华北陆块北缘哈毕力格地区铀矿化特征及矿化类型探讨

2020-08-07黄志新李子颖任全焦永玲

铀矿地质 2020年4期

黄志新，李子颖，任全，焦永玲

（1. 核工业北京地质研究院，北京 100029； 2. 核工业二〇八大队，内蒙古包头 014010）

华北陆块北缘是滨太平洋成矿域华北陆块铀成矿省的重要组成部分，铀矿床主要分布在辽东至沽源地区的东段和鄂尔多斯地区的西段，相较而言，中段四子王旗-正镶白旗一带工作程度较低，至今未有铀矿床突破［1-3］。哈毕力格位于华北陆块北缘中段乌兰察布市察右后旗乌兰哈达地区，自20 世纪80 年代在该地区发现铀矿化以来，地质研究人员将其归类为沉积变质岩型铀矿床［4-5］，陆续开展了一些勘探工作，取得了一定的找矿效果。然而基础研究与理论工作几乎为空白，矿化特征不清晰，成矿类型不明确，致使找矿思路和找矿方向受到制约。本文对哈毕力格地区铀矿化地质背景和矿化特征开展了系统研究，初步探讨了该地区的铀成矿类型，试图为铀矿勘查和资源突破提供新的理论基础。

1 区域地质背景

1.1 大地构造位置

哈毕力格铀矿化区大地构造位置位于华北陆块北缘阴山隆起带，集宁-赤城深大断裂北部和陆缘深大断裂南部的四子王旗-正镶白旗古生代花岗岩带中。研究区东北侧为北西向乌兰哈达-高勿素隐伏大断裂，与西部的乌兰哈达-猴儿山背斜一起组成主要的区域性构造体系。火山构造单元属于大同-大兴安岭新生代火山活动带南段，区域上发育有乌兰哈达新近系火山群（图1）。

1.2 围岩与地层

哈毕力格地区出露的地层主要为新太古界乌拉山群（Ar3w），该群由3 个岩段组成（图1c），其中第2 岩段是主要的铀矿化层位。

第1 岩段（Ar3w1）出露于哈毕力格中南部，岩性以变粒岩为主（图2a、 b），其次为混合岩夹少量的斜长角闪片岩，偶见黑云母片岩、白云母片岩。变粒岩以钾长变粒岩为主体，还存在少量偏基性的辉石钾长变粒岩。原岩为一套偏中基性的火山碎屑岩和长石砂岩（第1 岩段），石英砂岩和碳酸盐（第2 岩段）沉积地层，为古陆边缘水下环境的产物。综合考虑地层叠覆关系，认为本区早期以基性或中基性火山碎屑沉积为主，晚期沉积了陆缘碎屑和碳酸盐物质［6-8］。镜下观察表明钾长变粒岩为不等粒粒状变晶结构，矿物粒度为0.2～1 mm，较石英岩小，钾长石多为低温微斜长石，格子双晶发育，含量在40%～70%，石英含量为30%，斜长石含量为15%，副矿物为白云母、辉石，金属矿物等，发育绿泥石化、方解石化。

第2 岩段（Ar3w2）分布于研究区中部，岩性为石英岩（图2c、 d、 e、f）和大理岩。镜下观察表明，石英岩呈不等粒粒状变晶结构，粒度为1～3 mm，石英含量达95%；钾长石及其他次要矿物为半自形至他形结构，粒度较小，一般为0.2～0.5 mm，钾长石含量通常为5%左右，呈细小麻点状包裹在粗大的石英颗粒中。岩石中还含有少量其他矿物如白云母、黑云母，以及不透明金属矿物（黄铁矿、黄铜矿、磁铁矿等），发育定向片理构造。石英岩与第1 岩段的钾长变粒岩之间存在互层现象，钾长变粒岩中可见定向排列的拉长的片状石英条带斑晶，而石英岩中亦含有钾长变粒岩条带的现象。

图1 华北陆块北缘哈毕力格地区地质图Fig. 1 Geological maps of Habilig area in the northern margin of North China Block

图2 哈毕力格地区新太古界乌拉山群（Ar3w）第1 岩段变粒岩和第2 岩段石英岩岩石学矿相学特征Fig. 2 Petrological and mineralogical characteristics of granulite in the first lithological part and quartzite in the second lithological part of Wulashan Group （Ar3w） in Habilig area

