諸廣三九礦田石壁窩礦區(qū)主要鈾礦物電子探針定年

陳旭，劉曉東，覃金寧，姜必廣，南小龍

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3.湖南省地質(zhì)院三〇六大隊(duì)，湖南 衡陽(yáng) 421000）

諸廣山復(fù)式巖體是華南花崗巖型鈾礦礦集區(qū)之一，前人已對(duì)該地區(qū)開(kāi)展了大量的生產(chǎn)及科研工作［1-13］。諸廣山中段的三九地區(qū)位于鹿井鈾礦田和城口鈾礦田之間，近年來(lái)，湘核地勘系統(tǒng)在三九地區(qū)開(kāi)展了大量勘查工作，新近取得的找礦成果將該區(qū)鈾資源量及潛力提升至礦田級(jí)別。前人對(duì)該區(qū)的成礦地質(zhì)特征如富鈾老地層、產(chǎn)鈾巖體、控礦構(gòu)造、鈾礦體、放射暈、成礦模式等方面已有較多研究成果［14-19］，然而尚未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道的鈾礦物原位年代學(xué)研究。本文以九龍江鈾礦床南部石壁窩礦區(qū)的鈾礦物作為研究對(duì)象，通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡（SEM）、X 射線能量色散譜儀（EDS）和電子探針（EPMA）等方法，研究鈾礦物顯微結(jié)構(gòu)和主微量元素特征，利用電子探針對(duì)晶質(zhì)鈾礦、瀝青鈾礦等開(kāi)展原位U-Th-Pb 化學(xué)定年，厘定區(qū)內(nèi)鈾成礦年齡，并探討了本次電子探針定年結(jié)果的可靠性和地質(zhì)意義。

1 地質(zhì)背景

三九礦田位于華夏板塊湘、桂、粵北海西-印支凹陷與閩贛后加里東隆起的交匯部位，南華活動(dòng)帶北緣，華南多期復(fù)合造山帶內(nèi)的諸廣山巖體中部。諸廣山巖體為萬(wàn)洋山-諸廣山走滑巖漿帶的重要組成部分，其中南部已發(fā)現(xiàn)了一系列鈾礦田（鹿井、城口、長(zhǎng)江等）以及多個(gè)鈾礦床、礦點(diǎn)［20-22］（圖1a、b）。

三九礦田以九龍徑、九曲嶺、九龍江礦區(qū)及其周邊產(chǎn)出花崗巖內(nèi)外帶型鈾礦床而得名。區(qū)內(nèi)出露地層有震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系、第四系等（圖1c）。巖漿巖主要為燕山期花崗巖，其中東嶺單元（J2D）巖體是九龍江鈾礦床主要賦礦圍巖，為燕山早期第二階段呈巖基產(chǎn)出的中粗粒似斑狀黑云母二長(zhǎng)花崗巖，巖體結(jié)晶年齡為（161.9±2.1）Ma［8］，此外還有中棚單元巖體、少量燕山晚期花崗巖及細(xì)?；◢弾r脈。前人研究認(rèn)為區(qū)內(nèi)燕山早期花崗巖為殼源重熔成因高分異過(guò)鋁質(zhì)S 型花崗巖［7-8，23-24］。三九地區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，石壁窩礦區(qū)控礦斷裂以北西向塘灣斷裂為主（圖1c），鈾礦化屬中低溫?zé)嵋盒?，礦石類型主要為硅質(zhì)脈型、角礫巖型、碎裂蝕變巖型三類。成礦期圍巖蝕變?？梢?jiàn)硅化、黃鐵礦化、赤鐵礦化、螢石化、綠泥石化、伊利石化等。礦石中鈾礦物主要為瀝青鈾礦、晶質(zhì)鈾礦及少量鈾石［21-22］。

