河南省卢氏县灰池子岩体外围富铀伟晶岩特征研究

2020-08-07陈化凯张盼盼张同林温国栋莫鸿飞曲凯

铀矿地质 2020年4期

陈化凯，张盼盼，张同林，温国栋，莫鸿飞，曲凯

（1. 河南省核工业地质局，河南郑州 450044； 2. 中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170）

花岗伟晶岩是一种以具有粗大的矿物晶体为特点的特殊岩浆岩［1］。灰池子岩体外围是花岗伟晶岩脉大量发育的密集区之一，这些伟晶岩对铀、铌、钽、锂、铍、铷等金属矿产和石英、钾长石、工业云母等非金属矿产具有重要的控制作用［1-7］。中陕核工业集团通过在灰池子岩体西部丹凤地区开展整装勘查已发现了众多伟晶岩型铀矿点和陈家庄、光石沟、小花岔伟晶岩型铀矿床，从而使其成为西北最重要的伟晶岩型铀矿找矿远景区［8］。河南省核工业地质局和中国地质调查局天津地质调查中心通过近几年的地质勘查，在河南省灰池子岩体东部外围柳树湾、红庙湾及骑马河等地区也发现了铀矿（化）体［7］，并估算铀远景资源量达到中型铀矿产地规模，使得该区成为河南省重要的伟晶岩型铀矿集区和找矿靶区。此外，河南省地矿局通过勘查在研究区的北部发现锂、铷、铌钽等稀有金属矿产。通过近几年的野外勘查工作，笔者对灰池子岩体及其外围不同类型伟晶岩地质特征和放射性物探特征（特别是富铀伟晶岩，本文定义为铀含量≥100×10-6的伟晶岩）进行了总结分析研究，在与邻区光石沟铀矿床对比分析研究基础上提出了该区的富铀伟晶岩找矿标志，对指导该区铀矿地质勘查具有一定的指导意义。

1 区域地质背景

研究区位于河南省卢氏县灰池子岩体东部外围的柳树湾-红庙湾-骑马河一带，其大地构造位置处于北秦岭造山带东段，商丹断裂和栾川断裂夹持部位（图1）［9］。研究区内主要出露的地层为中元古界峡河群黑云斜长片（麻）岩、二云石英片岩和石英岩，局部夹斜长角闪岩、条带状大理岩，伟晶岩脉十分发育［10］。

研究区内地层褶曲发育，岩浆活动频繁，加里东期Ⅰ型花岗岩（如灰池子岩体）广泛分布于研究区内外两侧，其形成时间约为（437±5.8）Ma［11-12］。岩性主要为浅肉红色、灰白色中细粒片麻状黑云母花岗岩、（含斑）黑云母花岗闪长岩和（含斑）黑云母二长花岗岩；以中-中细粒花岗结构为主，局部为粗粒-伟晶结构（图2a、 b）、碎裂鳞片变晶结构和交代结构，局部含有钾长石、石英及斜长石斑晶而呈现似斑状结构（图2c、 d）；片麻状或块状构造；石英细脉在整个灰池子岩体内部相对较发育（图2a）。灰池子岩体花岗岩地面γ 总量一般在（26～38）×10-6之间，局部地段可达110×10-6，甚至更高。陕西省核工业地质局二二四大队对灰池子岩体19 个样品铀、钍分析结果统计显示，其平均铀含量为2.75×10-6，平均钍含量为15.22×10-6， Th/U 值为4.10［13］。在其形成或演化过程中，活化了围岩（变质岩）中的铀元素，使晚期结晶分异形成的伟晶岩富集了铀［4-6］。

