龙首山成矿带绿草沟地区铀矿化特征及成因浅析

何佳军，王刚，王伟，刘涛，叶发旺，张川

（1.核工业二〇三研究所，陕西 西安 710086；2.核工业北京地质研究院 遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029）

龙首山成矿带是我国北方重要的铀成矿带，目前发现有新水井和芨岭钠交代型、红石泉伟晶状白岗岩型、革命沟硅质脉型和金边寺热液-淋积型4 种不同类型的5 个铀矿床［1-2］，其中芨岭铀矿床作为我国北方钠交代型铀矿床的典型代表［3］备受广大地质工作者的关注。随着找矿工作的持续进行，区内的相关研究日趋丰富和深入［4-9］，形成的报道可谓百花齐放，为龙首山成矿带的找矿工作提供了有效的指导。近年来，在芨岭铀矿床北东方向绿草沟地区深部发现了较好的工业矿体，显示了较好的找矿潜力，但该区工作及研究程度均较低，因此，本文基于最新找矿成果，对绿草沟地区的铀矿化特征进行了梳理和总结，初步讨论了其成因，以期为今后的铀矿找矿工作提供理论依据。

1 成矿地质背景

龙首山成矿带地处华北板块西南缘阿拉善地块南缘，南接河西走廊过渡带，北邻潮水盆地，总体呈北西西向展布［10-11］。区内主要出露古元古界龙首山群、中元古界墩子沟群以及新元古界韩母山群。除寒武系外，下古生界缺失，上古生界以及中、新生界小面积零星分布［12］。断裂构造十分发育，按走向可分为北西向、近东西向和近南北向3 组。岩浆活动自元古代到中生代均有发育，受北西向构造控制，整体呈北西向带状广泛分布，以早古生代岩浆活动最为强烈，演化较为完整，发育一套以花岗岩类为主的中性-酸性-碱性侵入岩系列［13］。

龙首山成矿带中段芨岭岩体为加里东中晚期碰撞后构造背景下形成的复式岩体［14］，主体以花岗岩类为主。东段因腹部出露古元古界被分为南、北两带。岩体演化完整，晚期热液活动十分强烈，沿南北两条区域性大断裂分布有钠交代型和硅质脉型铀矿床以及大量的矿（化）、异常点带。绿草沟位于芨岭岩体北带南缘，地层主要为龙首山群白家咀子组（Pt1b）大理岩和塌马子沟组（Pt1t）黑云母石英片岩。绿草沟断裂为区内的主断裂，与之平行或相交的次级断裂发育，规模较大者有10 余条，长1～5 km，宽1～3 m，最宽者达10 m。断裂带内岩石破碎，热液蚀变发育。伸展构造环境下壳幔岩浆混合形成的中志留世细粒正长岩（427±3.6 Ma）［15］平均铀含量为11.9×10-6，是芨岭岩体铀含量最高的岩石之一，整体呈北西西向狭长的带状出露，长约20 km，宽0.25～1.25 km，总面积约10 km2，为后期铀成矿奠定了良好的物质基础。细粒正长岩与黑云母石英片岩呈侵入接触关系，二者的岩性界面广泛分布（图1）。

图1 龙首山中段地质简图（a）和绿草沟地区地质图（b）Fig.1 Sketch geology map of middle sectiom of Longshoushan（a）and geology map of Lyucaogou area（b）

2 铀矿化特征

2.1 矿体特征

绿草沟地区目前发现的工业矿体均为隐伏矿体，主要定位于中志留世细粒正长岩和古元古界塌马子沟组黑云母石英片岩的接触带两侧，产状与接触面产状大致相同，走向北东向，倾向北西，倾角为45°～48°。矿体主要呈板状和脉状，单矿体厚度变化系数为15%～45%，总体稳定，品位变化系数一般为9%～34%，矿化均匀。

