納米比亞歡樂谷地區(qū)白崗巖型鈾礦礦物特征研究

陳金勇，范洪海，陳東歡，顧大釗，王生云

1)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京，100029；2)南京大學成礦作用國家重點實驗室，南京，210093； 3)中核鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京，100029

內(nèi)容提要：本文通過系統(tǒng)的巖礦鑒定和電子探針分析，對納米比亞歡樂谷地區(qū)白崗巖型鈾礦的礦物特征進行了詳細的研究。該地區(qū)鈾的賦存形式以獨立鈾礦物為主，少量以類質(zhì)同像形式存在于釷礦物中。鈾礦物的主要種類有：晶質(zhì)鈾礦、釷鈾礦、鈾石、鈾釷石、鈦鈾礦、瀝青鈾礦、硅鈣鈾礦和釩鉀鈾礦等，其中，晶質(zhì)鈾礦、釷鈾礦和鈦鈾礦等原生鈾礦物約占69%，而反應邊狀鈾石、鈾釷石、瀝青鈾礦、釩鉀鈾礦和硅鈣鈾礦等次生鈾礦物約占31%。由此可見，該區(qū)鈾礦化主要表現(xiàn)為原始巖漿的分異作用與后期熱液改造作用的相互疊加，其熱液改造程度不大，僅使鈾發(fā)生內(nèi)部再分配。

納米比亞位于非洲西南部，礦產(chǎn)資源非常豐富，素有“戰(zhàn)略金屬儲備庫”的美譽(中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，2007)?，F(xiàn)已查明的鈾礦床類型主要為侵入巖型、表生型、砂巖型和交代型(張書成，2010)。納米比亞羅辛(R?ssing)鈾礦床是世界上著名的白崗巖型鈾礦，該礦床鈾礦化為巖漿結(jié)晶分異作用所形成，其原生鈾礦物為晶質(zhì)鈾礦、鈮鈦鈾礦和少量鈾鈦磁鐵礦，約占60%；次生鈾礦物以β-硅鈣鈾礦為主，還見有脂鉛鈾礦、硅鈣鈾礦、釩鉀鈾礦、準水硅鈣鈾礦、釷脂鉛鈾礦、銅鈾云母和準銅鈾云母，約占40%(Nex and Kinnaird?; Nex?)。原生鈾礦物存在于石英、長石和黑云母中，也產(chǎn)于這些礦物之間的裂隙中或沿裂隙分布。次生鈾礦物不僅存在于白崗巖中，而且在部分圍巖中也見有產(chǎn)出(Duarte?)。

目前，國內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的白崗巖型鈾礦床為紅石泉礦床(王木清等，1982；戎嘉樹等?；涂江漢，1985；張誠和金景福，1987，1989；趙建國，2009)。該礦床與羅辛礦床相類似，鈾的存在形式比較多樣，主要為晶質(zhì)鈾礦，其次為瀝青鈾礦、殘余鈾黑，還有少量板菱鈾礦、鈣鈾云母以及含鈾赤鐵礦、含鈾綠泥石和鋯英石等(王木清等，1982；戎嘉樹等?；趙建國，2009)。

在自然界各類巖石中，由于成巖地質(zhì)條件的不同，使得鈾的賦存形式也明顯不同。在理論上, 鈾的賦存形式可分為呈單礦物和呈分散形式兩類, 而分散形式又可分為分散吸附和類質(zhì)同像兩種形式(閔茂中等，2006)。相對于羅辛鈾礦床，納米比亞歡樂谷地區(qū)的研究程度偏低，對該地區(qū)的鈾礦物研究更是從未涉及過，因此，對該地區(qū)白崗巖型鈾礦的研究不僅是個補充，而且具有重要的理論意義和實用價值。本文主要通過系統(tǒng)的巖礦鑒定、QEMSCAN(Quantitative Evaluation of Minerals by Scanning Electronic Microscopy)分析和電子探針分析，重點研究了納米比亞歡樂谷地區(qū)白崗巖型鈾礦床中鈾的賦存形式以及主要鈾礦物和含鈾礦物的種類，并發(fā)現(xiàn)與羅辛鈾礦床所不同的鈾礦物，對白崗巖鈾礦化的成因提出新的認識，為該地區(qū)白崗巖型鈾礦的深入研究奠定基礎。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

