粤北仁化棉花坑铀矿床成矿热液演化及其对成矿过程的约束

祁家明 朱捌 吴建勇 曹豪杰 刘文泉 徐争启

1. 核工业二九〇研究所，韶关 5120292. 成都理工大学地球科学学院，成都 610059

华南地区是我国的重要铀矿产区，按产出围岩的不同主要分为花岗岩型、火山岩型和碳硅泥岩型等三类热液铀矿床(Huetal., 2008, 2009)。而粤北棉花坑(302)铀矿床是华南地区最具代表性的花岗岩型铀矿床之一，也是目前粤北地区勘探、开采深度最深、研究程度最高的铀矿床。前人对该矿床的年代学、地球化学、微区矿物学以及矿床成因等方面进行了详细研究(余达淦, 1979; 杜乐天和王玉明, 1984; 闵茂中等, 1993; 胡瑞忠等, 2004; 张国全等, 2008; 沈渭洲等, 2010; 黄国龙等, 2010; 高飞等, 2011; 祁家明等, 2014, 2015; 钟福军等, 2017; 张龙等, 2018)；尽管一些研究从流体包裹体方面对其成矿流体性质与物质来源进行了诸多讨论(倪师军等, 1994; 张国全等, 2008; 郭国林等, 2010; 张闯等, 2016; Zhangetal., 2017)，但对成矿过程中成矿热液演化特征及其对元素迁移的约束作用研究还较为缺乏，成矿过程是多重参数动态耦合的过程，其深入研究对于揭示铀成矿演化机制和成矿动力学背景具有重要意义，可以提高华南热液型铀矿床的理论研究水平，指导区内铀矿勘查工作。这也是本文撰写的初衷。

棉花坑(302)铀矿床发育大量成矿阶段形成的各类热液矿物，包括大量萤石、方解石和微晶石英等脉石矿物，是研究成矿流体性质的重要对象。而流体包裹体是获取热液矿床成矿流体信息最直接、最有效的手段。研究表明，通过不同温度下流体包裹体相变行为的观察，可以了解成矿流体的温度、压力、密度及组成等重要参数，以探讨成矿流体的演化特征(卢焕章, 2011)。

同时矿床成矿期热液脉体内还发育大量黄铁矿，是铀成矿过程中形成的重要金属矿物，黄铁矿发育多的部位矿石品位也较高，是重要的指示富铀矿体的标志矿物(张国全等, 2007)。研究表明，黄铁矿中的微量元素主要以类质同象或晶格缺陷内包体形式存在，不同环境下形成的黄铁矿的微量元素含量主要受成矿流体性质制约(Moh, 1980; 毕献武等, 2004; Reichetal., 2005)；同时，稀土元素可以有效指示热液体系中成矿流体来源和水-岩作用历史(Henderson, 1984)。研究不同阶段黄铁矿的微量元素，亦可反映成矿流体的演化特征而约束成矿过程。因此，本文选择棉花坑(302)铀矿床成矿期重要脉石矿物中的流体包裹体及其共生矿物黄铁矿为研究对象，重点解析铀成矿过程中成矿热液性质和组成及其演化特征，探讨铀成矿机制。

1 区域地质背景

在21世纪初，华南地区的花岗岩型铀矿储量曾占全国探明铀矿储量的近40%，而粤北地区诸广-贵东岩体的铀资源量占华南全区的1/2以上，是我国最重要的花岗岩型铀矿集区(黄国龙等, 2010; 陈振宇等, 2014)。诸广-贵东地区位于南岭EW向构造-岩浆带中段，区域上位于华南板块与扬子板块接触部位(图1)，以中生代花岗岩为主，区内铀矿床多赋存于花岗岩体内部或与其围岩接触带附近的断裂构造中。

图1 粤北区域地质简图1-加里东期花岗岩类；2-华力西期花岗岩类；3-印支期花岗岩类；4-燕山早期花岗岩类；5-燕山晚期花岗岩类；6-震旦系-志留系；7-泥盆系-三叠系；8-下-中侏罗统；9-上白垩统；10-古近系；11-区域断裂；12-铀矿床Fig.1 Regional geological map in northern Guangdong1-Caledonian granitoids; 2-Variscan granitoids; 3-Indosinian granitoids; 4-Early Yanshanian granitoids; 5-Late Yanshanian granitoids; 6-Sinian-Silurian; 7-Devonian-Triassic; 8-Lower-Middle Jurassic; 9-Upper Cretaceous; 10-Paleogene; 11-regional faults; 12-uranium deposits

棉花坑(302)铀矿床所在的诸广岩体为多期多阶段复式岩体，侵入于寒武系和泥盆系地层中，岩浆活动频繁，但以印支期和燕山期S型黑云母花岗岩为主，地球化学属性为高硅、高铝、碱性-钙碱性系列，印支期成岩年龄为245～225Ma，燕山期成岩年龄为170～150Ma(邓平等, 2003)。其岩体含铀量可达13×10-6～24×10-6，是一般花岗岩的数倍，是区内重要的产铀岩体，为铀成矿提供了丰富的铀源(邓平等, 2003)。

