北秦岭柳树湾花岗伟晶岩型铀矿床中黑云母矿物化学特征及其地质意义

2019-12-02曲凯尹青青刘行司马献章温国栋张盼盼闫国强张超

铀矿地质 2019年6期

曲凯，尹青青，2，刘行，司马献章，温国栋，张盼盼，闫国强，张超

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；2.中钢集团天津地质研究院有限公司，天津 300181；3.河南省核工业地质局，河南郑州，450044）

花岗伟晶岩型矿床作为一种特殊的热液矿床类型，不仅在矿床学占有不可忽略的地位，而且在示踪大陆地壳和造山带演化的过程中具有同样重要的意义［1］。铀钍等放射性矿产、稀土矿产和稀有金属矿产是花岗伟晶岩矿床最主要的三种矿产类型，根据成矿元素可分为NYF（Nb，Y，F）族和LCT（Li，Cs，Ta）族［2-5］。我国花岗伟晶岩型矿床主要分布于新疆阿尔泰、福建南平、四川甲基卡和北秦岭造山带等地区，以含稀有金属的LCT 花岗伟晶岩矿床为主。在北秦岭东段的灰池子岩体外围分布着数个NYF 花岗伟晶岩型铀矿床［6］，包括陕西省境内的光石沟、小花岔、陈家庄以及河南省新发现的柳树湾等花岗伟晶岩型铀矿床。前人在年代学和地球化学等方面做了较多的关于花岗伟晶岩成因及其与花岗岩关系的研究，取得了很多重要认识［7-21］。

云母是花岗岩类岩石中最主要的造岩矿物，晶体化学式为IM2-3□1-0T4O10A2，其中I位常为K、Na、Ba 等；M位常为Fe、Mg、Li、Al 等；□代表空位；T 位常为Si、Al 等；A 位常为F、OH等［22］。根据国际矿物学协会新矿物命名与矿物分类委员会（IMA-CNMNC）对云母族矿物的分类说明，“黑云母”不再作为一个独立的矿物种，仅作为富铁镁暗色云母约定俗成的统称。花岗伟晶岩型铀矿床中，黑云母常见于与铀矿化相关的围岩地层、花岗岩体及花岗伟晶岩脉中，且常与晶质铀矿等矿石矿物紧密共生，在成矿过程中对放射性元素的还原和吸附起着重要的作用［23-24］。研究表明，与成矿关系密切的地质单元中黑云母的矿物化学特征，可为矿床研究提供岩浆起源与演化、成岩体系物理条件以及成矿元素富集机制等方面的成因信息［25-32］。

笔者以北秦岭柳树湾花岗伟晶岩型铀矿中与成矿相关的地层、花岗岩和花岗伟晶岩中的黑云母作为研究对象，通过矿物化学成分特征研究，反演了成岩-成矿体系的物理条件变化，重点探讨了岩浆的演化规律、源区特征以及构造环境，结合区域地质背景，进一步揭示了柳树湾花岗伟晶岩型铀矿的矿床成因。

1 地质背景

柳树湾花岗伟晶岩型铀矿床位于河南省三门峡市卢氏县狮子坪乡东南部的柳树湾地区，是河南省第一处具有中-大型规模找矿远景的新发现铀矿产地。大地构造位置上地处北秦岭造山带中东段，栾川和商丹两大区域断裂的夹持部位［33-34］。自北到南出露有宽坪群、二郎坪群、秦岭群和峡河群，其中秦岭群和峡河群是本区花岗伟晶岩脉的主要围岩。区内古生代岩浆活动频繁，漂池岩体和灰池子岩体是区内规模较大的侵入岩体，分别形成于500～470 Ma和450～420 Ma［15，17-18，33-37］。大量花岗伟晶岩脉分布于两个岩体与地层的外接触带中，自内向外依次分别为含矿黑云母花岗伟晶岩脉、不含矿二云母花岗伟晶岩脉和含稀有金属锂云母花岗伟晶岩脉［7-8，20］。

