電子探針測年方法應(yīng)用于晶質(zhì)鈾礦的成因類型探討

趙慧博，劉亞非*，陽 珊，葉美芳,王志海,王 博，常 娜

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054；2.安徽省地質(zhì)實驗研究所，安徽 合肥 230001)

電子探針Th-U-Pb化學測年法在獨居石原位定年中普遍應(yīng)用[1-5]，而在Th、U、Pb含量高的晶質(zhì)鈾礦、瀝青鈾礦等高鈾礦物中的應(yīng)用較少，國內(nèi)外僅少數(shù)學者發(fā)表了相關(guān)成果[5-9]，均未引起足夠的重視，其原因可能與晶質(zhì)鈾礦的稀少性、顆粒細小、放射性有關(guān)，一直未得到推廣，但不可否認電子探針在鈾礦定年方面的高空間分辨率與精度分析的優(yōu)勢。本文在測試某鐵礦床樣品過程中首次發(fā)現(xiàn)較多且顆粒較大的晶質(zhì)鈾礦，并判斷賦礦巖石為古老變質(zhì)巖基體，根據(jù)觀察其成因與著名的澳大利亞變質(zhì)型鈾礦有相似之處。針對此次發(fā)現(xiàn)，采用偏光顯微鏡下觀察與電子探針測試相結(jié)合的方式，利用顯微鏡觀察晶質(zhì)鈾礦的大小、形態(tài)、賦存狀態(tài)以及判斷其成因類型，且與何種蝕變作用相關(guān)，繼而利用電子探針在鈾礦定年中具高空間分辨率(可達1 μm)原位分析與數(shù)據(jù)精準的優(yōu)勢，嘗試對其進行化學定年，通過鏡下巖石的蝕變作用(進退變質(zhì)現(xiàn)象)與年齡結(jié)果相結(jié)合，根據(jù)現(xiàn)象與結(jié)果區(qū)分晶質(zhì)鈾礦形成的不同期次，為多階段、多期次成礦時代的劃分提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)鐵礦床總礦區(qū)中構(gòu)造形態(tài)為一近南北向的復式倒轉(zhuǎn)褶皺，該鐵礦位于疊加在近南北向的復式倒轉(zhuǎn)褶皺上的一東西向的短軸向斜上，按其形態(tài)及成因可分為褶皺構(gòu)造、斷裂構(gòu)造及單斜構(gòu)造三類，此外尚有構(gòu)造角礫巖及構(gòu)造破碎帶。礦體呈似層狀富集，賦礦巖性有透閃黑云片巖、角閃片巖、蛇紋石巖、透閃石片巖、菱鐵礦巖等，以菱鐵礦巖為主，含鐵礦物主要為磁鐵礦；透明礦物主要有黑云母、透閃石、角閃石、蛇紋石等。如圖1所示。巖石經(jīng)過進變質(zhì)至角閃巖相，又后退變質(zhì)至綠片巖相，磁鐵礦主要成于前進變質(zhì)作用，在以后的變質(zhì)作用或變質(zhì)熱液活動期亦有少量磁鐵礦形成；研究的晶質(zhì)鈾礦發(fā)現(xiàn)于該地區(qū)巖性為綠泥石化陽起石黑云母巖中，該巖石為本次研究選取的樣品。

圖1 綠泥石化陽起石黑云母巖中礦物特征

2 鏡下觀察

顯微鏡下觀察巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)、形態(tài)，辨認蝕變礦物及鈾礦賦存狀態(tài)是提供巖石信息的首要一步，本文使用德國蔡司公司生產(chǎn)的型號為Axioskop 40的Zeiss偏光顯微鏡，進行光、薄片鑒定，確定巖性、蝕變現(xiàn)象、鈾礦特征及賦存位置。

