錢家店鈾礦床輝綠巖元素及同位素地球化學(xué)特征

劉漢彬，金貴善，韓娟，張建鋒，李軍杰，張佳，石曉

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

松遼盆地錢家店鈾礦床礦區(qū)及周圍地層內(nèi)發(fā)育輝綠巖侵入體［1-3］，輝綠巖與礦體產(chǎn)狀、空間分布密切相關(guān)，在鈾成礦過程中提供了熱流體，該流體在鈾成礦作用中使砂巖發(fā)生蝕變等熱流體改造、滯水等作用［1-4］，是該礦床重要的成礦因素。雖然該礦床輝綠巖的熱改造作用引起了不少學(xué)者的高度關(guān)注，但該地區(qū)輝綠巖元素、同位素地球化學(xué)特征研究較少，且缺乏系統(tǒng)性。筆者在對(duì)該礦床輝綠巖巖石學(xué)、元素含量、同位素組成、成巖年代學(xué)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，探討了其成巖環(huán)境、巖漿源區(qū)來源等問題，進(jìn)一步深化輝綠巖成巖及在鈾成礦過程中物理化學(xué)作用的認(rèn)識(shí)。

1 地質(zhì)概況

錢家店鈾礦床位于開魯坳陷東北部的錢家店凹陷（圖1）。地層主要由白堊系、古近系、新近系和第四系組成；NE向深大斷裂F1、F2是礦區(qū)主要斷裂構(gòu)造，控制著基性巖漿活動(dòng)，在礦床附近地層中見有相對(duì)較大面積的輝綠巖體。

圖1 松遼盆地錢家店鈾礦床鈾礦化帶與輝綠巖分布疊合圖（據(jù)顏新林，2018修改）Fig.1 Superimposition of uranium mineralization zone and diabase distribution in Qianjiadian uranium deposit，Songliao basin（Modified after YAN Xinlin，2018）

砂巖型鈾礦含礦目的層為上白堊統(tǒng)姚家組，其巖性為一套紅雜色沉積建造，分為上、下兩段，其中下段為主要賦礦層位。礦體形態(tài)主要呈透鏡體狀，部分呈板狀、似層狀，礦體產(chǎn)狀與地層基本一致，相對(duì)較平緩。

在辮狀河道沉積體系內(nèi)，輝綠巖侵入促進(jìn)了地層內(nèi)含鈾砂體鈾的活化、遷移、聚集，使該礦床透鏡狀礦體、灰色砂體、輝綠巖體三者空間分布高度重疊，鈾成礦作用空間位置受輝綠巖侵入體分布的控制。

2 地球化學(xué)特征

選擇錢家店鈾礦床0202-13號(hào)鉆孔孔深243 m處的輝綠巖樣品（樣品號(hào)QJD-1），進(jìn)行了元素含量、同位素組成分析。樣品分析由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成。

2.1 巖石組成

輝綠巖主要發(fā)育在錢家店鈾礦床白堊系姚家組、嫩江組，鉆探及地球物理勘查表明，巖體形態(tài)總體呈樹枝狀，巖體侵入白堊系分支厚度一般為幾米至幾十米。鈾礦化好的區(qū)塊基本對(duì)應(yīng)發(fā)育有輝綠巖［1-3］。

鉆孔巖心輝綠巖為灰黑色或灰綠色，致密塊狀、堅(jiān)硬。鏡下鑒定及激光拉曼分析表明，主要礦物成分為基性斜長石、輝石及橄欖石。斜長石約占45%，呈板狀、長板狀、自形程度較高，粒度在0.1～0.5 mm；輝石約占50%，呈粒狀、短柱狀充填于斜長石粒間，粒度大多在0.1～0.3 mm，個(gè)別達(dá)0.5 mm；橄欖石約占4%，呈粒狀、球粒狀，粒度在0.2～0.5 mm。巖石具有明顯的輝綠結(jié)構(gòu)，黑色的呈針狀、粒狀磁鐵礦零星散布。此外，氣孔構(gòu)造發(fā)育，且氣孔內(nèi)大多為晚期菱鐵礦碳酸鹽礦物所充填（圖2）。

