光石溝鈾礦床晶質(zhì)鈾礦電子探針化學(xué)定年研究

郭國(guó)林， 張展適， 劉曉東， 馮張生， 賴冬蓉， 周文婷

(1.核資源與環(huán)境省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地(東華理工大學(xué))，江西 南昌 330013;2.陜西省核工業(yè)地質(zhì)局224大隊(duì)，陜西 西安 710024)

對(duì)鈾礦床的成礦年代學(xué)研究，通常的做法是選擇鈾礦體中的礦石礦物如晶質(zhì)鈾礦、瀝青鈾礦進(jìn)行U-Pb同位素稀釋法定年，但該方法有著繁瑣的化學(xué)處理過(guò)程，而且還要對(duì)同位素進(jìn)行U-Pb分離(崔建勇等，2005)，成本較高。即使該技術(shù)發(fā)展到今天可以做到單顆粒礦物的同位素年代學(xué)分析，但終究得到的也只是一混合年齡，同時(shí)化學(xué)處理過(guò)程中稍有不慎就可能會(huì)帶入一些人為因素，從而影響測(cè)年結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。再者，從地球化學(xué)性質(zhì)來(lái)看，鈾元素非常活潑，在弱酸性和弱堿性熱液條件下都極易發(fā)生遷移，鈾礦床中先前已形成的鈾礦物極有可能在新的熱液條件下重新活化遷移，從而導(dǎo)致U或Pb的丟失，因而準(zhǔn)確測(cè)定鈾礦床的成礦年齡變得非常困難。以致于不同學(xué)者在同一個(gè)鈾礦床中測(cè)得的成礦年齡往往不一樣，有時(shí)甚至在同一個(gè)鈾礦脈的不同空間位置采集的鈾礦石樣品進(jìn)行U-Pb同位素稀釋法定年，也會(huì)獲得不同的年齡值。此外，即使能找到與鈾成礦年代一致的鋯石、獨(dú)居石等副礦物來(lái)進(jìn)行LA-ICP-MS或SHRIMP定年，也往往因?yàn)檫@些副礦物長(zhǎng)時(shí)間受鈾礦體放射性損傷以及礦物本身的高U/Th比值，常常導(dǎo)致年齡測(cè)試結(jié)果的誤差偏大。因此，如何有效的甄別鈾礦物形成后是否處在一個(gè)封閉的體系，并且更加合理有效的測(cè)定鈾礦床的成礦年代，已成為了鈾礦地質(zhì)工作者不斷研究和探索的課題。

由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，礦物原位年代學(xué)研究技術(shù)日益成熟，當(dāng)前地球科學(xué)年代學(xué)研究中應(yīng)用最為廣泛的LA-ICP-MS和SHRIMP原位測(cè)年技術(shù)對(duì)鋯石、獨(dú)居石等副礦物定年研究取得了很多成功的應(yīng)用實(shí)例。但應(yīng)用該技術(shù)對(duì)鈾礦床中的晶質(zhì)鈾礦、瀝青鈾礦等高U-Th-Pb含量的礦物進(jìn)行微區(qū)定年時(shí)卻遇到了困難，原因在于晶質(zhì)鈾礦/瀝青鈾礦的U-Th-Pb含量太高(相對(duì)獨(dú)居石、鋯石等副礦物來(lái)說(shuō))，定年結(jié)果并不理想。從已發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，利用LA-ICP-MS技術(shù)對(duì)晶質(zhì)鈾礦、鈾鈦磁鐵礦、瀝青鈾礦等礦物測(cè)年成功的報(bào)道極少(Chipley et al.，2007;鄒東風(fēng)等，2011)，而 SHRIMP 技術(shù)無(wú)法對(duì)晶質(zhì)鈾礦、瀝青鈾礦等礦物進(jìn)行測(cè)年研究。

1990年代逐漸發(fā)展起來(lái)的電子探針化學(xué)定年技術(shù)在研究古老變質(zhì)巖、巖漿巖中的獨(dú)居石、鋯石的化學(xué)定年中取得了許多成功實(shí)例(Suzuki et al.，1991a，1991b，1994;劉樹(shù)文等，2004;黨青寧等，2004;陳強(qiáng)等，2006;陳松能等，2007;鳳永剛等，2008)。但現(xiàn)在發(fā)表的大量文獻(xiàn)中關(guān)于晶質(zhì)鈾礦的電子探針化學(xué)定年研究實(shí)例較少(Bowles，1990;Kempe，2003;Votyakov et al.，2011)，國(guó)內(nèi)張昭明(1982)曾發(fā)表過(guò)晶質(zhì)鈾礦電子探針定年數(shù)據(jù)，可能由于當(dāng)時(shí)的分析條件或者晶質(zhì)鈾礦顆粒的選擇問(wèn)題，年齡偏差較大，因此沒(méi)有得到較好的應(yīng)用。此外，葛祥坤等(2011)介紹了晶質(zhì)鈾礦電子探針化學(xué)定年方法的可行性，但并沒(méi)有發(fā)表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