区内构造活动强烈，形成了一系列断裂构造，晚侏罗世-早白垩世多为控岩断裂构造，而晚白垩世-新近纪形成的断裂多为控盆断裂构造。断裂展布方向有SN、EW、NW、NE等，这些断裂构造多为深大断裂，具有多次活动的特征。总体趋势是SN向断裂较早，EW向、NW向断裂次之，最晚为NE向断裂。深大断裂控制了区内中-新生代以来的岩浆活动和盆地形成与发展，同时也控制了铀矿和多金属矿产的形成。

区内铀矿多产于花岗岩区域内NE向主干断裂附近及与其伴生的二、三级硅化碎裂带中，铀矿类型以微晶石英型、碎裂蚀变带型和“交点”型为主，成矿温度集中于250～150℃，区内主要铀成矿呈多期多阶段性，其年龄集中于140Ma、120Ma、90Ma、70Ma和50Ma等阶段，成矿高峰期为90～70Ma，与花岗岩的年龄相差较大，而与区内的6次地壳伸展运动的时间则是一一对应的(张国全等, 2007)。可认为该些地壳伸展运动引起的深大断裂活动，是驱动区内铀成矿的动力学背景。

表1棉花坑(302)矿床矿石矿物生成顺序表

Table 1 Mineral arisen sequence of the Mianhuakeng (No.302) uranium deposit

图2 棉花坑(302)铀矿床地质简图1-碱交代岩；2-中粒黑云母花岗岩；3-中粗粒黑云母花岗岩；4-中细粒二云母花岗岩；5-中粗粒二云母；6-辉绿岩岩；7-断裂；8-铀矿床Fig.2 Geological sketch map of Mianhuakeng (No.302) uranium deposit1-alkali metasomatic rock; 2-medium grain biotite granite; 3-medium-coarse grained biotite granite; 4-medium-fine grained two mica granite; 5-coarse-medium grain two mica granite; 6-diabase; 7-fault; 8-uranium deposit

2 矿床地质

棉花坑(302)铀矿床位于诸广岩体东南部印支期中细粒二云母花岗岩(锆石U-Pb年龄232.0±4.0Ma; 黄国龙等, 2012)与燕山期中粒黑云母花岗岩(锆石U-Pb年龄157.2±1.7Ma; 黄国龙等, 2014)之接触部位，且由NE向棉花坑断裂与NW向油洞断裂所夹持的区域(图2)。

铀矿体主要呈似脉状、扁豆状和透镜状产于上述夹持区域中的近SN向断裂蚀变破碎带内(图3)。铀矿化垂幅大，自地表(海拔500m左右)至深部(海拔-647m)均见有工业铀矿体分布。矿石成分相对简单，矿石矿物以沥青铀矿为主，呈肾状、葡萄状、分散球粒状等形式产出，沥青铀矿形成温度介于250～150℃之间；少量次生铀矿物；铀成矿呈多期多阶段性，沥青铀矿年龄为～120Ma(张国全等, 2008; 张龙等, 2018)、～102Ma(张龙等, 2018)、93±15Ma(Bonnettietal., 2018)、～92Ma(张龙等, 2018)、70±11Ma(黄国龙等, 2010; 沈渭洲等, 2010)、～68Ma(张龙等, 2018)、60.0±0.5Ma(Zhongetal., 2018)、～54Ma(张国全等, 2008)等系列成矿年龄。

图3 棉花坑(302)铀矿床9号带剖面及样品采集示意图1-细粒黑云母花岗岩；2-花岗斑岩；3-中粒二云母花岗岩；4-绢云母化碎裂花岗岩；5-硅化带；6-矿体；7-含矿构造蚀变带编号；8-采样点位Fig.3 Schematic map of samples collected from section of silicification zone No.9 in the Mianhuakeng (No.302) uranium deposit1-fine-grained biotite granite; 2-granite porphyry; 3-medium-grained mica granite; 4-sericite cataclastic granite; 5-silicification zone; 6-uranium ore body; 7-ore-bearing structural alteration zone number; 8-samples site

矿体围岩蚀变发育，受断裂构造带控制，分布于构造破碎带及围岩蚀变带内，且具有明显的分带现象，距矿体由近及远可划分为6条带，即：矿化中心带(强赤铁矿化硅化带，褐红色微晶石英)、矿体旁强蚀变带(强绢云母、绿泥石化碎裂花岗岩)、矿体蚀变带(赤铁矿化、绢云母化黑云母花岗岩)、近矿端蚀变带(赤铁矿化黑云母花岗岩)、远矿端蚀变带(弱赤铁矿化黑云母花岗岩)和正常花岗岩带。

与铀矿化相关的伴生脉石矿物有褐红色微晶石英(图4a, d-f)、紫黑色萤石(图4b)、浅粉红色方解石(图4c)和少量绿泥石、绢云母等。矿物组合通常为紫黑色萤石-黄铁矿-沥青铀矿、粉红色方解石-黄铁矿-沥青铀矿和赤红色微晶石英-赤铁矿-黄铁矿-沥青铀矿。与沥青铀矿伴生的金属矿物主要是胶状黄铁矿(图4g, h)，其次为赤铁矿(图4g)、少量褐铁矿(图4g)和方铅矿等。

