納米比亞湖山鈾礦床中黑云母?jìng)ゾr型礦石特征及鈾礦化機(jī)制*

黃冉笑 袁國(guó)禮 王果勝 邱坤峰 邵華勝 龔能

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083

花崗偉晶巖能夠提供大量的金屬資源，包括稀有金屬(如：Be、Nb、Ta、Li、Rb、Cs)和放射性金屬(如：U、Th)，因此相關(guān)礦床具有重要的戰(zhàn)略地位和經(jīng)濟(jì)價(jià)值(Gloveretal., 2012; Linnenetal., 2012)。作為侵入巖型鈾礦床的重要代表，偉晶巖型鈾礦床在含礦巖性、鈾礦物種類和礦化成因等方面都有其獨(dú)特性(Cuney, 2009; 金若時(shí)等, 2014)。該類礦床的礦石礦物主要為巖漿成因的晶質(zhì)鈾礦(少數(shù)情況下可含鈾釷石)，含礦圍巖主要為黑云母花崗偉晶巖，與富含Be、Li、Nb、Ta等稀有金屬元素的白云母-鋰云母?jìng)ゾr區(qū)別明顯(London, 2018; Yuanetal., 2020)。研究表明，盡管鈾元素在長(zhǎng)英質(zhì)巖漿中具有高度的不相容性，但僅通過單一的巖漿作用(如：分離結(jié)晶或深熔作用)很難形成工業(yè)級(jí)別的礦化(Cuney, 2014; 王鯤等, 2020)。多數(shù)情況下，鈾元素“預(yù)富集”的酸性巖漿巖后期可被熱液作用，淋濾其中的鈾元素，進(jìn)而形成與巖體有成因聯(lián)系的次生鈾礦化(Cuney, 2014; 胡瑞忠等, 2019)。對(duì)于偉晶巖型鈾礦床來說，相比于巖漿中鈾元素的濃度，含鈾氧化物(如：晶質(zhì)鈾礦、鈾釷石)的含量更能影響其鈾礦化的程度(Cuney, 2009; Ballouardetal., 2017)。因此，對(duì)偉晶質(zhì)巖漿中含鈾氧化物富集與沉淀機(jī)制的研究顯得格外重要。

盡管偉晶巖型鈾礦床中礦石平均品位較低，多數(shù)不超過0.1%(Ballouardetal., 2017; Chenetal., 2019)，但個(gè)別礦床具有大面積的礦化范圍，故受到了礦床學(xué)者的廣泛關(guān)注，相關(guān)報(bào)道包括：西班牙的Sierra Albarrana地區(qū)(Bonalesetal., 2015)，加拿大的Trans-Hudson和Grenville造山帶(Lentz, 1992; 1996)，中國(guó)的北秦嶺造山帶(袁峰等, 2017; Yuanetal., 2020;王江波等, 2020)，以及位于納米比亞達(dá)馬拉造山帶的羅辛鈾礦(Nexetal., 2001; Kinnaird and Nex, 2007;左立波等, 2015)。

納米比亞達(dá)馬拉造山帶的南部中央帶產(chǎn)出大量鈾礦床，提供全世界約7%的鈾礦資源(Kinnaird and Nex, 2007)。湖山鈾礦床位于羅辛礦床南部5～7km處，是納米比亞境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的又一世界級(jí)偉晶巖型鈾礦床(榮建鋒等, 2016; 張懷峰和陸建軍, 2018)。目前已掌握的鈾資源量近30萬(wàn)噸(U3O8)，為全球第二大單金屬鈾礦床(寧福俊等, 2018)。近年來，不少學(xué)者對(duì)湖山地區(qū)及其周邊的礦點(diǎn)開展了巖石學(xué)(Nexetal., 2001; 陳金勇等, 2016)、鈾礦物學(xué)(陳金勇等, 2013)、成礦流體(Nexetal., 2002; 范洪海等, 2015)和控礦因素(Kinnaird and Nex, 2007; 高陽(yáng)等, 2012; 顧大釗等, 2016)等方面的研究，在成礦規(guī)律和礦產(chǎn)分布方面取得了進(jìn)展。對(duì)于偉晶巖的礦化過程，以往的研究對(duì)象多為單一地層(即羅辛組)內(nèi)的礦體，內(nèi)部礦石具有花崗偉晶結(jié)構(gòu)，鈾元素的平均濃度為430×10-6U3O8(榮建鋒等, 2016)，礦化強(qiáng)度受巖漿的結(jié)晶分異作用影響(高陽(yáng)等, 2012; 陳金勇等, 2016)。但部分研究者也注意到，不同地層之間(即羅辛組和可汗組)的不整合面/接觸帶內(nèi)往往也有礦化現(xiàn)象(Kinnaird and Nex, 2007)，內(nèi)部礦石的結(jié)構(gòu)不均一，礦物組合復(fù)雜，黑云母和金屬副礦物的含量遠(yuǎn)高于單一地層內(nèi)的礦石(Corvino and Pretorius, 2013; 呂榮平等, 2015; 張懷峰和陸建軍, 2018)。雖然該類礦體僅占總體積的20%左右，但相比于由單一地層所控制的礦體，其具有極高的鈾平均濃度(> 2000×10-6U3O8)(榮建鋒等, 2016)，故同樣具有重要的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。這些高鈾礦體中獨(dú)特的礦物組合，可能為揭示鈾元素的極度富集機(jī)制提供關(guān)鍵信息，但目前尚未得到較好的約束。

本次研究中，我們?cè)诤解櫟V床ML171采礦權(quán)區(qū)中的1號(hào)礦帶內(nèi)采集了典型的偉晶巖型礦石(E型偉晶巖)樣品，包括花崗偉晶結(jié)構(gòu)的礦石樣品和黑云母富集的礦石樣品。通過對(duì)樣品的全巖元素含量和礦物電子探針分析，研究偉晶質(zhì)巖漿的演化，探討鈾元素的富集與沉淀機(jī)制，力求為礦床成因研究和進(jìn)一步勘探提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

納米比亞的大地構(gòu)造單元由達(dá)馬拉造山帶所控制，為北部剛果克拉通與南部克拉哈里克拉通碰撞的產(chǎn)物，于新元古代至早古生代(650～460 Ma)形成(Goscombeetal., 2018)。從北向南可細(xì)分為北部地體、北帶、北部中央帶、南部中央帶、南帶、南部邊緣帶和南部地體(圖1a)。南部中央帶被南北兩側(cè)的奧馬魯魯線型構(gòu)造和奧卡漢賈線性構(gòu)造所限制，內(nèi)部發(fā)育眾多鈾礦床和鈾礦化點(diǎn)(寧?？〉? 2018)，如瓦倫西亞礦化點(diǎn)、羅辛礦床、歡樂谷礦床、Ida Dome和Goanikontes礦化點(diǎn)，以及湖山鈾礦床。由于風(fēng)化剝蝕的作用，礦區(qū)內(nèi)前達(dá)馬拉基底和達(dá)馬拉變質(zhì)沉積地層均以穹窿核部的形式出露于地表(圖1b)，而具有放射性異常的前達(dá)馬拉基底是主礦化期的成礦物質(zhì)來源(Fanetal., 2017; Nexetal., 2002; 陳金勇等, 2020)。在造山帶晚期的背景下，基底中的鈾元素通過重熔作用在偉晶質(zhì)巖漿中富集，最終在達(dá)馬拉變質(zhì)沉積地層的薄弱帶內(nèi)結(jié)晶沉淀，形成偉晶巖型鈾礦化(Kinnaird and Nex, 2007; 高陽(yáng)等, 2012; 陳金勇等, 2017)。