2 樣品及分析

2.1 樣品采集及特征

此次研究樣品采自三九礦田南部石壁窩礦區(qū)施工鉆孔的巖礦心（圖1c）。實(shí)驗(yàn)樣品取自赤鐵礦化、綠泥石化較發(fā)育的鈾礦石，巖性為強(qiáng)綠泥石化赤鐵礦化花崗碎裂巖（圖2a、b），原巖為東嶺單元的中粗粒似斑狀黑云母二長(zhǎng)花崗巖。鈾礦石樣品主體呈灰綠色，塊狀構(gòu)造，花崗碎裂結(jié)構(gòu)，主要由酸性斜長(zhǎng)石、石英、黑云母、綠泥石等礦物組成，綠色蝕變發(fā)育，尤其是黑云母發(fā)生綠泥石化、白云母化、赤鐵礦化，斜長(zhǎng)石發(fā)育弱黏土化。

圖1 三九礦田大地構(gòu)造位置（a）、諸廣山巖體中南部花崗巖體及鈾礦田分布示意圖［20］（b）和三九礦田地質(zhì)略圖［22］（c）Fig.1 Geotectonic location of Sanjiu ore field（a），schematic map of granite and uranium ore field in the central and southern part of the Zhuguangshan granitic batholith［20］（b），simplified geological map of the Sanjiu ore field［22］（c）

2.2 分析過(guò)程及條件

薄片磨制在南昌華地科技有限公司完成，光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡（SEM）及電子探針（EPMA）的觀察、測(cè)試均在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，儀器的主要技術(shù)指標(biāo)可對(duì)應(yīng)下文儀器型號(hào)參考實(shí)驗(yàn)室官方網(wǎng)站介紹。樣品手標(biāo)本經(jīng)觀察初選后磨制薄片，在光學(xué)顯微鏡下鑒別出鈾礦物并做好標(biāo)記，薄片鍍碳后配合EDS 使用SEM 拍攝背散射電子圖像，最后在EPMA 下進(jìn)行成分測(cè)試。本次分析測(cè)點(diǎn)均選擇鈾礦物光滑平整且無(wú)微裂隙的部位（圖2c）。

其中，SEM 觀測(cè)在FEI 捷克有限公司生產(chǎn)的Nova Nano SEM 450 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行，初始尋找礦物階段放大倍數(shù)一般在100～200 倍，然后沿標(biāo)記尋找鈾礦物，觀察及拍照階段放大倍數(shù)一般在3 000～10 000 倍。上機(jī)觀測(cè)過(guò)程中配合使用英國(guó)牛津儀器公司生產(chǎn)的X-Max20 電制冷X 射線能量色散譜儀（EDS）半定量測(cè)定礦物成分［25］，確定需要進(jìn)一步測(cè)試的目標(biāo)礦物。EPMA 測(cè)試在JXA-8100 型電子探針上完成，測(cè)試條件：加速電壓為15.0 kV，探針電流為100 nA，電子束斑為1 μm。各元素使用的X-ray 分別為ThMα，PbMα 和UMα 譜線，峰位計(jì)數(shù)時(shí)間U、Th、Pb 分別設(shè)為120 s，180 s 和300 s［26］。標(biāo)樣的選擇上，U、Th、Pb 均采用瀝青鈾礦為標(biāo)樣，峰位計(jì)數(shù)時(shí)間為180 s。采用儀器在線校正的方式校正PbMα 計(jì)數(shù)，最后根據(jù)校正后的Pb 含量參與年齡計(jì)算［27］。

2.3 年齡計(jì)算方法

長(zhǎng)期以來(lái)，鈾礦研究者提出許多晶質(zhì)鈾礦、瀝青鈾礦等鈾礦物化學(xué)年齡計(jì)算方法，目前大部分研究者應(yīng)用的是Ranchin（1968）［28］提出的經(jīng)驗(yàn)公式：

Bowles（1990）［29］及 Suzuki and Adachi（1991）［30］根據(jù)U、Th 放射性衰變?cè)砗蚒 同位素豐度提出計(jì)算公式，Bowles（1990）公式為：

式（2）中，U、Th、Pb 分別為UO2、ThO2、PbO 的原子百分含量，年齡t 單位為Ma。Suzuki and Adachi 的公式采用不同U 同位素豐度，與公式（2）計(jì)算結(jié)果相近，不再列出。

