棉花坑鈾礦床綠泥石礦物學特征及其地質(zhì)意義

趙奇峰，陳欣，徐勛勝

（核工業(yè)二七〇研究所，江西 南昌 330200）

棉花坑鈾礦床位于諸廣山巖體南部的長江礦田內(nèi)，具有規(guī)模大、埋藏深、礦化垂幅大、品位高的特點，是礦田內(nèi)較大的鈾礦床。綠泥石化作為礦床重要的圍巖蝕變，與鈾成礦關系十分密切。在中低溫和還原環(huán)境形成的礦床中，綠泥石廣泛發(fā)育且穩(wěn)定存在，由于其結(jié)構上有很大的可變性，在成分上又具非計量性，是地質(zhì)過程中的重要產(chǎn)物，其成分特征在流體特性、水巖作用環(huán)境、成礦過程中的物理化學條件等方面有重要的指示意義［1-3］。因此，很多學者非常重視綠泥石的成分與溫度之間的相關性。

棉花坑鈾礦床研究程度較高，前人從礦床學、地球化學、同位素地質(zhì)年代學、巖石學對礦床進行過報道［4-12］，但對蝕變礦物綠泥石的礦物學特征報道相對較少。礦床中綠泥石形成于鈾成礦的各個階段，與鈾礦化關系極其密切。本文采用偏光顯微鏡、電子探針微區(qū)分析相結(jié)合的方法，對棉花坑床中不同類型的綠泥石開展詳細的礦物學研究，進而探討了綠泥石的形成環(huán)境及其與鈾成礦的關系。

1 地質(zhì)背景

棉花坑礦床處于北東向棉花坑斷裂和北西向油洞斷裂的夾持部位（圖1）。鈾礦化嚴格受斷裂控制，鈾礦體主要賦存在近南北向展布的構造蝕變帶中。礦床出露圍巖為印支期中粒-中細粒小斑狀二云母花崗巖和燕山期中粒黑云母花崗巖以及燕山晚期花崗巖，晚期有中基性巖脈、細晶巖脈侵入。礦體主要呈似脈狀、扁豆狀或透鏡狀。礦石物質(zhì)成分簡單，鈾主要以鈾礦物形式存在，少量呈吸附狀，瀝青鈾礦是礦石中最主要的礦石礦物，由于表生氧化作用，部分礦石發(fā)育有鈣鈾云母、硅鈣鈾礦等次生鈾礦物。黃鐵礦、方鉛礦是主要的金屬礦石，脈石礦物主要有微晶石英、方解石。礦床是早、晚兩期構造-熱液活動成礦，早期為絹英巖化礦化但被晚期硅化帶型構造-熱液活動疊加、改造和掩蓋。蝕變由礦體中心向外出現(xiàn)規(guī)律性變化，近礦蝕變主要為硅化、赤鐵礦化、螢石化、綠泥石化，向外圍巖蝕變以方解石化、絹英巖化、高嶺石化為主。

圖1 棉花坑鈾礦床地質(zhì)略圖（據(jù)黃國龍等，2010［8］）Fig.1 Geological sketch of Mianhuakeng uranium deposi（tafter Huang Guolong et al.，2010［8］）

2 樣品采集及分析

綠泥石化作為棉花坑鈾礦床重要的找礦標志，研究其礦物學特征并探討與鈾成礦的關系，有助于深化對礦床成因的認識。因此，筆者采集了棉花坑鈾礦床地表圍巖及深部不同中段樣品。采樣的原則是由淺至深間隔的采集典型的礦石樣品，將所采集的樣品磨成探針片，通過鏡下觀察礦物的共生組合關系篩選出典型的樣品進行電子探針分析。綠泥石的成分測試是在核資源與環(huán)境國家重點實驗室電子探針室完成，儀器型號為JXA-8100 型，配備有牛津Inca Energy 型能譜儀，測試條件：加速電壓為15 kV，探針束流為20 nA，電子束斑為1～2 μm。

