南部，是中亚造山带的重要组成部分，也是中亚铀成矿带重要的成矿远景区之一。盆地内发育多期次岩浆与火山喷发活动，尤其以海西期岩浆活动最为突出，分布最广，构成了准噶尔盆地的褶皱基底，叠置于前寒武纪结晶基底之上，即准噶尔盆地的“双层”基底结构。

图(a)引自文献[5]，图(b)引自文献[34]，有所修改图1 准噶尔盆地东北缘卡拉麦里地区地质简图Fig.1 Simplified Geological Map of Kalamaili Area at the Northeastern Margin of Junggar Basin

东准噶尔造山带位于准噶尔盆地东部，区内NW向和NNW向断裂发育，被阿尔曼太断裂和卡拉麦里断裂分割成北部的杜拉特岛弧带、中部的野马泉岛弧带和南部的将军庙地块3个部分。卡拉麦里断裂北侧发育大量花岗质岩体，自西向东包括喀拉萨依岩体，老鸭泉岩体，贝勒库都克岩体，萨北岩体、黄羊山岩体，以及北部的野马泉岩体等(图1)，其均沿卡拉麦里断裂呈带状分布，侵位于石炭纪地层，主要为碱长花岗岩，少量为石英二长岩和二长花岗岩。这些中酸性花岗岩是准噶尔盆地铀成矿远景区重要的物源体，对砂岩型铀矿的成矿物质来源起着重要的制约作用。

2 样品采集及分析方法

本研究共采集20个野外样品用于岩石学、地球化学及同位素年代学测试。样品分别采自喀拉萨依岩体、贝勒库都克岩体和野马泉岩体。野外可观察到这些岩体均侵位于石炭纪地层中。样品具体位置见表1。

表1 卡拉麦里花岗质岩石采样位置Table 1 Location of Granitic Samples from Kalamaili Area

LA-ICP-MS锆石U-Pb定年、Hf同位素和岩石地球化学分析均在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。

LA-ICP-MS锆石U-Pb定年、Hf同位素分析所用仪器为GeoLasPro 193nm准分子激光器和Nu Plasma Ⅱ型多接受等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)。测试过程中，采用美国国家标准参考物质NIST612对仪器进行最佳化，采用标准锆石91500(Pb/U值为1 065 Ma，Hf/Hf值为0.282 308±11)作为定年外标，采用Plesovice(Hf/Hf值为0.282 482±23)作为监控样品；每测定5个样品点，测定一次标准锆石91500。具体操作流程和数据校正参见文献[39]，年龄计算、谐和曲线及频率分布图的绘制采用Isoplot完成。

岩石地球化学分析分别采用AB104L，Axios-MAX波长色散X射线荧光光谱仪和NexION300D等离子体质谱仪，检测标准依据《硅酸盐岩石化学分析方法第28部分:16个主次成分量测定》(GB/T 14506.28—2010)和《硅酸盐岩石化学分析方法第30部分:44个元素量测定》(GB/T 14506.30—2010。试料用氢氟酸、硫酸分解，溶液中剩余的氟加入硼酸络合。以二苯胺磺酸钠为指示剂，用基准重络酸钾溶液滴定，计算FeO含量。

3 岩石学特征

据实测矿物含量的QAP分类图解(图2)，准噶尔盆地东北缘卡拉麦里地区的中酸性侵入体主要由碱长花岗岩、石英二长岩和二长花岗岩组成。

Q为石英；A为碱性长石；P为斜长石；底图引自文献[43]图2 卡拉麦里花岗质岩体QAP分类图解Fig.2 QAP Classification Diagram of Kalamaili Granitic Bodies

碱长花岗岩呈肉红色，具中细粒花岗结构和块状构造，由石英(体积分数为25%～30%)、碱性长石(55%～60%)、斜长石(6%～8%)及少量黑云母(3%～5%)组成。碱性长石以钾长石为主，含少量条纹长石，具卡式双晶，局部可见格子双晶，为微斜条纹长石；斜长石具聚片双晶，双晶纹细而密，为更长石；副矿物为锆石、磁铁矿等，可见包体[图3(a)]。

石英二长岩呈浅肉红色，具中细粒花岗结构和块状构造，由石英(体积分数为12%～17%)、钾长石(32%～35%)、斜长石(35%～38%)、黑云母(10%～15%)及很少量的角闪石(2%～3%)组成。钾长石晶体小，自形程度低；斜长石晶体粗大，为半自型；黑云母绿泥石化强烈，副矿物为榍石等[图3(b)]。

