內(nèi)蒙古烏拉特中旗新忽熱地區(qū)富釷巖體釷元素賦存形式及地球化學(xué)特征

俞嘉嘉，邱林飛，周萬蓬，孟艷寧，范洪海，陳金勇，惠小朝，張振森，李銘鯤

（1.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

我國的釷資源類型主要為沉積巖型、變質(zhì)巖型和巖漿巖型［1］。內(nèi)蒙烏拉特中旗新忽熱地區(qū)主要屬于巖漿巖型釷資源。該類型礦床主要分布于構(gòu)造活動(dòng)頻繁、巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈的活動(dòng)板塊邊緣，多期次巖漿活動(dòng)不僅可提供釷成礦物質(zhì)，而且提供了釷活化、運(yùn)移、富集的動(dòng)力源。

自然界中釷元素主要以3 種形式存在，獨(dú)立釷礦物、以類質(zhì)同象與鈾共存和以類質(zhì)同象存在于副礦物中［1］。白云鄂博釷-稀土礦床釷礦物主要以類質(zhì)同像形式存在于稀土和稀有礦物的晶格中，少量以獨(dú)立礦物析出（如釷石、鐵釷石等）［2］。內(nèi)蒙古烏拉特中旗新忽熱地區(qū)位于白云鄂博西偏南約100 多千米處，處于白云鄂博釷元素異常帶范圍，前人未對(duì)其釷元素存在形式開展研究。筆者通過巖礦鑒定、掃描電子顯微鏡與能譜分析以及主微量分析等手段，系統(tǒng)分析了研究區(qū)內(nèi)主要釷礦物類型、釷的賦存形式以及富釷巖體地球化學(xué)特征。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

內(nèi)蒙烏拉特中旗新忽熱地區(qū)位于華北克拉通北緣中段，北靠溫都爾廟俯沖增生雜巖帶，東臨南部造山帶［3-4］（圖1），受華北克拉通復(fù)雜的構(gòu)造活動(dòng)和古亞洲洋對(duì)其多次的俯沖碰撞作用的影響，致使深大斷裂發(fā)育。區(qū)內(nèi)主要斷裂為查干陶勒蓋—西烏蘭淘勒蓋—東豪斷裂帶（圖1），該斷裂為重要的控礦斷裂，呈北西西向分布，斷裂向西南傾，傾角約70°～80°，為逆斷層，沿?cái)嗔褞Э梢娒黠@的糜棱巖化帶和角礫巖帶［5］。受斷裂影響，區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，主要以晚太古代的片麻狀黑云母花崗巖、石炭紀(jì)的石英閃長巖、花崗閃長巖、閃長巖、二疊紀(jì)的中細(xì)粒黑云母花崗巖為主；并且可見大規(guī)模的石英脈和石英流紋斑巖脈出露。整體巖（脈）體產(chǎn)狀與查干陶勒蓋—西烏蘭淘勒蓋—東豪斷裂一致，沿?cái)嗔殉时蔽魑飨驇罘植?；從出露巖體之間的穿插關(guān)系及時(shí)代上顯示巖漿活動(dòng)受斷裂影響，具多期次性。巖石蝕變特征明顯，主體蝕變有赤鐵礦化、花崗偉晶巖化、綠泥石化等。

研究區(qū)釷異常區(qū)主要位于新忽熱地區(qū)北西西向的查干陶勒蓋—東豪斷裂帶上盤，距斷裂300～500 m 處，含釷礦（體）化均呈脈狀產(chǎn)出，其脈寬0.5～5 m，脈長數(shù)十米至1 km 不等，數(shù)量約數(shù)十條，脈體出露面積約84 km2，測(cè)其走向均呈北西-北西西向展布，傾向傾角與斷裂近一致。

2 研究方法與實(shí)驗(yàn)條件

圖1 新忽熱地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局修改，1983［6］）Fig.1 Regional geology sketch of Xinhure region

