桂北苗兒山中段向陽坪鈾礦床熱液脈體地球化學(xué)特征及指示意義

陳 琪，高 翔，譚 雙，黃 劍

(核工業(yè)二三〇研究所, 湖南 長沙 410007)

苗兒山中段是中國南方重要的花崗巖型鈾礦富集區(qū)，同時是南方硬巖型鈾礦找礦重點工作地區(qū)，向陽坪鈾礦床為近年來在苗兒山中段新落實的中型礦床，新一輪擴大勘查取得突破性進展，在F7號帶深部新發(fā)現(xiàn)大礦體(李嫵巍等， 2011； 吳昆明等， 2016)。近年來關(guān)于該區(qū)賦礦巖體和礦床的年代學(xué)及地球化學(xué)(徐偉昌等， 1994； 李文杰等， 2006； 謝曉華等， 2008； 石少華等， 2010； 李嫵巍等， 2010a； 柏道遠等， 2014； 張濤等， 2020)、構(gòu)造與成礦(黃宏業(yè)等， 2008； 李嫵巍等， 2010b， 2011； 石少華等， 2011a， 2011b； 劉鑫揚等， 2011； 陳琪等， 2013； 吳昆明等， 2016)等方面進行了大量的研究，肯定了構(gòu)造運動及熱液活動等對鈾成礦所起的決定性作用。硅質(zhì)脈和方解石作為向陽坪鈾礦床主要的脈石礦物，也是與成礦關(guān)系最為密切的脈石礦物，其內(nèi)保留了重要的成礦信息有待挖掘。前人多年的研究成果表明，對方解石、石英等礦物的稀土元素及穩(wěn)定同位素地球化學(xué)的研究，對于探討鈾成礦物質(zhì)來源以及成礦流體示蹤具有重要作用(商朋強等， 2006； 楊曉勇等， 2007； 張國玉等， 2007； 沈渭洲等， 2010； 石少華等， 2011c； 邵飛等， 2012； 陳友良等， 2012； 趙聰?shù)龋?2012； 嚴冰等， 2013； 陳云杰等， 2014； 姜濤等， 2018)。本文針對向陽坪鈾礦床各期次、各類型的硅質(zhì)脈和方解石稀土元素和碳氧同位素地球化學(xué)開展了系統(tǒng)研究，以期獲取成礦物質(zhì)來源、遷移、沉淀機制及成礦流體的演化信息。

1 地質(zhì)背景

向陽坪鈾礦床位于苗兒山花崗巖穹窿中段的豆乍山巖體西南角，大地構(gòu)造位置處于華南加里東陸塊江南地塊南緣。礦區(qū)主要出露香草坪巖體和豆乍山巖體，巖性分別為中粗粒似斑狀黑云母花崗巖和中細粒二云母花崗巖，巖體接觸界線明顯，兩個巖體均為富鈾巖體。近年來年代學(xué)研究顯示香草坪花崗巖鋯石SHRIMP U-Pb年齡為211±2 Ma(李嫵巍等， 2010a)，豆乍山花崗巖鋯石SHRIMP U-Pb年齡為228±11 Ma(謝曉華等， 2008； 柏道遠等， 2014)，白云母40Ar-39Ar法年齡為206±1 Ma(李嫵巍等，2010a)。

區(qū)域構(gòu)造以NNE向斷裂為主，在苗兒山中段豆乍山巖體周邊形成F1～F13等一系列的NNE向次級斷裂帶，控制了該區(qū)域花崗巖型鈾礦床的產(chǎn)出(如向陽坪、沙子江、雙滑江、白毛沖、孟公界等礦床， 圖1)，其中F7、F8、F9、F10斷裂帶為向陽坪鈾礦床的主要控(含)礦斷裂。鈾礦化與硅化、方解石化、赤鐵礦化及黃鐵礦化密切相關(guān)，礦石類型主要有構(gòu)造角礫巖、碎裂蝕變巖及硅質(zhì)脈3種。近年勘查工作在F7斷裂帶深部取得突破性找礦成果，在主要成礦次級斷裂F710深部發(fā)現(xiàn)大礦體，沿走向和傾向具較好的連續(xù)性，鈾礦化與斷裂中心發(fā)育的構(gòu)造角礫巖脈密切相關(guān)，礦體主要賦存在構(gòu)造角礫巖脈中及兩側(cè)碎裂巖中，具膨大收縮、分支復(fù)合的特征。

