鳳城賽馬鈾礦床堿性巖穩(wěn)定同位素特征研究

禹寶利，張振強，于明旭，范 軍

(1.核工業(yè)二四三大隊，內蒙古 赤峰 024000；2.核工業(yè)二四〇研究所，遼寧 沈陽 110032；3.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110004)

賽馬堿性鈾礦床具有十分獨特的巖石化學和地球化學特征，為產有大規(guī)模的鈾、釷、稀有、稀土元素的綜合性礦床，這是世界罕見的。地質學者一直在思考和探討賽馬巖體的生成及整個鳳城堿性巖巖漿的來源和成因問題。起初認為賽馬堿性巖生成于燕山期，是花崗巖漿晚期堿性分異產物(彭琪瑞，1963；吳利仁，1966)。但隨著工作的深入，野外發(fā)現(xiàn)堿性巖被侏羅紀陸相煤層沉積覆蓋而非侵入，特別是根據(jù)K-Ar和U-Pb同位素年齡(北京鈾礦地質研究院賽馬礦床研究組，1977；申永治，1987；孫立軍等，2009)將賽馬巖體的生成和鈾礦成礦年齡確定在三疊紀印支期，排除了與當?shù)匮嗌狡诨◢弾r的成因聯(lián)系。另外，在鳳城堿性巖外圍東西兩側沿著控制堿性巖分布的深斷裂中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了基性巖侵入體，同位素測定表明屬于印支期產物(穆可敏，1995)，所以推測堿性巖也像基性巖漿一樣具有深源成因(范軍等，1986)。

在各種地質作用過程中，物理化學條件的變化往往引起地質體中元素的同位素產生分餾效應，從而導致穩(wěn)定同位素組成發(fā)生變異。這種穩(wěn)定同位素地球化學所提供的證據(jù)已被廣泛應用于解決巖石和礦床的成因、闡明成巖成礦過程、探討物質來源，以及判別不同巖石的同源性及其與圍巖的關系等(鄭永飛等，2000；約亨，2002；沈渭洲，1987；魏菊英等，1988)。

筆者在野外地質調查基礎上，對所采集的堿性火山巖及侵入巖體樣品開展S、O、Sr、Pb同位素研究，從而提出對賽馬堿性巖成因和成巖演化的認識。

1 區(qū)域地質背景

賽馬鈾礦床位于賽馬堿性巖體的西北部。礦床呈南北向帶狀展布，南窄北寬，長 1 800 m，窄者 30～50 m、寬者 160～200 m。大地構造位于華北克拉通東北部的遼東半島(圖1)，即遼東地塊太子河-渾江古凹陷與營口-寬甸古隆起的交接部位南緣(范軍等，1986)，一些巖體的出露受東西向深大斷裂控制。早元古代以后，華北地臺隨著不同時期地殼運動的發(fā)展，沿優(yōu)、冒地槽交界處發(fā)育的深大斷裂及其附近出現(xiàn)古老地殼的多次抬升、裂開與沉降，為巖漿侵入提供了通道。這些運動一直延續(xù)到早古生代和中生代，導致了多期次的巖漿活動。

圖1 鳳城堿性雜巖區(qū)域地質構造圖Fig.1 Regional geological structure map of Fengcheng alkaline complex 1.白堊紀花崗巖；2.侏羅紀花崗巖；3.三疊紀花崗巖；4.賽馬-柏林川堿性巖；5.太古代基底；6.斷裂構造

區(qū)域地層相對簡單，主要有古元古代遼河群大理巖、千枚巖和少量變粒巖；震旦紀淺變質巖；早古生代淺變質碎屑沉積巖和侏羅紀火山碎屑、含煤地層。

區(qū)域巖漿主要沿構造活動帶分布。褶皺和斷裂主要以近東西向為主，其次為北東和北北東向。沿斷裂帶巖漿活動頻繁，普遍有基性、超基性巖漿侵入，巖性為輝長巖、輝綠巖。新生代玄武巖沿這些斷裂噴出。此外，還有花崗巖產出，如晚太古代弓長嶺花崗巖、連山關花崗巖；中生代千山花崗巖、北大山花崗巖等，其構成一條規(guī)模宏大、巖性復雜的構造-巖漿帶。

鳳城堿性雜巖沿優(yōu)、冒地槽交界處附近和古老而多次活動的深斷裂侵入，呈近東西向展布，出露面積約200 km2，分布在東西長約40 km，南北寬約15 km范圍內，由大量堿性火山巖和次火山巖和4個堿性侵入體構成。自西向東分為：賽馬巖體、顧家?guī)r體、叆陽巖體和柏林川巖體。