納米比亞的大地構(gòu)造單元總體上可劃分為3個：北部地體、南部地體及中部褶皺帶(Damara造山帶)(Corner, 1983; Nex, 2003; Kinnaird and Nex, 2007)。達馬拉(Damara)造山帶(650～460Ma)屬于泛非造山帶的一部分，是Kalahari和Congo克拉通碰撞的產(chǎn)物(Miller, 1983; Oliver, 1994)。其從南到北又可細分為：北帶、北部中央帶、南部中央帶、Okahandja線性構(gòu)造帶、南帶和南部邊緣帶(Shawn?)。達馬拉層序地層的沉積作用發(fā)生于中—新元古代(Brandt, 1985; Miller, 2008)，其最早期變質(zhì)作用發(fā)生于665±34Ma(Snowden, 2007)。納米比亞所有花崗巖鈾礦化點全部發(fā)育于中央帶(Roesener and Schreuder, 1992)。歡樂谷地區(qū)大地構(gòu)造位置歸屬于達馬拉造山帶的南部中央帶(圖1)。南部中央帶以侵入大量花崗巖和發(fā)生高溫低壓變質(zhì)作用(高角閃巖相至麻粒巖相)為顯著特征(Miller，1983)。

注：樣品由SGS South Africa, Mineralogical Services測定。

歡樂谷地區(qū)出露的主要地層自下而上有：Abbabis雜巖體、艾杜西斯組(Etusis)、可汗組(Khan)、羅辛組(R?ssing)、楚斯組(Chuos)、卡里畢比組(Karibib)、卡塞布組(Kuiseb)。Abbabis基底雜巖以眼球狀片麻巖和石英長石片麻巖為主，含少量泥質(zhì)片巖、石英巖、大理巖、斜長角閃巖等，該組片麻巖的年齡約為2000Ma(Longridge et al.?)。艾杜西斯組不整合于Abbabis變質(zhì)基底雜巖之上，主要分布在歡樂谷地區(qū)穹窿的核部，或者背斜的核部，巖性主要為變質(zhì)礫巖、石英巖、片巖、片麻巖等?？珊菇M以巖石呈灰綠色、有大量花崗巖脈侵入為特征，由輝石石榴片麻巖、片巖、角閃巖、石英巖等組成。羅辛組不整合于可汗組之上，鈾礦化異常主要發(fā)育于該地層，其出露的巖性特征為發(fā)育上、下兩套大理巖、堇青石片麻巖和石英巖。楚斯組以發(fā)育一層冰磧巖為特征，出露的巖性主要有：冰磧巖、鈣硅質(zhì)巖和石英巖等?？ɡ锂叡冉M主要由厚層狀大理巖、鈣硅質(zhì)巖、片巖和片麻巖等組成，其中厚層狀大理巖發(fā)育強烈的片理化。

2 鈾的賦存形式

通過顯微鏡觀察和電子探針研究，納米比亞歡樂谷地區(qū)鈾的賦存形式以呈獨立的鈾礦物為主，另有少量類質(zhì)同像形式的鈾存在于釷礦物、鋯石、榍石、獨居石和磷灰石中，以及部分鈾以鈾礦物的形式存在于獨居石(圖2a)、磷灰石、鋯石及磷釔礦等副礦物中。

2.1 呈獨立礦物形式的鈾

納米比亞歡樂谷地區(qū)鈾礦物主要為晶質(zhì)鈾礦、釷鈾礦、鈾石、鈾釷石、鈦鈾礦、瀝青鈾礦、硅鈣鈾礦及釩鉀鈾礦等。通過QEMSCAN分析可知，在所有鈾礦物中，晶質(zhì)鈾礦平均約占26.4%，最高可達87.5%，其中可能含有瀝青鈾礦，但所占的比重較少；鈾鈦氧化物平均約占42.6%，最高可達95%。可見原生鈾礦物大致占69%，而次生鈾礦物約占31%(表1)。