根据棉花坑(302)铀矿床的矿石矿物共生组合特征及其穿插关系，其热液活动(脉体)可划分为成矿前、成矿期和成矿后3个阶段，矿石矿物生成大致归纳为(表1)。

(1)成矿前阶段：为白色高温石英脉(Ⅰ)形成阶段，为铀成矿热液活动的前奏。

主要以白色高温石英脉为主，偶见少量黄铁矿、黄铜矿，辉铋矿、闪锌矿等金属硫化物，脉体两侧围岩发育云英岩化及少量绿泥石化，该阶段的石英脉体已破碎成角砾，后被成矿阶段微晶石英脉所胶结。

(2)成矿阶段：为铀成矿热液活动的主阶段，分为紫黑色含铀萤石脉(Ⅱ)、粉红色含铀方解石脉(Ⅲ)和赤红色含铀微晶石英(Ⅳ)等三个亚阶段，沥青铀矿主要是在赤红色微晶石英形成的后阶段析出的。

紫黑色含铀萤石脉多呈脉状、不规则块状或角砾状产出，脉宽仅数厘米，偶见少量胶状黄铁矿，部分萤石脉角砾被微晶石英或方解石胶结(图4b)，紫黑色萤石分布于矿床中、下部范围内，其铀含量较高，而矿床中、上部范围发育紫色、浅紫色萤石，其铀含量较低。

粉红色含铀方解石脉多与紫黑色萤石共生，呈脉状或不规则状，被微晶石英或灰白色方解石胶结，脉宽数厘米，内含数毫米宽的沥青铀矿脉(图4c)，偶见少量胶状黄铁矿。

赤红色含铀微晶石英脉是矿床最重要的含铀热液脉体，脉体组成矿物以隐晶、微晶石英和沥青铀矿为主(图4a, d-f)，其次有少量水(绢)云母、绿泥石、赤铁矿、黄铁矿、方铅矿和黄铜矿，偶尔可见少量的钠长石、萤石、高岭石和碳酸盐矿物。部分赤红色微晶石英呈角砾状，被后期灰白色微晶石英胶结。

(3)成矿后阶段：为灰白色微晶石英、浅色萤石、灰白色方解石和石英晶洞(Ⅴ)阶段，是热液活动的尾期。

灰白色微晶石英-浅色萤石脉规模大小不等，宽度为数厘米至数米，主要由浅色萤石、灰白色微晶石英和一些粘土矿物(以高岭石为主)组成。脉体中的石英、萤石和粘土矿物常构成韵律条带。胶结成矿期形成的脉石角砾。

灰白色方解石脉呈细脉状和不规则脉体穿插到成矿阶段的热液脉体中，个别大脉可长达几米。

图4 棉花坑(302)铀矿床成矿期各类脉石特征照片(a)赤红色微晶石英内沥青铀矿与胶状黄铁矿共生；(b)紫黑色萤石与灰色石英共生，萤石内含少量胶状黄铁矿；(c)粉红色方解石裂隙内含沥青铀矿脉，含少量胶状黄铁矿；(d)紫黑色萤石、方解石与微晶石英共生，内含胶状黄铁矿；(e)方解石与赤红色微晶石英共生，含少量胶状黄铁矿；(f)微晶石英与方解石共生；(g)样品F150内黄铁矿、褐铁矿及赤铁矿共生，反射光(-)；(h)样品F41-3内浸染状黄铁矿，反射光(-). Py-黄铁矿；Lim-褐铁矿；Hem-赤铁矿；U-沥青铀矿；F-萤石；Si-微晶石英；Cal-方解石Fig.4 Photographs of metallogenic epoch gangues in the Mianhuakeng (No.302) uranium deposit(a) symbiosis of pitchblende and colloidal pyrite in red microcrystalline quartz; (b) purple-black fluorite coexists with grey quartz, and fluorite contains a small amount of colloidal pyrite; (c) pink calcite fissures contain pitch-uranium veins with a small amount of colloidal pyrite; (d) purple-black fluorite, calcite and microcrystalline quartz coexist, containing colloidal pyrite; (e) calcite coexists with red microcrystalline quartz and contains a small amount of colloidal pyrite; (f) symbiosis of microcrystalline quartz and calcite; (g) pyrite, limonite and hematite coexist in sample F150, reflecting light (-); (h) impregnated pyrite in sample F41-3, reflecting light (-). Py-pyrite; Lim-limonite; Hem-hematite; U-pitchblende; F-fluorite; Si-micro quartz; Cal-calcite

3 样品采集及测试方法

在棉花坑(302)铀矿床-150m中段以下共采集与成矿相关的脉石矿物6件，主要为微晶石英、方解石、萤石，在空间上均与铀矿紧密共生，样品描述见表2，采样分布示意见图3。样品经过手工挑选，磨制成双面抛光薄片14片，然后分别进行岩相学观察、显微测温，由于部分微晶石英薄片在显微镜下较难寻找到包裹体，因而能找到包裹体的薄片只10片。对含黄铁矿的样品经粉碎、过筛，在双目镜下挑选40～60目、纯度大于99%的黄铁矿单矿物。

