甘肃龙首山芨岭地区钠交代型铀矿成矿模式研究

2013-08-17赵如意陈云杰

地质与勘探 2013年1期

赵如意，陈云杰，武彬，王刚

(核工业二〇三研究所，陕西咸阳 712000)

0 引言

如果说甘肃省龙首山是蕴藏着丰富铀及多金属矿产的宝带，那么芨岭地区就是宝带上一颗璀璨的明珠。孙圭等(1988)依据矿体赋存空间规律与矿化蚀变之间的关系称其为钠交代型铀矿，并对成矿特点做了较为详尽的研究和总结，所取得的成果为后期的勘查工作提供了重要依据。但是，由于对该区铀成矿规律及成矿模式的研究欠深入，勘查工作至今没有新的突破。笔者在充分吸收前人成果的基础上，以野外调研资料和室内研究成果为依据，对该区铀成矿模式进行了新的探索。

1 地质背景

龙首山地区位于华北板块西南缘阿拉善地块的南缘，南接河西走廊过渡带，北邻潮水盆地。在漫长的地质历史中经历了多旋回地质构造演化。区内出露最老的地层为下元古界龙首山岩群(胡能高，2003)，是在古裂谷环境下沉积的一套双峰式火山岩、碎屑岩及碳酸盐岩，经角闪岩相变质作用形成的强变质变形地体，其次为上元古界孩母山岩群地层。最新地层为山前坳陷沉积的古近系红色碎屑岩及新近系粘土、砂、砾。

芨岭花岗岩体是该区最大的侵入体(图1)，在加里东期侵位于元古代地层中，是由混合花岗岩、闪长岩、斑状闪长花岗岩、(似斑状)粗粒二长花岗岩、碱性岩组成的杂岩体;由陆壳重熔岩浆经结晶分异形成的(柴保民，1987)，岩浆演化成熟度高，后期出现了碱性岩及碱性热液脉体，奠定了龙首山地区铀矿物质基础。

2 铀矿地质特征

2.1 矿体特征

矿体以盲矿体为主，位于次级断裂下盘钠交代中粗粒(似斑状)二长花岗岩之中，矿体产出与次级断裂一致，倾伏西南向，倾伏角60°～80°。单个矿体一般呈筒状、透镜状、不规则状，宽度几米～几十米，长度可达数百米。品位一般变化于0.03% ～0.25%，品位变化系数60.2%。

图1 甘肃龙首山芨岭地区地质图Fig.1 Geology map of the Jiling area in Longshou Mountains，Gansu Province

2.2 矿石特征

矿石主要为暗红色、暗紫色钠交代角砾岩(图2)。具有微粒胶状结构，碎裂状、角砾状、网脉状、浸染状构造。角砾大小约1～30mm，含量约25～40%，最高可达75%。角砾成分主要为花岗质和钠长石。从镜下看(图3)，主要矿物为钠长石、黄铁矿、方铅矿、雪花状方解石、鲕状(球粒状)绿泥石、赤铁矿、锐钛矿、磷灰石、沥青铀矿、晶质铀矿、富钍铀石、方钍石及少量重晶石等。角砾成分主要为钠长石，胶结物为细小糖粒状的钠长石、赤铁矿、方解石等。多数粒径较大的长石颗粒可以看到不定向的显微裂隙，铀矿物沿裂隙充填。铀主要以铀矿物形式和吸附状态存在，含铀矿物主要是沥青铀矿、富钍铀矿，也有少量为晶质铀矿。

图2 角砾状铀矿石Fig 2 Uranium ore in breccia

图3 角砾岩的显微照片Fig 3 Microphoto of breccia

2.3 地球化学特征

2.3.1 常量元素特征

本次所采样品位于钻孔中矿石、矿体上、下的矿化岩石、异常岩石，以及矿体下部蚀变围岩(碳酸盐化花岗岩)，具体岩石化学成分特征见表1。从表1中可以看出:与正常花岗岩相比，矿石的K2O、SiO2含量降低，Na2O、CaO、Fe2O3、CO2、P2O5含量增高;SiO2降低量和CaO增加量都与CO2相关，其变化值与烧失量中CO2对应的CaCO3和CaO的值相当;而Na2O+K2O总量基本不变，但是随着钠长石化的增强，Na2O/K2O比值迅速增大，矿段部分可达50以上;正常花岗岩中 Fe2O3略低于 FeO，而矿段的Fe2O3比FeO高，TFe2O3值基本不变;同时P2O5的含量也有所增加。这些常量元素的变化说明了在成矿热液之中富含CO2且相对富钠、贫钾，在热液上升运移过程中将正常花岗岩的石英溶蚀，带走了大量的SiO2，而充填为方解石。长石中的K+被热液中的Na+置换而形成了钠长石化，同时将暗色矿物中铁氧化运移，并带走了磷灰石中的P。

