北秦嶺光石溝花崗偉晶巖型鈾礦床成礦時代：來自獨居石原位微區(qū)U-Th-Pb 定年約束

武勇，秦明寬，郭冬發(fā)，崔建勇，劉漢彬，何升

（核工業(yè)北京地質研究院 中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京 100029）

花崗偉晶巖型鈾礦床常指與花崗偉晶巖有關的一類礦床，產鈾花崗偉晶巖主要分布在古老的褶皺帶內，周圍分布一些巖漿巖體，其中以納米比亞R?ssing 鈾礦床為典型代表，其鈾資源量約占了世界的5%［1］。我國北秦嶺地區(qū)是花崗偉晶巖型鈾礦床較為發(fā)育的成礦區(qū)（帶），目前已發(fā)現(xiàn)的鈾礦床有光石溝和陳家莊兩個典型花崗偉晶巖型鈾礦床，其中以光石溝鈾礦床為代表［2-3］。前人對光石溝鈾礦床進行了較多的研究，取得了豐富的成果和認識。但由于技術條件的限制，以往的研究多聚焦于礦床的成礦地質背景、形成條件、礦床成因等方面，而有關該礦床的成礦作用時間的研究，前人利用熱電離質譜（TIMS）、電子探針（EPMA）等技術獲得了測試結果，但也存在一定的分歧，一定程度上制約了對礦床的成因和實際找礦方向的認識［4-6］。

本文將對與晶質鈾礦空間關系呈共生的礦物（獨居石）為研究對象，進行原位、微區(qū)LAICP-MS 定年，開展系統(tǒng)的礦物年代學研究，以揭示該礦床的鈾成礦作用，對光石溝地區(qū)鈾礦的成因及成礦年代學的研究具有重要意義，為今后在該礦區(qū)開展鈾礦找礦工作提供科學數(shù)據支持。

1 區(qū)域地質概況

光石溝鈾礦床位于華北大陸南緣北秦嶺東段地區(qū)，北以蔡川斷裂為界，南以商丹構造帶斷裂為界，區(qū)內分布的地層主要為晚古生代秦嶺群、丹鳳群、云家韓群和晚三疊世-早侏羅世砂巖地層（圖1）。礦床空間位置產于大毛溝巖株外接觸帶的黑云母花崗偉晶巖區(qū)域，出露地層為秦嶺群的下巖性段。巖性主要由黑云母斜長片麻巖、大理巖、斜長角閃巖、混合巖組成［7-10］。斷裂構造主要發(fā)育以層間破碎帶為特征的北西西向和北西向斷裂為主。

礦區(qū)出露的巖漿巖主要為灰池子和大毛溝花崗巖體，其中灰池子巖體為復式花崗巖體，巖性包括黑云母花崗閃長巖和黑云母花崗巖，大毛溝巖體主要為黑云母正長花崗巖。礦體賦存在黑云母花崗偉晶巖和黑云母斜長片麻巖接觸帶上（圖2）。

圖2 光石溝花崗偉晶巖型鈾礦床地質簡圖Fig.2 Simplified geological map of the Guangshigou uranium deposit

2 樣品采集與處理

為了探究光石溝鈾礦床形成時間，本次共采集了5 件含礦黑云母花崗偉晶巖樣品，樣品均采自于礦床的985 平垌內。該平垌發(fā)育大量與鈾礦化有關的花崗偉晶巖脈，賦礦花崗偉晶巖脈常含有大量的黑云母（圖3a）。礦石礦物主要以晶質鈾礦為主（圖3b、c），脈石礦物為黑云母、石英和長石（圖3d），副礦物有獨居石、鋯石、磷灰石、黃鐵礦等。本次研究將含礦黑云母花崗偉晶巖樣品制成光薄片進行原位LAICP-MS 測試，樣品經反光顯微鏡觀察之后，再送至核工業(yè)北京地質研究院測試中心開展BSE圖像分析。

圖3 黑云母花崗偉晶巖手標本及鏡下照片F(xiàn)ig.3 Photo of the hand specimen and microscopic of the granitic pegmatites from the Guangshigou uranium deposit