2.2 矿石特征

含矿岩石依据岩性有蚀变黑云母石英片岩和蚀变细粒正长岩两种，矿石结构主要为粒状鳞片变晶结构和碎裂结构，构造主要为细脉状、网脉状和侵染状构造（图2）。

图2 绿草沟地区铀工业矿段及矿石特征Fig.2 Drilling cores and specimen of ore in Lyucaogou area

2.3 铀矿物特征

电子探针分析结果（表1）和背散射图像显示，矿石中矿物成分简单，铀矿物均为铀石，金属矿物有黄铁矿、赤铁矿、金红石，脉石矿物有石英、方解石、绿泥石等。铀石主要沿矿物的边缘及微裂隙呈脉状分布，与黄铁矿、绿泥石共生（图3a、b），或呈胶状和小团块分布于石英、金红石等矿物的间隙或边缘，与方解石共生（图3c），也呈颗粒状镶嵌于赤铁矿中（图3d）或围绕黄铁矿边缘包裹黄铁矿（图3e），蚀变细粒正长岩矿石中见少量钍石（图3f）。铀石中UO2含量为56.84%～70.38%，平均为67.18%；SiO2含量为15.89%～22.42%，平均为19.65%；此外，还含有较多Al2O3、CaO 及少量MgO、FeO。可能因含有水和其他杂质，铀石化成分总量介于83.92%～94.21%之间。

图3 绿草沟地区铀矿物存在形式（背散射图像）Fig.3 Existing forms of uranium minerals in Lyucaogou area（BSE）

表1 绿草沟地区铀矿物电子探针分析/%Table 1 Results of electron probe analysis of uranium minerals/% in Lyucaogou area

2.4 地球化学特征

2.4.1 蚀变黑云母石英片岩矿石地球化学特征

主量元素分析结果显示（表2），矿石中SiO2含量为47.81%～55.46%，平均为51.55%；TiO2含量为0.33%～0.92%，平均为0.62%；Al2O3含量 为8.02%～9.29%，平 均为8.70%；Fe2O3含量为1.37%～2.25%，平均为1.93%；FeO 含量为1.97%～2.84%，平均为2.47%；MgO含量为3.91%～7.64%，平均为5.83%；CaO 含量为9.94%～14.04%，平均为11.97%；Na2O 含量为1.27%～3.61%，平均为2.33%；K2O 的含量为2.69%～4.02%，平均为3.34%；P2O5含量为0.06%～0.41%，平均为0.22%。与无矿岩石相比，Fe2O3、FeO 和MgO 含量明显减少，SiO2、Al2O3含量略有减少，TiO2、CaO、Na2O、K2O、P2O5含量以及烧失量明显增加，其他元素含量无明显变化。

稀土元素分析结果显示（表3），矿石稀土元素总量（ΣREE）为（238.14～314.94）×10-6，轻稀土（LREE）含量为（217.58～289.53）×10-6，重稀土（HREE）含量为（20.56～25.41）×10-6，LREE/HREE 值为10.58～11.39，轻稀土明显富集、重稀土相对亏损。LaN/YbN值为10.85～13.88，轻重稀土分馏较为明显，与无矿岩石相比，稀土元素总量明显增加。球粒陨石标准化配分模式显示（图4a），矿石与无矿岩石的曲线具有相似的形态和特征，表现为轻稀土明显右倾，重稀土近水平或微上扬。

图4 绿草沟地区黑云母石英片岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式（a）和微量元素原始地幔标准化蛛网图（b）（标准化值据参考文献［16］）Fig.4 Chondrite normalized REE patterns（a）and primitive mantle normalized trace element spider diagrams（b）of biotite quartz schists in Lyucaogou area（standardized value references［16］）

微量元素分析结果（表4）和原始地幔标准化蛛网图显示（图4b），矿石明显富集Th、U、La、Ce、Zr、Hf 等元素，明显亏损Nb、Sr、P、Ti 等元素。矿石与正常岩石的Th/U 值分别为0.04～0.08 和0.23～0.56，岩石中随着U 含量的不断增加，Th 的含量也逐渐增加，但U 的增幅远大于Th，导致Th/U 值减小。矿石与无矿岩石的曲线形态整体一致。

2.4.2 蚀变细粒正长岩矿石地球化学特征

主量元素分析结果显示（表2），矿石中SiO2含量为52.78%～66.12%，平均为59.55%；TiO2含量为0.14%～0.53%，平均为0.30%；Al2O3含量为15.32%～16.64%，平均为16.06%；Fe2O3含量为1.36%～3.52%，平均为2.23%；FeO 含量为0.75%～1.45%，平均为1.06%；MgO含量为0.51%～1.58%，平均为1.01%；CaO 含量为1.13%～8.12%，平均为3.94%；Na2O 含量为5.21%～6.43%，平均为5.77%，K2O 的含量为3.80%～4.83%，平均为4.39%；P2O5含量为0.02%～0.22%，平均为0.09%。与无矿岩石相比，TiO2、FeO 和P2O5含量明显降低，MgO、CaO含量以及烧失量明显增加，其他成分无明显变化。

