湖南羊角腦鈾礦床碳氧同位素地球化學(xué)研究

潘春蓉， 楊海林， 潘家永

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093；2.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

湖南羊角腦鈾礦床碳氧同位素地球化學(xué)研究

潘春蓉1, 2， 楊海林1， 潘家永2

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093；2.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

羊角腦鈾礦床是鹿井礦田南部的一個(gè)中型礦床，該礦床礦體主要受斷裂破碎帶控制，碳酸鹽化與鈾礦化關(guān)系密切。對羊角腦鈾礦床不同期次的方解石脈進(jìn)行碳氧同位素分析。該礦床成礦早期、成礦期、成礦晚期都發(fā)育方解石脈，從成礦早期→成礦期→成礦晚期，方解石的δ13CPDB值有明顯降低的趨勢，而δ18OSMOW值成礦早期最低，成礦期與成礦晚期方解石的δ18OSMOW值變化范圍與平均值相似。羊角腦礦床成礦早期方解石δ13CPDB介于-5.0‰～-6.4‰，平均值為-5.8‰，與幔源CO2的碳同位素變化范圍與平均值相似，而成礦期與成礦晚期由于CO2發(fā)生脫氣作用引起的同位素分餾而降低，表明該礦床成礦流體中的碳來自地幔去氣作用，方解石的δ13C-δ18O組成呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步證實(shí)羊角腦鈾礦床成礦流體中CO2礦化劑是地幔去氣作用形成。

碳同位素組成；氧同位素組成；羊角腦鈾礦床

潘春蓉，楊海林，潘家永.2017.湖南羊角腦鈾礦床碳氧同位素地球化學(xué)研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，40(2)：109-114.

Pan Chun-rong，Yang Hai-lin，Pan Jia-yong.2017.Geochemical characteristics of carbon and oxygen isotopes from the Yangjiaonao uranium deposit in Hunan province[J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 40(2)：109-114.

鹿井鈾礦田是我國華南重要的花崗巖型鈾礦田，國內(nèi)外學(xué)者對鹿井鈾礦田中的鹿井礦床、高昔礦床、沙壩子礦床等大型鈾礦床的礦床地質(zhì)特征、礦床成因及成礦機(jī)理開展了一系列研究(邵飛等，2010；周肖華等，2014；黃宏業(yè)等，2008；王明太等，1999)。羊角腦鈾礦床是鹿井鈾礦田南部的一個(gè)中型鈾礦床，近年來湖南省核工業(yè)302隊(duì)在該礦床深部找礦取得了重要的進(jìn)展，但總體上羊角腦鈾礦床研究程度很低*吳志楠,潘家永,夏忠強(qiáng)，等.2016.湖南省諸廣山巖體中段鈾多金屬礦整裝勘查區(qū)找礦預(yù)測與技術(shù)應(yīng)用示范報(bào)告[R].。鈾在成礦流體中主要以UO2(CO3)22-和UO2(CO3)43-絡(luò)合物的形式進(jìn)行遷移，因此熱液流體中礦化劑CO2是熱液流體將礦源巖中的鈾活化并形成碳酸鈾酰絡(luò)離子遷移的關(guān)鍵因素(Su et al.,1982;胡瑞忠等，1990)。羊角腦鈾礦床碳酸鹽化與鈾礦化關(guān)系密切，本文對羊角腦鈾礦床不同期次的碳酸鹽開展了碳氧同位素研究，旨在查明不同成礦期碳氧同位素變化規(guī)律，探討礦化劑CO2的來源及其與鈾成礦的關(guān)系。

1 礦床地質(zhì)概況

羊角腦鈾礦床位于湖南省汝城縣，在大地構(gòu)造位置處于華夏板塊武功-諸廣斷隆區(qū)，閩贛后加里東隆起帶的西緣，是鹿井礦田南部的一個(gè)中型礦床。

礦區(qū)出露的巖漿巖是諸廣山印支—燕山期復(fù)式富鈾花崗巖體組成部分。主要為印支期的中粗粒似斑狀黑云母二長花崗巖，呈巖基狀大面積分布；其次是燕山早期中粒二云母花崗巖，出露于礦區(qū)的中部，主要由兩個(gè)小巖枝所組成，總體呈南北方向展布(圖1，圖2)。

