諸廣南棉花坑鈾礦床熱液蝕變伊利石礦物學(xué)和穩(wěn)定同位素特征

趙宇霆，李子穎，劉軍港，聶江濤，金念憲

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

伊利石屬于黏土礦物中云母族的礦物，是一種層狀硅酸鹽礦物。伊利石主要在風(fēng)化、沉積成巖作用等地質(zhì)過程中大量形成，除此之外，它也是中低溫?zé)嵋鹤饔孟伦畛Ｒ姷奈g變礦物［1］。在花崗巖區(qū)，蝕變黏土礦物一般為綠泥石、高嶺石和伊利石，其中綠泥石是由鎂鐵質(zhì)礦物蝕變形成［2］，高嶺石和伊利石則是分別由斜長石和鉀長石蝕變形成。在熱液蝕變過程中形成的黏土礦物，往往因其結(jié)晶時的物理化學(xué)條件不同（如溫度、氧逸度等），會呈現(xiàn)出不同的結(jié)晶特征［1-2］。利用這一特點(diǎn)，通過研究熱液蝕變黏土礦物的特征，就可以對形成其流體的成分以及流體作用的溫度和氧逸度等進(jìn)行討論，這對于研究中低溫的熱液蝕變機(jī)制有重要意義。近年來，已有學(xué)者在熱液蝕變黏土礦物研究中取得一些成果［3］。此外，前人對以黏土礦物為主要礦石礦物的礦床（如高嶺土礦）也開展過相關(guān)研究［4-5］。對于熱液型鈾礦床，無論是相山地區(qū)的火山巖型鈾礦床，還是諸廣山地區(qū)的花崗巖型鈾礦床，在圍巖蝕變中均可見很強(qiáng)的伊利石化［6-9］，但學(xué)者們對于鈾礦床的蝕變研究多聚焦于蝕變分帶和近礦蝕變礦物學(xué)研究，對于面狀的低溫?zé)嵋何g變礦物的研究相對薄弱。且隨著學(xué)者對于鈾礦床成礦研究的不斷深入，就越需要以礦物學(xué)的方式對蝕變進(jìn)行更為細(xì)致的研究，因此本文通過研究諸廣南棉花坑礦床蝕變花崗巖中的伊利石的產(chǎn)出形式、化學(xué)成分等特征，結(jié)合其氫氧同位素特征來討論該地區(qū)熱液型鈾礦床的熱液蝕變機(jī)制、流體性質(zhì)以及水巖反應(yīng)環(huán)境。

1 礦床地質(zhì)概況

棉花坑（302）鈾礦床大地構(gòu)造位置位于華南諸廣山復(fù)式巖體南部，閩贛后加里東隆起與湘、粵、桂海西——印支坳陷結(jié)合部位。研究區(qū)內(nèi)出露主要為印支期細(xì)粒小斑狀二云母花崗巖和燕山期中粗粒黑云母花崗巖，同時區(qū)內(nèi)還有一些晚期中基性脈巖出露。礦區(qū)內(nèi)主要發(fā)育北東向、北西向和北北西向三組構(gòu)造（圖1）。其中北東向的棉花坑斷裂為主要的控礦構(gòu)造，主要含礦構(gòu)造為北北西向構(gòu)造蝕變帶，而北西向的油洞斷裂既是控礦構(gòu)造又是含礦構(gòu)造，同時沿著油洞斷裂還有基性脈巖發(fā)育。研究區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈的熱液蝕變作用，具體體現(xiàn)在以含礦硅化斷裂為中心向外依次表現(xiàn)為硅化→赤鐵礦化→綠泥石＋伊利石化的蝕變特征，同時在含硅質(zhì)構(gòu)造斷裂帶中，碳酸鹽化和螢石化蝕變也較為發(fā)育，而黃鐵礦化蝕變則與鈾礦化關(guān)系最為密切［9-10］。

圖1 棉花坑礦床礦區(qū)地質(zhì)簡圖（據(jù)文獻(xiàn)［10］修改）Fig.1 Geological sketch of Mianhuakeng uranium deposit（Modified after References［10］）

礦區(qū)內(nèi)的礦石按照蝕變礦物組合的不同可分為兩種：第一種是赤鐵礦化微晶石英-黃鐵礦-瀝青鈾礦型礦石；第二種是紫黑色螢石-黃鐵礦-瀝青鈾礦型礦石。主要礦石礦物為瀝青鈾礦，也可見有少量的硅鈣鈾礦、鈣鈾云母等次生鈾礦。脈石礦物主要為微晶石英、螢石和方解石等。