本文對(duì)丹鳳光石溝偉晶巖型鈾礦床的鉆孔樣品中的鈾礦石樣品進(jìn)行了晶質(zhì)鈾礦U-Th-Pb化學(xué)定年研究，獲得了鈾礦床的形成年齡，其晶質(zhì)鈾礦的年齡與該礦床已發(fā)表的U-Pb同位素稀釋法獲得的年齡一致。這說(shuō)明，應(yīng)用電子探針化學(xué)定年方法來(lái)研究鈾礦床的成礦年代可能是一個(gè)切實(shí)可行的方法。

1 地質(zhì)背景

光石溝花崗偉晶巖型鈾礦床位于華北地臺(tái)南緣的北秦嶺加里東褶皺帶的南亞帶內(nèi)，含鈾花崗偉晶巖貫入灰池子花崗巖體南緣外接觸帶的中元古界秦嶺群變質(zhì)巖之中，鈾礦床位于灰池子花崗巖體與下元古界秦嶺群外接觸帶、土地嶺－牛家臺(tái)背斜南西翼的偉晶巖密集帶內(nèi)(圖1)。含礦花崗偉晶巖呈巖脈狀產(chǎn)出，多沿著背斜軸部和斷裂、層間裂隙、片理面侵位，多數(shù)與區(qū)域構(gòu)造線平行延伸，但也有少數(shù)切割片理和構(gòu)造線，與圍巖呈明顯的侵入接觸關(guān)系?；◢弬ゾr脈長(zhǎng)約50～200 m，寬約2～30 m，走向290°～320°，傾向南西，傾角大于65°，局部近于直立(曾令交等，1994，1998;馮張生等，2011;沙亞洲等，2011;孫遠(yuǎn)強(qiáng)等，2012)。

光石溝鈾礦床中賦礦巖石主要為黑云母花崗偉晶巖，呈灰白色，局部為淺肉紅色。巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造變化大，主要為中粗粒偉晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。鈾礦體呈脈狀賦存于黑云母花崗偉晶巖脈中，礦體嚴(yán)格受黑云母花崗偉晶巖脈控制，產(chǎn)狀與巖脈也基本一致，均為北西西向。鈾礦物為晶質(zhì)鈾礦，脈石礦物為黑云母、石英和長(zhǎng)石，副礦物有磷灰石、石榴石、獨(dú)居石、鋯石、黃鐵礦和磁鐵礦。脈體局部可見(jiàn)粗大長(zhǎng)石晶體和石英塊體，黑云母局部大片的集中分布。

圖1 光石溝礦床地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch of Guangshigou uranium deposit

2 理論基礎(chǔ)

電子探針化學(xué)測(cè)年技術(shù)最早是由 Suzuki和Adachi提出，是用電子探針測(cè)量礦物中的U-Th-Pb的含量來(lái)計(jì)算礦物的“化學(xué)年齡”(Suzuki et al.，1991a)。該測(cè)年技術(shù)的應(yīng)用前提是被測(cè)礦物不含普通鉛或者可忽略不計(jì)，并且要求礦物在后期的地質(zhì)事件中能保持體系的封閉，其詳細(xì)的測(cè)年理論已有許多文獻(xiàn)介紹(Montel et al.，1996;Rhede et al.，1996;周劍雄等，2002;張文蘭等，2003;郭國(guó)林等，2005)。從已發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，電子探針化學(xué)測(cè)年技術(shù)多應(yīng)用于研究古老變質(zhì)巖和巖漿巖中的獨(dú)居石、鋯石等含鈾副礦物，而較少用于研究晶質(zhì)鈾礦、瀝青鈾礦。晶質(zhì)鈾礦是鈾礦床和花崗巖中常見(jiàn)的礦物之一，通常具有60% ～90%的 UO2，少量的ThO2(一般少于 20%)、Y，Si，Ca，F(xiàn)e 以及放射性成因的Pb。Kempe(2003)認(rèn)為晶質(zhì)鈾礦中的 Ca，Si和Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠反映U-Th-Pb體系的封閉性(Kempe，2003)，即當(dāng) Ca，Si和Fe 質(zhì)量份數(shù)不高時(shí)，表明晶質(zhì)鈾礦未經(jīng)歷了后期改造，所處環(huán)境為封閉體系，一般不會(huì)發(fā)生放射性成因鉛丟失，因此適合電子探針化學(xué)定年研究。研究認(rèn)為晶質(zhì)鈾礦中的普通鉛含量極低，一般不超過(guò)0.36%(張昭明，1982)，而U，Th和放射性成因Pb的含量一般都較高，因此，相對(duì)放射性成因Pb來(lái)說(shuō)，普通Pb很少，對(duì)晶質(zhì)鈾礦化學(xué)年齡值的影響極其有限，所以結(jié)合Kempe(2003)的判別方法，對(duì)晶質(zhì)鈾礦進(jìn)行微區(qū)電子探針化學(xué)測(cè)年是一種切實(shí)可行的方法。

