苗兒山中段向陽坪鈾礦床礦石特征及鈾的賦存狀態(tài)

譚 雙， 陳 琪， 萬建軍， 高 翔， 吳昆明， 范鵬飛

(1.核工業(yè)二三〇研究所，湖南 長沙 410007；2.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)

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(shí)是南方硬巖型鈾礦找礦重點(diǎn)工作地區(qū)。向陽坪鈾礦床為近年來在苗兒山中段新落實(shí)的中型礦床，研究人員針對(duì)該區(qū)及周邊的構(gòu)造與成礦、成礦年代和礦床地球化學(xué)做了大量的研究工作(黃宏業(yè)等，2009；石少華等，2011a，2011b；陳琪等，2020)。前人研究表明：苗兒山鈾礦田經(jīng)歷了多期次構(gòu)造-巖漿活動(dòng)，巖漿分異程度高，經(jīng)歷了從黑云母花崗巖向二云母花崗巖演化序列，從而形成苗兒山復(fù)式巖體(胡歡等，2012, 2013, 2014；王正慶，2018；譚雙等，2021)；成礦作用主要受構(gòu)造控制，新-資斷裂NNE向區(qū)域性一級(jí)斷裂控制貫穿整個(gè)苗兒山地區(qū)，天金斷裂為二級(jí)斷裂，同時(shí)發(fā)育一系列NE和NNE向以及少量近EW向次級(jí)斷裂，構(gòu)成了區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造格架(李嫵巍等，2011；王正慶，2018)；苗兒山地區(qū)經(jīng)歷了多期次成礦作用(～124 Ma、～104 Ma、～94 Ma、～70 Ma、～60 Ma、～53 Ma、～41 Ma)，各期次的成礦作用構(gòu)成了本區(qū)的成礦時(shí)代格架(石少華等，2010；王正慶，2018；陳佑緯等，2019；李杰等，2021)。近年來的勘查工作在研究區(qū)取得了突破性的成果，在多組斷裂帶新發(fā)現(xiàn)富大礦體，野外鉆孔巖芯編錄過程中發(fā)現(xiàn)礦石類型主要為碎裂花崗巖型和構(gòu)造角礫巖型，鈾礦化主要與綠泥石化、黃鐵礦化、赤鐵礦化以及硅化關(guān)系密切。筆者對(duì)不同鉆孔見礦部位的礦石樣品進(jìn)行采集，通過光學(xué)顯微鏡、激光拉曼、電子探針等現(xiàn)代分析測(cè)試手段，查明礦石礦物組成、礦物形態(tài)以及鈾的賦存狀態(tài)，從微觀角度分析探討主要鈾礦物成因，對(duì)增強(qiáng)區(qū)內(nèi)礦物組合特征和鈾礦物成因的認(rèn)識(shí)提供有力支撐。

1 地質(zhì)背景

向陽坪礦床是苗兒山鈾礦田內(nèi)重要的鈾礦床之一，大地構(gòu)造位置處于揚(yáng)子板塊的江南陸緣隆起帶南緣，礦田內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，形成了以NNE向?yàn)橹鞯淖呋瑯?gòu)造體系，控制了區(qū)內(nèi)鈾礦化的發(fā)育(圖1a)。向陽坪鈾礦床位于香草坪斷裂西側(cè)的孟公界—沙子江斷裂帶南部，礦體產(chǎn)出于豆乍山花崗巖體西南方向，并與香草坪花崗巖體相接觸(歐陽平寧等，2012)。礦床及其周邊出露地層為新元古代、古生代變沉積巖系以及白堊系紅色砂礫巖。研究區(qū)巖漿活動(dòng)頻繁，顯示多階段多期次特點(diǎn)，形成了加里東期準(zhǔn)鋁質(zhì)的苗兒山巖體、印支期過鋁質(zhì)的香草坪、豆乍山、張家?guī)r體以及燕山期過鋁質(zhì)的小木楠巖體，上述巖體共同組成了苗兒山復(fù)式巖體。向陽坪鈾礦床產(chǎn)于香草坪和豆乍山兩種巖體中，兩巖體均為富鈾巖體，巖性分別為中粗粒似斑狀黑云母花崗巖和中細(xì)粒二云母花崗巖(徐偉昌等，1994；謝曉華等，2008；吳昆明等，2016)。區(qū)域上構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，以加里東期、印支期和燕山期最為顯著，基本的構(gòu)造格架由 SN、EW、NE和NNE向4組斷裂構(gòu)成，NNE和NE向兩組構(gòu)造最為發(fā)育并且是主要控礦構(gòu)造(圖1c)，如向陽坪鈾礦床F7、F8、F9、F10斷裂帶等(李嫵巍等，2011；李嫵巍，2016)。向陽坪礦床鈾礦體多以透鏡狀和雁列式產(chǎn)出，礦化蝕變較為廣泛，與鈾礦化密切相關(guān)的蝕變主要是綠泥石化、黃鐵礦化、赤鐵礦化以及硅化。

