河北沽源张麻井铀钼矿床He-Ar同位素示踪

2019-09-20朱斌黄志新李子颖孙小聪

铀矿地质 2019年5期

朱斌，黄志新，李子颖，孙小聪

（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）

沽源-红山子铀成矿带是我国北方重要的火山岩型铀-钼多金属成矿带，自南向北已发现有张麻井铀钼矿床（460）、大官厂铀钼矿床（534）、红山子铀钼矿床（470）和众多矿点、矿化点［1］。张麻井矿床为该区最大的铀矿床，具有铀钼共生的特点，其中铀矿储量达大型矿床规模，现处于露天开采阶段。迄今，诸多学者对该矿床的成岩成矿年龄、蚀变矿化特征、构造环境特征、成矿温压条件、成矿模式以及铀的富集机制等进行了深入探讨，并取得了丰硕的成果［2-18］。然而关于成矿流体来源的研究相对薄弱。

张振强（2001）［8］利用热液矿物的 H、 O、S同位素对该矿床的成矿流体进行了示踪，认为成矿流体主要来源于岩浆水与大气降水的混合，S同位素具有壳幔混合硫的特点。李耀菘（1989）［4］通过沥青铀矿U-Pb法对张麻井矿床中铀矿体进行年龄测定，发现脉状铀矿体形成于约24 Ma，与该区广泛发育的汉诺坝组玄武岩的喷发时代完全一致，认为汉诺坝组玄武岩喷发对该期铀矿形成提供热源。值得注意的是，汉诺坝组玄武岩除了为张麻井矿床提供热源外，是否还提供了一定的成矿物质来源（如幔源热液流体，成矿元素等）至今尚未有结论。相比于C、H、O、S等稳定同位素，不同来源地质体中的稀有气体同位素组成差异很大，且其同位素组成基本不受水-岩反应等地质过程的影响，因此稀有气体同位素特别是He、Ar同位素是研究成矿流体来源的有效手段［19］。已有研究表明，大气降水、地幔和地壳中的He、Ar同位素组成差异极大，就He同位素而言，地壳He（3He/4He＝0.01Ra～0.05Ra）与地幔 He （3He/4He＝6Ra～9Ra）的3He/4He比值差异高达近1 000倍，即使少量地幔流体加入到地壳流体中，利用He同位素也易于识别［20-22］，因此在示踪幔源物质来源方面，稀有气体同位素被视为最灵敏的示踪剂。笔者对沽源张麻井矿床热液矿物中的流体包裹体进行了He-Ar同位素测定，探讨了成矿流体的来源，结合矿床地质和地球化特征，对矿床成因提出了新的制约。

1 区域地质背景

燕辽火山岩带位于华北陆块北缘，与兴蒙优地槽褶皱带相毗邻（图1a）。该带由众多火山盆地组成，是我国重要的火山岩型铀成矿带。沽源火山盆地位于燕辽火山岩带西段，其边界受NE向张北断裂、EW向崇礼-赤城深断裂带和SN向赤城-沽源-哈巴嘎区域深断裂带所控制，整体呈NE向展布，为一不对称断陷式盆地（图1b）。盆地主体位于沽源县境内，包含赤城县、崇礼县、张北县及太仆寺旗的局部地区，总面积约3 300 km2。

图 1 沽源地区大地构造位置（a）（据杨进辉等，2006［23］）及研究区地质简图（b）（据巫建华等， 2015［17］）Fig.1 Tectonic location （a） and simplified geological map（b） of Guyuan area

沽源盆地具有典型的二元结构，下白垩统下部的张家口组火山岩不整合于新太古界红旗营子群变质岩和海西期花岗岩之上，局部地区流纹斑岩、石英斑岩、正长斑岩等次火山岩侵入于盆地火山岩中［17］。基底红旗营子群主要由变粒岩、浅粒岩、片麻岩、斜长角闪岩和大理岩组成，其原岩为一套浅海相的泥岩、砂岩夹少量碳酸盐岩和中酸性火山岩。该套岩石在1.8～1.9 Ga经历强烈的区域变质作用形成绿片岩-角闪岩相变质岩系，尤其是在背斜轴部发生强烈的钾质混合岩化，并伴有铀、钍、钾的明显增加，局部形成一些富铀基底，为以后的铀成矿奠定了基础［24］。下白垩统张家口组为一套高钾钙碱性-碱性中酸性火山岩系［17-18］，主要由斑岩和火山熔岩组成，间夹少量凝灰岩和砾岩。锆石Hf同位素及全岩Sr-Nd-Hf同位素组成均表明，张家口组火山岩为基底红旗营子群部分熔融的产物［23，25］。在盆地东侧围场地区和西侧张北地区局部发育有新近系汉诺坝组玄武岩。