图1 研究区区域地质简图（据卢欣祥等， 2010［1］修改）Fig. 1 Regional geological map of the study area

图2 灰池子岩体不同类型的花岗岩Fig. 2 Different types of granite in Huichizi pluton

前人研究表明，早古生代东秦岭地区的板块构造活动导致了大量伟晶岩脉的形成，其形成时代约为（426±11）Ma［14］，且伟晶岩与灰池子岩体花岗岩具有同源性［1］。这些伟晶岩围绕灰池子岩体分布于外围中元古界峡河岩群变质岩中。研究区伟晶岩长一般几十至几百米，个别断续出露长度达到4.6 km，宽1～15 m，产状与灰池子岩体外接触带保持一致，走向多呈北西-南东向或近东西向，在灰池子岩体北侧的倾向北东，在南侧的倾向南南西-南西。伟晶岩脉倾角中等至较陡，一般43°～88°，多在60°左右，以顺片（麻）理产出为主，偶见切片（麻）理产出。沿走向及倾向可见膨胀收缩、分支复合、尖灭再现等特征。伟晶岩脉呈脉状、透镜状、不规则脉状、不规则状等（表1），多沿构造和地层薄弱面侵入，如贴近灰池子岩体、断裂带、层间裂隙或片理面等侵入，除少部分切割构造和片理外，大多数伟晶岩脉沿区域构造线平行延伸，与围岩侵入接触关系清晰，且在接触带附近局部发育有的钾长石化、黄铁矿化、黑云母化等热液蚀变作用。

2 不同类型伟晶岩地质及放射性特征

卢欣祥等和李靖辉根据黑云母和白云母的含量等将该区的伟晶岩分为黑云母伟晶岩、白云母伟晶岩和二云母伟晶岩（图3）［1，15］。黑云母伟晶岩一般位于灰池子岩体外接触带300 m 以内，是该区最主要的含（富）铀岩脉，富含黑云母；二云母伟晶岩一般位于灰池子岩体300～500 m 之间，是Li、 Th、 Nb 等的重要成矿岩脉；白云母伟晶岩一般位于灰池子岩体外接触带500 m 以外，距离灰池子岩体较远，是Li、 Be、 Rb、 Nb、 Ta 等稀有金属重要的成矿岩脉［1-2］，河南省整装勘查发现锂铍矿就位于该种类型伟晶岩中。从黑云母伟晶岩至白云母伟晶岩，具有从黑云母-微斜长石伟晶岩到锂云母-钠长石伟晶岩的连续演化系列，矿物的分带明显；岩石的结构构造从中细粒-粗粒块状结构到伟晶文象结构； Fe、Mg、 Ca 含量减少，而Al、 Na 含量等增加。黑云母伟晶岩的U、 Th、稀土丰度值相对较高，部分富集成铀矿；白云母伟晶岩中Nb、Ta、 Li、 Be、 Rb 等稀有元素丰度值相对较高，局部伟晶岩脉中见有颗粒较大的富含Li、 Be的绿柱石；二云母伟晶岩介于两者之间［12］。

表1 卢氏县灰池子岩体外围部分地段伟晶岩分布特征一览表Table 1 Distribution characteristics of pegmatites in on part of the periphery of Huichizi pluton in Lushi county

图3 灰池子岩体外围不同类型伟晶岩分带示意图（据卢欣祥等， 2010［1］）Fig. 3 Schematic zonation diagram of different types pegmatite around Huichizi pluton

2.1 黑云母伟晶岩

黑云母伟晶岩呈灰白色或肉红、浅肉红色，花岗伟晶结构、粗粒结构，文象结构不发育，块状构造（图4a）；主要矿物为钾长石、微斜长石、斜长石、石英、黑云母（图4b），副矿物主要有独居石、锆石、磷灰石等，金属矿物少量，主要有黄铁矿、黄铜矿、辉钼矿、方铅矿、磁铁矿、磁黄铁矿、晶质铀矿等。钾长石含量一般在35%～45%，局部最高可达65%，斜长石约占20%，长石粒径一般为2～10 cm，局部大的可达15 cm，小的为0.2～1 cm，颗粒较大的长石主要位于伟晶岩脉内部，而颗粒较小的矿物主要位于伟晶岩脉的两层外接触带部位；石英约占25%左右，主要呈现两种颜色，一种为无色透明状，另一种呈烟灰色、油脂光泽，局部在伟晶岩脉中见有宽约5～50 cm 的石英脉；黑云母呈板状、团块状或条带状分布在其它矿物颗粒之间，约占3%～8%，局部最高可达16%。