二长花岗岩呈浅肉红色，具中细粒花岗结构和块状构造，由石英(体积分数为30%～32%)、碱性长石(30%～35%)、斜长石(28%～32%)、及少量黑云母(3%～5%)组成。碱性长石以钾长石为主，含少量条纹长石；斜长石具聚片双晶，双晶纹细而密，为更长石；黑云母可见绿泥石化；副矿物为榍石、磁铁矿、锆石等[图3(c)]。

4 结果分析

4.1 岩石地球化学特征

4.1.1 主量元素

Qz为石英;Pl为斜长石;Kf为钾长石;Bt为黑云母;Zr为锆石；图片都是正交偏光下照片图3 花岗质岩石手标本和镜下特征Fig.3 Hand Specimens and Microphotographs of Granitic Rocks

IAG为岛弧花岗岩类;CAG为大陆弧花岗岩类;CCG为大陆碰撞花岗岩类;POG为后造山花岗岩类;RRG为与裂谷有关的花岗岩类;CEUG为与大陆的造陆抬升有关的花岗岩;OP为大洋斜长花岗岩；底图引自文献[44]图4 花岗质岩石SiO2-K2O图解和A/CNK-A/NK图解Fig.4 Diagrams of SiO2-K2O and A/CNK-A/NK for Granitic Rocks

准噶尔盆地东北缘卡拉麦里花岗质岩体主量元素分析结果表明(表2)：碱长花岗岩具有较高的SiO(含量为75.82%～77.85%)、KO(3.83%～4.97%)、NaO(3.32%～4.13%)，KO/NaO值为1.06～1.46，AlO含量(11.49%～12.78%)、MgO含量(0.06%～0.26%)和FeO含量(0.35%～1.62%)相对较低，FeO/MgO值为1.34～20.73；二长花岗岩具有较高的SiO(含量为67.34%～70.80%)、KO(3.12%～3.87%)、NaO(3.66%～4.27%)、AlO(14.30%～15.66%)，KO/NaO值为0.75～1.06，FeO含量(1.70%～2.00%)和MgO含量(0.83%～1.70%)相对较低，FeO/MgO值为1.18～2.04；石英二长岩具有较高的SiO(含量为60.78%～65.98%)、KO(2.43%～3.12%)、NaO(3.96%～5.20%)、AlO(15.56%～17.88%)、FeO(2.60%～6.08%)，KO/NaO值为0.47～0.79，MgO含量(1.44%～1.77%)相对较低，FeO/MgO值为1.47～4.22。在SiO-KO图解中，投点均落入高钾钙碱性系列区域[图4(a)]。铝饱和指数A/CNK值为0.92～1.09，A/NK值为1.03～1.61；在A/CNK-A/NK图解中，碱长花岗岩落入后造山花岗岩类和准铝质—弱过铝质区域，二长花岗岩和石英二长岩落入大陆弧花岗岩类和准铝质—弱过铝质区域[图4(b)]。

4.1.2 稀土、微量元素

卡拉麦里花岗岩质岩体稀土、微量元素分析结果见表2。碱长花岗岩稀土元素总含量为(77.5～302.20)×10，LREE/HREE值为1.18～9.86；球粒陨石标准化稀土元素配分模式具“燕式”分布特征和强烈的Eu负异常(0.003～0.110)[图5(b)]；原始地幔标准化微量元素蛛网图显示Ba、Sr、P、Ti明显亏损，Nb、Zr相对亏损，K、Rb、Th、U、Pb、Hf相对富集[图5(a)]，具有较高的U含量((1.70～6.14)×10)、Th含量((12.70～52.50)×10)，Th/U值为3.07～12.38。二长花岗岩与石英二长岩特征相似，稀土元素总含量为(83.84～152.42)×10，LREE/HREE值为4.82～7.19；球粒陨石标准化稀土元素配分模式较为平坦[图5(b)]，具有弱的Eu负异常(0.66～0.85)；原始地幔标准化微量元素蛛网图显示Nb、Ta、P、Zr、Ti相对亏损，K、Rb、Th、U、Sr、Pb相对富集[图5(a)]，具有较高的U含量((0.80～4.18)×10)、Th含量((3.53～15.60)×10)，Th/U值为2.87～8.42。在Sr-Yb图解中，碱长花岗岩落于非常低Sr高Yb区域，二长花岗岩和石英二长岩落入低Sr高Yb区域(图6)。