包裹体岩相学观察和显微测温均在长江大学包裹体实验室完成，其中显微测温使用仪器为Lin Kam THMS600型冷热台，理论上可达到实验温度范围为-196～+600℃，温度显示0.1℃，控制稳定温度±0.1℃，光控直径1.13mm，样品轴向移动16mm，加热/冷冻速率0.01～130℃/min。仪器标定采用标准物质为KNO3、K2CrO3、CCl4及人工配制的NaCl标准溶液。当实验测度低于31℃时，误差为±0.2℃；介于31～300℃之间时，误差为±1℃；高于300℃时，误差为±2℃。包裹体盐度计算采用Halletal. (1988)公式，密度计算采用刘斌和沈昆(1999)经验公式。分析结果见表3。

表2棉花坑(302)铀矿床含矿脉石样品特征

Table 2 Characteristics of metallogenic epoch gangue samples in the Mianhuakeng (No.302) uranium deposit

样品号成矿阶段样品特征取样位置包裹体类型F150F41-1F41-2F41-3F39-1F39-2成矿期矿石,赤红色微晶石英,含胶状少量黄铁矿,图4a, g坑道-150m中段矿体石英包裹体矿石,紫黑色萤石与微晶石英共生,含少量胶状黄铁矿,图4b-150m坑内钻孔KZK41-2,采样标高-231.2m萤石、石英包裹体矿石,浅粉红色方解石,含沥青铀矿脉,含少量胶状黄铁矿,图4c-150m坑内钻孔KZK41-2,采样标高-243.4m方解石包裹体矿石,萤石、方解石、微晶石英共生,含少量胶状黄铁矿,图4d、h-150m坑内钻孔KZK41-2,采样标高-249.6m萤石、方解石、石英包裹体矿石,方解石、微晶石英共生,含少量胶状黄铁矿,图4e-150m坑内钻孔KZK39-3,采样标高-287.3m石英包裹体矿石,方解石、微晶石英共生,图4f-150m坑内钻孔KZK39-3,采样标高-312.4m方解石、石英包裹体

表3棉花坑(302)铀矿床成矿期各类脉石流体包裹体特征表

Table 3 Characteristics of fluid inclusions from syn-ore gangues of the Mianhuakeng (No.302) uranium deposit

样品号矿物类型包裹体类型体系类型形态大小(m)填充数(%)分析点位(个)冰点温度(℃)均一温度(℃)盐度(%NaCleqv)密度(g/cm3)范围平均值范围平均值范围平均值范围平均值F150F41-1F41-2F41-3F39-1F39-2石英萤石方解石方解石方解石石英石英方解石方解石WL+V(Ⅱ)NaCl-H2O椭圆形4～1010～3010-2.2～-0.5-1.22145.7～298.8188.870.88～3.722.090.747～0.9400.887椭圆形、不规则状6～3220～4018-3.5～-1.2-2.32197.8～302.1242.842.08～5.743.890.727～0.9030.835四边形、椭圆形等4～3810～3025-1.1～-0.5-0.78140.3～249.4175.000.88～1.911.360.803～0.9420.904不规则状40～6850～552-0.6-0.6197.4～202.1199.751.051.050.872～0.8780.875椭圆形、四边形等4～3810～3532-0.7-0.7153.4～254.7206.151.231.230.779～0.9290.865四边形、不规则状4～263～4019-3.3～-0.3-0.9786.7～226.1111.910.53～5.431.680.844～0.9930.964不规则状6～6210～308-1～-0.3-0.8684.7～170.3147.220.53～1.741.500.913～0.9780.935不规则状5～1810～2524-2.3～-0.5-1.0365.4～230.9166.860.88～3.881.780.841～1.0030.916椭圆形、四边形等5～2010～2519-0.7～-0.5-0.64150.4～202.7167.520.88～1.231.120.873～0.9320.913

图5 棉花坑(302)铀矿床成矿期各脉石包裹体镜下照片(a)方解石包裹体；(b)微晶石英包裹体；(c、d)萤石包裹体Fig.5 Microphotographs of fluid inclusions of various syn-ore gangues in the Mianhuakeng (No.302) uranium deposit(a) inclusions in calcite; (b) inclusions in microcrystalline quartz; (c, d) inclusions in fluorite

包裹体的群体成分测试采用Shimadzu HICSP离子色谱仪和GC2010气相色谱仪，氦气作为载气，包裹体爆裂采用SGE公司热爆裂炉，其爆裂取样温度范围在100～500℃之间，阳离子最低检出限为×10-6，阴离子最低检出限位×10-9，分析结果见表4。

黄铁矿单矿物样品送至核工业北京地质研究院进行测试。对黄铁矿溶解后再ICP-MS上采用在线内标(Rh)法进行测试，测试仪器为PerkinElmer Elan DCR-e等离子质谱仪，主要实验条件为：仪器功率1400W，冷却气16L/min，进样冲洗时间50s，单个元素积分时间0.001s。测试依据标准为GB/T 14506《硅酸盐岩石化学分析方法》第29、30部分。各元素的检出限为0.002×10-6。分析结果见表5。