2.1 綠泥石特征

巖相學觀察表明，棉花坑礦床中綠泥石主要呈刀片狀、鱗片狀、片狀集合體、蠕蟲狀和放射狀等形態(tài)產(chǎn)出。按照產(chǎn)出的形態(tài)分為黑云母蝕變型、長石蝕變型、裂隙充填型及與浸染型等4 類。黑云母蝕變形成的綠泥石常部分或者全部交代黑云母呈葉片狀且保留黑云母晶形假象（圖2a）。長石蝕變形成的綠泥石常呈蠕蟲狀、星點狀分布在長石的顆粒中，其顆粒比較細小且破碎（圖2b）。裂隙充填型綠泥石主要沿石英、長石等造巖礦物的解理、裂隙、空隙充填，綠泥石顆粒較小，局部為團塊狀（圖2c、d），可能是由于綠泥石在成礦流體作用下沉淀形成。浸染型的綠泥石通常與鈾礦物共生（圖2e、f）。

2.2 綠泥石化學成分特征

圖2 棉花坑鈾礦床綠泥石的顯微特征Fig.2 Microscopic features of chlorite from Mianhuakeng uranium deposit

表1 為綠泥石電子探針分析的化學成分，表2 綠泥石特征值是采用28 個氧原子為標準的結(jié)構式計算。由于綠泥石的結(jié)構相對較為復雜，且顆粒較小。因此，在開展電子探針元素定量分析時可能會出現(xiàn)偏差。為此，F(xiàn)oster（1962）提出了利用綠泥石的Na2O＋K2O＋CaO含量來判別綠泥石的是否存在混染，即（Na2O＋K2O＋CaO）＞0.5%則被認為綠泥石的探針分析數(shù)據(jù)存在混染［13］，應予以剔除?；诖?，在利用測試數(shù)據(jù)進行投判別綠泥石類型圖解時，需剔除不符合要求的測點。

不同類型綠泥石電子探針化學成分特點：SiO2含量為22.86%～40.08%，均值為27.43%，Al2O3含量為16.61%～23.62%，均值為19.76%，F(xiàn)eO 含量為14.62%～38.66%，均值為32.02%，MgO 含量為1.13%～16.18%，均值為6.32%。整體看來，Si、Fe、Mg 含量的變化范圍較大，Si含量的高低指示了原巖的酸性程度不同，F(xiàn)e 與Mg 含量呈現(xiàn)出此消彼長的現(xiàn)象，暗示其在流體作用過程中Fe 與Mg 在綠泥石內(nèi)部結(jié)構發(fā)生置換。而K、Na、Ca 含量變化反映了巖石蝕變的程度。黑云母和長石蝕變型及裂隙充填型綠泥石呈現(xiàn)富Fe、貧Si、Mg 的特征，而浸染型綠泥石呈現(xiàn)富Si、Mg，相對貧Fe 的特征。這種成分差別，反映了不同類型的綠泥石可能形成的物理化學環(huán)境存在較大差異，也可能受到原巖性質(zhì)差異的影響。

2.3 綠泥石類型

采用Foster 在1962 年提出的Fe-Si 分類圖解進行綠泥石的分類和命名，對棉花坑鈾礦床花崗巖中的綠泥石進行投圖（圖3），可看出該礦床綠泥石的種類多樣，但主要為鐵鎂綠泥石、蠕綠泥石及鐵斜綠泥石。此外，不同成因產(chǎn)生的綠泥石成分上也呈現(xiàn)出一定的差異，由黑云母蝕變形成的綠泥石主要為蠕綠泥石、鐵鎂綠泥石，由長石蝕變形成的綠泥石主要為鐵鎂綠泥石、蠕綠泥石，裂隙充填型的綠泥石主要為鐵鎂綠泥石、蠕綠泥石，浸染型的綠泥石為鐵鎂綠泥石、鐵斜綠泥石。Inoue 在研究熱液鈾礦床熱液蝕變認為，當?shù)V床的環(huán)境處于低氧逸度、低pH 值條件下，有利于形成富鎂綠泥石，而當?shù)V床轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原環(huán)境有利于形成富鐵綠泥石［14］。上述表明該礦床大多數(shù)為富鐵綠泥石，指示了該礦床形成于還原環(huán)境，說明了還原的環(huán)境下有利于鈾成礦，這與郭國林等（2012）研究較為一致［11］。