圖1 納米比亞境內(nèi)達(dá)馬拉造山帶陸內(nèi)分支構(gòu)造示意圖(a，據(jù)Goscombe et al., 2005修改)及達(dá)馬拉造山帶南部中央帶各穹窿和鈾礦床分布圖(b，據(jù)Kinnaird and Nex, 2007修改)Fig.1 The inland branch of the Damara Orogen showing different zones and bounding lineaments (a, modified after Goscombe et al., 2005) and simplified map of part of the southern Central Zone of the Damara Orogen showing the locations of domes and uranium deposits (b, modified after Kinnaird and Nex, 2007)

在湖山鈾礦床內(nèi)，新元古代的達(dá)馬拉沉積地層不整合覆蓋于前達(dá)馬拉片麻巖基底之上，前者進(jìn)一步可劃分為諾斯比群和斯瓦科普群，它們之間為不整合接觸(張懷峰和陸建軍, 2018)。諾斯比群的地層單元為可劃分為埃圖西斯組和可汗組，而斯瓦科普群由羅辛組，楚斯組，卡里比組以及卡塞布組組成(表1)。

2 礦床地質(zhì)概況

2.1 鈾礦化特征

達(dá)馬拉造山帶南部中央帶發(fā)育的多期次花崗質(zhì)侵入體(Shanyenganaetal., 2020)記錄了達(dá)馬拉造山帶新元古代至早古生代的演化過程(Kinnaird and Nex, 2007)。湖山鈾礦床內(nèi)出露的侵入巖主要為早寒武紀(jì)至晚新元古代的花崗巖類，時(shí)代從早到晚依次為：Salem花崗巖、紅色花崗巖、灰色花崗巖，以及具有放射性的偉晶巖/淡色花崗巖(張懷峰和陸建軍, 2018)。Nexetal.(2001)根據(jù)巖石的顏色、礦物組成和放射性等宏觀地質(zhì)特征將偉晶巖/淡色花崗巖進(jìn)一步劃分為A至F六種類型，雖然該方案是在研究區(qū)西南部的Goanikontes地區(qū)內(nèi)建立，但同樣適用于羅辛、歡樂谷和湖山地區(qū)(Basson and Greenway, 2004; 榮建鋒等, 2016; 陳金勇等, 2017)。此外，詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查表明，嚴(yán)格受羅辛組和可汗組控制的D型和E型偉晶巖是區(qū)域內(nèi)具有經(jīng)濟(jì)效應(yīng)鈾礦化的主要載體，表現(xiàn)出一定的成礦專屬性(Kinnaird and Nex, 2007; 張懷峰和陸建軍, 2018)。

在湖山鈾礦床1號(hào)礦帶內(nèi)，偉晶巖型礦體多產(chǎn)于湖山背斜的羅辛組中(圖2)。其中，位于翼部的礦體呈似層狀、脈狀或透鏡狀，延伸方向大致與地層的走向或?qū)永砥叫校瑳]有明顯的變形特征(榮建鋒等, 2016; 張懷峰和陸建軍, 2018)，而在轉(zhuǎn)折端處，礦體的延伸方向與地層層理斜交，破碎嚴(yán)重，并出露于地表(圖3a-c)。礦石的礦物組成包括酸性長(zhǎng)石、黑云母和煙灰色石英，表現(xiàn)出典型的花崗偉晶結(jié)構(gòu)。由于含鈾礦物放射性的影響，礦石中的石英往往變成煙灰色(Holden, 1925; Shanyenganaetal., 2020)，若其顏色越深，含量越高，往往指示鈾礦化程度也越高(Nexetal., 2001; Kinnaird and Nex, 2007)。值得注意的是，羅辛組和可汗組的不整合面/接觸帶內(nèi)也有少量礦體產(chǎn)出，其中礦石內(nèi)以大量黑云母富集為典型特征(張懷峰和陸建軍, 2018)。盡管該類礦體僅占總體積的20%左右，但鈾礦化程度極高，故其經(jīng)濟(jì)效應(yīng)同樣不可忽視(榮建鋒等, 2016)。類似的礦體在Ida Dome礦化點(diǎn)和歡樂谷礦床內(nèi)也有報(bào)道(Corvino and Pretorius, 2013; 呂榮平等, 2015)。此外，整個(gè)鈾礦省內(nèi)巖芯鉆孔和放射性地球物理勘探的結(jié)果顯示，地層的不整合接觸帶內(nèi)往往具有較高程度的放射性異常(榮建鋒等, 2016; Shanyenganaetal., 2020)，暗示著帶內(nèi)可能存在不同的成礦元素富集機(jī)制。

圖2 湖山鈾礦床1號(hào)帶地質(zhì)橫剖面示意圖(據(jù)榮建鋒等，2016修改)Fig.2 Geological section of Zone 1 in Husab uranium deposit (modified after Rong et al., 2016)

為了研究不同礦石中鈾元素富集與沉淀機(jī)制的差異，本次研究系統(tǒng)地采集了礦化的E型偉晶巖樣品(圖3d)。依據(jù)樣品的礦物組合和礦化程度，進(jìn)一步劃分為三種類型：(1)高鈾含量偉晶巖(E-HUP)，含有大量黑云母和煙灰色石英；(2)中等鈾含量偉晶巖(E-MUP)，黑云母較少，長(zhǎng)石增多，石英呈淡煙灰色；(3)低鈾含量偉晶巖(E-LUP)，黑云母和煙灰色石英的含量最少，長(zhǎng)石最多。E-HUP多產(chǎn)于不整合接觸帶內(nèi)，具有獨(dú)特的礦物組合和成礦金屬元素極度富集的特征，因而受到了廣泛的關(guān)注(Lentz, 1992; Yuanetal., 2018; 王江波等, 2020)，在其它偉晶巖型鈾礦床中被稱為“復(fù)雜類型”偉晶巖(Lentz, 1996)；而E-MUP和E-LUP一般沿地層的層理或薄弱帶產(chǎn)出，礦物組合與一般的花崗巖類無(wú)異，故被稱為“簡(jiǎn)單類型”偉晶巖(Lentz, 1996)。采集的樣品包括4件E-HUP、4件E-MUP 和5件E-LUP。

圖3 湖山鈾礦1號(hào)礦帶(a)和位于達(dá)馬拉變質(zhì)沉積地層內(nèi)的偉晶巖礦體(b，c)的宏觀照片及1號(hào)礦帶采樣照片(d)Fig.3 Photographs of the outcrop of ore zone in Zone 1 (a), the pegmatite-bodies occurring in the Damaran metasediment strata (b, c) and the samples in Zone 1 (d)

