紅石泉鈾礦床早志留世二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖成因及與鈾成礦關(guān)系

王 貴， 王凱興， 王 偉， 王 剛， 余馳達(dá)

(1.核工業(yè)二〇三研究所，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

龍首山鈾成礦帶東起民勤縣紅崖山，西至張掖市，北西向延伸約180 km。目前，在龍首山鈾成礦帶內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個(gè)鈾礦床、眾多鈾礦化和異常點(diǎn)，這些鈾礦化類(lèi)型包括巖漿型、堿交代型和砂巖型，該鈾成礦帶是我國(guó)西北地區(qū)主要鈾成礦區(qū)之一(王生云等，2020；陳云杰等，2020；張金帶等，2012)。

紅石泉鈾礦床位于龍首山鈾成礦帶西段，屬于巖漿侵入巖型鈾礦床(張金帶等，2012)，礦化巖石主要是元古代偉晶狀花崗巖，鈾礦物以晶質(zhì)鈾礦為主，成礦時(shí)代為元古代(辛存林等，2013)。隨著勘探工作的深入，在紅石泉鈾礦床內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量受構(gòu)造控制的瀝青鈾礦，暗示該礦床內(nèi)存在熱液鈾成礦作用。以往對(duì)紅石泉鈾礦床的研究主要為元古代巖漿巖及巖漿鈾成礦作用(戎嘉樹(shù)等，1984；辛存林等，2013)。然而，對(duì)于改造晶質(zhì)鈾礦的流體有關(guān)的巖漿熱事件研究薄弱。通過(guò)對(duì)晶質(zhì)鈾礦研究，王偉等(2020)認(rèn)為紅石泉鈾礦床晶質(zhì)鈾礦形成之后經(jīng)歷了古生代熱液改造作用；紅石泉礦床晶質(zhì)鈾礦被改造的時(shí)期約為427 Ma(1)王生云，2020.龍首山鈾成礦帶關(guān)鍵控礦要素研究及遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)[R].。筆者通過(guò)對(duì)紅石泉鈾礦床巖漿巖分析后發(fā)現(xiàn)，在元古代偉晶狀花崗巖南部以巖株?duì)钋秩氲亩L(zhǎng)正長(zhǎng)巖年齡約為421 Ma，該期次二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖可能與紅石泉礦床元古代晶質(zhì)鈾礦的古生代改造的巖漿活動(dòng)有關(guān)。鑒于此，筆者選擇紅石泉礦區(qū)的二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖作為研究對(duì)象，開(kāi)展LA-ICP-MS 鋯石U-Pb同位素年代學(xué)、元素地球化學(xué)特征研究，旨在探討其形成年齡、巖石成因及其與熱液鈾成礦之間的聯(lián)系。

1 地質(zhì)背景

1.1 大地構(gòu)造背景

紅石泉鈾礦床屬于祁連-秦嶺成礦省的祁連-龍首山成礦帶的西段，其在大地位置上位于華北板塊西南緣，阿拉善地塊的南緣，南接河西走廊盆地(圖1a)。紅石泉鈾礦床地質(zhì)演化經(jīng)歷了3個(gè)階段：前寒武紀(jì)地塊的形成和發(fā)展階段，古生代拱斷帶的形成和發(fā)展階段，中新生代斷塊活動(dòng)階段。該地區(qū)顯示出活動(dòng)-穩(wěn)定-再活動(dòng)-再穩(wěn)定的多旋回的發(fā)展演化特征，每個(gè)階段的沉積建造、構(gòu)造變形、變質(zhì)作用、巖漿活動(dòng)和成礦作用都有不同的特點(diǎn)。

圖1 北祁連裂谷區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖(a)和紅石泉鈾礦床地質(zhì)圖(b；辛存林等，2013)Fig.1 Simplified geological map of North Qilian rift(a) and geological map of the Hongshiquan uranium deposit(b) 1.第四系；2.元古界；3.下石炭統(tǒng)；4.二疊紀(jì)煌斑巖脈；5.古生代中粗粒花崗巖和二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖；6.古生代斜長(zhǎng)花崗巖和石英閃長(zhǎng)巖；7.古元古代偉晶狀花崗巖；8.斷裂；9.鈾異常；10.采樣點(diǎn)