2 矿床地质特征

张麻井铀钼矿床位于沽源火山盆地西部北缘，铀矿化发育于盆缘NE向基底断裂（F45）及其次级NW向断裂（F3）复合部位所控制的流纹斑岩体中（图2）。

矿区地层由下白垩统张家口组二段的粗面岩、张家口组三段的流纹质火山岩和火山沉积岩组成。张家口组三段酸性火山岩共分为八层，其岩性包括流纹岩、熔结凝灰岩、角砾凝灰岩、晶屑凝灰岩等。北部以F45断裂为界与张家口组二段的粗面岩、石英粗面岩呈断层接触。

图2 张麻井铀钼矿床地质简图（a）和剖面示意图（b）（修改自周德安， 1988［2］；罗毅， 1993［5］；巫建华等， 2015［17］）Fig.2 Geological sketch （a） and section （b） of Zhangmajing U-Mo deposit

矿区断裂构造发育，可分为NEE（F45）、NW （F3）、 NNW （F7）和 NNE 向（F2、 F4、F5、F6）4组。NEE向F45断裂为一条区域性基底断裂，形成于燕山早期，在成矿期和成矿后均强烈活化，为先压扭后张扭的正断层；NW向F3为F45的次级断裂，形成于燕山晚期，为张扭性断层；NNW向的F7和NNE向的F2、F4、F5、F6等均为燕山晚期形成的剪性断裂，规模较小［5］。F3断裂是该矿床的主要控矿断裂，在其和F45的复合部位，发育着控制矿体的流纹斑岩。流纹斑岩体呈NW向沿F3产出，向NE陡倾，在地表呈弧形（图2a）。铀、钼矿体主要产于流纹斑岩体内部，在外接触带张家口组三段的流纹岩和角砾凝灰岩中亦发育有小规模的铀钼矿化。远离岩体，矿化迅速减弱或消失［2］。

张麻井矿床的铀矿化严格受岩体（流纹斑岩）和构造控制，且具有埋藏浅、品位高、分布集中、与钼矿化紧密共生的特点。垂向上，矿体分带十分明显，自深部向地表可划分出红色脉状富铀矿体（铀矿的主体）、黑色原生细脉状-浸染状贫铀矿体和近地表次生叠加淋滤形成的蓝黑色铀钼矿体［1］（图 2b）。从矿物组成上看，脉状矿石主要由沥青铀矿、金属硫化物和玉髓组成，铀品位高；原生浸染状矿石主要由胶硫钼矿、胶状黄铁矿、闪锌矿、沥青铀矿和萤石组成，矿石中钼品位较高，而铀品位较低；近地表的次生淋滤铀钼矿体是原生浸染状矿体叠加改造的产物，以胶硫钼矿氧化为蓝钼矿为主要特点。

整个岩体发育不同程度的热液蚀变，垂向上具分带性。上部为硅化-褐铁矿化带，中部为蒙脱石-水云母化带，下部为钾化-赤铁矿化带，总体具有上酸下碱的特点。从蚀变与矿化的关系上看，铀矿化主要与红色、灰黑色硅化有关；赤铁矿化主要发育在矿床的中下部，是脉状铀矿化最重要的近矿蚀变，在空间上和成因上与沥青铀矿和多金属硫化物矿脉密切伴生。水云母化、萤石化和黄铁矿是该矿床的贯通性蚀变产物，其中成矿期萤石为紫黑色萤石，成矿后萤石多呈浅紫色或浅绿色［5］。

3 样品和分析方法

黄铁矿化为该矿床的贯通性蚀变，为避免不同阶段黄铁矿所造成的数据混乱，本研究所使用的样品为热液成矿阶段与铀、钼矿化共生的石英和紫黑色萤石。其中，石英主要采于脉状矿石中，而萤石主要采于浸染状矿石中。这些矿物中的流体包裹体可代表铀钼矿化期的成矿流体。