本次研究采集了具有釷伽馬能譜異常的巖石樣品，其巖性為片麻狀黑云母花崗巖和偉晶巖化、赤鐵礦化黑云母二長花崗巖。對(duì)選取的樣品磨制成巖石薄片，利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行巖礦鏡下觀察鑒定、拍照，初步圈定分析區(qū)域，經(jīng)噴碳后再通過掃描電子顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察，并利用能譜儀對(duì)樣品進(jìn)行單點(diǎn)分析。點(diǎn)分析只對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行成分分析，優(yōu)點(diǎn)在于快速得到結(jié)果，且不損壞樣品。分析測(cè)試在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院地質(zhì)礦產(chǎn)研究所巖礦鑒定實(shí)驗(yàn)室完成，使用的儀器為LEICA 4500 型顯微鏡，EDAX 能譜儀和TESCAN VEGA3 型的電子顯微鏡，掃描電子顯微鏡的加速電壓為20 kv。主微量元素分析由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究所完成，主量元素分析由AB104L，Axios-mAX 波長色散X 射線熒光光譜儀測(cè)試；微量元素分析由DRC-E 等離子體質(zhì)譜儀測(cè)試。

3 巖相學(xué)特征

新忽熱地區(qū)釷異常巖石主要為片麻狀黑云母花崗巖和蝕變黑云母二長花崗巖，選取釷伽馬能譜異常值高于300×10-6的樣品進(jìn)行研究。手標(biāo)本顯示該類異常巖石均表現(xiàn)出一定程度的偉晶巖化和赤鐵礦化，部分遭受一定的弱變質(zhì)作用。

3.1 片麻狀黑云母花崗巖

結(jié)構(gòu)構(gòu)造：花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造、片麻狀構(gòu)造。巖石受弱變質(zhì)和偉晶巖化作用可見礦物粒徑明顯較正常花崗巖大，長石、石英粒徑普遍大于5 mm，云母粒徑較小，約0.1～0.3 mm。

主要礦物為斜長石、鉀長石和石英。其中斜長石（含量約35%）單偏光下呈無色至灰白色，多數(shù)可見一組完全解理，表面較粗糙，有坑洼，裂痕；正交偏光下可見明顯聚片雙晶。石英（含量約25%）單偏光下無色透明，表面較長石光滑，無解理；正交偏光下一級(jí)灰白，波狀消光。鉀長石（含量約20%）單偏光下無色，解理不明顯，表面較粗糙有裂痕；正交偏光下可見一級(jí)灰白干涉色。次要礦物為黑云母和絹云母。黑云母（含量約5%）單偏光下呈褐色-棕褐色，多色性明顯，一組極完全解理少見；正交偏光下干涉色二級(jí)至三級(jí)。絹云母（含量約10%）多數(shù)由于弱變質(zhì)作用而形成，其中鈉長石一定條件下可蝕變?yōu)榻佋颇?，單偏光下呈無色至灰褐色，一組極完全解理少見；正交偏光下為二級(jí)橙黃至藍(lán)綠干涉色，具一定定向性。副礦物可見釷石（含量約2%）、榍石（含量約1%）、磷灰石（含量約1%）（圖2a）。

3.2 黑云母二長花崗巖

結(jié)構(gòu)構(gòu)造：花崗結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。受偉晶巖化作用礦物粒徑明顯增大，長石石英粒徑明顯大于5 mm，甚至大于1 cm。

圖2 巖石顯微鏡下結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Lithological structure of rock under microscope

主要成分為斜長石、鉀長石和石英。斜長石（含量約35%）單偏光下無色，表面粗糙有裂痕，解理不明顯；正交偏光下可見明顯聚片雙晶，雙晶紋較寬，推測(cè)為鈉長石。微斜長石（含量約35%）單偏光下無色，解理不明顯；正交偏光下，一級(jí)灰-灰白干涉色，可見明顯格子雙晶。石英（含量約20%）單偏光下無色透明，表面較光滑，無解理；正交偏光下一級(jí)灰白。次要礦物黑云母（含量約5%）單偏光下淺褐色-棕褐色，多色性明顯，解理不明顯；正交偏光下二級(jí)干涉色。副礦物主要為釷石（含量約1%）（圖2b）。

4 釷的賦存形式

電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡及能譜分析結(jié)果顯示，研究區(qū)釷礦物主要分布于礦物間裂隙中，呈粒狀集合體或細(xì)脈狀產(chǎn)出（圖3），其存在形式主要分為3 種：1）獨(dú)立釷礦物—釷石、鈾釷石和方釷石；2）以類質(zhì)同象形式存在于副礦物中，如磷灰石和稀土礦物（主要為獨(dú)居石）；3）以吸附形式存在于赤鐵礦表面。