3 分析方法

獨居石原位U-Th-Pb 同位素定年在武漢上譜分析有限責任公司利用LA-ICP-MS 分析完成，激光剝蝕系統(tǒng)為GeoLas 2005，ICP-MS 為Agilent 7700e。激光剝蝕過程采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣以調節(jié)靈敏度，二者在進入ICP 之前通過一個T 型轉接頭混合。單點采集數(shù)據包括大約20～30 s 的空白信號和50 s 的樣品信號。對分析數(shù)據的離線處理采用軟件ICPMSDataCal完成［11］。U-Th-Pb同位素定年中采用獨居石Tre（Trebilcock 偉晶巖獨居石）作外標進行同位素分餾校正，每分析5 個樣品點，再分析2 次獨居石Tre 標樣。獨居石樣品的UTh-Pb 年齡諧和圖繪制和年齡權重平均計算采用IsoplotEx_ver3 完成［12］。

4 分析結果

含礦黑云母花崗偉晶巖樣品中獨居石顆粒大小不一，其長軸約為400～2 000 μm，個別顆?？蛇_3 000 μm，長寬比介于2∶1～4∶1，呈自形、半自形居多，少數(shù)者為渾圓狀，部分獨居石發(fā)育裂紋，在背散射電子圖像中絕大部獨居石都具有較為均勻的灰色發(fā)光效應（圖4）。42個點的獨居石LA-ICP-MS U-Pb 分析結果見圖5 和表1。

圖4 與晶質鈾礦共生獨居石礦物掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 The BSE image of uraninite coexisting with monazite

圖5 獨居石LA-ICP-MS 測試結果協(xié)和圖Fig.5 Monazatie U-Pb age diagrams

從表1 可知，樣品2018GSG-4-1 獨居石的Th、U含量別為 9.13×10-2～9.86×10-2和8.64×10-3～1.26×10-2，相應的Th/U值為7.73～10.56，7 個分析點的諧和年齡為（403.5±3.6）Ma（MSWD＝0.7）；樣品2018GSG-4-3 獨居石的Th、U含量別為9.75×10-2～1.01×10-1和7.46×10-3～1.01×10-2，相應的 Th/U值為9.76～13.28，7 個分析點獲得諧和年齡為（403.5±3.6）Ma（MSWD＝1.3）；樣品2018GSG-5-3獨居石的Th、U含量別為9.74×10-2～1.05×10-1和6.26×10-3～1.26×10-2，相應的Th/U 值為8.07～15.56，8 個分析點獲得諧和年齡為（400.2±4.3）Ma（MSWD＝2.8）；樣品2018GSG-5-4 獨居石的Th、U含量別為9.03×10-2～1.05×10-1和8.73×10-3～1.22×10-2，相應的Th/U 值為7.60～11.63，10 個分析點的諧和年齡為（399.6±0.78）Ma（MSWD＝4.9）；樣品2018GSG-6-1 獨居石的Th、U含量別為8.93×10-2～1.02×10-1和1.04×10-2～1.35×10-2，相應的Th/U 值為7.55～9.70，10 個分析點的諧和年齡為（400.8±2.4）Ma（MSWD＝2.9）。

表1 獨居石LA-ICP-MS 測試結果Table 1 LA-ICP-MS test results of monazite

綜上所述，5 件含礦黑云母花崗偉晶巖的獨居石樣品諧和年齡分別為（403.5±3.6）Ma、（403.5±3.6）Ma、（400.2±4.3）Ma、（399.6±0.78）Ma、（400.8±2.4）Ma，代表了黑云母花崗偉晶巖石的成巖年齡，基于獨居石與晶質鈾礦的空間共生關系，表明了晶質鈾礦形成時間與獨居石近于同期。

5 討論

5.1 成礦時代的約束

獨居石分布較為廣泛，常常是變質巖、沉積巖和中酸性花崗巖中一種副礦物，并以其富含U、Th，低普通Pb 含量，體系封閉溫度高，不易發(fā)生放射性損傷為特征，成為U-Pb定年的理想對象［13］。獨居石在低流體環(huán)境性質非常穩(wěn)定，礦物形成則處于相對封閉的U-Th-Pb 體系，因此，利用獨居石定年可以有效地判定成巖、成礦地質事件的形成時間［14-15］。本次所研究的獨居石礦物，在產出空間關系上，與礦石礦物（晶質鈾礦）共生，形貌特征常呈自形、半自形，碎裂狀結構，礦物的掃描電鏡圖像顯示其發(fā)光均勻，不發(fā)育環(huán)帶結構。

