龙首山铀成矿带芨岭矿床铀矿物特征及成矿年代学研究

王生云， 范洪海， 顾大钊， 钟 军， 陈金勇， 宋继叶， 朱泉龙，王 刚， 王 伟， 邵 东， 荣 骁， 宋振涛

(1. 核工业北京地质研究院，北京 100029；2. 中国核工业集团公司，北京 100045；3. 核工业二〇三研究所，陕西 咸阳 712000；4. 核工业航测遥感中心， 河北 石家庄 050002)

龙首山铀成矿带是祁连—秦岭铀成矿省的组成部分(黄净白等，2005；张金带等，2012)，是我国西北一条重要的铀成矿带(陈云杰等，2020)。目前，该成矿带内已发现4种不同类型的5个铀矿床(王刚等，2018)，40多个矿(化)点和2 000多个放射性异常点带，是一条以钠交代型和伟晶状白(花)岗岩型铀矿化为特色的铀成矿带(安国堡等，2016)。芨岭铀矿床位于龙首山成矿带中段，是我国北方钠交代型铀矿床的典型代表之一(杜乐天, 1996)。芨岭铀矿床自1960年代发现以来，其地质特征及成因一直是研究的热点(杜乐天, 1996, 2001, 2009; 王青山，2008；赵如意等, 2013, 2015，2018，2020; 陈云杰等, 2014; Zhong et al., 2020)，取得了大量的成果，为芨岭矿床成矿规律的总结与矿床成因研究奠定了坚实的基础。但迄今为止，该矿床相对缺乏成矿年代学的公开报道。本次通过岩矿鉴定、电子探针分析和LA-ICP-MS铀矿物U-Pb测年，对芨岭铀矿床铀矿物特征及成矿年代学进行研究，以期为该区铀成矿作用过程提供年龄数据的支持，同时为区域成矿对比、成矿规律总结和远景预测提供科学依据。

1 区域地质背景

龙首山成矿带在大地构造上位于阿拉善地块西南缘(图1a)，为祁连山地块与阿拉善地块碰撞造山形成的隆起带(汤中立，2002)，属于祁连—秦岭成矿省，龙首—祁连成矿带的龙首山成矿亚带(黄净白等，2005；张金带等，2012)，全长约180 km，宽约10～20 km(图1b)。龙首山地区出露的地层有古元古界龙首山岩群(修群业等，2004；宫江华等，2013)、中元古界墩子沟群(许安东等，2003)、新元古界韩母山群(谢从瑞等，2013)及少量古生界砂岩、含砾砂岩(胡能高，2003)。区内岩浆构造活动强烈，形成了以北西西向为主、近东西向和近南北向为辅的多期多组断裂构造。侵入体的分布明显受到北西西向构造控制，形成北西西向的构造岩浆带。区内岩浆岩主要发育有古元古代石英闪长岩-斜长花岗岩、白岗岩(辛存林等，2013)，新元古代镁铁-超镁铁岩(李献华等，2004)，加里东期中粗粒花岗岩(赵亚云等，2016)、似斑状花岗岩(张甲民等，2017)、闪长岩(赵如意，2016)、碱性岩、钠长岩脉(赵如意等，2015)及少量基性岩脉(高宇等，2017)；龙首山长期的复杂演化过程，形成了我国内陆一条重要的铀多金属(Th、Cu、Ni、PGE、Pb、Zn、Au、Ag、Fe等)成矿带。

2 矿床地质特征

芨岭钠交代型铀矿床位于甘肃省龙首山成矿带中段，定位于马蹄形芨岭复式岩体南带的中段(图1b)。矿区内出露的地层主要为古元古界龙首山群麒麟沟岩组，主要岩性为条带状大理岩、黑云斜长片麻岩、黑云斜长石英片岩、斜长角闪片岩等；中元古界墩子沟群和新元古界韩母山群出露于矿区外围。矿区内灰色-深灰色闪长岩(540 Ma, 赵如意, 2016)、中粗粒似斑状花岗岩(458.3 Ma, 张甲民等, 2017)、灰白色中粗粒石英二长岩(447 Ma，赵如意, 2016)、钠长岩脉(442.9 Ma, 赵如意等, 2015)和基性岩脉(485 Ma，高宇等，2017)发育(图2)。芨岭矿床所有矿体均赋存于钠交代岩(主要为钠交代似斑状花岗岩、钠交代闪长岩和钠长岩脉)之中，矿体呈透镜状、似透镜状、扁豆状和不规则状，整体产状向北西侧伏，侧伏角30°。芨岭铀矿床的矿石品位为0.03%～0.1%，资源量为500～1 500 t(Dahlkamp, 2009)。矿区内赤铁矿化、钠长石化、碳酸盐化、绿泥石化、高岭土化等蚀变发育(陈云杰等，2015；魏正宇等，2014；刘正义等，2018)。芨岭矿床具有“钠长石化-绿泥石化-赤铁矿化-碳酸盐化”四位一体的典型蚀变矿物组合(魏正宇等，2014；赵如意等，2018，2020)。钠交代岩由于经历了强烈的赤铁矿化而呈紫红色-暗紫红色(图3a)，岩石常具有碎裂结构、碎裂斑状、破碎角砾状和微粒胶结结构等(图3b)，矿石的构造比较简单，大致可分为浸染状、微细脉状和网脉状。