圖3 釷石鏡下照片F(xiàn)ig.3 Thin section photograph of thorite

4.1 獨(dú)立釷礦物

釷石（Th［SiO4］）為均質(zhì)性礦物，不具多色性特征，單偏光和正交偏光下均顯示褐色、深褐色或暗黑色（圖3）。形態(tài)呈長柱狀（圖3a、b）、他形球粒狀（圖3c、d）、脈狀（圖3e、f）產(chǎn)出，其中以粒狀集合體為主，范圍為0.01 mm×0.01 mm～1 mm×0.5 mm。圖3均清晰的顯示出粒狀釷石與細(xì)脈狀釷石相連，并且由多條細(xì)脈匯聚形成集合體粒狀釷石。釷石中Th 元素常被其它元素替代而形成變種釷石，如鈾釷石、方釷石。能譜定量分析顯示，釷石中ThO2含量為21.36%～58.50%（表1），是主要的釷礦物，也是巖石具釷異常的主要原因。

鈾釷石（（Th，U）［SiO4］）在研究區(qū)中較少見。該礦物是因?yàn)槟撤N原因?qū)е骡Q石中U 含量增高，鈾、釷發(fā)生類質(zhì)同象置換，致使U替代Th，形成鈾釷石（圖4a）。鈾釷石多呈細(xì)小顆粒產(chǎn)出（粒徑1 μm 左右），其中ThO2含量為25.33%，UO2含量為2.97%（表1）。

方釷石（ThO2）在研究區(qū)也較少見。該類礦物屬典型的高溫內(nèi)生礦物，主要產(chǎn)于堿性巖、花崗偉晶巖及其有關(guān)的接觸交代矽卡巖中，也見于花崗巖及碳酸巖中［7］。鏡下主要為黑色、褐色-深褐色，晶體呈立方體形，顆粒細(xì)小，一般呈圓粒狀產(chǎn)出（圖4b），其ThO2含量為28.44%（表1）。

4.2 類質(zhì)同象形式存在于副礦物中

獨(dú)居石是稀土礦物的一種，也是重要的含釷礦物。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)少量的Th 存在于獨(dú)居石中（圖4c、d、e）。其中ThO2含量為0.03%～4.29%（表1），La2O3含量為18.61%～32.00%，CeO2含量為35.69%～63.58%。從圖4e、g 中可見獨(dú)居石稀土礦物多分布于礦物與礦物之間的晶間縫和裂隙中，呈脈狀產(chǎn)出，從測(cè)試結(jié)果中可知獨(dú)居石中ThO2含量相對(duì)較低，一般小于5%。同樣磷灰石（圖4a、c、d、f、g）的分析結(jié)果顯示Th 含量均普遍較低，磷灰石ThO2含量一般小于0.05%。

表1 掃描電鏡測(cè)試結(jié)果/%Table 1 Results of scanning electron microscope tests

圖4 釷石及其共生礦物電子探針背散射圖像Fig.4 Electronic probe backscattering image of thorite and its associated minerals

4.3 吸附形式存在于赤鐵礦中

赤鐵礦（圖4a、b、f、g、h）形成于赤鐵礦化作用，釷以吸附形式存在于赤鐵礦表面，其分析結(jié)果顯示ThO2含量小于4.10%，含量較低，非研究區(qū)主要釷賦存形式。

5 富釷花崗巖地球化學(xué)特征

5.1 主量元素特征

主量元素分析結(jié)果（表2）所示，花崗巖的 SiO2含量為73.20 %～76.09 %（平均74.68%）；K2O 含量為2.66%～7.12%（平均5.72%）；Na2O＋K2O 含量為6.66%～9.79%（平均8.67%）；K2O/Na2O 值為0.67～3.58（平均2.09），屬鉀玄巖系列（圖5a）。Al2O3含量為12.60%～14.57%（平均13.66%），鋁飽和指數(shù)A/CNK 介于0.95～1.20 之間（平均1.10），為弱過鋁質(zhì)花崗巖類（圖5b）。整體上兩個(gè)富釷花崗巖其主量元素特征區(qū)別不大，其Al2O3、TiO2、Fe2O3、MgO、CaO、P2O5含量隨釷含量增高而增高的變化趨勢(shì)均較不明顯。