2.2 礦石特征

E-LUP的主要礦物為淡紅色鉀長(zhǎng)石、淡色石英和棕色黑云母，礦物組成均勻，無(wú)環(huán)帶，為花崗偉晶結(jié)構(gòu)，其中黑云母呈片狀分布于長(zhǎng)石和石英之中(圖4a, d-f)。E-MUP具有與E-LUP相似的造巖礦物組合(圖4b)，但黑云母具有兩種不同的產(chǎn)出形態(tài)：其一，多個(gè)暗棕色黑云母以團(tuán)塊狀聚集產(chǎn)出，附近可見微斜長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石共生的現(xiàn)象(圖4g)，占總黑云母含量的40%左右；其二，與E-LUP類似，單個(gè)黑云母呈鱗片狀產(chǎn)出(圖4h, i)，周圍無(wú)鈉長(zhǎng)石，二者的總含量高于E-LUP，約為20%～25%。與上述“簡(jiǎn)單類型的偉晶巖”不同，E-HUP的巖石結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特性：煙灰色石英的含量最高，黑云母均呈團(tuán)塊狀產(chǎn)出，且含量高達(dá)40%左右，內(nèi)部可見他形石英顆粒，共生礦物有鈉長(zhǎng)石、金紅石、鈦鐵礦和黃鐵礦等(圖4c, j-l)。此外，E-MUP和E-HUP中大部分黑云母經(jīng)歷了較高程度的綠泥石化，但依舊保持著原有的晶體形態(tài)(即：黑云母假象綠泥石)。

圖4 湖山鈾礦床E型偉晶巖的代表性手標(biāo)本及顯微照片(a-c)E-LUP、E-MUP和E-HUP的手標(biāo)本照片；(d-f)E-LUP單偏光鏡下照片；(g、h)E-MUP正交偏光鏡下照片；(i)E-MUP反射光鏡下照片；(j)E-HUP單偏光鏡下照片；(k、l)E-HUP反射光鏡下照片.ilm-鈦鐵礦；ru-金紅石；abh-鈉長(zhǎng)石；Kfs-鉀長(zhǎng)石；Bio-黑云母；Qz-石英；Ur-晶質(zhì)鈾礦；Tho-鈾釷石；Py-黃鐵礦；Cp-黃銅礦Fig.4 Representative hand specimen and photomicrographs of the E- type pegmatites from Husab uranium deposit(a-c) hand specimen photos of E-LUP, E-MUP and E-HUP respectively; (d-f) single-polarized photomicrographs of E-LUP; (g, h) cross-polarized photomicrographs of E-MUP; (i) reflected photomicrographs of E-MUP; (j) single-polarized photomicrographs of E-HUP; (k, l) reflected photomicrographs of E-HUP. ilm-ilmenite; ru-rutile; abh-albite; Kfs-potassic feldspar; Bio-biotite; Qz-quartz; Ur-uraninite; Tho-thorite; Py-pyrite; Cp-chalcopyrite

在E-LUP中，未見含鈾氧化物的生成。在E-MUP中，含鈾氧化物的種類主要為晶質(zhì)鈾礦，局部可見鈾釷石，多賦存于長(zhǎng)石，云母等造巖礦物之間，與金屬硫化物(黃銅礦、黃鐵礦)存在共生關(guān)系(圖4h, i；圖5a-d)，含量<5%。在E-HUP中，主要含鈾氧化物——晶質(zhì)鈾礦與團(tuán)塊狀黑云母有明顯的空間聯(lián)系，多分布于黑云母團(tuán)塊的邊部，或者被黑云母所包裹(圖4l、圖5e, f)，分布極不均勻，含量高于E-MUP。E-MUP和E-HUP中的晶質(zhì)鈾礦在礦物形態(tài)及大小上區(qū)別不大，呈自形-半自形粒狀，平均粒徑為200μm左右，個(gè)別可達(dá)400μm(圖5e)。值得注意的是，部分晶質(zhì)鈾礦被黃鐵礦細(xì)脈所包裹，在形態(tài)上表現(xiàn)出放射性暈圈(圖5b)。此外，相比于E-MUP，E-HUP中晶質(zhì)鈾礦表面更加粗糙，裂隙更為發(fā)育，部分顆粒的內(nèi)部可見次生的鈾礦物——鈾石(圖5f)，為原生礦物溶解的產(chǎn)物，但含量較低，對(duì)大部分晶質(zhì)鈾礦的形態(tài)沒有太大的影響?？偟膩碚f，樣品內(nèi)含鈾氧化物的種類、形態(tài)和產(chǎn)出形式表明礦石的鈾礦化是巖漿作用的結(jié)果。

圖5 E型偉晶巖中代表性金屬礦物背散射照片Zrn-鋯石；Cof-鈾石Fig.5 Representative backscattered scanning electron microscope images of iron oxides in E-type pegmatitesZrn-zircon Cof-coffinite

3 測(cè)試方法

3.1 主量元素和微量元素測(cè)試方法

礦石樣品經(jīng)表面去污、人工破碎、清洗烘干、機(jī)械細(xì)碎等前期處理后，獲得粒徑小于200目的粉末。由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)全巖主量元素和微量元素的分析測(cè)試工作，其中主量元素的測(cè)定由荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的AxiosMAXX射線熒光光譜儀分析完成，而微量元素的測(cè)定由賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)的X Series2電感耦合等離子體質(zhì)譜儀分析完成。主量元素的測(cè)試流程如下：(1)將200目粉末置于105℃的烘箱中烘干12小時(shí)以上；(2)稱取約1.0g的烘干樣品，放置坩堝中，在1000℃的馬弗爐中灼燒2小時(shí)，取出并冷卻至室溫，稱量后計(jì)算燒失量；(3)稱取約0.7g的烘干樣品，置于25mL坩堝中，先后加入混合溶劑(5.2g無(wú)水四硼酸鋰、0.4g氟化鋰、0.3g硝酸銨)和15g/L溴化鋰溶液2～3滴，攪拌均勻，裝于鉑金坩堝后，在1250℃左右的熔樣爐中熔融約15分鐘；(4)取出，倒入模具中冷卻，待模具與玻璃片剝離后，以備XRF測(cè)試。FeO含量的測(cè)定采用酸分解滴定法，檢查方法代號(hào)為：GB/T 14506.14—2010。微量元素的處理流程如下：(1)準(zhǔn)確稱取烘干后的粉末50mg，加水潤(rùn)濕，依次加入1mL的高純氫氟酸和0.5mL的高純硝酸，置于封閉溶樣器內(nèi)罐中；(2)將溶樣器置于185℃的烘箱中24小時(shí)以上，取出后在140℃的電熱板上蒸干，加入0.5mL硝酸后再蒸干，重復(fù)一次；(3)加入5mL硝酸后密封，置于130℃的烘箱中12小時(shí)以上；(4)待冷卻后，將溶液用水定容至50mL，以備ICP-MS測(cè)試。主量元素的測(cè)試誤差優(yōu)于2%，微量元素優(yōu)于10%。

3.2 礦物化學(xué)測(cè)試方法

借助光學(xué)顯微鏡觀察礦石的結(jié)構(gòu)特征，用記號(hào)筆圈出待測(cè)礦物。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)探針片噴碳，并借助掃描電鏡拍攝背散射照片。依據(jù)背散射圖片中礦物的表面形態(tài)，合理布置探針點(diǎn)，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。長(zhǎng)石、黑云母和綠泥石的電子探針定量分析在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成，設(shè)備型號(hào)為JEOL EPMA-8230，工作條件為：加速電壓15kV，加速電流20nA，束斑直徑1～2μm，元素的特征峰測(cè)量時(shí)間為10s，背景測(cè)量時(shí)間為5s，所有測(cè)試數(shù)據(jù)均進(jìn)行了背景修正，死時(shí)間修正以及ZAF矯正，礦物標(biāo)樣為：鈉長(zhǎng)石(Na，Al，Si)，正長(zhǎng)石(K)，方解石(Ca)，金紅石(Ti)，橄欖石(Mg, Fe)，薔薇輝石(Mn)，鉭鐵礦(Nb, Ta)，托帕石(F)，石鹽(Cl)。晶質(zhì)鈾礦和鈾釷石的電子探針定量分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究所完成，設(shè)備型號(hào)為JXA-8100，工作條件為：加速電壓20kV，加速電流100nA，束斑直徑<1μm，元素的特征峰測(cè)量時(shí)間為10s，背景測(cè)量時(shí)間為5s，所有測(cè)試數(shù)據(jù)均進(jìn)行了背景修正，死時(shí)間修正以及ZAF矯正，對(duì)于放射性元素，礦物標(biāo)樣為：金屬鈾單質(zhì)(U)、ThO2單質(zhì)(Th)和方鉛礦(Pb)。詳細(xì)的測(cè)試方法參考葛祥坤(2013)。