自2014 年以来，天津地质调查中心与河南省核工业地质局在灰池子岩体外围（河南段）地表新发现12 km 长的花岗伟晶岩型铀矿矿化富集带，圈定了3 个重点找矿靶区，其中北部柳树湾地区已控制矿体厚度0.70～2.47 m，矿体品位0.03%～0.14%。铀矿体主要赋存在灰池子岩体外接触带300 m 内的黑云母花岗岩伟晶岩脉中，与成矿关系密切的侵入岩为灰池子岩体晚期的肉红色二长花岗岩。矿体围岩为岩体东侧的峡河岩群寨根岩组黑云斜长片岩（图1），含矿脉体呈脉状、透镜状顺层产出，整体走向为NW-SE，倾向35°～70°，倾角55°～85°［21］。

图1 柳树湾花岗伟晶岩铀矿床地质简图Fig.1 Simplified geological map of Liushuwan granitic pegmatite uranium deposit

2 样品采集与分析

将与成矿关系密切的黑云斜长片岩、二长花岗岩、含矿黑云母花岗伟晶岩、不含矿二云母花岗伟晶岩作为研究对象，采样位置如图1 所示。所有样品均采自钻孔岩心，制成探针片镀碳圈点，化学成分分析在核工业北京地质研究院分析测试中心电子探针实验室完成，利用JEOL JXA-8100 电子探针显微分析仪进行矿物化学成分定量分析。

测试条件：电压20 kV，电流10 nA，束斑直径5 μm，元素特征峰测量时间10 s。定量分析所用标样主要为美国SPI 的矿物标样：黑云母（Si、Al、Fe、Mg、K、Ti）、角闪石（Na、Ca、Mn），氟磷灰石（F），方钠石（Cl）。放射性元素为合成标样：UO2（U）和ThO2（Th），测试数据均进行了标样校正处理［38］。

黑云斜长片岩样品采自钻孔ZK1601 新鲜岩心，岩石呈灰黑色，鳞片状变晶结构，片状构造，片状矿物强烈定向排列，粒状矿物呈透镜体定向排列，主要矿物包括钠长石、石英、黑云母和少量白云母、碱性长石、角闪石等，副矿物主要为磷灰石、锆石和钛铁矿（图2a）。

二长花岗岩样品采自钻孔ZK3701 新鲜岩心，岩石呈肉红色，岩石由斜长石、钾长石、石英、黑云母和少量白云母组成（图2b）。粒径以0.15～2 mm 细粒居多，2～5 mm 中粒次之。斜长石有的仍保留半自形板状，具黏土化、绢云母化、碳酸盐化，与钾长石接触边部见交代净边、交代蠕英结构。钾长石为微斜长石，呈它形-半自形板状，具黏土化。石英呈它形、齿形粒状，具定向拉长，粒内波状消光和亚颗粒发育，受韧性变形作用影响，岩内出现少量石英糜粒，含量小于5%。部分黑云母被绿泥石、白云母交代，具集结定向排列。白云母呈无色片状，见其交代斜长石和黑云母。

花岗伟晶岩样品分别取自ZK1601、ZK0501 和ZK2301。不含矿伟晶岩主要为二云母花岗伟晶岩，岩石呈灰白色，岩石结构相对均一，矿物颗粒粗大，主要由钠长石、石英、黑云母、白云母及少量微斜长石组成，副矿物为锆石、磷灰石。黑云母呈自形片状均匀分布于岩石中（图2c）。含矿伟晶岩主要为黑云母花岗伟晶岩，岩石整体呈肉红色，伟晶结构，块状构造，主要矿物为微斜长石、钠长石、石英、黑云母及少量次生白云母、绿泥石等。常含黄铁矿、晶质铀矿、方钍石、独居石、磷灰石、金红石、锆石等副矿物。石英呈烟灰色油脂光泽，黑云母分布均匀，脉体边部团块状黑云母产出部位铀矿最为富集，晶质铀矿常以自形晶被黑云母包裹（图2d）或以粒间铀形式呈细脉状分布于黑云母的解理面和晶体边界（2e、f），晶质铀矿边部常见黄铁矿化、绿泥石化和白云母化蚀变。