表2 主量元素分析結(jié)果Table 2 Analysis results of major elements

圖5 花崗巖的SiO2-K2O 圖解（a）和A/CNK-A/NK 圖解（b）Fig.5 Diagram of SiO2-K2O（a）and A/CNK-A/NK（b）of granite

5.2 稀土和微量元素特征

根據(jù)稀土和微量元素分析結(jié)果（表3）及其配分曲線和蛛網(wǎng)圖解來看（圖6），二長花崗巖和片麻狀黑云母花崗巖的稀土元素和微量元素特征大致相同，LREE 含量明顯高于HREE，LaN/YbN值為31.62～165.17，為明顯陡傾的LREE 富集配分模式（圖6a），花崗巖具有弱負(fù)銪異常（δEu＝0.38～1.86）；在微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖（圖6b）中，大離子親石元素K、Rb、Ba、Sr 等均明顯高于標(biāo)準(zhǔn)化值，而高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、P、Ti 明顯虧損，Th 明顯富集。兩者唯一區(qū)別較大的是二長花崗巖的Ta 虧損較為明顯。

表3 微量元素和稀土元素分析結(jié)果Table 3 Analytical results of trace elements and Rare earth elements

圖6 稀土元素配分曲線（a）和微量元素蛛網(wǎng)圖（b）（球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough；原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough，1989）Fig.6 Condrite normalized REE patterns and spider diagram of trace elements

5.3 討論

研究區(qū)樣品表現(xiàn)出富硅（73.20%～76.09%）、富鉀（2.66%～7.12%）特征，其Na2O＋K2O 含量為6.66%～9.79%，F(xiàn)eOT/MgO值為2.03～9.10，可知其經(jīng)歷高度結(jié)晶分異；CIPW 礦物計(jì)算結(jié)果顯示分異指數(shù)（DI）值為83.17～95.75（平均92.55），據(jù)此也印證了高分異過程。實(shí)驗(yàn)表明，磷灰石在準(zhǔn)鋁質(zhì)到弱過鋁質(zhì)巖漿中溶解度很低，且?guī)r漿分異過程中隨SiO2的增加而降低；而在強(qiáng)過鋁質(zhì)巖漿中，磷灰石溶解度變化趨勢(shì)與此相反［8］。磷灰石的這種特性已成功應(yīng)用于I 型和S 型花崗巖的辨別［9-12］。研究區(qū)花崗巖A/CNK 介于0.95～1.20（平均1.10），為弱過鋁質(zhì)，其與P2O5（0.01%～0.09%，平均0.05%）之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與I 型花崗巖變化趨勢(shì)相同；由于富Y 礦物在弱鋁質(zhì)I 型巖漿演化早期階段會(huì)發(fā)生結(jié)晶，導(dǎo)致在高分異I 型花崗巖中含量變低，進(jìn)而與Rb 含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［12］，研究區(qū)花崗巖Rb 含量為43.40×10-6～175.00×10-6（平均114.67×10-6），Y 含量為1.80×10-6～7.11×10-6（平均4.34×10-6），兩者的負(fù)相關(guān)關(guān)系指示花崗巖為I 型。同樣TiO2的虧損也可指示其為I 型花崗巖特征［9］。圖7 所示花崗巖類成因判別圖解均指示研究區(qū)花崗巖為I型，這與上述結(jié)果一致。由此可知，研究花崗巖可能為高分異I 型花崗巖。

圖7 花崗巖類型判別圖解（底圖據(jù)Whalen et al.，1987）Fig.7 Discrimination diagram for granite type

微量元素Sr 值為（165.00～754.00）×10-6（平均為337.20×10-6），Yb 值為（0.15～0.91）×10-6（平均值為0.47×10-6），Sr/Yb 值為376.80～1 947.37（平均為915.02），大多數(shù)為低Sr 低Yb 類型，個(gè)別點(diǎn)為高Sr 低Yb 類型花崗巖（圖8）。據(jù)張旗等（2006）研究表明低Sr 低Yb 特征可能形成于中等壓力下，實(shí)驗(yàn)表明其極限深度可能接近50 km，進(jìn)而推測(cè)低Sr 低Yb 特征花崗巖可能來源于加厚地殼深部［13-14］。

圖8 鉀質(zhì)花崗巖類型與壓力關(guān)系（底圖據(jù)張旗等，2006）Fig.8 The relationship between potassium granite types and pressures

