北秦岭光石沟花岗伟晶岩型铀矿床成矿时代：来自独居石原位微区U-Th-Pb 定年约束

武勇，秦明宽，郭冬发，崔建勇，刘汉彬，何升

（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）

花岗伟晶岩型铀矿床常指与花岗伟晶岩有关的一类矿床，产铀花岗伟晶岩主要分布在古老的褶皱带内，周围分布一些岩浆岩体，其中以纳米比亚Rössing 铀矿床为典型代表，其铀资源量约占了世界的5%［1］。我国北秦岭地区是花岗伟晶岩型铀矿床较为发育的成矿区（带），目前已发现的铀矿床有光石沟和陈家庄两个典型花岗伟晶岩型铀矿床，其中以光石沟铀矿床为代表［2-3］。前人对光石沟铀矿床进行了较多的研究，取得了丰富的成果和认识。但由于技术条件的限制，以往的研究多聚焦于矿床的成矿地质背景、形成条件、矿床成因等方面，而有关该矿床的成矿作用时间的研究，前人利用热电离质谱（TIMS）、电子探针（EPMA）等技术获得了测试结果，但也存在一定的分歧，一定程度上制约了对矿床的成因和实际找矿方向的认识［4-6］。

本文将对与晶质铀矿空间关系呈共生的矿物（独居石）为研究对象，进行原位、微区LAICP-MS 定年，开展系统的矿物年代学研究，以揭示该矿床的铀成矿作用，对光石沟地区铀矿的成因及成矿年代学的研究具有重要意义，为今后在该矿区开展铀矿找矿工作提供科学数据支持。

1 区域地质概况

光石沟铀矿床位于华北大陆南缘北秦岭东段地区，北以蔡川断裂为界，南以商丹构造带断裂为界，区内分布的地层主要为晚古生代秦岭群、丹凤群、云家韩群和晚三叠世-早侏罗世砂岩地层（图1）。矿床空间位置产于大毛沟岩株外接触带的黑云母花岗伟晶岩区域，出露地层为秦岭群的下岩性段。岩性主要由黑云母斜长片麻岩、大理岩、斜长角闪岩、混合岩组成［7-10］。断裂构造主要发育以层间破碎带为特征的北西西向和北西向断裂为主。

矿区出露的岩浆岩主要为灰池子和大毛沟花岗岩体，其中灰池子岩体为复式花岗岩体，岩性包括黑云母花岗闪长岩和黑云母花岗岩，大毛沟岩体主要为黑云母正长花岗岩。矿体赋存在黑云母花岗伟晶岩和黑云母斜长片麻岩接触带上（图2）。

图2 光石沟花岗伟晶岩型铀矿床地质简图Fig.2 Simplified geological map of the Guangshigou uranium deposit

2 样品采集与处理

为了探究光石沟铀矿床形成时间，本次共采集了5 件含矿黑云母花岗伟晶岩样品，样品均采自于矿床的985 平垌内。该平垌发育大量与铀矿化有关的花岗伟晶岩脉，赋矿花岗伟晶岩脉常含有大量的黑云母（图3a）。矿石矿物主要以晶质铀矿为主（图3b、c），脉石矿物为黑云母、石英和长石（图3d），副矿物有独居石、锆石、磷灰石、黄铁矿等。本次研究将含矿黑云母花岗伟晶岩样品制成光薄片进行原位LAICP-MS 测试，样品经反光显微镜观察之后，再送至核工业北京地质研究院测试中心开展BSE图像分析。

图3 黑云母花岗伟晶岩手标本及镜下照片Fig.3 Photo of the hand specimen and microscopic of the granitic pegmatites from the Guangshigou uranium deposit

3 分析方法

独居石原位U-Th-Pb 同位素定年在武汉上谱分析有限责任公司利用LA-ICP-MS 分析完成，激光剥蚀系统为GeoLas 2005，ICP-MS 为Agilent 7700e。激光剥蚀过程采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度，二者在进入ICP 之前通过一个T 型转接头混合。单点采集数据包括大约20～30 s 的空白信号和50 s 的样品信号。对分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal完成［11］。U-Th-Pb同位素定年中采用独居石Tre（Trebilcock 伟晶岩独居石）作外标进行同位素分馏校正，每分析5 个样品点，再分析2 次独居石Tre 标样。独居石样品的UTh-Pb 年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算采用IsoplotEx_ver3 完成［12］。