圖1 苗兒山大地構(gòu)造位置圖(a)、苗兒山巖體(b)及苗兒山中段鈾成礦區(qū)(c)地質(zhì)簡圖

2 樣品采集與分析

本次研究對(duì)研究區(qū)內(nèi)礦體賦存部位進(jìn)行了詳細(xì)的野外觀察，在多個(gè)鉆孔地質(zhì)編錄的基礎(chǔ)上，選取典型的鉆探施工所取得的礦石樣品。礦石主要為“赤鐵礦化、硅化”碎裂巖及角礫巖，見原生灰黑色瀝青鈾礦與黃鐵礦共生或充填在脈石礦物裂隙及周邊，另可見瀝青鈾礦與鈾石在硅化碎裂巖中共生(圖2a, b)，次生鈾礦物主要為淡黃色硅鈣鈾礦充填在脈石礦物裂隙間(圖2c, d)。對(duì)所采樣品磨制光薄片，利用偏光顯微鏡進(jìn)行觀察，巖性主要為花崗碎裂巖、硅化花崗巖，具有花崗碎裂結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

圖2 向陽坪礦床典型礦石取樣照片

樣品通過顯微鏡觀察并在薄片上圈定電子探針分析測(cè)試區(qū)域后做噴碳處理，最后應(yīng)用電子探針進(jìn)行背散射觀察與微區(qū)化學(xué)成分測(cè)定，并進(jìn)行激光拉曼測(cè)試，理清礦物共生組合關(guān)系。測(cè)試工作均在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。電子探針具體型號(hào)為JXA-8530F Plus，測(cè)試電壓、電流分別為15 kV和2.0×10-8A，束斑大小為2 μm。各元素標(biāo)樣選擇具體如下：鎂、鐵、鋁、硅標(biāo)樣為綠泥石；鈉、鉀、鈣、鈦、鉻、錳標(biāo)樣分別為硬玉、鉀長石、磷灰石、金紅石、氧化鉻和薔薇輝石。數(shù)據(jù)結(jié)果符合硅酸鹽礦物電子探針定量分析國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T15617—2002)。

3 礦石特征

3.1 巖相學(xué)特征

通過光學(xué)顯微鏡巖礦鑒定分析可知，含礦巖石具碎裂結(jié)構(gòu)，為塊狀構(gòu)造，巖石受硅化作用較強(qiáng)烈，石英大多呈破碎狀，還可見不同程度的硅化、黏土化和絹云母化，礦物組成粒徑差異明顯，可將礦物分為碎斑和碎基(圖3a，b，c)，反射光下還可見有黃鐵礦與鈾礦物沿著破碎的礦物裂隙間充填共生(圖3d)。

圖3 向陽坪鈾礦床礦石主要鏡下特征

3.1.1 礦石結(jié)構(gòu)

在礦石中，鈾礦物以環(huán)帶、粒狀、環(huán)狀以及放射狀4種結(jié)構(gòu)為主。①環(huán)帶結(jié)構(gòu)。硅鈣鈾礦呈環(huán)帶狀與其他礦物共生，部分環(huán)帶圍繞同一個(gè)中心疊布，稱之為同心環(huán)帶結(jié)構(gòu)。環(huán)帶結(jié)構(gòu)的特征是不同時(shí)代的鈾礦物先后沉淀形成環(huán)帶(圖4a)。②放射狀結(jié)構(gòu)。其特征是鈾礦物集合體呈針狀、放射狀產(chǎn)出(圖4b)，經(jīng)過大量的電子探針背散射圖像觀察，硅鈣鈾礦主要以放射狀結(jié)構(gòu)在本區(qū)產(chǎn)出。③粒狀結(jié)構(gòu)。原生鈾礦物(瀝青鈾礦、鈾石和晶質(zhì)鈾礦)或含鈾礦物晶體常呈粒狀或小團(tuán)塊狀分布在其他脈石礦物中，此種結(jié)構(gòu)在向陽坪礦床中較常見(圖4c)。④環(huán)邊結(jié)構(gòu)。又稱鑲邊結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是瀝青鈾礦或鈾石環(huán)繞其他脈石礦物，從而形成環(huán)邊(圖4d)。