第3 岩段（Ar3w3）分布于研究区西北部，岩性为条带状混合岩、眼球状混合岩，局部夹石榴角闪二云母片岩、白云角闪片岩、角闪二云母片岩，二云母绿泥绿帘片麻岩等，为绿片岩相-角闪岩相的中低级变质岩相产物。与区域变质过程一致，乌拉山群普遍遭受过强烈的以钾交代为主的区域混合岩化作用，较晚一期红色花岗岩伟晶质混合岩化最为发育，为典型的注入作用产物，并形成了大量条带状、条痕状和眼球状的斜长角闪岩和斜长角闪片麻岩。该期钾质混合岩化作用主要发生在2 500～1 800 Ma［9］，是区域上主要的铀源层形成过程。

铀矿化主要发育于石英岩中，非矿化石英岩呈白色透明状（图2c），矿化石英岩呈灰色-灰黑色-暗黑色透明状（图2d）。石英岩层最厚达30 m，整体呈东西走向，岩层内夹层（片岩、变粒岩、大理岩）较多，局部产状变化大，厚度不稳定，呈薄层或透镜体产出，具交错层理特征。发育铀矿化的石英岩，石英含量普遍大于95%。石英岩中铀含量与石英颗粒大小有一定的正相关性，且矿化的方向与石英岩片理方向垂直，反映了一种初步富集与后期流体叠加成矿的可能性。除石英岩外，部分钾长变粒岩也发育铀矿化。

1.3 岩浆作用

哈毕力格地区基性-酸性岩浆岩均有大面积出露。新生代火山活动频繁，产生了大量的玄武岩、橄榄玄武岩（N1h）。中生代及之前以中酸性岩浆作用为主，主要包括新太古代片麻状石英闪长岩、泥盆纪花岗闪长岩、三叠纪花岗岩以及侏罗纪花岗岩等，其中在空间上与哈毕力格铀矿化最为密切的为古生代泥盆纪花岗闪长岩。

古生代泥盆纪花岗闪长岩主要出露在地表矿化点南部及东南部，为中粗粒二长结构，块状构造。主要矿物组成为角闪石（20%）、钾长石（35%）、斜长石（35%）、石英（8%），副矿物为黄铁矿、磁铁矿，含量小于2%。前人将其归属为二叠纪康保系列花岗岩，本文对其中的热液锆石开展了U-Pb 年代学研究（数据另文发表），该岩体侵入年龄为（374±4）Ma，为古生代泥盆纪产物。主量元素地球化学特征表明w（K2O）/w（Na2O）＝0.83～0.85， A/CNK＝1.19～1.32 ，为典型的陆源沉积物熔融形成的S 型花岗岩，具有过饱和特征， A/NK-A/CNK判别表明为过铝质花岗岩， R1-R2 成因环境判别为晚造山期花岗岩。这与典型的热液型铀矿床相关的花岗岩特征相一致。

2 铀矿化特征

哈毕力格地区铀矿化主要发育在乌拉山群第2 岩段的灰黑色石英岩中，乌拉山群第1岩段变粒岩的外接触带。铀矿体（矿化体）呈近东西向分布，铀矿化不连续，多以透镜体形式产出，在石英岩厚度较大的部位或石英岩层内褶皱转折端，一般铀矿化程度较好。石英岩是主要的赋矿岩石，钾长变粒岩次之，与石英岩层接触的片麻岩或混合岩等有时也会出现矿化现象。

2.1 控矿因素

哈毕力格矿化区主要控矿因素包括构造与地层体系。该区域的主要构造形式为褶皱和断层，即乌兰哈达-猴儿山背斜和区内断裂，两者共同控制了矿体（矿化体）的展布和发育规模（图1a、 c）。近东西向层间断裂F1，为该区域的主要容矿断裂，控制着矿体的走向。北北东向F2 为左行挤压断裂，该断裂的形成或者再活化，使F1 断裂，尤其是两者交汇部位产生足够的张性空间，为赋矿流体的卸载成矿提供了必要条件。哈毕力格地区铀矿化具有一定的 “层控” 性，虽然变粒岩也有局部矿化现象，但主要发育在石英岩层中。深部氡气异常分布也基本与地表石英岩展布形态一致，沿石英岩层向东至乌兰哈达地区，向西至猴儿山地区，均可以见到铀矿化，反映地层对铀矿化具有一定的制约。这种控矿可能与原岩富铀程度和构造变形过程中岩石的机械物理性质差异有关。