在双目镜下挑选新鲜、晶形好、无裂缝、纯的（不含其它矿物杂质）石英及萤石颗粒。矿物中流体包裹体的He-Ar同位素组成分析在核工业北京地质研究院分析测试研究所的稀有气体同位素实验室完成。具体分析流程［26］如下：首先，在丙酮介质中将样品在超声波中清洗20分钟，真空条件下加热至350℃并去气48小时，以清除矿物表面附着的气体，系统真空度优于10-8Pa；然后，压碎样品释放出气体，对释放出的气体经4个锆铝泵和一个活性炭冷阱进行多级纯化，去除 N2、O2、H2、CO2等活性气体，吸附 Ar、Xe和Kr，将纯的He和Ne送入系统，He、Ne经加液氮的钛升华泵再次纯化，在-78℃释放Ar，分别将He和Ar送入质谱仪；最后在美国热电公司生产的Helix SFT型惰性气体质谱仪进行He、Ar同位素测试，质谱主机的磁场半径为35 cm，偏转角度为120°，法拉第杯的分辨率为400，离子计数器分辨率为700，确保He、Ar同位素的高精度测量。

4 结果分析

张麻井铀钼矿床热液矿物石英和萤石中流体包裹体的氦、氩同位素组成分析结果见表1。石英中流体包裹体的3He/4He比值为0.64Ra～6.73Ra，40Ar/36Ar比值为 296.4～362.1；萤石中流体包裹体的3He/4He比值为0.02Ra～0.39Ra，40Ar/36Ar比值为 265.7～330.8。

流体包裹体被捕获后，包裹体壁是防止气体扩散的重要屏障，因此寄主矿物石英及萤石晶格中由铀、钍衰变所产生的放射成因4He难以大量扩散进入流体包裹体［27］。此外，有学者曾理论推测，即使He的扩散丢失达70%以上，3He/4He的影响程度可能也只在测试误差范围之内［28］。由于包裹体溶液中铀、钍含量较低，由其衰变而产生的4He的量将很少。对氩而言，已有研究表明，流体包裹体对氩具有很好的保存能力，即使是石英，其中的氩在漫长的地质历史时期也可定量保存下来［29］。在实验分析过程中，压碎寄主矿物释放包裹体溶液的过程不会致使寄主矿物中的4He释放出来［30］。此外，石英和萤石基本不含钾，因此由钾衰变生成的40Ar可忽略不计。薄片镜下观察显示，矿物中的流体包裹体以原生包裹体为主。因此，流体包裹体中因He和Ar扩散丢失而引起的同位素分馏以及后生叠加改造所造成的He、Ar同位素变化均可忽略不计［31-34］。此外，大气中氦的含量极低，不会对地壳流体中氦的含量和同位素组成产生明显影响。在石英及萤石的流体包裹体分析测试过程中，大气对流体中氦的浓度的影响程度可以使用参数F4He来评估［35］。F4He为样品与大气4He/36Ar的比值（大气的4He/36Ar＝0.165 5）。若样品为大气氦，则F4He＝1。沽源张麻井铀钼矿床的石英及萤石中流体包裹体的F4He远远大于1（表1），最高可达60万倍，因此可以排除大气氦的混染作用。以上分析表明，测试的石英和萤石中流体包裹体的He-Ar同位素组成代表了成矿流体的氦和氩同位素组成。

表1 沽源张麻井铀钼矿床石英和萤石中流体包裹体的氦、氩同位素组成Table 1 He-Ar isotopic composition of fluid inclusions in quartz and fluorite from the Zhangmajing U-Mo deposit in Guyuan

5 讨论

5.1 成矿流体来源

已有研究显示，不同来源地质流体的3He/4He和40Ar/36Ar存在明显区别［36］： 1）大气饱和水（ASW）（主要包括大气降水、海水等）的3He/4He和40Ar/36Ar同位素组成分别为1Ra和295.5；2）深源地幔流体的3He/4He和40Ar/36Ar值分别为6Ra～9Ra和＞40 000；3）地壳流体（主要指与地壳岩石发生过相互作用的饱和空气大气水）受地壳富集铀、钍和钾元素的影响，因其放射性衰变可产生4He和40Ar，导致3He/4He比值降低和40Ar/36Ar升高，因此其特征性3He/4He为0.01Ra～0.05Ra，40Ar/36Ar通常大于295.5。