圖1 苗兒山中段鈾成礦區(qū)地質(zhì)簡圖Fig. 1 Geological sketch map of the middle part of the Miao’er Mountain uranium orefield

2 樣品采集和分析方法

硅質(zhì)脈和方解石脈是向陽坪鈾礦床常見的脈石礦物，與鈾礦化關(guān)系密切，具有多期性。本次采取的硅質(zhì)脈和方解石樣品均來自近年施工的鉆孔巖心，根據(jù)與鈾礦化關(guān)系和形成期次主要分為以下4種類型。

(1) 含礦硅質(zhì)脈、硅質(zhì)角礫：為成礦期熱液作用的產(chǎn)物，早期主要呈紅褐色、雜色玉髓脈或微晶石英脈產(chǎn)出，常與瀝青鈾礦脈、黃鐵礦脈共生(圖2a)，晚期呈硅質(zhì)角礫、膠結(jié)物與方解石組成角礫巖，常見次生鈾礦，局部見少量瀝青鈾礦(圖2b)。

(2) 無礦的硅質(zhì)脈、硅質(zhì)角礫：為礦前期或礦化后期熱液作用的產(chǎn)物，呈白色、煙灰色、紅褐色玉髓脈或石英脈(圖2d)。

(3) 含礦方解石：為成礦期熱液作用的產(chǎn)物，早期主要呈方解石脈產(chǎn)出，常與瀝青鈾礦脈、硅質(zhì)脈共生(圖2a)，晚期呈網(wǎng)脈、膠結(jié)物與硅質(zhì)角礫膠結(jié)(圖2b、圖2c)，常見次生鈾礦，局部見少量瀝青鈾礦。

(4) 無礦方解石：主要為成礦晚階段和礦后期熱液作用的產(chǎn)物，成礦晚階段主要形成白色方解石膠結(jié)物(圖2e)，礦后期主要呈白色、淺肉紅色方解石脈體(圖2f)。

圖2 向陽坪鈾礦床硅質(zhì)脈和方解石樣品特征Fig.2 Sample characteristics of siliceous veins and calcite in the Xiangyangping uranium deposit

分析測試過程中，將野外采集的不同類型的典型鉆孔巖心進行碎樣，然后挑選本次研究的目標單礦物純凈的方解石和石英，再將挑選出的單礦物放在瑪瑙研缽中反復(fù)研磨至200目粉末。稀土元素測試在核工業(yè)二三〇研究所分析測試中心完成，使用Finnigan-MAT Elment型高精度電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)，檢測限優(yōu)于0.5×10-9，相對標準偏差小于5%。方解石的碳、氧同位素測試工作在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成，采用DZ/T 0184.17-1997碳酸鹽礦物或巖石中碳、氧同位素組成的磷酸法，將反應(yīng)釋放出來的CO2在MAT-253型氣體同位素質(zhì)譜儀上進行碳氧同位素組成測定，測試精度為0.2‰。

3 稀土元素特征及成因

3.1 稀土元素特征

稀土元素分析結(jié)果列于表1，各類型樣品稀土元素組成具如下特征：

表1 向陽坪鈾礦床各類型硅質(zhì)脈和方解石稀土元素分析數(shù)據(jù) wB/10-6Table 1 Analytical data of rare earth elements in various types of siliceous veins and calcite in the Xiangyangping uranium deposit