3 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

本文的晶質(zhì)鈾礦樣品采自光石溝偉晶巖型鈾礦床的ZK8001鉆孔，礦石樣品磨制光片后，在顯微鏡下鑒別出晶質(zhì)鈾礦礦物并做好標(biāo)志，鍍碳處理后再進(jìn)行電子探針測(cè)年分析。背散射圖像顯示(圖2)，晶質(zhì)鈾礦粒徑為0.1～0.3 mm，呈多邊形晶形，以獨(dú)立的礦物相存在，通常包裹于硅酸鹽礦物鉀長(zhǎng)石和石英之中，礦物周邊常見(jiàn)有黃鐵礦、方解石等礦物圍饒。晶質(zhì)鈾礦表面灰度均勻，有少量碎裂紋，裂紋兩側(cè)礦及礦物邊緣并沒(méi)有灰度變淺現(xiàn)象，說(shuō)明晶質(zhì)鈾礦并沒(méi)有經(jīng)歷蝕變改造，成分上一直保持封閉，適合進(jìn)行電子探針化學(xué)定年研究。

圖2 晶質(zhì)鈾礦背散射電子圖Fig.2 BSE Image of Uraninite

電子探針化學(xué)測(cè)年工作在核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地的JXA-8100型電子探針上完成，具體的測(cè)試條件是加速電壓15.0 kv，探針電流100 nA，電子束斑為1 μm。各元素使用的X-ray分別為YLa，ThMa，PbMa和UMa譜線，峰位計(jì)數(shù)時(shí)間U，Th，Pb分別設(shè)為120，180和300 s。由于 Y 會(huì)對(duì)PbMα峰產(chǎn)生疊加影響，對(duì)不含Pb的人工合成晶體釔石榴石(YAG)分別測(cè)量其YLα和 PbMa的計(jì)數(shù)，計(jì)算不含Pb釔石榴石中Y濃度對(duì)PbMα影響系數(shù)，然后通過(guò)電子探針Online校正PbMα的計(jì)數(shù)，最后再計(jì)算輸出Th，U和校正后的Pb濃度。標(biāo)樣選擇方面，Y采用釔石榴石，U，Th，Pb均使用瀝青鈾礦，Si用石英，Ca用磷灰石，F(xiàn)e用磁鐵礦作標(biāo)樣，其中SiO2、CaO、FeO的含量用來(lái)作為評(píng)價(jià)分析點(diǎn)數(shù)據(jù)是否處于封閉系統(tǒng)的依據(jù)(Kempe，2003)。

根據(jù)U、Th放射性衰變?cè)?，筆者用VC編寫了依據(jù)UO2，ThO2，PbO濃度計(jì)算單點(diǎn)表觀年齡的計(jì)算程序，得到表觀年齡后，再設(shè)定表觀年齡誤差為5%(2σ)，利用 Ludwig的 Isoplot 3.76版本計(jì)算表觀年齡的加權(quán)平均值及誤差值。

4 光石溝鈾礦床成礦年齡

光石溝鈾礦床中的兩顆晶質(zhì)鈾礦進(jìn)行了電子探針化學(xué)定年研究，其分析點(diǎn)選擇位置見(jiàn)圖2，各分析點(diǎn)的測(cè)試值見(jiàn)表1，并依據(jù)自行編寫的年齡計(jì)算機(jī)程序計(jì)算了各分析點(diǎn)的表觀年齡。從表1可以看出，兩顆晶質(zhì)鈾礦(8001G5-6、8001G5-7)中的SiO2，CaO，F(xiàn)eO質(zhì)量百分比含量都小于0.2%，說(shuō)明晶質(zhì)鈾礦形成后并沒(méi)有經(jīng)受熱液改造，與背散射電子像觀摩的結(jié)果一致，因而本次選擇的兩顆晶質(zhì)鈾礦適合進(jìn)行電子探針化學(xué)定年研究。