4.2 锆石U-Pb年龄

本文选择样品JH-05、WC-03、JH-04和BT-03进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，分析结果见表3。阴极发光(CL)图像显示样品锆石大多晶型较为完整(图7)，偶见不完整晶型，呈自形—半自形，以长柱状为主，有少量短柱状，具有明显的岩浆震荡环带且环带相对较窄，表明锆石为岩浆成因。

表3 花岗质岩石LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果Table 3 Analysis Results of LA-ICP-MS Zircon U-Pb Isotope for Granitic Rocks

续表 3

ws为样品含量；wp为原始地幔含量；wc为球粒陨石含量；原始地幔标准化值和球粒陨石标准化值引自文献[45]；同一图中相同线条对应不同样品图5 原始地幔标准化微量元素蛛网图及球粒陨石标准化稀土元素配分模式Fig.5 Primitive Mantle-normalized Trace Element Spider Diagram and Chondrite-normalized REE Pattern

Ⅰ为高Sr低Yb型；Ⅱ为低Sr低Yb型；Ⅲ为高Sr高Yb型；Ⅳ为低Sr高Yb型；Ⅴ为非常低Sr高Yb型;底图引自文献[46]图6 花岗质岩石Sr-Yb分类图解Fig.6 Discrimination Diagram of Sr-Yb for Granitic Rocks

图7 花岗质岩石锆石阴极发光图像及对应年龄Fig.7 CL Images of Zircons for Granitic Rocks and Their Corresponding Ages

碱长花岗岩样品JH-05共18个分析点谐和度较高(>90%)(图8、9)，Th含量为(14.41～381.89)×10，U含量为(46.28～1110.43)×10，Th/U值为0.25～0.55，加权平均年龄为(324.5±1.7)Ma(平均标准权重偏差(MSWD)为1.8)；碱长花岗岩样品WC-03共15个分析点谐和度较高(>90%)，Th含量为(39.41～410.84)×10，U含量为(91.95～555.16)×10，Th/U值为0.32～0.74，加权平均年龄为(317.4±1.5)Ma(MSWD值为2.9)。石英二长岩样品JH-04所有分析点均落在谐和曲线及其附近，谐和度较高，Th含量为(79.38～326.95)×10，U含量为(206.34～691.84)×10，Th/U值为0.36～0.60，加权平均年龄为(308.09±0.85)Ma(MSWD值为0.8)，石英二长岩样品BT-03所有分析点均落在谐和曲线及其附近，谐和度较高，Th含量为(31.16～235.47)×10，U含量为(84.93～424.32)×10，Th/U值为0.30～0.56，加权平均年龄为(321.4±1.6)Ma(MSWD值为1.08)。

图8 花岗质岩石锆石U-Pb年龄谐和曲线Fig.8 Concordia Diagram of Zircon U-Pb Ages for Granitic Rocks

二长花岗岩两件样品加权平均年龄分别为(298±2)Ma和(300±2)Ma，碱长花岗岩两件样品加权平均年龄分别为(317.4±1.5)Ma和(324.5±1.5)Ma，石英二长岩两件样品加权平均年龄分别为(308.09±0.85)Ma和(321.4±1.6)Ma，说明卡拉麦里岩浆活动贯穿了整个晚石炭世。

4.3 锆石Hf同位素特征

锆石原位Lu-Hf同位素测试部位紧邻锆石U-Pb分析点位置，分析结果见表4。卡拉麦里花岗质岩体具有较为一致的Hf同位素组成。碱长花岗岩样品Hf/Hf值为0.282 914～0.283 033，()值较高(11.88～15.31)，对应的二阶段模式年龄()为0.57～0.35 Ga；石英二长岩Hf/Hf值为0.282 902～0.282 992，()值较高(11.29～14.42)，对应的二阶段模式年龄为0.61～0.40 Ga(图10)。

表4 花岗质岩石锆石Hf同位素分析结果Table 4 Analysis Results of Zircon Hf Isotopic Compositions for Granitic Rocks

续表 4

5 地球化学特征及构造背景

本次研究的卡拉麦里晚石炭世花岗质岩体总体属于准铝质—弱过铝质高钾钙碱性系列；岩石地球化学特征表现为高Si、富碱、富K、富Al。岩石地球化学特征和矿物学特征表明卡拉麦里碱长花岗岩具有A型花岗岩特征，二长花岗岩和石英二长花岗岩具有I型花岗岩特征，这与前人研究结果基本一致(图11)。