續(xù)表 1 Continued Table 1

含礦硅質(zhì)脈、硅質(zhì)角礫∑REE為13.99×10-6～90.84×10-6，平均57.30×10-6，負Eu異常明顯，δEu值為0.19～0.26，平均0.22，LREE/HREE值為2.74～5.48，平均3.81，輕重稀土元素之間分異較弱，(La/Yb)N值為1.96～5.14，平均3.35；輕稀土元素分異較弱，(La/Sm)N值為1.01～3.56，平均2.64；重稀土元素分異相對不明顯，(Gd/Yb)N值為0.83～1.12，平均1.08。

無礦的硅質(zhì)脈、硅質(zhì)角礫∑REE為7.43×10-6～69.87×10-6，平均44.15×10-6，負Eu異常明顯，δEu值為0.19～0.30，平均0.22，δCe值平均1.09，LREE/HREE值為2.78～8.49，平均5.01，輕重稀土元素之間有一定程度的分異，(La/Yb)N值為2.58～6.28，平均4.44，輕稀土元素分異相對不明顯，(La/Sm)N值為2.53～3.36，平均2.93，重稀土元素分異相對不明顯，(Gd/Yb)N值為0.87～1.46，平均1.19。

含礦方解石∑REE為9.75×10-6～43.21×10-6，平均23.58×10-6，負Eu異常明顯，δEu值為0.21～0.29，平均0.24，LREE/HREE值為2.75～10.00，平均5.95，輕重稀土元素之間分異非常明顯，(La/Yb)N值為1.23～12.16，平均6.56；輕稀土元素分異較相對顯著，(La/Sm)N值為1.55～8.68，平均5.46；重稀土元素分異相對較弱，(Gd/Yb)N值為0.59～1.14，平均0.97。

無礦方解石∑REE為9.73×10-6～45.98×10-6，平均26.70×10-6，負Eu異常明顯，δEu值為0.19～0.39，平均0.25，LREE/HREE值為1.39～13.49，平均5.81，輕重稀土元素之間分異相對明顯，(La/Yb)N值為0.89～16.18，平均6.37；輕稀土元素分異較相對顯著，(La/Sm)N值為1.17～12.19，平均5.54；重稀土元素分異較弱，(Gd/Yb)N值為0.47～1.30，平均0.94。

3.2 稀土元素成因意義

通過球粒隕石(Boynton, 1984)標準化后，硅質(zhì)脈和方解石樣品均具有大體類似的輕稀土元素富集、負Eu異常明顯的右傾海鷗型稀土元素配分模式(圖3)，總體與花崗巖巖體和角礫巖礦石的稀土元素配分模式一致，反映各類型樣品稀土元素具有繼承性，總體繼承了花崗巖特征。研究表明，礦區(qū)兩個巖體顯示高成熟度地殼的特征，具備為區(qū)內(nèi)鈾礦化提供充足鈾源的能力，其中豆乍山花崗巖經(jīng)歷了更為徹底的巖漿演化過程，鈾源潛力更大(陳琪等， 2013)。礦石、含礦硅質(zhì)脈和角礫、方解石樣品稀土元素配分與豆乍山花崗巖的一致性暗示了鈾源主要為就近的豆乍山花崗巖(圖3a、3b)。

相對于無礦硅質(zhì)脈和硅質(zhì)角礫，含礦的硅質(zhì)脈和硅質(zhì)角礫具有∑REE明顯增加、輕重稀土元素之間分異較弱、HREE增加的特點，顯示略微右傾的海鷗型配分模式(圖3c、3d)，與礦石全巖稀土元素配分模式一致，這一特征在眾多花崗巖型礦床中都有體現(xiàn)(劉成東等， 2010； 石少華等， 2011b； 邵飛等， 2012)。研究認為稀土元素與鈾經(jīng)歷活化、遷移及富集的過程非常相似，此種情況可能是導(dǎo)致鈾礦石和含礦的硅質(zhì)脈、硅質(zhì)角礫∑REE較高的原因(McLennan and Taylor, 1979)。HREE相對增加可能是由于鈾與HREE的離子半徑更為接近，導(dǎo)致類質(zhì)同像置換時HREE較LREE在鈾礦石中具有更大的分配系數(shù)。