3 黑云母成分特征

柳树湾矿床黑云斜长片岩、二长花岗岩、含矿花岗伟晶岩、不含矿花岗伟晶岩中黑云母的电子探针分析结果见表1。

采用林文蔚等［39］提出的调整方法对Fe2＋和Fe3＋进行估算，为方便计算黑云母相关参数与投图，以22 个氧原子为基准计算黑云母阳离子数，根据F-＋OH-＝4，估算H2O-含量，以T 位阳离子数Si＋AlⅣ＝8 计算AlⅣ阳离子数以及Fe3＋在T 位和M 位的占位分配。在黑云母Mg-（AlⅥ＋Fe3＋＋Ti）-（Fe2＋＋Mn）三角分类图解中地层和岩体主要落在镁质黑云母范围，花岗伟晶岩落在铁质黑云母范围（图3a），从地层到不含矿伟晶岩中黑云母的含镁系数Mg#＝Mg/（Mg＋Fe2＋）均值分别为0.59，0.50，0.47 和0.30，随着FeO 含量升高而逐渐降低（图3b）。以11 个氧原子为基准计算阳离子数，得出黑云母的经验化学式并按照国际矿物学协会新矿物命名与矿物分类委员会（IMA-CNMNC）关于云母族矿物命名建议［22］进行分类（表2）。

4 讨论

云母是花岗伟晶岩及其围岩中的主要造岩矿物，在成岩不同阶段所呈现出的特征差异，尤其是其化学成分及其反应的物理条件变化，通常可以用来探讨成岩-成矿的指示意义［28］。

图2 柳树湾花岗伟晶岩型铀矿黑云母及其相关矿物背散射图像Fig.2 BSE images of biotite and its related minerals from Liushuwan granitic pegmatite type uranium deposit

图3 黑云母分类图解（据Froster，1960［40］）（a）和黑云母MgO-FeO 元素对比图（b）Fig.3 Triangular classification diagram（a）and MgO-FeO comparison diagram（b）for biotite

表2 柳树湾铀矿黑云母经验化学式及其分类Table 2 Empirical chemical formula and classification of biotite from Liushuwan uranium deposit

黑云母中Ti 的含量主要受温度控制，由热液蚀变再平衡作用以及蚀变矿物生成作用形成的黑云母，其Ti 的含量会明显低于原生岩浆成因的黑云母［32，41-42］。柳树湾铀矿中含矿与不含矿花岗伟晶岩的黑云母在Ti-Fe-Mg 成因三角图解中均落在原生岩浆成因的范围，二长花岗岩和地层中的黑云母紧邻岩浆成因下方，远离蚀变黑云母范围（图4）。黑云母Fe2＋/（Fe2＋＋Mg2＋）比值的均一性可以判断黑云母是否遭受后期热液流体改造［29-30］。本次研究的地层、岩体、伟晶岩中的黑云母Fe2＋/（Fe2＋＋Mg2＋）比值范围变化不大（表1），且具有很好的线性演化关系（图5）。因此，其化学成分特征可以提供岩浆体系及演化方面的重要信息。

图4 10 TiO2-FeO＋MnO-MgO 黑云母成因三角图解（据Nachit 等，2005［43］）Fig.4 TiO2-FeO＋MnO-MgO genetic diagram for biotite

4.1 成岩物理化学条件

温度和氧逸度是反映岩浆演化过程中物理化学条件的重要参数。Wones 和Eugster［25］通过研究表明：黑云母的Fe3＋、Fe2＋和Mg 值可以来估算矿物结晶时氧逸度。通过Fe3＋-Fe2＋-Mg 三角图解可以看出，柳树湾花岗伟晶岩型铀矿床中地层、岩体和伟晶岩的黑云母数据均非常完美的呈线性分布落在Ni-NiO 氧缓冲剂线上（图6），部分不含矿伟晶岩中的黑云母位于NNO 缓冲线之下，靠近QFM 缓冲线，说明其黑云母结晶时具有更低的氧逸度，这可能与岩浆上侵过程中同化或重熔了更多的地层围岩物质有关［19，44］。

图5 黑云母FeOT（MgO）-Fe2＋/（Fe2＋＋Mg2＋）成分对比图Fig.5 Comparison chart of FeOT（MgO）-Fe2＋/（Fe2＋＋Mg2＋）of biotite

图6 黑云母Fe2＋-Mg2＋-Fe3＋图解（据David 等，1965［25］）Fig.6 Fe2＋-Mg2＋-Fe3＋diagram for biotite

图7 黑云母Fe/（Fe＋Mg）-T 图解（据David 等，1965 ［25］）Fig.7 Fe/（Fe＋Mg）-T diagram for biotite

根据不同氧逸度下黑云母-碱性长石-磁铁矿矿物共生组合中黑云母的Fe/（Fe＋Mg）值与温度之间的关系图可以获得其结晶时岩浆体系的温度［25］，如图7所示地层、岩体、含矿伟晶岩和不含矿伟晶岩中黑云母的Fe/（Fe＋Mg）值分别为0.38～0.42，均值0.41；0.47～0.57，均值0.51；0.50～0.56，均值0.54；0.69～0.70，均值0.70，对应温度分别为862～843 ℃；826～808 ℃；820～796 ℃；745～741℃，表明黑云母结晶时候的岩浆体系温度逐渐降低。