本文計(jì)算先采用公式（1）得出經(jīng)驗(yàn)表觀年齡，然后在Excel 中采用公式（2）多次迭代得到∣（Pb計(jì)算值/Pb測(cè)量值）－1∣最小值時(shí)取其表觀年齡，最后利用Isoplot 軟件［31］計(jì)算得到表觀年齡加權(quán)平均值。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，本文EPMA 分析U、Th、Pb 的測(cè)試誤差為2%，分析結(jié)果及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

3 觀測(cè)及分析結(jié)果

3.1 主要鈾礦物顯微特征

通過(guò)光學(xué)顯微鏡、SEM 觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)花崗巖中主要鈾礦物為晶質(zhì)鈾礦、瀝青鈾礦、鈾石（圖2c～f），其他鈾礦物見(jiàn)少量鈾釷石、鈦鈾礦，其他副礦物有鋯石、獨(dú)居石、磷釔礦、磷灰石等。晶質(zhì)鈾礦普遍溶蝕程度較高或破碎明顯，是區(qū)內(nèi)主要鈾源礦物，本次僅尋找到1 顆晶形較好且溶蝕程度較弱的晶質(zhì)鈾礦（圖2f）；瀝青鈾礦多與黃鐵礦、赤鐵礦、綠泥石共伴生，呈鮞狀、細(xì)脈狀、浸染狀等（圖2e）；鈾石（SiO2含量比瀝青鈾礦高）與瀝青鈾礦相似，也常與黃鐵礦、赤鐵礦、綠泥石等共伴生，呈半自形碎塊狀、他形塊狀（圖2d），尤其是常見(jiàn)充填于自形-半自形黃鐵礦裂隙中。

圖2 石壁窩礦區(qū)鈾礦石及典型鈾礦物顯微照片F(xiàn)ig.2 Hand specimen photos of uranium ores and microscopic feature of typical uranium minerals from Shibiwo mining area

3.2 主要鈾礦物成分

晶質(zhì)鈾礦：UO2含量在80.09%～97.83%，平均值為89.59%；ThO2含量在2.16%～6.43%，平均值為3.85%；PbO 含量在1.41%～2.10%，平均值為1.80%；SiO2含量在BLD～1.46%（BLD即低于檢測(cè)限，下同），平均值為0.33%；LREE2O3含量在0.03%～0.54%，平均值為0.33%；CaO 均低于BLD（表1）。

瀝青鈾礦：UO2含量在78.31%～88.83%，平均值為84.20%；ThO2含量在BLD～1.59%，平均值為0.93%；PbO 含量在0.98%～1.25%，平均值為1.11%；SiO2含量在2.20～4.91%，平均值為3.54%；LREE2O3含量在0.09%～1.45%，平均值為0.63%；與晶質(zhì)鈾礦不同的是，CaO 含量在0.06%～3.23%，平均值為1.19%；FeO 含量分布不均，部分樣品可能達(dá)4%以上，部分樣品低于1%（表1）。

3.3 鈾礦物EPMA 化學(xué)定年

3.3.1 晶質(zhì)鈾礦的定年結(jié)果

晶質(zhì)鈾礦中Ca、Si等“雜質(zhì)元素”含量可用來(lái)判斷其遭受后期改造程度，是否存在放射性Pb 的丟失［32-33］；有研究認(rèn)為晶質(zhì)鈾礦中幾乎沒(méi)有初始鉛［34］。表1 數(shù)據(jù)顯示晶質(zhì)鈾礦的CaO 含量低于檢測(cè)限，（FeO＋SiO2＋P2O5）平均含量也低于0.23%（剔除過(guò)高測(cè)點(diǎn)S08-2.3），EDS 能譜掃描圖也顯示晶質(zhì)鈾礦U、O 主量元素界線分明，“雜質(zhì)元素”普遍含量極低（圖3）。前人研究成果和上述證據(jù)表明該晶質(zhì)鈾礦雖發(fā)育少量應(yīng)力微裂隙且局部溶蝕，但基本未遭受后期化學(xué)改造，基本能滿足EPMA化學(xué)定年適用條件。