经过总结工作区大量地面γ 总量测量数据及分析数据发现：一般的黑云母伟晶岩地面γ 总量在（35～50）×10-6之间，高于围岩地层片（麻）岩γ 总量，铀分析品位一般小于100×10-6；富铀黑云母伟晶岩地面γ 总量一般在80×10-6以上，最高可达2 200×10-6（表2），其铀分析品位一般大于100×10-6，最高可达1 697×10-6；伽马能谱测量显示Th/U＜1。

对该区富铀黑云母伟晶岩野外及镜下观察发现：该区富铀伟晶岩一般呈肉红色，黑云母含量较多，石英呈烟灰色油脂光泽，钾长石含量较高，黄铁矿相对较多，矿物颗粒比较粗大，地面γ 总量较高，结构复杂及与围岩具有一定程度的同化混染现象等特征（图4a、 c）。富铀黑云母伟晶岩中的铀矿物主要是晶质铀矿，呈灰色，立方体自形晶或他形，均质性，粒径约多为0.01～0.31 mm（图4d、 e）；部分晶质铀矿边部常见黄铁矿化、绿泥石化和白云母化蚀变［16］。

2.2 白云母伟晶岩

白云母伟晶岩呈灰白色（图4f），很少见有肉红色，以文象结构为主，局部见有花岗伟晶结构，块状构造；主要矿物为斜长石、白云母、锂白云母、石英等，副矿物主要有锆石、石榴子石、磷灰石等，气成矿物比较常见，如绿柱石（图4f）、电气石、锂辉石等。长石呈灰白色粒状，粒径一般2～15 cm，局部可见20 cm，主要为斜长石，约占80%左右；石英无色透明，玻璃光泽，呈颗粒状或脉状夹于长石颗粒之间，形成文象结构，约占10%左右；白云母呈灰白色、珍珠光泽，大板状、厚板状夹于其它矿物颗粒之间或沿裂隙呈条带状分布，白云母含量一般在10%～15%之间，局部地段最高可达30%。白云母伟晶岩地面γ 总量为（25～35）×10-6，局部最高可达50×10-6（表2），铀分析品位一般小于100×10-6，其富铀性差。

图4 不同类型伟晶岩及晶质铀矿Fig. 4 Different types of pegmatites and crystalline uraninite

2.3 二云母伟晶岩

二云母伟晶岩呈灰白色（图4g），少见有肉红色，花岗伟晶结构、文象结构，块状构造；主要矿物为白云母、黑云母、斜长石、石英（图4h），副矿物主要有锆石、石榴子石等。长石主要以斜长石为主，局部见有少量的钾长石，长石粒径一般为2～15 cm，局部在伟晶岩脉中间部位见有18～20 cm 的长石矿物，约占65%左右；石英无色透明，玻璃光泽，局部见有烟灰色油脂光泽，主要围绕长石颗粒发育，其含量一般在白云母伟晶岩和黑云母伟晶岩之间；白云母呈灰白色片状、板状，珍珠光泽，黑云母呈灰黑色板状、片状，玻璃光泽，白云母及黑云母含量一般在10%～15%之间，总体呈现靠近黑云母伟晶岩一侧的黑云母含量大于白云母含量，靠近白云母伟晶岩一侧的白云母含量大于黑云母含量。二云母伟晶岩地面γ 总量一般在（25～40）×10-6之间，局部最高可达270×10-6（表2），铀分析品位一般小于100×10-6，个别样品铀分析品位可达150×10-6，局部出现铀弱富集现象，但都不能形成铀矿体。