4 流体包裹体特征

4.1 包裹体岩相学特征

棉花坑(302)铀矿床成矿期脉体较为丰富，微晶石英、紫黑色萤石、浅肉红色方解石脉岩均发育大量包裹体，以原生为主，次生包裹体很少(图5)。包裹体气液比变化较大，从10%～55%均有产出，但以10%～25%之间为主；长轴直径分布范围为5～68μm，但绝大部分分布在5～20μm之间；大部分包裹体形状以椭圆形、四边形为主，少数呈不规则状、长条状等。

表4棉花坑(302)铀矿床成矿期各类脉石流体包裹体气相、液相成分特征表

Table 4 Characteristics of gas and liquid composition of liquid inclusions of various syn-ore gangues in the Mianhuakeng (No.302) uranium deposit

样品号包裹体类型液相(mol/L)气相(×10-6)K+Na+Ca2+Mg2+HCO-3Cl-F-SO2-4∑UH2CH4CO2H2OF150成矿期赤红色微晶石英包裹体0.3031 0.3935 0.1630 0.0644 0.1765 0.0794 0.1834 0.1208 0.0005 ——1.34 731.7 F41-1成矿期紫黑色萤石包裹体0.06080.07150.24940.02510.13350.04000.27040.24360.0034—0.0115.4967.3F41-2成矿期粉红色方解石包裹体0.06100.04020.59610.01550.57240.04520.12440.06650.0015—0.0118.4930.5

图6 棉花坑(302)铀矿床成矿期各脉石包裹体测温特征直方图Fig.6 Histograms of fluid inclusions temperature measurement of various syn-ore gangues in the Mianhuakeng (No.302) uranium deposit

根据室温条件下流体包裹体的物理相态和成分，矿床内原生包裹体主要为H2O-NaCl包裹体，该类型亦可细分为以下两亚型：(1)富气相L+V两相水溶液包裹体(Ⅰ型)；(2)富液相L+V两相水溶液包裹体(Ⅱ型)。其中L主要为水溶液，V主要为水蒸汽。各脉体的包裹体类型均较为单一，体系类型为NaCl-H2O，以Ⅱ型气液两相包裹体为主，只有方解石中含少量Ⅰ型两相气液包裹体。

萤石中全发育Ⅱ型气液两相包裹体，其气液比为10%～40%，包裹体一般呈椭圆形、四边形和不规则状，呈小群体分布或自由状态分布，包裹体大小为4～42μm。

方解石Ⅱ型包裹体气液比一般为10%～35%，包裹体主要呈椭圆形、不规则状和四边形，呈群状分布或自由状态分布，包裹体大小为4～38μm。

微晶石英Ⅱ型包裹体气液比为3%～40%，包裹体一般呈椭圆形、四边形或不规则状，呈群体分布或自由状态分布，包裹体大小为4～62μm。

表5棉花坑(302)铀矿床成矿期各类脉石共生黄铁矿微量元素含量(×10-6)

Table 5 Contents (×10-6) of trace elements in pyrite associated with various syn-ore gangues in the Mianhuakeng (No.302) uranium deposit

样品号脉石CsRbPbBaThUWTaNbZrHfSrZnCuScCoCrNiLaCePrNdSmF41-1萤石1.132.50649.08.501.14199.015.000.101.4332.300.805.9032.0052.360.025.6430.003.291.402.900.291.200.31F41-2方解石0.581.50514.02.100.32124.03.000.031.437.600.201.307.0036.570.016.374.004.951.303.190.321.530.38F39-1方解石6.7411.40679.027.000.63288.04.000.051.743.800.122.008.7031.220.015.436.003.381.172.690.301.300.42F150微晶石英0.131.00498.03.200.1588.602.000.040.542.300.081.302.0097.340.014.038.003.450.501.300.110.400.19F41-3微晶石英0.070.3011482.001.36854.04.000.080.962.100.071.701.3036.850.026.8110.004.830.802.140.130.620.21样品号脉石EuGdTbDyHoErTmYbLuY∑REELREEHREEL/H(La/Yb)NδEuδCeZr/HfNb/LaY/HoCo/NiU/ThF41-1萤石0.080.340.060.370.080.240.040.260.042.007.906.471.434.523.860.751.1640.41.0225.01.71175F41-2方解石0.100.470.080.640.130.370.060.390.062.808.736.532.202.972.390.721.0738.01.1021.51.29388F39-1方解石0.090.350.070.520.110.330.050.360.053.107.655.811.843.162.330.701.0231.71.4928.21.61457F150微晶石英0.040.150.030.150.030.080.010.070.011.203.072.540.534.795.120.701.3028.81.0840.01.17591F41-3微晶石英0.060.250.040.190.040.100.020.090.021.504.703.960.745.346.380.731.4730.01.2037.51.41628

注：脉石是指黄铁矿所在脉石矿物

4.2 包裹体显微热力学特征

对棉花坑(302)铀矿床各成矿期脉石矿物的流体包裹体进行冰点温度、均一温度等测试，数据见表3，统计结果见图6。

从包裹体测温分析来看，紫黑色萤石的包裹体冰点温度为-3.5～-0.3℃(平均值-1.3℃)；均一温度为92.3～302.1℃(平均值185.8℃)。计算得到的盐度为0.53%～5.74% NaCleqv(平均值2.24% NaCleqv)，密度为0.727～0.973g/cm3(平均值0.892g/cm3)。