表1 龙首山成矿带芨岭地区钠交代型铀矿岩石化学成分一览表(wt%)Table 1 Chemical composition of rocks from the alkali-metasomatic type uranium deposit in the Jiling area，Longshou mountain ore belt(wt%)

续表

2.3.2 稀土元素特征

所取样品稀土元素含量及参数见表2。

对长英质岩浆来说，稀土元素在副矿物榍石、锆石、褐帘石、磷灰石和独居石中的分配系数非常大，它们对稀土元素的配分模式有较大的影响。矿体下部的围岩—雪花状方解石化花岗岩中几乎没有暗色矿物，其副矿物也相对减少很多(李俊华等，1987)，是由于富碳酸盐富碱热液溶蚀了其中的副矿物，使得稀土元素随活化与铀酰络离子一并向上运移，至物理化学环境变异处卸载。

从稀土元素配分曲线图(图4)看，铀矿石、矿化岩石、异常岩石、蚀变围岩及正常花岗岩中的配分模式基本相似，都是轻稀土右倾、重稀土分异不明显、具有明显铕亏损的特征。与正常花岗岩相比，除矿体下部蚀变围岩(碳酸盐化花岗岩)中LREE、HREE和∑REE均减少外，矿石、矿化岩石、异常岩石的稀土总量均增加，特别是矿石的稀土总量增加更为显著。

2.3.3 微量元素及同位素特征

新水井钠交代铀矿床最新研究成果(李万华，2009;刘金枝，2010)表明:与正常花岗岩相比，芨岭花岗岩体中的钠长石化岩石亏损大离子亲石元素(Rb、Ba、K)，而高场强元素(Th、U、Zr、Hf)相对富集。

据李占游(1987)研究成果表明:正常花岗岩、蚀变花岗岩及矿石的铅同位素组成在207Pb/204Pb－206Pb/204Pb坐标图上(图5)具有良好的线性关系，说明三者有密切的成因联系。即富挥发份(CO2)富碱含矿热液是来自花岗岩浆热液，206Pb/204Pb＜19.5，208Pb/204Pb＜39.5也证实了成矿热液为岩浆热液。

3 成矿模式

芨岭铀矿成矿热液是富含CO2的碱性流体，其来源一直存在着幔源说(杜乐天，1996)和壳源说(魏观辉等，1987;李占游，1987)。凌洪飞(2010)通过对地幔流体氧逸度的研究，认为其氧逸度低于磁铁矿－赤铁矿线，不能使花岗岩中U4+活化迁移。依据前文所述地球化学特征，本文认为成矿热液来源应为花岗质岩浆热液，并以之进行后续探讨。

表2 龙首山钠交代型铀矿稀土元素含量及相关参数一览表(×10－6)Table 2 REE content and parameters of alkali-metasomatic type uranium deposit in the Jiling area，Longshou mountain ore belt(×10－6)

3.1 蚀变特征

对于热液矿床来说，蚀变是矿化的先导和基础(季克俭，2007)。依据蚀变特征、生成顺序，对矿化蚀变按产生时间划分为:矿前期钾化;矿化期钠化、雪花状方解石化、脉状方解石化、赤铁矿化、鲕状绿泥石化、高岭土化、硅化;矿化后褐铁矿化等。从空间上看，蚀变也具有分带性:从矿体向四周依次为粉红色脉状方解石化带、绿泥石化带、雪花状方解石化带、赤铁矿化带，向上还可以出现高岭土化、硅化。各蚀变的特征如下。

(1)钾化:钾化在芨岭岩体内普遍发育，而不对围岩产生蚀变。蚀变后钾长石为主要造岩矿物，有的呈斑晶产出，斑晶中包裹有细粒石英等矿物，主要岩性有肉红色粗粒似斑状花岗岩和肉红色粗粒花岗岩。马路沟断裂与芨岭矿床交汇处可见定向排列的钾长石斑晶。钾化具有封闭－半封闭条件下的蚀变特征，推测为岩浆侵位后液态－半凝固状态下，由岩浆房早期去气作用产生的透岩浆流体蚀变而来。

