湖南羊角脑铀矿床碳氧同位素地球化学研究

2017-09-13潘春蓉杨海林潘家永

东华理工大学学报(自然科学版) 2017年2期

关键词：铀矿床羊角方解石

潘春蓉，杨海林，潘家永

(1.昆明理工大学，云南昆明 650093；2.东华理工大学，江西南昌 330013)

湖南羊角脑铀矿床碳氧同位素地球化学研究

潘春蓉1, 2，杨海林1，潘家永2

(1.昆明理工大学，云南昆明 650093；2.东华理工大学，江西南昌 330013)

羊角脑铀矿床是鹿井矿田南部的一个中型矿床，该矿床矿体主要受断裂破碎带控制，碳酸盐化与铀矿化关系密切。对羊角脑铀矿床不同期次的方解石脉进行碳氧同位素分析。该矿床成矿早期、成矿期、成矿晚期都发育方解石脉，从成矿早期→成矿期→成矿晚期，方解石的δ13CPDB值有明显降低的趋势，而δ18OSMOW值成矿早期最低，成矿期与成矿晚期方解石的δ18OSMOW值变化范围与平均值相似。羊角脑矿床成矿早期方解石δ13CPDB介于-5.0‰～-6.4‰，平均值为-5.8‰，与幔源CO2的碳同位素变化范围与平均值相似，而成矿期与成矿晚期由于CO2发生脱气作用引起的同位素分馏而降低，表明该矿床成矿流体中的碳来自地幔去气作用，方解石的δ13C-δ18O组成呈负相关关系，进一步证实羊角脑铀矿床成矿流体中CO2矿化剂是地幔去气作用形成。

碳同位素组成；氧同位素组成；羊角脑铀矿床

潘春蓉，杨海林，潘家永.2017.湖南羊角脑铀矿床碳氧同位素地球化学研究[J].东华理工大学学报：自然科学版，40(2)：109-114.

Pan Chun-rong，Yang Hai-lin，Pan Jia-yong.2017.Geochemical characteristics of carbon and oxygen isotopes from the Yangjiaonao uranium deposit in Hunan province[J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 40(2)：109-114.

鹿井铀矿田是我国华南重要的花岗岩型铀矿田，国内外学者对鹿井铀矿田中的鹿井矿床、高昔矿床、沙坝子矿床等大型铀矿床的矿床地质特征、矿床成因及成矿机理开展了一系列研究(邵飞等，2010；周肖华等，2014；黄宏业等，2008；王明太等，1999)。羊角脑铀矿床是鹿井铀矿田南部的一个中型铀矿床，近年来湖南省核工业302队在该矿床深部找矿取得了重要的进展，但总体上羊角脑铀矿床研究程度很低*吴志楠,潘家永,夏忠强，等.2016.湖南省诸广山岩体中段铀多金属矿整装勘查区找矿预测与技术应用示范报告[R].。铀在成矿流体中主要以UO2(CO3)22-和UO2(CO3)43-络合物的形式进行迁移，因此热液流体中矿化剂CO2是热液流体将矿源岩中的铀活化并形成碳酸铀酰络离子迁移的关键因素(Su et al.,1982;胡瑞忠等，1990)。羊角脑铀矿床碳酸盐化与铀矿化关系密切，本文对羊角脑铀矿床不同期次的碳酸盐开展了碳氧同位素研究，旨在查明不同成矿期碳氧同位素变化规律，探讨矿化剂CO2的来源及其与铀成矿的关系。

1 矿床地质概况

羊角脑铀矿床位于湖南省汝城县，在大地构造位置处于华夏板块武功-诸广断隆区，闽赣后加里东隆起带的西缘，是鹿井矿田南部的一个中型矿床。

矿区出露的岩浆岩是诸广山印支—燕山期复式富铀花岗岩体组成部分。主要为印支期的中粗粒似斑状黑云母二长花岗岩，呈岩基状大面积分布；其次是燕山早期中粒二云母花岗岩，出露于矿区的中部，主要由两个小岩枝所组成，总体呈南北方向展布(图1，图2)。

矿体主要受断裂构造控制，矿区内主要有2条大的NE向断裂带QFⅤ与QFⅣ及1条NNE向断裂(F1)。

图1 羊角脑矿区地质简图①Fig.1 Geological sketch map of Yangjianao deposit 1.第四系；2.印支期中粗粒似斑状花岗岩；3.燕山早期中细粒二云母花岗岩；4.乳白色中晶—细晶石英断裂带；5.玉髓胶结角砾岩带；6.石英脉；7.地质界线；8.水云母—黄铁矿化碎裂岩带