图8 黑云母Log f O2-T 图解（据David 等，1965［25］）Fig.8 Log f O2-T diagram for biotite

根据温度区间，投影到Log f O2-T 图解（图8），得出本区黑云母结晶时的岩浆氧逸度，其中地层、岩体、含矿伟晶岩和不含矿伟晶岩中黑云母的氧逸度Log f O2分别为-13.0～-12.6；-13.8～-13.3；-14.1～-13.5；-15.2～-15.1。同时Albuquerque［45］研究表明，黑云母的高Ti 含量和低AlⅥ占位度往往与岩浆形成于相对高温和高氧逸度的环境呈正相关，结合图7 说明从二长花岗岩体→含矿伟晶岩→不含矿伟晶岩形成的介质环境发生了温度和氧逸度逐渐降低的物理条件变化。

4.2 物质来源与岩浆演化

图9 黑云母（Fe2O3＋FeO）/（Fe2O3＋FeO＋MgO）-MgO图解（据周作侠，1986［46］）Fig.9 （Fe2O3＋FeO）/（Fe2O3＋FeO＋MgO）-MgO diagram for biotite

研究表明，黑云母的化学成分特征可以一定程度上反应岩浆的源区性质和成因类型［31］，利用黑云母ΣFeO/（ΣFeO＋MgO）-MgO图解［46］对物质来源进行判别，结果表明除了不含矿花岗伟晶岩落入壳源范围，其他岩性大多落在壳幔混源范围（图9）。其中黑云斜长片岩中的黑云母显示更多的幔源物质参与，可能与变质杂岩原岩成分有关。二长花岗岩体与含矿伟晶岩则显示出壳幔混源成因特点，这也与其二者锆石Hf 同位素（εHf（t）＝-4.7～14.2，两组数据落在0.8～0.9 Ga 和1.3 Ga 地壳演化线）均显示出的有少量幔源物质参与的新生基性下地壳部分熔融并混染部分陆壳物质的特征一致。区域上，年龄为0.8～0.9 Ga的富铁镁质的变基性岩则对应于灰池子岩体北部的官坡和南部的松树沟榴辉岩原岩年龄［47-48］，而年龄为1.3 Ga 可能对应围岩的变质杂岩（黑云斜长片岩）原岩年龄，这与灰池子岩体中存留有部分片麻岩类的陆壳残留体的野外地质现象相符合。前人研究［25，49］认为幔源岩石中的黑云母主要为金云母，壳源岩石中黑云母主要为铁云母，而壳幔混源的黑云母成分介于二者之间。不同成因花岗岩的云母成分标型特征显示，浅源成因黑云母的Mg#＜0.45，而深源成因黑云母的Mg#＞0.45［50］。柳树湾矿床中黑云斜长片岩和不含矿花岗伟晶岩中的黑云母分别为羟金云母和羟铁云母（表2），Mg#均值分别为0.59 和0.30，二长花岗岩和含矿伟晶岩分别为富铁羟金云母和富镁羟铁云母的过渡相，Mg#均值分别为0.50 和0.47，二者显示出很好的亲缘性（图3b，图5）。