礦體主要受斷裂構(gòu)造控制，礦區(qū)內(nèi)主要有2條大的NE向斷裂帶QFⅤ與QFⅣ及1條NNE向斷裂(F1)。

圖1 羊角腦礦區(qū)地質(zhì)簡圖①Fig.1 Geological sketch map of Yangjianao deposit 1.第四系；2.印支期中粗粒似斑狀花崗巖；3.燕山早期中細(xì)粒二云母花崗巖；4.乳白色中晶—細(xì)晶石英斷 裂帶；5.玉髓膠結(jié)角礫巖帶；6.石英脈；7.地質(zhì)界線；8.水云母—黃鐵礦化碎裂巖帶

(1)北東向斷裂組(QFⅤ)。主要由石英硅化斷裂帶及下盤一組平行的硅化角礫巖(F5-3，F(xiàn)5-1，F(xiàn)5-2)及其夾持的碎裂蝕變花崗巖組成(圖1，圖2)。自東向西由北東東轉(zhuǎn)為北東方向展布，總體產(chǎn)狀340°∠60°～80°，沿走向傾向膨脹、收縮明顯，沿傾向上緩下陡，斷裂帶物質(zhì)成分復(fù)雜。

圖2 羊角腦礦床101號地質(zhì)剖面圖①Fig.2 No.101 geological section from the Yangjiaonao deposit1.燕山早期中細(xì)粒二云母花崗巖；2.印支期中粗粒似斑狀花崗巖；3.石英硅化斷裂帶；4.玉髓膠結(jié)角 礫巖帶或硅化角礫巖帶；5.礦體及編號

石英硅化帶(QFⅤ)。為區(qū)域斷裂帶，中心部位充填白色塊狀石英，寬10～50 m。石英脈具分帶性：橫向上由中心向兩側(cè)依次為白色中晶石英→雜色細(xì)晶石英→雜色微晶石英或玉髓；垂向向下棕紅色玉髓和黃鐵礦增多，成礦期熱液活動(dòng)加強(qiáng)，石英脈兩側(cè)圍巖強(qiáng)烈破碎，蝕變發(fā)育。蝕變對稱分帶現(xiàn)象明顯，以石英脈為核心，向兩側(cè)依次為硅化→水云母化→綠泥石化→堿交代巖。

玉髓膠結(jié)角礫巖帶(F5-1，F(xiàn)5-2，F(xiàn)5-3)。QFⅤ斷裂帶的次級斷裂，發(fā)育于石英脈下盤，呈線型展布，組內(nèi)各條斷裂性質(zhì)、產(chǎn)狀、規(guī)模和物質(zhì)組分基本一致， F5-1，F(xiàn)5-2產(chǎn)狀較穩(wěn)定。F5-1礦前、礦期、礦后均有活動(dòng)，以礦期紅色微晶石英脈活動(dòng)為主，硅化強(qiáng)烈；F5-2礦前、礦后均有活動(dòng)，以礦后活動(dòng)為主，物質(zhì)成分為破碎花崗質(zhì)角礫巖，硅化相對較弱；F5-3以成礦早期石英脈活動(dòng)為主，硅化較強(qiáng)。

構(gòu)造破碎帶。發(fā)育于F5-1與F5-2之間，寬約10～20 m，以角礫巖和后期擠壓破碎為主，該構(gòu)造帶內(nèi)礦化變差。

蝕變碎裂巖帶。在石英硅化帶與角礫巖帶之間強(qiáng)烈發(fā)育綠泥石化、水云母化、赤鐵礦化和硅化的蝕變碎裂巖帶，原巖花崗結(jié)構(gòu)已不明顯或消失，呈灰綠色、局部褐紅色。鈾礦化賦存于蝕變碎裂巖帶的網(wǎng)脈狀裂隙中。

(2)北東向斷裂(QFⅣ)。該斷裂為區(qū)域石英硅化斷裂帶，產(chǎn)狀320°∠60°～85°，長>2 000 m，寬約2～5 m，主要為白色中晶石英和淺色細(xì)晶石英充填，成分單一。