(1)北东向断裂组(QFⅤ)。主要由石英硅化断裂带及下盘一组平行的硅化角砾岩(F5-3，F5-1，F5-2)及其夹持的碎裂蚀变花岗岩组成(图1，图2)。自东向西由北东东转为北东方向展布，总体产状340°∠60°～80°，沿走向倾向膨胀、收缩明显，沿倾向上缓下陡，断裂带物质成分复杂。

图2 羊角脑矿床101号地质剖面图①Fig.2 No.101 geological section from the Yangjiaonao deposit1.燕山早期中细粒二云母花岗岩；2.印支期中粗粒似斑状花岗岩；3.石英硅化断裂带；4.玉髓胶结角砾岩带或硅化角砾岩带；5.矿体及编号

石英硅化带(QFⅤ)。为区域断裂带，中心部位充填白色块状石英，宽10～50 m。石英脉具分带性：横向上由中心向两侧依次为白色中晶石英→杂色细晶石英→杂色微晶石英或玉髓；垂向向下棕红色玉髓和黄铁矿增多，成矿期热液活动加强，石英脉两侧围岩强烈破碎，蚀变发育。蚀变对称分带现象明显，以石英脉为核心，向两侧依次为硅化→水云母化→绿泥石化→碱交代岩。

玉髓胶结角砾岩带(F5-1，F5-2，F5-3)。QFⅤ断裂带的次级断裂，发育于石英脉下盘，呈线型展布，组内各条断裂性质、产状、规模和物质组分基本一致， F5-1，F5-2产状较稳定。F5-1矿前、矿期、矿后均有活动，以矿期红色微晶石英脉活动为主，硅化强烈；F5-2矿前、矿后均有活动，以矿后活动为主，物质成分为破碎花岗质角砾岩，硅化相对较弱；F5-3以成矿早期石英脉活动为主，硅化较强。

构造破碎带。发育于F5-1与F5-2之间，宽约10～20 m，以角砾岩和后期挤压破碎为主，该构造带内矿化变差。

蚀变碎裂岩带。在石英硅化带与角砾岩带之间强烈发育绿泥石化、水云母化、赤铁矿化和硅化的蚀变碎裂岩带，原岩花岗结构已不明显或消失，呈灰绿色、局部褐红色。铀矿化赋存于蚀变碎裂岩带的网脉状裂隙中。

(2)北东向断裂(QFⅣ)。该断裂为区域石英硅化断裂带，产状320°∠60°～85°，长>2 000 m，宽约2～5 m，主要为白色中晶石英和浅色细晶石英充填，成分单一。

(3)北北东向断裂(F1)。产状110°～115°∠50°～78°，矿区内延长达800 m，宽2～5 m，主要成分为玉髓胶结角砾岩、灰色微晶石英及花岗质胶结角砾岩，角砾多呈棱角到次棱角状，赤铁矿化、水云母化、硅化、绿泥石化等热液蚀变发育，最大宽度达数十米。为储矿断裂。

羊角脑铀矿床矿体主要呈脉状产于QFⅤ与F1下盘的次级断裂带与裂隙带(图1，图2)。主要的矿石类型为铀-微晶石英(黄铁矿)型和铀-粘土型，前者表现为多次构造破碎充填，形成角砾状、条带状矿石，矿石形成早，品位较富；而后者则表现为碎裂、蚀变、交代，形成浸染状矿石，矿石形成相对较晚，品位相对较低。主要的铀矿物为沥青铀矿，浅部见钙铀云母和铜铀云母等次生铀矿物，共(伴)生金属矿物主要为黄铁矿，局部见少量黄铜矿、辉铜矿、铜蓝、斑铜矿等。

羊角脑铀矿床广泛发育围岩蚀变，主要有硅化、赤铁矿化、钠长石化、绢云母化、绿泥石化、碳酸盐化、黄铁矿化和粘土化(主要表现为高岭土化和伊利石化)。与铀矿化关系最密切的是赤铁矿化、钠长石化、碳酸盐化、绿泥石化和粘土化；当不同蚀变叠加时，铀品位一般会增高。该矿床围岩蚀变在空间上具有一定的分带性，从矿化中心到围岩，具有硅化-赤铁矿化-绢云母化-绿泥石化-钠长石化的蚀变分带特征。方解石化是矿区发育较广的围岩蚀变之一，成矿早期、成矿期及成矿后都发育方解石化。根据方解石的颜色和产出情况可将其分为成矿早期、成矿期及成矿晚期方解石。成矿早期的方解石呈白色，往往与成矿早期的白色石英共生形成方解石-石英脉；成矿期方解石为灰白色，与石英-赤铁矿-黄铁矿-沥青铀矿共生；成矿晚期为白色方解石脉，穿插早期铀矿脉。