圖2 輝綠巖巖石學(xué)特征Fig.2 Petrological characteristics of diabase

2.2 常量元素

錢家店鈾礦床輝綠巖常量元素含量分析數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。其中，SiO2含量為49.69%，Al2O3含量為13.79%，MgO含量為7.14%，Na2O含量為2.93%，K2O含量為0.37%，TiO2含量為1.62%。輝綠巖具有富鎂、低硅特征。TAS圖顯示樣品分布在玄武巖區(qū)，屬亞堿性系列（圖3）。Na2O/K2O為7.91，反映出較弱的巖漿分異作用。

表1 錢家店鈾礦床輝綠巖常量元素分析結(jié)果/%Table 1 Major elements content/% of diabase in Qianjiadian uranium deposit

圖3 輝綠巖TAS分類圖和AFM圖Fig.3 Classification diagram of TAS and AFM for the diabase

2.3 稀土元素

輝綠巖稀土元素含量見表2，圖4為輝綠巖稀土元素配分圖解?！芌EE為65.680×10-6，LREE/HREE為3.700，（La/Yb）N=3.710，兩比值相近，輕、重稀土元素之間的分離較為明顯，稀土配分模式呈右傾的輕稀土元素富集型特點(diǎn)。δEu=1.130，Eu顯示弱的正異常，表明成巖過程中有少量的斜長石分離結(jié)晶。

圖4 輝綠巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE型式圖Fig.4 Chondrite-normalized REE pattern of diabase

2.4 微量元素

火山巖的巖漿演化過程和源區(qū)的組成，可以利用微量元素之間分異能力進(jìn)行衡量［5］。輝綠巖微量元素含量分析結(jié)果見表2。輝綠巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化、MORB標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖見圖5，從原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中可以看出，微量元素分布曲線總體平坦，部分微量元素含量約是原始地幔標(biāo)準(zhǔn)值的10倍，大離子親石元素（LIHE）Th、U、K相對(duì)呈現(xiàn)虧損狀態(tài)，高場強(qiáng)元素（HFSE）分布形式不平坦，說明具有一定程度的分異，特別是Ce、P、Ti三個(gè)元素弱虧損。金紅石、鈦鐵礦的分離結(jié)晶可能造成Ti元素虧損，磷灰石的分離結(jié)晶可能造成P的虧損，斜長石的分離結(jié)晶作用可能造成Ce的虧損。從MORB標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中可以看出，微量元素分布曲線明顯右傾，高場強(qiáng)元素（HFSE）分異程度明顯。

圖5 輝綠巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化、MORB標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖Fig.5 Primitive mantle normalized，MORB normalized trace elements spider diagrams of diabase

表2 錢家店鈾礦床QJD-1樣輝綠巖稀土和微量元素?cái)?shù)據(jù)/10-6Table 2 REE and trace elements content/10-6 of diabase Sample QJD-1 in Qianjiadian uranium deposit

2.5 同位素組成

錢家店鈾礦床輝綠巖樣品Sr、Nd、Pb同位素組成見表3。樣品的87Rb/86Sr為0.104 1，87Sr/86Sr（±2σ）為0.704 198±0.000 013，與原始地幔現(xiàn)在值0.704 5相比略低；樣品的147Sm/144Nd為0.176 7，143Nd/144Nd（±2σ）為0.512 875±0.000 005，與原始地?，F(xiàn)在值0.512 638相比略高；樣品的εtNd為4.75，為較高的正值，反映出地幔源區(qū)相對(duì)虧損或有虧損地幔源區(qū)物質(zhì)的加入。樣品在87Sr/86Sr-143Nd/144Nd圖上的投影點(diǎn)位于虧損地幔（DM）演化線范圍內(nèi)，在全硅酸鹽地球（BSE）和經(jīng)常觀測到的普通地幔（PREMA）之間，具有過渡型地幔特征（圖6）［6］。