2 礦床地質特征

2.1 賽馬堿性巖體特征

賽馬堿性巖體由噴出相和侵入相組成。噴出巖主要有白榴斑巖、假白榴石響巖和響巖三類。侵入巖根據(jù)地質產狀、巖石類型、礦物組分、化學成分、結構構造可分為兩個侵入期(成曦暉，2017)。

(1)第一侵入期。其在巖體內大面積出露，構成了巖體的主體，呈巖株產出。侵入巖內部具有原生節(jié)理，常被晚期的草綠色霓石霓霞正長巖侵入。由邊緣相的黑榴云霞正長巖和云霞正長巖及內部相的云霞正長巖、黑色霓霞正長巖和暗綠色霓石霓霞正長巖組成。這些巖石之間無明顯的接觸界線。

(2)第二侵入期。其出露面積小，主要由殘漿相的綠色霓石霓霞正長巖、異性石草綠色霓石霓霞正長巖、草綠色霓石霓霞正長巖組成。它們之間呈漸變過渡關系，與第一侵入期巖體呈侵入接觸關系，呈似層狀貫入第一侵入期巖石的邊緣近水平節(jié)理中，呈巖株、巖脈及舌狀體產出。

2.2 鈾礦化類型及礦體特征

結合北京鈾礦地質研究院賽馬礦床研究組(1977)的研究，鈾礦化類型及礦體特征可分為3類。

(1)綠層硅鈰鈦礦型。其產于草綠色霓霞正長巖中，是礦床的主體，構成了鈾、釷、稀土、鈮的大型綜合性礦床，屬于殘漿交代型成因。礦體的空間分布受草綠色霓霞正長巖的控制，單個礦體形態(tài)為似層狀、透鏡狀，礦體之間近似平行；工業(yè)礦物為綠層硅鈰鈦及其不同程度的蝕變礦物；鈾含量為0.05%～0.10%，釷含量為0.15%～0.40%，鈰族稀土元素和鈮含量均達到工業(yè)要求。

(2)矽卡巖型鈾燒綠石-鈮鈦鈾礦型。其產于矽卡巖中，礦化大部分賦存于鈉鐵閃石巖、金云母巖等堿性矽卡巖中。礦體主要呈透鏡狀及扁豆狀，其規(guī)模變化較大。礦體產狀與矽卡巖產狀一致。工業(yè)鈾礦物為燒綠石鈮鈦鈾礦，鈾含量為0.05%～0.20%，鈮含量為0.2%～0.8%。

(3)瀝青鈾礦型。其產于變生正長巖中，其部分疊加于矽卡巖中，屬于中低溫熱液脈狀礦化。礦化主要產于上部的變生正長巖及變生霓石正長巖中。礦體多呈脈狀、細脈狀和透鏡狀，為單鈾型，也伴有一定量的釷、鈮等元素。礦石的含鈾量為0.05%～0.40%。

2.3 礦石礦物組合

(1)綠層硅鈰鈦礦型。礦石礦物有綠層硅鈰鈦礦、膠綠層硅鈰鈦礦、鈾方釷石、鈾釷石、釷石、硅鈾鈣鎂礦、鈰鈮鈣鈦礦、富鍶鈰鈮鈣鈦礦、黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦、斜方砷鈷鐵礦和磁黃鐵礦，脈石礦物有微斜長石、霞石、霓石、閃葉石、針鈉鈣石、鈉鐵閃石、黑云母、黑榴石、榍石、磷灰石和金紅石。

(2)鈾燒綠石-鈮鈦鈾礦矽卡巖型。礦石礦物有鈾燒綠石、鈮鈦鈾礦、綠層硅鈰鈦礦、鈾方釷石、釷石、鈦鐵礦、黃鐵礦、磁黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦、磁鐵礦、水硅鈦鈰礦、鈰鈮鈣鈦礦、鈣鈦礦、板鈦礦、銳鈦礦和稀土碳酸鹽礦物，脈石礦物有鎂鈉鐵閃石，鐵鈉鎂閃石、鈉鎂閃石、透閃石、金云母、微斜長石、鈉長石、霞石、霓石、方解石、磷灰石、異性石、閃葉石、鈉鋯石、鋯石、針鈉鈣石、榍石、螢石、金紅石、鈣霞石、鈉沸石和方沸石等。