晶質(zhì)鈾礦樣品8001G5-6顆粒的UO2含量在84.538% ～87.605%，ThO2含量在 3.168% ～3.432%，PbO 含量在 4.572% ～5.272%，表觀年齡為382.0 ～441.4 Ma，23 個(gè)分析點(diǎn)的加權(quán)平均年齡為(416.9 ±10)Ma，MSWD=1.6，置信度為 95%(圖3a);晶質(zhì)鈾礦樣品8001G5-7顆粒的UO2含量在81.753% ～87.777%，ThO2含量在2.994% ～3.361%，PbO 含量在 4.156% ～5.151%，表觀年齡為366.2 ～430.0 Ma，22 個(gè)分析點(diǎn)的加權(quán)平均年齡為(407.6 ±8)Ma，MSWD=2.4，置信度為 95%(圖3b)。

研究表明光石溝鈾礦床晶質(zhì)鈾礦U-Pb同位素稀釋法測(cè)得鈾礦成礦年齡分別為405 Ma，412 Ma和418 Ma(馮明月等，1996)，而本文對(duì)光石溝鈾礦床晶質(zhì)鈾礦電子探針化學(xué)測(cè)年表明光石溝鈾礦床鈾成礦時(shí)代在407.6～416.9 Ma之間，兩者年齡基本一致。左文乾等應(yīng)用LA-ICP-MS定年方法測(cè)定了灰池子巖體和大毛溝巖株的鋯石U-Pb同位素年齡，結(jié)果表明灰池子巖體的形成年齡約為465 Ma，而大毛溝巖株形成年齡的鋯石諧和曲線加權(quán)平均值年齡為(418±8.8)Ma(左文乾等，2010)。故從鈾成礦年齡上來(lái)看，含礦偉晶巖脈明顯晚于灰池子巖體，與野外觀摩到的接觸關(guān)系相一致，即與鈾成礦關(guān)系密切，而與大毛溝巖株年齡較接近，可能暗示大毛溝巖株與含礦偉晶巖脈有成因上的聯(lián)系。

圖3 晶質(zhì)鈾礦年齡平均值Fig.3 Average age of uraninite

表1 光石溝代表性晶質(zhì)鈾礦電子探針?lè)治鲋岛突瘜W(xué)年齡計(jì)算值Table1 EPMA analyses and chemical ages of selected uraninite from Guangshigou uranium deposit

注:定年研究在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，儀器為日本電子公司的JXA-8100型電子探針，探針束流100 nA，加速電壓為15.0 kV，束斑直徑為1 μm

5 結(jié)論

本文所報(bào)道的光石溝偉晶巖型鈾礦床成礦年齡與已有的礦床年代學(xué)結(jié)果非常一致，表明電子探針化學(xué)定年方法在解決晶質(zhì)鈾礦成礦年代學(xué)方面是一個(gè)可行的解決途徑。

(1)從礦物學(xué)的角度來(lái)看，相對(duì)于獨(dú)居石、鋯石等副礦物，晶質(zhì)鈾礦具有較高的U，Th，Pb含量，在相同年齡條件下，它所積累的放射性成因鉛比其他含副礦物要高得多，而晶質(zhì)鈾礦中初始鉛一般不超過(guò)0.36%，對(duì)年齡影響不大，因而晶質(zhì)鈾礦比副礦物更適合電子探針化學(xué)定年研究。

(2)由于鈾極活潑，在礦床中經(jīng)常存在多期多階段的晶質(zhì)鈾礦和瀝青鈾礦，使用傳統(tǒng)U-Pb同位素稀釋法定年時(shí)，很難在礦物挑選過(guò)程中區(qū)分不同期次的礦物，得到的年齡可能為混合年齡。而電子探針化學(xué)測(cè)年法是一個(gè)原位分析方法，結(jié)合高分辨率的背散射電子圖像(1 μm左右)，可以對(duì)晶質(zhì)鈾礦或?yàn)r青鈾礦進(jìn)行微區(qū)原位定年，因而很容易區(qū)分不同期次的晶質(zhì)鈾礦或?yàn)r青鈾礦。

(3)晶質(zhì)鈾礦的電子探針化學(xué)定年具有分析速度快、價(jià)格低廉、微區(qū)原位無(wú)損分析的優(yōu)點(diǎn)。只要在選擇分析點(diǎn)時(shí)盡量遠(yuǎn)離裂隙、礦物邊緣等易發(fā)生Pb丟失的部位，并結(jié)合如Si，Ca和Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低，間接判別測(cè)試分析點(diǎn)Pb的丟失情況，就能獲得較為滿意的測(cè)年結(jié)果。

綜合來(lái)看，晶質(zhì)鈾礦電子探針化學(xué)定年方法為解決鈾成礦年代學(xué)問(wèn)題提供了一個(gè)可行的解決辦法，但該方法測(cè)年結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度還需要進(jìn)一步細(xì)化，要與 LA-ICP-MS，SHRIMP，U-Pb同位素稀釋法相互驗(yàn)證比對(duì)。

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