红石泉铀矿床早志留世二长正长岩成因及与铀成矿关系

王 贵， 王凯兴， 王 伟， 王 刚， 余驰达

(1.核工业二〇三研究所，陕西 咸阳 712000；2.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013)

龙首山铀成矿带东起民勤县红崖山，西至张掖市，北西向延伸约180 km。目前，在龙首山铀成矿带内已经发现多个铀矿床、众多铀矿化和异常点，这些铀矿化类型包括岩浆型、碱交代型和砂岩型，该铀成矿带是我国西北地区主要铀成矿区之一(王生云等，2020；陈云杰等，2020；张金带等，2012)。

红石泉铀矿床位于龙首山铀成矿带西段，属于岩浆侵入岩型铀矿床(张金带等，2012)，矿化岩石主要是元古代伟晶状花岗岩，铀矿物以晶质铀矿为主，成矿时代为元古代(辛存林等，2013)。随着勘探工作的深入，在红石泉铀矿床内发现大量受构造控制的沥青铀矿，暗示该矿床内存在热液铀成矿作用。以往对红石泉铀矿床的研究主要为元古代岩浆岩及岩浆铀成矿作用(戎嘉树等，1984；辛存林等，2013)。然而，对于改造晶质铀矿的流体有关的岩浆热事件研究薄弱。通过对晶质铀矿研究，王伟等(2020)认为红石泉铀矿床晶质铀矿形成之后经历了古生代热液改造作用；红石泉矿床晶质铀矿被改造的时期约为427 Ma(1)王生云，2020.龙首山铀成矿带关键控矿要素研究及远景评价[R].。笔者通过对红石泉铀矿床岩浆岩分析后发现，在元古代伟晶状花岗岩南部以岩株状侵入的二长正长岩年龄约为421 Ma，该期次二长正长岩可能与红石泉矿床元古代晶质铀矿的古生代改造的岩浆活动有关。鉴于此，笔者选择红石泉矿区的二长正长岩作为研究对象，开展LA-ICP-MS 锆石U-Pb同位素年代学、元素地球化学特征研究，旨在探讨其形成年龄、岩石成因及其与热液铀成矿之间的联系。

1 地质背景

1.1 大地构造背景

红石泉铀矿床属于祁连-秦岭成矿省的祁连-龙首山成矿带的西段，其在大地位置上位于华北板块西南缘，阿拉善地块的南缘，南接河西走廊盆地(图1a)。红石泉铀矿床地质演化经历了3个阶段：前寒武纪地块的形成和发展阶段，古生代拱断带的形成和发展阶段，中新生代断块活动阶段。该地区显示出活动-稳定-再活动-再稳定的多旋回的发展演化特征，每个阶段的沉积建造、构造变形、变质作用、岩浆活动和成矿作用都有不同的特点。

图1 北祁连裂谷区域地质简图(a)和红石泉铀矿床地质图(b；辛存林等，2013)Fig.1 Simplified geological map of North Qilian rift(a) and geological map of the Hongshiquan uranium deposit(b) 1.第四系；2.元古界；3.下石炭统；4.二叠纪煌斑岩脉；5.古生代中粗粒花岗岩和二长正长岩；6.古生代斜长花岗岩和石英闪长岩；7.古元古代伟晶状花岗岩；8.断裂；9.铀异常；10.采样点

矿区出露的变质地层包括古元古界龙首山群、中元古界墩子沟群和新元古界韩母山群。龙首山岩群是一套经角闪岩相变质作用改造的强烈变质变形的地质体。岩性主要为条带状、眼球状混合岩夹斜长角闪岩、花岗质片麻岩、黑云斜长片麻岩等。墩子沟群以角度不整合于龙首山岩群之上，下部由含炭硅质板岩和变长石石英砂岩组成，上部为硅质条带白云岩、纹层状白云岩、藻白云岩和含铁白云岩等。韩母山群平行不整合于墩子沟群之上，由砾状白云岩、含砾千枚岩和含炭绢云千枚岩、绢云石英千枚岩组成。区内显生宙地层分布零星，除底界以含磷层位为特点的寒武系碎屑岩、碳酸盐岩局部分布外，早古生界缺失，晚古生界有泥盆系紫红色磨拉石和安山质凝灰岩、玄武岩和石炭，二叠系碎屑岩呈局部断陷盆地分布。矿区内及周边岩浆活动强烈，主要发育侵入岩，分布十分广泛，其类型多样，包括超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩和碱性岩等，其中花岗岩类岀露面积约680 km2。

