龍首山成礦帶芨嶺鈉交代型鈾礦床晶質(zhì)鈾礦-瀝青鈾礦特征研究

王剛，余馳達(dá)，何佳軍，2，邵東，劉濤，陳云杰，王偉，胡菲菲，王凱興

（1.核工業(yè)二〇三研究所，陜西 咸陽 712000；2.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013；3.核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實驗室，江西 南昌 330013）

鈉交代型鈾礦床指的是其原巖經(jīng)歷強(qiáng)烈的鈉交代作用后，有明顯的物質(zhì)成分的帶入和帶出，礦物組成的改變和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造變化，使鈾呈不均勻浸染狀產(chǎn)出于鈉交代巖礦的礦床［1］。鈉交代型鈾礦床主要分布在巴西、烏克蘭等地［2］。鈉交代作用一般與鈉長石的富集和石英溶解有關(guān)，一般以交代花崗巖、變質(zhì)沉積巖和變質(zhì)火山巖形成鈉長巖為特征。

芨嶺礦床位于我國西北地區(qū)龍首山鈾成礦帶中段，是我國為數(shù)不多的鈉交代型鈾礦床之一。前人從含礦主巖的地球化學(xué)、礦物學(xué)和礦床學(xué)等方面對該礦床開展了研究工作，認(rèn)為芨嶺礦床含礦主巖為巖漿混合成因的I 型花崗巖［3］，成礦物質(zhì)主要來自于花崗巖和富鈾基底［4-6］，鈾礦物主要為瀝青鈾礦［5，7］，成礦流體是大氣降水和巖漿水的混合，成礦溫度以中低溫為主［8］。

然而，近期筆者研究發(fā)現(xiàn)芨嶺鈉交代型鈾礦床中存在晶質(zhì)鈾礦，這可能與巖漿期后高溫流體有關(guān)。該發(fā)現(xiàn)對于芨嶺鈾礦床的研究具有重要的科研及找礦意義。鑒于此，本文對芨嶺鈾礦床產(chǎn)出的鈾礦物開展了礦物學(xué)和地球化學(xué)研究工作，分析其特征并探討其意義，寄希望于該工作能夠為芨嶺地區(qū)鈾礦找礦工作提供一定的借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景及礦床地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

龍首山位于阿拉善隆起帶的西南緣，為早古生代早期祁連板塊與華北板塊碰撞造山形成的邊緣隆起帶，北鄰潮水盆地，南連河西走廊（圖1）。在漫長的地質(zhì)構(gòu)造演化過程中，顯示出活動—穩(wěn)定—再活動—再穩(wěn)定的多旋回的發(fā)展演化特征。龍首山的地質(zhì)演化經(jīng)歷了三大發(fā)展階段：前寒武紀(jì)大陸地殼發(fā)展演化階段；古生代裂谷發(fā)育成洋至俯沖、碰撞造山階段；中新生代板內(nèi)活動階段。每個階段的沉積建造、所受應(yīng)力、構(gòu)造變形、變質(zhì)作用、巖漿活動和成礦作用都有不同的特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)前長城系、薊縣系、震旦系分布廣泛，下古生界缺失，上古生界分布零星，中新生界分布于山間狹長的斷陷盆地中。

1.2 礦床地質(zhì)特征

芨嶺鈉交代型鈾礦床位于龍首山鈾成礦帶中段，礦床產(chǎn)出于芨嶺雜巖體東南部。區(qū)內(nèi)最老地層為古元古界龍首山群，中元古界墩子溝群不整合覆蓋于龍首山群之上，而新古生界韓母山群不整合與墩子溝群接觸（圖1c）。區(qū)內(nèi)地層出露簡單，以古元古代片巖、含鐵石英巖、白云質(zhì)厚層大理巖、云母片巖為主，含少量新元古代硅質(zhì)條帶狀灰?guī)r夾千枚巖。礦區(qū)巖漿巖主要為古生代奧陶紀(jì)灰白色中粗粒石英二長巖-花崗閃長巖、肉紅色中粗粒-粗?；◢忛W長巖-花崗巖以及深紅色細(xì)粒花崗巖，夾少量基性脈巖。