图9 花岗质岩石锆石U-Pb年龄分布Fig.9 Distributions of Zircon U-Pb Ages for Granitic Rocks

锆石Hf同位素研究显示，卡拉麦里花岗质岩石()值均为正值(11.29～15.31)，暗示花岗岩的岩浆源区与新生地壳有关，对应的二阶段模式年龄为0.61～0.35 Ga。在()-图解(图10)中，样品均分布在靠近亏损地幔演化线的下方，表明花岗岩浆源区基本由含有幔源组分的年轻地壳组成。这种含有幔源组分的年轻地壳组成的花岗岩也揭示了显生宙显著的大陆地壳生长特点。

近年来，不同学者对准噶尔盆地东北缘卡拉麦里地区晚古生代岩浆岩的研究表明，卡拉麦里地区在早石炭世已进入后碰撞伸展阶段，晚石炭世早期伸展运动最为强烈，深成岩浆活动达到顶峰。本文对卡拉麦里地区晚石炭世花岗质岩体研究显示，这些花岗质岩体沿卡拉麦里断裂带展布，形成于晚石炭世，明显晚于卡拉麦里蛇绿岩构造侵位时间，也晚于后碰撞开始时间，而后碰撞花岗岩类构造背景极其复杂，仅仅根据岩石类型或岩石系列无法准确地确定花岗岩类的构造环境。本文根据地球化学测试数据并结合前人研究成果，对卡拉麦里晚石炭世花岗岩形成的构造背景进行了讨论。

卡拉麦里地区侵入岩分布广泛，岩浆活动频繁，晚石炭世岩体总体为碱长花岗岩、石英二长岩和二长花岗岩组合，具有准铝质—弱过铝质特点。在Rb-Y+Nb图解和Nb-Y图解(图12)中，卡拉麦里晚石炭世花岗质岩体样品均落入后碰撞、板内和火山弧区域，反映陆缘岛弧和碰撞后陆内裂谷两种构造环境；在Sr-Yb分类图解(图6)中，投点均落于低Sr高Yb区域，结合岩石地球化学特征分析，说明卡拉麦里花岗岩形成于高温低压环境，是在地壳伸展减薄的背景下形成的。

底图引自文献[67]图10 花岗质岩石εHf(t)-t图解Fig.10 Diagram of εHf(t)-t for Granitic Rock

根据前人研究，高钾钙碱性花岗岩一般产生于陆弧环境或后碰撞环境及构造体制转化背景下，来源于壳幔混合源。卡拉麦里晚石炭世花岗质岩均为准铝质—弱过铝质高钾钙碱性岩石类型，结合以上岩石成因类型、地球化学和同位素特征，显示卡拉麦里晚石炭世花岗质岩体所处构造背景应为挤压碰撞到拉张环境的转换时期。

6 铀成矿潜力

6.1 砂岩型铀矿的铀源

可地浸砂岩型铀矿床为外生-后成渗入型沉积铀矿床，主要产于中、新生代盆地的盆山结合部位，如松辽盆地南缘、伊犁盆地南缘、鄂尔多斯盆地北部等，其成矿物质来源主要为来自盆地边缘及盆外蚀源区。蚀源区岩体的岩石类型、物质组成(U含量以及迁移量)和陆壳成熟度直接制约了盆地内的沉积建造和岩性特征，对沉积地层内砂岩型铀矿床的形成亦有十分重要的影响。

蚀源区元素U的活化迁移可以发生在砂岩型铀矿含矿目的层沉积物沉积、成岩和成岩后的氧化蚀变作用全过程，从而形成砂岩型铀矿的特有成矿效应。在沉积地层同沉积期，蚀源区为含矿建造的铀预富集提供大量含铀碎屑；在之后的沉积、成岩和成岩后的氧化蚀变作用过程中，来自蚀源区的含铀含氧水进入盆地之后，改变沉积地层中的U含量，最终自由氧耗尽并在氧化带前锋线处被还原而沉淀富集形成铀矿床。针对目前已发现的铀矿点、矿化点和矿床，可进行物源分析对比，追溯沉积时蚀源区的岩石类型和母岩岩性，探讨其区域构造环境、盆山沉降与隆升过程，进而判断砂岩型铀矿的成矿潜力。