1.2 岩相学特征

红石泉矿床内出露的岩浆岩主要包括古元古代肉红色伟晶状花岗岩(戚佳伟等，2019)、早古生代石英闪长岩、花岗岩和二长正长岩以及少量晚古生代辉绿岩(蓝德初，2019)。二长正长岩出露于古元古代伟晶状花岗岩南侧，侵入于元古代龙首山群变质岩中(图1b)。二长正长岩呈橘红-紫红色，岩性以中细粒块状含角闪石二长正长岩为主(图2a)，主要造岩矿物为钾长石、黑云母和石英，含少量角闪石和斜长石(图2b)。钾长石一般为微斜长石，具格子双晶，粒径为0.3～1.0 mm，含量为60%～80%。黑云母呈片状产出，粒径为0.2～1.0 mm，含量为5%～10%。少量他形粒状石英，波状消光，粒径为0.1～0.5 mm，含量为1%～5%。副矿物有磁铁矿、磷灰石和锆石等。

图2 红石泉二长正长岩野外及镜下显微特征Fig.2 Field and microphotographs of Hongshiquan monzosyenitea.碱性岩露头特征；b.碱性岩镜下特征(+)；Qz.石英；Kf.钾长石；Pl.斜长石；Bt.黑云母

1.3 铀矿化特征

红石泉铀矿床矿化围岩主要为伟晶状花岗岩，其次为极少量块状石英岩。铀矿石颜色主要有浅肉红色、灰黑色和紫红色(图3)。灰黑色矿石主要分布在岩体与围岩接触部位的混染带内；紫红色矿石是肉红色矿石与灰黑色矿石叠加后期热液作用形成。矿石主要为不等粒结构，分散浸染状-块状构造，少量为脉状和似脉状构造。铀矿物主要包括晶质铀矿、沥青铀矿和铀黑(图3)。

图3 红石泉铀矿床矿石及铀矿物特征Fig.3 Ore and uranium mineral characteristic of the Hongshiquan uranium deposita.肉红色矿石特征；b.肉红色矿石中晶质铀矿呈粒状；c.灰黑色矿石特征；d.灰黑色矿石中晶质铀矿被黑云母包裹；e.紫红色矿石特征；f.紫红色矿石中沥青铀矿沿裂隙充填

晶质铀矿呈灰黑色，半金属光泽，多呈立方体自形晶，粒径为0.1～0.3 mm，个别颗粒可达0.6 mm(图3)。晶质铀矿多遭受溶蚀碎裂，在近旁生成铀黑或沥青铀矿，可见与黄铁矿和锆石共生。当岩石中黑云母较多时，晶质铀矿更为发育。沥青铀矿呈脉状、细脉状分布于晶质铀矿空洞周边及内部的微裂隙中，部分与黄铁矿、辉钼矿、绿泥石、方铅矿等共生(图3)。

2 结果分析

2.1 分析方法

主量和微量元素测试、锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素测年是在南京聚谱分析检测有限公司完成。主量元素利用安捷伦公司5 110型ICP-OES测试，以AGV-2(安山岩)与BHVO-2 (玄武岩)作为测试标样，测试的相对误差小于2%。微量元素采用Agilent 7700x ICP-MS测定。质量分数大于10×10-6的微量元素，偏离范围不超过±10%；质量分数大于50×10-6的微量元素，偏离范围不超过±5%。

LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年测试是利用澳大利亚制造的193nm ArF 准分子激光剥蚀系统完成。四极杆型电感耦合等离子体质谱仪由安捷伦科技制造，型号为Agilent7700x。标准锆石91 500(1 062 Ma)作为测试外标以校正仪器质量歧视与元素分馏；标准锆石GJ-1(600 Ma)与Pleovice(337 Ma)为盲样检验U-Pb定年数据质量，原始的测试数据经过ICPMSDataCal软件离线处理完成。

2.2 地球化学特征

本次采集了7件二长正长岩样品，其元素地球化学分析结果见表1。在花岗岩类TAS图解中，样品主要落入二长正长岩内(图4a)。里特曼指数(σ)为5.35～10.60，在AR-SiO2图解中全部落入碱性区域(图4b)。

图4 红石泉矿床二长正长岩TAS图解(a；底图据Middlemost, 1994)和AR-SiO2图解(b；底图据Wright, 1969)Fig.4 TAS diagram and AR-SiO2 diagram of monzosyenite in Hongshiquan deposit

表1 红石泉矿床二长正长岩地球化学成分一览表

红石泉二长正长岩稀土元素总量(ΣREE)为466.80×10-6～905.77×10-6，LREE/HREE值为14.50～24.42，(La/Yb)N值为23.94～42.57。上述特征说明红石泉二长正长岩稀土元素总量变化较大，轻、重稀土元素分馏明显，轻稀土元素相对富集，重稀土元素相对亏损，在稀土元素球粒陨石标准化配分图上呈右倾型(图5a)。δEu值为0.59～0.64，样品具有中等程度的Eu亏损，δCe值为0.96～1.01，Ce基本无异常。在微量元素原始地幔标准化蛛网图中(图5b)，样品富集Th、U、Nd、Ta等元素，亏损Nb、Sr、P和Ti等元素。