(3)瀝青鈾礦型。礦石礦物有瀝青鈾礦、鈾黑、釷石、黃鐵礦、白鐵礦、水針鐵礦、方鉛礦、閃鋅礦、黃銅礦、板鈦礦、銳鈦礦、白鈦礦和水硅鈦鈰礦等，脈石礦物有微斜長石、鈉長石、綠泥石、微晶石英、方解石、螢石、水云母、鋯石、鈉沸石和方沸石等。

2.4 礦石結構構造

綠層硅鈰鈦礦型礦化具交代結構，浸染狀、似脈狀構造；鈾燒綠石-鈮鈦鈾礦矽卡巖型礦化具交代結構，浸染狀、條帶狀、似脈狀構造；瀝青鈾礦型礦化具膠狀結構，脈狀、角礫狀、腎狀及浸染狀構造。

3 穩(wěn)定同位素特征

3.1 鍶同位素

大陸殼的Rb/Sr比值為0.15～0.20，而代表上地幔來源的玄武質巖石的Rb/Sr比值僅為0.05左右。因此，利用這一模式可以判斷巖石成因和形成巖漿的源區(qū)(福爾等，1975)。

由大陸殼物質重熔的巖石具有較高的87Sr/86Sr 初始比值，其變化范圍一般為0.710 0～0.725 0?，F(xiàn)今大陸硅鋁層的87Sr/86Sr值為0.719 0。大洋玄武質巖石的87Sr/86Sr 值一般為0.701 2～0.705 7。由上地幔與大陸殼物質混合形成的巖石其87Sr/86Sr值介于0.706 0～0.710 0。研究巖石中87Sr/86Sr 初始比值也能幫助判斷在同一巖區(qū)內，不同噴發(fā)、不同侵入期次和化學成分相異的巖石系列形成的物質起源。由同一母巖漿形成的巖石，具有相同的87Sr/86Sr 初始比值。明顯不同的87Sr/86Sr 初始比值，表明它們不是由同一母巖漿形成的，或是母巖漿與不同鍶同位素組成的圍巖發(fā)生混染作用的結果。

為研究賽馬巖體鍶同位素組成特征，測定了賽馬堿性巖體不同類型巖石的87Sr/86Sr初始比值。樣品包括早期噴發(fā)相、第一期和第二期侵入相的主要巖石。賽馬堿性巖的銣、鍶含量及87Sr/86Sr比值數(shù)據(jù)如表1，并具有以下特征。

表1 賽馬堿性巖鍶同位素Table 1 Strontium isotope of Saima alkaline rocks

(1)各類巖石貧銣富鍶。銣含量介于(100.3～278.9)×10-6。鍶含量較高，各個樣品均大于2 500×10-6，特別是第二期侵入相的草綠色霓霞正長巖中鍶含量達7 888.2×10-6，而銣含量只有100.3×10-6。

(2)各類巖石的Rb/Sr值較低。除云霓霞正長巖的Rb/Sr值接近0.1外，其余值為0.030 9～0.094 7，平均值為0.062 3，與玄武質巖石的Rb/Sr比值相似。

(3)早期噴發(fā)相和隨后形成的兩期侵入相巖石的鍶同位素比值相當接近，均小于0.710。按K-Ar法(鐘軍等，2020)和U-Th-Pb法(宋建強，2017；鄔斌，2016)測得巖石形成年齡為220 Ma，扣除放射性成因鍶，該堿性巖體各類比值平均為(0.708 06±0.000 31)，表明構成賽馬堿性巖體的火山巖及各期侵入巖是由同一母巖漿產生的。

(4)賽馬堿性巖的87Sr/86Sr初始比值在鍶同位素演化圖上(圖2)，其投影點落入大洋玄武質巖源區(qū)(上地幔)與大陸殼鍶同位素之間的過渡部位。在87Sr/86Sr-Rb/Sr、87Sr/86Sr-Rb和87Sr/86Sr-Sr變異圖上(圖3)，投影點與福爾等(1975)總結非洲、澳大利亞、歐洲和北美等地區(qū)堿性巖的資料基本一致，賽馬堿性巖的投影點落在大陸玄武巖區(qū)內。由此可見，賽馬堿性巖似乎不是由地殼物質重熔巖漿形成的，但也不是大洋型玄武質巖漿單一分異的產物，而可能是由上地幔物質部分熔融所產生的貧銣、鍶巖漿，并在上升過程中混合了一部分地殼物質后團結而成的(景立珍等，1995)。

圖2 賽馬堿性巖87Sr/86Sr初始 比值演化圖(福爾等，1975)Fig.2 87Sr/86Sr initial ratio values diagram of Saima alkaline rocks △表示鍶樣品初始比值投影點