(3)北北東向斷裂(F1)。產(chǎn)狀110°～115°∠50°～78°，礦區(qū)內(nèi)延長達(dá)800 m，寬2～5 m，主要成分為玉髓膠結(jié)角礫巖、灰色微晶石英及花崗質(zhì)膠結(jié)角礫巖，角礫多呈棱角到次棱角狀，赤鐵礦化、水云母化、硅化、綠泥石化等熱液蝕變發(fā)育，最大寬度達(dá)數(shù)十米。為儲(chǔ)礦斷裂。

羊角腦鈾礦床礦體主要呈脈狀產(chǎn)于QFⅤ與F1下盤的次級斷裂帶與裂隙帶(圖1，圖2)。主要的礦石類型為鈾-微晶石英(黃鐵礦)型和鈾-粘土型，前者表現(xiàn)為多次構(gòu)造破碎充填，形成角礫狀、條帶狀礦石，礦石形成早，品位較富；而后者則表現(xiàn)為碎裂、蝕變、交代，形成浸染狀礦石，礦石形成相對較晚，品位相對較低。主要的鈾礦物為瀝青鈾礦，淺部見鈣鈾云母和銅鈾云母等次生鈾礦物，共(伴)生金屬礦物主要為黃鐵礦，局部見少量黃銅礦、輝銅礦、銅藍(lán)、斑銅礦等。

羊角腦鈾礦床廣泛發(fā)育圍巖蝕變，主要有硅化、赤鐵礦化、鈉長石化、絹云母化、綠泥石化、碳酸鹽化、黃鐵礦化和粘土化(主要表現(xiàn)為高嶺土化和伊利石化)。與鈾礦化關(guān)系最密切的是赤鐵礦化、鈉長石化、碳酸鹽化、綠泥石化和粘土化；當(dāng)不同蝕變疊加時(shí)，鈾品位一般會(huì)增高。該礦床圍巖蝕變在空間上具有一定的分帶性，從礦化中心到圍巖，具有硅化-赤鐵礦化-絹云母化-綠泥石化-鈉長石化的蝕變分帶特征。方解石化是礦區(qū)發(fā)育較廣的圍巖蝕變之一，成礦早期、成礦期及成礦后都發(fā)育方解石化。根據(jù)方解石的顏色和產(chǎn)出情況可將其分為成礦早期、成礦期及成礦晚期方解石。成礦早期的方解石呈白色，往往與成礦早期的白色石英共生形成方解石-石英脈；成礦期方解石為灰白色，與石英-赤鐵礦-黃鐵礦-瀝青鈾礦共生；成礦晚期為白色方解石脈，穿插早期鈾礦脈。

2 分析測試方法

樣品采自羊角腦礦床不同期次的方解石脈，C，O同位素組成測試在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地完成。首先將待測礦石碎樣，利用樣品篩篩選，選擇40～60目的顆粒，然后在雙目鏡下挑選出方解石單礦物，研磨至200目以下制備成待測樣品粉末。采用磷酸法利用GasbenchⅡ預(yù)處理系統(tǒng)對方解石樣品進(jìn)行樣品預(yù)處理，使樣品轉(zhuǎn)化成CO2氣體，然后利用MAT253穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測試碳氧同位素組成，測試精度為δ13C≤0.2‰，δ18O≤0.2‰。

表1 不同期次方解石的 C，O同位素組成

3 分析結(jié)果討論

3.1 碳氧同位素變化規(guī)律

羊角腦礦床成礦早期至成礦晚期方解石C，O同位素特征的分析結(jié)果顯示，成礦早期方解石δ13CPDB介于-5.0‰～-6.4‰，平均值為-5.8‰，δ18OSMOW介于9.5‰～10.2‰，平均值為9.9‰；成礦期方解石δ13CPDB介于-7.3‰～-8.2‰，平均值為-7.7‰，δ18OSMOW介于11.6‰～13.5‰，平均值為12.4‰；成礦晚期的方解石δ13CPDB介于-9.1‰～-9.5‰，平均值為-9.3‰，δ18OSMOW介于10.6‰～12.0‰，平均值為11.5‰。從上可以看出從成礦早期→成礦期→成礦晚期，方解石的δ13CPDB值有明顯降低的趨勢，而δ18OSMOW值成礦早期相對較低，成礦期與成礦晚期方解石的δ18OSMOW值變化范圍基本一致。