圖 1 納米比亞歡樂谷地區(qū)地質(zhì)簡圖及鈾異常點分布圖Fig. 1 Geological diagram of Gaudeanmus area, Namibia; showing the location of significant uranium anomalies

(1)晶質(zhì)鈾礦: 晶質(zhì)鈾礦為該地區(qū)主要的鈾礦物存在形式，大部分呈較好的自形晶體(圖2b)，粒徑約為0.1～0.3mm，部分晶質(zhì)鈾礦粒徑較大，可達到0.5mm。常被造巖礦物如石英、斜長石、鉀長石、黑云母等包裹，晶質(zhì)鈾礦與黑云母、長石等礦物接觸部位易形成放射暈圈是顯微鏡下明顯的鑒定特征。

圖 2 (a) 晶質(zhì)鈾礦(Ur)位于獨居石(Mnz)中(單偏光)；(b) 自形程度高的晶質(zhì)鈾礦(Ur)，附近有黃鐵礦脈(Py) (反射光)；(c) 自形鈾石(Cof)被黃鐵礦(Py)包圍，及周圍石英(Qtz)中見有瀝青鈾礦脈(Ptc) (電子探針背散射圖)；(d) 釷石(Tho)由于成分差異造成的環(huán)帶構(gòu)造(電子探針背散射圖)Fig. 2 (a)Uraninite located in the monazite (single polarizer); (b) Idiomorphic uraninite and pyrite vein nearby (reflected light); (c) Idiomorphic coffinite is surrounded by pyrite, and pitchblende is in the quartz (Backscatter SEM image); (d) The girdle structure of thorite is caused by the componential differences (Backscatter SEM image)

(2)釷鈾礦: 釷鈾礦為富含釷的晶質(zhì)鈾礦。多與晶質(zhì)鈾礦、鈾石共同出現(xiàn)，電子探針觀察，釷鈾礦的反射色較晶質(zhì)鈾礦低，但高于鈾石的反射色。

(4)鈾釷石: 鈾釷石為富含鈾的釷石。在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)鈾釷石內(nèi)部成分不均一，造成明顯的色差，經(jīng)電子探針研究，色差是由于鈾釷石中鈾釷含量不同造成，部分鈾釷石中鈾的含量較高，可達到35%。

(5)瀝青鈾礦: 瀝青鈾礦主要呈細脈狀、皮殼狀或出現(xiàn)在鈾釷石內(nèi)部裂隙中，或出現(xiàn)在鈾礦物附近礦物的裂隙(解理)中，或出現(xiàn)在附近礦物的空洞中形成皮殼狀瀝青鈾礦。

(6)鈦鈾礦: 鈦鈾礦通常與晶質(zhì)鈾礦共同出現(xiàn)，屬于原生鈾礦物。該地區(qū)巖石中含有許多含鈦的副礦物，如金紅石、銳鈦礦等。

(7)硅鈣鈾礦: 鏡下觀察硅鈣鈾礦主要以集合體的形式存在，集合體呈放射狀、束狀、脈狀、網(wǎng)脈狀和隱晶質(zhì)致密塊狀，或以脈狀形式充填在礦石的解理、裂隙及粒間,而隱晶質(zhì)致密塊狀形式可能為晶質(zhì)鈾礦原地氧化形成的。

2.2 釷礦物中類質(zhì)同像形式的鈾

在高溫條件下，U4+與Th4+之間可進行等價的類質(zhì)同像置換。歡樂谷地區(qū)存在較多的釷石，透射光下為黑色不透明，均質(zhì)，粒度約為0.1～0.3mm，部分釷石由于成分的差異而形成環(huán)帶構(gòu)造(圖2d)，有的釷石被黃鐵礦所包圍，且內(nèi)部及邊緣含有少量鈾釷石。釷石中UO2的質(zhì)量百分含量為1.32%～11.34%(表2)。鋯石、榍石、獨居石和磷灰石等礦物中也含有類質(zhì)同像的鈾，主要置換礦物中的Ca2+及REE4+。這種形式的鈾不具實際意義，并不構(gòu)成礦化過程鈾增量，因此，僅是白崗巖型鈾礦中鈾的一種次要賦存形式。