(2)钠化:钠化主要发育于钾化岩体内有断裂通过的地方，但不局限于岩体，呈串珠状分布，岩石强烈红化，蚀变后矿物趋于单一的钠长石。钠化发育于开放环境，可发育在岩体内部，也可发育于围岩中。有的规模比较大，延伸数百米，厚度数十米至上百米。

(3)碳酸盐化:碳酸盐化形成了大量的方解石，在矿化前、矿化期、矿化后都较发育。矿化前方解石呈交错细脉状，主要分布于赋矿围岩之中。矿化期方解石有两种，最常见的一种是雪花状方解石，就位充填于溶蚀石英孔隙中，分布于矿体四周。另一种为与矿体关系最为密切的方解石细脉，一般呈粉红色，宽度小于10mm，两侧常伴有绿泥石，产出于矿体内部;矿化后方解石呈大小不一的脉状，穿切前期蚀变体。

(4)赤铁矿化:赤铁矿化是钠交代型铀矿化最明显的识别标志之一，主要分两种。一般呈粉末状分布于长石表面，使长石颜色带赤红色，或是以集合体形式浸染状分布于矿物颗粒之间，这种赤铁矿化通常分布在雪花状碳酸盐蚀变的外围。另一种分布于裂隙之中，常位于前者的外围。

(5)绿泥石化:根据绿泥石的宏观形态，将绿泥石化分为三种:①由黑云母不完全蚀变而来的假象绿泥石，黑云母整体比较浑浊，有霉变般的外表。②分布于蚀变带内的鲕粒状绿泥石，通常以粒径为0.5～2mm颗粒状存在于矿物颗粒之间。③分布于矿化期碳酸盐脉两侧呈细脉状分布的绿泥石，脉体一般宽度不超过1mm，长度小于10cm。

(6)高岭土化:高岭土化是该区最常见的蚀变之一，蚀变矿物主要为高岭土。在钠交代蚀变的外围，常出现整体高岭土化较为发育的花岗岩，也有的分布于赤铁矿化发育的裂隙两侧，且前者发育较早。

(7)硅化:一般认为硅化是钠交代所溶蚀的石英在热液转化为偏酸性时，对围岩产生的蚀变，钻孔中常见有硅化叠加于钾化、赤铁矿化、泥化之上，使岩石更坚硬，为较晚的蚀变。但也见伴生有黄铁矿的硅质脉中携带有角砾状围岩碎块，是活动强度较大的酸性热液上升过程中对围岩造成了较强破坏的证据。

(8)褐铁矿化:主要沿裂隙分布，时间上晚于硅化，与铀成矿关系不甚密切。

3.2 成因探讨

现代火山喷气研究表明:在岩浆热液中CO2含量仅次于H2O，更重要的是在下部地壳的长英质熔融体中CO2较H2O和Cl的溶解度更低，所产生的岩浆热液中更富含CO2，致使产生的流体具有较高的压力(Lowenstern，2001)。从地球化学特征上看:热液、矿源与花岗质岩浆具有同源性，即成矿热液来自于花岗质岩浆房的去气阶段，这与李占游(1987)用锶同位素数据判定芨岭花岗岩源于下部地壳熔融的结论一致。一般认为，CO2在多金属的成矿过程中并不起直接作用，而是间接影响着金属在流体中的溶解和析离(Baker，2002;唐菊兴，1995)。研究表明(杜乐天等，1996;胡俊祯等，1987;魏观辉等，1987;李占游，1987)CO2在芨岭碱交代型铀矿成矿过程中不仅直接影响了铀的溶解和析离，而且在铀的运移过程中起主要作用。

当芨岭岩体侵位后处于液态—半凝固状态时，由岩浆房所产生的透岩浆流体含有较多的钾质，此时为封闭—半封闭的环境，因此岩体整体产生了钾化，而围岩钾化不甚发育。随着岩浆房热液由钾质演化为钠质，去气作用从长英质熔融体中出溶了大量的CO2，早期热液通道继承性发育成为后期热液继续向上运移通道。热液在上移过程中溶蚀了通道附近花岗岩中的石英和暗色矿物，取代石英充填的是雪花状方解石，暗色矿物中的铁被氧化为Fe3+赋存于流体之中，副矿物晶质铀矿、榍石、锆石、褐帘石、磷灰石和独居石等也被(交代)溶蚀，从含铀副矿物中萃取出的铀以碳酸铀酰络合物(［UO2(CO3)］4－)的形式随热液一起运移(李俊华，1987)。