不同時(shí)期碳酸鹽碳氧同位素的變化受以下2個(gè)方面的影響：①水-巖反應(yīng)引起的同位素分餾。熱液流體沿著圍巖的裂隙、孔隙滲濾、運(yùn)移過程中，勢必會(huì)導(dǎo)致其與圍巖發(fā)生水-巖反應(yīng)，從而使方解石的 δ13C和δ18O同位素發(fā)生變化，由于圍巖中普遍以含氧礦物為主，而含碳礦物很少，所以水-巖反應(yīng)主要主要導(dǎo)致流體的氧同位素值發(fā)生變化，而對碳同位素影響較小。②CO2發(fā)生脫氣作用引起的同位素分餾。當(dāng)熱液中的CO2發(fā)生脫氣作用時(shí)，熱液中CO2越到晚期，其碳同位素組成會(huì)越低，會(huì)導(dǎo)致沉淀的方解石相對虧損13C，導(dǎo)致沉淀在晚期的方解石明顯虧損13C。由于成礦流體中以水為主，CO2往往只占很小的比例，所以，熱液中CO2脫氣作用對成礦流體中氧同位素影響很小。羊角腦礦床從成礦早期至成礦晚期方解石δ13CPDB值明顯降低，可能是CO2發(fā)生脫氣作用引起的同位素分餾；而δ18OSMOW的變化可能主要是水-巖反應(yīng)引起的同位素分餾，羊角腦鈾礦床主要流體來源為大氣降水①，水-巖反應(yīng)后成礦流體氧同位素組成會(huì)明顯增高(參與水-巖反應(yīng)的巖石的初始氧同位素組成遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣降水的氧同位素組成)，所以成礦期碳酸鹽的δ18OSMOW明顯增高，但成礦晚期方解石脈是成礦期流體成礦物質(zhì)卸載后形成的，其流體的氧同位素組成與成礦期流體的氧同位素組成相似。

3.2 成礦流體中碳的來源探討

CO2是熱液礦床成礦的重要礦化劑，對其來源的探討是礦床成因研究的重要內(nèi)容。目前國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，熱液礦床中碳的主要來源有三種可能：①地幔脫氣或巖漿來源。其δ13C(PDB)變化范圍為-9.0‰～-3.0‰(Taylor et al.,1986)；②沉積巖中碳酸鹽巖的脫氣或含鹽鹵水與泥質(zhì)巖相互作用。這種來源的C同位素組成具有重C同位素特征，其δ13C(PDB)變化范圍為-2.0‰～+2.0‰，海相碳酸鹽的δ13C(PDB)大多穩(wěn)定在0.0‰左右；③各種巖石中的有機(jī)碳。有機(jī)碳一般富集12C，因而碳同位素組成很低，其δ13C(PDB)變化范圍為-30.0‰～-10.0‰，平均-22.0‰(Ohmoto，1986)。由于羊角腦礦床礦物共生組合簡單，在礦區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)在高氧逸度條件下形成的重晶石, 也沒有發(fā)現(xiàn)在無低氧逸度條件下形成的石墨和磁黃鐵礦等礦物, 因此方解石的碳同位素組成可以近似代表成礦熱液的總碳同位素組成(Ohmoto,1972)。羊角腦礦床成礦早期方解石δ13CPDB介于-4.3‰～-6.9‰，平均值為-5.0‰，與地幔脫氣或巖漿來源的碳同位素變化范圍與平均值相似，而成礦期與成礦晚期由于CO2發(fā)生脫氣作用引起的同位素分餾而降低。表明了該礦床的成礦流體中的碳主要來自地幔，反映了深部的地質(zhì)流體參與了鈾成礦。