3 鈾礦物成分

各種鈾礦物化學成分的電子探針分析結(jié)果列于表3。由表3中的分析數(shù)據(jù)可見：

(1)晶質(zhì)鈾礦以UO2、ThO2和PbO為主，含少量TiO2，沒有明顯的相關性。前三者的含量分別為82.40%～91.36%、1.15%～8.68%、4.25%～6.33%，其中Pb含量明顯高于其他含鈾礦物中的Pb含量，主要為放射性衰變成因的鉛，因為晶質(zhì)鈾礦比其他鈾礦物U含量高，從而衰變成因的鉛含量比其他鈾礦物高所致。

圖 3 (a) 黃鐵礦脈(Py) 充填在晶質(zhì)鈾礦(Ur)裂隙中(反射光)；(b) 硅鈣鈾礦，呈隱晶質(zhì)致密粒狀 (單偏光)；(c) 鈾釷石(Ut)被黃鐵礦(Py)和鈾石(Cof)所包圍 (電子探針背散射圖)；(d) 皮殼狀瀝青鈾礦(Ptc)和細脈狀瀝青鈾礦(Ptc)(電子探針背散射圖)；(e) 含釷鈾石(Cof)中含有釷鈾礦(Bro)和晶質(zhì)鈾礦(Ur)殘余(電子探針背散射圖)；(f) 硅鈣鈾礦(Urp)中含有晶質(zhì)鈾礦(Ur)殘余，邊緣裂隙中見脈狀硅鈣鈾礦(電子探針背散射圖)Fig. 3 (a) The cracks of uraninite are filled by pyrite vein(reflected light); (b) Uranophane is a cryptocrystalline dense granular (single polarizer); (c) Uranothorite is surrounded by pyrite and coffinite (Backscatter SEM image); (d) Crusty pitchblende and veined pitchblende (Backscatter SEM image); (e) Coffinite contain residual thor-uraninite and uraninite (Backscatter SEM image); (f) Uranophane contain residual uraninite, and which edge cracks are filled by veined uranophane (Backscatter SEM image)

(2)鈾石的UO2、SiO2含量分別為53.41%～72.90%、8.18%～18.76%，部分鈾石中ThO2含量較高，可達24.76%。鈾石電子探針分析的氧化物總量僅為90.60%～94.52%，表明鈾石含有較多的H2O，其形成溫度較低。

(3)釷鈾礦、鈾釷石、瀝青鈾礦、鈦鈾礦和硅鈣鈾礦中UO2的含量分別為55.03%～66.22%、18.55%～36.92%、85.96%～87.43%及54.27%，硅鈣鈾礦中UO3的含量是49.98%～68.10%。

(4)該地區(qū)也應該注意釷礦物的存在，幾乎各種鈾礦物都含有ThO2，其平均含量為15.90%。釷的主要存在形式有兩種：一種是以釷為主的礦物形式出現(xiàn)，如釷石；另一種是以類質(zhì)同像的形式存在于各種鈾礦物中。

4 鈾礦化特征

鈾礦物種類的研究表明，該區(qū)主要鈾礦物為自形程度高的單顆粒的晶質(zhì)鈾礦(圖2b)。晶質(zhì)鈾礦在后期出現(xiàn)不同程度的碎裂(圖3a)、溶蝕等現(xiàn)象。鈾石包裹著晶質(zhì)鈾礦及釷鈾礦，使晶質(zhì)鈾礦與釷鈾礦呈殘余狀(圖3e)，表明后期部分晶質(zhì)鈾礦向鈾石轉(zhuǎn)變。

如上所述，在歡樂谷地區(qū)，鈾石主要以三種形式存在，其中第二種存在形式即由晶質(zhì)鈾礦蝕變而來的形式，正是由于巖漿晚期的自交代熱液活動使晶質(zhì)鈾礦發(fā)生了變化，出現(xiàn)了晶質(zhì)鈾礦向(含釷)鈾石轉(zhuǎn)變的一個過程(圖3e)，鈾石由兩側(cè)向中心生長，包裹著釷鈾礦殘余，而釷鈾礦中包裹著晶質(zhì)鈾礦。造成這種現(xiàn)象的原因為晶質(zhì)鈾礦、釷鈾礦形成于成巖過程中，其后可能是巖漿晚期的自交代熱液中Si的濃度較高，伴隨著原晶質(zhì)鈾礦及釷鈾礦中的鈾、釷活化，使晶質(zhì)鈾礦轉(zhuǎn)變?yōu)?含釷)鈾石，且向四周擴散。