图5 二长正长岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(a;Sun et al., 1989)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b；Boynton, 1984)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spider diagram of monzosyenite

2.3 二长正长岩年龄

LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄测试结果见表2。二长正长岩锆石长约120～210 μm，长宽比为1.0～2.1。阴极发光图像显示被测锆石具有清晰的震荡环带(图6)。锆石U含量为300.71×10-6～308.63×10-6，Th/U值为0.48～1.32，说明被测锆石为岩浆锆石。定年结果显示，分析点都集中分布在一致曲线上，206Pb/238U年龄为407～440 Ma，加权平均年龄为(421±2.3) Ma(MSWD=1.0；图6)，该年龄代表了红石泉铀矿床二长正长岩的形成年龄。

图6 红石泉二长正长岩锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素定年结果Fig.6 LA-ICP-MS U-Pb isotopic dating of zircon from monzosyenite in Hongshiquan deposit

3 岩石成因及构造意义

目前，二长正长岩主要存在3种成因模式：①由下地壳岩石部分熔融而成(Lubala et al., 1994; Huang et al., 1981)；②俯冲相关的交代地幔部分熔融或者碱性玄武质岩浆结晶分异的产物(Sutcliffe et al.,1990;Lynch et al.,1993; Parker,1983; Brown et al., 1986; Thorpe et al., 1992; Yang et al., 2005; Rios et al., 2007)；③壳幔岩浆混合，或者幔源硅不饱和碱性岩浆和下地壳部分熔融形成的花岗质岩浆混合的产物(Barker et al.,1975; Sheppard, 1995; Zhao et al., 1995; Litvinovsky et al., 2002; Dorais, 1990)。其中2种成因模式与幔源基性岩浆作用有关。然而，红石泉矿区内发育的基性岩形成于早二叠世(蓝德初，2019)，早志留世基性岩至今尚未发现，表明在红石泉矿区内二长正长岩形成时可能并未有基性岩浆的混入。结合红石泉二长正长岩具有较高的(La/Yb)N值及右倾的稀土元素模式，认为红石泉矿区内早志留世二长正长岩主要是由下地壳岩石部分熔融形成。

已有研究表明，自古祁连洋闭合后北祁连山地区发育的岩浆岩可以大致分为2类：第1类成岩年龄为467～440 Ma，为一套加厚大陆下地壳部分熔融的低Mg、高Sr、低Y的埃达克质中酸性岩石(Tseng et al., 2009; Yu et al., 2015，2017; Zhang et al., 2017)；第2类岩浆岩包括高Mg、高Sr、低Y的埃达克质中酸性岩石、A-型和I-型花岗岩、以及基性岩，其成岩年龄为440～390 Ma，属于后碰撞伸展环境下岩浆作用的产物(Zhang et al., 2017; Zeng et al., 2016; Tseng et al., 2009; Yu et al., 2015, 2017)。红石泉铀矿床内二长正长岩具有高Mg、高Sr、低Y等特征，其成岩年龄为435 Ma，属北祁连造山带内第2类岩石组合。因此，笔者认为红石泉铀矿床内二长正长岩的形成与古祁连洋闭合后，祁连-柴达木板块向阿拉善板块碰撞后的伸展环境有关。

4 对铀成矿作用的指示

红石泉铀矿床属于伟晶岩浆铀矿床，矿石矿物为晶质铀矿，但也发育了沥青铀矿(图3f)，说明存在中低温铀成矿作用。王伟等(2020)认为红石泉岩浆铀矿床形成之后遭受后期的流体改造，活化了晶质铀矿中的铀。红石泉矿床晶质铀矿被改造的时期约为427 Ma，与红石泉矿床内正长岩的年龄吻合，因此可以认为红石泉矿床内中低温铀成矿作用与正长岩岩浆作用有关。

5 结论

(1)红石泉铀矿床二长正长岩的锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素年龄为(421±2.3) Ma，为早志留世岩浆作用的产物。

(2)二长正长岩具有SiO2值中等、准铝质、轻稀土元素相对富集、重稀土元素相对亏损、Eu呈不同程度的负异常的特点，可能是下地壳岩石部分熔融的产物。

(3)红石泉铀矿床内二长正长岩属于北祁连造山带内第2类岩石组合，其形成与古祁连洋闭合后的祁连-柴达木板块向阿拉善板块碰撞后的伸展环境有关。

(4)红石泉铀矿床古生代中低温铀成矿作用的形成可能与二长正长岩分异出来的碱性流体有关。