3 样品特征及分析方法

3.1 样品特征

铀矿石样品采自芨岭矿洞口出露矿体LS-70(约5 kg)和钻孔LS-65(约0.5 kg)，放射性强度采用地面伽玛能谱仪及岩心编录仪确定。铀矿石样品均呈紫红色(图3a，c)，具碎裂结构(图3b)，主要由钠长石和方解石组成，含少量绿泥石、铀矿物、黄铁矿、磁铁矿、赤铁矿、方铅矿等(图3d至l)。

3.2 分析方法

将铀矿石样品磨制成光薄片用于光学显微镜、扫描电镜等显微观察以及电子探针矿物成分分析。光薄片镀碳后放入电子探针仪器样品池中进行定量分析。铀矿物电子探针化学成分分析在核工业北京地质研究院分析测试中心完成，仪器为JXA8100，加速电压20 kV，束流1×10-8A，出射角40°，分析方式为波谱分析，修正方式为ZAF，详细分析流程及数据处理方法见葛祥坤(2013)。晶质铀矿U-Th-Pb表观年龄依据郭国林等(2012)计算。

矿石样品LS-70中铀矿物分选及制靶工作由三叶虫岩矿技术服务有限公司完成。铀矿物LA-ICP-MS原位微区U-Pb同位素及稀土元素分析在武汉上谱分析科技有限责任公司利用LA-ICP-MS同时分析完成。详细的实验流程、数据处理和校正策略见Zong等(2015)。激光束斑直径和频率分别为16 μm和2 Hz。U-Pb同位素定年采用铀矿标准物质GBW04420作外标进行同位素分馏校正。分析数据的离线处理采用软件ICP MS Data-Cal(Liu et al.,2008，2010)完成。U-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig，2003)完成。

4 铀存在形式

通过显微镜观察和电子探针分析发现，芨岭矿床矿石中铀以铀矿物、吸附铀及含铀副矿物形式存在，以独立的铀矿物为主。

4.1 铀矿物

(1)沥青铀矿。为芨岭矿床主要的铀矿物，沿矿物裂隙以网脉状、不规则脉状或细脉浸染状产出，经常与黄铁矿、磁铁矿、赤铁矿、方铅矿、绿泥石、方解石等矿物密切共伴生(图3 d, e, f, g)。

(2)晶质铀矿。数量很少，常被造岩矿物如长石、黑云母等包裹，呈较好的自形晶体(图3i)，粒度细小，少量可达50 μm×70 μm，晶质铀矿与长石接触部位易形成放射晕圈。可见少量晶质铀矿蚀变为沥青铀矿和氧化型沥青铀矿。

(3)铀石。含量较少，有两种不同的形态。一种具有较好的晶体形态，呈细粒状，粒度可达10 μm×10 μm；另外一种呈条带状，脉宽和脉长分别最大可达20 μm和200 μm(图3 j)，与绿泥石、赤铁矿、方解石等矿物共伴生。

(4)氧化型沥青铀矿。又称铀黑，主要为沥青铀矿(少量为晶质铀矿)经改造的产物，呈脉状形式产出(图3l)。与沥青铀矿、黄铁矿、绿泥石、碳酸盐、赤铁矿等伴生。

(5)次生铀矿物。见于地表矿(化)体的表面或裂隙中，数量很少(图3c)，应为铀矿物原地氧化形成，可能主要为硅钾铀矿、硅钙铀矿、钙铀云母等。

4.2 吸附铀

通过野外观察发现，当矿石大量出现绿泥石和赤铁矿混合脉体时，铀矿化较好，但镜下观察发现铀矿物含量并不高。从而说明铀可能主要以吸附态存在于粉末状赤铁矿和胶状绿泥石中(图3R)。

4.3 含铀副矿物

另外，有少量类质同像形式的铀存在于钍石(图3h)、锆石、独居石和磷灰石等副矿物中。主要为U4+与Th4+之间的等价类质同像置换以及置换矿物中的Ca2+及REE4+，并不构成矿化过程铀含量增量，不具工业意义。