輝 綠 巖 樣 品 的208Pb/204Pb（±2σ）為38.252±0.006，207Pb/204Pb（±2σ）為15.511±0.003，206Pb/204Pb（±2σ）為18.258±0.003。在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb圖上，樣品投影點(diǎn)位于大洋中脊玄武巖（MORB）區(qū)域邊緣，并且位于下部大陸地殼區(qū)域附近位置，說明巖漿源區(qū)有下地殼物質(zhì)的加入（圖6）。

圖6 輝綠巖87Sr/86Sr-143Nd/144Nd和206Pb/204Pb-207Pb/204Pb圖解（據(jù)Rollison H R，楊學(xué)明，等譯，2000）Fig.6 87Sr/86Sr-143Nd/144Nd and 206Pb/204Pb-207Pb/204Pb diagrams of diabase（After Rollison H R，translated by Yang Xueming，et al.2000）

輝綠巖的全巖氧、硅、硫同位素結(jié)果（表3）：δ18OV-SMOW為8.9‰，在87Sr/86Sr-δ18OV-SMOW圖上，樣品投影點(diǎn)位于地殼混染作用區(qū)域（圖7），地幔中Sr與混染物中Sr的相對(duì)比值在4：1左右，混染物相對(duì)地幔的比例（X）為0.6左右，在巖漿侵入過程中有部分下地殼物質(zhì)的混入。

圖7 源區(qū)混染作用和地殼混染作用對(duì)地幔熔體的Sr和O同位素組成制約效應(yīng)的假設(shè)混合作用圖解（據(jù)James，1981）Fig.7 Hypothetical mixing diagram of Sr and O isotopic compositions of mantle melts influenced by source contamination and crustal contamination（After James，1981）

表3 錢家店鈾礦床QJD-1樣輝綠巖Sr、Nd、Pb、O、S、Si、He、Ar同位素組成Table 3 Sr,Nd,Pb,O,S,Si,He,Ar isotopic composition of diabase Sample QJD-1 from Qianjiadian uranium deposit

硅同位素分析結(jié)果表明，δ30SiNBS-28為0.1‰，與攀枝花巖體兩個(gè)輝長巖的δ30SiNBS-28值（分別為0.1‰、0.3‰）相近，并且處于基性巖硅同位素組成的范圍之內(nèi)［7］。

基性巖的δ34SV-CDT變化范圍較大，大約為-5.7‰～7.6‰，平均值接近2.7‰，比隕石和超基性巖富34S［8］。輝綠巖樣品的δ34SV-CDT為2.0‰，34S相對(duì)富集，可能與地殼硫的混染作用有關(guān)。

輝綠巖礦物包裹體稀有氣體組成分析結(jié)果（表3）：3He/4He為1.56×10-6，40Ar/36Ar為316.8，38Ar/36Ar為0.2。大氣中3He/4He的比值定義為Ra，地質(zhì)體中3He/4He的比值定義為R。根據(jù)已有的數(shù)據(jù)，地幔（MORB）R/Ra=8，地殼R/Ra<0.1，大氣40Ar/36Ar=299，地殼40Ar/36Ar=299～100 000（M.A.Kendrink and P.Burnard，2013），當(dāng)Ra取值為1.4×10-6時(shí)，輝綠巖R/Ra=1.12，巖漿成分應(yīng)來源于地幔，輝綠巖40Ar/36Ar比值高于大氣，在巖漿上升過程中，有部分地殼物質(zhì)的混染作用。因此，巖石來源于地幔并且有地殼物質(zhì)的加入。

3 成巖背景分析

3.1 成巖年齡

本次研究采用40Ar-39Ar法對(duì)錢家店鈾礦床輝綠巖進(jìn)行年齡測定。樣品經(jīng)過600～1 300℃的溫度內(nèi)9個(gè)階段的分步加熱（表4）。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，等時(shí)線年齡為50.7±0.3 Ma，加權(quán)平均方差MSWD=0.31，得到初始40Ar/36Ar=329.6±9.2。反等時(shí)線年齡為50.6±0.3 Ma，加權(quán)平均方差MSWD=0.31，得到初始40Ar/36Ar=329.9±9.2?？梢钥闯觯葧r(shí)線年齡與反等時(shí)線年齡的MSWD都小于1.0，得到年齡值可信度較高，在誤差范圍內(nèi)等時(shí)線年齡、反等時(shí)線年齡二者基本一致（圖8）。初始40Ar/36Ar組成為329.9±9.2，比大氣40Ar/36Ar比值299（M.A.Kendrink和P.Burnard，2013）稍高，說明巖石形成過程中有很少量的捕獲過剩Ar。