經(jīng)觀察，賦礦巖石為綠泥石化陽起石黑云母巖，該巖石的主要組成礦物為黑云母、陽起石，其中黑云母多退變質(zhì)變?yōu)榫G泥石，變質(zhì)程度較深，通過蝕變產(chǎn)物推測原巖可能為基性巖-超基性巖，黑云母為原巖基性礦物的蝕變產(chǎn)物。晶質(zhì)鈾礦即產(chǎn)出黑云母晶體或呈黑云母假象的綠泥石晶體內(nèi)部或間隙中。

其中，晶質(zhì)鈾礦在反射光下特征表現(xiàn)為：晶體形態(tài)呈自形-半自形粒狀，板狀、不規(guī)則狀，晶體邊緣常圓滑。顆粒大小不等，小至1 μm×1 μm，大至 236 μm×319 μm，顆粒小的有集中分布的特點，反射色為灰色微帶暗棕色，反射率低，約在16左右，內(nèi)反射色為暗褐色，均質(zhì)性，見兩組發(fā)育完全、接近正交的解理，邊部具寬窄不等的放射暈邊。

通過鏡下觀察可以得出，獨立的鈾礦物晶質(zhì)鈾礦形成于變質(zhì)程度較深的變質(zhì)巖中，且其放射暈邊的普遍發(fā)育表明是一套古老的變質(zhì)巖，另外晶質(zhì)鈾礦賦存于黑云母與綠泥石內(nèi)部與間隙中，表明其成因與黑云母、綠泥石有密切關(guān)系，成因主要由熱液蝕變聚集導致，多期蝕變可能導致晶質(zhì)鈾礦分期次生成。故針對以上結(jié)論，利用電子探針化學測年對其成礦期次展開探討。

3 電子探針測試

電子探針測年技術(shù)以放射性核素衰變理論為基礎(chǔ)，通過測定U、Th、Pb氧化物的含量，根據(jù)衰變公式最終計算年齡。此種測年方法具有簡單快捷、無損檢測、微區(qū)原位、通過顯微背散射圖像避開表層、裂隙等不準確位置等優(yōu)點，但也存在一些不足，如晶質(zhì)鈾礦封閉性較差、對年齡較小的鈾礦分析不準確等[10]。

本文利用西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所測試中心型號為JXA-8230電子探針對晶質(zhì)鈾礦、獨居石等進行U、Pb、Th等氧化物含量分析，通過電子探針背散射圖像觀察，測試位置遠離裂隙、邊緣等易發(fā)生Pb丟失部位。測試條件為：電子探針加速電壓20 kV，束流1×10-8A，束斑直徑1～5 μm，修正方法ZAF，標準樣品選用U、ThO2、PbCrO4、Y3Al5O12，X射線的 Mα波段測定Th和Pb，Mβ測定U，Lα測定Y。

3.1 釷鉛鈾的含量

由表1的分析結(jié)果看出，研究區(qū)晶質(zhì)鈾礦的主含量元素UO2含量變化范圍在49.44%～83.79%之間，平均值為 66.56%；PbO含量變化范圍在6.57%～29.37%之間，平均值為17.78%;ThO2含量變化范圍在0.55%～14.99%之間，平均值為6.90%。與徐國慶等[11]研究總結(jié)的我國其他產(chǎn)地變質(zhì)型晶質(zhì)鈾礦相比，可以看出PbO和ThO2的含量較后者高。其中Th的含量與溫度有關(guān)，溫度越高，含量越高，說明晶質(zhì)鈾礦形成溫度較高，證實了前面變質(zhì)程度很深的結(jié)論。Pb的含量與放射性衰變有關(guān)，即與成礦年齡呈正相關(guān)關(guān)系，故推斷鈾礦成因類型為較古老的變質(zhì)成因。

表1 研究區(qū)晶質(zhì)鈾礦與我國其他地區(qū)變質(zhì)型鈾礦成分對比

3.2 電子探針定年計算方法及比較

因電子探針具有高的空間分辨率和真正意義上的原位定年，可以在很小的測年礦物顆粒上作出年齡分布圖，即可以得到多階段的年齡記錄，又使年齡分析的地質(zhì)意義更為明確。據(jù)多年來的同位素測年分析結(jié)果表明，由于晶質(zhì)鈾礦、獨居石中非放射性產(chǎn)生的Pb含量非常少，通?？梢院雎圆挥嫛?/p>