4 分析结果

含矿黑云母花岗伟晶岩样品中独居石颗粒大小不一，其长轴约为400～2 000 µm，个别颗粒可达3 000 µm，长宽比介于2∶1～4∶1，呈自形、半自形居多，少数者为浑圆状，部分独居石发育裂纹，在背散射电子图像中绝大部独居石都具有较为均匀的灰色发光效应（图4）。42个点的独居石LA-ICP-MS U-Pb 分析结果见图5 和表1。

图4 与晶质铀矿共生独居石矿物扫描电镜照片Fig.4 The BSE image of uraninite coexisting with monazite

图5 独居石LA-ICP-MS 测试结果协和图Fig.5 Monazatie U-Pb age diagrams

从表1 可知，样品2018GSG-4-1 独居石的Th、U含量别为 9.13×10-2～9.86×10-2和8.64×10-3～1.26×10-2，相应的Th/U值为7.73～10.56，7 个分析点的谐和年龄为（403.5±3.6）Ma（MSWD＝0.7）；样品2018GSG-4-3 独居石的Th、U含量别为9.75×10-2～1.01×10-1和7.46×10-3～1.01×10-2，相应的 Th/U值为9.76～13.28，7 个分析点获得谐和年龄为（403.5±3.6）Ma（MSWD＝1.3）；样品2018GSG-5-3独居石的Th、U含量别为9.74×10-2～1.05×10-1和6.26×10-3～1.26×10-2，相应的Th/U 值为8.07～15.56，8 个分析点获得谐和年龄为（400.2±4.3）Ma（MSWD＝2.8）；样品2018GSG-5-4 独居石的Th、U含量别为9.03×10-2～1.05×10-1和8.73×10-3～1.22×10-2，相应的Th/U 值为7.60～11.63，10 个分析点的谐和年龄为（399.6±0.78）Ma（MSWD＝4.9）；样品2018GSG-6-1 独居石的Th、U含量别为8.93×10-2～1.02×10-1和1.04×10-2～1.35×10-2，相应的Th/U 值为7.55～9.70，10 个分析点的谐和年龄为（400.8±2.4）Ma（MSWD＝2.9）。

表1 独居石LA-ICP-MS 测试结果Table 1 LA-ICP-MS test results of monazite

综上所述，5 件含矿黑云母花岗伟晶岩的独居石样品谐和年龄分别为（403.5±3.6）Ma、（403.5±3.6）Ma、（400.2±4.3）Ma、（399.6±0.78）Ma、（400.8±2.4）Ma，代表了黑云母花岗伟晶岩石的成岩年龄，基于独居石与晶质铀矿的空间共生关系，表明了晶质铀矿形成时间与独居石近于同期。

5 讨论

5.1 成矿时代的约束

独居石分布较为广泛，常常是变质岩、沉积岩和中酸性花岗岩中一种副矿物，并以其富含U、Th，低普通Pb 含量，体系封闭温度高，不易发生放射性损伤为特征，成为U-Pb定年的理想对象［13］。独居石在低流体环境性质非常稳定，矿物形成则处于相对封闭的U-Th-Pb 体系，因此，利用独居石定年可以有效地判定成岩、成矿地质事件的形成时间［14-15］。本次所研究的独居石矿物，在产出空间关系上，与矿石矿物（晶质铀矿）共生，形貌特征常呈自形、半自形，碎裂状结构，矿物的扫描电镜图像显示其发光均匀，不发育环带结构。