中下侏罗统砂岩斜层理产状玫瑰花图和古流水特征表明，卡姆斯特古流水方向指示为NE向。对准噶尔盆地东部卡拉麦里山及其北部的奥克什山的裂变径迹研究也表明，卡拉麦里山及其北部奥克什山分别在晚三叠世—早侏罗世(210～180 Ma)和晚侏罗世—早白垩世(160～80 Ma)经历了两次快速隆升(尤其是后者)，构造隆升活动使卡拉麦里山的中酸性火成岩隆升并遭受剥蚀向卡姆斯特地区提供沉积物源。此外，对卡姆斯特地区碎屑锆石研究结果显示，中生代地层U-Pb年龄主要集中在360～263 Ma，结合Hf同位素及重矿物特征也说明卡姆斯特砂岩型铀矿主要物源/铀源是来自南侧的卡拉麦里山(未发表)。

6.2 砂岩型铀成矿潜力

前人研究表明，中国大陆岩石Th/U平均值为4.2。U是变价元素，在地表氧化条件下易于活化迁移，而Th化学性质则相对稳定，不易迁移；若Th/U值大于4.2，则说明岩石有U的迁移，据U迁移量(△U)可计算U原始含量(U)(U含量与迁移量之和)。铀矿对成熟陆壳具有明显的趋附性，两者之间在空间上存在依存关系；基于成熟陆壳控矿理论，引入陆壳成熟度(KO/NaO值高于0.8)作为有利于区域砂岩型铀矿化发育的指标。KO/NaO值、FeO/MgO值、陆壳成熟度与研究区能否成为产铀区有很大的关系。

本文对卡拉麦里晚古生代花岗质岩体岩石地球化学分析表明：花岗质岩体元素U相对较为富集，U含量为(0.80～6.14)×10，平均值为3.18×10；Th/U值为2.87～12.38，平均值为7.18，只有样品JH-04和Z-149为2.87和3.07；U迁移量为(0～8.26)×10，平均值为2.39×10；U原始含量为(0.84～12.50)×10，平均值为5.46×10。这些数据与前人研究结果基本一致。同时，KO/NaO值为0.75～1.46，只有一个样品为0.47，平均值为1.11；FeO/MgO值为1.18～20.73，平均值为5.28。上述数据表明研究区晚古生代大地构造环境为成熟的陆缘岛弧，具有成熟陆壳特征。由此可见，卡拉麦里地区古生代陆壳成熟度较高，蚀源区富铀地质体十分发育；在卡拉麦里山两侧中生代地层沉积阶段，由于卡拉麦里蚀源区较富U，沉积物本身就相对富含U。在沉积期后，该地区又接受源源不断来自蚀源区或含矿层本身含铀含氧水带来的元素U不断累积，最终成矿；特别是最近研究表明，在卡拉麦里山北侧卡姆斯特新发现的中型铀矿床与卡拉麦里富铀地质体有着密切的联系。这也说明了准噶尔盆地东北缘卡拉麦里地区具有较高的铀成矿潜力。

图(a)引自文献[50]；图(b)引自文献[79]；图(c)引自文献[80]图11 花岗质岩石成因类型判别图解Fig.11 Discrimination Diagrams of Genetic Types for Granitic Rocks

底图引自文献[81]图12 花岗质岩石构造环境判别图解Fig.12 Discrimination Diagrams of Tectonic Setting for Granitic Rocks

7 结 语

(1)准噶尔盆地东北缘卡拉麦里晚石炭世花岗质岩体属于准铝质—弱过铝质高钾钙碱性系列。碱长花岗岩具有A型花岗岩特征，石英二长岩和二长花岗岩具有I型花岗岩特征。

(2)卡拉麦里晚石炭世花岗质岩体富集Rb、Th、U等元素，亏损Ba、Sr、P、Ti等元素，伴随有不同程度的Eu负异常，显示陆缘岛弧和碰撞后陆内裂谷两种构造环境特征；结合区域火成岩和蛇绿岩的研究认为，晚石炭世卡拉麦里地区处于挤压碰撞到拉张环境的转换时期。

(3)卡拉麦里花岗质岩体KO/NaO值为0.47～1.46，平均值为1.11，FeO/MgO值为1.18～20.73，平均值为5.28，具有成熟陆壳特征；花岗质岩体元素U强烈富集，U迁移量为(0～8.26)×10，平均值为2.39×10，U原始含量为(0.84～12.50)×10，平均值为5.46×10，为临近的中新生代地层提供了丰富的沉积物和元素U，并成为陆相盆地砂岩型铀矿的重要成矿物质来源，说明卡拉麦里地区具有较高的铀成矿潜力。