礦區(qū)出露的變質(zhì)地層包括古元古界龍首山群、中元古界墩子溝群和新元古界韓母山群。龍首山巖群是一套經(jīng)角閃巖相變質(zhì)作用改造的強(qiáng)烈變質(zhì)變形的地質(zhì)體。巖性主要為條帶狀、眼球狀混合巖夾斜長(zhǎng)角閃巖、花崗質(zhì)片麻巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖等。墩子溝群以角度不整合于龍首山巖群之上，下部由含炭硅質(zhì)板巖和變長(zhǎng)石石英砂巖組成，上部為硅質(zhì)條帶白云巖、紋層狀白云巖、藻白云巖和含鐵白云巖等。韓母山群平行不整合于墩子溝群之上，由礫狀白云巖、含礫千枚巖和含炭絹云千枚巖、絹云石英千枚巖組成。區(qū)內(nèi)顯生宙地層分布零星，除底界以含磷層位為特點(diǎn)的寒武系碎屑巖、碳酸鹽巖局部分布外，早古生界缺失，晚古生界有泥盆系紫紅色磨拉石和安山質(zhì)凝灰?guī)r、玄武巖和石炭，二疊系碎屑巖呈局部斷陷盆地分布。礦區(qū)內(nèi)及周邊巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，主要發(fā)育侵入巖，分布十分廣泛，其類(lèi)型多樣，包括超基性巖、基性巖、中性巖、酸性巖和堿性巖等，其中花崗巖類(lèi)岀露面積約680 km2。

1.2 巖相學(xué)特征

紅石泉礦床內(nèi)出露的巖漿巖主要包括古元古代肉紅色偉晶狀花崗巖(戚佳偉等，2019)、早古生代石英閃長(zhǎng)巖、花崗巖和二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖以及少量晚古生代輝綠巖(藍(lán)德初，2019)。二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖出露于古元古代偉晶狀花崗巖南側(cè)，侵入于元古代龍首山群變質(zhì)巖中(圖1b)。二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖呈橘紅-紫紅色，巖性以中細(xì)粒塊狀含角閃石二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖為主(圖2a)，主要造巖礦物為鉀長(zhǎng)石、黑云母和石英，含少量角閃石和斜長(zhǎng)石(圖2b)。鉀長(zhǎng)石一般為微斜長(zhǎng)石，具格子雙晶，粒徑為0.3～1.0 mm，含量為60%～80%。黑云母呈片狀產(chǎn)出，粒徑為0.2～1.0 mm，含量為5%～10%。少量他形粒狀石英，波狀消光，粒徑為0.1～0.5 mm，含量為1%～5%。副礦物有磁鐵礦、磷灰石和鋯石等。

圖2 紅石泉二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖野外及鏡下顯微特征Fig.2 Field and microphotographs of Hongshiquan monzosyenitea.堿性巖露頭特征；b.堿性巖鏡下特征(+)；Qz.石英；Kf.鉀長(zhǎng)石；Pl.斜長(zhǎng)石；Bt.黑云母

1.3 鈾礦化特征

紅石泉鈾礦床礦化圍巖主要為偉晶狀花崗巖，其次為極少量塊狀石英巖。鈾礦石顏色主要有淺肉紅色、灰黑色和紫紅色(圖3)?；液谏V石主要分布在巖體與圍巖接觸部位的混染帶內(nèi)；紫紅色礦石是肉紅色礦石與灰黑色礦石疊加后期熱液作用形成。礦石主要為不等粒結(jié)構(gòu)，分散浸染狀-塊狀構(gòu)造，少量為脈狀和似脈狀構(gòu)造。鈾礦物主要包括晶質(zhì)鈾礦、瀝青鈾礦和鈾黑(圖3)。

圖3 紅石泉鈾礦床礦石及鈾礦物特征Fig.3 Ore and uranium mineral characteristic of the Hongshiquan uranium deposita.肉紅色礦石特征；b.肉紅色礦石中晶質(zhì)鈾礦呈粒狀；c.灰黑色礦石特征；d.灰黑色礦石中晶質(zhì)鈾礦被黑云母包裹；e.紫紅色礦石特征；f.紫紅色礦石中瀝青鈾礦沿裂隙充填