圖3 堿性巖87Sr/86Sr-Rb/Sr(a)、87Sr/86Sr-Rb(b)和87Sr/86Sr-Sr(c)變異圖Fig.3 87Sr/86Sr-Rb/Sr(a)，87Sr/86Sr-Rb(b)and 87Sr/86Sr-Sr(c) variation diagram of alkaline rocks

3.2 鉛同位素

賽馬堿性巖中鉛礦化微弱。為了進行鉛同位素研究，在有代表性的巖石中采集了4個方鉛礦樣品。S18-81號方鉛礦產于第一侵入期云霓霞正長巖中，呈浸染狀分布在偉晶巖團塊內；S18-40號樣品是從第二侵入相草綠色霓霞正長巖的重砂礦物中挑選出來的，在巖石中呈分散浸染狀產出；S18-123號方鉛礦產于堿性巖與大理巖接觸交代形成的矽卡巖中，也是呈浸染狀產出；S18-76號方鉛礦賦存于粗面巖裂隙中，與含鈾石英脈共生。根據(jù)方鉛礦產出部位及賦存狀態(tài)判斷，它們在成因上與堿性巖密切相關，是堿性巖巖漿分異作用的晚期產物。

賽馬堿性巖中的4個方鉛礦同位素組成及鉛同位素單階段和兩階段模式計算的年齡值、U/Pb和Th/U值如表2、圖4，其方鉛礦鉛同位素有以下特征：

圖4 賽馬堿性巖鉛同位素特征圖Fig.4 Pb isotopic characteristics diagram of Saima alkaline rocks

表2 賽馬堿性巖中方鉛礦鉛同位素組成及模式年齡Table 2 Pb isotopic composition and model age of galena in Saima alkaline rocks

(1)鉛同位素組成比穩(wěn)定。206Pb/204Pb值為16.909～17.478、207Pb/204Pb值為15.458～15.660。鉛同位素組成是非放射性成因的，表明它們來自上地?；蛳虏康貧?。238U/204Pb值為9.55～10.28(兩階段模式，Stacey et al., 1975)，其比值大小與其所處圍巖的含鈾量有關，產于含鈾較高的草綠色霓石霓霞正長巖和含鈾石英脈中的方鉛礦具有較高的238U/204Pb值，表明曾遭受到放射性成因鉛的污染。

(2)賦存于不同類型堿性巖的方鉛礦鉛同位素用單階段(多伊，1975)或兩階段模式計算的年齡與圍巖形成年齡不一致。4個方鉛礦的模式年齡為879～1 072 Ma，比圍巖形成年齡(220 Ma)大得多；在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb圖上具有線性關系，表明它們應屬于異常鉛(陳岳龍，2005)。如果將該直線的斜率和堿性巖形成年齡(t1=220 Ma)代入兩階段異常鉛年齡計算公式，求得t1年齡為3 540 Ma，這一年齡應代表提供異常鉛的巖石形成年齡值(多伊,1975)，即代表鉛同位素分異的第一階段發(fā)展結束，第二階段發(fā)展開始的時間。這一年齡值與Stacey等(1975)提出的地球在37億年發(fā)生分異作用形成地幔和地殼的時間極為接近，說明賽馬堿性巖源區(qū)可能是35億年前殼幔分異后的上地幔。

3.3 氧同位素

通常采用18O/16O的比值代表氧的同位素組成(丁梯平，1980；潘春蓉等，2017)。Taylor(1973)分析了各種類型巖石中氧同位素組成，確定了各種火成巖和變質巖中18O/16O的比值關系。對賽馬不同期相堿性巖石中的部分礦物進行了氧同位素分析，其結果如表3。

表3 賽馬堿性巖氧同位素組成Table 3 O isotopic composition of Saima alkaline rocks

(1)賽馬堿性巖的δ18O值為4.06‰～7.75‰，平均值為6.05‰，處于約亨(2002)的火成巖氧同位素組成分布范圍內。與酸性火成巖相比，這一區(qū)間具有較低的δ18O，說明巖石形成時氧的同位素組分比較單一，這可能與深源巖漿有關。

(2)氧同位素組成的變異反映巖漿分異作用和造巖礦物的生成順序。第一侵入期云霓霞正長巖的δ18O值平均為5.80‰，第二侵入期草綠色霓霞正長巖的δ18O值平均為7.27‰，相應地富集了18O，說明巖漿分異過程中18O在晚期巖漿中富集。