圖8 輝綠巖40Ar-39Ar法等時(shí)線和反等時(shí)線年齡圖Fig.8 40Ar-39Ar isochron and reverse isochron ages of diabase

表4 錢家店鈾礦床QJD-1樣輝綠巖40Ar-39Ar年齡測定數(shù)據(jù)Table 4 The 40Ar-39Ar dating data of diabase Sample QJD-1 in Qianjiadian uranium deposit

該礦床已有的輝綠巖40Ar/36Ar成巖年齡為53.0±2.3、45.8±8.0［3］、49.0 Ma［2］，K-Ar法年齡為50.1 Ma［9］，本次測定錢家店鈾礦床輝綠巖40Ar-39Ar法年齡在誤差范圍內(nèi)與前人研究一致。錢家店鈾礦床成礦年代學(xué)研究表明，49±4 Ma是該地區(qū)層間氧化主成礦階段，主要構(gòu)造活動(dòng)為反轉(zhuǎn)構(gòu)造及輝綠巖侵入［1］。區(qū)域上，松遼盆地南部雙遼地區(qū)新生代火山巖橄欖玄武巖K-Ar法定年結(jié)果為49.1±1.68、48.4±1.74、47.4±1.75 Ma［10］。因此，錢家店鈾礦床輝綠巖40Ar-39Ar法測定年齡為50.7±0.3 Ma，揭示該地區(qū)在始新世早期發(fā)生一期巖漿侵入活動(dòng)。

3.2 巖漿源區(qū)性質(zhì)

錢家店鈾礦床輝綠巖具有高鎂、低硅的特征，表明該類巖石具有地幔的源區(qū)性質(zhì)，且?guī)r漿分離結(jié)晶作用不明顯，δEu=1.13，Eu的弱異常也說明了這一現(xiàn)象。

輝綠巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化、MORB標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖說明輝綠巖源區(qū)與原始地幔具有一定的成因聯(lián)系（圖5）。輝綠巖微量元素Nb/U=30.70，比下地殼值（Nb/U=25，R.L.Rudnick et al，2003）和上地殼值（Nb/U=4.44，R.L.Rudnick，et al，2003）高，顯示源區(qū)以地幔物質(zhì)為主。Nb/Ta=15.64，比原始地幔值（17.5±2.0，R.L.Rudnick，et al，2003）略低，Zr/Hf=32.21，比原始地幔值（36.27±2.0，R.L.Rudnick，et al，2003）略低，也說明地幔是源區(qū)物質(zhì)的主要來源。在輝綠巖Zr-Y和Zr-Nb圖解上（圖9），同樣顯示巖漿來源于過渡型地幔。

圖9 輝綠巖Zr-Y和Zr-Nb圖解（據(jù)Le Roex，et al，1983）Fig.9 Zr-Y and Zr-Nb diagrams of diabase（After Le Roex，et al，1983）

輝綠巖的87Sr/86Sr比值相對(duì)較低，且εtNd為相對(duì)較高正值，綜合考慮87Sr/86Sr-143Nd/144Nd圖（圖6）、206Pb/204Pb-207Pb/204Pb圖（圖6）和δ18OV-SMOW-87Rb/86Sr圖（圖7）投影結(jié)果，說明輝綠巖來源于虧損地幔和下地殼物質(zhì)的混合源區(qū)。