第三種存在形式為反應邊狀的鈾石(圖3c)，主要出現(xiàn)在其它礦物的四周。這可能與附近鈾礦物中U的活化有關，但這種鈾石主要沉淀在距離鈾礦物不遠的地方，表明這期U活動能力并不強。反應邊狀鈾石主要沉淀在黃鐵礦的外側(cè)，表明鈾石或與黃鐵礦同時生成，或晚于黃鐵礦生成。由顯微鏡觀察和電子探針分析可知，黃鐵礦或充填在晶質(zhì)鈾礦的裂隙中，或分布于晶質(zhì)鈾礦、鈾釷石等周圍(圖3c)，表明黃鐵礦的形成時間晚于鈾釷石，從而說明這期鈾石活動晚于晶質(zhì)鈾礦的形成時間。

顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，瀝青鈾礦主要呈細脈狀、浸染狀、皮殼狀。分布于黃鐵礦的邊緣及內(nèi)部的空洞中，或綠泥石(由黑云母蝕變而來)的解理中(圖3d)，說明瀝青鈾礦的形成晚于黃鐵礦及綠泥石。瀝青鈾礦出現(xiàn)的附近都存在著鈾石、鈾釷石(圖2c)，如鈾石、鈾釷石，故可認為瀝青鈾礦的出現(xiàn)與鄰近含鈾礦物中鈾的活化有關，即可能為鈾石、鈾釷石經(jīng)熱液交代后的產(chǎn)物。不過，相對于晶質(zhì)鈾礦、鈾釷石和鈾石而言，瀝青鈾礦僅占少量。因此，可以推斷，巖漿期后存在熱液活動，但是對白崗巖型鈾礦的改造程度并不大。

硅鈣鈾礦為次生鈾礦物，主要表現(xiàn)為兩種形式：一種為保留原晶質(zhì)鈾礦形態(tài)原地氧化轉(zhuǎn)變而來，呈隱晶質(zhì)致密粒狀(圖3b)；另一種為由晶質(zhì)鈾礦活化出的鈾經(jīng)過反應沉淀，沿著巖石解理、礦物裂隙及粒間呈脈狀、網(wǎng)脈狀出現(xiàn)(圖3f)，有的脈體中存在其它金屬礦物，如輝鉬礦、方鉛礦等。

綜上所述，歡樂谷地區(qū)鈾礦化主要表現(xiàn)為原始巖漿的結(jié)晶分異以及后期熱液的改造作用，主要表現(xiàn)為結(jié)晶分異作用形成的晶質(zhì)鈾礦呈分散狀分布于在各種造巖礦物中。由于晶質(zhì)鈾礦遭受到擠壓作用，爾后巖漿晚期的自交代熱液作用導致晶質(zhì)鈾礦發(fā)生破碎、溶蝕，使部分鈾稍有遷移，鈾(釷)石交代晶質(zhì)鈾礦，使晶質(zhì)鈾礦呈殘余狀，并伴隨有熱液活動，使黃鐵礦充填在晶質(zhì)鈾礦裂隙中，或包裹著晶質(zhì)鈾礦；反應邊狀鈾石與黃鐵礦外側(cè)膠結(jié)，圍繞著鈾釷石，以及瀝青鈾礦呈細脈狀、皮殼狀或出現(xiàn)在鈾釷石內(nèi)部裂隙中，或出現(xiàn)在鈾礦物附近礦物裂隙解理中，或出現(xiàn)在附近礦物的空洞中，均說明后期存在熱液的改造，但是改造的程度不大，主要使鈾發(fā)生了內(nèi)部的再分配；最后，晶質(zhì)鈾礦等鈾礦物由于近地表，發(fā)生表生氧化形成硅鈣鈾礦，呈浸染狀、脈狀和網(wǎng)脈狀沿著巖石解理、礦物裂隙及粒間分布。