圖4 向陽坪鈾礦床礦石結(jié)構(gòu)背散射圖像

3.1.2 礦石構(gòu)造

根據(jù)顯微鏡鏡下和背散圖像觀察結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本區(qū)礦石構(gòu)造主要為兩種：①脈狀、網(wǎng)脈狀構(gòu)造。原生瀝青鈾礦和鈾石部分呈細(xì)脈狀穿插在鉀長石和石英中，或與黃鐵礦共生充填于巖石裂隙之中，形成脈狀構(gòu)造(圖5a，b)。②斑點(diǎn)狀構(gòu)造。該類構(gòu)造以直徑較大的鈾礦物集合體而區(qū)別于浸染狀構(gòu)造，鈾礦物集合體形態(tài)多樣，如圓形、似橢圓形和不規(guī)則形狀等(圖5c，d)。

圖5 向陽坪鈾礦床礦石構(gòu)造電子探針背散射圖像

3.2 礦石礦物

通過本次研究發(fā)現(xiàn)，向陽坪鈾礦床的主要原生鈾礦物有瀝青鈾礦、鈾石，少量鈦鈾礦和釷鈾礦等；次生鈾礦物主要為硅鈣鈾礦、銅鈾云母等?，F(xiàn)對(duì)最常見、含量最多的瀝青鈾礦、鈾石、硅鈣鈾礦分述如下。

3.2.1 瀝青鈾礦

表1 瀝青鈾礦電子探針分析化學(xué)成分表

3.2.2 硅鈣鈾礦

硅鈣鈾礦在肉眼觀察下多呈淡黃色放射狀或簇狀，充填在構(gòu)造角礫巖的角礫裂隙間(圖2c，d)，多與石英、鉀長石等脈石礦物共生，局部可見到硅鈣鈾礦粒徑大于200 μm(圖4a，b)。硅鈣鈾礦的電子探針化學(xué)成分如表2所示，UO2和SiO2為其主要成分，含量分別為62.16%～73.68%(平均含量為68.44%)與10.87%～19.79%(平均含量為15.45%)。硅鈣鈾礦與瀝青鈾礦在化學(xué)成分上的區(qū)別在于其SiO2含量相對(duì)較高(分別為15.45%與1.29%)，UO2含量相對(duì)較低(分別為68.44%與87.57%)，與鈾石區(qū)別在于其CaO的含量相對(duì)較高(分別為5.11%與2.56%)。

表2 硅鈣鈾礦電子探針分析化學(xué)成分表

3.2.3 鈾石

鈾石在肉眼觀察下多為黑色或灰黑色，異于其他鈾的硅酸鹽礦物，多色性較弱，干裂隙較瀝青鈾礦更少(鄭啟榮，1982)。本區(qū)鈾石大部分呈粒狀、環(huán)邊狀或破碎塊狀與其他礦物共生，如綠泥石和黃鐵礦，少量分布在瀝青鈾礦附近，如圖4c。鈾石電子探針化學(xué)成分測(cè)定如表3，UO2為其主要成分，含量57.48%～81.25%，平均含量為67.74%；SiO2含量8.41%～21.99%，平均含量為16.28%。礦床中鈾石的形成與SiO2關(guān)系密切，沉淀初期隨著瀝青鈾礦的生成導(dǎo)致鈾濃度急劇降低，礦液中SiO2與U3O8的濃度比急劇增高，至一定程度時(shí)析出鈾石和SiO2。當(dāng)SiO2活度增大時(shí)，瀝青鈾礦可與SiO2作用并生成鈾石。反之，若介質(zhì)中SiO2活度降低時(shí)，已生成的鈾石則不穩(wěn)定，分解成瀝青鈾礦和SiO2。

表3 鈾石電子探針分析化學(xué)成分表

3.3 脈石礦物

研究區(qū)礦石的脈石礦物有石英、長石、云母、方解石、磷灰石、黃鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦等。將脈石礦物的電子探針微區(qū)各化學(xué)成分的平均值列于表4，并對(duì)主要脈石礦物石英、長石、黃鐵礦和赤鐵礦的礦物學(xué)特征進(jìn)行研究。

