贵州松林铀多金属磷块岩微量元素地球化学及Sm-Nd同位素特征

王文全，漆富成，林文姬，李治兴，杨志强，张文东

（1．核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京100029；2．中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京100095）

贵州省遵义松林地区铀多金属磷块岩具有U、Mo、Ni、Re、Tl等多元素富集的特征，根据非常规铀资源的定义［1］，区内铀多金属伴生组分达到综合利用指标，可视为非常规铀资源。下寒武统底部铀多金属磷块岩富集了U、Mo、Ni、Re、Tl等元素，受到普遍关注和重视，并从不同角度 （地质地球化学、年代学、生物地球化学）对其进行了研究［2-5］，但铀多金属磷块岩的成因一直存在争议。笔者通过对遵义松林地区铀多金属磷块岩型的微量元素地球化学、Sm-Nd同位素特征研究，为探讨其物质来源及成因机理提供依据。

1 区域地质概况

松林地处贵州省遵义西北部，位于NE向延伸的松林—岩孔弧形构造北段松林穹隆构造的西南翼，区域上属扬子陆块东部，黔中隆起东北侧的娄山褶皱带。出露地层主要有下寒武统牛蹄塘组和上震旦统灯影组，牛蹄塘组磷块岩假整合于灯影组白云岩之上。牛蹄塘组下部主要为磷块岩、碳质页岩和硅质岩的岩石组合；上部主要由碳质页岩组成（图1）。区内铀多金属磷块岩主要分布在下寒武统底部，呈层状、似层状产出，产状较平缓，围绕松林穹隆周围呈带状分布，厚度约1 m。铀多金属磷块岩中Ni、Mo达到工业品位，U含量平均为427×10-6，具有较好的铀多金属磷块岩型非常规铀资源开发利用前景。

图1 松林地区非常规铀资源地质略图 （据罗泰义，2003）Fig.1 Geological sketch of unconventional uranium resource in Songlin area （After LUO Taiyi， 2003）

2 样品取样与分析

系统采集松林地区下寒武统与上震旦统剖面样品18件，并对样品进行了元素地球化学分析。测试工作由核工业北京地质研究院分析测试研究所完成，微量元素测试仪器为电感耦合等离子体质谱 （ICP-MS），测试依据为GB/T14506.30—2010；化学成分分析测试仪器为X射线荧光光谱仪，所用仪器为飞利浦PW2404，测试依据为GB/T14506.28—2010；Sm-Nd同位素测试使用英国GV公司 （原MicroMass公司）制造ISOPROBE-T固体热电离质谱计，相对湿度37%，温度21℃，误差2 σ，测试依据为EJ/T 692—1992。

3 微量元素地球化学

3.1 微量元素组成

松林地区碳质页岩、铀多金属磷块岩、硅质岩、磷块岩及白云岩主要微量元素化学分析数据如表1所示。其中铀多金属磷块岩U质量分数为 163×10-6～915×10-6，平均为427×10-6； Ni质量分数为 4 857×10-6～50 045×10-6， 平均为 26 852×10-6； Mo 质量分数为 6 546×10-6～43 279×10-6， 平均为25 466×10-6；Re质量分数为 0.92×10-6～14.50×10-6， 平均为 6.82×10-6； Tl质量分数43.7×10-6～378.0×10-6， 平均为 172.0×10-6。利用上地壳数据［6］对该区微量元素进行标准化如图2所示，铀多金属磷块岩中Mo含量较地壳岩石丰度超常富集，其富集程度达4个数量级，U、Ni、Re、Tl较为富集，富集程度达1～2个数量级。松林铀多金属磷块岩相对围岩黑色页岩具有亏损Rb、Sr、Ba等大离子亲石元素，富集U、Mo、Ni、Re、Tl等亲硫元素或过渡元素的特征。

表1 松林地区非常规铀资源微量元素质量分数Table 1 Mass fraction of trace elements in unconventional uranium resource in Songlin area

图2 松林地区非常规铀资源主要微量元素上地壳标准化图Fig.2 The diagram of upper crust-normalized trace elements in unconventional uranium resource in Songlin area

3.2 微量元素特征

分析表明，U、Mo、Ni、Re和Tl等微量元素在剖面上呈现规律性变化，即U、Mo、Ni、Re和Tl自下而上不断增加，在铀多金属磷块岩中达到峰值（图3）。U与Mo、Ni、Re、Tl具有较好的正相关关系。