2 分析测试方法

样品采自羊角脑矿床不同期次的方解石脉，C，O同位素组成测试在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室培育基地完成。首先将待测矿石碎样，利用样品筛筛选，选择40～60目的颗粒，然后在双目镜下挑选出方解石单矿物，研磨至200目以下制备成待测样品粉末。采用磷酸法利用GasbenchⅡ预处理系统对方解石样品进行样品预处理，使样品转化成CO2气体，然后利用MAT253稳定同位素质谱仪测试碳氧同位素组成，测试精度为δ13C≤0.2‰，δ18O≤0.2‰。

表1 不同期次方解石的 C，O同位素组成

3 分析结果讨论

3.1 碳氧同位素变化规律

羊角脑矿床成矿早期至成矿晚期方解石C，O同位素特征的分析结果显示，成矿早期方解石δ13CPDB介于-5.0‰～-6.4‰，平均值为-5.8‰，δ18OSMOW介于9.5‰～10.2‰，平均值为9.9‰；成矿期方解石δ13CPDB介于-7.3‰～-8.2‰，平均值为-7.7‰，δ18OSMOW介于11.6‰～13.5‰，平均值为12.4‰；成矿晚期的方解石δ13CPDB介于-9.1‰～-9.5‰，平均值为-9.3‰，δ18OSMOW介于10.6‰～12.0‰，平均值为11.5‰。从上可以看出从成矿早期→成矿期→成矿晚期，方解石的δ13CPDB值有明显降低的趋势，而δ18OSMOW值成矿早期相对较低，成矿期与成矿晚期方解石的δ18OSMOW值变化范围基本一致。

不同时期碳酸盐碳氧同位素的变化受以下2个方面的影响：①水-岩反应引起的同位素分馏。热液流体沿着围岩的裂隙、孔隙渗滤、运移过程中，势必会导致其与围岩发生水-岩反应，从而使方解石的 δ13C和δ18O同位素发生变化，由于围岩中普遍以含氧矿物为主，而含碳矿物很少，所以水-岩反应主要主要导致流体的氧同位素值发生变化，而对碳同位素影响较小。②CO2发生脱气作用引起的同位素分馏。当热液中的CO2发生脱气作用时，热液中CO2越到晚期，其碳同位素组成会越低，会导致沉淀的方解石相对亏损13C，导致沉淀在晚期的方解石明显亏损13C。由于成矿流体中以水为主，CO2往往只占很小的比例，所以，热液中CO2脱气作用对成矿流体中氧同位素影响很小。羊角脑矿床从成矿早期至成矿晚期方解石δ13CPDB值明显降低，可能是CO2发生脱气作用引起的同位素分馏；而δ18OSMOW的变化可能主要是水-岩反应引起的同位素分馏，羊角脑铀矿床主要流体来源为大气降水①，水-岩反应后成矿流体氧同位素组成会明显增高(参与水-岩反应的岩石的初始氧同位素组成远远大于大气降水的氧同位素组成)，所以成矿期碳酸盐的δ18OSMOW明显增高，但成矿晚期方解石脉是成矿期流体成矿物质卸载后形成的，其流体的氧同位素组成与成矿期流体的氧同位素组成相似。