浅粉红色方解石主要以Ⅱ型包裹体为主，并含少量Ⅰ型包裹体。其中Ⅱ型包裹体的冰点温度为-2.3～-0.2℃(平均值-0.8℃)；均一温度为65.4～254.7℃(平均值177.0℃)。计算得到的盐度为0.35%～3.88% NaCleqv(平均值1.36% NaCleqv)；密度为0.779～1.003g/cm3(平均值0.902g/cm3)。

微晶石英包裹体冰点温度为-3.3～-0.3℃(平均值-1.0℃)；均一温度为84.7～298.8℃(平均值140.4℃)；计算得到的盐度为0.53%～5.43% NaCleqv(平均值1.75% NaCleqv)；密度为0.747～0.993g/cm3(平均值0.937g/cm3)。

总体来看(图6)，萤石、方解石、微晶石英等三类脉石矿物包裹体测温参数的峰值分布非常紧密，同时在空间关系上紧密共生，表明它们应该是成矿期不同阶段沉淀的产物。此外，萤石、方解石、微晶石英等脉石包裹体平均的均一温度分别为185.8℃、177.0℃、140.4℃，平均盐度则为2.24% NaCleqv、1.36% NaCleqv、1.75% NaCleqv，表明该矿床为中低温热液成矿，这与前人的研究一致(张国全等, 2008; 郭国林等, 2010; 张闯等, 2016)；同时，在成矿演化过程中流体温度、盐度在逐渐降低。

4.3 包裹体群成分特征

图7 棉花坑(302)铀矿床成矿期脉石矿物内黄铁矿原始地幔标准化微量元素蛛网图(标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.7 Primitive mantle-normalized trace element spider diagrams of pyrite associated with various syn-ore gangues in the Mianhuakeng (No.302) uranium deposit (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

表6棉花坑铀矿年龄与华南区域构造运动关系

Table 6 Relationship between uranium age of Mianhuakeng (No.302) uranium deposit and tectonic movement in South China

成矿期次断陷阶段构造运动时期棉花坑矿床成矿年龄数据来源成矿晚期主成矿期陆内伸展断陷沉积盆地阶段55～45Ma75～70Ma95～85Ma～54Ma张国全等, 200860.0±0.5MaZhong et al., 2018～68Ma张龙等, 201870±11Ma黄国龙等, 2010; 沈渭洲等, 2010～92Ma张龙等, 201893±15MaBonnetti et al., 2018成矿早期岩浆断陷盆岭阶段110～100Ma～102Ma张龙等, 2018120～115Ma～120Ma张国全等, 2008; 张龙等, 2018145～135Ma//

5 黄铁矿地球化学特征

5.1 微量元素特征

从表5可以看出，成矿期各类脉石的黄铁矿中异常富集U、Pb等大离子亲石元素，其中U含量为88.60×10-6～854.0×10-6，Pb含量为498.0×10-6～1148×10-6；微量元素标准化配分曲线整体向右倾斜(图7)，除U、Pb异常富集外，其余微量元素均出现不同程度的亏损，这可能与成矿流体性质有关，U、Pb由于离子半径不同很难以类质同象方式代替黄铁矿中的Fe，更有可能以包体或晶格缺陷方式存在于黄铁矿中，受成矿流体成分的不同而发生变化(周家云等, 2008)。

不同样品的Cs、Rb、Pb、Ba、Th、U等大离子亲石元素以及Cu、Sc、Co、Cr、Ni等过渡族元素的分布特征大致相同，但Nb、Zr、Hf等高场强元素含量差异明显，在曲线上表现出明显的分异特征，可能是黄铁矿在随脉石矿物沉淀析出的过程中其成分发生了演化分异效应。

图8 棉花坑(302)铀矿床成矿期脉石矿物内黄铁矿球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns of pyrite associated with various syn-ore gangues in the Mianhuakeng (No.302) uranium deposit (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

5.2 稀土元素特征

从表5可看出，三类脉石矿物内黄铁矿的稀土元素含量较低，∑REE含量为3.07×10-6～8.73×10-6，LREE含量为2.54×10-6～6.53×10-6，HREE含量为0.53×10-6～2.20×10-6。从稀土元素标准化配分图(图8)可见，三类脉石矿物的黄铁矿均稍微富集轻稀土，稍亏损重稀土，Eu无较明显的负异常，配分曲线略呈右倾斜。δEu值为0.70～0.75，δCe值为1.02～1.47，说明该些黄铁矿的形成具有大致相同的环境。

同时，三类脉石矿物的黄铁矿稀土配分模式又有所差别，表现于各黄铁矿稀土元素含量的系统差别(图8)，如与粉红色方解石内共生的黄铁矿稀土元素含量最高，与赤红色微晶石英共生的黄铁矿稀土元素含量最低，而与紫黑色萤石共生的黄铁矿各稀土元素含量位于二者之间，表现出黄铁矿同各自脉石矿物在沉淀析出过程中的热液演化差异。

6 讨论

6.1 成矿压力及深度演化

根据流体包裹体均一温度和盐度，利用公式(邵洁涟, 1988)可计算成矿流体压力：P=P0Th/T0(式中P0=219+2620ω，T0=374+920ω，P(105Pa)为成矿压力，Th为均一温度，ω为成矿流体盐度)；同时，根据包裹体流体压力，利用适用于中低温流体成矿深度经验公式(张长青等, 2007; 薛伟等, 2010)可计算对于的成矿深度：H=P/270(km)。