影響方解石δ13C-δ18O相關(guān)性有3種因素(Zheng et al.,1993)：①流體混合作用；②礦化劑∑CO2的去氣作用；③流體與圍巖產(chǎn)生的水-巖反應(yīng)。如果熱液流體與圍巖之間產(chǎn)生水巖反應(yīng)或者流體混合作用時(shí)，此時(shí)沉淀的方解石其C-O同位素組成呈現(xiàn)正相關(guān)性，而當(dāng)熱液流體發(fā)生CO2去氣作用后，這時(shí)方解石的δ13CPDB-δ18OSMOW組成呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系。羊角腦礦床方解石的δ13C-δ18O組成呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖3)，其擬合的線性方程為δ13C = -0.859δ18O + 1.9186(相關(guān)系數(shù)r=-0.63)，表明羊角腦礦床成礦流體中礦化劑是地幔去氣作用形成。

圖3 方解石δ18OSMOW-δ13CPDB圖解(底圖據(jù)劉建明，1997)Fig.3 The δ18OSMOW-δ13CPDB diagram of calcites

以下地質(zhì)地球化學(xué)證據(jù)進(jìn)一步證明羊角腦礦床礦化劑CO2來自地幔去氣作用：①華南花崗巖的δ13C值為 -37. 0‰ ～-7.5‰，但主要集中在-27. 0‰ ± 和-12. 3‰ ±(戚華文等，2000)，表明礦化劑CO2不可能來自花崗巖；②成礦與成巖時(shí)差較大(一般超過50 Ma)，且花崗巖成巖過程中花崗巖漿分異出的巖漿流體是貧CO2和HCO3-(Zhao et al.,2001)，表明 CO2不可能來自花崗巖巖漿；③前人對全球各個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期大氣中CO2濃度的比較研究揭示中生代地球大氣中含量比較高，最高值是現(xiàn)代大氣中CO2濃度的8倍。反映出中生代地球排氣作用比較強(qiáng), 與華南大規(guī)模鈾成礦作用在時(shí)間上具有很好的耦合性；④鈾成礦作用并不伴隨花崗巖巖漿作用而進(jìn)行, 而與以基性巖脈為代表的華南中生代地殼拉張事件彼此對應(yīng)；⑤礦床附近存在多條深大斷裂、伸展裂陷帶等，幾乎華南所有的熱液鈾礦床均與這些深大斷裂、伸展裂陷帶有關(guān)?；谏鲜鍪聦?shí)，認(rèn)為羊角腦礦床礦化劑CO2并不是來自圍巖或花崗巖巖漿，而是由地殼拉張、巖石圈伸展導(dǎo)致的地幔去氣形成。

4 結(jié)論

通過對羊角腦鈾礦床不同期次的方解石進(jìn)行采樣及碳氧同位素分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)羊角腦礦床深部礦體中方解石脈分3期，從成礦早期→成礦期→成礦晚期，方解石的δ13CPDB值有明顯降低的趨勢，而δ18OSMOW值成礦早期最低，成礦期與成礦晚期方解石的δ18OSMOW值變化范圍與平均值相似。

(2)成礦早期方解石δ13CPDB介于-5.0‰～-6.4‰，平均值為-5.8‰，與地幔去氣的碳同位素變化范圍與平均值相似，而成礦期與成礦晚期由于CO2發(fā)生脫氣作用引起的同位素分餾而降低。表明了該礦床的成礦流體中的碳主要來自地幔去氣作用。

(3)方解石的δ13C-δ18O組成呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，也證實(shí)成礦流體中礦化劑CO2是地幔去氣作用形成。

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Geochemical Characteristics of Carbon and Oxygen Isotopes from theYangjiaonao Uranium Deposit in Hunan Province

PAN Chun-rong1,2， YANG Hai-lin1， PAN Jia-yong2

( 1. Kunming University of Science and Technology, Kunming, YN 650093, China; 2. EastChina University of Technology, Nanchang,JX 330013, China)

carbon isotopic composition; oxygen isotopic composition; Yangjiaonao uranium deposit

2017-04-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1403292)

潘春蓉(1992—)，女，碩士研究生，主要從事礦床地質(zhì)研究。E-mail：18364928@qq.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2017.02.002

P619.14

A

1674-3504(2017)02-0109-06