表1 302 鈾礦床中綠泥石的電子探針化學成分/%Table 1 Result of EPMA analyses of chlorite from Mianhuakeng uranium deposit

2.4 綠泥石原巖類型判別

Laird（1998）［15］通過數(shù)據(jù)整合，首次提出了Mg/（Fe＋Mg）-Al/（Al＋Mg＋Fe）關系判別圖，且已經(jīng)被大部分學者用來對綠泥石和其母巖之間的關系進行判別。通常認為，由泥質(zhì)蝕變形成的綠泥石Al/（Al＋Mg＋Fe）的值都大于0.35，而由鐵鎂質(zhì)巖石轉(zhuǎn)化的綠泥石Al/（Al＋Mg＋Fe）的值明顯小于0.35［15］。由表2 可知，棉花坑鈾礦床綠泥石的Al/（Al＋Mg＋Fe）值介于0.33～0.53 之間，均值為0.39，其中絕大部分的比值大于0.35，有4 個測點等于0.35，M-15-5、M-16-2-a 兩個測點低于0.35。在綠泥石Mg/（Fe＋Mg）-Al/（Al＋Mg＋Fe）關系圖解中，呈現(xiàn)出明顯的正相關性（圖4），反映出不同成因及構造環(huán)境下，大多數(shù)的綠泥石主要來源于泥質(zhì)巖，極少綠泥石來源于鐵鎂質(zhì)巖，可能是在礦床主成礦期，與伴隨有中基性脈巖侵入有關。

2.5 綠泥石主要陽離子間的相關性

圖3 棉花坑鈾礦床綠泥石的分類圖解（據(jù)Deer 等，1962）Fig.3 Classification of chlorite in Mianhuakeng uranium deposit（after Deer et al.，1962）

通常認為，綠泥石四面體位置上的替換關系通常用綠泥石的AlIV、AlVI的關系圖來表示（圖4），Xie 等（1997）研究發(fā)現(xiàn)，在四面體的位置上鈣鎂閃石與綠泥石被其它離子替換時，AlIV與AlVI之間 的比值將接近1：1［16］。該礦床綠泥石的AlIV值介于0.62～2.73，AlVI值介于2.38～4.78。由圖可知，AlIV與AlVI呈現(xiàn)出較好的負相關性，表明八面體上AlVI對Fe、Mg 替換遠高于AlIV對Si 的替換比例，但它們并不是1：1的線性關系，暗示鈣鎂閃石型替換關系不在棉花坑礦床的綠泥石四面體位置上。礦床中4 類綠泥石的AlVI值都大于AlIV，表明綠泥石中的Fe3+含量較少，可能是由于AlVI在八面體上對鐵或鎂置換所造成的。由圖4 可知，AlIV與Mg/（Fe＋Mg）呈現(xiàn)較好的負相關性，AlIV與Fe/（Fe＋Mg）也有良好的正相關性，表明四面體上AlIV對硅的置換時，鐵對鎂在八面體位置上也同時進行了置換，使得綠泥石中Fe 的含量在增加，而Mg 的含量在降低，由于Fe 在對Mg 置換的過程中，會導致綠泥石結(jié)構的發(fā)生變化，反而更加的促使AlIV對Si 的置換［16］。

Xie 等（1997）在研究Barberton 綠巖帶中綠泥石發(fā)現(xiàn)，如果綠泥石是在一次地質(zhì)作用產(chǎn)出的［16］，其主要陽離子與Mg 會呈現(xiàn)較好的線性關系。從圖5 可看出，Mg-Si 顯示弱的正相關性，Mg-Fe 和Mg-AlIV雖呈現(xiàn)較明顯負相關性，而Mg-AlVI明顯沒有相關性，反映出棉花坑鈾礦床中發(fā)育的綠泥石是在多期次熱液作用過程中產(chǎn)出的。

圖4 棉花坑鈾礦床綠泥石中離子的相關性圖解Fig.4 Correlation diagram of iron of chlorite from Mianhuakeng uranium deposit

圖5 棉花坑鈾礦床綠泥石中主要陽離子與鎂的關系Fig.5 The relation of major cation and magnesium of chlorite from Mianhuakeng uranium deposit