前人对独居石的成因研究表明，热液成因的独居石Th 的质量分数一般小于1%，而岩浆成因的独居石一般更富集Th 且Eu 呈现明显地负异常、Th/U 值较高［16］。同样，独居石的稀土元素地球化学特征也可以用来识别其成因类型，例如热液交代和沉积成因的独居石具有稀土元素四分组效应，而岩浆成因独居石稀土元素不具有四分组效应，表现出明显的Eu 强烈亏损的右倾斜稀土配分曲线［16-18］。本次所开展的研究中，5 件独居石矿物样品的Th/U 值变化范围为7.55～15.56，平均值为10.13，明显高于热液成因的独居石中Th 含量（1%），独居石的稀土元素不具有四分组效应（表2），所有样品表现为Eu 强烈亏损的右倾特征（图6）。因此，本研究所采用的5 个独居石与其共生的晶质铀矿都是岩浆成因形成，指示了独居石与晶质铀矿为同时结晶形成，也就是说，独居石与矿石矿物（晶质铀矿）在成因上具有同样的形成环境，产出空间关系上一致，结合独居石（403.5±3.6）Ma、（403.5±3.6）Ma、（400.2±4.3）Ma（399.6±0.78）Ma、（400.8±2.4）Ma 的U-Pb 年龄，表明光石沟花岗伟晶岩型铀矿床的成矿作用时间发生在约400 Ma 左右，为早泥盆世。

图6 独居石稀土元素配分图解Fig.6 Diagram of rare earth elements in monazite

表2 独居石稀土元素LA-ICP-MS 测试结果w（B）/10-6Table 2 LA-ICP-MS test results of REE of monazite w(B)/10-6

5.2 成矿动力学背景

光石沟铀矿床的含矿围岩主要以黑云母花岗伟晶岩为主，晶质铀矿多呈自形、半自形结构散布岩石中，或出现在造岩矿物（黑云母）内部及边部（图3），或常与副矿物（独居石、磷灰石等）共生（图4），与造岩矿物或者副矿物呈包含结构、共生结构，表明晶质铀矿与造岩矿物、副矿物近于同时形成。北秦岭商丹地区出现广泛发育加里东期花岗岩岩体和花岗伟晶岩岩石类型，这些岩石记录了秦岭古大洋与华北板块碰撞过程的造山演化历史［18-19］。在丹凤地区，秦岭群的主体为混合岩化片麻岩，新元古代晚期，华北陆块南缘开始裂解，随后发生大洋扩张作用，秦岭洋壳沿商丹缝合带的俯冲从北秦岭东段开始，并持续到晚奥陶世末或早志留世（442 Ma）［4-7］。此后，构造体由洋陆俯冲转换成块体的碰撞增生，在晚志留世（420～413 Ma），灰池子岩体形成受幔源物质和加厚地壳的共同作用，块体汇聚作用减弱，而转变成较强的褶皱作用，随之发生低压变质、深熔以及岩浆作用［8］。同源的花岗质岩浆同化秦岭群地壳岩石形成了较高分异的花岗伟晶岩组合，同时，褶皱之间的构造界面为伟晶岩浆和矿体赋存提供了就位空间［6-8］。

随着伟晶岩岩浆演化的后期阶段，温度、压力的不断变化，U 在岩浆中为强烈不相容元素。岩浆晚期形成相对还原环境，在结晶分异作用下，U 更倾向于在岩浆晚期富集，在花岗伟晶岩岩浆演化过程中U 进一步富集。随着黑云母、独居石、磷灰石等矿物结晶，U 在还原环境下，最终形成独立铀矿物而富集成矿。

6 结论

1）通过对样品开展光学显微镜、扫描电镜及稀土元素研究，指示了独居石与矿石矿物（晶质铀矿）同时形成，且形成于高温、相对还原的物理-化学环境。

2）北秦岭地区光石沟花岗伟晶岩型铀矿床的5 件含矿伟晶岩中独居石样品的U-Pb 年龄分别为（403.5±3.6）Ma、（403.5±3.6）Ma、（400.2±4.3）Ma、（399.6±0.78）Ma 和（400.8±2.4）Ma，一致地代表了该矿床的成矿地质时代为早泥盆世。

3）独居石的年龄结果表明含矿伟晶岩形成于早泥盆世，结合已有的年代学数据，北秦岭地区主要发生了早泥盆世岩浆活动，商丹洋壳北向俯冲导致秦岭微陆块发生变质、深熔和同时岩浆作用，最终形成了光石沟铀矿床。