3 富铀黑云母伟晶岩地球化学特征

为了解研究区富铀黑云母伟晶岩的地球化学特征，选取了研究区经钻孔和探槽揭露的5 个不同的典型富铀黑云母伟晶岩样品进行了主微量元素分析。因伟晶岩颗粒粗大，不同结构等成分变化较大，为使样品具有较好的代表性，取样长度一般在0.7～1 m，刻槽样品规格为10 cm×5 cm；钻孔岩心样品采用1/2 劈样法。所取样品均为新鲜样品。主微量元素分析在河南省核工业放射性核素检测中心完成。主量元素分析运用的仪器型号为PW4400 的帕纳科X 荧光仪，采用的方法为硅酸盐岩石化学分析方法第28 部分16 个主次成分量测定（GB/T 14506.28—2010）。氧化亚铁采用硅酸盐岩石化学分析方法第14 部分氧化亚铁量测定（GB/T 14506.14—2010）进行测定，氧化铁为由全铁剔除氧化亚铁换算得出。微量元素分析采用的仪器为美国PerkinElmer 公司制造的型号为NexION 350X的ICP-MS，采用的方法为硅酸盐岩石化学分析方法第30 部分44 个元素量测定（GB/T 14506.30—2010）。

3.1 主量元素

研究区富铀伟晶岩的SiO2含量在66%以上，最高可达81.59%（表3），平均含量为74.04%，说明其具有富硅特点。光石沟含矿伟晶岩SiO2平均含量为71.74%，虽比研究区富铀伟晶岩的SiO2含量略低，但均说明研究区富铀伟晶岩和光石沟含矿伟晶岩具有富硅的特点。 CaO 含量在0.36%～2.63%之间，平均值为1.15%，其含量较低且变化较大。 Na2O＋K2O 含量为5.27%～9.06%，平均值为7.29%；K2O/Na2O 值为0.14～2.81，平均值为0.99，除两个样品小于1 外，其余3 样品K2O/Na2O 值均大于1，说明富铀伟晶岩一般具有富钾的特点，这与研究区大部分富铀伟晶岩宏观呈现肉红色且钾长石含量高对应。光石沟含矿伟晶岩CaO 含量平均值为1.08%，略低于研究区；但Na2O＋K2O 平均值为8.23%， K2O/Na2O平均值为1.60，高于研究区，具有富钾特点；虽然研究区富铀伟晶岩的富钾程度低于光石沟含矿伟晶岩，但两个地区的富铀伟晶岩一般都具有富钾特点。里特曼指数δ 在0.83～3.47 之间变化，一般都大于1，平均值为1.71，光石沟含矿伟晶岩δ 平均值为2.36，说明研究区富铀伟晶岩和光石沟含矿伟晶岩都属于钙碱性组合。 A/CNK 值最低为1.34，最高为1.70，平均值为1.49；光石沟含矿伟晶岩A/CNK 平均值为1.49，说明研究区富铀伟晶岩和光石沟含矿伟晶岩均具有铝过饱和的特点。对研究区富铀伟晶岩进行硅-碱投图有4 个样品落在亚碱性区域（图5a）；硅-钾投图有3 个样品落在高钾钙碱性区域， 1 个样品落在钙碱性区， 1 个样品落在低钾区（图5b），造成投图分散的原因可能与伟晶岩矿物晶体过大的特殊结构构造有关。

表2 不同类型伟晶岩特征一览表Table 2 Characteristics of different types of pegmatites

图5 灰池子岩体外围富铀伟晶岩硅-碱和硅-钾图解（底图据Le Bas 等， 1986［17］）Fig. 5 TAS and K2O-SiO2 diagram of uranium-rich pegmatite on the periphery of Huichizi pluton

研究区富铀伟晶岩固结指数SI 最低为1.90，最高为12.72，平均值为5.96，虽差异较大，但总体较低，说明富铀伟晶岩的分异度较高，且一般高品位富铀伟晶岩其固结指数相对较低，指示其分异度相对较好；反之，低品位富铀伟晶岩（ZH2302-H04）其分异度相对较差。光石沟含矿伟晶岩固结指数SI 平均值为7.50，略高于研究区，但总体亦较低，说明研究区富铀伟晶岩和光石沟含矿伟晶岩均具有高分异度的特点。 Fe2O3/FeO 一般都小于0.80，最低为0.02，平均值为0.40，这可能与该区富铀伟晶岩形成时的氧逸度有关，就此问题曲凯等（2019）对该区含矿伟晶岩黑云母进行了研究，结果表明含矿伟晶岩的黑云母是在相对低氧逸度环境形成的［16］，这与研究区相邻的光石沟含矿伟晶岩Fe2O3/FeO 平均值0.68（略高于研究区但也小于1）的低氧逸度环境相同［5］。 Fe2O3、 FeO 和MgO 总平均含量为2.34%低于光石沟含矿伟晶岩的3.23%，说明相比于光石沟含矿伟晶岩，研究区富铀黑云母伟晶岩的黑云母含量略低。