经计算，棉花坑矿床成矿期紫色萤石为代表的成矿压力为20.1～61.5MPa，平均值为39.4MPa，成矿深度为0.8～2.3km，平均值为1.5km；以成矿期粉红色方解石代表的成矿压力为14.4～52.8MPa，平均值为38.0MPa，成矿深度为0.5～2.0km，平均值为1.4km；以成矿期赤红色微晶石英为代表的成矿压力为18.5～61.2MPa，平均值为30.2MPa，成矿深度为0.7～2.3km，平均值为1.1km。

可见，棉花坑矿床成矿压力平均值为37.0MPa，成矿深度平均值为1.4km。同时，以成矿期萤石、方解石、微晶石英代表的成矿压力、成矿深度总体上呈递减趋势，表现出以不同脉石标型矿物为代表的成矿流体在成矿过程中的演化分异现象。

6.2 成矿流体演化分异效应

成矿流体的温度、盐度呈降低的趋势，流体各参数的改变会发生沸腾作用，流体的沸腾作用是引起矿床成矿物质沉淀的重要机制(Coxetal., 2001; Wilkinson, 2001; Hagemann and Lüders, 2003; 陈衍景等, 2007; 倪培等, 2005, 2018; 邓明国等, 2018)，会造成部分气液分离，该过程中包裹体捕获不同密度与盐度流体成分，当矿物晶体捕获流体后，捕获的流体盐度随温度降低而保持不变(侯明兰等, 2007; 池国祥和卢焕章, 2008; 池国祥和赖健清, 2009)。从棉花坑矿床成矿期各脉体Th-ω和Th-ρ图解(图9a, b)可以看出，若成矿流体中同时包含石英、方解石、萤石等三种脉石矿物的成分，在沿裂隙向上运移过程中，流体均一温度逐渐降低，流体的总体盐度是逐渐降低的，而密度则逐渐升高，呈现出流体的演化特性，但当包裹体缺陷捕获流体后，其均一温度则不再发生变化；铀矿在沉淀过程中流体发生∑CO2沸腾去气作用(商朋强等, 2006; 张国全等, 2007)，沸腾状态下捕获的包裹体，其均一压力等于捕获压力，可代表矿物形成时的压力(Roedder and Bodnar, 1980)，因此，流体按形成温度高低依次析出萤石、方解石和微晶石英。在某种程度上，热液流体的矿物沉淀析出顺序与反映岩浆流体的“鲍文反应序列”是类似的。

同时，成矿时部分流体发生不混溶分异演化现象。某一种体系中具有两种或更多流体相互组合而共存的现象，称为流体的不混溶性(卢焕章, 2011)。一般可将流体相的不混溶性分为三类(Hollister and Crawford, 1981; 赵甫峰等, 2011)：(1)以水流体为主的沸腾；(2)从富水流体中分离出来的富CO2流体；(3)从某种硅酸盐熔体中分离出来的低密度流体。从对棉花坑矿床成矿流体包裹体测温数据来看，石英或方解石Ⅱ型包裹体中存在盐度、密度不同的流体，这说明在捕获时发生流体沸腾而呈现不混溶状态(宋玉财等, 2006; 卢焕章, 2011)。从棉花坑矿床各脉石包裹体Th-ω(图9a)来看，中低温成矿流体沸腾作用并不强烈，但随着温度的逐渐下降，流体不混溶分异还是存在一定的差异，即表现出一种为低盐度、低密度流体，另一种为较高盐度、较高密度流体，这是流体不混溶分异演化的直接证据。

图9 棉花坑(302)铀矿床成矿期脉石矿物Th-ω (a)和Th-ρ (b)演化趋势图Fig.9 Th vs. ω (a) and Th vs. ρ (b) evolutionary trends of fluid inclusions in various syn-ore gangues in the Mianhuakeng (No.302) uranium deposit

至于为什么沥青铀矿主要产于微晶石英中，可能与铀元素的地球化学性质和成矿流体因发生不混溶而析出矿物的顺序有关，由上所知，萤石、方解石、微晶石英代表的平均成矿压力分别为39.5MPa、38.0MPa、30.1MPa，成矿流体温度、压力也逐渐降低，成分也相应发生变化，存在流体演化分异效应(魏浩等, 2011; 王琳琳等, 2015)。成矿流体以含铀的碳酸盐-氟化物-硫化物-硅酸盐热液的形式存在，当流体250℃时溶解铀的能力最强，之后适度的CO2逸出有利于铀矿的沉淀，大量的CO2逸出反而会使沉淀的铀溶解(刘正义和刘红旭, 2009)。当成矿流体温度逐渐降低至300～210℃时，铀酰氟化物络合物分解，萤石逐渐沉淀形成，其晶体缺陷就能捕获该温度区间的相对高温、相对高盐度流体，以及捕获沸腾后的低温低盐度流体，由于该温度区间成矿流体具有最强的铀溶解能力，因而沉淀出的铀矿较少；当成矿流体温度降至210～180℃时，由于压力的降低，铀酰碳酸盐络合物分解，成矿流体开始发生不混溶现象逸出CO2，方解石逐渐形成，其晶体缺陷开始捕获该温度区间的流体及沸腾后的较低温流体，这一过程中由于CO2逸出较完全，沉淀的铀大部分会溶解重新进入流体(刘正义和刘红旭, 2009)；由于U属于高度不相容大离子亲石元素，前期并不随流体的分异而大量进入析出的矿物中，而是在流体分异的最晚阶段，才与矿物一同沉淀(凌洪飞, 2011)，因此，当流体温度降至180～160℃时，微晶石英与铀开始析出，其缺陷开始捕获该温度区间及低于该温度的流体。不同类型的矿物析出序列在图9中得到很好的展现，同时也很好的解释了沥青铀矿主要赋存于赤红色微晶石英脉中的原因。