在均一岩体内部，静岩压力与其所受重力几乎相当，但是在岩体侵入边界或断裂交汇附近，尤其是次级断裂发育于侵入边界附近并与主断裂相交时，会存在一个构造虚脱部位，如龙首山强烈的挤压逆冲构造背景下，马路沟断裂及与其次级断裂交汇部位便提供了这样的减压环境。在热液上升运移过程中会不断产生沸腾，当到达压力骤减部位时，大量CO2气体从液态流体中瞬间释放产生爆腾，爆腾流体导致围岩碎裂，形成大量角砾，即隐爆角砾岩。同期运移的碳酸铀酰络合物(［UO2(CO3)］4－)内因压力减小、CO2含量大大降低而分解，铀沉淀充填于隐爆角砾岩中成矿，而多期次爆腾可能造成了矿体沿导矿构造呈雁行式排列展布。

综上所述:隐爆角砾岩的形成既为铀成矿提供了成矿物质卸载的必要条件，又为成矿提供了容矿空间，因此芨岭钠交代型铀矿的实质是隐爆角砾岩型铀矿。

3.3 成矿模式

依据岩石的蚀变类型、分带性特征和成因研究，并对比前人(张增凤，1991;陈鸿，1995;唐菊兴，1995)对隐爆角砾岩的研究，建立了芨岭隐爆角砾岩型铀矿成矿模式图(图6)。爆腾流体卸载成矿物质的同时，形成了粉红色方解石细脉，热液中带来的铁、镁与钠长石反应形成了球粒状绿泥石。爆腾之后的流体依然富含钠和CO32－，沿着压力较小的方向运移，运移过程中以隐爆角砾岩为核心产生了一系列蚀变带，各带渐变过渡，相互叠加，且受到后期蚀变叠加。首先从热液中结晶出来的方解石，呈雪花状充填于石英被溶蚀后残留的空隙之中;其次是赤铁矿化蚀变带;再次是热液蚀变黑云母产生假象绿泥石化带、交代运移硅形成的硅化带。其中充填雪花状方解石的碳酸盐化蚀变带和赤铁矿化蚀变带内几乎不含暗色矿物。

图6 隐爆角砾岩形成机制图Fig.6 Sketch showing formation mechanism of cryto－explosive breccias

4 找矿意义

上述研究表明:龙首山钠交代型铀矿的钠交代作用只是一种矿化蚀变类型，而其实质是隐爆角砾岩型铀矿，是由于成矿热液运移至物理化学突变环境时，富气高压热液产生爆腾，碳酸铀酰络合物(［UO2(CO3)］4－)发生分解并卸载成矿。因此，下一步勘查工作重点是寻找压力骤减部位，如东西向马路沟断裂与北东向次级断裂交汇部位。同时注意识别成矿模式中的矿化带，尤其是与矿体关系最为密切的粉红色方解石化、球粒状状绿泥石化、雪花状方解石化及浸染状赤铁矿化紧密伴生部位，它们指示矿体的所在。

5 结论

(1)芨岭钠交代型铀矿的成矿实质是隐爆角砾岩控矿，是由高压富气、富钠热液运移至压力骤减部位发生爆腾，碳酸铀酰络合物(［UO2(CO3)］4－)分解并卸载成矿。

(2)依据新的认识，下一步勘查工作的重点是寻找压力骤减部位，同时关注矿化蚀变带分带性特征的识别，尤其是产生有粉红色方解石脉、鲕状绿泥石化，雪花状方解石化及浸染状赤铁矿化之间密切伴生部位。

［注释］

① 李万华，张树明.2009.河西走廊及邻区铀成矿条件、目标类型及远景研究［R］.