2 樣品制備與測試

為了探究研究區(qū)鈾礦床蝕變過程中物質(zhì)遷移和元素遷入遷出的特點(diǎn)，本次論文選擇的樣品來自于棉花坑礦床主要含礦斷裂9號帶南段鉆孔ZK45-4中的蝕變花崗巖。9號帶是棉花坑礦床主要賦礦構(gòu)造，而鉆孔樣品相對位置清晰，具有一定代表性。樣品先經(jīng)過單礦物篩選，挑選出較純的伊利石。單礦物挑選采用黏土礦物提取方法參見標(biāo)準(zhǔn)（DZ/T 0184.13—1997），將樣品粉碎用蒸餾水浸泡再使用超聲波處理，然后吸取粒徑小于2μm的顆粒，雜質(zhì)的消除在挑選單礦物時已經(jīng)使用稀鹽酸和雙氧水處理。將提取的2μm以下的顆粒離心沉降再進(jìn)行烘干。烘干后的伊利石分別進(jìn)行自然烘干片和乙二醇飽和片（定向片）的制備，利用兩種測試樣片進(jìn)行測試和后續(xù)結(jié)晶度KI（°）的計算。

將制備的伊利石樣的烘干片和定向片進(jìn)行X射線粉晶衍射和穩(wěn)定同位素的分析。X射線粉晶衍射在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成，儀器為Panalytical X’Pert PRO X射線衍射儀，方法采用黏土礦物X射線衍射分析方法（SY/T 5163—2018），電壓40 kV，電流40mA，Cu靶，測量角度范圍3°～30°。

樣品的氫氧同位素測試在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心進(jìn)行，采用儀器型號為MAT-253型氣體同位素質(zhì)譜儀，以V-SMOW為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。伊利石的氧的提取采用五氟化溴法測定（DZ/T 0184.13—1997），氫的提取采用天然水中氫同位素鋅還原法測定（DZ/T 0184.19—1997），分析精度＜0.2%。

3 伊利石礦物學(xué)特征

3.1 伊利石產(chǎn)出及微觀特征

樣品的手標(biāo)本特征是伊利石化為主的蝕變花崗巖（圖2d），伊利石主要由斜長石被熱液交代蝕變形成，往往呈淺黃色或淺黃綠色的長石假晶。鏡下特征為長石仍有晶型但已經(jīng)蝕變?yōu)轺[片狀礦物（圖2g、h、k、l）。而伊利石除了以交代礦物顆粒的形式發(fā)育外，還可見有張性構(gòu)造細(xì)脈充填伊利石、石英等礦物故在巖芯中表現(xiàn)為黃綠色脈（圖2a、b、f），在鏡下伊利石表現(xiàn)為沿著張性脈的邊緣發(fā)育（圖2e、j、m），也有較強(qiáng)的碎裂巖中間被伊利充填并膠結(jié)原巖角礫（圖2c）。為了能夠準(zhǔn)確的對伊利石開展研究，本次工作對采集到的伊利石化蝕變花崗巖和伊利石充填細(xì)脈先進(jìn)行了伊利石單礦物的挑選，這樣能夠準(zhǔn)確對伊利石進(jìn)行分析測試，而省去了對黏土的區(qū)分的工作，能夠保證對于伊利石這一種蝕變的精細(xì)研究。采集到的伊利石共分為三種，分別是伊利石脈、裂隙充填伊利石和長石蝕變伊利石。其中長石原位蝕變的伊利石選擇遠(yuǎn)離礦化蝕變帶采樣，而脈狀伊利石和裂隙充填伊利石則是選取成礦晚期或期后的構(gòu)造脈采樣。

圖2 樣品伊利石的產(chǎn)出形式和鏡下特征Fig.2 Photos of core samples and thin sections of illite

3.2 伊利石成分和晶體特征

對采集到的15件伊利石樣品進(jìn)行X射線粉晶衍射分析，分析結(jié)果見表1。

表1 伊利石成分和結(jié)晶度Table 1 Composition and crystallinity of illite

通過X射線粉晶衍射可以看出挑選出的伊利石并非全為純凈的伊利石礦物，而是含有一定的伊利石和蒙皂石的混層。其中不同樣品的伊利石含伊蒙混層比例各不相同，其中長石蝕變的伊利石混層占比高于純伊利石的含量。而斷裂內(nèi)充填的伊利石則伊蒙混層含量相對較少，純凈的伊利石含量相對較高，甚至C19-8b樣品是不含混層的非常純凈的伊利石。不同種類樣品的伊蒙混層中，仍然是以伊利石層為主，僅僅有個別樣品混層中蒙皂石含量占主導(dǎo)（C19-28a、C19-28c、C19-45a）。