矿化区南部大面积出露晚古生代中酸性岩体，在一定程度上可以为铀矿化提供充足的成矿热源、物源和流体，与F1 相交的F2断层可以提供必要的流体通道。成矿年代学数据也表明，其结晶年龄与铀矿化具有相近的年龄，表明与铀矿化具有密切的成因联系。笔者认为，是成矿的主要控制因素之一。

2.2 蚀变特征

除了新太古代-古元古代大规模的区域变质作用外，哈毕力格地区蚀变类型较多，近矿围岩主要有白云母化、电气石化、硅化、绿帘石化、绿泥石化和方解石化，矿石以黄铁矿化和黄铜矿化为主，可见少量磁铁矿化（图3）。

图3 哈毕力格地区代表性围岩蚀变特征Fig. 3 Characteristics of representative alteration of host rocks in Habilig area

白云母化（图3a）和电气石化（图3b）在哈毕力格西段尤其发育，产出于乌拉山群第2岩段矿化石英岩和第1 岩段变粒岩接触带。在热液作用下，黑云母向白云母转化过程中，析出的铁、镁元素与硼元素结合形成电气石。与广泛发育的黑云母而言，白云母的出现，属于一种高温热液交代蚀变。

黄铁矿化（图3c）和黄铜矿化（图3d）强烈，两种矿物常呈伴生关系，是本区的主要金属矿物类型，其中黄铁矿是重要的载铀矿物。黄铁矿和黄铜矿常沿构造裂隙呈面状或细脉侵染状发育，晶型以他形粒状为主，可见穿插白云母细脉现象（图3e），为典型的晚期热液作用产物。

磁铁矿晶型较好（图3f），呈半自形-自形产出，应为沉积岩中原生黄铁矿遭受后期氧化形成的产物。绿帘石化、绿泥石化（图3g）、方解石化（图3h）为次要蚀变，肉眼不可见，仅在镜下见到，方解石为脉状充填为主。

2.3 铀矿物特征

图4 哈毕力格地区铀矿物电子探针图像Fig. 4 Electron probe images of uranium mineral in Habilige area

铀矿物以晶质铀矿为主，粒径大小为1～10 μm，自形程度较好（图4）。按照矿物的存在环境不同，主要分为两种： 1）以矿物包裹体形式发育于石英和钾长石矿物颗粒中，少量发育在辉石颗粒中； 2）发育于黄铁矿-菱铁矿脉或黄铁矿晶体边缘及裂隙中。相比较而言，前者晶型更为自形，后者发育更普遍，且晶质铀矿晶体粒度明显大于前者，普遍在5～10 μm，最大可达20 μm。

非单一类型的铀矿物发育特征表明，该地区可能经历过两期次铀矿化作用，矿物包裹体中的铀矿物为早期变质作用产物，而发育于黄铁矿脉或其它矿物裂隙中的铀矿物为晚期热液作用产物。在矿体附近的围岩（白云角闪片岩）中也发育黄铁矿-菱铁矿脉，但并未发现有铀矿物的存在，表明铀源可能与石英岩和变粒岩原岩有关。

2.4 铀含量特征

对石英岩、变粒岩、片岩（片麻岩）、大理岩和花岗闪长岩样品开展了U、 Th 等微量元素含量分析，分析结果见表1。石英岩是主要的矿化岩石， U 含量介于（288～7 509）×10-6之间， U/Th 值为4.15～1 997.07；变粒岩U含量为（7.44～437）×10-6，部分样品具有铀矿化， U/Th 值为0.30～78.68；片岩（片麻岩）U含量为（0.293～2 890）×10-6，含量变化较大，可能与原岩成分、矿物组成和变质作用有关，U/Th 值一般小于1。大理岩和花岗闪长岩的U含量分别为（0.011～0.560）×10-6和（0.224～0.929）×10-6， U/Th 值分别为0.05～1.60 和0.03～0.27，远小于正常的大理岩和花岗闪长岩铀含量（表2），反映来自于低铀含量的原岩（或物源）或者成岩过程中经历了铀的迁出过程。结合本区铀矿化特征，这种极低的铀含量更倾向于被流体浸出迁移。铀元素的地球化学轨迹表明，其在流体和熔体结晶相中的分配系数远小于1，为不相容元素，在岩浆结晶分异过程中，优先进入流体相，从而使岩体的铀含量降低。当然，岩体过低的铀含量除了与岩浆结晶分异有关，与岩浆期后热液流体的萃取浸出是否关联，尚需要开展进一步研究。