含礦的硅質(zhì)脈和硅質(zhì)角礫總體顯示一致的稀土元素配分模式，暗示硅質(zhì)脈和硅質(zhì)角礫可能形成于同一熱液流體，硅質(zhì)角礫的前身就是硅質(zhì)脈，因后期構(gòu)造活動，一部分硅質(zhì)脈破碎形成硅質(zhì)角礫。硅質(zhì)角礫具有弱的負Ce異常(圖3c)，可能是因為角礫巖后期受富氧化性大氣降水流體改造有關(guān)。

含礦方解石與無礦方解石稀土元素組成一致性較高，說明不同期次的熱液流體具有相同的來源，相對于成礦期方解石，成礦晚階段和礦后期方解石∑REE略微增加，HREE明顯增加(圖3e、3f)。后期沉淀的方解石樣品中HREE相對增加，是由于在富CO2的流體中，稀土元素與碳酸絡(luò)離子形成穩(wěn)定絡(luò)合物遷移，且重稀土元素較輕稀土元素更容易遷移。

圖3 向陽坪鈾礦床各類型硅質(zhì)脈和方解石稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖Fig. 3 Chondrite-normalized REE patterns of siliceous veins and calcite in the Xiangyangping uranium deposit

4 碳氧同位素特征及指示意義

4.1 碳同位素特征及來源分析

有關(guān)熱液礦床成礦流體中的碳的來源目前已取得較多的共識，主要有3種可能來源：巖漿或地幔來源(δ13CPDB值為-9‰～-3‰)、沉積碳酸鹽來源(δ13CPDB值為-3‰～3‰)和有機碳來源(δ13CPDB值為-30‰～-20‰)(Ohmoto, 1972)。從方解石樣品碳氧同位素組成分析結(jié)果(表2)可知，向陽坪礦床方解石δ13CPDB值處于-10.0‰～-7.6‰之間，均值為-8.5‰，不同期次的流體均明顯表現(xiàn)為巖漿或地幔來源(圖4)。成礦期方解石具有更低δ13CPDB值，處于-10‰～-8.7‰之間，均值為-9.3‰，與鄰區(qū)沙子江礦床成礦期方解石δ13CPDB值(-9‰～-5‰)較一致(石少華等， 2011c)，指示成礦流體以巖漿或地幔來源為主導(dǎo)，可能混有少量的有機碳來源，這是由于地層有機碳在花崗巖漿重熔改造和侵位過程中以沉積變質(zhì)巖的捕擄體為載體進入巖體，成礦流體可能混染了變質(zhì)巖地層來源的碳。

圖4 向陽坪鈾礦床方解石碳同位素組成統(tǒng)計直方圖Fig. 4 Histogram of carbon isotope composition of calcite in the Xiangyangping uranium deposit

苗兒山中段鈾礦床成礦年齡主要在104～53 Ma(石少華等，2010)，普遍存在較大的礦巖時差(100 Ma以上)，遠超過巖漿活動所能影響的時限，基本可以排除巖漿來源碳的可能，從而確定成礦流體以深部來源為主導(dǎo)，具有地幔來源特征，地幔來源CO2加入成礦流體可能是通過巖石圈伸展致使地幔去氣作用而實現(xiàn)的。

表 2 向陽坪鈾礦床方解石碳同位素分析數(shù)據(jù) ‰Table 2 Carbon isotope analysis data of calcite in the Xiangyangping uranium deposit

4.2 碳氧同位素指示意義

根據(jù)方解石樣品δ13C-δ18O相關(guān)性圖解(圖5)，

圖5 向陽坪鈾礦床方解石δ13CPDB-δ18OSMOW圖解[底圖據(jù)劉家軍等(2004)修改]Fig. 5 The δ13CPDB-δ18OSMOW diagram of calcite in the Xiangyangping uranium deposit (base diagram modified from Liu Jiajun et al., 2004)