3 地質(zhì)意義

3.1 綠泥石的形成溫度及環(huán)境

熱液型礦床綠泥石較為發(fā)育，且穩(wěn)定存在，結(jié)構上具有很大可變性。以往對綠泥石成分和結(jié)構的變化與其形成的溫度之間的關系做了很多研究［17-23］。Cathelineau 在1985 年研究墨西哥的Los Azufres 和Salton Sea 地熱體系中的綠泥石的成分與溫度之間的相關性時，提出了利用AlIV作為綠泥石的固溶地質(zhì)溫度計，并提出了相關溫度線性方程t=212AlIV＋18［23］。該方程后經(jīng)Cathelineau 和Nieva 在1988 年添加了Salton Sea 地熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)修改后的公式為t＝－61.92＋321.98AlIV。以上兩個公式只考慮了AlIV對形成溫度的影響，并未考慮全巖其他參數(shù)對其形成溫度的影響，于是Kranidiotis 和Maclean 在考慮了AlIV對溫度的影響基礎之上，并考慮了Fe2+、Mg2+與溫度之間存在的關系，提出了的又一公式為t=106［AlIV＋0.35Fe2+/（Mg2+＋Fe2+）］＋18，該公式只適用于Al 含量較多的綠泥石。因此，Jowet 在1991 年在上述基礎上對公式進行了修正：t=319［AlIV＋0.1Fe2+/（Mg2+＋Fe2+）］－69，但此公式必須要符合兩個要求：Fe2+/（Mg2+＋Fe2+）＜0.6；溫度適用范圍為150～325 ℃。于是在1991 年Rauselicolom 等通過研究綠泥石成分與d（001）之間的線性關系，提出了 d（001）=14.539－0.1155AlIV－0.0201Fe2+的計算公式。Battaglia 在1999 年通過運用XRD 數(shù)據(jù)探討綠泥石的地質(zhì)溫度實驗中，發(fā)現(xiàn)了綠泥石形成的溫度與d（001）之間具一定的線性關系，隨提出了d（001）=14.379－0.001t。

綜合上述研究狀況，可以看出Cathelineau 提出的公式只考慮了AlIV對其的影響而未考慮綠泥石其它成分對其的影響，而據(jù)上述所研究的綠泥石又發(fā)現(xiàn)AlIV與鐵、鎂離子都具一定正或負相關性，且Cathelineau 只是根據(jù)Los Azufres 和Salton Sea 兩個地區(qū)的地熱系統(tǒng)推測出溫度與AlIV之間的相關性。因此，該公式可能受到地域性的影響，并不代表其能適用于任何地區(qū)，所以本文研究綠泥石的溫度不宜采用Cathelineau 公式計算。同樣，因為Jowett 公式要求Fe2+/（Mg2++Fe2+）＜0.6，但從表2 可以看出，F(xiàn)e2+/（Mg2++Fe2+）值絕大部分都大于0.6，所以研究綠泥石的形成溫度也不應采用Jowett 公式計算。因此，根據(jù)前人研究狀況及本文綠泥石中各個離子的參數(shù)情況，應該選用Rauselicolom提出的公式來計算綠泥石形成溫度。研究結(jié)果顯示，187～297 ℃是棉花坑鈾礦床的綠泥石形成溫度主要變化范圍。其中黑云母蝕變類型的綠泥石形成溫度介于228～266 ℃之間，均值為256 ℃，長石蝕變類型的綠泥石形成溫度介于197～278 ℃之間，均值為239 ℃，裂隙充填型的綠泥石形成溫度介于187～245 ℃，均值225 ℃，浸染型的綠泥石形成溫度介于187～217 ℃，均值為202 ℃。上述結(jié)果表明，棉花坑鈾礦床的礦前期蝕變形成的綠泥石至礦后期產(chǎn)出的綠泥石的形成溫度呈現(xiàn)出逐漸降低的規(guī)律，而浸染型綠泥石的形成溫度與成礦期流體的溫度接近，反映出礦床是在中低溫的環(huán)境下生成的。