3.3 構(gòu)造背景

某些微量元素含量在巖漿熔體與殘留相之間的比值相對(duì)穩(wěn)定，比如Zr、Ti、Nb、Y、Sr等，是火山巖構(gòu)造環(huán)境判別的重要手段。輝綠巖樣品的微量元素圖解見圖10。輝綠巖在Nb-Zr-Y圖解中處于板內(nèi)堿性玄武巖和板內(nèi)拉斑玄武巖區(qū)內(nèi)，在Ti-Zr-Y圖解中處于板內(nèi)玄武巖區(qū)內(nèi)，在Ti-Zr-Sr圖解中處于鈣堿性玄武巖區(qū)內(nèi)，在Zr/Y-Zr圖解中處于板內(nèi)玄武巖區(qū)內(nèi)。綜上所述，推測輝綠巖應(yīng)處于板內(nèi)玄武巖構(gòu)造環(huán)境，顯示出構(gòu)造背景為強(qiáng)度相對(duì)較弱的伸展作用。在輝綠巖成巖巖漿上升過程中，侵入速度相對(duì)較慢，因此可能會(huì)發(fā)生地殼混染作用。

圖10 輝綠巖Nb-Zr-Y（據(jù)Meschede，1986）、Ti-Zr-Y、Ti-Zr-Sr（據(jù)Pearce and Cann，1973）和Zr-Zr/Y（據(jù)Pearce and Norry，1979）圖解Fig.10 Nb-Zr-Y（After Meschede，1986），Ti-Zr-Y，Ti-Zr-Sr（After Pearce and Cann，1973）and Zr-Zr/Y（After Pearce and Norry，1979）diagrams of diabase

松遼盆地處于歐亞大陸板塊和太平洋板塊的接觸帶。晚侏羅世以后，中國東北部構(gòu)造演化格局深受古太平洋板塊的俯沖、碰撞作用的控制［11］。俯沖作用的高峰期是晚侏羅世-白堊紀(jì)，產(chǎn)物是鈣堿系列的中酸性火山-侵入雜巖帶。碰撞造山作用主要發(fā)生在早白堊世末期，洋殼上的古陸塊朝東亞陸緣拼貼增生是其原因。在晚白堊世-古近紀(jì)，由于俯沖帶傾角變陡、弧后區(qū)微型擴(kuò)張和殼幔作用，松遼盆地發(fā)生了伸展減薄、裂解活動(dòng)，形成了裂陷盆地群，伴隨有規(guī)模不大的堿性巖漿活動(dòng)。根據(jù)成巖年齡測定資料［10］，古新世到始新世期間的巖漿活動(dòng)，主要分布在松遼盆地南部，錢家店鈾礦床輝綠巖即該時(shí)期巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。

地幔巖漿侵入，輝綠巖成巖過程中，對(duì)地層沉積砂巖具有烘烤、蝕變作用［4］，提供的大量熱能使含鈾砂體中的鈾高度浸出，并富集成礦，這是主成礦期次與輝綠巖成巖時(shí)間相對(duì)應(yīng)的原因。也正是輝綠巖的熱作用，引起了地層砂巖中鈦鈾礦、磁鐵礦等中高溫礦物的生成，并且呈現(xiàn)膠結(jié)物包體溫度較高等地球化學(xué)特征［12］，說明輝綠巖在錢家店鈾礦床成礦過程中具有獨(dú)特作用，應(yīng)對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行更加深入的研究。

4 結(jié)論

1）松遼盆地錢家店鈾礦床輝綠巖40Ar-39Ar法成巖年齡為50.7±0.3 Ma，該地區(qū)在始新世早期發(fā)生一期巖漿侵入活動(dòng)，與松遼盆地南部雙遼地區(qū)新生代火山巖橄欖玄武巖可能為同一時(shí)期巖漿作用形成的產(chǎn)物。

2）錢家店鈾礦床輝綠巖侵入體來源于過渡型地幔和下地殼物質(zhì)的混合源區(qū)。

3）錢家店鈾礦床輝綠巖處于板內(nèi)玄武巖構(gòu)造環(huán)境，顯示出構(gòu)造背景為強(qiáng)度相對(duì)較弱的伸展作用。該巖體在侵入地層過程中，提供熱流體，促進(jìn)鈾在地層中的活化、遷移、富集，對(duì)砂巖型鈾礦形成具有重要作用。