晶質(zhì)鈾礦呈灰黑色，半金屬光澤，多呈立方體自形晶，粒徑為0.1～0.3 mm，個(gè)別顆?？蛇_(dá)0.6 mm(圖3)。晶質(zhì)鈾礦多遭受溶蝕碎裂，在近旁生成鈾黑或?yàn)r青鈾礦，可見(jiàn)與黃鐵礦和鋯石共生。當(dāng)巖石中黑云母較多時(shí)，晶質(zhì)鈾礦更為發(fā)育。瀝青鈾礦呈脈狀、細(xì)脈狀分布于晶質(zhì)鈾礦空洞周邊及內(nèi)部的微裂隙中，部分與黃鐵礦、輝鉬礦、綠泥石、方鉛礦等共生(圖3)。

2 結(jié)果分析

2.1 分析方法

主量和微量元素測(cè)試、鋯石LA-ICP-MS U-Pb同位素測(cè)年是在南京聚譜分析檢測(cè)有限公司完成。主量元素利用安捷倫公司5 110型ICP-OES測(cè)試，以AGV-2(安山巖)與BHVO-2 (玄武巖)作為測(cè)試標(biāo)樣，測(cè)試的相對(duì)誤差小于2%。微量元素采用Agilent 7700x ICP-MS測(cè)定。質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10×10-6的微量元素，偏離范圍不超過(guò)±10%；質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50×10-6的微量元素，偏離范圍不超過(guò)±5%。

LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素定年測(cè)試是利用澳大利亞制造的193nm ArF 準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)完成。四極桿型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀由安捷倫科技制造，型號(hào)為Agilent7700x。標(biāo)準(zhǔn)鋯石91 500(1 062 Ma)作為測(cè)試外標(biāo)以校正儀器質(zhì)量歧視與元素分餾；標(biāo)準(zhǔn)鋯石GJ-1(600 Ma)與Pleovice(337 Ma)為盲樣檢驗(yàn)U-Pb定年數(shù)據(jù)質(zhì)量，原始的測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ICPMSDataCal軟件離線(xiàn)處理完成。

2.2 地球化學(xué)特征

本次采集了7件二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖樣品，其元素地球化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表1。在花崗巖類(lèi)TAS圖解中，樣品主要落入二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖內(nèi)(圖4a)。里特曼指數(shù)(σ)為5.35～10.60，在AR-SiO2圖解中全部落入堿性區(qū)域(圖4b)。

圖4 紅石泉礦床二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖TAS圖解(a；底圖據(jù)Middlemost, 1994)和AR-SiO2圖解(b；底圖據(jù)Wright, 1969)Fig.4 TAS diagram and AR-SiO2 diagram of monzosyenite in Hongshiquan deposit

表1 紅石泉礦床二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖地球化學(xué)成分一覽表

紅石泉二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖稀土元素總量(ΣREE)為466.80×10-6～905.77×10-6，LREE/HREE值為14.50～24.42，(La/Yb)N值為23.94～42.57。上述特征說(shuō)明紅石泉二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖稀土元素總量變化較大，輕、重稀土元素分餾明顯，輕稀土元素相對(duì)富集，重稀土元素相對(duì)虧損，在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖上呈右傾型(圖5a)。δEu值為0.59～0.64，樣品具有中等程度的Eu虧損，δCe值為0.96～1.01，Ce基本無(wú)異常。在微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖中(圖5b)，樣品富集Th、U、Nd、Ta等元素，虧損Nb、Sr、P和Ti等元素。

圖5 二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(a;Sun et al., 1989)和微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b；Boynton, 1984)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spider diagram of monzosyenite

2.3 二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖年齡

LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素年齡測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖鋯石長(zhǎng)約120～210 μm，長(zhǎng)寬比為1.0～2.1。陰極發(fā)光圖像顯示被測(cè)鋯石具有清晰的震蕩環(huán)帶(圖6)。鋯石U含量為300.71×10-6～308.63×10-6，Th/U值為0.48～1.32，說(shuō)明被測(cè)鋯石為巖漿鋯石。定年結(jié)果顯示，分析點(diǎn)都集中分布在一致曲線(xiàn)上，206Pb/238U年齡為407～440 Ma，加權(quán)平均年齡為(421±2.3) Ma(MSWD=1.0；圖6)，該年齡代表了紅石泉鈾礦床二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖的形成年齡。

圖6 紅石泉二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb同位素定年結(jié)果Fig.6 LA-ICP-MS U-Pb isotopic dating of zircon from monzosyenite in Hongshiquan deposit