4 分析結(jié)果

4.1 主量元素分析結(jié)果

樣品的主微量元素測(cè)試結(jié)果列于表2。從E-LUP到E-HUP，SiO2含量表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，分別為67.73%～70.81%、64.28%～69.85%和59.97%～65.88%；K2O含量略有升高，分別為8.73%～9.86%、9.07%～11.61%和9.84%～11.17%；Na2O含量基本保持不變，分別為2.14%～2.45%、2.23%～2.55%和2.34%～2.44%。在TAS圖解中，樣品落于正長(zhǎng)巖-石英二長(zhǎng)巖-花崗巖區(qū)域內(nèi)(圖6a)，變化范圍較大。三類樣品的利特曼指數(shù)[δ=(Na2O+K2O)2/(SiO2-43)]分別為4.25～5.76(E-LUP)、4.76～8.83(E-MUP)和6.56～9.55(E-MUP)，屬于堿性-過堿性系列。鋁飽和指數(shù)(A/CNK值)從E-LUP到E-HUP逐漸上升，分別為0.86～0.94、0.89～1.01和1.01～1.04，屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)-過鋁質(zhì)系列(圖6b)。三類樣品的化學(xué)-礦物圖解反映了其結(jié)構(gòu)和礦物組成的不均一，在Q-P圖解中，所有樣品均位于石英-鉀長(zhǎng)石(Q-Kfs)象限中(圖6c)，表明礦石的分異程度高，具有巖漿演化后期的特點(diǎn)；A-B圖解顯示，從E-LUP到E-HUP，樣品逐漸從準(zhǔn)鋁質(zhì)區(qū)域過渡到過鋁質(zhì)區(qū)域，與鋁飽和指數(shù)的結(jié)果一致，同時(shí)在B軸上的延伸范圍也逐漸升高(圖6d)，代表了黑云母和金屬氧化物逐漸富集的趨勢(shì)。

表2 湖山鈾礦床E型偉晶巖主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)組成

續(xù)表2

圖6 湖山鈾礦床E型偉晶巖的主量元素判別圖解(a)TAS圖解(據(jù)Middlemost, 1994)；(b)A/CNK-A/NK圖解(據(jù)Maniar and Piccoli, 1989)；(c)礦物-化學(xué)Q-P圖解(據(jù)Debon and Le Fort, 1983)；(d)礦物-化學(xué)A-B圖解(據(jù)Debon and Le Fort, 1983)Fig.6 Discrimination diagrams for E-type pegmatites from Husab uranium deposit(a) total alkalis vs. SiO2 (after Middlemost, 1994); (b) A/CNK vs. A/NK (after Maniar and Piccoli, 1989); (c) Q vs. P classification diagram (after Debon and Le Fort, 1983); (d) A vs. B classification diagram (after Debon and Le Fort, 1983)

4.2 微量元素分析結(jié)果

E型偉晶巖的稀土配分曲線具有一定的相似性， 表現(xiàn)出輕稀土富集的右傾模式和Eu元素的負(fù)異常(圖7a-c)，但相關(guān)稀土指標(biāo)存在差異。從E-LUP到E-HUP，稀土元素總量(ΣREE)分別為131.2×10-6～264.3×10-6、295.2×10-6～509.3×10-6和491.6×10-6～1040×10-6，隨著礦化程度的增加有升高的趨勢(shì)(王偉等, 2020)；輕稀土富集程度也略微升高，(La/Yb)N比值分別為2.51～4.36、7.68～9.30和6.12～14.02(除E-MUP-1外)，但δEu值變化不大，分別為0.42～0.24、0.48～0.25和0.35～0.22，表明長(zhǎng)石的分離結(jié)晶不明顯。從原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛圖解中可以看出(圖7d-f)，三類樣品同樣具有相似的分布模式，均表現(xiàn)出Rb、U、Th、Pb等大離子親石元素的正異常和Nb、Ta、Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素的負(fù)異常。稀土元素配分曲線和多元素蛛圖解的相似性，說明三類樣品可能為同源巖漿演化的產(chǎn)物。

圖7 湖山鈾礦床E型偉晶巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖(a-c, 標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(d-f, 標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)McDonough and Sun, 1995)Fig.7 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a-c, normalization values after Sun and McDonough, 1989) and primitive mantle-normalized spider diagrams (d-f, normalization values after McDonough and Sun, 1995) of E-type pegmatites from Husab uranium deposit

圖8 E型偉晶巖中晶質(zhì)鈾礦主量元素含量圖解(a)UO2-ThO2圖解；(b)UO2-PbO圖解；(c)UO2-(FeO+MgO+SiO2+CaO)圖解；(d)UO2-(Y2O3+Ce2O3+Nd2O3)圖解Fig.8 Concentrations of different major elements of uraninite in E-type pegmatites

4.3 礦物化學(xué)分析結(jié)果

4.3.1 含鈾氧化物的化學(xué)組成

E-MUP和E-HUP中代表性含鈾氧化物的電子探針分析結(jié)果列于表3。E-MUP中含鈾氧化物為晶質(zhì)鈾礦和鈾釷石(圖4h, i、圖5a-c)，其中鈾釷石內(nèi)UO2的含量變化范圍較大，為13.13%～67.86%。而在E-HUP中，含鈾氧化物主要為晶質(zhì)鈾礦(圖5e, f)。以往研究表明，自然界中不存在具有理想化學(xué)計(jì)量組成的晶質(zhì)鈾礦，礦物總含量的缺失和其它元素的加入通常是由α-放射性衰變和離子交換過程所導(dǎo)致(Janeczek and Ewing, 1992)，常見的其它陽(yáng)離子種類有：Th、Pb、Fe、Ca、Si、Zr和部分稀土元素(Finch and Ewing, 1992)。分析結(jié)果表明，E-MUP和E-HUP中晶質(zhì)鈾礦的元素總含量為93.41%～95.43%，盡管E-MUP中UO2含量高于E-HUP，但二者的ThO2和PbO2含量差別不大(圖8a, b)，表明E-HUP中的晶質(zhì)鈾礦可能經(jīng)歷了更高程度的后期蝕變，從而導(dǎo)致其UO2含量和Σ(FeO+MgO+SiO2+CaO) (%)與Σ(Y2O3+Ce2O3+Nd2O3)(%)表現(xiàn)出更顯著的負(fù)相關(guān)性(圖8c, d)，與礦物表面的裂隙和內(nèi)部次生鈾礦物的生成互為印證(圖4l、圖5f)。