V/Cr和Ni/Co地球化学参数可作为识别缺乏镁铁质碎屑沉积物的沉积环境。相对于Cr，有机质优先结合V，在缺氧还原条件下沉积物一般具有高V的特征。V/Cr＞2，Ni/Co＞4均指示缺氧沉积环境［7］。遵义松林剖面样品V/Cr＞2，Ni/Co＞4，在铀多金属磷块岩中达到最高，其V/Cr值平均为14.31，Ni/Co值平均为270.53，指示铀多金属磷块岩形成环境为缺氧还原环境。Wignall提出δU可指示沉积环境， 在缺氧环境中δU 小于 1［8］。 松林地区样品δU为1.31～1.99之间，其中磷块岩与铀多金属磷块岩δU值均达到1.99，指示该区为缺氧的沉积环境。

研究表明在热水沉积环境具有沉积速率快的特征，从而导致U/Th比值相对于正常海水沉积较高，可作为指示正常海水沉积和热水沉积的重要指标［9］。松林地区黑色岩系中各种类型岩石U/Th比值中除一个碳质页岩数据略小于1，其余样品U/Th比值均大于1（图4）。铀多金属磷块岩和磷块岩远大于1，7个铀多金属磷块岩样品平均U/Th值高达317.20，反映铀多金属磷块岩具有明显热水沉积作用特征。

图3 松林地区下寒武统底部U、Ni、Mo、Re、Tl含量变化图Fig.3 Distribution of U， Ni， Mo， Re and Tl content at the bottom of Lower Cambrian in Songlin area

图4 松林地区下寒武统底部U-Th关系图解Fig.4 U-Th relation diagram at the bottom of Lower Cambrian in Songlin area

4 Sm-Nd同位素特征

Nd同位素数据能较好地反映沉积物（岩）的物源性质，研究认为来源于古老上地壳沉积物的εNd值一般小于-10。来源于洋中脊玄武岩（MORB）沉积物（岩）的 εNd相对较高，一般大于＋5［10］。 松林铀多金属磷块岩的 εNd（0）在-16.11～-14.34的范围内，均小于-10，（表2），指示铀多金属磷块岩具有以上地壳为源区的特征。

钕同位素对物源组分和物源特征具有很好的指示作用，并且通过结合微量元素可以跟好的研究沉积岩潜在的源区［12］。松林铀多金属磷块岩具有较高的Th/Sc值和较低的εNd（图5），指示其物质来源介于安山质岩石和上地壳物质之间，更接近古老地壳，同时fSm/NdεNd图解也显示该区铀多金属磷块岩投点靠近上地壳物质，反映该区铀多金属磷块岩的物源与壳源物质相关联。

沉积过程中幔源物质的加入会导致Nd模式年龄变小，因此沉积岩Nd同位素模式年龄是判断沉积物源的灵敏示踪剂［13］。依据松林铀多金属磷块岩样品147Sm/144Nd值在0.10～0.13范围内，采用地幔亏损模式年龄 （tDM）。松林铀多金属磷块岩模式年龄如表2所示，亏损地幔模式年龄（tDM）在1.64～1.93 Ga的范围内，与中国海水周围陆壳1.8 Ga的平均年龄值相一致。进一步反映该区铀多金属磷块岩受幔源物质影响有限，以陆壳物质来源为主。

表2 松林地区下寒武统底部铀多金属磷块岩中Sm-Nd同位素分析Table 2 Sm-Nd isotopic analysis of uraniferous polymetallic phosphorite at the bottom of Lower Cambrian in Songlin area

图5 松林地区多金属磷块岩εNd-Th/Sc和fSm/Nd-εNd判别图解 （据Mclennan，1993）Fig.5 εNd-Th/Sc and fSm/Nd-εNddiagrams of polymetallic phosphorite in Songlin area （After Mclennan， 1993）

5 结论

1）松林地区铀多金属磷块岩具有U、Mo、Ni、Re和Tl富集的地球化学组合特征，且U与Mo、Ni、Re和Tl具有良好的正相关关系。铀多金属磷块岩V/Cr、Ni/Co和δU值指示其处于缺氧的沉积环境。

2）松林地区U-Th关系图解反映该区铀多金属磷块岩属典型的热水沉积的产物。

3）松林地区铀多金属磷块岩Sm-Nd同位素特征参数及Nd模式年龄数据显示其物质来源具有以古老基底为主要组成的大陆陆壳特征。显示在早寒武世缺氧的沉积环境下，海底沉积作用伴随热水沉积作用形成铀多金属磷块岩型非常规铀资源。