5 結(jié)論

(1)納米比亞歡樂谷地區(qū)白崗巖型鈾礦床中鈾主要呈獨立的鈾礦物形式存在，主要的鈾礦物有：晶質(zhì)鈾礦、釷鈾礦、鈾石、鈾釷石、鈦鈾礦、瀝青鈾礦、釩鉀鈾礦及硅鈣鈾礦等。其中，晶質(zhì)鈾礦、釷鈾礦和鈦鈾礦等原生鈾礦物約占69%，而反應邊狀鈾石、鈾釷石、瀝青鈾礦、釩鉀鈾礦和硅鈣鈾礦等次生鈾礦物約占31%。少量鈾以類質(zhì)同像的形式存在于釷礦物、鋯石、榍石、獨居石和磷灰石中，以及部分鈾以鈾礦物形式存在于獨居石、磷灰石、鋯石及磷釔礦等副礦物中。

(2)納米比亞歡樂谷地區(qū)白崗巖型鈾礦礦化大致可以分為三期：第一期巖漿結(jié)晶分異形成晶質(zhì)鈾礦，并受到擠壓作用，發(fā)生破碎、溶蝕，鈾(釷)石交代晶質(zhì)鈾礦，使晶質(zhì)鈾礦呈殘余狀；第二期為反應邊狀鈾石與黃鐵礦外側(cè)膠結(jié)，瀝青鈾礦呈細脈狀分布于綠泥石的裂隙中以及鈾石、鈾釷石等附近，或呈皮殼狀出現(xiàn)在附近礦物的空洞中，兩者均與后期的熱液活動有關，其對白崗巖礦化的改造程度并不大，僅使鈾發(fā)生了內(nèi)部的再分配；第三期為硅鈣鈾礦交代晶質(zhì)鈾礦等鈾礦物，或呈浸染狀分布于各種造巖礦物粒間，或呈脈狀、網(wǎng)脈狀沿著巖石解理、礦物裂隙分布。

(3)羅辛白崗巖型鈾礦床的礦化為巖漿結(jié)晶分異作用所形成，而本文由于瀝青鈾礦、反應邊狀鈾石的發(fā)現(xiàn)，從而說明白崗巖型鈾礦受到后期熱液的改造，使鈾發(fā)生了內(nèi)部的再分布，因此，歡樂谷地區(qū)的鈾礦化為原始巖漿的結(jié)晶分異以及后期熱液的改造作用所形成。

致謝：野外工作和QEMSCAN分析得到了中核資源(納米比亞)開發(fā)公司的大力幫助和支持，特別是總工程師朱西養(yǎng)的悉心指導；室內(nèi)工作得到了戎嘉樹研究員的指導和幫助；以及審稿人提出了寶貴的修改建議；在此致以誠摯的感謝！

注釋/Notes

? 戎嘉樹，韓澤宏，夏毓亮. 1983. 紅石泉偉晶狀白崗巖型鈾礦化特征及成因探討. 核工業(yè)北京地質(zhì)研究院(原北京三所).

? Duarte V H. 2006. Mineralogical characterisation of a R?ssing uranium ore milled to 60% passing 75 μm. Mintek, 3～8.

? Longridge L, Gibson R L, Kinnaird J A, Armstrong R A. 2008. Timing of deformation and granite emplacement in the Central Zone of the Damara Orogen, Namibia. School of Geosciences, University of the Witwatersrand Johannesburg.

? Nex P A M and Kinnaird J A. 2005. An investigation of the proportions of betafite, urnainite and secondary uranium minerals in SJ pit samples, 1～35.

? Nex P A M. 1997. Tectono-metamorphic setting and evolution of granitic sheets in the Goanikontes area, Namibia. supervisor: Kinnaird J A. Ph. D. Thesis of National University of Ireland.

? Shawn Kitt. 2008. Structural controls of auriferous quartz veins in the Karibib area, southern central zone of the Pan-African Damara belt, Namibia. Supervisor: Alex Kisters. Master’s thesis of Stellenbosch University.