4.3.2 長(zhǎng)石的化學(xué)組成

E型偉晶巖樣品中代表性長(zhǎng)石礦物的電子探針分析結(jié)果列于表4。鏡下觀察和分析結(jié)果表明，E-LUP中僅存在鉀長(zhǎng)石，其正長(zhǎng)石組分(Or)的含量為82.81～88.36，明顯低于E-MUP和E-HUP(分別為86.62～94.84和86.27～93.52)(圖9)，表明后者具有更高的巖漿演化程度。在E-MUP中，鈉長(zhǎng)石含量較少，且僅分布于團(tuán)塊黑云母周圍(圖4g)，其中鈣長(zhǎng)石組分(An)的含量為0.94～0.98；而E-HUP中與團(tuán)塊黑云母共生的鈉長(zhǎng)石較多(圖4j)，An組分的含量為0.29～0.83(除E-HUP-7測(cè)點(diǎn)外)，低于E-MUP樣品(圖9)。上述長(zhǎng)石組分的規(guī)律變化在其它偉晶巖型鈾礦床中也有所體現(xiàn)，即隨著巖漿的不斷分異，鉀長(zhǎng)石的Or組分和斜長(zhǎng)石的Ab組分會(huì)不斷“純化”(馮張生, 2012; Chenetal., 2019)。該特征也間接指示了三類樣品之間具有巖漿演化關(guān)系，與主、微量元素的結(jié)果一致。

圖9 E型偉晶巖長(zhǎng)石分類圖解(底圖據(jù)Chen et al., 2019修改)Fig.9 Classification diagrams of feldspars in E-type pegmatites (base map modified after Chen et al., 2019)

4.3.3 黑云母和黑云母假象綠泥石的化學(xué)組成

E-LUP中代表性黑云母礦物的電子探針分析結(jié)果列于表5。E-MUP和E-HUP中代表性綠泥石礦物的電子探針分析結(jié)果列于表6。從2.2節(jié)的討論中可知，E-MUP中黑云母假象綠泥石具有兩種產(chǎn)出形態(tài)，即團(tuán)塊狀和鱗片狀，在此分別用E-MUP-C(團(tuán)塊狀)和E-MUP-S(鱗片狀)以示區(qū)別。由于電子探針分析技術(shù)無(wú)法直接區(qū)分FeO和Fe2O3，故基于所測(cè)得的FeOT值，采用鄭巧榮(1983)提出的剩余氧原子法，來計(jì)算樣品中FeO和Fe2O3的含量。

表5 E-LUP中代表性黑云母礦物的化學(xué)組成(wt%)

表6 E-MUP和E-HUP中代表性綠泥石礦物的化學(xué)組成(wt%)

E-LUP黑云母的CaO含量均低于0.03%，F(xiàn)e2+/(Fe2++Mg2+)比值為0.37～0.39，變化范圍小，表明礦物基本未受后期蝕變的影響(Stone, 2000)。礦物的分類和成因圖解顯示，E-LUP黑云母為鎂質(zhì)黑云母(圖10a)，屬同熔-再平衡成因(圖10b)，與北秦嶺造山帶產(chǎn)鈾偉晶巖中黑云母的特征類似(Yuanetal., 2018; 陳佑緯等, 2013)。在FeOT-MgO-Al2O3圖解中，測(cè)點(diǎn)位于造山帶鈣堿性巖石的區(qū)域內(nèi)(圖10c)，與圍巖產(chǎn)出的構(gòu)造背景一致(顧大釗等, 2016; 陳金勇等, 2017;張懷峰和陸建軍, 2018)，而FeO/(FeO+MgO)-MgO圖解指示礦石的巖漿源區(qū)具有殼幔混合的特征(圖10d)，可能與該成礦省內(nèi)花崗巖類源區(qū)的復(fù)雜性有關(guān)(Fanetal., 2017)。

圖10 E-LUP中黑云母地球化學(xué)圖解(a)Mg-(Alvi+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn)分類圖解(據(jù)Foster, 1960)；(b)10TiO2-(FeOT+MnO)-MgO判別圖解(據(jù)Nachit et al., 2005)；(c)MgO-FeOT-Al2O3判別圖解(據(jù)Abdel-Rahman, 1994)；(d)FeOT/(FeOT+MgO)-MgO圖解(據(jù)周作俠, 1988)Fig.10 Selected geochemical diagrams of the biotite in E-LUP(a) Mg-(Alvi+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn) classification diagram (after Foster, 1960); (b) 10TiO2-(FeOT+MnO)-MgO ternary discrimination (after Nachit et al., 2005); (c) MgO-FeOT-Al2O3 ternary discrimination (after Abdel-Rahman, 1994); (d) FeOT/(FeOT+MgO) vs. MgO diagram (after Zhou, 1988)

鏡下鑒定結(jié)果表明，E-MUP和E-HUP中的綠泥石均由黑云母的綠泥石化形成，并保留了原生礦物的假象(圖4g-l)。

多數(shù)研究者使用Na2O+K2O+CaO (%)來判別單個(gè)綠泥石受后期混染的程度(Zang and Fyfe, 1995)，而本次研究中綠泥石的Na2O+K2O+CaO值為0.05%～0.45%，均滿足進(jìn)一步分析研究的標(biāo)準(zhǔn)(<0.5%)。綠泥石分類圖解表明樣品中的綠泥石均為鐵斜綠泥石(圖11a)。綠泥石的Mg/(Fe+Mg)-Al/(Al+Mg+Fe)圖解被廣泛用于判別礦物與其母巖的關(guān)系，當(dāng)Al/(Al+Mg+Fe)小于0.35時(shí)，綠泥石源于鐵鎂質(zhì)硅酸鹽礦物的轉(zhuǎn)化，反之，則為泥質(zhì)/黏土巖蝕變形成(Laird, 1988)。E-MUP和E-HUP綠泥石的Mg/(Fe+Mg)變化穩(wěn)定，且二者的Al/(Al+Mg+Fe)均小于0.30，與鏡下觀察結(jié)果相符，但整體而言，團(tuán)塊狀產(chǎn)出的綠泥石(E-MUP-C和E-HUP)中Al含量要高于鱗片狀的綠泥石(E-MUP-S)(圖11b)。

圖11 E-MUP和E-HUP中綠泥石的分類圖解(a,據(jù)Deer et al., 1962)和Mg/(Fe+Mg)-Al/(Al+Mg+Fe)圖解(b)Fig.11 Classification diagram (a, after Deer et al., 1962) and Mg/(Fe+Mg) vs. Al/(Al+Mg+Fe) diagram (b) of the chlorite in E-MUP and E-HUP

綠泥石礦物分子式的組成特征，如Aliv、Alvi、Mg、Fe等，能夠指示其形成過程和條件(Bryndzia and Scott, 1987; Jahren and Aagaard, 1989)。在Aliv-Alvi圖解中，E-MUP和E-HUP綠泥石都不具備明顯的線性關(guān)系(圖12a)，而在Aliv-Fe/(Fe+Mg)圖解中也是如此(圖12b)，說明礦物晶格中Mg、Fe原子的替換不伴隨著Aliv對(duì)Siiv的替換(Xieetal., 1997)，即四面體位置上的Si-Al替換與八面體位置上的替換相互獨(dú)立，為一次蝕變作用的結(jié)果(夏菲等, 2016)。進(jìn)一步考慮八面體位置上的替換過程，(Fe+Alvi)-Mg圖解中綠泥石的負(fù)線性相關(guān)性明顯(圖12c)，表明其八面體位置主要被Al、Fe、Mg三種元素占據(jù)(Xieetal., 1997; 張展適等, 2007)，同時(shí)注意到，F(xiàn)e-Mg圖解中的線性關(guān)系明顯強(qiáng)于Alvi-Mg和Alvi-Fe圖解(圖12d-f)，說明八面體位置上主要發(fā)生Fe-Mg替換，Al基本未參與替換。