圖1 龍首山鈾成礦帶位置及地質(zhì)略圖Fig.1 The location and geological sketch of Longshoushan uranium metallogenic belt

龍首山地區(qū)鈉交代巖主要集中出現(xiàn)在芨嶺巖體南帶的南緣，沿著馬路溝斷裂帶（F101、F102）及其次級斷裂分布（圖2）。馬路溝斷裂帶長約20 km左右，總體走向為280°～315°，傾角為70°～80°。礦體產(chǎn)出于馬路溝斷裂帶和與之呈銳角相交或近于平行的次級斷裂帶中，礦體產(chǎn)在鈉交代蝕變帶內(nèi)，其產(chǎn)狀基本和斷裂吻合。礦區(qū)蝕變作用發(fā)育，主要包括鈉長石化、碳酸鹽化、綠泥石化和赤鐵礦化等熱液蝕變，并構(gòu)成“四位一體”堿交代熱液蝕變組合，局部還發(fā)育有絹云母化、硅化、黏土礦化等蝕變［6，9］。

圖2 芨嶺鈉交代型鈾礦床地質(zhì)簡圖［5］Fig.2 The geological sketch of Jiling uranium deposit［5］

與新鮮的花崗巖相比，鈉交代巖的礦物組成簡單，原巖中堿性長石不同程度上被鈉長石礦物所取代，新生礦物主要為鈉長石和方解石，其次為綠泥石、赤鐵礦、次生石英等。雖然形成鈉交代巖的各種原巖的礦物組成差別極大，但經(jīng)鈉長石化作用后其礦物組成都基本一致。本次研究發(fā)現(xiàn)芨嶺鈉交代型鈾礦床鈾礦物主要為晶質(zhì)鈾礦和瀝青鈾礦，亦可見部分鈾石（圖3）。

晶質(zhì)鈾礦多數(shù)受后期熱液蝕變改造，原生晶質(zhì)鈾礦占比較少，其主要出現(xiàn)在鈉長石中，呈自形-半自形，粒度介于10～15 μm 之間（圖3a）。一類晶質(zhì)鈾礦受后期熱液流體蝕變表面較斑雜（圖3b），但仍保持較完好的晶形；一類晶質(zhì)鈾礦在鈾石邊部和核部以殘留體形式產(chǎn)出（圖3c）。由于原生晶質(zhì)鈾礦數(shù)量有限，對其礦物共生組合研究目前未能完善，受熱液蝕變改造的晶質(zhì)鈾礦常與磷灰石、方鉛礦等共存。

瀝青鈾礦呈浸染狀-裂隙充填狀產(chǎn)在方解石、鈉長石等礦物裂隙或礦物間隙中，或在黃鐵礦邊部和裂隙內(nèi)產(chǎn)出（圖3d～h）。其中方解石、綠泥石與瀝青鈾礦關(guān)系密切（圖3g、h），還可見少量磷灰石、鋯石以及重晶石與瀝青鈾礦共存。受后期熱液流體改造，原生瀝青鈾礦受到不同程度蝕變改造，根據(jù)蝕變?yōu)r青鈾礦背散射特征圖像中呈現(xiàn)不同灰度（圖3d），蝕變?yōu)r青鈾礦分為蝕變?yōu)r青鈾礦A 和蝕變?yōu)r青鈾礦B。其中蝕變?yōu)r青鈾礦A 在背散射圖像中呈較亮灰度，蝕變?yōu)r青鈾礦B 在背散射圖像中呈較暗灰度。

圖3 芨嶺鈾礦床晶質(zhì)鈾礦和瀝青鈾礦背散射（BSE）圖像Fig.3 Backscattered electron images of uraninite and pitchblende in Jiling uranium deposit