通過(guò)對(duì)比公式（1）和公式（2）的計(jì)算結(jié)果，如表1 所示，晶質(zhì)鈾礦的表觀年齡為161.7～128.7 Ma，加權(quán)平均年齡為（149.0±6.2）Ma（MSWD=3.9，n=6）（圖4a，剔除了高異常值）。

3.3.2 瀝青鈾礦的定年結(jié)果

除個(gè)別高測(cè)點(diǎn)，瀝青鈾礦的（FeO＋SiO2＋P2O5＋CaO）平均含量低于10%，且（FeO＋SiO2＋P2O5＋CaO）與PbO、與瀝青鈾礦表觀年齡均無(wú)明顯相關(guān)性，表明瀝青鈾礦中的Pb 沒(méi)有明顯的改造丟失［35］，所測(cè)年齡具有礦床成礦年齡代表性。本次研究測(cè)得的瀝青鈾礦年齡為108.8～90.5 Ma，計(jì)算加權(quán)平均年齡為（97.7±1.7）Ma（MSWD=0.99，n=5）（圖4b，剔除了最高和最低的異常值）。

圖4 石壁窩礦區(qū)晶質(zhì)鈾礦（a）和瀝青鈾礦（b）化學(xué)年齡加權(quán)平均值Fig.4 The weighted mean age of uraninite（a）and pitchblende（b）from Shibiwo mining area

4 討論

晶質(zhì)鈾礦是花崗巖中常見(jiàn)的副礦物之一，多呈包裹體狀分布在花崗巖黑云母、長(zhǎng)石、石英等造巖礦物粒間，表明其一般是在巖體冷凝期結(jié)晶或稍后結(jié)晶。因此晶質(zhì)鈾礦的結(jié)晶年齡基本能代表所賦存花崗巖體的結(jié)晶年齡，也適合用作電子探針測(cè)年的對(duì)象［36］。本次研究的年齡數(shù)據(jù)為（149.0±6.2）Ma，與前人獲得的三江口巖體花崗巖鋯石U-Pb 年齡（161.9±2.1）Ma［8］、（155.2±2.1）Ma［37］較為接近，應(yīng)該能代表石壁窩礦區(qū)三江口巖體花崗巖結(jié)晶年齡。

瀝青鈾礦是華南花崗巖型鈾礦床的主要鈾礦物，其化學(xué)年齡能代表鈾礦床的成礦年齡。本次研究的年齡數(shù)據(jù)為（97.7±1.7）Ma，與九曲嶺鈾礦床瀝青鈾礦U-Pb 同位素年齡115.0～91.6 Ma［21］較為接近，表明區(qū)內(nèi)花崗巖型鈾礦成礦年齡與成巖年齡差距較大，可能存在40～60 Myr 的巖礦時(shí)差，與華南花崗巖型鈾礦床成礦年代學(xué)特征相似［38］。需指出的是，由于本次分析的樣品不多，可能只代表本區(qū)一期的成礦年齡，本次研究剔除的數(shù)據(jù)中有個(gè)別表觀年齡大于100 Ma。

5 結(jié)論

1）石壁窩礦區(qū)單顆粒晶質(zhì)鈾礦加權(quán)平均年齡為（149.0±6.2）Ma，近似代表了區(qū)內(nèi)花崗巖結(jié)晶年齡。

2）礦區(qū)瀝青鈾礦年齡加權(quán)平均年齡為（97.7±1.7）Ma，代表了區(qū)內(nèi)花崗巖型鈾礦的一個(gè)成礦期次，與圍巖的成巖年齡存在約40～60 Myr 的巖礦時(shí)差。

致謝：野外取樣工作在湖南省地質(zhì)院三〇六大隊(duì)劉邵強(qiáng)工程師幫助下完成，樣品預(yù)處理及室內(nèi)鏡下觀察在東華理工大學(xué)閔壯同學(xué)協(xié)助下完成，掃描電鏡和電子探針實(shí)驗(yàn)操作在張雪芬博士、鄔斌博士、余馳達(dá)同學(xué)的指導(dǎo)和幫助下完成，論文修改得到匿名審稿人很好的建議，在此一并表示感謝！