5 铀矿物成份

芨岭矿床铀(含铀)矿物化学成分电子探针分析结果见表1。不同铀矿物化学成份特征如下：

晶质铀矿：主要由UO2、ThO2和PbO组成，含量分别为81.05%～83.53%(平均值为82.29%)、7.12%～8.38%、4.97%～5.30%。其中，钍、铅含量明显高于其他铀矿物，钍含量相对较高，可能与铀、钍之间的等价类质同像置换有关，铅可能主要为放射性成因铅。另外，晶质铀矿中含有少量的Y、Ce和Nd。

沥青铀矿：主要由UO2、CaO和FeO组成，其含量分别为83.91%～88.60%、3.65%～4.29%、0.10%～3.15%。在不同类型铀矿物中UO2含量最高(平均值为86.29%)，PbO含量相对较低(0.00%～0.89%)，含有少量的Si、Mg、Na、K、Ti等。

氧化型沥青铀矿(铀黑)：为铀矿物(主要为沥青铀矿)的派生产物。其化学成份变化较大，主要由UO2、SiO2、MgO、FeO组成，含有少量的Ca、Al、Na、K、Th等。氧化型沥青铀矿化学成份总量明显低于其他铀矿物，表明其含有较多的H2O。

铀石：主要由UO2和SiO2组成，其含量分别为54.23%～67.90%和16.67%～24.76%。含有少量的Ca、Al、Y、P等。

钍石：为一种含铀钍矿物，主要成份为ThO2和SiO2。矿物中ThO2、SiO2和UO2含量分别为59.68%～62.25%、15.48%～16.62%和1.39%～4.38%。此外，含有少量的Y、Fe、Mg、Ca、P、Al等。

6 成矿年代学特征

6.1 LA-ICP-MS铀矿物U-Pb同位素年龄及稀土元素特征

本次选择地表(芨岭矿洞)铀矿石样品进行了铀矿物的分选，开展了LA-ICP-MS铀矿物U-Pb微区测年及微量元素分析工作，分析测试对象为晶质铀矿和沥青铀矿，分析测试数据见表2和表3。

铀矿石样品(LS-70)共进行了30个测试点的铀矿物U-Pb同位素及稀土元素原位分析，其中有效测试点为22个(U-Pb同位素年龄谐和度≥90%)。铀矿物获得的年龄主要分为三个区间(图4 a，b)，晶质铀矿4个测试点的206Pb/238U年龄数据主要为430～458 Ma，相对较为集中(图4c)，而且具有较高的谐和度(93%～97%)，说明该年龄数据具有较高的可靠性，其加权平均年龄为(443±15) Ma。沥青铀矿的206Pb/238U年龄分为两个区间断，谐和度均大于90%的沥青铀矿加权平均年龄分别为(99±3.6) Ma和(50±5.4) Ma(图4 d，e)。

芨岭矿床中晶质铀矿及沥青铀矿稀土元素组成见图5和表3。晶质铀矿和沥青铀矿稀土元素组成差别大，各自具有近乎一致的变化规律。晶质铀矿稀土元素总量相对较高(ΣREE为27 797×10-6～30 410×10-6，平均值为29 121×10-6)，轻稀土元素相对亏损(LREE为12 655×10-6～13 816×10-6，平均值为13 305×10-6)，重稀土元素相对富集(HREE为15 137×10-6～16 585×10-6，平均值为15 816×10-6)，轻重稀土元素分馏不太明显(LREE/HREE为0.81～0.88)，具有十分明显的铕异常(δEu为0.14～0.17)。沥青铀矿稀土元素总量相对较低(ΣREE为17 450×10-6～27 465×10-6，平均值为23 214×10-6)，轻稀土元素相对富集(LREE为13 513×10-6～25 985×10-6，平均值为20 074×10-6)，重稀土元素相对亏损(HREE为1 315×10-6～4 988×10-6，平均值为3 140×10-6)，轻重稀土元素分馏明显(LREE/HREE为3.43～19.76)，铕异常不太明显。将芨岭矿床晶质铀矿与沥青铀矿球粒陨石标准化稀土元素配分模式与世界其他类型铀矿床铀矿物球粒陨石标准化稀土元素配分模式相对比(图5)，发现晶质铀矿具有与侵入岩型铀矿床相同的稀土元素配分模式；沥青铀矿具有与热液脉型铀矿床相似的稀土元素配分模式，但其稀土总量相对较高。