方解石樣品δ13C值和δ18O值顯示弱的負相關(guān)性，成礦期方解石具有明顯低的δ13CPDB值(10‰～-8.7‰)和高的δ18OSMOW值(14.8‰～18.1‰)，暗示具地幔來源的成礦流體在沿斷裂構(gòu)造上升過程中，在物理化學(xué)條件變異的部位，發(fā)生了減壓沸騰作用，CO2逸出，碳酸鈾酰絡(luò)離子解體，發(fā)生鈾和方解石的沉淀。因為流體中CO2相對富集13C，成礦流體發(fā)生去氣(CO2)作用后導(dǎo)致沉淀的方解石更為虧損13C。

從早期成礦→晚期成礦→晚期成礦晚階段→成礦后期，方解石δ13C值呈升高趨勢，而δ18O值呈降低趨勢，早期成礦的方解石脈δ13C值和δ18O值比較穩(wěn)定，晚期成礦的方解石膠結(jié)物δ18O值相對離散，特別是成礦晚階段的方解石膠結(jié)物及礦后期方解石脈δ18O值普遍較低，且變化較大(12.2‰～16.7‰)，這說明成礦晚階段→成礦后期，熱液流體與沿斷裂下滲的地表大氣降水流體進行了不同程度混合，從而導(dǎo)致沉淀的方解石具有相對離散的低δ18O值，同時，由于大氣降水流體富含有沉積碳酸鹽來源，δ13C值也一定程度增大。因大氣降水流體的參與，對已形成的鈾礦化具有淋濾改造作用，這與前述角礫巖礦石中硅質(zhì)角礫出現(xiàn)弱的負Ce異常解釋吻合。

5 討論

礦巖時差大是幾乎大部分花崗巖型鈾礦床普遍存在的一個特點，有關(guān)花崗巖的成因研究基本也在圍繞解釋這一特征的基礎(chǔ)上開展，目前主要有熱水浸出說、深源礦化劑說、堿性地幔汁成礦說等，近年來，有關(guān)礦化劑∑CO2在熱液鈾成礦中的作用近來已經(jīng)成為眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(張彥春， 2002； 鄧平等， 2003； 姜耀輝等， 2004； 巫建華等， 2005； 王正其等， 2007； 杜樂天等， 2009； 方適宜等， 2009)。

本次研究表明，向陽坪鈾礦床礦石和成礦期的方解石和硅質(zhì)脈與富有花崗巖體的稀土元素配分模式均顯示明顯繼承性，暗示成礦物質(zhì)來源于產(chǎn)鈾巖體；方解石的碳氧同位素特征暗示成礦流體以深部來源為主導(dǎo)，具有明顯地幔來源特征；從成礦期-礦化期的方解石δ13C值升高、δ18O值降低趨勢特點和硅質(zhì)角礫出現(xiàn)弱的負Ce異常均表明，鈾成礦在后期明顯受大氣降水流體作用影響。根據(jù)近年來在苗兒山中段鈾礦的勘查和研究，結(jié)合本文分析數(shù)據(jù)及前人理論成果，筆者建立了苗兒山中段鈾礦成礦模式(圖6)。

圖6 苗兒山中段花崗巖型鈾礦床成礦模式圖Fig. 6 Metallogenic model of granite-type uranium deposit in the middle segment of Miao’er Mountain