2 分析方法

礦物顯微特征研究：利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對巖石薄片進(jìn)行礦物顯微特征研究工作，本次均在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實驗室完成。光學(xué)顯微鏡型號：Nikon ECLIPSE 50iPOL（正交、單偏光）；掃描電子顯微鏡（SEM）型號：Nova Nano-SEM 450，實驗條件：電壓為15～20 kV。

礦物成分分析測試：利用電子探針對鈾礦物成分進(jìn)行分析，實驗均在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實驗室完成。電子探針儀器型號：JEOL JXA-8100；實驗條件：加速電壓為15 kV，電流為2.0×10-8A，束斑直徑為2 μm（對于微小鈾礦物束斑直徑調(diào)整為1 μm）。鈾礦物電子探針成分分析測試標(biāo)樣依次為：Si 以石榴石作為標(biāo)樣，Ca 以白云石為標(biāo)樣，F(xiàn)e 以赤鐵礦為標(biāo)樣，Al 以黑云母為標(biāo) 樣，U 和Th 以U-Th-Pb 氧化物為標(biāo)樣，Pb以方鉛礦為標(biāo)樣，Sr 以鈮酸鹽為標(biāo)樣，La、Ce以獨(dú)居石為標(biāo)樣，其他稀土元素均以其本身為標(biāo)樣。

3 分析結(jié)果

原生晶質(zhì)鈾礦主要成分：成分總量介于99.58%～101.38% 之間，平均值為100.47%；UO2含量介于74.53%～80.12%之間，平均值為77.84%；PbO 含量相對均一，介于4.81%～4.98%之間，平均值為4.89%；ThO2、Y2O3以及REE2O3含量較高，且變化范圍較大，ThO2含量介于7.04%～10.39% 之間，平均值為9.01%，Y2O3含量介于0.76%～1.37%之間，平均值為1.13%，REE2O3含量介于4.63%～6.26%之間，平均值為5.46%。晶質(zhì)鈾礦中FeO、SiO2、CaO含量較低，Al2O3含量低于檢測限（表1）。

芨嶺鈾礦床中絕大部分瀝青鈾礦受后期熱液蝕變改造，在掃描電鏡下呈現(xiàn)不同灰度特征，較亮的部分為蝕變?yōu)r青鈾礦A，較暗部分為蝕變?yōu)r青鈾礦B。蝕變?yōu)r青鈾礦A 成分總量介于85.73%～95.01% 之間，平均值為92.15%；UO2含量介于73.07%～84.45% 之間，平均值81.36%；SiO2含量相比原生晶質(zhì)鈾礦有所增加，介于0.61%～2.13%之間，平均值為1.35%；CaO含量較高，介于3.63%～5.92%之間，平均值為4.95%；PbO 含量較低，介于0.02%～0.47% 之間，平均值為0.23%；REE2O3含量相比原生晶質(zhì)鈾礦降低，介于1.38%～3.75%之間，平均值為2.23%；ThO2和Y2O3含量較低。蝕變?yōu)r青鈾礦B 成分總量介于83.05%～92.79%之間，平均值為89.07%；UO2含量介于66.40%～77.82%之間，平均值為72.22%；SiO2含量較高，介于3.14%～4.84%之間，平均值為3.93%；CaO、PbO和REE2O3含量與蝕變鈾礦物A 相當(dāng)，分別介于4.20%～6.28%之間，平均值為5.44%；0.14%～0.31%之間，平均值為0.22%；1.65%～3.15%之間，平均值為2.17%（表1）。

表1 芨嶺鈾礦床原生晶質(zhì)鈾礦、蝕變?yōu)r青鈾礦主量元素、微量元素及稀土元素分析數(shù)據(jù)（wB/%）Table 1 The major,trace and rare earth element（wB/%）of original uraninite and altered pitchblende in Jiling uranium deposit