3.2 綠泥石的形成機制

該礦床綠泥石化較為發(fā)育，通過巖相學觀察綠泥石的產(chǎn)出特征，再結(jié)合電子探針定量分析綠泥石的成分之后計算的形成溫度，將其形成機制劃分為溶蝕-沉淀結(jié)晶和溶蝕-遷移-沉淀結(jié)晶兩種機制。在溶蝕-沉淀結(jié)晶機制中，黑云母和長石蝕變形成的綠泥石是這種機制下產(chǎn)出的，主要表現(xiàn)在熱液流體在花崗類巖石作用過程中，交代了黑云母、長石等造巖礦物，在原地形成綠泥石，通常黑云母會保留自己原有的晶型，并保留原礦物的晶型，展現(xiàn)出交代蝕變的特征（圖2a、b）。在溶蝕-遷移-沉淀結(jié)晶機制中，即在相對氧化及酸性富鈾或富鐵、鎂的熱液流體在溶蝕了鐵鎂硅酸鹽礦物后，并萃取圍巖中的Fe、Mg 等元素，遷移到黑云母、長石、石英等造巖裂隙或者晶隙中沉淀結(jié)晶，形成脈狀充填型和浸染型的綠泥石（圖2c、d），這種機制形成的綠泥石多同時伴隨其它的熱液作用，導致成礦作用的發(fā)生。

3.3 綠泥石化與鈾成礦的關系

棉花坑鈾礦床綠泥石化過程與鈾成礦關系主要體現(xiàn)以下兩個方面。

3.3.1 能夠提供鈾成礦所需的沉淀環(huán)境

產(chǎn)鈾花崗巖體在發(fā)生綠泥石化的過程時，促使了巖體中黑云母產(chǎn)生蝕變形成綠泥石，使得巖石的物理化學性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，導致巖石質(zhì)地疏松、孔隙變大、滲透性變好。在氧逸度和pH 值都較低的情況下，使富鈾流體中的六價鈾被還原四價鈾沉淀下來，表明綠泥石產(chǎn)出能夠提供鈾成礦所需的沉淀環(huán)境。

3.3.2 促使鈾的活化、遷移以及沉淀

富鈾巖體中的鈾能否被活化、遷移，是否能夠富集成礦，其關鍵性的決定因素是巖石蝕變的過程中是否能導致花崗巖體中鈾由惰性向活性轉(zhuǎn)變。黑云母蝕變型不但繼承了原巖中分布在黑云母中的含鈾副礦物的裂變徑跡特征，而且通過吸附作用疊加了一部分黑云母綠泥石化過程中釋放出來的鈾［24］。這種蝕變過程導致了產(chǎn)鈾巖體中的鈾賦存狀態(tài)發(fā)生改變，致使巖體中惰性鈾轉(zhuǎn)化成活性鈾。上述研究表明，該礦床廣泛發(fā)育富鐵綠泥石，說明鈾礦的形成環(huán)境為相對酸性的還原環(huán)境。而當這種相對酸性的還原環(huán)境影響了富鈾熱液原有的物理化學平衡時，會導致鈾酰與配位陰離子脫離，并被再次還原、沉淀，形成以四價鈾為主的鈾礦物，在此過程中，鈾載體的平衡遭到破壞，致使富鈾溶液中的鈾沉淀下來［25-26］。

4 結(jié)論

1）棉花坑鈾礦床綠泥石的產(chǎn)出類型有4 種，為黑云母蝕變型、長石蝕變型、裂隙充填型以及浸染型。

2）綠泥石的化學成分分析結(jié)果表明，綠泥石主要以鐵鎂綠泥石、蠕綠泥石、鐵斜綠泥石為主，綠泥石的形成溫度介于187～297 ℃之間，浸染型形成溫度為187～217 ℃之間，指示礦床形成于還原的環(huán)境，屬于中低溫熱液礦床。

3）溶蝕-沉淀結(jié)晶及溶蝕-遷移-沉淀結(jié)晶是綠泥石化的兩種重要機制?；◢弾r在綠泥石化過程中，將巖體中的鈾進一步活化形成活性鈾，促進后期鈾的遷移，并為流體中的鈾沉淀、富集提供了良好的還原性環(huán)境。