3.2 微量元素

从研究区富铀伟晶岩的微量元素、稀土元素分析结果（表4，图6a）可以看出富铀伟晶岩的稀土总量在（50.21～122.51）×10-6，平均含量为76.36×10-6，其中LREE 为（23.72～79.92）×10-6，平均值为44.58×10-6， HREE为（20.90～44.29）×10-6，平均值为31.77×10-6。LREE/HREE 值为0.61～2.81，平均为1.51。 5个富铀伟晶岩中有3 个高品位富铀伟晶岩的LaN/YbN值小于1， 1 个高品位富铀伟晶岩的LaN/YbN值等于1，稀土配分曲线整体呈略左倾或水平（即倾斜不明显）， LREE/HREE 值为0.61～1.88，说明研究区富铀伟晶岩的轻重稀土分异程度相对较低；而低品位富铀伟晶岩（ZK2302-H04）LaN/YbN值大于1，稀土配分曲线呈略右倾平滑曲线， LREE/HREE 值相对较高为2.81，轻重稀土分异程度稍高，说明低分异程度有利于铀的富集。对比光石沟含矿伟晶岩微量及稀土元素含量可以看出光石沟含矿伟晶岩稀土总量283.23×10-6，其中LREE 为254.00×10-6， HREE 为29.23×10-6，LREE/HREE 值为8.69， LaN/YbN值为14.40，稀土配分曲线呈右倾平滑曲线，与研究区富铀伟晶岩相比，光石沟含矿伟晶岩具有高的稀土总量，明显富轻稀土，且轻重稀土分异程度较高（表4，图6b）。

表4 灰池子岩体外围富铀伟晶岩微量元素和稀土元素含量/10-6 及特征值分析结果Table 4 Analytical results of REE and trace elements of uranium-rich pegmatite on the periphery of the Huichizi pluton

图6 灰池子岩体外围富铀伟晶岩稀土元素球粒陨石标准化图解（球粒陨石数据自Boynton， 1984［18］）Fig. 6 Chondrite-normalized REE patterns of uranium-rich pegmatite in the periphery of Huichizi pluton

研究区富铀伟晶岩的δEu 为0.29～0.63，平均值为0.44，均小于1，呈现负异常；光石沟含矿黑云母伟晶岩的δEu 平均值为0.23（小于1），亦呈现负异常，两地均反映了富铀伟晶岩形成以结晶分异作用为主的成岩特点，且富铀伟晶岩在分异结晶过程中可能有长石从长英质岩浆中分离出来［19］。

图7 可以看出， Th、 Ta、 Zr、 Hf 呈峰值，Nb、 Ti、 P 呈谷值，说明富铀伟晶岩形成时可能有壳源物质的参与［19］，这也与研究区富铀伟晶岩中发育的同化混染现象相一致，暗示这些壳源物质的参与可能更有利于铀的富集，从侧面反映出Th、 Ta、 Zr、 Hf 可以作为该区铀矿找矿的间接指示元素。

图7 灰池子岩体外围富铀伟晶岩微量元素球粒陨石标准蜘蛛网图解（球粒陨石数据自Thompson，1982［20］）Fig. 7 Chondrite-normalized trace elements spidergram of uranium-rich pegmatite on the periphery of the Huichizi pluton

4 富铀黑云母伟晶岩的找矿标志

伟晶岩型铀矿是研究区近年来寻找铀矿的主攻方向之一，黑云母伟晶岩与铀矿化关系密切，而富铀黑云母伟晶岩直接控制着铀矿体的分布，因此，分析研究富铀黑云母伟晶岩的找矿标志，对指导今后的铀矿找矿工作具有重要意义。笔者通过对研究区富铀黑云母伟晶岩野外观察和地化分析，并与商丹地区光石沟铀矿床进行对比，从而提出以下找矿标志。