關(guān)于伊利石的結(jié)晶度，在不同類型的伊利石中也有較為明顯的不同：首先是4個伊利石脈 樣 品，其 結(jié) 晶 度 為0.38°～0.41°，平 均 為0.395°，相對較高。而裂隙充填的伊利石結(jié)晶度為0.28°～0.39°，平均為0.336°，相對前者較低。而巖體中長石原位蝕變形成的伊利石結(jié)晶度為0.28°～0.39°，平均為0.315°在這三種樣品中結(jié)晶度相對最低。

4 氫氧同位素特征

因?yàn)橐晾木w結(jié)構(gòu)與白云母一致，只是層間鉀離子含量及含水的差別。伊利石一般來說是由鉀長石和云母類礦物風(fēng)化形成，而本次研究的伊利石是熱液蝕變形成的伊利石，用加熱的方法去除層間水以消除層間水對研究 的 影 響，分 析 伊利石的δ18Ο值在0.4‰～9.1‰（表2），與前人得出熱液成因黏土礦物在2‰～14‰相吻合，其中δ18Ο小于2‰則表示熱液作用最為強(qiáng)烈［11］，而伊利石的δD在-92.4‰～-73.7‰。

表2 伊利石中結(jié)構(gòu)水氫氧同位素組成Table 2 Hydrogen and oxygen isotopic compositions of structural water in illite

前人［12］對于黏土礦物穩(wěn)定同位素研究得到了大氣降水方程：

隨后，又有學(xué)者［13］依據(jù)黏土礦物和水的氫同位素分餾系數(shù)和氧同位素分餾系數(shù)結(jié)合上式得到了黏土礦物δ18D和8δ18Ο之間存在如下線性關(guān)系：

然后再利用Yeh et al.［14］使 用 的 不 同 溫 度伊利石和水的分餾系數(shù)帶入（2）式得到的一組平行線，其中，可以認(rèn)為25°是風(fēng)化伊利石線，而50°以上可以認(rèn)為是熱液成因區(qū)。對本次論文的所有樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行投點(diǎn)（圖3），可以看出均為熱液蝕變產(chǎn)物，且隨著溫度升高，伊利石和水的同位素分餾變小，伊利石的線逐漸靠近大氣降水線。

圖3 棉花坑地區(qū)伊利石δD-δ18Ο相關(guān)圖（據(jù)文獻(xiàn)［15］）Fig.3δD-δ18Οcorrelation diagram of illite in Mianhuakeng area（After References［15］）

通常情況下，可以根據(jù)已知礦物形成溫度和氫氧同位素組成來計算形成礦物熱液的氫氧同位素組成［16］，根據(jù)圖3情況來看C19-28b和C19-28c（裂隙充填伊利石）是180°C，而C19-45b和C19-3（脈狀伊利石）是100 °C，其余樣品溫度在75 °C左右。對伊利石樣品而言，可以利用SheppardandGilg［17］提出的伊利石-水的氧同位素分餾公式進(jìn)行計算：

氫同位素的分餾在0～350 °C之間為單調(diào)曲線，因此伊利石-水體系的氫同位素可以用高嶺石-水體系的分流公式：

得出分餾系數(shù)之后再利用公式（其中AB為兩相）計算熱液中的同位素δ值：

將所計算的流體中水的穩(wěn)定同位素組成的近似值（溫度近似）歸納于表3。

表3 流體中水的氫氧同位素組成Table 3 Hydrogen and oxygen isotope compositions of hydrothermal solution

可以看出根據(jù)計算所得形成伊利石的流體中水的穩(wěn)定同位素δ18O變化范圍不大，為-9.45‰～-6.55‰，而δD較伊 利石 礦物中δD偏高為-68.56‰～-56.14‰。將所得的流體中的穩(wěn)定同位進(jìn)行投圖，可以判斷其流體來源主要來自于大氣降水（圖4）。

圖4 棉花坑地區(qū)形成伊利石流體來源判別圖（據(jù)文獻(xiàn)［24］）Fig.4 Discrimination of illite fluid source in Mianhuakeng area（After References［24］）