圖12 E-MUP和E-HUP中綠泥石主要陽(yáng)離子替換過程圖解Fig.12 Correlative plots of major cations substitution in chlorites in E-MUP and E-HUP

黑云母的綠泥石化在高分異的花崗巖類中十分普遍(Ferry, 1979; Nishimoto and Yoshida, 2010)。通常，黑云母的綠泥石化是一個(gè)體積增加的反應(yīng)，需要外來Fe、Mg組分的加入(Parry and Downey, 1982)，因此礦物的Fe/(Fe+Mg)比值會(huì)發(fā)生明顯變化(Parneixetal., 1985; 張龍等, 2017)。相比于Fe、Mg等活動(dòng)性元素，Al在熱液流體中的活度較低，故在多數(shù)蝕變反應(yīng)中可以作為嚴(yán)格的惰性組分(Helgeson, 1971)。因而不少學(xué)者認(rèn)為，在礦物尺度下，黑云母的綠泥石化可視為“Al-保守”反應(yīng)(Ferry, 1979; Parry and Downey, 1982; Veblen and Ferry, 1983)，特別是對(duì)于保留了黑云母假象的綠泥石而言，在成因上遵循原地“溶解-沉淀”的機(jī)制，能夠保留原生礦物的信息(張展適等, 2007; Yaminietal., 2017)。Mg/(Fe+Mg)-Al/(Al+Mg+Fe)圖解(圖11b)和陽(yáng)離子替換圖解(圖12)表明，Al在綠泥石化過程中主要作為礦物晶格骨架，在陽(yáng)離子替換過程中的參與度較低，基本不受后期蝕變的影響，故能反映原生黑云母的相關(guān)信息。通過對(duì)比三種樣品中的鐵鎂質(zhì)硅酸鹽礦物數(shù)據(jù)，可以看出，從E-LUP到E-HUP，礦物的Fe/(Fe+Mg)比值逐漸上升，但全Al含量(Al total)則分為兩組(圖13)：E-LUP中黑云母與E-MUP中鱗片狀綠泥石(E-MUP-S)的全Al含量相近，且均低于團(tuán)塊狀綠泥石(E-MUP-C和E-HUP)。上述結(jié)果表明，在未發(fā)生綠泥石化之前，E-MUP中鱗片狀黑云母可能和E-LUP中黑云母有成因聯(lián)系，而團(tuán)塊狀黑云母的成因可能有別于前者。

圖13 E型偉晶巖中鐵鎂質(zhì)礦物的全Al-Fe/Fe+Mg圖解黑云母的分子式基于28個(gè)陽(yáng)離子重新計(jì)算Fig.13 Total Al vs. Fe/Fe+Mg diagram of mafic minerals in E-type pegmatitesMajor cations in biotite are recalculated on an anhydrous 28 oxygen-atom per-formula-unit base

5 討論

5.1 偉晶質(zhì)巖漿的演化

鈾礦床的巖芯鉆探工作表明，產(chǎn)于湖山背斜中的E型偉晶巖是鈾礦化的主要載體之一(張懷峰和陸建軍, 2018)。礦石中的工業(yè)鈾礦物主要為巖漿成因的晶質(zhì)鈾礦(少量鈾釷石)，因此在探討鈾元素富集與沉淀機(jī)制之前，有必要對(duì)偉晶巖的巖漿演化過程進(jìn)行研究。在主量元素哈克圖解中，樣品SiO2與酸性組分(CaO、K2O、Na2O)之間的協(xié)變關(guān)系不明顯(圖14a-c)，但與基性組分(FeOT、MgO、TiO2)之間具有一定的相關(guān)性(圖14d-f)。一方面，從E-LUP到E-HUP，SiO2的逐漸降低和FeOT、MgO、TiO2的逐漸升高與黑云母和金屬副礦物(黃鐵礦、黃銅礦、金紅石、鈦鐵礦)含量的增加相對(duì)應(yīng)；另一方面，鋁飽和指數(shù)、稀土元素配分模式，以及長(zhǎng)石類礦物的化學(xué)性質(zhì)表明，相比于E-LUP，E-MUP和E-HUP的巖漿分異程度更高，因此巖漿的分離結(jié)晶過程無(wú)法解釋主量元素的演化趨勢(shì)。

圖14 湖山鈾礦床E型偉晶巖主量元素哈克圖解Fig.14 The Harker plots of major elements of E-type pegmatites from Husab uranium deposit

由于礦物的粒徑和相對(duì)含量變化較大，不少學(xué)者認(rèn)為，與主量元素相比，微量元素的協(xié)變關(guān)系更能反映偉晶質(zhì)巖漿的演化過程(Mckeoughetal., 2013; Chenetal., 2019)。黑云母是樣品中唯一的鐵鎂質(zhì)硅酸鹽礦物，盡管在E-MUP和E-HUP中已蝕變?yōu)榫G泥石，但任保持著黑云母的假象。在酸性巖漿中，Th相對(duì)于U更加容易進(jìn)入黑云母，而U更傾向于在殘余巖漿中富集(Nash and Crecraft, 1985)，因而Th/U-La圖解中的負(fù)相關(guān)趨勢(shì)(圖15a)可以指示黑云母的分離結(jié)晶(Zhuetal., 2006)，同時(shí)，Zr/Hf-La和(La/Yb)N-La圖解中的變化趨勢(shì)(圖15b, c)可以代表酸性巖漿中副礦物(如：鋯石、磷灰石、榍石)的分離結(jié)晶(Lietal., 2007)。值得注意的是，從E-LUP到E-HUP，樣品中黑云母的含量逐漸上升，與Th/U-La圖解中的變化趨勢(shì)不符。結(jié)合圖13所示的結(jié)果，圖15a中的負(fù)相關(guān)關(guān)系可能只是E-LUP和E-MUP中鱗片狀黑云母分離結(jié)晶作用的反映，而E-HUP中Th/U值的下降可能與晶質(zhì)鈾礦的大量沉淀有關(guān)，同時(shí)也說明團(tuán)塊狀黑云母的成因需要用其它巖漿過程來解釋。

圖15 湖山鈾礦床E型偉晶巖分離結(jié)晶和同化混染過程圖解FC-分離結(jié)晶；FeOT+MgO+TiO2-混染指數(shù)Fig.15 Fractional crystallization and assimilation processes of E-type pegmatites from Husab uranium depositFC-fractional crystallization; FeOT+MgO+TiO2-hybridization index