表4 脈石礦物電子探針分析化學(xué)成分表

(1)石英。類型多樣，既有成巖期形成的，也有成巖后形成的以及熱液蝕變期等次生成因的，約占全巖總量的21%～40%，主要成分中SiO2占絕大部分，平均含量高達(dá)98.97%，此外含極少量的FeO和Al2O3等雜質(zhì)，常與長石或者云母等連生，多為他形粒狀或集合體形式產(chǎn)出，通過X射線衍射分析可以看出在2θ為26.60°左右具有特征峰值(圖6a)。

(2)長石。從Or(正長石)-Ab(鈉長石)-An(鈣長石)圖中(圖6b)可以看出，測(cè)試樣品均落于正長石區(qū)域，屬于堿性長石。電子探針化學(xué)成分顯示所測(cè)堿性長石均為鉀長石，因此向陽坪鈾礦床中的長石基本為鉀長石。

(3)黃鐵礦。常見與原生瀝青鈾礦密切共生(圖2b,圖4d)，多呈小團(tuán)塊狀分布(圖3d)。黃鐵礦化學(xué)成分主要為S和Fe，其中S含量均值為52.90%；Fe含量均值為46.24%。由黃鐵礦激光拉曼光譜圖(圖6c)可知，特征最為明顯的譜峰位移有339 cm-1、375 cm-1、425 cm-1三處，其中，375 cm-1處峰值最高，與339 cm-1處吸收峰同屬于Fe—[S2]的伸縮振動(dòng)，425 cm-1處吸收峰則歸屬于S—S鍵的伸縮振動(dòng)。

圖6 向陽坪礦床脈石礦物特征圖

(4)赤鐵礦。主要分布在石英周圍或裂隙中，以斑點(diǎn)狀集合體分布于黃鐵礦周圍，背散射圖像中偶見細(xì)脈狀瀝青鈾礦或鈾石外圍有赤鐵礦分布(圖5d，圖6d)，赤鐵礦電子探針化學(xué)成分分析中未見有UO2成分，主要成分為FeO，含量均值為76.41%。

3.4 鈾的賦存狀態(tài)

由電子探針鈾元素面掃描分布圖(圖7)可見，鈾元素主要分布于瀝青鈾礦、鈾石等獨(dú)立鈾礦物。在此基礎(chǔ)上開展的鈾元素線掃描分析(圖8)進(jìn)一步顯示，鈾礦物中鈾元素具有較高峰值，而其他副礦物或脈石礦物峰值較低，說明與鈾礦物共生的其他礦物不含鈾或含鈾量極少(譚雙等，2016)。面掃描與線掃描的結(jié)果保持一致，都是在鈾礦物的位置上具有明顯鈾元素富集特征，結(jié)合各礦物的單點(diǎn)分析數(shù)據(jù)，表明向陽坪鈾礦床礦石中鈾主要存在于獨(dú)立鈾礦物，同時(shí)以類質(zhì)同象的形式少量存在于磷灰石、鋯石和獨(dú)居石中。

圖7 向陽坪礦床鈾礦物背散射圖像和鈾元素面分布圖

圖8 向陽坪礦床鈾礦物背散射圖像與鈾元素線分析圖

4 鈾成礦啟示

瀝青鈾礦作為向陽坪鈾礦床最主要的原生鈾礦物，主要以團(tuán)塊狀和脈狀產(chǎn)出，理清其成因?qū)M(jìn)一步深化本礦床的認(rèn)識(shí)具有十分重要的作用。