選取晶質(zhì)鈾礦16個較大新鮮且裂隙較少顆粒進行測試，個別顆粒選取2～3個點，總測點數(shù)26個，測出U、Pb、Th氧化物的含量，根據(jù)U-Th-Pb等放射性元素的衰變規(guī)律，并參照前人研究，采用經(jīng)驗公式法與軟件法分別進行計算，經(jīng)驗公式法目的是為了更簡便快捷地進行計算，將其與原始公式編程軟件計算結(jié)果比較，目的是得出更適應(yīng)該類型晶質(zhì)鈾礦計算的經(jīng)驗公式，方便簡易計算。結(jié)果見表2。

表2 晶質(zhì)鈾礦電子探針元素U、Pb、Th含量與年齡計算結(jié)果

采用的四種計算方法依次為：

算法1(Age1)：t=Pb×7550/(U+0.36Th)

式中，元素Th、U、Pb為質(zhì)量百分比[Ranchin(1968)，轉(zhuǎn)引自文獻[10]]。

算法2(Age2)：t=λ-1ln(1.104Pb/U+1)

式中，λ=0.000155125 Ma-1，Pb、U為原子百分數(shù)(Bowles[7])。

算法3(Age3)：

t=Pb×1010/(1.612U+4.95Th)式中，U、Th、Pb的量為原子百分數(shù)(Cameron-Schimann[12])。

算法4(Age4)：軟件法(利用美國McSwiggen & Associates研制的MonaziteAge軟件)，經(jīng)6組電子探針測試誤差值計算，誤差年齡平均值在17 Ma左右。從圖2可以看出，Cameron-Schimann法計算出的年齡值相對于相對于Ranchin法與Bowles法而言，與MonaziteAge軟件曲線更貼近，故推斷計算方法Cameron-Schimann法[12]與軟件公式法計算出來的結(jié)果最吻合。因計算得出的年齡值多在1500 Ma以上，故相對來說Cameron-Schimann經(jīng)驗公式法更適宜于年齡偏大的樣品進行簡易計算。另外，Ranchin法對計算200 Ma以下的結(jié)果較好，對年齡值較大的樣品給出的值偏大[10]；Bowles法沒有考慮Th的影響，當Th含量高時，給出的年齡值偏小，當Th含量低時，給出的年齡值比正確值偏大[7]。

圖2 四種方法計算年齡結(jié)果對比圖

3.3 晶質(zhì)鈾礦年齡分布區(qū)間及成礦期次的指示

根據(jù)軟件年齡計算結(jié)果，進行概率分布統(tǒng)計作圖，從圖3和圖4可以看出：年齡峰期范圍大致可以分為三個區(qū)間，指示成礦的三個期次。

圖3 晶質(zhì)鈾礦成礦年齡概率統(tǒng)計圖

圖4 晶質(zhì)鈾礦年齡區(qū)間分布圖

第一個區(qū)間是(2880±17) Ma左右，為新太古代時期。據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，利用同位素地質(zhì)全巖Rb-Sr分析，得出Rb-Sr等時線年齡值在(2681±65) Ma～(2963±7.98) Ma之間，多數(shù)集中在2700 Ma左右[13],代表原巖主體的形成年齡。此區(qū)間的年代正好與原巖成巖年齡相符，所以推斷為成巖期便有少量晶質(zhì)鈾礦的產(chǎn)生，為成礦階段的第一期次。但是存在的問題是測試的點位中只有一個點的數(shù)據(jù)在此范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)少沒有很好的代表性，這里只提出探討，需要更多樣品的測試結(jié)果與討論。