研究區(qū)內(nèi)，以團(tuán)塊狀黑云母為典型特征的高品位鈾礦體通常產(chǎn)于地層接觸帶內(nèi)(榮建鋒等, 2016; 張懷峰和陸建軍, 2018)，類似現(xiàn)象在Ida Dome和歡樂谷地區(qū)也有報(bào)道(Corvino and Pretorius, 2013; 呂榮平等, 2015)。以往的研究中，與E-HUP類似的、組成不均一的“復(fù)雜類型”礦體，通常被認(rèn)為是偉晶質(zhì)巖漿同化混染圍巖物質(zhì)的產(chǎn)物(Mckeoughetal., 2013; Yuanetal., 2018; 王江波等, 2020)。除了礦物組成的復(fù)雜性外，“復(fù)雜類型”礦體在化學(xué)成分上也具有明顯的“混合特征”，即混染組分與成礦金屬元素之間具有明顯的正相關(guān)性(Lentz, 1996; 劉剛等, 2017; 袁峰等, 2017)。本次研究中，基于主量元素的變化趨勢(shì)(圖6d、圖14)，借鑒Lentz (1996)所提出的方法，選取“FeOT+MgO+TiO2”作為“混染指數(shù)”，與U、Th和Nb做相關(guān)性分析。結(jié)果表明，從E-LUP到E-HUP，U、Th和Nb與“混染指數(shù)”之間具有同步富集的趨勢(shì)(圖15d-f)，印證了晶質(zhì)鈾礦、金屬副礦物(金紅石、鈦鐵礦、黃鐵礦等)和團(tuán)塊狀黑云母的空間聯(lián)系。此外，團(tuán)塊黑云母中的它形石英顆粒(圖4k)也能為混染過程提供一定的礦物學(xué)證據(jù)(Yuanetal., 2018; 劉剛等, 2017; 袁峰等, 2017)。

綜上，E型偉晶巖礦物組成和化學(xué)性質(zhì)的演變是同化混染與分離結(jié)晶(AFC)作用的結(jié)果。巖漿演化過程受外來基性組分(FeO、MgO、TiO2)的混入，并直接影響到相關(guān)礦化元素(U、Th、Nb)的富集，導(dǎo)致金屬礦物的沉淀。該過程能有效地解釋哈克圖解中元素的異常變化趨勢(shì)。

5.2 高鈾礦體中團(tuán)塊黑云母的形成

如上文所述，E型偉晶巖中含鈾氧化物具有兩種產(chǎn)出形式。第一種為E-MUP中所見，晶質(zhì)鈾礦/鈾釷石呈浸染狀分布于石英、長(zhǎng)石和黑云母之間，礦化分散(圖4h-i、圖5a-c)。第二種常見于E-HUP中，晶質(zhì)鈾礦與團(tuán)塊黑云母有明顯的空間聯(lián)系，且鈉長(zhǎng)石、Fe-Ti氧化物和金屬硫化物與之共生(圖4j-l、圖5d-f)，礦化集中，程度極高。故一些學(xué)者將侵入體中黑云母的含量作為圈定找礦靶區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)之一(Corvino and Pretorius, 2013; 趙希剛等, 2015)。因此，在探討鈾元素的富集和沉淀之前，有必要對(duì)團(tuán)塊黑云母的成因進(jìn)行研究。

由4.1節(jié)可知，E型偉晶巖的巖漿演化受到了外來基性組分(FeO、MgO、TiO2)的混染，因而有必要討論基性組分的加入對(duì)礦物結(jié)晶過程的影響。礦物相平衡模擬是預(yù)測(cè)巖石體系中礦物組成演變的常用方法(魏春景和周喜文, 2003;魏春景和王偉, 2007)，而硅酸質(zhì)熔體模型的加入，使得利用礦物固溶體數(shù)據(jù)庫(kù)模擬酸性巖漿的演化成為可能(Whiteetal., 2001, 2007)。本次研究選取E-HUP的平均主量元素組成作為“混染體系”，E-LUP的平均主量元素組成作為“正常體系”，考慮SiO2-Al2O3-FeO-MgO-TiO2-CaO-Na2O-K2O-H2O的體系組成，利用溫度-成分(T-X)混合變量圖解，計(jì)算不同熔體冷卻過程中礦物的結(jié)晶過程(Connolly, 1990; Whiteetal., 2001)。由于石英與所有礦物共生，故SiO2在計(jì)算中被視為飽和組分。模擬計(jì)算的壓力取2.6kbar，為歡樂谷地區(qū)礦化偉晶巖中流體包裹體的研究結(jié)果，可代表巖漿成礦期的平均壓力(范洪海等, 2015)。使用的固溶體模型包括melt(HP)(硅酸質(zhì)巖漿)、三端元長(zhǎng)石固溶體feldspar(堿性長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石系列)和Bio(HP)(黑云母)。端元礦物及固溶體的物理化學(xué)性質(zhì)參照Holland & Powell數(shù)據(jù)庫(kù)(Holland and Powell, 2011)，計(jì)算軟件為Perple_x，版本為6.8.6，結(jié)果如圖16所示。

圖16 E-HUP混染體系(a)和E-LUP正常體系(b)的溫度-成分圖解XMg=MgO/(MgO+FeOT). melt-硅酸鹽熔體；ilm-鈦鐵礦；ru-金紅石；abh-鈉長(zhǎng)石；Kfs-鉀長(zhǎng)石；Bio-黑云母；Qz-石英Fig.16 Temperature-component diagrams for E-HUP (a) and E-LUP (b) systemXMg=MgO/(MgO+FeOT). melt- silicate melt; ilm- ilmenite; ru-rutile; abh-albite; Kfs-potassic feldspar; Bio-biotite; Qz-quartz

在“混染體系”中(圖16a)，鉀長(zhǎng)石(Kfs)的初始結(jié)晶溫度約為1193K，黑云母(Bio)的初始結(jié)晶溫度約為1153K。隨著溫度的降低，約在1073K時(shí)，兩種長(zhǎng)石(鉀長(zhǎng)石Kfs和鈉長(zhǎng)石abh)開始與黑云母和熔體共存。在“正常體系”中(圖16b)，鉀長(zhǎng)石在1233 K時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)，而黑云母在～1073K時(shí)才開始結(jié)晶。上述現(xiàn)象表明，外來基性組分的混入不僅為黑云母的大量晶出提供了物質(zhì)條件，而且升高了黑云母在巖漿中的初始結(jié)晶溫度，延長(zhǎng)了結(jié)晶時(shí)間。再者，相比于“混染體系”，“正常體系”中鉀長(zhǎng)石的初始結(jié)晶溫度較高，大量鉀長(zhǎng)石的優(yōu)先結(jié)晶會(huì)占據(jù)更多的結(jié)晶空間，不利于后續(xù)黑云母的生長(zhǎng)。在rhyolite-MELTS巖漿模擬體系中也能得出上述結(jié)論(圖17)。E-HUP和E-LUP巖漿中黑云母的初始結(jié)晶溫度約為950℃和850℃，并隨著溫度的降低，“混染體系”中黑云母和鐵鈦氧化物的含量明顯高于“正常體系”，與巖礦鑒定結(jié)果一致，同時(shí)，E-LUP巖漿在1000℃時(shí)已有大量的鉀長(zhǎng)石結(jié)晶(23.35%)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于E-HUP巖漿(975℃時(shí)鉀長(zhǎng)石含量為10.94%)。值得注意的是，樣品中團(tuán)塊黑云母的Al含量普遍高于鱗片狀黑云母(圖13)，而E-HUP中鉀長(zhǎng)石的Al含量普遍低于E-MUP和E-LUP(Al原子數(shù)分別為0.990～0.997和0.994～1.012)，進(jìn)而從礦物學(xué)的角度證明了在E-HUP中黑云母相對(duì)“優(yōu)先結(jié)晶”，而鉀長(zhǎng)石相對(duì)“延后結(jié)晶”，因此黑云母具有更充足的結(jié)晶空間和時(shí)間，傾向于以團(tuán)塊狀聚集的形態(tài)產(chǎn)出。