表1（續(xù)）

4 討論

4.1 鈾礦物蝕變特征

在鈾的氧化物結(jié)晶時一些微量和稀土元素可以進(jìn)入礦物晶格中，例如Th、REE 和Ca 等元素［10］，同時鈾的氧化物比較容易在后期重結(jié)晶或是淺成熱液蝕變中受到改造，使得礦物晶體中的化學(xué)成分與蝕變熱液發(fā)生交換［11-13］。這一特征導(dǎo)致鈾的氧化物在自然環(huán)境中比較容易被改造，使得其化學(xué)成分普遍不均一［11-12］。因此，通過鈾的氧化物的化學(xué)成分變化可以推測鈾礦床發(fā)生熱液蝕變的流體化學(xué)特征［14］。

在封閉體系中，由于U 和Th 的衰變產(chǎn)生放射性成因的Pb，因此U＋Th 含量與鈾礦物中放射性成因Pb 含量應(yīng)該呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。但是在同一年代形成的鈾礦物中，U＋Th 含量與其放射性成因Pb 含量應(yīng)呈正相關(guān)關(guān)系，如Kempe（2003）［12］研究所示。芨嶺鈾礦床中原生晶質(zhì)鈾礦中的UO2＋ThO2含量與PbO 含量呈正相關(guān)關(guān)系（圖4），同時原生晶質(zhì)鈾礦具較低的SiO2＋CaO 含量，指示其并未受到明顯的熱液蝕變改造，未造成明顯的鉛丟失現(xiàn)象。而蝕變?yōu)r青鈾礦A 和B 中PbO 含量均較低，且相比原生晶質(zhì)鈾礦具較高的SiO2＋CaO 含量，指示其受到后期熱液蝕變改造，鈾礦物化學(xué)成分發(fā)生改變。

圖4 原生晶質(zhì)鈾礦（UO2＋ThO2）-PbO 散點(diǎn)圖Fig.4 Binary diagrams of（UO2＋ThO2）-PbO for original uraninite

與原生晶質(zhì)鈾礦相比，蝕變?yōu)r青鈾礦A 和B 顯示較低的ThO2＋UO2＋REE2O3＋Y2O3＋PbO 含量以及較高的SiO2＋CaO 含量（圖5a）。原生晶質(zhì)鈾礦中較低的SiO2＋CaO 含量指示這些元素并未在晶質(zhì)鈾礦結(jié)晶時混入其中，且其未受到明顯的后期熱液蝕變。原生晶質(zhì)鈾礦與蝕變?yōu)r青鈾 礦A 和B 在（ThO2＋REE2O3＋Y2O3）-UO2圖中被明顯區(qū)分（圖5b），指示后期熱液蝕變導(dǎo)致鈾礦物中REE、Y 被Si、Ca 等元素置換。新鮮瀝青鈾礦SiO2、CaO 含量較低，而芨嶺鈾礦床中蝕變?yōu)r青鈾礦A 和B 具較高的CaO含量，且它們SiO2存在成分間隔（圖5c、d），指示原生鈾礦物經(jīng)歷至少兩期次成分不同的熱液流體蝕變改造，其中一期次蝕變流體相對富Ca，另一期次蝕變流體相對富Si。

圖5 芨嶺鈾礦床鈾礦物主量及微量元素散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter diagrams of major and minor elements of uranium minerals in Jiling deposit

4.2 鈾成礦特征

Th、Y 和REE 與U4+的離子半徑相似［15］，使得這些元素可以在晶質(zhì)鈾礦或瀝青鈾礦沉淀時進(jìn)入礦物晶體結(jié)構(gòu)中?？刂七@些元素進(jìn)入鈾的氧化物晶體結(jié)構(gòu)中的因素包括：鈾的氧化物的結(jié)晶溫度和其結(jié)晶時從流體或硅酸鹽熔體中獲取的量?？傮w來說，低溫條件形成的鈾的氧化物具較低的Th 含量，較高溫度下形成的鈾的氧化物具較高的Th＋REE＋Y 含量［14，16-18］。芨嶺鈾礦床中原生晶質(zhì)鈾礦具有較高的ThO2、Y2O3和REE2O3含量，指示原生晶質(zhì)鈾礦形成于高溫條件下，例如巖漿、巖漿熱液或是變質(zhì)熱液［14，17-18］。