3 巖石成因及構(gòu)造意義

目前，二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖主要存在3種成因模式：①由下地殼巖石部分熔融而成(Lubala et al., 1994; Huang et al., 1981)；②俯沖相關(guān)的交代地幔部分熔融或者堿性玄武質(zhì)巖漿結(jié)晶分異的產(chǎn)物(Sutcliffe et al.,1990;Lynch et al.,1993; Parker,1983; Brown et al., 1986; Thorpe et al., 1992; Yang et al., 2005; Rios et al., 2007)；③殼幔巖漿混合，或者幔源硅不飽和堿性巖漿和下地殼部分熔融形成的花崗質(zhì)巖漿混合的產(chǎn)物(Barker et al.,1975; Sheppard, 1995; Zhao et al., 1995; Litvinovsky et al., 2002; Dorais, 1990)。其中2種成因模式與幔源基性巖漿作用有關(guān)。然而，紅石泉礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的基性巖形成于早二疊世(藍(lán)德初，2019)，早志留世基性巖至今尚未發(fā)現(xiàn)，表明在紅石泉礦區(qū)內(nèi)二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖形成時(shí)可能并未有基性巖漿的混入。結(jié)合紅石泉二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖具有較高的(La/Yb)N值及右傾的稀土元素模式，認(rèn)為紅石泉礦區(qū)內(nèi)早志留世二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖主要是由下地殼巖石部分熔融形成。

已有研究表明，自古祁連洋閉合后北祁連山地區(qū)發(fā)育的巖漿巖可以大致分為2類(lèi)：第1類(lèi)成巖年齡為467～440 Ma，為一套加厚大陸下地殼部分熔融的低Mg、高Sr、低Y的埃達(dá)克質(zhì)中酸性巖石(Tseng et al., 2009; Yu et al., 2015，2017; Zhang et al., 2017)；第2類(lèi)巖漿巖包括高M(jìn)g、高Sr、低Y的埃達(dá)克質(zhì)中酸性巖石、A-型和I-型花崗巖、以及基性巖，其成巖年齡為440～390 Ma，屬于后碰撞伸展環(huán)境下巖漿作用的產(chǎn)物(Zhang et al., 2017; Zeng et al., 2016; Tseng et al., 2009; Yu et al., 2015, 2017)。紅石泉鈾礦床內(nèi)二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖具有高M(jìn)g、高Sr、低Y等特征，其成巖年齡為435 Ma，屬北祁連造山帶內(nèi)第2類(lèi)巖石組合。因此，筆者認(rèn)為紅石泉鈾礦床內(nèi)二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖的形成與古祁連洋閉合后，祁連-柴達(dá)木板塊向阿拉善板塊碰撞后的伸展環(huán)境有關(guān)。

4 對(duì)鈾成礦作用的指示

紅石泉鈾礦床屬于偉晶巖漿鈾礦床，礦石礦物為晶質(zhì)鈾礦，但也發(fā)育了瀝青鈾礦(圖3f)，說(shuō)明存在中低溫鈾成礦作用。王偉等(2020)認(rèn)為紅石泉巖漿鈾礦床形成之后遭受后期的流體改造，活化了晶質(zhì)鈾礦中的鈾。紅石泉礦床晶質(zhì)鈾礦被改造的時(shí)期約為427 Ma，與紅石泉礦床內(nèi)正長(zhǎng)巖的年齡吻合，因此可以認(rèn)為紅石泉礦床內(nèi)中低溫鈾成礦作用與正長(zhǎng)巖巖漿作用有關(guān)。

5 結(jié)論

(1)紅石泉鈾礦床二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖的鋯石LA-ICP-MS U-Pb同位素年齡為(421±2.3) Ma，為早志留世巖漿作用的產(chǎn)物。

(2)二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖具有SiO2值中等、準(zhǔn)鋁質(zhì)、輕稀土元素相對(duì)富集、重稀土元素相對(duì)虧損、Eu呈不同程度的負(fù)異常的特點(diǎn)，可能是下地殼巖石部分熔融的產(chǎn)物。

(3)紅石泉鈾礦床內(nèi)二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖屬于北祁連造山帶內(nèi)第2類(lèi)巖石組合，其形成與古祁連洋閉合后的祁連-柴達(dá)木板塊向阿拉善板塊碰撞后的伸展環(huán)境有關(guān)。

(4)紅石泉鈾礦床古生代中低溫鈾成礦作用的形成可能與二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖分異出來(lái)的堿性流體有關(guān)。