圖17 E-HUP混染體系(a)和E-LUP正常體系(b)的溫度-礦物成分圖解體系組成計(jì)算同圖16，計(jì)算模型基于Gualda et al. (2012)Fig.17 Temperature vs. mineral compositions diagrams for E-HUP (a) and E-LUP (b) systemCalculation of system composition is as same as Fig.16, calculation model after Gualda et al. (2012)

此外，“捕虜晶混染”模型可以解釋團(tuán)塊黑云母周圍金紅石、鈦鐵礦和鈉長(zhǎng)石的成因(Beardetal., 2005; Clarke, 2007; Erdmannetal., 2007)。研究發(fā)現(xiàn)，具有含水礦物(如云母、角閃石等)的捕擄體在接觸帶往往發(fā)生脫水熔融作用，分解為不含水的礦物組合(如金屬氧化物、斜長(zhǎng)石等)與含水熔體(Erdmannetal., 2010; Dill and Skoda, 2015)。隨著捕擄體的不斷消耗，含水熔體會(huì)逐漸進(jìn)入巖漿，而不含水礦物會(huì)在混合巖漿固結(jié)過程中以副礦物的形式保留，因而與團(tuán)塊黑云母共生的金紅石、鈦鐵礦和鈉長(zhǎng)石也是同化混染過程的有力證據(jù)之一(Beardetal., 2004; Farris and Paterson, 2007)。湖山鈾礦床中，E-HUP多產(chǎn)于羅辛組和可汗組的不整合接觸帶，而上述地層中均含有黑云-角閃片巖的巖性單元(榮建鋒等, 2016; 張懷峰和陸建軍, 2018)，可能為巖漿混染過程提供基性物質(zhì)。

5.3 鈾礦化機(jī)制的探討

鈾元素為高度不相容的大離子親石元素，具有親氧、氟和氯元素的特性，趨向于在殘余巖漿中富集(Cuney, 2009; 2010)。本次研究中，E-MUP的晶質(zhì)鈾礦/鈾釷石以獨(dú)立副礦物的形式存在，礦化程度不高，鈾元素在巖漿分異過程中逐步富集，達(dá)到飽和濃度后以氧化物的形式沉淀(趙希剛等, 2015; 陳金勇等, 2017)。然而，E-HUP中的晶質(zhì)鈾礦往往集中分布于團(tuán)塊黑云母附近，礦化程度極高，很難通過巖漿的結(jié)晶分異作用形成(Cuney, 2014; Ballouardetal., 2017)。故有必要通過E-HUP中獨(dú)特的礦物組合來揭示其鈾礦化的過程。

晶質(zhì)鈾礦是典型的高溫成因礦物，在樣品中常與金屬硫化物共生(圖4i, l、圖5b, c)，表明其巖漿具有較高的溫度和較低的氧逸度(Mercadieretal., 2011; Dill, 2015)。在高溫低氧的巖漿中，鈾主要以U4+或UOn4-2n的形式存在，在巖漿演化的晚期傾向于和鹵族元素結(jié)合(Peiffertetal., 1996)。研究表明，U4+與F-結(jié)合形成的UFm4-m絡(luò)合物是巖漿成因的鈾礦床中鈾元素的主要遷移形式(Cuney, 2010; Redkin and Velichkin, 2013; Yuanetal., 2020)，而在演化后期的殘余熔體中，F(xiàn)的富集也會(huì)使鈾元素的豐度隨之增長(zhǎng)(Kovalenkoetal., 2012)。在納米比亞成礦省內(nèi)，主成礦期(巖漿期)的流體中檢測(cè)出了大量的F-和Cl-，證實(shí)了鈾以鹵化物的形式遷移(陳金勇等, 2015)。由4.2節(jié)可知，基性組分的混入會(huì)導(dǎo)致E-HUP中黑云母的大量沉淀，而花崗質(zhì)熔體中黑云母等含羥基礦物是F的主要載體(曾令交和金景福, 1994)，故該過程會(huì)造成巖漿中F含量的快速下降，同時(shí)也降低了鈾元素的溶解度，促使UFm4-m絡(luò)合物發(fā)生水解，鈾元素達(dá)到過飽和狀態(tài)，進(jìn)而在團(tuán)塊黑云母周圍析出晶質(zhì)鈾礦。用方程式可簡(jiǎn)要表示為：UFm4-m(aq)+2H2O(l) → UO2(s)+mF-(aq)+4H+(aq)。

花崗質(zhì)巖漿能夠降低接觸帶內(nèi)圍巖物質(zhì)的固相線溫度，有利于發(fā)生大規(guī)模的同化混染作用(Lentz, 1996; Mckeoughetal., 2013)。該過程中外來物質(zhì)的混入對(duì)礦石的礦化程度有促進(jìn)作用(圖15d, e)，因此在羅辛組和可汗組的不整合帶/接觸帶內(nèi)往往具有更顯著的礦化異常(Shanyenganaetal., 2020; 榮建鋒等, 2016)。綜上所述，E型偉晶巖礦石中鈾元素的富集與沉淀受同化混染與分離結(jié)晶(AFC)作用的控制，外來基性組分(FeO、MgO、TiO2)的混入是形成高品位礦體的必要條件。

6 結(jié)論

(1)湖山鈾礦床E型偉晶巖中的含鈾氧化物主要為巖漿成因的晶質(zhì)鈾礦，含少量鈾釷石。根據(jù)礦物組合和鈾礦化程度，E型偉晶巖礦石可以分為“簡(jiǎn)單類型”偉晶巖(E-LUP和E-MUP)和“復(fù)雜類型”偉晶巖(E-HUP)。前者具有花崗偉晶結(jié)構(gòu)，鈾礦化程度低到中等，而后者以大量團(tuán)塊狀黑云母為典型特征，鈾礦化程度極高。

(2)全巖主微量元素和礦物電子探針分析結(jié)果顯示，E-LUP和E-MUP之間具有成因聯(lián)系，為同源巖漿經(jīng)過分離結(jié)晶作用的產(chǎn)物，鈾元素隨著巖漿的分異演化富集，最終以獨(dú)立礦物的形式沉淀。分離結(jié)晶作用是控制“簡(jiǎn)單類型”偉晶巖礦化程度的主要因素。

(3)E-HUP的巖漿演化主要受同化混染過程的影響，外來基性組分(FeO、MgO、TiO2)的加入導(dǎo)致熔體中礦物的初始結(jié)晶溫度發(fā)生改變，黑云母的“優(yōu)先結(jié)晶”和鉀長(zhǎng)石的“延后結(jié)晶”為黑云母提供了更充足的結(jié)晶時(shí)間和生長(zhǎng)空間，促使黑云母以團(tuán)塊狀聚集的形式產(chǎn)出，并大量消耗體系中的F離子。F離子濃度的下降會(huì)引發(fā)殘余巖漿中UFm4-m絡(luò)合物的水解，導(dǎo)致晶質(zhì)鈾礦在團(tuán)塊黑云母內(nèi)部或周圍大量沉淀，進(jìn)而形成高品位的鈾礦體。

致謝野外調(diào)查及采樣工作得到了中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)蔡敏、張帆博士、岳文教授、鄭新奇教授和中廣核鈾業(yè)斯科有限公司(Swakop Uranium)的蔡于勝總經(jīng)理、向偉東副總經(jīng)理、張懷峰、謝成龍地質(zhì)師的支持與幫助；劉典波博士提供了野外地質(zhì)圖；室內(nèi)分析測(cè)試得到了河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室修迪老師的幫助；三位匿名審稿專家的精心審閱使得本文質(zhì)量顯著提高；在此一并致以衷心的感謝！