前人对灰池子岩体及其外围的伟晶岩进行了详细的分类描述［7-8，14，20］，以灰池子岩体为中心，伟晶岩自内而外分别为黑云母花岗岩伟晶岩、二云母花岗伟晶岩、白（锂）云母花岗伟晶岩。同时也针对不同地质体进行了大量的同位素测年工作，灰池子岩体侵位年龄为444～420 Ma［17-18，37］，黑云母花岗伟晶岩年龄为425～392 Ma［9-10，15，17-18］、二云母花岗伟晶岩年龄为381～375 Ma、白（锂）云母花岗伟晶岩脉年龄为410～367 Ma［51］，空间和时间上的耦合关系，暗示灰池子与不同类型伟晶岩脉必然存在某种成因联系。Ayer［52］研究发现岩浆演化过程中黑云母晶出序列早晚，随着硅氧阴离子团聚合程度的增加，Mg、Fe、K 的极化能力依次降低，Mg 总是先于Fe 从岩浆中析出，越晚结晶出的黑云母越富铁。同时，随着岩浆体系氧逸度条件由高到低变化，结晶出的黑云母也从相对富镁转为相对富铁方向演化，这也与柳树湾矿床中不同岩性中黑云母成分分析体现出的线性变化特征一致（图3b，图5，图8），从成因矿物学角度进一步印证了灰池子二长花岗岩—黑云母含矿花岗伟晶岩—二云母不含矿花岗伟晶岩之间关系可能以同源岩浆分异演化为主，在晚期夹杂少量陆壳围岩物质混染。据此分析，本区二长花岗岩和含矿黑云母花岗伟晶岩的源岩可能主要来自于松树沟镁铁质岩的部分熔融，并在侵位过程中混染了部分黑云斜长片岩陆壳物质，而晚期低温低氧逸度不含矿二云母花岗伟晶岩可能由灰池子岩体深部岩浆房高度演化的期后残浆沿张性裂隙重熔部分陆壳围岩物质形成。

4.3 构造环境及其成矿机理

前人通过对产自不同构造环境下的岩浆岩中黑云母的成分进行研究，划分出黑云母构造环境判别图解［41］，柳树湾矿床的二长花岗岩、含矿黑云母花岗伟晶岩主体落在与造山带有关的钙碱性岩套范围，不含矿二云母伟晶岩落在了后造山过铝质岩套范围，不同岩性之间呈现从造山I 型花岗岩到后造山S 型花岗岩的过渡演化关系（图10）。

图10 黑云母MgO-FeOT-Al2O3构造环境判别图解（据Abdel-Rahman，1994［41］）Fig.10 MgO-FeOT-Al2O3diagrams for tectonic setting of biotite

大量古生代花岗岩同位素年龄和高压-超高压岩石的多期变质年龄记录了北秦岭造山带在古生代经历了从板块深俯冲（505～470 Ma）、聚合碰撞（450～420 Ma）到板片断离/折返（420～400 Ma）三次大规模的构造-岩浆事件［34，37，53-54］。柳树湾铀矿中的灰池子二长花岗岩、含矿花岗伟晶岩和不含矿花岗伟晶岩的锆石U-Pb 年龄为432～427 Ma、420～395 Ma和381～375 Ma，分别对应北秦岭从第二期汇聚碰撞、第三期板片断离/折返以及对比中央造山系西部的柴北缘古生代造山期，北秦岭造山带之前一直缺少的第四期拆沉/调整（385～370 Ma）的岩浆记录［55-56］，与柳树湾矿床不同地质体中黑云母成因构造判别结果一致，与成矿关系密切的二长花岗岩形成于汇聚造山的挤压环境，含矿黑云母花岗伟晶岩形成于由挤压到伸展的构造体制转换阶段，而不含矿伟晶岩形成于晚期与拆沉有关的减薄伸展环境。

综上所述，笔者推测柳树湾矿床的形成过程如下：灰池子岩体二长花岗岩形成于晚古生代北秦岭地体汇聚碰撞构造背景下的新生基性下地壳的部分熔融，形成了相对高温和高氧逸度的初始岩浆，并在上侵过程中混染了少量中元古代壳源物质；随着温度和氧逸度的降低，深部岩浆房中的花岗质残余熔体中的铀富集程度相应增高［57］，在随后板片断离/折返背景下诱导的地壳抬升减压，造成残余岩浆的快速上涌，侵入花岗岩体与围岩地层接触带的张性裂隙，含铀流体遇到地层还原障（伟晶岩中的晶质铀矿常与黑云母、绿泥石和黄铁矿紧密共生，说明流体此时已处于相对还原的环境），加之地层本身富含的黑云母具有很强的铀吸附能力和还原作用（含矿伟晶岩与地层接触的混杂部位黑云母常呈团块状富集，也是矿床铀矿化最好的部位），在岩浆流体快速冷却降温、低氧逸度含矿流体遇到地球化学还原障以及大量黑云母吸附三重作用影响下，含矿流体的载铀能力大幅下降，成矿元素不断卸载，最终形成了柳树湾花岗伟晶岩型铀矿床。