第二個區(qū)間是(1654±17) Ma ～(1805±17) Ma，為中元古代中期。此區(qū)間分布范圍最集中，為晶質(zhì)鈾礦主要成礦時間，為成礦的主成礦期次。

第三個區(qū)間是(657±17) Ma～(807±17) Ma，為新元古代南華紀時期。結(jié)合鏡下觀察，黑云母普遍發(fā)生綠泥石化，推測此區(qū)間為后期熱液涌入，發(fā)生蝕變，后期活化再改造的階段，為成礦的第三階段。

3.4 晶質(zhì)鈾礦環(huán)帶電子探針化學定年

在成礦期次建立的基礎(chǔ)上，選取兩個較大粒度、且具代表性的晶質(zhì)鈾礦從邊緣-中間-邊緣進行電子探針化學年齡測定，旨在對礦床年齡以及熱液活化改造年齡的分段性作進一步探討，進而對該地區(qū)古老的變質(zhì)巖的演化歷史提供可靠的年齡依據(jù)。

圖5 U9(左)與U18(右)顆粒取點點位

選取第一個顆粒(U9)，大小約200 μm(圖5左)，第二個顆粒(U18)，大小約230 μm(圖5右)，測試點數(shù)均為20個，數(shù)據(jù)與40組年齡值對應(yīng)表詳見表3和表4，通過對年齡分布的統(tǒng)計，兩個晶質(zhì)鈾礦顆粒的年齡符合前面主要成礦期年齡的范圍，說明此兩個晶質(zhì)鈾礦顆粒均在主成礦時期形成，另外對其計算年齡分段性進行探討，制作年齡環(huán)帶分布圖(見圖6)，并得出以下結(jié)論。

表3 U9晶質(zhì)鈾礦環(huán)帶數(shù)據(jù)

表4 U18晶質(zhì)鈾礦環(huán)帶數(shù)據(jù)

圖6 U9和U18顆粒年齡分布圖

(1)U18顆粒年齡變動范圍較U9顆粒大。結(jié)合背散射圖像觀察其顆粒光滑程度不難看出，U9顆粒表面較新鮮，受到較少的后期改造作用，10～15點之間有一橫貫的裂隙；U18顆粒在7～15點處，則出現(xiàn)較多的裂隙，受到后期改造作用明顯。

(2)兩者的年齡分布圖存在共性。即：從邊緣→中間→邊緣均出現(xiàn)年齡值由高→低→高的現(xiàn)象，出現(xiàn)了分段性，表現(xiàn)為在裂隙發(fā)育處年齡值偏低，推測在裂隙發(fā)育處Pb發(fā)生了流失現(xiàn)象，故計算出的年齡值偏低。此結(jié)果說明鈾礦經(jīng)歷了后期改造作用，導致放射性成因鉛丟失，因為只有在明顯的流體活動下，Pb的擴散比較明顯。

3.5 其他相關(guān)元素及礦物對比

因研究區(qū)鈾礦屬于變質(zhì)型鈾礦，但我國的鈾礦類型主要以沉積型礦床為主，通過大量的數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，元素Y在兩種不同的礦床中含量具有不同的表現(xiàn)特征，對變質(zhì)型鈾礦與沉積型鈾礦的Y的氧化物含量進行對比(表5)，選取的沉積型鈾礦的數(shù)據(jù)來自我國其他地區(qū)，從中發(fā)現(xiàn)其中可能存在相關(guān)的規(guī)律。

表5 研究區(qū)變質(zhì)型鈾礦與其他地區(qū)沉積型鈾礦的Y2O3與UO2含量

通過作圖(圖7)對比發(fā)現(xiàn)，沉積型鈾礦UO2含量較研究區(qū)變質(zhì)型UO2低，但沉積型鈾礦Y2O3含量較變質(zhì)型鈾礦Y2O3高。但是無論是哪一種成因類型的鈾礦物，Y2O3含量與UO2含量均統(tǒng)一呈負相關(guān)關(guān)系。所以初步可以得出結(jié)論：Y2O3的含量多少及與UO2之間的負相關(guān)關(guān)系對判斷鈾礦成因類型具指示意義，此結(jié)論需在以后的研究中繼續(xù)驗證。