晶質(zhì)鈾礦主要產(chǎn)在高分異過鋁質(zhì)淺色花崗巖和偉晶巖，如華南熱液脈型鈾礦床賦礦花崗巖［19-20］、高Ca 準(zhǔn)鋁質(zhì)花崗巖、低Ca 過鋁質(zhì)花崗巖、過堿性花崗巖以及由變質(zhì)沉積巖部分熔融形成的弱過鋁質(zhì)深源偉晶巖［21-22］。但是，芨嶺花崗巖屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)至過鋁質(zhì)［3］，且并沒有在新鮮花崗巖中發(fā)現(xiàn)晶質(zhì)鈾礦［23］。且前人利用電子探針U-Th-Pb 化學(xué)原位測年獲得芨嶺晶質(zhì)鈾礦成礦年齡為（435.9±3.3）Ma［23］，結(jié)合Wang 等［3］對芨嶺花崗巖鋯石U-Pb 定年數(shù)據(jù)，兩者之間并無明顯的礦-巖時差。由此，推測芨嶺鈉交代型鈾礦床中晶質(zhì)鈾礦可能形成于高溫巖漿期后熱液。

4.3 礦床熱液演化特征

本次研究首次在芨嶺鈉交代型鈾礦床中發(fā)現(xiàn)形成于高溫巖漿期后熱液的晶質(zhì)鈾礦，并通過不同蝕變類型瀝青鈾礦原位化學(xué)成分特征梳理了熱液流體特征。同時Yu 等［23］對芨嶺鈉交代型鈾礦床中不同蝕變類型晶質(zhì)鈾礦和鈾石化學(xué)成分進(jìn)行分析，顯示原生晶質(zhì)鈾礦至少經(jīng)歷兩期次化學(xué)成分不同的熱液流體蝕變改造，其中一期次相對富Ca，另一期次相對富Si。Yu 等［23］研究認(rèn)為瀝青鈾礦與原生晶質(zhì)鈾礦顯示同源性，即具有相同鈾源，且晶質(zhì)鈾礦為后期瀝青鈾礦成礦提供部分鈾源。綜上，可梳理得出芨嶺鈉交代型鈾礦床熱液演化特征：芨嶺鈉交代型鈾礦床成礦分為兩個階段，第一階段以高溫巖漿期后熱液晶質(zhì)鈾礦為主，第二階段以中-低溫瀝青鈾礦為主。在晶質(zhì)鈾礦形成之后，富Ca 流體沿構(gòu)造裂隙活動，蝕變改造原生晶質(zhì)鈾礦，形成相對富Ca 的蝕變晶質(zhì)鈾礦A，同時原生晶質(zhì)鈾礦中U 被浸出，隨流體繼續(xù)活動。在流體去氣、降溫以及合適的地球化學(xué)條件下形成瀝青鈾礦。在瀝青鈾礦形成后，富Ca 流體繼續(xù)活動，使得原生瀝青鈾礦形成相對富Ca 的蝕變?yōu)r青鈾礦A。根據(jù)蝕變晶質(zhì)鈾礦B 和蝕變?yōu)r青鈾礦B 相對富Si，同時在鈾石中均發(fā)現(xiàn)晶質(zhì)鈾礦和瀝青鈾礦殘余體［23］，指示芨嶺鈉交代型鈾礦床還經(jīng)歷了一期次富Si 流體蝕變。

5 結(jié)論

1）芨嶺鈉交代型鈾礦床中鈾礦物主要為晶質(zhì)鈾礦和瀝青鈾礦。

2）芨嶺鈉交代型鈾礦床中晶質(zhì)鈾礦具有較高的Th＋REE＋Y 含量，指示其可能形成于高溫巖漿期后熱液。

3）芨嶺鈉交代型鈾礦床中不同蝕變類型鈾礦物元素地球化學(xué)特征指示，礦床中原生鈾礦物至少經(jīng)歷兩期次化學(xué)成分不同的熱液流體蝕變改造，其中一期次相對富Ca，另一期次相對富Si。