表1测定结果显示，张麻井铀钼矿床的石英和萤石中流体包裹体的3He/4He比值变化范围很大，为0.02Ra～6.73Ra，具有混合成因特点；40Ar/36Ar比值为265.7～362.1，接近或高于大气氩的同位素组成（40Ar/36Ar＝295.5）。石英中流体包裹体的3He/4He比值（0.64Ra～6.73Ra）远高于地壳特征值，为地壳的13～700倍，整体低于地幔值，部分分析值与地幔特征值趋近，说明成矿流体以地幔氦为主，并有部分地壳He的加入。与石英相比，萤石中流体包裹体的3He/4He比值明显偏低，接近地壳流体特征值，表明其成矿流体组成以地壳流体为主，伴有少量地幔流体的加入。3He-4He同位素演化图解（图3）显示，石英和萤石中流体包裹体的氦同位素组成投点于地壳与地幔组成之间，显示了地幔氦与地壳氦混合的特点。从3He/4He-40Ar/36Ar图解上（图4），可以看出He同位素和Ar同位素组呈线性分布于在地幔流体和地壳流体之间，显示成矿流体是地幔流体和地壳流体混合的结果。3He-4He图解与3He/4He-40Ar/36Ar图解表明，石英中的流体包裹体成分主要为地幔流体，含有少量地壳流体；而萤石中的流体包裹体主要为地壳流体，伴有少量地幔流体的加入（图3、 4）。

图3 沽源张麻井铀钼矿床热液矿物中流体包裹体3He-4He图解（底图修改自 Mamyrin and Tolskhin， 1984［37］）Fig.3 3He vs.4He Diagram for fluid inclusions in hydrothermal minerals from the Zhangmajing U-Mo deposit in Guyuan

图4 沽源张麻井铀钼矿床热液矿物中流体包裹体3He/4He-40Ar/36Ar图解（底图引自朱赖民等， 2009［19］）Fig.4 3He/4He vs.40Ar/36Ar diagram for fluid inclusions in hydrothermal minerals from Zhangmajing U-Mo deposit in Guyuan

5.2 地幔流体的来源

地幔中氦有 3 种源区［38-39］： 1）地幔柱型，3He/4He最高（32Ra），40Ar/36Ar为 350； 2）洋中脊玄武岩型（MORB），3He/4He稳定（8Ra），40Ar/36Ar为 12 000； 3）岛弧型，因包含俯冲带来的循环物质，其3He/4He和40Ar/36Ar比值低于 MORB型。从分析结果来看，本区石英中流体包裹体的3He/4He与岛弧型接近。

全岩及锆石Sr-Nd-Hf同位素的分析结果表明［14，23，25］，张家口组火山岩及流纹斑岩是太古宇基底发生部分熔融的产物，并伴有部分幔源物质的混合。结合该地区火山岩及超浅成侵入岩的形成年龄（125～140 Ma）［14，17，23，25］和地球化学特征（典型的A型花岗岩）［25］，认为张家口组火山岩及流纹斑岩是在华北克拉通减薄及破坏过程中，伸展背景下，中下地壳基底岩石发生部分熔融的产物。克拉通破坏过程中，必然伴有幔源物质的参与。值得注意的，张家口组流纹岩中锆石的Hf同位素结果表明（εHf（t）＝-18.5～-15.1）其主要来源于太古宇基底的部分熔融，幔源物质的加入很少［24］。然而石英中流体包裹体的3He/4He最高达6.73Ra，落入地幔流体的范围（图4）。因此，除早白垩世火山岩及流纹斑岩形成时的幔源流体参与外，研究区必然存在其它幔源流体来源。

李耀菘（1989）［4］通过沥青铀矿的 U-Pb 法对张麻井矿床中浸染状矿体和脉状矿体年龄进行测定，发现前者形成于88 Ma以前，后者形成于约24 Ma。浸染状矿体的形成应与流纹斑岩上侵后的热液活动有关，脉状矿体的形成可能与区域上玄武岩喷发后的热液活动有关［2］。值得注意的是，不仅在形成时代上，脉状矿体与该区广泛发育的汉诺坝组玄武岩的喷发时代［40-41］一致，元素的相关性分析研究表明，脉状矿石中U和Ni的相关性很高，相关系数达0.74，指示其形成与玄武质岩浆活动关系密切［8］。因此，汉诺坝组玄武岩喷发过程中形成的热液流体是张麻井铀钼矿床中幔源流体的主要来源。鉴于石英中流体包裹体的3He/4He明显高于萤石，显示更强的幔源特点，推测，相比于萤石化，硅化与玄武岩喷发时形成的幔源流体关系更为密切。