5 成因討論

棉花坑地區(qū)的主要含鈾巖體——長江巖體和油洞巖體中廣泛發(fā)育伊利石化，也就是前人所描述的水云母化。前人研究結(jié)果表明區(qū)域上廣泛發(fā)育的伊利石化，是熱液作用晚期形成的［7，8］。本通過研究不同深度和不同產(chǎn)出方式的伊利石，結(jié)果表明不同類型產(chǎn)出的伊利石，其結(jié)晶度和含的伊蒙混層不同，具體體現(xiàn)在長石原位蝕的伊利石其結(jié)晶度相對最低為0.315°（平均），含有最多的混層（絕大多數(shù)在70%以上）；而較大規(guī)模構(gòu)造充填的伊利石，則相對三種伊利石的結(jié)晶度居中，平均為0.336°，但其含混層是最少的（約30%且出現(xiàn)純的伊利石）；而脈狀的伊利石，則是有著平均最高的結(jié)晶度0.395°，同時其含有的IS混層在三者中含量相對居中（50%～60%）。伊利石的形成往往除了溫度和時間的限制因素外，還受到體系中的水/巖比、流體性質(zhì)以及巖石和流體化學(xué)成分的影響。對于長石原位蝕變的伊利石而言，結(jié)晶度最低是因?yàn)樵摋l件下，滲透率低，水/巖比很小，流體動力學(xué)作用相對較慢，這種情況下容易形成混層，因此其混層含量是最高的。而充填大型裂隙的伊利石，因?yàn)樗?巖比較大，流體活動強(qiáng)烈，伊利石能直接從熱液中結(jié)晶出來，理論上應(yīng)具有最大的結(jié)晶度和最少的IS混層發(fā)育，但本次試驗(yàn)測得該種伊利石卻相對脈狀伊利石的結(jié)晶度較低，這里可能是溫度的影響占據(jù)了較大的權(quán)重，可能是由于溫度較高使得伊利石難以結(jié)晶出來，所以導(dǎo)致結(jié)晶度較脈狀伊利石低；而脈狀伊利石也存在這種問題，相對大構(gòu)造充填的伊利石，往往脈狀的伊利石水/巖比居中，因此其混層含量和結(jié)晶度應(yīng)該介于上述兩種伊利石之間，但其結(jié)晶度卻相對前二者最高，筆者認(rèn)為是狀伊利石由于構(gòu)造規(guī)模較小，可能流體作用時溫度較低，因此伊利石更容易從熱液中結(jié)晶出來，所以其結(jié)晶度高于較大規(guī)模構(gòu)造充填伊利石。通過后兩者結(jié)晶度比較，可以說明，地質(zhì)條件類似的情況下，溫度越高，伊利石結(jié)晶度越低。

流體包裹體的氫氧同位素研究表明伊利石的δ18Ο值范圍在0.4‰～9.1‰，屬于熱成因，由伊利石的δD-δ18Ο相關(guān)圖可知伊利石的形成溫度在75～180 °C，屬于中低溫?zé)嵋撼梢?，區(qū)域上鈾成礦也具有中低溫?zé)嵋旱男再|(zhì)。本文所獲得的形成伊利石的流體特征為中低溫、且δ18O為-9.45‰～-6.55‰，這與前人對成礦晚期石英進(jìn)行穩(wěn)定同位素研究計算所得的δ18O值較為一致［18-20］，并且總結(jié)前人研究［20-23］，成礦后期的流體溫度為100～200 °C，這也與本次論文所得的伊利石形成溫度相一致，因此認(rèn)為脈狀伊利石是成礦晚期熱液蝕變形成的特征蝕變礦物。而根據(jù)形成伊利石的流體中水的氫氧同位素組成進(jìn)行流體來源判別投圖，可以看出流體主要來自于大氣降水，進(jìn)一步說明這些伊利石是成礦晚期流體作用的產(chǎn)物。

6 結(jié)論

1）棉花坑地區(qū)的熱液蝕變伊利石分有為裂隙充填、長石原位蝕變和細(xì)脈狀三種產(chǎn)出方式，其結(jié)晶度分別為：裂隙充填伊利石0.28°～0.39°，平均為0.336°；長石原位蝕變伊利石0.28°～0.39°，伊利石脈0.38°～0.41°，平均為0.395°。長石原位蝕變伊利石的結(jié)晶主要受水/巖比控制，而后兩種結(jié)晶度則受溫度制約。

2）根據(jù)穩(wěn)定同位素測試和計算，得出形成伊利石流體中水的氧同位素特征和前人研究中成礦晚期流體中水的氧同位素特征一致，同時根據(jù)計算所得伊利石形成溫度在50～170℃，與成礦晚期流體溫度一致，因此可判斷伊利石是成礦晚期特征蝕變礦物。同時根據(jù)計算和投圖表明形成伊利石的流體主要來源于大氣降水，這與成礦后期流體來源相一致。