以上氧同位素的測定結果，從另一個側面提供了賽馬堿性巖屬深源巖漿成因的證據(jù)。

3.4 硫同位素

巖石中的硫源一般有三種：一種是來自上地幔和深部地殼的硫，其硫同位素組成與隕石硫同位素組成基本一致，δ34S值約為0；第二種是來自地幔和深部地殼的硫，在上運移過程中混染了部分地殼硫，δ34S值將偏離隕石硫；第三種為地殼巖石中的硫，其同位素組成變化較大，總的特點是δ34S分散且變化范圍寬(鄭永飛等，2000；凡秀君等，2017)。

在賽馬巖石中，采集了10個與成巖同期的硫化物礦物樣品進行硫同位素分析(劉漢斌等，2013)，硫含量及同位素比值如表4和圖5。

表4 賽馬堿性巖的δ34S值Table 4 δ34S value of Saima alkaline rocks

圖5 賽馬堿性巖硫化物硫同位素組成分布圖Fig.5 S isotopic composition distribution diagram of sulfide in Saima alkaline rocks 1.堿性噴出巖；2.第一期侵入體內部相；3.第一侵 入體邊緣相；4.第二期侵入體；5.石英脈

從圖5中可以看出，硫同位素分布具有以下特征：

(1)黃鐵礦、磁黃鐵礦、方鉛礦3種硫化物礦物的δ34S 值變化范圍為-1.1‰～+7.5‰，剔除石英脈(δ34S值-1.1‰)和接觸混染黑云榴霞正長巖(δ34S值+7.5‰)的兩個極值外，巖體硫同位素比值介于+0.3‰～+5.0‰，比較接近于隕石硫。

(2)堿性噴出巖δ34S值為+0.3‰～+0.5‰，第一侵入期巖石δ34S值為+1.5‰～+2.5 ‰；第二侵入期巖石δ34S為+3.4‰～+5.0‰。侵入時間自早至晚，δ34S值逐漸偏離隕石硫零點，說明晚期巖石中有較多殼層物質混入。

(3)從各樣品δ34S分布范圍可以看出，其值基本接近隕石硫，故推測硫源主要來自上地幔，并兼有地殼硫的混入(沈渭洲，1987)。

4 賽馬堿性巖的成因

賽馬堿性巖中的火山巖及各期侵入巖的硫同位素組成變化窄，δ34S全為正值，各巖相之間出現(xiàn)有規(guī)律變化。堿性火山巖δ34S值很低，僅為+0.3‰～+0.5‰，接近隕石硫同位素組成。第一侵入期巖石的δ34S值增至+2.0‰～+2.5‰，而第二侵入期形成的草綠色霓石霓霞正長巖δ34S為+3.4 ‰～+5.0‰，與隕石硫同位素組成相比較，偏離零點較多，可能是殘余巖漿上升過程中受淺部地殼物質混染的結果。而巖體與鈣質圍巖混染產生的黑榴云霞正長巖δ34S值達+7.5‰，是巖漿同化了圍巖的結果。從不同巖相的δ34S值中看出，硫主要來自上地幔，但在巖漿入侵過程中混入了部分殼源硫。由此可知，賽馬堿性巖主要屬幔源巖漿成因。

賽馬堿性巖87Sr/86Sr的初始值相當接近，變化于0.708 19～0.708 92，平均為0.708 6±0.000 3。在鍶同位素演化圖上，投影點落在大洋玄武巖源區(qū)(上地幔)與大陸殼鍶同位素生長線之間的過渡部位，更靠近大洋玄武巖源區(qū)，反映其上地幔來源，但受大陸殼物質混染。賽馬堿性巖的Rb、Sr含量較高，Rb/Sr值低(一般小于0.07)，在87Sr/86Sr-Rb/Sr值變異圖上，投影點落在大陸玄武巖區(qū)內，也反映地幔來源。這些結果說明，賽馬堿性巖成因主要為上地幔物質部分熔融所產生的富Sr巖漿，在其上升過程中攜帶有與地殼混合的物質。

賽馬堿性氧同位素δ18O值為+4.06‰～+7.75‰，從另一側面反映了巖漿來源于上地幔。

鉛同位素組成比較穩(wěn)定，206Pb/204Pb值為16.909～17.478，207Pb/204Pb值為15.458～15.660，揭示上地幔深部物質來源。

由以上Sr、O、S、Pb同位素研究說明堿性巖漿是深源的，為上地幔部分熔融的產物，但不是單一的幔源成因，而是受到一定程度殼源物質的混染，是初始巖漿上升過程中與地殼物質發(fā)生了相互作用，混進了一部分地殼物質。