Chai Bao-min.1987.The relationship of granite and uranium mineralization in Longshou mountain［J］.Geology and Science Researching，(1－2):39－48(in Chinese)

Chen Hong.1995.Cryptoexplosive breccia and discovered in large Nanling granitic batholith［J］.Uraium Geology，11(2):77 － 82(in Chinese)

Du Le-tian.1996.Geochemical principles of hydrocarbon alkali-fluids［M］.Beijing:Science Press:1－230(in Chinese)

The sixth geology and mineral prospecting institute of Gan su geology and prospecting bureau.2001.1∶50000 Region map instruction book of Jiling［M］.Beijing:Geological Publishing House:12(in Chinese)

Hu Neng-gao.2003.Geochemical characteristics and the tectonic setting of the Longshoushan group in the Dongdashan area，Gansu Province［J］.Journal of Chang-an university，25(4):32 － 29(in Chinese with English abstract)

Hu Jun-zhen.1987.Discussion on mineralization pattern and mechanism of Longshou Mountain ore belt［J］.Geology and Science Research，(1－2):1－12(in Chinese)

Ji Ke-jian，Lv Feng-xiang.2007.The theory of metasomatic hydrothermal ore forming［M］.Beijing:Geological Publishing House:3－15(in Chinese)

Li Jun-hua，Zhang Cun-de，Lei Xue-ying.1987.Studying on accessory minerals of granitoid［J］.Geology and Science Research，(1 － 2):115－126(in Chinese)

Li Zhan-you.1987.Research on stable isotpe and REE of Jiling granite and sodium alternation hydrothermal［J］.Geologyand Science Research，(1－2):107－115(in Chinese)

Ling Hong-fei.2010.Granite hydrothermal solution Uranium mine-The origin of rock differences:restudy on redox condition.Uranium prospecting and geology science and technology-The symposiumpapers collection of Uranium ore forming theory and prospecting methods［M］.Beijing:Atomic Energy Publishing House:201－203(in Chinese)

Liu Jin-zhi，An Wei-tao.2010.Study of alkali metasomatism on the hydro-thermal uranium deposit of sodium metasomatism in Longshou Mountain［J］.Science Field，(7):187 －189(in Chinese)

Lowenstern J.B.2001.Carbon dioxide in magmas and implications for hydrothermal systems［J］.Mineralium Deposita.(36):490 －502

Sun Gui，Zhao Zhi－ he.1988.Uranium geology records of North-western China(desecond volume)［M］.Northwestern geology bureau of nuclear industry:375－380(in Chinese)

T.Baker.2002.Emplacement depth and carbon dioxide-rich fluid inclusions in intrusion-related gold deposits［J］.Economic Geology ，(97):1111－1117

Tang Ju-xing.1995.Characteristics and study significance of gold-bearing hydrothermal cryptoexplosion breccias［J］.Journal of Chengdu institute of technology，22(3):59 －64(in Chinese)

Wei Guan-hui，Liu Yu-he，Wang xiang-lian.1987.Discussion on geochemical principle of sodium alternation hydrothermal type uranium ore bed in Longshou Mountain［J］.Geology and Science Research，(1－2):59－70(in Chinese)

Zhang Zeng-feng.1991.General features and genetic mechanism of crypto-explosive breccias［J］.Geological Science and Technology Information，10(4):1 －5(in Chinese)

［附中文参考文献］

柴保民.1987.龙首山花岗岩与铀矿化的关系［J］.地质科研，(1－2):39－48

陈鸿.1995.南岭花岗岩基内发现隐爆角砾岩［J］.铀矿地质，11(2):77－82

杜乐天.1996.烃碱流体的地球化学原理—重论热液作用与岩浆作用［M］.北京:科学出版社:1－230

甘肃省地勘局第六地质矿产勘查院.2001.1∶50000芨岭幅(J47 E 009024)区域地质图说明书［M］.北京:地质出版社:12

凌洪飞.2010.花岗岩热液型铀矿—岩石差的根源:氧化还原条件再思考.铀矿勘查和地质科技进展与态势—全国铀矿成矿理论与勘查技术方法学术研讨会论文集［C］.北京:原子能出版社:201－203

胡能高.2003.甘肃东大山地区龙首山岩群地球化学特征及其构造环境［J］. 长安大学学报，25(4):32－39

胡俊祯.1987.龙首山成矿带成矿规律及成矿机理探讨［J］.地质科研，(1－2):1－12

季克俭，吕凤祥.2007.交代热液成矿学说［M］.北京:地质出版社:3－15

李俊华，张存德，雷雪英.1987.花岗岩类副矿物研究［J］.地质科研，(1－2):115－126

李占游.1987.芨岭花岗岩及钠交代热液铀矿化的稳定同位素及稀土元素研究［J］.地质科研，(1－2):107－115

刘金枝，安伟涛.2010.龙首山钠交代热液型铀矿的碱交代作用研究［J］.科技广场，(7):187－189