6.2 EPMA晶质铀矿U-Th-Pb化学年龄

由于芨岭矿床矿石中晶质铀矿很少，本次仅对晶质铀矿进行了4个点的电子探针成份测定，分析结果见上文描述。从分析结果中可以看出，晶质铀矿中SiO2、FeO和CaO含量较低，且CaO含量与(PbO+UO2)含量之间不存在明显的相关性，说明后期构造热事件对该晶质铀矿的改造作用不明显，未发生铅丢失。从而，依据郭国林等(2012)的方法计算了晶质铀矿分析点的U-Th-Pb化学年龄，得到表观年龄为432～447 Ma(表1)。结合前人经验设定表观年龄误差为10 Ma(Bowles, 1990)，运用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig, 2003)软件获得晶质铀矿加权平均年龄为(441±9.8) Ma(图4f)。

6.3 芨岭矿床铀成矿时代讨论

芨岭铀矿床和新水井铀矿床为龙首山成矿带内典型钠交代型铀矿床。目前，龙首山成矿带内的钠交代型铀矿床尚无关于成矿年代学方面的公开报道。核工业系统内部资料显示，该成矿带内钠交代型铀矿的成矿具有多期次的特点，主要有3期，分别为430～444 Ma、381～410 Ma和99～124 Ma，均为TIMS铀矿物U-Pb年龄(赵如意，2016)。其中，新水井铀矿床成矿时代为：440～444 Ma、99～112 Ma和122～124 Ma；芨岭铀矿床成矿时代为381～430 Ma(赵如意，2016)。

通过LA-ICP-MS铀矿物U-Pb同位素测年方法获得芨岭矿床晶质铀矿形成时代为(443±15) Ma；运用EPMA晶质铀矿U-Th-Pb化学法获得其形成时代为(441±9.8) Ma。这两种方法获得的晶质铀矿形成时代在误差范围内基本一致，从而说明获得的年龄具有较高的可信度。芨岭矿床中晶质铀矿含量很低，晶形好，且常被造岩矿物包裹；同时，结合其稀土元素组成特征，晶质铀矿具有与侵入岩型铀矿床相同的稀土元素配分模式，暗示晶质铀矿可能为芨岭矿床赋矿围岩(中粗粒似斑状花岗岩)中的副矿物，是岩浆结晶分异的产物。此外，最新的LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究表明，芨岭岩体中的花岗岩类形成时代为435～442 Ma(Wang et al., 2019)。因此，晶质铀矿的形成时代(441 Ma)可能代表了中粗粒似斑状花岗岩的形成时代。

通过LA-ICP-MS铀矿物U-Pb同位素测年获得沥青铀矿的形成时代为(99±3.6) Ma和(50±5.4) Ma。尽管沥青铀矿为两期热液活动的产物，但沥青铀矿稀土元素特征显示，其具有相似的稀土元素组成及变化规律，未显现出明显的差异性或具有继承性。从而说明芨岭矿床可能存在两期热液铀成矿作用。同时，本次研究获得的(99±3.6) Ma的年龄与新水井钠交代型铀矿床的一期成矿时代(99～112 Ma)基本一致。因此，龙首山成矿带中段在早白垩世晚期可能存在一期规模较大的热液铀成矿事件。

7 结论

(1)芨岭矿床铀的赋存形式以独立铀矿物为主，少量以吸附铀及含铀副矿物形式存在。铀矿物有沥青铀矿、铀石、氧化型沥青铀矿、晶质铀矿及次生铀矿物。其中沥青铀矿为主要铀矿物。

(2)沥青铀矿主要由UO2、CaO和FeO组成，在不同类型铀矿物中UO2含量最高；晶质铀矿主要由UO2、ThO2和PbO组成，其化学成份总量及钍、铅含量明显高于其他铀矿物；氧化型沥青铀矿为铀矿物的派生产物，其化学成份变化较大，且化学成份总量明显低于其他铀矿物，表明其含有较多的H2O；铀石主要由UO2和SiO2组成；钍石为含铀矿物，主要成份为ThO2和SiO2。

(3)晶质铀矿和沥青铀矿稀土元素组成差别大，各自具有近乎一致的变化规律。晶质铀矿稀土元素总量较高，轻稀土元素相对亏损，重稀土元素相对富集，铕异常明显；沥青铀矿稀土元素总量较低，轻稀土元素相对富集，重稀土元素相对亏损，轻重稀土元素分馏明显；晶质铀矿具有与侵入岩型铀矿床相同的稀土元素配分模式，沥青铀矿具有与热液脉型铀矿床相似的稀土元素配分模式。

(4)晶质铀矿EPMA U-Th-Pb年龄为(441±9.8) Ma；LA-ICP-MS铀矿物U-Pb测年方法获得晶质铀矿年龄为(443±15) Ma，沥青铀矿年龄为(99±3.6) Ma和(50±5.4) Ma；晶质铀矿的年龄可能代表了赋矿围岩(中粗粒似斑状花岗岩)的形成时代，沥青铀矿年龄可能代表了芨岭矿床的两期热液铀成矿作用时代。