從化學(xué)組成上看，瀝青鈾礦化學(xué)成分中UO2與SiO2呈負(fù)相關(guān)(圖9a)。在沉淀初期，成礦流體中的鈾濃度明顯大于硅濃度時(shí)，僅生成瀝青鈾礦，隨著瀝青鈾礦沉淀，礦液中鈾濃度下降，SiO2與U3O8的濃度比增高，達(dá)到一定程度時(shí)析出鈾石和SiO2。當(dāng)SiO2活度增大時(shí)，瀝青鈾礦可與SiO2作用并生成鈾石。反之，若流體中SiO2活度降低，已生成的鈾石則不穩(wěn)定，分解成瀝青鈾礦和SiO2。Si4+還可能以內(nèi)潛同晶等形式出現(xiàn)，鈾硅可能存在相互消長關(guān)系(Min et al., 2005；劉成東等，2017)。由于Ca2+與 U4+離子半徑相近，部分Ca元素以類質(zhì)同象形式參與瀝青鈾礦的晶體組成，導(dǎo)致UO2與CaO常呈正相關(guān)關(guān)系(圖9b)。瀝青鈾礦中Pb含量稍高，除以包裹體形式存在的方鉛礦影響外，還存在相對(duì)均勻散狀分布的顯微質(zhì)點(diǎn)，可能是鈾放射性衰變的產(chǎn)物，這也是UO2與PbO呈弱正相關(guān)(圖9c)的原因之一。區(qū)內(nèi)鈾礦化地段常伴隨有黃鐵礦化和赤鐵礦化，趙鳳民等(1986)認(rèn)為當(dāng)六價(jià)鈾溶液流經(jīng)黃鐵礦還原場(chǎng)時(shí)能發(fā)生鐵鈾共生現(xiàn)象，生成瀝青鈾礦與黃鐵礦，并見鐵鈾礦物互相形成內(nèi)核與層圈。常見瀝青鈾礦與低價(jià)鐵礦物共生，認(rèn)為是UO22+和 Fe2+能共同進(jìn)入同一礦物的結(jié)晶格架，說明鈾與鐵關(guān)系密切(圖9d)，有可能以包裹體微粒、離子狀態(tài)進(jìn)入瀝青鈾礦中。

圖9 向陽坪鈾礦床瀝青鈾礦化學(xué)成分協(xié)變圖

研究區(qū)鈾石與瀝青鈾礦關(guān)系密切，鈾石可在成礦流體SiO2活度增大時(shí)由瀝青鈾礦生成，在中性或弱酸性條件下鈾石還會(huì)分解成瀝青鈾礦，所以鈾石僅在弱堿性或堿性條件中穩(wěn)定存在(F?rster，2006；Hecht et al., 2000)。研究區(qū)鈾石化學(xué)成分中，SiO2含量較高(平均含量16.28%)也可以看出鈾石成因受SiO2的影響較大，當(dāng)介質(zhì)溫度、pH值發(fā)生變化時(shí)，如溫度下降以及pH值由堿性變?yōu)槿鯄A性，礦石中含鈾礦物的活化鈾就有可能形成鈾石。

此外，從向陽坪鈾礦床的鈾礦物種類、礦物接觸關(guān)系以及鈾礦物線、面分析結(jié)果(圖4，圖5，圖7，圖8)上看，瀝青鈾礦是最容易萃取出活性鈾的含鈾礦物，與Cuney等(1987)的觀察結(jié)果一致。結(jié)合硅鈣鈾礦電子探針微區(qū)礦物學(xué)特征(圖4a，b)，表明瀝青鈾礦經(jīng)歷了強(qiáng)烈的溶蝕現(xiàn)象，在后期多階段熱液流體的交代作用下被溶解，即熱液蝕變過程中鈾元素發(fā)生了明顯的遷移、富集，釋放出鈾元素，形成鈾石和硅鈣鈾礦，為礦床的鈾成礦提供鈾源(張龍等，2018)。礦物成分反映出的蝕變不均一性，也指示不同期次的熱液流體活動(dòng)可能具有不同的成分和強(qiáng)度。

5 結(jié)論

在詳細(xì)的野外觀察和地質(zhì)編錄基礎(chǔ)上，對(duì)典型礦石取樣，并通過一系列現(xiàn)代分析測(cè)試手段對(duì)礦石礦物組成、礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造及鈾的賦存狀態(tài)等進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

(1)礦石中主要鈾礦物為瀝青鈾礦、鈾石和硅鈣鈾礦；脈石礦物主要為石英、長石、云母及方解石，其中長石大部分為鉀長石；金屬礦物有黃鐵礦和赤鐵礦等。

(2)鈾礦物多呈脈狀、放射狀、環(huán)帶狀、不規(guī)則團(tuán)塊狀分布，沿石英、長石等礦物內(nèi)部空隙或礦物間裂隙生長。礦石類型主要為鈾-石英型和鈾-黃鐵礦-石英型。

(3)礦石中鈾主要是以獨(dú)立鈾礦物形式存在的，其中獨(dú)立鈾礦物以瀝青鈾礦、鈾石和硅鈣鈾礦為主，為鈾在本區(qū)最主要的賦存狀態(tài)。

(4)向陽坪鈾礦床中的瀝青鈾礦為中低溫?zé)嵋鹤饔玫漠a(chǎn)物，瀝青鈾礦與鈾石關(guān)系密切，介質(zhì)中SiO2活度增大時(shí)瀝青鈾礦可生成鈾石，在中性或弱酸性條件下鈾石還會(huì)分解成瀝青鈾礦。