根據(jù)郝增元等（2016）和葛家昆（2017）對(duì)新忽熱地區(qū)的花崗巖侵入體時(shí)代的研究，可知其主要形成于二疊紀(jì)［5，15］。研究區(qū)經(jīng)歷了華北克拉通復(fù)雜的構(gòu)造活動(dòng)和古亞洲洋對(duì)其多次的俯沖碰撞作用。據(jù)李錦軼等（2006）認(rèn)為古亞洲閉合于中石炭世或晚石炭世［16］；李文淵等（2018）研究認(rèn)為古亞洲洋在志留紀(jì)開始閉合，泥盆紀(jì)基本閉合完成［17］；朱俊賓等（2017）和張晉瑞等（2018）認(rèn)為石炭紀(jì)之前，內(nèi)蒙古中部古亞洲洋已經(jīng)閉合，隨后進(jìn)入后碰撞階段［18-19］；石文杰等（2019）在興蒙造山帶南段研究發(fā)現(xiàn)古亞洲洋在312 Ma年，即石炭紀(jì)已閉合［20］。據(jù)此可知研究區(qū)于二疊紀(jì)時(shí)期研究區(qū)已經(jīng)進(jìn)入后碰撞階段；這與圖9 根據(jù)Maniar et al.（1989）的花崗巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解所反映的研究區(qū)花崗巖落于后造山環(huán)境一致。根據(jù)Pitcher（1987）認(rèn)為造山期后的隆起階段就相當(dāng)于后碰撞階段，其主要以高鉀鈣堿性I 型花崗巖類為主［21］和韓寶福（2007）認(rèn)為多數(shù)造山帶的后碰撞花崗巖類以中-高鈣堿性I 型花崗巖為主，同樣存在更高鉀含量的鉀玄巖系列花崗巖［22］以及張成立等（2008）認(rèn)為后碰撞階段殼幔作用增強(qiáng)，發(fā)生強(qiáng)烈幔源、殼源巖漿活動(dòng)，致該時(shí)期形成大量混合成因花崗巖體。因后碰撞花崗巖類其源區(qū)主要受控于早期洋殼-陸殼俯沖階段形成的地殼物質(zhì)，指示花崗巖在地球化學(xué)特征上往往表現(xiàn)出似島弧花崗巖的大離子親石元素和LREE 元素富集，高場(chǎng)強(qiáng)元素和Nb、Ta、P、Ti 等虧損的特點(diǎn)［23］。上述所有特征均可指示研究區(qū)的高分異（鉀玄巖系列）I型花崗巖，由此可推測(cè)研究區(qū)花崗巖產(chǎn)于后碰撞構(gòu)造背景。

圖9 花崗巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解（底圖據(jù)Maniar et al.，1989）Fig.9 The tectonic discrimination diagrams for granite

綜上所述，后碰撞階段的地殼增厚使下地殼物質(zhì)部分熔融（與前文所述低Sr 低Yb反映花崗巖可能來源于中等壓力下，地殼加厚部位相佐證），伸展應(yīng)力背景下地殼發(fā)生拆沉，幔源物質(zhì)底侵，進(jìn)而形成殼?；旌铣梢虻母叻之怚 型花崗巖。

6 結(jié)論

1）新忽熱地區(qū)釷元素主要存在3 種賦存形式：以獨(dú)立釷礦物存在（如釷石、方釷石、鈾釷石等）；以類質(zhì)同像形式存在于副礦物中，如磷灰石和稀土礦物（主要為獨(dú)居石）中；少量以吸附形式存在于赤鐵礦表面。

2）新忽熱地區(qū)富釷花崗巖高硅、高鉀，低磷，鋁飽和指數(shù)為0.95～1.20，輕重稀土分餾明顯，輕稀土富集、重稀土虧損，Th 正異常顯著，Nb、Ta、Sr、P、Ti 呈明顯負(fù)異常，Eu 呈弱負(fù)異常，屬鉀玄巖系列、弱過鋁質(zhì)高分異I 型花崗巖。

3）新忽熱地區(qū)富釷花崗巖體形成于后造山的伸展環(huán)境，其成因可能是在深部地殼（＞50 km）加厚部位，幔源物質(zhì)底侵于地殼熔融部分進(jìn)而混合，并經(jīng)高度結(jié)晶分異過程而形成。