貴州松林鈾多金屬磷塊巖微量元素地球化學(xué)及Sm-Nd同位素特征

王文全，漆富成，林文姬，李治興，楊志強(qiáng)，張文東

（1．核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2．中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京100095）

貴州省遵義松林地區(qū)鈾多金屬磷塊巖具有U、Mo、Ni、Re、Tl等多元素富集的特征，根據(jù)非常規(guī)鈾資源的定義［1］，區(qū)內(nèi)鈾多金屬伴生組分達(dá)到綜合利用指標(biāo)，可視為非常規(guī)鈾資源。下寒武統(tǒng)底部鈾多金屬磷塊巖富集了U、Mo、Ni、Re、Tl等元素，受到普遍關(guān)注和重視，并從不同角度 （地質(zhì)地球化學(xué)、年代學(xué)、生物地球化學(xué)）對(duì)其進(jìn)行了研究［2-5］，但鈾多金屬磷塊巖的成因一直存在爭(zhēng)議。筆者通過(guò)對(duì)遵義松林地區(qū)鈾多金屬磷塊巖型的微量元素地球化學(xué)、Sm-Nd同位素特征研究，為探討其物質(zhì)來(lái)源及成因機(jī)理提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

松林地處貴州省遵義西北部，位于NE向延伸的松林—巖孔弧形構(gòu)造北段松林穹隆構(gòu)造的西南翼，區(qū)域上屬揚(yáng)子陸塊東部，黔中隆起東北側(cè)的婁山褶皺帶。出露地層主要有下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和上震旦統(tǒng)燈影組，牛蹄塘組磷塊巖假整合于燈影組白云巖之上。牛蹄塘組下部主要為磷塊巖、碳質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)巖的巖石組合；上部主要由碳質(zhì)頁(yè)巖組成（圖1）。區(qū)內(nèi)鈾多金屬磷塊巖主要分布在下寒武統(tǒng)底部，呈層狀、似層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀較平緩，圍繞松林穹隆周?chē)蕩罘植?，厚度約1 m。鈾多金屬磷塊巖中Ni、Mo達(dá)到工業(yè)品位，U含量平均為427×10-6，具有較好的鈾多金屬磷塊巖型非常規(guī)鈾資源開(kāi)發(fā)利用前景。

圖1 松林地區(qū)非常規(guī)鈾資源地質(zhì)略圖 （據(jù)羅泰義，2003）Fig.1 Geological sketch of unconventional uranium resource in Songlin area （After LUO Taiyi， 2003）

2 樣品取樣與分析

系統(tǒng)采集松林地區(qū)下寒武統(tǒng)與上震旦統(tǒng)剖面樣品18件，并對(duì)樣品進(jìn)行了元素地球化學(xué)分析。測(cè)試工作由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究所完成，微量元素測(cè)試儀器為電感耦合等離子體質(zhì)譜 （ICP-MS），測(cè)試依據(jù)為GB/T14506.30—2010；化學(xué)成分分析測(cè)試儀器為X射線熒光光譜儀，所用儀器為飛利浦PW2404，測(cè)試依據(jù)為GB/T14506.28—2010；Sm-Nd同位素測(cè)試使用英國(guó)GV公司 （原MicroMass公司）制造ISOPROBE-T固體熱電離質(zhì)譜計(jì)，相對(duì)濕度37%，溫度21℃，誤差2 σ，測(cè)試依據(jù)為EJ/T 692—1992。

3 微量元素地球化學(xué)

3.1 微量元素組成

松林地區(qū)碳質(zhì)頁(yè)巖、鈾多金屬磷塊巖、硅質(zhì)巖、磷塊巖及白云巖主要微量元素化學(xué)分析數(shù)據(jù)如表1所示。其中鈾多金屬磷塊巖U質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 163×10-6～915×10-6，平均為427×10-6； Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4 857×10-6～50 045×10-6， 平均為 26 852×10-6； Mo 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6 546×10-6～43 279×10-6， 平均為25 466×10-6；Re質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.92×10-6～14.50×10-6， 平均為 6.82×10-6； Tl質(zhì)量分?jǐn)?shù)43.7×10-6～378.0×10-6， 平均為 172.0×10-6。利用上地殼數(shù)據(jù)［6］對(duì)該區(qū)微量元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化如圖2所示，鈾多金屬磷塊巖中Mo含量較地殼巖石豐度超常富集，其富集程度達(dá)4個(gè)數(shù)量級(jí)，U、Ni、Re、Tl較為富集，富集程度達(dá)1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。松林鈾多金屬磷塊巖相對(duì)圍巖黑色頁(yè)巖具有虧損Rb、Sr、Ba等大離子親石元素，富集U、Mo、Ni、Re、Tl等親硫元素或過(guò)渡元素的特征。

表1 松林地區(qū)非常規(guī)鈾資源微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of trace elements in unconventional uranium resource in Songlin area

圖2 松林地區(qū)非常規(guī)鈾資源主要微量元素上地殼標(biāo)準(zhǔn)化圖Fig.2 The diagram of upper crust-normalized trace elements in unconventional uranium resource in Songlin area

3.2 微量元素特征

分析表明，U、Mo、Ni、Re和Tl等微量元素在剖面上呈現(xiàn)規(guī)律性變化，即U、Mo、Ni、Re和Tl自下而上不斷增加，在鈾多金屬磷塊巖中達(dá)到峰值（圖3）。U與Mo、Ni、Re、Tl具有較好的正相關(guān)關(guān)系。