稀土元素分析结果显示（表3），矿石中稀土元素总量（ΣREE）为（198.43～423.79）×10-6，轻稀土（LREE）含量为（188.50～400.09）×10-6，重稀土（HREE）含量为（9.93～23.70）×10-6。LREE/HREE值为 16.88～29.68，轻稀土明显富集，重稀土亏损；LaN/YbN值为34.44～41.05，轻重稀土分馏明显。与无矿细粒正长岩相比，稀土元素总量明显减少。球粒陨石标准化曲线显示（图5a），无矿细粒正长岩与含矿细粒正长岩的轻稀土具有相似的形态，但前者的重稀土先右倾后平滑，而后者则表现为“先抑后扬”的特征，可能是后期热液作用改造的结果。

图5 绿草沟地区细粒正长岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式（a）和微量元素原始地幔标准化蛛网图（b）（标准化值据参考文献［16］）Fig.5 Chondrite normalized REE distribution patterns（a）and primitive mantle normalized trace element spider diagrams（b）of fine-grained syenites in Lyucaogou area（standardized value references［16］）

微量元素分析结果（表4）和原始地幔标准化蛛网图显示（图5b），矿石明显富集Th、U、La、Ce、Zr、Hf 等元素，亏损Ba、Nb、Sr、P、Ti 等元素。矿石与无矿岩石中Th/U 值随U 含量的增加而减小，二者的曲线形态大致相同。

3 成因浅析

铀矿物沉淀产生的条件是出现减压区，系统变为开放系统，地质作用上表现为断裂构造、岩体接触面等［17-18］。绿草沟断裂及其次级断裂在区内十分发育，为含矿热液运移的主要通道。晚期岩浆分异所形成的中志留世细粒正长岩是芨岭岩体铀含量最高的岩石之一，为后期的铀成矿作用奠定了良好的物质基础。其侵位于黑云母石英片岩中形成了大量的岩性界面，在构造动力作用下易张开、滑动、形成裂隙或破碎，是压力的骤减部位，为含矿热液的运移提供有利的通道，其作用等同于断裂在成矿过程中的作用；另一方面，黑云母石英片岩因含大量的Fe2+，又起到了一个地球化学障的作用，有利于热液中铀在岩性界面两侧富集成矿。绿草沟地区两种矿石中CaO 的含量明显增加，与铀石中CaO 含量较高的特征相吻合，指示含矿热液中富含Ca。矿石的烧失量相比无矿岩石明显增加，说明热液改造后的岩石中H2O 和CO2的含量增加，指示含矿热液中铀可能主要以碳酸铀酰络合物离子UO2（CO3）22-（或UO2（CO3）43-）的形式存在。铀石主要形成于弱碱性或碱性条件下［19］，并且是中-低温热液的产物，共生矿物有石英、方解石等［20-21］。综上，初步认为绿草沟地区铀主要以碳酸铀酰络合物离子UO2（CO3）22-（或UO2（CO3）43-）的形式存在于热液中，热液为弱碱性或碱性、富含Ca 的中-低温热液，在热力和压力的驱使下沿绿草沟断裂及其次级断裂运移，至细粒正长岩和黑云母石英片岩接触带，在地球化学环境突变部位卸载沉淀，沿石英、金红石及黄铁矿等矿物的边缘和微裂隙形成铀石，伴随的热液蚀变有赤铁矿化、黄铁矿化、碳酸盐化和绿泥石化，为一套中-低温热液蚀变组合，铀矿化属中-低温热液成因。

4 结论

绿草沟地区铀矿化主要定位于中志留世细粒正长岩与古元古界龙首山群塌马子沟组黑云母石英片岩的岩性界面两侧，矿体以板状和脉状为主，矿化均匀，厚度稳定。矿石中铀矿物主要为铀石，呈脉状分布于石英等矿物的边缘和微裂隙中，与赤铁矿、方解石、绿泥石及黄铁矿等共生，含矿热液可能为富含Ca 和碳酸铀酰络合物离子UO2（CO3）22-（或UO2（CO3）43-）的中-低温弱碱性或碱性热液，铀矿化属中-低温热液成因。