3.2 成矿流体中碳的来源探讨

CO2是热液矿床成矿的重要矿化剂，对其来源的探讨是矿床成因研究的重要内容。目前国内外学者普遍认为，热液矿床中碳的主要来源有三种可能：①地幔脱气或岩浆来源。其δ13C(PDB)变化范围为-9.0‰～-3.0‰(Taylor et al.,1986)；②沉积岩中碳酸盐岩的脱气或含盐卤水与泥质岩相互作用。这种来源的C同位素组成具有重C同位素特征，其δ13C(PDB)变化范围为-2.0‰～+2.0‰，海相碳酸盐的δ13C(PDB)大多稳定在0.0‰左右；③各种岩石中的有机碳。有机碳一般富集12C，因而碳同位素组成很低，其δ13C(PDB)变化范围为-30.0‰～-10.0‰，平均-22.0‰(Ohmoto，1986)。由于羊角脑矿床矿物共生组合简单，在矿区没有发现在高氧逸度条件下形成的重晶石, 也没有发现在无低氧逸度条件下形成的石墨和磁黄铁矿等矿物, 因此方解石的碳同位素组成可以近似代表成矿热液的总碳同位素组成(Ohmoto,1972)。羊角脑矿床成矿早期方解石δ13CPDB介于-4.3‰～-6.9‰，平均值为-5.0‰，与地幔脱气或岩浆来源的碳同位素变化范围与平均值相似，而成矿期与成矿晚期由于CO2发生脱气作用引起的同位素分馏而降低。表明了该矿床的成矿流体中的碳主要来自地幔，反映了深部的地质流体参与了铀成矿。

影响方解石δ13C-δ18O相关性有3种因素(Zheng et al.,1993)：①流体混合作用；②矿化剂∑CO2的去气作用；③流体与围岩产生的水-岩反应。如果热液流体与围岩之间产生水岩反应或者流体混合作用时，此时沉淀的方解石其C-O同位素组成呈现正相关性，而当热液流体发生CO2去气作用后，这时方解石的δ13CPDB-δ18OSMOW组成呈一定负相关关系。羊角脑矿床方解石的δ13C-δ18O组成呈负相关关系(图3)，其拟合的线性方程为δ13C = -0.859δ18O + 1.9186(相关系数r=-0.63)，表明羊角脑矿床成矿流体中矿化剂是地幔去气作用形成。

图3 方解石δ18OSMOW-δ13CPDB图解(底图据刘建明，1997)Fig.3 The δ18OSMOW-δ13CPDB diagram of calcites

以下地质地球化学证据进一步证明羊角脑矿床矿化剂CO2来自地幔去气作用：①华南花岗岩的δ13C值为 -37. 0‰ ～-7.5‰，但主要集中在-27. 0‰ ± 和-12. 3‰ ±(戚华文等，2000)，表明矿化剂CO2不可能来自花岗岩；②成矿与成岩时差较大(一般超过50 Ma)，且花岗岩成岩过程中花岗岩浆分异出的岩浆流体是贫CO2和HCO3-(Zhao et al.,2001)，表明 CO2不可能来自花岗岩岩浆；③前人对全球各个地质历史时期大气中CO2浓度的比较研究揭示中生代地球大气中含量比较高，最高值是现代大气中CO2浓度的8倍。反映出中生代地球排气作用比较强, 与华南大规模铀成矿作用在时间上具有很好的耦合性；④铀成矿作用并不伴随花岗岩岩浆作用而进行, 而与以基性岩脉为代表的华南中生代地壳拉张事件彼此对应；⑤矿床附近存在多条深大断裂、伸展裂陷带等，几乎华南所有的热液铀矿床均与这些深大断裂、伸展裂陷带有关。基于上述事实，认为羊角脑矿床矿化剂CO2并不是来自围岩或花岗岩岩浆，而是由地壳拉张、岩石圈伸展导致的地幔去气形成。

4 结论

通过对羊角脑铀矿床不同期次的方解石进行采样及碳氧同位素分析，得出以下主要结论：

(1)羊角脑矿床深部矿体中方解石脉分3期，从成矿早期→成矿期→成矿晚期，方解石的δ13CPDB值有明显降低的趋势，而δ18OSMOW值成矿早期最低，成矿期与成矿晚期方解石的δ18OSMOW值变化范围与平均值相似。

(2)成矿早期方解石δ13CPDB介于-5.0‰～-6.4‰，平均值为-5.8‰，与地幔去气的碳同位素变化范围与平均值相似，而成矿期与成矿晚期由于CO2发生脱气作用引起的同位素分馏而降低。表明了该矿床的成矿流体中的碳主要来自地幔去气作用。

(3)方解石的δ13C-δ18O组成呈负相关关系，也证实成矿流体中矿化剂CO2是地幔去气作用形成。

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Geochemical Characteristics of Carbon and Oxygen Isotopes from theYangjiaonao Uranium Deposit in Hunan Province

PAN Chun-rong1,2， YANG Hai-lin1， PAN Jia-yong2

( 1. Kunming University of Science and Technology, Kunming, YN 650093, China; 2. EastChina University of Technology, Nanchang,JX 330013, China)