V/Cr和Ni/Co地球化學(xué)參數(shù)可作為識(shí)別缺乏鎂鐵質(zhì)碎屑沉積物的沉積環(huán)境。相對(duì)于Cr，有機(jī)質(zhì)優(yōu)先結(jié)合V，在缺氧還原條件下沉積物一般具有高V的特征。V/Cr＞2，Ni/Co＞4均指示缺氧沉積環(huán)境［7］。遵義松林剖面樣品V/Cr＞2，Ni/Co＞4，在鈾多金屬磷塊巖中達(dá)到最高，其V/Cr值平均為14.31，Ni/Co值平均為270.53，指示鈾多金屬磷塊巖形成環(huán)境為缺氧還原環(huán)境。Wignall提出δU可指示沉積環(huán)境， 在缺氧環(huán)境中δU 小于 1［8］。 松林地區(qū)樣品δU為1.31～1.99之間，其中磷塊巖與鈾多金屬磷塊巖δU值均達(dá)到1.99，指示該區(qū)為缺氧的沉積環(huán)境。

研究表明在熱水沉積環(huán)境具有沉積速率快的特征，從而導(dǎo)致U/Th比值相對(duì)于正常海水沉積較高，可作為指示正常海水沉積和熱水沉積的重要指標(biāo)［9］。松林地區(qū)黑色巖系中各種類(lèi)型巖石U/Th比值中除一個(gè)碳質(zhì)頁(yè)巖數(shù)據(jù)略小于1，其余樣品U/Th比值均大于1（圖4）。鈾多金屬磷塊巖和磷塊巖遠(yuǎn)大于1，7個(gè)鈾多金屬磷塊巖樣品平均U/Th值高達(dá)317.20，反映鈾多金屬磷塊巖具有明顯熱水沉積作用特征。

圖3 松林地區(qū)下寒武統(tǒng)底部U、Ni、Mo、Re、Tl含量變化圖Fig.3 Distribution of U， Ni， Mo， Re and Tl content at the bottom of Lower Cambrian in Songlin area

圖4 松林地區(qū)下寒武統(tǒng)底部U-Th關(guān)系圖解Fig.4 U-Th relation diagram at the bottom of Lower Cambrian in Songlin area

4 Sm-Nd同位素特征

Nd同位素?cái)?shù)據(jù)能較好地反映沉積物（巖）的物源性質(zhì)，研究認(rèn)為來(lái)源于古老上地殼沉積物的εNd值一般小于-10。來(lái)源于洋中脊玄武巖（MORB）沉積物（巖）的 εNd相對(duì)較高，一般大于＋5［10］。 松林鈾多金屬磷塊巖的 εNd（0）在-16.11～-14.34的范圍內(nèi)，均小于-10，（表2），指示鈾多金屬磷塊巖具有以上地殼為源區(qū)的特征。

釹同位素對(duì)物源組分和物源特征具有很好的指示作用，并且通過(guò)結(jié)合微量元素可以跟好的研究沉積巖潛在的源區(qū)［12］。松林鈾多金屬磷塊巖具有較高的Th/Sc值和較低的εNd（圖5），指示其物質(zhì)來(lái)源介于安山質(zhì)巖石和上地殼物質(zhì)之間，更接近古老地殼，同時(shí)fSm/NdεNd圖解也顯示該區(qū)鈾多金屬磷塊巖投點(diǎn)靠近上地殼物質(zhì)，反映該區(qū)鈾多金屬磷塊巖的物源與殼源物質(zhì)相關(guān)聯(lián)。

沉積過(guò)程中幔源物質(zhì)的加入會(huì)導(dǎo)致Nd模式年齡變小，因此沉積巖Nd同位素模式年齡是判斷沉積物源的靈敏示蹤劑［13］。依據(jù)松林鈾多金屬磷塊巖樣品147Sm/144Nd值在0.10～0.13范圍內(nèi)，采用地幔虧損模式年齡 （tDM）。松林鈾多金屬磷塊巖模式年齡如表2所示，虧損地幔模式年齡（tDM）在1.64～1.93 Ga的范圍內(nèi)，與中國(guó)海水周?chē)憵?.8 Ga的平均年齡值相一致。進(jìn)一步反映該區(qū)鈾多金屬磷塊巖受幔源物質(zhì)影響有限，以陸殼物質(zhì)來(lái)源為主。

表2 松林地區(qū)下寒武統(tǒng)底部鈾多金屬磷塊巖中Sm-Nd同位素分析Table 2 Sm-Nd isotopic analysis of uraniferous polymetallic phosphorite at the bottom of Lower Cambrian in Songlin area

圖5 松林地區(qū)多金屬磷塊巖εNd-Th/Sc和fSm/Nd-εNd判別圖解 （據(jù)Mclennan，1993）Fig.5 εNd-Th/Sc and fSm/Nd-εNddiagrams of polymetallic phosphorite in Songlin area （After Mclennan， 1993）

5 結(jié)論

1）松林地區(qū)鈾多金屬磷塊巖具有U、Mo、Ni、Re和Tl富集的地球化學(xué)組合特征，且U與Mo、Ni、Re和Tl具有良好的正相關(guān)關(guān)系。鈾多金屬磷塊巖V/Cr、Ni/Co和δU值指示其處于缺氧的沉積環(huán)境。

2）松林地區(qū)U-Th關(guān)系圖解反映該區(qū)鈾多金屬磷塊巖屬典型的熱水沉積的產(chǎn)物。

3）松林地區(qū)鈾多金屬磷塊巖Sm-Nd同位素特征參數(shù)及Nd模式年齡數(shù)據(jù)顯示其物質(zhì)來(lái)源具有以古老基底為主要組成的大陸陸殼特征。顯示在早寒武世缺氧的沉積環(huán)境下，海底沉積作用伴隨熱水沉積作用形成鈾多金屬磷塊巖型非常規(guī)鈾資源。