4.1 地质标志

从研究区和邻区光石沟铀矿床的黑云母伟晶岩分布看，黑云母伟晶岩主要分布于灰池子岩体外围300 m 以内，而富铀黑云母伟晶岩更接近于岩体，一般不超过200 m，其围岩为古元古界黑云斜长片麻岩、斜长角闪片麻岩、长英质片岩及大理岩以及中元古界峡河群黑云斜长片（麻）岩、二云石英片岩、斜长角闪岩等，由于部分熔融和岩浆的同化混染作用，使成矿元素（包括铀）发生迁移富集，为伟晶岩铀矿形成提供铀源［21］。因此，在花岗岩体的外接触带伟晶岩密集区，在靠近花岗岩体一侧的黑云母伟晶岩对铀成矿更有利。

4.2 野外岩石及其放射性标志

研究区富铀黑云母伟晶岩一般整体呈现肉红色，岩石色率因富含黑云母而相对较深，颜色相对较复杂，矿物颗粒粗大，结构构造相对复杂，常见与围岩发生同化混染现象。这些特点与光石沟铀矿具有相似性，可以作为该区富铀伟晶岩野外有效的岩石学找矿标志。高放射性强度是该区富铀黑云母伟晶岩最为直观的找矿标志。富铀黑云母伟晶岩比其它伟晶岩地面γ 总量要高，一般要大于80×10-6，同时，根据以往伽马能谱资料，富铀伟晶岩的钍含量较低， Th/U＜1。

4.3 岩石矿物组合标志

富铀黑云母伟晶岩主要矿物组合为钾长石（微斜长石）、斜长石、石英、黑云母，副矿物有晶质铀矿、独居石、磷灰石、磁铁矿等，金属矿物有黄铁矿、磁黄铁矿、辉钼矿等。与研究区的其他类型的伟晶岩相比，富铀伟晶岩一般具有钾长石（微斜长石）及黑云母含量较高、石英呈烟灰色或暗色和黄铁矿化发育的特点。微观观察研究发现黑云母与晶质铀矿常常紧密共生。黑云母呈鳞片状、团块状，黑云母密集处也是晶质铀矿最多处，晶质铀矿常以自形晶被黑云母包裹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，此外晶质铀矿边部常见有黄铁矿化［16］，且一般富铀伟晶岩中常见有相对较多的黄铁矿，而已有研究表明光石沟铀矿床的晶质铀矿富集程度与黑云母、更长石、黄铁矿、磷灰石、独居石等矿物的密集程度呈正相关关系［5］，说明研究区和光石沟晶质铀矿具有相似的富集规律。因此，富含黑云母及钾长石、烟灰色或颜色明显发暗的石英和黄铁矿的矿物组合可以作为研究区富铀伟晶岩野外判别的另外一个标志。

4.4 地球化学找矿标志

研究区富铀伟晶岩主量元素分析结果显示其具有富硅、铝过饱和、富钾、低固结指数、 Fe2O3/FeO＜1、低氧逸度等特征。虽与光石沟铀矿相比，本研究区富铀伟晶岩硅略高，而K、 Al、 Fe、 Mg 含量稍低等特征，但总体上与光石沟铀矿均具有相似的富硅、铝过饱和、富钾、低固结指数、 Fe2O3/FeO＜1、低氧逸度等特征，因此它们可以作为该区富铀伟晶岩的地球化学找矿标志。

研究区富铀伟晶岩稀土元素分析结果显示其具有轻重稀土分异程度低、 δEu 呈现负异常、稀土配分曲线倾斜不明显等特征，这与光石沟铀矿轻稀土富集、轻重稀土分异高和稀土配分曲线呈右倾的找矿标志明显不同，是研究区富铀伟晶岩另一个地球化学找矿标志。此外，其它微量元素分析数据显示研究区富铀伟晶岩与Th、 Ta、 Zr、 Hf 及V 和Mo等正相关关系［7］，这一特点与光石沟铀矿具有一定的相似性，说明这几种元素也可作为该区富铀伟晶岩的地球化学找矿标志。