将各微量元素进行Pearson 相关性分析，结果表明， U 与Pb、 Bi 的相关性系数最高，分别达到0.92 和0.84（表3）。铀矿床中多数Pb 为U 的放射性子体，故具最优先的聚类效果。 Bi 元素属于钨钼族元素，往往与岩浆热液作用有关，在岩浆分异作用过程中，趋向于富集在残余溶液中，这一特征也反映了U元素的富集与岩浆热液作用有密切关联。仅次于Pb 与Bi 元素的为W、 Re、 Mo 及稀土元素，这些元素均为典型的岩浆热液型元素。

表1 哈毕力格地区主要岩性岩石U、 Th 含量Table 1 U and Th content of main rocks in Habilig area

表2 不同岩性岩石U 丰度值和哈毕力格地区U 含量对比表Table 2 Comparison of U abundance value in nature and U content in Habilig area

表3 哈毕力格地区U 与其它微量元素Pearson 相关性分析结果Table 3 Pearson correlation analysis of U and other trace elements in Habilig area

3 矿化类型探讨

因铀矿化发育于以石英岩为主的变质岩中，矿化类型长期以来被倾向于沉积变质岩型铀矿化。然而，通过本文研究认为，哈毕力格地区铀矿化应为多期次成矿作用产物，主成矿期与岩浆热液有关。

1）从赋矿地层来看，虽然以石英岩为主体，即使空间相邻，也并非所有石英岩均发育铀矿化。相反，在钾长变粒岩和片麻岩中，局部也可以见到铀矿化现象。可见铀矿化对围岩并未出现唯一选择性。此外，铀矿化严格受区域性褶皱和层间断裂控制，尤其在近东西向F1 断层和北北东向F2 断层两组断裂的交汇部位，铀矿化规模往往更大，这与沉积变质型铀矿化特征不符合。与此同时，石英岩的厚度也与铀矿化有一定的关系，表明变粒岩和石英岩原岩也应是铀的主要来源之一，这一点表现在同样为近东西向的平行断裂F3 控制的大理岩区域没有发现铀矿化。

2）在发育铀矿化的层间破碎带附近的围岩中，白云母、电气石等高温热液蚀变矿物大量出现。黄铁矿、黄铜矿呈细脉状产出在矿化岩石裂隙中，或交代自形的长石晶体，是典型的热液作用表现。

3）铀矿物主要以晶质铀矿为主要存在形式，除了部分以矿物包裹体的形式发育于石英和钾长石或辉石颗粒中，更常见的是发育于黄铁矿-菱铁矿脉或黄铁矿晶体边缘及裂隙中，表明存在至少两个阶段的铀成矿作用。在古元古代区域变质阶段，铀元素在富铀石英岩和变粒岩中初步富集，同时形成了少量以包裹体形式存在的铀矿物。古生代泥盆纪岩浆热液阶段，铀再次富集，形成了沉淀于裂隙或晶体边缘的铀矿脉。郑自先在研究中国变质岩型铀矿床时认为，变质岩地区铀矿床在热变质作用阶段形成的为晶质铀矿，且通常伴生细脉状黄铁矿［10］。这一点与哈毕力格地区铀矿化特征非常一致。矿相学上，铀矿化的方向与石英岩片理方向垂直，也反映了一种后期流体成矿的可能性。

4）微量元素分析表明，矿石铀钍比值高，且U 与Bi、 W、 Re、 Mo 等典型的岩浆热液型元素密切相关。区内花岗闪长岩的铀含量远低于正常花岗闪长岩的丰度值，铀元素具明显迁出特征，也表明了哈毕力格地区铀矿化与岩浆热液有关。

综上，哈毕力格地区的铀矿化应为多期次矿化作用的结果，石英岩与变粒岩的富铀原岩和花岗闪长岩浆均提供了铀源。在区域变质阶段，铀初步富集并形成了少量包裹于石英等矿物内部的铀矿物；在岩浆热液阶段，含铀岩浆热液萃取变质地层中的铀，形成富铀流体，在有利的张性构造部位富集成矿。