同时，热液中的大量存在的S2-、Fe2+是铀沉淀极其重要的还原剂，该些强还原性离子会与铀酰络合物破裂分解出的U6+发生氧化还原反应(张国全等, 2007; 凌洪飞, 2011)，U6+被还原成沥青铀矿(UO2)，而S2-、Fe2+等则被氧化成胶状黄铁矿(FeS2)和浸染状赤铁矿(Fe2O3)，所以，黄铁矿与铀矿共生，是热液成因产物，而不是先存在于围岩中提供还原环境的。

萤石、方解石、微晶石英等脉石矿物包裹体内∑U含量呈逐渐降低的趋势(表4)，成矿热液由于温度压力的逐渐降低，流体中的铀会达到饱和而逐渐沉淀，因而成矿流体内的铀含量是逐渐降低的，而矿石的铀矿品位则是逐渐升高的。

6.3 成矿过程中微量元素的演化与约束

由于稀土元素(REE)和高场强元素(HFSE)主要存在于黄铁矿内包裹体或晶体缺陷中，受黄铁矿晶体结构影响不大，而主要受形成黄铁矿的成矿流体介质特征控制(毕献武等, 2004)，因此，棉花坑铀矿床黄铁矿的REE和HFSE特征可反应其成矿流体的某些特征。从成矿期与萤石、方解石、微晶石英等三类脉石矿物共生黄铁矿微量、稀土配分模式图(图7、图8)来看，其配分模式及形态基本相同，表明它们具有相同的物质来源或相似的形成环境，但随着流体的分异演化，与矿物同时沉淀析出的微量元素也会发生分异演化现象，表现出各种元素含量或比值的逐渐演化。

6.4 铀成矿作用过程

在华南地区印支-燕山期复式花岗岩体形成之后，自中生代以来，该区共经历了6次构造伸展运动：(1)与晚侏罗-早白垩世岩浆断陷盆岭阶段：145～135Ma、120～115Ma和110～100Ma，(2)与晚白垩世-古近纪的陆内伸展断陷沉积盆地阶段：95～85Ma、75～70Ma和55～45Ma(胡瑞忠等, 2004; 张国全等, 2007)。同时，粤北地区的辉绿岩Ar-Ar年龄主要分为～140Ma、～105Ma、～90Ma等3个阶段(李献华等, 1997)，也与区内的该6次地壳伸展运动相吻合。而区内铀矿的主成矿期为95～65Ma，以95Ma陆内伸展断陷沉积活动为华南铀成矿大爆发的标志。因此，棉花坑铀矿床巨大的成岩、成矿时差，远大于岩浆活动的余热10Myr左右的最大时限，铀矿成因几乎不可能来自岩浆热液分异；而棉花坑(302)铀矿床的一系列成矿年龄看似杂乱无章，其实是与华南的6次地壳伸展运动一一对应(胡瑞忠等, 2004)，非常符合华南断陷伸展活动年龄制约(表6)。

事实上，断陷红盆边缘控盆深大断裂、产铀花岗岩的分布明显控制了铀矿田的空间定位(林锦荣等, 2016)。因此，从华南铀成矿动力学背景出发，可对棉花坑(302)铀矿床及华南地区的其它花岗岩型铀矿床的成矿作用过程做如下厘定：

7 结论

(1)流体包裹体热力学研究表明，棉花坑铀矿床为中低温低盐度热液成矿。均一温度、盐度、成矿压力及成矿深度的变化显示，铀成矿过程存在热液的演化分异和不混溶现象，铀矿沉淀伴随先析出萤石、其次方解石、最后微晶石英的脉石矿物生成顺序，受铀元素的高度不相容性和成矿流体性质的制约，铀在最晚阶段才大量与微晶石英一同沉淀。

(3)成矿期黄铁矿微量元素研究表明，成矿热液的演化分异过程伴随着微量元素的演化现象，Y/Ho平均比值显示成矿物质的逐渐析出改变成矿流体性质，使得Zr/Hf、Nb/La、Co/Ni等稀土、高场强元素平均比值逐渐变小，而U/Th平均比值逐渐增高，同时还原性的成矿环境也会发生轻微波动，对成矿演化过程有较好的指示与约束作用。

致谢本文的包裹体测试得到了路远发老师的指导和帮助；两位匿名审稿专家对本文提出了宝贵的修改意见；在此一并表示衷心的感谢！