印支晚期-燕山早期構(gòu)造研究活動形成了苗兒山中段的產(chǎn)鈾巖體(香草坪巖體和豆乍山巖體)，中生代晚期地殼拉張溝通了地殼與地幔，大量富含礦化劑∑CO2和氧化劑的地幔流體與深部流體混合，多期次的構(gòu)造-熱液活動使巖體發(fā)生自變質(zhì)、熱液蝕變作用，增加了鈾源體中鈾的活性，深部流體在上升過程中，萃取富鈾花崗巖體中鈾形成富硅、富CO2含礦熱液，鈾主要以碳酸鈾酰絡(luò)合物形式運移，成礦熱液沿斷裂上升。一方面，在相對還原的環(huán)境下，伴隨CO2去氣作用，絡(luò)合物分解，鈾在次級剪切斷裂、裂隙、節(jié)理中沉淀下來，富集成礦，在保存條件較好的情況下，以硅質(zhì)脈-方解石脈-黃鐵礦-瀝青鈾礦脈組合形成沙子江、向陽坪F10號帶、孟公界、白毛沖礦床。另一方面，成礦熱液沿斷裂持續(xù)上升，在淺部與以大氣降水為主的低溫流體混合，CO2逸出，鈾主要以氫氧鈾酰絡(luò)合物運移，在高氧逸度體系中，隨灰沸石的沉淀，鈾先后以硅鈣鈾礦、鈣鈾云母沉淀下來，形成以雙滑江礦床為代表的方解石-石英-灰沸石-硅鈣鈾礦、鈣鈾云母組合(McLennan and Taylor, 1979； Fryer and Taylor, 1987； Fayek and Kyser, 1997)。

后期隨劇烈的構(gòu)造活動，早期形成的硅質(zhì)脈經(jīng)構(gòu)造破碎形成大小不等的硅質(zhì)角礫，在斷裂伸展擴容帶拉張膨大部位，富CO2含礦熱液由于減壓沸騰，產(chǎn)生強烈的CO2去氣作用，絡(luò)合物分解導(dǎo)致鈾和方解石的疊加沉淀，以膠結(jié)物或網(wǎng)脈的形式與硅質(zhì)角礫膠結(jié)形成構(gòu)造角礫巖礦石。由于構(gòu)造角礫具良好的連通性，在成礦晚階段-礦后期，富氧化性的大氣降水流體下滲，對已形成的鈾礦體進行淋濾改造，大部分鈾就地氧化，一部分鈾隨流體遷移在斷裂底部碎裂巖地段再次富集，經(jīng)過改造，大部分礦石品位降低，但厚度增大，形成以向陽坪F7號帶為代表的厚大礦體，礦物組合類型為方解石脈-硅質(zhì)角礫-赤鐵礦-硅鈣鈾礦、瀝青鈾礦(少量)。

6 結(jié)論

(1) 苗兒山中段向陽坪鈾礦床硅質(zhì)脈、方解石樣品與角礫巖礦石具有總體類似的稀土元素配分模式，均為輕稀土元素富集、負Eu異常明顯的右傾海鷗型稀土元素配分模式，總體繼承了豆乍山花崗巖特征，暗示了鈾源主要來自賦礦圍巖，硅質(zhì)脈和和硅質(zhì)角礫在鈾礦化過程伴隨∑REE富集和HREE增加。

(2) 方解石碳氧同位素組成表明成礦流體以地幔來源為主導(dǎo)，成礦期方解石具有明顯低的δ13C值和高的δ18O值，暗示減壓沸騰發(fā)生的CO2去氣作用是導(dǎo)致晚期鈾沉淀的主要因素。從成礦期→礦后期，方解石δ13C值升高，δ18O值呈降低趨勢，同時硅質(zhì)角礫具有弱的負Ce異常，均指示鈾礦化晚期有大氣降水流體參與并且后期受到淋濾改造。

(3) 建立了苗兒山中段鈾礦成礦模式，以賦礦花崗巖為主要的成礦物質(zhì)來源，地幔和深部來源流體形成富CO2和硅質(zhì)的成礦熱液，CO2的去氣作用和氧化還原條件的變化是熱液鈾成礦主要因素，指出了多期成礦疊加和后期大氣降水淋濾改造是形成大礦體的主要模式，確定構(gòu)造角礫巖型鈾礦化是下一步尋找富、大礦體的一個重要找礦方向。