前人對獨居石的成因研究表明，熱液成因的獨居石Th 的質量分數(shù)一般小于1%，而巖漿成因的獨居石一般更富集Th 且Eu 呈現(xiàn)明顯地負異常、Th/U 值較高［16］。同樣，獨居石的稀土元素地球化學特征也可以用來識別其成因類型，例如熱液交代和沉積成因的獨居石具有稀土元素四分組效應，而巖漿成因獨居石稀土元素不具有四分組效應，表現(xiàn)出明顯的Eu 強烈虧損的右傾斜稀土配分曲線［16-18］。本次所開展的研究中，5 件獨居石礦物樣品的Th/U 值變化范圍為7.55～15.56，平均值為10.13，明顯高于熱液成因的獨居石中Th 含量（1%），獨居石的稀土元素不具有四分組效應（表2），所有樣品表現(xiàn)為Eu 強烈虧損的右傾特征（圖6）。因此，本研究所采用的5 個獨居石與其共生的晶質鈾礦都是巖漿成因形成，指示了獨居石與晶質鈾礦為同時結晶形成，也就是說，獨居石與礦石礦物（晶質鈾礦）在成因上具有同樣的形成環(huán)境，產出空間關系上一致，結合獨居石（403.5±3.6）Ma、（403.5±3.6）Ma、（400.2±4.3）Ma（399.6±0.78）Ma、（400.8±2.4）Ma 的U-Pb 年齡，表明光石溝花崗偉晶巖型鈾礦床的成礦作用時間發(fā)生在約400 Ma 左右，為早泥盆世。

圖6 獨居石稀土元素配分圖解Fig.6 Diagram of rare earth elements in monazite

表2 獨居石稀土元素LA-ICP-MS 測試結果w（B）/10-6Table 2 LA-ICP-MS test results of REE of monazite w(B)/10-6

5.2 成礦動力學背景

光石溝鈾礦床的含礦圍巖主要以黑云母花崗偉晶巖為主，晶質鈾礦多呈自形、半自形結構散布巖石中，或出現(xiàn)在造巖礦物（黑云母）內部及邊部（圖3），或常與副礦物（獨居石、磷灰石等）共生（圖4），與造巖礦物或者副礦物呈包含結構、共生結構，表明晶質鈾礦與造巖礦物、副礦物近于同時形成。北秦嶺商丹地區(qū)出現(xiàn)廣泛發(fā)育加里東期花崗巖巖體和花崗偉晶巖巖石類型，這些巖石記錄了秦嶺古大洋與華北板塊碰撞過程的造山演化歷史［18-19］。在丹鳳地區(qū)，秦嶺群的主體為混合巖化片麻巖，新元古代晚期，華北陸塊南緣開始裂解，隨后發(fā)生大洋擴張作用，秦嶺洋殼沿商丹縫合帶的俯沖從北秦嶺東段開始，并持續(xù)到晚奧陶世末或早志留世（442 Ma）［4-7］。此后，構造體由洋陸俯沖轉換成塊體的碰撞增生，在晚志留世（420～413 Ma），灰池子巖體形成受幔源物質和加厚地殼的共同作用，塊體匯聚作用減弱，而轉變成較強的褶皺作用，隨之發(fā)生低壓變質、深熔以及巖漿作用［8］。同源的花崗質巖漿同化秦嶺群地殼巖石形成了較高分異的花崗偉晶巖組合，同時，褶皺之間的構造界面為偉晶巖漿和礦體賦存提供了就位空間［6-8］。

隨著偉晶巖巖漿演化的后期階段，溫度、壓力的不斷變化，U 在巖漿中為強烈不相容元素。巖漿晚期形成相對還原環(huán)境，在結晶分異作用下，U 更傾向于在巖漿晚期富集，在花崗偉晶巖巖漿演化過程中U 進一步富集。隨著黑云母、獨居石、磷灰石等礦物結晶，U 在還原環(huán)境下，最終形成獨立鈾礦物而富集成礦。

6 結論

1）通過對樣品開展光學顯微鏡、掃描電鏡及稀土元素研究，指示了獨居石與礦石礦物（晶質鈾礦）同時形成，且形成于高溫、相對還原的物理-化學環(huán)境。

2）北秦嶺地區(qū)光石溝花崗偉晶巖型鈾礦床的5 件含礦偉晶巖中獨居石樣品的U-Pb 年齡分別為（403.5±3.6）Ma、（403.5±3.6）Ma、（400.2±4.3）Ma、（399.6±0.78）Ma 和（400.8±2.4）Ma，一致地代表了該礦床的成礦地質時代為早泥盆世。

3）獨居石的年齡結果表明含礦偉晶巖形成于早泥盆世，結合已有的年代學數(shù)據，北秦嶺地區(qū)主要發(fā)生了早泥盆世巖漿活動，商丹洋殼北向俯沖導致秦嶺微陸塊發(fā)生變質、深熔和同時巖漿作用，最終形成了光石溝鈾礦床。