圖7 研究區(qū)變質(zhì)型鈾礦與其他地區(qū)沉積型鈾礦的Y2O3與UO2含量對比圖

3.6 其他相關(guān)元素成分

國外學者通過對澳大利亞的古老變質(zhì)型鈾礦研究發(fā)現(xiàn)，礦床周圍區(qū)域中的流體-巖石相互作用的程度很高，具豐富的綠泥石化流體作用。綠泥石是澳大利亞所有鈾礦床中唯一普遍、富集的礦物，鈾礦的形成與綠泥石的關(guān)系被國外許多學者熱烈討論[14-17]。在澳大利亞Ranger礦床，賦礦巖性為石墨黑云母綠泥石片巖，礦化伴隨著強烈的綠泥石化作用[18]。在Nabarlek礦床中，礦體也主要生成于綠泥石化、磁鐵礦析出階段，晶質(zhì)鈾礦產(chǎn)生再活化富集。其中綠泥石部分或完全交代黑云母,并將綠泥石根據(jù)不同的成分劃分成三個世代[18]。在成礦時期上，Hegge等[19]認為東Allgator河地區(qū)的鈾礦的活化初始階段正好與區(qū)域變質(zhì)作用年齡相符。

本研究也通過電子探針對黑云母、綠泥石中相關(guān)元素U、Th、Pb含量做了測試，并對比黑云母、綠泥石的元素成分發(fā)現(xiàn)，大部分黑云母含有少量的Pb、Th，推測成巖期可能與熱液蝕變作用黑云母化有關(guān)，該鈾礦為一套變質(zhì)型成因礦床；蝕變的綠泥石中幾乎無Pb、Th，由此推測晶質(zhì)鈾礦的后期相對富集與黑云母的綠泥石化相關(guān)。

另外在巖石中發(fā)現(xiàn)了大量的獨居石顆粒與金屬礦物黃鐵礦，據(jù)研究，變質(zhì)巖中的晶質(zhì)鈾礦常與獨居石、黃鐵礦等伴生，其礦物組合的規(guī)律與前面研究相符。

4 結(jié)語

本文主要將鏡下蝕變現(xiàn)象、電子探針測年與電子探針其他相關(guān)元素分析結(jié)果相結(jié)合，探討了晶質(zhì)鈾礦的成礦年齡及成礦規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，晶質(zhì)鈾礦的成因類型與澳大利亞著名的變質(zhì)型鈾礦相似，均為古老的變質(zhì)型，且周圍的脈石礦物均為綠泥石；根據(jù)電子探針計算年齡結(jié)果，主要成礦期在(1654±17) Ma ～(1805±17) Ma，為中元古代中期，后期活化富集時期在(657±17) Ma～(807±17) Ma，為新元古代南華紀時期，此階段是熱液侵入，綠泥石化廣泛發(fā)生的時期；通過對大顆粒晶質(zhì)鈾礦的環(huán)帶年齡進行計算，證實后期有強烈的流體活動的發(fā)生，且主要與綠泥石化相關(guān)，與前面結(jié)論相吻合。

本文存在一些不足之處，需要進一步改進與完善：①晶質(zhì)鈾礦的封閉性較獨居石、鋯石等礦物差，容易發(fā)生鉛丟失導致計算結(jié)果偏低，故本文未能用等時線年齡驗證;②年齡計算數(shù)據(jù)2880 Ma與成巖年齡相符，但是此階段年齡數(shù)據(jù)少，缺乏確鑿依據(jù)，需要開展更多的測試工作；③與沉積型鈾礦對比得出的元素Y與U之間的負相關(guān)關(guān)系，此結(jié)論需要大量的數(shù)據(jù)驗證才能準確定論。

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